DE19746138A1

DE19746138A1 - Verfahren zum Detektieren eines Stroms spingpolarsierter Elektronen in einem Festkörper

Info

Publication number: DE19746138A1
Application number: DE19746138A
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1997-10-18
Filing date: 1997-10-18
Publication date: 1999-04-22
Also published as: JP2001521151A; KR20010031201A; EP1046045A2; WO1999021022A9; WO1999021022A3; WO1999021022A2; CN1279765A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren der überwiegenden Polarisationsrich tung eines durch Injektion aus einem magnetisierten ferromagnetischen Kontaktkörper eines nicht ferromagnetischen Festkörpers in letzterem erzeugten Stroms spinpolarisierter Elek tronen. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind bevorzugt zur Anwendung in der Magnetspeicher technik vorgesehen. In der Magnetspeichertechnik können äußerst hohe Speicherdichten erreicht werden; Magnetspeicher sind nicht flüchtig. Zum Schreiben muß lediglich die Ma gnetisierung durch Anlegen eines externen Magnetfeldes geändert werden. Schwierigkeiten bereitet jedoch der elektronische Auslesevorgang bei Magnetspeichern.

Ein ferromagnetisches Partikel, das eine Hysterese und ein endliches Koerzitivfeld aufweist, kann in Form seiner Magnetisierungsrichtung eine Information speichern. Dabei bedeutet die Speicherung eines Bits eine Magnetisierung entweder parallel oder antiparallel zu einer vorgegebenen Raumrichtung; es handelt sich hierbei um die sogenannte Magnetspeichertechnologie. Ein Partikel, das ein Bit speichert, kann prinzipiell vollständig in eine Richtung magnetisiert sein. Abhängig von der Zustandsdichte (Material) bedeutet dies jedoch keine 100% Spinpolarisation der Leitungselektronen. Prinzipiell kann die Spin polarisation der Leitungselektronen sogar umgekehrt sein. Daher wird von einer "überwie genden" Polarisationsrichtung gesprochen. Wichtig ist nur, daß im allgemeinen ein wie auch immer gearteter Bezug zwischen Magnetisiereinrichtung und Polarisation der Leitungselek tronen besteht.

Die Elektronen in einem ferromagnetischen Material weisen abhängig von der Ausrichtung des Elektronenspins eine unterschiedliche Zustandsdichte auf. Unterscheidet sich diese Zu standsdichte an der Fermikante, so besitzen die Elektronen, die einen Strom transportieren, eine Vorzugspinausrichtung entsprechend der Magnetisierung. Ebenso finden Elektronen, die von einem anderen Material in einen Ferromagneten eintreten, eine unterschiedliche Anzahl freier Zustände je nach Ausrichtung ihres Spins vor.

Nach US-PS 54 32 373 (Johnson 373) kann bei Stromfluß aus einem Ferromagneten in ei nen Nichtferromagneten die Spinpolarisation der Elektronen über einen gewissen Abstand zum jeweiligen Kontakt erhalten bleiben. Eine Anordnung, die im Bekannten hierfür ange nommen wird, besteht aus einem ferromagnetischen Metallkontakt auf einem nicht ferro magnetischen leitenden oder halbleitenden Festkörper.

Hierbei wird ausgenutzt, daß die Spinpolarisation der Leitungselektronen beim Übergang aus dem ferromagnetischen Kontaktmaterial in das nicht ferromagnetische Festkörpermate rial erhalten bleibt und dort einen spinpolarisierten Strom erzeugt. Im folgenden wird dies als Injektion bezeichnet. Die Spinpolarisation der Elektronen bleibt über eine gewisse mate rial- und temperaturabhängige Distanz erhalten. Da die meisten Streumechanismen für Elektronen deren Spin nicht direkt beeinflussen, ist davon auszugehen, daß die Spinrelaxati onslänge deutlich größer ist als die mittlere freie Weglänge für Elektronen. Ein elektroni sches Ausleseverfahren einer in dem jeweiligen ferromagnetischen Kontakt gespeicherten Information kann also darin bestehen, die Spinpolarisation des Stroms zu detektieren.

