DE102020204391A1 - Vorrichtung und verfahren zum detektieren eines magnetfelds unter ausnutzung des spin-bahn-drehmoment-effekts - Google Patents

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Abstract

Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft eine Vorrichtung (100) sowie ein Verfahren zum Detektieren eines Magnetfelds unter Ausnutzung des Spin-Orbit-Drehmoment-Effekts. Die Vorrichtung (100) weist mindestens einen Schichtstapel (10) mit einer ferromagnetischen Schicht (1) und mindestens einer magnetischen Referenzschicht (5, 7, 9) sowie mit einer dazwischen angeordneten Schicht (3), die einen magnetischen Tunnelwiderstand auf. Die mindestens eine magnetische Referenzschicht (5, 7, 9) weist eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung (14) auf, und die ferromagnetische Schicht (1) weist eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung (15) auf, wobei die zweite Magnetisierungsrichtung (15) basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung (14) veränderbar ist. Die Vorrichtung (100) weist ferner einen Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) auf, der auf einer der ferromagnetischen Schicht (1) benachbarten ersten Seite (21) des Schichtstapels (10) angeordnet ist, sowie eine Steuereinheit (30), die ausgestaltet ist, um den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) mit einem zeitvarianten Eingangssignal (I1) mit zeitlich variierender Polung zu speisen und gleichzeitig einen von dem zeitvarianten Eingangssignal (I1) abhängigen Leitwert des Tunnelwiderstands zu ermitteln und, basierend auf dem Leitwert, ein extern auf die Vorrichtung (100) wirkendes Magnetfeld (Hext) zu detektieren.

Description

  • Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln eines auf die entsprechende Vorrichtung wirkenden externen Magnetfelds sowie ein entsprechendes Verfahren zum Ermitteln des externen Magnetfelds unter Ausnutzung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts.
  • Viele herkömmliche Magnetsensoren basieren auf Materialien, die den magnetoresistiven Effekt nutzen, so zum Beispiel AMR-Sensoren (AMR: Anisotropie Magnetoresistance - Anisotroper Magnetowiderstand), GMR-Sensoren (GMR: Giant Magnetoresistance - Riesenmagnetowiderstand) oder TMR-Sensoren (TMR: Tunnel Magnetoresistance - magnetischer Tunnelwiderstand). Diese Magnetsensoren sind jedoch limitiert hinsichtlich ihrer Fähigkeit statische Magnetfeldkomponenten mit einer hohen Auflösung zu messen. Der Offset-Fehler bei dieser Art von Magnetsensoren hängt unter anderem vom individuellen Device-to-Device Matching ab, was wiederum durch Herstellungslimitierungen dominiert wird. Das selbe gilt auch für andere Magnetsensoren, wie zum Beispiel Hall-Sensoren. Ein großer Vorteil von Hall-Sensoren liegt jedoch darin, das sämtliche Fehlanpassungen erster Ordnung durch das Anwenden der sogenannten Spinning-Current-Technik aufgehoben werden können.
  • Um Signalkonditionierungsmethoden, wie zum Beispiel die Spinning-Current-Technik, in magnetoresistiven Sensoren zu implementieren, ist es gewünscht, die Magnetisierungsrichtungen in definierten Magnetschichten zu ändern. Für AMR-Sensoren sind beispielsweise Signalkonditionierungsmethoden zum Reduzieren des magnetoresistiven Offsets bekannt, bei welchen mittels Chip-externer oder Chip-interner Spulen die AMR Transferkurve invertiert wird, indem die Magnetisierungsrichtung umgekehrt wird. Dies wird auch als Flipping-AMR-Prinzip bezeichnet. Ein Nachteil hierbei ist jedoch der sehr hohe Stromverbrauch, um AMR-Flipping-Felder überhaupt erzeugen zu können.
  • Daher wäre es wünschenswert, bekannte Magnetsensoren dahingehend zu verbessern, dass deren Magnetisierungsrichtungen auf einfache sowie stromsparende Art und Weise beeinflusst werden können, um Magnetfelder zu detektieren, und um beispielsweise eine präzise Kompensation von Störungen, wie zum Beispiel eine hochpräzise Offset-Kompensation, zu ermöglichen.
  • Zur Lösung wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist mindestens einen Schichtstapel auf. Der Schichtstapel wiederum weist mindestens eine ferromagnetische Schicht und mindestens eine magnetischen Referenzschicht auf. Zwischen der ferromagnetischen Schicht und der magnetischen Referenzschicht ist eine weitere Schicht angeordnet, die wiederum einen magnetischen Tunnelwiderstand aufweist. Die mindestens eine magnetische Referenzschicht weist eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung auf. Außerdem weist die ferromagnetische Schichteine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung auf. Die zweite Magnetisierungsrichtung ist relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung veränderbar, und zwar unter Ausnutzung bzw. Anwendung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts (engl.: Spin Orbit Torque Effect, oder kurz SOT-Effekt). Der Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt, der im englischen Sprachraum auch als Spin-Orbit-Torque-Effect, oder kurz SOT Effect, bezeichnet wird, basiert auf der Spin-Bahn-Kopplung von Elektronen. Beispiele für Phänomene, die zu einem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt führen können, sind der sogenannte Spinn-Hall-Effekt (SHE) oder der, insbesondere an Grenzflächen zu beobachtende, Rashba-Edelstein-Effekt [1]. Die Vorrichtung weist ferner einen Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter auf, der auf einer der ferromagnetischen Schicht benachbarten ersten Seite des Schichtstapels angeordnet ist. Außerdem weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die ausgestaltet ist, um den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter mit einem zeitvarianten Eingangssignal mit zeitlich variierender Polung zu speisen und gleichzeitig einen von dem zeitvarianten Eingangssignal abhängigen Leitwert des mindestens einen Schichtstapels zu bestimmen. Die Steuereinheit ist ferner ausgestaltet, um, basierend auf dem ermittelten Leitwert, ein extern auf die Vorrichtung wirkendes Magnetfeld zu detektieren.
  • Das hierin beschriebene innovative Konzept betrifft ferner ein entsprechendes Verfahren zum Detektieren eines externen Magnetfelds mit den Merkmalen gemäß Anspruch 15. Gemäß diesem Verfahren wird mindestens ein Schichtstapel mit einer ferromagnetischen Schicht und mindestens einer magnetischen Referenzschicht sowie mit einer dazwischen angeordneten Schicht, die einen magnetischen Tunnelwiderstand aufweist, bereitgestellt. Die mindestens eine magnetische Referenzschicht weist hierbei eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung auf, und die ferromagnetische Schicht weist eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung auf, wobei die zweite Magnetisierungsrichtung basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung auslenkbar ist. Ferner wird ein Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter bereitgestellt, der auf einer der ferromagnetischen Schicht benachbarten Seite des Schichtstapels angeordnet ist.
  • Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt des Einspeisens eines zeitvarianten Eingangssignals mit zeitlich variierender Polung in den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter. Ferner wird ein von dem zeitvarianten Eingangssignal abhängiger Leitwert des mindestens einen Schichtstapels ermittelt, und ein extern auf die Vorrichtung wirkendes Magnetfeld wird, basierend auf dem ermittelten Leitwert, detektiert.
  • Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
  • Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Ansicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 2A eine schematische Ansicht einer Schichtanordnung zur Erläuterung des SOT-Effekts im Gleichgewichtszustand, d.h. wenn kein externes Magnetfeld auf die Schichtanordnung wirkt,
    • 2B eine schematische Ansicht der Schichtanordnung aus 2A zur Erläuterung des SOT-Effekts wenn ein externes Magnetfeld auf die Schichtanordnung wirkt,
    • 3A Diagramme zur Erläuterung der Anregung und der Systemantwort der Vorrichtung,
    • 3B Diagramme zur Erläuterung der Systemantwort der Vorrichtung bei externen Magnetfeldern mit unterschiedlicher Magnetfeldstärke,
    • 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 5 eine perspektivische Ansicht auf eine parallel verschaltete Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 6 eine perspektivische Ansicht auf eine seriell verschaltete Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 7 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung mit zwei SOT-Leitern gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 8 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung aus 7 mit zwei zusätzlichen Schaltern zum Umkehren der Polarität des SOT-Stroms in den beiden SOT-Leitern,
    • 9 ein Bildausschnitt einer Vorrichtung mit unterschiedlicher Einspeisung des Auslesestroms gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 10 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit miteinander hartverdrahteten SOT-Leitern,
    • 11 eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem SOT-Element, welches zwei SOT-Leiter aufweist,
    • 12 ein Bildausschnitt einer Vorrichtung mit unterschiedlicher Anordnung zweier Schichtstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel, und
    • 13 ein Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
  • Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept.
  • Die Vorrichtung 100 weist mindestens einen Schichtstapel 10 auf. Der Schichtstapel 10 weist eine ferromagnetische Schicht 1 und mindestens eine magnetische Referenzschicht auf. In dem hier nicht-limitierenden Beispiel weist der Schichtstapel 10 drei übereinander angeordnete magnetische Referenzschichten 5, 7, 9 auf. Der Schichtstapel 10 weist ferner eine weitere Schicht 3 auf, die zwischen der ferromagnetischen Schicht 1 und der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 angeordnet sein kann. Diese weitere Schicht 3 weist einen magnetischen Tunnelwiderstand auf.
  • Die mindestens eine magnetische Referenzschicht 5, 7, 9, die auch als Pinned Layer bezeichnet wird, weist eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung 14 auf. Unter der Magnetisierungsrichtung kann die Vorzugsrichtung verstanden werden, in die sich die Mehrzahl der in der magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 befindlichen Elementarmagnete ausrichten. Dies kann durch eine entsprechende Magnetisierung der Referenzschicht 5, 7, 9 erreicht werden, zum Beispiel indem die Referenzschicht 5, 7, 9 einem starken äußeren Magnetfeld oder einem starken Strom ausgesetzt wird. Gemäß dem hierin beschriebenen Konzept ist die Magnetisierungsrichtung 14 der Referenzschicht 5, 7, 9 festgelegt, das heißt im Wesentlichen nicht veränderbar.
  • In dem hier abgebildeten, nicht limitierenden Beispiel, verläuft die festgelegte erste Magnetisierungsrichtung 14 senkrecht durch den Schichtstapel 10 hindurch. In anderen Worten verläuft die Magnetisierungsrichtung 14 im Wesentlichen lotrecht zur lateralen Ausbreitungsrichtung der jeweiligen Schichten 1, 3, 5, 7, 9 des Schichtstapels 10.
  • Die ferromagnetische Schicht 1 hingegen weist eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung 15 auf. Hierbei ist insbesondere das magnetische Moment, repräsentiert durch den Momenten-Vektor mz, veränderbar, also beispielsweise verkipp- und/oder verdrehbar, was später noch näher erläutert werden wird.
  • Da die ferromagnetische Schicht 1 eine veränderliche Magnetisierungsrichtung 15 aufweist, wird die ferromagnetische Schicht 1 auch als Free Layer oder Signal Layer bezeichnet. Insbesondere ist die Magnetisierungsrichtung 15 der ferromagnetischen Schicht 1 relativ zu der Magnetisierungsrichtung 14 der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 veränderbar. Beispielsweise ist die Magnetisierungsrichtung 15 der ferromagnetischen Schicht 1, und hierbei insbesondere das magnetische Moment mz, gegenüber der Magnetisierungsrichtung 14 der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 um einen bestimmten geometrischen Winkel α verkipp- bzw. verdrehbar. Diese Änderung der Magnetisierungsrichtung 15, beziehungsweise das Verkippen und/oder Verdrehen des magnetischen Moments mz, der ferromagnetischen Schicht 1 kann insbesondere beim Vorhandensein eines auf die Vorrichtung 100 einwirkenden externen Magnetfelds auftreten.
  • Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11, oder kurz SOT-Leiter 11, auf. Der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 ist auf einer der ferromagnetischen Schicht 1 benachbarten ersten Seite 21 des Schichtstapels 10 angeordnet. In dem hier abgebildeten Beispiel sind der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 und die ferromagnetische Schicht 1 in direktem Kontakt miteinander. Es wäre aber ebenso denkbar, dass eine oder mehrere (hier nicht explizit abgebildete) Zwischenschichten zwischen dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 und der ferromagnetischen Schicht 1 vorhanden sind.
  • Die Vorrichtung 100 weist ferner eine Steuereinheit 30 auf. Die Steuereinheit 30 ist ausgestaltet, um den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 mit einem zeitvarianten Eingangssignal I1 zu speisen. Dieses zeitvariante Eingangssignal I1 kann insofern zeitlich veränderbar sein, als dass es beispielsweise eine zeitlich variierende Polung aufweisen kann. Bei dem zeitlich variierenden Eingangssignal I1 kann es sich beispielsweise um ein Wechselstromsignal handeln. Da das zeitlich veränderbare Eingangssignal I1 durch den SOT-Leiter 11 geleitet wird, kann das Eingangssignal I1 im Falle eines Wechselstromsignals auch als SOT-Strom bezeichnet werden.
  • Vorzugsweise kann das zeitvariante Eingangssignal (SOT-Strom) I1 exakt umgepolt werden, das heißt das Eingangssignal I1 kann derart umgepolt werden, dass sein Betrag in beide Richtungen gleich ist, beziehungsweise so, dass der Differenzbetrag zwischen erster (z.B. positiver) Polung und zweiter (z.B. negativer) Polung gleich Null ist. In anderen Worten kann also das zeitvariante Eingangssignal I1 zeitlich mittelwertfrei sein. Somit wäre auch der Offset zeitlich mittelwertfrei bzw. gleich Null. Es sei hier noch erwähnt, dass das Eingangssignal I1 um eine frei wählbare Nullpunktlage herum veränderlich sein kann, und zwar symmetrisch veränderlich, d.h. in beide Richtungen zu gleichen Teilen um diese frei wählbare Nullpunktlage herum. Beispielsweise kann ein SOT-Strom I1 eine Nullpunktlage bei 0 Ampere aufweisen, und der SOT-Strom I1 kann sowohl in positiver als auch in negativer Polungsrichtung jeweils um denselben Betrag um die Nullpunktlage herum veränderbar sein, z.B. um +1 A in die positive Richtung und - 1A in die negative Richtung. Als Nullpunktlage ist aber, anstelle von 0 A, auch jeder andere Wert einer Stromstärke denkbar.
