Beschreibungdescription
Magnetfeldempfindlicher Dünnfilmsensor mit einer TunnelbarrierenschichtMagnetic field sensitive thin film sensor with a tunnel barrier layer
Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetfeldempfindlichen Dünnfilmsensor mit einem Mehrschichtensystem, das zu beiden Seiten einer Tunnelbarrierenschicht jeweils mindestens eine magnetische Schicht aufweist. Ein entsprechender Dünnfil sen- sor geht aus der Veröffentlichung „Phys . Rev. Let t . " , Vol . 74 , No . 26, 26. Juni 1995, Sei ten 5260 bis 5263 und der WO96/07208 hervor.The invention relates to a magnetic field-sensitive thin film sensor with a multilayer system, which has at least one magnetic layer on both sides of a tunnel barrier layer. A corresponding thin-film sensor can be found in the publication “Phys. Rev. Let t. ", Vol. 74, No. 26, June 26, 1995, pages 5260 to 5263 and WO96 / 07208.
Der bekannte Dünnfilmsensor stellt einen magnetischen Feld- sensor mit Elektronenspin-Ventil-Effekt dar, der als einThe well-known thin film sensor represents a magnetic field sensor with an electron spin valve effect, which acts as a
„Spin-Valve-Transistor" bezeichnet wird. Dieser Transistor hat einen Halbleiter/Metall/Halbleiter-Aufbau, bei dem die metallische Basis insbesondere aus einem Co-Cu-Mehr- schichtensystem mit vier Perioden aufgebaut ist. Derartige Mehrschichtensysteme können einen hohen magnetoresistiven Effekt zeigen, der bei Raumtemperatur über 2 % betragen kann und dann im allgemeinen auch als „giant magnetoresistive ef- fect" (GMR) bezeichnet wird. Die bei der bekannten Dünnschichteinrichtung vorgesehene Anzahl der Perioden von 4 führt zu einer Gesamtdicke der Basis in der Größenordnung von 140 Ä. Dabei ist die sogenannte Kollektoreffizienz Fc = Ic/Ie/ d.h. das Verhältnis des Kollektorstroms Ic zum Emitterstro Ie durch die folgende Beziehung gegeben:"Spin valve transistor" is referred to. This transistor has a semiconductor / metal / semiconductor structure, in which the metallic base is constructed in particular from a Co-Cu multilayer system with four periods. Such multilayer systems can have a high magnetoresistive effect show that can be over 2% at room temperature and is then generally referred to as "giant magnetoresistive effects" (GMR). The number of periods of 4 provided in the known thin-film device leads to a total thickness of the base of the order of magnitude of 140 Å. The so-called collector efficiency F c = I c / Ie / ie the ratio of the collector current I c to the emitter current I e is given by the following relationship:
Fc = C • exp(-Wb/Λ) . (1)F c = C • exp (-W b / Λ). (1)
C = hier eine Konstante, und Wb und λ sind die Basisbreite bzw. die freie Weglänge der Elektronen. Die freie Weglänge liegt bei Raumtemperatur in magnetischen Mehrschichtensyste-
men bei ungefähr 80 Ä und 5 Ä für Majoritätselektronen bzw. Minoritätselektronen (vgl. z.B. W094/15223 ) . Die typische Dicke eines Sensors mit einem GMR-Mehrschichtensystem beträgt etwa 150 Ä, so daß sich dann ein Wert der Kollektoreffizienz Fc von 0,15 für die Majoritätselektronen ergibt. Ist die Basisbreite Wb nur 30 Ä, dann ergibt sich für Fc ein Wert von 0,7 oder ein dreimal höherer Kollektorstrom.C = a constant here, and W b and λ are the base width and the free path length of the electrons, respectively. The free path length is at room temperature in magnetic multilayer systems around 80 Å and 5 Ä for majority electrons and minority electrons, respectively (see e.g. W094 / 15223). The typical thickness of a sensor with a GMR multilayer system is approximately 150 Å, so that a value of the collector efficiency F c of 0.15 results for the majority electrons. If the basic width W b is only 30 Å, the value for F c is 0.7 or three times the collector current.
Bei dem bekannten Spin-Valve-Transistor wird an der Injektor- seite ein Halbleiter eingesetzt, der mit dem GMR-Mehrschichtensystem eine Schottky-Barriere bildet. Diese Barriere läßt sich jedoch wegen der Strukturempfindlichkeit des Halbleiter- materials schwer realisieren. Eine erste Möglichkeit ist die Abscheidung von dem Halbleitermaterial auf dem GMR-Mehr- Schichtensystem durch Aufdampfen oder Sputtern. Auf Metallen abgeschiedene Halbleitermaterialien sind jedoch meistens amorph oder polykristallin, so daß sich kaum reproduzierbare Schottky-Barrieren realisieren lassen. Eine zweite Möglichkeit ist ein sogenanntes „Vakuum-Bonding", wobei eine mono- kristalline Si-Scheibe auf das GMR-Mehrschichtensystem gedrückt wird. Das entsprechende Verfahren ist jedoch im Ultrahochvakuum durchzuführen. Dabei wird die Emitterscheibe von der Rückseite zu einer Membran geätzt. Eine entsprechende Technik ist jedoch in großtechnischem Maßstab schwer zu rea- lisieren und läßt sich insbesondere mit standardmäßigen Planartechniken nicht kombinieren.In the known spin valve transistor, a semiconductor is used on the injector side, which forms a Schottky barrier with the GMR multilayer system. However, this barrier is difficult to implement due to the structural sensitivity of the semiconductor material. A first possibility is the deposition of the semiconductor material on the GMR multilayer system by vapor deposition or sputtering. However, semiconductor materials deposited on metals are mostly amorphous or polycrystalline, so that Schottky barriers that are hardly reproducible can be realized. A second possibility is a so-called "vacuum bonding", in which a monocrystalline Si wafer is pressed onto the GMR multilayer system. However, the corresponding method must be carried out in an ultra-high vacuum. The emitter wafer is etched from the back to a membrane however, such technology is difficult to implement on an industrial scale and cannot be combined, in particular, with standard planar techniques.
Bei einer weiteren, aus der eingangs genannten WO-Schrift zu entnehmenden Ausführungsform eines Spin-Valve-Transistors bildet innerhalb seines Mehrschichtensystems eine zwischen benachbarten magnetischen Schichten vorhandene nichtmagnetische Schicht aus isolierendem oder halbleitendem Material eine Tunnelbarrierenschicht. Die auf beiden Seiten der Tunnelbarrierenschicht jeweils angeordnete Schicht oder Schichten haben dabei eine zumindest weitgehend gleiche, ver-
hältnismäßig geringe magnetische Steifigkeit. Es zeigt sich jedoch, daß bei diesem bekannten Transistor der Tunnelstrom durch diese Tunnelbarrierenschicht nur in verhältnismäßig geringerem Maße von äußeren Feldänderungen abhängig ist. Das bei dem bekannten Transistor abzunehmende Meßsignal ist dementsprechend ungenau und schwer reproduzierbar.In a further embodiment of a spin valve transistor, which can be gathered from the WO document mentioned at the outset, a non-magnetic layer made of insulating or semiconducting material between adjacent magnetic layers forms a tunnel barrier layer within its multilayer system. The layer or layers arranged on both sides of the tunnel barrier layer have an at least largely identical, different relatively low magnetic rigidity. It turns out, however, that with this known transistor the tunnel current through this tunnel barrier layer is dependent to a relatively lesser extent on external field changes. The measurement signal to be taken from the known transistor is accordingly inaccurate and difficult to reproduce.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen magnetfeldsensitiven Dünnschichtsensor mit den eingangs genannten Merk- malen anzugeben, bei dem die vorgenannten herstellungstechnischen Schwierigkeiten verringert sind. Außerdem soll dieser Sensor eine verbesserte Tunnelstromabhängigkeit bezüglich äußerer Feldänderungen besitzen.The object of the present invention is to provide a magnetic-field-sensitive thin-film sensor with the features mentioned at the beginning, in which the aforementioned manufacturing difficulties are reduced. In addition, this sensor is said to have an improved tunnel current dependency with regard to external field changes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Maßnahmen desThis object is achieved with the measures of
Hauptanspruchs gelöst. Dabei ist der Begriff der „magnetischen Steifigkeit im Sinne der magnetischen Härte des gesamten (Sub) -Systems der Schichtenfolge zu verstehen (vgl. z.B. „IEEE Transactions on Magnet i es " , Vol . 32, Sei ten 4624 bis 4626 oder „Journal of Magnetism and Magnetic Materials ", Vol . 165, 1996, Sei ten 524 bis 526) .Main claim solved. The term “magnetic rigidity in the sense of the magnetic hardness of the entire (sub) system of the layer sequence is to be understood (cf. for example“ IEEE Transactions on Magnet i es ”, vol. 32, pages 4624 to 4626 or“ Journal of Magnetism and Magnetic Materials ", vol. 165, 1996, pages 524 to 526).
Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß sich durch die Erhöhung der magnetischen Steifigkeit der beispielsweise ei- nen magnetischen Injektor bildenden Schichtenfolge die Tunnelstromänderung in der gewünschten Weise verbessern läßt. Der Grund hierfür ist in folgendem zu sehen: Die Magnetisierung auf einer Seite der Tunnelbarrierenschicht ist im Bereich der Schichtenfolge praktisch festliegend. Es ergeben sich dann zwei Spinkanäle, nämlich bei einer parallelen Magnetisierungsausrichtung ein Kanal für Majoritätselektronen und bei einer entgegengesetzten Ausrichtung ein Kanal für Minoritätselektronen. Der Elektronentransportstrom hängt also von der Magnetisierungsrichtung der auf der gegenüberliegen- den Seite der Tunnelbarrierenschicht befindlichen Meßschicht
ab. Abhängig von dieser Richtung ändern sich die Energieniveaudichten an der Meßschichtseite für die beiden Spinkanäle und damit entsprechend die Tunnelwahrscheinlichkeit. Ein hoher Signalhub und eine hohe Reversibilität der Antwortfunkti- on des Sensors ergibt sich demnach für eine möglichst hohe magnetische Steifigkeit der Schichtenfolge und eine möglichst magnetisch weiche Meßschicht. Demgegenüber werden bei dem bekannten Spin-Valve-Transistor in erster Linie Unterschiede der Streuung der Elektronen ausgenutzt.The starting point here is the knowledge that the tunnel current change can be improved in the desired manner by increasing the magnetic rigidity of the layer sequence forming, for example, a magnetic injector. The reason for this can be seen in the following: The magnetization on one side of the tunnel barrier layer is practically fixed in the area of the layer sequence. This then results in two spin channels, namely a channel for majority electrons in a parallel magnetization alignment and a channel for minority electrons in an opposite alignment. The electron transport current therefore depends on the direction of magnetization of the measuring layer located on the opposite side of the tunnel barrier layer from. Depending on this direction, the energy level densities on the measuring layer side change for the two spin channels and thus the tunnel probability accordingly. A high signal swing and a high reversibility of the response function of the sensor therefore result in the highest possible magnetic rigidity of the layer sequence and a magnetically soft measuring layer. In contrast, differences in the scattering of the electrons are primarily exploited in the known spin valve transistor.
Bei einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Sensors als Spin- Valve-Transistor ist es im Hinblick auf eine einfache Herstellung als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn die magnetisch weichere, verhältnismäßig dünne Meßschicht auf einem Halbleiterbereich des Transistors angeordnet wird und als Basis dient.In the case of an embodiment of the sensor according to the invention as a spin valve transistor, it is to be regarded as particularly advantageous with regard to simple manufacture if the magnetically softer, relatively thin measuring layer is arranged on a semiconductor region of the transistor and serves as the base.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Dünnfilmsensors gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.Advantageous refinements of the magnetic field-sensitive thin film sensor according to the invention emerge from the dependent claims.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen. Dabei zeigen jeweils schematisch deren Figur 1 eine prinzipielle Anordnung von mehreren erfindungsgemäßen Sensoren, deren Figuren 2 bis 5 verschiedene erfindungsgemäße Sensoren mit unterschiedlichen magnetischen Injektoren, deren Figuren 6 und 7 die Unterschiede zwischen einem Tunnel- sensor ohne und mit halbleitendem Bereich, deren Figur 8 die Energieniveaudichteverteilung in unterschiedlichen Bändern für die beiden Spinpolari- sationsrichtungen der Majoritäts- und Minoritätselektronen,
deren Figur 9 einen Schaltplan zur Verringerung der Temperaturabhängigkeit des Tunnelstroms, deren Figuren 10 und 11 die Unterschiede zwischen einem Spin- Valve-Transistor mit GMR-Mehrschichtensystem und einem Dünnfilmsensor sowie deren Figuren 12 und 13 zwei weitere prinzipielle Ausbildungsmöglichkeiten von erfindungεgemäßen Dünnfilmsensoren.To further explain the invention, reference is made below to the drawing. 1 shows a schematic arrangement of several sensors according to the invention, FIGS. 2 to 5 show different sensors according to the invention with different magnetic injectors, FIGS. 6 and 7 show the differences between a tunnel sensor with and without a semiconducting area, and FIG. 8 shows the differences Energy level density distribution in different bands for the two spin polarization directions of the majority and minority electrons, 9 shows a circuit diagram for reducing the temperature dependence of the tunnel current, FIGS. 10 and 11 show the differences between a spin valve transistor with a GMR multilayer system and a thin film sensor, and FIGS. 12 and 13 show two further basic training options for thin film sensors according to the invention.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Dabei bedeuten jeweils Hl eine Schicht aus einem Halbleitermaterial wie Si oder ein entsprechendes Substrat, Ms eine weichmagnetische Meßschicht, Tb eine Tunnelbarrierenschicht, Ij einen magnetischen Injektor, Bs eine Biasschicht und Sf eine gegenüber der Meßschicht magnetisch steifere (härtere) Schichtenfolge. Dabei wird von bekannten Dünnfilmsystemen mit Halbleiter/Metall/Transistorfunktion, die eine Tunnel- und eine Schottky-Barriere aufweisen (vgl. die eingangs genannten Li- teraturstellen) , sowie von Dünnfilmsystemen mit erhöhtem, insbesondere GMR-Effekt (vgl. z.B. die EP 0 483 373 A oder die DE-A-Schriften 42 32 244 , 42 43 357 sowie die genannte W094/15223) ausgegangen. Besonders sind sogenannte Hart- Weich-Syste e und deren Modifikationen wie z. B. die soge- nannten „Exchange-biased-Systeme" oder als „künstliche Anti- ferromagneten" wirkende Systeme geeignet. Im Gegensatz zu den bekannten GMR-Dünnfilmsystemen werden in dem Mehrschichtensystem der erfindungsgemäßen Dünnschichtsensoren ein hartmagne- tischer Teil (= Schichtenfolge Sf) und eine weichmagnetische Meßschicht Ms nicht von einer nicht-magnetischen Metall-
