DE2445988A1

DE2445988A1 - Halbleiter-magnetkopf

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Publication number: DE2445988A1
Application number: DE19742445988
Authority: DE
Inventors: Tetsu Oi; Kikuji Sato; Naoki Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-09-28
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1975-04-24
Also published as: DE2445988B2; DE2445988C3; US3943570A

Description

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HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Halbleiter-Magnetkopf

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetwiedergabe- bzw. -abtastkopf, bei dem ein Hall-Bauelement oder ein Magnetowiderstandselement (im folgenden als Magnetobauelement bezeichnet), das aus einem Halbleiter-Dünnfilm, wie beispielsweise Indium-Antimonid (inSb), besteht, als Generator für den Wiedergabe- oder Abtastkopf verwendet wird.

Magnetköpfe, die bisher im allgemeinen entweder zur Wiedergabe, zum Löschen oder zum'Aufzeichnen verwendet werden, haben einen ge-

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81-(A 434-02)-Ko-r (8)

meinsamen Aufbau, bei dem eine Magnetkopfkernanordnung einschließlich Kernen 1 und 3 aus einem Magnetwerkstoff, deren jeder mit jeweiligen Wicklungen 2 versehen ist, magnetisch von einer ähnlichen Kernanordnung gewöhnlich mittels einer magnetischen Schirmplatte 4 abgeschirmt ist, und beide Kernanordnungen sind in einem gemeinsamen Schirmgehäuse 5 untergebracht, wie dies in der Fig. 1 gezeigt ist. Der Magnetkopf mit mehreren derartigen Kernanordnungen in einer Einheit wird als Mehrkanal-Magnetkopf bezeichnet. Es wurde bereits beschrieben, daß die Magnetkopfkernanordnung mit den Wicklungen nicht für die Herstellung des Mehrkanal-Magnetkopfes geeignet ist, da die Wicklungen einen relativ großen Raum erfordern. Da sich weiterhin das Ausgangssignal eines Magnetkopfes vom Wicklungstyp proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des durch einen Magnetaufzeichnungsträger, wie beispielsweise ein Magnetband, erzeugten Magnetflusses ändert, wird die Ausgangsleistung des Kopfes geringer, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses abnimmt. Aus diesem Grund ist der Magnetkopf vom Wicklungstyp nicht geeignet, wenn eine Verringerung der Lese- oder Abtastgeschwindigkeit angestrebt wird. Ein Magnetkopf dieses Typs hat den zusätzlichen Nachteil, daß jede mögliche Instabilität in der Laufgeschwindigkeit des magnetischen Aufzeichnungsträgers eine entsprechende Änderung in dem vom Magnetkopf verfügbaren Ausgangssignal erzeugt, so daß eine zuverlässige Wiedergabe nicht gewährleistet werden kann.

In letzter Zeit wurde ein Magnetkopf entwickelt, bei dem ein Hallgenerator-Bauelement oder ein Magnetowiderstandselement in der Form eines Halbleiterfilmes anstelle der Wicklungen als Generator-Bauelement für den Wiedergabe- oder Abtastkopf verwendet wird. Mit

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der Verwendung eines derartigen Halbleiter-Magnetobauelements kann eine Verkleinerung der Generatoranordnung leicht erreicht werden, und gleichzeitig wird eine extrem genaue Herstellung der Magnetkopfanordnung in der Praxis möglich, wenn die hoch entwickelte Herstellungstechnik für integrierte Halbleiterschaltungen beachtet wird. Dies führt dazu, daß ein Mehrkanal-Magnet wiedergabekopf im Gegensatz zu einem herkömmlichen Magnetkopf des Wicklungstyps (vgl. oben) nunmehr sehr leicht herstellbar ist. Da nebenbei das Halbleiter-Magnetobauelement ein Ausgangssignal mit einer dem durch den magnetischen Aufzeichnungsträger erzeugten Fluß an sich proportionalen Größe erzeugt, treten die bei einem Magnetwiedergabekopf des Wicklungstyps vorliegenden Schwierigkeiten (vgl. oben) nicht auf.

Der Halbleiter-Magneto-Wiedergabekopf mit den oben erwähnten zahlreichen Vorteilen ist jedoch einem Magnetkopf vom Wicklungstyp hinsichtlich des Rauschabstandes stark unterlegen. Mit anderen Worten, bei einem Halbleiter-Magnetkopf ist der Halbleiter selbst eine Rauschquelle zusätzlich zu den zahlreichen Rauschquellen, die der Magnetkopf vom Wicklungstyp ohnehin hat. Dies ist insbesondere ein ernstes Problem bei einem Magnetkopf für ein Hör- oder Niederfrequenzsignal.

Die Fig. 2a und 2b sind schematische perspektivische Darstellungen, die den Aufbau eines herkömmlichen Halbleiter-Magnetkopfes für einen Kanal erläutern. Wie in der Fig. 2a gezeigt ist, liegt ein Halbleiter-Magnetobauelement 8 auf einem ersten magnetischen hochpermeablen Substrat 6 mittels einer zwischenliegenden ersten Isolierschicht 7. Leitungsdrähte 9 sind am Magnetobauelement 8 für die

