DE3013802C2 - Magnetooptisches Speicherelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magnetooptisches Speicherelement, bestehend aus einer amorphen, eine uniaxiale Anisotropie der Magnetisierung aufweisenden Substanz aus einem Element der Seltenen Erden, einem Übergangsmetall und Zinn, nach Hauptpatent 29 11 992.

Ein Speicherelement der genannten Zusammensetzung eignet sich gegenüber den bisher aus der DE-OS 23 40 475 bekannten magnetooptischen Speicherelementen besonders gut zur Speicherung von Information, da es eine vergrößerte Kerr- bzw. Faradaydrehung eines linear polarisierten Lichtstrahls bewirkt. Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Speichervorrichtung weitere Ausgestaltungen eines derartigen amorphen, magnetooptischen Speicherelements auf der Basis von Zinn zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß neben dem Übergangsmetall und dem Zinn als Seltene Erde Gadolinium verwendet wird.

Ein derartiges Speicherelement kann gemäß der Summenformel

(Cdi - vFe,)i - .Sn₁,

aufgebaut sein, wobei 0,6 < .v < 0,9 0,001 < y < 0,25 ist.

Wird ein derart aufgebautes schichtförmiges, magnetooptisches Speicherelement von der Kompensationstemperatur, auf der es sich befindet und die unterhalb der Zimmertemperatur (20⁰C) liegt, lokal auf eine Temperatur erhitzt, die in der Nähe seiner Kompensationstemperatur bzw. seiner Curie-Temperatur liegt, beispielsweise mittels eines fokussierten Laserstrahls, kann durch Anlegen eines äußeren, senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufenden Magnetfeldes der erwärmte Schichtbereich in einer gewünschten Richtung senkrecht zur Schiehtoberflächc magnetisiert werden. Nach Abkühlen des erwärmten Schichtbereichs muß die Koerzitivfeldstärke ausreichen, um den unmagnetisierten Schichtbereich (Domäne) zu stabilisieren. Die Größe eines stabilisierten Schichtbereichs kann dabei einige μιη im Durchmesser betragen. Einem derartigen Schichtbereich wird, entsprechend der Richtung der Magnetisierung in seinem Innern, ein Informationswert zugeordnet der einer logischen »1« oder »0« entspricht. Mit Hilfe eines linear polarisierten Lichtstrahls wird über den magnetooptischen Faraday- bzw. Kerreffekt die Magnetisierungsrichtung des Schichtbereiches bzw. sein Informationsinhalt bestimmt. Durch die erfindungsgemüße Zusammensetzung des magnetooptischen Speicherelementes wird dabei erreicht, daß die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtstrahls um relativ große Winkel gedreht wird. Wird die in dem Speicherelement gespeicherte Information mit Hilfe des Faradayeffekts ausgelesen, so sollte sein Absorptionsvermögen möglichst klein sein, während beim Auslesen der Information mittels des Kerreffekts das Speicherelement ein möglichst gioßes Reflexionsvermögen besitzen sollte.

Anhand der Zeichnung weiden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematisch dargestellte magnetooptische Speichervorrichtung mit einem magnetooptischen Speicherelement.

F i g. 2 ein magnetooptisches Speicherelement mit einem zwischen zwei Elektroden liegenden Photoleiter.

F i g. 3 die Abhängigkeit der Kompensation- (Ti) und

Curietemperatur (T_L) von der Zinnkonzentration einer Gadolinium-Eisen-Schicht, und

Fig.4a, b die Abhängigkeit der Kerr- (Θ;) und Faradaydrehung (Θρ) von der Zinnkonzentration.

In Fig. 1 ist eine magnetooptische Speichervorrichtung schematisch dargestellt. Eine transparente Trägerplatte 1 ist dabei mittels geeigneter Lager in /-Richtung

J5 eines Koordinatensystems ijk verschiebbar angeordnet. Über einen Antrieb, beispielsweise einen Tauchspulenantrieb 2 (Lautsprechersystem), kann die Trägerplatte 1 in /-Richtung positioniert werden. Auf dieser Trägerplatte 1 ist ein schichtförmiges, auf einem Substrat 3 liegendes magnetooptisches Speicherelement 4 fest oder auswechselbar angebracht, wobei die /-Richtung parallel zu dessen Oberfläche verläuft.

