Die Erfindung betrifft ein magnetisches Dünnschichtbauelement, das sich
insbesondere für eine bzgl. der Stromdurchlaßrichtung umschaltbare
Diode und daraus aufgebauter frei programmierbarer logischer Arrays
einsetzen läßt.The invention relates to a magnetic thin-film component, which
in particular for a switchable with respect to the current transmission direction
Diode and freely programmable logic arrays constructed from it
can be used.
Derzeit bekannte frei programmierbare logische Gate-Arrays benötigen
für die Umschaltgatter Halbleiterbauelemente, die mit Hilfe eines
gespeicherten Ladungszustandes die Funktion der Gatter festlegen. Dafür
werden ferroelektrische Substanzen verwendet, die prinzipiell in der
Lagen sind, eine Ladung über lange Zeit zu speichern und damit einen
definierten Zustand stabil zu halten. Nachteil derartiger Anordnungen ist
zum einen, daß es bei einer Umprogrammierung zu mechanischen
Belastungen der Speicherschicht kommt, was zur Folge hat, daß die Zahl
der Umschaltzyklen deutlich begrenzt ist. Darüber hinaus werden für
langzeitstabile Speicherelemente große Ladungsmengen und damit große
Flächen benötigt, was wiederum die Integrationsdichte derartiger
Bauelemente beschränkt.Currently known programmable logic gate arrays need
for the switching gate semiconductor components that with the help of a
stored charge state determine the function of the gate. Therefore
ferroelectric substances are used, which are principally used in the
Layers are to store a load for a long time and thus one
to keep the defined state stable. Such arrangements are disadvantageous
firstly, that when reprogramming to mechanical
Loads on the storage layer comes up, which results in the number
the switching cycles is clearly limited. In addition, for
long-term stable storage elements large amounts of charge and thus large
Surfaces needed, which in turn the integration density of such
Components limited.
Weiterhin sind magnetische Dünnschichtbauelemente, die vorzugsweise
als Magnetfeldsensoren Verwendung finden, und die mehrere
magnetische Schichten beinhalten bspw. aus DE 197 01 509 A1;
DE 42 43 358 A1; US 5,705,973; US 5,635,835; US 5,677,625 und
JP 08-088 424 A bekannt. Ferner wird in JP 09-092 905 A beschrieben,
daß in Mehrlagenschichten durch Nutzung von inneren mechanischen
Spannungen in Kombination mit der Magnetostriktion die Richtung der
Magnetisierung ausschließlich in der Schichtebene der Einzellagen
wahlfrei einstellbar ist. Vorstehend genannte Schriften geben jedoch
keinen Hinweis auf vorliegende Erfindung.Magnetic thin film devices are also preferred
find use as magnetic field sensors, and the several
Magnetic layers include, for example, from DE 197 01 509 A1;
DE 42 43 358 A1; US 5,705,973; US 5,635,835; US 5,677,625 and
JP 08-088 424 A known. Furthermore, JP 09-092 905 A describes
that in multilayer layers by using internal mechanical
Tensions in combination with magnetostriction the direction of
Magnetization only in the layer level of the individual layers
is freely adjustable. However, the above writings give
no reference to the present invention.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, magnetische
Dünnschichtbauelemente vorzuschlagen, die einerseits kompatibel zu
bekannten Halbleiteranordnungen und -technologien sein sollen und eine
hohe Integrationsdichte ermöglichen. Andererseits sollen diese
Dünnschichtbauelemente eine hohe Langzeitstabilität aufweisen und
damit alle Effekte, die zum Ermüdungsverhalten nach dem Stand der
Technik vergleichbarer ferroelektrischer Anordnungen führen,
vermeiden.The invention is based, magnetic
Propose thin-film components that are compatible on the one hand
should be known semiconductor devices and technologies and a
enable high integration density. On the other hand, they should
Thin-film components have a high long-term stability and
thus all effects related to fatigue behavior according to the state of the
Technology of comparable ferroelectric arrangements,
avoid.
