DE10114963A1

DE10114963A1 - Halbleiterelement mit einem semimagnetischen Kontakt

Info

Publication number: DE10114963A1
Application number: DE10114963A
Authority: DE
Inventors: Georg Schmidt; Laurens W Molenkamp
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2002-10-02
Also published as: WO2002075344A2; WO2002075344A3; CN100390561C; TW571450B; KR100583688B1; KR20030093249A; JP4058344B2; CN1509413A; US20040113188A1; DE10291108B4; US6963096B2; JP2004531881A; DE10291108D2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Halbleiterelement, umfassend einen ersten Kontakt 1 und einen zweiten Kontakt 3 sowie eine zwischen erstem und zweitem Kontakt angeordnete Schicht 2 eines nicht magnetischen Halbleiters, wobei der erste Kontakt 1 aus einem semimagnetischen Material besteht. Als semimagnetisches Material werden stark paramagnetische Materialien verwendet, deren Elektronenspins ohne eine Wirkung eines äußeren Magnetfeldes keine Vorzugsrichtung aufweisen. Unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes werden die Elektronen im ersten Kontakt 1 spinpolarisiert. Hierdurch kommt es bei Anlegen einer Spannung zur Injektion spinpolarisierter Elektronen in den nichtmagnetischen Halbleiter 2. Dadurch kann im nichtmagnetischen Halbleiter nur noch einer der Spinkanäle für den Transport der Ladungsträger verwendet werden, so dass ein positiver magnetoresistiver Effekt erhalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetoresistives Halbleiterele ment, sowie ein Speicherelement, einen Feldeffekttransistor und einen magnetischen Sensor, wie er insbesondere in Lese köpfen zum Auslesen von in magnetischen Speichermedien ge speicherten Informationen verwendet wird, welche jeweils das magnetoresistive Halbleiterelement umfassen.

Die Magnetoelektronik und der spinpolarisierte Transport von Ladungsträgern haben im letzten Jahrzehnt eine rasante Ent wicklung durchgemacht. Diese Entwicklung wurde vor allem durch die Entdeckung des sogenannten Giant Magnetowiderstands (GMR) und des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) ausgelöst. Diese beiden Effekte ermöglichten es erstmals, ein Magnetfeld, bzw. eine Magnetisierungsinformation direkt in eine Widerstandsän derung umzusetzen. Beide Effekte basieren auf dem Transport spinpolarisierter Elektronen zwischen zwei ferromagnetischen Kontakten, wobei die relative Magnetisierung der beiden Kon takte ausschlaggebend für den Widerstand des Gesamtbauele ments ist. Der GMR wird hierbei in rein metallischen Struktu ren und der TMR in Strukturen mit einer oxidischen Tunnelbar riere zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten ge nutzt. Zur Zeit werden TMR-Strukturen für elektronisch aus lesbare Magnetspeicher MRAM verwendet, während der GMR kom merziell vor allem in der Magnetfeldsensorik und in Festplat tenleseköpfen genutzt wird.

Beim GMR wird in einem rein metallischen Bauelement mit zwei ferromagnetischen Kontakten, zwischen denen eine Schicht ei nes nichtmagnetischen metallischen Leiters angeordnet ist, die Widerstandsänderung zwischen paralleler und antiparalle ler Magnetisierung gemessen. Bei Anlegen eines externen Felds und damit paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen in be nachbarten ferromagnetischen Schichten sinkt der Widerstand des Bauelements. Die Impedanz eines solchen Elements ist auf grund der metallischen Leitfähigkeit schwer an Halbleiter schaltungen anzupassen was die Integration von GMR-Strukturen in solche Schaltungen erschwert.

1999 gelang R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt, A. Waag und L. W. Molenkamp (Nature 402, 787-790 (1999)) der Nachweis der Injektion spinpolarisierter Elektro nen in einen nichtmagnetischen Halbleiter durch Messung der zirkularen Polarisation des von einer Licht emittierenden Diode erzeugten Lichts. Die Polarisierung der Elektronenspins wurde erreicht, indem die Elektronen über einen Be_0,07Mn_0,03Zn_0,9Se-Halbleiterkontakt in einen GaAs-Halbleiter injiziert wurden. Durch Rekombination mit unpolarisierten Lö chern, welche von der gegenüberliegenden Seite der Schicht des GaAs-Halbleiters injiziert wurden, wurde zirkular polari siertes Licht erzeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein magnetoresistives Halblei terelement zur Verfügung zu stellen, welches den Nachweis auch sehr schwacher Magnetfelder ermöglicht, eine deutliche Änderung des Widerstands unter Einwirkung eines äußeren Ma gnetfelds zeigt (Steigerung von ΔR/R) und eine hohe Sensiti vität S aufweist (S = ΔR/R/ΔH).

Die Aufgabe wird gelöst durch ein magnetoresistives Halblei terelement, umfassend einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt, sowie eine zwischen dem ersten und dem zweiten Kon takt angeordnete Schicht eines nichtmagnetischen Halbleiters, wobei der erste Kontakt aus einem semimagnetischen Material besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement erfolgt der La dungstransport vom ersten Kontakt zum zweiten Kontakt entwe der nur durch Elektronen oder nur durch Löcher. Die Ladungs träger treten also durch den ersten semimagnetischen Kontakt in den nichtmagnetischen Halbleiter ein und werden am zweiten Kontakt wieder aus dem nichtmagnetischen Halbleiter extra hiert. Das erfindungsgemäße Halbleiterelement unterscheidet sich also von der oben beschrieben LED bereits, dass bei die ser von einem ersten Kontakt spinpolarisierte Elektronen in den nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden, diese im nichtmagnetischen Halbleiter aber mit unpolarisierten Lö chern, die vom zweiten Kontakt in den nichtmagnetischen Halb leiter injiziert werden unter Emission von Licht rekombinie ren. Der Ladungstransport in der Diode erfolgt also sowohl durch Elektronen wie auch durch Löcher. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Diode findet beim erfindungsgemäßen Halb leiterelement der Ladungstransport im Halbleiter nur durch Elektronen oder nur durch Löcher statt. Die beiden Halblei terelemente basieren also auf einem unterschiedlichen La dungstransport. Ferner besitzt das Halbleiterelement bevor zugt eine annähernd lineare I/V-Kennlinie.

Das erfindungsgemäße Bauelement wird zur Widerstandsmessung von einem Strom durchflossen. Es kann mit weiteren Halblei terelementen kombiniert werden, wobei in diesem Fall der Strom, solange er den Halbleiter nicht verlässt, von nur ei ner Ladungsträgersorte getragen. Diese Ladungsträger sind be vorzugt Elektronen. Andere Ströme, die im Falle einer Inte gration im Halbleiter fliessen, jedoch nicht der widerstands messung dienen, können auch von der jeweils anderen Ladungs trägersorte getragen werden und in ihrem Strompfad p-n- Übergänge enthalten. Als Halbleiter ist dabei die Strecke des Pfades eines zur Widerstandsmessung verwendeten Stroms von einem ersten metallischen oder metallartigen Kontakt, an dem der Strom in den halbleiter eintritt, bis zu einem weiteren metallischen oder metallartigen Kontakt, an dem der Strom den Halbleiter wieder verlässt. Als metallartige Kontakte werden Kontakte betrachtet, die vergleichbare Leitungseigenschaften aufweisen wie metallische Kontakte. Derartige Kontakte beste hem Beispiel aus Siliziden oder Polysilizium mit einer geeig net hohen Dotierung. In der beschriebenen Ausführungsform ist das magnetoresistive Halbleiterelement also in die vom Halb leiter gebildete Strecke integriert.

Eine p-n-Diode hat eine stark nicht-lineare Strom- Spannungscharakteristik. Eine kleine Spannungsänderung kann daher den differentiellen Widerstand ΔV/ΔI stark verändern. Aus diesem Grund wird eine p-n-Diode in einem Stromkreis, der zur Messung eines Widerstandes dient, vorzugsweise ver mieden.

