Sandwiches mit riesigem Magnetwiderstand

Magnetoelektronische Bauelemente
Sandwiches mit
riesigem Magnetwiderstand
J OACHIM W ECKER | R ALF K INDER | R ALF R ICHTER
Magnetische Dünnschichten haben schon jetzt große
Bedeutung als Speichermedien. Neue, riesige Magnetwiderstandseffekte in Dünnschichtstrukturen aus
verschiedenen Materialien könnten die Sensor- und
Speichertechnik weiter revolutionieren.
agnetische Dünnschichten haben im Zeitalter der
Informationsgesellschaft schon immer eine tragende
Rolle gespielt: Als Speichermedien insbesondere in Festplatten bilden sie die Grundlage dafür, um die stetig zunehmenden Datenmenge zumindest technisch zu bewältigen. Als Sensoren in Leseköpfen ermöglichen sie auch das
Lesen dieser Daten.
In den letzten 15 Jahren hat die Entwicklung von Bauelementen aus dünnen ferromagnetischen Schichten einen
bisher nie gekannten Aufschwung erlebt. Er wurde durch
die Entdeckung neuartiger Magnetwiderstandseffekte ausgelöst. Magnetwiderstandseffekte, auch magnetoresistive
Effekte genannt, beschreiben eine charakteristische Eigenschaft dieser Bauelemente: Wirken auf sie Magnetfelder von
außen ein, dann ändern sie ihren elektrischen Widerstand.
Das lässt sich zum Beispiel für Magnetfeldsensoren nutzen.
Die erste Generation solcher Sensoren enthielt eine einzelne magnetische Schicht aus weichmagnetischem NiFe
(Permalloy). In den 1980-er Jahren wurden dann vermehrt
magnetische Viellagensysteme untersucht, deren einzelne
Schichten teilweise aus nur wenigen Atomlagen bestanden.
1988 machten Peter Grünberg am Forschungszentrum Jülich und Albert Fert
an der Universität Paris eine EntINTERNET
deckung: Ein äußeres Magnetfeld kann
in einer periodischen Abfolge aus Eisen- und Chrom-Schichten den elekGrundlagen und Anwendungen
magnetischer Materialien
trischen Widerstand bis zu 45 % änwww.almaden.ibm.com/st/
dern [1,2]. Der Mechanismus beruht
disciplines/magnetism/
darauf, dass das Magnetfeld die
zunächst antiparallelen MagnetisieVerschiedene magnetische Sensoren
rungen benachbarter Fe-Schichten parwww.infineon.com/products/
sensors/
allel ausrichtet. Die dafür nötigen Magnetfelder waren allerdings sehr hoch.
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Sie lagen bei rund 160 kA/m, das entspricht etwa dem 5000fachen Erdmagnetfeld. Außerdem ist dieser als Giant Magnetoresistance (GMR, Riesenmagnetwiderstand) bezeichnete Effekt nur bei tiefen Temperaturen auch wirklich „gigantisch“ im Vergleich zu den Widerstandsänderungen in
herkömmlichen Materialien. Die besten Ergebnisse erzielten
bei Raumtemperatur noch die so genannten anisotrop
magnetoresistiven Permalloy-Dünnschichten mit Widerstandsänderungen von nur 2,5 %.
Rekordwerte bei Raumtemperatur
Erst Stuart Parkin konnte das Tor zu einer Vielzahl von Anwendungen öffnen. 1991 fand er am IBM-Forschungszentrum in Almaden in Vielfachschichten aus Kobalt und
Kupfer bei Raumtemperatur einen Rekordwert von 70 %
Widerstandsänderung. Auch dieses Material brauchte
zunächst noch extrem hohe magnetische Felder für den
vollen GMR-Effekt. Dieser Makel wurde bald darauf durch
die „Spin-Valve-Strukturen“ („Spin-Ventil-Strukturen“) beseitigt.
Die ursprünglichen Schichtsysteme enthielten eine
periodische Abfolge von Doppellagen aus je einem magnetischen und einem nichtmagnetischen Element (zum Beispiel Co und Cu bei Parkin oder Fe und Cr bei Grünberg
und Fert). Die Spin-Valve-Systeme haben dagegen im einfachsten Fall nur noch zwei magnetische Schichten. Diese
beiden Schichten trennt nun eine dünne Zwischenschicht
(meist aus Cu), die elektrisch sehr leitfähig, aber unmagnetisch ist. Eine der beiden magnetischen Schichten, die Referenzschicht, ist magnetisch „hart“. Sie lässt sich also nur
schwer ummagnetisieren. Die andere magnetische Schicht
ist dagegen magnetisch weich: Schon ein niedriges Magnetfeld von etwa 1 kA/m kann ihre Magnetisierung zwischen
der parallelen und antiparallelen Ausrichtung relativ zur Referenzschicht umschalten. Die Widerstandsänderung ist allerdings in diesen Spin-Valve-Strukturen mit etwa 5 – 20 %
niedriger als in den periodischen Vielfachschichten. Dafür
ist ihre Empfindlichkeit, also die Widerstandsänderung je
Magnetfeldeinheit, etwa um einen Faktor 10 größer. Abbildung 1 zeigt das Grundprinzip des Schichtaufbaus und die
typische Abhängigkeit des elektrischen Widerstands vom
äußeren Magnetfeld.
