DE102015203272B4 - MAGNETOELECTRIC FUNCTIONAL ELEMENTS - Google Patents

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Abstract

Magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht (2), auf der eine magnetoelektrische Schicht (3) angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht (4) angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht (3) und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht (3) in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht (4) nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht (3) ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind, und wobei die magnetoelektrischen Funktionselemente keine ferromagnetischen Materialen aufweisen.

Figure DE102015203272B4_0000
Magnetoelectric functional elements at least consisting of a layer (2) on which a magnetoelectric layer (3) is arranged and on which in turn a magnetically polarizable layer (4) is arranged, wherein at least the magnetoelectric layer (3) and the magnetically polarizable layer (4 ) are at least partially bonded and at least the surface of the magnetoelectric layer (3) in the areas of the bonded connection with the magnetically polarizable layer (4) is not magnetically compensated and the order parameter is at an angle of > 0° to the layer plane of the magnetoelectric layer ( 3) is aligned, and the layer and the magnetically polarizable layer (4) are each at least electrically conductive and electrically contacted and are not in an electrical short circuit with one another, and the magnetoelectric functional elements do not have any ferromagnetic materials.
Figure DE102015203272B4_0000

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft magnetoelektrische Funktionselemente, welche als Speicherelemente oder Logikelemente in der Informationsverarbeitung, beispielsweise in MERAMs zum Einsatz kommen können.The invention relates to the fields of electrical engineering and materials science and relates to magnetoelectric functional elements which can be used as memory elements or logic elements in information processing, for example in MERAMs.

Die Magnetoelektronik hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Durch die Entdeckung des sogenannten Giant-Magnetowiderstandes (GMR) und des Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) konnten auch sehr kleine Magnetfeld- oder Magnetisierungsänderungen direkt in eine Widerstandsänderung umgesetzt werden. Der GMR-Effekt wird üblicherweise in rein metallischen Strukturen genutzt, wohingegen der TMR-Effekt in Strukturen mit einer oxidischen Tunnelbarriere zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten ausgenutzt wird. Derzeit werden TMR-Strukturen für elektronisch auslesbare Magnetspeicher (MRAMs), in der Magnetfeldsensorik und für Festplattenleseköpfe eingesetzt.Magnetoelectronics has developed rapidly in recent years. With the discovery of the so-called giant magnetoresistance (GMR) and the tunnel magnetoresistance (TMR), even very small changes in the magnetic field or magnetization could be converted directly into a change in resistance. The GMR effect is usually used in purely metallic structures, whereas the TMR effect is used in structures with an oxidic tunnel barrier between two ferromagnetic metal layers. TMR structures are currently used for electronically readable magnetic memories (MRAMs), in magnetic field sensors and for hard disk read heads.

Bei MRAMs erfolgt das Schreiben einer Information in Form einer magnetischen Polarisierung durch ein Magnetfeld, wobei die Polarität des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der gewünschten Information geändert wird. Die gespeicherten binären Informationen in MRAMs sind also durch einen Magnetisierungszustand codiert. Zum Lesen der Informationen wird der Magnetisierungszustand des codierenden metallischen Ferromagneten an einem bestimmten Ort ermittelt.In MRAMs, information is written in the form of magnetic polarization by a magnetic field, with the polarity of the magnetic field being changed depending on the information desired. The stored binary information in MRAMs is thus encoded by a magnetization state. To read the information, the state of magnetization of the coding metallic ferromagnet is determined at a specific location.

Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen ist, dass MRAMs sehr viel Energie zum Schreiben benötigen.A disadvantage of these known solutions is that MRAMs require a great deal of energy for writing.

Die bekannten magnetoelektrischen Magnetspeicher (MERAMs), bei denen Magnetoelektrika genutzt werden, um das Schreiben der Magnetisierung mit einem elektrischen Feld zu ermöglich, beheben diesen Mangel. Sie sind deutlich energieeffizienter.Known magnetoelectric magnetic memories (MERAMs), which use magnetoelectrics to enable the magnetization to be written with an electric field, overcome this deficiency. They are significantly more energy efficient.

Nach der DE 10 2005 043 574 A1 ist ein magnetoresistives Element, insbesondere ein Speicherelement oder Logikelement und ein Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein derartiges Element bekannt, welches ein MERAM ist. Das magnetoresistive Element besteht aus einem ersten und zweiten Kontakt, zwischen denen eine Trennschicht angeordnet ist, und aus einer Schicht aus einem magnetoelektrischen oder ferroelektrischen Material, wobei diese Schicht dem ersten Kontakt, der aus einem ferromagnetischen Material besteht, derart zugeordnet ist, dass der erste Kontakt in Abhängigkeit von einer ferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht magnetisch polarisiert ist. Das Schreiben von Informationen in ein derartiges Element erfolgt, indem die magnetoelektrische Schicht über eine kritische Temperatur erwärmt und mittels eines Magnetfeldes und eines elektrischen Feldes in der Grenzschicht antiferromagnetisch polarisiert wird. Magnetfeld und elektrisches Feld werden bis zum Abkühlen unter die kritische Temperatur aufrechterhalten, wodurch die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation (AGP) eingefroren wird. Diese AGP polarisiert den ersten Kontakt magnetisch, und diese magnetische Polarisation des ersten Kontaktes bildet die geschriebene Information. Diese geschriebene Information kann dann über den elektrischen Widerstand über die beiden Kontakte gelesen werden, da der elektrische Widerstand bei paralleler Ausrichtung der Polarisationen oder der magnetischen Momente der beiden Kontakte niedrig und bei antiparalleler (entgegengesetzter) Ausrichtung hoch ist.After DE 10 2005 043 574 A1 discloses a magnetoresistive element, in particular a memory element or logic element, and a method for writing information into such an element, which is a MERAM. The magnetoresistive element consists of a first and second contact, between which a separating layer is arranged, and of a layer of a magnetoelectric or ferroelectric material, this layer being associated with the first contact, which consists of a ferromagnetic material, such that the first Contact is magnetically polarized as a function of a ferromagnetic interface polarization of the layer. Information is written into such an element by heating the magnetoelectric layer above a critical temperature and antiferromagnetically polarizing it by means of a magnetic field and an electric field in the boundary layer. Magnetic field and electric field are maintained until cooling below the critical temperature, which freezes the antiferromagnetic interface polarization (AGP). This AGP magnetically polarizes the first contact, and this magnetic polarization of the first contact forms the written information. This written information can then be read via the electrical resistance across the two contacts, since the electrical resistance is low when the polarizations or magnetic moments of the two contacts are parallel and high when they are antiparallel (opposite).