Bei der von Fiederling et al. beschriebenen Diode wäre ein magnetoresistiver Effekt, wie er für das erfindungsgemäße Halbleiterelement beobachtet wird, auch nicht zu erwarten, da der Widerstand einer derartigen LED sehr hoch ist und durch ein äußeres Magnetfeld praktisch keine Veränderung des Wider standes eintritt.

Im Gegensatz zum GMR-Effekt erhöht sich der Widerstand des Halbleiterelements unter Einwirkung eines externen Magnet felds, es wird also ein positiver Magnetowiderstand gemessen, der bei vollständiger Polarisation der Leitungselektronen bis zu 100% betragen kann. Gemessen wird hierbei die Veränderung des Widerstands zwischen der Magnetisierung 0, d. h. ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds, und gleichsinniger Ma gnetisierung der Spins des Kontakts aus dem semimagnetischen Material unter Einwirkung eines äußeren Felds.

Als Halbleiterelement ist die Integration des erfindungsgemä ßen Halbleiterelements in mikroelektronische integrierte Schaltanordnungen problemlos möglich. Ferner können die er findungsgemäßen Halbleiterelemente auch problemlos mit ande ren elektronischen Elementen kombiniert werden, so dass neu artige Speicherelemente, wie MRAMS, oder Sensoren für Magnet felder hergestellt werden können. Da ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes die Leitungselektronen unpolarisiert sind und keine Winkelabhängigkeit der Polarisierung der Lei tungselektronen im äußeren Magnetfeld auftritt, ist der Aus gangszustand immer wohl definiert. Es ist ferner keine Kopp lung der Magnetisierungen von erstem und zweiten Kontakt er forderlich wie in GMR-Strukturen, weshalb die erfindungsgemä ßen Halbleiterelemente für eine wesentlich breitere Anwendung zur Verfügung stehen, indem der zweite Kontakt entsprechend modifiziert wird.

Wesentlich für ein magnetoresistives Halbleiterelement ist das Verhältnis der Änderung des Widerstands bei Einwirkung eines äußeren Felds zum Gesamtwiderstand des Elements ΔR/R. Für das erfindungsgemäße Halbleiterelement gilt, dass der Ge samtwiderstand des Bauelements nicht wesentlich größer sein darf als die Widerstandsänderung.

Unter einem semimagnetischen Material wird ein Material ver standen, welches einen starken Paramagnetismus aufweist. Wäh rend in ferromagnetischen Materialien die Spins gekoppelt sind, also die Leitungselektronen im Allgemeinen bereits ohne Einwirkung eines äußeren Felds eine Polarisierung aufweisen, weist ein semimagnetisches Material ohne Einwirkung eines ex ternen Magnetfelds unpolarisierte Leitungselektronen auf. Die Spins der Elektronen besitzen also keine Vorzugsausrichtung. Beim Anlegen eines externen Magnetfelds werden die Leitungse lektronen des Materials spinpolarisiert. Die Spinpolarisation kann z. B. durch eine große Zeeman-Aufspaltung der elektroni schen Niveaus hervorgerufen werden. Durch die starke Aufspal tung besetzen die injizierten Elektronen (bzw. Ladungsträger) das energetisch günstigere untere Zeeman-Niveau. Diese spin polarisierten Elektronen können anschließend in den nichtma gnetischen Halbleiter injiziert werden.

Als semimagnetische Materialien können Materialien mit einem großen g-Faktor eingesetzt werden. Der g-Faktor beschreibt den wirksamen Landefaktor eines Elektrons. Ein großer g- Faktor führt zu einer hohen Zeeman-Aufspaltung der Zustände. Um eine deutliche Änderung des Widerstandes des elektrischen Bauelements beobachten zu können sollte der g-Faktor vorzugs weise größer als 50 sein, insbesondere bevorzugt größer als 200. Geeignet sind z. B. verdünnt magnetische II/VI- Halbleiter. Besonders geeignet sind Halbleiter auf Basis von ZnMnSe. Die Spins des Mangans in undotierten oder n-dotierten ZnMnSe-(II/VI-Halbleitern) sind normalerweise antiferromagne tisch gekoppelt. Bei sehr niedrigen Mn-Konzentrationen und bei niedrigen Temperaturen führt die sp-d- Austauschwechselwirkung zu einem sehr großen g-Faktor von bis zu 100, was zu einer sehr großen Zeeman-Aufspaltung der Zu stände für die Leitungselektronen führt. Die magnetischen Mn- Ionen lassen sich isoelektronisch in den Halbleiter einbauen, so dass sich die Leitfähigkeit sowie die Art der Ladungsträ ger (Elektronen oder Löcher) durch den Einbau von weiteren Dotierungen steuern lässt. Für eine n-Dotierung eignet sich beispielsweise eine Dotierung mit Jod oder Chlor.

Weiter lassen sich auch III/V-Halbleiter verwenden, wie z. B. GaMnAs in nicht ferromagnetischer Phase oder InSb. Die Dotie rung des Halbleiters kann hierbei geeignet durch Be, Si, C, Zn, Te oder S erfolgen. Ferner lassen sich auch schmalbandige Halbleiter wie HgCdTe verwenden. Hier kann, sofern erforder lich, eine Dotierung mit Iod oder Chlor erfolgen. Die angege benen Dotierungen sind nur als Beispiele aufzufassen. Dem Fachmann sind aus der Halbleitertechnologie vielfältige Dotierstoffe bekannt, durch die jeweils eine n- bzw. p- Dotierung erreicht werden kann.

Für die Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters können prinzipiell alle nichtmagnetischen Halbleiter verwendet wer den, z. B. Gruppe IV, III/V und II/VI-Halbleiter. Besonders geeignet ist Silizium sowie Si/SiGe zweidimensionale Elektro nengase, da diese eine geringe Spinstreuung aufweisen und nur geringe Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung des erfin dungsgemäßen Halbleiterelements auftreten. Als Dotierungen lassen sich beispielsweise Si, P, As, Sb, B verwenden. Auch diese Dotierungen sind nur als Beispiele aufzufassen. Es kön nen an sich alle für die Dotierung von Halbleitern bekannten Stoffe verwendet werden.

Die Änderung des Widerstandes des Halbleiterelementes in ei nem äußeren Magnetfeld lässt sich insbesondere beobachten, wenn der erste Kontakt und der nichtmagnetische Halbleiter eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die spezifischen Widerstände ρ des semimagnetischen Materials und des nichtmagnetischen Halbleiters liegen bevorzugt in einem Bereich von 10^-3-100 Ωcm, vorzugsweise 0,01-10 Ωcm, ins besondere bevorzugt 0,1-1 Ωcm. Das Verhältnis der spezifi schen Widerstände von semimagnetischem Kontakt und nichtma gnetischem Halbleiter ρ_semimagn./ρ_nichtmagn. liegt bevorzugt in ei nem Bereich von 1000-0,01, vorzugsweise 100-0,1. Bevor zugt weist der semimagnetische Kontakt die gleiche oder eine geringere Leitfähigkeit auf als der nichtmagnetischen Halb leiter. Die Leitfähigkeit von erstem Kontakt und nichtmagne tischem Halbleiter lässt sich durch eine entsprechende Dotie rung aufeinander abstimmen. Das Verhältnis der spezifischen Widerstände des semimagnetischen Materials des ersten Kon takts und des nichtmagnetischen Halbleiters spielt im Wesent lichen dann eine Rolle, wenn im semimagnetischen ersten Kon takt keine ideale Spinpolarisierung (~100%) erreicht werden kann. Bei idealer Spinpolarisierung werden nur spinpolari sierte Ladungsträger in den nichtmagnetischen Halbleiter in jiziert. Die Leitfähigkeit des nichtmagnetischen Halbleiters ist dann von untergeordneter Bedeutung.

