DE2937943A1 - Selbstvorgespannte struktur fuer magnetblasendomaenenvorrichtung - Google Patents

Description

20. September 19

79-T-3693

(76E161)

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION, California, U.S.A.

Selbstvorgespannte Struktur für Magnetblasendomänenvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf Magnetblasendomänenvorrichtungen ganz allgemein, und zwar insbesondere auf eine spezielle selbstvorgespannte Struktur.

Magnetblasendomänenvorrichtungen sind bereits bekannt, wobei die konventionellen Vorrichtungen dieser Art ein externes Vorspannungsfeld zur Stabilisierung der Blasendomänen in den Vorrichtungen benötigen. Das externe Vorspannungsfeld wird normalerweise durch eine Struktur geliefert, die aus Permanentmagneten und weichmagnetischem Material besteht. Die externe Vorspannungsstruktur benötigt jedoch eine große Volumen- und Gewichtsmenge in einer Magnetblasendomänenspeicherpackung. Somit bilden bei verschiedenen Anwendungsfällen, wo das Packungsvolumen und -gewicht minimiert werden müssen,die Notwendigkeit der externen Vorspannungsstruktur . ein Hindernis.

Es wurden bereits verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, um "intern" ein Vorspannungsfeld zu liefern, um auf diese Weise die externe Vorspannungsstruktur zu eliminieren. Zwei Möglichkeiten sind in den US-PS 3 529 303 und 3 717 640 beschrieben. Im wesentlichen wird ein effektives Vorspannungsfeld intern durch eine 180°-Kappungs-Domänenwand geliefert, die an der Interface zwischen einer Bubble-Domänenschicht und einer permanent magnetisierten Lage gebildet wird, welche mit der Bubble-Schicht austauschgekoppelt ist.

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In einer Reihe von Artikeln in den IEEE Transaction on Magnetics (Vol. Mag-9, S. 381-385, 1973, Vol. Mag-10, S.480-483,1974 und Vol. Mag-11, S.1079, 1081, 1975) hat Uchishiba epitaxial selbstvorgespannte Strukturen demonstriert.

Obwohl mit dieser Struktur ein vollständiger Vorrichtungsbetrieb ohne ein externes Vorspannungsfeld demonstriert wurde, ergibt sich ein Problem aus dem speziellen Bereich von h/l, der normalisierten Dicke der Bubble- (Blasen-) Lage, die für volle Selbstvorspannung erforderlich ist. Der obige Bereich von h/l fällt nämlich unterhalb den in den meisten Vorrichtungsanwendungen bevorzugten Bereich.

Es wurden bereits Vorschläge gemacht, um eine selbstvorgespannte Struktur mit einem h/l im bevorzugten Bereich zu erhalten. US-PS 3 968 481 schlägt Bedingungen vor, unter denen h/l der Bubble- oder Blasenlage in den bevorzugten Bereich gebracht werden. Diese Lehre erfordert jedoch die Annahme, daß die Kappungsdomänenwand in der Vorspannungslage ausgebildet wird, wenn 1 größer ist als das der Blasenlage. Die Gültigkeit dieser Annahme ist außerordentlich fraglich. In der Tat zeigen gründliche theoretische Betrachtungen und experimentelle Ergebnisse, daß die als solche ausgebildete Kappungsdomänenwand nicht stabil ist.

Ferner sei noch auf US-PS 4 059 828 hingewiesen, wo eine weitere (zweite) Vorspannungslage oben auf der Blasenlage hinzugefügt wurde. Bei dieser Struktur wird das effektive Vorspannungsfeld verdoppelt.

Zusammenfassung der Erfindung. Die erfindungsgemäße selbstvorgespannte Struktur weist drei Lagen auf, wobei eine Vorspannungslage sandwichartig zwischen zwei Blasendomänenlagen angeordnet ist. Die Vorspannungslage hat ein außerordentlich hohes Anisotropiefeld und die Wandenergie ist höher als die der Vorspannungslagen. Kappungswände sind oberhalb und unterhalb der Vorspannungslage ausgebildet, so daß die Blasen in jeder der Blasenlagen vorgespannt sind. Da die Vorspannungslage permanent

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f-

senkrecht zu ihrer Ebene magnetisiert ist, ist ihre Permeabilität nicht merklich unterschiedlich von der des Vakuums. Da sich die Kappungswände auf jeder Seite der Vorspannungslage nicht in die Vorspannungslage erstrecken, gibt es keine "Exchange"- oder Austauschkopplung zwischen den Blasen in separaten Blasenlagen. Auf diese Weise ist die Wechselwirkung zwischen den Blasen der oberen Lage und der unteren Lage grundsätzlich magnetostatisch. Wenn daher die Dicke der Vorspannungslage (h^) klein ist verglichen mit der der kombinierten Blasenlagen (d.h. h. ^ h.. + h~) , so werden die Blasen in den entsprechenden Lagen stark zur Bildung einer Doppelblase gekoppelt. Die sich ergebende Doppelblase verhält sich im wesentlichen wie eine einzige Blase mit einer Höhe von etwas weniger als h₁ + h₂.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen vorgeschlagener Strukturen;

