DE102015203272B4

DE102015203272B4 - Magnetoelektrische funktionselemente

Info

Publication number: DE102015203272B4
Application number: DE102015203272.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kosub; Denys Makarov; Oliver G. Schmidt
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2015-02-24
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2035-02-25
Also published as: DE102015203272A1

Abstract

Magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht (2), auf der eine magnetoelektrische Schicht (3) angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht (4) angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht (3) und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht (3) in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht (4) nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht (3) ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind, und wobei die magnetoelektrischen Funktionselemente keine ferromagnetischen Materialen aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Elektrotechnik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft magnetoelektrische Funktionselemente, welche als Speicherelemente oder Logikelemente in der Informationsverarbeitung, beispielsweise in MERAMs zum Einsatz kommen können.
Die Magnetoelektronik hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Durch die Entdeckung des sogenannten Giant-Magnetowiderstandes (GMR) und des Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) konnten auch sehr kleine Magnetfeld- oder Magnetisierungsänderungen direkt in eine Widerstandsänderung umgesetzt werden. Der GMR-Effekt wird üblicherweise in rein metallischen Strukturen genutzt, wohingegen der TMR-Effekt in Strukturen mit einer oxidischen Tunnelbarriere zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten ausgenutzt wird. Derzeit werden TMR-Strukturen für elektronisch auslesbare Magnetspeicher (MRAMs), in der Magnetfeldsensorik und für Festplattenleseköpfe eingesetzt.
Bei MRAMs erfolgt das Schreiben einer Information in Form einer magnetischen Polarisierung durch ein Magnetfeld, wobei die Polarität des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der gewünschten Information geändert wird. Die gespeicherten binären Informationen in MRAMs sind also durch einen Magnetisierungszustand codiert. Zum Lesen der Informationen wird der Magnetisierungszustand des codierenden metallischen Ferromagneten an einem bestimmten Ort ermittelt.
Nachteilig bei diesen bekannten Lösungen ist, dass MRAMs sehr viel Energie zum Schreiben benötigen.
Die bekannten magnetoelektrischen Magnetspeicher (MERAMs), bei denen Magnetoelektrika genutzt werden, um das Schreiben der Magnetisierung mit einem elektrischen Feld zu ermöglich, beheben diesen Mangel. Sie sind deutlich energieeffizienter.
Nach der DE 10 2005 043 574 A1 ist ein magnetoresistives Element, insbesondere ein Speicherelement oder Logikelement und ein Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein derartiges Element bekannt, welches ein MERAM ist. Das magnetoresistive Element besteht aus einem ersten und zweiten Kontakt, zwischen denen eine Trennschicht angeordnet ist, und aus einer Schicht aus einem magnetoelektrischen oder ferroelektrischen Material, wobei diese Schicht dem ersten Kontakt, der aus einem ferromagnetischen Material besteht, derart zugeordnet ist, dass der erste Kontakt in Abhängigkeit von einer ferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht magnetisch polarisiert ist. Das Schreiben von Informationen in ein derartiges Element erfolgt, indem die magnetoelektrische Schicht über eine kritische Temperatur erwärmt und mittels eines Magnetfeldes und eines elektrischen Feldes in der Grenzschicht antiferromagnetisch polarisiert wird. Magnetfeld und elektrisches Feld werden bis zum Abkühlen unter die kritische Temperatur aufrechterhalten, wodurch die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation (AGP) eingefroren wird. Diese AGP polarisiert den ersten Kontakt magnetisch, und diese magnetische Polarisation des ersten Kontaktes bildet die geschriebene Information. Diese geschriebene Information kann dann über den elektrischen Widerstand über die beiden Kontakte gelesen werden, da der elektrische Widerstand bei paralleler Ausrichtung der Polarisationen oder der magnetischen Momente der beiden Kontakte niedrig und bei antiparalleler (entgegengesetzter) Ausrichtung hoch ist.