Nachteilig bei den Lösungen zu MERAMs ist vor allem, dass der zum Auslesen notwendige Ferromagnet die Grundfunktionalität (das magnetoelektrische Schalten der Information) behindert oder selbst nicht mitgeschalten wird (ASHIDA, T. [u. a.]: Observations of magnetoelectric effect in Cr2O3/Pt/Co thin film system. In: Applied Physics Letters, 104, 2014, S. 152409-1 bis 152409-3 oder HE, Xi [u. a.]: Robust isothermal electric control of exchange bias at room temperature. In: Nature Materials, Vol. 9, 2010, S. 579-585 oder LIM, S.-H. [u. a.]: Exchange bias in thin-film (Co/Pt)3/Cr2O3 multilayers. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 2009, S. 1955-1958). Die beteiligten Ferromagneten zeigen außerdem starke ungewollte Wechselwirkungen mit dem zum Schreiben benötigten Magnetfeld.The main disadvantage of the MERAM solutions is that the ferromagnet required for reading hinders the basic functionality (the magnetoelectric switching of the information) or is not switched itself (ASHIDA, T. [et al.]: Observations of magnetoelectric effect in Cr2O3/Pt/Co thin film system In: Applied Physics Letters, 104, 2014, pp. 152409-1 to 152409-3 or HE, Xi [et al.]: Robust isothermal electric control of exchange bias at room temperature In: Nature Materials, Vol , 2010, pp. 579-585 or LIM, SH [et al.]: Exchange bias in thin-film (Co/Pt)3/Cr2O3 multilayers In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 2009, p .1955-1958). The ferromagnets involved also show strong unwanted interactions with the magnetic field required for writing.

Magnetoelektrische Funktionselemente mit Ferromagneten sind aus den Druckschriften US 2007 / 0 014 143 A1 , US 2014 / 0 231 888 A1 , US 7 982 249 B2 und US 2013 / 0 175 588 A1 bekannt.Magnetoelectric functional elements with ferromagnets are from the publications U.S. 2007/0014143A1 , U.S. 2014/0 231 888 A1 , U.S. 7,982,249 B2 and U.S. 2013/0 175 588 A1 famous.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, magnetoelektrische Funktionselemente anzugeben, bei welchen sowohl das Schreiben einer Information als auch deren Auslesen direkt am Speicherort energieeffizient realisierbar ist.The invention is based on the object of specifying magnetoelectric functional elements in which both the writing of information and its reading out can be implemented in an energy-efficient manner directly at the storage location.

Die erfindungsgemäße magnetoelektrischen Funktionselemente bestehen mindestens aus einer Schicht, auf der eine magnetoelektrische Schicht angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0 ° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind.The magnetoelectric functional elements according to the invention consist of at least one layer on which a magnetoelectric layer is arranged and on which in turn a magnetically polarizable layer is arranged, with at least the magnetoelectric layer and the magnetically polarizable layer being at least partially bonded and at least the surface of the magnetoelectric layer in the areas of material connection with of the magnetically polarizable layer is not magnetically compensated and the order parameter is aligned at an angle of >0° to the layer plane of the magnetoelectric layer, and the layer and the magnetically polarizable layer are each at least electrically conductive and electrically contacted and are not in an electrical short circuit with one another.

Vorteilhafterweise ist eine Substratschicht unter der Schicht angeordnet.Advantageously, a substrate layer is arranged under the layer.

Ebenfalls vorteilhafterweise sind als Substratmaterial Si, Al2O3, MgO, SiO2, Gläser oder Polymere, wie Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat und/oder Polyimid vorhanden.Likewise advantageously, Si, Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , glasses or polymers such as polycarbonate, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate and/or polyimide are present as substrate material.

Weiterhin vorteilhafterweise ist die Schicht mechanisch stabil und/oder unstrukturiert.The layer is also advantageously mechanically stable and/or unstructured.

Und auch vorteilhafterweise besteht die Schicht aus Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al und/oder n- oder p-dotiertes Silizium, V2O3, Ti2O3 oder Graphen.And also advantageously, the layer consists of Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al and/or n- or p-doped silicon, V 2 O 3 , Ti 2 O 3 or graphene.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die magnetoelektrische Schicht aus Cr2O3, BiFeO3, BaTiO3 besteht.It is also advantageous if the magnetoelectric layer consists of Cr 2 O 3 , BiFeO 3 , BaTiO 3 .

Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die magnetisch polarisierbare Schicht aus Pt, Pd und/oder Graphen besteht.It is also advantageous if the magnetically polarizable layer consists of Pt, Pd and/or graphene.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die magnetisch polarisierbare Schicht kreuzförmig ausgebildet ist und die magnetoelektrische Schicht nur teilweise bedeckt, wobei noch vorteilhafterweise die kreuzförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes elektrisch kontaktiert ist.It is also advantageous if the magnetically polarizable layer is cross-shaped and only partially covers the magnetoelectric layer, the cross-shaped magnetically polarizable layer advantageously being electrically contacted at opposite ends of the cross.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die magnetischen Funktionselemente neben- und/oder übereinander zu einem magnetoelektrischen Bauelement angeordnet sind, wobei noch vorteilhafterweise die neben- und/oder übereinander angeordneten magnetoelektrischen Funktionselemente durch eine Trennschicht separiert angeordnet sind, und wobei ebenfalls noch vorteilhafterweise die Trennschicht jeweils in Richtung senkrecht zur Schichtebene der Schichten der Funktionselemente angeordnet ist, und auch noch vorteilhafterweise die Trennschicht SiO2, SiN, Al2O3, HfO2 und oder Polyimid ist.It is also advantageous if the magnetic functional elements are arranged next to and/or on top of one another to form a magnetoelectric component, with the magnetoelectric functional elements arranged next to and/or on top of one another being separated by a separating layer, and with the separating layer also advantageously being arranged is arranged in the direction perpendicular to the layer plane of the layers of the functional elements, and also advantageously the separating layer is SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 and/or polyimide.

