DE4326999A1 - Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum magnetfeld­ gesteuerten Schalten.

In ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Nickel (Ni), Eisen (Fe) oder Kobalt (Co) und in Legierungen mit diesen Metallen ist der elektrische Widerstand abhängig von der Größe und Richtung eines das Material durchdringenden Magnetfeldes. Diesen Effekt nennt man anisotropen Magneto­ widerstand (AMR) oder anisotropen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit unterschiedlichem Spin, die entsprechend als Majoritäts- und Minoritätselek­ tronen des D-Bandes bezeichnet werden. Für magnetoresis­ tive Sensoren wird im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresistiven Material mit einer Magne­ tisierung in der Schichtebene verwendet. Die Widerstands­ änderung bei Drehung der Magnetisierung bezüglich der Stromrichtung eines in der Schicht fließenden Meßstromes kann einige Prozent des normalen isotropen Widerstandes betragen und wird als Meßsignal erfaßt.

Es sind Mehrschichtsysteme bekannt mit mehreren, zu einem Stapel angeordneten ferromagnetischen Schichten, die durch nichtmagnetische Zwischenschichten voneinander getrennt sind und deren Magnetisierungen jeweils in der Schicht­ ebene liegen. Die jeweiligen Schichtdicken sind dabei we­ sentlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Lei­ tungselektronen gewählt. In solchen Schichtsystemen tritt nun bei Anlegen eines elektrischen Stromes zusätzlich zu dem anisotropen magnetoresistiven Effekt in den einzelnen Schichten der sogenannte Giant-magnetoresistive Effekt oder Giant-Magnetowiderstand (Giant-MR) auf, der auf der unterschiedlich starken, von der jeweiligen Magnetisierung abhängigen Streuung von Majoritäts- und Minoritäts-Lei­ tungselektronen im Volumen der Schichten, insbesondere in Legierungen, sowie an den Grenzflächen zwischen den ferro­ magnetischen Schichten und den Zwischenschichten beruht. Dieser Giant-MR ist ein isotroper Effekt, d. h. er kann erheblich größer sein als der anisotrope MR mit Werten von bis zu 70% des normalen isotropen Widerstandes.

Es sind zwei Grundtypen von solchen Giant-MR-Mehrschicht­ systemen bekannt. Bei dem ersten Typ sind die ferromagne­ tischen Schichten über die Zwischenschichten antiferro­ magnetisch aneinander gekoppelt, so daß sich die in den Schichtebenen liegenden Magnetisierungen von zwei benach­ barten ferromagnetischen Schichten ohne äußeres Magnetfeld antiparallel zueinander ausrichten. Ein Beispiel für die­ sen Typ sind Eisen-Chrom-Übergitter (Fe-Cr-Superlattices) mit ferromagnetischen Schichten aus Fe und antiferromagne­ tischen Zwischenschichten aus Cr.

Für diesen Typ mit antiferromagnetisch gekoppelten, ferro­ magnetischen Schichten wurden theoretische Berechnungen durchgeführt, die eine Abhängigkeit der Strom- und der Transmissionskoeffizienten für an den Grenzflächen ge­ streute Elektronen mit Spin-up und solche mit Spin-down von dem Winkel zwischen den Magnetisierungen in benach­ barten ferromagnetischen Schichten aufzeigen. Aus diesen Berechnungen ergibt sich, daß der Giant-MR bei von 0° auf 180° wachsendem Winkel zwischen den beiden Magnetisierun­ gen stetig zunimmt und am größten bei einem Winkel von 180° ist ("Physical Review Letters", Vol. 63, Nr. 6, August 1989, Seiten 664 bis 667).

Bei dem zweiten Typ eines bekannten Giant-MR-Mehrschicht­ systems sind die nicht-magnetischen Zwischenschichten zwischen den ferromagnetischen Schichten so dick gewählt, daß die magnetische Austauschkopplung zwischen den ferro­ magnetischen Schichten möglichst gering ist. Die Zwischen­ schichten können aus einem Metall, einem Halbleiter oder auch einem Isolator bestehen. Jeweils benachbarte ferro­ magnetische Schichten weisen unterschiedliche Koerzitiv­ feldstärken auf. Die Abhängigkeit ihrer Magnetisierungen von einem Magnetfeld ergibt sich aus den entsprechenden Hysteresekurven des magnetisch weicheren bzw. des magne­ tisch härteren Materials. Wenn die Magnetisierungen der magnetisch weicheren Schichten parallel zu den Magnetisie­ rungen der magnetisch härteren Schichten gerichtet sind, ist der Widerstand des Schichtsystems am kleinsten. Bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungen ist der Widerstand hingegen am größten.

Um nun ein auswertbares Sensorsignal zu erhalten, bringt man das Schichtsystem zunächst in Sättigung. Das bedeutet, daß bei einem Magnetfeld mit einer vorgegebenen Meßrich­ tung die Feldstärke des Magnetfeldes oberhalb der größeren der beiden Koerzitivfeldstärken der Schichten eingestellt wird und die Magnetisierungen aller Schichten somit paral­ lel zu dieser Sättigungsfeldrichtung ausgerichtet werden. Es gibt einen solchen Sättigungsbereich für ein in Meß­ richtung gerichtetes, positives Magnetfeld und einen weiteren, symmetrisch zum ersten liegenden Sättigungsbe­ reich, in dem das Magnetfeld und damit auch alle Magneti­ sierungen umgekehrt gerichtet und damit negativ sind. Das Widerstandssignal ist nun abhängig davon, von welchem der beiden Sättigungsbereiche man startet. Beginnt man im ne­ gativen Sättigungsbereich, so bleibt das Widerstandssignal auf seinem minimalen Wert bis zu einer positiven Feld­ stärke etwas unterhalb der positiven Koerzitivfeldstärke der magnetisch weicheren Schichten. Die Magnetisierungen der weicheren Schichten werden nun gedreht und das Signal steigt bis etwas oberhalb dieser Feldstärke auf seinen maximalen Wert an. Nun sind die Magnetisierungen der magnetisch unterschiedlich harten Schichten antiparallel gerichtet und das Widerstandssignal bleibt in einem Be­ reich zwischen den beiden positiven Koerzitivfeldstärken etwa konstant. In einem Bereich um die positive Koerzi­ tivfeldstärke der magnetisch härteren Schichten werden nun auch die Magnetisierungen der magnetisch härteren Schich­ ten von dem Magnetfeld aus ihrer ursprünglichen Richtung gedreht und bei einer Feldstärke oberhalb dieser Koerzi­ tivfeldstärke wieder parallel zum Magnetfeld und zu den Magnetisierungen der anderen Schichten gerichtet. In diesem positiven Sättigungsbereich ist das Widerstands­ signal wieder minimal. Startet man hingegen im positiven Sättigungsbereich, so ergibt sich ein zu dem gerade be­ schriebenen Widerstandssignal spiegelsymmetrisches Wider­ standssignal, das seinen minimalen Wert bei einer nega­ tiven Feldstärke etwas oberhalb der negativen Koerzitiv­ feldstärke des magnetisch weicheren Materials und seinen maximalen Wert in einem Bereich zwischen den beiden ne­ gativen Koerzitivfeldstärken der beiden unterschiedli­ chen Materialien annimmt (EP-A-0 483 373).

Das MR-Signal dieser bekannten Schichtsysteme hängt somit von ihrer Vorgeschichte ab, d. h. auf welchem Weg und zwi­ schen welchen Werten für das Magnetfeld sowie in welcher Richtung die Hysteresekurven durchlaufen werden. Ein sol­ ches Schichtsystem hat daher keine eindeutige Kennlinie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten anzugeben.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeich­ nung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 bis 4 Schaltkennlinien für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung und

Fig. 5 bis 12 Ausführungsformen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung jeweils im Querschnitt schematisch dargestellt sind. Entsprechende Teile der Vor­ richtung sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Schaltkennlinien, die mit Vorrichtungen zum magnetfeldgesteuerten Schalten realisiert werden sollen. Es ist jeweils die relative Widerstandsänderung dR/R als Schaltsignal S über dem Schaltmagnetfeld H_S aufgetragen. Positive Vorzeichen für die Feldstärken entsprechen dabei Feldern parallel zu einer vorgegebenen Schaltmagnetfeldrichtung und negative Vorzeichen zu dieser Richtung antiparallelen Feldern.

