WO2012123348A2 - Magnetoelektronisches bauelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Magnetoelektronisches bauelement und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the fields of physics and materials science and relates to a magneto-electronic device, such as can be used as a digital memory, and a method for its production.
  • Magnetic shift registers also known as “racetrack memory devices” are magnetic memories that combine the robustness of flash memory, the speed of DRAM memory, and the reversibility and non-fluidity of hard drives.
  • "Such racetrack memories have been scientifically studied and known SSP Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, “Magnetic Domain Wall Racetrack Memory”, Science 320, 190-194 (2008).
  • Elongated ferromagnetic memory structures are divided into magnetic domains with different magnetic moment orientation. These magnetic domains are separated by domain walls which can be transferred to the data carriers. This exploits an effect that as Spin-transfer torque effect is known and has the consequence that magnetic domain walls in thin memory structures by the application of electrical currents controlled along these memory structures can be moved.
  • Digital data is encoded in the space between two consecutive domain walls.
  • racetrack memories can be constructed in two-dimensional orientation-lying nanowires on a substrate-or else in three-dimensional orientation-U-shaped, standing nanowires which are connected to a substrate and / or electrodes in the lower U region (SSP Parkin et al., Science 320, 190-194 (2008)).
  • a prerequisite for the function of racetrack storage is the rapid and controlled movement of domain walls along thin magnetic stripes. It is of particular importance that the speed of movement of the domain walls is as high as possible.
  • a magnetoelectronic component which consists of an elongate ferromagnetic material along which magnetic domain walls move, the transverse direction of magnetization of the domain walls in their center no preferential direction in the plane perpendicular to their direction of migration along the elongated ferromagnetic Material has.
  • Magnetic racetrack memories consist of an elongate magnetic material, a current source, a writing and reading device and a write-back loop, the elongate magnetic material having a multiplicity of magnetic domains (KR 10 2009 0127705 A). ,
  • an elongated material in which at least two areas are present with a plurality of magnetic domains, which are separated by a non-magnetic material and prevent migration of the domain walls from one area to the other.
  • an electrical current is applied, the areas where data is stored will move in the direction of current flow.
  • a unidirectional racetrack memory is known. In this memory, the domain walls migrate only in one direction along the direction of current flow.
  • the write element can be arranged at one end of the elongate memory and the read element at the other end.
  • a disadvantage of the known solutions for racetrack memory is the practical implementation in particular for three-dimensional solutions.
  • the arrangement of individual lying nanowires on a substrate is technically feasible.
  • such an arrangement just the special advantage of such a memory, the high storage density, can not be achieved.
  • the object of the invention is to specify a magnetoelectronic component which can be used as a racetrack memory, and which has a high storage density per unit volume in three dimensions, and a method for its production which is simple and inexpensive.
  • the magnetoelectronic component according to the invention consists of at least one insulating thin layer on which at least one elongate element made of a magnetic material and electrically conductive contacts are located, wherein at least the longitudinal element leads to the contacts and these with a Power source are electrically connected, and another insulating thin film, which covers at least the elongated member and partially the electrically conductive contacts, and this arrangement (without the power source) is co-rolled, wherein at least the electrically conductive contacts are partially outside the rolled-up area of Arrangement are located.
  • the elongate element is made of a soft magnetic or hard magnetic material, more preferably of a ferromagnetic or ferrimagnetic material, such as Ni-Fe or Co-Fe alloys, or Co / Pt (Pd) or Tb-Fe-Co alloy. based or Gd-Fe-Co based alloys.
  • a ferromagnetic or ferrimagnetic material such as Ni-Fe or Co-Fe alloys, or Co / Pt (Pd) or Tb-Fe-Co alloy. based or Gd-Fe-Co based alloys.
  • the elongate member is in the form of a wire or tube having dimensions of width and height in the micrometer to nanometer range and in length in the centimeter to nanometer range.
  • the insulating thin film is magnetically and electrically insulating, and advantageously consists of Cr / Ta Ti / Ta or Cr or Ti, or is with non-conductive layers, such as Al-0 or Si-0 or Si-N or Mg-O , combined.
  • the magnetoelectric device is disposed on a substrate, which advantageously consists of glass, Si-0 or Al2O3 or MgO or Cu or Si.