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen erfindungsgemäßer Strukturen;

Fig. 5 eine grafische Darstellung, welche das effektive Vorspannungsfeld und den blasenstabilisierten Bereich als eine Funktion der effektiven Dicke zur effektiven materialcharakteristischen Länge, h/l, für Blasendomänenstrukturen zeigt.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Fig. 1 zeigt eine Struktur, die aus einer Vorspannungslage 12 ausgebildet auf einem geeigneten Trägersubstrat 10 besteht. Die Blasenlage 14 ist auf der Oberseite der Vorspannlage 12 ausgebildet. Die Lagen 12 und 14 können auf irgendeine geeignete Weise, wie beispielsweise LPE, CVD od. dgl., ausgebildet sein.

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Die Vorspannlage 12 ist jedoch definiert als eine mit einem extrem hohen uniaxialen Anisotropiefeld. Ebenfalls ist die Blasenlage 14 als eine solche definiert, die eine Domänenwandenergie kleiner als die der Vorspannungslage 12 besitzt. In dieser Struktur wird die Kappungs- ("Capping")- Domänenwand 16 in der Blasenlage 14 gebildet, und es wurde gezeigt, daß das effektive Vorspannungsfeld H-- eng angenähert durch den folgenden Ausdruck repräsentiert werden kann:

^Heff _ 1 1

² WlT

(D

In der Gleichung bedeuten M die Sättigungsmagnetisierung, h die Dicke und 1 die charakteristische Länge der Blasenlage 14. ES wird ebenfalls gezeigt, daß H _ff unabhängig von den Eigenschaften der Vorspannungslage 12 ist. Die Gleichung (1) ist in der grafischen Darstellung der Fig. 5 als eine Funktion von h/l, der normalisierten Dicke der Blasenlage dargestellt, und zwar zusammen mit dem Blasenstabilitätsbereich. Die mit "EINZEL-VORGESPANNT" bezeichnete Linie repräsentiert die Gleichung (1). In der Fig. 5 bezeichnen H (H ;n=0) bzw.

H_n(H ;n=0) das Zusammenbruchsfeld bzw. das Auslauffeld (Run- ί η

Out-Feld) der Blase. Aus diesem Diagramm kann man ersehen, daß die normalisierte Dicke h/l auf 2,75 - 0,25 abgestimmt werden muß, um volle Selbstvorspannung zu erreichen.

Obwohl die Struktur der Fig. 1 vollen Vorrichtungsbetrieb ohne ein externes Vorspannungsfeld zu demonstrieren scheint, liegt doch der oben erwähnte Bereich von h/l unterhalb des in den meisten Vorrichtungsanwendungen verwendeten bevorzugten Bereichs, der ungefähr 3,3 oder größer ist. Der Wert von ungefähr 3,3 wird deshalb bevorzugt, weil die höchste erhältliche Packungsdichte im allgemeinen bei h/l»3,3 für einen gegebenen Wert von 1 auftritt, wie dies von Thiele in der folgenden Literaturstelle beschrieben ist: "Device Implications of the Theory

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of Cylindrical Magnetic Domains", Bell System Tech. J. Vol. 50, S. 725-773, insbes. S. 741 und 742, 1971. Ein etwas höherer Wert von h/l wird oftmals benutzt, um eine größere Blasenhöhe zu gestatten und daher auch ein stärkeres Blasenstreufeld für den Zweck des Erreichens einer stärkeren Kopplung der Blase mit der Vorrichtung.

In Fig. 2 ist eine weitere Darstellung einer selbstvorgespannten Struktur gezeigt. Diese selbstvorgespannte Struktur gehört zur Type gemäß US-PS 4 059 828. In diesem Ausführungsbeispiel ist die dritte Lage vorgesehen. Die dritte Lage ist eine weitere Vorspannungslage 20, die auf der Oberseite der Blasenlage 14 abgeschieden ist. Wiederum kann die Lage 20 in irgendeiner zweckmäßigen oder gewünschten Weise ausgebildet sein, beispielsweise als LPE, CVD od.dgl. Ebenfalls sind Kappungsdomänenwände 16 und 18 beide in der Blasenlage 14 ausgebildet. In dieser Struktur wird das effektive Vorspannungsfeld wie durch Gleichung (2) vorgeschlagen verdoppelt:

^Heff _ _J ...

