DE102012005134A1

DE102012005134A1 - Spin-Ventil

Info

Publication number: DE102012005134A1
Application number: DE102012005134A
Authority: DE
Inventors: Florin Radu
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2013-09-05
Anticipated expiration: 2032-03-06
Also published as: US20150070984A1; WO2013131510A1; JP2015515126A; JP6279492B2; DE102012005134B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spin-Ventil zur Verwendung in MRAM-Speichereinheiten, das aus zwei senkrecht zur Schichtebene magnetisierten Schichten besteht, die von einer Zwischenschicht getrennt sind und wobei die Referenzschicht aus einem ferrimagnetischen Material gebildet ist und die freie Schicht aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material. In dem Spin-Ventil liegt zwischen der Referenzschicht und der freien Schicht ein Exchange Bias (Austauschanisotropie) vor, der die Vorzugsorientierung der freien Schicht stabilisiert. Das Spin-Ventil kann bei Raumtemperatur gelesen und komplett neu geschrieben werden (Reset). Der Exchange Bias des Spin-Ventils zeigt zudem keinen Trainingseffekt. Die zeitliche Stabilität gespeicherter Informationen ist gegeben in Abhängigkeit von der eingestellten Größe der Koerzitivfeldstärke der Referenzschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spin-Ventil, aufweisend eine senkrecht magnetisierte ferrimagnetische Referenzschicht und eine senkrecht magnetisierte ferri- oder ferromagnetische freie Schicht, die durch eine Zwischenschicht getrennt sind.
Stand der Technik
In der digitalen Speichertechnik werden zwei Gruppen von Speichern hinsichtlich der Beständigkeit ihrer gespeicherten Informationen unterschieden.
Die eine Gruppe umfasst Speicher mit sogenanntem volatilen Verhalten, in die Speicher mit Lese- und Schreibzugriff, die nach ISO 2382-12 [0] als RAM (Random Access Memory) bezeichnet werden, fallen. Wobei die Bedeutung im Wortsinne von Random Access Memory (Direktzugriffspeicher), hingegen auch für non-volatile Speicher zutrifft und teilweise auch so verwendet wird.
Das Speicherverhalten der volatilen Speicher ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Verlust der Energieversorgung die gespeicherten Daten verlorengehen.
RAMs sind in der Regel Halbleiterspeicher, die gespeicherte Informationen in Form von Raumladungen in Transistoreinheiten speichern.
Die sogenannten dynamischen RAMs (DRAM) zeichnen sich durch schnelles Speicher- und Löschverhalten aus. Aufgrund der Flüchtigkeit (Volatilität) müssen gespeicherte Daten aber öfter (vielfach in einer Sekunde) aufgefrischt werden.
Die sogenannten statischen RAMs (SRAM) benötigen keine Auffrischung wie die DRAMs, verlieren aber ebenso bei Verlust der Energieversorgung ihre Speicherinhalte (volatiles Verhalten). Ihr Aufbau ist aufwändig, weswegen SRAMs nur für kleine Speichereinheiten verwendet werden.
Die andere Gruppe umfasst Speicher mit sogenanntem non-volatilen Verhalten, in die Speicher mit nur Lesezugriff (ROM, read only memories) und die mechanisch adressierten Speichermedien, wie z. B. Magnetbänder, Festplatten und optische Platten, fallen.
ROMs sind aufwändig herzustellen aber schnell auslesbar, wohingegen die mechanisch adressierten Speicher einfach herzustellen aber langsam sind.
Eine besondere Stellung mit viel Entwicklungspotenzial nehmen die magnetoresistiven RAMs (MRAMS) ein. Bei ihnen handelt es sich entgegen ihrem Namensbestandteil RAM, um non-volatile Speicherelemente, die den Namen RAM aufgrund ihrer Eigenschaft als Direktzugriffspeichereinheit tragen (siehe oben).
Sie werden im einfachsten Fall gebildet aus sogenannten Spin-Ventilen, wobei ein Spin-Ventil ein Bit in einer MRAM Speichereinheit bildet.