  • the rolled-up layers have a thickness of 10 nm to 200 nm and lengths of 0.2 ⁇ m to 5 mm.
  • a plurality of insulating thin films and a plurality of elongated elements made of a magnetic material rolled up together have a thickness of 10 nm to 100 ⁇ m and lengths of 0.2 ⁇ m to 5 mm.
  • the rolled-up arrangement has a complete turn up to 20 turns. It is likewise advantageous if a large number of rolled-up arrangements are arranged on a substrate, which are arranged side by side and / or one above the other, wherein one or more of the rolled-up arrangements each have a different or equal number of thin layers and / or elongated elements.
  • the rolled-up thin layers contain further functional and auxiliary layers, wherein advantageously further insulator layers, roll-assist layers, cover layers are present as further functional and auxiliary layers.
  • At least one elongate element made of a magnetic material is applied to an insulating thin film, furthermore electrical contacts are applied, wherein at least the elongate element is connected to electrical contacts, which in turn are connected to a current source, and a further insulating thin layer is applied thereon covering at least the one elongate element and only partially the electrical contacts, the layer stack being arranged to have a strain gradient leading to the automatic rolling up of the layer stack, the rolling up being realized only to the extent in that, after being rolled up, the electrical contacts outside the rolled-up arrangement are at least partially accessible.
  • the lower insulating thin film is disposed on a substrate.
  • an annealer is created which realizes a strain gradient in the layer stack that results in the automatic rolling up of the layer stack after the sacrificial layer is at least partially removed has been.
  • the sacrificial layer is completely removed. Further advantageously, a multi-layer structure is realized, wherein always an insulating thin layer below and above the at least one elongated element is applied.
  • the magnetoelectronic component according to the invention may contain one or more elongate elements of a magnetic material both within a layered layer system, but it is also possible for a plurality of components according to the invention to be arranged alongside and / or one above the other and electrically connected to one another.
  • the inventive solution in particular, a compact arrangement is realized, which leads to the high storage density per unit volume.
  • the magnetoelectronic component according to the invention is significantly easier and less expensive to produce.
  • the magnetoelectronic component according to the invention consists of at least one insulating thin film.
  • This insulating thin film is electrically and magnetically insulating, and also has good adhesion in the case of the presence of a substrate. It can also be arranged as a lower layer on a substrate.
  • At least one elongate element made of a magnetic material is applied to this lower insulating thin film.
  • This elongated element may be in the form of a wire or tube with dimensions in the width and height in the micrometer to nanometer range and in the length in the centimeter to nanometer range.
  • the cross section of the elongated element all known forms for elongated elements, such as round, triangular, four- to polygonal, ellipsoidal or not formed following any geometric shape.
  • the shape of the cross section may vary over the length of the elongated element.
  • This elongate element or several longitudinal elements Liche advantageously consist of a soft or hard magnetic material and in particular of a ferromagnetic or ferrimagnetic material. They are arranged transversely or at an angle between 0 and 90 ° to the winding direction on the lower insulating thin film, advantageously transversely, ie at an angle of 90 °, and at least with electrical contacts for the supply and discharge of electric current and for writing and reading data.
  • These electrically conductive contacts are also located on the lower insulating layer. This entire assembly is then covered by another insulating thin film. It covers at least the at least one elongate element and only partially the electrically conductive contacts, wherein the uncovered contacts represent the electrical connections of the entire component, which are continued to a power source.
  • the layer stack comprising the at least two insulating thin layers and the at least one elongate element is applied in such a way that a mechanical strain gradient is formed in the layer stack. The mechanical stress is relaxed by detachment of the layer stack and causes the thin-film arrangement to roll up.
  • Several components according to the invention can be produced at the same time by arranging several layers on a substrate, which are each rolled up.
  • the rolled-up layers can be removed from the substrate and transferred to other substrates, or even remain on the substrate, so that other components of other types can be added and integrated.
  • magnetoelectronic components according to the invention can be interconnected individually or else in a multiplicity and used as racetrack memory elements.
  • the invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows a rolled-up component according to the invention in cross section with one and a plurality of functional layers and the elongate element before and after rolling up
  • FIG. 2 is a schematic representation of the device according to the invention in a two-dimensional arrangement before rolling
  • Fig. 3 is a schematic representation of the device according to the invention with two or more elongate elements.