In Fig. 1 sind zwei Schaltsignale S1 und S2 mit jeweils zwei logischen Zuständen LL und LH in Abhängigkeit von dem Schaltmagnetfeld H_S aufgetragen. Bei dem ersten Schaltsignal S1 liegt der erste, niedrige logische Zustand LL (Logical Low) in einem Bereich oberhalb eines ersten Grenzwertes H₁ und der zweite, hohe logische Zustand LH (Logical High) oberhalb eines zweiten Grenzwertes H₂. Bei dem zweiten Schaltsignal S2 liegt umgekehrt der hohe logische Zustand LH unterhalb von H₁ und der niedrige logische Zustand LL oberhalb von H₂. In einem Übergangs­ bereich zwischen diesen beiden Grenzwerten H₁ und H₂ liegt jeweils eine Schaltflanke T1 und T2 des Schaltsignals S1 bzw. S2, die die beiden entsprechenden Schaltzustände ver­ bindet. Die Größe dieses Übergangsbereiches zwischen H₁ und H₂ ist für ein gutes Schaltverhalten möglichst klein zu halten. Die Grenzwerte H₁ und H₂ sind in den darge­ stellten Schaltkennlinien beide positiv, können allerdings auch beide negativ sein und sollen in einem vorgegebenen Schaltoperationsbereich SOR (Switching operating range) beliebig verschiebbar sein.

Fig. 2 zeigt eine Schaltkennlinie eines Schaltsignals S3 mit zwei Schaltflanken T1 und T2 zwischen zwei logischen Zuständen LL und LH. Die eine Schaltflanke T1 liegt dabei in der dargestellten Kennlinie in einem Übergangsbereich zwischen zwei positiven Grenzwerten H₁ und H₂ mit H₁ < H₂, und die zweite Schaltflanke T2 liegt in einem Übergangsbe­ reich zwischen zwei negativen Grenzwerten H₃ und H₄ mit H₃ < H₄. Es können allerdings auch alle vier Grenzwerte H₁ bis H₄ positiv oder alle negativ sein. Der erste, niedrige logische Zustand LL liegt zwischen H4 und H₁ und der ande­ re, hohe logische Zustand LH liegt unterhalb von H₃ und oberhalb von H₂. Die dargestellten Übergangsbereiche zwischen H₃ und H₄ sowie zwischen H₁ und H₂ sind gleich groß und liegen symmetrisch zum Ursprung H_S = 0, können allerdings auch unsymmetrisch und/oder unterschiedlich groß sein.

Ein weiteres - nicht dargestelltes - Schaltsignal ergibt sich als invertiertes Schaltsignal zu diesem dargestellten Schaltsignal S3. Ein solches Schaltsignal ist dann in seinem hohen Zustand LH zwischen den Grenzwerten H₄ und H₁ und in seinem niedrigen Zustand LL unterhalb von H₃ und oberhalb von H₂.

Das Schaltsignal S4 in Fig. 3 weist drei logische Zu­ stände LL, LM und LH auf mit einer ersten Schaltflanke T1 zwischen dem mittleren Zustand LM und dem hohen Zustand LH in einem Übergangsbereich zwischen zwei positiven Grenz­ werten H₁ und H₂ und einer zweiten Schaltflanke T2 zwi­ schen dem tiefsten Zustand LL und dem mittleren Zustand LM in einem Übergangsbereich zwischen zwei negativen Grenz­ werten H₃ und H₄. Der mittlere logische Zustand LM liegt somit zwischen H₄ und H₁, der hohe logische Zustand LH liegt oberhalb von H₂, und der tiefe logische Zustand LL liegt unterhalb des Grenzwertes H₃. Ein weiteres - nicht dargestelltes - Schaltsignal ergibt sich als zu diesem Schaltsignal S4 komplementäres Schaltsignal mit dem hohen Zustand LH unterhalb von H₃ und dem tiefen Zustand LL oberhalb von H₂.

In der Schaltkennlinie gemäß Fig. 4 sind ein hoher logi­ scher Zustand LH oberhalb eines positiven Grenzwertes H₂ und ein tiefer logischer Zustand LL unterhalb eines nega­ tiven Grenzwertes H₁ mit einer dazwischenliegenden Schalt­ flanke T für ein Schaltsignal S5 vorgesehen. Auch hier ist ein komplementäres Schaltsignal möglich mit einem hohen Zustand LH für negative Schaltmagnetfelder H_S < H₁ und einem tiefen Zustand LL für positive Schaltmagnetfelder H_S < H₂.

In Fig. 5 bis 12 sind Ausführungsformen einer Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten dargestellt, mit denen Schaltkennlinien gemäß den Fig. 1 bis 4 realisiert werden können.

Alle Ausführungsformen enthalten eine Schaltmagnetfeld­ quelle 20, die zur Vereinfachung nur in Fig. 5 dargestellt ist und beispielsweise als vorzugsweise drehbarer Magnet oder als Spule ausgebildet sein kann, zum Erzeugen eines Schaltmagnetfeldes _S, dessen Feldstärke ± H_S in einem vorgegebenen Schaltoperationsbereich SOR liegt. Die Schaltmagnetfeldquelle 20 kann auch ein zeitlich variables und vorzugsweise rotierendes Magnetfeld erzeugen. Das Schaltmagnetfeld _S ist dann als Komponente dieses varia­ blen Feldes parallel oder antiparallel zu einer Magneti­ sierung _B definiert.

Ferner sind bei allen Ausführungsformen wenigstens ein Giant-MR-Schichtpaket mit wenigstens einer Schaltschicht 2 und wenigstens einer Biasschicht 6 sowie an dem Schicht­ paket angebrachte Schalterkontakte 11A und 11B, die nur in in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt sind, vorgesehen. Die Biasschicht 6 weist eine Magnetisierung _B auf, die zum Schaltmagnetfeld _S kollinear, d. h. parallel oder anti­ parallel, gerichtet ist und in dem Schaltoperationsbereich SOR von dessen Feldstärke H_S zumindest weitgehend unabhän­ gig ist. Die Schaltschicht 2 ist dagegen mit einer vom Schaltmagnetfeld _S beeinflußbaren Magnetisierung _S ver­ sehen. Diese nur in der Fig. 9 dargestellte Magnetisierung _S ist in einem ersten Feldbereich unterhalb eines ersten Grenzwertes H_a entweder parallel oder antiparallel zur Magnetisierung _B der Biasschicht 6 gerichtet und in einem zweiten Feldbereich oberhalb eines zweiten Grenzwertes H_b mit H_b < H_a dann antiparallel bzw. parallel zu _B gerich­ tet. Als Feldbereich wird dabei der Bereich aller entspre­ chenden Feldstärkewerte verstanden.

Diese Eigenschaften der magnetischen Schichten des Schichtpakets können auf mehrere Arten erreicht werden. In einer Ausführungsform sind eine magnetisch härtere Bias­ schicht 6 und eine magnetisch weichere Schaltschicht 2 vorgesehen. Der maximale Schaltoperationsbereich ist dann durch die negative und positive Koerzitivfeldstärke der Biasschicht 6 begrenzt, und die Grenzwerte H_a < 0 und H_b < 0 liegen außerhalb des Intervalls zwischen der nega­ tiven und der positiven Koerzitivfeldstärke der Schalt­ schicht 2. In dem Übergangsbereich zwischen H_a und H_b verhält sich die Magnetisierung _S der Schaltschicht 2 in dieser Ausführungsform gemäß ihrer Hysteresekurve. Vor­ zugsweise ist die Biasschicht 6 mit einer magnetischen Vorzugsachse versehen und entlang dieser Vorzugsachse magnetisiert. In einer weiteren Ausführungsform ist auch in die Schaltschicht 2 eine vorzugsweise zur Magnetisie­ rung _B der Biasschicht 6 senkrechte Vorzugsachse einge­ prägt. In dieser Ausführungsform ist die Magnetisierung _S der Schaltschicht 2 im Übergangsbereich reversibel vom Schaltmagnetfeld _S abhängig. Diese drei Ausführungsformen können auch kombiniert werden.