Spin-Ventile wiederum sind Anordnungen von wenigstens zwei Schichten, die eine magnetische Orientierung aufweisen und die meistens ferromagnetischer Natur sind, wobei auch Anordnungen mit ferrimagnetischen Schichten bekannt sind und eine der Schichten als Referenzschicht für die magnetische Vorzugsorientierungsrichtung des Schichtaufbaus dient.
Die Magnetisierung der Referenzschicht wird zumeist durch eine Kombination einer antiferromagnetischen mit einer ferromagnetischen Schicht eingestellt. Zwischen der antiferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Schicht besteht eine direkte Austauschwechselwirkung, die zu einem Exchange Bias (Austauschanisotropie auch unidirektionale Anisotropie) führt, der eine Vorzugsorientierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht bewirkt.
Eine Austauschwechselwirkung kann bei einem direkten Kontakt der Materialien und indirekt bei einer Separation, zum Beispiel durch eine Zwischenschicht, der Materialien vorliegen. Der Exchange Bias ist ein Spezialfall de Austauschwechselwirkung, bei dem eine Vorzugsorientierung der Magnetisierung übertragen wird.
Der Exchange Bias ist zusätzlich zur Vorzugsorientierung der Magnetisierung gekennzeichnet durch die Verschiebung der magnetischen Hysteresekurven um den Betrag H_EB, das sogenannte Exchange Bias Feld. Die Hysteresekurven verlaufen dann nicht mehr aufgrund der eingestellten Vorzugsorientierung symmetrisch mit dem angelegten äußeren Feld. Eine Erhöhung der Koerzitivfeldstärke H_c, d. h. der Feldstärke, bei der die Magnetisierung des Materials auf null zurückgeht, begleitet zusätzlich oft den Exchange Bias.
Die Orientierung der Magnetisierung bei einem Exchange Bias kann in der Schichtebene oder senkrecht zu dieser liegen oder gegen diese verkippt sein.
Senkrecht zu den Schichtebenen vorliegende magnetische Momente haben den Vorteil den Exchange Bias und die magnetischen Eigenschaften des Spin-Ventils zu stabilisieren. In den meisten bekannten Anordnungen hingegen liegt die Ausrichtung der magnetischen Orientierung parallel zu den Schichtebenen.
Zum Einstellen der Austauschanisotropie bedarf es im Falle der üblicherweise eingesetzten Kombinationen von ferromagnetischen und antiferromagnetischen Materialien einer sogenannten Field-Cooling-Prozedur (Einkühlfeld-Prozeduren). Hierbei werden die Materialien über die sogenannte Néel-Temperatur, das ist die Temperatur, bei der ein Antiferromagnet paramagnetisch wird, erwärmt und in einem Magnetfeld abgekühlt, was im antiferromagnetischen Material zur Ausrichtung der magnetischen Orientierung und hierdurch zur Ausbildung des Exchange Bias zwischen den Schichten führt.
Eine Alternative zur Field-Cooling-Prozedur stellt die sogenannte Field-Growing-Prozedur (Feld-Wachstums-Prozedur) dar, in der die Ausrichtung der Orientierung der Magnetisierung über ein externes sehr großes Magnetfeld erfolgt.
Die Field-Cooling- und Field-Growing-Prozeduren sind durch die benötigten, möglicherweise sehr hohen Felder Energie intensiv und benötigen im Falle der Field-Cooling-Prozedur zusätzlich die Erwärmung der Schichten. Eine weitere Erwärmung dieser Schichten im Betrieb ist unerwünscht, da dies zu Instabilitäten führt.
Durch den Einsatz von ferrimagnetischen Materialien für die Referenzschichten wird sowohl eine Field-Cooling-Prozedur oder eine Field-Growing-Prozedur überflüssig als auch die zusätzliche antiferromagnetische Schicht.