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äußeren Anschlüsse vorgesehen. Ein zweiter magnetischer hochpermeabler Körper 10 ist über dem Halbleiter-Magnetobauelement 8 m it einer zwischenliegenden zweiten Isolierschicht 11 vorgesehen, um so eine Halbleiter-Magnetkopfanordnung 12 für einen Kanal zu bilden, wie diese in der Fig. 2b gezeigt ist. Das Halbleiter-Magnetobauelement ist bei einem aktiven Spalt angeordnet, der durch die beiden magnetischen Glieder 6 und 10 gebildet wird, wobei der Spalt im wesentlichen senkrecht zu einem magnetischen Aufzeichnungsträger, wie beispielsweise einem Magnetband, verläuft. Es wurden bisher zwei verschiedene Arten von'Halbleiter-Magnetköpfen beschrieben, nämlich der "Vorderspalt-Typ", bei dem der durch die beiden Magnetkerne gebildete Spalt auf der Vorderseite des Magnetkopfes angeordnet ist, und der "Rückspalt-Typ", bei dem der entsprechende Spalt auf der Rückseite des Magnetkopfes vorgesehen ist. Mehrere dieser Halbleiter-Magnetköpfe können in einer Einheit vorgesehen sein, um einen Mehrkanal-Magnetkopf zu bilden. Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines derartigen Mehrkanal-Halbleiter-Magnetkopfes vom "Vorderspalt-Typ" . In dieser Figur sind vorgesehen hochpermeable Magnetkerne 6 und 10, Leitungsdrähte 9 für die äußeren Anschlüsse, ein Magnetkopf 12 für einen Kanal, magnetische Schirmplatten 13, eine Anschlußplatte 14, Gleitkontakt-Oberflächen 15 für ein Magnetband, ein magnetischer Spalt 16 aus den Magnetkernen 6 und 10 und ein Schirmgehäuse 17.

Bei den herkömmlichen Magnetköpfen mit eingeschlossenen Halbleiter-Magnetobauelementen ist das Halbleiterbauelement, das in den meisten Fällen aus Indium-Antimonid besteht, im allgemeinen (l) ein aufgedampfter Film oder alternativ (2) ein Dünnfolienteil, der durch

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Polieren eines Einkristalles erhalten wird. Diese herkömmlichen Magnetobauelemente haben jedoch zahlreiche Nachteile. Bei einem Magnatkopf mit einem aufgedampften Film als Magnetobauelement ist das Stromrauschen aufgrund der Korngrenzenstreuung der Elektronen beträchtlich, da der Film polykristallin ist, was dazu führt, daß kein zufriedenstellender Rauschabstand erhalten werden kann. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wurde schon angeregt, den Film bei einer Temperatur zu tempern oder zu behandeln, die niedriger als der Schmelzpunkt von Indium-Antimonid ist. Dieses Verfahren kann jedoch zu keiner ausreichenden Verringerung des Stromrauschens führen. Wenn andererseits der durch Polieren des Einkristalls hergestellte Dünnfolienteil verwendet wird, ist das Stromrauschen sicher vernachlässigbar. Jedoch ist es technologisch äußerst schwierig, den Folienteil mit einer kleineren Dicke als 2 um durch Polieren bei einer guten Reproduzierbarkeit herzustellen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Halb leiter-Magnetkopf anzugeben, der einfach und mit geringem Aufwand herstellbar ist, nicht die oben erwähnten Nachteile hat und zudem verbesserte Rauscheigenschaften besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Magnetobauelement aus einem polykristallinen Dünnfilm besteht, der wenigstens ein Kristallteilchen aufweist, das einen Längsdurchmesser von wenigstens 30 yum hat.

Die Erfindung sieht also einen Halbleiter-?Magnetkopf vor, bei dem ein Polykristall-Dünnfilm aus einem Halbleitermaterial, das wenigstens

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ein Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 μτη aufweist, als Magnetobauelement verwendet wird. Der Halbleiter-Dünnfilm, der das Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 um enthält, kann mit guter Reproduzierbarkeit durch Aufdampfen des Halbleitermaterials auf einen Isolierfilm leicht erhalten werden, der nicht weniger als 3 Mol-% Aluminiumoxid enthält, wobei anschließend eine Zonenschmelzbehandlung erfolgt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines bereits beschriebenen Magnetkopfes vom Wicklungstyp,

Fig. 2 a und 2b schematische perspektivische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus eines Einkanal-Halbleiter-Magnetkopf es,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Mehrkanal-Halbleiter-Magnetkopfes vom "Vorderspalt-Typ",

Fig. 4 a und 4b Darstellungen zur Erläuterung des Zonenschmelzens eines polykristallinen Dünnfilmes aus einem Halbleitermaterial,

Fig. 5 und 6 mikroskopische Fotografien mit den Strukturen von jeweils einem aufgedampften Film aus Indiumantimonid und dem daraus nach einer Zonenschmelzbehandlung erhaltenen Film, und

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Fig. 7 und 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Wie oben erläutert wurde, wird ein Halbleiter-Dünnfilm, der wenigstens ein Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 um hat, auf einem Substrat aus einem hochpermeablen Material gebildet und als Magnetobauelement für den Magnetkopf verwendet. Zur Aufbringung des Halbleiter-Dünnfilmes auf dem hochpermeablen Substrat ist es üblich, ein Verdampfungsverfahren zu verwenden. Da jedoch die durch Verdampfung erzeugten Kristallteilchen des Filmes sehr fein sind, wie dies oben erwähnt wurde, ist es unmöglich, mit dem herkömmlichen Temperverfahren Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 pm zu erhalten. Erfindungsgemäß kann jedoch der polykristalline Dünnfilm, der die gewünschten Kristallteilchen enthält, durch ein Zonenschmelzverfahren hergestellt werden, bei dem eine Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl ein Aufheizen durch einen dünnen Nickel-Chrom-Draht (Nicrom-Draht) oder dgl. verwendet wird. Das Zonenschmelzen des Dünnfilmes kann durch Bestrahlen des Halbleiter-Dünnfilmes 18 mit dem Elektronenstrahl nacheinander erfolgen, wie dies durch eine Linie 19 in der Fig. 4d angedeutet ist, oder alternativ durch nachfolgende Verschiebung eines Heizdrahtes 20, wie beispielsweise eines elektrisch gespeisten Nickel-Chrom-Heizfadens in der durch einen Pfeil in der Fig. 4d angedeuteten Richtung. Es wurde weiter ermittelt, daß ein Magnetkopf mit verbesserten Eigenschaften erhalten werden kann, wenn ein Aluminiumoxidfilm oder alternativ ein Film oder eine Schicht, der bzw. die Aluminiumoxid enthält, zwischen den Halbleiter-Dünnfilm und das hochpermeable Substrat gebracht wird.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird zunächst ein

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Bezugsbeispiel eines Magnetkopfes erläutert, der ein Magnetobauelement aufweist, das nach dem bisher üblichen Verfahren hergestellt wurde, d. h. der aufgedampfte getemperte Film wird zunächst näher beschrieben.