  • a sacrificial layer of a photoresist with the dimensions of 500 pm length (in roll direction) 100 pm width and 10 nm thickness and then an insulating thin film of Al O with the dimensions 500 pm length (in roll direction) 100 pm width and 10 nm thickness applied.
  • a sacrificial layer of a photoresist with dimensions of 500 pm length (in the roll direction) 100 pm width and 10 nm thickness is applied.
  • an insulating thin layer of Al-O is applied with the same dimensions.
  • each six are arranged electrically connected to each having an elongate member.
  • another thin layer of Al-O having the same dimensions as the lower layer is applied over the elongate elements and the electrically conductive contacts.
  • the electrically conductive contacts extend on the side facing away from the elongated elements to outside the upper and lower Al-O layer.
  • the layer stack is immersed in an etching medium, the sacrificial layer is removed and the arrangement is rolled up.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein magnetoelektronisches Bauelement, wie es beispielsweise als digitaler Speicher zum Einsatz kommen kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines magnetoelektronischen Bauelementes, welches als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein magnetoelektronisches Bauelement, bestehend aus einer isolierenden Dünnschicht auf der sich ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, wobei diese Anordnung gemeinsam aufgerollt ist. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht wird, weiterhin elektrische Kontakte aufgebracht werden, darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist.

Description

Magnetoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein magnetoelektronisches Bauelement, wie es beispielsweise als digitaler Speicher zum Einsatz kommen kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Magnetische Schieberegister, auch bekannt als„racetrack memory devices", sind magnetische Speicher, die die Robustheit von Flash-Speichern, die Geschwindigkeit von DRAM-Speichern sowie die Reversibilität und Nichtflüssigkeit von Festplatten miteinander kombinieren. Derartige Racetrack-Speicher sind wissenschaftlich untersucht und bekannt durch S.S.P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas,„Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory", Science 320, 190-194 (2008). Längliche ferromagnetische Speicherstrukturen sind in magnetische Domänen mit unterschiedlicher Orientierung des magnetischen Momentes geteilt. Diese magnetischen Domänen sind durch Domänenwände getrennt, welche in die Datenträger übertragen werden können. Dabei wird ein Effekt ausgenutzt, der als Spin-Transfer-Torque-Effekt bekannt ist und der zur Folge hat, dass magnetische Domänenwände in dünnen Speicherstrukturen durch das Anlegen elektrischer Ströme kontrolliert entlang dieser Speicherstrukturen verschoben werden können. Digitale Daten sind in den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Domänenwänden einkodiert.
Derartige Racetrack-Speicher können in zweidimensionaler Ausrichtung - liegende Nanodrähte auf einem Substrat - oder auch in dreidimensionaler Ausrichtung - U- förmige, stehende Nanodrähte, die im unteren U-Bereich mit einem Substrat und/oder Elektroden verbunden sind - aufgebaut sein (S.S.P. Parkin et al., Science 320, 190-194 (2008)).
Grundvoraussetzung für die Funktion der Racetrack-Speicher ist die schnelle und kontrollierte Bewegung von Domänenwänden entlang dünner magnetischer Streifen. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die Geschwindigkeit der Bewegung der Domänenwände möglichst hoch ist. Dazu ist nach DE 10 2009 021 400 A1 ein magnetoelektronisches Bauelement bekannt, welches aus einem länglichen ferromagnetischen Material besteht, entlang dessen magnetische Domänenwände wandern, wobei die transversale Magnetisierungsrichtung der Domänenwände in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang dem länglichen ferromagnetischen Material aufweist.
Ebenfalls bekannt sind magnetische Racetrack-Speicher, die aus einem länglichen magnetischen Material, einer Stromquelle, einer Schreib- und Lesevorrichtung und einer write-back-Schleife bestehen, wobei das längliche magnetische Material eine Vielzahl an magnetischen Domänen aufweist (KR 10 2009 0127705 A).
