DE2232902A1 - MAGNETIC GARNET SINGLE CRYSTAL LAYER - Google Patents

Description

Anmelderin: International Business MachinesApplicant: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: NeuanmeldungOfficial File number: New registration

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 035File number of the applicant: YO 971 035

Magnetische Granat-EinkristallschichtMagnetic garnet single crystal layer

Die Erfindung betrifft eine magnetische Granat-Einkristallschicht mit Lanthaniden-Anteilen sowie mit uniaxialer Anisotropie zur Aufrechterhaltung und Weiterleitung hierin erzeugter magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen.The invention relates to a magnetic garnet single crystal layer with lanthanide components and with uniaxial anisotropy for Maintain and distribute single-wall magnetic cylindrical domains created herein.

Anordnungen mit zylindrischen magnetischen Domänen sind beispielsweise aus der USA-Patentschrift 3 460 116 bekanntgeworden. Hierbei werden zylindrische magnetische Domänen in einem magnetischen Film wahlweise erzeugt und hierin nach vorgegebenem Muster verschoben. Wenn diese magnetischen zylindrischen Domänen zur Darstellung binärer Information dienen, dann lassen sich entsprechende Daten einschreiben, auslesen und verschieben, wie es bei datenverarbeitenden Einrichtungen gefordert wird.Arrangements with cylindrical magnetic domains are for example made known from US patent specification 3,460,116. Here are cylindrical magnetic domains in a magnetic Film optionally generated and shifted according to a given pattern. If these magnetic cylindrical domains to represent serve binary information, then corresponding data can be written in, read out and shifted, as it is with data processing facilities is required.

Magnetische Filme dieser Art können dabei Orthoferrite, Magnetoplumbite und Granate sein. Speziell sind Granate als magnetische Domänenmaterialien vorgeschlagen worden, wie es sich aus den nachstehend aufgeführten Literaturstellen ergibt:Magnetic films of this type can be orthoferrite, magnetoplumbite and be grenade. In particular, garnets have been proposed as magnetic domain materials as disclosed in US Pat references listed below result in:

1. Van Uitert, et al "Garnets for Bubble Domain Devices", Mat. Res. Bull., Bd. 5, Seiten 825-836, 1970.1. Van Uitert, et al, "Garnets for Bubble Domain Devices," Mat. Res. Bull., Vol. 5, pp. 825-836, 1970.

2. E. A. Giess, et al "Magnetic Materials for Circular Domain2. E. A. Giess, et al "Magnetic Materials for Circular Domain

309807/1166309807/1166

Devices", IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 13., Nr. 2, S. 517, Juli IP70.Devices ", IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 13, No. 2, P. 517, July IP70.

3. A. H. B ob eck, et al "Fniaxial Facnetic C-arnets for Dorain Wall 'Bubble' Devices", Applied Phvsics Letters, Ed. 17. Hr. 3, S. 131 (1. Aug. 19 70).3. A. H. Bobeck, et al "Fniaxial Facnetic Carnets for Dorain Wall 'Bubble' Devices ", Applied Physics Letters, Ed. 17. Mr. 3, p. 131 (Aug. 1, 1970).

4. J. E. Mee, et al IFEE Transactions on Magnetics, ^r'l?G-5. S. 717 (1969) .'4. JE Mee, et al IFEE Transactions on Magnetics, ^r 'l? G-fifth P. 717 (1969). '

5. J. E. Mee, et al Applied Physics Letters, 13, 60 (1971).5. J. E. Mee, et al. Applied Physics Letters, 13, 60 (1971).

Die unter 1 und 3 zitierten Literaturstellen beschreiben Granat-Kristalle, die eine Mischung aus mehreren Lanthanirien-Elementen enthalten. Granat-Verbindungen dieser £rt zeichnen sich durch eine v/achstumsbedingte uniaxiale Anisotropie aus. In diesen Granat-Zusammensetzungen kann die wachstupsbedirgte 'nisotroDie in der magnetischen Schicht existieren, ohne daß ein besonderes Substrat erforderlich wäre. Das bedeutet aber_; daß hier das Problen der Citteranpassunc go(""onstfindslo.^cs int.The references cited under 1 and 3 describe garnet crystals which contain a mixture of several lanthanum elements. Garnet compounds of this type are characterized by a growth-related uniaxial anisotropy. In these garnet compositions, the nisotropic die caused by the growth can exist in the magnetic layer without the need for a special substrate. But that means _; that here the problem of citter adaptation go ("" onstfindslo. ^c s int.

Die unter 1 und 3 zitierten Literaturs teilen beschreiber Lanthaniden-Granat-Zusammensetzungen, die mehrere Lanthaniden-Elementanteile enthalten, v/obei das eine Lanthanid (A) einen nagnetostriktiven Koeffizienten λ mit positivem Vorzeichen besitzt, wohingegen das andere Lanthanid (B) einen maanetostriktiven Koeffizienten λ mit negativem Vorzeichen besitzt. Infolgedessen ist die resultierende Magnetostriktion annähernd Null.The literature cited under 1 and 3 share descriptive Lanthanide garnet compositions containing several lanthanide element proportions contain, v / obei the one lanthanide (A) has a magnetostrictive coefficient λ with a positive sign has, whereas the other lanthanide (B) is maanetostrictive Has coefficients λ with a negative sign. As a result, the resulting magnetostriction is close to zero.