Bezugsbeispiel

Die Oberfläche eines oberflächenpolierten Nickel-Zink-Ferrit-Substrats wird mit einem Aluminiumsilikat-Glasfilm von einer Dicke zwischen 0,1 um bis 1,0 um mittels eines Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahrens beschichtet, und anschließend wird ein Indium anti monid-Dünnfilm mit einer Dicke von 2 yum durch Verdampfung darauf abgeschieden, was nach einem bereits beschriebenen Durchström- oder Spülverfahren bei einer Substrattemperatur von 350 C erfolgt. Alternativ kann zu diesem Zweck auch ein 3-Temperatur-Verdampfungsverfahren verwendet werden. Nach einer Prüfung mittels Röntgenstrahlenbrechung wird ermittelt, daß die Zusammensetzung des erhaltenen Films in einem stöchiometrischen Verhältnis ist, und es wird keine Heterostruktur oder Abweichung (von Indium oder Antimon) beobachtet. Zusätzlich wird ein Indiumfilm mit einer Dicke von 100 A bis 1000 A auf die Oberfläche des Indiumantimonid-Filmes durch Verdampfen aufgebracht und anschließend in Luft bei einer Temperatur von 350 C während 10 min oxydiert, um einen Schutz-Indiumoxydfilm herzustellen. Die so erhaltene Anordnung wird einheitlich während 80 min in einer Argonatmosphäre bei 510 C getempert, was eine um 15 C niedrigere Temperatur als der Schmelzpunkt von Indiumantimonid ist.

Schließlich wird der Schutzfilm aus Indiumoxyd durch Schwabbel-

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polieren entfernt, und der freiliegende Dünnfilm aus Indiumantimonid (InSb) wird mittels einer herkömmlichen Fotolack- und Ätztechnik (Fotoätztechnik) geätzt, um ein Hall-Bauelement herzustellen.

Ein Teil des so erhaltenen Halbleiterfilmes wird mit einer Alkohollösung aus einer Chlorwasserstoffsäure und einer Bittersäure geätzt und durch ein Mikroskop beobachtet, um die Größe der Kristallteilchen zu prüfen. Es wird gefunden, daß der Teilchendurchmesser im Mittelwert in der Größenordnung von 15 um liegt und der Durchmesser des größten ermittelten Teilchens nicht 30 um überschreitet. Dieses Ergebnis zeigt, daß Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 um nicht durch das oben erläuterte herkömmliche Verfahren erhalten werden können. Die Fig. 5 zeigt eine fotografische Aufnahme des hergestellten Indiumantimonid-Dünnfilmes, die mit einem Mikroskop von einer 400fachen Vergrößerung aufgenommen wurde, wobei aus dieser Figur die Konfigurationen und Größen der Kristallteilchen zu ersehen sind.

Die galvanomagnetische Kennlinie des in der oben erwähnten

Weise hergestellten Hall-Bauelements wird mit einem Steuerstrom I

= 10 mA und einer Magnetflußdichte B = 3 G geprüft. Das Ergebnis ist, daß die HaIl-EMK S = 1,0 + 0,1 mV und das Stromrauschen N = 1,5 - 0,3 uV bei einem Frequenzband von 50 Hz bis 10 kHz betragen. Diese Werte zeigen, daß das Hall-Bauelement für einen praktischen Gebrauch in einem Magnetkopf zur Wiedergabe eines Signals mit einem guten Rauschabstand nicht geeignet ist.

Tatsächlich wird das obon beschriebene Häll-Bauelement zwischen

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entgegengesetzt angeordnete Teile aus Nickel-Zink-Ferrit gebracht, deren jeder mit einer Isolierschicht versehen ist, und in einem Magnetkopf angeordnet, um dessen Leistungsfähigkeit mit einem Standardmagnetband zu messen, das einen Magnetismus von 200 mMx/cm entsprechend der Norm JIS (Japanische Industrienorm) hat. Es wird ermittelt, daß bei einem Steuerstrom I₁₁ = 10 mA die EMK S¹ =-2,7 ± 0,2 mV und das Stromrauschen N¹ = 1,5 - 0,3 uV betragen. Es ist offensichtlich, daß der erreichte Rauschabstand für einen praxisbezogenen Magnetkopf sehr ungenügend ist.

Wenn der Halbleiter-Dünnfilm relativ dicker in der Größenordnung von 6 um aufgedampft und dann durch Läppen auf eine Dicke von 2 um gebracht wird, kann das Stromrauschen bis zu einem bestimmten Grad verringert werden. Jedoch wird ermittelt, daß das Stromrauschen des Hall-Bauelements dennoch bis ungefähr 1,0 i 0,1 uV beträgt, was auf keinen Fall befriedigend ist.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß kein angestrebtes Magnetobauelement mit den bisher beschriebenen Verfahren herstellbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele der Magnet-Bauelemente erläutert, die die erfindungsgemäß behandelten Magnetobauelemente aufweisen.

Ausführunqsbeispiel 1

Ein Indiumantimonid-Dünnfilm wird unter gleichen Bedingungen wie

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beim oben erläuterten Bezugsbeispiel mit der Ausnahme hergestellt, daß ein Zonenschmelzen anstelle einer Temperung vorgesehen wird. Insbesondere wird ein Heizdraht, der in einer Atmosphäre von 99,99 % Heliumgas bei 800 C gehalten wird, in der Nähe der Filmoberfläche des mit einer Schutzschicht aus Indiumoxyd versehenen Indiumantimonids angeordnet und entlang der Oberfläche bewegt, so daß als Ergebnis eine unmittelbar unter dem Heizdraht erzeugte geschmolzene Zone über der Länge der Probe verschoben wird, um so das Zonenschmelzen des Films durchzuführen.

