DE1156156B - Elektrisches Schaltelement, das den quantenmechanischen Tunneleffekt ausnutzt - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

J 21203 Vmd/21c

ANMELDETAG; 25. JANUAR 1962

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT; 24. OKTOBER 1963

Die quantenmechanische Tunnelsteuerung von Elektronen durch eine Potentialschwelle hat sich als vorteilhaft für die Steuerung des einen Festkörper durchfließenden elektrischen Stroms erwiesen. Weiterhin wurde bekannt, diese Eigenschaft in Verbindung mit Kryotron- und bestimmten Halbleitereigenschaften auszunutzen. Bei diesen Vorrichtungen erfolgt eine elektronische Tunnelsteuerung durch eine isolierende Sperrschicht hindurch, welche zwei Kryotronelektroden trennt.

In den bekannten Vorrichtungen dieser Art kann die Änderung des Leitfähigkeitszustandes ohne zu große Verzögerung erfolgen, wobei der Stromfluß durch die Kryotroneigenschaften der Elektroden innerhalb eines eng begrenzten Bereiches gesteuert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein elektrisches Schaltelement bereitzustellen, bei dem der durchfließende Strom innerhalb eines größeren Bereiches als bisher gesteuert werden kann und Steuermöglichkeiten auf verschiedenste Art und Weise gegeben sind.

Die Erfindung geht demnach aus von einem elektrischen Schaltelement, bei dem der quantenmechanische Tunneleffekt auf einem Stromfluß von einer metallisch leitenden Elektrode über eine Potentialschwellenschicht für Steuerungszwecke ausgenutzt wird, und besteht darin, daß die Potentialschwellenschicht eine ferromagnetische Schicht als Gegenelektrode besitzt. Das Schaltelement nach der Erfindung nutzt den quantenmechanischen Tunneleffekt auf dem Elektronenfluß durch eine isolierende Potentialschwellenschicht als Stromleitungsmechanismus aus und besitzt eine Elektrode mit der Eigenschaft, daß an das Ferminiveau angrenzende Energiezustände sofort zur Verfügung stehen, und eine weitere Elektrode aus ferromagnetischem Material. Das elektrische Schaltelement nach der Erfindung hat die Eigenschaft, daß der mit hoher Geschwindigkeit wirksame quantenmechanische Tunnelstrommechanismus dem Einfluß sowohl des magnetischen Zustandes der ferromagnetischen Elektrode als auch der Temperatur ausgesetzt ist und damit sehr vielseitig angewendet werden kann, wobei gleichzeitig die Geschwindigkeit des Tunnelmechanismus voll ausgenutzt wird. Der Aufbau des Schaltelements ist äußerst einfach.

Die Steuerung des elektrischen Schaltelements erfolgt also mit Hilfe des quantenmechanischen Tunnelmechanismus, der sowohl durch magnetische als auch durch Temperatureigenschaften beeinflußt werden kann, so daß sich sowohl eine magnetisch Elektrisches Schaltelement,

das den quantenmechanischen Tunneleffekt

ausnutzt

Anmelder:

International Business Machines Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 2. Februar 1961 (Nr. 86 809)

Leo Esaki, Briarcliff Manor, N. Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

empfindliche Schaltungsvorrichtung mit quantenmechanischer Tunnelsteuerung als auch eine temperaturabhängige Schaltungsvorrichtung mit quantenmechanischer Tunnelsteuerung ergibt.

