DE19952319A1 - Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion magnetischer Felder - Google Patents

Abstract

Ein Hall-Sensor (10) zur Detektion magnetischer Felder umfaßt mindestens ein Hall-Element (17) und zugehörige Kontaktelektroden (16, 16a-16d), die schichtförmig auf einem Substrat (11) angeordnet sind, wobei das Substrat (11) eine strukturierte Oberfläche mit mindestens einem Vorsprung (12) besitzt, zur Bildung des Hall-Elements (17) auf der Substratoberfläche eine Halbleiterschicht mit einer derartigen Strukturierung vorgesehen ist, daß das Hall-Element (17) auf dem Vorsprung (12) angeordnet ist, und die Kontaktelektroden (16, 16a-16d) auf der Halbleiterschicht auf relativ zum Hall-Element (17) abgesenkten Bereichen entsprechend in der Umgebung des Vorsprungs (12) angeordnet sind. Es wird ein Rasterhallmikroskop mit einem derartigen Hall-Sensor beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung zur Magnet­ felddetektion mit einem Hall-Sensor und insbesondere einen Hall-Sensor zur ortsaufgelösten Detektion magnetischer Fel­ der. Die Erfindung betrifft auch Anwendungen einer derartigen Vorrichtung beim Aufbau eines Rasterhallmikroskops und eines Lesekopfes für magnetische Datenspeicher.

Seit der Erfindung der magnetischen Kraftmikroskopie (MFM, siehe Y. Martin et al. in "Appl. Phys. Lett.", Bd. 50, 1987, S. 1455 ff.) wurden verschiedene Versuche unternommen, ein quantitatives und nicht-invasives Verfahren zur Messung von magnetischen Streufeldern im Sub-Mikrometerbereich einzufüh­ ren. Als solche wurden die SQUID-Mikroskopie (siehe J. R. Kirtley et al. in "Appl. Phys. Lett.", Bd. 66, 1995, S. 1138 ff.), die Abtastung mit magnetischen Leseköpfen (siehe R. O'Barr et al. in "J. Appl. Phys.", Bd. 79, 1996, S. 6067 ff.) und die Rastermikroskopie mit einer Hall-Sonde (SHPM, siehe A. M. Chang et al. in "Appl. Phys. Lett.", Bd. 61, 1992, S. 1974 ff. und A. Oral et al. in "Appl. Phys. Lett.", Bd. 69, 1996, S. 1324) entwickelt. Das SHPM-Verfahren besitzt den Vorteil, daß die Hall-Sonde ein sehr geringes Eigenfeld be­ sitzt, so daß nur eine geringe Störung des zu messenden Streufeldes einer Probe erfolgt, und daß die Hall-Spannung direkt mit der aus der Probenebene heraustretenden Magnet­ feldkomponente, die die Sonde durchtritt, in Beziehung steht. Die herkömmlichen Rasterhallmikroskope besitzen jedoch Nach­ teile, die im Folgenden unter Bezug auf Fig. 7 erläutert werden.

Fig. 7 illustriert schematisch das Sensorteil eines Raster­ hallmikroskops mit einer Tunnelstromabstandsregelung, wie es bspw. in den genannten Publikationen von A. M. Chang et al. und von A. Oral et al. beschrieben wird. Am Ende eines bieg­ samen Trägers 20' (sog. Cantilever) sind eine Tunnelspitze 21' und ein Hall-Sensor 10' angebracht. Der Träger 20' wird rasterartig relativ zur Oberfläche der Probe 30' bewegt, wäh­ rend in der von der Rastertunnelmikroskopie bekannten Verfah­ rensweise der Abstand zwischen der Probe 30' und der Tunnel­ spitze 21' so eingestellt wird, daß zwischen beiden ein kon­ stanter Tunnelstrom fließt. Aus den für alle Meßpunkte der Probenoberfläche eingestellten Abständen kann dann ein topo­ graphisches Abbild der Oberfläche gewonnen werden. Simultan wird für jeden Meßpunkt mit dem Hall-Sensor 10' eine Hall- Spannung als Maß für das magnetische Streufeld am Meßpunkt erfasst. Der Hall-Sensor 10' enthält eine mikrostrukurierte Halbleiterheterostruktur-Schichtanordnung mit einem zweidi­ mensionalen Elektronengas (im Folgenden abgekürzt: 2DEG), das empfindlich auf das äußere magnetische Streufeld reagiert.