  • Die Steuereinheit 30 kann ausgestaltet sein, um einen Leitwert (bzw. eine Leitwertänderung) des Schichtstapels 10, und insbesondere einen Leitwert (bzw. eine Leitwertänderung) des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3, zu ermitteln. Der Leitwert (bzw. die zeitliche Leitwertänderung) ist hierbei von dem zeitvarianten Eingangssignal I1 abhängig. Es ist verständlich, dass anstelle des Leitwerts gleichbedeutend auch der Kehrwert des Leitwerts, d.h. der Widerstand (bzw. eine Widerstandsänderung) des mindestens einen Schichtstapels 10, und insbesondere der Widerstand (bzw. eine Widerstandsänderung) des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3, ermittelt werden kann.
  • Zur Ermittlung des Leitwerts bzw. der Leitwertänderung des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3 kann die Vorrichtung 100 einen elektrischen Leiter 13 aufweisen. Der elektrische Leiter 13 kann auf einer der ersten Seite 21 des Schichtstapels 10 gegenüberliegenden zweiten Seite 22 des Schichtstapels 10 angeordnet sein. Die Steuereinheit 30 kann ausgestaltet sein, um einen Auslesestrom I2 in diesen elektrischen Leiter 13 einzuspeisen. Dieser Auslesestrom I2 fließt dann über den elektrischen Leiter 13 senkrecht durch den Schichtstapel 10 hindurch, d.h. von der zweiten Seite 22 des Schichtstapels 10 zu der gegenüberliegenden ersten Seite 21 des Schichtstapels 10. Eine entgegengesetzte Stromflussrichtung des Auslesestroms I2 wäre ebenso denkbar. Der Auslesestrom I2 kann dann über den SOT-Leiter 11 zurückfließen. Zwischen der ersten und der zweiten Seite 21, 22 des Schichtstapels 10 kann eine Spannung U3 abgegriffen werden. Basierend auf dieser abgegriffenen Spannung U3 kann der Leitwert bzw. der Widerstand des Schichtstapels 10, und insbesondere der Leitwert bzw. der Widerstand des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3, ermittelt werden.
  • Der Leitwert des Tunnelwiderstands ändert sich in Abhängigkeit des zuvor erwähnten geometrischen Winkels α, das heißt in Abhängigkeit davon wie die veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung 15 der ferromagnetischen Schicht 1 relativ zu der festgelegten ersten Magnetisierungsrichtung 14 der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 ausgerichtet ist. Hierzu sei an dieser Stelle auf die 2A und 2B verwiesen.
  • Die 2A und 2B zeigen jeweils einen SOT-Leiter 11 und eine darauf angeordnete ferromagnetische Schicht 1. In 2A wirkt kein externes Magnetfeld, während in 2B eine Situation dargestellt ist, in der ein externes Magnetfeld Hext auf die Vorrichtung einwirkt. Die ferromagnetische Schicht 1 weist ein magnetisches Moment 23 auf, das in den Figuren auch durch den Momenten-Vektor me dargestellt ist. Das magnetische Moment me weist eine Ruhelage mo auf, in der der Momenten-Vektor me parallel oder antiparallel zur ersten Magnetisierungsrichtung 14 in der (hier nicht dargestellten) mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 ausgerichtet sein kann. Diese Ruhelage mo kann der Momenten-Vektor me insbesondere im Gleichgewichtszustand einnehmen, das heißt dann, wenn kein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung 100 wirkt.
  • Mittels Anlegen eines Stroms ± ly (ly in den 2A und 2B entspricht dem Eingangssignal I1 in 1) im SOT-Leiter 11 kann das magnetische Moment me verkippt beziehungsweise verdreht werden. Beim Anlegen eines Stroms + Iy in positiver y-Richtung wirkt ein Spin-Bahn-Drehmoment + Px in positiver x-Richtung auf das magnetische Moment me, welches daraufhin aus seiner Ruhelage mo um einen geometrischen Winkel Θ+ ausgelenkt wird und in die positive x-Richtung kippt (siehe Momenten-Vektor m+). Beim Anlegen eines Stroms - Iy in negativer y-Richtung wirkt ein Spin-Bahn-Drehmoment - Px in negativer x-Richtung auf das magnetische Moment me, welches daraufhin aus seiner Ruhelage mo um einen geometrischen Winkel Θ- ausgelenkt wird und in die negative x-Richtung kippt (siehe Momenten-Vektor m-). Der Betrag der Auslenkung des Momenten-Vektors me aus seiner Ruhelage m0 ist abhängig vom Betrag des SOT-Stroms ± Iy im SOT-Leiter 11.
  • Der SOT-Strom ± Iy entspricht hier dem zuvor genannten Eingangssignal I1. Da das Eingangssignal zeitvariant ist, kann es sich bei dem SOT-Strom ± Iy dementsprechend um ein Wechselstromsignal handeln, d.h. der Strom fließt wechselseitig, sodass sich die SOT-Ströme ± Iy in positive und negative y-Richtung abwechseln. Dies führt dazu, dass der Momenten-Vektor me ebenfalls abwechselnd um seine Ruhelage mo herum jeweils in positive und negative Richtung ausgelenkt wird (siehe Momenten-Vektoren m+ bzw. m-).
  • Der SOT-Strom ± Iy kann beispielsweise mittelwertfrei angelegt werden, d.h. der Betrag der Stromstärke in negativer Richtung ist gleich groß ist wie der Betrag der Stromstärke in positiver Richtung. Dies führt dazu, dass der Momenten-Vektor me in positiver und negativer Richtung gleichmäßig um seine Ruhelage mo herum ausgelenkt wird. Der Momenten-Vektor me wackelt bzw. pendelt sozusagen gleichmäßig um seine Ruhelage mo hin und her. Dies gilt insbesondere im Gleichgewichtszustand, das heißt wenn kein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung einwirkt.
  • 2B zeigt den Fall, in dem ein externes Magnetfeld Hext auf die Vorrichtung wirkt. In diesem nicht limitierenden Beispiel wirkt das externe Magnetfeld Hext in positive x-Richtung. Dementsprechend ändert sich der, zuvor unter Bezugnahme auf 2A beschriebene, Gleichgewichtszustand des Momenten-Vektors me, und zwar derart, dass der Momenten-Vektor me im Vergleich zum Gleichgewichtszustand (2A) aus seiner Ruhelage m0 heraus in positive x-Richtung ausgelenkt wird. Das heißt, die Richtung der Auslenkung des Momenten-Vektors me hängt von der Richtung des extern wirkenden Magnetfelds Hext ab.
  • Der Momenten-Vektor me kann, unter Einwirkung des externen Magnetfelds, um einen Winkel α von seiner Ruhelage mo im Gleichgewichtszustand (2A) abweichen. Das heißt, beim Einwirken eines externen Magnetfelds Hext ist der Momenten-Vektor me um einen geometrischen Winkel α gegenüber seiner Ruhelage mo im Gleichgewichtzustand verkippt. Der Betrag der Auslenkung des Momenten-Vektors me relativ zu seiner Ruhelage mo im Gleichgewichtszustand (2A) hängt dabei von dem Betrag bzw. der Stärke des externen Magnetfelds Hext ab und kann somit ein Indikator für mindestens eine Magnetfeldkomponente (z.B. Betrag bzw. Stärke) des externen Magnetfelds Hext darstellen. Ein Maß hierfür kann der zuvor erwähnte Leitwert des Schichtstapels 10 sein, der sich in Abhängigkeit der Auslenkung des Momenten-Vektors me ändert.
  • Nach dieser theoretischen Abhandlung unter Bezugnahme auf die 2A und 2B sei nun nochmals auf 1 verwiesen. In der ferromagnetischen Schicht 1 ist die Magnetisierungsrichtung 15 durch den Momenten-Vektor mz repräsentiert. Der Momenten-Vektor mz entspricht hier dem zuvor diskutierten Momenten-Vektor me. In Abhängigkeit des Betrags und der Richtung des angelegten SOT-Stroms I1 wird der Momenten-Vektor mz, wie zuvor beschrieben, dementsprechend ausgelenkt, sodass der Momenten-Vektor mz um seine Ruhelage m0 herum pendeln kann.
  • Im Gleichgewichtszustand, das heißt wenn kein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung 100 wirkt, pendelt der Momenten-Vektor mz gleichmäßig und mittelwertfrei um seine Nulllage m0 herum. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung 15 in der ferromagnetischen Schicht 1 im Wesentlichen parallel bzw. antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung 14 in der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 gerichtet. Dementsprechend ist der Leitwert des Schichtstapels 10 hier relativ hoch (z.B. maximal). Der Leitwert weist in diesem Fall einen ersten Wert auf.
  • Wenn jedoch ein externes Magnetfeld Hext auf die Vorrichtung 100 wirkt, dann kippt der Momenten-Vektor mz, wie zuvor unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben wurde, in eine bestimmte Richtung, wobei diese Richtung in der Regel abhängig ist von der Richtung des externen Magnetfelds Hext. Dies wiederum führt dazu, dass der Momenten-Vektor mz in der ferromagnetischen Schicht 1 um einen geometrischen Winkel α, im Vergleich zu seiner Ruhelage mo im Gleichgewichtszustand (2A), kippt. Dementsprechend wäre dann also der Momenten-Vektor mz, und somit also auch die Magnetisierungsrichtung 15 in der ferromagnetischen Schicht 1, relativ zu der Magnetisierungsrichtung 14 in der mindestens einen magnetischen Referenzschicht 5, 7, 9 entsprechend verkippt. Dies wiederum führt dazu, dass sich der Leitwert im Schichtstapel 10 ändert. Beispielsweise kann sich der Leitwert verringern. Das heißt, der Leitwert des Schichtstapels 10 wiese in diesem Beispiel einen zweiten Wert auf, der sich von dem ersten Wert im Gleichgewichtszustand unterscheidet. Dieser Wert kann zum Beispiel geringer sein als der erste Wert im Gleichgewichtszustand.
  • Der Leitwert des Tunnelwiederstands im Schichtstapel 10 kann wiederum durch das Anlegen des zuvor beschriebenen Auslesestroms I2 beziehungsweise durch das Abgreifen der an dem Schichtstapel 10 abfallenden Spannung U3 bestimmt werden. Denn der Leitwert des Schichtstapels 10 ändert sich mit der Verkippung des Momenten-Vektors mz, bzw. mit der Winkelabweichung α zwischen der ersten und zweiten Magnetisierungsrichtung 14, 15. Dementsprechend ändert sich dann auch die Spannung U3 an dem Schichtstapel 10. Beispielsweise kann die Spannung U3 im Gleichgewichtszustand gleich Null sein. Wenn ein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung 100 wirkt, kann die Spannung U3 einen von Null unterschiedlichen Wert annehmen.
  • 3A zeigt ein nicht limitierendes Beispiel für eine denkbare Systemantwort der Vorrichtung 100 bei Vorhandensein eines auf die Vorrichtung 100 wirkenden externen Magnetfelds Hext. Die untere Funktion repräsentiert das Eingangssignal I1 in Form eines sinusförmiges Wechselstromsignals. Zur Erinnerung, das zeitvariante Eingangssignal I1 entspricht dem SOT-Strom, der durch den SOT-Leiter 11 fließt.
  • Die obere Funktion gibt die mz-Antwort wider, das heißt das periodische Ausschwenken des Momenten-Vektors mz in Reaktion auf die Stromdichte des angelegten zeitvarianten SOT-Stroms I1. In anderen Worten führt eine harmonische Anregung (I1 = I0 sin(ωt)) durch den SOT-Strom I1 (untere Funktion) zu einer Systemantwort zweiter Ordnung in dem Tunnelwiderstand (obere Funktion). Wie hierbei zu erkennen ist, weicht die Kurve der mz-Antwort von einer symmetrischen periodischen Auslenkung ab. Dies deutet darauf hin, dass der Momenten-Vektor mz in Reaktion auf ein anliegendes externes Magnetfeld Hext um einen geometrischen Winkel α gegenüber seiner Ruhelage mo (2A) verkippt ist. Die mz-Antwort ist proportional zu der Spannung U3, die über dem Schichtstapel 10 abfällt, wenn der Auslesestrom I2 durch den Schichtstapel 10 fließt. Das heißt, die mz-Antwort ist proportional zur Auslesespannung U3, die ihrerseits wiederum auf den Leitwert des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3 schließen lässt.
  • Wie in 3B rein beispielhaft gezeigt ist, kann die Systemantwort, das heißt das am Tunnelwiderstand beziehungsweise am Schichtstapel 10 abgegriffene Signal (U3), einer Fourier-Analyse unterzogen werden, um harmonische Anteile erster und zweiter Ordnung zu bestimmen. In 3B sind die Fourier-Transformierten der Sensorantworten für unterschiedliche externe Felder abgebildet.
  • Die Frequenz des angelegten SOT-Stroms I1 war ~ 6 Hz. Der linke Plot zeigt erste und zweite Harmonische bei ~ 6 Hz bzw. bei ~ 12 Hz. Der rechte Plot zeigt die erste Harmonische gegenüber dem externen Magnetfeld Bext bzw. Hext.
  • Der erste harmonische Term ist direkt proportional zur externen Feldkomponente Bext. Die erste Harmonische beschreibt die Eigenfrequenz der Schwingung. Für Bext = 0 mT ist auch die erste Harmonische gleich Null. Dieser Offset hängt von der in 3B gezeigten Symmetrie ab.
  • Gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept kann also die Vorrichtung 100 derart ausgestaltet sein, dass sich in der ferromagnetischen Schicht 1, basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt, ein magnetisches Moment mz einstellt, das in Reaktion auf das zeitvariante Eingangssignal I1 symmetrisch um eine Nullpunktlage mo herum auslenkbar ist (2A), und wobei sich der Leitwert des Tunnelwiderstands in Abhängigkeit von der Auslenkung des magnetischen Moments mz ändert. Die Steuereinheit 30 wiederum kann ausgestaltet sein, um das extern auf die Vorrichtung 100 wirkende Magnetfeld Hext basierend auf einer Abweichung des magnetischen Moments mz von dessen Auslenkung um den Nullpunkt mo herum zu ermitteln (2B).
  • Zur Kompensation der durch das externe Magnetfeld Hext verursachten Störgröße, was zum Verkippen des Momenten-Vektors mzführt, kann beispielsweise der SOT-Strom I1 im SOT-Leiter 11 entsprechend angepasst, zum Beispiel erhöht, werden. Durch eine entsprechende Anpassung (z.B. Erhöhen oder Verringern) des SOT-Stroms I1 kann das Verkippen des Momenten-Vektors mz wieder soweit kompensiert bzw. rückgängig gemacht werden, dass der Momenten-Vektor mz wieder in seine Ruhelage mo zurückkehrt.
  • Wenn also kein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung 100 wirkt, dann können die festgelegte erste Magnetisierungsrichtung 14 und die variable zweite Magnetisierungsrichtung 15 im Wesentlichen parallel oder antiparallel zueinander verlaufen. Der Leitwert des Tunnelwiderstands in der Zwischenschicht 3 kann dann einen bestimmen Referenzwert annehmen, das heißt der gemessene Leitwert (bzw. Widerstand) des Tunnelwiderstands kann einen vorbestimmten Wert aufweisen und die über den Schichtstapel 10 abfallende Spannung U3 kann ebenfalls einen vorbestimmten Wert aufweisen, z.B. U3 = 0 V. Falls jedoch ein externes Magnetfeld auf die Vorrichtung 100 wirkt, so ändert sich dadurch die Lage der variablen zweiten Magnetisierungsrichtung 15 gegenüber der festgelegten ersten Magnetisierungsrichtung 14. Dadurch ändert sich auch der Leitwert im Tunnelwiderstand der Zwischenschicht 3, das heißt der gemessene Leitwert (bzw. Widerstand) weicht von dem zuvor erwähnten vorbestimmten Referenzwert (ohne Einwirkung des externen Magnetfelds) ab und die über den Schichtstapel 10 abfallende Spannung U3 kann einen von Null unterschiedlichen Wert annehmen.
  • Der Betrag dieser Abweichung kann zudem einen Betrag der Magnetfeldstärke des detektierten externen Magnetfelds repräsentieren. Die Steuereinheit 30 kann demnach also dazu ausgestaltet sein, um basierend auf dem ermittelten Leitwert, ein extern auf die Vorrichtung 100 wirkendes Magnetfeld zu detektieren.
  • Wie bereits zuvor kurz erwähnt wurde, kann die zweite Magnetisierungsrichtung 15 in der ferromagnetischen Schicht 1 durch das Anlegen des Eingangssignals (SOT-Strom) I1 unter Ausnutzung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts verändert werden.
  • Der Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt, der im englischen Sprachraum auch als Spin-Orbit-Torque-Effect, oder kurz SOT Effect, bezeichnet wird, basiert auf der Spin-Bahn-Kopplung von Elektronen. Prinzipiell kann eine Vorrichtung zur Ausnutzung des SOT-Effekts beispielsweise eine Doppelschicht aus einem ferromagnetischen und einem daran angrenzenden nicht magnetischen Material aufweisen. Wenn ein Strom in In-Plane Richtung in die Doppelschicht eingespeist wird, so wird an den Grenzen der Doppelschicht ein transversaler Spin-Strom erzeugt, dessen Erzeugung auf die Spin-Bahn-Kopplung der dort anwesenden Elektronen zurückzuführen ist. Diese Spin-Kumulierung an den Grenzen übt ein Drehmoment auf den Magnetisierungsvektor der ferromagnetischen Schicht aus und kann die Vorzugsrichtung der Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht ändern beziehungsweise umschalten.
  • Der Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt wird beispielsweise bei Speicherbausteinen mit mehreren der eingangs erwähnten Doppelschichten genutzt. Für einen schreibenden Zugriff auf den Speicherbaustein kann die Magnetisierung in den gewünschten Doppelschichten unter Ausnutzung des Spin-Bahn-Drehmoment-Effekts umgeschaltet werden, um so beispielsweise eine gewünschte Bitfolge im Speicherbaustein einzustellen. Hierbei wird ein SOT-Strom angelegt, um die Magnetisierungsrichtungen entsprechend einzustellen. Für einen lesenden Zugriff kann ein von dem SOT-Strom unterschiedlicher Lesestrom angelegt werden. Das Schreiben und das Lesen, d.h. das Anlegen des SOT-Stroms und das Anlegen des Lesestroms, erfolgen getrennt voneinander, je nachdem ob ein Schreibzugriff oder ein Lesezugriff gewünscht ist.
  • Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Steuereinheit 30 derart ausgestaltet sein, dass die Ermittlung des Leitwerts bzw. der Leitwertänderung des Tunnelwiderstands zeitgleich mit dem Anlegen des Eingangssignals I1 an dem SOT-Leiter 11 geschieht. Das heißt, der SOT-Strom I1 und der Auslesestrom I2 können gleichzeitig eingespeist werden. Dies ist ein Unterschied zu bekannten Speicherbausteinen, die den SOT-Effekt nutzen.
  • In dem hierin beschriebenen Konzept wurde also erkannt, dass sich der Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt auch in geeigneter Weise dazu nutzen lässt, um einen Magnetfeldsensor zum Bestimmen eines externen Magnetfelds zu realisieren.
  • Beispielsweise kann die hierin beschriebene Vorrichtung 100 zum Umschalten und Messen von Magnetfeldern genutzt werden. Die Vorrichtung 100 kann hierfür einen magnetischen Tunnelwiederstand (engl.: Magnetic Tunnel Junction, kurz MTJ) in Kombination mit einem SOT-Leiter 11 aufweisen. Die Isolationsbarriere des Tunnelwiderstands kann beispielsweise Magnesiumoxid aufweisen, oder aus Magnesiumoxid bestehen. Der SOT-Leiter 11 kann ein Schwermetall, zum Beispiel Platin, aufweisen oder daraus bestehen.
  • Auf der einen Seite bestimmt die ferromagnetische Schicht 1 die Signalantwort (U3) des magnetischen Tunnelwiderstands. Auf der anderen Seite kann die Magnetisierungsrichtung 15 in der ferromagnetischen Schicht 1 unter Ausnutzung des SOT-Effekts verändert und kontrolliert werden, wobei der SOT-Effekt durch einen SOT-Strom I1 in dem benachbarten SOT-Leiter 11 bewirkt wird.
  • I1 entspricht einem Ladestrom, der durch den SOT-Leiter 11 (Schwermetall-Schicht) fließt und somit auch als SOT-Strom bezeichnet werden kann. Der SOT-Strom I1 bewirkt den SOT-Effekt, der das magnetische Moment mz in der ferromagnetischen Schicht 1 verkippen kann. Die Verkippung kann nach rechts und/oder links erfolgen, entsprechend der Polarität des SOT-Stroms I1.
  • I2 entspricht dem Auslesestrom, der durch den Tunnelwiderstand geleitet wird, um dessen Leitfähigkeit zu ermitteln. Die Leitfähigkeit des Tunnelwiderstands ändert sich in Reaktion auf den geometrischen Winkel α zwischen dem Momenten-Vektor mz in der ferromagnetischen Schicht 1 und der Magnetisierungsrichtung 14 der magnetischen Referenzschichten 5, 7, 9. Die Zwischenschicht 3 weist den Tunnelwiderstand auf, das heißt eine galvanische Isolierung, durch die nur ein Tunnelstrom hindurchtunneln kann.
  • Dementsprechend kann die Vorrichtung 100 als eine Magnetowiderstands (MR)-basierte magnetische Messvorrichtung bezeichnet werden. Außerdem sind hierin entsprechende Verfahren beschrieben, um Magnetisierungszustände innerhalb der Vorrichtung 100 mittels elektrischer Signal zu kontrollieren, um möglichst Offset-Fehler-freie Sensor Output Signale zu erzeugen. Gemäß dem hierein beschriebenen innovativen Konzept wird der SOT-Effekt genutzt, um die MR Magnetisierung umzuschalten oder zu drehen. Dadurch können deutlich größere Signalbereiche realisiert werden trotz deutlich geringerem Stromverbrauch im Vergleich zu, zum Beispiel AMR-Flipping Methoden.
  • 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer Vorrichtung 100 gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept. Das hier abgebildete Referenzsystem eines Tunnelwiderstands in den magnetischen Referenzschichten 5, 7, 9 ist ausgestaltet, um Out-of-Plane Magnetfeldkomponenten zu messen. In anderen Worten spricht der Tunnelwiderstand (auch als Tunnelbarriere oder Tunnelübergang bezeichnet) auf Out-of-Plane Feldkomponenten an, die hierin auch mit Bz bezeichnet werden. Die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 1 schwenkt symmetrisch um ihre Nullpunktlage m0 aus, sobald ein SOT-Strom I1 im SOT-Leiter 11 angelegt wird.
  • So wurde in 2A gezeigt, dass die Gleichgewichtszustände des Momenten-Vektors me bei sich auslöschenden bzw. nicht vorhandenen externen Magnetfeldern identisch bzw. symmetrisch sind, während die Symmetrie des Spin-Bahn-Drehmoments me bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds Hext gestört ist (2B).
  • Nachfolgend sollen einige nicht limitierende Ausführungsbeispiele von unterschiedlichen Möglichkeiten zur Verschaltung von Vorrichtungen 100 diskutiert werden.
  • So zeigt beispielsweise 5 eine Vorrichtung 100, die eine Parallelschaltung von zwei Schichtstapeln 10, 10' aufweist. Beide Schichtstapel 10, 10' entsprechen vom Aufbau und der Funktion her dem zuvor beschriebenen Schichtstapel 10. In 5 sind der erste Schichtstapel 10 und der zweite Schichtstapel 10' jeweils auf einem SOT-Leiter 11, 11' angeordnet. In beide SOT-Leiter 11, 11' kann derselbe SOT-Strom I1 eingespeist werden.
  • Die beiden SOT-Leiter 11, 11' sind mittels eines gemeinsamen elektrischen Leiters 15 miteinander verbunden. Der elektrische Leiter 15 kann auf einer den jeweiligen Schichtstapeln 10, 10' abgewandten Seite des jeweiligen SOT-Leiters 11, 11' angeordnet sein. Der elektrische Leiter 15 kann parallel, und spiegelbildlich gegenüberliegend zu dem elektrischen Ausleseleiter 13 angeordnet sein. Der Auslesestrom I2 kann zwischen den beiden elektrischen Leitern 13, 15 eingespeist werden. Die Spannung U3 kann zwischen den beiden elektrischen Leitern 13, 15 abgegriffen werden.
  • 6 zeigt eine Vorrichtung 100, die eine Reihenschaltung von zwei Schichtstapeln 10, 10' aufweist. Beide Schichtstapel 10, 10' entsprechen vom Aufbau und der Funktion her dem zuvor beschriebenen Schichtstapel 10. In 6 sind der erste Schichtstapel 10 und der zweite Schichtstapel 10' jeweils auf einem SOT-Leiter 11, 11' angeordnet. In den ersten SOT-Leiter 11 kann ein erster SOT-Strom I1 eingespeist werden. In den zweiten SOT-Leiter 11' kann ein zweiter SOT-Strom I1' eingespeist werden.
  • Der erste SOT-Leiter 11 kann auf einer dem Schichtstapel 10 abgewandten Seite einen ersten elektrischen Leiter 15 aufweisen. Der zweite SOT-Leiter 11' kann auf einer dem Schichtstapel 10' abgewandten Seite einen von dem ersten elektrischen Leiter 15 separaten zweiten elektrischen Leiter 15' aufweisen. In beide elektrische Leiter 15, 15' kann derselbe Auslesestrom I2 eingespeist werden.
  • 7 zeigt eine Vorrichtung 100 mit zwei parallel verlaufenden und nebeneinander angeordneten SOT-Leitern 11A, 11B. Zur besseren Unterscheidbarkeit ist der im Bild links angeordnete erste SOT-Leiter mit dem Bezugszeichen bzw. mit Indizes A versehen, und der im Bild rechts angeordnete SOT-Leiter ist mit dem Bezugszeichen bzw. mit den Indizes B versehen.
  • Der erste SOT-Leiter 11A weist eine erste Vielzahl von 1 bis n Schichtstapeln auf, und der zweite SOT-Leiter 11B weist eine zweite Vielzahl von 1 bis n Schichtstapeln auf. Zur besseren Unterscheidbarkeit sind die Schichtstapel des ersten SOT-Leiters 11A ihrer Zähligkeit nach mit A1 bis An bezeichnet. Die Schichtstapel des zweiten SOT-Leiters 11B hingegen sind ihrer Zähligkeit nach mit B1 bis Bn bezeichnet. Die hier abgebildeten Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn entsprechen ihrer Funktion und ihrem Aufbau nach dem zuvor diskutierten Schichtstapel 10.
  • In der in 7 abgebildeten Beschattung fließt durch den ersten SOT-Leiter 11A ein erster SOT-Strom J1A in eine erste Richtung, und zwar von dem Einspeisepunkt PA (Power) nach GA (Ground). Entlang dieser ersten Stromflussrichtung J1A ist die erste Vielzahl (z.B. mindestens zwei) von 1 bis n Schichtstapeln A1 bis An hintereinander in einer Reihe auf dem ersten SOT-Leiter 11A angeordnet.
