DE2941442C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Granatfilm ist aus der DE-OS 27 30 498 bekannt.

Ein derartiger Granat-Einkristallfilm ist für Magnetblasen-Speicherelemente mit hoher Speicherdichte, die einen Blasendurchmesser von nicht mehr als etwa 1,5 µm haben, geeignet. Es ist bekannt, daß Magnetblasen-Speichervorrichtungen als vielversprechende Informationsverarbeitungsvorrichtungen, speziell als Speichervorrichtungen, erhöhte Aufmerksamkeit gewonnen haben und daß man auf diesem Gebiet aktiv Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchführt.

Eine der wichtigsten Funktionen als Speichervorrichtung ist die Speicherdichte, die durch den Durchmesser der Magnetblase bestimmt wird.

Die gegenwärtig allgemein angewendeten Magnetblasen-Speichervorrichtungen haben einen Blasendurchmesser von etwa 3 bis 5 µm und es ist zu erwarten, daß die Speicherdichte drastisch erhöht werden kann, wenn der Durchmesser der Magnetblasen weiter vermindert wird.

Um den praktischen Anwendungsbereich der Magnetblasen-Speicherelemente als Speicherelement, welches die bisher allgemein angewendeten anderen Speicherelemente ersetzen könnte, wie Scheibenspeicher, Halbleiterspeicher u. dgl., auszudehnen, ist es erforderlich, die Speicherdichte des Magnetblasenelements drastisch zu erhöhen, indem der Durchmesser der Magnetblasen in dem Speicherelement auf einen Wert von nicht mehr als 1,5 µm vermindert wird. Es ist daher wesentlich, ein Material für das Magnetblasenmedium zu schaffen, das befähigt ist, die Magnetblasen mit einem solchen geringen Durchmesser stabil aufrechtzuerhalten und diese zu betätigen.

In der DE-OS 27 30 498 werden Seltenerd-Eisen-Granat-Zusammensetzungen für Blasendomänen-Speicher beschrieben, die - neben anderen Zusammensetzungen - auch eine Zusammensetzung aufweisen können, die der Summenformel

(Eu_3-x Lu _x ) (Fe_5-y Al _y ) O₁₂

folgt, wobei in der genannten Formel x und y wie nachfolgend angegebenen definiert sind:

0,65 < x < 1,35 und
0,5 < y < 1,0.

In der genannten Druckschrift sind außerdem magnetische Strukturen beschrieben, in denen magnetische Schichten aus

(EuA)₃(FeB)₅O₁₂

(worin A Lu, Tm und/oder Yb und B Al und/oder Ga bedeuten können) auf Substrate der Formel

Gd₃Ga₅O₁₂

aufgetragen sind.

Es ist festzustellen, daß die in der vorstehend genannten Literaturstelle angegebenen Granate nicht zur Ausbildung von feinen Blasen geeignet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement zur Verfügung zu stellen, der die Fähigkeit hat, Magnetblasen mit extrem kleinem Durchmesser stabil beizubehalten und somit die Speicherdichte des Magnetblasen-Speicherelements merklich verbessert.

Diese Aufgabe wird durch einen Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement mit einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel

R^I _3-x R _x ^IIFe_5-y Al _y O₁₂,

dadurch gelöst, daß

• a) R^I für mindestens eines der Elemente Y, Gd, Yb, Tm, Lu und La sowie R^II für mindestens eines der Elemente Sm und Eu steht,
• b) für die Indices x und y
  0,5 < x < 2,0 bzw. 0,2 < y < 0,9
  gilt,
• c) Gd, wenn es als ein Element aus R^I vorliegt, in einer Menge vorhanden ist, die in der Formel einem Index von nicht mehr als 0,5 entspricht und
• d) Eu, wenn es als Element aus R^II vorliegt, in einer Menge vorhanden ist, die in der Formel einem Index von nicht mehr als 1,4 entspricht.