Der herkömmliche Aufbau des Sensorteils gemäß Fig. 7 besitzt den Nachteil, daß die Tunnelspitze 21' und der Hall-Sensor 10' einen Abstand im µ-Bereich besitzen, so daß an jedem Meß­ punkt jeweils Merkmale der Probe 30' erfasst werden, die ver­ schiedenen Orten auf der Oberfläche entsprechen. Außerdem be­ trägt bei diesem Aufbau der Abstand zwischen der Probe 30' und dem Hall-Sensor 10' mindestens 200 nm, so daß sich die Ortsauflösung der Sensoranordnung verringert. Außerdem muss der Hall-Sensor 10' um rund 1 bis 2° verkippt angebracht sein, damit eine Kontaktierung der Halbleiterheterostruktur durchgeführt werden kann. Mit den herkömmlichen Rasterhallmi­ kroskopen kann nur eine räumliche Auflösung erreicht werden, die größer als 200 nm entsprechend dem genannten Abstand ist. Praktisch beträgt sie lediglich 350 nm (A. M. Chang et al.) bzw. 850 nm (A. Oral et al.).

Weitere rastermikroskopische Verfahren wurden für die Raster­ nahfeldmikroskopie entwickelt. Bei der Rasternahfeldmikrosko­ pie wird die Wechselwirkung von Licht, das von einer ange­ spitzten Glasfaser ausgeht, mit einer Probenoberfläche erfaßt. Die Glasfaser wird über der Probenoberfläche mit einer Quarzstimmgabel (siehe K. Karrai et al. in "Appl. Phys. Lett.", Bd. 66, 1995, S. 1842 ff.) oder mit Piezo-Blättchen (siehe R. Brunner et al. in "Rev. Sci. Instrum.", Bd. 68, 1997, S. 1769 ff.) in Schwingung versetzt. Beim Annähern der Glasfaser an die Probenoberfläche wird neben der optischen Messung zur Topographieaufnahme auch die Dämpfung der Schwin­ gungsamplitude erfaßt. Die herkömmlichen Methoden der Raster­ nahfeldmikroskopie mit Scherkraftregelung besitzen den Nach­ teil, daß damit keine magnetischen Streufelder der Probe er­ fasst werden können.

Aus der Publikation von M. L. Leadbeater et al. in "Phys. Rev. B.", Bd. 52, 1995, S. R 8629 ff., wird die Bildung von Halbleiterheterostrukturen auf strukturierten Substraten be­ schrieben. Die Untersuchungen von M. L. Leadbeater et al. wa­ ren auf die Charakterisierung des Magnetowiderstands der Schichtanordnung mit einer nicht-planaren Geometrie gerich­ tet. Es wurde festgestellt, daß auf strukturierten Substraten geschlossene Schichtstrukturen gebildet werden können, die sich durch eine extrem hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus­ zeichnen. Aus den von M. L. Leadbeater et al. beschriebenen Schichtgeometrien und Meßanordnungen konnten jedoch keine praktischen Anwendungen, z. B. in der Meßtechnik, abgeleitet werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Hall- Sensor anzugeben, der für die Detektion magnetischer Felder mit erhöhter Ortsauflösung geeignet ist. Der Hall-Sensor soll insbesondere in einem Rasterhallmikroskop einsetzbar sein. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Ra­ sterhallmikroskop anzugeben, mit dem simultan Abbildungen der Topographie und der magnetischen Streufelder an einer Pro­ benoberfläche mit hoher Genauigkeit aufgenommen werden können und das sich durch eine hohe Ortsauflösung auszeichnet.