Schicht (wie bei den GMR-Systemen) , sondern von einer Tunnel- barrierenschicht Tb getrennt. Ein entsprechender prinzipieller Aufbau geht aus Figur 1 hervor. Auf einem Si-Wafer 2 ist eine Matrix von Inseln aus halbleitendem Material Hl defi- niert, die z.B. durch Aufprägen von einer Spannung elektrisch voneinander isoliert werden. Diese Inseln Hl bilden z.B. die Kollektoren Kl von einer magnetischen Transistorstruktur Ts eines erfindungsgemäßen Dünnfilmsensors 3. Auf jeder Insel wird eine metallische, weichmagnetische Meßεchicht Ms aufge- bracht, die eine durch eine verstärkte Linie angedeuteteIn the figures, corresponding parts are provided with the same reference symbols. In this case, H1 is a layer made of a semiconductor material such as Si or a corresponding substrate, Ms is a soft magnetic measuring layer, Tb is a tunnel barrier layer, Ij is a magnetic injector, Bs is a bias layer and Sf is a layer sequence that is magnetically stiffer (harder) than the measuring layer. Known thin-film systems with a semiconductor / metal / transistor function, which have a tunnel and a Schottky barrier (see the literature references mentioned at the beginning), and thin-film systems with an increased, in particular GMR effect (see, for example, EP 0 483 373 A or DE-A-writings 42 32 244, 42 43 357 and the aforementioned W094 / 15223). So-called hard-soft systems and their modifications such as e.g. B. the so-called "Exchange-biased systems" or systems acting as "artificial anti-ferromagnets" are suitable. In contrast to the known GMR thin-film systems, in the multilayer system of the thin-layer sensors according to the invention, a hard magnetic part (= layer sequence Sf) and a soft magnetic measuring layer Ms are not covered by a non-magnetic metal Layer (as with the GMR systems), but separated by a tunnel barrier layer Tb. A corresponding basic structure is shown in Figure 1. A matrix of islands made of semiconducting material Hl is defined on a Si wafer 2 and is electrically isolated from one another, for example, by being impressed by a voltage. These islands H1 form, for example, the collectors K1 from a magnetic transistor structure Ts of a thin-film sensor 3 according to the invention. A metallic, soft-magnetic measuring layer Ms is applied to each island, which is indicated by a reinforced line
Schottky-Barriere Sb an der Grenzfläche zu dem Halbleiter Hl bildet. Diese Meßschicht wird mittels einer Tunnelbarrierenschicht Tb von einer mindestens zwei Schichten aufweisenden Schichtenfolge Sf eines hartmagnetischen Injektors Ij ge- trennt.Schottky barrier Sb forms at the interface with the semiconductor Hl. This measuring layer is separated by means of a tunnel barrier layer Tb from a layer sequence Sf of at least two layers of a hard magnetic injector Ij.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen Transistorstrukturen mit verschiedenen Ausbildungsmöglichkeiten für die als Injektor Ij dienende Schichtenfolge Sf. Eine halbleitende Schicht Hl kann dabei einen Kollektor Kl mit einer Schottky-Barriere an ihrerFigures 2 to 5 show transistor structures with different training options for the layer sequence Sf serving as injector Ij. A semiconducting layer H1 can have a collector Kl with a Schottky barrier on it
Grenzfläche zu einer auf ihr aufgebrachten metallischen Schicht bilden.Form an interface with a metallic layer applied to it.
Der Injektor Ij läßt sich beispielsweise gemäß Figur 2 bei dem dort gezeigten Sensor 4 durch eine sogenannte „exchange- biased"-Schichtenfolge mit einer Biasschicht Bs und einer an- tiferromagnetischen Schicht 5 oder gemäß Figur 3 bei dem dort gezeigten Sensor 8 durch eine einen künstlichen Antiferroma- gneten bildende Schichtenfolge mit einer Magnetschicht 6, die antiferromagnetisch über eine Kopplungsschicht 7 an eineThe injector Ij can, for example, in accordance with FIG. 2 in the sensor 4 shown there, by a so-called “exchange-biased” layer sequence with a bias layer Bs and an antiferromagnetic layer 5, or in accordance with FIG. 3 in the sensor 8 shown there by an artificial one Antiferromagnetic layer sequence with a magnetic layer 6, which is antiferromagnetic via a coupling layer 7 to a
Biasschicht Bs gekoppelt ist (vgl. die genannte W094/15223 ) , bestehen.Bias layer Bs is coupled (cf. the W094 / 15223 mentioned).
Generell ist bei dem erfindungsgemäßen Dünnfilmsensor dessen Injektor Ij aus mehreren Schichten aufgebaut, um so eine op-
timale Elektronenpolarisation und hart-magnetische Eigenschaften zu vereinen. Bei der Ausführungsform nach Figur 2 wird die Magnetisierung der Magnetschicht Bs, die vorzugsweise eine ferromagnetische Schicht ist, von der antiferromagne- tischen Schicht 5, die auch eine ferrimagnetische Schicht mit einer Kompensationstemperatur in der Nähe der Einsatztempera- tur des Sensors sein kann, in ihrem uniformen Zustand festgehalten. Dabei liegt die Magnetschicht Bs, die für die Polarisation der Elektronen Sorge tragen muß und die gegebenenfalls auch aus mehreren Schichten zusammengesetzt sein kann, direkt auf der Tunnelbarrierenschicht Tb auf. Auch bei der Ausführungsform nach Figur 3 mit einer Ausbildung des auf der Tunnelbarrierenschicht Tb aufliegenden Injektors Ij als künstlichem Antiferromagneten können dessen einzelne Schichten auch aus mehreren Schichten bestehen. Dabei kann wie auch bei den anderen Ausführungsformen vorteilhaft durch die Materialwahl einer Legierung aus einer Seltenen Erde und einem Übergangs- etall für die gewünschte magnetische Steifigkeit und durch die Anordnung der ferromagnetischen Schicht direkt auf der Tunnelbarrierenschicht Tb für eine gewünschte Spin-Polarisation gesorgt werden. Verglichen mit einem „Exchange-biased- System" ist hier eine höhere Temperaturstabilität zu erwarten.In general, in the thin-film sensor according to the invention, its injector Ij is constructed from several layers in order to to combine temporal electron polarization and hard magnetic properties. In the embodiment according to FIG. 2, the magnetization of the magnetic layer Bs, which is preferably a ferromagnetic layer, is caused by the antiferromagnetic layer 5, which can also be a ferrimagnetic layer with a compensation temperature in the vicinity of the operating temperature of the sensor uniform condition recorded. The magnetic layer Bs, which must take care of the polarization of the electrons and which can optionally also be composed of several layers, lies directly on the tunnel barrier layer Tb. In the embodiment according to FIG. 3, too, with the injector Ij resting on the tunnel barrier layer Tb as an artificial antiferromagnet, its individual layers can also consist of several layers. Here, as in the other embodiments, the desired magnetic rigidity can advantageously be provided by the choice of material of an alloy of a rare earth and a transition metal and by the arrangement of the ferromagnetic layer directly on the tunnel barrier layer Tb for a desired spin polarization. Compared to an "Exchange-biased system", higher temperature stability can be expected here.