  • Der zweite SOT-Leiter 11B ist entgegengesetzt verschaltet, d.h. die Position des Einspeisepunkts PB (Power) sowie die Position des Auskoppelpunkts GB (Ground) sind im Vergleich zum ersten SOT-Leiter 11A genau spiegelbildlich, d.h. um 180° gedreht, angeordnet. Somit fließt durch den zweiten SOT-Leiter 11B ein zweiter SOT-Strom J1B in eine der zuvor erwähnten ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung, und zwar von dem Einspeisepunkt PB (Power) nach GB (Ground). Entlang dieser zweiten Stromflussrichtung J1B ist die zweite Vielzahl (z.B. mindestens zwei) von 1 bis n Schichtstapeln B1 bis Bn hintereinander in einer Reihe auf dem zweiten SOT-Leiter 11B angeordnet.
  • In anderen Worten zeigt 7 eine Schaltung und eine Anordnung, um eine Vielzahl von 2n Schichtstapeln A1 bis An sowie B1 bis Bn in einer gemeinsamen Sensorschaltung zu kombinieren. Die Sensorschaltung kann hierbei in einen SOT-Stromkreis (bzw. Bias-Schaltung) und einen Auslesestromkreis aufgeteilt werden. Der SOT-Stromkreis versorgt die SOT-Leiter 11A, 11B mit einem entsprechenden SOT-Strom I1. Der Auslesestromkreis versorgt die Schaltung mit Ausleseströmen 12A, bis 12A, sowie I2A1 bis I2An.
  • 7 zeigt eine Draufsicht beziehungsweise eine Layout Ansicht auf die zwei SOT-Leiter 11A, 11B mit jeweils einer Vielzahl (mindestens zwei) von Schichtstapeln A1 bis An beziehungsweise B1 bis Bn mit magnetischen Tunnelwiderständen (MTJs). Elemente mit selber Funktion und/oder selbem Aufbau wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen sind mit denselben Bezugszeichen versehen, so zum Beispiel die Elemente 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13. Die hier zusätzlich dargestellten Elemente (z.B. PMOS-FETs, NMOS-FETs, Widerstände und Verdrahtungen) sind als Schaltungsdiagramm zu verstehen. Das heißt, dass die Schaltungselemente in ihrer Lage verändert werden können, aber die anderen Elemente, z.B. die SOT-Leiter 11A, 11B und deren Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn sollten in ihrer jeweiligen Ausrichtung zueinander verbleiben. Dementsprechend ist es denkbar, dass die SOT-Leiter 11A, 11B und deren Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn translatorisch verschoben, jedoch nicht rotatorisch gedreht werden. So kann sichergestellt werden, dass ein extern auf die Vorrichtung 10 wirkendes Magnetfeld Bext identisch auf die Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn der SOT-Leiter 11A, 11B einwirkt, während die jeweiligen SOT-Ströme J1A, J1B in den SOT-Leitern 11A, 11B, unterhalb der jeweiligen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn, in entgegengesetzte Richtungen fließen. Dadurch wird der Leitwert der Schichtstapel des einen SOT-Leiters (z.B. des ersten SOT-Leiters 11A) erhöht, während sich der Leitwert der Schichtstapel in dem jeweils anderen SOT-Leiter (z.B. im zweiten SOT-Leiter 11B) entsprechend um den gleichen Betrag verringert.
  • Der SOT-Stromkreis kann ein und denselben SOT-Strom I1 in beide SOT-Leiter 11A, 11B gleichzeitig einspeisen, zum Beispiel mittels PMOS Stromspiegel P0', PA, PB. Der SOT-Strom I1 fließt in entgegengesetzte Richtungen durch die jeweiligen SOT-Leiter 11A, 11B (gekennzeichnet durch die Pfeile J1A und J1B). Die Stromführungsrichtungen J1A und J1B geben die Richtung des durch den jeweiligen SOT-Leiter 11A, 11B fließenden SOT-Strom I1 an. Da es sich bei dem SOT-Strom I1 um ein Beispiel eines zeitvarianten Eingangssignals handelt, werden die Stromführungsrichtungen J1A und J1B hierin auch als Signalführungsrichtungen bezeichnet.
  • 7 zeigt also ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100, bei welcher der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A parallel neben dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B angeordnet ist. Alternative dazu kann der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A entlang in einer Reihe mit dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B angeordnet sein. Ferner kann die Steuereinheit 30 dazu ausgestaltet sein, um sowohl den erste als auch den zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A, 11B mit dem zeitvarianten Eingangssignal I1 mit zeitlich variierender Polung zu beaufschlagen, wobei das zeitvariante Eingangssignal I1 an dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B entgegengesetzt zu dem zeitvarianten Eingangssignal I1 an dem ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A eingespeist wird, sodass die Signalführungsrichtungen J1A, J1B des zeitvarianten Eingangssignals I1 in den jeweiligen Spin-Bahn-Drehmoment-Leitern 11A, 11B jeweils entgegengesetzt zueinander gerichtet sind.
  • Die SOT-Leiter 11A, 11B können unterschiedliche Breiten aufweisen, um in Regionen zwischen zwei Schichtstapeln einen unerwünschten Spannungsabfall sowie Hitzebildung zu vermeiden und die Stromdichte in der Nähe eines Schichtstapels zu erhöhen. Die Schichtstapel können eine von der runden Form abweichende ovale Form aufweisen, um ihre effektive Fläche zu vergrößern und die bestmögliche Ausbeute hinsichtlich der SOT-Stromdichte J1A, J1B zu ermöglichen. Es ist vorteilhaft keine zu kleinen Schichtstapel zu verwenden, da sehr kleine Schichtstapel eine sehr große Prozessstreuung sowie ein schlechtes Device-to-Device Matching, eine eher geringe Zuverlässigkeit und ein relativ hohes Flickerrauschen aufweisen. Denkbar wären Schichtstapel in der Größe von 1 µm2 bis 100 µm2 mit Tendenz zum oberen Wert. Abgesehen davon zeigt 7 lediglich die beiden äußeren Schichtstapel eines jeden SOT-Leiters 11A, 11B (A1 sowie An und B1 sowie Bn). Die anderen Schichtstapel dazwischen sind mit Punkten angedeutet.
  • Jeder Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B ist mit je einem elektrischen Leiter 13A1 bis 13An beziehungsweise 13B1, bis 13Bn verbunden. In jeden dieser elektrischen Leiter 13A1 bis 13An beziehungsweise 13B1, bis 13Bn kann je ein Auslesestrom I2A1 bis I2An beziehungsweise I2B1 bis I2Bn eingespeist werden. Diese Schaltung zum Einspeisen des Auslesestroms I2 wird hierin auch als Ausleseschaltung bezeichnet.
  • In dem hier abgebildeten, nicht limitierenden, Ausführungsbeispiel weist die Ausleseschaltung n differentielle Verstärker auf, die in ihrer einfachsten Form als differentielle NMOS Input Paare mit ihren individuellen Tail Currents IN1, ... INn ausgeführt sind. Alle Drains NA1, ... NAn der NMOS Transistoren sind an ein gemeinsames (negatives) Output Terminal angeschlossen. Alle Drains NB1, ... NBn der NMOS Transistoren sind an ein gemeinsames (positives) Output Terminal angeschlossen. Die Ausgangsspannung U3 wird zwischen diesen beiden Output Terminals abgegriffen. Die Summe der Drain-Ströme fließt durch angepasste Lasten, referenziert mit Bezugszeichen R4. Dies können beispielsweise Widerstände oder aktive Stromquellen im Verstärkerschaltungsdesign sein.
  • Es ist hierbei zu erkennen, dass eine galvanische Kopplung zwischen dem SOT-Strom I1 und den Ausleseströmen I2A1 bis I2An beziehungsweise I2B1 bis I2B besteht. Der SOT-Strom I1 ist deutlich größer als die jeweiligen Ausleseströme I2A1 bis I2An beziehungsweise I2B1 bis I2Bn (d.h. die Amplitude des SOT-Stroms I1 ist deutlich größer, beispielsweise 100-fach oder 1.000-fach oder sogar 10.000-fach größer, im Milliamperebereich, wobei die Ausleseströme I2A1 bis I2An beziehungsweise I2B1 bis I2Bn im Bereich von ca. 10 µm liegen können). Die Ausleseströme I2A1 bis I2An, I2B1 bis I2Bn können beispielsweise mittels Bänken von Stromspiegeln erzeugt werden, wie es in 7 beispielhaft mit den PMOS Transistoren PA1 bis PAn and PB1 bis PBn dargestellt ist. Die einzelnen Ausleseströme I2A1 bis I2An, I2B1 bis I2Bn können somit in die einzelnen zugehörigen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn eingespeist werden. Die Ausleseströme 12A, bis I2An, I2B1 bis I2Bn fließen durch den jeweiligen Schichtstapel A1 bis An, B1 bis Bn in den gemeinsamen SOT-Leiter 11A bzw. 11B. Dadurch fließt beispielsweise unterhalb der beiden Schichtstapel An und Bn, die beide auf Massepotential liegen, zusätzlich zum SOT-Strom I1 jeweils auch noch die Summe der n Ausleseströme I2A1 bis I2An im Schichtstapel An beziehungsweise I2B1 bis I2B1 im Schichtstapel Bn.
  • Das heißt, wenn sich der zeitvariante SOT-Strom I1 umkehrt, dann ist der Gesamtstrom, der durch die Schichtstapel A1 und B1 fließt mittelwertfrei. Der Gesamtstrom, der durch die Schichtstapel An und Bn fließt, weist hingegen einen Mittelwert von n*I2/2 auf. Entsprechende Zwischenwerte treten bei den jeweils zwischen den Schichtstapeln A1 bis An beziehungsweise B1 bis Bn angeordneten Schichtstapeln auf. Zur Erinnerung: Der SOT-Strom I1 ist zeitvariant, d.h. er wechselt beim Umschalten seine Polung, während hingegen die Ausleseströme 12A, bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn zeitinvariant sein können. Das heißt, dass die Umkehrkraft, die auf die jeweiligen Momenten-Vektoren in den ferromagnetischen Schichten der jeweiligen Schichtstapel wirkt (bedingt durch den zeitvarianten SOT-Strom I1 beziehungsweise durch den Summenstrom I1 + I2 an dem jeweiligen Schichtstapel), zu den Zeitpunkten, an denen der SOT-Strom I1 eine im Vergleich zum jeweils anliegenden Auslesestrom I2A1 bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn umgekehrte Polarität aufweist, ein wenig reduziert ist. Dementsprechend ist die Umkehrkraft zu den Zeitpunkten, an denen der zeitvariante SOT-Strom I1 und die jeweils anliegenden Ausleseströme 12A, bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn dieselbe Polarität aufweisen, ein wenig erhöht. Dieser Effekt ist vernachlässigbar, wenn die Amplitude des SOT-Stroms I1 deutlich größer ist als die Amplitude des jeweiligen Auslesestroms I2A1 bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn.
  • Aus diesem Grund sieht ein Ausführungsbeispiel vor, dass das zeitvariante Eingangssignal I1 ein elektrischer Wechselstrom ist, der um einen Faktor 100 bis 10.000 größer ist als der vertikal durch einen jeweiligen Schichtstapel A1 bis An beziehungsweise B1 bis Bn hindurchfließende Auslesestrom I2A1 bis I2An beziehungsweise I2B1 bis I2Bn.
  • In 7 ist außerdem zu erkennen, dass je einer der Schichtstapel A1 bis An des ersten SOT-Leiters 11A mit je einem der Schichtstapel B1 bis Bn des zweiten SOT-Leiters 11B verbunden, und insbesondere kreuzgekoppelt, ist. So ist zu erkennen, dass beispielsweise der in Stromführungsrichtung J1A angeordnete erste Schichtstapel A1 des ersten SOT-Leiters 11A mit dem in Stromführungsrichtung J1B angeordneten ersten Schichtstapel B1 des zweiten SOT-Leiters 11B gekoppelt ist. Die Stromführungsrichtungen J1A und J1B des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B sind, vorzugsweise in allen Ausführungsformen, antiparallel zueinander gerichtet, d.h. sie verlaufen in entgegengesetzte Richtungen. Außerdem ist in 7 beispielhaft eingezeichnet, dass der in Stromführungsrichtung J1A angeordnete letzte Schichtstapel An des ersten SOT-Leiters 11A mit dem in Stromführungsrichtung J1B angeordneten letzten Schichtstapel Bn des zweiten SOT-Leiters 11B kreuzgekoppelt ist.
  • Es ist hierbei zu erkennen, dass die jeweiligen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn ihrer Zähligkeit nach entlang der jeweiligen Stromführungsrichtung J1A, J1B im jeweiligen SOT-Leiter 11A, 11B auf dem selbigen angeordnet sind.
  • In anderen Worten können also die 1 bis n Schichtstapel A1 bis An des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A ihrer Zähligkeit nach von 1 bis n in einer ersten Richtung entlang des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A angeordnet sein. Die 1 bis n Schichtstapel B1 bis Bn des entgegengesetzt gepolten zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B können hingegen ihrer Zähligkeit nach von 1 bis n in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung entlang des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B auf dem selbigen angeordnet sein. Dabei kann jeweils einer der 1 bis n Schichtstapel A1 bis An des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11Ajeweils mit einem Schichtstapel B1 bis Bn des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B mit jeweils gleicher Zähligkeit elektrisch kreuzgekoppelt sein (also wie zuvor beschrieben, z.B. A1 mit B1, A2 mit B2, ..., An mit Bn).
  • Diese Kreuzkopplung betrifft insbesondere den Auslesestromkreis, d.h. die jeweiligen Ausleseströme 12A, bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn werden in die jeweils miteinander kreuzgekoppelten Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn eingespeist.