Diese Aufgaben werden durch einen Hall-Sensor und ein Raster­ hallmikroskop mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung besteht in der Bereitstellung ei­ nes Hall-Sensors (oder einer Hall-Sonde) mit mindestens einem Hall-Element auf der Basis einer Halbleiterheterostruktur, die auf einem strukturierten Substrat mit mindestens einem Vorsprung gebildet ist, der das mindestens eine Hall-Element trägt. Das Hall-Element ist mit Kontaktelektroden zur Strom­ ansteuerung bzw. zur Messung mindestens einer Hall-Spannung versehen, die auf der Heterostruktur in relativ zum Vorsprung abgesenkten Substratbereichen angeordnet sind. Damit wird ein Hall-Sensor mit mindestens einem in einer bestimmten Raum­ richtung hervorragenden Hall-Element geschaffen, in dem ein nicht-planares, quasi-zweidimensionales Elektronengas gebil­ det ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Hall-Sensor durch einen Schichtaufbau aus einem Substrat (Wafer) mit mindestens einem Vorsprung, der über die Oberflä­ che des Substrats hinausragt, einer auf der Substratoberflä­ che gebildeten Halbleiterheterostruktur, die zur Bildung ei­ nes Hall-Elements mikrostrukturiert ist, und Ohmschen Kon­ takten gebildet, deren Dicke geringer als die Höhe des Vor­ sprunges ist und die in der Umgebung des Vorsprungs in den zurückgesetzten oder abgesenkten Bereichen des Substrats auf der Halbleiterheterostruktur angeordnet sind. Das Substrat besteht aus einem kristallinen Halbleiter- oder Isolatormate­ rial, das am Vorsprung geneigte, ebene Seitenwände besitzt, die vorzugsweise vorbestimmten Kristallflächen des Substrat­ materials entsprechen. Die Halbleiterheterostruktur ist als gleichförmige, der Strukturierung der Substratoberfläche fol­ gende, kristalline Mehrfachschicht gebildet. Sie besteht bspw. aus zwei verschiedenen Halbleitern, die mit dem Verfah­ ren der Molekularstrahlepitaxie (MBE) abgeschieden worden sind. Es wird bspw. eine GaAs/AlGaAs-Heterostruktur auf einem GaAs-Substrat gebildet. Es können aber auch andere Halblei­ termaterialien, wie sie für Hall-Elemente verwendet werden (z. B. InAs/InGaAs) vorgesehen sein, bei denen oberflächennah ein 2DEG gegeben ist oder gebildet werden kann. Für Anwendun­ gen mit hoher Ortsauflösung wird der aktive Hall-Bereich mit den Verfahren der optischen Lithographie oder Elektronen­ strahllithographie mit einer charakteristischen Dimension un­ terhalb eines halben Mikrometers ausgebildet.

Der erfindungsgemäße Hall-Sensor besitzt die folgenden Vor­ teile. Mit der Erfindung wird erstmalig ein Hall-Sensor ge­ schaffen, dessen Hall-Element extrem dicht an eine Probe her­ angeführt und mit einem extrem kleinen aktiven oder sensiti­ ven Bereich ausgebildet werden kann. Der Abstand zwischen der Probe und dem 2DEG kann bis auf einige nm eingestellt werden. Die geometrischen Besonderheiten des erfindungsgemäßen Hall- Sensors erlauben eine erhebliche Verbesserung der Ortsauflö­ sung bei der Messung magnetischer Streufelder. Es können erstmalig an nicht leitenden oder nicht gleichförmig leiten­ den Proben, wie z. B. strukturierten oder gemustert magneti­ sierten magnetischen Proben oder integrierten Schaltkreisen, gleichzeitig Topographie- und Streufeldmessungen erfolgen. Der erfindungsgemäße Hall-Sensor zeichnet sich im Vergleich mit herkömmlichen Hall-Sensoren auf der Basis eines 2DEG durch eine hervorragende Empfindlichkeit und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aus. Der Hall-Sensor kann mit an sich verfügbaren Strukturierungstechniken mit beliebigen, an die jeweilige Anwendung angepassten Formen und einem oder mehreren Hall-Elementen auf einem Substrat hergestellt sein.

Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Rasterhallmikroskop bereitgestellt, bei dem im Un­ terschied zu herkömmlichen Rasterhallmikroskopen eine Scher­ kraftregelung mit einem schwingfähigen Trägerstab implemen­ tiert ist, an dessen Ende ein erfindungsgemäßer Hall-Sensor befestigt ist. Der Trägerstab (oder Cantilever) wird in einem vorbestimmten Abstand von der Probenoberfläche in Schwingung versetzt, wie es an sich aus der Rasternahfeldmikroskopie be­ kannt ist. Die Schwingungsanregung mit mindestens einem Pie­ zoelement wird bevorzugt.

