-
Die
Erfindung betrifft ein magnetoresistives Halbleiterbauelement (im
Folgenden auch ”Halbleiterelement” genannt),
ein Speicherelement und einen magnetischen Sensor, wie er insbesondere
in Leseköpfen
zum Auslesen von in magnetischen Speichermedien gespeicherten Informationen
verwendet wird.
-
Die
Magnetoelektronik und der spinpolarisierte Transport von Ladungsträgern haben
im letzten Jahrzehnt eine rasante Entwicklung erfahren. Diese Entwicklung
wurde vor allem durch die Entdeckung des sogenannten Giant Magnetowiderstands (GMR)
und des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) ausgelöst. Diese beiden Effekte ermöglichten
es erstmals, ein Magnetfeld, bzw. eine Magnetisierungsinformation
direkt in eine Widerstandsänderung
umzusetzen. Beide Effekte basieren auf dem Transport spinpolarisierter
Elektronen zwischen zwei ferromagnetischen Kontakten, wobei die
relative Magnetisierung der beiden Kontakte ausschlaggebend für den Widerstand
des Gesamtbauelements ist. Der GMR wird hierbei in rein metallischen
Strukturen und der TMR in Strukturen mit einer oxidischen Tunnelbarriere
zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten genutzt. Zur Zeit
werden TMR-Strukturen für
elektronisch auslesbare Magnetspeicher MRAM verwendet, während der
GMR kommerziell vor allem in der Magnetfeldsensorik und in Festplattenleseköpfen genutzt wird.
-
Beim
GMR wird in einem rein metallischen Bauelement mit zwei ferromagnetischen
Kontakten, zwischen denen eine Schicht eines nichtmagnetischen metallischen
Leiters angeordnet ist, die Widerstandsänderung zwischen paralleler
und antiparalleler Magnetisierung gemessen. Bei Anlegen eines externen
Felds und damit paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen in be nachbarten
ferromagnetischen Schichten sinkt der Widerstand des Bauelements.
Die Impedanz eines solchen Elements ist aufgrund der metallischen
Leitfähigkeit
schwer an Halbleiterschaltungen anzupassen, was die Integration von
GMR-Strukturen in
solche Schaltungen erschwert.
-
1999
gelang R. Fiederling, M. Keim, G. Reuscher, W. Ossau, G. Schmidt,
A. Waag und L. W. Molenkamp (Nature 402, 787–790 (1999)) der Nachweis der
Injektion spinpolarisierter Elektronen in einen nichtmagnetischen
Halbleiter durch Messung der zirkularen Polarisation des von einer
Licht emittierenden Diode erzeugten Lichts. Die Polarisierung der Elektronenspins
wurde erreicht, indem die Elektronen über einen Be0,07Mn0,03Zn0,9Se-Halbleiterkontakt in
einen GaAs-Halbleiter injiziert wurden. Durch Rekombination mit
unpolarisierten Löchern,
welche von der gegenüberliegenden
Seite der Schicht des GaAs-Halbleiters injiziert wurden, wurde zirkular
polarisiertes Licht erzeugt.
-
Im
einzelnen ist ein Bipolartransistor mit einer ferromagnetischen
Schicht auf einem n-leitenden Emitter aus der
US 5 962 905 A bekannt. Weiterhin beschreibt
die
EP 0 605 332 A2 einen
Magnetfeldsensor, bei dem ein magnetoresistives Element zur Messung
eines Magnetfeldes herangezogen wird. Aus der
EP 0 759 619 A2 ist ein
magnetoresistives Element bekannt, bei dem durch Laserbestrahlung
Elektronen mit Spinpolarisation angeregt werden. Weiterhin beschäftigt sich
die Veröffentlichung Oestreich
M. [u. a.], ”Spin
injection into semiconductors”,
1999, Applied Physics Letters, Vol. 74, No. 9, S. 1251 bis 1253,
mit magnetoresistiven Elementen, bei denen spinpolarisierte Elektronen
in Halbleiterstrukturen injiziert werden. Schließlich wird noch aus
WO 98/25263 A1 allgemeine
magnetoresistive Bauelemente mit lateralem Aufbau bekannt.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein magnetoresistives Halbleiterelement zur
Verfügung
zu stellen, welches den Nachweis auch sehr schwacher Magnetfelder
ermöglicht,
eine deutliche Änderung
des Widerstands unter Einwirkung eines äußeren Magnetfelds zeigt (Steigerung
von ΔR/R)
und eine hohe Sensitivität
S aufweist (S = ΔR/R/ΔH).
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die nebengeordneten Ansprüche
1, 14 und 15.
-
Weitere
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die
Aufgabe wird insbesondere gelöst
durch ein magnetoresistives Halbleiterbauelement, umfassend einen
ersten Kontakt, bestehend aus einem semimagnetischen Material, einen
zweiten Kontakt, eine zwischen dem ersten und dem zweiten Kontakt angeordnete
Schicht eines nicht-magnetischen Halbleiters und eine zwischen dem
ersten Kontakt und der Schicht des nicht-magnetischen Halbleiters angeordnete
Tunnelbarriere.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement
erfolgt der Ladungstransport vom ersten Kontakt zum zweiten Kontakt
entweder nur durch Elektronen oder nur durch Löcher. Die Ladungsträger treten also
durch den ersten semimagnetischen Kontakt in den nichtmagnetischen
Halbleiter ein und werden am zweiten Kontakt wieder aus dem nichtmagnetischen Halbleiter
extrahiert. Das erfindungsgemäße Halbleiterelement
unterscheidet sich also von der oben beschrieben LED bereits dadurch,
dass bei dieser von einem ersten Kontakt spinpolarisierte Elektronen
in den nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden, diese im nichtmagnetischen
Halbleiter aber mit unpolarisierten Löchern, die vom zweiten Kontakt
in den nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden unter Emission
von Licht rekombinieren. Der Ladungstransport in der Diode erfolgt
also sowohl durch Elektronen wie auch durch Löcher. Im Gegensatz zu der oben
beschriebenen Diode findet beim erfindungsgemäßen Halbleiterelement der Ladungstransport
im Halbleiter nur durch Elektronen oder nur durch Löcher statt.
Die beiden Halbleiterelemente basieren also auf einem unterschiedlichen
Ladungstransport. Ferner besitzt das Halbleiterelement bevorzugt
eine annähernd
lineare I/V-Kennlinie.
-
Das
erfindungsgemäße Bauelement
wird zur Widerstandsmessung von einem Strom durchflossen. Es kann
mit weiteren Halbleiterelementen kombiniert werden, wobei in diesem
Fall der Strom, solange er den Halbleiter nicht verlässt, von
nur einer Ladungsträgersorte
getragen wird. Diese Ladungsträger
sind bevorzugt Elektronen. Andere Ströme, die im Falle einer Integration
im Halbleiter fliessen, jedoch nicht der Widerstandsmessung dienen,
können auch
von der jeweils anderen Ladungsträgersorte getragen werden und
in ihrem Strompfad p-n-Übergänge enthalten.
Als Halbleiter ist dabei die Strecke des Pfades eines zur Widerstandsmessung
verwendeten Stroms von einem ersten metallischen oder metallartigen
Kontakt, an dem der Strom in den Halbleiter eintritt, bis zu einem
weiteren metallischen oder metallartigen Kontakt ausgeführt, an
dem der Strom den Halbleiter wieder verlässt. Als metallartige Kontakte
werden Kontakte betrachtet, die vergleichbare Leitungseigenschaften
aufweisen wie metallische Kontakte. Derartige Kontakte bestehem
Beispiel aus Siliziden oder Polysilizium mit einer geeignet hohen Dotierung.
In der beschriebenen Ausführungsform
ist das magnetoresistive Halbleiterelement also in die vom Halbleiter
gebildete Strecke integriert.
-
Eine
p-n-Diode hat eine stark nicht-lineare Strom-Spannungscharakteristik. Eine kleine
Spannungsänderung
kann daher den differentiellen Widerstand ΔV/ΔI stark verändern. Aus diesem Grund wird
eine p-n-Diode in einem Stromkreis, der zur Messung eines Widerstandes
dient, vorzugsweise vermieden.
-
Bei
der von Fiederling et al. beschriebenen Diode wäre ein magnetoresistiver Effekt,
wie er für das
erfindungsgemäße Halbleiterelement
beobachtet wird, auch nicht zu erwarten, da der Widerstand einer
derartigen LED sehr hoch ist und durch ein äußeres Magnetfeld praktisch
keine Veränderung
des Widerstandes eintritt.
-
Im
Gegensatz zum GMR-Effekt erhöht
sich der Widerstand des Halbleiterelements unter Einwirkung eines
externen Magnetfelds. Es wird also ein positiver Magnetowiderstand
gemessen, der bei vollständiger
Polarisation der Leitungselektronen bis zu 100% betragen kann. Gemessen
wird hierbei die Veränderung
des Widerstands zwischen der Magnetisierung 0, d. h. ohne Einwirkung
eines äußeren Magnetfelds,
und gleichsinniger Magnetisierung der Spins des Kontakts aus dem
semimagnetischen Material unter Einwirkung eines äußeren Felds.
