DE10031229C1 - Stromabhängiges resistives Bauelement - Google Patents

Stromabhängiges resistives Bauelement

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zu schaffen, das in Abhängigkeit von der Größe eines durch das Bauelement fließenden Konstantstromes einen hohen oder einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist und sich damit insbesondere als Schalter, Sensor oder Speicherelement einsetzen lässt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bauelement gelöst, das in Mehrschichtbauweise mit einem an sich bekannten Schichtsystem aufgebaut ist, bei dem zwei ferromagnetische Manganat-Schichten (2) durch eine epitaktisch aufgewachsene und wenige Nanometer dicke Schicht (3) aus einem Isolatormaterial getrennt sind, wobei jedoch die Manganat-Schicht (2) nur 1 nm bis 10 nm dick ist und an einer der Manganat-Schichten (2) Stromanschlüsse (4; 5) zur Zuführung eines Konstantstromes sowie Spannungsabgriffanschlüsse (6; 7) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, das in Abhängigkeit von der Größe eines durch das Bauelement fließenden Konstantstromes einen hohen oder einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist. Das Umschalten des Widerstands tritt bei bestimmten Stromwerten auch durch Einwirkung eines Magnetfeldes auf. Das erfindungsgemäße Bauelement ist insbesondere als Schalter, Sensor oder Speicherelement verwendbar.
Es sind bereits Bauelemente bekannt, bei denen magnetoresistive Effekte ausgenutzt werden und die sich für verschiedene Applikationen eignen, beispielsweise als Bewegungssensoren oder in Schreib-/Leseköpfen für magnetische Speichermedien. Dabei wird das Phänomen ausgenutzt, nach dem sich der Wert des ohmschen Widerstands magnetoresistiver Materialien in Abhängigkeit von der dort herrschenden Magnetisierung ändert. Diese Widerstandsänderung wird mit Hilfe üblicher Messmethoden ermittelt, beispielsweise indem die Änderung der Stärke des durch das Material fließenden Stromes erfasst wird.
So ist beispielsweise aus der US 5 134 533 eine auf diesem Effekt beruhende Sonde bekannt, die als Funktionselement eine Mehrschichtstruktur enthält, welche aus einer Stapelung von Schichten aus einem magnetischen Material, die durch Schichten aus einem unmagnetischen Material voneinander getrennt sind, besteht. Hierbei ist das magnetische Material aus einer mit den Metallen Fe, Co und Ni gebildeten Gruppe ausgewählt, während das unmagnetische Material unter den Metallen Mn, Cr V und Ti ausgewählt ist. Bei dieser Sonde tritt unter der Einwirkung eines Magnetfeldes im magnetischen Material ein Übergang zwischen dem Zustand mit antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung benachbarter magnetischer Schichten und dem Zustand der parallelen Ausrichtung ein, der für einen Schalteffekt genutzt wird.
Es sind außerdem nichtlineare spannungsabhängige elektrische Widerstände bekannt, welche aus Schichtstapeln aus einer Heißleiterkeramik auf der Basis von Manganoxid und einem oxidischen Isolator aufgebaut sind, wobei die Schichtdicken im Bereich einiger µm liegen (DE 40 30 479 A1). In diesen nichtlinearen keramischen Widerständen erfolgt bei ausreichend großen Stromdichten eine (lokale) Erwärmung der Heißleiterkeramik, wodurch der elektrische Widerstand stark absinkt. Aufgrund der vergleichsweise großen Schichtdicken werden Ströme oberhalb eines von der konkreten Dimensionierung abhängigen Grenzwertes im Bereich von mA benötigt. Eine geordnete magnetische Struktur wird für die nichtlinearen Keramikwiderstände nicht angegeben, so dass ihr elektrisches Verhalten offenbar nicht durch Anwendung eines Magnetfelds gezielt modifiziert werden kann.
Weiterhin ist ein antiferromagnetisches isolierendes Manganoxid mit MnO3 als Matrix bekannt, welches unter Einwirkung eines elektrischen Feldes oder eines elektrischen Stromes ausreichender Größe einen ferromagnetischen Metallzustand mit stark verringertem elektrischem Widerstand annimmt (EP 864 538 A1). Dabei handelt es sich beispielsweise um einen massiven Kristall aus Pr1-xCaxMnO3, bei dem unter Feld- oder Stromeinfluß ein metallischer Leitungskanal im Material erzeugt wird. Die erforderlichen Magnetfelder dafür haben die Größenordnung von 1 Tesla, und es müssen Spannungen um 100 V angelegt werden. Die Lage und Stabilität des Leitungspfades innerhalb der isolierenden Matrixphase hängt stark von der thermischen Vorgeschichte und von früheren Auslagerungen im Magnetfeld ab. Aus diesem Grund ist es auch schwierig, das für einen Sensor oder ein Speicherelement notwendige reproduzierbare Verhalten sicherzustellen.