Die beobachtete Änderung des Widerstands lässt sich anschau lich mit dem zwei-Spinkanalmodell veranschaulichen. Für den Ladungstransport im nichtmagnetischen Halbleiter stehen zwei Kanäle zur Verfügung, wobei in einem Kanal Ladungsträger mit paralleler Ausrichtung des Spins zum äußeren Feld und im an deren Kanal Ladungsträger mit antiparalleler Ausrichtung des Spins zum äußeren Feld transportiert werden. Der Transport der Landungsträger erfolgt in beiden Kanälen in gleichen An teilen. Ein äußeres Magnetfeld hat daher keinen Einfluss auf den Widerstand des nichtmagnetischen Halbleiters. Erfolgt nun die Injektion in den nichtmagnetischen Halbleiter über einen semimagnetischen Kontakt, erfolgt ohne Einwirkung eines äuße ren Felds der Ladungstransport durch den nichtmagnetischen Halbleiter ebenfalls in beiden Spinkanälen zu gleichen Tei len. Wird das Halbleiterelement in ein äußeres Magnetfeld ge bracht, erfolgt in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfel des eine Aufspaltung der Zeeman-Terme. Die Leitungselektronen besetzen dann bevorzugt die energetisch günstigeren Niveaus mit einer parallelen Ausrichtung des Spins zum äußeren Ma gnetfeld. Ist die energetische Aufspaltung groß genug, sind die Leitungselektronen alle parallel zueinander und zum äuße ren Feld ausgerichtet. Beim Übergang vom semimagnetischen Kontakt in den nichtmagnetischen Halbleiter bleibt die Aus richtung der Elektronenspins erhalten. Dies bewirkt eine Un terdrückung eines Spinkanals der Leitfähigkeit im nichtmagne tischen Halbleiter. Während ohne Spin-Injektion der Strom im nichtmagnetischen Halbleiter von beiden Spinorientierungen (parallel bzw. antiparallel bzw. Spin auf und Spin ab) zu gleichen Teilen getragen wird, müssen nun Elektronen einer Spinausrichtung den gesamten Strom tragen. Da deren Anzahl aber nicht nennenswert zunimmt, steigt der Widerstand. Man erhält einen positiven Magnetowiderstand. Im Idealzustand bei vollständiger Spinpolarisierung der Leitungselektronen kann ein Anstieg des Widerstandes im nichtmagnetischen Halbleiter um 100% erreicht werden.

Die beobachtete Änderung des Widerstandes beruht auf einem Mechanismus, der sich grundlegend vom Mechanismus der Ände rung des Widerstandes in GMR- und TMR-Strukturen unterschei det. Während beim GMR- und TMR-Effekt die Änderung des Wider standes durch die Spinpolarisierung des zweiten ferromagneti schen Kontakts bestimmt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Bauelement die Änderung des Widerstands durch eine Verminde rung der Besetzung eines Spinkanals im nichtmagnetischen Halbleiter bewirkt. Es versteht sich jedoch, dass der oben erläuterte Ladungstransport nur eine Modellvorstellung zur Erklärung der beobachteten Widerstandsänderung wiedergibt und auch andere Modelle zur Erklärung herangezogen werden können. Das Modell ist daher nicht als beschränkend für die Erfindung anzusehen. Letztendlich beruhen die beobachteten Widerstand sänderungen auf Quanteneffekten, die durch anschauliche Mo delle nur sehr beschränkt zu beschreiben sind.

Prinzipiell lässt sich das erfindungsgemäße Halbleiterelement auch für den Transport von Löchern anwenden. Durch die star ken Wechselwirkungen erfolgt in diesem Fall jedoch eine ra sche Depolarisierung der Spins, so dass die beobachteten Ef fekte nicht so ausgeprägt sind wie beim Ladungstransport durch Elektronen.

Ist die Widerstandsänderung des erfindungsgemäßen Halblei terelements zumindest in der Größenordnung des Gesamtwider stands des Bauelementes, so kann das magnetoresistive Halb leiterelement GMR- oder TMR-Strukturen in bestimmten Anwen dungen ersetzen. Während für GMR und TMR jeweils zwei ferromagnetische Kontakte notwendig sind, ist bei dem erfindungs gemäßen magnetoresistiven Halbleiterelement lediglich ein Kontakt aus einem semimagnetischen Material erforderlich, dessen Spins ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds nicht polarisiert sind. Das Material des zweiten Kontakts unter liegt zunächst keinen besonderen Beschränkungen. Es ist le diglich erforderlich, dass die Ladungsträger über den zweiten Kontakt wieder aus dem nicht magnetischen Halbleiter abflie ßen können.

Der Grad der Spinpolarisierung wird nicht nur von der Größe des äußeren Magnetfeldes bestimmt, sondern erhöht sich auch mit zunehmender Ausdehnung des Kontakts aus dem semimagneti schen Material in Richtung des Ladungsflusses. Die Spinpola risierung der Elektronen, also deren Übergang in das untere Zeeman-Niveau, erfolgt durch Spinstreuung. Um eine effiziente Spinpolarisation zu erreichen, sollte die Dicke der Schicht des semimagnetischen Materials daher ein Vielfaches der Spin streulänge betragen. Die Spinstreulänge ist abhängig vom ver wendeten Material. Mn-haltige Halbleiter weisen eine starke Spinstreuung auf, die eine Spinfliplänge von wenigen Nanome tern erzeugt. Bei Halbleitern wie InSb, die eine geringere Spinstreuung aufweisen, ist die Spinfliplänge deutlich grö ßer, weshalb auch deutlich größere Schichtdicken erforderlich sind. Bei Schichtdicken des semimagnetischen Kontaktes im Be reich von 3 nm lässt sich im Allgemeinen annähernd keine Spinpolarisierung und damit nahezu keine Änderung des Wider standes des erfindungsgemäßen Halbleiterelements im äußeren Magnetfeld beobachten. Geeignete Schichtdicken des ersten Kontakts liegen in Abhängigkeit vom verwendeten Material be vorzugt im Bereich von 10 bis 1000 nm, vorzugsweise 50 bis 300 nm.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen magnetoresistiven Halblei terelements lässt sich in weiten Grenzen variieren, was dem Weg zu einer Vielzahl von Anwendungen öffnet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem er sten Kontakt aus dem semimagnetischen Material und der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters eine Tunnelbarriere angeordnet. Die Schichtdicke der Tunnelbarriere liegt im All gemeinen in einem Bereich von 3 bis 7 nm. Die Tunnelbarrie ren können entweder aus Halbleitern bestehen, wie AlAs oder GaAs, oder oxidisch sein, wie z. B. Aluminiumoxid, Magnesiu moxid, Titanoxid, Siliziumoxid. Geeignet sind z. B. auch Schichten aus Siliziumnitrid. Es können hier die üblichen Ma terialien verwendet werden, wie sie zum Beispiel für Halblei tertunnelbarrieren aus resonanten Tunneldioden bekannt sind. Durch die Tunnelbarriere lässt sich die Effizienz der Spinin jektion in den nichtmagnetischen Halbleiter erhöhen. Bei gleicher Spinpolarisierung im semimagnetischen Kontakt lässt sich bei Verwendung einer Tunnelbarriere die Spinpolarisation im nichtmagnetischen Halbleiter erhöhen.

Wie bereits weiter oben erläutert, ist es für eine Änderung des Widerstandes bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes bereits ausreichend, dass der erste Kontakt aus einem semima gnetischen Material besteht. Über den zweiten Kontakt erfolgt notwendigerweise lediglich die Extraktion der Ladungsträger aus dem nichtmagnetischen Halbleiter. Der zweite Kontakt un terliegt daher an sich keinen besonderen Beschränkungen. Durch eine geeignete Wahl des Materials für den zweiten Kon takt lassen sich jedoch Bauelemente für spezielle Anwendungen entwickeln oder es lässt sich die beobachtete Änderung des Widerstands im externen Magnetfeld modifizieren.