Weiterhin ist aus der US 2010/0085793 A1 ein längliches Material bekannt, bei dem mindestens zwei Bereiche mit einer Vielzahl an magnetischen Domänen vorhanden sind, die durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt sind und die eine Wanderung der Domänenwände von einem Bereich in den anderen verhindern. Bei Anlegen eines elektrischen Stromes wandern die Bereiche, in denen Daten gespeichert sind, in Richtung des Stromflusses. Aus der US 7,551 ,469 B1 ist ein unidirektionaler Racetrack-Speicher bekannt. Bei diesem Speicher wandern die Domänenwände nur in einer Richtung entlang der Stromflussrichtung. Dadurch kann an einem Ende des länglichen Speichers das Schreibelement und an dem anderen Ende das Leseelement angeordnet sein.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen für Racetrack-Speicher ist die praktische Umsetzung insbesondere für dreidimensionale Lösungen. Die Anordnung von einzelnen liegenden Nanodrähten auf einem Substrat ist technisch realisierbar. Jedoch kann durch eine solche Anordnung gerade der besondere Vorteil eines solchen Speichers, die hohe Speicherdichte, nicht erreicht werden.
Die nach dem Stand der Technik vorgeschlagene Anordnung für dreidimensionale Lösungen für Racetrack-Speicher in Form von U-förmigen Nanodrähten, die im unteren Bereich des U mit elektrischen Kontakten versehen und gegebenenfalls auf einem Substrat angeordnet sind, ist auch deshalb schon technisch praktisch nicht machbar, da die Vielzahl solcher U-förmigen Nanodrähte nicht miteinander in Berührung treten darf und weiterhin jeder Nanodraht einzeln mit einer elektrischen Stormquelle verbunden werden muss.
Dementsprechend gibt es für dreidimensionale Racetrack-Speicher außer diesem Vorschlag von S.S.P. Parkin derzeit keine anderen Vorschläge und erst recht keine technische Lösung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines magnetoelektronischen Bauelementes, welches als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann, und welches dreidimensional ausgebildet eine hohe Speicherdichte pro Volumeneinheit besitzt, und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welches einfach und kostengünstig ist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement besteht aus mindestens einer isolierenden Dünnschicht auf der sich mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, wobei mindestens das läng l iche E lem ent m it den Kontakten und diese m it einer Stromquelle elektrisch leitend verbunden sind, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, die mindestens das längliche Element und teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte bedeckt, und diese Anordnung (ohne die Stromquelle) gemeinsam aufgerollt ist, wobei mindestens die elektrisch leitfähigen Kontakte sich teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches der Anordnung befinden.
Vorteilhafterweise besteht das längliche Element aus einem weichmagnetischen oder hartmagnetischen Material, noch vorteilhafterweise aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, wie beispielsweise aus Ni-Fe- oder Co-Fe- Legierungen, oder Co/Pt(Pd) oder aus Tb-Fe-Co-basierten oder Gd-Fe-Co-basierten Legierungen.
Ebenfalls vorteilhafterweise weist das längliche Element die Form eines Drahtes oder einer Röhre mit Abmessungen der Breite und Höhe im Mikrometer- bis Nanometerbereich und der Länge im Zentimeter- bis Nanometerbereich auf.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die isolierende Dünnschicht magnetisch und elektrisch isolierend, und besteht vorteilhafterweise aus Cr/Ta Ti/Ta oder Cr oder Ti, oder ist m it nichtleitenden Schichten, wie AI-0 oder S i-0 oder Si-N oder Mg-O, kombiniert.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist das magnetoelektrische Bauelement auf einem Substrat angeordnet, welches vorteilhafterweise aus Glas, Si-0 oder AI2O3 oder MgO oder Cu oder Si besteht.
Und auch vorteilhafterweise weisen die aufgerollten Schichten eine Dicke von 10 nm bis 200 nm und Längen von 0,2 pm bis 5 mm auf.
Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere isolierende Dünnschichten und mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material gemeinsam aufgerollt eine Dicke von 10 nm bis 100 pm und Längen von 0.2 pm bis 5 mm aufweisen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die aufgerollte Anordnung eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweist. Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn auf einem Substrat sich viele aufgerollte Anordnungen befinden, die nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind, wobei eine oder mehrere der aufgerollten Anordnungen jeweils eine unterschiedliche oder gleiche Anzahl an Dünnschichten und/oder länglichen Elementen aufweist.