Auf einer zweiten Trägerplatte 5, die senkrecht zur ersten in /Richtung verschiebbar ist und ebenfalls durch einen Tauchspulenantrieb 6 positioniert werden kann, befinden sich die zum Schreiben (Speichern) bzw. Lesen erforderlichen optischen Komponenten. Eine entsprechende Grundeinheit eines Schreib-ZLesesystems besteht z. B. aus einer Laserdiode 7, deren Strahlung durch eine Abbildungsoptik 8 auf das Speicherelement 4 fokussiert ist, wodurch ein vorgewählter Speicherplatz zum Einschreiben von Information aufgeheizt wird. Durch Anlegen eines äußeren, in ^-Richtung bzw. senkrecht zur Schichtoberfläche des Speicherelementes 4 verlaufenden Magnetfeldes mittels einer Magnetspule 9 wird dann die Magnetisierung im vorgewählten Bereich des Speicherelementes 4 in die dem einzuschreibenden Informationswert zugeordnete Magnetisierungsrichtung umgeklappt.

Zum Auslesen wird das Licht vor dem Eintritt in das Speicherelement 4 durch den Polarisator 10 linear polarisiert. Hinter dem zum Polarisator 10 gekreuzten Polarisator 11 hängt die Lichtintensität von der Drehung der Polarisationsebene (Schwingungsebene)

•^ des linear polarisierten Lichtes aufgrund der im Speicherelement 4 eingeschriebenen Information ab. Mittels einer Fotodiode 12 wird das Licht /ur Erzeugung eines Lesesignals detektiert.

Neben dieser Möglichkeit, die Information im Speicherelement 4 mit Hilfe des Faradayeffektes auszulesen, kann die gespeicherte Information ferner mittels des Kerreffektes ausgelesen werden. Da hierbei die an der Oberfläche des Speicherelements reflektierte Strahlung gemessen wird, ist ein entsprechender optischer Aufbau erforderlich, der von dem in F i g. 1 dargestellten abweicht.

Durch geeignetes Positionieren der beiden Trägerplatten 1 und 5 zueinander kann die Schreib'/Leseeinheit über jeden Punkt des Speichermaierials geführt werden und dort Information einschreiben oder auslesen. Neben dem Speicherelement 4 befinden sich auf der Trägerplatte 1 zwei senkrecht zueinander in i- bzw. /Richtung verlaufende Streifenraster 13, deren Rasterperioden mit dem Abstand der Speicherplätze auf dem Speicherelement übereinstimmen. Dieses Streifenraster 13 wird von Lichtschranken abgetastet. Aus der Zahl der Helligkeitswechsel bei der Relativbewegung zwischen dem Streifenraster 13 und der Lichtschranke, die aus einer weiteren Laserdiode 14. einer weiteren Abbildungsoptik 15 und einer zusätzlichen Fotodiode 16 besteht, wird der zurückgelegte Weg in /- und /Richtung und damit die genaue Position ermittelt, an der z. B. eingeschrieben wird. Zum Auslesen bzw. zum Überschreiben der Information an dieser Position wird bei vorgegebener Soll-Position aus der Differenz zwischen Soll- und ist-Wert ein Regelsignal gewonnen, das die Tauchspulenantriebe 2 und 6 so ansteuert, daß die gewünschte Position wieder erreicht wird.