Dabei wird die Sättigungsinduktion 4 π Ms bei einem niederen Wert gehalten, indem eine vorbestimmte Menge an Eisen durch Aluminium ersetzt wird, ohne daß der Curiepunkt übermäßig erniedrigt wird. Dabei werden gleichzeitig die anderen Eigenschaften bei gewünschten Werten gehalten, indem vorbestimmte Mengen anderer Elemente, wie Yttrium und Gadolinium, zugesetzt werden, wodurch ermöglicht wird, daß die feinen Blasen stabil aufrechterhalten werden.

Die Menge des zugesetzten Eu beträgt erfindungsgemäß bis 1,4, während sie in der vorstehend genannten Literaturstelle mindestens 1,65 beträgt, so daß das gyromagnetische Verhältnis sowie die magnetische Wandbeweglichkeit geringer werden und die Hochgeschwindigkeits-Wanderung der Blasen erschwert wird.

Die Menge des zugesetzten Al liegt erfindungsgemäß innerhalb eines spezifischen Bereiches.

Dies geschieht, um die Austausch-Festigkeits-Konstante (exchange stiffness constant) A auf einen gewünschten Wert einzustellen, wie erfindungsgemäß angegeben wird. Im Stand der Technik wurde bisher Al zugesetzt, um die fehlende Übereinstimmung zwischen der Gitterkonstante eines Substratkristalls und der eines Blasenfilms, die durch die Zugabe von Gd u. dgl. bewirkt wird, einzustellen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen ausführlich beschrieben.

Auf Basis der Theorie von Thiele (Bell System Technical Journal Vol. 50 (1971), Seite 725) wird zunächst eine Erläuterung der Bedingungen für die Eigenschaften eines Materials gegeben, welche das stabile Vorhandensein der feinen Magnetblasen ermöglichen.

Wenn ein magnetischer Granatfilm in der Weise ausgebildet wird, daß seine Dicke h im wesentlichen gleich dem Durchmesser d der Magnetblase ist, so ist d im wesentlichen das Achtfache der chrakteristischen Länge ℓ:

d = 8 ℓ (1)

In diesem Fall kann ℓ durch die nachstehende Gleichung mit Hilfe der Sättigungsinduktion (4 π Ms), des Anisotropiefeldes (Hk) und der Austausch-Festigkeitskonstante (A) ausgedrückt werden:

ℓ = 2 (8 f A · Hk) ^1/2/(4 π Ms) ^3/2 (2)

Da Hk als Hk = q · (4 π Ms) definiert werden kann, wobei q der Faktor ist, der die Stabilität der Magnetblase darstellt, kann d durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden:

d = 16 (8 π A · q) ^1/2/4 π Ms) (3)

Um d auf einen kleinen Wert zu bringen, ist es daher erforderlich, daß sowohl A als auch q so klein wie möglich sind und daß 4 π Ms so groß wie möglich gehalten wird.

In praktischer Hinsicht unterliegen jedoch Magnetblasen-Elemente den nachstehenden beiden Beschränkungen.

(1) Um die Ausbildung von unnötigen Magnetblasen an anderen Stellen als dem Magnetblasen-Generator zu verhindern, soll q vorzugsweise einen Wert von etwa 3 überschreiten. Damit andererseits die leichte Ausbildung der Magnetblase durch den Magnetblasen-Generator gewährleistet wird, beträgt q vorzugsweise bis zu 10.

(2) Der Transport bzw. die Wanderung der Magnetblasen erfolgt mit Hilfe eines rotierenden Feldes. Versuche haben gezeigt, daß die Intensität des für den Transport der Magnetblasen erforderlichen rotierenden Feldes im wesentlichen proportional 4 π Ms ist. Es ist daher erforderlich, 4 π Ms so klein wie möglich zu halten, um die zur Ausbildung des rotierenden Feldes erforderliche Energie zu vermindern und die Wärmebildung in der Spule, die das rotierende Feld erzeugt, möglichst zu unterdrücken.

Wegen der vorstehenden beiden Beschränkungen ist der einzige freie Faktor in der obigen Gleichung (3) lediglich A. Das bedeutet, daß ein Material mit einem kleinen Wert von d aufgefunden werden muß, indem man den Wert A klein macht.