Die unter 4 und 5 zitierten Literaturstellen beschreiben Granat-Zusammensetzungen für zylindrische magnetische Domänen, die auf speziellen Lanthaniden-Mischsubstraten epitaxial aufgewachsen sind. Es ist schwierig Substrate dieser Art weitgehend fehlerlos zu züchten, und außerdem lassen sie auch für hierauf aufcrewachsene reproduzierbare magnetische Filme hinsichtlich einer befrie-The references cited under 4 and 5 describe garnet compositions for cylindrical magnetic domains epitaxially grown on special lanthanide mixed substrates are. It is difficult to grow substrates of this kind largely flawlessly, and moreover they also allow substrates grown on them reproducible magnetic films with regard to a

^{Y0 971 O35} 309 807/1166 ^{Y0 971 O35} 309 807/1166

BAD ORiBAD ORi

digenö.en Qualität sehr zu wünschen tidigenö.en quality very much to wish ti

Ci e eben angeführten magnetischen Filme sind zwar reeignet für den Gebrauch bei Anwendung magnetischer zylindrischer "Einzelwanddomänen > sie weisen jedoch nicht alle für diesen besonderen Zweck gewünschten Qualitäten auf.The magnetic films just mentioned are suitable for the use in the application of magnetic cylindrical "single wall domains" > However, they do not have all the qualities desired for this particular purpose.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, verbesserte Granat-Zusammensetzungen bzw. -Verbindungen für magnetische Filme der oben beschriebenen Art bereitzustellen, die sich auf einfachen Verbindungssubstraten aufwachsen lassen, wobei eine gegenüber bisher wesentlich erhöhte Domär-engeschwindigkeit über einen weiten Bereich der angelegten Feldstärken zu erzielen ist; und sich außerdem noch hohe Bitdichten bei Verwendung in Speicheranordnungen ergeben sollen.The object of the invention is therefore to improve To provide garnet compositions for magnetic films of the type described above which relate to allow simple connection substrates to grow, with a domain speed that is significantly higher than before a wide range of applied field strengths can be achieved; and, moreover, there are still high bit densities when used in memory arrangements should result.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich -auf einem Substrat ein Eisengranatfilm mit durch mechanische Beanspruchung bedingter uniaxialer Anisotropie befindet, welcher neben einen einzigen Lanthaniden-Elementanteil Yttrium enthält, so daß sich eine Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Film im Bereich von 0,02 bis 0,16 ergibt.According to the invention the object is achieved in that -on a substrate is an iron garnet film with uniaxial anisotropy due to mechanical stress, which contains yttrium in addition to a single lanthanide element, so that there is a lattice mismatch between substrate and film in the range of 0.02 to 0.16.

Die mechanische Beanspruchung, die entweder durch Druck oder Zug ausgeübt ist, wird dabei sorgfältig gewählt, um die erwünschte Anisotropie herbeiführen zu können,- ohne daß der Granat-Film mechanisch beschädigt wird, z.B. durch Bruch. Magnetische Filme dieser Art lassen sich in einfacher Weise epitaxial auf unkomplizierten Verbindungssubstraten aufwachsen und zeigen dabei eine äußerst hohe magnetische Einzelwanddomänengeschwirdigkeit. Diese Beweglichkeit existiert über dem gesamten Bereich der Feldstärken des angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldes, das zur Ausbreitung der zylindrischen Einzelwanddomänen dient. Magnetische Filme dieser Art lassen sich auch mit verschiedenen Werten für die liaanetisierung H und die uniaxiale AnisotropieThe mechanical stress that is exerted either by pressure or tension is carefully selected in order to achieve the desired one To be able to bring about anisotropy - without the garnet film being mechanically damaged, e.g. by breaking. Magnetic films of this type can be grown epitaxially in a simple manner on uncomplicated connection substrates and thereby show an extremely high single wall magnetic domain speed. This mobility exists over the entire range of the Field strengths of the applied magnetic transmission field, which serves to expand the cylindrical single wall domains. Magnetic films of this type can also be obtained with different values for the linearization H and the uniaxial anisotropy

K herstellen, so daß sich hohe Bitdichten in stabilen Granat-•n K so that high bit densities in stable garnet • n

YO 971 035 309807/1 166YO 971 035 309807/1 166

BADBATH

Filmen ergeben.Films result.

Das Substrat selbst kann aus einem Lanthaniden-Granat, einem Spinell, einem Saphir oder aus Magnesiumoxid bestehen.The substrate itself can consist of a lanthanide garnet, a Spinel, a sapphire or magnesium oxide.

Granat-Zusammensetzungen dieser Art sind speziell geeignet für Betrieb bei Raumtemperatur. Wie bereits gesagt, besitzen diese magnetischen Filme uniaxiale Anisotropie, bedingt durch mechanische Spannung, wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der Normalen der Filmebene fällt. Ob Zugspannung oder Druckspannung wirksam ist, hängt von den jeweils verwendeten Granat-Zusammensetzungen ab. Der Lanthaniden-Anteil in diesem magnetischen Film wird jedenfalls in einem solchen Betrag gewählt, daß sich die erwünschte prozentuale Gitterfehlanpassung einstellen kann.Garnet compositions of this type are particularly suitable for room temperature operation. As I said, own this magnetic films uniaxial anisotropy, due to mechanical stress, with the axis of easy magnetizability falls in the direction of the normal to the plane of the film. Whether tensile stress or compressive stress is effective depends on the particular garnet compositions used away. The lanthanides in this magnetic one In any case, film is chosen in such an amount that the desired percentage lattice mismatch occurs can.