Von Vorteil ist es auch, wenn über den Hall-Effekt die in die magnetisch polarisierbare Schicht übertragene Magnetisierung messbar ist.It is also advantageous if the magnetization transferred into the magnetically polarizable layer can be measured via the Hall effect.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, magnetoelektrische Funktionselemente anzugeben, bei welchem sowohl das Schreiben einer Information als auch deren Auslesen direkt am Speicherort energieeffizient realisierbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird insbesondere das Problem von bekannten MERAMs vermieden, dass austauschgekoppelte ferromagnetische Bestandteile der MERAMs den magnetoelektrischen Schreibprozess stören.With the solution according to the invention, it is possible for the first time to specify magnetoelectric functional elements in which both the writing of information and its reading out directly at the storage location can be implemented in an energy-efficient manner.
The solution according to the invention avoids in particular the problem of known MERAMs that exchange-coupled ferromagnetic components of the MERAMs interfere with the magnetoelectric writing process.

Erreicht wird dies durch magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht, auf der eine magnetoelektrische Schicht angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0 ° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind. Die Schicht ist eine Schicht, die aus einer oder mehreren mindestens teilweise übereinander angeordneten Schichten bestehen kann, wobei mindestens eine oder die eine Schicht mindestens elektrisch leitend ist und keine TMR- oder GMR-Funktionen realisieren kann.
Diese eine oder mehrere Schichten können gleichzeitig als Substrat dienen, sofern die Schicht eine Schichtdicke und/oder eine Struktur aufweist, die die mechanische Stabilität der Funktionselemente sichert.This is achieved by magnetoelectric functional elements consisting at least of a layer on which a magnetoelectric layer is arranged and on which in turn a magnetically polarizable layer is arranged, with at least the magnetoelectric layer and the magnetically polarizable layer being at least partially bonded and at least the surface of the magnetoelectric layer is not magnetically compensated in the areas of the material connection with the magnetically polarizable layer and the order parameter is aligned at an angle of >0° to the layer plane of the magnetoelectric layer, and the layer and the magnetically polarizable layer are each at least electrically conductive and electrically contacted and are not in an electrical short circuit with each other. The layer is a layer that can consist of one or more layers arranged at least partially on top of one another, wherein at least one or the one layer is at least electrically conductive and cannot implement any TMR or GMR functions.
These one or more layers can simultaneously serve as a substrate, provided the layer has a layer thickness and/or a structure that ensures the mechanical stability of the functional elements.

Unter Struktur soll im Rahmen dieser Erfindung der allgemeine atomare Aufbau eines Materials verstanden werden, welches erfindungsgemäß in der Form von Schichten vorhanden ist. Eine Struktur wird über den Strukturtypen und die strukturelle Orientierung beschrieben. Der Strukturtyp klassifiziert Materialien nach den im atomaren Aufbau vorhandenen geometrischen Symmetrien und die strukturelle Orientierung beschreibt die Drehung der Struktur im Raum. Im Falle der Herstellung des Schichtaufbaus mittels Dünnschichttechnik wirkt die Schicht vorteilhafterweise auch als Keimschicht für die strukturelle Orientierung der aufwachsenden magnetoelektrische Schicht.
Als Keimschicht soll im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht verstanden werden, die dazu dient, eine bestimmte, gewünschte Struktur in der auf die Keimschicht aufwachsenden Schicht zu realisieren.In the context of this invention, structure is to be understood as meaning the general atomic structure of a material which, according to the invention, is present in the form of layers. A structure is described by the structure types and the structural orientation. The structure type classifies materials according to the geometric symmetries present in the atomic structure and the structural orientation describes the rotation of the structure in space. If the layer structure is produced by means of thin-layer technology, the layer advantageously also acts as a seed layer for the structural orientation of the growing magnetoelectric layer.
In the context of this invention, a seed layer is to be understood as a layer which serves to realize a specific, desired structure in the layer growing on the seed layer.

Falls sich die Funktionen der Schicht als elektrisch leitende Schicht und als Keimschicht nicht vereinen lassen, können die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente vorteilhafterweise ein Substrat aufweisen, welches mit der Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden ist. Die erfindungsgemäße Schicht hat dabei mindestens die Funktion der elektrischen Leitfähigkeit. Das Substrat kann in diesem Fall die Funktion der Keimschicht übernehmen und beim Schichtwachstum im weiteren Schichtwachstumsprozess für die notwendige Struktur der aufwachsenden Schicht und magnetoelektrischen Schicht sorgen.
Üblicherweise wird die Schicht auf einem Substrat angeordnet. Als Substratmaterialien können vorteilhafterweise Si, Al2O3, MgO, SiO2, Gläser oder Polymere vorhanden sein. Es kommen für die Schicht nahezu alle Metalle oder Metalllegierungen infrage, wie z.B. Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al, aber auch Halbleiter oder andere elektrisch leitende Materialien, wie z.B. n- oder p-dotiertes Silizium, V2O3, Ti2O3 oder Graphen.If the functions of the layer as an electrically conductive layer and as a seed layer cannot be combined, the inventive ßen magnetoelectric functional elements advantageously have a substrate which is at least partially integrally connected to the layer. The layer according to the invention has at least the function of electrical conductivity. In this case, the substrate can assume the function of the seed layer and, during layer growth in the further layer growth process, provide the necessary structure for the growing layer and magnetoelectric layer.
The layer is usually arranged on a substrate. Advantageously, Si, Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , glasses or polymers can be present as substrate materials. Almost all metals or metal alloys can be used for the layer, such as Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al, but also semiconductors or other electrically conductive materials, such as n- or p- doped silicon, V 2 O 3 , Ti 2 O 3 or graphene.