-
Als
Halbleiterelement ist die Integration des erfindungsgemäßen Halbleiterelements
in mikroelektronische integrierte Schaltanordnungen problemlos möglich. Ferner
können
die erfindungsgemäßen Halbleiterelemente
auch problemlos mit anderen elektronischen Elementen kombiniert
werden, so dass neuartige Speicherelemente, wie MRAMS, oder Sensoren
für Magnetfelder
hergestellt werden können.
Da ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes
die Leitungselektronen unpolarisiert sind und keine Winkelabhängigkeit
der Polarisierung der Leitungselektronen im äußeren Magnetfeld auftritt,
ist der Ausgangszustand immer wohl definiert. Es ist ferner keine
Kopplung der Magnetisierungen von erstem und zweiten Kontakt erforderlich
wie in GMR-Strukturen, weshalb die erfindungsgemäßen Halbleiterelemente für eine wesentlich
breitere Anwendung zur Verfügung
stehen, indem der zweite Kontakt entsprechend modifiziert wird.
-
Wesentlich
für ein
magnetoresistives Halbleiterelement ist das Verhältnis der Änderung des Widerstands bei
Einwirkung eines äußeren Felds
zum Gesamtwiderstand des Elements ΔR/R. Für das erfindungsgemäße Halbleiterelement
gilt, dass der Gesamtwiderstand des Bauelements nicht wesentlich größer sein
darf als die Widerstandsänderung.
-
Unter
einem semimagnetischen Material wird ein Material verstanden, welches
einen starken Paramagnetismus aufweist. Während in ferromagnetischen
Materialien die Spins gekoppelt sind, also die Leitungselektronen
im Allgemeinen bereits ohne Einwirkung eines äußeren Felds eine Polarisierung
aufweisen, weist ein semimagnetisches Material ohne Einwirkung eines
externen Magnetfelds unpolarisierte Leitungselektronen auf. Die
Spins der Elektronen besitzen also keine Vorzugsausrichtung. Beim
Anlegen eines externen Magnetfelds werden die Leitungselektronen
des Materials spinpolarisiert. Die Spinpolarisation kann z. B. durch
eine große
Zeeman-Aufspaltung der elektronischen Niveaus hervorgerufen werden.
Durch die starke Aufspaltung besetzen die injizierten Elektronen
(bzw. La dungsträger) das
energetisch günstigere
untere Zeeman-Niveau. Diese spinpolarisierten Elektronen können anschließend in
den nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden.
-
Als
semimagnetische Materialien können Materialien
mit einem großen
g-Faktor eingesetzt werden. Der g-Faktor beschreibt den wirksamen
Landéfaktor
eines Elektrons. Ein großer
g-Faktor führt zu einer
hohen Zeeman-Aufspaltung der Zustände. Um eine deutliche Änderung
des Widerstandes des elektrischen Bauelements beobachten zu können, sollte der
g-Faktor vorzugsweise größer als
50 sein, insbesondere bevorzugt größer als 200. Geeignet sind
z. B. verdünnt
magnetische II/VI-Halbleiter.
Besonders geeignet sind Halbleiter auf Basis von ZnMnSe. Die Spins
des Mangans in undotierten oder n-dotierten ZnMnSe-(II/VI-Halbleitern)
sind normalerweise antiferromagnetisch gekoppelt. Bei sehr niedrigen Mn-Konzentrationen
und bei niedrigen Temperaturen führt
die sp-d-Austauschwechselwirkung zu einem sehr großen g-Faktor
von bis zu 100, was zu einer sehr großen Zeeman-Aufspaltung der
Zustände
für die
Leitungselektronen führt.
Die magnetischen Mn-Ionen lassen sich isoelektronisch in den Halbleiter
einbauen, so dass sich die Leitfähigkeit
sowie die Art der Ladungsträger
(Elektronen oder Löcher) durch
den Einbau von weiteren Dotierungen steuern lässt. Für eine n-Dotierung eignet sich
beispielsweise eine Dotierung mit Jod oder Chlor.
-
Weiter
lassen sich auch III/V-Halbleiter verwenden, wie z. B. GaMnAs in
nicht ferromagnetischer Phase oder InSb. Die Dotierung des Halbleiters kann
hierbei geeignet durch Be, Si, C, Zn, Te oder S erfolgen. Ferner
lassen sich auch schmalbandige Halbleiter wie HgCdTe verwenden.
Hier kann, sofern erforderlich, eine Dotierung mit Iod oder Chlor
erfolgen. Die angegebenen Dotierungen sind nur als Beispiele aufzufassen.
Dem Fachmann sind aus der Halbleitertechnologie vielfältige Do tierstoffe
bekannt, durch die jeweils eine n- bzw. p-Dotierung erreicht werden kann.
-
Für die Schicht
des nichtmagnetischen Halbleiters können prinzipiell alle nichtmagnetischen Halbleiter
verwendet werden, z. B. Gruppe IV, III/V und II/VI-Halbleiter. Besonders
geeignet ist Silizium sowie Si/SiGe zweidimensionale Elektronengase,
da diese eine geringe Spinstreuung aufweisen und nur geringe Schwierigkeiten
bei der Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements auftreten. Als
Dotierungen lassen sich beispielsweise Si, P, As, Sb, B verwenden.
Auch diese Dotierungen sind nur als Beispiele aufzufassen. Es können an
sich alle für die
Dotierung von Halbleitern bekannten Stoffe verwendet werden.
-
Die Änderung
des Widerstandes des Halbleiterelementes in einem äußeren Magnetfeld
lässt sich insbesondere
beobachten, wenn der erste Kontakt und der nichtmagnetische Halbleiter
eine vergleichbare elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die spezifischen
Widerstände ρ des semimagnetischen
Materials und des nichtmagnetischen Halbleiters liegen bevorzugt
in einem Bereich von 10–3–100 Ωcm, vorzugsweise 0,01–10 Ωcm, insbesondere
bevorzugt 0,1–1 Ωcm. Das
Verhältnis
der spezifischen Widerstände
von semimagnetischem Kontakt und nichtmagnetischem Halbleiter ρsemimagn./ρnichtmagn. liegt
bevorzugt in einem Bereich von 1000–0,01, vorzugsweise 100–0,1. Bevorzugt
weist der semimagnetische Kontakt die gleiche oder eine geringere
Leitfähigkeit
auf als der nichtmagnetischen Halbleiter. Die Leitfähigkeit
von erstem Kontakt und nichtmagnetischem Halbleiter lässt sich
durch eine entsprechende Dotierung aufeinander abstimmen. Das Verhältnis der spezifischen
Widerstände
des semimagnetischen Materials des ersten Kontakts und des nichtmagnetischen
Halbleiters spielt im Wesentlichen dann eine Rolle, wenn im semimagnetischen
ersten Kontakt keine ideale Spinpolarisierung (~100%) erreicht werden kann.
Bei idealer Spinpolarisierung werden nur spinpolarisierte Ladungsträger in den
nichtmagnetischen Halbleiter injiziert. Die Leitfähigkeit
des nichtmagnetischen Halbleiters ist dann von untergeordneter Bedeutung.
-
Die
beobachtete Änderung
des Widerstands lässt
sich anschaulich mit dem zwei-Spinkanalmodell veranschaulichen.
Für den
Ladungstransport im nichtmagnetischen Halbleiter stehen zwei Kanäle zur Verfügung, wobei
in einem Kanal Ladungsträger
mit paralleler Ausrichtung des Spins zum äußeren Feld und im anderen Kanal
Ladungsträger
mit antiparalleler Ausrichtung des Spins zum äußeren Feld transportiert werden.
Der Transport der Landungsträger erfolgt
in beiden Kanälen
in gleichen Anteilen. Ein äußeres Magnetfeld
hat daher keinen Einfluss auf den Widerstand des nichtmagnetischen
Halbleiters. Erfolgt nun die Injektion in den nichtmagnetischen
Halbleiter über
einen semimagnetischen Kontakt, erfolgt ohne Einwirkung eines äußeren Felds
der Ladungstransport durch den nichtmagnetischen Halbleiter ebenfalls
in beiden Spinkanälen
zu gleichen Teilen. Wird das Halbleiterelement in ein äußeres Magnetfeld
gebracht, erfolgt in Abhängigkeit
von der Stärke des
Magnetfeldes eine Aufspaltung der Zeeman-Terme. Die Leitungselektronen
besetzen dann bevorzugt die energetisch günstigeren Niveaus mit einer parallelen
Ausrichtung des Spins zum äußeren Magnetfeld.
