Speichertechnologie und Sensorik: Neue Wege

Speichertechnologie und Sensorik:
Neue Wege durch Magneto-Elektronik?
Günter Reiss
Hubert Brückl
Andreas Hütten
Willi Schepper
Fakultät für Physik
Abb. 1: Prinzip einer Speicherzelle, wie
sie derzeit in DRAMs (Dynamic Random
Access Memories) eingesetzt werden.
Solche DRAMS befinden sich in großer
Anzahl in jedem PC. Der Kondensator
wird über einen Feldeffekt-Transistor als
Schalter geladen bzw. entladen, wobei
der geladene Zustand einer logischen
„1“, der ungeladene einer „0“ entspricht. Über eine Steuerleitung wird der
Ladezustand an die Steuerelektronik weitergereicht.
Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999
Viele technologische Bereiche stehen,
was auf den ersten Blick erstaunt, in
einem engen Wechselverhältnis mit
der physikalischen Grundlagenforschung. So kann die Entdeckung des
„Riesenmagnetowiderstandes“ durch
einen Festkörperphysiker im Jahre
1990 die Technologie der Informationsspeicher in Rechnern ebenso revolutionieren wie die Sensortechnik im
Automobilbau. Mit besonderen zweilagigen Schichtsystemen aus verschiedenen Elementen kann ein ungewöhnliches magnetisches Verhalten erzeugt
werden: Bringt man ein solches System
in ein äußeres Magnetfeld, so verändert sich der elektrische Widerstand
auf drastische Weise. Dieser Effekt hat
ganz neue technologische Wege bis
hin zum Bereich der Nanotechnologie
gangbar gemacht. Die neuen Technologien wirken ihrerseits stimulierend auf
die Grundlagenforschung und bedürfen
ihrer zur weiteren Entwicklung.
Wissenschaftliche Entdeckungen in der Physik haben
– oft unbemerkt speziell durch die deutsche Öffentlichkeit – unsere Lebensbedingungen in den letzten
Jahrzehnten ganz wesentlich verändert. Besonders
die Entwicklungen in der Festkörperphysik haben die
zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als „Silizium-Zeitalter“ geprägt: Einkristalle aus diesem Element bilden
die Basis für Mikroelektronik und Sensorik. Auch
heute tragen die Physik und die verbundene Technologie wesentlich zur Weiterentwicklung dieser
Gebiete bei.
Die Industrie in diesen Bereichen weist in den letzten Jahrzehnten ein rasantes Wachstum auf. So wurden auf dem Markt für höchstintegrierte SpeicherEinheiten (Random Access Memories, RAMs, wie sie
in jedem PC zu finden sind) 1998 weltweit knapp 40
Milliarden DM umgesetzt; die Schätzungen für das
Jahr 2002 liegen bei knapp 100 Milliarden DM.
Dabei werden die Bestandteile der mikroelektronischen Schaltungen immer kleiner. Bereits heute ist
der Begriff „Mikroelektronik“ überholt, da die kleinsten Strukturen in den RAM-Speichern nur noch
etwa 300 nm = 0,3 µm groß sind (1µm ist der millionste Teil eines Meters, ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters).
Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Haares ist
etwa zweihundert mal größer als der der Leiterbahnen in Ihrem Computer.
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Ein weiteres Beispiel findet sich in der Automobiltechnik: In heute üblichen Mittelklasse-PKWs beträgt
der Anteil der Elektronik und Sensorik bereits ca.
4000 DM, wobei etwa gleiche Anteile für die Sicherheit und für den Komfort verwendet werden. Beide
Gebiete sind heute zentral für die erfolgreiche Vermarktung von Automobilen. Auch in der Sensorik
werden auf dem Weltmarkt beträchtliche Umsätze
erzielt: 1998 ca. 16 Milliarden DM, wobei nach
seriösen Einschätzung ein Wachstum von knapp
10% jährlich erwartet wird.
Die Grundlagenforschung an Universitäten und
Instituten hat wesentlich zu dieser Entwicklung beigetragen. Neue Materialien und Speicherkonzepte
konnten z.B. den Flächenbedarf und damit den Preis
einer gespeicherten Informationseinheit so weit reduzieren, daß die Rechenleistung eines heutigen PC der
eines zwanzig Jahre alten Großrechners entspricht.