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Widerstandänderung beim AMR-Effekt ist jedoch nur klein,
in der Anwendung werden etwa 2,5 % erreicht. Deshalb
wurden in den letzten Jahren zunehmend Bauelemente auf
Basis des GMR-Effekts und des TMR-Effekts entwickelt. Wie
bereits erwähnt, sind diese Effekte keine intrinsischen
Materialeigenschaften eines Stoffes. Sie werden nur in künstlichen Schichtstrukturen beobachtet, die aus mindestens
drei Schichten bestehen.
< Wafer mit GMRSensoren. Die
Vergrößerung
zeigt eine einzelne
Sensorbrücke
(Abmessungen
etwa 1 mm mal
0,5 mm).
Der GMR-Effekt
Wenige Jahre später lernte man, die metallische Zwischenlage durch einen dünnen Isolator, zum Beispiel aus
Aluminiumoxid (Al2O3), zu ersetzen. Durch ihn können die
Elektronen von der einen in die andere magnetische Schicht
tunneln. In solchen Systemen beobachtet man teilweise
sogar noch größere Widerstandsänderungen von bis zu
50 %. Für sie wurde der Begriff „Tunnel Magnetoresistance“
(TMR, Tunnelmagnetwiderstand) geprägt. Damit war der
Siegeszug dieser neuartigen Schichtstrukturen eingeläutet.
Weltweit wurden Entwicklungen besonders im Hinblick auf
den Einsatz in Leseköpfen von Festplattenlaufwerken begonnen. Es zeigte sich aber auch, dass in der normalen
Sensortechnik im Konsumenten- und Automobilbereich interessante Anwendungsmöglichkeiten liegen. Schließlich
wurde mit den TMR-Schichtsystemen die Tür zu magnetischen Festkörperspeichern (MRAM, Magnetic Random
Access Memory) geöffnet. Anders als der DRAM (Dynamic
Random Access Memory) könnten sie die Information nichtflüchtig speichern.
Magnetoresistive Effekte
Die Größe, die den magnetoresistiven Effekt beschreibt, ist
die durch das Magnetfeld erzeugte Widerstandsänderung
∆R. Sie wird meist als relative Größe angegeben, die auf
einen Referenzwert normiert ist. Das ist in der Regel der
Minimalwiderstand Rmin:
In GMR-Schichtsystemen sind die ferromagnetischen
Schichten durch eine sehr dünne Zwischenlage, den
„Spacer“, getrennt. Der Spacer besteht aus einem unmagnetischen, leitfähigen Metall, zum Beispiel Cu. In solchen
Systemen fließt bei Betrieb der Strom parallel zu den Schichten dieses Sandwichs. Entscheidend für den GMR-Effekt ist,
dass die Beweglichkeit der Elektronen in den Leitungsbändern beider magnetischer Schichten von ihrem Spin
abhängt. Betrachten wir beispielsweise die Elektronen aus
der unteren Schicht, deren Spinausrichtung in der Bilanz
überwiegt: Wenn diese „Majoritäten“ durch den Spacer hindurch wandern, verändern sie ihre Spinausrichtung nicht.
Ist die obere Elektrode in der gleichen Richtung magnetisiert, so sind diese Elektronen auch dort Majoritäten; sie
werden daher nur wenig gestreut. Weist die obere Elektrode jedoch eine entgegengesetzte Magnetisierung auf, so
werden aus den Majoritäten der unteren Elektrode beim
Übergang plötzlich Minoritäten, die bei der Bewegung
stärker gestreut werden (Abbildung 2 oben). Die gleichen
Effekte erleben natürlich auch Elektronen, die aus der oberen Schicht in die untere eintreten.
Ein Ersatzschaltbild verdeutlicht den Stromfluss schematisch. Es weist dem Kanal für die Elektronen mit
Majoritäts-Spin jeweils einen geringen und dem Spinkanal
für die Minoritäten einen hohen elektrischen Widerstand zu
(Abbildung 2 unten). Entsprechend den Kirchhoffschen Gesetzen ist in diesem Ersatzschaltbild der Gesamtwiderstand
bei paralleler Ausrichtung der Magnetisierungen klein und
bei antiparalleler Ausrichtung groß.
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S PI N -VA LV E- PR I N Z I P
MR = ∆R/Rmin,
MR steht für den englischen Begriff Magnetoresistance
(Magnetwiderstand).