Andererseits hat man als Materialien für einen Granatfilm für feine Blasen (Blasen mit einem Durchmesser von etwa 1 µm) bereits Granate mit Ga-Substitution vorgeschlagen, wie (EuTm)₃(FeGa)₅O₁₂, (EuYb)₃(FeGa)₅O₁₂, (EuLu)₃(FeGa)₅O₁₂.

Als andere Materialtypen wurden (SmLu)₃(FeGa)₅O₁₂, welches Sm anstelle von Eu enthält, und (SmTm)₃Fe₅O₁₂, in welchem Fe nicht ersetzt ist, vorgeschlagen.

Im Vergleich mit üblichen Granaten für Magnetblasenelemente haben diese Granate zur Ausbildung von feinen Magnetblasen die folgenden spezifischen Merkmale.

(1) Die Sättigungsinduktion 4 π Ms ist um mindestens 8 · 10^-2 T (800 G) größer als die von üblichem Granat. (In einem Material, in welchem Fe nicht ersetzt ist, beträgt 4 π Ms ≧ 12 · 10^-2 T (1,200 G), in einem Material mit einem Durchmesser von 2 µm der Formel (YSmLuCa)₃(FeGe)₅O₁₂ beträgt aber 4 f Ms ≃ 4,3 · 10^-2 T (430 G) und in (YSmLu)₃(FeGa)₅O₁₂ beträgt 4 π Ms ≃ 3,8 · 10^-2 T (380 G.)

(2) Der Curiepunkt hat einen hohen Wert von mindestens 200°C und die Austausch-Festigkeitskonstante A beträgt mindestens 3 · 10^-14 J/cm (∼ 3 · 10^-7 erg/cm).

(3) Die Anisotropie-Energie Ku ist um mindestens das Zweifache größer als die eines Materials, das für Magnetblasen mit einem Durchmesser von 2 πm verwendet wird.

Wenn diese Magnetfilme für ein Magnetblasenelement verwendet werden, besteht eines der kritischsten Probleme darin, daß der Energieverbrauch für den Transport der Blasen drastisch ansteigt und daß in der Spule für den Blasentransport eine außerordentlich große Wärmemenge entwickelt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Energieverbrauch der Spule im wesentlichen proportional zu dem Quadrat von Ms des Granatfilms ansteigt, wie aus der vorstehenden Erläuterung verständlich ist. Aus diesem Grund läßt sich mit Recht feststellen, daß das erste Erfordernis für einen Granatfilm zur Ausbildung von feinen Magnetblasen darin besteht, daß er einen möglichst geringen Wert von Ms hat. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es erforderlich, wegen der vorstehend genannten zwei Beschränkungen, den Wert von A möglichst klein zu halten. Da A hauptsächlich durch die Wechselwirkung zwischen Fe-Ionen bestimmt wird, kann ein Teil der Fe-Ionen durch andere Ionen ersetzt werden, wodurch die Menge an Fe vermindert und somit A verringert wird. Anders ausgedrückt, wird der Wert von A um so kleiner, je größer der ersetzte Anteil an Fe ist.

Wenn jedoch A einen Wert von weniger als 1,5 · 10^-14 J/cm (1,5 · 10^-7 erg/cm) annimmt, wird die Curietemperatur Tc auf unterhalb 150°C vermindert, wodurch die Temperaturabhängigkeit von verschiedenen Eigenschaften der Magnetblasen extrem groß wird und der Temperaturbereich, in welchem das Magnetblasenelement eingesetzt werden kann, vermindert wird. Im Hinblick auf die praktische Anwendung des Magnetblasenelements ist es erforderlich, daß das Element bei 100°C angewendet werden kann. Wenn Tc weniger als 150°C beträgt, kann jedoch das Speicherelement nicht bei 100°C angewendet werden und ist daher nicht für die praktische Anwendung geeignet.