Nachteilig bei den Lösungen zu MERAMs ist vor allem, dass der zum Auslesen notwendige Ferromagnet die Grundfunktionalität (das magnetoelektrische Schalten der Information) behindert oder selbst nicht mitgeschalten wird (ASHIDA, T. [u. a.]: Observations of magnetoelectric effect in Cr2O3/Pt/Co thin film system. In: Applied Physics Letters, 104, 2014, S. 152409-1 bis 152409-3 oder HE, Xi [u. a.]: Robust isothermal electric control of exchange bias at room temperature. In: Nature Materials, Vol. 9, 2010, S. 579-585 oder LIM, S.-H. [u. a.]: Exchange bias in thin-film (Co/Pt)3/Cr2O3 multilayers. In: Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 321, 2009, S. 1955-1958). Die beteiligten Ferromagneten zeigen außerdem starke ungewollte Wechselwirkungen mit dem zum Schreiben benötigten Magnetfeld.
Magnetoelektrische Funktionselemente mit Ferromagneten sind aus den Druckschriften US 2007 / 0 014 143 A1 , US 2014 / 0 231 888 A1 , US 7 982 249 B2 und US 2013 / 0 175 588 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, magnetoelektrische Funktionselemente anzugeben, bei welchen sowohl das Schreiben einer Information als auch deren Auslesen direkt am Speicherort energieeffizient realisierbar ist.
Die erfindungsgemäße magnetoelektrischen Funktionselemente bestehen mindestens aus einer Schicht, auf der eine magnetoelektrische Schicht angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0 ° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind.
Vorteilhafterweise ist eine Substratschicht unter der Schicht angeordnet.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind als Substratmaterial Si, Al₂O₃, MgO, SiO₂, Gläser oder Polymere, wie Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat und/oder Polyimid vorhanden.
Weiterhin vorteilhafterweise ist die Schicht mechanisch stabil und/oder unstrukturiert.
Und auch vorteilhafterweise besteht die Schicht aus Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al und/oder n- oder p-dotiertes Silizium, V₂O₃, Ti₂O₃ oder Graphen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die magnetoelektrische Schicht aus Cr₂O₃, BiFeO₃, BaTiO₃ besteht.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die magnetisch polarisierbare Schicht aus Pt, Pd und/oder Graphen besteht.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die magnetisch polarisierbare Schicht kreuzförmig ausgebildet ist und die magnetoelektrische Schicht nur teilweise bedeckt, wobei noch vorteilhafterweise die kreuzförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes elektrisch kontaktiert ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die magnetischen Funktionselemente neben- und/oder übereinander zu einem magnetoelektrischen Bauelement angeordnet sind, wobei noch vorteilhafterweise die neben- und/oder übereinander angeordneten magnetoelektrischen Funktionselemente durch eine Trennschicht separiert angeordnet sind, und wobei ebenfalls noch vorteilhafterweise die Trennschicht jeweils in Richtung senkrecht zur Schichtebene der Schichten der Funktionselemente angeordnet ist, und auch noch vorteilhafterweise die Trennschicht SiO₂, SiN, Al₂O₃, HfO₂ und oder Polyimid ist.
Von Vorteil ist es auch, wenn über den Hall-Effekt die in die magnetisch polarisierbare Schicht übertragene Magnetisierung messbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich, magnetoelektrische Funktionselemente anzugeben, bei welchem sowohl das Schreiben einer Information als auch deren Auslesen direkt am Speicherort energieeffizient realisierbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird insbesondere das Problem von bekannten MERAMs vermieden, dass austauschgekoppelte ferromagnetische Bestandteile der MERAMs den magnetoelektrischen Schreibprozess stören.
Erreicht wird dies durch magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht, auf der eine magnetoelektrische Schicht angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0 ° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind. Die Schicht ist eine Schicht, die aus einer oder mehreren mindestens teilweise übereinander angeordneten Schichten bestehen kann, wobei mindestens eine oder die eine Schicht mindestens elektrisch leitend ist und keine TMR- oder GMR-Funktionen realisieren kann.
Diese eine oder mehrere Schichten können gleichzeitig als Substrat dienen, sofern die Schicht eine Schichtdicke und/oder eine Struktur aufweist, die die mechanische Stabilität der Funktionselemente sichert.
Unter Struktur soll im Rahmen dieser Erfindung der allgemeine atomare Aufbau eines Materials verstanden werden, welches erfindungsgemäß in der Form von Schichten vorhanden ist. Eine Struktur wird über den Strukturtypen und die strukturelle Orientierung beschrieben. Der Strukturtyp klassifiziert Materialien nach den im atomaren Aufbau vorhandenen geometrischen Symmetrien und die strukturelle Orientierung beschreibt die Drehung der Struktur im Raum. Im Falle der Herstellung des Schichtaufbaus mittels Dünnschichttechnik wirkt die Schicht vorteilhafterweise auch als Keimschicht für die strukturelle Orientierung der aufwachsenden magnetoelektrische Schicht.