Das Schaltelement gemäß der Erfindung erlaubt eine hohe Schaltgeschwindigkeit und vielseitige Steuerungsmöglichkeiten bei kleinsten räumlichen Abmessungen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels mit HiUe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Struktur des Schaltelements nach der Erfindung,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Wahrscheinlichkeitsgrenzen einer Tunnelbildung durch eine Potentialschwelle hindurch,

Fig. 3 ein Energiediagramm einer Tunnelvorrichtung mit einer Schwelle zwischen zwei Metallen,

Fig. 4 ein Diagramm, das den Unterschied im Tunnelstrom für verschiedene Stromrichtungen im erfindungsgemäßen Bauelement darstellt,

Fig. 5 ein Diagramm eines in Fig. 3 gezeigten Kontaktpotentials,

Fig. 6 ein Stromdichte-Spannungs-Diagramm für ein Schaltelement aus Aluminium, Aluminiumoxyd, Nickel gemäß der Erfindung,

Fig. 7 den Einfluß von Temperatur und magnetischem Feld auf das erfindungsgemäße Schaltelement.

309 729/264

Das elektrische Schaltelement nach der Erfindung besitzt ein leitendes Element 1 (Fig. 1), das als erste Elektrode dient. Die Elektrode 1 besteht aus nichtmagnetischem Material, das außerdem vor allem Elektronenenergiezustände, die an das Ferminiveau angrenzen, unmittelbar zur Verfugung stellen kann. Die Elektrode 1 besteht im allgemeinen aus einem Metall, z. B. Aluminium, kann aber auch aus vielen anderen Materialien bestehen, die die obengenannten Bedingungen erfüllen, wie z. B. entartetes Halbleitermaterial.

An die Elektrode 1 grenzt eine Potentialschwelle 2. Die Potentialschwelle 2 kann durch eine Raumladung bedingt sein. Die Schwelle 2 ist schematisch in Fig. 1 selbständig dargestellt, obgleich ihr Vorhandensein von ausschlaggebender Bedeutung ist. Die Ausbildung einer Potentialschwelle 2 kann durch Verwendung eines beliebigen Isoliermaterials oder ziemlich reinen Halbleitermaterials begünstigt werden, das einen verbotenen Energiebereich besitzt. Die Bemessung der Stärke d in Fig. 1 richtet sich danach, daß für die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung ein brauchbarer Wert resultiert, wie es weiter unten beschrieben wird. Die Potentialschwelle 2 kann auch durch ein Kontaktpotential gebildet sein, das infolge Raumladung eine Potentialschwelle aufbaut. Auch dafür gibt es viele Materialien und Anordnungen, die diese Bedingungen erfüllen. Ein geeignetes Potentialschwellenmaterial für eine Aluminiumelektrode, wie sie oben beschrieben ist, ist Aluminiumoxyd (AI2O3), das auf die Aluminiumelektrode 1 in einer Stärke d von etwa 20 bis 30 Ä aufgebracht wird, wodurch ein brauchbarer Wert für die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung gegeben ist. Die die Stärke d bestimmenden Faktoren werden noch genauer besprochen, aber für praktische Zwecke kann angenommen werden, daß die Stärke d etwa zwischen etwa 20 und 30Ä liegen muß.

Auf die Potentialschwelle 2 ist eine Elektrode 3 aus ferromagnetischem Material aufgebracht. Ferromagnetisches Material weist Magnetisierungseigenschaften wie das Element Eisen auf, z. B. Nickel, Eisen, Kobalt, und die ferromagnetischen Legierungen wie Nickeleisen. Die ferromagnetische Elektrode 3 soll eine remanente Hysteresekurve besitzen und kann in Form einer dünnen Schicht aufgebracht werden, deren Stärke annähernd der eines magnetischen Weißschen Bezirks entspricht. Die elektrischen Anschlüsse 4 und 5 an die Elektroden 3 und 1 werden in der üblichen Weise angebracht.