Für ein System aus ferromagnetischen Kobalt-Nanopartikel – eingebettet in Graphit, Korund oder antiferromagnetisches Kobaltoxid – konnte gezeigt werden, dass ein Exchange Bias eine stabilisierende Wirkung auf den Erhalt der Vorzugsorientierung hat, wie es im Aufsatz von Skumryev et al. „Beating the superparamagnetic limit with Exchange Bias" (Nature, Vol 423, Issue (19), 850ff) dargestellt ist.
Zudem ist die Referenzschicht, die – wie bereits erwähnt – aus einer Kombination von ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten mit Exchange Bias aufgebaut ist, bezüglich der orientierten Magnetisierung zeitlich instabil. Dadurch gehen in MRAMs mit der Zeit Speichereinheiten verloren, was einen Nachteil derselben bedeutet, da ein Rücksetzen (Reset) bzw. Neuschreiben der Einheiten wegen der üblicherweise sehr hohen Koerzitivfeldstärken von mehreren tausend kA/m (mehreren zehn bis hundert kOe), nicht durchführbar ist.
Eine weitere Eigenschaft von Schichtsystemen aus zwei magnetischen, einen Exchange Bias aufweisenden Schichten ist der sogenannte Trainingseffekt. Hierbei kann es vor allem bei der erstmaligen Umkehrung der Magnetisierung der ferromagnetisch Schicht zur Reduzierung des Exchange Bias Feldes H_EB und der Koerzitivfeldstärke H_c kommen. Als Ursache hierfür wird unter anderem eine Veränderung der magnetischen Domänen in den Materialien verantwortlich gemacht. Eine magnetische Domäne ist eine Raumeinheit, in der eine einheitliche Magnetisierung vorliegt. Ein Material mit einer komplett einheitlichen Magnetisierung ist eindomänig.
Die Referenzschicht in einem Spin-Ventil weist eine höhere Koerzitivfeldstärke als die der anderen, sogenannten freien Schicht auf.
Abhängig davon, ob die Richtungen der magnetischen Orientierung parallel oder antiparallel in den Schichten, Referenzschicht und freie Schicht, ausgebildet sind, verändert sich die Leitfähigkeit bzw. der Widerstand durch die zwischen diesen Schichten angeordnete Zwischenschicht des Spin-Ventils. Dies kann unter anderem zu Anordnungen mit einem Riesenmagnetowiderstand (Giant Magneto Resistance, GMR) des Spin-Ventils führen. Wegen der Eigenschaft der Änderung des Widerstandes mit der Magnetisierung werden die hier als Spin-Ventile bezeichneten Einheiten auch als magnetoresistive Elemente bezeichnet, was auch namensgebend für die Bezeichnung MRAM ist.
In DE 38 20 475 C1 ist der von P. Grünberg entwickelte Magnetfeldsensor mit ferromagnetischer dünner Schicht beschrieben, der heutzutage als Spin-Ventil oder magnetoresistives Element bezeichnet wird.
Der Zustand des Spin-Ventils, seine parallel oder antiparallel ausgerichtete Magnetisierung, beeinflusst auch einen möglichen Tunnelstrom senkrecht zu den Schichtebenen, wenn zwischen ihnen eine isolierende Zwischenschicht geeigneter Dicke angeordnet ist. Bei einem Element, das mit der Änderung des Tunnelstroms arbeitet, spricht man von einem Tunnel-Magnetoresistven (TMR) Element.
Das Auslesen des Zustandes eines Spin-Ventils erfolgt im einfachsten Fall über die Messung des Widerstandes (Absolut-Wert-Detektionsverfahren). Die Information ist dann in der freien Schicht gespeichert. Die Magnetisierung der Schichten, Referenzschicht und freier Schicht, ist in diesem Fall nicht gekoppelt, d. h. es existiert keine Austauschanisotropie zwischen der Referenz- und der freien Schicht. Dies ist der gebräuchliche Auslesemechanismus und auch die üblicherweise eingestellte Austauschwechselwirkung.