Der Giant-MR des Schichtpakets hat im allgemeinen bei einer parallelen Ausrichtung von _S und _B seinen minima­ len und bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magneti­ sierungen _S und _B seinen maximalen Wert. An den Schal­ terkontakten 11A und 11B wird somit ein MR-Schaltsignal mit zwei logischen Zuständen LL und LH, die dem minimalen bzw. maximalen Wert des Giant-MR entsprechen, und einer Schaltflanke T zwischen diesen beiden Zuständen LL und LH abgegriffen. Man erhält somit ein Schaltsignal S1 gemäß Fig. 1 mit einer ansteigenden Schaltflanke T, wenn die Magnetisierung _B der Biasschicht 6 Parallel zum Positiven Schaltmagnetfeld _S gerichtet ist, und ein Schaltsignal S2 mit einer abfallenden Schaltflanke T, wenn Magnetisierung _B und Schaltmagnetfeld _S antiparallel gerichtet sind. Im allgemeinen sind die Schaltflanken dann von einem nega­ tiven Grenzwert H₁ und einem positiven Grenzwert H₂ be­ grenzt.

Um nun, ausgehend von diesen grundlegenden Ausführungs­ formen, die Grenzwerte H₁ und H₂ innerhalb des Schalt­ operationsbereiches verschieben zu können, kann die Vor­ richtung auf folgende Arten weitergebildet werden:

• (i) Es ist ein äußeres Stützfeld _B für die wenigstens eine Schaltschicht vorgesehen, das kollinear zur Schaltmagnetfeld _S gerichtet ist.
• (ii) Es ist ein in dem Schichtpaket erzeugtes internes Stützfeld _B für die wenigstens eine Schaltschicht vorgesehen, das kollinear zum Schaltmagnetfeld _S ist.
• (iii) Die Schaltschicht und die Biasschicht sind magne­ tisch austauschgekoppelt.

Diese prinzipiellen Ausführungsformen können auch mitein­ ander kombiniert werden.

Eine nicht dargestellte Ausführungsform ad (i) enthält entweder eine zusätzliche Magnetfeldquelle oder eine ent­ sprechend zusätzliche Steuerung für die Schaltmagnetfeld­ quelle 20. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Grenzwerte H₁ und H₂ und damit die Schalt­ flanke T auch noch nach der Herstellung des Schichtpakets und insbesondere im Betrieb der Vorrichtung verschoben werden können.

In einer einfachen, nicht dargestellten Ausführungsform ad (ii) wird ein internes Stützfeld _B für die Schalt­ schicht von der Biasschicht durch magnetostatische Kopp­ lung erzeugt. Vorzugsweise wird die Magnetisierung _B der Biasschicht dabei durch Einprägen einer Vorzugsachse in die Biasschicht stabilisiert.

Eine andere Möglichkeit zum Erzeugen des internen Stütz­ feldes _B und zugleich zur Stabilisierung der Magnetisie­ rung _B der Biasschicht ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist an die mit 6 bezeichnete Bias­ schicht vorzugsweise über eine Kopplungsschicht 8 eine weitere Magnetschicht 10 antiferromagnetisch angekoppelt. Die Magnetisierung ₁ der Magnetschicht 10 und die Magne­ tisierung _B der Biasschicht 6 sind deshalb antiparallel zueinander ausgerichtet. Zum Einstellen des internen Stützfeldes _B für die Schaltschicht 2 ist die vektorielle Summe aus den Produkten d_{B B} und d₁₁ aus den Dicken d_B und d₁ mit den Magnetisierungen _B bzw. ₁ der Biasschicht 6 bzw. der Magnetschicht 10 so gewählt, daß ein entspre­ chend gerichteter Netto-Magnetfluß außerhalb des aus der Biasschicht 6 und der Magnetschicht 10 gebildeten Schicht­ systems entsteht. Die Schaltschicht 2 ist vorzugsweise über eine Zwischenschicht 4 von der Biasschicht 6 magne­ tisch weitgehend austauschentkoppelt. Es sind Schalter­ kontakte 11A und 11B auf der obersten und der untersten Schicht angeordnet, so daß der Strom senkrecht zu den Schichtebenen fließt (cpp = current-perpendicular-to- planes). Der Abstand der Schalterkontakte 11A und 11B entspricht bei einer cpp-Anordnung der Gesamtdicke des Schichtpakets.

In einer symmetrischen Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist an die Magnetschicht 10 über eine weitere Kopplungsschicht 8′ eine weitere Biasschicht 6′ antiferromagnetisch angekop­ pelt. Die beiden Magnetisierungen _B und _B′ der beiden außenliegenden Biasschichten 6 und 6′ sind somit parallel zueinander gerichtet. Das interne Biasfeld _B für die Schaltschicht 2 wird über die vektorielle Summe d_{B B} + d₁₁ + d_B′_B′ der drei Produkte aus Dicken und Magnetisie­ rungsvektoren der drei Schichten eingestellt.

Die Schalterkontakte 11A und 11B sind in einem Abstand voneinander, der, obwohl in der Fig. 6 anders darge­ stellt, vorzugsweise wesentlich größer ist als die Ge­ samtdicke des Schichtpakets, auf der obersten Schicht angeordnet. In dieser Anordnung fließt der Strom im Mittel parallel zu den Schichtebenen (cip = current-in-planes).

Typische Abstände der Schalterkontakte liegen bei allen Ausführungsformen zwischen 3 nm und 1 mm bei typischen Schichtpaketdicken zwischen 3 nm und 400 nm.

In Fig. 7 ist ein Schichtpaket mit mehreren Schaltschich­ ten 2 und Biasschichten 6 und 6′ vorgesehen, in dem Schichtsubsysteme mit einer Biasschicht 6, einer Kopp­ lungsschicht 8 und einer Magnetschicht 10 in einer Aus­ führungsform gemäß Fig. 3 und ein Schichtsubsystem mit zwei Biasschichten 6 und 6′ und einer dazwischenliegenden und durch jeweils eine Kopplungsschicht 8 bzw. 8′ an die Biasschichten 6 bzw. 6′ antiferromagnetisch angekoppelten Magnetschicht 10 in einer Ausführungsform gemäß Fig. 6 enthalten sind. Die Netto-Magnetflüsse der einzelnen Schichtsubsysteme zeigen dabei vorzugsweise alle in die gleiche Richtung. Die Dicken der Biasschichten 6 und 6′ und/oder der Magnetschichten 10 können dabei unterschied­ lich eingestellt sein, um ein uniformes Biasfeld _B für alle Schaltschichten 2 zu erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die vektorielle Summe der Produkte aus den Dicken und den Magnetisierungen der Biasschichten 6 und 6′ und der mit diesen gekoppelten Magnetschichten 20 zum oberen und zum unteren Rand des Schichtpakets zu. Vor­ zugsweise nimmt dabei die Dicke derjenigen Schicht, deren Produkt von Dicke und Magnetisierung in der Mitte des Schichtpakets überwiegt, zum oberen und unteren Rand des Schichtpakets hin zu. In dem dargestellten Ausführungsbei­ spiel sind die Dicken d₁′ und d₁′′ der unteren und oberen Magnetschichten 10′ bzw. 10′′ größer als die Dicke d₁ der mittleren Magnetschicht 10. Es ist auch ein Substrat 13 dargestellt, auf dem die Schichten vorzugsweise aufge­ dampft oder aufgesputtert sind.

In einer vorteilhaften, nicht dargestellten Ausführungs­ form sind die Schalterkontakte 11A und 11B in Richtung des Schaltmagnetfeldes _S um vorzugsweise denselben Abstand vom Rand des Schichtpakets jeweils nach innen verlegt. Das ist bei cip- und cpp-Anordnungen möglich. Durch diese Maßnahme wird der Einfluß von entmagnetisie­ renden Feldern am Rand des Schichtpakets abgeschwächt.