Als Keimschicht soll im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht verstanden werden, die dazu dient, eine bestimmte, gewünschte Struktur in der auf die Keimschicht aufwachsenden Schicht zu realisieren.
Falls sich die Funktionen der Schicht als elektrisch leitende Schicht und als Keimschicht nicht vereinen lassen, können die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente vorteilhafterweise ein Substrat aufweisen, welches mit der Schicht mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden ist. Die erfindungsgemäße Schicht hat dabei mindestens die Funktion der elektrischen Leitfähigkeit. Das Substrat kann in diesem Fall die Funktion der Keimschicht übernehmen und beim Schichtwachstum im weiteren Schichtwachstumsprozess für die notwendige Struktur der aufwachsenden Schicht und magnetoelektrischen Schicht sorgen.
Üblicherweise wird die Schicht auf einem Substrat angeordnet. Als Substratmaterialien können vorteilhafterweise Si, Al₂O₃, MgO, SiO₂, Gläser oder Polymere vorhanden sein. Es kommen für die Schicht nahezu alle Metalle oder Metalllegierungen infrage, wie z.B. Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Ni, Cr, Cu, Al, aber auch Halbleiter oder andere elektrisch leitende Materialien, wie z.B. n- oder p-dotiertes Silizium, V₂O₃, Ti₂O₃ oder Graphen.
Wenn die Schicht aus mehreren mindestens teilweise übereinander angeordneten Schichten besteht, dann können diese weiteren Schichten zusätzliche Funktionen realisieren, die zu verbesserten Eigenschaften, wie einer verbesserten Haftung auf dem Substrat, einer verbesserten Haftung zur magnetoelektrischen Schicht und/oder einer verbesserten chemischen Beständigkeit der Schicht führen. Die Schicht kann strukturiert ausgeführt sein. Unter Strukturierung einer Schicht soll im Rahmen dieser Erfindung die äußere Form der Schicht im geometrischen Sinne verstanden werden, wie sie beispielsweise über lithographische Verfahren realisiert werden kann. Durch die Strukturierung der einen oder mehreren Schichten und/oder des Substrates können weitere zusätzliche Funktionen realisiert werden, wie das Erzeugen eines lokalen elektrischen Potentials und/oder das Erzeugen eines lokalen magnetischen Feldes.
Auf der Schicht ist wiederum mindestens teilweise stoffschlüssig eine magnetoelektrische Schicht angeordnet. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Schicht und der magnetoelektrischen Schicht mindestens dort realisiert ist, wo später die Information geschrieben und/oder gelesen werden soll. Die magnetoelektrische Schicht ist neben ihrer magnetoelektrischen Eigenschaft weiterhin mindestens eine elektrisch isolierende Schicht mit einem magnetischen Ordnungsparameter, der in einem Winkel von > 0 ° zur Schichteben der magnetoelektrischen Schicht ausgerichtet ist und einer, auch bei antiferromagnetischer Ordnung, magnetisch unkompensierten Oberfläche an der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht. Ein Ordnungsparameter wird in der statistischen Physik im Zusammenhang von Phasenübergängen mit spontaner Symmetriebrechung verwendet. Sie sind in einem Zustand des Systems, meist im ungeordneten, Null und nehmen im geordneten einen Wert an. Bei Phasenübergängen von Ferromagneten wird die Magnetisierung als Ordnungsparameter definiert. Bei Phasenübergängen kollinearer Antiferromagneten wird die Magnetisierung eines magnetischen Untergitters als Ordnungsparameter definiert. Magnetisch unkompensiert ist ein Material, wenn das vektorielle magnetische Moment aller seiner Spinmomente in ihrer Summe > 0 ist.
Diese magnetoelektrische Schicht besitzt vorteilhafterweise eine antiferromagnetische Ordnung und besteht vorteilhafterweise aus Cr₂O₃, auch z.B. mit Übergangsmetallen oder mit Bor dotiert, um die Ordnungstemperatur- und -stärke anzupassen, oder aus BiFeO₃, oder auch aus Kompositen oder magnetisch dotierten Ferroelektrika, wie z.B. BaTiO₃, dotiert mit z.B. Fe.