Bereits seit langem bekannt und auch vielfach angewendet – unter anderem in Leseköpfen – ist der Anisotrope Magnetwiderstandseffekt (AMR). Er beschreibt die
Tatsache, dass sich der Widerstand bei einigen ferromagnetischen Materialien signifikant ändert, je nachdem ob
der Strom senkrecht oder parallel zur Magnetisierungsrichtung des magnetischen Materials fließt. Die erzielbare
Magnetoresistives Bauelement nach dem Spin-Valve-Prinzip. Grün: magnetisch weiche Schicht, blau: magnetisch harte Referenzschicht, rot: Weg eines Elektrons
(schematisch). Bei antiparalleler Schaltung der Schichtmagnetisierung ist das Bauelement hochohmig (links), bei paralleler niederohmig.
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G M R- E F F E K T
Streuprozesse (schematisch) beim GMR-Effekt. Oben: Bei paralleler Magnetisierung der oberen und der unteren Schicht
(links) bewegen sich die Elektronen mit dem MajoritätsSpin relativ ungehindert über die Schichten hinweg, bei antiparaller Ausrichtung werden sie dagegen stark gestreut.
Unten: Das Ersatzschaltbild verdeutlicht, dass im ersten Fall
der elektrische Widerstand deutlich geringer ist als im zweiten. Grün: Ferromagnet 1, blau: Ferromagnet 2, weiß: Spacer.
Plus oder Minus an R kennzeichnen Majoritäts- oder Minoritäts-Spins.
Im allgemeinen Fall sind die Magnetisierungsrichtungen
nicht exakt parallel oder antiparallel, sondern um einen beliebigen Winkel α gegeneinander orientiert. Dann ist die
Widerstandsänderung proportional zu cos α . Diese Schichtsysteme arbeiten wie Spin-Ventile, die mit den Stellungen
„auf“ (parallele Magnetisierung) und „zu“ (antiparallel) die
Elektronen je nach deren eigener Spinorientierung besser
oder schlechter durchlassen.
Der TMR-Effekt
In TMR-Systemen wird der metallische Spacer durch einem
Isolator wie etwa Aluminiumoxid ersetzt. Im Gegensatz zu
den GMR-Systemen fließt der Betriebsstrom hier senkrecht
zu der Schichtebene. Damit überhaupt ein messbarer Stromfluss auftritt, darf die Isolatorschicht
nur sehr dünn sein, etwa 1 – 2 nm.
ABB. 3
TUNNELEFFEKT
Dann können die Elektronen aus dem
Leitungsband der einen ferromagnetischen Elektrode quantenmechanisch
durch diese Barriere in das Leitungsband der zweiten Elektrode tunneln.
Die Tunnelwahrscheinlichkeit, und
damit auch der Stromfluss, hängt von
der Breite und der Höhe der Potentialbarriere ab. Diese Parameter werden
im Wesentlichen durch die Dicke und
das Material des Spacers bestimmt
Bei anliegender Spannung U können
Elektronen durch eine energetische
(Abbildung 3). Entscheidend ist aber,
Barriere tunneln, auch wenn ihre Enerdass Elektronen nur dann tunneln
gie für ein Überspringen der Barriere
können, wenn in der zweiten Elektronicht ausreicht. Der Tunnelstrom hängt
de auch Energiezustände nahe der Ferexponentiell von der Barrierendicke t
mi-Grenze frei sind. Nur diese können
und -höhe Φ ab. EF ist die FermiEnergie.
die Elektronen aufnehmen. In ferro-
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magnetischen Stoffen unterscheiden sich aber die Leitungsbänder für die beiden Spinsorten (siehe „Ferromagnetismus und Elektronen“, S. 213). Majoritätselektronen
können also nur dann in die andere Elektrode wechseln,
wenn dort freie Plätze im passenden Leitungsband für sie
verfügbar sind. Die Zahl der freien Plätze ist deutlich größer,
wenn die tunnelnden Elektronen in der zweiten Elektrode
auch Majoritäten bleiben, also beide Schichten parallel
magnetisiert sind (Abbildung 4). Andernfalls verschiebt sich
die relative Lage der Energiebänder, und die Tunnelwahrscheinlichkeit sinkt deutlich.
Dieses Modell wurde bereits 1975 von Michel Julliére
aufgestellt und experimentell bei tiefen Temperaturen bestätigt [4]. Ausgehend von der vereinfachenden Annahme,
dass sich die Elektronen an der Fermi-Kante in den Ferromagneten wie freie Elektronen verhalten, lässt sich danach
der TMR-Effekt wie folgt berechnen:
TMR = P1P2/(1–P1P2),
wobei TMR hier wieder für eine relative Widerstandsänderung ∆R/Rmin steht. P1 und P2 sind die jeweilige Spinpolarisation, also der Anteil spinpolarisierter Elektronen in den
beiden ferromagnetischen Schichten FM 1 und FM 2
(Abbildung 4). Im Idealfall, wenn beide ferromagnetische
Schichten vollständig spinpolarisiert wären (also P1 = P2
= 1), ließe sich ein Schalter konstruieren, der den Strom
entweder komplett unterdrückt oder durchlässt.