Wenn die Schicht aus mehreren mindestens teilweise übereinander angeordneten Schichten besteht, dann können diese weiteren Schichten zusätzliche Funktionen realisieren, die zu verbesserten Eigenschaften, wie einer verbesserten Haftung auf dem Substrat, einer verbesserten Haftung zur magnetoelektrischen Schicht und/oder einer verbesserten chemischen Beständigkeit der Schicht führen. Die Schicht kann strukturiert ausgeführt sein. Unter Strukturierung einer Schicht soll im Rahmen dieser Erfindung die äußere Form der Schicht im geometrischen Sinne verstanden werden, wie sie beispielsweise über lithographische Verfahren realisiert werden kann. Durch die Strukturierung der einen oder mehreren Schichten und/oder des Substrates können weitere zusätzliche Funktionen realisiert werden, wie das Erzeugen eines lokalen elektrischen Potentials und/oder das Erzeugen eines lokalen magnetischen Feldes.If the layer consists of several layers arranged at least partially on top of one another, then these further layers can realize additional functions that lead to improved properties, such as improved adhesion to the substrate, improved adhesion to the magnetoelectric layer and/or improved chemical resistance of the layer . The layer can be structured. In the context of this invention, structuring of a layer should be understood to mean the outer shape of the layer in the geometric sense, as can be realized, for example, using lithographic processes. Further additional functions can be implemented by structuring the one or more layers and/or the substrate, such as generating a local electrical potential and/or generating a local magnetic field.

Auf der Schicht ist wiederum mindestens teilweise stoffschlüssig eine magnetoelektrische Schicht angeordnet. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Schicht und der magnetoelektrischen Schicht mindestens dort realisiert ist, wo später die Information geschrieben und/oder gelesen werden soll. Die magnetoelektrische Schicht ist neben ihrer magnetoelektrischen Eigenschaft weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Schicht mit einem magnetischen Ordnungsparameter, der in einem Winkel von > 0 ° zur Schichteben der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist und einer, auch bei antiferromagnetischer Ordnung, magnetisch unkompensierten Oberfläche an der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht. Ein Ordnungsparameter wird in der statistischen Physik im Zusammenhang von Phasenübergängen mit spontaner Symmetriebrechung verwendet. Sie sind in einem Zustand des Systems, meist im ungeordneten, Null und nehmen im geordneten einen Wert an. Bei Phasenübergängen von Ferromagneten wird die Magnetisierung als Ordnungsparameter definiert. Bei Phasenübergängen kollinearer Antiferromagneten wird die Magnetisierung eines magnetischen Untergitters als Ordnungsparameter definiert. Magnetisch unkompensiert ist ein Material, wenn das vektorielle magnetische Moment aller seiner Spinmomente in ihrer Summe > 0 ist.
Diese magnetoelektrische Schicht besitzt vorteilhafterweise eine antiferromagnetische Ordnung und besteht vorteilhafterweise aus Cr2O3, auch z.B. mit Übergangsmetallen oder mit Bor dotiert, um die Ordnungstemperatur- und -stärke anzupassen, oder aus BiFeO3, oder auch aus Kompositen oder magnetisch dotierten Ferroelektrika, wie z.B. BaTiO3, dotiert mit z.B. Fe.A magnetoelectric layer is in turn arranged at least partially cohesively on the layer. In this context, it is of particular importance that the integral connection between the layer and the magnetoelectric layer is realized at least where the information is later to be written and/or read. In addition to its magnetoelectric property, the magnetoelectric layer is also at least one electrically insulating layer with a magnetic order parameter that is aligned at an angle of >0° to the layer plane of the magnetoelectric layer and a magnetically uncompensated surface on the material connection with, even in the case of antiferromagnetic order the magnetically polarizable layer. An order parameter is used in statistical physics in connection with phase transitions with spontaneous symmetry breaking. They are zero in one state of the system, usually when it is disordered, and assume a value when it is ordered. For phase transitions of ferromagnets, the magnetization is defined as an order parameter. For phase transitions of collinear antiferromagnets, the magnetization of a magnetic sub-lattice is defined as an order parameter. A material is magnetically uncompensated if the sum of the vectorial magnetic moments of all its spin moments is > 0.
This magnetoelectric layer advantageously has an antiferromagnetic order and advantageously consists of Cr 2 O 3 , also doped, for example, with transition metals or with boron to adjust the ordering temperature and strength, or of BiFeO 3 , or of composites or magnetically doped ferroelectrics, such as eg BaTiO 3 , doped with eg Fe.

Die magnetoelektrische Schicht ist einerseits über der Schicht angeordnet, muss aber nicht mit dieser stoffschlüssig verbunden sein, und ist andererseits mindestens teilweise stoffschlüssig mit der magnetisch polarisierbaren Schicht verbunden. Dabei ist ebenfalls von besonderer Bedeutung, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der magnetoelektrischen Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht mindestens dort realisiert ist, wo später die Information geschrieben und/oder gelesen werden soll. Durch die magnetoelektrische Schicht wird eine elektrische Isolation zwischen der Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht, die jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind, realisiert damit diese nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind.
Beispielsweise kann die magnetoelektrische Schicht eine (0001)-orientierte α-Cr2O3-Schicht sein. Obwohl das Material eine antiferromagnetische Ordnung besitzt, ist bekannt, dass z.B. an seiner (0001) Oberfläche eine stabile ferromagnetische Terminierung erfolgt (BELASHCHENKO, K. D.: Equilibrium magnetization at the boundary of a magnetoelectric antiferromagnet. In: Phys. Rev. Lett., 105, 2010, S. 1-5). Eine (0001)-Oberfläche ist somit magnetisch unkompensiert, da alle ihre Spinmomente parallel ausgerichtet sind. Zusätzlich sind diese Spinmoment entlang der [0001]-Richtung orientiert, also senkrecht zur Schichtebene. Dies erlaubt das Lesen der Information über den magnetischen Proximity-Effekt und den Hall Effekt.On the one hand, the magnetoelectric layer is arranged above the layer, but does not have to be cohesively connected to it, and on the other hand, it is at least partially cohesively connected to the magnetically polarizable layer. It is also of particular importance that the integral connection between the magnetoelectric layer and the magnetically polarizable layer is realized at least where the information is later to be written and/or read. The magnetoelectric layer provides electrical insulation between the layer and the magnetically polarizable layer, which are each at least electrically conductive and electrically contacted, so that they are not in an electrical short circuit with one another.
For example, the magnetoelectric layer can be a (0001)-oriented α-Cr 2 O 3 layer. Although the material has an antiferromagnetic order, it is known that stable ferromagnetic termination occurs, for example, on its (0001) surface (BELASHCHENKO, KD: Equilibrium magnetization at the boundary of a magnetoelectric antiferromagnet. In: Phys. Rev. Lett., 105, 2010, pp. 1-5). A (0001) surface is thus magnetically uncompensated since all of its spin moments are aligned in parallel. In addition, these spin moments are oriented along the [0001] direction, i.e. perpendicular to the layer plane. This allows reading the information about the magnetic proximity effect and the Hall effect.