Nach einer Ausführungsform besteht der zweite Kontakt aus ei nem nicht magnetischen Material. Es können alle nichtmagnetische Halbleiter sowie die auch Metalle verwendet werden. Bei spiele für geeignete Metalle sind Al, Cr, Ti, Pt, Ni, Au/Ge- Legierungen. Bevorzugt sind die Kontakte aus Materialien mit linearer I/V-Kennlinie, welche einen niedrigen Kontaktwider stand erzeugen. Die Änderung des Widerstands im externen Ma gnetfeld wird dann nur durch die Polarisierung der in den Halbleiter injizierten Ladungsträger, insbesondere Elektro nen, bewirkt.

Bevorzugt besteht der zweite Kontakt jedoch auch aus einem semimagnetischen Material. Der zweite Kontakt kann dabei aus den gleichen Materialien aufgebaut sein wie der erste Kon takt, es können jedoch auch unterschiedliche semimagnetische Materialien verwendet werden. Der Ladungstransport im erfin dungsgemäßen Halbleiterelement findet wegen der geringen Ab messungen des Halbleiterelements im diffusiven Bereich statt. Die Spinpolarisation ist daher nicht von der Stromrichtung abhängig. Die Elektronen bewegen sich im Mittel zwar in eine bestimmte Richtung, dieser Bewegung ist aber eine statisti sche Bewegung überlagert. Die Elektronen bewegen sich also in allen möglichen Richtungen und werden dabei gestreut. Wird daher als zweiter Kontakt ebenfalls ein semimagnetischer Kon takt verwendet, ist dies gleichbedeutend mit zwei hinterein ander geschalteten Elementen welche aufgebaut sind aus einem ersten Kontakt aus einem semimagnetischen Material, einem nichtmagnetischen Halbleiter und einem zweiten Kontakt aus einem nichtmagnetischen Material, also der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechen. In diesem Fall würde sich der Gesamtwiderstand R zusammensetzen aus 2 × R (semimagnetischer Kontakt) + 2 × R (nichtmagnetischer Halbleiter) + 2 × R (nichtmagnetischer Kontakt). Bei einer Ausführung des zwei ten Kontakts als semimagnetischer Kontakt erniedrigt sich der Gesamtwiderstand R auf 2 × R (semimagnetischer Kontakt) + 2 × R (nichtmagnetischer Halbleiter), während die erreichbare Än derung des Widerstandes ΔR im äußeren Magnetfeld gleich bleibt. Dadurch vergrößert sich ΔR/R, d. h. die Empfindlich keit des Halbleiterelements steigt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen dem nichtmagnetischen Halbleiter und dem zweiten semimagnetischen Kontakt ebenfalls eine Tunnelbarriere angeordnet sein. Die Tunnelbarriere kann dabei aus den gleichen Materialien herge stellt sein, wie oben beschrieben.

Nach einer speziellen Ausführungsform des magnetoresistiven Halbleiterelements besteht der zweite Kontakt aus einem fer romagnetischen Material. Man erhält in diesem Fall ebenfalls ein Halbleiterelement mit einem positiven Magnetowiderstand. Die Kennlinie ist jedoch bis zum Erreichen der Koerzitivfeld stärke des Ferromagneten asymmetrisch. Der ferromagnetische Kontakt injiziert ebenfalls spinpolarisierte Elektronen. Die se weisen jedoch bis zum Überschreiten des Koerzitivfeldes immer nur eine Vorzugsrichtung auf, die unabhängig von der Ausrichtung des äußeren Magnetfeldes ist. Weisen erster und zweiter Kontakt einen Abstand auf, der geringer ist als die Spinfliplänge, so beeinflusst der ferromagnetische Kontakt die Spininjektion aus dem semimagnetischen Kontakt. Hiermit lässt sich ein polaritätssensitiver Magnetfeldsensor herstel len, indem beispielsweise zwei Halbleiterelemente zusammenge schaltet werden, deren Polarisierung des ferromagnetischen Kontakts um 180° gegeneinander gedreht ist. Es sind viele An wendungen denkbar, bei denen nicht nur die Größe, sondern auch die Richtung eines Magnetfeldes gemessen werden soll. Eine mögliche Anwendung eines derartigen Halbleiterelements ist beispielsweise in einem Sensor, mit dem der Einschlagwin kel der Steuerung eines Kraftfahrzeuges gemessen werden soll.

Auch bei einer Ausführung des zweiten Kontakts aus einem fer romagnetischen Material können zwischen erstem Kontakt und nichtmagnetischem Halbleiter bzw. nichtmagnetischem Halbleiter und ferromagnetischen zweiten Kontakt jeweils Tunnelbar rieren angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße magnetoresistive Halbleiterelement lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Beispiels weise ist eine Anwendung zur Informationsspeicherung oder für logische Schaltungen möglich. Ebenso kann das erfindungsgemä ße Halbleiterelement z. B. in Sensoren eingesetzt werden.

Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Speicherelement, welches das oben beschriebene magnetoresistives Halblei terelement umfaßt, sowie ein benachbart zu diesem Element an geordnetes ferromagnetisches Element. Die Anordnung ist dabei so gewählt, dass sich der semimagnetische Kontakt im Streu feld des ferromagnetischen Elements befindet. Bei Drehung der Magnetisierung des ferromagnetischen Elements um 90° ernied rigt sich der Widerstand des magnetoresistiven Halbleiterele ments, da sich der semimagnetische Kontakt dann nicht mehr im Streufeld des ferromagnetischen Elements befindet. Die beiden Zustände mit hohem bzw. niedrigem Widerstand lassen sich dann beispielsweise den Zuständen 0 und 1 zuordnen. Im Gegensatz zu den bekannten MRAMs muss die Magnetisierung nur gedreht werden, was einfacher zu erreichen ist als ein Umklappen der Magnetisierung um 180°. Der elektrische Teil ist nur aus Halbleitermaterialien aufgebaut und lässt sich daher einfach in mikroelektronische Schaltkreise integrieren. Bei einer An ordnung in einer Matrix lässt sich das Element z. B. durch Schottky-Dioden von anderen Elementen entkoppeln.

Das erfindungsgemäße magnetoresistive Halbleiterelement lässt sich auch als Feldeffekttransistor ausgestalten. Der Feldef fekttransistor umfaßt eine Source-Elektrode, eine Drain- Elektrode, sowie eine Gate-Elektrode, wobei zumindest ein erster Kontakt aus einem semimagnetischen Material vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte Ladungsträger in die Source- Elektrode und/oder die Drain-Elektrode injiziert bzw. extra hiert werden. Es steht damit bei gleicher Baugröße ein Bau element erhöhter Komplexität zur Verfügung. So lässt sich zum Beispiel das oben beschriebene Speicherelement direkt in ei nen Feldeffekttransistor integrieren. Der Ladungstransport von Source nach Drain erfolgt dabei nur durch eine Sorte von Ladungsträgern. Unter dem Einfluss des von der Gateelektrode erzeugten Felds entsteht im Halbleiter zwischen Source und Drain ein Leitungskanal, in dem Ladungstransport durch Elek tronen erfolgt.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement kann auch in einen bi polaren Transistor integriert werden. Der bipolare Transistor umfasst einen als Emitter wirkenden Abschnitt, einen als Kol lektor wirkenden Abschnitt und einen zwischen diesen angeord neten, als Basis wirkenden Abschnitt, wobei zumindest ein er ster Kontakt vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte La dungsträger in den Emitter und/oder aus dem Kollektor inji ziert bzw. extrahiert werden.

Bevorzugt ist der bipolare Transistor als npn-Transistor aus gestaltet. Die Spinpolarisierung der Ladungsträger, vorzugs weise Elektronen, erfolgt im ersten Kontakt, der bevorzugt aus einem semimagnetischen Material aufgebaut ist. Der für die Beobachtung des magnetoresistiven Effekts verwendete Strom vom Emitter zum Kollektor wird nur durch eine Ladungs trägersorte, vorzugsweise Elektronen, bewirkt.