Eine aus US-PS 56 54 566 (Johnson 566) bekannte Methode zum Detektieren der Spinpola risation der aus dem ferromagnetischen Kontakt in den leitenden oder halbleitenden Fest körper injizierten Elektronen erfordert einen zweiten ferromagnetischen Kontakt an dem Festkörper. Es wird hierbei angenommen, daß die Eigenschaften des zweiten Kontakts je nach Ausrichtung seiner Magnetisierung relativ zur Spinpolarisation des Stroms variieren. Grund hierfür soll die unterschiedliche Zustandsdichte für beide Spinausrichtungen im Fer romagneten sein, die eine spinabhängige Eintriftswahrscheinlichkeit für die ankommenden, spinpolarisierten Elektronen bewirken soll. Die Zustandsdichte im Halbleiter ist jedoch im Vergleich zu den Zustandsdichten in den ferromagnetischen Kontakten so gering, daß die Spinselektivität unmeßbar klein wird; tatsächlich finden alle Elektronen aus dem Halbleiter einen freien Zustand im ferromagnetischen Kontakt.

Wenn man den zweiten ferromagnetischen Kontakt durch eine Tunnelbarriere vom ersten Ferromagneten trennt, wird die Spinselektivität wieder hergestellt. In diesem Fall sind aber ein hoher Widerstand und erhebliche Herstellungsprobleme betreffend die Tunnelbarrieren, die üblicherweise aus einem Oxid von wenigen Nanometern Dicke bestehen und keine De fekte aufweisen dürfen, in Kauf zu nehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Detektieren der Spinpolari sation des aus einem magnetisierten ferromagnetischen Kontaktkörper in einen nicht ferro magnetischen Festkörper injizierten Stroms spinpolarisierter Elektronen zu schaffen, bei dem die vorbeschriebenen Nachteile vermieden werden. Es wird also nach einem neuen Meßprinzip gesucht, das es erlaubt, die Spinpolarisation unmittelbar zu erfassen, das tech nologisch sinnvolle Ein- und Ausgangswiderstände erreicht, Tunnelbarrieren oder derglei chen schwierig herzustellende Hilfsmittel nicht benötigt und eine möglichst geringe Emp findlichkeit gegenüber Drift-, Offset- und Rauschspannungen besitzt, so daß ein entspre chend ausgebildetes Bauelement als nicht flüchtige Speicherstelle für die Informationsmen ge 1 Bit bei im Verhältnis zu herkömmlichen, auf Silizium basierenden dynamischen Spei chern (DRAM) hoher Integrationsdichte zu nutzen ist. Prinzipiell soll zwar nur ein Vorteil gegenüber den nicht flüchtigen Speichern Flash-Ram, EPROM, EEPROM, erreicht werden. Im Rahmen der Aufgabe wäre es aber ein weiterer Fortschritt, wenn zusätzlich auch noch die flüchtigen dynamischen Speicher durch nicht flüchtige Speicher ersetzt werden können. Die Eingangs- und Ausgangswiderstände sollten kompatibel zur herkömmlichen Technolo gie (CMOS) sein.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das eingangs genannte Verfahren darin, daß in dem Festkörper ein das jeweils injizierte Elektron abhängig von seinem durch den Spin er zeugten magnetischen Moment ablenkendes inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird und daß das durch diese magnetische Ablenkung der spinpolarisierten Elektronen aufgebaute elektri sche Feld als Spannung detektiert wird; letzteres soll mit anderen Worten bevorzugt heißen, daß das Integral des elektrischen Feldes als Spannung zwischen zwei Kontakten bestimmt wird.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens werden an den Festkörper mindestens ein die spinpolarisierten Elektronen injizierender ferromagnetischer Kontaktkörper (bzw. Injektorkontakt), mindestens ein das inhomogene Magnetfeld erzeu gender Ferromagnet und mindestens ein elektrischer Kontakt zum Erfassen des elektrischen Feldes vorgesehen. Vorzugsweise bedeutet das, daß mindestens ein Injektor und ein zweiter Kontakt zum Stromeinprägen und mindestens ein Ferromagnet und zwei Kontakte zur Er fassung des Feldes, von denen einer den Magneten beinhalten kann, gebraucht werden. "Ferromagnet" steht hierbei für jedes Mittel, das in der Lage ist, die erforderlichen Magnet felder mit der extremen Inhomogenität zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Einige Verbes serungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen ange geben.