  • Wie eingangs erwähnt, kann die Ausleseschaltung n differentielle Verstärker mit Transistoren aufweisen, die beispielsweise als differentielle NMOS Input Paare mit individuellen Tail Currents IN1, ... INn ausgeführt sind. Alle Drains NA1, ... NAn der NMOS Transistoren können an ein gemeinsames (negatives) Output Terminal angeschlossen sein. Alle Drains NB1, ... NBn der NMOS Transistoren können an ein gemeinsames (positives) Output Terminal angeschlossen sein. Die zuvor erwähnte Kreuzkopplung einzelner Schichtstapel des ersten bzw. zweiten SOT-Leiters 11A, 11B kann beispielsweise über diese Transistoren erfolgen, d.h. zwischen den jeweils miteinander kreuzgekoppelten Schichtstapeln des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B kann je eine Schaltung mit je zwei Transistoren angeordnet sein, wobei der jeweilige Schichtstapel A1 des ersten SOT-Leiters 11A mit dem Drain NA1 eines ersten Transistors, und der jeweilige Schichtstapel B1 des zweiten SOT-Leiters 11B mit dem Drain NB1 eines zweiten Transistors NB1 gekoppelt sein kann. Die beiden Transistoren bilden einen differentiellen Verstärker.
  • Diese Kreuzkopplung der jeweiligen Schichtstapel des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B hat einen entscheidenden Vorteil. Die erste differentielle Input-Stage NA1, NB1 des differentiellen Verstärkers ist, wie zuvor beispielhaft beschrieben, mit den kreuzgekoppelten Schichtstapeln A1 und B1 verbunden. Die zweite differentielle Input-Stage NA2, NB2 ist mit den kreuzgekoppelten Schichtstapeln A2 und B2 verbunden, und so weiter, bis zur n-ten differentiellen Input-Stage, die mit den kreuzgekoppelten Schichtstapeln An und Bn verbunden ist.
  • Idealer Weise ist, bei Nicht Vorhandensein eines externen Magnetfelds, die Spannung zwischen dem Schichtstapel An und Masse GA identisch zur Spannung zwischen dem Schichtstapel Bn und Masse GB. Dies gilt vor allem dann, wenn alle Ausleseströme 12A, bis I2An sowie I2B1 bis I2Bn identisch sind, was am besten dadurch realisierbar ist, dass der erste SOT-Leiter 11A und dessen Schichtstapel A1 bis An spiegelsymmetrisch zum zweiten SOT-Leiter 11B und dessen Schichtstapel B1 bis Bn ist. Diese Spiegelsymmetrie ist in 7 mittels der horizontalen Linie ‚L‘ angedeutet, die durch die Mitte der beiden SOT-Leiter 11A, 11B verläuft.
  • Es sei angemerkt, dass das Massepotential in den Knoten GA und GB beispielsweise bei 1 V liegen kann, sofern der gesamte Schaltkreis z.B. mit einer Versorgungsspannung von 4 V versorgt wird. In diesem Fall können die Potentiale an den Strom-Einspeisepunkten zwischen 3 V (bei positiven Pulsen der SOT-Ströme) und 1 V (bei negativen Pulsen der SOT-Ströme) variieren. Alternativ können die Masse-Knoten aller Tail-Currents IN1, IN1, usw. auf einem gemeinsamen Potential von 0 V liegen. Dann blieben für die Gate-Source Spannungen der NMOS Transistoren NA1 bis NAn bzw. NB1 bis NBn plus den Sättigungsströmen der Tail-Current Quellen immer noch mindestens 1 V, um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen.
  • Die hierin rein beispielhaft beschriebenen NMOS Transistoren können auch durch PMOS Transistoren ersetzt werden und anders herum. Die in 7 dargestellte Spannung U3 kann zudem weiterverarbeitet werden, zum Beispiel mittels Multi-Stage Operationsverstärkern. Außerdem kann ein gewisses Feedback zwischen den Ein- und Ausgängen, d.h. zwischen den Gates der Transistoren NA1 bis NAn (die mit den Schichtstapeln A1 bis An des ersten SOT-Leiters 11A gekoppelt sind) und den Gates der Transistoren NB1 bis NBn (die mit den Schichtstapeln B1 bis Bn des zweiten SOT-Leiters 11B gekoppelt sind), genutzt werden, um die Linearität, die Stabilität und/oder die Genauigkeit der Schaltung bzw. der Vorrichtung 100 zu erhöhen. Es ist ebenso denkbar, dass das Aufsummieren aller differentiellen Input-Paare an den Anschlüssen von U3 nicht durchgeführt wird. In diesem Fall gäbe es n-mal U3j (mit j = 1, 2, ..., n) und jede Ausgangsspannung U3j würde individuell mittels individuellem Feedback an dessen jeweiligen Inputs NAj, NBj verarbeitet werden können. Zum Schluss könnten dann diese individuell verstärkten Ausgangsspannungen U3j zu einer Gesamt-Ausgangsspannung U3 aufsummiert werden.
  • Zusammenfassend kann also festgehalten werden, dass die Vorrichtung 100 mindestens zwei SOT-Leiter 11A, 11B mit jeweils einer Vielzahl 1 bis n von darauf angeordneten Schichtstapeln A1 bis An beziehungsweise B1 bis Bn aufweisen kann. Je ein Schichtstapel A1 bis An des ersten SOT-Leiters 11A kann mit je einem Schichtstapel B1 bis Bn des zweiten SOT-Leiters 11B kreuzgekoppelt sein. Kreuzgekoppelte Schichtstapel-Paare liegen auf demselben elektrischen Potential. Zwischen zwei miteinander kreuzgekoppelten Schichtstapeln, zum Beispiel zwischen A1 und B1, kann je ein differentielles Ausleseglied (z.B. differentieller Verstärker) mit beispielsweise zwei Transistoren angeordnet sein. Ein Transistor kann mit dem jeweiligen Schichtstapel (z.B. A1) des ersten SOT-Leiters 11A, und ein zweiter Transistor kann mit dem jeweiligen Schichtstapel (z.B. B1) des zweiten SOT-Leiters 11B verbunden sein. Auf diese Weise können alle Schichtstapel A1 bis An des ersten SOT-Leiters 11A jeweils einzeln mit allen Schichtstapeln B1 bis Bn des zweiten SOT-Leiters 11B kreuzgekoppelt sein. An jedem kreuzgekoppelten Schichtstapel-Paar (z.B. A1 mit B1, An mit Bn), bzw. an jedem differentiellen Ausleseglied, kann dessen jeweiliges Ausgangssignal, z.B. dessen jeweilige Auslesespannung U3P1 bis U3Pn, abgegriffen werden. Anhand der jeweiligen Auslesespannung U3P1 bis U3Pn lässt sich der Leitwert des jeweiligen Schichtstapel-Paars ableiten. Die einzelnen Auslesespannungen U3P1 bis U3Pn können dann zur Gesamt-Spannung U3 kombiniert werden. Anhand der Gesamt-Spannung U3 kann dann der Gesamt-Leitwert aller auf den beiden SOT-Leitern 11A, 11B vorhandenen Schichtstapel ermittelt werden. Da die Schichtstapel-Paare, wie zuvor beschrieben, miteinander kreuzgekoppelt sind, können deren jeweilige Ausgangssignale differentiell gemessen und zu einem Gesamt-Ausgangssignal U3 kombiniert werden. Diese differentielle Messung von Ausgangssignalen kann von der Steuereinheit übernommen werden.
  • In anderen Worten sieht also eine Ausführungsform der hierin beschriebenen Vorrichtung 100 vor, dass die Steuereinheit 30 ausgestaltet sein kann, um zur Ermittlung des externen Magnetfelds Hext eine differentielle Messung von Ausgangssignalen mehrerer Schichtstapel A1 bis An bzw. B1 bis Bn auszuführen, indem zumindest an einem der 1 bis n Schichtstapel (z.B. A1) des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A ein Auslesestrom I2A1...I2An angelegt wird, der ein den Leitwert dieses Schichtstapels A1 repräsentierendes erstes Ausgangssignal erzeugt, und indem zumindest an einem der 1 bis n Schichtstapel (z.B. B1) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B ein Auslesestrom I2B1...I2Bn angelegt wird, der ein den Leitwert dieses Schichtstapels B1 repräsentierendes zweites Ausgangssignal erzeugt. Dabei kann der zumindest eine Schichtstapel A1 des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A mit dem zumindest einen Schichtstapel B1 des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B elektrisch kreuzgekoppelt sein. Die Steuereinheit 30 kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zumindest das erste Ausgangssignal des Schichtstapels A1 des ersten SOT-Leiters 11A und das zweite Ausgangssignal des Schichtstapels B1 des zweiten SOT-Leiters 11B miteinander kombiniert werden, um hierüber ein Gesamt-Ausgangssignal U3 zu erhalten, welches das auf die gesamte Vorrichtung 100 wirkende externe Magnetfeld repräsentiert.
  • 8 zeigt eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels von 7. Auch 8 ist als ein schematisches Schaltbild zu verstehen. Die Ausführungsform von 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 7 im Wesentlichen dadurch, dass beide SOT-Leiter 11A, 11B zusätzlich mit einer Schaltvorrichtung 81, 82 gekoppelt sind. Ansonsten entspricht die Ausführungsform aus 8 der zuvor unter Bezugnahme auf 7 diskutierten Ausführungsform, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen, hier im Vergleich zu 7 einige Details nicht mehr eingezeichnet sind.
  • So ist der erste SOT-Leiter 11A mit einer ersten Schaltvorrichtung 81 gekoppelt, und der zweite SOT-Leiter 11B ist mit einer zweiten Schaltvorrichtung 82 gekoppelt. Die Schaltvorrichtungen 81, 82 sind dazu ausgestaltet, um die Polarität des SOT-Stroms I1 periodisch umzuschalten. Dies kann beispielsweise dann vorteilhaft sein, wenn anstatt einer Wechselstromquelle eine Gleichstromquelle eingesetzt wird.
  • Die Schaltvorrichtungen 81, 82 sind eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, um den SOT-Strom I1 zu modulieren und hierüber zu ermitteln, um welchen Wert der magnetische Momenten-Vektor mz in der ferromagnetischen Schicht 1 pendelt, um ein Signal mit möglichst geringem Nullpunktfehler bzw. Offset-Fehler zu erhalten, was wiederum dem Fehler beim nicht Vorhandensein des externen Magnetfelds entspricht).
  • Die beiden Schaltvorrichtungen 81, 82 können mittels eines Taktsignals (CLK) 83 und eines invertierten Taktsignals (NOT CLK) 84 synchronisiert sein. Somit werden antiparallele SOT-Ströme in die beiden SOT-Leiter 11A, 11B eingespeist. Diese antiparallelen Ströme bewegen die magnetischen Momente in den beiden SOT-Leitern 11A, 11B in jeweils entgegengesetzte Richtungen, bei Vorhandensein eines homogenen externen Magnetfelds. Dies verursacht positive Signalausschläge für alle Schichtstapel A1 bis An auf dem ersten SOT-Leiter 11A und negative Signalausschläge für alle Schichtstapel B1 bis Bn auf dem zweiten SOT-Leiter 11B. Somit sind die Schichtstapel gut geeignet, um mittels differentiellen Verstärkern (siehe 7) gemessen zu werden.
  • Die in 8 abgebildete Vorrichtung 100 liefert eine erste Ausgangsspannung U3' während einer ersten Betriebsphase, in der die Schaltvorrichtungen 81, 82 in einem ersten Zustand sind. Die Vorrichtung 100 liefert eine zweite Ausgangsspannung U3" während einer zweiten Betriebsphase, in der die Schaltvorrichtungen 81, 82 in einem zweiten Zustand sind, in welchem die Ströme in den beiden SOT-Leitern 11A, 11B entgegengesetzt zur ersten Betriebsphase fließen. Dann mittelt die Vorrichtung 100 die beiden Ausgangsspannungen U3' und U3'' um eine Gesamt-Ausgangsspannung U3 zu erhalten, welches um den Offset-Fehler korrigiert ist. Das Bilden des Mittelwerts kann beispielsweise mittels einer Sample-And-Hold Schaltung ausgeführt werden. Die Sample-And-Hold Schaltung kann beispielsweise die Spannungen U3' und U3'' samplen und eine Addiervorrichtung kann die beiden gesampelten Signale addieren. Alternativ kann die Mittelwertbildung mittels eines Tiefpassfilters realisiert werden. Hierbei können die Ausgangssignale U3' und U3'' mit einer Eckfrequenz tiefpassgefiltert werden, welche deutlich geringer ist als 1/T (wobei T die Dauer einer Betriebsphase ist).
  • Die Vorrichtung 100 kann außerdem durch weitere Parameter optimiert werden. Beispielsweise können die einzelnen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn möglichst dicht aneinander gepackt bzw. nebeneinander angeordnet werden. Somit wären alle Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn derselben Temperatur, demselben mechanischen Stress und demselben äußeren Magnetfeld (sowie anderen denkbaren Störgrößen wie Prozessgradienten bedingt durch die Herstellung oder elektrische Feldstörgrößen) ausgesetzt, was in der Regel zu den besten Messergebnissen führt.
  • Insbesondere kann es vorteilhaft sein, alle Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn des jeweiligen SOT-Leiters 11A, 11B in Stromführungsrichtung mit möglichst geringem Abstand anzuordnen, um die SOT-Kette von Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn möglichst kurz zu gestalten. Dies wiederum führt zu geringstmöglichen Widerständen in der SOT-Kette und somit zu geringstmöglicher Abstrahlung sowie Selbst-Aufheizung und Temperaturgradienten. Dies ermöglicht zudem kürzestmögliche Signalleiterlängen der einzelnen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn zu den jeweiligen differentiellen Eingängen der Verstärkerschaltungen (NA1 - NB1, NA2 - NB2, ..., NAn - NBn) - siehe 7. Dabei ist es vorteilhaft, die Längen der Signalleiter der beiden an einem Verstärker angeschlossenen Schichtstapel möglichst gleich lang auszugestalten.
