DE69924586T2 - Magnetowiderstandseffektelement - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Magnetowiderstandseffektelement, das eine hohe magnetische Empfindlichkeit hat und als Magnetsensor zum Erfassen schwacher Magnetfelder verwendet werden kann.
• Ein kompakter Magnetsensor, der schwache Magnetfelder erfassen kann, ist unerlässlich für die Realisierung der nächsten Generation von hochdichten Magnetaufzeichnungsvorrichtungen. Anstelle der bis jetzt häufig verwendeten Induktionsleseköpfe werden in jüngster Zeit Köpfe verwendet, die sich den Magnetowiderstandseffekt (MR-Effekt) eines Metalls oder einer Metalllegierung zu Nutze machen (MR-Köpfe). Dadurch können hochdichte, magnetisch aufgezeichnete Informationen gelesen werden, was mit einem Induktionskopf schwierig ist.
• Die in derartigen Köpfen verwendeten Metalle oder Legierungen können jedoch offensichtlich nicht zum Lesen von Magnetaufzeichnungen mit noch höherer Dichte eingesetzt werden, da die Größe ihres Magnetowiderstandseffekts, der als Widerstandsänderungsrate gemessen wird, nur etwa 1% beträgt.
• Oxide mit einem Kollosalmagnetowiderstand, die in jüngster Zeit auf Grund ihrer Fähigkeit, einen großen Magnetowiderstandseffekt bereitzustellen, die Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, sind deshalb auch auf ihre Verwendbarkeit in Leseköpfen hin untersucht worden. Wie beispielsweise auf Seite 2041 von Physical Review Letters, Band 77 berichtet wird, ist der große Magnetowiderstandseffekt in schwachen Magnetfeldern (10% oder größer), der an der Korngrenze eines Polykristalls L_1-xSr_xMnO₃, einem ferromagnetischen Perowskit, beobachtet wird, besonders viel versprechend was die Anwendung in hochempfindlichen Magnetsensoren betrifft. Ein Bericht, der auf Seite 8357 von Physical Review 8, Band 54 erschienen ist, beschreibt einen Versuch, sich den Magnetowiderstandseffekt dieses Perowskits so weit wie möglich zu Nutze zu machen, indem ein so genanntes Tunnelübergangselement hergestellt wird, das aus einer Isolierschicht besteht, die zwischen zwei ferromagnetischen Schichten angeordnet ist. Es wird angegeben, dass ein Magnetowiderstandseffekt von mehr als 80% erzielt wurde.
• Dieses Tunnelübergangselement hat jedoch den großen Nachteil, dass es schwer herzustellen ist. Der Grund hierfür liegt darin, dass die zwischen den ferromagnetischen Schichten des Tunnelübergangs angeordnete Isolierschicht am besten nicht dicker als einige Nanometer (nm) sein sollte. Die Herstellung einer derart dünnen Isolierschicht, die keine Kurzschlüsse zulässt, ist extrem schwierig. Des weiteren verkompliziert die Komplexität des Elementaufbaus den Herstellungsprozess und macht eine komplexe Prozessoptimierung erforderlich. Man kann davon ausgehen, dass diese Probleme mit sich verringernder Elementgröße noch ausgeprägter sein werden. Es gilt daher als sehr schwierig, das Tunnelübergangselement für einen Kopf zum Lesen von hochdichten, magnetisch aufgezeichneten Informationen zu verwenden.
• Andererseits ist es auf Grund des jüngsten Durchbruchs in der Oxiddünnschicht-Züchtungstechnologie möglich geworden, qualitativ hochwertige, epitaktisch gewachsene Oxiddünnschichten zu erhalten, die eine perfekte Kristallgitteranpassung an das Substrat aufweisen. Ein Bericht, der auf Seite 1540 von Science, Band 266 erschienen ist, gibt beispielsweise an, dass selbst wenn es auf Grund der kristallographischen Struktur (Kristallstruktur) des Substrats einen Atomniveaunterschied (Stufe) auf der Substratoberfläche gibt, die Dünnschicht weiter wächst, während der gestufte Zustand beibehalten wird. Je nach Kristallstruktur der gewachsenen Dünnschicht und den Schichtwachstumsbedingungen zu diesem Zeitpunkt, sind andere Abschnitte als diejenigen, die sich direkt über der Stufe befinden, vollständig monokristallin, während nur der Stufenabschnitt mit einer Schicht, deren Atomanordnung eine ungeordnete Periodizität in Richtungen aufweist, die parallel zu der Oberfläche der Dünnschicht sind, genauer gesagt mit einer Schicht gebildet ist, die eine Antiphasen-Domänengrenze hat. Das Vorhandensein einer Antiphasen-Domänengrenze ist jedoch auf dem Gebiet der Verbundhalbleiter nicht wünschenswert, da sie eine Trägerstreuung und Grenzflächenniveaus verursacht.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Magnetowiderstandseffektelement anzugeben, das eine hohe magnetische Empfindlichkeit von mindestens 50% hat, einfach herzustellen ist und effektiv als Magnetsensor verwendet werden kann, der schwache Magnetfelder erfasst.