Sodann wird die Schutzschicht entfernt, und ein Hall-Bauelement wird mittels der Fotoätztechnik auf die gleiche Weise wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel hergestellt.

Ein Bruchteil des so erhaltenen Halbleiter-Dünnfilms wird einer mikroskopischen Prüfung unterworfen. Eine bemerkenswerte Anisotropie des Kristalläufbaus wird beobachtet, und mehrere Zwillingskristalle werden gefunden. Wenn einzelne Einkristallbereiche beobachtet werden, ist zu sehen, daß einige Kristalle eine Dicke oder einen Querdurchmesser aufweisen, der kleiner als 5 um ist. Jedoch überschreitet der Längsdurchmesser im Mittelwert weit den Wert von 100 um. Insbesondere wird ermittelt, daß wenigstens ein Einkristallbereich mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 um ohne Ausfall im aktiven Bereich des für den Magnetkopf wirksamen Bauelements vorliegt. Die Fig. 6 ist eine mikroskopische Fotografie mit einer 400fachen Vergrößerung und zeigt die Konfigurationen und Größen der Kristalle des Indiumantimonid-Dünnfilmes nach dem Zonenschmelzen im Anschluß an die Verdampfung.

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Die galvanomagnetischen Eigenschaften des Hall-Bauelements werden mit einem Steuerstrom I = 10 mA und einer Magnetflußdichte B =

3 G geprüft. Unter diesen Bedingungen wird ermittelt, daß die HaIl-EMK S = 1,0 ± 0,1 mV und das Stromrauschen N = 0,4 ί 0,1 juV bei einem Frequenzband von 50 Hz bis 10 kHz betragen. Diese Werte sind für ein Hall-Bauelement geeignet, das in einem praxisbezogenen Magnetkopf für die Wiedergabe eines Signals von einem Aufzeichnungsband mit einem guten Rauschabstand verwendet wird.

Wie bei dem vorhergehenden Beispiel wird das so hergestellte Hall-Bauelement in einen Magnetkopf eingebaut, und es werden dessen Eigenschaften gemessen. Bei einem Steuerstrom I = 10 mA ergeben

sich eine EMK S¹ = 2,7 - 0,2 mV und ein Stromrauschen N¹ = 0,4 -0,1 yuV. Dies bedeutet, daß ein zufriedenstellender Rauschabstand für einen praxisbezogenen Magnetkopf erhalten werden kann.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß das Strom rauschen des erfindungsgemäßen Halbleiter-Magnetkopfes auf weniger als die Hälfte oder ein Drittel des Stromrauschens eines Halbleiter-Magnetkopfes verringert werden kann, der entsprechend dem herkömmlichen Verfahren hergestellt wird, das im vorhergehenden Beispiel erläutert wurde. Es muß darauf hingewiesen werden, daß die obigen angestrebten Ergebnisse nicht zu erhalten sind, wenn der Längsdurchmesser des Kristallteilchens kleiner als 30 um ist. Mit anderen Worten, es ist eine unverzichtbare Forderung für einen Magnetkopf mit einem kleinen Stromrauschen, daß ein Halbleiterbauelement verwendet wird, das aus einem polykristallinen Film besteht, der wenigstens einen Einkristallbereich enthält, der vorzugsweise einen Längsdurchmesser von wenigstens 30 um

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hat. Der erfindungsgemäße Magnetkopf kann sehr leicht hergestellt werden, wie dies oben erläutert wurde.

Ausführunqsbeispiel 2

Bei dem Versuch des vorhergehenden Ausführungsbeispiels 1 ist die Zusammensetzung von Indiumantimonid (InSb) nicht im stöchiometrischen Verhältnis vorgesehen, sondern Antimon liegt in einem Überschuß von 3 Gew.-% vor. Folglich wird eine überschüssige Ablagerung von Antimon (Sb) auf dem gesamten Film beobachtet, der dem Zonenschmelzen unterworfen wird, und die mittlere Zusammensetzung davon liegt in der Größenordnung von 1 Gew.-% mit Ausnahme vom abgeschlossenen Teil des geschmolzenen Bereichs. Mit diesem Dünnfilm, der eine derartige anisotrope Struktur besitzt, können gute Ergebnisse wie beim Ausführungsbeispiel 1 erhalten werden. Genauer ausgedrückt, wenigstens ein Kristallteilchen mit einem Längsdurchmesser von wenigstens 30 um ist sicher in dem Teil von Indiumantimonid enthalten, und das Stromrauschen eines derartigen Bauelements oder eines Magnetkopfes, der aus einem derartigen Bauelement aufgebaut ist, liegt in der Größenordnung von 0,4 uV. Dies ist ein zufriedenstellender Wert.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der erfindungsgemäße Magnetkopf, bei dem ein Dünnfilm aus Halbleitermaterial, das einem Zonenschmelzen unterworfen wurde, als Magnetobauelement verwendet wird, hervorragende Eigenschaften oder Kennlinien im Vergleich zu den herkömmlichen Magnetköpfen besitzt. Nebenbei wurde ermittelt, daß die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Magnetkopfes

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sowie dessen Ausbeute beträchtlich verbessert und gesteigert sind, wenn eine spezielle Zwischenschicht oder Zwischenlage zwischen dem Halbleiter-Dünnfilm und dem hochpermeablen Substrat vorgesehen wird. Wie Versuche zeigen, führt das Zonenschmelzen des Halbleiter-Dünnfilms, der auf dem hochpermeablen Substrat aufgebracht ist, manchmal zu einer ungefähr sphärischen oder kugelförmigen Kondensation des geschmolzenen Halbleitermaterials. Obwohl eine derartige Erscheinung nicht oft auftritt, macht die sphärische Kondensation des Halbleiter-Dünnfilms den Film für das Magnetobauelement des Magnetkopfes völlig unbrauchbar. Dem gemäß sollte eine derartige unerwünschte Tendenz in jedem Fall verhindert werden, um Magnetköpfe mit hoher Ausbaute herzustellen. In diesem Zusammenhang wurde ermittelt, daß eine derartige Kondensation vollständig ausgeschlossen werden kann, wenn zwischen den Halbleiter-Dünnfilm und das hochpermeable Substrat eine Zwischenschicht oder eine Zwischenlage oder ein Film aus Aluminiumoxid oder ein Film, der wenigstens einen Bruchteil Aluminiumoxid enthält, gebracht wird.