_s (h/i ) ⁽²⁾

Diese Beziehung ist ebenfalls in Fig. 5 durch die ausgezogene Linie dargestellt, die mit "DOPPELT VORGESPANNT" bezeichnet ist. Aus Fig. 5 erkennt man, daß der Bereich von h/l für volle Selbstvorspannung 3,8 ± 0,4 beträgt, was gerade der bevorzugte Bereich ist. Da die Dicke der Lage 20 (und auch die der Lage 12) mehr oder weniger beliebig ist, solange sie nur in der Größenordnung liegt oder größer ist als die Breite der Kappungwand, kann sie klein genug gemacht werden, um mit den Vorrichtungserfordernissen kompatibel zu sein, wie beispielsweise dem Abstand zwischen Lage 14 und den auf Lage 20 herzustellenden Fortpflanzungsmitteln. Nichtsdestoweniger ist in bestimmten Anwendungsfällen, wo der Abstand sehr klein sein sollte, eine solche Lage bestimmt unerwünscht. Daneben ist bekannt, daß die mechanische Beschädigung auf der Vorspannungslage, unabhängig davon, wie klein diese ist, das Domänennukleations- oder

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Kernbildungsfeld absenkt, was die Struktur für die Entmagnetisierung mehr suszeptibel macht. Es entsteht somit ein Bedürfnis für eine selbstvorgespannte Struktur, die mit den Vorrichtungserfordernissen kompatibler ist.

Fig. 3 zeigt eine verbesserte Struktur gemäß der Erfindung. Bei dieser Struktur ist eine Blasenlage 30 auf einem Substrat 10 in einer geeigneten Weise ausgebildet. Die Vorspannungslage 32 ist auf der Oberseite der Lage 30 ausgebildet. Eine weitere Blasenlage 34 ist auf der Oberseite der Vorspannungslage 32 ausgebildet. In diesem Fall werden die Blasen 1 und 2 in den Blasenlagen 30 bzw. 34 ausgebildet. Gleichfalls sind Kappungsdomänenwände 36 und 38 an den Blasen 1 bzw. 2 und in den Blasenlagen 30 bzw. 34 ausgebildet.

Die in Fig. 3 gezeigte selbstvorgespannte Struktur der Erfindung bietet eine bessere Lösung der oben erwähnten Probleme. Sie kann ebenfalls für eine Doppelblasen-codierte Gitterablegvorrichtung ähnlich US-PS 4 059 828 verwendet werden. Wenn man beispielsweise annimmt, daß die Lagen 30 und 34 aus dem gleichen Material bestehen (was natürlich nicht erforderlich ist) und daher ihre charakteristischen Längen I₁ und I₂ gleich sind, so gilt für die Parameterwerte folgendes

I₁ « I₂ =0.5ym

hj+h₂ «2.5μπ»

wobei sich die Doppelblase wie eine einzige Blase mit der Dicke h*1,9 um und einem Median-Durchmesser d ft 4pm verhält.

Es sei darauf hingewiesen, daß diese Doppelblase "doppelvorgespannt" ist, da sie zwei Kappungswände 36 und 38 aufweist. Sie ist daher äquivalent zu einer einzigen Blase mit einer Dicke etwas kleiner als h₁ + h₂mit einer Vorspannungslage auf der Oberseite und an der Unterseite, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

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Für das obige Beispiel ist das Äquivalent h/l ungefähr 3,8, was genau in der Mitte des Stabilitätsbereichs für den doppelt vorgespannten Fall der Fig. 5 ist. Die vorliegende Erfindung sieht somit eine selbstvorgespannte Struktur mit Äquivalent h/l im bevorzugten Bereich vor.

In Fig. 4 kann man sehen, daß die Struktur der Erfindung auch für die Doppelblasen-codierten Gitterablegvorrichtungen gemäß US-PS 4 059 828 verwendet werden können. Eine Blasengitterablegvorrichtung besteht aus zwei Zonen, nämlich der Speicher- oder Gitterzone 100 und der Eingangs/Ausgangs-Zone 102. Die Struktur für die Gitterzone 100 ist grundsätzlich die gleiche wie die der Fig. 3 mit der Ausnahme für die Materialparameterwerte. Die Parameterwerte für die Gitterzone sind derart gewählt, daß Einzelblasen, wie beispielsweise Blase in Lage 34, und Doppelblasen, wie beispielsweise Blasen 112 und 114, koexistieren. Zudem zeigen die Doppel- und Einzelblasen den gleichen Durchmesser bei dichter Packung in einer Mischung bei einer bestimmten Packungsdichte ohne ein externes Vorspannungsfeld. Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, daß die Doppelblase doppelt vorgespannt und die Einzelblase einzeln vorgespannt ist. Beispielsweise ist h_/l₂ für Einzelblase 11O~3,4 (Punkt S₁ in Fig. 5). Das Äquivalent von h/l für die Doppelblase 112 ist ~4,8 (Punkt D, in Fig. 5). Diese Blasen bilden ein gleichförmiges Gitter. Es sei bemerkt, daß die Punkte S^ und D- in Fig. 5 in die "Strip-Out"- (Ausstreif)-Zone für eine isolierte Blase fallen. Blase-Blase-Wechselwirkungwverhindern jedoch den Strip-Out in der Gitterkonfiguration. Somit kann die binäre Information durch das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Blase in Lage 30 repräsentiert werden. Natürlich entspricht das erstere einer Doppelblase und das letztere einer Einzelblase in Verbindung mit Blasenlage 34.