• Gemäß der Erfindung ist ein Magnetowiderstandseffektelement angegeben, umfassend ein Oxidsubstrat, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen und auf dem Substrat eine epitaktisch gewachsene, ferromagnetische Oxiddünnschicht hat, wobei die auf den Atomschichtstufen gebildete Dünnschicht eine Antiphasen-Domänengrenze hat.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die ferromagnetische Oxiddünnschicht durch die Formel RE_3-xAE_xMn₂O₇ dargestellt, worin RE mindestens ein Seltenerdelement ist, das aus der Gruppe bestehend aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu ausgewählt ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall ist, das aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Sr und Ba ausgewählt ist, X 0–3 ist und das Oxidsubstrat ein <100>-Substrat aus SrTiO₃ ist.
• Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die ferromagnetische Oxiddünnschicht durch die Formel AE_2-xRE_xFeMO₆ dargestellt, worin RE mindestens ein Seltenerdelement ist, das aus der Gruppe bestehend aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu ausgewählt ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall ist, das aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Sr und Ba ausgewählt ist, M Mo oder Re ist, X 0–2 ist und das Oxidsubstrat ein <111>-Substrat aus SrTiO₃ ist.
• Wenn eine ferromagnetische Oxiddünnschicht epitaktisch auf einem Oxidsubstrat gezüchtet wird, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat, wie vorstehend beschrieben, bildet sich eine Antiphasen-Domänengrenze in der Dünnschicht direkt über den Substratstufen, und es lässt sich ein großer Magnetowiderstandseffekt beobachten, wenn der elektrische Widerstand in der Richtung senkrecht zu der Antiphasen-Domänengrenze gemessen wird.
• Wenn ein <100>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat verwendet wird, wird der Effekt der Erfindung durch Vornehmen einer chemischen Oberflächenbehandlung maximiert, die die Atomschicht an der äußersten Oberfläche des Substrats als TiO₂ definiert. Wenn ein <111>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat verwendet wird, erzielt man einen guten Effekt, wenn vor dem Bilden der Schicht aus AE_2-xRE_xFeMO₆ eine Dünnschicht aus SrFeO₃, die mit einer FeO₂-Oberfläche endet, als Puffer gebildet wird.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun rein beispielhaft mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine Perspektivansicht ist, die konzeptionell einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Elements in der Nähe seiner Antiphasen-Domänengrenze zeigt;
• 2 eine Draufsicht ist, die schematisch ein Widerstandselement mit vier Anschlüssen zeigt, das ein Beispiel eines Magnetsensors gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• 3 ein Graph ist, der darstellt, wie der elektrische Widerstand eines erfindungsgemäßen Magnetsensors, der Sr₂FeMoO₆ verwendet, als Funktion einer angelegten magnetischen Feldstärke (10e = 10^–4 T) variiert;
• 4 ein mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild der Oberfläche eines SrTiO₃-Substrats ist, das in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
• 5 eine Draufsicht ist, die schematisch ein Widerstandselement mit vier Anschlüssen zum Messen von Magnetowiderstandsanisotropie (eine Art Magnetsensor) zeigt, das in dem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
• 6 ein Graph ist, der ein Beispiel dafür angibt, wie der spezifische Widerstand des in dem vierten Beispiel der vorliegenden Erfindung verwendeten Magnetsensors als Funktion der magnetischen Feldstärke variiert.