Die Erfindung nutzt die Abhängigkeit des Widerstandes eines
Schichtsystems, bestehend aus ferro- und nichtferromagnetischen
Schichten. Der elektrische Widerstand einer solchen Anordnung ist groß,
wenn die Richtung der Magnetisierung benachbarter Magnetschichten
antiparallel ist und klein, wenn die Richtung der Magnetisierung
benachbarter Magnetschichten parallel ist. Dies wird schon für
magnetoresistive Sensoren sowie potentiell für MRAMs (magnetischer
RAM) ausgenutzt. Dabei tritt der genannte Effekt auf, wenn der Strom
sowohl in CIP (Current in-plane) als auch in CPP (Current perpendicular
plane) fließt. Die vorliegende Erfindung bedient sich eines weiteren
Effektes, nämlich der Drehung der Richtung des Spins eines Elektrons
beim Durchgang durch eine ferromagnetische Schicht, so wie es von
Oberli et al. (Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4228-4231), für spinpolarisierte
Elektronen, die im Vakuum erzeugt werden und deren Transmission
durch eine freitragende ferromagnetische Schicht bestimmt wurde,
beschrieben ist. Diese Drehung tritt genau dann auf, wenn die Richtung
des Spins des Elektrons senkrecht auf der Richtung der Magnetisierung
einer ferromagnetischen Schicht steht. Bei dem Durchgang der
Elektronen tritt eine linear von der Länge des Weges abhängige Drehung
auf, die bei Cobalt etwa 90° bezogen auf 6 µm Schichtdicke beträgt.
Diese Drehung soll in einem erfindungsgemäßen
Dünnschichtbauelement, bestehend aus zumindest drei magnetischen
Teilschichten, die durch nichtmagnetische Schichten getrennt sind, zur
praktischen Anwendung gelangen. Die Funktion der nichtmagnetischen
Schichten 4, 5 besteht ausschließlich darin, eine direkte magnetische
Wechselwirkung zwischen den magnetischen Teilschichten 1, 2, 3
auszuschließen, d. h. die Richtungen der Magnetisierungen m1, m2, m3
wahlfrei einstellen zu können. Sie müssen außerdem gewährleisten, daß
die Richtung des Spins der Elektronen, die in diese Schichten aus den
ferromagnetischen Teilschichten eintreten, während des Durchlaufens
nicht geändert wird. Dies kann einerseits dadurch gewährleistet werden,
daß diese Schichten ultradünn sind. Dies bedeutet z. B. für
Isolatorschichten typische Dicken zwischen 1-3 nm. Analoges gilt für gut
leitfähige metallische Schichten. Je nach Material (z. B. Cu, Ag, Au)
sollte hier die Dicke zwischen 1-6 nm liegen. Bei Verwendung
halbleitender Schichten kann sie aber auch deutlich größer sein (5-
1000 nm), wenn durch z. B. eine sehr hohe Beweglichkeit und niedrige
Elektronendichte ein ballistischer Transport über große Wegstrecken
erreicht werden kann, z. B. in Form eines 2DEG (2dim. Elektronengas).