Auch in der Sensorik konnten Entwicklungen aus
dem wissenschaftlichen Bereich neue Konzepte für
Gassensoren, Bewegungssensoren und viele weitere
Sensortypen bereitstellen, die z.B. Antiblockier- und
Antischleudersysteme sowie komfortable Klimaregelungen in Automobilen ermöglichten.
Wie wird nun diese Entwicklung weitergehen?
Stehen wir – wie uns bereits seit etwa zwanzig Jahren immer wieder vorausgesagt wird – nun doch am
Ende des Siliziumzeitalters? Wo liegen eigentlich die
Probleme der Entwicklung und wie kann man diese
umgehen?
Hier zunächst ein Beispiel für derzeitige Probleme:
In den heute üblichen Speicherzellen in Computern
wird die Information in Form von elektrischer Ladung
digital auf einem Kondensator gespeichert (Abb. 1).
Dazu wird der Kondensator über eine Leitung geladen bzw. entladen, wobei der geladene Zustand
Abb. 2: Typische Abhängigkeiten des Widerstands vom Magnetfeld für zwei Klassen von Materialsystemen. Die Richtung der
Magnetisierungen in den jeweiligen Feldbereichen sind durch die Pfeile gekennzeichnet:
a) Antiferromagnetisch gekoppelte Co/Cu/Co-Mehrlagenschichten. Hier sind die beiden Magnetisierungen M1 und M2 ohne
äußeres Feld antiparallel. Bei genügend großem Feld werden beide Magnetisierungen in Feldrichtung gezwungen. Dabei ergibt
sich ein hysteresefreies Absinken des Widerstands.
b) Tunnelelemente aus hartmagnetischem Co, einer Al2O3 Tunnelbarriere und weichmagnetischem Ni/Fe. Hier magnetisiert
bei steigendem Feld zunächst die Ni/Fe-Schicht und erst bei höheren Feldwerten die Co-Schicht um. Daher liegt wiederum in
bestimmten Feldbereichen eine antiparallele Ausrichtung von M1 und M2 vor, die zu einem hohen Widerstand führt.
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Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999
einer logischen „1“, der entladene einer „0“ entspricht.
Dieses Prinzip hat einige Nachteile:
Beim Lesen wird die auf dem Kondensator
gespeicherte Information zerstört. Daher muß
nach einem Lesezyklus der ursprüngliche Zustand
wieder hergestellt werden.
Der Speicherkondensator entlädt sich auch ohne
Lesezugriff nach einigen Millisekunden. Daher
muß die Information regelmäßig aufgefrischt
werden (durch sogenannte Refresh-Zyklen).
Die Information geht beim Ausschalten des Rechners verloren.
Bereits heute sind wegen der geringen Abmessungen des Speicherkondensators nur noch einige
hunderttausend Elektronen am Speichervorgang
beteiligt. Bei einer weiteren Miniaturisierung der
Schaltung wird auch die auf dem Kondensator
gespeicherte Ladung immer kleiner und letztendlich das sogenannte Signal-zu-Rausch-Verhältnis
schlechter.
Neue Entdeckungen aus der Grundlagenforschung
der Festkörperphysik bieten nun einen Ansatz, derartige Schwierigkeiten zu umgehen und gleichzeitig
das Spektrum der Möglichkeiten der Mikroelektronik
wesentlich zu erweitern.
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Riesenmagnetowiderstand
Peter Grünberg fand in 1986 im Forschungszentrum
Jülich an mehrlagigen Fe/Cr-Schichten (Schichten,
die abwechselnd aus Eisen und Chrom bestehen) ein
ungewöhnliches magnetisches Verhalten: Bei ChromLagendicken um 1 nm = 0,001 µm richtet sich die
Magnetisierung benachbarter Eisenschichten aufgrund quantenmechanischer Kopplungseffekte antiparallel aus, so daß sich eine mehrlagige Schicht
nicht mehr wie ein Ferro-, sondern wie ein Antiferromagnet verhält.
Auf die Entdeckung des besonderen magnetischen
Verhaltens nanoskaliger, mehrlagiger Schichtsysteme
folgte ein weiteres wichtiges Ergebnis: Bringt man
ein derartiges Schichtsystem in ein äußeres Magnetfeld, dann sinkt der elektrische Widerstand ab. Dabei
ist die Widerstandsänderung überraschend groß:
Bereits bei Raumtemperatur erhält man Widerstandsänderungen von bis zu 70%, der Rekord steht
derzeit bei über 200% bei tiefen Temperaturen.