Die Granat-Zusammensetzungen lassen sich gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft durch die allgemeine Formel RE Y_ Fe₁. Ga O, _o,According to the invention, the garnet compositions can be particularly advantageously expressed by the general formula RE Y_Fe ₁ . Ga O, _o ,

y 3-y 5-x χ 12'y 3-y 5-x χ 12 '

worin y zwischen 0,1 und 0,9 einschließlich und χ zwischen 0,9 und 1,2 einschließlich liegt. RE ist die Bezeichnung für das gewählte Lanthanid wie Gd, Eu, Tb, Dy, Sm, Ce usw.. Um den gewünschten Wert für die mechanische Spannung und die Sättigungsmagnetisierung 4irM (zwischen lOO und 300 Gauß) zu erhalten, kann der Wert für y je nach dem verwendeten Substrat den üblichen Bereich überschreiten.where y is between 0.1 and 0.9 inclusive and χ is between 0.9 and 1,2 inclusive. RE is the name for the selected lanthanide such as Gd, Eu, Tb, Dy, Sm, Ce etc. To get the desired To obtain a value for the mechanical stress and the saturation magnetization 4irM (between 100 and 300 Gauss), the Value for y exceed the usual range depending on the substrate used.

Die erfindungsgemäßen Granat-Filme stellen Einkristall-Filme dar, die im allgemeinen zwischen 1 bis 10 /um dick sind und epitaxial auf relativ unkomplizierten Substraten aufgewachsen sind, die z.B. aus seltenen-Erden-Granaten, wie z.B. Gd₃Ga-O _> bestehen können oder den anderen obengenannten Substraten. Die Substrate sind dabei so gewählt, daß sich die gewünschte Gitterfeh lanpassung ergibt. The garnet films according to the invention are single crystal films which are generally between 1 and 10 μm thick and have been grown epitaxially on relatively uncomplicated substrates which, for example, consist of rare earth garnets such as Gd ₃ Ga-O _> can or the other substrates mentioned above. The substrates are chosen so that the desired lattice misalignment results.

Obwohl die magnetischen Filme allgemein eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der Normalen der (111)-EbeneAlthough the magnetic films generally have an axis of easy magnetizability in the direction of the normal to the (111) plane

YO 971 035 309 807/1166YO 971 035 309 807/1166

_ 5 —_ 5 -

besitzen, sind Kristallorientierungen dieser Art nicht die einzig möglichen. Gewisse Orientierungen, wie z.B. (111), sind .allgemein für ein Filmschichtwachstum bevorzugt und außerdem für Anisotropie-Bedingungen. So wachsen z.B. Granate vorzugsweise schnell in der (111)-Ebene, und die uniaxiale Anisotropie ist vorzugsweise in Richtung der Normalen dieser Ebene ausgebildet. Die Substrate selbst können mit Hilfe bekannter Verfahren, wie z.B. im Czochralski-Prozeß, hergestellt sein. Auch die Magnetfilme lassen sich mit Hilfe bekannter Verfahren herstellen, wie mit dem Flüssigphasenepitaxieverfahren, dem reaktiven Verdampfungsverfahren, der Kathodenzerstäubung und dem Aufschleuderverfahren.crystal orientations of this kind are not the only possible ones. Certain orientations, such as (111), are .generally preferred for film layer growth and also for Anisotropy conditions. For example, grenades grow preferentially fast in the (111) plane, and the uniaxial anisotropy is preferable formed in the direction of the normal of this plane. The substrates themselves can be prepared using known methods, e.g. in the Czochralski process. The magnetic films can also be produced using known processes, such as with the liquid phase epitaxy process, the reactive evaporation process, the cathode sputtering and the spin-on process.

Die Anwendung von Granat-Verbindungen mit nur einem einzigen Lanthaniden-Elementanteil in Kombination mit Yttrium, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, führt zu Magnetfilmen mit extrem hoher Beweglichkeit. Dies beruht hauptsächlich auf dem geringen Dämpfungskoeffizienten, der sich hierfür ergibt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Magnetfilme zylindrische Einzelwanddomänengeschwindigkeiten ergeben, die weit höher liegen als es bisher für magnetische Filme der Fall gewesen ist; und zwar gilt dies für den gesamten Bereich der Feldstärken des angelegten und auf die Domänen einwirkenden magnetischen Weiterleitungsfeldes. Es ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß dank der minimalen Anzahl der benötigten chemischen Anteile zur Erstellung des magnetischen Films die Herstellung in reproduzierbarer Weise außerdem sehr einfach gehalten werden kann, im Gegensatz zu den komplizierteren Granaten mit Lanthaniden-Mischungen, wie sie in den oben angeführten Literaturstellen beschrieben sind.The use of garnet compounds with only a single lanthanide element component in combination with yttrium, as in accordance with the invention provided results in extremely high mobility magnetic films. This is mainly due to the small amount Damping coefficient that results from this. It has namely shown that when applying the invention Magnetic films give cylindrical single wall domain velocities, which are far higher than has previously been the case for magnetic films; this applies to the entire area the field strengths of the applied magnetic conduction field acting on the domains. It still results in the The advantage that, thanks to the minimal number of chemical components required to create the magnetic film, production in reproducible way can also be kept very simple, in contrast to the more complicated garnets with lanthanide mixtures, as described in the literature references cited above.