Das erfindungsgemäße Rasterhallmikroskop besitzt den Vorteil, daß die simultane Erfassung von magnetischem Streufeld und Oberflächentopographie an einem bestimmten Messpunkt für den­ selben Ausschnitt der Probenoberfläche erfolgt. Außerdem wird durch den erheblich verringerten Abstand zwischen der Probe und dem Hall-Element und der Minimierung des aktiven Berei­ ches des Hall-Elements eine erheblich verbesserte räumliche Auflösung erzielt. Das Rasterhallmikroskop kann bei Raumtem­ peratur betrieben werden. Der Sensorbereich des Rasterhallmi­ kroskops besitzt einen robusten und wenig störanfälligen Auf­ bau.

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Querschnittsansicht ei­ nes erfindungsgemäßen Hall-Sensors,

Fig. 2: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hall-Sensors,

Fig. 3: eine vergrößerte Draufsicht auf den akti­ ven Bereich des Hall-Sensors gemäß Fig. 2,

Fig. 4: eine schematische Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen Rasterhallmikro­ skops,

Fig. 5A und 5B: rastermikroskopische Abbildungen der Oberfläche eines Magnetspeichermediums,

Fig. 6: eine Kurvendarstellung der Magnetfeldver­ teilung entlang der weißen Linie in Fig. 5B, und

Fig. 7: eine schematische Darstellung des Sensor­ bereiches eines herkömmlichen Rasterhall­ mikroskops (Stand der Technik).

Ein erfindungsgemäßer Hall-Sensor 10 umfaßt entsprechend der Querschnittsdarstellung in Fig. 1 ein Substrat 11, eine schichtförmige Halbleiterheterostruktur 14 und Kontaktelek­ troden 16. Das Substrat 11 ist ein strukturierte Wafer mit einer Dicke von z. B. 500 µm aus kristallinem GaAs. Auf der Substratoberfläche ist der Vorsprung 12 ausgebildet. Der Vor­ sprung 12 besitzt die Form eines Pyramidenstumpfes mit ge­ neigten, ebenen Seitenflächen 13a und einer zur Substratober­ fläche parallelen, ebenen Deckfläche 13b. Die Höhe h der Deckfläche 13b gegenüber der im Übrigen ebenen Substratober­ fläche wird anwendungsabhängig größer als die Dicke der Kon­ taktelektroden 16 gewählt und beträgt bspw. 1 µm. Bei einem Hall-Sensor, der zum Einsatz beim unten erläuterten Raster­ hallmikroskop vorgesehen ist und bei dem es besonders auf die Minimierung der Fläche des aktiven Bereiches des Hall- Elements ankommt, beträgt die Größe der Deckfläche 13b rund 5 . 30 µm². Der Vorsprung 12 wird auf dem Substrat 11 durch richtungsselektives, naßchemisches Ätzen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß die Seitenflächen 13a eben und entspre­ chend vorbestimmten Kristallorientierungen ausgebildet wer­ den.

Der Vorsprung besitzt vorzugsweise eine rechteckige Grundflä­ che, wie dies unten in Fig. 3 illustriert ist. Die langen Seitenflächen des Pyramidenstumpfes sind vorzugsweise so ori­ entiert, daß sie (11n)-A-Kristallflächen (mit n ≧ 4) bilden, wobei die Deckfläche 13b wie die Substratoberfläche eine (001)-Kristallfläche ist.

Die Halbleiterheterostruktur 14 besteht aus einer Doppel­ schicht aus AlGaAs und GaAs mit Dicken von beispielsweise 90 nm bzw. 10 nm. Die Halbleiterheterostruktur 14 wächst durch Anwendung eines MBE- oder MOCVD-Verfahrens auf das Sub­ strat 11 auf. Dabei bildet sich eine gleichförmige geschlos­ sene Schicht, die wiederum entsprechend der Substratstruktur einen Vorsprung 15 aufweist. Die Grundfläche des Vorsprungs 15 beträgt mit der o. g. Substratstrukturierung beispielswei­ se etwa 8 . 24 µm².