Auf der magnetoelektrischen Schicht ist wiederum mindestens teilweise stoffschlüssig eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet.A magnetically polarizable layer is in turn arranged at least partially cohesively on the magnetoelectric layer.

Unter einer magnetisch polarisierbaren Schicht soll im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht aus einem nicht-ferromagnetischen Material verstanden werden, das elektrisch leitend ist, den magnetischen Proximity-Effekt aufweist und nur durch den magnetischen Proximity-Effekt eine magnetische Polarisierung erhält. Der magnetische Proximity-Effekt ist ein Effekt, der bei einigen nicht von selbst magnetisch geordneten Materialien eine endliche spontane Magnetisierung erzeugt, sofern eine stoffschlüssige Verbindung mit einem Material mit magnetischer Ordnung vorliegt. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Schichten ist die magnetische Polarisation der Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in die magnetisch polarisierbaren Schicht mindestens im Grenzflächenbereich der stoffschlüssigen Verbindung von magnetoelektrischer Schicht und magnetisch polarisierbarer Schicht übertragen.In the context of this invention, a magnetically polarizable layer is to be understood as meaning a layer made of a non-ferromagnetic material which is electrically conductive, has the magnetic proximity effect and only has a magnetic proximity due to the magnetic proximity effect gains netic polarization. The magnetic proximity effect is an effect that produces finite spontaneous magnetization in some materials that are not inherently magnetically ordered when bonded to a magnetically ordered material. Due to the integral connection between the layers, the magnetic polarization of the surface of the magnetoelectric layer is transferred to the magnetically polarizable layer at least in the interface region of the integral connection of magnetoelectric layer and magnetically polarizable layer.

Die magnetisch polarisierbare Schicht besteht vorteilhafterweise aus Pt, Pd, Graphen. Weiterhin bedeckt die magnetisch polarisierbare Schicht vorteilhafterweise die magnetoelektrische Schicht nur teilweise, besonders vorteilhafterweise ist die Bedeckung kreuzförmig oder kleeblattförmig ausgebildet.The magnetically polarizable layer advantageously consists of Pt, Pd, graphene. Furthermore, the magnetically polarizable layer advantageously covers the magnetoelectric layer only partially; the covering is particularly advantageously designed in the shape of a cross or a cloverleaf.

Der Vorteil einer kreuzförmigen oder kleeblattförmigen Ausbildung liegt einerseits darin, dass die Magnetisierungseffekte, die nur an den Stellen des magnetoelektrischen Bauelementes auftreten, an denen die magnetisch polarisierbare Schicht die magnetoelektrische Schicht bedeckt, schwerer auf benachbarte Bauelemente einwirken können, und andererseits ermöglicht die vorteilhafterweise kreuzförmig oder kleeblattförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht eine elektrische Kontaktierung an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes oder Kleeblattes. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch ein Strom diagonal durch die kreuzförmige oder kleeblattförmige Anordnung geleitet werden kann.The advantage of a cross-shaped or cloverleaf-shaped design is, on the one hand, that the magnetization effects, which only occur at the points on the magnetoelectric component where the magnetically polarizable layer covers the magnetoelectric layer, can have a harder effect on neighboring components, and on the other hand, the advantageously cross-shaped or cloverleaf-shaped magnetically polarizable layer electrical contact at opposite ends of the cross or cloverleaf. This is particularly advantageous as it allows current to be passed diagonally through the cruciform or cloverleaf configuration.

Dies ist besonders vorteilhaft, da diese kreuzförmigen oder kleeblattförmigen Strukturen eine einfache Hallmessung ermöglichen und der Hall-Effekt zur Messung der magnetischen Polarisierung genutzt werden kann. Der Hall-Effekt ist bei magnetisch geordneten Materialien unter anderem von der Magnetisierung, die senkrecht in der Schicht vorhanden ist, abhängig. Dies wird z.B. durch den anomalen Hall-Effekt gewährleistet.This is particularly advantageous since these cross-shaped or cloverleaf-shaped structures allow easy Hall measurement and the Hall effect can be used to measure magnetic polarization. In the case of magnetically ordered materials, the Hall effect depends, among other things, on the magnetization that is present perpendicularly in the layer. This is ensured, for example, by the anomalous Hall effect.

Über der magnetisch polarisierbaren Schicht können weitere Schichten angeordnet sein, die zusätzliche Funktionen, wie verbesserte mechanische, physische, chemische Beständigkeit und/oder zusätzlich lokale elektrische Funktionen, wie das Erzeugen eines lokalen elektrischen Potentials und/oder das Erzeugen eines lokalen magnetischen Feldes realisieren können. Diese zusätzlichen Schichten dürfen jedoch keine Verbindung zwischen der Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht realisieren. Vorteilhafterweise sind mögliche zusätzliche Schichten komplett von den erfindungsgemäß notwendigen Schichten elektrisch isoliert.Further layers can be arranged over the magnetically polarizable layer, which can realize additional functions, such as improved mechanical, physical, chemical resistance and/or additional local electrical functions, such as generating a local electrical potential and/or generating a local magnetic field. However, these additional layers must not realize any connection between the layer and the magnetically polarizable layer. Advantageously, possible additional layers are completely electrically insulated from the layers required according to the invention.

Während weitere Schichten auf der magnetisch polarisierbaren Schicht und unter der magnetoelektrischen Schicht angeordnet sein können, ist erfindungswesentlich, dass ein mindestens teilweiser stoffschlüssiger Kontakt zwischen der magnetisch polarisierbaren Schicht und der magnetoelektrischen Schicht besteht, damit der magnetische Proximity-Effekt wirken und ausgenutzt werden kann.While further layers can be arranged on the magnetically polarizable layer and under the magnetoelectric layer, it is essential to the invention that there is at least partial material contact between the magnetically polarizable layer and the magnetoelectric layer, so that the magnetic proximity effect can take effect and be exploited.

Weiterhin sind erfindungsgemäß die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht elektrisch kontaktiert.Furthermore, according to the invention, the layer and the magnetically polarizable layer are electrically contact-connected.