Weiter kann das magnetoresistive Halbleiterelement als Sensor für Magnetfelder eingesetzt werden. Bevorzugt ist dabei eine Ausführung als Lesekopf zum Auslesen von in magnetischen Speichermedien gespeicherten Informationen. Ein solches ma gnetisches Speichermedium kann z. B. eine Harddisk sein. Ein derartiger Sensor umfasst dabei das oben beschriebene magne toresistives Halbleiterelement, eine elektrische Zu- und Ableitung zu dem ersten bzw. vom zweiten Kontakt sowie eine Messvorrichtung zur Messung der Änderung des Widerstands, die mit der Zu- und Ableitung verbunden ist.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement zeigt bei Einwirkung eines äußeren Magnetfelds eine Änderung seines Widerstands und kann daher, wie beschrieben, als Sensor zur Detektion von Magnetfeldern eingesetzt werden. Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren zur Messung der Stärke eines Magnet feldes, wobei das Magnetfeld auf einen Sensor einwirkt, in dem Ladungsträger in einem ersten Kontakt spinpolarisiert werden, die spinpolarisierten Ladungsträger in einen nichtma gnetischen Halbleiter injiziert werden, und die Ladungsträger aus dem nichtmagnetischen Halbleiter in einen zweiten Kontakt extrahiert werden und die Änderung des Widerstandes gegenüber einem Ausgangszustand gemessen wird.

Geeignet wird der Ausgangszustand durch einen Widerstand des Sensors ohne Einwirkung eines Magnetfeldes gebildet.

Um eine Änderung des Widerstandes messen zu können, darf der Ladungstransport innerhalb des Halbleiters nur durch eine La dungsträgersorte erfolgen, also entweder nur durch Elektronen oder nur durch Löcher. Findet im Ladungstransport innerhalb des nichtmagnetischen Halbleiter ein Wechsel der Ladungsträ ger statt, führt dies zu einem großen Spannungsabfall und da mit zu einem starken Anstieg des Widerstandes weshalb eine Änderung des Widerstandes nicht mehr beobachtet werden kann. Ein solcher Wechsel der Ladungsträger findet beispielsweise am p-n-Übergang einer Diode statt. Eine Anordnung mit einer Diode kann daher nicht für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.

Wegen der geringen Spinlebensdauer ist die Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bei einem Ladungstransport durch Löcher vergleichsweise schwierig technisch zu realisie ren. Die Spinzustände von Elektronen weisen eine wesentlich längere Lebensdauer auf, weshalb das Verfahren bevorzugt mit Elektronen als Ladungsträger durchgeführt wird.

Weiter ist auch eine Anwendung zur Bestimmung einer Spinaus richtung (z. B. in einem Quantenpunkt) durch Projektion des Spins auf die Quantisierungsrichtung des Halbleiters möglich. Der Quantenpunkt stellt hierbei den zweiten Kontakt dar. Die ser befindet sich in einem Abstand vom ersten Kontakt, der geringer ist als die Spinfliplänge. Der semimagnetische Kon takt, dessen Spinausrichtung durch ein externes Magnetfeld definiert wird, beispielsweise durch einen Magneten, bestimmt die Spinnausrichtung des nichtmagnetischen Halbleiters, auf den der Spin des Quantenpunkts projiziert wird. Diese Anwen dung ist insbesondere im Zusammenhang mit Quanten-Computing von Interesse.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine lineare Anordnung des erfindungsgemäßen Halb leiterelements;

Fig. 2 eine Anordnung mit horizontaler Stromrichtung zwi schen den Kontakten;

Fig. 3 ein Diagramm, in der die Änderung des Widerstandes eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes aufgetragen ist;

Fig. 4 ein Diagramm, in der die Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Stärke des Magnetfeldes für eine ein zelne Schicht eines hoch n-dotierten Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se gezeigt ist;

Fig. 5 eine Anordnung mit horizontaler Stromrichtung zwi schen den Kontakten;

Fig. 6 eine Anordnung mit gemischter Stromrichtung zwi schen den Kontakten;

Fig. 7 eine Anordnung mit gemischter Stromrichtung zwi schen den Kontakten;

Fig. 8 eine Seitenansicht (a) und eine Aufsicht (b) eines Speicherelements;

Fig. 9 einen Schnitt durch einen Feldeffekttransistor, welcher ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement umfasst;

Fig. 10 einen Schnitt durch einen bipolaren Transistor, welcher das erfindungsgemäße Halbleiterelement umfasst;

Fig. 11 einen Längsschnitt durch einen Lesekopf, welcher ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement umfasst;

Fig. 12 ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement, welches durch eine Schottky-Diode von benachbarten Halbleiterelemen ten entkoppelt ist;

Fig. 1 zeigt eine lineare Anordnung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements, in der die einzelnen Schichten sandwich artig nebeneinander angeordnet sind. Über einen ersten Kon takt 1 werden Elektronen in einen nicht magnetischen Halblei ter 2 injiziert, durchlaufen diesen und werden am zweiten Kontakt 3 wieder extrahiert. Zwischen erstem Kontakt 1 und zweitem Kontakt 2 liegt ein Potential 4 an. Im nichtmagneti schen Halbleiter 2 erfolgt der Transport der Elektronen mit zwei unterschiedlichen Spinrichtungen, nämlich Spin auf (5, parallel) und Spin ab (6, antiparallel), die Ladung wird also in zwei Spinkanälen transportiert. Ohne äußeres Magnetfeld erfolgt der Transport der Elektronen in beiden Spinkanälen 5, 6 zu gleichen Teilen. Wirkt ein äußeres Feld 7 auf das Halb leiterelement ein, erfolgt eine Aufspaltung der Zeeman-Terme der Elektronen im ersten Kontakt 1 und die Elektronen beset zen bevorzugt den energetisch günstigeren Zustand 5 (paral lel), während die Besetzung des energetisch ungünstigeren Zu stands (6, antiparallel) abnimmt. Die in den nichtmagneti schen Halbleiter 2 übertretenden Elektronen sind daher spin polarisiert. Diese diffundieren durch den nichtmagnetischen Halbleiter 2, wobei sie innerhalb der Spinfliplänge ihre Po larisation beibehalten. Es wird daher nur ein Spinkanal zum Ladungstransport verwendet, weshalb der Widerstand des Ele ments ansteigt.

Um eine Änderung des Widerstands des Halbleiterelements im Magnetfeld beobachten zu können, ist es nicht erforderlich, dass erster Kontakt 1, nicht-magnetischer Halbleiter 2 und zweiter Kontakt 3 sandwichartig linear nebeneinander angeord net sind. Eine für die praktische Umsetzung des erfindungsge mäßen Halbleiterelements geeignete Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Hierbei sind der erste Kontakt 1 und der zweite Kon takt 3 auf der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 angeordnet. Zwischen erstem Kontakt 1 und zweitem Kontakt 3 liegt wiederum das Potential 4 an. Der nicht magnetische Halbleiter 2 ist auf einem isolierenden Substrat 8 angeord net. Diese Anordnung wurde auch für die Durchführung der im weiteren beschriebenen Experimente gewählt.

Die Anordnung aus Fig. 2 wird erhalten, indem auf einem iso lierenden GaAs-Substrat 8 eine 500 nm starke Schicht eines n- dotierten (10¹⁹ cm^-3) Zn_0,97Be_0,03Se-Halbleiters 3 als nichtma gnetische Halbleiterschicht 2 abgeschieden wurde. Die n- Dotierung wurde dabei mit Iod durchgeführt. Die Abscheidung der Schicht des nicht magnetischen Halbleiters 2 erfolgte durch Molekularstrahlepitaxie. Zur Herstellung der Kontakte 1, 3 wurde auf der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 eine semimagnetische Schicht aus Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Fe (n = 5 × 10¹⁸ cm^-3) abgeschieden. Die Leitfähigkeit der Schicht wurde durch Dotierung mit Iod eingestellt.