Es ist auch bereits ein Schichtsystem bekannt, bei dem zwei ferromagnetische Manganat-Schichten durch eine epitaktisch aufgewachsene und wenige Nanometer dicke Tunnelschicht aus einem Isolatormaterial getrennt sind (M. Viret et al., Europhys. Lett. 39 (5), pp. 545-549 (1997)). Die Manganatschichten sind hierbei 25 nm und 33 nm dick. An diesem Schichtsystem wurden beim Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Manganat-Schichten unter der Einwirkung eines Magnetfeldes ebenfalls sprungartige Veränderungen des Widerstandes in der Richtung senkrecht zum Schichtsystem festgestellt, die auch hier im Übergang zwischen dem Zustand der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung benachbarter magnetischer Schichten und dem Zustand der parallelen Ausrichtung ihre Ursache haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement zu schaffen, das in Abhängigkeit von der Größe eines durch das Bauelement fließenden Konstantstromes einen hohen oder einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweist und sich damit insbesondere als Schalter, Sensor oder Speicherelement einsetzen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bauelement gelöst, das in Mehrschichtbauweise mit einem Schichtsystem aufgebaut ist, bei dem zwei ferromagnetische Manganat-Schichten durch eine epitaktisch aufgewachsene und wenige Nanometer dicke Schicht aus einem Isolatormaterial getrennt sind, wobei die Manganat-Schichten 1 nm bis 10 nm dick sind und an einer der Manganat-Schichten Stromanschlüsse zur Zuführung eines Konstantstromes sowie Spannungsabgriffanschlüsse angeordnet sind.
Die in dem erfindungsgemäßen Bauelement verwendeten sehr dünnen Manganat-Schichten weisen in einem bestimmten Temperaturbereich unterhalb der ferromagnetischen Ordnungstemperatur des Manganats in Abhängigkeit von der Größe eines vorgegebenen Konstantstromes zwei Zustände mit deutlich verschiedenem elektrischen Widerstand auf. Damit können, im Unterschied zu den bekannten Tunnelmagnetowiderstandselementen, die beiden Widerstandszustände durch Vorgabe der Stromgröße geschaltet werden. Das Bauelement weist darüber hinaus aber auch ein durch Anlegen eines Magnetfeldes beeinflusstes Schaltverhalten des elektrischen Widerstandes auf. Beide Effekte lassen sich auch vorteilhaft miteinander kombiniert applikativ nutzen.
Die konkrete Dicke der Manganat-Schichten ist in dem erfindungsgemäß angegebenen Dickenbereich bei der praktischen Umsetzung abhängig von den für die Schichten verwendeten Werkstoffen und der Mikrostruktur der Schichten sowie von der Dicke der Isolatormaterial-Schichten. Dabei ist davon auszugehen, dass sich mit einer Dicke der Manganat-Schichten im Bereich von 2 nm bis 4 nm besonders günstige Eigenschaften erzielen lassen. Bei der Festlegung der Dicke ist noch zu beachten, dass bei zu groß gewählter Dicke die Manganat- Schichten unterhalb der ferromagnetischen Ordnungstemperatur Tc metallisch sind und eine lineare Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung, also einen konstanten Widerstand, zeigen. Andererseits besitzen zu dünne Manganat-Schichten Eigenschaften wie ein elektrischer Isolator mit extrem großen, der Messung praktisch nicht zugänglichen Widerstandswerten.
In vorteilhafter Weise besteht die ferromagnetische Manganat- Schicht aus einem Material der allgemeinen Formel R1-xAxMnO3+d, worin R für La, ein Seltenerdelement, Y oder einer Mischung aus mehreren dieser Elemente steht, A ein zweiwertiges Metall ist und d = -0,1 bis 0,05 beträgt. Ein bevorzugter Werkstoff ist darin La0,7Sr0,3MnO3.
Die Isolatormaterial-Schicht ist vorzugsweise 2 nm bis 3 nm dick und kann zweckmäßigerweise eine epitaktisch aufgewachsene Schicht aus SrTiO3 sein.
Das Schichtsystem kann auf einem epitaktischen einkristallinen Substrat, das vorzugsweise aus SrTiO3(100) besteht, angeordnet sein.
Eine besonders zweckmäßige Ausführungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Bauelements besteht darin, dass dieses mit mehreren Isolatormaterial-Schichten und mit mehreren Manganat- Schichten aufgebaut ist, wobei die Isolatormaterial-Schichten und die Manganat-Schichten alternierend übereinandergeschichtet sind.
Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1: ein Bauelement in schematischer Darstellungsweise,
Fig. 2: ein an dem Bauelement von Fig. 1 gemessenes Diagramm mit dem Verlauf des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit vom Wert des Konstantstromes,
Fig. 3: ein an dem Bauelement von Fig. 1 gemessenes Diagramm mit dem Verlauf des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von verschiedenen Magnetfeldern,
Fig. 4: ein an einem weiteren Bauelement gemessenes Diagramm mit dem Verlauf des elektrischen Widerstands in Abhängigkeit von verschiedenen Magnetfeldern.