F i g. 2 zeigt das schichtförmige magnetooptische Speicherelement 4, welches auf einem schichtförmigen, zwischen zwei transparenten, ebenen Elektroden 17 liegenden Fotoleiter 18 liegt. Die schichtförmige Struktur aus Elektroden 17 und Fotoleiter 18 liegt dabei direkt auf dem Substrat 3, das z. B. aus Glas bestehen kann. Um eine Information in einen Speicherplatz im magnetooptischen Speicherelement 4 einzuschreiben, wird der darunterliegende Fotoleiter 18 durch die obere transparente Elektrode 17 von einem Lichtstrahl, z. B. einem parallelen He-Ne-Laserstrahl 19, belichtet. Beim Anlegen eines Spannungspulses U an die transparenten Elektroden 17 fließt dann ein Strom durch die belichtete Zone des Fotoleiters 18 unterhalb der Speicherzelle. Die dabei erzeugte Joul'sche Wärme wird durch Wärmeleitung auf die darüberliegende Speicherzelle übertragen, so daß ein Umklappen der Magnetisierung M innerhalb der Speicherzelle bei nur geringer Intensität des Lichtstrahls 19 und unter Verwendung eines äußeren Magnetfeldes H möglich ist. Die Speicherzelle ist hierbei der vom Lichtstrahl 19 beleuchtete Bereich des magnetooptischen Speicherelements 4.

Natürlich kann das magnetooptische Speicherelement 4 auch ohne Fotoleiter betrieben werden. Die entsprechenden Intensitäten der Lichtstrahlen 19 bzw. die Laserleistungen müßten dann jedoch erhöht werden.

Ein Ausführungsbeispiel magnetooptischer Speicherelemente 4 besteht aus amorphen, ferrimagnetischen (Gdi _ ₍Fe_t)i _ ^n,-Schichten, die in einer Hochvakuumbedampfungsanlage der Firma Balzers (BAK 550) bei 6· 10-⁸ bis 1 · 10~⁷Torr hergestellt sind. Die Anlage besitzt ein Cryopumpsystein (K20 Philips), so daß keine Verunreinigung durch Kohlenwasserstoffe auftritt.

Die einzelnen Stoffkomponenten Gd. Fe und Sn (Reinheit: Gd 99.9%; Fc 9y,95%. Sn 99.99W₀; Firma Materials Res. GmbH) werden aus drei separaten, wassergekühlten Kupfertiegeln mit Hilfe von Elektronenstrahlen gleichzeitig verdampft. Die Kupfertiegel befinden sich dabei in den Ecken eines gleichseitigen > Dreiecks, während der Abstand zwischen den Kupfertiegeln und dem Substrat ca. 56 cm beträgt. Gdi _ ,Fo, wird für alle Schichtzusammensetzungen mit einem festen Aufdampfraten-Verhältnis von 0,5 nm/s Gd und 0,6 nm/s Fe aufgedampft, während der Sn-Anteil zur Herstellung unterschiedlicher Speicherelemente 4 von 0,1 nm/s in Schritten von 0,05 nm/s bis 0,4 nm/s erhöht wird. Als Substrate 3 werden Glasobjektträger (Firma Dargatz) verwendet, die selbst nur einen untergeordneten Einfluß auf die magnetischen bzw. magnetooptisehen Eigenschaften des Speicherelementes 4 (Speicherschicht) ausüben.

Die unter diesen Bedingungen hergestellten Speicherschichten 4 besitzen folgende Zusammensetzung:

mit y = 0,02; C04; 0.06: 0,08; 0.10: 0,12; 0,16; und 0,20. Dabei stellt yden Zinnanteil an der gesamten, auf eins bezogenen Stoffzusammensetzung dar. y = 0,02 entspricht dabei einem Anteil von 2,0 Atom-% an der Zusammensetzung. Alle Speicherschichten 4 besitzen eine durchschnittliche Dicke von 100 bis 200 ηm. Mit Hilfe von Röntgenbeugungsexperimenten konnte ihre amorphe Struktur nachgewiesen werden.

In Fig. 3 sind für o.ie verschiedenen Speicherschichten 4 der oben angegebenen Zusammensetzung die Kompensationstemperaturen Tk in Abhängigkeit des jeweiligen Zinngehalts y dargestellt. Man erkennt, daß die Lage der Kompensationstemperatur Tk, die für den thermomagnetischen Einschreib-(Speicherungs-)Prozeß eine wesentliche Rolle spielt, durch Veränderung des Zinngehalts y in weiten Bereichen (z. B. zwischen 50 K und 310 K) variiert werden kann. Die Kompensationstemperatur Tk sinkt dabei mit steigendem Zintige-

->'< halt yund konstantem Gd — Fe-Gehalt.

