Nanofabrication of spintronic devices on semiconductor materials

In recent years the growing interest in spintronics, fueled plenty of research on this matter. Spintronics is a rising field of electronics which, in addition to the electric charge of electrons, exploits their magnetic properties (the spin) to codify and elaborate data. This additional degree of freedom could greatly improve the current state of data transmission speed and storage. The purpose of this thesis work was the fabrication of three different spintronic devices on semiconductor materials for the study of spin currents generation, transport and detection. This thesis work has been performed in collaboration with the research activities of the SemiSpin group of the Physics Department of Politecnico di Milano. The samples under study in this thesis, indeed, will be optically characterized in the colleagues’ laboratory. The devices were built using lightly doped germanium or silicon substrates and the fabrication process required the use of well known methods in the semiconductor industry such as electron beam lithography, reactive ion etching and electron beam evaporation. However, the general techniques needed to be fine-tuned to our specific needs: a fast lift-off process in a heated NEP solution is developed to avoid material redeposition; a selective doping procedure using spin-on-dopant is performed to allow for the realization of ohmic contacts over lightly doped silicon; a study on the quality of the oxide deposited in the L-NESS laboratory is conducted to find an adequate oxide thickness for insulating purpose.

Negli ultimi anni il crescente interesse nella spintronica, ha alimentato molte ricerche in materia. La spintronica è un nascente campo dell’elettronica il quale, oltre alla carica elettrica degli elettroni, sfrutta le loro proprietà magnetiche (lo spin) per codificare ed elaborare informazioni. Questo aggiuntivo grado di libertà potrebbe migliorare enormemente lo stato attuale di velocità di trasmissione e conservazione delle informazioni. Scopo di questa tesi è stata la fabbricazione di tre differenti dispositivi spintronici su materiale semiconduttore per lo studio della generazione, del trasporto e della rivelazione delle correnti di spin. Questo lavoro di tesi è svolto in collaborazione con le attività di ricerca del gruppo SemiSpin del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano. I campioni oggetto di studio di questa tesi, infatti, saranno poi caratterizzati otticamente presso il laboratorio dei colleghi. I dispositivi sono stati costruiti usando substrati leggermente drogati di germanio e silicio e il processo di fabbricazione ha richiesto l’uso di metodi ben conosciuti all’interno dell’industria dei semiconduttori come la litografia elettronica, il reactive ion etching e l’electron beam evaporation. In ogni caso, le tecniche generali hanno necessitato di una messa a punto per i nostri specifici bisogni: è stato sviluppato un processo di lift-off rapido in una soluzione NEP scaldata per evitare rideposizione del materiale; è stato realizzato un processo di drogaggio selettivo usando dello spin-ondopant per la costruzione di contatti Ohmici su silicio poco drogato; è stato condotto uno strudio sulla qualità dell’ossido depositato nel laboratorio L-NESS per trovare un adeguato spessore dell’ossido per scopi d’isolamento elettrico.