Die Erfindung schlägt ein Meßverfahren vor, das von den bisher verwendeten Verfahren im Grundsatz abweicht. Die üblichen Effekte eines Magnetfelds auf Elektronen in einem Fest körper, insbesondere Halbleiter, lassen sich mit den Stichwörtern Magnetowiderstand und Halleffekt zusammenfassen. Beide Effekte sind in erster Näherung vom Elektronenspin un abhängig. Sie beruhen auf der Lorentzkraft, die eine Ablenkung bewegter Elektronen in einer Richtung senkrecht zu der aus Strom- und Magnetfeldrichtung aufgespannten Ebene bewirkt. Betrachtet man zusätzlich die Magnetfeldwirkung auf den spinpolarisierten Trans port, so wird in der Literatur einzig die Präzession des Elektronenfeldes im externen homo genen Magnetfeld erwähnt; vgl. A. G. Aronov, G. E. Pikus, Spin injection into semicon ductors, Sov. Phys. Semicond. 10, 6, (1976), 698-700.

Erfindungsgemäß wird eine andere Kraft, nämlich eine Kraft, die es erlaubt, spinpolari sierte Elektronen zu beschleunigen bzw. abzulenken, genutzt. Diese Kraft wurde 1921 im sogenannten Stern-Gerlach-Versuch beim Nachweis der Spinquantisierung von Silberato men in einem stark inhomogenen Magnetfeld entdeckt (vgl. Lehrbücher der Physik).

Die erfindungsgemäße Übertragung der für nicht geladene Teilchen konzipierten Idee des Stern-Gerlach-Versuchs auf geladene Teilchen, nämlich Elektronen, die aufgrund eines quantisierten Spins ein magnetisches Moment aufweisen, führt dazu, daß auf das in den Festkörper injizierte spinpolarisierte Elektron in einem mit einem Gradienten behafteten Magnetfeld B aufgrund des magnetischen Moments M die Kraft F = M.∇B wirkt.

Diese Kraft, die dem erfindungsgemäß zu detektierenden elektrischen Feld bzw. dem loka len Gradienten der Spannung proportional ist, bewirkt eine zur Beschleunigung und Aus lenkung des spinpolarisierten Elektronenstroms (also anders als bei der Lorentzkraft) inner halb der Strom/Magnetfeld-Ebene in Richtung des B-Feldgradienten. Die erfindungsgemäß angewendete das einzelne Elektron ablenkende Kraft F ist auch nur abhängig vom Gra dienten des Magnetfeldes und vom magnetischen Moment des Elektrons. Diese Kraft ist dagegen unabhängig von der Größe des (Elektronen-)Stroms. Der Polarisationsgrad und Strom bestimmen über die Zahl der spinpolarisierten Elektronen nur den Ausgangswider stand.

Einige weitere Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein Analysekontakt und ein Ma gnetfeldsensor nicht erforderlich sind, und vor allem, daß bei Einsatz üblicher Herstellungs verfahren eine Speicherstelle mit weniger Prozeßaufwand und mit deutlich kleinerer Di mension als bisher herzustellen ist. Beispielsweise läßt sich das externe Magnetfeld eines sehr kleinen ferromagnetischen Partikels an der Partikeloberfläche aufgrund der Stetigkeits bedingungen so hoch wie die Magnetisierung des Partikels machen, es kann also im Bereich von 1 bis 2 Tesla liegen. In geringem Abstand von der Partikeloberfläche nimmt das (dort inhomogene) Magnetfeld extrem schnell ab. Ein Partikel von etwa 300 nm Durchmesser erzeugt in einem Abstand von 1 Mikrometer quasi kein Feld mehr. Das externe Magnetfeld weist daher nahe der Partikeloberfläche - innerhalb z. B. 500 nm - einen extrem hohen Gra dienten auf, der eine Größenordnung von 10⁷ T/m erreichen kann. Bevorzugt sollen im Rahmen der Erfindung den Miniaturisierungsmaßstäben entsprechend kleine ferromagneti sche Partikel mit Durchmessern kleiner als 500 nm, insbesondere kleiner als 200 nm, einge setzt werden. Die Partikel können, wenn möglich, noch kleiner sein. Angestrebt werden derzeit Durchmesser von 100 nm und weniger.