Gegebenenfalls ist es auch möglich, die Stapelung von Meßschicht Ms, Tunnelbarrierenschicht Tb und Injektor Ij der Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Dünnschichteinrichtungen 4 und 8 nach den Figuren 2 und 3 umzudrehen. Dementsprechend sind bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungs- form eines Dünnfilmsensors 9 gegenüber der Ausführungsform 8 nach Figur 3 die Positionen der Meßschicht Ms und des Injektors Ij bezüglich der Tunnelbarrierenschicht Tb vertauscht.If necessary, it is also possible to reverse the stacking of measuring layer Ms, tunnel barrier layer Tb and injector Ij of the embodiments of thin-film devices 4 and 8 according to FIGS. 2 and 3. Accordingly, in the embodiment of a thin-film sensor 9 shown in FIG. 4, the positions of the measuring layer Ms and the injector Ij with respect to the tunnel barrier layer Tb are reversed compared to the embodiment 8 according to FIG.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform eines Dünnfilm- sensors 10 stellt dessen Injektor Ij einen speziellen künst-
liehen Antiferromagneten mit zwei äußeren Biasschichten Bs und Bs ' dar. Diese Schichten sind jeweils über 2 Kopplungs- schichten 7 bzw. 7' mit einer gemeinsamen flußführenden Magnetschicht Fs antiferromagnetisch gekoppelt. Bei beiden Aus- führungsformen 9 (gemäß Figur 4) und 10 (gemäß Figur 5) wird die Verteilung der injizierten Elektronen über Kanäle gesteuert. Eine entsprechende Vertauschung für die Dünnschichteinrichtung 4 nach Figur 2 kommt nur gegebenenfalls in Frage, weil hier die antiferromagnetische Schicht 5 verhältnismäßig dick ist und die beiden Spinkanäle durch eine sehr hohe Resi- stivität p gekennzeichnet sind. D.h., ihre Kollektoreffizienz Fc ist klein. Demgegenüber ist ein als künstlicher Antiferro- magnet wirkendes System viel dünner und hat vorteilhaft ein niedrigeres p. Dabei kann der Widerstandsunterschied des künstlichen Antiferromagneten zwischen beiden Spinkanälen möglichst groß gemacht werden, indem man die Größe α der Schichten des künstlichen Antiferromagneten so wählt, daß zwischen der flußführenden Schicht Fs und den BiasschichtenIn the embodiment of a thin-film sensor 10 shown in FIG. 5, its injector Ij provides a special artificial borrowed antiferromagnets with two outer bias layers Bs and Bs '. These layers are each coupled in an antiferromagnetic manner to a common flux-conducting magnetic layer Fs via two coupling layers 7 and 7'. In both embodiments 9 (according to FIG. 4) and 10 (according to FIG. 5), the distribution of the injected electrons is controlled via channels. A corresponding exchange for the thin-film device 4 according to FIG. 2 is only possible if necessary because the antiferromagnetic layer 5 is relatively thick here and the two spin channels are characterized by a very high resistance p. That is, their collector efficiency F c is small. In contrast, a system acting as an artificial antiferromagnet is much thinner and advantageously has a lower p. The difference in resistance of the artificial antiferromagnet between the two spin channels can be made as large as possible by choosing the size α of the layers of the artificial antiferromagnet so that between the flux-guiding layer Fs and the bias layers
Bs bzw. Bs ' ein inverser GMR-Effekt auftritt. Die Größe α ist dabei eine für die Spinabhängigkeit des GMR-Effektes charakteristische Größe und ist durch das Verhältnis pj,/pτ zu Ausdruck gebracht (vgl. z.B. das Buch „Ferro agnetic materials " , vol . 3 , Ed. : E. P. Wohlfarth, North Holland Publ . Co . , Amsterdam u . a . , 1982, Sei ten 747 bis 804 , insbesondere Sei ten 758 bis 762) . Dabei sind pj, und pt die spezifischen Widerstände der Minoritäts- bzw. Majoritätselektronen.Bs or Bs' an inverse GMR effect occurs. The quantity α is a characteristic quantity for the spin dependence of the GMR effect and is expressed by the ratio pj, / pτ (cf., for example, the book “Ferro agnetic materials”, vol. 3, ed.: EP Wohlfarth, North Holland Publ. Co., Amsterdam et al., 1982, pages 747 to 804, especially pages 758 to 762), where pj and pt are the resistivities of the minority and majority electrons, respectively.
Der gleiche inverse GMR-Effekt kann auch vorteilhaft für die flußführende Schicht Fs der Ausführungsform nach Figur 5 mit zwei Biasschichten Bs und Bs ' eingesetzt werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil gegenüber der nach Figur 4, daß auch ohne inversen GMR-Effekt ein Unterschied in der Biasre- sistivität der beiden Spinkanäle erzielt wird. Beide Ausfüh-
rungsformen nach den Figuren 4 und 5 haben darüber hinaus den Vorteil der hohen Festigkeit der Magnetisierung und der Langzeittemperaturstabilität bei geeigneter Wahl der einzelnen Materialien.The same inverse GMR effect can also be used advantageously for the flux-guiding layer Fs of the embodiment according to FIG. 5 with two bias layers Bs and Bs'. This embodiment has the advantage over that according to FIG. 4 that a difference in the bias resistivity of the two spin channels is achieved even without an inverse GMR effect. Both versions Forms according to Figures 4 and 5 also have the advantage of high strength of the magnetization and long-term temperature stability with a suitable choice of the individual materials.
Die erfindungsgemäßen Dünnfilmsensoren wirken nach zwei unterschiedlichen Sensorprinzipien, nämlichThe thin film sensors according to the invention operate according to two different sensor principles, namely
1) nach dem eines Spin-Valve-Transistors gemäß den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 5 (mit Schottky-Barriere) und1) after that of a spin valve transistor according to the embodiments of Figures 1 to 5 (with Schottky barrier) and
2) nach dem eines magnetischen Tunnelsensors ohne halbleitenden Bereich bzw. ohne Schottky-Barriere.2) after that of a magnetic tunnel sensor without a semiconducting area or without a Schottky barrier.
Die entsprechenden Sensortypen seien nachfolgend als Tunnel- sensor vom Typ I mit bzw. Tunnelsensor vom Typ II ohne Halb- leiterbereich bezeichnet.The corresponding sensor types are referred to below as type I tunnel sensors with or type II tunnel sensors without semiconductor areas.
Vorteile der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ergeben sich bei einem Vergleich mit bekannten Sensortypen und sind nachfolgend erläutert.Advantages of the embodiments according to the invention result from a comparison with known sensor types and are explained below.
I. Betrachtung von TunnelSensoren ohne und mit Halbleiter bereichI. Consideration of tunnel sensors without and with semiconductor area
In den Figuren 6 und 7 sind einfache Versionen eines Tunnel- sensors 12 vom Typ II und eines Tunnelsensors 3 vom TypFIGS. 6 and 7 show simple versions of a tunnel sensor 12 of type II and a tunnel sensor 3 of type
I (gemäß Figur 1) gegenübergestellt. Die Magnetisierung in dem hartmagnetischen Injektor Ij ist dabei jeweils durch eine gepfeilte Linie M angedeutet. Der Tunnelsensor 12 ohne Halbleiterbereich weist stattdessen ein Substrat 13 aus einem übli- chen Material ohne Ausbildung einer Schottky-Barriere auf.I (according to Figure 1) compared. The magnetization in the hard magnetic injector Ij is indicated by an arrowed line M. Instead, the tunnel sensor 12 without a semiconductor region has a substrate 13 made of a common material without forming a Schottky barrier.
Die Tunnelwahrscheinlichkeit hängt neben dem Potential über die Tunnelbarriere Tb vor allem auch von den Energieniveaudichten an beiden Seiten der Barriere bei ungefähr dem Fermi- niveau ab. Bei magnetischen Schichten ist dabei eine Abhän-
gigkeit dieser Dichte von der Spinrichtung gegeben, wobei dieIn addition to the potential across the tunnel barrier Tb, the tunnel probability depends above all on the energy level densities on both sides of the barrier at approximately the Fermi level. In the case of magnetic layers, a given this density from the spin direction, the
Dichte nι für die Minoritätselektronen wesentlich größer ist als nt für die Majoritätselektronen. Hierzu sei auf Figur 8 verwiesen, in der d-Bandstrukturen in Form eines Diagrammes unter Zugrundelegung bekannter Parameter in an sich üblicher Weise dargestellt sind (vgl. z.B. das Buch „Handbook of the band structure of elemental solids " von D.A . Papconstantopou- lus, Plenum Press, New York u . a . , 1986, insbesondere Sei ten 73 bis 126) . In dem Diagramm ist in Ordinatenrichtung das Energieniveau E der Elektronen und in Abszissenrichtung die Zustandsdichten Zmi für die Minoritätselektronen und Zma für die Majoritätselektronen aufgetragen. Das Fermi-Niveau ist mit EF bezeichnet. Aus dem Diagramm gehen ferner die Zustandsdichten für die s- und p-Bänder hervor. Der entspre- chende, wesentlich kleinere Bereich für diese Bänder ist in dem Diagramm durch eine andere Schraffur hervorgehoben und mit s+p gekennzeichnet.Density n for the minority electrons is significantly greater than nt for the majority electrons. For this purpose, reference is made to FIG. 8, in which d-band structures are shown in the form of a diagram based on known parameters in a conventional manner (see, for example, the book “Handbook of the band structure of elemental solids” by DA. Papconstantopoulus, Plenum Press, New York et al., 1986, especially pages 73 to 126. The diagram shows the energy level E of the electrons in the ordinate direction and the state densities Z mi for the minority electrons and Z ma for the majority electrons in the abscissa direction The Fermi level is labeled E F. The state densities for the s and p bands are also shown in the diagram, and the corresponding, much smaller area for these bands is highlighted in the diagram by a different hatching and with s + marked p.