Die magnetoelektrische Schicht ist einerseits über der Schicht angeordnet, muss aber nicht mit dieser stoffschlüssig verbunden sein, und ist andererseits mindestens teilweise stoffschlüssig mit der magnetisch polarisierbaren Schicht verbunden. Dabei ist ebenfalls von besonderer Bedeutung, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen der magnetoelektrischen Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht mindestens dort realisiert ist, wo später die Information geschrieben und/oder gelesen werden soll. Durch die magnetoelektrische Schicht wird eine elektrische Isolation zwischen der Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht, die jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind, realisiert damit diese nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind.
Beispielsweise kann die magnetoelektrische Schicht eine (0001)-orientierte α-Cr₂O₃-Schicht sein. Obwohl das Material eine antiferromagnetische Ordnung besitzt, ist bekannt, dass z.B. an seiner (0001) Oberfläche eine stabile ferromagnetische Terminierung erfolgt (BELASHCHENKO, K. D.: Equilibrium magnetization at the boundary of a magnetoelectric antiferromagnet. In: Phys. Rev. Lett., 105, 2010, S. 1-5). Eine (0001)-Oberfläche ist somit magnetisch unkompensiert, da alle ihre Spinmomente parallel ausgerichtet sind. Zusätzlich sind diese Spinmoment entlang der [0001]-Richtung orientiert, also senkrecht zur Schichtebene. Dies erlaubt das Lesen der Information über den magnetischen Proximity-Effekt und den Hall Effekt.
Auf der magnetoelektrischen Schicht ist wiederum mindestens teilweise stoffschlüssig eine magnetisch polarisierbare Schicht angeordnet.
Unter einer magnetisch polarisierbaren Schicht soll im Rahmen dieser Erfindung eine Schicht aus einem nicht-ferromagnetischen Material verstanden werden, das elektrisch leitend ist, den magnetischen Proximity-Effekt aufweist und nur durch den magnetischen Proximity-Effekt eine magnetische Polarisierung erhält. Der magnetische Proximity-Effekt ist ein Effekt, der bei einigen nicht von selbst magnetisch geordneten Materialien eine endliche spontane Magnetisierung erzeugt, sofern eine stoffschlüssige Verbindung mit einem Material mit magnetischer Ordnung vorliegt. Durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Schichten ist die magnetische Polarisation der Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht in die magnetisch polarisierbaren Schicht mindestens im Grenzflächenbereich der stoffschlüssigen Verbindung von magnetoelektrischer Schicht und magnetisch polarisierbarer Schicht übertragen.
Die magnetisch polarisierbare Schicht besteht vorteilhafterweise aus Pt, Pd, Graphen. Weiterhin bedeckt die magnetisch polarisierbare Schicht vorteilhafterweise die magnetoelektrische Schicht nur teilweise, besonders vorteilhafterweise ist die Bedeckung kreuzförmig oder kleeblattförmig ausgebildet.
Der Vorteil einer kreuzförmigen oder kleeblattförmigen Ausbildung liegt einerseits darin, dass die Magnetisierungseffekte, die nur an den Stellen des magnetoelektrischen Bauelementes auftreten, an denen die magnetisch polarisierbare Schicht die magnetoelektrische Schicht bedeckt, schwerer auf benachbarte Bauelemente einwirken können, und andererseits ermöglicht die vorteilhafterweise kreuzförmig oder kleeblattförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht eine elektrische Kontaktierung an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes oder Kleeblattes. Dies ist besonders vorteilhaft, da dadurch ein Strom diagonal durch die kreuzförmige oder kleeblattförmige Anordnung geleitet werden kann.
Dies ist besonders vorteilhaft, da diese kreuzförmigen oder kleeblattförmigen Strukturen eine einfache Hallmessung ermöglichen und der Hall-Effekt zur Messung der magnetischen Polarisierung genutzt werden kann. Der Hall-Effekt ist bei magnetisch geordneten Materialien unter anderem von der Magnetisierung, die senkrecht in der Schicht vorhanden ist, abhängig. Dies wird z.B. durch den anomalen Hall-Effekt gewährleistet.