Im Rahmen der Erfindung kann der Festkörper aus Halbleitermaterial oder einem leitendem nicht ferromagnetischem Material bestehen, besonders bevorzugt als Material wird Silizium. Ein zum Erzeugen des inhomogenen Magnetfeldes vorgesehener ferromagnetischer Kontakt soll quer zur mittleren Injektionsrichtung der spinpolarisierten Elektronen und parallel zur Oberfläche des die Elektronen führenden Festkörpers magnetisiert werden. Dem magneti sierten ferromagnetischen Kontaktkörper - auch Injektorkontakt - insgesamt kann ein nicht ferromagnetischer aber auch ein zweiter ferromagnetischer Kontaktkörper auf einer gegen überliegenden Kante des Festkörpers zugeordnet werden.

Die Erfindung wird einschließlich weiterer Ausgestaltungen und Verbesserungen teilweise unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebilde ten Speicherzelle mit einem Injektorkontakt;

Fig. 2 und 3 den Mechanismus von Fig. 1 bei parallelen oder antiparalleler Ausrichtung von Spinpolarisation und Magnetfeld;

Fig. 4 und 5 den Mechanismus wie bei Fig. 2 und 3, jedoch mit einer Zelle mit zwei Injektorkontakten;

Fig. 6 eine planare Version der Speicherzelle nach Fig. 1;

Fig. 7 den Verlauf des (inhomogenen) Magnetfeldes nach Fig. 6; und

Fig. 8 eine Speichermatrix mit einer Vielzahl von Bauelementen nach Fig. 1 oder 6.

In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung befinden sich auf einander gegenüberliegenden Kan ten eines aus Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, bestehenden Festkörpers 1 ein fer romagnetischer Kontaktkörper 2 - das ist in Fig. 1 ein sogenannter Injektorkontakt - und ein nicht ferromagnetischer Kontaktkörper 3, der in Fig. 1 nur zur Stromeinprägung dient. An die beiden anderen Festkörperkanten grenzen ein ferromagnetischer Kontakt 4 zur Ablen kung und Spannungsmessung und ein nicht ferromagnetischer Kontakt 5 zur Spannungs messung an.

Der ferromagnetische Kontaktkörper 2 soll parallel zur Oberfläche des Festkörpers 1 und quer zur Verbindungslinie der Kontaktkörper 2, 3, also der mittleren Stromrichtung 6, ma gnetisiert sein. Die Magnetisierungsrichtung in dem Körper 2 wird mit 7 bezeichnet. Zwi schen den Kontaktkörpern 2 und 3 sollen Elektronen 8 im Mittel längs der Stromrichtung 6 fließen. Die Elektronen 8 sollen zu einem bestimmten Prozentsatz spinpolarisiert sein. Diese Spinpolarisation 9 entspricht von der Richtung her der Magnetisierungsrichtung 7 des Kontaktkörpers 2 oder ist ihr entgegengesetzt, je nachdem wie die Spinpolarisation die Lei tungselektronen mit der Magnetisierung verknüpft ist.

Im folgenden bezeichnet die Stromrichtung 6 die Bewegungsrichtung der injizierten spin polarisierten Elektronen. Ein Strom vom Kontaktkörper 2 zum Kontaktkörper 3 durch den Festkörper 1 wird entsprechend der durch die Magnetisierung des Kontaktkörpers 2 be stimmten unterschiedlichen Zustandsdichte für die verschiedenen Spinrichtungen spinpola risiert. Durch das inhomogene Magnetfeld des Kontakts 4 wirkt eine Kraft auf die spinpola risierten Elektronen 8. Durch die Kraft kommt es zu einer Ladungstrennung, die eine Span nung U zwischen den Kontakten 4 und 5 erzeugt. Diese Spannung wechselt ihr Vorzeichen, je nachdem ob die (resultierende) Kraft anziehend oder abstoßend ist.

Wird der Festkörper 1 als rechteckig symbolisiert, sitzen die Kontaktkörper 2 und 3 auf den Festkörperkanten 10 bzw. 11 und die Kontakte 4 und 5 grenzen an die Kanten 12 bzw. 13. Die Magnetisierung 14 des Kontakts 4 soll nach Fig. 1 in Richtung auf den anderen Kontakt 5 verlaufen. Diese Richtung wird als x-Richtung bezeichnet. Der Kontakt 4 bzw. dessen Anschluß an den Festkörper 1 befindet sich bei x = 0, der Kontakt 5 (bzw. dessen An schlußstelle an den Festkörper 1) befindet sich bei x = d, wenn d der Abstand der gegen überliegenden Kanten 12 und 13 des Festkörpers 1 ist.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird in Fig. 1 ein B-Feld 14 in Plus-x-Richtung an genommen. Die Abmessungen des Kontaktes 4 und dessen Form werden so gewählt, daß das externe Magnetfeld in Plus-x-Richtung den bereits beschriebenen hohen B-Gradienten aufweist. Auf die spinpolarisierten Elektronen 8, die sich von dem Kontaktkörper 2 in Richtung auf den Kontaktkörper 3 durch den Festkörper 1 bewegen, wirkt eine Kraft F auf grund des durch den Elektronen-Spin erzeugten magnetischen Moments und des Magnet feldgradienten.