Um Störeffekte durch Streufelder an den Rändern des Schichtpakets zu vermindern, sind in einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 8. zwei Randbereiche 26 und 27 vorgesehen, in denen keine Schaltschicht 2 vorhanden ist, und ein mittlerer Bereich 23 mit Schaltschichten 2. Diese Verkürzung der Schaltschichten 2 wird wenigstens in Richtung parallel zur Magnetisierung _B der Biasschicht 6 und vorzugsweise in allen Richtungen vorgenommen, so daß die Biasschichten 6 ringsum über die Schaltschichten 2 hinausragen. Die Zwischenschichten 4 sind vorzugsweise so lang wie die Biasschichten 6. Zwischen den Randbereichen 26 und 27 und dem mittleren Bereich 23 ist jeweils ein Übergangsbereich 24 bzw. 25 vorgesehen, in dem die Dicke der Schaltschichten 2 von außen nach innen kontinuierlich zunimmt. Während die Biasschichten 6 und die Zwischen­ schichten 4 in den Übergangsbereichen 24 und 25 wenigstens annähernd genauso dick sind wie in den Randbereichen 26 und 27 sowie im mittleren Bereich 23, nehmen die Dicken d der Schaltschichten 2 in den Übergangsbereichen 24 und 25 unter einem bestimmten Öffnungswinkel von d = 0 in den Randbereichen 26 und 27 bis zu einem konstanten Wert d = d_s im mittleren Bereich 23 linear zu.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können zwi­ schen den Randbereichen und dem mittleren Bereich jeweils eine Stufe sein, deren Höhen der Gesamtdicke der in den Randbereichen fehlenden Schaltschichten entspricht.

Um den Einfluß von entmagnetisierenden Feldern auf die Steilheit der Schaltflanken zu verringern, können auch umgekehrt die Biasschichten 6 wenigstens senkrecht zu ihrer Magnetisierung _B und vorzugsweise ringsum kürzer ausgebildet sein als die Schaltschichten 2. Der Übergang kann wieder kontinuierlich sein analog zu den Ausführungs­ formen mit verkürzten Schaltschichten 2.

Eine Möglichkeit der Herstellung eines Schichtsubsystems aus einer oder zwei Biasschichten und einer Magnetschicht besteht darin, für die Biasschichten und die Magnetschicht Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken zu wählen. Die Schichten werden in einem uniformen Biasmag­ netfeld, das größer ist als beide Koerzitivfeldstärken und von einem einzustellen Nettomagnetfluß der Schicht­ subsysteme abhängen kann, gesättigt. Bei abnehmendem Magnetfeld richtet sich nun die Magnetisierung des magne­ tisch weicheren Materials wegen der antiferromagnetischen Austauschkoppelung antiparallel zur Magnetisierung des magnetisch härteren Materials aus.

Eine zweite Möglichkeit ist das Einprägen einer Vorzugs­ achse in die Biasschicht und ein anschließendes Magneti­ sieren der Biasschicht entlang dieser Vorzugsachse. Eine solche uniaxiale Anisotropie kann spannungsinduziert oder feldinduziert sein oder auch als Kristallanisotropie vor­ gegeben werden. Vorzugsweise wird eine feldinduzierte Vor­ zugsachse durch ein Biasmagnetfeld während der Ablagerung der Schichten in einem Vakuumsystem eingeprägt. Die Magnetisierung der antiferromagnetisch angekoppelten Magnetschicht stellt sich dann von selbst antiparallel zur Magnetisierung der Biasschicht ein. Es kann allerdings auch umgekehrt die Magnetschicht mit einer Vorzugsachse versehen werden und entlang dieser Vorzugsachse magneti­ siert werden.

Eine dritte Möglichkeit zur Herstellung bietet die Wahl zweier magnetischer Materialien mit unterschiedlicher Curietemperatur und wenigstens annähernd gleicher Magneti­ sierung bei Raumtemperatur bzw. allgemein der Einsatztem­ peratur des Schalters für die Biasschicht und die Magnet­ schicht. Die Biasschicht und die Magnetschicht werden zusammen mit der dazwischen angeordneten Kopplungsschicht auf eine Einprägetemperatur gebracht, bei der sich die Magnetisierbarkeiten der beiden Materialien unterscheiden, und in einem temperaturabhängigen Biasmagnetfeld gesät­ tigt, das wenigstens bei der Einprägetemperatur einen von Null verschiedenen Wert hat und beispielsweise kontinu­ ierlich oder sprunghaft von der Temperatur abhängen kann. Liegt die Einprägetemperatur oberhalb der Einsatztempe­ ratur, so wird die Schicht mit der höheren Curietemperatur stärker magnetisiert. Bei einer tiefer als die Einsatz­ temperatur liegenden Einprägetemperatur wird im allge­ meinen die Schicht mit der niedrigeren Curietemperatur stärker magnetisiert. Bei einer darauffolgenden Tempera­ turänderung auf die Einsatztemperatur wird sich die Magne­ tisierung der stärker magnetisierten Schicht nicht mehr ändern und die Magnetisierung der anderen Schicht wird durch die antiferromagnetische Kopplung antiparallel aus­ gerichtet. Im allgemeinen wird die Einprägetemperatur höher gewählt als die Einsatztemperatur.

Die drei genannten Möglichkeiten der Wahl der Material­ eigenschaften für das Schichtsubsystem können natürlich auch kombiniert werden.

Zwischen den beiden Schalterkontakten 11A und 11B bildet sich in dem gesamten Schichtpaket ein elektrischer Strom von Leitungselektronen aus. Dieser Strom läßt sich aus zwei nichtwechselwirkenden Teilströmen superponieren, die sich aus Elektronen unterschiedlichen Spins zusammenset­ zen. In den magnetisierten Schichten gibt es nun einen Teilstrom von Majoritätselektronen, deren Spins im Mittel parallel zur Magnetisierung der entsprechenden Schicht gerichtet sind, und einen Teilstrom von Minoritätsträgern mit im Mittel antiparallel zu dieser Magnetisierung ge­ richteten Spins. In magnetischen Übergangsmetallen, die vorzugsweise als Materialien für diese Schichten vorge­ sehen sind, sind die Streuquerschnitte der aus Fremdatomen gebildeten Streuzentren für Elektronen mit unterschiedli­ chem Spin unterschiedlich groß. Solche Streuzentren be­ finden sich sowohl innerhalb der magnetischen Schichten als auch an ihren Grenzflächen. Die Streuung der Elek­ tronen in den nicht-magnetischen Zwischenschichten und den Kopplungsschichten ist dagegen spinunabhängig. Somit weisen sowohl die magnetischen Schichten als auch die Grenzflächen zu diesen Schichten für Majoritätselektronen und Minoritätselektronen unterschiedliche spezifische Widerstände RHOMAJ bzw. RHOMIN auf. Das Verhältnis ALPHA­ RHOMIN/RHOMAJ des Widerstandes RHOMIN für die Minoritäts­ träger zum Widerstand RHOMAJ für die Majoritätsträger ist abhängig vom Wirtsmaterial und den Defekten.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Materialien für die Schichten der Schaltvorrichtung derart gewählt, daß der spezifische Widerstand für den­ jenigen Elektronentyp, der in der Schaltschicht 2 bei ent­ weder parallel oder antiparallel zueinander gerichteten Magnetisierungen _S und _B in Schaltschicht 2 und Bias­ schicht 6 nur wenig gestreut wird, auch in den anderen Schichten, insbesondere der Magnetschicht 10, und an ihren Grenzflächen möglichst gering ist. Bei einer solchen Wahl erreicht man einen sehr guten Kontrast zwischen dem maximalen und dem minimalen Giant-Magnetowiderstandswert.

Als entscheidende Parameter werden dabei die Verhältnisse ALPHA von spezifischem Widerstand RHOMIN für die Minori­ tätsträger und spezifischen Widerstand RHOMAJ für die Majoritätsträger in den einzelnen Schichten und an ihren Grenzflächen eingestellt. Diese Parameter ALPHA werden durch die jeweiligen Wirtsmaterialien und Fremdatome als Streuzentren bestimmt. Die parallele bzw. antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen _S und _B kann dabei schon ohne Schaltmagnetfeld _S oder erst bei einem parallel bzw. antiparallel zu _B anliegenden Schaltmagnet­ feld _S vorliegen.