Über der magnetisch polarisierbaren Schicht können weitere Schichten angeordnet sein, die zusätzliche Funktionen, wie verbesserte mechanische, physische, chemische Beständigkeit und/oder zusätzlich lokale elektrische Funktionen, wie das Erzeugen eines lokalen elektrischen Potentials und/oder das Erzeugen eines lokalen magnetischen Feldes realisieren können. Diese zusätzlichen Schichten dürfen jedoch keine Verbindung zwischen der Schicht und der magnetisch polarisierbaren Schicht realisieren. Vorteilhafterweise sind mögliche zusätzliche Schichten komplett von den erfindungsgemäß notwendigen Schichten elektrisch isoliert.
Während weitere Schichten auf der magnetisch polarisierbaren Schicht und unter der magnetoelektrischen Schicht angeordnet sein können, ist erfindungswesentlich, dass ein mindestens teilweiser stoffschlüssiger Kontakt zwischen der magnetisch polarisierbaren Schicht und der magnetoelektrischen Schicht besteht, damit der magnetische Proximity-Effekt wirken und ausgenutzt werden kann.
Weiterhin sind erfindungsgemäß die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht elektrisch kontaktiert.
Alle erfindungsgemäß notwendigen Schichten der magnetoelektrischen Funktionselemente sind vorteilhafterweise Dünnschichten. Für die magnetoelektrische Schicht können Schichtdicken zwischen 1 nm und 1 mm, vorteilhafterweise von unter 1 µm, realisiert sein. Für die Schicht liegen mögliche Dicken zwischen 1 nm und 1 mm vor. Schichtdicken für die magnetisch polarisierbare Schicht zwischen 1 nm und 1 mm, vorteilhafterweise von unter 10 nm, können vorliegen.
Erfindungsgemäß können auch mehrere erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente in einem Bauelement über- und/oder nebeneinander, vorteilhafterweise mit Trennschichten separiert, angeordnet sein.
Die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente können in oder als MERAMs eingesetzt werden. Dazu ist die Möglichkeit des Schreibens und Lesens von Informationen erforderlich, was die erfindungsgemäßen Funktionselemente realisieren.
Das Schreiben von Informationen erfolgt beispielsweise auf die herkömmliche Art und Weise. An die magnetisch polarisierbare Schicht als Elektrode wird mittels der elektrischen Kontaktierung eine elektrische Spannung, die Schreibspannung, angelegt. Dadurch wird ein elektrisches Feld im Funktionselement zwischen der Schicht, die als Referenzelektrode dient, und der magnetisch polarisierbaren Schicht erzeugt.
Ein magnetisches Feld kann global und/oder lokal vorhanden sein. Als globales magnetisches Feld kann beispielsweise das Erdmagnetfeld oder ein durch einen Permanentmagneten oder Elektromagneten erzeugtes Magnetfeld vorhanden sein. Als lokales magnetisches Feld kann beispielsweise ein durch eine oder mehrere der Schichten im magnetoelektrische Funktionselement erzeugtes magnetisches Feld vorhanden sein.
Durch das Produkt aus elektrischem und magnetischem Feld, welches an die erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente angelegt ist, wird eine deterministische Selektion des magnetischen Ordnungsparameters erreicht und damit eine stabile deterministische Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung zur magnetisch polarisierbaren Schicht realisiert und eine Information „eingeschrieben“. Der Schreibstrom ist vor allem ein Ladestrom der Elektroden. Die Kapazität der erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselemente selbst ist sehr klein (ca. 0.1 fF für in mikroelektronischen integrierten Schaltkreise typische Abmessungen), womit die Schreibenergie von der konkreten Ausführung des Funktions- und Bauelementes limitiert ist. Da zum Schreiben nur das Produkt aus elektrischem Feld und Magnetfeld entscheidend ist, können die individuellen Feldstärken angepasst werden.
Da die magnetisch polarisierbare Schicht gerade nicht aus ferromagnetischen Materialien besteht, kann das Auslesen der Informationen gerade nicht mit den sonst üblichen magnetoresistiven Ausleseverfahren realisiert werden, da diese ein ferromagnetisches Material benötigen.