Von Vorteil ist es auch, wenn die aufgerollten Dünnschichten weiteren Funktionsund Hilfsschichten beinhalten, wobei noch vorteilhafterweise als weitere Funktionsund Hilfsschichten Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten vorhanden sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines magnetoelektronischen Bauelementes wird auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht, weiterhin werden elektrische Kontakte aufgebracht, wobei mindestens das längliche Element mit elektrischen Kontakten verbunden ist, die wiederum mit einer Stromquelle verbunden sind, und darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, die mindestens das eine längliche Element und nur teilweise die elektrischen Kontakte bedeckt, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, wobei das Aufrollen nur soweit realisiert wird, dass nach dem Aufrollen mindestens teilweise die elektrische Kontakte außerhalb der aufgerollten Anordnung zugänglich sind.
Vorteilhafterweise wird die untere isolierende Dünnschicht auf einem Substrat angeordnet.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird zwischen einem Substrat und der unteren i s o l i e re n d e n D ü n n s ch i cht e i n e O pfe rs ch i cht a n g e o rd n et , d i e e i n e n Verspannungsgradienten im Schichtstapel realisiert, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, nachdem die Opferschicht mindestens teilweise entfernt worden ist.
Noch vorteilhafterweise wird die Opferschicht vollständig entfernt. Weiterhin vorteilhafterweise wird ein Mehrschichtaufbau realisiert, wobei immer eine isolierende Dünnschicht unter- und oberhalb des mindestens einen länglichen Elementes aufgebracht wird.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, ein magnetoelektronisches Bauelement zu realisieren, das als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann, das dreidimensional ausgebildet ist und eine hohe Speicherdichte pro Volumeneinheit besitzt. Weiterhin ist es einfach und kostengünstig herstellbar.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann anstelle der bekannten Speicher, die zweidimensional auf einem Substrat angeordnet sind, nunmehr ein aufgerolltes Schichtsystem hergestellt werden, das anstelle eines einzelnen Nanodrahtes nach dem Stand der Technik, nun eine Vielzahl an Speicherelementen beinhalten kann. Dabei kann das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement sowohl innerhalb eines aufgrollten Schichtsystems ein oder mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material enthalten, es können aber auch mehrere erfindungsgemäße Bauelemente neben- und/oder übereinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sein. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere eine kompakte Anordnung realisiert, die zu der hohen Speicherdichte pro Volumeneinheit führt. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement deutlich einfacher und kostengünstiger herstellbar.
Dabei besteht das erfindungsgemäße magnetoelektronisches Bauelement aus mindestens einer isolierenden Dünnschicht. Diese isolierende Dünnschicht ist elektrisch und magnetisch isolierend, und im Falle des Vorhandenseins eines Substrates auch gut haftend. Sie kann auch als untere Schicht auf einem Substrat angeordnet werden. Auf diese untere isolierende Dünnschicht wird mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht. Dieses längliche Element kann in Form eines Drahtes oder einer Röhre mit Abmessungen in der Breite und Höhe im Mikrometer- bis Nanometerbereich und in der Länge im Zentimeter- bis Nanometerbereich vorliegen. Dabei kann der Querschnitt des länglichen Elementes alle bekannten Formen für längliche Elemente, wie rund, dreieckig, vier- bis mehreckig, elipsoid oder auch keiner geometrischen Form folgend ausgebildet sein. Die Form des Querschnittes kann über die Länge des länglichen Elementes variieren. Dieses längliche Element oder auch mehrere läng liche Elemente bestehen vorteilhafterweise aus einem weich- oder hartmagnetischen Material und insbesondere aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material. Sie sind quer oder in einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Aufrollrichtung auf der unteren isolierenden Dünnschicht angeordnet, vorteilhafterweise quer, also in einem Winkel von 90°, und mindestens mit elektrischen Kontakten für die Zu- und Ableitung von elektrischem Strom und für das Schreiben und Lesen von Daten versehen. Diese elektrisch leitfähigen Kontakte befinden sich auch auf der unteren isolierenden Schicht. Diese gesamte Anordnung wird dann von einer weiteren isolierenden Dünnschicht bedeckt. Sie bedeckt mindestens das mindestens eine längliche Element und nur teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte, wobei die unbedeckten Kontakte die elektrischen Anschlüsse des gesamten Bauelementes darstellen, die zu einer Stromquelle weitergeführt werden. Der Schichtstapel aus den mindestens zwei isolierende Dünnschichten und dem mindestens einen länglichen Element ist so aufgebracht, dass ein mechanischer Verspannungsgradient in dem Schichtstapel entsteht. Die mechanische Verspannung wird durch Ablösung des Schichtstapels relaxiert und führt dazu, dass sich die Dünnschichtanordnung aufrollt.