Beispiel 1
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Bauelement sind auf einem 500 µm dicken einkristallinem Substrat 1 aus SrTiO3(100) 20 Manganat-Schichten 2 und 19 Isolatormaterial-Schichten 3 alternierend übereinandergeschichtet. Die Manganat-Schichten 2 bestehen aus La0,7Sr0,3MnO3, weisen eine Dicke von 3,2 nm auf und sind unter Verwendung stöchiometrischer Targets mittels gepulster Laserdeposition in einer Atmosphäre mit 0,2 bis 0,8 mbar Sauerstoff hergestellt worden. Die Isolatormaterial- Schichten 3 bestehen aus epitaktisch aufgewachsenem SrTiO3 und sind ebenfalls 3,2 nm dick. Die oberste Manganat-Schicht 2 ist mit 2 Stromanschlüssen 4; 5 und mit 2 Spannungsabgriff­ anschlüssen 6; 7 kontaktiert.
Beim Speisen der Stromanschlüsse 4; 5 mit unterschiedlichen Konstantströmen ergibt sich bei einer Temperatur von 5,5 K das aus Fig. 2 ersichtliche Widerstandsverhalten gemäß Kurve 1. Die Widerstandswerte wurden dabei aus den an den Spannungsabgriffanschlüssen 6; 7 gemessenen Spannungswerten ermittelt. Die Kurve 1 zeigt, dass bei einem Konstantstromwert von 12 µA die Manganat-Schichten 2 einen hohen Widerstandswert von 950 Ω besitzen, während sie bei einem Konstantstromwert von 11 µA einen Widerstand von nur noch 250 Ω aufweisen.
Es besteht die Möglichkeit, die Kennwerte des Bauelements durch eine Wärmebehandlung so zu verändern, dass das Baulement das aus Fig. 2 ersichtliche Widerstandsverhalten gemäß Kurve 2 zeigt. Dieses Widerstandsverhalten wurde durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550°C während einer Dauer von 24 h erreicht und bei einer Messtemperatur von 38 K gemessen.
Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt die Widerstandskurven des nicht wärmebehandelten Bauelements bei 5,5 K unter der Einwirkung verschieden starker Magnetfelder und bei unterschiedlichen Konstantströmen von 1 µA, 10 µA, 11 µA und 12 µA.
Mit den vorliegenden Eigenschaften ist es möglich, das Bauelement als stromabhängigen Schalter sowie als Magnetfeldsensor, magnetoresistiven Schalter oder magnetisches Speicherelement zu verwenden.
Beispiel 2
Dieses Beispiel betrifft ein Bauelement, das hinsichtlich seines Aufbaus und der verwendeten Werkstoffe identisch mit dem im Beispiel 1 beschriebenen, nicht wärmebehandelten Bauelement ist. Die Unterschiede bestehen in der Dicke der Manganat- Schichten und der Isolatormaterial-Schichten. Diese Schichten sind hier nur 2 nm dick.
Das Bauelement zeigt unter der Einwirkung von Magnetfeldern das in Fig. 4 dargestellte Widerstandsverhalten.
Auch dieses Bauelement kann als stromabhängiger Schalter sowie als Magnetfeldsensor, magnetoresistiver Schalter oder magnetisches Speicherelement verwendet werden.

Claims (8)

1. Stromabhängiges resistives Bauelement, insbesondere verwendbar als Schalter, Sensor oder Speicherelement, aufgebaut in Mehrschichtbauweise mit einem Schichtsystem, bei dem zwei ferromagnetische Manganat-Schichten (2) durch eine epitaktisch aufgewachsene und wenige Nanometer dicke Schicht (3) aus einem Isolatormaterial getrennt sind, wobei die Manganat- Schichten (2) 1 nm bis 10 nm dick sind und an einer der Manganat-Schichten (2) Stromanschlüsse (4; 5) zur Zuführung eines Konstantstromes sowie Spannungsabgriffanschlüsse (6; 7) angeordnet sind.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Manganat-Schicht (2) eine Dicke von 2 nm bis 4 nm hat.
3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Manganat-Schicht (2) aus einem Material der allgemeinen Formel R1-xAxMnO3+d besteht, worin R für La, ein Seltenerdelement, Y oder einer Mischung aus mehreren dieser Elemente steht, A ein zweiwertiges Metall ist und d = -0,1 bis 0,05 beträgt.
4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Manganat-Schicht aus La0,7Sr0,3MnO3 besteht.
5. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatormaterial-Schicht (3) 2 nm bis 3 nm dick ist.
6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatormaterial-Schicht (3) eine epitaktisch aufgewachsene Schicht aus SrTiO3 ist.
7. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem auf einem epitaktischen einkristallinen Substrat (1), das vorzugsweise aus SrTiO3(100) besteht, angeordnet ist.
8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses mit mehreren Isolatormaterial-Schichten (3) und mit mehreren Manganat-Schichten (2) aufgebaut ist, wobei die Isoliermaterial-Schichten (3) und die Manganat-Schichten (2) alternierend übereinandergeschichtet sind.
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