Die magnetoelektrische Schicht hat eine magnetische Ordnung, sodass sich im Inneren der Schicht die Magnetisierung kompensiert, an ihrer Oberfläche aber sich die Magnetisierung im Flächenmittel nicht kompensiert und eine stabile unkompensierte Magnetisierung vorliegt. Infolge des mindestens teilweisen direkten stofflichen Kontaktes der magnetoelektrischen Schicht mit der magnetisch polarisierbaren Schicht wird diese Oberflächenmagnetisierung über den magnetischen Proximity-Effekt einerseits auf die magnetisch polarisierbare Schicht übertragen und andererseits durch den Hall-Effekt messbar. Der Messstrom fließt hierbei nur durch die magnetisch polarisierbare Schicht, wodurch der Hall-Effekt, der eine zur Schichtdicke indirekt proportionale Stärke aufweist, besonders stark wird.
Zum Auslesen der gespeicherten Information in Form einer gewünschten Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht wird der sogenannte magnetische Proximity-Effekt ausgenutzt. Dieser ist für einige Materialien bekannt, beispielsweise für Pt und Pd. Das Schreiben der Information und Erzeugen einer Oberflächenmagnetisierung in der magnetoelektrische Schicht bewirkt aufgrund dieses Effektes an der Grenzfläche der magnetischen polarisierbaren Schicht zur magnetoelektrischen Schicht eine messbare magnetische Polarisierung, die von der Oberflächenmagnetisierung der magnetoelektrischen Schicht abhängt.
Diese übernommene magnetische Polarisierung im Grenzflächenbereich der magnetisch polarisierbaren Schicht erlaubt dann eine Bestimmung des magnetischen Zustandes durch den Halleffekt. Durch diesen Hall-Effekt kann die kleine Grenzflächenmagnetisierung erfasst und die Information ausgelesen werden, indem der Hallwiderstand der magnetisch polarisierbaren Schicht bestimmt wird.
Vorteilhaft bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung, ist, dass keine ferromagnetischen Materialien eingesetzt werden müssen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die magnetoelektrische Schicht aus einem antiferromagnetischen Material besteht, welches extrem magnetfeldunempfindlich ist. Der Vorteil von MERAMs gegenüber MRAMs, dass für MERAMs typischerweise die Energieeffizienz beim Schreiben von Informationen erhöht ist, tritt ebenfalls ein.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt

1 (a) Querschnitt des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementes mit globalem Magnetfeld (b) Querschnitt des Schichtaufbaus eines erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementes mit lokal erzeugtem Magnetfeld
2 Querschnitt des Schichtaufbaus eines Bauelementes aus mehreren über- und nebeneinander angeordneten erfindungsgemäßen magnetoelektrischen Funktionselementen

Beispiel
Auf ein Substrat 1 aus Al₂O₃ mit der Dicke 0,5 mm wird mittels Sputtern eine Schicht aus Platin als Schicht 2 mit einer Dicke von 20 nm aufgebracht. Nachfolgend wird eine weitere Schicht aus α-Cr₂O₃ als magnetoelektrische Schicht 3 mittels Sputtern mit einer Dicke von 250 nm aufgebracht. Diese magnetoelektrische Schicht 3 weist eine strukturelle Orientierung (0001) auf, wodurch die magnetisch unkompensierte (0001)-Gitterebene die Oberfläche bildet. Mittels Sputtern mit einer Schablone wird darauf eine weitere Schicht aus Pt mit einer Dicke von 2 nm als magnetisch polarisierbare Schicht 4 auf die magnetoelektrische Schicht 3 in kreuzförmiger Form aufgebracht.
Zum Schreiben einer Information ist ein globales, d.h. den Schichtaufbau homogen durchdringendes Magnetfeld erforderlich. Dieses wird durch einen Permanentmagnet zur Verfügung gestellt. Die Stärke des Magnetfeldes beträgt 100 mT. Während die Schicht 2 permanent auf elektrisches Nullpotential fixiert ist, wird mindestens einer der Kontakte der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 auf eine Schreibspannung geschalten. Die Schreibspannung ist je nach zu schreibendem Bit eine positive oder negative Spannung von +/- 12 V. Durch das die magnetoelektrische Schicht 3 unterhalb der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 nun zusätzlich durchdringende senkrechte elektrische Feld ergibt sich das kombinierte magnetoelektrische Schreibfeld der Größe +/- 4.8 10⁶ VT/m. Dieses Schreibfeld bewirkt eine deterministische Selektion des magnetischen Ordnungsparameters der magnetoelektrischen Schicht 3. Durch die magnetisch unkompensierte Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht 3, ergibt sich damit an der Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht 3 eine deterministische endliche Magnetisierung nach „oben“ oder nach „unten“ je nach Bit. Dieser Zustand kodiert die Information. Sobald das kreuzförmige Element der magnetisch polarisierbaren Schicht 4 auf die Schreibspannung geladen wurde, werden alle Kontakte wieder getrennt.