Das Speichern erfolgt über ein lokal sehr großes Magnetfeld bzw. einen hohen Stromfluss bei Größen, die genügen, die Richtung der Magnetisierung der freien Schicht umzupolen. Die für den Speicherprozess benötigten Energien sind damit verhältnismäßig groß im Vergleich zu – dem Stand der Technik nach bekannten – anderen Speichermedien, was einen Nachteil der MRAMs darstellt. Sie hängen von der Größe der Koerzitivfeldstärke der betreffenden Schicht ab, die voraussichtlich wenigstens einige kA/m bis mehrere zehn kA/m (einige hundert bis tausend Oe) zur Umschaltung der freien Schicht betragen muss.
Ein MRAM wird gebildet durch ein Gitter (Array) aus Spin-Ventilen. Zum Speichern wird im einfachsten Fall ein lokal hohes Feld durch einen Stromfluss durch eine oberhalb eines Spin-Ventils liegende Leitung und durch eine unterhalb des Spin-Ventils liegende Leitung, die senkrecht zu der oberen angeordnet ist, erzeugt. Der Lesevorgang erfolgt im einfachsten Fall des Direkt-Wert-Detektionsverfahren durch die Messung des Widerstandes. Im Falle von TMR-Elementen dient hier ein gemessener Stromfluss, der durch zwei Kontakte am Spin-Ventil, oben und unten, senkrecht zu den Schichten, fließt. Das Gitter aus Spin-Ventilen ist zur Erfüllung der Lese- und Schreibvorgänge entsprechend kontaktiert.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist in EP 1 244 118 B1 beschrieben. Das dort beschriebene Spin-Ventil weist zwei senkrecht zur Schichtebene magnetisierte Schichten auf, die aus ferrimagnetischen Materialien gebildet sein können und die durch eine isolierende Zwischenschicht getrennt sind. Dabei dient die eine Schicht mit der höheren Koerzitivfeldstärke als Referenzschicht. Die Anordnung wird hier als magnetoresistives Element bezeichnet und ist optimiert zur Verwendung als TMR-Element. Die Referenzschicht und die freie Schicht sind hier weitestgehend entkoppelt. Für die Entkoppelung der Schichten wird die Bedingung M·250·h/(π·(L + 2,6)) < Hs angegeben, wobei M die Restmagnetisierung, L die Länge und h die Schichtdicke der Referenzschicht ist und Hs das Sättigungsmagnetfeld der freien Schicht bezeichnet. Unter diesen Bedingungen kann sich kein Exchange Bias einstellen. Eine Stabilisierung der Vorzugsorientierung der freien Schicht durch den Exchange Bias bleibt also aus.
Aufgabenstellung
Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung darin zu sehen, ein Spin-Ventil anzugeben, das eine Neueinstellung der magnetischen Orientierung der Referenzschicht (Reset) und der freien Schicht energiearm ermöglicht, ohne dass eine Field Cooling- oder Field Growing-Prozedur nötig wird. Außerdem soll das Spin-Ventil eine kontrollierte zeitliche Stabilität der gespeicherten Informationen von einigen Tagen bis Jahren und keinen Trainingseffekt aufweisen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.
Dabei wird eine direkte Austauschwechselwirkung zwischen zwei senkrecht zu den Schichtebenen magnetisierten Schichten – einer ferrimagnetischen Referenzschicht und einer ferri- oder ferromagnetischen freien Schicht, wobei die Koerzitivfeldstärke der Referenzschicht größer ist als die der freien Schicht und beide Schichten durch eine Zwischenschicht getrennt sind – so eingestellt, dass sich ein Exchange Bias einstellt. Die Bedingung zur Einstellung einer Austauschanisotropie lautet (K_RS·d_RS)/J(d_ZS) > 1. Dabei ist K_RS die Anisotropie der Referenzschicht und d_RS ihre Dicke. J(d_ZS) bezeichnet die Kopplungskonstante, die eine Funktion der Schichtdicke der Zwischenschicht d_ZS ist. Das Exchange Bias Feld H_EB weist eine Größe von einigen hundert bis einigen zehntausend A/m (einige zehn bis tausend Oe) auf. Die Größe des Feldes H_EB wird – neben der bereits erwähnten Kopplungskonstante J(d_ZS) – durch die magnetische Permeabilität des Vakuums μ₀ und die weiteren Parameter Magnetisierung der freien Schicht M_FS, und ihrer Schichtdicke d_FS gemäß H_EB ~ J(d_ZS)/μ₀·M_FS·d_FS eingestellt. Ist das Exchange Bias Feld H_EB auf einen Wert in dem oben genannten Bereich eingestellt, erfolgt eine Richtungsänderung der magnetischen Orientierung der freien Schicht bei Raumtemperatur bei einem entsprechenden äußeren Feld. Der Exchange Bias stabilisiert die Vorzugsorientierung der freien Schicht.