Um die Tendenz des Halbleiter-Dünnfilmes zu einer sphärischen Kondensation zu unterbinden, ist bereits ein Zonenschmelzverfahren für den Halbleiter-Dünnfilm beschrieben worden, bei dem die Oberfläche des Halbleiter-Dünnfilmes zuvor oxydiert und die so erzeugte Oxydschicht als Schutzschicht während des Zonenschmelzens verwendet wird. Obwohl dieses Verfahren bis zu einem bestimmten Grad leistungsfähig ist, kann es nicht vollständig die sphärische Kondensation des Halbleiter-Dünnfilmes unterdrücken. Es besteht daher ein Bedarf an einem verbesserten Verfahren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein aus Alu-

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minium oxid bestehender oder Aluminiumoxid enthaltender Film zwischen dem Halbleiterfilm und dem hochpermeablen Substrat als Zwischenlage vorgesehen ist, ist die Tendenz des Halbleiter-Dünnfilmes zu einer sphärischen Form vollkommen unterbunden, so daß diese Schwierigkeit, mit der die bisher beschriebenen Verfahren belastet sind, durch die Erfindung vollkommen ausgeschlossen wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Zwischenlage hat auch zusätzliche Vorteile, die darin liegen, daß die Tendenz des Halbleiter-Dünnfilms zu einem Dendriten ebenfalls verhindert ist, so daß nach dem Zonenschmelzen des Filmes mit einem Elektronenstrahl die Abtastgeschwindigkeit des Strahles erhöht werden kann, wodurch die Ausbeute verbessert wird, und daß die Haftfähigkeit des Halbleiter-Dünnfilmes nach dem Zonenschmelzen im Vergleich zu einem Fall, bei dem keine Zwischenlage vorgesehen ist, stark verbessert ist.

Materialien, die für die Zwischenlage nach der Erfindung verwendbar sind, können Aluminiumoxid allein oder eine Aluminiumoxid enthaltende Zusammensetzung, wie beispielsweise das Glas Nr. 7059 (hergestellt von der Firma Corning Glass Warks in USA) sein.

Die in der Zwischenlage enthaltene Aluminiumoxidmenge soll nicht kleiner als 3 Mol.-% sein. Wenn der Aluminiumoxidgehalt in der Zwischenlage im Bereich zwischen 3 Mol.-% und 100 Mol.-% einschließlich liegt, kann nach dem Zonenschmelzen ein einheitlicher oder homogener Halbleiter-Dünnfilm erzeugt werden. Wenn dagegen die Zwischenlage überhaupt kein Aluminiumoxid oder weniger als 3 Mol.-% Aluminiumoxid enthält, kann gelegentlich ein uneinheitlicher oder inhomogener Film auftreten, der vereinzelte Flecken hat. Es ist

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daher für die erfindungsgemäße Zwischenlage wesentlich, daß der Aluminiumoxidgehalt in der Zwischenlage oder Schicht nicht kleiner als 3 MoI.-⁰/) ist.

Ausführungsbeispiel 3

Ein Substrat oder eine Grundplatte aus Ferrit wird auf ihrer geglätteten Oberfläche mit einer «Schicht oder Lage des Glases Nr. 70.1') (im Handel erhältlich) durch Zerstäuben in einer Dicke von. 1 lim beschichtet, und anschließend wird auf die Glasschicht ein Indium antiomidfilm mit einem leichten Überschuß an Indium aufgedampft. Die so erzeugte Probe wird in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt, um einen Schutzfilm aus In O und SiO zu bilden. Die Probe wird danach einem Zonenschmelzen mittels eines erhitzten dünnen oder feinen Nikkel-Chrom-Drahtes 20 in einer Heliumatmosphäre so unterworfen, wie dies oben anhand der Fig. 4b erläutert wurde. Die Führungsgeschwindigkeit des Heizdrahtes 20 wird auf 10 um/s eingestellt. Die Ausbeute der durch das obige Zonenschmelzen erzeugten Dünnfilme von guter Qualität liegt im wesentlichen nahezu bei 100 %. Der Film ist sehr homogen, wobei die meisten der Kristallteilchen mit einem Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Die Elektronenbeweglichkeit im abgeschlossenen Film beträgt bei

Raumtemperatur zwischen 45 000 und 65 000 cm /Vs, was sich der Beweglichkeit in einem Einkristallkörper nähert. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, daß bisher nicht bekannt ist, daß der Dünnfilm aus Indiumantimonid erfolgreich auf dem Ferritsubstrat durch Zonenschmelzen hergestellt werden kann. Die obigen Versuchsergebnisse zeigen auf jeden Fall, daß die Erfindung sehr nützlich ist und einen großen Fortschritt mit sich bringt.

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Ausführunqsbeispiel 4

Beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel 3 wird die Zwischenlage aus Aluminiumoxid durch Zerstäuben gebildet. Die Ausbeute der durch das Zonenschmelzen erzeugten verwendbaren Filme beträgt ungefähr 100 %, was wie beim Ausführungsbeispiel 3 sehr zufriedenstellend ist. Ein Vorteil in der Verwendung von Aluminiumoxid als Material für die Zwischenlage anstelle des Glases Nr. 7059 kann auch darin gesehen werden, daß die Steuerung des Zonenschmelzens wesentlich erleichtert ist.