In der Eingangs/Ausgangs-Zone 102 ist es zweckmäßig, übliche Eingabe/Ausgabe-Verfahren zu verwenden, in denen binäre Information durch das Vorhandensein oder "totale Nichtvorhandensein" einer Blase repräsentiert ist. Um dies zu realisieren,

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kann die Struktur in einer von zwei Arten modifiziert werden. Bei einem Verfahren wird eine zusätzliche Vorspannungslage 40 auf der Oberseite der Blasenlage 34 in der Eingabe/Ausgabe-Zone angeordnet. Sodann wird die Einzelblase doppelt vorgespannt und die Doppelblase wird dreifach vorgespannt. Das heißt, eine Einzelblase, wie beispielsweise die obere Blase 114, hat Kappungsdomänenwände 40 und 42 zum Doppeltvorspannen. Umgekehrt besitzt eine Doppelblase, wie beispielsweise die oberen und unteren Blasen 114, Kappungsdomänenwände 40, 4 2 und 4 4 zur Dreifachvorspannung. Im Diagramm der Fig. 5 wird daher der Punkt S.. nach oben zu Punkt S- in die Zusammenbruchzone bewegt, und der Punkt D- wird nach oben zum Punkt D, in die voll selbst vorgespannte Zone bewegt. Somit wird eine Doppelblase und eine Einzelblase in eine Blase bzw. keine Blase umgewandelt, wenn sie in die Eingabe/Ausgabe-Zone der Gitterzone geführt werden.

Die Doppelblasen/Einzelblasen- zu -Blase-keine-Blase-Umwandlung kann auch erreicht werden durch Verdünnung der Lage 34, wie dies durch die gestrichelte Linie 34A in Fig. 4 dargestellt ist. In diesem Fall wird die Vorspannungslage 40 weggelassen. Das heißt, wenn die Lage 34 von h₂/l~3,4 auf h₂/l₂^2,4 verdünnt wird, so wird das Äquivalent h/l für die Doppelblase reduziert von h/l ~ 4,8 auf h/l ^3,8 (vgl. die gestrichelten Linien in Fig. 5). Somit gleiten die Punkte S₁ und D~ nach oben zu S ' und D-¹, die in den Zusammenbruchs- bzw. voll selbstvorgespannten Zonen sich befinden.

Zusammengefaßt sieht die Erfindung somit eine selbst vorgespannte Struktur vor, welche die Vorrichtungserfordernisse erfüllt. Sie kann ebenfalls verwendet werden für eine selbst vorgespannte Blasengitter- (Lattice-) Vorrichtung mit dem zusätzlichen Vorteil, daß die Gitter- oder Lattice-Zone direkt in Interface-Beziehung mit der Eingabe/Ausgabe-Zone stehen kann, die übliche Eingabe/Ausgabe/Verfahren verwendet. Dem Fachmann sind Abwandlungen gegeben.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit eine selbst vorgo-

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spannte Struktur vor, welche den Magnetblasendomänen-Vorrichtungsbetrieb gestattet, wobei erfindungsgemäß drei Materiallagen vorgesehen sind, mit einer Vorspannungslage sandwichartig zwischen zwei Blasen lagen.

- Patentansprüche -

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Selbst vorgespannte Struktur für Magnetblasendomänenvorrichtung, gekennzeichnet durch erste und
   zweite Lagen aus Magnetblasendomänenmaterialien und eine
   Vorspannungslage, angeordnet zwischen den ersten und zweiten Lagen aus Magnetblasendomänenmaterial.
2. 2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle erwähnten Lagen in der gleichen Richtung magnetisiert sind.
3. 3. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungslage eine hohe Anisotropie besitzt und eine Wandenergie, die höher ist als die Wandenergie (Wall-Energie) jeder der ersten und zweiten Lagen.
4. 4. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen senkrecht zu deren Ebene magnetisiert sind.
5. 5. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungslage senkrecht zu ihrer Ebene permanent magnetisiert ist.
6. 6. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungslage relativ dünn ist verglichen mit den
   ersten und zweiten Lagen kombiniert.
7. 7. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorspannungslage über einem Teil einer der ersten und zweiten Lagen angeordnet ist.
8. 8. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   die erste oder die zweite Lage dünner ausgebildet ist, um so die Eigenschaften zu ändern.

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