In der Halbleiterheterostruktur 14 ist in einer Tiefe von un­ gefähr 20 bis 100 nm unterhalb der Schichtoberfläche das 2DEG 14a (gestrichelt gezeichnet) gebildet. Die zweidimensionale Ladungsträgerkonzentration n und die Ladungsträgerbeweglich­ keit µ betragen bei Raumtemperatur n = 2.5 . 10¹¹ cm^-2 bzw. µ = 5000 cm²/Vs. Im Bereich des Vorsprungs 15 ist die Halb­ leiterheterostruktur 14 strukturiert, wie dies unten unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 erläutert wird. Die Kontakt­ elektroden 16 sind in der Umgebung des Vorsprungs 15 in Schichtform ausgebildet. Sie bestehen aus einem Metall oder einer Legierung (z. B. AuGe/Ni) und besitzen eine Dicke, die geringer als die Höhe h des Vorsprungs 12 ist und bspw. rund 300 nm beträgt. Dadurch ist sichergestellt, daß der Vorsprung 15 über eine Bezugsebene, die durch die planaren Kontaktelek­ troden 16 aufgespannt wird, hinausragt.

Zur Bildung des Hall-Elements auf dem Substrat 11 mit einem miniaturisierten aktiven Hall-Bereich auf der Deckfläche 13b wird die Halbleiterheterostruktur 14 mit den Mitteln der op­ tischen Lithographie und/oder der Elektronenstrahllithogra­ phie strukturiert. Die Strukturierung umfaßt eine Abgrenzung der Halbleiterheterostruktur 14 in der Umgebung des Vor­ sprungs 12 von benachbarten Schichtbereichen, die Ausbildung eines sog. Hall-Kreuzes 19 und eine Strukturierung des Hall- Kreuzes 19 und insbesondere des Vorsprungs 12. Zur Abgrenzung des Hall-Elements 17 wird gemäß Fig. 2 eine umlaufende Rand­ nut 18, z. B. in Form eines Oktogons, gebildet. Die Randnut 18 wird naßchemisch geätzt und besitzt eine Tiefe von rund 2 µm. Die Randnut 18 wird vor Ausbildung der Kontaktelektroden 16a-16d hergestellt. Die Bildung des Hall-Kreuzes 19, in dessen Mitte sich der aktive Bereich 20 des Hall-Elements be­ findet (siehe vergrößerte Darstellung in Fig. 3), erfolgt durch nasschemisches Ätzen. Auf dem Hall-Kreuz 19 werden vier Abgrenzungsnuten 21 gebildet. Die Abgrenzungsnuten 21 sind gerade Kanäle, die von ihren Enden vom aktiven Bereich 20 ausgehend unter Bildung rechter Winkel zwischen den Enden der Kontaktelektroden 16a-16d verlaufen. Die Abgrenzungsnuten 21 werden geätzt, so daß die jeweils einer Kontaktelektrode zugewandten Abschnitte des Hall-Kreuzes 19 elektrisch vonein­ ander isoliert werden.

Die Kontaktelektroden 16 umfassen zwei Elektrodenpaare 16a, 16c und 16b, 16d, die jeweils einander gegenüberliegend um das Hall-Kreuz 19 angeordnet sind. Die Stromansteuerung der Kontaktelektroden 16a, 16c bzw. die Abnahme der Hall-Spannung an den Elektroden 16b, 16d erfolgt in an sich bekannter Wei­ se. Die Ohmschen Kontaktelektroden 16 und die zugehörigen metallischen Verbindungsleitungen auf dem übrigen (nicht dar­ gestellten) Substrat werden durch die an sich bekannte lift- off-Technik hergestellt.

In der vergrößerten Darstellung des Hall-Elements 17 in Fig. 3 ist die Ausbildung des Vorsprungs 12 mit einem schwarzen Rahmen schematisch illustriert. Es sind die Seitenflächen 13a und die Deckfläche 13b des pyramidenstumpfförmigen Vorsprungs 12 und die Enden der Abgrenzungsnuten 21 illustriert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Hall-Sensors wird der aktive Bereich 20 durch Elektronenstrahllithographie und chemisches Ionen­ strahlätzen (CAIBE) der Nuten 21 derart nachgearbeitet, daß der aktive Bereich 20 in der Mitte des Vorsprungs 12 eine minimale laterale Ausdehnung besitzt. Aufgrund von Ladungs­ trägerverarmungen an den Schichträndern können aktive Bereiche 20 mit einer wirksamen elektrischen Lateraldimension von rund 50 bis 100 nm erzielt werden. Dies ermöglicht die her­ vorragende Ortsauflösung des erfindungsgemäßen Hall-Sensors bei Einsatz im folgend erläuterten Rasterhallmikroskop. Die Ortsauflösung ist insbesondere besser als der oben genannte theoretische Grenzwert von 200 nm.