• Die Erfinder haben auf einem Oxidsubstrat, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat, eine ferromagnetische Oxiddünnschicht gezüchtet, um so in der Dünnschicht eine Antiphasen-Domänengrenze direkt über den Substratstufen zu bilden. Beim Messen des elektrischen Widerstands in der Richtung senkrecht zu der gebildeten Grenze, haben die Erfinder einen großen Magnetowiderstandseffekt entdeckt. Die vorliegende Erfindung erhielt man auf Grundlage dieser Entdeckung.
• Die Erfinder haben Kombinationen von ferromagnetischen Oxidmaterialien und Oxidsubstraten untersucht, die in der Lage sind, den vorstehend genannten Magneteffekt zu erzeugen. Es hat sich herausgestellt, dass, wenn das verwendete ferromagnetische Oxidmaterial dargestellt ist durch die Formel: RE_3-xAE_xMn₂O₇, worin RE mindestens ein Seltenerdelement (mindestens eines aus der Gruppe Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu) ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall (mindestens eines aus der Gruppe Mg, Ca, Sr und Ba) ist, und X in dem Bereich von 0 bis 3 liegt,
  ein <100>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat verwendet werden kann, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat.
• Ferner hat sich herausgestellt, dass, wenn das verwendete ferromagnetische Oxidmaterial dargestellt ist durch die Formel: AE_2-xRE_xFeMO₆, worin RE mindestens ein Seltenerdelement (mindestens eines aus der Gruppe Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu) ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall (mindestens eines aus der Gruppe Mg, Ca, Sr und Ba) ist, M Mo oder Re ist, und X in dem Bereich von 0 bis 2 liegt,
  ein <111>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat verwendet werden kann, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat.
• Es folgt nun ein Beispiel für die Verwendung von Sr₂FeMoO₆ (d.h. AE_2-xRE_xFeMO₆, worin AE = Sr, M = Mo, X = 0) als ferromagnetisches Oxidmaterial in Kombination mit einem <111>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat.
• 1 ist eine schematische Ansicht der Umgebung, in der man eine Antiphasen-Domänengrenze in dem Sr₂FeMoO₆ beobachten kann. Oktaeder 3a bestehen aus Fe₆ und haben Eisenatome 4, die als große schwarze Sphären dargestellt sind, die sich in ihrer Mitte befinden. Oktaeder 3b bestehen aus MoO₆ und haben Molybdänatome 5, die als kleine schwarze Sphären dargestellt sind, die sich in ihrer Mitte befinden. Bei der Idealkristallstruktur sind die Oktaeder 3a, die Eisenatome 4 in ihrer Mitte haben, und die Oktaeder 3b, die Molybdänatome 5 in ihrer Mitte haben, abwechselnd im dreidimensionalen Raum angeordnet. Diese regelmäßige Atomanordnung ist jedoch an den grauen Kreisen unterbrochen, die an dem Stufenabschnitt 2 des Substrats 1 angegeben sind, an dem die Oktaeder 3b mit den Molybdänatomen 5 nebeneinander liegen. Die Höhe der Stufe ist gleich der Länge der Gittereinheitszelle des Kristalls.
• Wie in 1 dargestellt ist, verschiebt sich die Anordnung der Eisenatome und der Molybdänatome der Sr₂FeMoO₆-Dünnschicht, die epitaktisch auf der <111>-Oberfläche aus SrTiO₃ gewachsen ist, an dem Abschnitt direkt über der Substratstufe 2. Insbesondere bricht die (Fe-O-Mo-O)-Kette der Idealkristallstruktur über der Grenzfläche zusammen, um eine Antiphasen-Domänengrenze mit der Anordnung Fe-O-Fe oder Mo-O-Mo zu bilden. Der Grund hierfür liegt darin, dass in dem Sr₂FeMoO₆, die aus Schichten mit nur Fe-Atomen und Schichten mit nur Mo-Atomen besteht, die abwechselnd in der <111>-Richtung geschichtet sind, der Abstand zwischen den Oberflächen der Schichten, die dieselben Atome enthalten, etwa 0,46 nm beträgt, während die Höhe der Stufe des SrTiO₃-Substrats die Hälfte dieses Abstands, d.h. etwa 0,23 nm beträgt. Wie in 2 dargestellt, ist diese Dünnschicht photolithographisch bearbeitet, um Elektroden 11 und 14 zu bilden, die Strom an voneinander abgewandten Enden der Dünnschicht anlegen, wobei die Antiphasen-Domänengrenze 15 zwischen diesen angeordnet ist, und um Elektroden 12 und 13 bereitzustellen, die den elektrischen Widerstand in der Mitte der Dünnschicht messen, wobei die Antiphasen-Domänengrenze 15 zwischen diesen angeordnet ist, wodurch ein Widerstandsmessungsstruktur gebildet wird, die es ermöglicht, den spezifischen elektrischen Widerstand zu messen, wenn die Richtung des Stroms senkrecht zu der Substratstufe ist.