Als besonders vorteilhafte Substanzen für die erfindungsgemäßen Granate lassen sich GdY- Fe^ Ga O- und Eu Y, Fe. Ga O.»GdY-Fe ^ Ga O- and Eu Y, Fe. Ga O. »

y j ~*y 3"™" λ χ χ A y j ™™y *j """" ·*· *^* ** yj ~ * y 3 "™" λ χ χ A yj ™haben y * j """" · * · * ^ * **

anwenden, wobei die oben angegebenen Anteile für χ und y einzuhalten sind.apply, observing the proportions given above for χ and y are.

Um am besten Dünnschichtfilme für kleine zylindrische Einzelwanddomänen herzustellen, ist jeweils ein gutes Substrat erforderlich.To best thin film films for small cylindrical single wall domains a good substrate is required in each case.

YO 071 0.15 309807/1166YO 071 0.15 309807/1166

Das Substrat selbst sollte deshalb wohlkontrollierte Eigenschaften besitzen, gleichförmig sein und die geeignete Gitterkonstante aufweisen. Die Wahl eines einfachen Substrats in Form entsprechend geeigneter chemischer Bestandteile genügt diesen Erfordernissen. Magnetische Filmzusammensetzungen gemäß der Erfindung lassen sich dann mit diesen relativ einfachen Substraten anwenden. The substrate itself should therefore have well-controlled properties be uniform and have the appropriate lattice constant. Choosing a simple substrate in shape accordingly suitable chemical constituents meet these requirements. Magnetic film compositions according to the invention can then be used with these relatively simple substrates.

Da Granate von kubischer Struktur sind, muß eine uniaxiale Anisotropie in diese Kristalle von außen eingeführt werden. Die in den oben angeführten Literaturstellen 1 und 3 angegebene Herstellungsweise hierzu führt zu wachstumsbedingter Anisotropie. Es hat sich aber gezeigt, daß Substanzen mit dieser Art Anisotropie für gewöhnlich hohe Dämpfungsfaktoren und infolgedessen eine geringe Einzelwanddomänenbeweglichkeit besitzen.Since garnets are cubic in structure, there must be a uniaxial anisotropy be introduced into these crystals from the outside. The method of preparation given in references 1 and 3 cited above this leads to growth-related anisotropy. But it has been shown that substances with this type of anisotropy usually have high damping factors and consequently low single wall domain mobility.

Demgegebenüber wird in Granat-Zusammensetzungen gemäß der Erfindung spannungsbedingte Anisotropie angewendet, so daß sich eine sehr hohe Einzelwanddomänenbeweglichkeit ergibt. Von größerer Bedeutung dabei ist allerdings, daß eine hohe Domänengeschwindigkeit bei den angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldern zu erzielen ist. Die erfindungsgemäßen Magnetfilme unterliegen sorgfältig ausgewählten mechanischen Spannungen, so daß Bruchstellen vermieden werden.This is provided in garnet compositions according to the invention stress-induced anisotropy applied, so that there is a very high single wall domain mobility. From greater What is important here, however, is that a high domain velocity in the applied magnetic relay fields can be achieved. The magnetic films according to the invention are subject to carefully selected mechanical stresses, so that break points be avoided.

Die Sättigungsmagnetisierung M und die Anisotropie K lassen sich jeweils einstellen, indem die Zusammensetzungsbestandteile des Granat-Films variiert und die Filme einem Aufheizverfahren (bis etwa 1250 ⁰C) unterworfen werden.The saturation magnetization M and the anisotropy K can each be adjusted by varying the constituents of the composition of the garnet film and subjecting the films to a heating process (up to about 1250 ^° C.).

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert werden.The invention is to be explained in more detail on the basis of exemplary embodiments with the aid of the drawings listed below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Zweistoffdiagramm für ein Europiumsystem1 shows a two-component diagram for a europium system

^ΪΟ971015 Ίιΐ.|807/11β6 ^ΪΟ971015 Ίιΐ. | 807 / 11β6

bei verschiedenen Gitterkonstanten des Substrats und Magnetisierungen als Parameter,with different lattice constants of the substrate and magnetizations as parameters,

Fig. 2 ein Zweistoffdiagramm eines Gadoliniumsystems2 shows a two-component diagram of a gadolinium system

für verschiedene Gitterkonstanten des Substrats und Magnetisierungen als Parameter,for different lattice constants of the substrate and magnetizations as parameters,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, bei der die Magnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur für das Europium- und das Gadoliniumsystem aufgetragen ist,Fig. 3 is a graph showing the magnetization plotted as a function of the temperature for the europium and gadolinium systems is,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, bei der die Domänengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Weiterleitungsfeld für die verschiedenen Granat-Verbindungen aufgetragen ist.Figure 4 is a graph showing the domain velocity depending on the forwarding field for the various garnet connections is applied.

Eisen-Lanthaniden-Granate besitzen die allgemeine FormelIron Lanthanide Garnets have the general formula

RE Y-,^ Fet, Ga O₁₉, worin KE ein Lanthaniden-Element darstellt, wie z.B. Gadolinium, Europium, Terbium, Samarium, Dysprosium und Cer. Die Verbindungsanteile liegen üblicherweise in einem BereichRE Y -, ^ Fet, Ga O ₁₉ , where KE is a lanthanide element, such as gadolinium, europium, terbium, samarium, dysprosium and cerium. The connection proportions are usually in one range

0,9<x<l,2 0,l<y<0,9.0.9 <x <l, 2 0, l <y <0.9.