Ist die energetische Aufspaltung groß genug, sind die Leitungselektronen
alle parallel zueinander und zum äußeren Feld ausgerichtet. Beim Übergang vom
semimagnetischen Kontakt in den nichtmagnetischen Halbleiter bleibt
die Ausrichtung der Elektronenspins erhalten. Dies bewirkt eine
Unterdrückung eines
Spinkanals der Leitfähigkeit
im nichtmagnetischen Halbleiter. Während ohne Spin-Injektion der Strom
im nichtmagnetischen Halbleiter von beiden Spinorientierungen (parallel
bzw. antiparallel bzw. Spin auf und Spin ab) zu gleichen Teilen
getragen wird, müssen
nun Elektronen einer Spinausrichtung den gesamten Strom tragen.
Da deren Anzahl aber nicht nennenswert zunimmt, steigt der Widerstand. Man
erhält
einen positiven Magnetowiderstand. Im Idealzustand bei vollständiger Spinpolarisierung
der Leitungselektronen kann ein Anstieg des Widerstandes im nichtmagnetischen
Halbleiter um 100% erreicht werden.
-
Die
beobachtete Änderung
des Widerstandes beruht auf einem Mechanismus, der sich grundlegend
vom Mechanismus der Änderung
des Widerstandes in GMR- und TMR-Strukturen unterscheidet. Während beim
GMR- und TMR-Effekt die Änderung des
Widerstandes durch die Spinpolarisierung des zweiten ferromagnetischen
Kontakts bestimmt wird, wird bei dem erfindungsgemäßen Bauelement
die Änderung
des Widerstands durch eine Verminderung der Besetzung eines Spinkanals
im nichtmagnetischen Halbleiter bewirkt. Es versteht sich jedoch, dass
der oben erläuterte
Ladungstransport nur eine Modellvorstellung zur Erklärung der
beobachteten Widerstandsänderung
wiedergibt und auch andere Modelle zur Erklärung herangezogen werden können. Das
Modell ist daher nicht als beschränkend für die Erfindung anzusehen.
Letztendlich beruhen die beobachteten Widerstandsänderungen
auf Quanteneffekten, die durch anschauliche Modelle nur sehr beschränkt zu beschreiben
sind.
-
Prinzipiell
lässt sich
das erfindungsgemäße Halbleiterelement
auch für
den Transport von Löchern
anwenden. Durch die starken Wechselwirkungen erfolgt in diesem Fall
jedoch eine rasche Depolarisierung der Spins, so dass die beobachteten
Effekte nicht so ausgeprägt
sind wie beim Ladungstransport durch Elektronen.
-
Ist
die Widerstandsänderung
des erfindungsgemäßen Halbleiterelements
zumindest in der Größenordnung
des Gesamtwiderstands des Bauelementes, so kann das magnetoresistive
Halbleiterelement GMR- oder TMR-Strukturen in bestimmten Anwendungen
ersetzen. Während
für GMR
und TMR jeweils zwei ferro magnetische Kontakte notwendig sind, ist
bei dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Halbleiterelement lediglich ein Kontakt aus einem semimagnetischen
Material erforderlich, dessen Spins ohne Einwirkung eines äußeren Magnetfelds nicht
polarisiert sind. Das Material des zweiten Kontakts unterliegt zunächst keinen
besonderen Beschränkungen.
Es ist lediglich erforderlich, dass die Ladungsträger über den
zweiten Kontakt wieder aus dem nicht magnetischen Halbleiter abfließen können.
-
Der
Grad der Spinpolarisierung wird nicht nur von der Größe des äußeren Magnetfeldes
bestimmt, sondern erhöht
sich auch mit zunehmender Ausdehnung des Kontakts aus dem semimagnetischen
Material in Richtung des Ladungsflusses. Die Spinpolarisierung der
Elektronen, also deren Übergang
in das untere Zeeman-Niveau, erfolgt durch Spinstreuung. Um eine
effiziente Spinpolarisation zu erreichen, sollte die Dicke der Schicht
des semimagnetischen Materials daher ein Vielfaches der Spinstreulänge betragen.
Die Spinstreulänge
ist abhängig
vom verwendeten Material. Mn-haltige Halbleiter weisen eine starke Spinstreuung
auf, die eine Spinfliplänge
von wenigen Nanometern erzeugt. Bei Halbleitern wie InSb, die eine
geringere Spinstreuung aufweisen, ist die Spinfliplänge deutlich
größer, weshalb
auch deutlich größere Schichtdicken
erforderlich sind. Bei Schichtdicken des semimagnetischen Kontaktes
im Bereich von 3 nm lässt
sich im Allgemeinen annähernd
keine Spinpolarisierung und damit nahezu keine Änderung des Widerstandes des
erfindungsgemäßen Halbleiterelements
im äußeren Magnetfeld
beobachten. Geeignete Schichtdicken des ersten Kontakts liegen in Abhängigkeit
vom verwendeten Material bevorzugt im Bereich von 10 bis 1000 nm,
vorzugsweise 50 bis 300 nm.
-
Der
Aufbau des erfindungsgemäßen magnetoresistiven
Halbleiterelements lässt
sich in weiten Grenzen variieren, was dem Weg zu einer Vielzahl von
Anwendungen öffnet.
-
Zwischen
dem ersten Kontakt aus dem semimagnetischen Material und der Schicht
des nichtmagnetischen Halbleiters ist eine Tunnelbarriere angeordnet.
Die Schichtdicke der Tunnelbarriere liegt im Allgemeinen in einem
Bereich von 3 bis 7 nm. Die Tunnelbarrieren können entweder aus Halbleitern bestehen,
wie AlAs oder GaAs, oder oxidisch sein, wie z. B. Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid. Geeignet sind z. B. auch
Schichten aus Siliziumnitrid. Es können hier die üblichen
Materialien verwendet werden, wie sie zum Beispiel für Halbleitertunnelbarrieren
aus resonanten Tunneldioden bekannt sind. Durch die Tunnelbarriere
lässt sich
die Effizienz der Spininjektion in den nichtmagnetischen Halbleiter
erhöhen.
Bei gleicher Spinpolarisierung im semimagnetischen Kontakt lässt sich
bei Verwendung einer Tunnelbarriere die Spinpolarisation im nichtmagnetischen
Halbleiter erhöhen.
-
Wie
bereits weiter oben erläutert,
ist es für eine Änderung
des Widerstandes bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes bereits
ausreichend, dass der erste Kontakt aus einem semimagnetischen Material
besteht. Über
den zweiten Kontakt erfolgt notwendigerweise lediglich die Extraktion
der Ladungsträger
aus dem nichtmagnetischen Halbleiter. Der zweite Kontakt unterliegt
daher an sich keinen besonderen Beschränkungen. Durch eine geeignete
Wahl des Materials für
den zweiten Kontakt lassen sich jedoch Bauelemente für spezielle
Anwendungen entwickeln oder es lässt
sich die beobachtete Änderung des
Widerstands im externen Magnetfeld modifizieren.
-
Nach
einer Ausführungsform
besteht der zweite Kontakt aus einem nicht-magnetischen Material.
Es können
alle nicht-magneti sche
Halbleiter sowie die auch Metalle verwendet werden. Beispiele für geeignete
Metalle sind Al, Cr, Ti, Pt, Ni, Au/Ge-Legierungen. Bevorzugt sind die Kontakte
aus Materialien mit linearer I/V-Kennlinie, welche einen niedrigen Kontaktwiderstand
erzeugen. Die Änderung
des Widerstands im externen Magnetfeld wird dann nur durch die Polarisierung
der in den Halbleiter injizierten Ladungsträger, insbesondere Elektronen,
bewirkt.
-
Bevorzugt
besteht der zweite Kontakt jedoch ebenfalls aus einem semimagnetischen
Material. Der zweite Kontakt kann dabei aus den gleichen Materialien
aufgebaut sein wie der erste Kontakt, es können jedoch auch unterschiedliche
semimagnetische Materialien verwendet werden. Der Ladungstransport
im erfindungsgemäßen Halbleiterelement
findet wegen der geringen Abmessungen des Halbleiterelements im
diffusiven Bereich statt. Die Spinpolarisation ist daher nicht von
der Stromrichtung abhängig.
Die Elektronen bewegen sich im Mittel zwar in eine bestimmte Richtung,
dieser Bewegung ist aber eine statistische Bewegung überlagert.
Die Elektronen bewegen sich also in allen möglichen Richtungen und werden
dabei gestreut. Wird daher als zweiter Kontakt ebenfalls ein semimagnetischer
Kontakt verwendet, ist dies gleichbedeutend mit zwei hintereinander
geschalteten Elementen welche aufgebaut sind aus einem ersten Kontakt
aus einem semimagnetischen Material, einem nichtmagnetischen Halbleiter
und einem zweiten Kontakt aus einem nichtmagnetischen Material,
also der oben beschriebenen Ausführungsform
entsprechen. In diesem Fall würde
sich der Gesamtwiderstand R zusammensetzen aus 2 × R (semimagnetischer
Kontakt) + 2 × R
(nichtmagnetischer Halbleiter) + 2 × R (nichtmagnetischer Kontakt).