Alle erfindungsgemäß notwendigen Schichten der magnetoelektrischen Funktionselemente sind vorteilhafterweise Dünnschichten. Für die magnetoelektrische Schicht können Schichtdicken zwischen 1 nm und 1 mm, vorteilhafterweise von unter 1 µm, realisiert sein. Für die Schicht liegen mögliche Dicken zwischen 1 nm und 1 mm vor. Schichtdicken für die magnetisch polarisierbare Schicht zwischen 1 nm und 1 mm, vorteilhafterweise von unter 10 nm, können vorliegen.All of the layers of the magnetoelectric functional elements required according to the invention are advantageously thin layers. Layer thicknesses of between 1 nm and 1 mm, advantageously less than 1 μm, can be implemented for the magnetoelectric layer. Possible thicknesses for the layer are between 1 nm and 1 mm. Layer thicknesses for the magnetically polarizable layer between 1 nm and 1 mm, advantageously less than 10 nm, can be present.

Erfindungsgemäß können auch mehrere erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente in einem Bauelement über- und/oder nebeneinander, vorteilhafterweise mit Trennschichten separiert, angeordnet sein.According to the invention, several magnetoelectric functional elements according to the invention can also be arranged one above the other and/or next to one another in a component, advantageously separated with separating layers.

Die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente können in oder als MERAMs eingesetzt werden. Dazu ist die Möglichkeit des Schreibens und Lesens von Informationen erforderlich, was die erfindungsgemäßen Funktionselemente realisieren.The magnetoelectric functional elements according to the invention can be used in or as MERAMs. This requires the ability to write and read information, which the functional elements according to the invention implement.

Das Schreiben von Informationen erfolgt beispielsweise auf die herkömmliche Art und Weise. An die magnetisch polarisierbare Schicht als Elektrode wird mittels der elektrischen Kontaktierung eine elektrische Spannung, die Schreibspannung, angelegt. Dadurch wird ein elektrisches Feld im Funktionselement zwischen der Schicht, die als Referenzelektrode dient, und der magnetisch polarisierbaren Schicht erzeugt.
Ein magnetisches Feld kann global und/oder lokal vorhanden sein. Als globales magnetisches Feld kann beispielsweise das Erdmagnetfeld oder ein durch einen Permanentmagneten oder Elektromagneten erzeugtes Magnetfeld vorhanden sein. Als lokales magnetisches Feld kann beispielsweise ein durch eine oder mehrere der Schichten im magnetoelektrische Funktionselement erzeugtes magnetisches Feld vorhanden sein.For example, information is written in the conventional manner. An electrical voltage, the write voltage, is applied to the magnetically polarizable layer as an electrode by means of the electrical contact. This creates an electric field in the functional element between the layer that serves as a reference electrode and the magnetically polarizable layer.
A magnetic field can be global and/or local. The global magnetic field can be, for example, the earth's magnetic field or a magnetic field generated by a permanent magnet or electromagnet. A magnetic field generated by one or more of the layers in the magnetoelectric functional element can be present as a local magnetic field, for example.

Durch das Produkt aus elektrischem und magnetischem Feld, welches an die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente angelegt ist, wird eine deterministische Selektion des magnetischen Ordnungsparameters erreicht und damit eine stabile deterministische Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung zur magnetisch polarisierbaren Schicht realisiert und eine Information „eingeschrieben“. Der Schreibstrom ist vor allem ein Ladestrom der Elektroden. Die Kapazität der erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente selbst ist sehr klein (ca. 0.1 fF für in mikroelektronischen integrierten Schaltkreise typische Abmessungen), womit die Schreibenergie von der konkreten Ausführung des Funktions- und Bauelementes limitiert ist. Da zum Schreiben nur das Produkt aus elektrischem Feld und Magnetfeld entscheidend ist, können die individuellen Feldstärken angepasst werden.The product of the electric and magnetic field, which is applied to the magnetoelectric functional elements according to the invention, achieves a deterministic selection of the magnetic order parameter and thus a stable deterministic surface magnetization of the magnetoelectric layer in the areas of the material connection to the magnetically polarizable layer and information "enrolled". The writing current is primarily a charging current of the electrodes. The capacitance of the magnetoelectric functional elements according to the invention itself is very small (approx. 0.1 fF for dimensions typical of microelectronic integrated circuits), which means that the write energy is limited by the specific design of the functional and component. Since only the product of the electric field and the magnetic field is decisive for writing, the individual field strengths can be adjusted.

Da die magnetisch polarisierbare Schicht gerade nicht aus ferromagnetischen Materialien besteht, kann das Auslesen der Informationen gerade nicht mit den sonst üblichen magnetoresistiven Ausleseverfahren realisiert werden, da diese ein ferromagnetisches Material benötigen.Since the magnetically polarizable layer does not consist of ferromagnetic materials, the information cannot be read out with the usual magnetoresistive readout methods, since these require a ferromagnetic material.

Die magnetoelektrische Schicht hat eine magnetische Ordnung, sodass sich im Inneren der Schicht die Magnetisierung kompensiert, an ihrer Oberfläche aber sich die Magnetisierung im Flächenmittel nicht kompensiert und eine stabile unkompensierte Magnetisierung vorliegt. Infolge des mindestens teilweisen direkten stofflichen Kontaktes der magnetoelektrischen Schicht mit der magnetisch polarisierbaren Schicht wird diese Oberflächenmagnetisierung über den magnetischen Proximity-Effekt einerseits auf die magnetisch polarisierbare Schicht übertragen und andererseits durch den Hall-Effekt messbar. Der Messstrom fließt hierbei nur durch die magnetisch polarisierbare Schicht, wodurch der Hall-Effekt, der eine zur Schichtdicke indirekt proportionale Stärke aufweist, besonders stark wird.The magnetoelectric layer has a magnetic order such that the magnetization is compensated in the interior of the layer, but the magnetization in the area average is not compensated on its surface and there is stable uncompensated magnetization. As a result of the at least partial direct material contact between the magnetoelectric layer and the magnetically polarizable layer, this surface magnetization is transmitted to the magnetically polarizable layer via the magnetic proximity effect and can be measured by the Hall effect. In this case, the measuring current only flows through the magnetically polarizable layer, as a result of which the Hall effect, which has a strength that is indirectly proportional to the layer thickness, becomes particularly strong.