Durch den magnetischen Proximity-Effekt ist die magnetisch kodierte Information der magnetoelektrischen Schicht 3 gleichzeitig im Grenzflächenbereich der magnetisch polarisierbaren Schicht 4 vorhanden.
Zum Auslesen wird durch die gegenüberliegenden Enden der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 ein Strom von 1 mA geleitet. Durch differentielle Hallspannungsmessung an den verbleibenden zwei Kontakten der kreuzförmigen magnetisch polarisierbaren Schicht 4 kann die Information ausgelesen werden. Die Hallspannung ist je nach Bit entweder positiv oder negativ und etwa +/- 1 µV groß
Durch diesen Schichtaufbau ist ein energieeffizientes Schreiben und Auslesen der Information direkt am Speicherort möglich.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Schicht
3: magnetoelektrische Schicht
4: magnetisch polarisierbare Schicht
5: Trennschicht

Claims

Magnetoelektrische Funktionselemente mindestens bestehend aus einer Schicht (2), auf der eine magnetoelektrische Schicht (3) angeordnet ist und auf der wiederum eine magnetisch polarisierbare Schicht (4) angeordnet ist, wobei mindestens die magnetoelektrische Schicht (3) und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) mindestens teilweise stoffschlüssig verbunden sind und mindestens die Oberfläche der magnetoelektrischen Schicht (3) in den Bereichen der stoffschlüssigen Verbindung mit der magnetisch polarisierbaren Schicht (4) nicht magnetisch kompensiert ist und der Ordnungsparameter in einem Winkel von > 0° zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht (3) ausgerichtet ist, und die Schicht und die magnetisch polarisierbare Schicht (4) jeweils mindestens elektrisch leitend und elektrisch kontaktiert sind und nicht im elektrischen Kurzschluss miteinander sind, und wobei die magnetoelektrischen Funktionselemente keine ferromagnetischen Materialen aufweisen.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen eine Substratschicht (1) unter der Schicht (2) angeordnet ist.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 2, bei denen als Substratmaterial Si, Al₂O₃, MgO, SiO₂, Gläser oder Polymere, wie Polycarbonat, Polyetheretherketon, Polyethylenterephthalat und/oder Polyimid vorhanden sind.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die Schicht (2) mechanisch stabil und/oder unstrukturiert ist.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die Schicht (2) aus Pt, Au, Ag, Pd, Ru, Cu, Cr, Cu, Al und/oder n- oder p-dotiertem Silizium, V₂O₃, Ti₂O₃ oder Graphen besteht.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetoelektrische Schicht (3) aus Cr2O3, BiFeO3 oder BaTiO3 besteht.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetisch polarisierbare Schicht (4) aus Pt, Pd und/oder Graphen besteht.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen die magnetisch polarisierbare Schicht (4) kreuzförmig ausgebildet ist und die magnetoelektrische Schicht (3) nur teilweise bedeckt.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 8, bei denen die kreuzförmig ausgebildete magnetisch polarisierbare Schicht (4) an gegenüberliegenden Enden des Kreuzes elektrisch kontaktiert ist.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen magnetoelektrische Funktionselemente neben- und/oder übereinander zu einem magnetoelektrischen Bauelement angeordnet sind.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 10, bei denen die neben- und/oder übereinander angeordneten magnetoelektrischen Funktionselemente durch eine Trennschicht (5) separiert angeordnet sind.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 11, bei denen die Trennschicht (5) jeweils in Richtung senkrecht zur Schichtebene der Schichten der Funktionselemente angeordnet ist.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 11, bei denen die Trennschicht SiO₂, SiN, Al₂O₃, HfO₂ und/oder Polyimid ist.
Magnetoelektrische Funktionselemente nach Anspruch 1, bei denen über den Hall-Effekt eine in die magnetisch polarisierbare Schicht übertragene Magnetisierung messbar ist.