Nach dem Aufrollen der Anordnung befinden sich mindestens die elektrisch leitfähigen Kontakte teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches. Auch im Falle, dass mehrere Dünnschichten und/oder mehrere längliche Elemente aufgebracht werden, muss immer ein Teil für die elektrische Kontaktierung zugänglich bleiben.
Es können gleichzeitig mehrere erfindungsgemäße Bauelemente hergestellt werden, indem auf ein Substrat mehrere Schichten angeordnet werden, die jeweils aufgerollt werden. Die aufgerollten Schichten können vom Substrat entfernt und auf andere Substrate transferiert werden, oder auch auf dem Substrat verbleiben, so dass weitere Bauelemente auch anderer Art hinzugefügt und integriert werden können.
Die erfindungsgemäßen magnetoelektronischen Bauelemente können einzeln oder auch in einer Vielzahl zusammengeschaltet und als Racetrack-Speicherelemente eingesetzt werden. Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes aufgerolltes Bauelement im Querschnitt mit einer und mehreren Funktionsschichten und dem länglichen Element vor und nach dem Aufrollen,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes in zweidimensionaler Anordnung vor dem Aufrollen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes mit zwei oder mehreren länglichen Elementen.
Beispiel 1
Auf ein Glassubstrat mit den Abmessungen 76 mm x 76 mm und einer Dicke von 0,5 mm wird eine Opferschicht aus einem Photolack mit den Abmessungen 500 pm Länge (in Rollrichtung) 100 pm Breite und 10 nm Dicke und nachfolgend eine isolierende Dünnschicht aus Al-O mit den Abmessungen 500 pm Länge (in Rollrichtung) 100 pm Breite und 10 nm Dicke aufgebracht. Auf diese Dünnschicht wird als längliches Element ein Draht aus Ni-Fe-Legierung mit den Abmessungen 60 pm Länge, 100 nm Breite und 20 nm Höhe so auf die Dünnschicht aufgebracht, dass das längliche Element mit seiner Länge quer, also in einem Winkel von 90° zur Rollrichtung angeordnet ist (Fig. 1 und 2 m it n = 1 ). Nachfolgend werden sechs elektrisch leitfähige Kontakte aus Cu aufgebracht, wobei alle mit dem länglichen Element elektrisch leitend verbunden angeordnet werden (siehe Fig. 2). Nachdem die elektrisch leitfähigen Kontakte aufgebracht sind, wird über das längliche Element und die elektrisch leitfähigen Kontakte eine weitere Dünnschicht aus Al-O m it den gleichen Abmessungen wie die untere Schicht aufgebracht. Dabei reichen die elektrisch leitfähigen Kontakte an der dem länglichen Element abgewandten Seite bis außerhalb der oberen und unteren Al-O-Schicht. Nachfolgend wird der Schichtstapel in Aceton getaucht und aufgerollt. Beispiel 2
Auf ein Glassubstrat mit den Abmessungen 76 mm x 76 mm und einer Dicke von 0,5 mm wird eine Opferschicht aus einem Photolack mit den Abmessungen 500 pm Länge (in Rollrichtung) 100 pm Breite und 10 nm Dicke aufgebracht. Auf diese Opferschicht wird eine isolierende Dünnschicht aus Al-O mit den gleichen Abmessungen aufgebracht. Auf diese Dünnschicht werden zwei längliche Elemente in Form eines Nanodrahtes aus Ni-Fe-Legierung mit jeweils den Abmessungen 60 pm Länge, 100 nm Breite und 20 nm Höhe so auf die Dünnschicht aufgebracht, dass die Drähte mit ihren Längen unter einem Winkel von 10° zur Rollrichtung angeordnet sind (Fig. 2 mit n = 2). Nachfolgend werden zwölf elektrisch leitfähige Kontakte aus Cu aufgebracht, wobei jeweils sechs mit je einem länglichen Element elektrisch leitend verbunden angeordnet werden. Nachdem die elektrisch leitfähigen Kontakte aufgebracht sind, wird über die länglichen Elemente und die elektrisch leitfähigen Kontakte eine weitere Dünnschicht aus Al-O mit den gleichen Abmessungen, wie die untere Schicht aufgebracht. Dabei reichen die elektrisch leitfähigen Kontakte an der den länglichen Elementen abgewandten Seite bis außerhalb der oberen und unteren Al-O-Schicht. Nachfolgend wird der Schichtstapel in ein Ätzm ittel getaucht, die Opferschicht entfernt und die Anordnung aufgerollt.