Auf dieser semimagnetischen Schicht wurde eine Aluminium schicht in einer Stärke von 100 nm abgeschieden und auf dieser lithographisch Kontakte (200 µm × 250 µm) definiert um einen Kontakt zu den semimagnetischen Kontakten 1, 3 herzustellen. Diese lithographisch definierten Kontaktflächen wurden dann als Ätzmaske für ein nasschemisches Ätzen verwendet, bei dem der semimagnetische Halbleiter und etwa 10 nm der Stärke des nicht magnetischen Halbleiters 2 im unmaskierten Bereich ent fernt wurden. In einem zweiten optischen lithographischen Schritt wurde ein erhöhter Bereich (Mesa) definiert, welche die beiden semimagnetischen Kontakte 1, 3 sowie die Schicht des zwischen den Kontakten 1, 3 angeordneten Halbleiters 2 umfasste. Das diesen Bereich umgebende unmaskierte Zn_0,97Be_0,03Se wurde anschließend durch nasschemisches Ätzen entfernt, so dass die in Fig. 2 gezeigte Anordnung erhalten wurde.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurden Halbleiterele mente mit unterschiedlichen Schichtdicken der Kontakte 1, 3 und mit unterschiedlichen Abständen der Kontakte 1, 3 herge stellt.

Die magnetische Widerstandsänderung der verschiedenen Halb leiterelemente wurde bei 4,2 K bei Magnetfeldstärken von 0 bis 7 T bei einer Gleichspannung von 100 µV vermessen. Dabei wurden die Daten nur im linearen Bereich der Änderung des Wi derstands gemessen. Sämtliche Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se/Zn_0,97Be_0,03Se Hybridstrukturen zeigten dabei eine starke positive magnetische Widerstandsänderung. Beispielhafte Kurven der magneti schen Widerstandsänderung sind in Fig. 3 (Kurve (a) und (b))dargestellt. Die größte beobachtete Änderung des magneti schen Widerstands betrug annähernd 1,4 Ω, bei einem Gesamt widerstand der Anordnung von 20,5 Ω. Subtrahiert man den Kontaktwiderstand von 2 Ω, kann für die relative Änderung des Widerstands eine untere Grenze von ΔR/R = 8% abge schätzt werden. Der Widerstand erreicht bei Feldern zwischen 1 und 2 Tesla eine Sättigungsgrenze. Die beobachtete Änderung des Widerstands ist unabhängig von der Orientierung des Halb leiterelements im magnetischen Feld. Wird die Schichtdicke des ersten und zweiten Kontakts 1, 3 von 200 nm (Fig. 3, Kur ve (a)) auf 100 nm (Fig. 3, Kurve (b)) verringert, erniedrigt sich die Widerstandsänderung um den Faktor 3. Ein Halblei terelement, bei dem die Kontakte aus einem nicht-magnetischen Halbleiter bestanden, zeigt innerhalb einer Messgenauigkeit von 0,2% keine Änderung des Widerstands im Magnetfeld (Fig. 3, Kurve (c).

Die Schichten der Anordnung aus Fig. 2 wiesen eine hohe n- Dotierung auf, um sicherzustellen, dass die intrinsische ma gnetische Widerstandsänderung der Kontakte 1, 3 negativ war. Bei geringer Dotierung (jedoch oberhalb des Übergangs zum Isolator) zeigen die semimagnetischen Kontakte 1, 3 wegen der e-e Korrektur der Leitfähigkeit eine zusätzliche positive ma gnetische Widerstandsänderung. Dieser Einfluss nimmt mit zu nehmender Dotierung n gemäß (k_Fl)^-3/2 ab, wobei k_F der Wellen vektor der Fermi-Energie ist und l die mittlere freie Weglän ge des Elektrons. Die geringe negative magnetische Wider standsänderung (2%) einer Probe, die nur aus dem semimagne tischen Material aufgebaut ist, ist in Fig. 3 dargestellt.

Ferner wurde das Ausmaß der Widerstandsänderung in Abhängig keit vom Abstand der Kontakte 1, 3 bei einer Schichtdicke der Kontakte von 100 nm bestimmt. Die Experimente zeigen, dass mit zunehmendem Abstand der absolute Wert der positiven ma gnetischen Widerstandsänderung von 0,48 Ω (10 µm) über 0,4 Ω (20 µm) auf 0,35 Ω (30 µm) abnimmt.

Die Anordnung der einzelnen Schichten des magnetoresistiven Halbleiterelements kann innerhalb weiter Grenzen modifiziert werden.

Eine weitere geeignete Struktur zeigt Fig. 5. In diesem Fall ist jedoch der nichtmagnetische Halbleiter 2 in ein Halblei tersubstrat 8 implantiert. Der leitende Bereich des nichtma gnetischen Halbleiters lässt sich durch Ionenimplantation de finieren. Dieses Verfahren ist aus der planaren Siliziumtech nologie bekannt. Die Leitfähigkeit lässt sich durch den Grad der Dotierung einstellen. Bei n-Dotierung des nichtmagneti schen Halbleiters 2 lässt sich das Halbleitersubstrat 8 p- dotieren. Dadurch kann eine Entkopplung zu benachbarten Ele menten erreicht werden, da dann immer einer der p-n-Übergänge sperrt. Da erster Kontakt 1 und zweiter Kontakt 3 gleichzei tig auf die Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 auf gebracht werden können, ist für die Herstellung der beiden Kontakte 1, 3 nur ein Epitaxieschritt erforderlich.

Eine weitere Ausführungsform wird in Fig. 6 gezeigt. Hierbei ist der nicht magnetische Halbleiter 2 auf einem Halbleiter substrat 8 angeordnet und der semimagnetische erste Kontakt 1 als Schicht auf dem nicht magnetischen Halbleiter 2 ausgebil det. Der zweite Kontakt 3, der ebenfalls aus einem semimagne tischen Halbleiter oder auch aus einem nicht magnetischen Ma terial bestehen kann, ist ebenfalls direkt auf dem Halblei tersubstrat 8 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 8 kann auch direkt als zweiter Kontakt im Sinne der Erfindung wirken. Der Ladungstransport erfolgt hierbei durch das Halbleitersubstrat 8. Die Herstellung der gezeigten Halbleiterelemente erfolgt nach bekannten Verfahren. Geeignet sind zum Beispiel Molekularstrahlepitaxie, Niederdruckgasphasenepitaxie, Atmosphären druckgasphasenepitaxie oder auch UHV-Gasphasenepitaxie.

Eine weitere Ausführungsform, die nur einen sehr geringen Platzbedarf aufweist, ist in Fig. 7 gezeigt. Dabei ist ein zweiter Kontakt 3, der aus einem semimagnetischen Material oder einem nicht magnetischen Material bestehen kann, auf dem Halbleitersubstrat 8 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 8 kann auch direkt den zweiten Kontakt 3 bilden. Auf dem zwei ten Kontakt 3 ist eine Schicht aus einem nichtmagnetischen Halbleiter 2 angeordnet, auf dem eine weitere Schicht aus ei nem semimagnetischen Halbleiter angeordnet ist, welche den ersten Kontakt 1 bildet. Der Ladungstransport erfolgt dabei zum Teil auch über das Halbleitersubstrat 8.