Zum Auslesen der gespeicherten Information in Form einer gewünschten Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht wird der sogenannte magnetische Proximity-Effekt ausgenutzt. Dieser ist für einige Materialien bekannt, beispielsweise für Pt und Pd. Das Schreiben der Information und Erzeugen einer Oberflächenmagnetisierung in der magnetoelektrische Schicht bewirkt aufgrund dieses Effektes an der Grenzfläche der magnetischen polarisierbaren Schicht zur magnetoelektrischen Schicht eine messbare magnetische Polarisierung, die von der Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht abhängt.
Diese übernommene magnetische Polarisierung im Grenzflächenbereich der magnetisch polarisierbaren Schicht erlaubt dann eine Bestimmung des magnetischen Zustandes durch den Halleffekt. Durch diesen Hall-Effekt kann die kleine Grenzflächenmagnetisierung erfasst und die Information ausgelesen werden, indem der Hallwiderstand der magnetisch polarisierbaren Schicht bestimmt wird.The so-called magnetic proximity effect is used to read out the stored information in the form of a desired surface magnetization of the magnetoelectric layer. This is known for some materials, such as Pt and Pd. Due to this effect, writing the information and generating a surface magnetization in the magnetoelectric layer causes a measurable magnetic polarization at the interface of the magnetic polarizable layer to the magnetoelectric layer, which depends on the surface magnetization of the magnetoelectric layer.
This adopted magnetic polarization in the interface region of the magnetically polarizable layer then allows the magnetic state to be determined by the Hall effect. This Hall effect allows the small interface magnetization to be detected and the information to be read out by determining the Hall resistance of the magnetically polarizable layer.

Vorteilhaft bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung, ist, dass keine ferromagnetischen Materialien eingesetzt werden müssen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die magnetoelektrische Schicht aus einem antiferromagnetischen Material besteht, welches extrem magnetfeldunempfindlich ist. Der Vorteil von MERAMs gegenüber MRAMs, dass für MERAMs typischerweise die Energieeffizienz beim Schreiben von Informationen erhöht ist, tritt ebenfalls ein.The advantage of the present solution according to the invention is that no ferromagnetic materials have to be used.
Furthermore, it is advantageous that the magnetoelectric layer consists of an antiferromagnetic material which is extremely insensitive to magnetic fields. The advantage of MERAMs over MRAMs that the energy efficiency when writing information is typically increased for MERAMs also occurs.

Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Dabei zeigt

  • 1 (a) Querschnitt des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementes mit globalem Magnetfeld (b) Querschnitt des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementes mit lokal erzeugtem Magnetfeld
  • 2 Querschnitt des Schichtaufbaus eines Bauelementes aus mehreren über- und nebeneinander angeordneten erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementen
while showing
  • 1 (a) Cross section of the layer structure of a magnetoelectric functional element according to the invention with a global magnetic field (b) Cross section of the layer structure of a magnetoelectric functional element according to the invention with a locally generated magnetic field
  • 2 Cross-section of the layer structure of a component made up of several magnetoelectric functional elements according to the invention arranged one above the other and next to one another

Beispielexample

Auf ein Substrat 1 aus Al2O3 mit der Dicke 0,5 mm wird mittels Sputtern eine Schicht aus Platin als Schicht 2 mit einer Dicke von 20 nm aufgebracht. Nachfolgend wird eine weitere Schicht aus α-Cr2O3 als magnetoelektrische Schicht 3 mittels Sputtern mit einer Dicke von 250 nm aufgebracht. Diese magnetoelektrische Schicht 3 weist eine strukturelle Orientierung (0001) auf, wodurch die magnetisch unkompensierte (0001)-Gitterebene die Oberfläche bildet. Mittels Sputtern mit einer Schablone wird darauf eine weitere Schicht aus Pt mit einer Dicke von 2 nm als magnetisch polarisierbare Schicht 4 auf die magnetoelektrische Schicht 3 in kreuzförmiger Form aufgebracht.On a substrate 1 made of Al 2 O 3 with a thickness of 0.5 mm, a layer of platinum is applied as layer 2 with a thickness of 20 nm by means of sputtering. A further layer of α-Cr 2 O 3 is then applied as a magnetoelectric layer 3 by means of sputtering with a thickness of 250 nm. This magnetoelectric layer 3 has a structural orientation (0001), whereby the magnetically uncompensated (0001) lattice plane forms the surface. A further layer of Pt with a thickness of 2 nm is then applied to the magnetoelectric layer 3 in the shape of a cross as a magnetically polarizable layer 4 by means of sputtering with a template.

Zum Schreiben einer Information ist ein globales, d.h. den Schichtaufbau homogen durchdringendes Magnetfeld erforderlich. Dieses wird durch einen Permanentmagnet zur Verfügung gestellt. Die Stärke des Magnetfeldes beträgt 100 mT. Während die Schicht 2 permanent auf elektrisches Nullpotential fixiert ist, wird mindestens einer der Kontakte der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 auf eine Schreibspannung geschalten. Die Schreibspannung ist je nach zu schreibendem Bit eine positive oder negative Spannung von +/- 12 V. Durch das die magnetoelektrische Schicht 3 unterhalb der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 nun zusätzlich durchdringende senkrechte elektrische Feld ergibt sich das kombinierte magnetoelektrische Schreibfeld der Größe +/- 4.8 106 VT/m. Dieses Schreibfeld bewirkt eine deterministische Selektion des magnetischen Ordnungsparameters der magnetoelektrischen Schicht 3. Durch die magnetisch unkompensierte Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht 3, ergibt sich damit an der Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht 3 eine deterministische endliche Magnetisierung nach „oben“ oder nach „unten“ je nach Bit. Dieser Zustand kodiert die Information. Sobald das kreuzförmige Element der magnetisch polarisierbaren Schicht 4 auf die Schreibspannung geladen wurde, werden alle Kontakte wieder getrennt.Writing information requires a global magnetic field, ie one that homogeneously penetrates the layer structure. This is provided by a permanent magnet. The strength of the magnetic field is 100 mT. While the layer 2 is permanently fixed at zero electrical potential, at least one of the contacts of the cross-shaped magnetically polarizable layer 4 is switched to a write voltage. the write Depending on the bit to be written, the voltage is a positive or negative voltage of +/-12 V. The vertical electric field now additionally penetrating the magnetoelectric layer 3 below the cross-shaped magnetically polarizable layer 4 results in the combined magnetoelectric write field of magnitude +/-4.8 10 6 VT/m. This writing field causes a deterministic selection of the magnetic order parameter of the magnetoelectric layer 3. The magnetically uncompensated surface of the magnetoelectric layer 3 results in a deterministic finite magnetization “up” or “down” depending on the bit on the surface of the magnetoelectric layer 3 . This state encodes the information. As soon as the cross-shaped element of the magnetically polarizable layer 4 has been charged to the writing voltage, all contacts are separated again.