Bei einer Ausführung
des zweiten Kontakts als semimagnetischer Kontakt erniedrigt sich
der Gesamtwiderstand R auf 2 × R
(semimagnetischer Kontakt) + 2 × R
(nichtmagnetischer Halbleiter), während die erreichbare Änderung
des Widerstandes ΔR
im äußeren Magnetfeld
gleich bleibt. Dadurch vergrößert sich ΔR/R, d. h.
die Empfindlichkeit des Halbleiterelements steigt.
-
Nach
einer bevorzugten Ausführungsform kann
zwischen dem nichtmagnetischen Halbleiter und dem zweiten semimagnetischen
Kontakt ebenfalls eine Tunnelbarriere angeordnet sein. Die Tunnelbarriere
kann dabei aus den gleichen Materialien hergestellt sein, wie oben
beschrieben.
-
Nach
einer speziellen Ausführungsform
des magnetoresistiven Halbleiterelements besteht der zweite Kontakt
aus einem ferromagnetischen Material. Man erhält in diesem Fall ebenfalls
ein Halbleiterelement mit einem positiven Magnetowiderstand. Die Kennlinie
ist jedoch bis zum Erreichen der Koerzitivfeldstärke des Ferromagneten asymmetrisch.
Der ferromagnetische Kontakt injiziert ebenfalls spinpolarisierte
Elektronen. Diese weisen jedoch bis zum Überschreiten des Koerzitivfeldes
immer nur eine Vorzugsrichtung auf, die unabhängig von der Ausrichtung des äußeren Magnetfeldes
ist. Weisen erster und zweiter Kontakt einen Abstand auf, der geringer
ist als die Spinfliplänge,
so beeinflusst der ferromagnetische Kontakt die Spininjektion aus
dem semimagnetischen Kontakt. Hiermit lässt sich ein polaritätssensitiver
Magnetfeldsensor herstellen, indem beispielsweise zwei Halbleiterelemente
zusammengeschaltet werden, deren Polarisierung des ferromagnetischen
Kontakts um 180° gegeneinander
gedreht ist. Es sind viele Anwendungen denkbar, bei denen nicht
nur die Größe, sondern
auch die Richtung eines Magnetfeldes gemessen werden soll. Eine
mögliche
Anwendung eines derartigen Halbleiterelements ist beispielsweise
in einem Sensor, mit dem der Einschlagwinkel der Steuerung eines
Kraftfahrzeuges gemessen werden soll.
-
Auch
bei einer Ausführung
des zweiten Kontakts aus einem ferromagnetischen Material können zwischen
erstem Kontakt und nichtmagnetischem Halbleiter bzw. nichtmagnetischem
Halblei ter und ferromagnetischem zweitem Kontakt jeweils Tunnelbarrieren
angeordnet sein.
-
Das
erfindungsgemäße magnetoresistive Halbleiterelement
lässt sich
für eine
Vielzahl von Anwendungen einsetzen. Beispielsweise ist eine Anwendung
zur Informationsspeicherung oder für logische Schaltungen möglich. Ebenso
kann das erfindungsgemäße Halbleiterelement
z. B. in Sensoren eingesetzt werden.
-
Gegenstand
der Erfindung ist daher auch ein Speicherelement, welches das oben
beschriebene magnetoresistives Halbleiterelement umfaßt, sowie ein
benachbart zu diesem Element angeordnetes ferromagnetisches Element.
Die Anordnung ist dabei so gewählt,
dass sich der semimagnetische Kontakt im Streufeld des ferromagnetischen
Elements befindet. Bei Drehung der Magnetisierung des ferromagnetischen
Elements um 90° erniedrigt
sich der Widerstand des magnetoresistiven Halbleiterelements, da sich
der semimagnetische Kontakt dann nicht mehr im Streufeld des ferromagnetischen
Elements befindet. Die beiden Zustände mit hohem bzw. niedrigem Widerstand
lassen sich dann beispielsweise den Zuständen 0 und 1 zuordnen. Im Gegensatz
zu den bekannten MRAMs muss die Magnetisierung nur gedreht werden,
was einfacher zu erreichen ist als ein Umklappen der Magnetisierung
um 180°.
Der elektrische Teil ist nur aus Halbleitermaterialien aufgebaut und
lässt sich
daher einfach in mikroelektronische Schaltkreise integrieren. Bei
einer Anordnung in einer Matrix lässt sich das Element z. B.
durch Schottky-Dioden von anderen Elementen entkoppeln.
-
Das
erfindungsgemäße magnetoresistive Halbleiterelement
lässt sich
auch als Feldeffekttransistor ausgestalten. Der Feldeffekttransistor
umfaßt eine
Source-Elektrode, eine Drain-Elektrode,
sowie eine Gate-Elektrode, wobei zumindest ein erster Kontakt aus
einem semimagnetischen Material vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte
Ladungsträger
in die Source- Elektrode
und/oder die Drain-Elektrode injiziert bzw. extrahiert werden. Es
steht damit bei gleicher Baugröße ein Bauelement
erhöhter Komplexität zur Verfügung. So
lässt sich
zum Beispiel das oben beschriebene Speicherelement direkt in einen
Feldeffekttransistor integrieren. Der Ladungstransport von Source
nach Drain erfolgt dabei nur durch eine Sorte von Ladungsträgern. Unter
dem Einfluss des von der Gateelektrode erzeugten Felds entsteht
im Halbleiter zwischen Source und Drain ein Leitungskanal, in dem
der Ladungstransport durch Elektronen erfolgt.
-
Das
erfindungsgemäße Halbleiterelement kann
auch in einen bipolaren Transistor integriert werden. Der bipolare
Transistor umfasst einen als Emitter wirkenden Abschnitt, einen
als Kollektor wirkenden Abschnitt und einen zwischen diesen angeordneten,
als Basis wirkenden Abschnitt, wobei zumindest ein erster Kontakt
vorgesehen ist, durch den spinpolarisierte Ladungsträger in den
Emitter und/oder aus dem Kollektor injiziert bzw. extrahiert werden.
-
Bevorzugt
ist der bipolare Transistor als npn-Transistor ausgestaltet. Die
Spinpolarisierung der Ladungsträger,
vorzugsweise Elektronen, erfolgt im ersten Kontakt, der bevorzugt
aus einem semimagnetischen Material aufgebaut ist. Der für die Beobachtung
des magnetoresistiven Effekts verwendete Strom vom Emitter zum Kollektor
wird nur durch eine Ladungsträgersorte,
vorzugsweise Elektronen, bewirkt.
-
Weiter
kann das magnetoresistive Halbleiterelement als Sensor für Magnetfelder
eingesetzt werden. Bevorzugt ist dabei eine Ausführung als Lesekopf zum Auslesen
von in magnetischen Speichermedien gespeicherten Informationen.
Ein solches magnetisches Speichermedium kann z. B. eine Harddisk
sein. Ein derartiger Sensor umfasst dabei das oben beschriebene
magnetoresistive Halbleiterelement, eine elektrische Zu- und Ab leitung
zu dem ersten bzw. vom zweiten Kontakt sowie eine Messvorrichtung
zur Messung der Änderung
des Widerstands, die mit der Zu- und Ableitung verbunden ist.
-
Das
erfindungsgemäße Halbleiterelement zeigt
bei Einwirkung eines äußeren Magnetfelds
eine Änderung
seines Widerstands und kann daher, wie beschrieben, als Sensor zur
Detektion von Magnetfeldern eingesetzt werden. Es gibt daher ein
Verfahren zur Messung der Stärke
eines Magnetfeldes, wobei das Magnetfeld auf einen Sensor einwirkt,
in dem Ladungsträger
in einem ersten Kontakt spinpolarisiert werden, die spinpolarisierten
Ladungsträger
in einen nichtmagnetischen Halbleiter injiziert werden, und die
Ladungsträger
aus dem nichtmagnetischen Halbleiter in einen zweiten Kontakt extrahiert
werden und die Änderung
des Widerstandes gegenüber
einem Ausgangszustand gemessen wird.
-
Geeignet
wird der Ausgangszustand durch einen Widerstand des Sensors ohne
Einwirkung eines Magnetfeldes gebildet.
-
Um
eine Änderung
des Widerstandes messen zu können,
darf der Ladungstransport innerhalb des Halbleiters nur durch eine
Ladungsträgersorte erfolgen,
also entweder nur durch Elektronen oder nur durch Löcher. Findet
im Ladungstransport innerhalb des nichtmagnetischen Halbleiters
ein Wechsel der Ladungsträger
statt, führt
dies zu einem großen Spannungsabfall
und damit zu einem starken Anstieg des Widerstandes, weshalb eine Änderung
des Widerstandes nicht mehr beobachtet werden kann. Ein solcher
Wechsel der Ladungsträger
findet beispielsweise am p-n-Übergang
einer Diode statt. Eine Anordnung mit einer Diode kann daher nicht
für das
obige Verfahren verwendet werden.
