Nanofabrication of ge-based devices for spintronics applications

Spintronics is a branch of solid state physics that is gaining more and more relevance in these last years. It is similar to the classic electronics, but, in addition to the electric charge degree of freedom of charge carriers ,also the spin degree of freedom is exploited to codify and elaborate data. This additional degree of freedom could potentially bring strong improvements to the current state of data transmission speed and storage due to its peculiar properties. The purpose of this thesis work was the fabrication of different spintronic devices on semiconductor materials for the study of spin currents generation, transport and detection and the effects of strain on these properties. This thesis work has been performed in collaboration with the research activities of the SemiSpin group of the Physics Department of Politecnico di Milano and a group of research from IHP in Frankfurt. The samples under study in this thesis, indeed, will be optically characterized in the colleagues' laboratory while microRaman characterization will be carried out at IHP. The devices were built using lightly doped germanium and the only constraint in fabrication process was that only well known methods in the semiconductor industry such as electron beam lithography, reactive ion etching and electron beam evaporation could be used. However, the general techniques needed to be optimized to our specific needs: lift-off processes were refined finding the correct amount of time that ensures both easier removing and prevention of material redeposition. At the end of every fabrication process, electrical characterization was carried out to confirm the correct fabrication of every device.

La spintronica è una branca della fisica dello stato solido che negli ultimi anni sta guadagnando sempre più rilevanza. Questa scienza è un campo dell'elettronica su nanoscala che prevede il rilevamento e il controllo degli spin degli elettroni: i dispositivi spintronici sono basati sul controllo elettrico ottico o magnetico dello spin in sostituzione o in aggiunta all'utilizzo della carica dell'elettrone per le funzionalità di un dispositivo. Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato la fabbricazione di diversi dispositivi basati su semiconduttori utilizzabili nel campo della spintronica per lo studio della generazione di correnti di spin, il suo trasporto , il suo rilevamento e gli effetti dello strain su queste proprietà. Questo lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con le attività di ricerca del gruppo SemiSpin del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e con un gruppo di ricerca dell'Innovations for High Performance Microelectronics di Francoforte, Germania. I campioni studiati in questa tesi saranno caratterizzati otticamente nel laboratorio dei colleghi di Milano mentre le misure microRaman saranno eseguite a Francoforte. I dispositivi sono stati fabbricati usando un substrato di germanio leggermente drogato attraverso la combinazione di un processo di nanolitografia elettronica, di un processo di etching al plasma ed infine processi di evaporazione di dielettrici e contatti metallici. Nonostante ciò. queste tecniche sono state ottimizzate per venire incontro alle nostre necessità: i processi di rimozione del materiale depositato sono stati affinati trovando per ogni caso il tempo ottimale per prevenire la rideposizione del materiale e la sua corretta rimozione. Alla fine di ogni processo di fabbricazione sono state effettuate delle misure elettriche per verificare il corretto funzionamento di ogni singolo dispositivo.