Die Spinrichtung bleibt beim Tunnelprozeß beibehalten, so daß der Majoritätselektronenstrom I| und der Minoritätselektronenstrom lτ durch die Tunnelbarrierenschicht Tb bei paralleler Magnetisierung der beiden Magnetschichten gegeben sind durch die BeziehungThe spin direction remains in the tunnel process, so that the majority electron current I | and the minority electron current lτ through the tunnel barrier layer Tb given parallel magnetization of the two magnetic layers are given by the relationship
Itt = IT + Ii -=" C (nr + nj ) (2)Itt = IT + Ii - = "C (nr + nj) (2)
Sind demgegenüber die Magnetisierungen der Meßschicht und der härteren Schichtenfolge entgegengesetzt, dann gilt für den gesamten Tunnelstrom In bei gleicher Spannung über die Bar- riere:If, on the other hand, the magnetizations of the measuring layer and the harder layer sequence are opposite, then the following applies to the entire tunnel current In at the same voltage across the barrier:
In = IT + Ii ~ 2 C ntnj,. (3)
Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der Tunnelstrom bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen zu beiden Seiten der Tunnelbarriere immer größer ist als bei entgegengesetzter Ausrichtung.In = IT + Ii ~ 2 C ntnj ,. (3) It must be taken into account here that the tunneling current is always larger when the magnetizations are aligned parallel to both sides of the tunnel barrier than when the alignment is opposite.
Bei der vorstehenden groben Abschätzung ist vorausgesetzt worden, daß die beiden Magnetschichten oder Schichtenfolgen zu beiden Seiten der Tunnelbarriere gleiche Energieniveaudichten haben. Die Änderung des Tunnelstroms I ist dann in diesem Fall:In the above rough estimation it was assumed that the two magnetic layers or layer sequences on both sides of the tunnel barrier have the same energy level densities. In this case, the change in the tunnel current I is:
Δl = In - In = C (nτ 2 + nj.2) - 2 C n-rnj. (4)Δl = In - In = C (n τ 2 + nj. 2 ) - 2 C n-rnj. (4)
Für die relative Änderung Δl/IfJ, gilt dann:The following then applies to the relative change Δl / IfJ:
Das Verhältnis n^/nt ist bekanntlich sowohl für Co wie auch für Fe bei Raumtemperatur ungefähr 2, so daß sich für Δl/Itj. 25 % ergäbe. Konkrete Meßwerte von 11 % sind bekannt. Nach Gleichung (5) ergibt sich dann für nj./nτ ungefähr 1,6.The ratio n ^ / nt is known to be about 2 for both Co and Fe at room temperature, so that Δl / Itj. 25% would result. Concrete measured values of 11% are known. According to equation (5), the result for nj./nτ is approximately 1.6.
Nachfolgend sei der Dünnschichtsensor 3 gemäß Figur 1 betrachtet. Zwei Extremfälle müssen hier unterschieden werden: Fall I: Die Majoritätselektronen werden völlig in der Meßschicht Ms gestreut und erreichen den als Kollektor Kl fungierenden Halbleiterbereich Hl nicht, während die Minoritätselektronen ungestreut die Basis erreichen können. Fall II: Die Minoritätselektronen werden völlig in der Meßschicht gestreut und erreichen den Kollektor nicht,
während die Majoritätselektronen ungestreut die Basis erreichen können.The thin-film sensor 3 according to FIG. 1 is considered below. Two extreme cases have to be distinguished here: Case I: The majority electrons are completely scattered in the measuring layer Ms and do not reach the semiconductor region H1 functioning as collector Kl, while the minority electrons can reach the base without being scattered. Case II: The minority electrons are completely scattered in the measuring layer and do not reach the collector, while the majority electrons can reach the base without being scattered.
: Im allgemeinen ist die Streuwechselwirkung in ferromagnetisehen Elementen und Legierungen für: In general, the scattering interaction in ferromagnetic elements and alloys is for
Majoritätselektronen relativ klein; d.h., α = pj,/pτ > 1 • Durch Zulegierungen von Komponenten für ein magnetisches Element können Streuzentren gebildet werden, so daß dann α < 1 wird. Diese Elemente findet man im allgemeinen in den Spalten des periodischen Systems der Elemente, die sich links von dem jeweiligen magnetischen Element befinden. Für Fe und Co sind das beispielsweise V und Cr. Es ist nicht unbedingt notwendig, daß diese Streuung im Volumen (auch als „Bulk" bezeichnet) der Meßschicht Ms stattfindet. Durch eine Laminierung der magnetischen Schicht mit dünnen metallischen Zwischenschichten mit Grenzflächenstreuung bei einem effektiven α < 1 wie z.B. bei den Elementen V und Cr kann auch das erwünschte Streuverhalten erzielt werden. Dabei sollte die Austauschkopplung über die Zwischenschichten hinweg ferromagnetisch sein. Dies läßt sich einfach realisieren, indem man die Zwischen- schichtdicken genügend klein wählt.Majority electrons relatively small; i.e., α = pj, / pτ> 1 • By alloying components for a magnetic element, scattering centers can be formed so that α <1. These elements are generally found in the columns of the periodic system of the elements, which are to the left of the respective magnetic element. For Fe and Co, for example, these are V and Cr. It is not absolutely necessary that this scattering takes place in the volume (also referred to as “bulk”) of the measuring layer Ms. By lamination of the magnetic layer with thin metallic intermediate layers with boundary layer scattering with an effective α <1, such as for the elements V and Cr The exchange coupling across the interlayers should be ferromagnetic, which can be achieved simply by choosing the interlayer thicknesses to be sufficiently small.
Es sei vorausgesetzt, daß die Streubedingungen erfüllt werden. Auf Abweichungen davon wird später noch eingegangen werden.It is assumed that the spreading conditions are met. Deviations from this will be discussed later.
Dann ist der Kollektorstrom bei paralleler RichtungThen the collector current is in the parallel direction
in Ii ~ C nj. (6a)
und für die antiparallele Ausrichtungin Ii ~ C nj. (6a) and for anti-parallel alignment
Für die relative Änderung Δlc/Δltic ergibt sich somitThis results in the relative change Δl c / Δlti c
«i ~ nϊnl«I ~ n ϊ n l
Δlc/Itic = ( 6c ) n nl Δl c / Iti c = (6c) nn l
Für nj,/nτ = 2 oder 1,6 ergibt sich für Δlc/Iuc etwa 100% bzw. 60 %. Es wird also ein Gewinn von einem Faktor 4 bzw. 6 für nj,/nτ ist gleich 2 bzw. 1, 6 erzielt .For nj, / nτ = 2 or 1.6, Δl c / Iu c results in about 100% and 60%, respectively. A gain of a factor of 4 or 6 is therefore achieved for nj, / nτ is equal to 2 or 1, 6.