Durch die Größe der Kompensationstemperatur 7Ά werden die Bedingungen für thermomagnetisches Einschreiben (z. B. Laserleistung, externes Magnetfeld) wesentlich bestimmt. Daher wird seitens der Anwender gefordert, daß die Kompensationstemperatur Tk auf den jeweiligen Schichtoberflächen, die im angegebenen Ausführungsbeispiel bei 35 ■ 25 cm² liegen, nur um wenige Temperaturgrade von Ort zu Ort schwanken darf, so daß hohe Anforderungen an die Homogenität der Speicherschicht 4 gestellt sind. Durch Drehung des Substrattellers während des Aufdampfprozesses wird jedoch eine gute Homogenität der Schicht bezüglich ihrer Zusammensetzung und ihrer magnetischen bzw. magnetooptischen Eigenschaften erreicht.

In den Fig. 4a bzw. 4b ist die Kerrdrehung Θα (in Grad) bzw. die Faradaydrehung Θρ(ίη 10⁵ Grad/cm) in Abhängigkeit des Zinngehalts y dargestellt. Die Kerr- bzw. Faradaydrehung Θα bzw. Θ/.- steigt dabei besonders stark im Bereich kleiner Zinnkonzentrationen y an, z. B.

w> im Bereich 0,001 <yi 0,05, und liegt durchweg über der Kerr- bzw. Faradaydrehung entsprechend dotierter GdFeBi-Schichten. Bei größeren Zinnanteilen y ändert sich dagegen die Kerr- bzw. Faradaydrehung nur noch wenig.

t>i Lim Strukturänderungen des amorphen Zustandes derartiger GdFeSn-Schichten zu erfassen, die mit irreversiblen Änderungen der magnetischen und magnetooptischen Eigenschaften der Schichten verbunden

sind, wurde ferner ihr thermisches Verhalten gemessen, d. h., die optische Durchlässigkeit für Licht einer bestimmten Wellenlänge (633 nm) in Abhängigkeit von der Schichttemperatur für Schichten mit steigendem Zinn-Anteil. Danach zeigt sich, daß oberhalb einer ^ bestimmten kritischen Schichttemperatur T die optische Durchlässigkeit sprunghaft ansteigt, da sich bei dieser Temperatur T' die amorphe Schichtstruktur durch Kristallisation und Oxidation stark verändert. Es wurde ferner festgestellt, daß sich die kritische >» Schichttemperatur T mit steigendem Zinnanteil zu höheren Werten verschiebt, so daß ein steigender Zinnanteil die Stabilität einer Schicht hinsichtlich der Änderung ihres amorphen Zustandes in Abhängigkeit von der Temperatur erhöht. '^r>

Das thermomagnetische Einschreiben von Information in die im Ausführungsbeispiel angegebenen Speicherschichten kann z. B. mittels eines Lasers und eines von außen an die Speicherschicht 4 angelegten Magnetfeldes H sowie mittels Kompensationspunkt- ^x schalten erfolgen.

Beim Kompensationspunktschalten wird die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke H_c (Polstelle von H_c ander materialspezifischen Kompensationstemperatur) ausgenutzt. Diese Polstelle ist die Folge des Verschwindens der Sättigungsmagnetisierung am Kompensationspunkt, was auf die Kompensation der verschiedenen magnetischen Untergitter zurückzuführen ist. Das Material ist bei 7i aber durchaus magnetisch geordnet. Dieser Ordnungszustand wird magnetoop- ^jn tisch ausgelesen. Die Speicherschicht wird beim Kompensatiospunktschalten in der Nähe der Kompensationstemperatur gehalten. Der adressierte Speicherplatz wird erwärmt (Laser), wobei das zum Schalten benötigte Feld H mit etwa (T- T/,)-' abnimmt, so daß nur die Magnetisierung des erwärmten Bereiches durch das äußere Schaltfeld Hausgerichtet wird.