Ausführungsbeispiel 5

Wie in der Fig. 7 dargestellt ist, wird eine Zwischenlage aus Glas Nr. 7059 mit einer Dicke von 2,5 um auf die geglättete Oberfläche eines Ferritsubstrats 21 durch Zerstäuben aufgebracht. Ein zurückgesetzter Teil 23 mit einem Umriß, wie dieser in der Fig. 8 dargestellt ist, wird in der Glasschicht 23 mittels einer Fotoätztechnik gebildet. Danach wird ein Film aus Indiumantimonid durch Verdampfung auf der gesamten Oberfläche der Glasschicht mit einer Dicke von 2,4 um erzeugt, und anschließend wird die Anordnung einem Zonenschmelzen unterworfen. Schließlich wird ein Fotoätzprozeß so ausgeführt, daß lediglich der Teil 24 des Indiumantimonidfilmes, der auf dem zurückgesetzten Teil 22 des Substrats liegt, unentfernt bleibt, wie dies aus dem Schnitt der Fig. 7 hervorgeht. Eine Messung der Eigenschaften des so erzeugten Indiumantimonid-Dünnfilm-Bauelements mit dem in der Fig. 8 dargestellten Umriß ergibt, daß die Elektronenbe-

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weglichkeit bei Raumtemperatur in diesem Bauelement zwischen 15 und 60 000 cnT/Y's liegt.

Die oben erläuterten Ausführungsbeispiele 3, 1 und 5 zeigen, daß die Verwendung der Zusammensetzung, die mehr als 3 Mol.-% Aluminiumoxid enthält, als Zwischenlage das Zonenschmelzen des Indiumantimonid-Dünnfilmes erleichtert. Die folgenden Ausführungsbeispiele 6 und 7 zeigen, daß die Erfindung auch auf die Herstellung von Hall-Bauelementen angewendet werden kann.

Ausführungsbeispiel 6

Beim Ausführungsbeispiel 3 wird eine Platte aus Glas Nr. 7059 oder Aluminiumoxid, die eine polierte Oberfläche aufweist, welche eine spiegelähnliche Reflexion zeigt, als Substrat verwendet, das gleichzeitig als Zwischenlage dient. In diesem Fall wird die Steuerung des Zonenschmelzens weiter erleichtert, und die Entfernung von überschüssig aufgedampftem Indium kann im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen 3 und 4 wirkungsvoller gemacht werden. Weiterhin sind die erzeugten Kristallteilchen verhältnismäßig größer als die Kristallteilchen, die erhalten werden, wenn das Substrat aus Ferrit besteht. Die Elektronenbeweglichkeit liegt im Bereich von 50 000

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cm /Vs bis 65 000 cm As.

Ausführungsbeispiel· 7

Ein Substrat oder eine Platte aus Glas Nr. 7059 wird mit einem

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üünnfilm aus Indiumantimonid (InSb) mit 20 jam Dicke durch Aufdampfen beschichtet. Durch das bereits beschriebene Heizdraht-Zonenziehen wrxden Kristallteilchen des Indiumantimonid-Filmes mit großen Abmessungen gezüchtet, und ein homogener Film aus Indiumantimonid wird erhalten.Der durch das oben erläuterte Zonenschmelzen erhaltene Dünnfilm aus Indiumantimonid wird dann einem Fotoätzen unterworfen, um ein Hall-Bauelement herzustellen, und der galvanomagnetische Effekt des Bauelements wird gemessen. Die Ergebnisse zeigen, daß die Elektronenbeweglichkeit μ bei Raumtemperatur im Bereich zwischen 30 000

2 2

cm /Vs und 60 000 cm /Vs und der Hall-Koeffizient R₁. zwischen 200

2 2

cm /C - und 100 cm /C liegen. Das obige Meßergebnis von a entspricht 10 % bis 70 % des Ergebnisses eines Einkristalles, während der Wert von R im wesentlichen der gleiche ist wie bei einem Einkristall. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hall-Bauelements liegt darin, daß die Dicke des Hall-Bauelements frei wählbar in einem Bereich zwischen 0,5 um und 10 um ist, da das Bauelement ausgehend von dem Dünnfilm selbst hergestellt werden kann. Aus diesem Grund kann ein Dünnfilm-Bauelement mit nahezu den gleichen physikalischen Eigenschaften wie ein Bauelement aus einem Einkristall mit höherer Genauigkeit und größerer Ausbeute als das letztene erhalten werden, das durch Abschichtung (in die Form einer Folie bringen) eines Einkristallkörpers erzeugt wird. Mit anderei Worten, es kann ein Hall-Bauelement mit einer hohen Empfindlichkeit und einem cjioßen Ausgangssignal leicht nach der Lehre der Erfindung hergestellt weiden.

Obwohl sich das vorliegende Ausfuhr ungsbeispiel auf ein Indiumantimonid-Hall-Bauelement bezieht, ist es offensichtlich, daß die Er-

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findung auch auf jedes Bauelement anwendbar ist, bei dem die galvanomagnetische Umwandlung einem sogenannten Magnetowiderstandseffekt zugeordnet werden kann. Daher ist die Erfindung nicht auf die Verwendung von Indiumantimonid für das beabsichtigte Dünnfilm-Bauelement beschränkt, sondern sie kann auf alle Werkstoffe angewendet werden, die einen merklichen galvanomagnetischen Effekt mit einem Umwandlungsfaktor aufweisen, der mit den Abmessungen des Kristallteilchens zunimmt. Beispielsweise können InAs, InBi, AlSb, GaSb, Ge oder dergleichen für die Erfindung verwendet werden.

Aus den Beispielen 6 und 7 geht hervor, daß ein bereits beschriebenes Hall-Bauelement hinsichtlich des galvanomagnetischen Effekts verbessert werden kann, wenn das Hall-Bauelement entsprechend der Erfindung hergestellt wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Magnetkopfes liegt darin, daß das Stromrauschen beträchtlich verringert werden kann.