Die Granat-Schichten werden epitaxial auf einem Substrat aufwachsen gelassen, welches generell ein Lanthaniden-Granat oder ein anderes isolierendes Substrat, wie z.B. Magnesiumoxid, Saphir und Spinell sein kann. Die kristallographische Orientierung der Magnetschichten entspricht im allgemeinen der (111)-Fläche, obwohl ohne weiteres auch andere Orientierungen möglich sein können. Diese Magnetschichten besitzen fernerhin eine uniaxiale Anisotropie, die durch entsprechende mechanische Spannung herbeigeführt ist, wobei sich entweder Zug oder Druck anwenden läßt. Die magnetische Achse der leichten Magnetisierbarkeit ist in Richtung der Normalen der Magnetschicht gerichtet.The garnet layers will grow epitaxially on a substrate left, which is generally a lanthanide garnet or other insulating substrate, such as magnesium oxide, Can be sapphire and spinel. The crystallographic orientation of the magnetic layers generally corresponds to the (111) face, although other orientations may easily be possible. These magnetic layers also have a uniaxial one Anisotropy that is brought about by corresponding mechanical stress, with either tension or pressure being applied leaves. The magnetic axis of easy magnetizability is directed in the direction of the normal to the magnetic layer.

^{Y0 97i} °³⁵ 309807/1166 ^{Y0 97i} ° ³⁵ 309807/1166

Im Kristallgitter tritt Gallium anstelle von Eisen und besetzt so gleiche Gitterplätze wie Eisen. Gallium bevorzugt eine tetraedrische Gitterplatzbesetzung. Anstelle von Gallium läßt sich auch Aliminium im Austausch für Eisen verwenden. Jedoch wird Gallium bevorzugt, da es eine bessere Kontrolle der Gitterkonstanten zuläßt. Dieser Austausch der Eisenatome durch andere gestattet einen Abgleich der Sättigungsmagnetisierung.In the crystal lattice, gallium takes the place of iron and thus occupies the same lattice sites as iron. Gallium prefers one tetrahedral lattice occupation. Instead of gallium, aluminum can also be used in exchange for iron. However Gallium is preferred because it allows better control of the lattice constants. This exchange of iron atoms by others allows the saturation magnetization to be adjusted.

Die Lanthaniden-Ionen besetzen dodecaedrische Gitterplätze im Kristall. Der Austausch gegen Lanthaniden beeinflußt die Magneto-Striktionskoeffizienten von Magnetschichten.The lanthanide ions occupy dodecahedral lattice sites in the Crystal. The exchange with lanthanides affects the magnetostriction coefficient of magnetic layers.

Wie bereits gesagt, gilt für magnetische Granat-Schichten allgemein die Formel RE Y, Fe₁. Ga O₁₀. Wenn auch für y gewöhnlichAs already mentioned, the formula RE Y, Fe ₁ generally applies to magnetic garnet layers. Ga O ₁₀ . Even if it is common for y

V j—*V j—X X 1.Λ V j— * V j — XX 1.Λ

der Bereich zwischen 0,1 und 0,9 einschließlich und für χ zwischen 0,9 und 1,2 einschließlich liegt, dann lassen sich doch für die benutzten Substanzen jeweils Vorzugsbereiche angeben; z.B. für Gadolinium ein y zwischen 0,1 und 0,5 und ein χ zwischen 0,9 und 1,2.the range is between 0.1 and 0.9 inclusive and for χ between 0.9 and 1.2 inclusive, then but indicate preferred ranges for the substances used; e.g. for gadolinium a y between 0.1 and 0.5 and a χ between 0.9 and 1.2.

Bei Verwendung von Europium soll der Bereich für y vorzugsweise größer sein, d.h. zwischen 0,2 und 0,9 liegen, wohingegen χ vorzugsweise einen Wert zwischen 0,9 und 1,2 haben soll. Diese bevorzugten Bereiche fallen aber alle innerhalb der oben angegebenen Hauptbereiche und sind jeweils so gewählt, daß sich für das benutzte Lanthanid die besten magnetischen Eigenschaften ergeben. Durch Erhöhen des Anteils y an größeren Lanthaniden-Ionen derart, daß es allgemein auftritt, steigt die Gitterkonstante der Magnetschicht ebenfalls an, wohingegen die Magnetisierung M abnimmt. Eine Verstärkung des Anteils χ der kleineren Gallium-Ionen läßt die Schicht-Gitterkonstante abnehmen und wiederum auch die Magnetisierung M . Damit läßt sich durch Abgleichen der x- und y-Anteile sowohl die Gitterkonstante als auch die Magnetisierung auf die jeweils gewünschten Werte einstellen. Die oben angegebenen Hauptbereiche für χ und y passen gut bei Verwendung eines Substrates wie Gd₃Ga₅O _, wobei sichWhen using europium, the range for y should preferably be larger, ie between 0.2 and 0.9, whereas χ should preferably have a value between 0.9 and 1.2. However, these preferred ranges all fall within the main ranges given above and are each selected so that the best magnetic properties result for the lanthanide used. By increasing the proportion y of larger lanthanide ions such that it generally occurs, the lattice constant of the magnetic layer also increases, whereas the magnetization M decreases. An increase in the proportion χ of the smaller gallium ions causes the layer lattice constant to decrease and, in turn, the magnetization M as well. This means that both the lattice constant and the magnetization can be adjusted to the desired values by adjusting the x and y components. The main ranges given above for χ and y fit well when using a substrate such as Gd ₃ Ga ₅ O _, where