GMR- und TMR-Effekt in der Praxis
In der Praxis liegt der Grad der Spinpolarisation für die
üblichen ferromagnetischen Elemente (Fe, Co, Ni) und
ihre Legierungen bei 30 bis etwa 55 %. Deshalb erwartete
man theoretisch TMR-Werte von bis zu 50 %, die auch
tatsächlich gemessen werden. Diese Widerstandsänderungen sind also mehr als doppelt so groß wie in GMR-SpinVentilen. Ein wichtiger Unterschied zwischen beiden
Schichtkonzepten ist die Tatsache, dass kleine TMR-Strukturen aufgrund der Tunnelbarriere einen deutlich höheren
Ausgangswiderstand haben als rein metallische GMR-Syste-
> Zustandsdichten in den beiden Ferromagneten FM 1
und FM 2 beiderseits der Tunnelbarriere. Die Elektronen
von FM 1 können im gezeigten Beispiel nur nach FM 2
tunneln, wenn in FM 2 Zustände der gleichen Spinrichtung nahe der Fermi-Energie (gestrichelte Linie) frei
sind. Bei antiparalleler Magnetisierung der Elektroden
(rechts) sind die Tunnelwahrscheinlichkeiten kleiner und
damit ist der Widerstand höher.
>> Typische Kennlinien von Spin-Valve-Bauelementen
für unterschiedliche Orientierungen der äußeren Magnetfelder. 12,5 Oe entsprechen 1 kA/m.
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me. Das ist von Bedeutung, wenn als Signal die absolute
und nicht die relative Widerstandsänderung (genauer: die
durch die Widerstandsänderung hervorgerufene Spannungsänderung) verwendet wird. Diese ist bei einem größeren Ausgangswiderstand natürlich auch größer. Dieser Vorteil kommt vor allem bei Anwendungen zum Tragen, die eine sehr hohe Integrationsdichte und damit kleine Strukturgrößen verlangen, wie magnetische Festkörperspeicher
(MRAM).
Beide Effekte setzen voraus, dass der Spin des einzelnen
Elektrons beim Übergang zwischen den magnetischen
Schichten erhalten bleibt. Es darf also keine „Spin-Flip-Streuung“ passieren. Um das zu vermeiden, müssen alle Schichten extrem dünn und ihre Grenzflächen von hoher Qualität
sein. Typische Schichtdicken liegen bei wenigen Nanometern, wobei 1 nm etwa vier Atomlagen entspricht. Kristalldefekte wie etwa Korngrenzen und Gitterfehlstellen sind
ebenso schädlich wie Störstellen in der (meist) amorphen
Tunnelbarriere. Der gesamte Schichtstapel sollte eine Textur aufweisen, das heißt eine bestimmte Kristallorientierung.
Besonders kritisch in der TMR-Struktur ist die Qualität
des Spacers, da der Tunnelstrom ja exponentiell von der
Dicke und der Höhe der Potentialstufe abhängt. Schon kleine Änderungen der Grenzflächenbeschaffenheit und vor allem in der Barrierendicke wirken sich dramatisch auf die
Leitfähigkeit aus: Bei Aluminiumoxid von rund 1 nm Dicke
verändert zum Beispiel eine Schwankung der Barrierendicke um 0,1 nm (also rechnerisch weniger als eine halbe
Atomlage!) die Leitfähigkeit beinahe um eine Größenordnung.
Diese hohen Anforderungen an die Schichtqualität sind
der Hauptgrund dafür, dass GMR-Elemente erst seit etwa
15 Jahren intensiv erforscht werden. TMR-Strukturen
konnten sogar erst in der Mitte der neunziger Jahre ausreichend reproduzierbar hergestellt werden, obwohl der
physikalische Effekt bereits seit mehr als 25 Jahren bekannt
ist. Erst die Fortschritte in der Schichtabscheidung ermöglichen also eine Forschung, deren Ziel die Anwendung
ist.
Im Folgenden beschreiben wir einige wesentliche Gesichtspunkte, die im Design der GMR- und TMR-Schichtsysteme berücksichtigt werden müssen, um reproduzierbare und wohl definierte Bauelementkennlinien einzustellen. Abbildung 5 zeigt verschiedene typische Kennlinien.
Sie entstehen, wenn man die Magnetisierungsrichtung der
weichmagnetischen Schicht in unterschiedlicher Weise von
der parallelen und der antiparallelen Anordnung überführt.