Die Referenzschicht und die freie Schicht sind aus Materialien gebildet, die einen eindomänigen Zustand bezüglich der Magnetisierung aufweisen sowie eine senkrechte Anisotropie bezüglich der Schichtebenen. Dies ist die Voraussetzung für das Ausbleiben eines Trainingseffektes. Die senkrechte Ausrichtung der Magnetisierung trägt zudem zur thermischen Stabilität des Spin-Ventils bei. Wobei die Referenzschicht, wie schon erwähnt, aus einem ferrimagnetischen Material gebildet ist, das die vorstehenden Bedingungen erfüllt, und die freie Schicht aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material gebildet seien kann, das die vorstehenden Bedingungen erfüllt. Ist die freie Schicht aus einem ferrimagnetischen Material gebildet, wirkt sich dies vorteilhaft auf die erreichbare Speichergeschwindigkeit aus. Das Speichern im Falle einer ferrimagnetischen freien Schicht kann auch mit Unterstützung eines Lasers innerhalb von Picosekunden, gegenüber den in herkömmlichen Elementen benötigten Nanosekunden, erfolgen.
Eine Speichereinheit unter Benutzung von Spin-Ventilen, die wie dargelegt charakterisiert sind, wird durch die Koerzitivfeldstärke der Referenzschicht und durch das Exchange Bias Feld so stabilisiert, dass sie bei Raumtemperatur einige Tage bis einige Jahre, je nach Wahl der Materialien und der eingestellten Parametern, stabil ist. Durch ein Feld von einigen hundert bis einigen zehntausend A/m (einige zig bis einige hundert Oe) ist ein Reset der gesamten gespeicherten Information möglich, ohne dass sich ein Trainingseffekt einstellt. Bezüglich der zeitlichen Stabilität bei gleichzeitiger Möglichkeit eines Lese- und Schreibzugriffs und eines möglichen Resets, ist eine derartige Speichereinheit als semi-volatil zu bezeichnen.
Die zeitliche Stabilität der Information hängt von der Größe der Koerzitivfeldstärke der Referenzschicht ab. Je größer die Koerzitvfeldstärke desto besser werden thermische Fluktuationen im System abgefangen.
Die Stabilisierung der Spin-Ventile wirkt sich auch auf deren mögliche Skalierung aus. Erfindungsgemäße Spin-Ventilen sind in Größen von 30 × 30 nm² realisierbar. Dies ermöglicht sehr hohe Speicherdichten.
In einer Ausführungsform ist die Referenzschicht mindestens aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und einem Übergangsmetall, insbesondere Dy_zCo_(1-z), gebildet wobei z zwischen 5 und 35 Atom% liegt. Dy_zCo_(1-z) ist ferrimagnetisch und gekennzeichnet durch eine eindomänige Magnetisierung und eine große uniaxiale Anisotropie K, die durch ein sehr großes Orbitalmoment repräsentiert ist. Die Koerzitivfeldstärke hängt von der Größe von z ab und liegt zwischen 8 und mehr als 4.000 kA/m (100 und mehr als 50.000 Oe). Die Richtung der Magnetisierung im Spin-Ventil des Dy_zCo_(1-z) ist senkrecht zu den Schichtebenen orientiert.