^10971035 309807/1166 ^10971035 309807/1166

— Q —- Q -

Schichten mit einer Magnetisierung 4irM mit Werten zwischen 100 und 300 Gauß unter verbesserter Gitterfehlanpassung herstellen lassen. Jedoch ist für einige Substrate die Gitterkonstante a_Q so groß, daß sich hieraus die Forderung ergibt, den Anteil an Lanthaniden in der Granat-Schicht größer als y=0,9 zu wählen. Soll z.B. eine Gd Y- Fe₁. Ga O₀-Magnetschicht auf ein Sm₃Ga₅O --Substrat aufgewachsen werden, dann sollte der Anteil von Gd erhöht werden, um einen geeigneten Betrag für die Gitterfehlanpassung (0,02 bis 0,16) und einen geeigneten Wert für die Magnetisierung 4ττΜ (100 bis 300 Gauß) zu erhalten. Als brauchbarer Wert ergibt sich ein Anteil von etwa y=l,8, wie auch aus der weiter unten stehenden Tabelle zu entnehmen ist.Layers with a magnetization of 4irM with values between 100 and 300 Gauss can be produced with improved lattice mismatch. However, for some substrates the lattice constant a _{Q is} so large that this results in the requirement that the proportion of lanthanides in the garnet layer should be greater than y = 0.9. If, for example, a Gd Y-Fe ₁ . Ga O ₀ magnetic layer is grown on a Sm ₃ Ga ₅ O substrate, then the proportion of Gd should be increased by an appropriate amount for the lattice mismatch (0.02 to 0.16) and an appropriate value for the magnetization 4ττΜ (100 to 300 Gauss). A useful value results in a proportion of approximately y = 1.8, as can also be seen from the table below.

Typische Lanthaniden-Eisen-Granate gemäß der Erfindung sind durch die Zweistoffdiagramme in Fig. 1 und 2 dargestellt. Fig. 1 gilt für einen Europium-Eisen-Granat, wohingegen in Fig. 2 ein Gadolinium-Eisen-Granat veranschaulicht ist. Diese Diagramme lassen' den Bereich für die verschiedenen Zusätze erkennen, die für die jeweiligen Substratgitterparameter und die Magnetisierung 4ττΜ erforderlich sind.Typical lanthanide iron garnets according to the invention are represented by the two-substance diagrams in FIGS. Fig. 1 applies for a europium iron garnet, whereas in Fig. 2 a gadolinium iron garnet is illustrated. These graphs show 'the scope for the various accessories that are used for the respective substrate lattice parameters and the magnetization 4ττΜ required are.

Das Diagramm nach Fig. 1 gilt für Eu Y_ Fe^ Ga O₀, worin die beiden von links oben nach rechts unten verkaufenden Linien Substanzzusammensetzungen mit der jeweils angegebenen Gitterkonstanten a_ angeben. Die durch die Gerade a =12,384 Ä bezeichneten Substanzzusammensetzungen besitzen eine vollkommene Gitteranpassung bei einem Substrat mit dieser Gitterkonstanten. In diesem Falle besitzt ein durch Czochralski-Ziehverfahren gewonnenes Gd-Ga₅O_l2-Substrat die oben angegebene Gitterkonstante. Die mit a =12,437 £ bezeichnete Gerade bezeichnet entsprechende Zusammensetzungen von Eu Y₃ Fe₅__xGa_x0_l2. Im letzteren Falle kann das Substrat entweder aus der Schmelze gewachsen oder nach dem Czochralski-Ziehverfahren als Sm₃Ga₅0₁₂-Kristall hergestellt sein.The diagram according to FIG. 1 applies to Eu Y_ Fe ^ Ga O ₀ , in which the two lines selling from top left to bottom right indicate substance compositions with the respectively specified lattice constant a_. The substance compositions denoted by the straight line a = 12.384 Å have a perfect lattice match for a substrate with this lattice constant. In this case, a Gd — Ga ₅ O ₁₂ substrate obtained by the Czochralski drawing process has the lattice constant given above. The straight line labeled a = 12.437 £ denotes corresponding compositions of Eu Y ₃ Fe ₅ _ _x Ga _x 0 _l2 . In the latter case, the substrate can either be grown from the melt or produced as a Sm ₃ Ga ₅ 0 ₁₂ crystal using the Czochralski drawing process.

Die von links nach unten nach rechts oben verlaufende Kurven-The curve running from left to bottom to top right

^{Y0 971 03}S 30 9 807/1166 ^{Y0 971 03} S 30 9 807/1166

schar hat als Parameter die Magnetisierung. Die Magnetisierungsparameter liegen zwischen O und 300. In der Praxis allerdings liegt die Magnetisierung vorzugsweise zwischen 100 und 300 Gauß einschließlich, urn die für eine zylindrische magnetische Einzelwanddomänenausbreitung optimale Magnetisierung zur Verfügung zu haben.Sharp has the magnetization as a parameter. The magnetization parameters are between 0 and 300. In practice, however the magnetization is preferably between 100 and 300 Gauss inclusive, around that for a cylindrical magnetic single wall domain propagation to have optimal magnetization available.