Im Rahmen der Erfindung kommen bei der Betrachtung eines einzelnen
Bauelements mindestens drei magnetische Teilschichten 1, 2, 3. zum
Einsatz. Dabei zeigen die Fig. 1, 2 und 4 stark schematisiert
unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten der vorgesehenen
magnetischen Teilschichten. Die erste und nach außen mit einer
elektrischen Kontaktierung 6 versehene ferromagnetische Teilschicht 1
ist für die Injektion eines hinreichend stark polarisierten Stromes
verantwortlich, die durch eine unterschiedliche Dichte der Elektronen,
deren Spin parallel bzw. antiparallel zur homogenen Magnetisierung m1
der Schicht verursacht wird. Die zweite ferromagnetische Teilschicht 2,
deren Magnetisierung m2 senkrecht zur Magnetisierung m1 der ersten
Teilschicht 1 aufgeprägt ist, bewirkt die Drehung der Richtung des Spins,
und zwar senkrecht zur Magnetisierungsrichtung m2 dieser Teilschicht
und senkrecht zur Ausgangsspinrichtung des polarisierten Stromes. Die
Dicke dieser zweiten Teilschicht ist so zu wählen (z. B. für Co ca. 6 nm),
daß die Drehung der Richtung des Spins 90° beträgt. Die Richtung der
Magnetisierung m3 der dritten ferromagnetischen Teilschicht 3 ist derart
aufgeprägt, daß sie wiederum senkrecht zur Richtung der Magnetisierung
der ersten und der zweiten Teilschicht 1, 2 steht. Dadurch ergibt sich, daß
der Spin der polarisierten Elektronen beim Eintritt in die dritte
magnetische Teilschicht entweder parallel oder antiparallel zur Richtung
der Magnetisierung in dieser Teilschicht steht. Je nach paralleler oder
antiparalleler Stellung ergibt sich damit ein hoher oder niedriger
elektrischer Widerstand des gesamten, die magnetischen Teilschichten
1, 2, 3 beinhaltenden Schichtsystems. Fließt der Strom in der
entgegengesetzten Richtung, d. h. von der dritten magnetischen
Teilschicht in die zweite und erste, ergibt sich analog zum vorstehend
beschrieben Fall in der mittleren magnetischen Teilschicht 2 eine
Drehung der Richtung des Spins um 90° und damit eine parallele oder
antiparallele Stellung der Richtung der Polarisation der Elektronen zur
Richtung der Magnetisierung in der ersten magnetischen Teilschicht,
woraus wiederum ein hoher oder niedriger elektrischer Widerstand des
gesamten Schichtsystems folgt. Bei Vergleich der beiden
Stromrichtungen stellt man fest, daß der Widerstand bei Stromfluß in
Richtung 1-2-3 in Betrag genau das entgegengesetzte Verhalten zum
Stromfluß 3-2-1 aufweist, d. h. ist der Widerstand in Richtung 1-2-3
niedrig, so ist er für 3-2-1 hoch und umgekehrt.
The invention uses the dependence of the resistance of a layer system consisting of ferro- and non-ferromagnetic layers. The electrical resistance of such an arrangement is high when the direction of magnetization of adjacent magnetic layers is anti-parallel and low when the direction of magnetization of adjacent magnetic layers is parallel. This is already being used for magnetoresistive sensors and potentially for MRAMs (magnetic RAM). The effect mentioned occurs when the current flows in both CIP (Current in-plane) and CPP (Current perpendicular plane). The present invention makes use of another effect, namely the rotation of the direction of the spin of an electron as it passes through a ferromagnetic layer, as described by Oberli et al. (Phys. Rev. Lett. 81 ( 1998 ) 4228-4231), for spin-polarized electrons that are generated in a vacuum and whose transmission was determined by a self-supporting ferromagnetic layer. This rotation occurs precisely when the direction of the spin of the electron is perpendicular to the direction of magnetization of a ferromagnetic layer. During the passage of the electrons, a rotation occurs which is linearly dependent on the length of the path and, in the case of cobalt, is approximately 90 ° in relation to a layer thickness of 6 μm. This rotation is to be put to practical use in a thin-film component according to the invention, consisting of at least three magnetic sub-layers which are separated by non-magnetic layers. The function