  • Unter Bezugnahme auf die 7, 8 und 9 soll eine weitere denkbare Ausgestaltung des Auslesekreises vorgeschlagen werden. Beispielsweise können ungeradzahlige Schichtstapel A1, A3, A5, usw. zunächst identisch zu den in 7 gezeigten Schichtstapeln sein. Die Ausleseströme in den geradzahligen Schichtstapeln A2, A4, usw. könnten jedoch mittels NMOS Stromquellen versorgt werden. Das heißt, Ausleseströme werden in die Schichtstapel mit ungerader Zähligkeit (A1, A3, A5, ..., bzw. B1, B3, B5, ...) eingespeist, und Ausleseströme werden aus den Schichtstapeln mit gerader Zähligkeit (A2, A4, A6 ..., bzw. B2, B4, B6, ...) extrahiert. Anders herum wäre dies natürlich ebenso denkbar.
  • Dies funktioniert allerdings nur, wenn die Anzahl n der Schichtstapel ungeradzahlig ist, den die zuvor diskutierte Kreuzkopplung von Schichtstapel-Paaren setzt voraus, dass der Auslesestrom jedes mal in z.B. B1 eingespeist wird, wenn er auch in A1 eingespeist wird. Ein Vorteil bei dieser Anordnung besteht darin, dass der durch den SOT-Leiter 11A, 11B fließende Gesamtstrom (I1 + I2) entlang seines Strompfades von z.B. A1 nach An nur zwischen zwei benachbarten Schichtstapeln desselben SOT-Leiters um jeweils den Wert eines Auslesestroms I2 variiert. Dies führt zu deutlich weniger Abweichungen im effektiven SOT-Strom in allen Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn und somit zu einer deutlich gleichmäßigeren Verteilung der Qualität der Magnetfeldmessung mittels der Vorrichtung 100 bzw. mittels aller Schichtstapel A1 bis An sowie B1 bis Bn. Ein weiterer Vorteil besteht in dem deutlich geringeren Stromverbrauch: Anstelle von ∼2*n*I2 liegt der Gesamtstromverbrauch lediglich bei ∼n*I2.
  • Das soeben beschriebene Prinzip soll nochmals anhand von 9 näher erläutert werden. 9 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines SOT-Leiters 11A mit vier Schichtstapeln, die hier ganz allgemein mit der Notation Ak, Ak+1, Ak+2, Ak+3, usw. bezeichnet sind.
  • Wie eingangs erwähnt, fließen bei dem in 7 abgebildeten Ausführungsbeispiel alle Ausleseströme I2A1 bis I2An, durch den SOT-Leiter 11A hindurch. Somit ist der Gesamtstrom durch den SOT-Leiter 11A unterhalb des n-ten Schichtstapels An gleich I1 + n*I2, während hingegen der Gesamtstrom unterhalb des ersten Schichtstapels A1 lediglich gleich I1 ist. Das heißt, wenn der SOT-Leiter 11A viele in einer Reihe angeordnete Schichtstapel aufweist, dann wird sich der Gesamtstrom entlang des SOT-Leiters 11A vom Einspeisepunkt PA beim ersten Schichtstapel A1 bis zum Austrittspunkt GA beim n-ten Schichtstapel An immer weiter erhöhen. Deshalb ist die Auslenkung des Momenten-Vektors mz in der ferromagnetischen Schicht des n-ten Schichtstapels An größer als die Auslenkung des Momenten-Vektors mz in der ferromagnetischen Schicht des ersten Schichtstapels A1.
  • Mit dem in 9 abgebildeten Ausführungsbeispiel kann dies vermieden werden, indem sich die Polarität in jedem zweiten Schichtstapel abwechselt. Zum Beispiel wird ein Auslesestrom I2 mittels PMOS Transistoren in eine erste Teilmenge von Schichtstapeln (z.B. alle geradzahligen Schichtstapel) Ak, Ak+2, Ak+4, usw. eingespeist, und der Auslesestrom I2 wird mittels NMOS Transistoren aus einer zweiten Teilmenge von Schichtstapeln (z.B. alle ungeradzahligen Schichtstapel) Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw. extrahiert. Somit variiert der Gesamtstrom im SOT-Leiter 11A nur marginal zwischen I1 und I1 + I2, sodass dies für genaue Messungen vernachlässigbar ist.
  • In anderen Worten sieht ein Ausführungsbeispiel demnach also eine Vorrichtung 100 vor, bei welcher der Auslesestrom I2 an einer ersten Teilmenge Ak, Ak+2, Ak+4, usw. von Schichtstapeln der jeweils 1 bis n Schichtstapel des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11 bzw. 11A eingespeist wird, und wobei der Auslesestrom an einer zweiten Teilmenge Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw. von Schichtstapeln der jeweils 1 bis n Schichtstapel des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11 bzw. 11A extrahiert wird.
  • Die erste Teilmenge kann beispielsweise geradzahlige Schichtstapel aufweisen, und die zweite Teilmenge kann beispielsweise ungeradzahlige Schichtstapel (jeweils in der Zähreihenfolge ihrer Anordnung auf dem SOT-Leiter in Stromflussrichtung des SOT-Leiters) aufweisen. Anders herum wäre dies auch denkbar. Die Teilmengen sind jedoch nicht auf geradzahlige und ungeradzahlige Vielfache beschränkt. Es können natürlich auch andere mathematische Vielfache als Teilmengen denkbar sein.
  • Eine weitere denkbare Möglichkeit zur Optimierung der Vorrichtung 100 könnte darin liegen, die Stromquellen für den Auslesestrom I2 zu tauschen bzw. abzuwechseln, beispielsweise zwischen geradzahligen und ungeradzahligen Schichtstapeln eines SOT-Leiters. Dies kann kontinuierlich oder intermittierend erfolgen, zum Beispiel mit hohen Wiederholraten von, z.B. 106 mal pro Sekunde, oder aber auch mit niedrigen Wiederholraten, wie z.B. einmal pro Sekunde.
  • Das heißt, es wäre denkbar, dass in einer ersten Betriebsphase der Auslesestrom I2 in den ersten Schichtstapel A1 eingespeist und aus dem zweiten Schichtstapel A2 extrahiert wird. In einer zweiten Betriebsphase kann dann der Auslesestrom I2 in den zweiten Schichtstapel A2 eingespeist und aus dem ersten Schichtstapel A1 extrahiert werden. Dies erhöht die Symmetrie der Vorrichtung 100 und verbessert die Gleichheit, das Matching bzw. die Anpassung und die Genauigkeit aller relevanten Schichtstapel.
  • In etwas allgemeineren Worten ausgedrückt, ist also ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 denkbar, in welchem in einer ersten Betriebsphase der Auslesestrom I2 an einer ersten Teilmenge (Ak, Ak+2, Ak+4, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A eingespeist und an einer zweiten Teilmenge (Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A ausgekoppelt wird. In einer zweiten Betriebsphase kann dann der Auslesestrom I2 an der zweiten Teilmenge (Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A eingespeist und an der ersten Teilmenge (Ak, Ak+2, Ak+4, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A ausgekoppelt werden.
  • 10 zeigt ein weiteres denkbares Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100, die vom Aufbau her im Wesentlichen den zuvor diskutierten Ausführungsbeispielen ähnelt. Ein Unterschied liegt jedoch in der Art der elektrischen Verbindung zwischen den beiden SOT-Leitern 11A, 11B. Die beiden SOT-Leiter 11A, 11B sind hier nämlich miteinander hartverdrahtet im Sinne einer Ringtopolgie. Das heißt, der erste SOT-Leiter 11A kann einen ersten Abschnitt 101 mit einem ersten Anschluss PA (Power) sowie einen gegenüberliegenden zweiten Abschnitt 102 mit einem zweiten Anschluss GA (Ground) aufweisen. Ebenso kann der zweite SOT-Leiter 11B einen ersten Abschnitt 201 mit einem ersten Anschluss PA (Power) sowie einen gegenüberliegenden zweiten Abschnitt 202 mit einem zweiten Anschluss GA (Ground) aufweisen. Der erste Abschnitt 101 des ersten SOT-Leiters 11A und der erste Abschnitt 201 des zweiten SOT-Leiters 11B sind miteinander hartverdrahtet und liegen somit auf demselben elektrischen Potential (z.B. Power). Der zweite Abschnitt 102 des ersten SOT-Leiters 11A und der zweite Abschnitt 202 des zweiten SOT-Leiters 11B sind miteinander hartverdrahtet und liegen somit auf demselben elektrischen Potential (z.B. Ground). Der erste SOT-Leiter 11A und der zweite SOT-Leiter 11B sind bezüglich ihrer Anschlüsse um 180° gedreht zueinander angeordnet. Somit kann die in den beiden SOT-Leitern 11A, 11B gegensinnige Stromflussrichtung J1A, J1B realisiert werden.
  • Die Verdrahtung der beiden SOT-Leiter 11A, 11B kann beispielsweise mittels Metalldrähten oder Siliciden in Polysilizium realisiert werden. Generell ist jegliches niederohmige Material geeignet, um die dauerhafte Hartverdrahtung zu realisieren. Die eingangs erwähnte Ringtopologie bedeutet, dass man in dem in 10 abgebildeten Ausführungsbeispiel entlang des ersten SOT-Leiters 11A vom Anschluss GA zu Anschluss PA, dann entlang der Verdrahtung von PA nach PB, dann entlang des zweiten SOT-Leiters 11B von PB nach GB und letztendlich entlang der Verdrahtung von GB zum Ausgangspunkt GA. Der Vorteil der Hartverdrahtung liegt darin, dass es entlang dem soeben beschriebenen Pfad keine MOS-Schalter und somit keine Rdson-Widerstände von MOS-Schaltern gibt. Schalter würden ein Mismatch bezüglich ihrer Rdson-Widerstände verursachen, was wiederum zu Nullpunktfehlern (Offset-Fehler) im Signal führen würde. Dies kann durch die Hartverdrahtung vermieden werden.
  • Die Hartverdrahtung betrifft die Verdrahtung der SOT-Leiter 11A, 11b zum Zwecke der Versorgung mit dem Eingangssignal, d.h. mit dem SOT-Strom I1. Um ein zeitvariantes Eingangssignal I1 zu generieren, kann die Vorrichtung 100 eine Schaltvorrichtung 91 aufweisen. Ein erster Pol einer Stromquelle 94 kann beispielsweise mit einem ersten Verdrahtungsabschnitt 92 verbunden sein, wobei dieser erste Verdrahtungsabschnitt 92 die beiden ersten Abschnitte 101, 201 des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B miteinander verbindet. Ein zweiter Pol der Stromquelle 94 kann beispielsweise mit einem zweiten Verdrahtungsabschnitt 93 verbunden sein, wobei dieser zweite Verdrahtungsabschnitt 93 die beiden zweiten Abschnitte 102, 202 des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B miteinander verbindet. Zwischen den beiden Polen der Stromquelle 94 kann die Schaltvorrichtung 91 angeordnet sein, um die Polung des SOT-Stroms I1 zeitlich zu variieren. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn eine Gleichstromquelle 94 genutzt wird. Bei der Stromquelle 94 kann es sich aber auch um eine Wechselstromquelle handeln.
  • Es ist vorteilhaft, wenn nicht nur die Stromrichtung J1A, J1B in den beiden SOT-Leitern 11A, 11B entgegengesetzt gerichtet ist, sondern wenn sich der eingespeiste SOT-Strom I1 in den beiden SOT-Leitern 11A, 11B exakt halbiert, d.h. die Widerstände in beiden Brückenzweigen sollten weitestgehend identisch sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Ein- bzw. Ausspeisepunkte 94A, 94B der Stromquelle 94 exakt in der Mitte liegen.
  • Gemäß einem derartigen Ausführungsbeispiel können also der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A und der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B in einer ringförmigen Topologie miteinander hartverdrahtet sein, sodass ein erster Abschnitt 101 des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A sowie ein erster Abschnitt 201 des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B auf einem ersten gemeinsamen Potential (z.B. Power) liegen, und sodass ein zweiter Abschnitt 102 des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A sowie ein zweiter Abschnitt 202 des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11B auf einem zweiten gemeinsamen Potential (z.B. Masse) liegen. Die Vorrichtung 100 kann ferner mindestens eine Signalquelle 94 aufweisen, die ausgestaltet ist, um den ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A und den zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B mit einem gemeinsamen Eingangssignal I1 zu speisen. Dabei kann die Signalquelle 94 ausgestaltet sein, um das gemeinsame Eingangssignal I1 zeitvariant zu invertieren, um Beispiel mittels der Schaltvorrichtung 91. Ein erster Anschluss 94A der Signalquelle 94 kann hierbei mit den jeweils ersten hartverdrahteten Abschnitten 101, 201 der beiden Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A, 11B verbunden sein, und ein zweiter Anschluss 94B der Signalquelle 94 kann mit den jeweils zweiten hartverdrahteten Abschnitten 102, 202 der beiden Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A, 11B verbunden sein. Durch diese sich dadurch ergebende kreuzgekoppelte Hartverdrahtung kann der SOT-Strom I1 in den beiden SOT-Leitern 1A, 11B in entgegengesetzter Richtung eingespeist werden, sodass die Signalführungsrichtung J1A im ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A entgegengesetzt zur Signalführungsrichtung J1B im zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B ist.
  • 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100. Hier sind der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A und der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B gemeinsam in einem einzelnen Spin-Bahn-Drehmoment-Element 110 ausgestaltet.