In Fig. 8 ist eine Anordnung gezeigt, wie sie für ein Spei cherelement verwendet werden kann. In einem Substrat 8, bei spielsweise ein p-dotiertes Siliziumsubstrat, ist ein n- dotierter Bereich implantiert, der den nichtmagnetischen Halbleiter 2 des erfindungsgemäßen Halbleiterelements bildet. Auf dem nicht magnetischen Halbleiter 2 sind nebeneinander ein erster semimagnetischer Kontakt 1 angeordnet, der bei spielsweise aus Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se aufgebaut sein kann, sowie ein zweiter Kontakt 3, der aus einem nichtmagnetischen Mate rial, beispielsweise Aluminium, oder ebenfalls aus einem se mimagnetischen Material, beispielsweise Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se, aufgebaut sein kann. Benachbart zum ersten semimagnetischen Kontakt 1 ist ein ferromagnetisches Element 9 angeordnet, das beispielsweise aus Kobalt bestehen kann. Die Magnetisierungs richtung des ferromagnetischen Elements 9 kann verändert wer den. Erster Kontakt 1 und ferromagnetisches Element 9 sind dabei so nahe beieinander angeordnet, dass der erste Kontakt 1 im Streufeld des ferromagnetischen Elements 9 liegt. Der Abstand zwischen semimagnetischem ersten Kontakt 1 und ferromagnetischem Element 9 wird geeignet im Bereich von 50-100 nm gewählt.

Die Funktion des Speicherelements ist in Fig. 8b dargestellt. Im Zustand mit einem hohen Widerstand liegt der erste Kontakt 1 im Streufeld der Magnetisierung 10 des ferromagnetischen Elements 9. In diesem Zustand werden spinpolarisierte Elek tronen aus dem ersten Kontakt 1 in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 injiziert, so dass nur einer der Spinkanäle für den Ladungstransport genutzt werden kann. Die Vorrichtung zeigt daher einen erhöhten Widerstand. Wird die Magnetisie rung 10 des ferromagnetischen Elements 9 um 90° gedreht (Ma gnetisierung 11), liegt der erste Kontakt 1 nicht mehr im Streufeld des ferromagnetischen Elements 9. Die vom ersten Kontakt 1 in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 injizierten Elektronen werden daher nicht mehr spinpolarisiert, weshalb für den Ladungstransport beide Spinkanäle im nichtmagneti schen Halbleiter 2 genutzt werden können. Dadurch erniedrigt sich der Widerstand des Halbleiterelements.

Fig. 9 zeigt eine mögliche Anordnung für einen Feldeffekt transistor. In einem p-dotierten Siliziumsubstrat 8 wird ein erster n-dotierter Bereich 14 definiert, der als Source wirkt, und ein zweiter n-dotierter Bereich 15, der als Drain wirkt. In dem Bereich zwischen Source und Drain ist eine Ga teelektrode 12 angeordnet, die durch ein Gatedielektrikum 13 vom Substrat 8 isoliert ist. Auf dem als Source wirkenden n- dotierten Bereich 14 ist ein erster Kontakt 1 aus einem semi magnetischen Material angeordnet. Dieser kann beispielsweise aus Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se aufgebaut sein. Auf dem ersten Kontakt ist eine Metallschicht 16 angeordnet, die beispielsweise aus Aluminium bestehen kann, und durch die dem ersten Kontakt 1 Elektronen zugeleitet werden. Auf dem als Drain wirkenden n- dotierten Bereich 15 ist ebenfalls einer Metallschicht 17 an geordnet, die zum Beispiel ebenfalls aus Aluminium bestehen kann. Das Halbleiterelement im Sinne der Erfindung wird zu nächst vom ersten semimagnetischen Kontakt 1 und dem n- dotierten Bereich 14 gebildet, der als nichtmagnetischer Halbleiter wirkt. Im feldfreien Zustand, wenn also an der Ga teelektrode keine Spannung anliegt, fließt kein Strom von Source nach Drain. Es kann daher auch keine Veränderung des Widerstandes im nichtmagnetischen Halbleiter, d. h. im n- dotierten Bereich 14 durch Einwirkung eines äußeren Magnet feldes eintreten. Wird an der Gateelektrode 12 eine Spannung angelegt, reichern sich im Feld der Gate 12 Elektronen an und es entsteht ein Leitungskanal 18 im p-dotierten Substrat 8, in dem der Ladungstransport durch Elektronen erfolgt. Der Leitungskanal 18 bildet dann im Sinn der Erfindung den zwei ten Kontakt, durch den die Extraktion der Ladungsträger aus dem nichtmagnetischen Halbleiter erfolgt.

In der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ist das erfin dungsgemäße Halbleiterelement an der Source 14 ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich das erfindungsgemäße Halblei terelement an der Drain 15 auszubilden. Ebenso kann sowohl an Source wie an Drain ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement ausgebildet sein. Ebenso ist die Konfiguration des FET nicht auf die in Fig. 9 gezeigte Ausführungsform beschränkt.

Fig. 10 zeigt das erfindungsgemäße Halbleiterelement als Be standteil eines bipolaren Transistors. Gezeigt ist ein npn- Transistor. Der Transistor umfasst einen ersten Kontakt 1 aus einem semimagnetischen Material, beispielsweise ZnBeMnSe. An den ersten Kontakt 1 schließt sich eine Schicht eines nicht magnetischen Halbleiters 2 an. Diese Schicht ist auf einem n- dotierten Bereich angeordnet, der als Emitter 19 des Transi stors wirkt. Unter dem Emitter 19 befindet sich eine dünne p- dotierter Basis 20 des Transistors, an die sich der n- dotierte Kollektor 21 anschließt. Der ohmsche Kontakt zum se mimagnetischen ersten Kontakt 1, Basis 20 und Kollektor 21 wird jeweils durch metallische Kontakte 16 hergestellt. Liegt an der Basis 20 eine positive Spannung gegenüber dem Emitter 19 an, so fließt ein Strom durch das Halbleiterelement, der im Bereich der Basis 20 von Elektronen getragen wird, die vom Emitter 19 zum Kollektor 21 diffundieren.

Es ist jedoch auch möglich, dass der Emitter 19 direkt den nichtmagnetischen Halbleiter des erfindungsgemäßen Halblei terelements bildet. Die vom semimagnetischen Kontakt in den Emitter injizierten spinpolarisierten Elektronen diffundieren dann durch die Basis 20 in den Kollektor 21, sofern auch Elektronen vom Emitter 19 zum Kontakt der Basis 20 fließen. Der Basisstrom selbst wird nicht zur Messung eines Widerstan des genutzt.

Das erfindungsgemäße Halbleiterelement kann auch anschließend an den Kollektor angeordnet sein oder den Kollektor mit um fassen.

Fig. 11 zeigt schematisch den Aufbau eines Lesekopfes, wel cher das erfindungsgemäße Halbleiterelement umfasst. Über ei ne Metallschicht 22, die beispielsweise aus Aluminium beste hen kann, werden die Elektronen einem ersten Kontakt 1 zuge leitet, der aus einem semimagnetischen Material, beispiels weise Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se aufgebaut ist. An den ersten Kontakt 1 schließt sich eine Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 an. Diese kann beispielsweise aus n-dotiertem Silizium auf gebaut sein. Zwischen der Metallschicht 22 und der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 ist eine Isolierschicht 23, zum Beispiel aus SiO₂, vorgesehen. An die Schicht des nichtmetallischen Halbleiters schließt sich eine als zweiter Kontakt 3 wirkende Schicht an, die beispielsweise aus Alumi nium bestehen kann. In engem Abstand zum Lesekopf ist ein ma gnetisches Speichermedium 24 angeordnet, dass unterschiedlich polarisierte Zellen 25 umfasst. Das magnetische Speichermedium kann zum Beispiel eine Harddisk sein. Der aus dem semima gnetischen Material aufgebaute erste Kontakt 1 wird vom Ma gnetfeld der Zellen 25 erfasst, so dass eine Spinpolarisie rung der durch den ersten Kontakt in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 eintretenden Elektronen bewirkt werden kann. Zum Auslesen der im magnetischen Speichermedium 24 gespeicherten Daten wird dieses am Lesekopf vorbeibewegt. Durch die Polari sierung der einzelnen Zellen 25 ändert sich das äussere Ma gnetfeld, dass auf das semimagnetische Material des ersten Kontakts einwirkt. Als Folge ändert sich der Grad der Spinpo larisierung der in die Schicht des nichtmagnetischen Halblei ters 2 injizierten Elektronen und damit auch der Widerstand des Halbleiterelements. Damit ändert sich die Stärke des durch die Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 flie senden Stroms. Diese Änderung kann mit einem (nicht darge stellten) Messgerät gemessen werden, das über die Metall schicht 22 mit dem ersten Gerät sowie über die als zweiten Kontakt wirkende Schicht 3 mit dem Lesekopf verbunden ist, wodurch die im Speichermedium 24 gespeicherte Information ausgelesen werden kann.