Dadurch werden die Elektronen 8 abgelenkt, wobei die hierdurch erfolgende Ladungstren nung aufgrund der ungleichen Verteilung der verschiedenen magnetischen Momente ein (der Auslenkung entgegenwirkendes) elektrisches Feld E aufbaut. Dieses elektrische Feld hat die Größe E = 1/e.M.∇B.

Zwischen den beiden Kontakten 4 und 5 liegt daher eine Spannung U, die dem Integral über das elektrische Feld E von 4 nach 5 entspricht. Ist das Magnetfeld B vom Kontakt 4 (x = 0) bis zum Kontakt 5 (x = d) auf Null abgefallen, so ergibt das Integral U = 1/e.M.B.

Diese Spannung kann je nach Betrag der Magnetisierung des Kontakts 4 im Bereich zwi schen 100 Mikrovolt und 1 Millivolt liegen. Die Spannung U ist, wie aus der letzten Formel ersichtlich ist (ganz im Gegensatz zur spinunabhängigen Hallspannung) nicht vom Strom zwischen den Kontaktkörpern 2 und 3 abhängig. Der Strom bestimmt einzig den Aus gangswiderstand des Bauelements bzw. Speicherelements. Das Bauelement kann also an bestehende Schaltungen angepaßt werden. Wenn die Spannung U mit den gesonderten Kontakten 4 und 5 gemessen wird, steckt die erfindungsgemäße Information über die Spin polarisation nicht im Spannungspegel, sondern allein im Vorzeichen.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für Aufbau und Funktion eines erfindungsgemäßen Bauelements bei paralleler Ausrichtung von Spinpolarisation 9 und ablenkendem (inhomogenen) Magnet feld 14. Zwischen die Kontaktkörper 2 und 3 wird eine Spannungsquelle 15 gelegt, die ge suchte Spannung U zwischen den Kontakten 4 und 5 wird an dem Meßgerät 16 abgelesen.

In Fig. 3 wird ein ähnlicher Aufbau wie in Fig. 2 dargestellt. Der Unterschied besteht im wesentlichen darin, daß die Spinpolarisation 9 der Elektronen 8 antiparallel zum Magnetfeld 14 liegt.

Die Spinpolarisation des Elektronenstroms wird durch den Injektorkontakt vorgegeben. Werden jedoch die Kontaktkörper 2 und 3 identisch ausgelegt, so können durch Umkehr der Stromrichtung wahlweise die Kontaktkörper 2 oder 3 ausgelesen werden. In diesem Fall verdoppelt sich die Integrationsdichte. In Fig. 4 und 5 werden ähnliche Verhältnisse wie bei Fig. 2 und 3 dargestellt; jedoch wird vorgesehen, daß beide Kontaktkörper 2 und 3 ferroma gnetisch sind und als Speicher einer Polarisations-Information dienen können. Es ist dann - wie dargestellt - möglich, an ein und demselben Bauelement zwei Injektorkontakte (2, 3) durch Umkehrung der Stromrichtung 6 bzw. Umpolung der Spannungsquelle 15 auszulesen.

Ein erfindungsgemäßes Bauelement kann, wie gesagt, als Speicherstelle bzw. Speicherele ment für die Informationsmenge 1 Bit genutzt werden, wobei eine sehr hohe Integration zu erreichen ist. Die Miniaturisierung kann wesentlich weiter als bei herkömmlichen DRAMs getrieben werden.

Die jeweils gespeicherte Information kann wahlweise im Kontaktkörper 2 oder im Kontakt 4 gespeichert werden, wobei zum Auslesen die Magnetisierungsrichtung des jeweils ande ren Kontakts bekannt sein muß. Im allgemeinen ist es aber günstig, den zum Speichern ver wendeten ferromagnetischen Kontakt aus weichmagnetischem Material und den zum Er zeugen des stark inhomogenen Magnetfeldes benutzten Kontakt aus hartmagnetischem Ma terial herzustellen.