Die große Variabilität der Kennlinien machen die SpinValve-Strukturen für die Anwendung so interessant:
• Fall 1: Schaltet man das äußere Magnetfeld antiparallel
zur ursprünglichen Magnetisierungsrichtung, dann beobachtet man als Antwort die typische Hysterese von
ferromagnetischen Werkstoffen. Das Umschalten vom alten in den neuen Zustand passiert, wenn das Magnetfeld
die Größe des Koerzitivfelds erreicht (Abbildung 5 links
oben). Diese Kennlinie ist für MRAMs, Logikbausteine
oder Magnetokoppler zur galvanischen getrennten
Signalübertragung interessant.
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T M R- E F F E K T
F E R RO M AG N E T I S M U S U N D E L E K T RO N E N
Magnetismus entsteht generell durch
nicht kompensierte magnetische
Momente in den einzelnen Atomen.
Diese Momente setzen sich zusammen
aus dem Eigendrehimpuls der Elektronen (dem Spin) und ihrem Bahndrehimpuls. Wenn sich diese Beiträge nicht
kompensieren, hat das Atom nach
außen hin ein magnetisches Moment.
Bei bestimmten Atomabständen
richten sich diese einzelnen Momente
durch die Austauschwechselwirkung
parallel aus. Dann zeigt der Festkörper
auch ohne ein externes Feld eine
spontane Magnetisierung – eine ferromagnetische Ordnung.
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In ferromagnetischen Materialien hängen die energetischen Zustände der
Elektronen von ihrem Spin ab. Der Spin
kann zwei Zustände annehmen, die als
„up“ und „down“ bezeichnet werden.
Die Energiebänder beider Zustände sind
gegeneinander verschoben, und zwar
um den doppelten Betrag der Austauschenergie (in Abbildung 4 angedeutet). Als Folge unterscheidet sich
nicht nur die Zahl der Spin-up- und
Spin-down-Elektronen, sondern auch
die Zahl der besetzbaren Zustände an
der Fermi-Kante. Das ist für den TMREffekt von entscheidender Bedeutung.
Auslegung magnetoelektronischer
Schichtsysteme
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Optimierte Sandwiches
Bisher haben wir eine Spin-Valve-Struktur nur aus drei
Schichten aufgebaut. Ein Beispiel für ein solch einfaches
System ist eine Abfolge aus CoFe/Cu/NiFe-Schichten. NiFe
(Permalloy) ist magnetisch weich. Das magnetisch harte
CoFe kann dagegen nur mit Koerzitivfeldern ummagnetisiert werden, die etwa zehnfach über dem des NiFe liegen.
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MAGNETOSTATISCHE WECHSELWIRKUNGEN
Magnetostatische Wechselwirkungen in einem Spin-ValveSystem und ihr Effekt auf die Hysteresekurve der weichmagnetischen Schicht. Magnetostatische Kopplung (oben):
Die Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen beiden magnetischen Schichten treibt diese in die antiparallele Orientierung
(Pfeile links) und die Hysteresekurve verschiebt sich zu
hohem Widerstand bei H = 0. Néel-Kopplung (unten):
Die Wechselwirkungen an der rauen Oberfläche stärken die
parallele Magnetisierung. Die Hysterese verschiebt sich so,
dass bei H = 0 ein niedriger Widerstand herrscht.
In der Praxis wird eine noch höhere Stabilität der hartmagnetischen Referenzschicht verlangt, da schon geringe
Änderungen in der Magnetisierungsstruktur Verschiebungen im TMR- oder GMR-Signal hervorrufen können. In Festkörperspeichern werden zum Beispiel über die Lebenszeit
bis zu 1015 Schreib- und Lesevorgänge erreicht. Eine so hohe
Zahl an Schaltzyklen kann die hartmagnetische Schicht
ermüden. Sie verliert dann mit zunehmender Zyklenzahl
ihren homogenen Magnetisierungszustand.
Um die Magnetisierung der Referenzschicht gegen solche Ermüdungserscheinungen zu stabilisieren, wurden die
so genannten Exchange-Bias-Systeme entwickelt (Abbildung
7). Bei ihnen wird die hartmagnetische Schicht in einem Magnetfeld auf eine antiferromagnetische Schicht (etwa IrMn)
aufgebracht. An der Grenzfläche kommt es dann zu einer
sehr starken Kopplung zwischen den Spins der benachbarten Atomlagen, die phänomenologisch als zusätzliches
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E X C H A N G E- B I A S - K E N N L I N I E N
40
40
30
30
20
TMR / %
Fall 2: Wird das äußere Magnetfeld senkrecht zur Magnetisierung der weichen Schicht geschaltet, dann ist die
Kennlinie linear (Abbildung 5 Mitte). Diese TMR- oder
GMR-Kennlinie ist bei Positionssensoren erwünscht,
weil die lineare Kennlinie die absolute Positionsbestimmung einer externen Magnetfeldquelle (dies kann
ein Dauermagnet sein) erlaubt.
• Fall 3: Wird das Magnetfeld kontinuierlich zwischen
paralleler und antiparalleler Magnetisierungsrichtung
gedreht, dann ändert sich der relative Widerstand mit
dem Sinus des Drehwinkels. Auf diesem Prinzip basieren die einfachsten Drehwinkelsensoren.