In der dargestellten Ausführungsform werden die Parameter ALPHA für die Schaltschicht 2, ihre Grenzfläche zur Zwi­ schenschicht 4, für die Biasschicht 6 und ihre beiden Grenzflächen zur Zwischenschicht 4 bzw. zur Kopplungs­ schicht 8 und für die weitere Biasschicht 6′ und ihre Grenzfläche zur Kopplungsschicht 8′ entweder alle größer oder alle kleiner als eins eingestellt. In der Magnet­ schicht 10 ist nun die Magnetisierung ₁ antiparallel zu den Magnetisierungen _S, _B und _B′ der anderen magneti­ sierten Schichten gerichtet. Elektronen, die in der Schaltschicht 2 und den Biasschichten 6 und 6′ Majoritäts­ träger sind, werden in der Magnetschicht 10 daher zu Mino­ ritätsträgern und umgekehrt. Deshalb werden die Parameter ALPHA für die Elektronen in einem Spinzustand (Spinkanal) für die Magnetschicht 10 und ihre beiden Grenzflächen zu den Kopplungsschichten 8 und 8′ größer als eins gewählt, wenn die ALPHAs für diesen Spinkanal der anderen magneti­ sierten Schichten und ihrer Grenzflächen kleiner als eins sind, und kleiner als eins, wenn die anderen ALPHAs größer eins sind.

Vorzugsweise werden die ALPHAs der Schaltschicht 2 und der Biasschichten 6 und 6′ sowie ihrer Grenzflächen größer als eins und der Magnetschicht 10 und ihrer Grenzflächen klei­ ner eins gewählt. Dann trägt zum Strom zwischen den Schal­ terkontakten 11A und 11B hauptsächlich nur der Teilstrom der Majoritätsträger bei, wenn die Magnetisierung S parallel zu _B ist. Wird nun beispielsweise durch ein äußeres Biasfeld _B oder eine antiferromagnetische Aus­ tauschkopplung die Magnetisierung _S der Schaltschicht 2 in eine zur Magnetisierung _B der Biasschicht 6 anti­ parallele Lage gedreht, so werden die Majoritätselektronen in der Schaltschicht 2 zu Minoritätselektronen in den Biasschichten 6 und somit in dem gesamten Schichtsystem stark gestreut. Damit steigt der Giant-MR auf seinen maximalen Wert. Um die ALPHAs entsprechend einzustellen, können beispielsweise eine Nickel-Eisen(NiFe)-Legierung für die Schaltschicht 2, eine Eisen-Kobalt(FeCo)-Verbin­ dung für die Biasschicht 6, Rhodium (Rh) für die Zwischen­ schicht 4, Nickel (Ni) für die Magnetschicht 10 und Kupfer (Cu) für die Kopplungsschicht 8 verwendet werden.

Eine dritte prinzipielle Ausführungsform ad (iii) zum Verschieben der Grenzwerte H₁ und H₂ der Schaltkurve beruht auf der Tatsache, daß die magnetische Austausch­ wechselwirkung zwischen benachbarten, durch eine Zwischen­ schicht voneinander getrennten Magnetschichten von der Dicke der Zwischenschicht abhängt. Unterhalb einer be­ stimmten Zwischenschichtdicke von typischerweise 0,5 nm ist eine starke ferromagnetische Austauschkopplung zu verzeichnen. Bei etwas größeren Zwischenschichtdicken geht diese mit positivem Vorzeichen versehene ferromagnetische Austauschkopplung in eine antiferromagnetische, d. h. ne­ gative, Austauschwechselwirkung über. Um etwa 1 nm liegt ein antiferromagnetisches Austauschkopplungsminimum. Ein zweites antiferromagnetisches Minimum der Austauschwech­ selwirkung ist bei typischerweise etwa 2 nm Zwischen­ schichtdicke festzustellen. Zwischen diesen beiden anti­ ferromagnetischen Minima liegt im allgemeinen ein ferro­ magnetisches Austauschkopplungsmaximum ("Physical Review B", Vol. 44, Nr. 13, Seiten 7131 bis 7134).

Stellt man nun in einer Ausführungsform gemäß Fig. 9 die Dicke d_I einer Zwischenschicht 4 zwischen der Schalt­ schicht 2 und der Biasschicht 6 so ein, daß eine bestimmte Austauschkopplung zwischen Schaltschicht 2 und Biasschicht 6 resultiert, so verschieben sich die Grenzwerte H₁ und H₂, bei denen die Schaltschicht 2 "schaltet". Eine negati­ ve, d. h. antiferromagnetische, Austauschkopplung hat eine Verschiebung der Grenzwerte H₁ und H₂ nach rechts in Rich­ tung dieses positiven Schaltmagnetfeldes _S und eine posi­ tive, d. h. ferromagnetische Austauschkopplung eine Ver­ schiebung nach links in Richtung von -_S zur Folge. Das Schaltmagnetfeld _S dreht nämlich im einen Fall gegen die Kopplungskräfte und im anderen Fall mit Unterstützung der Kopplungskräfte die Magnetisierung _S der Schaltschicht 2.

Die Dicke d_I der Zwischenschicht 4 wird bevorzugt in ein Austauschkopplungsminimum oder -maximum gelegt, um Dicken­ toleranzen bei der Schichtherstellung besser zu begegnen. Dies schränkt die Wahl für die Verschiebung der Grenzwerte H₁ und H₂ zunächst auf diese diskreten Werte ein. Eine beliebige Verschiebung innerhalb des Schaltoperationsbe­ reichs SOR erreicht man jedoch, indem man zusätzlich die Dicke d_s der Schaltschicht 2 entsprechend anpaßt.

Die Schaltkennlinien gemäß der Fig. 2 bis 4 können mit Hilfe von zwei entsprechend weitergebildeten Schichtpake­ ten der bisher beschriebenen Ausführungsformen realisiert werden. Die in diesen Fig. 2 bis 4 dargestellten Schalt­ signale S3 bis S5 und ihre nicht dargestellten logischen Komplementsignale können nämlich aus zwei Einzelschalt­ signalen S1 und/oder S2 gemäß Fig. 1 mit entsprechend ein­ gestellten Grenzwerten H₁ und H₂ zusammengesetzt werden. Dazu werden zwei Schichtpakete mit den entsprechenden Schaltkennlinien S1 bzw. S2 so angeordnet und miteinander kontaktiert, daß sich ein Gesamtschaltsignal aus ihren beiden Widerständen ergibt.

Die beiden Schichtpakete sind in einer Ausführungsform räumlich getrennt voneinander angeordnet, beispielsweise durch Aufbringen auf zwei separaten Substraten, und in Reihe oder parallel zusammengeschaltet. Die Grenzwerte H₁ und H₂ der Schaltflanke des ersten Schichtpakets einer­ seits und die Grenzwerte H₃ und H₄ der Schaltflanke des zweiten Schichtpakets werden in einer vorteilhaften Aus­ führungsform dadurch eingestellt, daß man die Schicht­ pakete mit kollinear gerichteten Magnetisierungen _B1 bzw. _B2 ihrer Biasschichten versieht und jeweils in einem dem entsprechenden Schichtpaket zugeordneten äußeren Stützfeld _B1 bzw. _B2 sowie in einem gemeinsamen Schaltmagnetfeld _S anordnet. Die Magnetisierungen _B1 und _B2 der Bias­ schichten, die Stützfelder _B1 und _B2 und das Schalt­ magnetfeld _S sind kollinear zueinander ausgerichtet. Eine Schaltkennlinie gemäß Fig. 2 erhält man nun, indem man die Magnetisierungen _B1 und _B2 der Biasschichten der zwei verschiedenen Schichtpakete antiparallel zueinander und die äußeren Stützfelder _B1 und _B2 für die Schichtpakete parallel zu den Magnetisierungen _B1 bzw. _B2 ihrer je­ weiligen Biasschichten ausrichtet. Eine Schaltkennlinie S4 gemäß Fig. 3 oder S5 gemäß Fig. 4 ergibt sich bei paralle­ ler Ausrichtung der Magnetisierungen _B1 und _B2 und gleichzeitiger antiparalleler Ausrichtung der Stützfelder _B1 und _B2. Für ein Schaltsignal S5 gemäß Fig. 4 sind die Stützfelder _B1 und _B2 dabei gerade so stark wie die Koerzitivfeldstärke der Schaltschicht.

Zum Verschieben der Schaltflanken sind auch die anderen Ausführungsformen für die einzelnen Schichtpakete mit internen Stützfeldern bzw. austauschgekoppelten Schichten möglich.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ordnet man jedoch die beiden Schichtpakete in einem gemeinsamen Doppelschichtpaket an. In diesem Fall kann höchstens bei einem der beiden Schichtpakete die Verschiebung der durch die Grenzwerte H₁ und H₂ oder H₃ und H₄ bestimmten Schalt­ flanke mit Hilfe eines äußeren Biasfeldes _B eingestellt werden, weil sonst die beiden Biasfelder einander überla­ gern würden. Im folgenden werden einige Ausführungsbei­ spiele einer Vorrichtung mit einem solchen Doppelschicht- Paket beschrieben.