In Fig. 6 wird eine planare Version der Anordnung von Fig. 1 dargestellt. Das aktive Gebiet, der Festkörper 1, wird z. B., insbesondere bei Verwendung von Halbleitermaterial, durch Ionenimplantation erzeugt. Nach Fig. 1 befinden sich die Kontakte 4 und 5 in der Ebene des Festkörpers 1, nach Fig. 6 befinden sich alle Kontakte 2, 3 und 4, 5 auf der Oberfläche des Festkörpers 1. Die Kontakte 4, 5, die das inhomogene B-Feld erzeugen sollen, werden nach Fig. 6 und 7 so dünn gemacht, daß Magnetfeld und Feldgradient an der Oberfläche (von 1) nahezu parallel zu dieser verlaufen. Diese Herstellungsweise ist kompatibel mit herkömmli cher Technologie.

Fig. 7 zeigt einen bevorzugten Verlauf des ablenkenden (inhomogenen) Magnetfeldes vor dem ablenkenden Kontakt 4 in der planaren Variante nach Fig. 6. Durch einen sehr dünnen Kontakt 4 verläuft der B-Gradient unmittelbar in bzw. an der Oberfläche des Festkörpers 1, insbesondere also des Halbleiterkörpers.

Gemäß weiterer Erfindung werden die Kontakte 4 und 5 beide als Ferromagneten ausgelegt. Bei beiden Kontakten 4 und 5 kann das B-Feld in die gleiche Richtung weisen, wenn nur der B-Gradient der Kontakte 4 und 5 entgegengesetzt ist. Wird dann der Abstand d der Kontakte 4 und 5 so gewählt, daß das Magnetfeld beider Kontakte in der Mitte (x = d/2) zwischen den Kontakten nahezu Null ist, so addieren sich die Spannungen, die durch die Feldgradienten erzeugt werden. Die Ausgangsspannung wird dadurch verdoppelt.

Falls eine technologische Inkompaktibilität zwischen dem Material des Kontakts 4 und demjenigen des Festkörpers 1 bestehen sollte, kann der Kontakt 4 durch eine dünne, nicht ferromagnetische Metallschicht 17 vom Festkörper 1 getrennt werden, ohne die Funktion wesentlich zu beeinträchtigen. Ebenso muß der Injektormagnet 2 nicht notwendigerweise mit dem Halbleiter 1 direkten Kontakt haben. Es ist vorstellbar, daß zur Verbesserung der Kontakteigenschaften eine nicht ferromagnetische dünne Metallschicht eingebracht wird, wobei in dieser der Spin nicht -jedenfalls nicht störend - relaxieren darf.

Der Kontakt 5 kann im Prinzip auch ganz weggelassen werden. In diesem Fall wird die Spannung U zwischen den Kontakten 4 und 3 oder 4 und 2 gemessen, wobei jedoch mit Änderung der Spinpolarisation kein Vorzeichenwechsel, sondern nur eine Spannungsände rung auftritt. Diese Lösung ist zu bevorzugen, wenn eine ausreichend große Spannungsän derung auftritt und eine durch den Wegfall des einen Kontakts ermöglichte höhere Integra tionsdichte erwünscht ist.

Bei Integration werden die einzelnen Bauelemente in einer Speichermatrix angeordnet. Hierbei verläuft in jeder Spalte und in jeder Zeile eine Leitung, wobei sich an dem umzuma gnetisierenden Kontakt je eine Zeilen- oder Spaltenleitung überlagern. Das Magnetfeld, welches eine Zeilen- oder Spaltenleitung allein erzeugt, ist kleiner als das Koerzitivfeld ei nes Information speichernden Kontaktes. An der Stelle, an der sich das Feld einer Spalten- oder Zeilenleitung überlagern, wird die Koerzitivfeldstärke überschritten. Auf diese Weise können mit einer einfachen Ansteuerung die Kontakte selektiv ummagnetisiert (umge schrieben) werden. Diese Zeilen- und Spaltenleitungen können auch zur Ansteuerung (Adressierung) der einzelnen Elemente und zum Auslesen genutzt werden.