Ein erfindungsgemäßes Rasterhallmikroskop 100, das bspw. mit einem "Digital Instruments Multimode^TM Scanning Probe"- Mikroskop implementiert ist, enthält gemäß Fig. 4 einen Meß­ aufnehmer 30 mit dem Hall-Sensor 10, eine Steuerungs- und Auswertungsschaltung 40 und einen Antrieb 50 für die Probe 60. Die ebene Oberfläche der Probe 60 ist in x-y-Richtung orientiert. Die z-Richtung entspricht der Normalen auf der Probenoberfläche.

Das eigentliche Abtastelement des Meßaufnehmers 30 wird durch ein in der x-y-Ebene schwingfähiges Element gebildet, an des­ sen zur Oberfläche der Probe 60 gerichteten Seite der Hall- Sensor 10 angebracht ist. Die zur Probe weisende freie Seite des Hall-Sensors 10 ist im rechten Teil von Fig. 4 vergrö­ ßert dargestellt. Das schwingfähige Element wird durch einen Trägerstab 31 (Cantilever) gebildet, der vertikal ausgerich­ tet mit einem Ende an einem Piezo-Schwinger 32 befestigt ist und am anderen Ende den Hall-Sensor 10 trägt. Der Trägerstab 31 besteht bspw. aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. GaAs, und besitzt typische Dimensionen von 4 mm . 0.5 mm . 0.4 mm. An seinem oberen Ende ist der Trägerstab 31 gegenüber zum Piezo-Schwinger 32 auch mit einem Piezo-Detektor 33 ver­ bunden. Der Piezo-Schwinger 32, das Ende des Trägerstabs 31 und der Piezo-Detektor 33 bilden eine Sandwich-Struktur, die ähnlich wie ein Resonator für ein SNOM-Mikroskop aufgebaut ist, das in der o. g. Publikation von R. Brunner et al. be­ schrieben ist. Beim erfindungsgemäßem Aufbau dient ein Piezo­ element als Piezo-Schwinger zur Anregung von Schwingungen des Trägerstabes 31, während das zweite Piezoelement als Piezo- Detektor für die Amplitudendetektion ausgelegt ist.

Der Piezo-Schwinger 32 und der Piezo-Detektor 33 werden durch piezo-elektrische Plättchen, z. B. aus PZT, gebildet. Der Piezo-Schwinger 32 wird vorzugsweise mit einer Wechselspan­ nung von rund 1 V und einer Frequenz entsprechend der Reso­ nanzfrequenz des Trägerstabes 31 (z. B. im Bereich von 20 bis 70 kHz) angesteuert. Die unter diesen Bedingungen gegebenen Schwingungsamplituden des Trägerstabs 31 liegen im Bereich von 10 bis 100 nm.

Die Steuerung 40 enthält einen Amplitudendetektor 41, einen Arbeitspunktgeber 42, eine Steuereinheit 43 und einen Lock- In-Verstärker 44. Die Steuereinheit 43 und der Lock-In- Verstärker 44 sind mit einer Auswertungs- und Anzeigeeinheit 45 verbunden, die bspw. durch einen Personalcomputer gebildet wird. Die Bezugszeichen 46 und 47 beziehen sich auf eine Hall-Stromquelle 46 bzw. einen Hall-Spannungsdetektor 47, die mit den entsprechenden Kontaktelektroden 16 bzw. 16a-16d (siehe Fig. 2) des Hall-Sensors 10 verbunden sind. Anstelle des Lock-In-Verstärkers kann auch ein anderer Signalverstär­ ker vorgesehen sein.

Der Antrieb 50 enthält eine x-y-Stelleinheit und einen z- Piezo-Antrieb, wie sie an sich von Rastertunnelmikroskopen bekannt sind. Mit der x-y-Einheit wird die Probe 60 relativ zum Meßaufnehmer 30 verfahren, um zweidimensionale Abbildun­ gen der Probenoberfläche aufzunehmen. Mit dem z-Piezo-Antrieb wird der Abstand der Probenoberfläche vom Hall-Sensor 10 in z-Richtung so eingestellt, daß die mit dem Piezo-Detektor 33 und dem Amplitudendetektor 41 erfassten Schwingungsamplituden des Trägerstabs 31 konstant sind. Die z-Abstandsregelung er­ folgt analog zu herkömmlichen Tunnel- oder Nahfeldmikrosko­ pen.