Ionen, die zur Verminderung des Werts von A verwendet werden können, während der Wert von Tc bei mindestens 150°C gehalten wird, umfassen Al⁺³, Ga⁺³, Si⁺⁴, Ge⁺⁴ und V⁺⁵. Unter diesen Ionen führt Al⁺³ zu den wünschenswertesten Ergebnissen. Da Al⁺³ unter diesen Ionen die größte Wirkung zur Verminderung von A zeigt, ist es möglich, auch 4 π Ms möglichst gering zu halten, wenn die feinen Blasen durch Al⁺³-Substitution gebildet werden. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorzugsweise Al⁺³ als Ionen zum Ersatz eines Teils des Fe verwendet und die zum Ersatz eingesetzte Menge y (Substitutionsmenge) muß für praktische Zwecke innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 0,9 liegen.

Wenn der Durchmesser der feinen Magnetblase nicht mehr als etwa 1,5 µm beträgt, muß der Wert 4 π Ms des zur Ausbildung der feinen Magnetblasen verwendeten Granatfilms 5,5 · 10^-2 T bis 13,0 · 10^-2 T (550 bis 1300 Gauß) betragen. Wenn 4π Ms weniger als 5,5 · 10^-2 T (550 G) beträgt, ist es unmöglich, feine Blasen mit einem Durchmesser bis zu 1,5 µm stabil auszubilden, solange man nicht die Filmdicke auf einen extrem geringen Wert einstellt.

Wenn 4 π Ms 13,0 · 10^-2 T (1300 G) überschreitet, so ist andererseits eine Anisotropieenergie Ku von mindestens 2 · 10^-2 J/cm³ (2 · 10⁵ erg/cm³) erforderlich, um die Blasen beständig zu transportieren. Nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist jedoch ein Wert Ku von 2 · 10^-2 J/cm³) (2×10⁵ erg/cm³) praktisch die obere Grenze, und oberhalb dieses Grenzwertes ist es unmöglich, einen stabilen Magnetblasenfilm zu erhalten.

Wenn die Substitutionsmenge y von Al⁺³ weniger als 0,2 beträgt, wird der Wert 4 π Ms größer als 13,0 · 10^-2 T (1300 G) und wenn y 0,9 überschreitet, nimmt 4 π Ms einen Wert von weniger als 5,5 · 10^-2 T (550 G) an. y sollte daher innerhalb des Bereiches von 0,2 bis 0,9 gehalten werden.

Da die Elemente Y, Gd, Yb, Tm, Lu und La geringen magnetischen Verlust besitzen, werden sie als Elemente R^I zugesetzt, um die Gitterkonstante des Granatfilms in Übereinstimmung mit der des Substrats zu bringen.

Eu und Sm als Anisotropie zeigende Ionen werden als R^II zugesetzt, weil sie nicht nur große Anisotropie zeigen, sondern einen relativ kleinen magnetischen Verlust haben.

Die zugesetzte Menge x von Eu oder Sm muß innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegen. Unter der vorstehend angegebenen Bedingung, daß 4 π Ms einen Wert im Bereich von 5,5 · 10^-2 T bis 13,0 · 10^-2 T (550 bis 1300 Gauß) hat, ist es erforderlich, daß x im Bereich von etwa 0,5 bis etwa 2,0 liegt, damit das stabile Vorliegen der Magnetblasen gewährleistet ist.

Wenn x weniger als 0,5 beträgt, wird die Anisotropieenergie ungenügend, wodurch die Magnetblasen instabil werden und der stabile Transport der Blasen unmöglich wird.

Wenn andererseits x größer als 2,0 ist, können zwar die Magnetblasen stabil vorhanden sein, jedoch der Transport der Blasen wird erschwert und ihr Hochgeschwindigkeitstransport ist unmöglich.

Da Gd, Yb und Tm ebenfalls Wirkung im Hinblick auf die Anisotropie zeigen, sind sie wirksam zum Erzielen einer gewünschten Anisotropieenergie in Verbindung mit Eu und Sm.

Wenn die zugesetzte Menge an Gd 0,5 Mol pro Molekülformel überschreitet, wird jedoch die Temperaturabhängigkeit von 4 π Ms groß und die Temperatureigenschaften werden verschlechtert. Es ist daher erforderlich, zu vermeiden, daß die zugesetzte Menge an Gd den Wert von 0,5 Mol überschreitet.