In einer anderen Ausführungsform ist die freie Schicht aus Fe_zGd_(1-z) gebildet, wobei z zwischen 5 und 95 Atom% liegt. Fe_zGd_(1-z) ist ferrimagnetisch und gekennzeichnet dadurch, dass sich seine Magnetisierung bzw. Koerzitivfeldstärke durch Variation Von z in einem Bereich von 0,8 bis 800 kA/m (10 bis 10.000 Oe) einstellen lässt. Auch dieses Material weist eine eindomänige Magnetisierung auf. Die Richtung der Magnetisierung des Fe_zGd_(1-z) im Spin-Ventil ist senkrecht zu den Schichtebenen orientiert. Die freie Schicht kann aber auch aus einer Legierung von Co-Pd oder Co-Pt bzw. aus Co/Pd-oder Co/Pt Multilagen gebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus einem der Elemente Vanadium, Chrom, Kupfer, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Tantal, Wolfram, Rhenium oder Iridium gebildet für den Einsatz als GMR-Element.
In einer anderen Ausführungsform ist die Zwischenschicht aus einem der Oxide MgO, Al₂O₃, BaTiO₃ oder BaFeO₃ gebildet für den Einsatz als TMR-Element.
Die folgenden Ausführungsformen betreffen die Dicken der einzelnen Schichten. So liegt diese für die Referenzschicht und die freie Schicht zwischen 0,1 und 1000 nm und für die Zwischenschicht zwischen 0,1 nm und 2 nm.
Je nach Wahl der Materialien für die Zwischenschicht, leitend oder isolierend, kann das beschriebene Spin-Ventil als TMR-Einheit oder als magnetoresistive Einheit verwendet werden.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.
Die Figuren hierzu zeigen:
1: schematische Anordnung der Schichten im Spin-Ventil (Stand der Technik),
2: Hysteresen der Magnetisierung von Dy und Gd, gemessen mittels zirkular magnetischen Röntgendichroismus,
3: Hysterese der Magnetisierung von Fe nach der Sättigung der magnetischen Momente in einem äußeren Feld, gemessen mittels zirkular magnetischen Röntgendichroismus,
4: Größen von H_c und H_EB nach ein- bis dreimaligem Umschalten der Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht durch ein äußeres Feld.
Die in 1 gezeigte Schichtstruktur eines Spin-Ventils entspricht dem Stand der Technik. Sie umfasst die Referenzschicht RS, die freie Schicht FS und die Zwischenschicht ZS. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Referenzschicht RS gebildet aus DyCo₅ und hat eine Dicke von 25 nm. Die freie Schicht FS ist gebildet aus Fe₇₆Gd₂₄ und hat eine Dicke von 50 nm. Die Zwischenschicht ZS ist gebildet aus Tantal und hat eine Dicke von 0,5 nm. Die Referenzschicht und die freie Schicht sind so angeordnet, dass die Vorzugsorientierung ihrer Magnetisierung senkrecht zu den Schichtebenen ist.