-
Wegen
der geringen Spinlebensdauer ist die Durchführung des oben beschriebenen
Verfahrens bei einem Ladungstransport durch Löcher vergleichsweise schwierig
technisch zu realisieren. Die Spinzustände von Elektronen weisen eine
wesentlich längere
Lebensdauer auf, weshalb das Verfahren bevorzugt mit Elektronen
als Ladungsträger
durchgeführt
wird.
-
Weiter
ist auch eine Anwendung zur Bestimmung einer Spinausrichtung (z.
B. in einem Quantenpunkt) durch Projektion des Spins auf die Quantisierungsrichtung
des Halbleiters möglich.
Der Quantenpunkt stellt hierbei den zweiten Kontakt dar. Dieser befindet
sich in einem Abstand vom ersten Kontakt, der geringer ist als die
Spinfliplänge.
Der semimagnetische Kontakt, dessen Spinausrichtung durch ein externes
Magnetfeld definiert wird, beispielsweise durch einen Magneten,
bestimmt die Spinnausrichtung des nichtmagnetischen Halbleiters,
auf den der Spin des Quantenpunkts projiziert wird. Diese Anwendung
ist insbesondere im Zusammenhang mit Quanten-Computing von Interesse.
-
Die
Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine
lineare Anordnung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements;
-
2 eine
Anordnung mit horizontaler Stromrichtung zwischen den Kontakten;
-
3 ein
Diagramm, in der die Änderung des
Widerstandes eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements
in Abhängigkeit
von der Stärke
des Magnetfeldes aufgetragen ist;
-
4 ein
Diagramm, in der die Änderung des
Widerstandes in Abhängigkeit
von der Stärke des
Magnetfeldes für
eine einzelne Schicht eines hoch n-dotierten Zn0,89Be0,05Mn0,06Se gezeigt
ist;
-
5 eine
Anordnung mit horizontaler Stromrichtung zwischen den Kontakten;
-
6 eine
Anordnung mit gemischter Stromrichtung zwischen den Kontakten;
-
7 eine
Anordnung mit gemischter Stromrichtung zwischen den Kontakten;
-
8 eine
Seitenansicht (a) und eine Aufsicht (b) eines Speicherelements;
-
9 einen
Schnitt durch einen Feldeffekttransistor, welcher ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement
umfasst;
-
10 einen
Schnitt durch einen bipolaren Transistor, welcher das erfindungsgemäße Halbleiterelement
umfasst;
-
11 einen
Längsschnitt
durch einen Lesekopf, welcher ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement umfasst;
-
12 ein
erfindungsgemäßes Halbleiterelement,
welches durch eine Schottky-Diode von benachbarten Halbleiterelementen
entkoppelt ist;
-
13 ein
erfindungsgemäßes Halbleiterelement,
welches durch eine pn-Diode von benachbarten Halbleiterelementen
entkoppelt ist;
-
14 eine
Matrixanordnung, in welcher die erfindungsgemäßen magnetoresistiven Halbleiterelemente
durch Dioden entkoppelt sind;
-
15 eine
Matrixanordnung, in welcher die erfindungsgemäßen magnetoresistiven Halbleiterelemente
durch Transistoren entkoppelt sind.
-
1 zeigt
eine lineare Anordnung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements, in
der die einzelnen Schichten sandwichartig nebeneinander angeordnet
sind. Über
einen ersten Kontakt 1 werden Elektronen in einen nicht-magnetischen
Halbleiter 2 injiziert, durchlaufen diesen und werden am
zweiten Kontakt 3 wieder extrahiert. Zwischen erstem Kontakt 1 und
zweitem Kontakt 2 liegt ein Potential 4 an. Im
nichtmagnetischen Halbleiter 2 erfolgt der Transport der
Elektronen mit zwei unterschiedlichen Spinrichtungen, nämlich Spin
auf (5, parallel) und Spin ab (6, antiparallel),
die Ladung wird also in zwei Spinkanälen transportiert. Ohne äußeres Magnetfeld
erfolgt der Transport der Elektronen in beiden Spinkanälen 5, 6 zu
gleichen Teilen. Wirkt ein äußeres Feld 7 auf das
Halbleiterelement ein, erfolgt eine Aufspaltung der Zeeman-Terme
der Elektronen im ersten Kontakt 1 und die Elektronen besetzen
bevorzugt den energetisch günstigeren
Zustand 5 (parallel), während
die Besetzung des energetisch ungünstigeren Zustands (6,
antiparallel) abnimmt. Die in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 übertretenden
Elektronen sind daher spinpolarisiert. Diese diffundieren durch
den nichtmagnetischen Halbleiter 2, wobei sie innerhalb der
Spinfliplänge
ihre Polarisation beibehalten. Es wird daher nur ein Spinkanal zum
Ladungstransport verwendet, weshalb der Widerstand des Elements ansteigt.
-
Um
eine Änderung
des Widerstands des Halbleiterelements im Magnetfeld beobachten
zu können,
ist es nicht erforderlich, dass erster Kontakt 1, nicht-magnetischer
Halbleiter 2 und zweiter Kontakt 3 sandwichartig
linear nebeneinander angeordnet sind. Eine für die praktische Umsetzung
des erfindungsgemäßen Halbleiterelements
geeignete Anordnung ist in 2 gezeigt.
Hierbei sind der erste Kontakt 1 und der zweite Kontakt 3 auf
der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 angeordnet.
Zwischen erstem Kontakt 1 und zweitem Kontakt 3 liegt wiederum
das Potential 4 an. Der nicht-magnetische Halbleiter 2 ist
auf einem isolierenden Substrat 8 angeordnet. Diese Anordnung
wurde auch für
die Durchführung
der im weiteren beschriebenen Experimente gewählt. Für den elektrischen Anschluss
der Kontakte 1, 3 sind auf den Kontakten 1, 3,
jeweils Kontaktpads 1a, 3a aus Metall oder einem
metallartigen Material angeordnet.
-
Für die im
Weiteren beschriebenen Experimente wurde die Anordnung aus 2 in
der Weise hergestellt, dass auf einem isolierenden GaAs-Substrat 8 eine
500 nm starke Schicht eines n-dotierten (1019 cm–3)
Zn0,97Be0,03Se-Halbleiters 3 als
nichtmagnetische Halbleiterschicht 2 abgeschieden wurde. Die
n-Dotierung wurde
dabei mit Iod durchgeführt. Die
Abscheidung der Schicht des nicht-magnetischen Halbleiters 2 erfolgte
durch Molekularstrahlepitaxie. Zur Herstellung der Kontakte 1, 3 wurde
auf der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 eine semimagnetische
Schicht aus Zn0,89Be0,05Mn0,06Fe (n = 5 × 1018 cm–3)
abgeschieden. Die Leitfähigkeit
der Schicht wurde durch Dotierung mit Iod eingestellt.
-
Auf
dieser semimagnetischen Schicht wurde eine Aluminiumschicht in einer
Stärke
von 100 nm abgeschieden und auf dieser lithographisch Kontaktpads
(200 μm × 250 μm) definiert,
um einen Kontakt zu den semimagnetischen Kontakten 1, 3 herzustellen.
Diese lithographisch definierten Kontaktflächen wurden dann als Ätzmaske
für ein
nasschemisches Ätzen
verwendet, bei dem der semimagnetische Halbleiter und etwa 10 nm
der Stärke
des nicht magnetischen Halbleiters 2 im unmaskierten Bereich
entfernt wurden. In einem zweiten optischen lithographischen Schritt
wurde ein erhöhter
Bereich (Mesa) definiert, welche die beiden semimagnetischen Kontakte 1, 3 sowie
die Schicht des zwischen den Kontakten 1, 3 angeordneten
Halbleiters 2 umfasste. Das diesen Bereich umgebende unmaskierte
Zn0,97Be0,03Se wurde
anschließend
durch nasschemisches Ätzen entfernt,
so dass die in 2 gezeigte Anordnung erhalten
wurde.
-
Nach
dem oben beschriebenen Verfahren wurden Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Schichtdicken
der Kontakte 1, 3 und mit unterschiedlichen Abständen der
Kontakte 1, 3 hergestellt.
-
Die
magnetische Widerstandsänderung
der verschiedenen Halbleiterelemente wurde bei 4,2 K bei Magnetfeldstärken von
0 bis 7 T bei einer Gleichspannung von 100 μV vermessen. Dabei wurden die Daten
nur im linearen Bereich der Änderung
des Widerstands gemessen. Sämtliche Zn0,89Be0,05Mn0,06Se/Zn0,97Be0,03Se Hybridstrukturen zeigten dabei eine
starke positive magnetische Widerstandsänderung. Beispielhafte Kurven
der magnetischen Widerstandsänderung
sind in 3 (Kurve (a) und (b)) dargestellt.
Die größte beobachtete Änderung
des magnetischen Widerstands betrug annähernd 1,4 Ω, bei einem Gesamtwiderstand
der Anordnung von 20,5 Ω.
