DE10291108B4

DE10291108B4 - Magnetoresistives Halbleiterbauelement mit einem semimagnetischen Kontakt, sowie Speicherelement und magnetischer Sensor

Info

Publication number: DE10291108B4
Application number: DE10291108T
Authority: DE
Inventors: Laurens Prof. Molenkamp; Georg Dr. Schmidt
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2001-03-20
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: TW571450B; CN1509413A; JP4058344B2; WO2002075344A2; JP2004531881A; DE10114963A1; US20040113188A1; US6963096B2; WO2002075344A3; CN100390561C; DE10291108D2; KR100583688B1; KR20030093249A

Abstract

Magnetoresistives Halbleiterbauelement, umfassend einen ersten Kontakt (1), bestehend aus einem semimagnetischen Material, einen zweiten Kontakt (3), eine zwischen dem ersten (1) und dem zweiten Kontakt (3) angeordnete Schicht (2) eines nicht-magnetischen Halbleiters und eine zwischen dem ersten Kontakt (1) und der Schicht (2) des nicht-magnetischen Halbleiters angeordnete Tunnelbarriere.

Description

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 Be_0,07Mn_0,03Zn_0,9Se-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 ρ_semimagn./ρ_nichtmagn. 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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se 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) Zn_0,97Be_0,03Se-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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Fe (n = 5 × 10¹⁸ cm^–3) abgeschieden. Die Leitfähigkeit der Schicht wurde durch Dotierung mit Iod eingestellt.
Auf dieser semimagnetischen Schicht wurde eine 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 Zn_0,97Be_0,03Se 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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se/Zn_0,97Be_0,03Se 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 (k_Fl)^–3/2 ab, wobei k_F 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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se aufgebaut sein kann, sowie ein zweiter Kontakt 3, der aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise Aluminium, oder ebenfalls aus einem semimagnetischen Material, beispielsweise Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se, aufgebaut sein kann. Benachbart zum ersten semimagnetischen Kontakt 1 ist ein ferromagnetisches Element 9 angeordnet, das beispielsweise aus Kobalt bestehen kann. Die 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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se 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 Zn_0,89Be_0,05Mn_0,06Se aufgebaut ist. An den ersten Kontakt 1 schließt sich eine Schicht des nichtmagnetischen Halbleiters 2 an. Diese kann beispielsweise aus n-dotiertem Silizium 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

Claims

Magnetoresistives Halbleiterbauelement, umfassend einen ersten Kontakt (1), bestehend aus einem semimagnetischen Material, einen zweiten Kontakt (3), eine zwischen dem ersten (1) und dem zweiten Kontakt (3) angeordnete Schicht (2) eines nicht-magnetischen Halbleiters und eine zwischen dem ersten Kontakt (1) und der Schicht (2) des nicht-magnetischen Halbleiters angeordnete Tunnelbarriere.
Magnetoresisitives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das semimagnetische Material ein Halbleiter ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt (3) aus einem nicht magnetischen Material besteht.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt (3) aus einem semimagnetischen Material aufgebaut ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Kontakt (3) aus einem semimagnetischen Material und der Schicht (2) aus dem nicht magnetischen Halbleiter eine Tunnelbarriere vorgesehen ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kontakt (3) aus einem ferromagnetischen Material aufgebaut ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Kontakt (3) aus dem ferromagnetischen Material und der Schicht aus dem nicht magnetischen Halbleiter eine Tunnelbarriere vorgesehen ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das semimagnetische Material ein II–VI Halbleiter ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der II–VI Halbleiter Be_xMn_yZn_1-x-ySe ist mit 0 < x < 1 und 0,0001 < y < 0,2.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad eine Schottky-Diode (27) zur Entkopplung vorgesehen ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad eine pn-Diode (30, 31) zur Entkopplung vorgesehen ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Feldeffekttransistor mit einer Source-Elektrode (14), einer Drain-Elektrode (15) und einer Gate-Elektrode (12) ist, bei dem durch den ersten Kontakt (1) aus dem semimagnetischen Material spinpolarisierte Ladungsträger in die Source-Elektrode (14) injizierbar oder aus der Drain-Elektrode (15) extrahierbar sind, wobei die Tunnelbarriere zwischen dem ers ten Kontakt (1) und der Source-Elektrode (14) oder zwischen dem ersten Kontakt (1) und der Drain-Elektrode (15) angeordnet ist.
Magnetoresistives Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ein bipolarer Transistor mit einem als Emitter (19) wirkenden Abschnitt, einem als Kollektor (21) wirkenden Abschnitt und einem zwischen diesen beiden Abschnitten angeordneten und als Basis (20) wirkenden Bereich ist, bei dem durch den ersten Kontakt (1) spinpolarisierte Ladungsträger in den Emitter (19) injizierbar oder aus dem Kollektor (21) extrahierbar sind, wobei die Tunnelbarriere zwischen dem ersten Kontakt (1) und dem Emitter (19) oder zwischen dem ersten Kontakt und dem Kollektor (21) angeordnet ist.
Speicherelement umfassend ein magnetoresistives Halbleiterelement gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13 und ein benachbart zum ersten Kontakt (1) angeordnetes ferromagnetisches Element (9).
Magnetischer Sensor zum Auslesen von in magnetischen Speichermedien gespeicherten Informationen, umfassend ein magnetoresistives Halbleiterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, elektrische Zu- und Ableitungen zum ersten und zweiten Kontakt (1, 3) sowie eine mit den Zu- und Ableitungen verbundenen Messvorrichtung zur Messung der Änderung des elektrischen Widerstandes.