Im allgemeinen entspricht die Größe (= pi/pt) von ferromagnetischen Elementen und Legierungen den vorstehenden Bedingungen. Eine Zulegierung von Elementen, die für das magnetische Element Streuzentren bilden mit α > 1, kann das effektive α einer Magnetschicht noch weiter erhöhen. Diese Elemente findet man im allgemeinen in den Spalten des periodischen Systems der Elemente, die sich rechts von dem jeweiligen magnetischen Element befinden. Für Fe und Co sind das beispielsweiseIn general, the size (= pi / pt) of ferromagnetic elements and alloys corresponds to the above conditions. Alloying elements that form scattering centers for the magnetic element with α> 1 can further increase the effective α of a magnetic layer. These elements are generally found in the columns of the periodic system of the elements, which are to the right of the respective magnetic element. For Fe and Co, for example
Cu, Pd, Pt, Ag und Ni . Es ist nicht unbedingt notwendig, daß diese Streuung im Bulk der Meß- schicht stattfindet. Durch Laminierung der magnetischen Schicht mit dünnen metallischen Zwischen- schichten kann aufgrund von Grenzflächenstreuungen mit effektivem α > 1 auch die erwünschte Verstärkung erzielt werden. Die Austauschkopplung
über die Zwischenschichten hinweg sollte dabei ferromagnetisch sein. Dies läßt sich einfach dadurch realisieren, indem man die Zwischenschichtdicken genügend klein wählt .Cu, Pd, Pt, Ag and Ni. It is not absolutely necessary that this scattering takes place in the bulk of the measuring layer. By laminating the magnetic layer with thin metallic interlayers, the desired reinforcement can also be achieved due to boundary surface scattering with effective α> 1. The exchange coupling should be ferromagnetic across the interlayers. This can be achieved simply by choosing the intermediate layer thicknesses to be sufficiently small.
Auch hier sei vorausgesetzt, daß die Streubedingungen erfüllt werden, wobei später noch auf Abweichungen eingegangen wird.Here, too, it is assumed that the scattering conditions are met, deviations will be discussed later.
Der Kollektorstrom Inc ist bei paralleler Ausrichtung der MagnetisierungenThe collector current In c is when the magnetizations are aligned in parallel
Inc = lτ » C nt2, (7a)In c = lτ »C nt 2 , (7a)
während Iu° für die antiparallele Ausrichtungwhile Iu ° for the anti-parallel alignment
Die relative Änderung Δlc/Inc ist dannThe relative change Δl c / In c is then
Für ni/nt = 2 oder 1,6 ergeben sich für Δlc/Inc die gleichen Werte wie im Fall I von 100 % bzw. 60 %. Es wird also auch hier ein Gewinn erzielt von einem Faktor 4 bzw. 6 für nj,/nτ von 2 bzw. 1,6.For ni / nt = 2 or 1.6, Δl c / In c have the same values as in case I of 100% and 60%. A profit of a factor of 4 or 6 for nj, / nτ of 2 or 1.6 is also achieved here.
Aus den vorstehenden Fallbetrachtungen läßt sich folgern, daß sich im Vergleich zu einer idealen Tunnelbarriere und bei
idealer Polarisation von den üblichen ferromagnetischen Werkstoffen eine Erhöhung der relativen Stromänderung um einen Faktor 4 ergibt. Bei nicht-idealer Polarisation ist der Gewinn höher. Es gibt Halbmetalle wie Perowskite und Heusler- sehe Legierungen mit einer Polarisation von fast 100 %. In diesem Fall ist nur ein minimaler Gewinn zu erreichen, wenn sowohl für die Meßschicht wie auch für die magnetisch härtere Schichtenfolge ein derartiges Material eingesetzt wird. Bei diesen Materialien treten Probleme bei der Materialabschei- düng auf.From the above case studies it can be concluded that compared to an ideal tunnel barrier and ideal polarization of the usual ferromagnetic materials results in an increase in the relative current change by a factor of 4. With non-ideal polarization, the gain is higher. There are semimetals like Perovskite and Heusler see alloys with a polarization of almost 100%. In this case, only a minimal gain can be achieved if such a material is used both for the measuring layer and for the magnetically harder layer sequence. Problems with material deposition occur with these materials.
Temperaturabhängigkeit des TunnelstromesTemperature dependence of the tunnel current
Der Tunnelstrom zeigt eine verhältnismäßig starke Temperatur- abhängigkeit. Es ist deshalb möglich, eine Konstantstromquelle zu benutzen, um diesen Einfluß zu verringern. Aus dem in Figur 9 angedeuteten Schaltplan ist ersichtlich, wie dies mit einem verhältnismäßig hohen Widerstand Rj in Serie zu dem Injektor Ij realisiert werden kann. Hierzu ist der Widerstand Rj so hoch zu wählen, daß die Spannung über der Tunnelbarriere |Ub-Uj| vernachlässigbar ist, wobei Uj die Injektorspannung ist. Dabei ist die Basisspannung Üb durch verhältnismäßig niedrig gewählte Werte der Spannungsteilerwiderstände Ri und R2 praktisch unabhängig vom Basisstrom. In der Figur ist fer- ner ein Kollektorwiderstand mit R3 bezeichnet. Ein entsprechendes Konstantstromprinzip ist im Falle einer einfachen Tunnelbarriere nicht zweckmäßig. Nachfolgend wird deshalb auch nur geprüft, inwieweit sich ein relativer Stromhub ändert. Dabei wird eine Beschränkung auf die vorstehenden An- sätze für die Fälle I und II vorgenommen:The tunnel current shows a relatively strong temperature dependence. It is therefore possible to use a constant current source to reduce this influence. It can be seen from the circuit diagram indicated in FIG. 9 how this can be achieved with a relatively high resistance Rj in series with the injector Ij. For this purpose, the resistance Rj should be chosen so high that the voltage across the tunnel barrier | Ub-Uj | is negligible, where Uj is the injector voltage. The base voltage U i is practically independent of the base current due to the relatively low values of the voltage divider resistors Ri and R 2 . In the figure, a collector resistor is also designated R 3 . A corresponding constant current principle is not appropriate in the case of a simple tunnel barrier. Therefore, the following only checks to what extent a relative current swing changes. A limitation is made to the above approaches for cases I and II:
Fall I: Nur Streuung von Majoritätselektronen.Case I: Scattering of majority electrons only.
Der Kollektorstrom ist bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen
Inc = IA * nj,2 / ( nt2 + nχ2 ) I ( 8a )The collector current is with parallel alignment of the magnetizations In c = IA * nj, 2 / (nt 2 + nχ 2 ) I (8a)
und für die antiparallele Ausrichtungand for anti-parallel alignment
IUC = V- I. (8b)IU C = V- I. (8b)
Die relative Änderung Δlc/Iuc ist dannThe relative change Δl c / Iu c is then
wobei für den Signalhub Δlc giltwhere Δl c applies to the signal swing
n, —n.n, —n.
Δlc = (8d)Δl c = (8d)
2(n,2 +n,2)2 (n, 2 + n, 2 )
Für ni/nt = 2 oder 1,6 ergibt sich für Δlc/Iuc 60 % bzw. 44 %. D.h., es wird ein Gewinn von einem Faktor 2,5 bzw. 4 für den Fall nj,/nτ = 2 bzw. 1,6 erzielt.For ni / nt = 2 or 1.6, 60% or 44% results for Δl c / Iu c . This means that a gain of a factor of 2.5 or 4 is achieved for the case nj, / nτ = 2 or 1.6.