• Sr₂FeMoO₆ ist eine ferromagnetische Substanz, deren Fe-Spins alle dieselbe Ausrichtung in dem Idealkristall haben. Bei der Dünnschicht dieses Beispiels führt die vorstehend genannte unterbrochene Anordnung der Eisenatome und Molybdänatome jedoch dazu, dass die Magnetisierungsrichtung auf voneinander abgewandten Seiten der Grenzfläche umgekehrt wird. Da der Leitungselektronenspin in diesem ferromagnetischen Material eine außergewöhnlich starke Polarisierung aufweist (im Wesentlichen 100% bei niedrigen Temperaturen nahe der von flüssigem Helium, 60–70% bei 300 K), ist der elektrische Widerstand der Grenzfläche in diesem Zustand maximal. Die Magnetisierungsrichtungen auf den voneinander abgewandten Seiten der Grenzfläche können einander angeglichen werden, indem ein Magnetfeld von mehreren Zehnteln Gauß an die Vorrichtung angelegt wird. Dabei sinkt der elektrische Widerstand an der Grenzfläche auf einem Minimum, wenn die Magnetisierungsrichtung auf beiden Seiten genau gleich ist. Durch Optimierung der Schichtbildungsbedingungen kann diese Widerstandsänderungsrate unter einem Magnetfeld von 100 Gauß (1 Gauß = 10^–4 T) oder weniger auf über 50% gesteigert werden.
• Der vorstehend benannte Magnetowiderstandseffekt kann ebenfalls mit einem Element erzielt werden, das RE_3-xAE_xMn₂O₇ als ferromagnetisches Oxidmaterial und ein <100>-Substrat aus SrTiO₃ als Oxidsubstrat verwendet.
• Als nächstes werden Beispiele für Verfahren zum Herstellen eines Oxidsubstrats beschrieben, das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen hat.
• Durch Glühen eines in die <111>-Richtung geschnittenen Substrats für 2 Stunden bei etwa 1000°C in einem Strom aus Ar-Gas können auf der <111>-Oberfläche aus SrTiO₃ Stufen gebildet werden, die eine Höhe haben, die gleich der Länge der Gittereinheitszelle des Kristalls (0,4 nm) ist.
• Auf der <100>-Oberfläche aus SrTiO₃ können Atomschichtstufen gebildet werden, indem ein in die <100>Richtung geschnittenes Substrat für 10 Minuten bei 800°C in einer Sauerstoffatmosphäre von 1 mTorr (1 Torr = 133,322 Pa) wärmebandelt wird.
• Das <111>-Substrat aus SrTiO₃, das wie vorstehend beschrieben mit Stufen gebildet ist, wird vorzugsweise mit SrFeO₃ oder SrMoO₃ überlagert, bevor die ferromagnetische Oxiddünnschicht gebildet wird. Dadurch ist sichergestellt, dass zu Beginn der Bildung der Sr₂FeMoO₆-Schicht die erste anzuhaftende Schicht diejenige ist, die nicht aus dem zuvor angebrachten Atom besteht, und ist gewährleistet, dass an jedem Stufenabschnitt eine Antiphasen-Domänengrenze gebildet wird.
• Bei der Bildung von Stufen auf der <100>-Oberfläche aus SrTiO₃ nimmt die äußerste Oberfläche eine komplexe Anordnung an. Indem eine chemische Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, um die Atomschicht an der äußersten Oberfläche des Substrats als TiO₂ zu definieren, kann man ein Substrat erhalten, das nur mit Stufen gebildet ist, deren Höhe gleich der Länge der Gittereinheitszelle des Kristalls ist.
• Molekularstrahlepitaxie, Beschichtung mit gepulstem Laser oder jedes andere Schichtbildungsverfahren, das eine Dünnschicht bilden kann, die auf atomarer Ebene flach ist, kann als Verfahren zum Bilden der ferromagnetischen Oxiddünnschicht auf dem Oxidsubstrat verwendet werden, dessen Oberfläche mit den Atomschichtstufen ausgebildet ist.
• Das Magnetowiderstandseffektelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, das nur einen einzigen Schritt zur Dünnschichtbildung beinhaltet und eine hohe magnetische Empfindlichkeit von 50% oder mehr erzielt. Es kann daher effektiv zur Erfassung von schwachen Magnetfeldern verwendet werden. Aufgrund seiner hohen magnetischen Empfindlichkeit kann das Magnetowiderstandseffektelement gemäß der vorliegenden Erfindung effektiv als Magnetsensor zum Erfassen von schwachen Magnetfeldern eingesetzt werden. Das Element kann in ausgesprochen einfachen Bearbeitungsschritten hergestellt werden und ist daher für eine Massenproduktion geeignet und kann industriell mit hoher Produktivität hergestellt werden.
• Nun werden Beispiele der Erfindung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt.
• Beispiel 1
• Ein in die <111>-Richtung geschnittenes SrTiO₃-Substrat wurde für 2 Stunden bei 1000°C in einem Strom aus Ar-Gas geglüht, um ein Substrat zu erhalten, das auf seiner Oberfläche parallele Atomschichtstufen hat, die die leichte Abweichung der Substratschnittoberfläche aus der <111>-Richtung wiederspiegeln.
• Durch Laserablation wurde eine Dünnschicht aus SrFeO₃ mit einer Dicke von 40 Å (1 Å = 10^–10 m) auf dem Substrat gebildet. Diese Dicke entspricht 10 SrFeO₃ Kristalleinheitszellenperioden.
• Das Laserablationsziel war ein Kügelchen mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm, das aus einem Oxidpolykristall aus SrFeO₃ gebildet ist. Das Ziel und das Substrat wurden einander gegenüberliegend in einer Vakuumkammer platziert und das Ziel wurde mit einem gebündelten Strahl eines gepulsten KrF-Excimerlasers bestrahlt, um eine Dünnschicht aus SrFeO₃ als Puffer auf dem Substrat zu züchten.
• Zu dieser Zeit betrug die Temperatur des Substrats 900°C und der Sauerstoff-Partialdruck in der Kammer 1 × 10^–6 Torr. Die Energiedichte des Strahls des Excimerlasers an der Zieloberfläche betrug 1000 mJ/cm² pro Puls und die Pulszyklusperiode 5 Hz.
• Das SrFeO₃-Ziel wurde dann durch ein Sr₂FeMoO₆-Ziel ersetzt und eine Dünnschicht auf ähnlich Weise gezüchtet, wobei die Wachstumsbedingungen folgende waren: Substrattemperatur 930°C, Sauerstoff-Partialdruck 1 × 10^–6 Torr, Laserleistung 1000 mJ/cm² pro Puls und eine Pulszyklusperiode von 5 Hz. Die Dicke der Sr₂FeMoO₆-Schicht betrug ungefähr 500 Å. Die erhaltene Schicht wurde durch gewöhnliche Photolitographie zu einem Widerstandsmesselement mit vier Anschlüssen gearbeitet, wie in 2 gezeigt ist. Das so erzeugte Element hatte eine Dicke von ungefähr 20 μm. Der Abstand zwischen den Elektroden 11 und 14 betrug etwa 50 μm. Das Element war so strukturiert, dass die Richtung des Stromflusses ((11)–(14) in der Zeichnung) senkrecht zu der Richtung der Stufenkante auf dem SrTiO₃-Substrat ((12)–(13) in der Zeichnung) war.
• Der Magnetowiderstandseffekt des Elements wurde ausgewertet. Das Element wurde in einem Elektromagneten platziert und die Intensität des Magnetfelds in dem Elektromagneten variiert, während ein Strom von 10 μA zwischen den Elektroden 11 und 14 so angelegt wurde, das er senkrecht zu der Antiphasen-Domänengrenze 15 verlief. Die Änderung des elektrischen Widerstands des Elements auf Grund der Änderung der Magnetfeldintensität wurde anhand der Veränderung der zwischen den Elektroden 12 und 13 gemessenen Spannung berechnet. Der bei 27°C bestimmte Magnetowiderstand ist in 3 gezeigt.