Damit war klar, daß der sogenannte Riesenmagnetowiderstand (Giant Magneto Resistance, GMR) ein
neuer Effekt ist, der nicht auf dem bis dahin bekannten anisotropen Magnetowiderstand beruhen kann,
der maximale Widerstandsänderungen von etwa 3%
bis 4% aufweist.
Forschung an der Universität Bielefeld 18/1998
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Abb. 3: Skizze einer Matrix-Anordnung von magnetischen Tunnelelementen, die zur Speicherung
von Daten genutzt werden kann. Jede einzelne Speicherzelle besteht aus einem Tunnelelement
(wie in Abbildung 2 skizziert) sowie aus den zugehörigen elektrischen Anschluß-Leiterbahnen.
Intensive weltweite Anstrengungen zeigten, daß der
Riesenmagnetowiderstand auftreten kann, wenn ferromagnetische Bereiche mit nicht parallelen Magnetisierungsrichtungen durch dünne, nicht ferromagnetische Zwischenbereiche getrennt sind. „Dünn“
bedeutet hier, daß die Leitungselektronen die Zwischenschichten ohne Streuprozesse durchqueren
können. Der Zwischenbereich kann dabei sogar eine
isolierende (z.B. oxidische) Tunnelbarriere sein.
Da der Riesenmagnetowiderstand in verschiedenen Materialsystemen mit unterschiedlichem magnetischen Verhalten auftreten kann, hat sich als Oberbegriff die Abkürzung „XMR“ (X-beliebiger Magnetowiderstand) eingebürgert. Eine kurze Erläuterung
des Effektes gibt die Abbildung 2.
Anwendungen des Riesenmagnetowiderstands
Nach der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands war sehr schnell klar, daß die hohe Empfindlichkeit und die große Signalamplitude Anwendungen in der Sensorik und in der Informations- und
Speichertechnologie eröffnen. Dies begründet die
fast zeitgleiche Zunahme der Zahl von Patenten und
Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften. Wie in Abbildung 2 skizziert, bieten sich verschiedene Abhängigkeiten des Widerstands vom
Magnetfeld an, so daß die Forschung daher über
einen „Baukasten“ verfügt, mit dem solche Kennlinien maßgeschneidert werden können. Laufende
bzw. angedachte Entwicklungen sollen folgende Beispiele erläutern:
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Datenspeicherung:
Magnetic Random Access Memories (MRAMs)
Eine breite Anwendung des Riesenmagnetowiderstands ist die Speicherung von Daten in MRAMs, die
künftig in Konkurrenz zu den etablierten DRAMs
(Dynamic Random Access Memory) treten können.
Die Speicherzelle eines RAM hat die Aufgabe, eine
Informationseinheit (ein Bit), d.h. zwei verschiedene
Zustände stabil anzunehmen. Ein Blick auf die Abbildung 2 zeigt, daß die Widerstandskennlinie eines
Tunnelelements diese Aufgabe erfüllen kann. Hier
liegt das Element entweder mit hohem oder mit
niedrigem Widerstand vor. Das Prinzip eines MRAM
zeigt die Abbildung 3.
Die Speicherung von Information in derartigen
magnetischen Tunnelelementen hat gegenüber dem
in Abbildung 1 skizzierten heutigen DRAM-Prinzip
einige bemerkenswerte Vorteile:
Der Signalhub, d.h. die maximale relative Änderung des elektrischen Widerstands mit dem äußeren Magnetfeld hängt in guter Näherung nicht
von der Größe der Speicherzelle ab, daher ist die
Skalierbarkeit des Elements bis zu Abmessungen
unter 100 nm = 0,1 µm möglich.
Die Information wird nichtflüchtig gespeichert,
d.h. auch nach dem Abschalten des Rechners
bleiben die Daten erhalten.
Die Bauweise ist kompakt und einfach, so daß
der Preis derartiger Speicher relativ niedrig sein
kann.
Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999
Aufgrund dieses Verhaltens erforschen derzeit Forschungsinstitute und Elektronik-Firmen die Möglichkeiten der Datenspeicherung durch den Riesenmagnetowiderstand. Erste Labormuster liegen in Form
von 16-Kbit-Speicher-Chips vor. Die Entwicklung der
MRAMs wird deswegen weltweit intensiv betrieben.
Die Random Access Memories gelten neben den
Prozessoren als Schlüsselkomponenten und Technologietreiber künftiger Rechnergenerationen.
Anwendungen in der Sensorik
Weitere Anwendungen des Riesenmagnetowiderstands liegen im Bereich der Sensorik: Die einfache
Bestimmung von Magnetfeldern durch Widerstandsmessungen erlaubt die berührungslose Ermittlung
von Drehzahl, Weg oder Winkel und von daraus abgeleiteten Größen beweglicher mechanischer Bauteile. Diese Sensorsysteme dienen z.B. dazu, für die
Steigerung der Sicherheit von Automobilen wesentliche Schlüsselkomponenten zur Verfügung zu stellen.
Was wird nun von einem Sensor verlangt, d.h. welche der in der Abbildung 2 gezeigten Kennlinien eignen sich?
Manche Kennlinien weisen Hysterese-Effekte auf:
Je nachdem, in welcher Richtung sie durchlaufen
werden, fallen die Signalhöhen verschieden aus.
Hysterese-Effekte in der Kennlinie führen zu einem
von der Vorgeschichte abhängigen und daher nicht
eindeutigen Sensorsignal. Tunnelelemente (Abb. 2b)
scheiden daher aus.
Für eine einfache Auswertung des Sensorsignals
sind ferner lineare Kennlinien von Vorteil. Eine weitere Anforderung der Praxis ist die Unabhängigkeit
des Signals von der Umgebung: Der Sensor darf
nicht von äußeren Einflüssen beeinflußt werden. Es
wäre sehr ungünstig, wenn ein Sensorsystem im
PKW schon auf lokale Schwankungen bzw. Verzerrungen des Erd-Magnetfelds ansprechen würde. Derartige Verzerrungen können z.B. in der Nähe von
LKWs wegen ihrer großen Metallmasse auftreten.
Damit ergeben sich zusätzliche technische Anforderungen an die magnetischen Sättigungsfeldstärken
der Sensoren, die etwa zwischen 20 Oe und 300 Oe
liegen sollten. (Zum Vergleich: Das Erd-Magnetfeld
beträgt etwa 0,5 Oe, wobei in der Nähe von großen
Metallmassen Schwankungen um mehr als 1 Oe auftreten können.)
Für Sensoren bieten sich daher antiferromagnetisch gekoppelte Mehrlagenschichten an, oder aber
Kombinationen aus verschiedenen Systemen. Die
Abbildung 4 gibt ein Beispiel für solche Sensoren und
Abb. 4: Ein Drehwinkelsensor, der auf dem Riesenmagnetowiderstand basiert.
Über der als Sensor dienenden Mehrlagenschicht befindet sich ein Permanentmagnet, der wiederum an der drehbaren Achse befestigt ist. In dem Mehrlagensystem dreht sich nur die Magnetisierung der oberen, weichmagnetischen
Sensorschicht mit dem Permanentmagneten, während die der unteren, hartmagnetischen Basisschicht konstant bleibt. Daher ergibt sich eine direkte Korrelation des Widerstands des Schichtsystems zum Drehwinkel des Magneten.
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zeigt gleichzeitig, daß der erwähnte Kennlinien-Baukasten bereits genutzt wird.
Drehwinkelsensoren, wie sie in der Abbildung 4
skizziert sind, können in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik und in Sicherheitssystemen eingesetzt werden. So gestattet z.B. erst die genaue
Kenntnis der Stellung des Lenkrads das gezielte Verhindern von Schleuderbewegungen bei einem Automobil.