In der Vorrichtung nach Fig. 1 besitzen beide Elektroden 3 und 1 Elektronen, deren Energiezustand etwa dem des Ferminiveaus entspricht. Die Elektroden sind durch eine Potentialschwelle 2 so getrennt, daß sich beim Anlegen einer Vorspannung an die Elektroden 3 und 1 durch ihren Einfluß die Energiezustände überschneiden, was wesentlich ist, um den Tunneleffekt wirksam werden zu lassen. Es stellte sich heraus, daß die Vorrichtung nach der Erfindung auf Änderungen eines angelegten magnetischen Feldes und der Temperatur anspricht, wobei diese Wirkungen in einem Temperaturbereich auftreten, der auch bei den meisten Kryotronmaterialien vorliegt, d. h. im Temperaturbereich unterhalb der Temperatur des flüssigen Heliums. Wenn die ferromagnetische Elektrode 3 aus einer dünnen Schicht eines Materials mit remanenter Hystereseschleife besteht und in ihrer Stärke d etwa einem magnetischen Weißschen Bezirk entspricht, dann wird außerdem der Tunnelstrom, da in ihm Elektronenspins eines Vorzeichens überwiegen, wirksamer mit dem Material gekoppelt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung in Schaltvorrichtungen. Da die Potentialschwellenstromcharakteristik von dem Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Elektrode 3 abhängig ist, kann außerdem infolge der vorteilhaften Eigenschaften des Erfindungsgegenlu Standes die Vorrichtung zum Abfühlen des Zustahdes eines magnetischen Elementes verwendet werden, indem das Potentialschwellenmaterial 2 und die leitende Elektrode 1 in Form von Schichten auf das magnetische Element aufgetragen werden oder umgekehrt. Wenn bei dem magnetischen Element 3 das magnetische Bereichswandumschalten des Durchgangs durch eine Bereichswand — Blochwand — angrenzend an den Sperrschichtkontakt stattfindet, wird hierdurch der Tunnelstrom beeinflußt. Vorstehend ist der äußere Aufbau eines äußerst vielseitigen elektrischen Festkörper-Schaltelements für hohe Schaltgeschwindigkeit beschrieben worden, in welchem der Leitungsmechanismus eine hohe Eigengeschwindigkeit zuläßt und die Steuerung des Leitungsmechanismus in gegenseitiger Abhängigkeit über magnetische und temperaturabhängige Eigenschaften erfolgt und wobei der Zustand des Elements auf verschiedene Art und Weise abgefühlt werden kann. Weiterhin ergibt sich, daß durch die Eigenart der Tunnelstromsteuerung in der Potentialschwelle der Strom wirksam mit der ferromagnetischen Elektrode gekoppelt wird und der magnetische Remanenzzustand der ferromagnetischen Elektrode mit Hilfe dieses Stromes gesteuert werden kann. Das Schaltelement nach der Erfindung wird durch aufeinanderfolgende Metallaufdampfungen und -oxydationen hergestellt. Die Abmessungen, die entsprechenden Reihenwiderstände und Ströme sind entsprechend den großen Packdichten der zur Zeit erforschten Mikroschaltungselementen ziemlich klein. Als typisches Beispiel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1 durch das Aufdampfen im Vakuum einer Aluminiumschicht 1 auf eine Unterlage, z. B. Glas, hergestellt werden. Dann wird das Aluminium zur Bildung des Potentialschwellenmaterials einige Minuten lang bei Zimmertemperatur in Luft oxydiert, und danach wird die ferromagnetische Schicht 3 aus Nickel aufgedampft. Die Stärke der die Aluminiumschicht 1 und die Nickelschicht 3 trennenden Oxydschicht zur Erreichung einer hohen Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung beträgt vorzugsweise 20 bis 30Ängströmeinheiten. Die wirksame Fläche der Vorrichtung nach der Erfindung beträgt etwa 0,13-0,13 mm. Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Bauelements gegenüber magnetischen Feldern läßt sich durch Wärmebehandlung verändern. Sie wird verbessert, indem die Vorrichtung über 1 Stunde lang auf über Zimmertemperatur erwärmt wird. Um die praktische Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu erleichtern und um dem Fachmann bei Anwendung dieser Technologie einen Anhaltspunkt zu geben, wird nachstehend der Tunnelmechanismus für die Bedingung, daß die besondere Potentialschwellenschicht einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, besprochen.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Wahrscheinlichkeit der Tunnelsteuerung über eine

dünne Potentialschwellenschicht hinweg von einer Elektrode zu einer anderen für ein Elektron der Energie E durch die folgende Formel ausgedrückt werden:

Gleichung 1:

_d)

wobei:

Po =
H =

d =

E =

V =
m

= Konstante, bestimmt durch den Bereich, = Plancksches Wirkungsquantum = y- ,

= Stärke der Potentialschwellenschicht,

= Elektronenenergie,

= Schwellenpotential,

= wirksame Masse des Tunnelelektrons.