Eine bedeutende Rolle spielen magnetische Streufelder, die
von jeder einzelnen Schicht ausgehen. Sie führen zu Kopplungen zwischen den Schichten. Als Folge verhält sich die
weichmagnetische Schicht anders als in den in Abbildung
5 gezeigten Idealfällen. Die Pole der magnetisch harten RefeABB. 7
E X C H A N G E- B I A S - PR I N Z I P
renzschicht emittieren ein
Streufeld, das die weichmagnetische Schicht in eine antiparallele Lage zu orientieren versucht: Diese Dipol-Dipol-Wechselwirkung verhält sich wie die
Kraft zwischen zwei Dauermagneten, welche die beiden so
dreht, dass die Nord- und Südpole einander möglichst nahe
sind. Die Wechselwirkung verBeispiel für ein
schiebt in der elektrischen Widerstandsmessung die HyTMR-Spin-Valve,
das nach dem
sterese der weichmagnetischen Schicht (Abbildung 6 oben).
Exchange-BiasWegen dieses Effekts wäre bei fehlendem äußeren Feld nur
Prinzip konder
hochohmige Zustand stabil. In einem derartigen Fall
struiert ist.
ließe sich zum Beispiel eine binäre Information in einer
MRAM-Zelle schwerlich speichern.
Glücklicherweise treten in realen Spin-Valve-Systemen
stets Schichtrauigkeiten auf: Wie auf einer Orangenschale
liegen auf der Oberfläche kleine Erhebungen und Vertiefungen nebeneinander. In ihnen richten sich die Magnetisierungen parallel zur Referenzschicht aus (Abbildung 6
unten links). Der Effekt wirkt mittels magnetischer Streufelder von der Grenzschicht in die gesamte weichmagnetische Schicht hinein und polt ihre Magnetisierung in die
parallele Ausrichtung. Diese nach Louis Néel benannte
Kopplung wirkt also der vorher beschriebenen Dipol-Dipol-Wechselwirkung entgegen. Die effektive Verschiebung
der Kennlinie eines Spin-Valve-Systems ist damit stets das Ergebnis einer Überlagerung beider Kopplungsphänomene.
TMR / %
•
Hex
10
0
-50
20
HN
10
0
50
100
150
-1
Magnetisches Feld/kAm
200
0
-2
0
2
4
6
-1
Magnetisches Feld/kAm
Major Loop (links) und Minor Loop (rechts) eines ExchangeBias-TMR-Systems. Als Antiferromagnet wurde hier IrMn
gewählt.
8
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ABB. 9
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ANWENDUNGEN
Beispiele für Anwendungen von GMR-Sensoren in der Winkelmessung, der Drehzahlmessung oder Linearpositionierung.
Links: absolute Winkelmessung, Mitte: inkrementelle Winkelmessung, rechts: lineare Positionsmessung.
magnetisches Feld Hex beschrieben wird. Hex macht die
Referenzschicht gegenüber Ermüdungserscheinungen stabiler.
Abbildung 8 zeigt die Abhängigkeit des Tunnelwiderstandes von einem externen Magnetfeld, das parallel oder
antiparallel zur Vorzugsrichtung der Referenzschicht orientiert wird. Im Nullfeld befindet sich das TMR-Element im
Zustand des minimalen Widerstands. Wird das magnetische
Feld erhöht, schaltet zunächst die weichmagnetische
Schicht („Minor-Loop“). Bei 4 kAm–1 ist deren Magnetisierung antiparallel zur Referenz orientiert und das TMRElement befindet sich somit im hohen Widerstandswert.
Bei der Major-Loop-Messung wird das Feld weiter erhöht
und oberhalb von 50 kAm–1 wird auch die Referenzmagnetisierung instabil. Bei 100 kAm–1 sind die beiden
Magnetisierungen wieder parallel zueinander orientiert. Reduziert man das magnetische Feld wieder bis zu negativen
Werten, dann schaltet zunächst im Bereich um 40 kAm–1
wegen der Kopplung zum IrMn die Referenzelektrode.
Darunter schaltet dann die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht. Das Beispiel verdeutlicht die Verschiebung der Hysteresekurven beider magnetischer
Schichten durch die Néel-Kopplung HN beziehungsweise
die Exchange-Bias-Kopplung Hex.
Es gibt noch viel mehr Kombinationen von Materialien,
als wir hier beschreiben können. Welches Schichtsystem
letztendlich für eine bestimmte Anwendung gewählt wird,
hängt von deren Anforderungen ab.