In zwei Ausführungsformen gemäß den Fig. 10 und 11 sind ein erstes Schichtpaket ML1 mit parallel zum positiven Schaltmagnetfeld _S gerichteten Magnetisierungen _B1 seiner Biasschichten 61 und ein zweites Schichtpaket ML2 mit antiparallel zum positiven Schaltmagnetfeld _S und damit parallel zum negativen Schaltmagnetfeld -_S gerich­ teten Magnetisierungen _B2 seiner Biasschichten 62 auf­ einander gestapelt. Das erste Schichtpaket ML1 hat damit eine Kennlinie, die im allgemeinen durch Translation aus dem Schaltsignal S2 gemäß Fig. 1 hervorgeht, und das zweite Schichtpaket ML2 hat eine entsprechend aus dem Schaltsignal S1 herleitbare Schaltkennlinie. Die Trans­ lation der Schaltflanke T2 bzw. T1 und ihrer zugeordneten Grenzwerte H₃ und H₄ bzw. H₁ und H₂ gemäß Fig. 2 wird durch Einstellen einer Austauschkopplung zwischen den Schaltschichten 21 bzw. 22 und den Biasschichten 61 bzw. 62 für jedes Schichtpaket ML1 bzw. ML2 erreicht. Das Vor­ zeichen der Austauschkopplung wird bei beiden Schicht­ paketen ML1 und ML2 gleich eingestellt. Vorzugsweise stimmen auch die Werte ihrer Austauschkopplungskonstanten überein. Bei positiven Austauschkopplungskonstanten er­ hält man eine dem Schaltsignal S3 gemäß Fig. 2 entspre­ chende Kennlinie und bei negativen Kopplungskonstanten ein komplementäres oder invertiertes Schaltsignal NOT S3.

Um die umgekehrt zueinander gerichteten Magnetisierungen _B1 und _B2 der Biasschichten 61 bzw. 62 der beiden Schichtpakete ML1 bzw. ML2 einzustellen, kann man die bei­ den Schichtpakete ML1 und ML2 auf getrennten Substraten herstellen, ihre Biasschichten 61 bzw. 62 getrennt magne­ tisieren und beide Schichtpakete ML1 und ML2 dann zusam­ menfügen. Die dargestellten besonders vorteilhaften Aus­ führungsformen gemäß den Fig. 10 und 11 beruhen dagegen auf dem Einsatz entsprechend weitergebildeter Schicht­ subsysteme aus antiferromagnetisch gekoppelten Schichten gemäß den Ausführungsformen der Fig. 5 und 6.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 10 sind die Schicht­ pakete ML1 und ML2 jeweils zusammenhängend, und zwischen zwei Schaltschichten 21 oder 22 jedes Schichtpakets ML1 bzw. ML2 ist ein symmetrisches Schichtsubsystem aus einer Magnetschicht 101 bzw. 102 und zwei auf beiden Seiten an die Magnetschicht 101 bzw. 102 antiferromagnetisch ge­ koppelten Biasschichten 61 und 61′ bzw. 62 und 62′ ange­ ordnet. Die Biasschichten 61 des ersten Schichtpakets ML1 sind magnetisch weicher als seine Magnetschichten 101. Die Biasschichten 62 des zweiten Schichtpakets ML2 sind dage­ gen aus einem magnetisch härteren Materials als die ent­ sprechenden Magnetschichten 102. Beim Magnetisieren des aus beiden Schichtpaketen ML1 und ML2 zusammengesetzten Doppelschichtpakets im Rahmen seiner Herstellung werden die Magnetisierungen ₁₁ und _B2 der jeweils magnetisch härteren Schichten 101 bzw. 62 in einem ausreichend großen Ausrichtfeld einheitlich ausgerichtet. Die Magnetisierun­ gen _B1 und ₁₂ der magnetisch weicheren Schichten 61 bzw. 102 stellen sich dann aufgrund der antiferromagnetischen Austauschwechselwirkung von selbst antiparallel zu den Magnetisierungen ₁₁ bzw. _B2 der magnetisch härteren Schichten 101 bzw. 62 ein. Wo die beiden Schichtpakete ML1 und ML2 zusammenstoßen, sind vorzugsweise eine magnetisch weichere Biasschicht 61 des ersten Schichtpakets ML1 und eine magnetisch härtere Biasschicht 62 des zweiten Schichtpakets ML2 direkt antiferromagnetisch aneinander­ gekoppelt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 11 sind die beiden Schichtpakete ML1 und ML2 miteinander verschachtelt, indem einzelne Teile, die eine Schaltschicht 21 bzw. 22 und zwei die Schaltschicht 21 bzw. 22 umgebenden Biasschichten 61 bzw. 62 enthalten, in der Schichtfolge einander ab­ wechseln. Die einander unmittelbar benachbarten Bias­ schichten 61 und 62 zweier benachbarter Teile verschiede­ ner Schichtpakete ML1 bzw. ML2 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Außerdem weisen die Biasschichten 61 und 62 der verschiedenen Schichtpakete ML1 bzw. ML2 unterschiedliche Koerzitivfeldstärken auf. Dadurch richten sich nach einem einheitlichen Ausrichten der Magnetisierungen _B2 der magnetisch härteren Biasschichten 62 des zweiten Schicht­ pakets ML2 die Magnetisierungen _B1 der magnetisch weicheren Biasschichten 61 des ersten Schichtpakets ML1 antiparallel zu den erstgenannten Magnetisierungen _B2 aus. Es können natürlich auch wieder Schichtsubsysteme mit zusätzlichen Magnetschichten vorgesehen sein.

Sowohl in der Ausführungsform gemäß Fig. 10 mit zusammen­ hängenden als auch in der gemäß Fig. 11 mit verschachtel­ ten Schichtpaketen werden die Dicken und Magnetisierungen der Biasschichten 61, 61′, 62 und 62′ und der weiteren Magnetschichten 101 und 102 vorzugsweise so eingestellt, daß die Summe ihrer Produkte zumindest annähernd Null ist. Das bedeutet, daß die antiferromagnetisch gekoppelten Schichtsubsysteme aus nur Biasschichten oder Biasschichten und weiteren Magnetschichten nach außen magnetisch weit­ gehend neutral sind und insbesondere keinen Magnetfluß in den Schaltschichten erzeugen. Schließlich können auch wieder Zwischenschichten zwischen Schalt- und Biasschich­ ten und/oder Kopplungsschichten zwischen Bias- und Magnet­ schichten bzw. Biasschichten unterschiedlicher Schicht­ pakete vorgesehen sein.

Es können auch noch die Summen der Produkte aus Dicken und Magnetisierungen der Biasschichten und der Magnetschichten der Schichtsubsysteme in jedem Schichtpaket lokal unter­ schiedlich eingestellt werden, wobei vorzugsweise die Ma­ gnetflüsse der magnetisch härteren Schichten in bestimmten Bereichen des Gesamtpakets dominieren. Vorzugsweise wird für die Schicht mit dem größten Produkt das magnetisch härtere Material gewählt, um sie stabiler gegenüber ent­ magnetisierenden Feldern zu machen und die Einstellung ihrer Magnetisierung zu erleichtern.

Die Magnetisierungen _B1 und _B2 der Biasschichten 61 bzw. 62 der beiden Schichtpakete ML1 bzw. ML2 waren in den bis­ her beschriebenen Ausführungsformen mit Doppelschichtpaket antiparallel zueinander eingestellt. Nachfolgend werden einige Ausführungsformen mit parallel zueinander gerich­ teten Magnetisierungen _B1 und _B2 aller Biasschichten 61 und 62 des gesamten Doppelschichtpakets vorgestellt. Beide Schichtpakete ML1 und ML2 haben somit entweder eine Kenn­ linie gemäß dem Schaltsignal S1 in Fig. 1, wenn die Magne­ tisierungen _B1 und _B2 entgegengesetzt zum positiven Schaltmagnetfeld _S gerichtet sind, oder eine Kennlinie gemäß dem Schaltsignal S2 in Fig. 1, wenn die Vektoren _B1, _B2 und _S in die gleiche Richtung zeigen.