Bisher wurden zahlreiche Vorteile angegeben, die bei einer Verwendung des Hall-Effekt-Bauelements bei einem Magnetkopf vorliegen. Jedoch wurde bisher noch kein praxisbezogener Magnetkopf beschrieben, der den Hall-Effekt verwendet (im folgenden einfach als Hall-Magnetkopf bezeichnet). Insbesondere gilt dies bei einem Magnetkopf für Anwendungen im Nieder- oder Hörfrequenzbereich. Dies kann unter verschiedenen Gesichtspunkten erklärt werden. Eines der größten Hindernisse in' der Entwicklung eines derartigen Hall-Magnetkopfes liegt darin, daß die bisher beschriebenen Dünnfilm-Hall-Bauelemente nicht von einem hohen Strom rauschen befreit werden können, was ein Erreichen eines in der Praxis erforderlichen Rauschabstandes verhinderte. Diese

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Schwierigkeit kann vollständig mit einem erfindungsgemäßen Hall-Magnetkopf ausgeschlossen werden, was näher anhand der folgenden Ausführungsbeispiele erläutert wird.

Ausführungsbeispiel 8

Um ein kleines Kraftflußsignal in einem Magnetkopf wirkungsvoll auszunutzen, werden für diesen Zweck geeignete Magnetkerne hergestellt. Hierzu ist das Hall-Bauelement für den Hall-Magnetkopf auf einem Substrat oder einer Grundplatte aus Ferrit vorgesehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird - wie bei den Ausführungsbeispielen 4 und 5 - eine Platte aus Nickel-Zink-Ferrit, die bis zu einer Spiegelreflexion poliert ist, als Substrat verwendet. Auf der polierten Oberfläche des Substrats wird durch Zerstäuben Glas Nr. 7059 aufgetragen. Eine Prüfung des aufgetragenen Filmes mittels einer Röntgenstrahlen-Mikroanalyse zeigt, daß der Film 13 Mol.-% Aluminiumoxid enthält (der Aluminiumoxidanteil beim anfänglichen Glasmaterial beträgt 12 Mol-%). Es soll nochmals darauf hingewiesen werden, daß eine der wesentlichen Lehren der Erfindung ist, daß der zerstäubte oder gesputterte Film nicht weniger als 3 % Aluminiumoxid enthält.

Auf das so erhaltene Substrat wird ein Film aus Indiumantimonid mit einer Dicke von 20 um durch ein 3-Temperatur-Verdampfungsverfahren gebracht. Dieser Film wird dann einem Zonenschmelzen durch das Heizdrahtverfahren unterworfen, und der Film aus Oxyden, die auf der Oberfläche des Indiumantimonid-Filmes gebildet sind, wird durch Schwabbelpolieren entfernt. Nach einem Ätzen mit einer Ätz-

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lösung, was die Korngrenzen der kristallinen Zwischenflächen hervortreten läßt, wird in einer Untersuchung der Kristallteilchengröße des zonengeschmolzenen Filmes ermittelt, daß der LängsdurchrnesT-ser der Kristallteilchen (entlang deren Längsachsen) Werte von wenigstens 30 um hat.

Ein Hall-Bauelement mit einer gewünschten Konfiguration wird aus dem Dünnfilm aus Indiumantimonid mittels des Fotoätzverfahrens gebildet, und nach einer Passivierung mittels eines Filmes aus Siliziumdioxid werden Kontakte durch überlagerte aufgedampfte Filme aus Cr-Al hergestellt, um ein Hall-Bauelement für einen Magnetkopf zu fertigen.

Um den Signal-Magnetfluß auf das Hall-Bauelement zu sammeln oder zu konzentrieren, ' wird ein Gegenstück aus Nickel-Zink-Ferrit mit einer gleichgroßen Permeabilität wie das Substratmaterial am Hall-Bauelement angebracht. Wenn es erforderlich ist, können Gräben zwischen den Hall-Bauelementen vorgesehen sein, und magnetische Schirmplatten aus Permalloy können in den Gräben angeordnet werden, um dadurch ein mögliches Übersprechen zwischen den Hall-Bauelementen im Mehrkanal-Magnetkopf zu unterdrücken. Sodann werden Verbindungen zwischen den Kontakten vorgesehen, die aus überlagerten Filmen aus Cr-Al bestehen, und eine geeignete Anschlußplatte sowie anschließend die in Substraten aufgebaute Hall-Bauelement-Anordnung werden in ein geeignetes Schirmgehäuse gebracht. Ein formbares Harz wird in das Schirmgehäuse gegossen, wodurch die Hall-Bauelement-Anordnung in einen Harzblock eingegossen wird. Die Oberfläche der Magnetköpfe, die gleitend ein Magnetband berührt,

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wird poliert, um den Wiedergabemagnetkopf zu fertigen, der beispielsweise von einem Mehrkanaltyp sein kann, wie beispielsweise mit vier Kanälen.

Wenn der oben beschriebene Magnetkopf mit Hall-Bauelementen für die Wiedergabe von Signalen verwendet wird, die auf einem gewöhnlichem Magnetband für eine Niederfrequenzanwendung (Magnetfluß von 20 niMx/mm) aufgezeichnet sind, wird mit einem Steuerstrom von 20 niA, der in das Hall-Bauelement eincjespeist wird, eine Ausgangsspannung von 1,2 mV (effektiv) bei einer Frequenz von 400 Hz erhalten. Das durch das Hall-Bauelement erzeugte Rauschen beträgt höchstens 10 uV (effektiv) im Frequenzbereich von 40 Hz bis 12 kHz, und der Rauschabstand beträgt 62 dB. Diese Ergebnisse zeigen, daß der erfindungsgetnäße Hall-Magnetkopf zufriedenstellend in der Praxis zur "Wiedergabe von N ioderf requenzsignalen einsetzbar ist.