• Der spezifische elektrische Widerstand des Elements war maximal als kein Magnetfeld angelegt war. Sobald ein Magnetfeld angelegt wurde, nahm der spezifische elektrische Widerstand mit steigender Magnetfeldintensität ab, bis er auf etwa 50% des Maximalwerts bei einer Feldintensität von 100 Gauß sank.
• Beispiel 2
• Eine Dünnschicht aus SrFeO₃ wurde durch Oberflächenbearbeitung wie in Beispiel 1 als Puffer auf einem <111>-Substrat aus SrTiO₃ gebildet, das mit Atomschichtstufen versehen ist.
• Das SrFeO₃-Ziel wurde dann durch einen gesinterten Verbundkörper aus Sr₂FeReO₆ ersetzt und eine Dünnschicht aus Sr₂FeReO₆ wurde mit einer Dicke von 500 Å aufgebracht, wobei die Bedingungen folgende waren: Substrattempera tur 850°C, Sauerstoff-Partialdruck 1 × 10^–6 Torr, Energiedichte des Laserstrahls des Excimerlasers 1000 mJ/cm² pro Puls und eine Pulszyklusperiode von 5 Hz.
• Ein Widerstandsmesselement mit vier Anschlüssen wurde entsprechend dem Beispiel 1 hergestellt und der Magnetowiderstandseffekt bei 27°C gemessen. Die Abnahme des Widerstands betrug 60% bei 100 Gauß.
• Beispiel 3
• Eine Dünnschicht aus SrFeO₃ wurde durch Oberflächenbearbeitung wie in Beispiel 1 als Puffer auf einem <111>-Substrat aus SrTiO₃ gebildet, das mit Atomschichtstufen versehen ist.
• Das SrFeO₃-Ziel wurde dann durch einen gesinterten Verbundkörper aus Sr_1.8La_0.2FeMoO₆ ersetzt und eine Dünnschicht mit derselben Zusammensetzung wurde mit einer Dicke von 500 Å aufgebracht, wobei die Bedingungen folgende waren: Substrattemperatur 930°C, Sauerstoff-Partialdruck 1 × 10^–6 Torr, Energiedichte des Laserstrahls des Excimerlasers 1000 mJ/cm² pro Puls und eine Pulszyklusperiode von 5 Hz.
• Ein Widerstandsmesselement mit vier Anschlüssen wurde entsprechend dem Beispiel 1 hergestellt und der Magnetowiderstandseffekt bei 27°C gemessen. Die Abnahme des Widerstands betrug 55% bei 100 Gauß.
• Beispiel 4
• Ein in die <100>-Richtung geschnittenes SrTiO₃-Substrat wurde mit einer Mischlösung aus NH₄-HF mit einem pH-Wert von 4,2 geätzt, in eine Vakuumkammer gegeben und 10 Minuten lang bei 800°C in einer Sauerstoffatmosphäre von 1 mTorr wärmebehandelt, um die gesamte Atomschicht an der äußersten Oberfläche mit einer TiO₂-Oberfläche zu beschichten und ein Substrat zu erhalten, das auf seiner Oberfläche parallele Atomschichtstufen hat, die die leichte Abweichung der Substratschnittoberfläche aus der <110>-Richtung wiederspiegeln. Ein mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommenes Bild der Oberfläche des Substrats ist in 4 gezeigt. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Richtung der Stufenkante um ungefähr 30 Grad geneigt war und das Stufenintervall ungefähr 60 nm betrug. Das Stufenintervall wird durch den Substratschrägungswinkel (englisch: substrate OFF angle) bestimmt und kann beliebig reguliert werden. Da der Magnetowiderstand an der Stufenposition erzeugt wird, kann die Größe des Magnetowiderstands durch Regulieren des Stufenintervalls reguliert werden.
• Durch Laserablation wurde eine Dünnschicht aus La_1.2Sr_1.8Mn₂O₇ mit einer Dicke von 100 Å auf dem Substrat gebildet. Diese Dicke entspricht 10 La_1.2Sr_1.8Mn₂O₇ Kristalleinheitszellenperioden.