Die in 2 gezeigten Hysteresen sind die von Dysprosium (Dy) und Gadolinium (Gd) in dem beschriebenen Spin-Ventil. Die Hysteresekurven wurden mittels einer Studie des zirkular magnetischen Röntgendichroismus (XMCD, X-Ray Magnetic Circular dichroism) bestimmt. Bei diesem Verfahren wird die unterschiedliche Absorption von links und rechts zirkular polarisiertem Röntgenlicht gemessen. Das zirkular polarisierte Röntgenlicht wechselwirkt mit den magnetischen Momenten in der Probe, hier das Spin-Ventil. Zeigen die magnetischen Momente eine Vorzugsorientierung, so ist die Absorption des zirkular polarisierten Röntgenlichts abhängig von dem Winkel zwischen der magnetischen Orientierung und der Polarisierung des Röntgenlichts. Die Differenz der Absorbtionsspektren von links und rechts polarisiertem Licht ist direkt proportional der Magnetisierung. Es wird an den K-, L- oder M-Kanten gemessen. Legt man ein äußeres Magnetfeld an, so kann man die Änderung der Magnetisierung in der Probe mit der Änderung des Magnetfelds nachvollziehen. Alle XMCD-Messungen, die hier vorgestellt sind, sind in Transmissionsgeometrie an BESSY II (Berliner Elektronen Speicherring des Helmholtz-Zentrum-Berlin) unter Benutzung des ALICE Diffraktometers am Experimentierplatz PM3 und der Hochfeldkammer am Experimetierplatz UE46-PGM1 durchgeführt worden. Auf der Abszisse ist die Differenz der mit links und rechts zirkular polarisiertem Licht gemessenen Absorptionsspektren an den M₅-Kanten von Dysprosium und Gadolinium in willkürlichen Einheiten des XMCD gegeben. Auf der Ordinate ist das angelegte äußere Feld H in Ampere pro Meter [A/m] aufgetragen. Beide Hysteresen sind gekennzeichnet durch eine annähernd quadratische Form. Dies ist ein Kennzeichen des eindomänigen Zustandes mit senkrechter Magnetisierung sowohl des DyCo₅ als auch des Fe₇₆Gd₂₄ in dem in 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Spin-Ventil, der eine Voraussetzung für das Ausbleiben eines Trainingseffekts ist. Zusätzlich ist zu erkennen, dass die Koerzitivfeldstärke des Fe₇₆Gd₂₄ mit 13,6 kA/m (170 Oe) kleiner ist als die des DyCo₅ mit 28 kA/m (350 Oe). Die Koerzitivfeldstärke des Fe₇₆Gd₂₄ ist hier unter der Austauschanisotropie höher als im entkoppelten Zustand, wo sie 4,8 kA/m (60 Oe) beträgt.
Die in 3 gezeigte Hysterese von Eisen (Fe) in dem beschriebenen Spin-Ventil wurde entsprechend der Beschreibung der 2 mit XMCD bestimmt.
Auf der Abszisse ist die Differenz der mit links und rechts zirkular polarisiertem Licht gemessenen Absorptionsspektren an der L₃-Kante von Eisen Fe in willkürlichen Einheiten XMCD gegeben. Auf der Ordinate ist das angelegte äußere Feld H in Ampere pro Meter A/m aufgetragen. Das Spin-Ventil wurde vor der Messung in einem magnetischen Feld von 240 kA/m (3 kOe) gesättigt. Auch hier ist die Hysterese gekennzeichnet durch eine annähernd quadratische Form, was wieder den eindomänigen Zustand mit senkrechter Magnetisierung von Fe₇₆Gd₂₄ in der erfindungsgemäßen Anordnung belegt, der eine Voraussetzung für das Ausbleiben eines Trainingseffekts ist. Die Hysterese verläuft nicht symmetrisch mit dem angelegten Feld, sondern ist gegenüber der Abszisse verschoben. Dies ist ein Zeichen für das Vorliegen einer Austauschanisotropie. Das Exchange Bias Feld H_EB beträgt 6,4 kA/m (80 Oe) und die Koerzitvfeldstärke H_c des Eisens 8,96 kA/m (112 Oe).
In der 4 sind auf der Abszisse die Koerzitivfeldstärken H_c und die Betrage der Exchange Bias Feldstärken H_EB in Ampere pro Meter [A/m] aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Anzahl der Umschaltungen der Orientierung der Magnetisierung der freien Schicht durch Felder von ±24 kA/m (300 Oe) gezeigt. Die gesamte Anordnung wurde dabei einmal in einem Feld von 240 kA/m (3 kOe) ausgerichtet, hier als positiv bezeichnet, dann wurde H_EB und H_c bestimmt und dies nach je zwei Umschaltungen der freien Schicht wiederholt. Anschließend wurde die gesamte Anordnung in die entgegengesetzte Richtung bei einem Feld von 240 kA/m (3 kOe) ausgerichtet, hier als negativ bezeichnet, dann wurde H_EB und H_c bestimmt und dies nach je zwei Umschaltungen wiederholt. H_EB und H_c bleiben hierbei konstant, was wiederum zeigt, dass kein Trainingseffekt vorliegt.