Fall II: Nur Streuung von MinoritätselektronenCase II: Scattering of minority electrons only
Der Kollektorstrom Inc ist bei paralleler Ausrichtung der MagnetisierungenThe collector current In c is when the magnetizations are aligned in parallel
ItTc = Iτ *= I 2 / (nτ2 + nj.2) (9a)ItT c = Iτ * = I 2 / (nτ 2 + nj. 2 ) (9a)
und für die antiparallele Ausrichtungand for anti-parallel alignment
IT4C = 1/2. (9b)IT4 C = 1/2. (9b)
Die relative Änderung Δlc/ Iττc ist dann
2 2The relative change Δl c / Iττ c is then 2 2
Δlc/ Inc = 2 T • ( 9c )Δl c / In c = 2 T • (9c)
Für nj,/nτ = 2 oder 1,6 ergibt sich für Δl/Iττc 150 % bzw. 80 %. In diesem Falle wird also ein Gewinn von einem Faktor 6 bzw. 7 für nj,/nτ = 2 bzw. 1,6 erzielt.For nj, / nτ = 2 or 1.6, the results for Δl / Iττ c are 150% and 80%. In this case, a gain of a factor of 6 or 7 is achieved for nj, / nτ = 2 or 1.6.
Hierbei ist der SignalhubHere is the signal swing
2 2 ΔIC = τ I. (9d)2 2 ΔI C = τ I. (9d)
2(nτ -l-n^ )2 (n τ -ln ^)
Die Konstantstromsteuerung hat also nicht nur Vorteile bezüglich der Temperaturempfindlichkeit, sondern bringt zudem eine vergrößerte relative Stromänderung mit sich. Dabei ist der Signalhub in beiden Fällen gleich.The constant current control not only has advantages in terms of temperature sensitivity, but also entails an increased relative current change. The signal swing is the same in both cases.
Stromänderung für realistische Streuwerte in der BasisCurrent change for realistic scatter values in the base
Die freien Weglängen für die Majoritätselektronen ΔT und Minoritätselektronen Δ4 sind unterschiedlich und endlich. Deshalb bedarf die vorstehend erfolgte Betrachtung einer entsprechenden Korrektur. Hierzu sei eine Konstantstromsteuerung mit normiertem Injektionsstrom zugrundegelegt. Der Kollektor- ström bei paralleler Ausrichtung der Injektions- und Streuschicht läßt sich dann folgendermaßen darstellenThe free path lengths for the majority electrons ΔT and minority electrons Δ 4 are different and finite. Therefore, the above consideration requires a corresponding correction. This is based on a constant current control with standardized injection current. The collector flow with parallel alignment of the injection and scattering layers can then be represented as follows
ITTC = exp(-Wb/Λτ), (10a)
während eine entgegengesetzte Ausrichtung zu der Beziehung führt :ITT C = exp (-W b / Λτ), (10a) while an opposite orientation leads to the relationship:
Iτic = exp(-Wb/Λi)/2 + exp(-Wb/Λτ)/2 (10b)Iτi c = exp (-W b / Λi) / 2 + exp (-W b / Λτ) / 2 (10b)
Für die nachfolgende Tabelle seien einige realistische Werte angenommen, nämlichSome realistic values are assumed for the following table, namely
ΛT = 80 Ä, Λ. = 6 Ä, Wb = 30 Ä und nj,/nτ = 2 oder 1,6.ΛT = 80 Ä, Λ. = 6 Ä, W b = 30 Ä and nj, / nτ = 2 or 1.6.
Tabelletable
Die Abweichungen zu den Werten gemäß den Beziehungen (9a) bis (9d) sind dabei unerheblich.The deviations from the values according to relationships (9a) to (9d) are irrelevant.
II . Betrachtung von Spin-Valve-Transistor und Tunnelsensor mit HalbleiterbereichII. Consideration of spin valve transistor and tunnel sensor with semiconductor area
Figur 10 zeigt eine einfache Ausführungsform eines Spin- Valve-Transistors 14 mit einem an sich bekannten GMR-Mehrschichtensystem GMR als Basis. Dieses Mehrschichtensystem weist eine weichmagnetische Meßschicht Ms, eine hartmagnetische Schicht Hs und eine dazwischenliegende Entkopplungsschicht Es auf. Dieses Schichtensystem liegt zwischen zwei als Kollektor Kl und Emitter Em dienenden Halbleiterschichten. Zu Vergleichszwecken sei dieser Transistor 14 mit Figur 11 einem erfindungsgemäßen Tunnelsensor 3 (vom Typ I) , gemäß Figur 1) gegenübergestellt. Sowohl für diesen Transistor 14 als auch den erfindungsgemäßen Sensor 3 wird von einem nor- mierten Konstantinjektionsstrom ausgegangen. Dabei sei derFIG. 10 shows a simple embodiment of a spin valve transistor 14 with a GMR multilayer system GMR known per se as the base. This multilayer system has a soft magnetic measuring layer Ms, a hard magnetic layer Hs and an intermediate decoupling layer Es. This layer system lies between two semiconductor layers serving as collector K1 and emitter Em. For comparison purposes, this transistor 14 is compared with FIG. 11 to a tunnel sensor 3 according to the invention (of type I), according to FIG. 1). A normalized constant injection current is assumed for both this transistor 14 and the sensor 3 according to the invention. Here is the
Einfachheit halber angenommen, daß die Entkopplungsschicht Es
eine freie Weglänge Λ hat, alle Schichten gleich dick sind und die Magnetschichten gleiche Streueigenschaften haben. Der Kollektorstrom für den Transistor 14 läßt sich aus den nachfolgenden Beziehungen ableiten. Für eine parallele Ausrich- tung der Magnetisierung der Meßschicht Ms und der hartmagnetischen Schicht Hs ergibt sich dann ein KollektorstromFor the sake of simplicity, assume that the decoupling layer Es has a free path length Λ, all layers are of the same thickness and the magnetic layers have the same scattering properties. The collector current for transistor 14 can be derived from the following relationships. A collector current then results for a parallel alignment of the magnetization of the measuring layer Ms and the hard magnetic layer Hs
lnc = exp(-Wb/(3Λτ) Hexp(-2Wb/(3Λj,) ) + exp {-2Wb/ (3ΛT) ) (72 , (11a)ln c = exp (-W b / (3Λτ) Hexp (-2W b / (3Λj,)) + exp {-2W b / (3Λ T )) (72, (11a)
während der Strom Iuc bei entgegengesetzter Ausrichtung gegeben ist durchwhile the current Iu c is given by the opposite orientation
IUC = exp(-2Wb/(3Λj ) exp(-Wb/(3Λτ) ) . (11b)IU C = exp (-2W b / (3Λj) exp (-W b / (3Λτ)). (11b)
Hierbei ist zu beachten, daß der Strom Iττc immer größer ist als Iuc. Der relative Stromhub ist dann gegeben durchIt should be noted here that the current Iττ c is always greater than Iu c . The relative current swing is then given by
{exp(-W„ /(3Λi))-exp(-y, /(3ΛT))}2 /2{exp (-W "/ (3Λ i)) - exp (-y / (3Λ T))} 2/2
Δlc/luc = (11c) exp(-W„ / (3Ai))exp(-Wb /(3ΛT))Δl c / lu c = (11c) exp (-W „/ (3A i )) exp (-W b / (3Λ T ))
Zu einem Vergleich mit dem erfindungsgemäßen Sensor seien wiederum die vorstehend berücksichtigten konkreten Daten zugrundegelegt: ΛT = 80 Ä, ΛJ, = 6 Ä, Wb = 30 Ä und nj,/nτ = 2.For a comparison with the sensor according to the invention, the concrete data taken into account above are again taken as a basis: ΛT = 80 Ä, ΛJ, = 6 Ä, W b = 30 Ä and nj, / nτ = 2.