Subtrahiert man den Kontaktwiderstand von 2 Ω, kann für die relative Änderung
des Widerstands eine untere Grenze von ΔR/R = 8% abgeschätzt werden.
Der Widerstand erreicht bei Feldern zwischen 1 und 2 Tesla eine
Sättigungsgrenze. Die
beobachtete Änderung
des Widerstands ist unabhängig
von der Orientierung des Halbleiterelements im magnetischen Feld.
Wird die Schichtdicke des ersten und zweiten Kontakts 1, 3 von
200 nm (3, Kurve (a)) auf 100 nm (3,
Kurve (b)) verringert, erniedrigt sich die Widerstandsänderung
um den Faktor 3. Ein Halbleiterelement, bei dem die Kontakte zum
Vergleich aus einem nicht-magnetischen Halbleiter bestanden, zeigt
innerhalb einer Messgenauigkeit von 0,2% keine Änderung des Widerstands im
Magnetfeld (3, Kurve (c).
-
Die
Schichten der Anordnung aus 2 weisen
eine hohe n-Dotierung
auf, um sicherzustellen, dass die intrinsische magnetische Widerstandsänderung
der Kontakte 1, 3 negativ ist. Bei geringer Dotierung
(jedoch oberhalb des Übergangs
zum Isolator) zeigen die semimagnetischen Kontakte 1, 3 wegen der
e-e Korrektur der Leitfähigkeit
eine zusätzliche positive
magnetische Widerstandsänderung.
Dieser Einfluss nimmt mit zunehmender Dotierung n gemäß (kFl)–3/2 ab, wobei kF der Wellenvektor der Fermi-Energie ist
und l die mittlere freie Weglänge
des Elektrons. Die geringe negative magnetische Widerstandsänderung
(2%) einer Probe, die nur aus dem semimagnetischen Material aufgebaut
ist, ist in 4 dargestellt.
-
Ferner
wurde das Ausmaß der
Widerstandsänderung
in Abhängigkeit
vom Abstand der Kontakte 1, 3 bei einer Schichtdicke
der Kontakte von 100 nm bestimmt. Die Experimente zeigen, dass mit
zunehmendem Abstand der absolute Wert der positiven magnetischen
Widerstandsänderung
von 0,48 Ω (10 μm) über 0,4 Ω (20 μm) auf 0,35 Ω (30 μm) abnimmt.
-
Die
Anordnung der einzelnen Schichten des magnetoresistiven Halbleiterelements
kann innerhalb weiter Grenzen modifiziert werden.
-
Eine
weitere geeignete Struktur zeigt 5. In diesem
Fall ist jedoch der nichtmagnetische Halbleiter 2 in ein
Halbleitersubstrat 8 implantiert. Der leitende Bereich
des nichtmagnetischen Halbleiters 2 lässt sich durch Ionenimplantation
definieren. Dieses Verfahren ist aus der planaren Siliziumtechnologie bekannt.
Die Leitfähigkeit
lässt sich
durch den Grad der Dotierung einstellen. Bei n-Dotierung des nichtmagnetischen
Halbleiters 2 lässt
sich das Halbleitersubstrat 8 p-dotieren. Dadurch kann
eine Entkopplung zu benachbarten Elementen erreicht werden, da dann
immer einer der p-n- Übergänge sperrt.
Da erster Kontakt 1 und zweiter Kontakt 3 gleichzeitig
auf die Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 aufgebracht
werden können,
ist für
die Herstellung der beiden Kontakte 1, 3 nur ein
Epitaxieschritt erforderlich. Der elektrische Anschluss der Kontakte 1, 3 erfolgt
jeweils wieder durch Kontaktpads 1a, 3a, die aus
einem Metall oder einem metallartigen Material bestehen.
-
Eine
weitere Ausführungsform
wird in 6 gezeigt. Hierbei ist der nicht
magnetische Halbleiter 2 auf einem Halbleitersubstrat 8 angeordnet
und der semimagnetische erste Kontakt 1 als Schicht auf dem
nicht-magnetischen Halbleiter 2 ausgebildet. Der zweite
Kontakt 3, der ebenfalls aus einem semimagnetischen Halbleiter
oder auch aus einem nicht magnetischen Material bestehen kann, ist
ebenfalls direkt auf dem Halbleitersubstrat 8 angeordnet.
Das Halbleitersubstrat 8 kann auch direkt als zweiter Kontakt
im Sinne der Erfindung wirken. Der elektrische Anschluss der Kontakte 1, 3 erfolgt
jeweils wieder durch Kontaktpads 1a, 3a, die aus
einem Metall oder einem metallartigen Material bestehen. Der Ladungstransport
erfolgt hierbei durch das Halbleitersubstrat 8. Die Herstellung
der gezeigten Halbleiterelemente erfolgt nach bekannten Verfahren.
Geeignet sind zum Beispiel Molekularstrahlepitaxie, Niederdruckgasphasenepitaxie,
Atmosphärendruckgasphasenepitaxie
oder auch UHV-Gasphasenepitaxie.
-
Eine
weitere Ausführungsform,
die nur einen sehr geringen Platzbedarf aufweist, ist in 7 gezeigt.
Dabei ist ein zweiter Kontakt 3, der aus einem semimagnetischen
Material oder einem nicht magnetischen Material bestehen kann, auf
dem Halbleitersubstrat 8 angeordnet. Das Halbleitersubstrat 8 kann auch
direkt den zweiten Kontakt 3 bilden. Auf dem zweiten Kontakt 3 ist
eine Schicht aus einem nichtmagnetischen Halbleiter 2 angeordnet,
auf dem eine weitere Schicht aus einem semimagnetischen Halbleiter
angeordnet ist, welche den ersten Kontakt 1 bildet. Der
Ladungstransport erfolgt dabei zum Teil auch über das Halbleitersubstrat 8.
Die elektrische Kontaktierung erfolgt am ersten Kontakt 1 über das Kontaktpad 1a und
am Halbleitersubstrat 8 durch das Kontaktpad 8a.
Die Kontaktpads 1a, 8a bestehen aus einem Metall
oder einem metallartigen Material.
-
In 8 ist
eine Anordnung gezeigt, wie sie für ein Speicherelement verwendet
werden kann. In einem Substrat 8, beispielsweise ein p-dotiertes
Siliziumsubstrat, ist ein n-dotierter
Bereich implantiert, der den nichtmagnetischen Halbleiter 2 des
erfindungsgemäßen Halbleiterelements
bildet. Auf dem nicht magnetischen Halbleiter 2 sind nebeneinander ein
erster semimagnetischer Kontakt 1 angeordnet, der beispielsweise
aus Zn0,89Be0,05Mn0,06Se aufgebaut sein kann, sowie ein zweiter
Kontakt 3, der aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise Aluminium,
oder ebenfalls aus einem semimagnetischen Material, beispielsweise
Zn0,89Be0,05Mn0,06Se, aufgebaut sein kann. Benachbart zum
ersten semimagnetischen Kontakt 1 ist ein ferromagnetisches Element 9 angeordnet,
das beispielsweise aus Kobalt bestehen kann. Die Magnetisierungsrichtung
des ferromagnetischen Elements 9 kann verändert werden.
Erster Kontakt 1 und ferromagnetisches Element 9 sind
dabei so nahe beieinander angeordnet, dass der erste Kontakt 1 im
Streufeld des ferromagnetischen Elements 9 liegt. Der Abstand
zwischen semimagnetischem ersten Kontakt 1 und ferromagnetischem
Element 9 wird geeignet im Bereich von 50–100 nm
gewählt.
-
Die
Funktion des Speicherelements ist in 8b dargestellt.
Im Zustand mit einem hohen Widerstand liegt der erste Kontakt 1 im
Streufeld der Magnetisierung 10 des ferromagnetischen Elements 9.
In diesem Zustand werden spinpolarisierte Elektronen aus dem ersten
Kontakt 1 in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 injiziert,
so dass nur einer der Spinkanäle
für den
Ladungstransport genutzt werden kann. Die Vorrichtung zeigt daher
einen erhöhten
Widerstand. Wird die Magnetisierung 10 des ferromagnetischen
Elements 9 um 90° gedreht
(Magnetisierung 11), liegt der erste Kontakt 1 nicht
mehr im Streufeld des ferromagnetischen Elements 9. Die vom
ersten Kontakt 1 in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 injizierten
Elektronen werden daher nicht mehr spinpolarisiert, weshalb für den Ladungstransport
beide Spinkanäle
im nichtmagnetischen Halbleiter 2 genutzt werden können. Dadurch
erniedrigt sich der Widerstand des Halbleiterelements.
-
9 zeigt
eine mögliche
Anordnung für
einen Feldeffekttransistor. In einem p-dotierten Siliziumsubstrat 8 wird
ein erster n-dotierter Bereich 14 definiert, der als Source
wirkt, und ein zweiter n-dotierter Bereich 15, der als
Drain wirkt. In dem Bereich zwischen Source und Drain ist eine Gateelektrode 12 angeordnet,
die durch ein Gatedielektrikum 13 vom Substrat 8 isoliert
ist. Auf dem als Source wirkenden n-dotierten Bereich 14 ist ein
erster Kontakt 1 aus einem semimagnetischen Material angeordnet.