Im Rahmen der Erfindung können mehrere Speicherelemente zusammengeschaltet werden, wobei jeweils Kontaktkörper 2 vom n-ten Element und Kontaktkörper 3 (n + 1)-ten-Element verbunden werden. Bei Strom von Kontaktkörper 3 des ersten Elements der Kette zum Kontaktkörper 2 des letzten Elements der Kette liegen an allen Elementen der Kette die zu gehörigen Ausgangsspannungen an. Diese können also parallel ausgelesen werden. Alterna tiv können mehrere Elemente zusammengeschaltet werden, wobei jeweils Kontakt 4 vom n-ten Element mit Kontakt 5 des (n + 1)-ten Element zu verbinden ist. Bei Ansteuerung des n-ten Bauelements der Kette über seine Kontaktkörper 2 und 3 liegt zwischen Kontakt 5 des ersten Elements und Kontakt 4 des letzten Elements die Ausgangsspannung des n-ten Ele ments an. Dadurch wird ein selektives Auslesen mit nur einer Ausgangssignalleitung er möglicht.

Die vorgenannten Verkettungen können kombiniert werden, in dem die Kontaktkörper 2 und 3 beispielsweise in Spalten und die Kontaktkörper 4 und 5 in Reihen angeordnet wer den. Es kann dann ein Strom durch eine Spalte eingeprägt und durch Auswahl einer Reihe ein einzelnes Element der Matrix gezielt ausgelesen werden. In diesem Fall benötigt man 2n-Leitungen um n²-Elemente zu adressieren. Bei dieser Matrix-Verkettung können die Kontakte 4 und 5 jeweils von zwei Bauelementen genutzt werden. Von der Funktionsweise her sollen dann die Kontakte 4 und 5 bei nebeneinanderliegenden Speicherelementen sei tenvertauscht angebracht werden. Die Zusammenfassung spart nicht nur Platz, sondern auch Material und Herstellungsaufwand. Eine entsprechende Verschaltung und Ansteuerung an derer Elemente in einer Matrix mit gemeinsamer Nutzung der Kontakte durch je zwei Ele mente wird in Fig. 8 dargestellt.

Fig. 8 geht noch weiter. Es wird nämlich eine Variante mit zwei ablenkenden Magneten eingesetzt. Da ein Magnet von beiden Enden jeweils unterschiedlich aussieht, werden alle Elemente gleichsinnig betrieben. Zusätzlich sind alle Kontakte 2 und 3 Informationsträger. Sie dienen aber, je nachdem welches Element betrachtet wird, entweder als Injektor oder als zweiter Kontakt zum Stromeinprägen (hierbei stört die Magnetisierung nicht). Man hat also zwei Kontakte gespart, bzw. man nutzt die 2 Bit Variante, liest aber nicht durch Stromum kehr aus. Die einzelnen Zusammenhänge werden am besten aus der Zeichnung und den Be zugszeichen von Fig. 8 verständlich.

Bezugszeichenliste

1

Festkörper

2

,

3

Kontaktkörper

4

,

5

Kontakt

6

Elektronenstrom

7

Magnetisierung

8

Elektronen

9

Spinpolarisation

10-13

Kanten (

1

)

14

B-Feld

15

Spannungsquelle

16

Spannungsmeßgerät

17

Metallschicht

Claims

1. Verfahren zum Detektieren der überwiegenden Polarisationsrichtung eines durch Injektion aus einem magnetisierten ferromagnetischen Kontaktkörper (2) eines nicht ferromagnetischen Festkörpers (1) in letzterem erzeugten Stroms spinpolarisierter Elektronen (8) dadurch gekennzeichnet, daß in dem Festkörper (1) ein das jeweils injizierte Elektron (8) abhängig von seinem durch den Spin erzeugten magnetischen Moment ablenkendes inhomogenes Magnetfeld erzeugt wird und daß das durch diese magnetische Ablenkung der spinpolarisierten Elektronen (8) aufgebaute elektrische Feld als Spannung detektiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektion durch Anlegen einer Spannung zwischen dem ferromagnetischen Kontakt körper (2) und einem weiteren Kontaktkörper (3) des Festkörpers (1) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kontaktkörper (2) als Informationsträger bzw. Magnetspeicher magnetisiert wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld als Spannung zwischen Kontakten (2, 4; 3, 4; 4, 5) des Festkörpers (1) gemessen wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld als Spannung zwischen zwei zusätzlich zu dem ferromagnetischen Kontaktkörper (2) vorgesehenen Kontakten (4, 5) des Festkörpers (1) in einer Richtung im wesentlichen quer zur mittleren Stromrichtung (6) der Elektronen (8) gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Richtung des elektrischen Feldes bzw. die Polarität der Spannung gemessen wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das inhomogene Magnetfeld mit Hilfe eines an einer Festkörperkante (12) außerhalb des Festkörpers (1) positionierten, externen Ferromagneten (4) erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Kontaktkörper (2) oder der externe Ferromagnet (4) als Informationsträger bzw. Magnetspeicher magnetisiert wird.

9. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Festkörper (1) mindestens ein die spinpolarisierten Elektronen (8) injizierender ferromagnetischer Kontaktkörper (2), mindestens ein das inhomogene Magnetfeld erzeu gender Ferromagnet und mindestens ein elektrischer Kontakt (4) zum Erfassen des elektri schen Feldes vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die spinpolarisierten Elektronen (8) injizierende ferromagnetische Kontaktkörper (2) und ein zweiter Kontaktkörper (3) zum Anlegen einer elektrischen Span nung für die Elektroneninjektion an gegenüberliegenden Kanten (10, 11) des Festkörpers (1) angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktkörper (2, 3) ferromagnetisch sind und zugleich oder wahlweise als magnetisierbarer Informationsträger bzw. Magnetspeicher dienen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Kanten (12, 13) des Festkörpers (1) auf einer Linie im wesentli chen quer zur mittleren Stromrichtung (6) der spinpolarisierten Elektronen (8) je ein elektri scher Kontakt (4, 5) zum Erfassen des elektrischen Feldes vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der elektrischen Kontakte (4, 5) einen externen Ferromagneten zum Erzeugen jeweils eines inhomogenen Magnetfelds im Festkörper (1) darstellt oder enthält.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Ferromagnet ein den Miniaturisierungsmaßstäben der Magnetspeichertechnologie entsprechend kleines ferromagnetisches Partikel, vorzugsweise unter 500 nm, insbesondere unter 200 nm, Durchmesser, vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige externe Ferromagnet durch eine relativ zu den Festkörpermaßen dünne Schutz- bzw. Metallschicht (17) von dem Festkörper (1) getrennt ist.

16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkettung mehrerer Festkörper (1) mit Kontakten (2, 3, 4, 5) und zugehörigen Ferromagneten vorgesehen ist, wobei jeweils ein und derselbe externe Ferromagnet bzw. elektrische Kontakt zum Erzeugen des inhomogenen Magnetfeldes und zum Messen des elektrischen Feldes in zwei benachbarten Festkörpern vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkettung mehrerer Festkörper (1) mit Kontakten (2, 3, 4, 5) und zugehörigen Ferromagneten vorgesehen ist, wobei jeder Kontakt von je zwei Elementen genutzt ist und jedes Element im Schnitt nur zwei Kontakte hat und wobei der Injektorkontakt des jeweils einen Elements dem anderen unabhängig von der Magnetisierung als Kontakt zum Anlegen der Injektionsspannung dient (Fig. 8).

18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 17 und 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche bzw. Kontakte zum Erzeugen des inhomogenen Magnetfelds so dünn sind, daß Magnetfeld und Magnetfeldgradient an der Festkörperoberfläche nahezu parallel zu dieser verlaufen (Fig. 7).

19. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweils als Quelle der spinpolarisierten Elektronen (8) dienender ferromagnetischer Kontaktkörper (2) aus im Sinne einer leichten Unmagnetisierbarkeit weichferromagneti schem Material besteht.

20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils zum Erzeugen des inhomogenen Magnetfeldes dienende Ferromagnet (4) aus einem möglichst hartmagnetischen Material besteht.

21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper (1) im wesentlichen aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise aus Si lizium, besteht.

22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine planare Anordnung des Festkörpers (1) mit den Kontakten (2, 3, 4, 5) vorgesehen ist (Fig. 6).

23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kontakte (2, 3, 4, 5) und Ferromagneten auf der Oberfläche der planaren An ordnung befinden (Fig. 1).

24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Ionenimplantation erzeugtes aktives Gebiet als Festkörper (1) vorgesehen ist.