Durch den magnetischen Proximity-Effekt ist die magnetisch kodierte Information der magnetoelektrischen Schicht 3 gleichzeitig im Grenzflächenbereich der magnetisch polarisierbaren Schicht 4 vorhanden.The magnetically encoded information of the magnetoelectric layer 3 is simultaneously present in the interface region of the magnetically polarizable layer 4 due to the magnetic proximity effect.

Zum Auslesen wird durch die gegenüberliegenden Enden der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 ein Strom von 1 mA geleitet. Durch differentielle Hallspannungsmessung an den verbleibenden zwei Kontakten der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 kann die Information ausgelesen werden. Die Hallspannung ist je nach Bit entweder positiv oder negativ und etwa +/- 1 µV großA current of 1 mA is passed through the opposite ends of the cross-shaped magnetically polarizable layer 4 for reading. The information can be read out by differential Hall voltage measurement at the remaining two contacts of the cross-shaped magnetically polarizable layer 4 . Depending on the bit, the Hall voltage is either positive or negative and about +/- 1 µV in size

Durch diesen Schichtaufbau ist ein energieeffizientes Schreiben und Auslesen der Information direkt am Speicherort möglich.This layer structure enables energy-efficient writing and reading of the information directly at the storage location.

Bezugszeichenlistereference list

11
Substratsubstrate
22
Schichtlayer
33
magnetoelektrische Schichtmagnetoelectric layer
44
magnetisch polarisierbare Schichtmagnetically polarizable layer
55
Trennschichtrelease layer

Claims (14)

Magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht (2), auf der eine magnetoelektrische Schicht (3) angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht (4) angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht (3) und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht (3) in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht (4) nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht (3) ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind, und wobei die magnetoelektrischen Funktionselemente keine ferromagnetischen Materialen aufweisen.Magnetoelectric functional elements at least consisting of a layer (2) on which a magnetoelectric layer (3) is arranged and on which in turn a magnetically polarizable layer (4) is arranged, wherein at least the magnetoelectric layer (3) and the magnetically polarizable layer (4 ) are at least partially bonded and at least the surface of the magnetoelectric layer (3) in the areas of the bonded connection with the magnetically polarizable layer (4) is not magnetically compensated and the order parameter is at an angle of > 0° to the layer plane of the magnetoelectric layer ( 3) is aligned, and the layer and the magnetically polarizable layer (4) are each at least electrically conductive and electrically contacted and are not in an electrical short circuit with one another, and the magnetoelectric functional elements do not have any ferromagnetic materials. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen eine Substratschicht (1) unter der Schicht (2) angeordnet ist.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which a substrate layer (1) is arranged under the layer (2). Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 2, bei denen als Substratmaterial Si, Al2O3, MgO, SiO2, Gläser oder Polymere, wie Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat und/oder Polyimid vorhanden sind.Magnetoelectric functional elements claim 2 , in which Si, Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , glasses or polymers such as polycarbonate, polyether ether ketone, polyethylene terephthalate and/or polyimide are present as the substrate material. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die Schicht (2) mechanisch stabil und/oder unstrukturiert ist.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which the layer (2) is mechanically stable and/or unstructured. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die Schicht (2) aus Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Cr, Cu, Al und/oder n- oder p-dotiertem Silizium, V2O3, Ti2O3 oder Graphen besteht.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which the layer (2) consists of Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Cr, Cu, Al and/or n- or p-doped silicon, V 2 O 3 , Ti 2 O 3 or graphene. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetoelektrische Schicht (3) aus Cr2O3, BiFeO3 oder BaTiO3 besteht.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which the magnetoelectric layer (3) consists of Cr2O3, BiFeO3 or BaTiO3. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetisch polarisierbare Schicht (4) aus Pt, Pd und/oder Graphen besteht.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which the magnetically polarizable layer (4) consists of Pt, Pd and/or graphene. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetisch polarisierbare Schicht (4) kreuzförmig ausgebildet ist und die magnetoelektrische Schicht (3) nur teilweise bedeckt.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which the magnetically polarizable layer (4) is cross-shaped and the magnetoelectric layer (3) only partially covers. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 8, bei denen die kreuzförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht (4) an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes elektrisch kontaktiert ist.Magnetoelectric functional elements claim 8 , in which the cross-shaped magnetically polarizable layer (4) is electrically contacted at opposite ends of the cross. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen magnetoelektrische Funktionselemente neben- und/oder übereinander zu einem magnetoelektrischen Bauelement angeordnet sind.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which magnetoelectric functional elements are arranged side by side and/or one above the other to form a magnetoelectric component. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 10, bei denen die neben- und/oder übereinander angeordneten magnetoelektrischen Funktionselemente durch eine Trennschicht (5) separiert angeordnet sind.Magnetoelectric functional elements claim 10 , in which the magnetoelectric functional elements arranged next to and/or on top of one another are separated by a separating layer (5). Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 11, bei denen die Trennschicht (5) jeweils in Richtung senkrecht zur Schichtebene der Schichten der Funktionselemente angeordnet ist.Magnetoelectric functional elements claim 11 , in which the separating layer (5) is arranged in the direction perpendicular to the layer plane of the layers of the functional elements. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 11, bei denen die Trennschicht SiO2, SiN, Al2O3, HfO2 und/oder Polyimid ist.Magnetoelectric functional elements claim 11 , in which the separating layer is SiO 2 , SiN, Al 2 O 3 , HfO 2 and/or polyimide. Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen über den Hall-Effekt eine in die magnetisch polarisierbare Schicht übertragene Magnetisierung messbar ist.Magnetoelectric functional elements claim 1 , in which a magnetization transferred into the magnetically polarizable layer can be measured via the Hall effect.
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