of the non-magnetic layers 4 , 5 consists exclusively in excluding a direct magnetic interaction between the magnetic sub-layers 1 , 2 , 3 , that is to say that the directions of the magnetizations m1, m2, m3 can be set as desired. You must also ensure that the direction of the spin of the electrons entering these layers from the ferromagnetic sub-layers is not changed during the passage. This can be ensured on the one hand by the fact that these layers are ultra-thin. This means e.g. B. for insulator layers typical thicknesses between 1-3 nm. The same applies to highly conductive metallic layers. Depending on the material (e.g. Cu, Ag, Au) the thickness should be between 1-6 nm. When using semiconducting layers, it can also be significantly larger (5- 1000 nm), if by z. B. a very high mobility and low electron density a ballistic transport can be achieved over long distances, z. B. in the form of a 2DEG (2dim. Electron gas). Within the scope of the invention, when considering a single component, at least three magnetic sub-layers 1 , 2 , 3 are obtained . for use. Here, Figs. 1, 2 and 4 show highly schematically different possible arrangements of the intended magnetic sublayers. The first and externally provided with an electrical contact 6 ferromagnetic partial layer 1 is responsible for the injection of a sufficiently strongly polarized current, which is caused by a different density of the electrons, the spin of which is parallel or antiparallel to the homogeneous magnetization m1 of the layer. The second ferromagnetic sublayer 2 , the magnetization m2 of which is impressed perpendicular to the magnetization m1 of the first sublayer 1 , causes the direction of spin to rotate, namely perpendicular to the magnetization direction m2 of this sublayer and perpendicular to the output spin direction of the polarized current. The thickness of this second partial layer is to be selected (for Co, for example, about 6 nm) so that the rotation of the direction of the spin is 90 °. The direction of the magnetization m3 of the third ferromagnetic sublayer 3 is stamped in such a way that it is in turn perpendicular to the direction of the magnetization of the first and second sublayer 1 , 2 . As a result, the spin of the polarized electrons is either parallel or antiparallel to the direction of the magnetization in this partial layer when it enters the third magnetic partial layer. Depending on the parallel or antiparallel position, this results in a high or low electrical resistance of the entire layer system containing the magnetic partial layers 1 , 2 , 3 . If the current flows in the opposite direction, ie from the third magnetic sublayer into the second and first, analogously to the case described above, a rotation of the direction of the spin by 90 ° results in the central magnetic sublayer 2 and thus a parallel or antiparallel position of the Direction of the polarization of the electrons to the direction of magnetization in the first magnetic sublayer, which in turn results in a high or low electrical resistance of the entire layer system. When comparing the two current directions, it is found that the resistance when the current flows in the direction 1-2-3 has exactly the opposite behavior to the current flow 3-2-1 , ie the resistance in the direction 1-2-3 is low, so it is high for 3-2-1 and vice versa.
Damit hat die beschriebene Anordnung die Funktion einer Diode.
Schaltet man durch ein äußeres Magnetfeld, was in den Beispielen nach
den Fig. 1 und 2 durch einen, über einer elektrischen Isolatorschicht 8
aufgebrachten und mit einem Stromimpuls beaufschlagbaren
Streifenleiter 7 bewerkstelligt werden kann, die Richtung der
Magnetisierung genau einer magnetischen Teilschicht um, wobei es
gleichgültig ist, welche der Teilschichten die Richtung der
Magnetisierung um 180° umkehrt, es wird im Normalfall die mit der
kleinsten Anisotropiefeldstärke sein, so wird aus der Durchlaß eine
Sperr-Richtung und aus der gesperrten Richtung die Durchlaßrichtung.