In den amorphen (Gdi _ ,Fe,)i - ιΖη,-Schichten der oben angegebenen Zusammensetzung, deren Kompensationstemperaturen Tk zwischen 0 K und 500 K liegen. für

zwischen 0 K und 310 K (F i g. 3). können mit Energien von 0,1 · 1O~⁷-O,3 ■ 10 "⁷ ). bei äußeren Magnetfeldern von 0 —40Oe, Domänen mit einem Durchmesser von 5— 10 μηι eingeschrieben werden. Das Domänenmuster ist stabil und kann sowohl durch Anlegen eines höheren externen Magnetfeldes (H > 40Oe) entgegen der Feldrichtung beim Einschreiben oder auch durch erneutes Schallen in entgegengesetzter Richtung gelöscht werden.

Domänengröße und Schaltzeit sind sowohl vom externen Magnetfeld H als auch von der Laserleistung abhängig. Bei den angegebenen Energien liegen die typischen Schaltzeilen zwischen 0,5 — 2 \is.

Werden die Speicherschichten 4 mit einem Fotoleiter 18 kombiniert, so kann die Einschreibempfindlichkeit erheblich gesteigert werden. Bei einer solchen Kombination wird der Fotoleiter 18 als »Substrat« benutzt (im Gegensatz zur sonst verwendeten Glas/Schicht-Kombination). Die Rauhigkeit des Fotoleiters 18 bzw. die der Elektrodenoberfläche 17 (Rauhigkeit einige μιη) führt zu einer stärkeren Haftung der magnetischen Wände und somit, abhängig von der Stärke der Rauhigkeit, zu einer Veränderung der Temperaturbeständigkeit der Koerzitivfeldstärke Hc Diese steigt bei gleicher Temperatur in Abhängigkeit von der Rauhigkeit der verwendeten Unterlage etwa um den Faktor 2 bis 5 bis zur erwähnten Rauhigkeit von einigen μιη an, wobei die Kompensationstemperatur Tk unverändert bleibt. Infolgedessen können mit den Energien, die zum Einschreiben von Information in glatte Schichten erforderlich sind, bei gleicher Größe der Kompensationstemperatur Tk keine Informationen in rauhe Schichten eingeschrieben werden. Mittels einer geeigneten Zusammensetzungsänderung (Änderung des Zn-Anteils) kann die Größe der Kompensationstemperatur H_c so weit erniedrigt werden (siehe F i g. 3), daß die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke H_c wieder einen ähnlichen Verlauf zeigt wie beim Aufbringen der Speicherschicht auf eine glatte Oberfläche (Glas).

Das Auslesen der Information wird mit polarisiertem Licht, z. B. Laserlicht der Wellenlänge λ = 633 nm, vorgenommen. Der Fotoleiter 18 bzw. die Elektroden 17 sind so gewählt, daß sie bei dieser Wellenlänge transparent sind. Der Ausleseprozeß kann dann sowohl in Reflexion erfolgen als auch in Transmission.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Magnetooptisches Speicherelement, bestehend aus einer amorphen, eine uniaxiale Anisotropie der Magnetisierung aufweisenden Substanz aus einem Element der Seltenen Erden (R), einem Übergangsmetall (M) und Zinn (Sn), nach Hauptpatent 29 11 992, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltene Erde Gadolinium (R = Gd) ist.

2. Magnetooptisches Speicherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsmetall Eisen (M = Fe) ist.

3. Magnetooptisches Speicherelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es nach der Summenformel

(Gd] _ »Fe,)i _ ySn_y
aufgebau: ist, und

0.6 < χ < 0,9
und 0,001 < y < 0,25 ist.

4. Magnetooptisches Speicherelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß χ = 0,74 ist.

5. Magnetooptisches Speicherelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß 0,001 < y < 0,005 ist.