Das beschriebene Spin-Ventil mit den aufgeführten Merkmalen kann folglich bei Raumtemperatur und Feldstärken < 16 kA/m (200 Oe) gelesen und geschrieben werden. Ein Reset auf eine definierte Orientierung ist ebenfalls bei Raumtemperatur möglich für Feldstärken > 28 kA/m (350 Oe). Die zeitliche Stabilität der Information hängt von der Größe der Koerzitivfeldstärke des DyCo₅ ab. Da die Zwischenschicht aus Tantal gebildet ist, ist das Spin-Ventil als magnetoresistive Einheit einsetzbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3820475 C1 [0027]
EP 1244118 B1 [0032]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 2382-12 [0] [0003]
Aufsatz von Skumryev et al. „Beating the superparamagnetic limit with Exchange Bias” (Nature, Vol 423, Issue (19), 850ff) [0022]

Claims

Spin-Ventil, aufweisend zwei senkrecht zur Schichtebene magnetisierte, Schichten und eine zwischen den magnetischen Schichten angeordnete Zwischenschicht, wobei eine Schicht als Referenzschicht zur Vorgabe der Vorzugsorientierung der Richtung der Magnetisierung ausgebildet ist und aus einem ferrimagnetischen Material gebildet ist und eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweist als die andere, freie Schicht, die aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zwischenschicht elektrisch leitend oder nicht leitend ausgebildet ist, – die Referenzschicht und die freie Schicht eine eindomänige Magnetisierung aufweisen, – die Koerzitivfeldstärke der Referenzschicht über ihre Zusammensetzung einstellbar ist und zwischen 0,8 und mehr als 4.000 kA/m liegt, – die Parameter Anisotropie K_RS und Schichtdicke d_RS der Referenzschicht sowie Kopplungskonstante J, die eine Funktion der Schichtdicke d_ZS der Zwischenschicht ist, so eingestellt sind, dass sie die Bedingung zur Ausbildung eines Exchange Bias mit (K_RS·d_RS)/J(d_ZS) > 1 erfüllen, und – das Exchange Bias Feld Werte zwischen 0,8 und 80 kA/m aufweist.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht aus Dy_zCo_(1-z) gebildet ist, wobei z zwischen 5 und 35 Atom% liegt.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht aus einer Legierung, mindestens aufweisend ein Seltenerdelement und ein Übergangsmetall, gebildet ist.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Schicht aus Fe_zGd_(1-z) gebildet ist, wobei z zwischen 0,05 und 0,95 liegt.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Schicht aus einer Legierung aus Co-Pd oder Co-Pt oder aus Co/Pt-Multilagen oder Co/Pd-Multilagen gebildet ist.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem der Elemente Vanadium, Chrom, Kupfer, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Tantal, Wolfram, Rhenium oder Iridium gebildet ist.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht aus einem der Oxide MgO, Al₂O₃, BaTiO₃ oder BaFeO₃ gebildet ist.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Referenzschicht 0,1 bis 1.000 nm beträgt.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der freien Schicht 0,1 bis 1.000 nm beträgt.
Spin-Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Zwischenschicht zwischen 0,1 nm und 2 nm liegt.
Spin-Ventil nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzschicht aus DyCo₅ besteht und eine Dicke von 25 nm aufweist, die Zwischenschicht aus Tantal besteht und eine Dicke von 0,5 nm aufweist und die freie Schicht aus Fe₇₆Gd₂₄ besteht und eine Dicke von 50 nm aufweist.
Verwendung einer Vielzahl von Spin-Ventilen gemäß mindestens einem der vorangehenden Ansprüche in einer Anordnung zur Verwendung als MRAM, wobei jedes Spin-Ventil ein semi-volatiles Verhalten aufweist.