Damit ist die angestrebten Funktion einer magnetisch schaltbaren Diode
realisiert. Es liegt im Rahmen des vorstehend beschriebenen Beispiels,
daß auch zwei oder drei Magnetisierungsrichtungen umgeschaltet werden
können. Als Materialien für die genannten magnetischen Teilschichten
1, 2, 3 kommen bspw. nach dem Stand der Technik bekannte epitaxiale
Schichten, wie La-Perovskite, in einem Magnetfeld abgeschiedene
Permalloyschichten oder auch Sandwichaufbauten, wie in Fig. 3
schematisch angedeutet, zum Einsatz. Sind bei letzteren die jeweiligen
Co-Schichten sehr dünn (≦ 1 nm), dann ergibt sich aufgrund der starken
Grenzflächenanisotropie eine spontan senkrechte Magnetisierung der
magnetischen Teilschicht, im Beispiel der Fig. 1 der Teilschicht 3.The arrangement described thus has the function of a diode. If one switches through an external magnetic field, which can be accomplished in the examples according to FIGS. 1 and 2 by a strip conductor 7 , which is applied over an electrical insulator layer 8 and can be acted upon by a current pulse, the direction of the magnetization of exactly one partial magnetic layer, whereby it it is irrelevant which of the sub-layers reverses the direction of the magnetization by 180 °, it will normally be the one with the smallest anisotropy field strength, so the passage becomes a blocking direction and the blocked direction the passing direction. The desired function of a magnetically switchable diode is thus realized. It is within the scope of the example described above that two or three magnetization directions can also be switched. The materials for the magnetic partial layers 1 , 2 , 3 mentioned are, for example, epitaxial layers known from the prior art, such as La-Perovskite, permalloy layers deposited in a magnetic field or sandwich structures, as indicated schematically in FIG. 3. If the respective Co layers in the latter are very thin (≦ 1 nm), then the strong interface anisotropy results in a spontaneously perpendicular magnetization of the magnetic sublayer, in the example of FIG. 1 the sublayer 3 .
Die vorstehend beschriebene Diodenfunktion setzt die Spinerhaltung
beim Durchgang durch die nichtferromagnetischen Schichten 4, 5 voraus,
was durch o. g. Schichtdicken bzw. Kanallängen gegeben ist. Durch die
große mögliche Kanallänge (vgl. bspw. Fig. 2) in Halbleiterstrukturen ist
ein Einsatz derartiger Anordnungen zu integrierten logischen Strukturen
gegeben. Im Falle eines Aufbaus von z. B. AND- oder OR-Gattern mit
derartigen Strukturen gelingt es, durch die Umschaltung der Richtung der
Magnetisierung einer der magnetischen Teilschichten die Art des Gatters
zu wechseln (AND wird z. B. NAND). Damit können derartige
Anordnungen benutzt werden, um FPLGAs (frei programmierbare
logische Gate-Arrays) aufzubauen, die magnetisch programmierbar sind.
Im Falle einer vertikalen Anordnung dreier magnetischer Teilschichten,
bspw. nach Fig. 1, und einer mehrfachen Anordnung solcher
Schichtpakete in einem Array lassen sich hochintegrierte Anordnungen
schaffen. Die magnetischen Eigenschaften der beschriebenen
magnetischen Dünnschichtanordnung sind bis in den tiefen sub-µm-
Bereich skalierbar, wodurch deutlich höhere Integrationsdichten
erreichbar sind, als sie bei FPLGAs nach dem heutigen Stand der Technik
möglich sind.The diode function described above presupposes spin maintenance when passing through the non-ferromagnetic layers 4 , 5 , which is given by the above-mentioned layer thicknesses or channel lengths. Due to the large possible channel length (see, for example, FIG. 2) in semiconductor structures, such arrangements for integrated logic structures are used. In the case of a construction of e.g. B. AND or OR gates with such structures succeed in changing the type of gate by switching the direction of magnetization of one of the magnetic sub-layers (AND becomes z. B. NAND). Arrangements of this type can thus be used to build up FPLGAs (freely programmable logic gate arrays) which are magnetically programmable. In the case of a vertical arrangement of three magnetic partial layers, for example according to FIG. 1, and a multiple arrangement of such layer packets in an array, highly integrated arrangements can be created. The magnetic properties of the magnetic thin-film arrangement described can be scaled down to the deep sub-µm range, as a result of which significantly higher integration densities can be achieved than are possible with FPLGAs according to the current state of the art.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den
Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the
Drawings features can be used both individually and in
any combination with each other be essential to the invention.