Das Integral wird zwischen den Grenzen α und b in der Fig. 2 gebildet.

Wenn zwei Metalle »A« und »B« durch eine dünne isolierende Potentialschwellenschicht der Stärket getrennt sind, entsteht das in Fig. 3 dargestellte Energiediagramm für den Zustand, bei dem keine Vorspannung anliegt.

Hierbei ist Φ das Kontaktpotential zwischen den beiden leitenden· Metallen. Die Ferminiveaus der Metalle »B« und »A«, die den Elektroden 1 und 3 der Erfindung (Fig. 1) entsprechen, liegen unterhalb des unteren Randes des Leitungsbandes des Potentialschwellenmaterials 2, und zwar um die Beträge der Energiedifferenzen eWe bzw. eiWß—Φ)-

Unter diesen Umständen kann der Tunnelstrom / bei einer angelegten Spannung V wie folgt ausgedrückt werden:

Gleichung 2:

= AVP,

wobei A eine stetig und langsam variierende Funktion von V sein kann.

Als Gleichung für die Tunnelsteuerungswahrscheinlichkeit unter verschiedenen Bedingungen ergibt sich dann:

Gleichung 3:

Darin ist q die Elementarladung.

Dies trifft zu für die Bedingung Wb>V+ Φ und daß der Strom der angelegten Spannung in etwa proportional ist.

Gleichung 4:

Für die Bedingung Wb ^ V+ Φ.
Gleichung 5:

Für die Bedingung Wb ^ V+ Φ, wobei sich der Strom sehr schnell mit der Spannungssteigerung erhöht.

Für eine Potentialschwelle nach Fig. 3 bedingt das Metall »A« unter positivem Potential die Vorzugsflußrichtung. Ein Schaltelement aus Al, AI2O3 und Ni mit einer Potentialschwellenschicht von etwa 30 Ängströmeinheiten weist eine /-F-Kennlinie auf, wie sie Fig. 4 zeigt. Der Verlauf dieser /-F-Kurve ist fast unabhängig von der Temperatur, und zwar im Bereich der Temperatur flüssigen Heliums bis zur Zimmertemperatur. Es sind zwei Kurven dargestellt. Die Kurvet gilt für die Bedingung, daß die Elektrode 1 positiv ist, und die Kurve B für die Bedingung, daß die ferromagnetische Elektrode 3 positiv ist. Die Spannungsdifferenzen zwischen den beiden Kurven entgegengesetzter Stromrichtung betragen etwa 0,4 Volt für gleiche Stromwerte, so daß der Wert für Φ in Fig. 3 auf 0,2 Volt geschätzt werden kann.

In Fig. 5 ist die Funktion In 1/V = J[IIV+ Φ) dargestellt. Positive und negative Vorzeichen von Φ zeigen die Vorzugsflußrichtung bzw. die ihr entgegengesetzte Flußrichtung an. Der Wert für In (Il V) ist bei verhältnismäßig niedriger Spannung etwa konstant, mit der Erhöhung der angelegten Spannung ändert er sich zunächst allmählich, um dann immer schneller anzuwachsen. Daher stimmt der Gang der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem durch die Gleichungen 3, 4 und 5 ableitbaren überein. Der Exponent in Gleichung 5 errechnet sich zu —200/ V + Φ aus den Werten für die Stärke der Potentialschwellenschicht d bei 30 · 10~⁸ cm oder 30 Ängströmeinheiten. Für Wb ergibt sich 4¹^ Volt. Die freie Elektronenmasse ist m.