Dieser kann beispielsweise aus Zn0,89Be0,05Mn0,06Se aufgebaut
sein. Auf dem ersten Kontakt ist eine Metallschicht 16 als
Kontaktpad angeordnet, die beispielsweise aus Aluminium bestehen
kann, und durch die dem ersten Kontakt 1 Elektronen zugeleitet
werden. Auf dem als Drain wirkenden n-dotierten Bereich 15 ist
ebenfalls einer Metallschicht 17 angeordnet, die zum Beispiel
ebenfalls aus Aluminium bestehen kann. Das Halbleiterelement im
Sinne der Erfindung wird zunächst
vom ersten semimagnetischen Kontakt 1 und dem n-dotierten
Bereich 14 gebildet, der als nichtmagnetischer Halbleiter
wirkt. Im feldfreien Zustand, wenn also an der Gateelektrode keine Spannung
anliegt, fließt
kein Strom von Source nach Drain. Es kann daher auch keine Veränderung
des Widerstandes im nichtmagnetischen Halbleiter, d. h. im n-dotierten Bereich 14 durch
Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes
eintreten. Wird an der Gateelektrode 12 eine Spannung angelegt,
reichern sich im Feld der Gate 12 Elektronen an und es
entsteht ein Leitungskanal 18 im p-dotierten Substrat 8,
in dem der Ladungstransport durch Elektronen erfolgt. Der Leitungskanal 18 bildet
dann im Sinn der Erfindung den zweiten Kontakt, durch den die Extraktion
der Ladungsträger
aus dem nichtmagnetischen Halbleiter erfolgt bzw. erfolgt der Ladungsträgertransport
zwischen den Kontaktpads 16 und 17 nur durch Elektronen.
-
In
der in 9 gezeigten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Halbleiterelement
an der Source 14 ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich das
erfindungsgemäße Halbleiterelement
an der Drain 15 auszubilden. Ebenso kann sowohl an Source
wie an Drain ein erfindungsgemäßes Halbleiterelement
ausgebildet sein. Ebenso ist die Konfiguration des FET nicht auf
die in 9 gezeigte Ausführungsform beschränkt.
-
10 zeigt
das erfindungsgemäße Halbleiterelement
als Bestandteil eines bipolaren Transistors. Gezeigt ist ein npn-Transistor. Der Transistor umfasst
einen ersten Kontakt 1 aus einem semimagnetischen Material,
beispielsweise ZnBeMnSe. An den ersten Kontakt 1 schließt sich
eine Schicht eines nichtmagnetischen Halbleiters 2 an.
Diese Schicht ist auf einem n-dotierten
Bereich angeordnet, der als Emitter 19 des Transistors
wirkt. Unter dem Emitter 19 befindet sich eine dünne p-dotierter Basis 20 des Transistors,
an die sich der n-dotierte
Kollektor 21 anschließt.
Der ohmsche Kontakt zum semimagnetischen ersten Kontakt 1,
Basis 20 und Kollektor 21 wird jeweils durch den
metallischen Kontaktpad 16 bzw. die metallischen Kontaktpads 1a und 20a hergestellt.
Liegt an der Basis 20 eine positive Spannung gegenüber dem
Emitter 19 an, so fließt
ein Strom durch das Halbleiterelement, der im Bereich der Basis 20 von
Elektronen getragen wird, die vom Emitter 19 zum Kollektor 21 diffundieren.
-
Es
ist jedoch auch möglich,
dass der Emitter 19 direkt den nichtmagnetischen Halbleiter
des erfindungsgemäßen Halbleiterelements
bildet. Die vom semimagnetischen Kontakt in den Emitter injizierten spinpolarisierten
Elektronen diffundieren dann durch die Basis 20 in den
Kollektor 21, sofern auch Elektronen vom Emitter 19 zum
Kontakt der Basis 20 fließen. Der Basisstrom selbst
wird nicht zur Messung eines Widerstandes genutzt.
-
Das
erfindungsgemäße Halbleiterelement kann
auch anschließend
an den Kollektor angeordnet sein oder den Kollektor mit umfassen.
-
11 zeigt
schematisch den Aufbau eines Lesekopfes, welcher das erfindungsgemäße Halbleiterelement
umfasst. Über
eine Metallschicht 22, die beispielsweise aus Aluminium
bestehen kann, werden die Elektronen einem ersten Kontakt 1 zugeleitet, der
aus einem semimagnetischen Material, beispielsweise Zn0,89Be0,05Mn0,06Se aufgebaut
ist. An den ersten Kontakt 1 schließt sich eine Schicht des nichtmagnetischen
Halbleiters 2 an. Diese kann beispielsweise aus n-dotiertem
Silizium aufgebaut sein. Zwischen der Metallschicht 22 und
der Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 ist eine
Isolierschicht 23, zum Beispiel aus SiO2,
vorgesehen. An die Schicht des nichtmetallischen Halbleiters 2 schließt sich
eine als zweiter Kontakt 3 wirkende Schicht an, die beispielsweise
aus Aluminium bestehen kann. In engem Abstand zum Lesekopf ist ein
magnetisches Speichermedium 24 angeordnet, dass unterschiedlich
polarisierte Zellen 25 umfasst. Das magnetische Speichermedium
kann zum Beispiel eine Harddisk sein. Der aus dem semimagnetischen
Material aufgebaute erste Kontakt 1 wird vom Magnetfeld
der Zellen 25 erfasst, so dass eine Spinpolarisierung der
durch den ersten Kontakt in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 eintretenden
Elektronen bewirkt werden kann. Zum Auslesen der im magnetischen
Speichermedium 24 ge speicherten Daten wird dieses am Lesekopf
vorbeibewegt. Durch die Polarisierung der einzelnen Zellen 25 ändert sich
das äussere
Magnetfeld, dass auf das semimagnetische Material des ersten Kontakts
einwirkt. Als Folge ändert
sich der Grad der Spinpolarisierung der in die Schicht des nichtmagnetischen
Halbleiters 2 injizierten Elektronen und damit auch der
Widerstand des Halbleiterelements. Damit ändert sich die Stärke des
durch die Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 fliesenden
Stroms. Diese Änderung
kann mit einem (nicht dargestellten) Messgerät gemessen werden, das über die
Metallschicht 22 mit dem ersten Gerät sowie über die als zweiten Kontakt
wirkende Schicht 3 mit dem Lesekopf verbunden ist, wodurch
die im Speichermedium 24 gespeicherte Information ausgelesen
werden kann.
-
12 zeigt
eine Anordnung, mit der mehrere auf einem Substrat angeordnete erfindungsgemäße Halbleiterelemente
voneinander entkoppelt werden können.
In einem p-dotierten Substrat 8, im Allgemeinen ein Siliziumsubstrat,
ist ein n-dotierter Halbleiterbereich 26 implantiert. Auf
diesem n-dotierten Bereich 26 ist ein nichtmagnetischer
Halbleiter 2 angeordnet, auf dem wiederum eine als erster
Kontakt 1 wirkende Schicht eines semimagnetischen Materials
aufgebracht ist. Der semimagnetische Kontakt 1 wird über einen
Metallkontakt 28 mit linearer Strom-Spannungskennlinie
(ohmscher Kontakt) kontaktiert. Weiter ist auf dem n-dotierten Bereich 26 ein Metallkontakt 27 angeordnet,
der so gewählt
ist, dass eine Schottky-Diode an der Grenzfläche entsteht. Hierdurch ist
ein Stromfluss zur Messung des Widerstandes nur in einer Richtung
möglich,
so dass mehrere erfindungsgemäße Halbleiterelemente
in einer aus Halbleiterspeichern bekannten Matrix mit Zeilen und
Spaltenleitungen kontaktiert werden können und jeweils ein Halbleiterelement
durch Ansteuern über eine
Zeilen- und eine Spaltenleitung getrennt angesprochen werden kann.
-
In 12 ist
nur eine der möglichen
Ausführungsformen
gezeigt. So kann beispielsweise der n-dotierte Bereich 26 auch
direkt den nichtmagnetischen Halbleiter 2 bilden. Der semimagnetische
Kontakt 1 ist dann direkt auf dem implantierten Bereich 26 angeordnet.
Ferner können
auch ohmscher Kontakt 28 und Schottky-Kontakt 27 vertauscht
werden, wodurch sich die Richtung des möglichen Stromflusses ändert. Schottky-Dioden
zeigen in Durchlassrichtung einen vergleichsweise geringen Spannungsabfall.
Es kann daher in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterelement
noch ein magnetoresistiver Effekt beobachtet werden. Die Anordnung
eignet sich insbesondere in Verbindung mit Speicherelementen, wie
sie zum Beispiel oben anhand von 8 beschrieben
wurden. Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements als
Sensor wird wegen des durch die Diode bewirkten Empfindlichkeitsverlusts
bevorzugt keine Diode verwendet.