Die Abszisse in Fig. 1 gilt für den Galliumanteil, wobei Eisen als Ausgleich dient (Fe, Ga)₅. Auf der Ordinaten ist der Y-Anteil mit Eu als Ausgleich aufgetragen (Eu, Y).,. Um zugspannungsbedingte Anisotropie in der Magnetschicht zu erhalten, werden Magnetschichtsubstanzen oberhalb der gewünschten Gitterkonstanten (a_) ausgewählt. Soll hingegen druckspannungsbedingte Anisotropie herbeigeführt werden, dann werden Schichtzusammensetzungen mit kleinerer Gitterkonstante (a«) ausgesucht. D.h. also, die Gitterkonstante für die Magnetschicht ist geringer als dieses Substrat im Falle einer Zugspannung, wohingegen die Verhältnisse umgekehrt sind, wenn Druckspannung erzielt werden soll. Ist der vom Lanthaniden-Ion und der vom Eisen-Ion herrührende Beitrag zum Magnetostriktions-Koeffizienten positiv, dann wird eine sich flächenhaft auswirkende Zugspannung in der entsprechenden Granat-Zusammensetzung ausgenutzt. Diese flächenhafte Auswirkung bezieht sich auf die Ebene der Magnetschicht.The abscissa in FIG. 1 applies to the gallium content, with iron serving as compensation (Fe, Ga) ₅ . The Y component is plotted on the ordinate with Eu as compensation (Eu, Y).,. In order to obtain tensile stress-induced anisotropy in the magnetic layer, magnetic layer substances above the desired lattice constant (a_) are selected. If, on the other hand, compressive stress-related anisotropy is to be brought about, then layer compositions with a smaller lattice constant (a «) are selected. In other words, the lattice constant for the magnetic layer is lower than this substrate in the case of tensile stress, whereas the situation is reversed if compressive stress is to be achieved. If the contribution to the magnetostriction coefficient resulting from the lanthanide ion and the iron ion is positive, then a tensile stress in the corresponding garnet composition is used. This areal effect relates to the plane of the magnetic layer.

Da die Magnetisierungsgröße 4πΜ für den Einzelwanddomänendurch-Since the magnetization size 4πΜ for the single wall domain diameter

messer bestimmend ist, soll diese Größe unabhängig vom Vorzeichen zweckmäßigerweise zwischen 100 und 300 Gauß liegen. Das bedeutet, daß in Abhängigkeit vom gewählten Substrat der Gallium- und Yttrium-Anteil in der Granat-Zusammensetzung zwischen den Kurven 4ιτΜ = 100 Gauß und 4πΜ = 300 Gauß liegen muß. Da wei-is the determining factor, this value should be between 100 and 300 Gauss, irrespective of the sign. That means that, depending on the substrate chosen, the gallium and yttrium content in the garnet composition between the Curves 4ιτΜ = 100 Gauss and 4πΜ = 300 Gauss must lie. There knows

S SS S

terhin die auf Fig. 1 bezogenen Granat-Zusammensetzungen Druckspannungen unterliegen sollen, ist fernerhin bei der Anteilsbestimmung zu berücksichtigen, daß der Wert für a_Q der Magnetschicht größer sein muß als der des Substrats.Furthermore, when determining the proportions, it must be taken into account that the value for a _{Q of} the magnetic layer must be greater than that of the substrate.

Das Zweistoffdiagramm nach Fig. 2 gilt für einen Gadolinium-The binary diagram according to Fig. 2 applies to a gadolinium

YO 971 035 309807/1 166YO 971 035 309807/1 166

Yttrium-Eisengranat, der sich durch die verallgemeinerte Formel Gd Y, Fe₁. Ga O „ darstellen läßt. In diesem Zweistoffdiagramm ist auf der Ordinate der Yttrium-Anteil aufgetragen, wobei vorausgesetzt ist, daß Gadolinium als Ausgleich für die (Gd, Y)_- Verbindung dient; wohingegen auf der Abzisse der Gallium-Anteil aufgetragen ist, wobei als Ausgleich für die (Fe, Ga)^-Verbindung Fe als Ausgleich dient. Auch hier wiederum sind die schräg von links oben nach rechts unten verlaufenden Geraden jeweils für eine bestimmte Substrat-Gitterkonstante a_Q aufgetragen. Die von links unten nach rechts oben verlaufenden Kurven entsprechen dann jeweils einem bestimmten Wert von 4ttM in Gauß. Ein SubstratYttrium iron garnet, which is represented by the generalized formula Gd Y, Fe ₁ . Ga O "can be represented. In this binary diagram, the yttrium content is plotted on the ordinate, it being assumed that gadolinium serves as compensation for the (Gd, Y) _ compound; whereas the gallium proportion is plotted on the abscissa, with Fe serving as compensation for the (Fe, Ga) ^ compound. Here, too, the straight lines running obliquely from top left to bottom right are each plotted _{for a specific substrate lattice constant a Q.} The curves running from the bottom left to the top right then each correspond to a certain value of 4ttM in Gauss. A substrate

nach Fig. 2 mit der Gitterkonstanten a =12,376 Ä ist üblicherweise ein aus der Schmelze gewachsener Gd₃Ga₅O „-Kristall.According to FIG. 2 with the lattice constant a = 12.376 Å, a Gd ₃ Ga ₅ O "crystal grown from the melt is usually.