Es sei angenommen, daß es möglich ist, die Dicke des gesamten GMR-MehrSchichtensystems bei dem Spin-Valve-Transistor 14 auf 30 Ä zu beschränken. ΔIC/ITJ, ist dann 140 % und Δlc = 0,36. Die relativen Verhältnisse sind vergleichbar, während der Si- gnalhub um einen Faktor 1,7 größer ist als beim TransistorIt is believed that it is possible to limit the thickness of the entire GMR multilayer system in the spin valve transistor 14 to 30 Å. ΔI C / ITJ, then is 140% and Δl c = 0.36. The relative ratios are comparable, while the signal swing is 1.7 times larger than that of the transistor
14. Unter der /Annahme, daß die Meßschicht Ms und die hartma-
gnetische Schicht Hs jeweils 30 Ä dick sind, ist dann Δlc/Δuc 49 mit Δl = 0,16. Aus den gewählten Beispielen läßt sich ersehen, daß sich das relative Verhältnis bei dem Transistor 14 beliebig steigern läßt, indem man die Basisdicke erhöht, wäh- rend Δlc/Iuc nur durch Leckströme und Rauschen begrenzt ist. Der Signalhub nimmt jedoch dabei stark ab. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor ergibt sich die Möglichkeit, Δlc/Iuc beliebig groß werden zu lassen, prinzipiell nicht, wenn die Magnetschichten an der Tunnelbarrierenschicht nicht komplett polarisiert sind (wie z.B. bei Heuslerschen Legierungen oder Perowskiten) . Der Signalvorteil bei erfindungsgemäßen Sensor wird dann klar, wenn man die magnetische Steifigkeit der erfindungsgemäßen Schichtenfolge und die Anforderung bezüglich der Entkopplung der Meßschicht von der härteren Schichtenfol- ge in Betracht zieht. Aufgrund der geforderten Steifigkeit werden Maßnahmen wie Legieren von hartmagnetischen Schichten, Exchange-Biasing mit einem Antiferromagneten oder eine Implementierung einer einen künstlichen Antiferromagneten bildenden Schichtenfolge in die Basis erforderlich. Die Entkopplung führt zu verhältnismäßig großen Entkopplungsschichtdicken oder Buffer-Schichten in der Basis und zu verhältnismäßig hohen spezifischen Widerständen. Für viele Anwendungen ist jedoch nicht die Größe Δlc/Iτ.c, sondern Δlc/Iιnj entscheidend, wobei die erfindungsgemäßen Ausführungsformen als besonders vorteilhaft anzusehen sind.14. Assuming that the measuring layer Ms and the hard- magnetic layer Hs are each 30 Å thick, then Δl c / Δu c 49 with Δl = 0.16. From the examples chosen it can be seen that the relative ratio in transistor 14 can be increased as desired by increasing the base thickness, while Δl c / Iu c is only limited by leakage currents and noise. However, the signal drop decreases significantly. With the sensor according to the invention, there is in principle no possibility of making Δl c / Iu c arbitrarily large if the magnetic layers on the tunnel barrier layer are not completely polarized (as is the case, for example, with Heusler alloys or perovskites). The signal advantage in the sensor according to the invention becomes clear when one takes into account the magnetic rigidity of the layer sequence according to the invention and the requirement regarding the decoupling of the measuring layer from the harder layer sequence. Due to the required rigidity, measures such as alloying of hard magnetic layers, exchange biasing with an antiferromagnet or an implementation of a layer sequence forming an artificial antiferromagnet in the base are required. The decoupling leads to relatively large decoupling layer thicknesses or buffer layers in the base and to relatively high specific resistances. For many applications, however, the size is not Δl c / Iτ. c , but Δl c / I ιnj decisive, the embodiments according to the invention being regarded as particularly advantageous.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen wurde davon ausgegangen, daß ein Mehrschichtensystem eines erfindungsgemäßen Dünnfilmsensors neben mindestens einer Tunnelbarrierenschicht eine weichmagnetische Meßschicht sowie eine aus wenigstens zwei verschiedenen Schichten zusammengesetzte, vergleichsweise magnetisch härtere Schichtenfolge (= Schichtenfolge mit der minimalen Schichtenzahl 2) aufweist. Selbstverständlich ist es in an sich bekannter Weise auch möglich, eine einzelne
Schicht des Mehrschichtensystems oder mehrere, ein Untersystem bildende Schichten durch ein Schichtenpaket mit jeweils vergleichsweise größerer Zahl an Schichten zu ersetzen. Dieses Schichtenpaket erfüllt dabei innerhalb des Sensors die- selbe Funktion wie die ersetzte einzelne Schicht oder das ersetzte Schichtenuntersystem. So können z.B. entsprechende Schichtenpakete sich perodisch wiederholende Schichtenunter- systeme besitzen.According to the above, it was assumed that a multilayer system of a thin-film sensor according to the invention has, in addition to at least one tunnel barrier layer, a soft magnetic measuring layer and a comparatively magnetically harder layer sequence composed of at least two different layers (= layer sequence with the minimum number of layers 2). Of course, it is also possible to use a single one in a manner known per se Layer of the multi-layer system or several layers forming a subsystem to be replaced by a layer package with a comparatively larger number of layers in each case. This layer package fulfills the same function within the sensor as the replaced individual layer or the replaced layer subsystem. For example, corresponding layer packages can have periodically repeating layer subsystems.
Selbstverständlich ist es auch möglich, für einen erfindungsgemäßen Dünnfilmsensor mindestens zwei Tunnelbarrierenschichten vorzusehen. Die Figuren 12 und 13 zeigen zwei entsprechende Ausführungsbeispiele von Dünnfilmsensoren 15 und 16 mit jeweils zwei Tunnelbarrierenschichten Tb und Tb' . Dabei unterscheiden sich die gezeigten Ausführungsformen darin, daß bei dem Sensor 15 zwischen den beiden Tunnelbarrierenschichten der weichmagnetische Bereich mit wenigstens einer Meß- schicht Ms angeordnet ist, der von äußeren, magnetisch steiferen Schichtenfolgen Sf bzw. Sf durch die Tunnelbarrieren- schichten Tb bzw. Tb' getrennt ist (vgl. Figur 12). Dabei brauchen die beiden Schichtenfolgen Sf und Sf nicht unbedingt den gleichen Aufbau zu haben. Gegebenenfalls ist es auch möglich, daß statt einer der Schichtenfolgen auch nur eine einzige Schicht vorgesehen wird. Demgegenüber weist der Sensor 16 eine zwischen den Tunnelbarrierenschichten Tb und Tb' angeordnete, magnetisch steifere Schichtenfolge Sf und äußere, weichmagnetische Meßschichten Ms und Ms' auf. Auch hier brauchen die beiden Meßschichten Ms und Ms' nicht unbedingt identisch ausgebildet zu sein. Das bei diesen Sensoren vorhandene, ihre Mehrschichtensysteme tragende Substrat kann dabei wiederum aus einem halbleitenden Material unter Ausbildung einer Schottky-Barriere oder aus einem der üblichen nicht-magnetischen Substratmaterialien ohne Schottky- Barrierenbildung bestehen.
Of course, it is also possible to provide at least two tunnel barrier layers for a thin film sensor according to the invention. FIGS. 12 and 13 show two corresponding exemplary embodiments of thin-film sensors 15 and 16, each with two tunnel barrier layers Tb and Tb '. The embodiments shown differ in the fact that in the sensor 15, between the two tunnel barrier layers, the soft magnetic region with at least one measuring layer Ms is arranged, which consists of outer, magnetically more rigid layer sequences Sf and Sf through the tunnel barrier layers Tb and Tb 'is separated (see FIG. 12). The two layer sequences Sf and Sf do not necessarily have to have the same structure. If necessary, it is also possible to provide only a single layer instead of one of the layer sequences. In contrast, the sensor 16 has a magnetically stiffer layer sequence Sf arranged between the tunnel barrier layers Tb and Tb 'and outer, soft magnetic measuring layers Ms and Ms'. Here, too, the two measuring layers Ms and Ms' do not necessarily have to be identical. The substrate present in these sensors, which carries their multilayer systems, can in turn consist of a semiconducting material with the formation of a Schottky barrier or of one of the usual non-magnetic substrate materials without Schottky barrier formation.