  • Das Spin-Bahn-Drehmoment-Element 110 weist einen mittig bzw. zentral angeordneten Ein- bzw. Ausspeisepunkt (auch als Kontaktanschluss bezeichnet) 111 auf, der mit einem ersten Pol 94A einer Stromquelle verbunden sein kann. An den beiden sich gegenüberliegenden Endabschnitten des langgestreckten Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 können jeweils ein weiterer Ein- bzw. Ausspeisepunkt (bzw. Kontaktanschluss) 112A, 112B angeordnet sein. Die beiden Ein- bzw. Ausspeisepunkte 112A, 112B an den Endabschnitten des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 können gleich weit von dem zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 beabstandet sein. Die beiden Ein- bzw. Ausspeisepunkte 112A, 112B können vorzugsweise mittels eines elektrischen Leiters 115 miteinander hartverdrahtet sowie mit einem zweiten Pol 94B der Stromquelle verbunden sein. Außerdem kann zwischen den beiden Polen 94A, 94B eine Schaltvorrichtung 91 zur Umkehrung der Polarität vorgesehen sein.
  • Die beiden Kontaktanschlüsse 112A, 112B können somit also auf demselben elektrischen Potential liegen. Zwischen dem zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 und dem ersten Kontaktanschluss 112A in einem ersten Endabschnitt des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 kann sich somit eine erste Stromflussrichtung J1A einstellen, und zwischen dem zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 und dem zweiten Kontaktanschluss 112B in dem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 kann sich somit eine zweite Stromflussrichtung J18 einstellen. Die beiden Stromflussrichtungen J1A, J1B sind entgegengesetzt gerichtet.
  • Somit bildet sich sozusagen in dem Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 zwischen dem zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 und dem Ein- bzw. Ausspeisepunkt 112A in dem ersten Endabschnitt des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 der erste SOT-Leiter 11A aus, und zwischen dem zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 und dem Ein- bzw. Ausspeisepunkt 112B in dem zweiten Endabschnitt des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements 110 bildet sich sozusagen der zweite SOT-Leiter 11B aus. Der zentrale Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 bildet dabei einen gemeinsamen Kontaktanschluss des ersten und zweiten SOT-Leiters 11A, 11B.
  • In anderen Worten kann dieser gemeinsame Kontaktanschluss 111 das Spin-Bahn-Drehmoment-Element 110 in zwei SOT-Abschnitte, d.h. in den ersten SOT-Leiter 11A und in den zweiten SOT-Leiter 11B, unterteilen. Die Stromflussrichtungen J1A, J1B sind in den beiden SOT-Abschnitten bzw. SOT-Leitern 11A, 11B entgegengesetzt gerichtet.
  • Die Kontaktanschlüsse bzw. Ein- und Ausspeisepunkte 111, 112A, 112B können so gestaltet sein, dass sich der SOT-Strom I1 in zwei exakt gleiche Teile (siehe J1A und J1B) aufteilt, d.h. der erste SOT-Leiter 11A und der zweite SOT-Leiter 11B sollten möglichst identische Abmessungen und Dimensionen aufweisen. Die Ein-Ausspeisepunkte 111, 112A, 112B sollten nahezu perfekt symmetrisch platziert sein, d.h. der zentrale Kontaktanschluss 111 sollte möglichst perfekt zentral auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Element 110 angeordnet sein, und der erste und zweite Kontaktanschluss 112A, 112B des ersten bzw. zweiten SOT-Leiters 11A, 11B sollten möglichst gleich weit von dem zentralen Kontaktanschluss 111 entfernt sein und sich möglichst genau zu 180° (ausgehend vom zentralen Kontaktanschluss 111) gegenüberliegen. Kleinste Asymmetrien könnten zu Offset/Nullpunktfehlern führen, d.h. es gäbe dann selbst bei verschwindendem äußerem Magnetfeld ein Ausgangssignal U3 ungleich Null. Ein möglichst kleiner Nullpunktfehler ist aber bei der hierin beschriebenen Vorrichtung 100 gewünscht.
  • Die vom zentralen Ein- bzw. Ausspeisepunkt 111 entfernten, bzw. sich gegenüberliegenden, Kontaktanschlüsse 112A, 112B können mittels eines niederohmigen elektrischen Leiters 115 miteinander hartverdrahtet sein, zum Beispiel mittels eines Metalldrahts. Somit umgeht man die Notwendigkeit eines MOS-Schalters zwischen den beiden äußeren Kontaktanschlüssen 112A, 112B. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, weisen MOS-Schalter ein Rdson-Mismatch auf. Dies würde zu Signalfehlern, und insbesondere zu Nullpunkt- bzw. Offset-Fehlern, führen (d.h. das über beide Polaritäten der beiden SOT-Leiter 11A, 11B gemittelte Ausgangssignal U3 in 7 würde sich dann bei einem nicht Vorhandensein eines externen Magnetfelds nicht auslöschen). Auch der zentrale Kontaktanschluss 111 kann mittels eines niederohmigen elektrischen Leiters, und somit MOS-Schalter-los, hartverdrahtet sein.
  • 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine mögliche Anordnung von Schichtstapeln A1, A2. 12 zeigt im Wesentlichen einen Ausschnitt des ersten SOT-Leiters 11A aus 7. Hier sind zwei Schichtstapel A1, A2 nebeneinander angeordnet. Das heißt, die beiden Schichtstapel A1, A2 sind senkrecht zur Stromführungsrichtung des SOT-Stroms I1 durch den SOT-Leiter 11A nebeneinander angeordnet. Der Auslesestrom I2 kann mittels des elektrischen Leiters 13 in beide nebeneinander angeordnete Schichtstapel A1, A2 eingespeist werden. Der Auslesestrom I2 kann mit der Anzahl n der nebeneinander angeordneten Schichtstapel A1, A2 multipliziert werden, d.h. bei den hier rein beispielhaft abgebildeten zwei nebeneinander angeordneten Schichtstapeln A1, A2 kann der Auslesestrom I2 mit dem Faktor 2 multipliziert werden, sodass 2*I2 durch den elektrischen Leiter 13 zu den Schichtstapeln A1, A2 fließt.
  • Um mehrere (d.h. zwei oder mehr) Schichtstapel A1, A2 nebeneinander beherbergen zu können, kann der SOT-Leiter 11A eine entsprechende Breite aufweisen. Die Stromdichte J1 in jedem Schichtstapel A1, A2 kann durch ein optionales Loch 35 im SOT-Leiter 11A erhöht werden. Das Loch 35 kann zwischen den beiden Schichtstapeln A1, A2 vorgesehen sein. Der elektrische Auslese-Leiter 13 kann beide Schichtstapel A1, A2 kontaktieren, die somit miteinander in Reihe geschaltet sind. Somit ist eine einzelne Stromquelle ausreichend, um den Auslesestrom (hier: 2*I2) in die Schichtstapel A1, A2 einzuspeisen. Ebenso ist ein einzelnes differentielles Input-Paar NA1, NB1 ausreichend, um den Auslesestrom auf der gegenüberliegenden Seite des elektrischen Leiters 13, d.h. nach dem Durchfließen durch die Schichtstapel A1, A2, wieder abzugreifen. Zur besseren Performanz kann der Durchgangs-Leitwert ebenfalls mit der Anzahl der Schichtstapel A1, A2 multipliziert werden, d.h. in diesem Beispiel verdoppelt werden.
  • 13 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß dem hierin beschriebenen innovativen Konzept.
  • In Block 201 wird mindestens ein Schichtstapel 10 bereitgestellt, der eine ferromagnetische Schicht 1 und mindestens eine magnetische Referenzschicht 5, 7, 9 und eine dazwischen angeordnete Schicht 3 aufweist, die einen magnetischen Tunnelwiderstand aufweist. Die mindestens eine magnetische Referenzschicht 5, 7, 9 kann eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung 14 aufweisen, und die ferromagnetische Schicht 1 kann eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung 15 aufweisen, wobei die zweite Magnetisierungsrichtung 15 basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung 14 veränderbar ist.
  • In Block 202 wird ein Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 bzw. 11A bereitgestellt, der auf einer der ferromagnetischen Schicht 1 benachbarten ersten Seite 21 des Schichtstapels 10 angeordnet ist.
  • In Block 203 wird ein zeitvariantes Eingangssignals I1 mit zeitlich variierender Polung in den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 bzw. 11A eingespeist.
  • In Block 204 wird ein von dem zeitvarianten Eingangssignal I1 abhängiger Leitwert des Tunnelwiderstands ermittelt. Basierend auf dem ermittelten Leitwert wird ein extern auf die Vorrichtung 100 wirkendes Magnetfeld Hext detektiert.
  • Das hierin beschriebene innovative Konzept soll nachfolgend noch einmal kurz in anderen Worten zusammengefasst werden.
  • Ein der hierin beschriebenen Vorrichtung 100 zugrundliegender Zweck liegt, unter anderem, darin, (i) den bzw. die SOT-Leiter 11A, 11B mit einem entsprechenden SOT-Strom I1 zu versorgen, (ii) den Auslesestrom I2 für alle Schichtstapel A1 bis An bzw. B1 bis Bn bereitzustellen, und (iii) die einzelnen Ausgangssignale der einzelnen Schichtstapel zu einem gemeinsamen Ausgangssignal U3 zu kombinieren, um die statistische Variation und das 1/f-Rauschen zu reduzieren.
  • Hierfür können zwei oder mehr, gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen miteinander verschaltete, SOT-Leiter 11A, 11B bereitgestellt werden. Vorzugsweise können die SOT-Leiter 11A, 11B schalterlos miteinander hartverdrahtet sein, und zwar im Sinne einer Ringtopologie. Zudem kann die Vorrichtung 100 geeignete Signalquellen bereitstellen, die ausgestaltet sind, um einen definierten SOT-Strom I1 bereitzustellen, der in mindestens einer ersten und einer zweiten Betriebsphase durch die SOT-Leiter 11A, I1 B fließt, wobei die Stromflussrichtung J1A, J1B in den SOT-Leitern 11A, 11B in zumindest einer Betriebsphase antiparallel bzw. entgegengesetzt zueinander gerichtet ist.
  • Die SOT-Leiter 11A, 11B können Schichtstapel-Paare aufweisen, wobei jedes Schichtstapel-Paar einen Schichtstapel A1 des ersten SOT-Leiters 11A und einen Schichtstapel B1 des zweiten SOT-Leiters 11B aufweist. Die Schichtstapel A1, B1 eines solchen Schichtstapel-Paars können derart symmetrisch zueinander angeordnet sein, dass das elektrische Potential in beiden Schichtstapeln A1, B1, bei nicht Vorhandensein eines externen Magnetfelds Hext, nominell identisch ist. Die Ausgangssignale von ein oder mehreren derartigen Schichtstapel-Paaren A1, B1 können differentiell ausgelesen und miteinander zu einem gemeinsamen Ausgangssignal U3 kombiniert werden, um einen robusten Mittelwert mit geringem Flicker-Rauschen zu erhalten.
  • Einige Ausführungsbeispiel beschreiben somit eine Magnetsensor-Vorrichtung 100, die ein Sensorelement, insbesondere nach dem GMR-Prinzip oder dem TMR-Prinzip, aufweist. Die Magnetsensor-Vorrichtung 100 kann ferner mindestens eine Schicht 1 aufweisen, die ausgestaltet ist, um ein Spin-Bahn-Drehmoment (SOT) zu erzeugen, wenn ein entsprechender SOT-Strom I1 hindurchfließt. Dieses Spin-Bahn-Drehmoment beeinflusst den magnetischen Gleichgewichtszustand der mindestens einen Schicht 1, was dann wiederum zu einer Änderung des Widerstandswerts des GMR-Sensorelements führt. Der Widerstandswert (alternativ der Leitwert) kann mittels Anlegen eines Auslesestroms I2 ausgelesen werden. Der SOT-Strom I1 und der Auslesestrom I2 können gleichzeitig angelegt werden, d.h. zumindest zu Zeitabschnitten > 0,1 ns.
  • Der zeitvariante SOT-Strom I1 weist eine alternierende Polung auf, sodass sich im jeweiligen SOT-Leiter 11A, 11B eine abwechselnde Stromflussrichtung J1A, J1B einstellt. Dies wiederum führt dazu, dass der magnetische Momenten-Vektor mz im jeweiligen Schichtstapel ebenfalls alternierend um seine Nulllage mo herum pendelt. Das heißt, die Magnetisierungsrichtung 14 in der ferromagnetischen Schicht 1 ändert sich. Parallel zur Anregung mittels des SOT-Stroms I1 wird die magnetoresistive Systemantwort in Form des Leitwerts der Schichtstapel der jeweiligen SOT-Leiter 11A, 11B gemessen und hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Frequenz-Beiträge analysiert. Der Ausgang der Vorrichtung 100 ist das analoge Signal der Systemantwort, das wiederum als Eingang für jede Art einer Fourier-Analyse genutzt werden kann.