Wenn die Menge an Eu 1,4 Mol (1,4 Atomäquivalent) pro Molekülformel überschreitet, so wird andererseits die Blasensättigungsgeschwindigkeit bemerkenswert gering. Die Menge Eu beträgt daher bis zu 1,4. Da Sm keinen solchen nachteiligen Effekt verursacht, kann dessen Menge 1,4 Mol (Atomäquivalent) überschreiten.

Beispiel 1

Als Ausgangsmaterialien werden Oxide, d. h. 0,56 g Y₂O₃, 0,87 g Sm₂O₃, 16 g Fe₂O₃ und 0,54 g Al₂O₃ verwendet, und diesen werden als Flußmittel 230 g PbO und 4,6 g B₂O₃ zugesetzt. Das Gemisch wird in einem Platintiegel 10 Stunden lang auf 1200°C erhitzt und homogenisiert und dann wird ein Einkristall in der flüssigen Phase auf Gd₃Ga₅O₁₂ epitaxial bei 920°C während drei Minuten gezüchtet. Der gebildete Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften:

Filmdicke (h) = Blasendurchmesser (d) = 0,8 µm;
charakteristische Länge ( ℓ ) = 0,09 µm;
Curietemperatur (Tc) = 180°C;
A = 2,0 · 10^-7 erg/cm = 2,0 · 10^-14 J/cm;
4 π Ms: vermindert auf (700 G) 7,0 · 10^-2 T;
magnetische Wandbeweglichkeit µw = 250 cm/s · Oe = 314,16 cm²/s · A;
Hk = 1500 Oe = 119,37 · 10³ A/m.

Es wurde gefunden, daß bei der Herstellung eines Magnetblasenelements unter Verwendung dieses Materials der Hochgeschwindigkeitstransport der Blase möglich ist und daß die Blase ausreichend stabil ist. Die Koerzitivkraft Hc ist ebenfalls gering (wie 63,66 A/m (0,80 Oe)) und die Eigenschaften des Materials haben sich als außerordentlich gut erwiesen.

Beispiel 2

Die Einkristallzüchtung aus der flüssigen Phase wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, wobei als Oxid-Ausgangsmaterialien 1,2 g Sm₂O₃, 0,6 g Tm₂O₃, 16 g Fe₂O₃ und 0,3 g Al₂O₃ und als Flußmittel 250 g PbO und 5,0 g B₂O₃ verwendet werden.

Der so erhaltene Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften:

h = d = 0,5 µm;
ℓ = 0,056 µm;
Curiepunkt Tc = 220°C;
A = 2,5 · 10^-7 erg/cm = 2,5 · 10^-14 J/cm;
4 π Ms = 950 G = 9,5 · 10^-2 T;
µw = 180 cm/s · Oe = 226,19 cm²/s · A;
Hk = 1700 Oe = 135,28 · 10³ A/m.

Es wurde gefunden, daß unter Verwendung dieses Granatfilms ein Magnetblasenelement mit einer Bit-Periode von 4 µm ausgebildet werden kann.

Beispiel 3

Die Einkristallzüchtung aus der flüssigen Phase wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 durchgeführt, wobei jedoch als oxidische Ausgangsmaterialien 0,85 g Eu₂O₃, 0,80 g Sm₂O₃, 1,2 g Tm₂O₃, 15,5 g Fe₂O₃ und 0,28 g Al₂O₃ und als Flußmittel 235 g PbO und 4,7 g B₂O₃ verwendet werden. Der erhaltene Granatfilm hat die nachstehenden Eigenschaften:

h = 0,6 µm
d = 0,4 µm;
ℓ = 0,05 µm;
Tc = 210°C;
A = 2,4 · 10^-7 erg/cm = 2,4 · 10^-14 J/cm;
4 π Ms = 900 G = 9,0 · 10^-2 T.