Anwendungen von GMR-Systemen
Die geschilderte Reaktion der Spin-Valve-Strukturen auf ein
äußeres Magnetfeld macht sie im Prinzip also zu Magnetfeldsensoren. Deshalb heißt die weichmagnetische Schicht
auch „Sensorschicht“. Spin-Valve-Sensoren sind umso empfindlicher, je höher der magnetoresistive Effekt ist und je
leichter sich die Sensorschicht ummagnetisieren lässt. Die
Hauptanwendung finden solche Sensoren als Leseköpfe in
Festplattenspeichern, die digitale Information magnetisch
speichern. Zum Lesen schwebt der Lesekopf im Abstand
von wenigen Nanometern über der rotierenden Festplatte
und detektiert die Streufelder der magnetischen Bits. Solche
GMR-Leseköpfe lösen seit 1998 die älteren AMR-Köpfe in
Festplattensystemen ab. Ihre höhere Empfindlichkeit und
ihre geringe Größe ermöglichen das Auslesen von sehr viel
kleineren und dichter zusammen liegenden Bitmustern, was
allerdings aufwändige Fehlerkorrekturcodes erfordert.
Magnetfeldsensoren werden auch für verschiedene
Aufgaben der Positionsmessung eingesetzt, etwa in der
Automobiltechnik. Dort lässt die steigende Zahl von
Sicherheits-, Komfort- und Fahrzeug-Managementsystemen
den Bedarf an geeigneten Sensoren wachsen. Zum Beispiel
müssen die Lenkraddrehung, die Stellung des Gas- oder
Bremspedals, der Drosselklappe
oder einfach nur die SitzpositiABB. 10
M R A M - DAT E N S PE I C H E R
on erfasst werden. Abbildung 9
zeigt, wie GMR-Sensoren in solchen Anwendungen kontaktlos
einen Winkel, eine Drehzahl
oder eine Linearbewegung messen könnten: Immer sitzt ein so
genannter Gebermagnet auf
dem sich bewegenden Teil. Seine Bewegung induziert ein
Streufeld am Ort des Sensors,
das sich zeitlich ändert. AufSchematische
grund der hohen Empfindlichkeit können große Luftspalte
Darstellung eines
MRAM-Zellen(also Abstände zwischen Magnet und Sensor) realisiert werfelds: In zwei
den, wodurch sich der Aufbau der Sensorsysteme verTMR-Speichereinfacht. Dies ist ein wichtiger Vorteil gegenüber den
elementen sind
bisher benutzten Hall-Sensoren.
die Magnetisie-
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Anwendungen von TMR-Systemen
Die Forscher in der Industrie fasziniert das Konzept, TMRStrukturen zur Datenspeicherung einzusetzen. So entwickelt sich das noch junge Gebiet der „Magnetoelektronik“. Das Konzept nutzt die Hysterese in der Kennlinie aus
und kodiert die Information binär, indem es die Zelle entweder in den hoch- oder niederohmigen Zustand schaltet.
Abbildung 10 zeigt schematisch, wie ein solcher Speicherbaustein aussehen könnte. Er hat wie konventionelle Speicherchips zwei Leiterbahnebenen: die so genannten Bitleitungen (oben) und die Wortleitungen (unten). Beide kreuzen sich und ergeben so eine Matrixstruktur, an deren einzelnen Kreuzungspunkten die TMR-Speicherzellen sitzen.
Beim Schreiben der Information fließt zugleich je ein Puls
elektrischen Stroms durch die Wort- und die Bitleitung. Die
beiden Pulse überlagern sich an derjenigen TMR-Speicherzelle, die am Kreuzungspunkt beider Leitungen liegt. Dort
addieren sie sich zu einem Magnetfeld auf, das zum Schalten der weichmagnetischen Schicht ausreicht. Alle anderen
TMR-Zellen entlang der beiden aktivierten Stromleitungen
sehen dagegen nur ein magnetisches Feld, das um den FakNr. 5 33. Jahrgang 2002
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rungsrichtungen
für hochohmig
(digitale Eins) und
niederohmig
(digitale Null) mit
Pfeilen eingezeichnet.
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tor √2 geringer ist: Sie schalten deshalb nicht um. Das Auslesen der Information geschieht über die Bewertung des
Zellwiderstandes.
Nach diesem Prinzip ließe sich ein monolithischer,
nichtflüchtiger Speicher realisieren. Er könnte anders als
die bisher notwendigen Festplatten mit hoher Speicherdichte und kurzer Zugriffszeit bei geringem Leistungsverbrauch aufwarten. Digitale Audio- und Videogeräte und
portable Computer würden so längere Betriebszeiten erreichen oder mit kleineren und leichteren Akkus auskommen. Außerdem müsste ein PC dann nicht mehr zeitaufwändig gebootet werden. Bei einem Systemabsturz
würden auch keine Daten mehr verloren gehen, weil der
flüchtige Arbeitsspeicher entfallen würde. An der Verwirklichung dieser Vision wird zurzeit weltweit mit großer
Intensität gearbeitet, zum Beispiel von Motorola, IBM und
Infineon. Erste Muster sind für 2003/2004 angekündigt.
keiten: der Riesenmagnetwiderstand (GMR) und der Tunnelmagnetwiderstand (TMR). In beiden Fällen schaltet das
Magnetfeld die Magnetisierung einer weichmagnetischen
Sensorschicht relativ zu der einer hartmagnetischen Referenzschicht um. Es ändert so den elektrischen Widerstand des
Systems. GMR-Systeme variieren ihren Magnetwiderstand um
bis zu 20 % , TMR-Systeme bis zu 50 %. Das liegt gut eine
Größenordnung über den älteren, einschichtigen PermalloySystemen. GMR-Systeme sind bereits in Leseköpfen von Festplatten etabliert. Beide Effekte könnten Speicherchips und
Sensortechnik revolutionieren.