Fig. 12 zeigt eine Anordnung, mit der mehrere auf einem Sub strat angeordnete erfindungsgemäße Halbleiterelemente vonein ander entkoppelt werden können. In einem p-dotierten Substrat 8, im Allgemeinen ein Siliziumsubstrat, ist ein n-dotierter Halbleiterbereich 26 implantiert. Auf diesem n-dotierten Be reich 26 ist ein nichtmagnetischer Halbleiter 2 angeordnet, auf dem wiederum eine als erster Kontakt wirkende Schicht ei nes semimagnetischen Materials aufgebracht ist. Der semima gnetische Kontakt 1 wird über einen Metallkontakt 28 mit li nearer Strom-Spannungskennlinie (ohmscher Kontakt) kontak tiert. Weiter ist auf dem n-dotierten Bereich 26 ein Metall kontakt 27 angeordnet, der so gewählt ist, dass eine Schott ky-Diode an der Grenzfläche entsteht. Hierdurch ist ein Stromfluss zur Messung des Widerstandes nur in einer Richtung möglich, so dass mehrere erfindungsgemäße Halbleiterelemente in einer aus Halbleiterspeichern bekannten Matrix mit Zeilen und Spaltenleitungen kontaktiert werden können und jeweils ein Halbleiterelement durch Ansteuern über eine Zeilen- und eine Spaltenleitung getrennt angesprochen werden kann.

In Fig. 12 ist nur eine der möglichen Ausführungsformen ge zeigt. So kann beispielsweise der n-dotierte Bereich 26 auch direkt den nichtmagnetischen Halbleiter 2 bilden. Der semima gnetische Kontakt 1 ist dann direkt auf dem implantierten Be reich 26 angeordnet. Ferner können auch ohmscher Kontakt 28 und Schottky-Kontakt 27 vertauscht werden, wodurch sich die Richtung des möglichen Stromflusses ändert. Schottky-Dioden zeigen in Durchlassrichtung einen vergleichsweise geringen Spannungsabfall. Es kann daher in Kombination mit dem erfin dungsgemäßen Halbleiterelement noch ein magnetoresistiver Ef fekt beobachtet werden. Die Anordnung eignet sich insbesonde re in Verbindung mit Speicherelementen, wie sie zum Beispiel oben anhand von Fig. 8 beschrieben wurden. Bei einer Verwen dung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements als Sensor wird wegen des durch die Diode bewirkten Empfindlichkeitsverlusts bevorzugt keine Diode verwendet.

Die Änderung des Widerstandes im erfindungsgemäßen magneto elektrischen Halbleiterelements beruht auf einem neuen Ef fekt, der sich von den bisher bekannten magnetoresistiven Ef fekten, wie GMR oder AMR, grundlegend unterscheidet. Das ma gnetoresistive Halbleiterelement kann in eine Vielzahl von Bauelementen integriert werden und lässt sich in seinem Auf bau in weiten Grenzen variieren.

Bezugszeichen

1

erster Kontakt

2

nicht-magnetischer Halbleiter

3

zweiter Kontakt

4

Potential

5

Spinrichtung parallel

6

Spinrichtung antiparallel

7

Magnetfeld H

8

Substrat

9

ferromagnetisches Element

10

Magnetisierung

11

Magnetisierung

12

Gateelektrode

13

Gatedielektrikum

14

Source

15

Drain

16

Metallschicht

17

Metallschicht

18

Leitungskanal

19

Emitter

20

Basis

21

Kollektor

22

Metallschicht

23

Isolierschicht

24

magnetisches Speicherelement

25

Zellen

26

n-dotierter Halbleiterbereich

27

Metallkontakt

28

Metallkontakt

Claims

1. Magnetoresistives Halbleiterelement, umfassend einen er sten Kontakt (1) und einen zweiten Kontakt (3), sowie eine zwischen erstem (1) und zweitem Kontakt (3) angeordnete Schicht (2) eines nicht magnetischen Halbleiters, wobei der erste Kontakt (1) aus einem semimagnetischen Material be steht.

2. Magnetoresisitives Halbleiterelement nach Anspruch 1, wobei das semimagnetische Material ein Halbleiter ist.

3. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen erstem Kontakt und der Schicht des nicht magnetischen Halbleiters eine Tunnelbarriere angeordnet ist.

4. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der zweite Kontakt (3) aus einem nicht magneti schen Material besteht.

5. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der zweite Kontakt (3) aus einem semimagneti schen Material aufgebaut ist.

6. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 5, wo bei zwischen dem zweiten Kontakt (3) aus einem semimagneti schen Material und der Schicht (2) aus dem nicht magnetischen Halbleiter eine Tunnelbarriere vorgesehen ist.

7. Magnetoresistives Halbleiterelement nach einem der An sprüche 1, 2 oder 3, wobei der zweite Kontakt (3) aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut ist.

8. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 7, wo bei zwischen dem zweiten Kontakt (3) aus einem ferromagnetischen Material und der Schicht aus dem nicht magnetischen Halbleiter eine Tunnelbarriere vorgesehen ist.

9. Magnetoresistives Halbleiterelement nach einem der An sprüche 1 bis 8, wobei das semimagnetische Material ein II-IV Halbleiter ist.

10. Magnetoresistives Halbleiterelement nach Anspruch 9, wo bei der II-VI Halbleiter Be_xNn_yZn_1-x-ySe ist mit 0 < x < 1, 0 < y < 1 und 0,0001 < y < 0,2.

11. Speicherelement umfassend ein magnetoresistives Halblei terelement gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10 und ein be nachbart zum ersten Kontakt (1) angeordnetes ferromagneti sches Element (9).

12. Speicherelement nach Anspruch 11, wobei eine Schottky- Diode zur Entkopplung vorgesehen ist.

13. Feldeffekttransistor mit eine Source-Elektrode (14), ei ner Drain-Elektrode (15), einer Gate-Elektrode (12), wobei zumindest ein erster Kontakt (1) aus einem semimagnetischen Material vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte Ladungs träger die Source-Elektrode (14) und/oder die Drain-Elektrode (15) injiziert bzw. extrahiert werden.

14. Bipolarer Transistor, umfassend einen als Emitter (19) wirkenden Abschnitt und einen als Kollektor (21) wirkenden Abschnitt und einen zwischen diesen angeordneten, als Basis (20) wirkenden Bereich, wobei zumindest ein erster Kontakt (1) vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte Ladungsträger in den Emitter (19) und/oder aus dem Kollektor (21) injiziert bzw. extrahiert werden.

15. Magnetischer Sensor, insbesondere Lesekopf zum Auslesen von in magnetischen Speichermedien gespeicherten Informatio nen, umfassend ein magnetoresistives Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, elektrische Zu- und Ableitungen zum ersten und zweiten Kontakt (1, 3) sowie eine mit den Zu- und Ableitungen verbundenen Messvorrichtung zur Messung der Änderung des elektrischen Widerstandes.

16. Verfahren zur Messung der Stärke eines Magnetfeldes, wo bei das Magnetfeld auf einen Sensor einwirkt, in dem Ladungs träger in einem ersten Kontakt spinpolarisiert werden, die spinpolarisierten Ladungsträger in einen nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden, und die Ladungsträger aus dem nichtmagnetischen Halbleiter in einen zweiten Kontakt extra hiert werden und die Änderung des Widerstandes gegenüber ei nem Ausgangszustand gemessen wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Ausgangszustand durch einen Widerstand des Sensors ohne Einwirkung eines Ma gnetfeldes gebildet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei die Ladungsträger Elektronen sind.