• Das Laserablationsziel war ein Kügelchen mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm, das aus einem Oxidpolykristall aus La_1.2Sr_1.8Mn₂O₇ gebildet ist. Das Ziel und das Substrat wurden einander gegenüberliegend in einer Vakuumkammer platziert und das Ziel wurde mit einem Strahl eines gepulsten KrF-Excimerlasers bestrahlt, um eine Dünnschicht aus La_1.2Sr_1.8Mn₂O₇ auf dem Substrat zu züchten. Zu dieser Zeit betrugt die Temperatur des Substrats 970°C und der Sauerstoffdruck in der Kammer 100 mTorr. Die Energiedichte des Strahls des Excimerlasers an der Zieloberfläche betrug 2000 mJ/cm² pro Puls und die Pulszyklusperiode 10 Hz.
• Die erhaltene Schicht wurde durch gewöhnliche Photolitographie zu einem Widerstandsmesselement mit vier Anschlüssen gearbeitet, wie in 5 gezeigt ist. Das Element war so strukturiert, dass die Richtung des Stromflusses senkrecht zu der Richtung der Stufenkante 29 auf dem SrTiO₃-Substrat war. Insbesondere wurde die Richtung der Stufenkante nach der Schichtbildung als erstes mit einem Rasterkraftmikroskop (englisch: atomic force microscope (AFM)) bestätigt. Danach wurde eine Photoresiststrukturierung durchgeführt, so dass die Richtung der Stufenkante eine Richtung (21–26) und die Richtung, die auf beiden Seiten der Stufenkante verläuft, eine Richtung (24–27) war. Die Schicht konnte einfach mit Salzsäure oder Aqua regia geätzt werden. Das Photoresist wurde dann aufgelöst und mit Aceton entfernt, um die Herstellung des Elements abzuschließen. Das Bezugszeichen 29 in 5 bezeichnet die Antiphasen-Domänengrenze. Der Magnetowiderstandseffekt des Elements wurde ausgewertet. Das Element wurde in einem Elektromagneten platziert und die Intensität des Magnetfelds in dem Elektromagneten variiert, während ein Strom zwischen den Elektroden 22 und 25 angelegt wurde. Die Änderung des elektrischen Widerstands des Elements auf Grund der Änderung der Mangefeldintensität wurde anhand der Veränderung der zwischen den Elektroden 23 und 28 gemessenen Spannung berechnet. Der bei –200°C bestimmte Magnetowiderstand ist in 6 gezeigt. Der spezifische elekt rische Widerstand des Elements war maximal als kein Magnetfeld angelegt war. Sobald ein Magnetfeld angelegt wurde, nahm der spezifische elektrische Widerstand mit steigender Magnetfeldintensität ab, bis er auf etwa 30% des Maximalwerts bei einer Feldintensität von 100 Gauß sank.

Claims (5)

1. Magnetowiderstandseffektelement, umfassend ein Oxidsubstrat (1), das auf seiner Oberfläche Atomschichtstufen (2) und auf dem Substrat eine epitaktisch gewachsene, ferromagnetische Oxiddünnschicht hat, wobei die auf den Atomschichtstufen gebildete Dünnschicht eine Antiphasen-Domänengrenze hat.
2. Magnetowiderstandseffektelement nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische Oxiddünnschicht durch die Formel RE_3-xAE_xMn₂O₇ dargestellt ist, worin RE mindestens ein Seltenerdelement ist, das aus der Gruppe bestehend aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu ausgewählt ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall ist, das aus der Gruppe be stehend aus Mg, Ca, Sr und Ba ausgewählt ist, und X 0–3 ist und das Oxidsubstrat ein <100>-Substrat aus SrTiO₃ ist.
3. Magnetowiderstandseffektelement nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische Oxiddünnschicht durch die Formel AE_2-xRE_xFeMO₆ dargestellt ist, worin RE mindestens ein Seltenerdelement ist, das aus der Gruppe bestehend aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu ausgewählt ist, AE mindestens ein Erdalkalimetall ist, das aus der Gruppe bestehend aus Mg, Ca, Sr und Ba ausgewählt ist, M Mo oder Re ist, X 0–2 ist und das Oxidsubstrat ein <111>-Substrat aus SrTiO₃ ist.
4. Magnetowiderstandseffektelement nach Anspruch 2, bei dem die Oberfläche des <100>-Substrats aus SrTiO₃ einer chemischen Oberflächenbehandlung unterzogen wird, um aus ihr eine TiO₂-Oberfläche zu machen.
5. Magnetowiderstandseffektelement nach Anspruch 3, bei dem eine Dünnschicht aus SrFeO₃ auf der Oberfläche des <111>-Substrats angeordnet ist.