-
13 zeigt
eine Entkopplung des erfindungsgemäßen Halbleiterelements über eine
pn-Diode. Eine solche Anordnung ist für Anwendungen geeignet, in
denen die Anforderungen an die Empfindlichkeit der Messung des Widerstandes
nicht zu hoch sind, beispielsweise in MRAMs. Dies ist insbesondere
für integrierte
Siliziumdioden sinnvoll, da auf diese Weise eine hohe Integration
der elektronischen Bauelemente möglich
ist. Prinzipiell sind jedoch auch andere Halbleitermaterialien für die Herstellung
der Diode möglich. 13 zeigt
ein Halbleitersubstrat 8, beispielsweise ein n-dotiertes
Siliziumsubstrat. In dieses Halbleitersubstrat 8 ist wannenartig
ein p-dotierter
Bereich 30 integriert, der wiederum einen n-dotierten Bereich 31 umschließt. Die
Dotierung der Bereiche 30 und 31 kann beispielsweise
durch Ionenimplantation in das Siliziumsubstrat erfolgen. Auf dem n-dotierten
Bereich 31 ist ein nicht-magnetischer Halbleiter 2 angeordnet,
in welchen unter dem Einfluss eines Magnetfeldes spinpolarisierte
Elektronen aus dem semimagnetischen ersten Kontakt 1 injiziert werden.
Der elektrische Kontakt zum semimagnetischen ersten Kontakt und
zum p-dotierten Bereich 30 wird jeweils über metallische
Kontaktpads 32 und 33 hergestellt. Die Elektronen
gelangen aus dem metallischen Kontaktpad 32 zunächst in
den semimagnetischen Kontakt 1, wo sie unter dem Einfluss
eines äußeren Magnetfeldes
eine Spinpolarisierung erfahren. Die spinpolarisierten Elektronen
werden anschließend
in den nichtmagnetischen Halbleiter 2 injiziert und gelangen
dann in den n-dotierten Bereich 31. An der Grenze zum p-dotierten
Bereich erfolgt eine Rekombination mit Löchern, durch welche der Ladungstransport
im p-dotierten Bereich 30 erfolgt. Am Kontaktpad 33 erfolgt
schließlich
eine Extraktion von Elektronen, um den Stromkreislauf zu vervollständigen.
Ein Ladungstransport in umgekehrter Richtung ist nicht möglich, da
die von den Bereichen 30 und 31 gebildete Diode
dann in Sperrrichtung geschaltet ist. Durch die vom p-dotiertem
Bereich 30 und n-dotiertem Siliziumsubstrat 8 gebildete
Diode erfolgt eine Isolation der einzelnen Bauelemente gegeneinander, sodass
zum Beipsiel in einer Matrix die Bauelemente einer Spalte gegenüber den
Bauelementen der benachbarten Spalte isoliert sind.
-
14 zeigt
die Anordnung von elektronischen Bauelementen in einer Matrix, wobei
die elektronischen Bauelemente jeweils das erfindungsgemäße magnetoresistive
Halbleiterelement 34 und eine Diode 35 zur Entkopplung
benachbarter magnetoresistiver Halbleiterelemente umfassen. Die
Matrix wird von Spaltenleitungen 36 und Zeilenleitungen 37 gebildet.
Jedes aus einem magnetoresistiven Halbleiterelement 34 und
einer Diode 35 gebildete elektronische Bauelement 38 ist
jeweils mit einer Spaltenleitung 36 und einer Zeilenleitung 37 verbunden.
-
Übertragen
auf die in 12 dargestellte Anordnung ist
der Metallkontakt 28 mit der Zeilenleitung 37 und
der Metallkontakt 27 mit der Spaltenleitung 36 verbunden
werden. Bei der in 13 dargestelleten Anordnung
wird der Kontaktpad 32 mit der Zeilenleitung 37 und
der Kontaktpad 33 mit der Spaltenleitung 36 verbunden.
-
Soll
der Widerstand des magnetoresistiven Halbleiterelements 34' bestimmt werden,
wird an die Zeilenleitung 37' und
die Spaltenleitung 36' eine Messpannung
angelegt, um mit der Messanordnung 39 den Widerstand bestimmen
zu können.
Dabei ist von allen möglichen
Strompfaden nur die Diode 35' in Durchlassrichtung
geschaltet, während
alle anderen möglichen
Strompfade immer mindestens eine Diode 35 in Sperrichtung
enthalten. Es kann damit selektiv der Widerstand bzw. die Widerstandsänderung
im magnetoresistiven Halbleiterelement 34' bestimmt werden.
-
15 zeigt
eine Matrixanordnung, in welcher die magnetoresistiven Halbleiterelmente 34 durch
einen Transistor 40 entkoppelt sind. Eine derartige Matrix
lässt sich
mit den in den 9 und 10 gezeigten
Anordnungen verwirklichen.
-
Die
Matrix umfasst wiederum Spaltenleitungen 36 und Zeilenleitungen 37. Über die
Zeilenleitungen 37 kann jeweils eine Messpannung an ein
magnetoresistives Halbleiterelement angelegt werden. Der Kontakt 41 der
liegt jeweils für
alle Transistoren 40 auf dem gleichen Potential. Über die
Spaltenleitungen 36 können
jeweils die Transistoren 40 angesteuert werden, also zwischen
leitendem und nichtleitendem Zustand geschaltet werden.
-
Wird
das aus magnetoresistivem Halbleiterelement 34 und Transistor 40 gebildete
elektronische Bauelement durch die in 9 dargestellte
Anordnung gebildet, wird das auf dem semimagnetischen Kontakt 1 angeordnete
Kontaktpad 16 mit der Zeilenleitung 37 verbunden
und die Gateelektrode 12 mit der Spaltenleitung 36.
Der durch die Metallschicht 17 gebildete Kontakt (Drain)
liegt bei allen Feldeffekttransistoren auf dem gleichen Potential
und entspricht in 15 dem Kontakt 41.
-
Bei
dem in 10 dargestellten bipolaren Transistor
wird der Kontaktpad 1a mit der Zeilenleitung 37 und
Kontaktpad 20a (Basis) mit der Spaltenleitung 36 verbunden,
während
der Kontakt 16 (Kollektor 21) bei allen elektronischen
Bauelementen auf gleichem Potential liegt.
-
Um
in der in 15 dargestellten Matrix den Widerstand
des magnetoresistiven Halbleiterelements 34' bestimmen zu können, wird an Zeilenleitung 37' und Kontakt 41' eine Messpannung
angelegt, sodass mit Messgerät 39 der
Widerstand des magnetoresistiven Halbleiterelements 34' bestimmt werden
kann. Über
Spaltenleitung 36 wird der Transistor 41' angesteuert,
sodass die mit der Spaltenleitung 36' verbundenen Transistoren 41 leitfähig geschaltet
werden. Nachdem nur in Zeilenleitung 37' eine Messspannung anliegt, wird
nur beim zugehörigen
Transisor 40' ein
Messkreis erzeugt, sodass selektiv nur der Widerstand des magnetoresistiven Halbleiterelements 34' bestimmt wird.
-
Die Änderung
des Widerstandes im erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Halbleiterelements
beruht auf einem neuen Effekt, der sich von den bisher bekannten
magnetoresistiven Effekten, wie GMR, AMR oder TMR grundlegend unterscheidet.
Das magnetoresistive Halbleiterelement kann in eine Vielzahl von
Bauelementen integriert werden und lässt sich in seinem Aufbau in
weiten Grenzen variieren.
-
- 1
- erster
Kontakt
- 2
- nicht-magnetischer
Halbleiter
- 3
- zweiter
Kontakt
- 4
- Potential
- 5
- Spinrichtung
parallel
- 6
- Spinrichtung
antiparallel
- 7
- Magnetfeld
H
- 8
- Substrat
- 9
- ferromagnetisches
Element
- 10
- Magnetisierung
- 11
- Magnetisierung
- 12
- Gateelektrode
- 13
- Gatedielektrikum
- 14
- Source
- 15
- Drain
- 16
- Metallschicht
- 17
- Metallschicht
- 18
- Leitungskanal
- 19
- Emitter
- 20
- Basis
- 21
- Kollektor
- 22
- Metallschicht
- 23
- Isolierschicht
- 24
- magnetisches
Speicherelement
- 25
- Zellen
- 26
- n-dotierter
Halbleiterbereich
- 27
- Metallkontakt
- 28
- Metallkontakt
- 29
- Siliziumsubstrat
- 30
- P-dotierter
Bereich
- 31
- N-dotierter
Bereich
- 32
- Kontaktpad
- 33
- Kontaktpad
- 34
- Magnetoresistives
Halbleiterelement
- 35
- Diode
- 36
- Spaltenleitung
- 37
- Zeilenleitung
- 38
- Elektronisches
Bauelement
- 39
- Messinstrument
- 40
- Transistor
- 41
- Kontakt