Um als Summensignal der beiden gleichartigen Schaltsignale ein Schaltsignal S4 gemäß Fig. 3 mit drei logischen Zu­ ständen LL, LM und LH zu erhalten, muß man wieder die Schaltflanken T1 und T2 entsprechend verschieben können.

Die entsprechenden Grenzwerte H₁ und H₂ bzw. H₃ und H₄ werden in einer Ausführungsform auf der H_S-Achse transla­ tiert, indem bei beiden Schichtpaketen zwischen den Schaltschichten und den zugeordneten Biasschichten durch die Wahl der Dicke und des Materials von dazwischen ange­ ordneten Zwischenschichten eine magnetische Austausch­ kopplung eingestellt wird. Die Austauschkopplungskonstan­ ten für die beiden Schichtpakete haben dabei verschiedene Vorzeichen.

In einer weiteren Ausführungsform werden nur die Schalt­ schichten und Biasschichten eines Schichtpakets austausch­ gekoppelt. Für das Doppelschichtpaket wird ein Stützfeld _B vorgesehen, das eine zur Austauschkopplungskraft ent­ gegengesetzte Richtung hat und betragsmäßig vorzugsweise nur halb so groß ist. In diesem Fall erhält man eine zum Ursprung symmetrische Schaltkennlinie. Das Stützfeld _B kann extern oder auch intern in einem der Schichtpakete erzeugt werden.

Beide Schichtpakete können mit einer vorzugsweise periodi­ schen Schichtfolge von Schichtsubsystemen in einer Aus­ führungsform gemäß Fig. 9 mit Bias-, Zwischen- und Schalt­ schicht ausgebildet sein. An die Biasschichten können jedoch auch wieder weitere Magnetschichten antiferromagne­ tisch angekoppelt sein, und mit solchen Schichtsubsystemen aus Schaltschicht, Zwischenschicht, Biasschicht und entwe­ der Magnetschicht oder Magnetschicht und Biasschicht gemäß Fig. 5 bzw. 6 werden dann die Schichtpakete ausgebildet. Wenn kein internes Biasfeld erwünscht ist, werden die Dicken und Magnetisierungen der Bias- und Magnetschichten so eingestellt, daß sich ihr Magnetfluß nicht über den Schaltschichten schließt. Beide Schichtpakete können zu­ sammenhängend sein und als Ganzes aufeinander angeordnet sein oder auch miteinander verschachtelt sein.

Eine Schaltkennlinie S5 gemäß Fig. 4 schließlich wird da­ durch realisiert, daß man entweder in den gerade beschrie­ benen Ausführungsformen einer Vorrichtung mit einer Schaltkennlinie gemäß Fig. 3 die Austauschkopplung zwi­ schen Schaltschichten und Biasschichten gegen Null gehen läßt oder die Austauschkopplung durch ein internes oder externes Biasfeld _B kompensiert.

Eine besondere Ausführungsform einer Vorrichtung mit einem Doppelschichtpaket ist in Fig. 12 dargestellt. Es sind jeweils ein Schichtsubsystem eines ersten Schichtpakets ML1 und eines zweiten Schichtpakets ML2 veranschaulicht. Die dargestellten Schichtsubsysteme beider Schichtpakete ML1 und ML2 enthalten jeweils eine Schaltschicht 21 bzw. 22 und zwei auf beiden Seiten der Schaltschicht 21 bzw. 22 über jeweils eine Zwischenschicht 41 bzw. 42 austausch­ gekoppelte Biasschichten 61 bzw. 62 sowie an die beiden Biasschichten 61 bzw. 62 anschließende Kopplungsschichten 81 bzw. 82. An eine dieser Kopplungsschichten 81 bzw. 82 schließt jeweils eine weitere Magnetschicht 101 bzw. 102 an, die über die entsprechende Kopplungsschicht antiferro­ magnetisch an die entsprechende Biasschicht gekoppelt ist. Die Magnetisierungen _B1 und _B2 aller Biasschichten 61 bzw. 62 sind gleichgerichtet. Die Austauschkopplung zwi­ schen der Schaltschicht 21 bzw. 22 und der Biasschicht 61 bzw. 62 hat bei den beiden Schichtpaketen ML1 bzw. ML2 ein unterschiedliches Vorzeichen.

Bei den bislang beschriebenen Ausführungsformen wurde von einem normalen Streuverhalten der Schaltschichten ausge­ gangen. Bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen von Schaltschichten und Biasschichten war das Signal am kleinsten und bei antiparalleler Ausrichtung am größten. Dies muß jedoch nicht immer so sein, wie die folgenden Beispiele zeigen.

Durch eine Abstimmung der Materialien für die einzelnen magnetischen Schichten der beiden Schichtpakete werden die vorstehend definierten Parameter ALPHA für die Schichten und ihre Grenzflächen eingestellt. In der Ausführungsform gemäß Fig. 12 sind in dem Schichtpaket ML1 die ALPHAs für die Schaltschicht 21 und die beiden Biasschichten 61 sowie für ihre Grenzflächen alle größer als 1 gewählt und die ALPHAs für die Magnetschicht 101 mit ihrer umgekehrt zu den Magnetisierungen _B1 der Biasschichten 61 gerichte­ ten Magnetisierung ₁₁ und die Grenzflächen der Magnet­ schicht 101 kleiner als 1 gewählt. In diesem Schichtpaket ML1 ist der Giant-MR daher wie gewohnt bei parallel zuein­ ander gerichteten Magnetisierungen _B1 der Biasschichten 61 und _S1 der Schaltschichten am kleinsten und die anti­ parallel gerichteten am größten. In dem zweiten Schicht­ paket ML2 sind dagegen nur die ALPHAs der Biasschichten 62 und ihrer Grenzflächen größer als 1 und die ALPHAs der Schaltschicht 22 und der Magnetschicht 102 sowie ihrer jeweiligen Grenzflächen kleiner als 1 gewählt. In diesem Schichtpaket ML2 ist somit der Giant-MR bei parallel ge­ richteten Magnetisierungen _B2 und _S2 der Biasschichten 62 und der Schaltschicht 22 am größten und bei antiparal­ lel gerichteten am kleinsten. Die Parameter ALPHA können in beiden Schichtpaketen ML1 und ML2 auch umgekehrt ge­ wählt werden, d. h. größer als 1 statt kleiner als 1 und gleichzeitig kleiner als 1 statt größer als 1.

Mit einem solchen Doppelschichtpaket kann ein Schaltsignal S3 gemäß Fig. 2 realisiert werden.

Stellt man nun die Vorzeichen der Austauschkopplungskon­ stanten in beiden Schichtpaketen ML1 und ML2 gleich ein bei zugleich entgegengesetzt gerichteten Magnetisierungen _B1 bzw. _B2 ihrer Biasschichten 61 bzw. 62, so resultiert bei gleicher Wahl der ALPHAs in den einzelnen Schichten wie in der gerade beschriebenen Ausführungsform eine Schaltkennlinie wie das Schaltsignal S4 in Fig. 3. Sind die Austauschkopplungskonstanten Null, dann ergibt sich eine Schaltkennlinie gemäß dem Schaltsignal S5 in Fig. 4.

Die antiparallele Ausrichtung der Magnetisierungen _B1 und _B2 kann analog zu den bereits behandelten entspre­ chenden Ausführungsbeispielen erreicht werden.

Auch in allen anderen Ausführungsformen können die ALPHAs der Schaltschicht 2 und der Magnetschicht 10 beide ent­ weder größer oder kleiner als 1 gewählt werden. Das ALPHAs der Biasschicht 6 wird dann kleiner bzw. größer als 1 ein­ gestellt. Dadurch kann das Schaltsignal des entsprechenden Schichtpakets mit abweichendem Streuverhalten invertiert werden. Es ergeben sich dann entsprechend abgeänderte Schaltsignale bei sonst gleichem Aufbau der Schichtpakete.

Als magnetische Materialien für die Schaltschichten können beispielsweise Co, Fe, Ni, SmCo oder auch TbFeCo und für die Biasschichten Ni₈₀Fe₂₀ oder auch Ni₆₆(CoFe)₃₄ vorge­ sehen sein. Die Zwischenschichten bestehen aus einem Metall, vorzugsweise Cu, Au, Ag oder Cr, einem Halbleiter oder auch einem dielektrischen Material, beispielsweise SiO₂ oder SiN.