Es ist möglich, im Vergleich mit einem üblichen Film mit dem gleichen Blasendurchmesser 4 π Ms um nicht weniger als 2,0 · 10^-2 T (200 G) zu vermindern. Da in dem Film Eu, Sm und Tm, die jeweils großen Anisotropieeffekt haben, vorliegen, kann bestätigt werden, daß Hk ≃ 159,16 · 10³ A/m (2000 Oe) beträgt und die Blase ausreichend stabil ist.

Beispiel 4

Ein Granatfilm der nachstehend angegebenen Zusammensetzung in der flüssigen Schmelze der epitaxial auf einem Gd₃Ga₅O₁₂-Einkristall gezüchtet wurde, hat praktisch die Zusammensetzung

Y_1,76Sm_0,92Gd_0,32Fe_4,38Al_0,62O₁₂

und besitzt einen Blasendurchmesser von 1,0 µm bei Raumtemperatur und eine Filmdicke von 1,0 µm. Die Sättigungsinduktion 4 π Ms des Granatfilms beträgt 6,65 · 10^-2 T (665 G) und zeigt somit einen extrem kleinen Wert für einen Granatfilm für feine Blasen. Da dieser Granatfilm eine geringe Menge an Gd enthält, wird die Änderung von 4 π Ms mit der Temperatur vermindert. So ist beispielsweise die Temperaturabhängigkeitsrate des Blasen-Zusammenbruchfeldes so gering wie -0,19 bis -0,23%/°C innerhalb eines weiten Bereichs von 0 bis 100°C. Es konnte bestätigt werden, daß dieser Film ausgezeichnete Temperatureigenschaften besitzt.

Granatzusammensetzung
Y₂O₃|0,738 g
Sm₂O₃	0,592 g
Gd₂O₃	0,213 g
Fe₂O₃	15,97 g
Al₂O₃	0,537 g

Flußmittel-Bestandteile
PbO|222 g
B₂O₃	4,44 g

Wie in üblichen Fällen wird der erfindungsgemäße Granat-Einkristallfilm durch epitaxiale Züchtung auf einem Gd₃Ga₅O₁₂-Einkristall ausgebildet.

Die Filmdicke (h) wird so gewählt, daß die Dicke im wesentlichen gleich dem Durchmesser (d) der auszubildenden Magnetblase ist und der Bereich von d/h beträgt etwa 0,5 bis etwa 2,0.

Der erfindungsgemäße Film ist speziell geeignet zur Ausbildung einer feinen Blase mit einem Durchmesser von nicht mehr als 1,5 µm und seine Maximaldicke beträgt im allgemeinen etwa 1,5 µm. Bei einem Film mit einer Dicke von nicht mehr als 0,3 µm ist es schwierig, einen gleichmäßigen Film einer solchen Dicke mit Hilfe des epitaxialen Wachstums aus der flüssigen Phase, einer Methode, die allgemein zur Ausbildung von Granatfilmen angewendet wird, zu erzielen. Da die Eigenschaften des Magnetblasen-Speicherelements variieren, wenn ein solcher Film angewendet wird, wird es bevorzugt, daß der Film eine Dicke von nicht weniger als etwa 0,3 µm hat.

Claims (3)

1. Granatfilm für ein Magnetblasen-Speicherelement mit einer Zusammensetzung gemäß der allgemeinen Formel R^I _3-x R _x ^IIFe_5-y Al _y O₁₂,dadurch gekennzeichnet,

• a) daß R^I für mindestens eines der Elemente Y, Gd, Yb, Tm, Lu und La sowie R^II für mindestens eines der Elemente Sm und Eu steht,
• b) daß für die Indices x und y
  0,5 < x < 2,0 bzw. 0,2 < y < 0,9
  gilt,
• c) daß Gd, wenn es als ein Element aus R^I vorliegt, in einer Menge vorhanden ist, die in der Formel einem Index von nicht mehr als 0,5 entspricht und
• d) daß Eu, wenn es als Element aus R^II vorliegt, in einer Menge vorhanden ist, die in der Formel einem Index von nicht mehr als 1,4 entspricht.

2. Granatfilm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film eine Dicke von 0,3 bis 1,5 µm hat.

3. Granatfilm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einem Gd₃Ga₅O₁₂-Einkristall ausgebildet ist.