Stichworte
Riesenmagnetwiderstand, Giant Magnetic Resistance, GMR,
Tunnelmagnetwiderstand,Tunnel Magnetoresistance,TMR,
Magnetoelektronik, Spin-Ventil, Spin Valve, Sensortechnik,
Speicherchip
Biosensoren und Logikchips
Aktuell zum Thema
Giant MagnetoResistance Devices.
E. Hirota,
H. Sakakima,
K. Inomata, 177 S.,
167 Abb., SpringerVerlag, Heidelberg
2002. geb., 64,95 f.
3-540-41819-9
Mit diesen Beispielen ist die Vielzahl möglicher Anwendungen noch nicht erschöpft. Magnetoresistive Strukturen
können so ausgelegt werden, dass sie sehr empfindlich
auf mechanische Spannungen reagieren. Sie können als
Magnetokoppler auch zur potentialfreien Signalübertragung
eingesetzt werden. Sie sind dort im Gegensatz zu Optokopplern bis zu deutlich höheren Frequenzen nutzbar. Als
Biosensoren würden sie gestatten, auf DNA-Chips die Konzentration spezifischer Proteine elektrisch und nicht wie
derzeit üblich über zeitaufwändige optische Verfahren auszulesen. Dazu müssen die Proteinstränge mit magnetischen
Markern dekoriert werden, auf deren Magnetfeld die empfindlichen Sensorelemente ansprechen.
Ein neues, ebenfalls sehr interessantes Anwendungsfeld
sind rekonfigurierbare Logikchips. Ihre Funktion basiert
darauf, dass TMR-Elemente zu Gattern verknüpft werden.
Diese Gatter können durch Einstellen der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schichten etwa als
AND-, OR-, NOR- oder NAND-Gatter programmiert werden.
Damit könnte eine komplexe Logikschaltung für eine bestimmte Anwendung oder Rechenoperation schnell und beliebig oft umprogrammiert werden. Ein Chip könnte so je
nach Bedarf als Graphikprozessor arbeiten oder zum
Soundchip mutieren: Die Hardware müsste nicht ausgetauscht, sondern lediglich vor dem Abspielen von
Musikstücken neu programmiert werden. Solch universellen Logikbausteine würden eine problematische Lücke
schließen: Heutige Mikroprozessoren, die alles können, sind
langsam – die viel schnelleren ASICs (Application Specific
Integrated Circuit) können dagegen leider nur für eine
spezielle Aufgabe maßgeschneidert werden.
Zusammenfassung
Magnetoresistive Bauelemente verändern in einem äußeren
Magnetfeld ihren elektrischen Widerstand. Zwei Effekte
ermöglichen in solchen Dünnschicht-Sandwiches sehr hohe
Widerstandsänderungen und damit große Empfindlich216
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Physik in unserer Zeit
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33. Jahrgang 2002 Nr. 5
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Literatur
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M. N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 1988, 61, 2472.
G. Binasch et al., Phys. Rev. B 1989, 39, 4828.
S. Parkin et al., Appl. Phys. Lett. 1991, 58, 2710.
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Übersichtsartikel:
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R. Allenspach , Physik in unserer Zeit 1996, 27, 118.
Physics Today 1995 , 48 (4) (Themenheft).
Die Autoren
Von links nach rechts:
Joachim Wecker studierte in Göttingen Physik. Promotion 1985. Seitdem
arbeitet er bei Siemens Corporate Technology in Erlangen und ist zurzeit als
Projektleiter verantwortlich für die Entwicklung magnetoelektronischer
Bauelemente.
Ralf Richter studierte in Würzburg und Buffalo (New York) Physik. Seit Mitte
1999 beschäftigt er sich in seiner Doktorarbeit in Erlangen mit rekonfigurierbaren Logikbausteinen, die auf TMR-Elementen basieren.
Ralf Kinder studierte in Regensburg Physik. Seit 1999 arbeitet er im Rahmen
seiner Doktorarbeit in Erlangen an Fragen des spinabhängigen Transportes in
TMR-Strukturen.
Anschrift:
Siemens AG, Corporate Technology, CT MM 1, Postfach 3220,
D-91050 Erlangen. [email protected]