Zur simultanen Aufnahme von Abbildungen der Topographie und der magnetischen Streufelder an der Probenoberfläche wird zu­ nächst der Abstand zwischen dem Meßaufnehmer 30 und der Probe 60 von einem Ausgangspunkt, in dem der Trägerstab 31 frei os­ zilliert, zu einem Arbeitspunkt verringert, an dem die Ampli­ tude des Trägerstabs 31 in vorbestimmter Weise gedämpft ist. Der Arbeitspunkt wird bspw. so eingestellt, daß die Amplitude 80% der freien Amplitude beträgt. Von diesem Arbeitspunkt ausgehend wird die Probenoberfläche rasterartig in x- und y- Richtung abgescannt, wobei für jeden Meßpunkt die Hall- Spannung und der eingestellte z-Abstand für eine konstante Schwingungsdämpfung erfasst werden. Die mit dem Hall- Spannungsdetektor 47 erfassten Spannungssignale werden am Lock-In-Verstärker 44 verstärkt und an die Auswertungs- und Anzeigeeinheit 45 gegeben. Diese ermittelt aus den jeweiligen Werten der Hall-Spannung die dazu proportionale z-Komponente B_z des lokalen magnetischen Streufeldes am Meßpunkt.

Testmessungen mit dem erfindungsgemäßen Rasterhallmikroskop ergaben die folgenden Werte. Messungen in einem homogenen Ma­ gnetfeld zwischen -4000 und 4000 G senkrecht zum 2DEG ergaben ein lineares Verhalten der Hall-Spannung. Daraus wurde ein Hall-Koeffizient von 0.23 Ω/G bei 300 K ermittelt. Dies ent­ spricht einer zweidimensionalen Ladungsträgerdichte von 2.7 . 10¹¹ cm^-2. Der Reihenwiderstand des Hall-Sensors beträgt 37 kΩ. Der Rauschpegel des Hall-Sensors beträgt lediglich rund 0.1 G/Hz^1/2. Im Vergleich zu Streufeldsensoren, die nach her­ kömmlichen Techniken aufgebaut sind, konnte vorteilhafterwei­ se eine Signalerhöhung um einen Faktor 2 und eine Verbesse­ rung des Signal-Rausch-Verhältnisses um einen Faktor 5 er­ zielt werden.

Die Fig. 5A, 5B und 6 illustrieren Meßergebnisse, die mit einem erfindungsgemäßen Rasterhallmikroskop bei der Untersu­ chung der Oberfläche einer kommerziell verfügbaren magneti­ schen Festplatte ermittelt wurden. Die Speicherdichte der Festplatte beträgt rund 20 Mbit/in². Die Breite der in den Fig. 5A und 5B dargestellten Bildausschnitte beträgt 47 µm mit 256 Bildpunkten pro Zeile. Die Höhe der Bildausschnitte beträgt 25 µm (Fig. 5A) bzw. 47 µm (Fig. 5B). Fig. 5A zeigt die Oberflächentopographie, die durch Auswertung des Trägerstab-Amplitudensignals bzw. die entsprechende z- Nachführung ermittelt wird. Der Spannungsbereich für das Spannungssignal des Piezo-Detektors 33 beträgt bis 1.5 mV. Fig. 5B illustriert entsprechend die Abbildung der Hall- Signale. Die Hall-Spannungen liegen im Bereich bis 40 µV. Die von links oben nach rechts unten verlaufenden Speicherspuren sind deutlich aufgelöst und die einzelnen magnetischen Domä­ nen mit einem Abstand von rund 2 µm erkennbar.

Fig. 6 zeigt den Hall-Spannungsverlauf entlang der in Fig. 5B gezeigten Linie. Entsprechend den Domänengrenzen wechseln sich hohe und niedrige Hall-Spannungen ab. Die Differenz zwi­ schen den Spannungsmaxima beträgt rund 19 µV, was einer Streufelddifferenz von 82 G bei einem Hall-Strom von 1 µA entspricht. Bei einer Abtastrate von 256 Hz ist die Magnet­ feldauflösung 0.4 µV bzw. 1.75 G. Dies entspricht einem Si­ gnal-Rausch-Verhältnis vom 47, das höher als entsprechende Werte von 30 bis 40 ist, die typischerweise mit magnetischen Kraftmikroskopen an der selben Probe erzielt wurden.