Fig. 6 zeigt die /-F-Kurve für eine Vorrichtung

aus Al, AI2O3, Ni mit einer Potentialschwellenschicht

von etwa 20 Ängströmeinheiten. Ein Vergleich mit Fig. 4 zeigt, daß durch eine dünnere Potentialschwellenschicht eine viel höhere Stromdichte erzielt werden kann.
Wenn ein magnetisches Feld an die Vorrichtung nach Fig. 1 unter einer Vorspannung von z. B. 0,26 Volt angelegt wird, dann findet eine Spannungsänderung statt. Der Verlauf dieser Spannungsänderung ist in Fig. 7 bei konstantem Strom in Abhängigkeit von der Stärke des angelegten magnetischen Feldes dargestellt.

In Fig. 7 zeigt die Kurve A den Gang der Empfindlichkeit bei einer Temperatur von 4,2°K und die Kurve B den bei 1,67⁰K. Es gibt also offensichtlich zwei Arten von magnetischen Wirkungen. Die erste ergibt eine Erhöhung der Leitfähigkeit unter dem Einfluß relativ schwacher magnetischer Felder, wie es aus der Tatsache hervorgeht, daß die Spannung an der Materialprobe vom Ausgangswert der Magnetfeldstärke bis zum Erreichen eines Wertes von etwa 2 k-Oersted ansteigt. Diese Erhöhung der Leitfähigkeit hört bei einem Wert auf, der nahezu dem Sättigungswert der ferromagnetischen Elektrode 3 entspricht. Die zweite magnetische Wirkung ist eine Abnahme der Leitfähigkeit beim Anliegen eines starken magnetischen Feldes. Diese Wirkung ist unabhängig von der Richtung des magnetischen Feldes. Natürlich sind diese Wirkungen größer für longitudinale magnetische Felder und kleiner für transversale magnetische Felder. Wie sich aus dem Verlauf der beiden Kurven A und B ergibt, ist die Abnahme der Leitfähigkeit bei starken magnetischen Feldern sehr temperaturabhängig und insbesondere bei Temperaturen, die bei Kryotron-

einrichtungen in der Nähe von 2°K verwendet werden.

Es ergibt sich also eine große Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Fig. 1 insbesondere deshalb, weil unter der Bedingung eines konstanten Stroms zunächst eine geringe negative Spannungsänderung und Stromflußsteigerung mit der Zunahme des magnetischen Feldes stattfindet und danach erst eine größere positive Spannungsänderung eintritt. Die negative Spannungsänderung ist im wesentlichen temperaturunabhängig, während die positive Spannungsänderung stark temperaturabhängig ist, und der Übergang von negativen zu positiven Spannungsänderungen tritt in der Nähe der Sättigung des magnetischen Materials ein.

Die vorstehenden Erläuterungen in bezug auf die Wahrscheinlichkeit der Tunnelbildung beruhen auf bestimmten Annahmen, z. B. einer gleichförmigen Potentialschwelle zwischen Metall und Isolator. Aus den Gleichungen 3, 4 und 5 ergibt sich, daß eine kleine Änderung in der Stärke dza einer größeren Änderung im Tunnelstrom führt. Praktisch können allerdings ungleichförmige Schichten vorhanden sein, die unter Umständen dazu führen, daß die Tunnelwirkung nur in einem Bruchteil der Gesamtfläche stattfinden kann.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektrisches Schaltelement, bei dem der quantenmechanische Tunneleffekt auf einem Stromfluß von einer metallisch leitenden Elektrode über eine Potentialschwellenschicht für Steuerungszwecke ausgenutzt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Potentialschwellenschicht eine ferromagnetische Schicht als Gegenelektrode besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht eine remanente Hysteresisschleife aufweist.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der ferromagnetischen Schicht etwa der eines Weißschen Bezirks entspricht.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Potentialschwellenschicht etwa 20 bis 30 Ängströmeinheiten beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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