Ausführunqsbeispiel 9

Fünf Arten von Substraten mit verschiedenen Aluminiumoxidantei- -len werden mit jeweiligen Filmen aus Indiumantimonid beschichtet und im Anschluß an ein Zonenschmelzen hinsichtlich der Einflüsse untersucht, die durch Unterschiede in den Aluminiumoxidanteilen der Substrate hervorgerufen werden. Die Typen und Zusammensetzungen der Hauptbestandteile der Substrate sind in der folgenden Tabelle angegeben:

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Tabelle 1

Substrate	Bestandteile	Bestandteile (Mol-%)
Aluminiumoxid	^A12°3	100
Silimanit	^A12°3 SiO	50 50
Glas Nr. 7059 hergestellt durch Corning Glass Works	^A12°3 SiO₂ BaO ^B2°3	12 50 25 13
Quarz, das Aluminium oxid enthält	^A12°3 SiO₂	2-5 95 - 98
Quarz	SiO₂	100

+ Dieses Substrat wird aus einem Anfangsmaterial aus einer Mischung aus Aluminiumoxid und Quarz durch ein Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren hergestellt.

Ein Dünnfilm aus InSb wird in einer Schichtdicke von 20 um auf jedes der oben angegebenen Substrate durch das 3-Temperatur-Verdampfungsverfahren aufgebracht und danach einem Zonenschmelzen durch das bereits beschriebene Heizdraht-Schmelzverfahren unter-

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worfen, um dadurch Kristallteilchen eines Indiumantimonid-Filmes mit großen Abmessungen zu züchten. Bei den Substraten aus Aluminiumoxid, Silimanit und Glas Nr. 7059, die alle mehr als 12 Mol.-% Al O enthalten, werden durch das Zonenschmelzen homogene Filme yon InSb erhalten. Bei einem Quarzsubstrat, das überhaupt kein Aluminiumoxid enthält, springt der Indiumantimonidfüm in einzelne Teile mit Durchmessern von 1 bis 5 mm auf, und es kann kein homogener Film erhalten werden. Bei einem Quarzsubstrat, das Aluminiumoxid enthält, wird ein fortlaufender Film im wesentlichen auf der ganzen Oberfläche des Substrates mit einer Größe von 30 mm χ 30 mm erhalten. Jedoch werden hier und dort vereinzelte Flecken mit Durchmessern von 1 bis 3 mm beobachtet. Eine Prüfung dieser Flecken auf ihren Al O Anteil mittels einer Röntgenstrahlanalyse zeigt, daß der Al O -Anteil

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geringer als 2 Mol.-% ist. Das Ergebnis, das aus der Untersuchung des Substrats erhalten wird, das aus aluminiumoxidhaltigem Quarzglas besteht, zeigt, daß das Material für das Substrat nicht weniger als 3 Mol.-% an Al O enthalten muß, damit die Kristallteilchen eines Indium-Antimonid-Filrnes bis zu einer Teilchengröße von wenigstens 30 um beim Zonenschmelzen wachsen, und damit der Dünnfilm vollständig über der gesamten Oberfläche des Substrats kontinuierlich ist. Es ist offensichtlich, daß bei einem Substrat aus Glas Nr. 7059 ein Anteil von 12 Mol.-% Al O eine wesentliche Rolle bei der Herstellung des kontinuierlichen Films spielt.- Zusätzlich werden die galvanomagnetischen Eigenschaften dieser Substrate geprüft. Bei dem Substrat, das nicht weniger als 3 Mol.-% Al O nach dem Zonenschmelzen ent-

hält, ist die Elektronenbeweglichkeit u größer als 30 000 cm /Vs', was höher als 40 % der Beweglichkeit in einem Einkristall ist und die Elektronenbeweglichkeit in einem rein aufgedampften Substrat über-

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schreitet. Wenn weiterhin Glas Nr. 7059 mit 12 Mol.-% Aluminiumoxid auf dem Ferrit-Substrat durch Zerstäuben abgeschieden und der Indiumantimonidfilm darauf durch Verdampfen hergestellt wird, worauf sich das Zonenschmelzen anschließt, kann eine Elektronenbeweg-

lichkeit u von 50 000 cm /Vs erhalten werden. Dieses Hall-Bauelement hat eine große Empfindlichkeit und ze igt eine gute Leistungsfähigkeit bei der Umwandlung. Insbesondere wurde ermittelt, daß das auf dem Ferrit-Substrat hergestellte Hall-Bauelement sich durch eine große Flußkonzentration und ein niedriges Strom rauschen auszeichnet und vorteilhaft bei Vorrichtungen eingesetzt werden kann, die einen großen Rauschabstand fordern, wie beispielsweise bei einem Magnetkopf.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der Hall-Magnetkopf einschließlich eines Hall-Bauelements, das aus dem Indiumantimonid-Film hergestellt ist, der Kristallteilchen mit größeren Abmessungen als 30 um besitzt und auf einen Isolierfilm ausgebildet ist, der mehr als 3 Mol.-% Aluminiumoxid enthält, einen Rauschabstand hat, der mit den bisher beschriebenen Dünnfilm-Hall-Magnetköpfen nicht erzielt werden kann.

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Claims

Patentanspräche

/l) Halbleiter-Mägnetkopf, mit einem ersten Substrat aus einem magnetischen hochpermeablen Werkstoff, mit einem Magnetobauelement aus einem Halbleiterfilm, der auf dem ersten Substrat über einem dazwischen vorgesehenen ersten Isolierfilm angeordnet ist, mit Leitungsdrähten, die mit dem Magnetobauelement und einem zweiten Substrat aus einem magnetischen hochpermeablen Werkstoff verbunden sind, der das Magnetobauelement über einen zweiten zwischenliegenden Isolierfilm bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetobauelement aus einem polykristallinen Dünnfilm besteht, der wenigstens ein Kristallteilchen aufweist, das einen Längsdurchm ess er von wenigstens 30 um hat.

2. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetobauelement ein Hall-Bauelement oder ein Magnetowiderstandselement ist.

3. Magnetkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial InSb, InAs, InBi, AlSb, GaSb oder Ge ist.

•1. Magnetkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetobauelement auf einem Aluminiumoxidfilm oder einem Aluminiumoxid enthaltenden Isolierfilm aufgebracht ist.

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5. Magnetkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierfilm 3 Mol.-% bis einschließlich 100 Mol.-% Aluminiumoxid aufweist.

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