Die Ergebnisse in den Fig. 5A, 5B und 6 zeigen, daß der erfindungsgemäße Hall-Sensor mit Vorteil auch in einem Lese­ kopf für ein magnetisches Speichermedium verwendet werden kann. In diesem Fall ist ein Zusammenwirken mit der Topogra­ phieaufnahme, wie sie im Rasterhallmikroskop erfolgt, nicht erforderlich.

Die Erfindung kann anwendungsabhängig in Bezug auf die Dimen­ sionen und die Materialien des Hall-Sensors bzw. des Meßauf­ nehmers modifiziert werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß ein Hall-Sensor einen Chip enthält, auf dessen Oberfläche eine Vielzahl von Hall-Elementen gemäß Fig. 1 ausgearbeitet sind. Dies hätte insbesondere Vorteile beim Le­ sen von Informationen aus magnetischen Speichermedien.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirkli­ chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (11)

1. Hall-Sensor (10) zur Detektion magnetischer Felder, der mindestens ein Hall-Element (17) und zugehörige Kontaktelek­ troden (16, 16a-16d) umfaßt, die schichtförmig auf einem Substrat (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat (11) eine strukturierte Oberfläche mit minde­ stens einem Vorsprung (12) besitzt,
zur Bildung des Hall-Elements (17) auf der Substratoberfläche eine Halbleiterschicht mit einer derartigen Strukturierung vorgesehen ist, daß das Hall-Element (17) auf dem Vorsprung (12) angeordnet ist, und
die Kontaktelektroden (16, 16a-16d) auf der Halbleiter­ schicht auf relativ zum Hall-Element (17) abgesenkten Berei­ chen entsprechend in der Umgebung des Vorsprungs (12) ange­ ordnet sind.

2. Hall-Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem die Halbleiter­ schicht eine Halbleiterheterostruktur mit einem zweidimensio­ nalen Elektronengas oder ein Halbleitermaterial umfasst, das zur Bildung eines oberflächennahen zweidimensionalen Elektro­ nengases ausgelegt ist.

3. Hall-Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Sub­ strat (11) aus kristallinem Halbleiter- oder Isolatormaterial besteht und der Vorsprung (12) ebene Seitenwände (13a) be­ sitzt, die entsprechend vorbestimmten Kristallflächen des Substratmaterials orientiert sind.

4. Hall-Sensor gemäß einem der vorhergehende Ansprüche, bei dem das Hall-Element ein Hall-Kreuz (19) umfaßt, das durch Abgrenzungsnuten (21) in der Halbleiterschicht strukturiert ist und in dessen Mitte ein aktiver Bereich (20) des Hall- Elements (17) gegeben ist.

5. Hall-Sensor gemäß Anspruch 4, bei dem der aktive Bereich charakteristische Dimensionen besitzt, die kleiner als 600 nm sind.

6. Hall-Sensor gemäß einem der vorhergehende Ansprüche, bei dem mehrere Hall-Elemente (17) auf einem Substrat auf einem oder mehreren Vorsprüngen angeordnet sind.

7. Hall-Sensor gemäß einem der vorhergehende Ansprüche, der am Ende eines schwingfähigen Trägerstabes (31) angeordnet ist, der ein berührungsloses Abtastelement eines Raster­ mikroskops mit Scherkraftregelung ist.

8. Rasterhallmikroskop, das mit einem Hall-Sensor gemäß ei­ nem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestattet ist.

9. Rasterhallmikroskop gemäß Anspruch 8, das einen Meßauf­ nehmer (30) mit einem schwingfähigen Trägerstab (31) enthält, von dem ein Ende zwischen einem Piezo-Schwinger (32) und einem Piezo-Detektor (33) angeordnet ist und dessen entgegen­ gesetztes Ende den Hall-Sensor (10) trägt.

10. Rasterhallmikroskop gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, bei den der Meßwertaufnehmer (30) zur simultanen Aufnahme von Topographie- und Streufeldabbildungen einer Probe (60) ausge­ legt ist.

11. Verwendung eines Hall-Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Magnetfelddetektor in einem Rasterhallmikroskop oder in einem Lesekopf eines magnetischen Datenspeichers.