Die vielen Anwendungsbeispiele drängen die
Frage auf, ob in diesem Bereich überhaupt noch
Grundlagenforschung nötig sein wird. Die Antwort
ist ein eindeutiges „ja“. So wurde die grundlegende
Entdeckung des Effekts durch Peter Grünberg keineswegs aus der Motivation geboren, neue Sensoren
und Speicherkonzepte zu entwickeln, sondern aus
dem Interesse an möglichen langreichweitigen
magnetischen Kopplungseffekten in Festkörpern. Die
mittlerweile in der technischen Entwicklung erreichten Bauelemente werfen andererseits wieder Fragen
auf, die die Grundlagenforschung berühren. So ist
z.B. zwar der klassisch verbotene, aber quantenmechanisch erlaubte Tunnelvorgang von Elektronen
mittlerweile Stoff der Oberstufe an Gymnasien. Der
Einfluß des magnetischen Moments der Elektronen
auf das Tunneln ist aber noch weitgehend unerforscht, so daß sich derzeit viele Gruppen an Universitäten mit diesem Phänomen befassen.
Aus dieser Beschäftigung mit grundlegenden Problemen der Festkörperphysik können nun auch weitere Anwendungsmöglichkeiten – wenigstens als
Zukunftsvision – geboren werden. Durch die gleichzeitige Nutzung der Ladung und des magnetischen
Moments einzelner Elektronen besteht z.B. auch die
Möglichkeit, Transistorfunktionen in magnetischen
Bauelementen mit Abmessungen deutlich unter 0,1
µm darzustellen. Mit dieser Entwicklung wäre eine
neue Form der Elektronik, basierend auf Metallen
und Isolatoren, vorstellbar – die sogenannte Magnetoelektronik. Zu dieser Thematik gibt es in Deutschland große Verbundprojekte, an denen die Bielefelder
Gruppe maßgeblich beteiligt ist.
Diese Zukunftstechnologie, die auf die Ladung
und die Spin-Eigenschaft der Elektronen zurückgreift,
könnte wegen ihrer Skalierbarkeit zu extrem kleinen
Abmessungen ein Tor in die „Nanoelektronik“ aufstoßen. Derzeit wird die Entwicklung daher weltweit
mit der Beteiligung großer Firmen vorangetrieben.
Durch die Schnelligkeit der Entwicklung werden
dabei Gruppen die (Forschungs-) Nase vorn haben,
die die traditionell oft strengen Grenzen zwischen
Grundlagenforschung und Anwendung möglichst
flexibel handhaben – eine Herausforderung auch für
die deutsche Forschungspolitik.
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Prof. Dr. Günter Reiss (hinten Mitte) studierte
Physik an der Universität Regensburg. Nach der
Promotion 1989 folgte ein Forschungsaufenthalt
im T. J. Watson Research Center der Firma IBM
in Yorktown Heights, USA. Von 1992 bis 1997
war Dr. Reiss Leiter der Abteilung „Dünne
Schichten“ am Institut für Festkörperphysik und
Werkstoff-Forschung in Dresden. Seit Ende 1997
ist er Professor für Experimentalphysik an der
Universität Bielefeld.
Dr. Hubert Brückl (sitzend) studierte Physik an
der Universität Regensburg und promovierte dort
1992. Danach war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Hochschule Darmstadt,
von 1994 an Gruppenleiter am Institut für Festkörperphysik und Werkstoff-Forschung in Dresden. Seit Ende 1997 ist er wissenschaftlicher
Assistent in der Experimentalphysik an der Universität Bielefeld.
Dr. Andreas Hütten (hinten links) studierte Physik an der Universität Göttingen. Nach der Promotion 1989 folgte ein fünfjähriger Forschungsaufenthalt an der University of California in Berkeley und am Lawrence Berkeley Laboratory,
USA. Von 1995 an war er Gruppenleiter am Institut für Festkörperphysik und Werkstoff-Forschung
in Dresden. Seit Ende 1997 ist er wissenschaftlicher Assistent in der Experimentalphysik an der
Universität Bielefeld.
Dr. Willi Schepper (ganz rechts) studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Nach der Promotion in Halbleiterelektronik kam er 1972 als Akademischer Rat an die
Universität Bielefeld. Zunächst war er in der
experimentellen Grundlagenforschung tätig
(Molekularstrahlexperimente K, Rb ––> N2, CO,
O2, CO2; Entdeckung des Rotations-Regenbogens). Dann leitete er als Akademischer Direktor
etliche Kooperationsprojekte mit der Industrie
(Bertelsmann, Philips, Krause-Biagosch) auf den
Gebieten der Echtzeit-Daten- und Bildverarbeitung sowie der Zeitreihenanalyse. Der ComputerSimulation magnetischer Schichtsysteme gilt sein
augenblickliches Interesse.
Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999