  • Die hierin beschriebene Vorrichtung 100 kann außerdem in Form folgender Ausführungsbeispiele realisierbar sein:
    • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, bei der der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 bzw. 11A im Bereich von mindestens einem der darauf angeordneten Schichtstapel A1 bis An eine Einschnürung mit reduzierter Breite aufweist, und/oder bei der der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B im Bereich von mindestens einem der darauf angeordneten Schichtstapel B1 bis Bn eine Einschnürung mit reduzierter Breite aufweist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, bei der der erste Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 bzw. 11A und der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B jeweils die gleiche Anzahl an Schichtstapeln A1 bis An sowie B1 bis Bn aufweisen, und/oder bei der die auf dem ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11 bzw. 11A vorgesehenen Schichtstapel A1 bis An spiegelsymmetrisch zu den auf dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B vorgesehenen Schichtstapeln B1 bis Bn angeordnet sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, bei der das zeitvariante Eingangssignal I1 an dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B zeitgleich zu dem entgegengesetzt dazu gerichteten zeitvarianten Eingangssignal I1 an dem ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A eingespeist wird.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, bei der jeweils zwei oder mehr Schichtstapel A1, A2 nebeneinander auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A angeordnet sind, wobei die zwei oder mehr Schichtstapel A1, A2 quer, beziehungsweise senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters 11A beziehungsweise zur Stromflussrichtung des SOT-Stroms I1 im SOT-Leiter 11A angeordnet sind.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, bei der zwischen den zwei nebeneinander angeordneten Schichtstapeln A1, A2 ein Loch 35 in dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A vorgesehen ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit allen hierein beschriebenen Ausführungsbeispielen kombinierbar ist, wird eine Vorrichtung 100 vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung 100 ein gemeinsames Speisenetzwerk aufweist, um den ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A und den zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B hierüber mit einem gemeinsamen Eingangssignal I1 zu speisen, und wobei die Vorrichtung 100 ferner eine erste und eine zweite getaktete Schaltvorrichtung 81, 82, 83, 84 aufweist, die jeweils ausgestaltet sind, um das gemeinsame Eingangssignal I1 zeitvariant zu invertieren, wobei die erste getaktete Schaltvorrichtung 81, 83 mit dem gemeinsamen Speisenetzwerk und dem ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A gekoppelt ist, und wobei die zweite getaktete Schaltvorrichtung 82, 84 mit dem gemeinsamen Speisenetzwerk und dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B gekoppelt ist, und wobei die erste und zweite Schaltvorrichtung 81 ,82, 83, 84 gegensinnig getaktet sind, sodass die Stromführungsrichtung J1A im ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11A antiparallel bzw. entgegengesetzt zur Stromführungsrichtung J1B im zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter 11B ist.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien des hierin beschriebenen innovativen Konzepts dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass das hierin beschriebene Konzept lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
  • Referenzen
    • [1] „Recent advances in spin-orbit torques: Moving towards device applications“; Rajagopalan Ramaswamy, Jong Min Lee, Kaiming Cai and Hyunsoo Yang; Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, 117576, Singapore (https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1808/1808.06829.pdf)

Claims (15)

  1. Vorrichtung (100) aufweisend: mindestens einen Schichtstapel (10) mit einer ferromagnetischen Schicht (1) und mindestens einer magnetischen Referenzschicht (5, 7, 9) sowie mit einer dazwischen angeordneten Schicht (3), die einen magnetischen Tunnelwiderstand aufweist, wobei die mindestens eine magnetische Referenzschicht (5, 7, 9) eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung (14) aufweist, und wobei die ferromagnetische Schicht (1) eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung (15) aufweist, wobei die zweite Magnetisierungsrichtung (15) basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung (14) veränderbar ist, einen Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A), der auf einer der ferromagnetischen Schicht (1) benachbarten ersten Seite (21) des Schichtstapels (10) angeordnet ist, und eine Steuereinheit (30), die ausgestaltet ist, um den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) mit einem zeitvarianten Eingangssignal (I1) mit zeitlich variierender Polung zu speisen und gleichzeitig einen von dem zeitvarianten Eingangssignal (I1) abhängigen Leitwert des Tunnelwiderstands zu ermitteln und, basierend auf dem Leitwert, ein extern auf die Vorrichtung (100) wirkendes Magnetfeld (Hext) zu detektieren.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei sich in der ferromagnetischen Schicht (1), basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt, ein magnetisches Moment (mz) einstellt, das in Reaktion auf das zeitvariante Eingangssignal (I1) symmetrisch um dessen Nullpunktlage (m0) herum pendelt, und wobei sich beim Vorhandensein des extern auf die Vorrichtung (100) wirkenden Magnetfelds (Hext) eine Abweichung des magnetischen Moments (mz) von dessen Nullpunktlage (mo) ergibt, und wobei sich der Leitwert des Tunnelwiderstands in Abhängigkeit von dieser Abweichung ändert, und wobei die Steuereinheit (30) ausgestaltet ist, um das extern auf die Vorrichtung (100) wirkende Magnetfeld (Hext) basierend auf dem ermittelten Leitwert des Tunnelwiderstands zu detektieren.
  3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung (100) ferner einen elektrischen Leiter (13) aufweist, der auf einer der ersten Seite (21) des Schichtstapels (10) gegenüberliegenden zweiten Seite (22) des Schichtstapels (10) angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (30) ausgestaltet ist, um einen Auslesestrom (I2) zwischen dem elektrischen Leiter (13) und dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) einzuspeisen, sodass der Auslesestrom (I2) vertikal durch den Schichtstapel (10) verläuft, um einen Spannungsabfall (U3) an dem Tunnelwiderstand zu erzeugen und hierüber den Leitwert des Tunnelwiderstands zu bestimmen.
  4. Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei das zeitvariante Eingangssignal (I1) ein elektrischer Wechselstrom ist, der um einen Faktor 100 bis 10.000 größer ist als der vertikal durch den Schichtstapel (10) hindurchfließende Auslesestrom (I2).
  5. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung (100) eine erste Vielzahl von 1 bis n Schichtstapeln (10 bzw. A1, ..., An) gemäß Anspruch 1 aufweist, wobei die einzelnen Schichtstapel (10 bzw. A1, ..., An) hintereinander in einer Reihe entlang der Stromflussrichtung (J1A) im Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) angeordnet sind, und wobei die Vorrichtung (100) ferner einen zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) sowie eine zweite Vielzahl von 1 bis n Schichtstapeln (10 bzw. B1, ..., Bn) gemäß Anspruch 1 aufweist, wobei die einzelnen Schichtstapel (10 bzw. B1, ..., Bn) hintereinander in einer Reihe entlang der Stromflussrichtung (J1B) im zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) und der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) gemeinsam in einem einzelnen Spin-Bahn-Drehmoment-Element (110) ausgestaltet sind, wobei ein erster Kontaktanschluss (112A) und ein gegenüberliegender zweiter Kontaktanschluss (112B) des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements (110) jeweils auf einem gemeinsamen ersten Potential geschaltet sind, und wobei das Spin-Bahn-Drehmoment-Element (110) einen zentralen Kontaktanschluss (111) aufweist, der mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktanschluss (112A, 112B) angeordnet ist, und der auf einem zweiten Potential liegt, sodass sich in dem Spin-Bahn-Drehmoment-Element (110) zwischen dessen zentralem Kontaktanschluss (111) und dessen erstem Kontaktanschluss (112A) der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) ausbildet, und sodass sich zwischen dessen zentralem Kontaktanschluss (111) und dessen zweitem Kontaktanschluss (112B) der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) ausbildet.
  7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der erste Kontaktanschluss (112A) und der gegenüberliegende zweite Kontaktanschluss (112B) des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements (110) mittels eines elektrischen Leiters (115) miteinander hartverdrahtet sind.
  8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Vorrichtung (100) eine Schaltvorrichtung (91) aufweist, die zwischen dem zentralen Kontaktanschluss (111) und den beiden sich gegenüberliegenden Kontaktanschlüssen (112A, 112B) des Spin-Bahn-Drehmoment-Elements (110) gekoppelt ist, wobei die Schaltvorrichtung (91) ausgestaltet ist, um das zeitvariante Eingangssignal (I1) mit wechselnder Polung zwischen dem zentralen Kontaktanschluss (111) und den beiden sich gegenüberliegenden Kontaktanschlüssen (112A, 112B) zu schalten, sodass sich, von dem zentralen Kontaktanschluss (111) ausgehend, in dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) eine zwischen dem zentralen Kontaktanschluss (111) und dem ersten Kontaktanschluss (112A) gerichtete erste Signalführungsrichtung (J1A) einstellt, und sodass sich in dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) eine zwischen dem zentralen Kontaktanschluss (111) und dem zweiten Kontaktanschluss (112B) gerichtete zweite Signalführungsrichtung (J1B) einstellt, wobei die erste Signalführungsrichtung (J1A) entgegengesetzt zu der zweiten Signalführungsrichtung (J1B) verläuft.
  9. Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) parallel neben dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B), oder entlang in einer Reihe mit dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B), angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (30) ausgestaltet ist, um den zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) mit dem zeitvarianten Eingangssignal (I1) mit zeitlich variierender Polung zu beaufschlagen, wobei das zeitvariante Eingangssignal (I1) an dem zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) entgegengesetzt zu dem zeitvarianten Eingangssignal (I1) an dem Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) eingespeist wird, sodass die Signalführungsrichtungen (J1A, J1B) des zeitvarianten Eingangssignals (I1) in den jeweiligen Spin-Bahn-Drehmoment-Leitern (11 bzw. 11A, 11B) jeweils entgegengesetzt zueinander gerichtet sind.
  10. Vorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei der Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) und der zweite Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) in einer ringförmigen Topologie miteinander hartverdrahtet sind, sodass ein erster Abschnitt (101) des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) sowie ein erster Abschnitt (201) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) auf einem ersten gemeinsamen Potential liegen, und sodass ein zweiter Abschnitt (102) des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) sowie ein zweiter Abschnitt (202) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) auf einem zweiten gemeinsamen Potential liegen, wobei die Vorrichtung (100) mindestens eine Signalquelle (94) aufweist, die ausgestaltet ist, um den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A) und den zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) mit einem gemeinsamen Eingangssignal (I1) zu speisen, und wobei die Signalquelle (94) ausgestaltet ist, um das gemeinsame Eingangssignal (I1) zeitvariant zu invertieren, wobei ein erster Anschluss (94A) der Signalquelle (94) mit den jeweils ersten hartverdrahteten Abschnitten (101, 201) der beiden Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11A, 11B) verbunden ist, und wobei ein zweiter Anschluss (94B) der Signalquelle (94) mit den jeweils zweiten hartverdrahteten Abschnitten (102, 202) der beiden Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11A, 11B) verbunden ist, sodass die Signalführungsrichtung (J1A) im Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11A) entgegengesetzt zur Signalführungsrichtung (J1B) im zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11B) ist.
  11. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, wobei die 1 bis n Schichtstapel (10 bzw. A1, ..., An) des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) der Zähligkeit nach von 1 bis n in einer ersten Richtung entlang des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) angeordnet sind, und wobei die 1 bis n Schichtstapel (B1, ..., Bn) des entgegengesetzt gepolten zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) der Zähligkeit nach von 1 bis n in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung entlang des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) angeordnet sind, und wobei jeweils einer der 1 bis n Schichtstapel (10 bzw. A1, ..., An) des ersten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) jeweils mit einem Schichtstapel (B1, ... , Bn) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) mit jeweils gleicher Zähligkeit elektrisch kreuzgekoppelt ist.
  12. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei die Steuereinheit (30) ausgestaltet ist, um zur Ermittlung des externen Magnetfelds (Hext) eine differentielle Messung von Ausgangssignalen mehrerer Schichtstapel (A1 ... An, B1 ... Bn) auszuführen, indem zumindest an einem (A1) der 1 bis n Schichtstapel (A1 ... An) des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) ein Auslesestrom (I2A1) angelegt wird, der ein den Leitwert dieses Schichtstapels (A1) repräsentierendes erstes Ausgangssignal erzeugt, und zumindest an einem (B1) der 1 bis n Schichtstapel (B1 ... Bn) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) ein Auslesestrom (I2B1) angelegt wird, der ein den Leitwert dieses Schichtstapels (B1) repräsentierendes zweites Ausgangssignal erzeugt, wobei der zumindest eine Schichtstapel (A1) des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) mit dem zumindest einen Schichtstapel (B1) des zweiten Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11B) kreuzgekoppelt ist, und wobei die Steuereinheit (30) ferner ausgestaltet ist, um zumindest das erste Ausgangssignal und das zweite Ausgangssignal miteinander zu kombinieren, um hierüber ein Gesamt-Ausgangssignal (U3) zu bestimmen und darüber das externe Magnetfeld (Hext) zu ermitteln.
  13. Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei der Auslesestrom (I2) an einer ersten Teilmenge (Ak, Ak+2, Ak+4, usw.) von Schichtstapeln der jeweils 1 bis n Schichtstapel des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) eingespeist wird, und wobei der Auslesestrom an einer zweiten Teilmenge (Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw.) von Schichtstapeln der jeweils 1 bis n Schichtstapel des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) extrahiert wird.
  14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei in einer ersten Betriebsphase der Auslesestrom (12) an der ersten Teilmenge (Ak, Ak+2, Ak+4, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) eingespeist und an der zweiten Teilmenge (Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) ausgekoppelt wird, und wobei in einer zweiten Betriebsphase der Auslesestrom (I2) an der zweiten Teilmenge (Ak+1, Ak+3, Ak+5, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) eingespeist und an der ersten Teilmenge (Ak, Ak+2, Ak+4, usw.) von Schichtstapeln des Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A) ausgekoppelt wird.
  15. Verfahren zum Detektieren eines externen Magnetfelds (Hext), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen von mindestens einem Schichtstapel (10) mit einer ferromagnetischen Schicht (1) und mit mindestens einer magnetischen Referenzschicht (5, 7, 9) und mit einer dazwischen angeordneten Schicht (3), die einen magnetischen Tunnelwiderstand aufweist, wobei die mindestens eine magnetische Referenzschicht (5, 7, 9) eine festgelegte erste Magnetisierungsrichtung (14) aufweist, und wobei die ferromagnetische Schicht (1) eine veränderbare zweite Magnetisierungsrichtung (15) aufweist, wobei die zweite Magnetisierungsrichtung (15) basierend auf dem Spin-Bahn-Drehmoment-Effekt relativ zu der ersten Magnetisierungsrichtung (14) veränderbar ist, und Bereitstellen eines Spin-Bahn-Drehmoment-Leiters (11 bzw. 11A), der auf einer der ferromagnetischen Schicht (1) benachbarten ersten Seite (21) des Schichtstapels (10) angeordnet ist, und Einspeisen eines zeitvarianten Eingangssignals (I1) mit zeitlich variierender Polung in den Spin-Bahn-Drehmoment-Leiter (11 bzw. 11A), und Ermitteln eines von dem zeitvarianten Eingangssignal (I1) abhängigen Leitwerts des Tunnelwiderstands und Detektieren eines extern auf die Vorrichtung (100) wirkenden Magnetfelds (Hext) basierend auf dem Leitwert.
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