Claims

Patentansprüche
1 . Magnetoelektronisches Bauelement, bestehend aus m indestens einer isolierenden Dünnschicht auf der sich mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, wobei mindestens das längliche Element mit den Kontakten und diese mit einer Stromquelle elektrisch leitend verbunden sind, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, die mindestens das längliche Element und teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte bedeckt, und diese Anordnung gemeinsam aufgerollt ist, wobei m indestens die elektrisch leitfähigen Kontakte sich teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches der Anordnung befinden.
2. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , bei dem das längliche Element aus einem weichmagnetischen oder hartmagnetischen Material besteht.
3. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem das längliche Element aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material besteht.
4. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem das längliche Element aus Ni-Fe- oder Co-Fe-Legierungen, oder Co/Pt(Pd) oder aus Tb-Fe- Co-basierten oder Gd-Fe-Co-basierten Legierungen besteht.
5. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , bei dem das längliche Element die Form eines Drahtes oder einer Röhre m it Abmessungen der Breite und Höhe im Mikrometer- bis Nanometerbereich und der Länge im Zentimeter- bis Nanometerbereich aufweist.
6. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1 , bei dem die isolierende Dünnschicht magnetisch und elektrisch isolierend ist.
7. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die isolierende Dünnschicht aus Cr/Ta Ti/Ta oder Cr oder Ti besteht, oder mit nichtleitenden Schichten, wie AI-0 oder Si-0 oder Si-N oder Mg-O, kombiniert ist.
8. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das magnetoelektrische Bauelement auf einem Substrat angeordnet ist, welches vorteilhafterweise aus Glass, Si-0 oder AI2O3 oder MgO oder Cu oder Si besteht.
9. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Schichten eine Dicke von 10 nm bis 200 nm und Längen von 0,2 pm bis 5 mm aufweisen.
10. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mehrere isolierende Dünnschichten und mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material gemeinsam aufgerollt eine Dicke von 10 nm bis 100 m und Längen von 0.2 pm bis 5 mm aufweisen.
11. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollte Anordnung eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweist.
12. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem sich auf einem Substrat viele aufgerollte Anordnungen befinden, die nebeneinander und übereinander angeordnet sind, wobei eine oder mehrere der aufgerollten Anordnungen jeweils eine unterschiedliche oder gleiche Anzahl an Dünnschichten und/oder länglichen Elementen aufweist.
13. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten weiteren Funktions- und Hilfsschichten beinhalten.
14. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 13, bei dem als weitere Funktions- und Hilfsschichten Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten vorhanden sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines magnetoelektronischen Bauelementes, bei dem auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht wird, weiterhin elektrische Kontakte aufgebracht werden, wobei mindestens das längliche Element mit elektrischen Kontakten verbunden ist, die wiederum mit einer Stromquelle verbunden sind, und darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, die mindestens das eine längliche Element und nur teilweise die elektrischen Kontakte bedeckt, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, und wobei das Aufrollen nur soweit realisiert wird, dass nach dem Aufrollen mindestens teilweise die elektrische Kontakte außerhalb der aufgerollten Anordnung zugänglich sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die untere isolierende Dünnschicht auf einem Substrat angeordnet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem zwischen einem Substrat und der unteren isolierenden Dünnschicht eine Opferschicht angeordnet, die einen Verspannungsgradienten im Schichtstapel realisiert, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, nachdem die Opferschicht mindestens teilweise entfernt worden ist.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem die Opferschicht vollständig entfernt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein Mehrschichtaufbau realisiert wird, wobei immer eine isolierende Dünnschicht unter- und oberhalb des mindestens einen länglichen Elementes aufgebracht wird.
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