In den bisherigen Ausführungsbeispielen wurden nur Schalt­ kennlinien mit zwei oder drei logischen Zuständen und mit höchstens zwei Schaltflanken beschrieben. Selbstverständ­ lich können aber auch Schaltsignale mit mehr als drei logischen Zuständen und/oder mehr als zwei Schaltflanken gemäß der Erfindung realisiert werden, indem eine entspre­ chende Anzahl von einzelnen Schichtpaketen vorgesehen wird. Diese Schichtpakete werden dann so gewählt, daß aus ihren Einzelschaltsignalen eine entsprechende Schaltkenn­ linie zusammengesetzt werden kann in Analogie zu den be­ schriebenen Schaltkennlinien und Vorrichtungen zu ihrer Realisierung. Beispielsweise können für eine Schaltkenn­ linie mit N Schaltflanken N Schichtpakete vorgesehen wer­ den, wenn N eine natürliche Zahl ist.

Mögliche Anwendungen der Schaltvorrichtung gemäß der Er­ findung sind in der digitalen Datenverarbeitung, der Magnetaufzeichnung oder auch Überwachungs- und Sicherungs­ einrichtungen zu sehen.

Claims (33)

1. Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten mit folgenden Merkmalen:

• a) es ist eine Schaltmagnetfeldquelle (20) zum Erzeugen eines Schaltmagnetfeldes (_S) in einem vorgegebenen Schaltoperationsbereich (SOR) vorgesehen;
• b) es ist wenigstens ein Schichtpaket vorgesehen mit
• b1) wenigstens einer Biasschicht (6) mit einer zum Schaltmagnetfeld (_S) kollinearen und von dessen Feldstärke (H_S) in dem Schaltoperationsbereich (SOR) zumindest weitgehend unabhängigen Magnetisie­ rung (_B) und
• b2) wenigstens einer Schaltschicht (2) mit einer Magnetisierung (_S), die zumindest mit einer Kom­ ponente in einem ersten Feldbereich unterhalb eines ersten Grenzwertes (H₁) parallel oder antiparallel und in einem zweiten Feldbereich oberhalb eines zweiten Grenzwertes (H₂) antiparallel bzw. parallel zur Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) gerich­ tet ist, wobei diese beiden Feldbereiche innerhalb des Schaltoperationsbereiches (SOR) liegen;
• c) es sind Schalterkontakte (11A und 11B) an dem Schicht­ paket vorgesehen zum Erfassen eines Schaltsignals mit zwei logischen Zuständen (LL und LH), die durch ein Schaltmagnetfeld (_S) in dem ersten bzw. dem zweiten Feldbereich eingestellt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die Biasschicht (6) auf der von der Schaltschicht (2) abgewandten Seite eine Magnetschicht (10) mit einer Magnetisierung (₁) magne­ tisch austauschgekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Biasschicht (6) und die Magnetschicht (10) antiferromagnetisch gekoppelt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Biasschicht (6) und der Magnetschicht (10) eine Kopplungsschicht (8) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß an die Magnetschicht (10) eine weitere Biasschicht (6′) mit einer Magnetisierung (_B′) magnetisch austauschgekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Magnetschicht (10) und die weitere Biasschicht (6′) antiferromagnetisch gekoppelt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der Magnet­ schicht (10) und der weiteren Biasschicht (6′) eine Kopplungsschicht (8′) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Ein­ stellen der beiden Grenzwerte (H₁ und H₂) die vektorielle Summe der Produkte aus den Dicken (d_B, d_B′, d₁) und den Magnetisierungen (_B, _B′, ₁) in einem die Biasschicht (6) und die benachbarte Magnetschicht (10) bzw. die Magnetschicht (10) und die beiden benachbarten Bias­ schichten (6 und 6′) enthaltenden Schichtsysteme ungleich Null gewählt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei einem Schichtpaket mit mehreren Schichtsubsystemen die vektorielle Summe der Produkte aus den Dicken und den Magnetisierungen der ma­ gnetischen Schichten der Schichtsubsysteme zum oberen und/oder unteren Rand des Schichtpakets hin zunimmt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen der Schaltschicht (2) und der Biasschicht (6) eine Zwischenschicht (4) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltschicht (2) und die Biasschicht (6) über die Zwischenschicht (4) wenig­ stens annähernd magnetisch austauschentkoppelt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schaltschicht (2) und die Biasschicht (6) über die Zwischenschicht (4) magne­ tisch austauschgekoppelt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke (d_I) der Zwischenschicht (4) so gewählt ist, daß ein Austausch­ kopplungsmaximum für eine ferromagnetische Austauschkopp­ lung oder ein Austauschkopplungsminimum für eine antifer­ romagnetische Austauschkopplung vorhanden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (4) aus einem Isolatormaterial gebildet ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Grenzwerte (H₁ und H₂) durch die Wahl der Dicke (d_S) der Schaltschicht (2) eingestellt sind.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Stützfeld (_B) zum Einstellen der Grenzwerte (H₁ und H₂) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien für die Schichten derart gewählt sind, daß bei einer parallelen Ausrichtung der Magnetisierung (_S) der Schaltschicht (2) und der Magnetisierung (_B) der Bias­ schicht (6) der in der Schaltschicht (2) am wenigsten gestreute Elektronentyp mit dem einen Spinzustand auch in allen anderen magnetischen Schichten und an deren Grenz­ flächen weniger gestreut wird als der Elektronentyp mit dem anderen Spinzustand.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien für die Schichten derart gewählt sind, daß bei einer antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierung (_S) der Schaltschicht (2) und der Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) der in der Schaltschicht (2) am wenigsten gestreute Elektronentyp mit dem einen Spinzustand auch in allen anderen magnetischen Schichten und an deren Grenz­ flächen weniger gestreut wird als der Elektronentyp mit dem anderen Spinzustand.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltschicht (2) wenigstens in Richtung kollinear zur Magnetisierung (_B) der Biasschicht (6) kürzer ausgebildet ist als die Biasschicht (6).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke (d) der Schalt­ schicht (2) in Übergangsbereichen (24 und 25) zwischen Randbereichen (26 bzw. 27) des Schichtpakets ohne Schalt­ schicht (2) und einem inneren Bereich (23) mit Schalt­ schicht (2) kontinuierlich zunimmt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Biasschicht (6) wenigstens in Richtung senkrecht zu ihrer Magnetisierung (_B) kürzer ausgebildet ist als die Schaltschicht (2).

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dicke der Biasschicht (6) in Übergangsbereichen zwischen Randbereichen des Schichtpakets ohne Biasschicht (6) und einem inneren Bereich mit Biasschicht (6) kontinuierlich zunimmt.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkontakte (11A und 11B) vom seitlichen Rand des Schichtpakets beabstandet angeordnet sind.

24. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalterkontakte (11A und 11B) auf der obersten und/oder der untersten Schicht des Schichtsystems angeordnet sind.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtpaket mehrere Schaltschichten (2) und mehrere Bias­ schichten (6, 6′) enthält, wobei die Magnetisierungen (_B, _B′) der Biasschichten (6, 6′) alle wenigstens annähernd gleichgerichtet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichten in dem Schichtpaket derart angeordnet sind, daß sich eine perio­ dische Schichtfolge ergibt.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schaltschicht (2) eine magnetische Vorzugsachse aufweist.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Biasschicht (6, 6′) eine magnetische Vorzugsachse auf­ weist.

29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Schichtpakete (ML1 und ML2) vorgesehen sind.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Schichtpakete (ML1 und ML2) zu einem Mehrfachschichtpaket zusammengefaßt sind.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Schichtpakete (ML1 und ML2) derart miteinander verschachtelt sind, daß zwischen Teilschichtpaketen des ersten Schichtpakets (ML1) Teilschichtpakete des zweiten Schichtpakets (ML2) ange­ ordnet sind.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungen (_B1) aller Biasschichten (61) des ersten Schichtpakets (ML1) parallel zu den Magnetisierungen (_b2) aller Biasschichten (62) des zweiten Schichtpakets (ML2) gewählt sind.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetisierungen (_B1) aller Biasschichten (61) des ersten Schichtpakets (ML1) antiparallel zu den Magnetisierungen (_B2) aller Biasschichten (62) des zweiten Schichtpakets (ML2) gerichtet sind.