Für Gadolinium-Yttrium-Eisengranate ist der resultierende Magnetostriktionskoeffizient negativ, so daß in diesem Falle eine sich flächenhaft auswirkende Zugspannung zur Bereitstellung der uniaxialen Anisotropie ausgenutzt wird. Wie oben wird auch hier der Wert von 4πΜ so gewählt, daß er zwischen 100 und 300 Gauß liegt, um ein geeignetes Material für die Erzeugung und Aufrechterhaltung von Einzelwanddomänen zu erhalten. Brauchbare Gadolinium-Yttrium-Eisengranat-Filme werden mit einer Gitterkonstanten a_Q gewählt, die kleiner ist als die des Substrates und wie gesagt einem Wert für 4πΜ zwischen 100 und 300 Gauß entsprechen. Die Anisotropie dieser Magnetschichten entsteht durch Gitterfehlanpassung zwischen Magnetschicht und Substrat./So sind Fehlanpassungen mit 1 Teil auf 500 beobachtet worden. Im allgemeinen wird die Fehlanpassung mit etwa 1 Teil auf 1200 gewählt.For gadolinium-yttrium-iron garnets, the resulting magnetostriction coefficient is negative, so that in this case a tensile stress acting over a large area is used to provide the uniaxial anisotropy. As above, the value of 4πΜ is chosen so that it lies between 100 and 300 Gauss in order to obtain a suitable material for the generation and maintenance of single wall domains. Usable gadolinium-yttrium-iron garnet films are selected with a lattice constant a _Q which is smaller than that of the substrate and, as said, corresponds to a value for 4πΜ between 100 and 300 Gauss. The anisotropy of these magnetic layers is caused by the lattice mismatch between the magnetic layer and the substrate./So, mismatches of 1 part in 500 have been observed. In general, the mismatch is chosen to be about 1 part in 1200.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist die Magnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur für die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Beispiele aufgetragen. Die verwendeten Granat-Zusammensetzungen weisen Curie-Temperaturen auf, die weit oberhalb der Raumtemperatur liegen. Der Temperaturkoeffizient der Magnetisierung ist in beiden Fällen, wie aus den Diagrammen ersichtlich, oberhalbIn the diagram according to FIG. 3, the magnetization is as a function of the temperature for the examples shown in FIGS. 1 and 2 applied. The garnet compositions used have Curie temperatures that are well above room temperature lie. The temperature coefficient of the magnetization is in both cases, as can be seen from the diagrams, above

YO 971 035YO 971 035

309807/.1166309807 / .1166

der Raumtemperatur negativ. Dies hat zur Folge, daß der Einzelwanddomänendurchmesser in diesem Bereich konstant bleibt. Nach F. C. Rossol in "Temperature Dependence of Rare-Earth Orthoferrite Properties Relevant to Propagating Domain Device Applications", IEEE Transactions on Magnetics, Bd. Mag-5, No. 3, September 1969, Seite 562 rechte Spalte, hängt nämlich der Domänendurchmesser in seiner Temperaturabhängigkeit von der Magnetisierung und von dem Anisotropie-Energiedichte-Koeffizienten ab, der im allgemeinen ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, so daß, da beide durch einen Bruchstrich voneinander getrennt sind, bei Verwendung der oben bezeichneten erfindungsgemäßen Granate ein Ausgleich eintritt.room temperature negative. As a result, the single wall domain diameter remains constant in this area. According to F. C. Rossol in "Temperature Dependence of Rare-Earth Orthoferrite Properties Relevant to Propagating Domain Device Applications ", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag-5, No. 3, September 1969, page 562 right column, namely the domain diameter depends in its temperature dependence on the magnetization and on the anisotropy energy density coefficient, which in general also has a negative temperature coefficient possesses, so that, since both are separated from each other by a fraction line, when using the above-mentioned grenade according to the invention a compensation occurs.

Die Kristallorientierung der Magnetschicht ist im allgemeinen (111), obgleich auch andere Orientierungen möglich sind. Gewisse Orientierungen, z.B. (111), sind aufgrund des Schichtwachstums und der Anisotropiebedingungen bevorzugt. So wachsen z.B. Granat-Schichten und Granat-Substrate vorzugsweise schnell in der (Hl)-Ebene. Auch die uniaxiale Anisotropie bevorzugt gewisse Orientierungen vor anderen, wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der Magnetschicht vorzugsweise normal zur (111)-Ebene gerichtet ist.The crystal orientation of the magnetic layer is generally (111), although other orientations are possible. Certain Orientations, e.g. (111), are due to the layer growth and anisotropy conditions are preferred. Garnet layers and garnet substrates, for example, tend to grow quickly in the (Hl) plane. The uniaxial anisotropy also favors certain orientations over others, the axis being easy to magnetize of the magnetic layer is preferably directed normal to the (111) plane.

Bei mit Samarium und Europium dotierten Y-Fe-Ga-O-Granat-Schichten könnten so die (100)-Orientierungen ebenfalls zweckmäßig sein. Im allgemeinen hängt die Orientierung von den gewählten Substraten und der bevorzugten Wachstumsrichtung der Granat-Schichten im Substrat ab. Die Auswahl einer geeigneten Orientierung kann daher dem Fachmann überlassen bleiben.For Y-Fe-Ga-O-garnet layers doped with samarium and europium so the (100) orientations could also be useful. In general, the orientation depends on the substrates chosen and the preferred direction of growth of the garnet layers in the substrate. Choosing a suitable orientation can therefore left to the expert.

Die erfindungsgemäßen Granat-Verbindungen lassen sich mit Hilfe üblicher Verfahren als Epitaxialschichten auf den vorgesehenen Substraten aufwachsen. So sind z.B. das Epitaxieverfahren aus der flüssigen Phase, reaktive Aufdampfungsverfahren, Kathodenzerstäubung und Aufschleudern geeignete Methoden.The garnet compounds according to the invention can be removed with the aid conventional method as epitaxial layers grow on the intended substrates. For example, the epitaxial processes are off the liquid phase, reactive vapor deposition processes, cathode sputtering and spin-on suitable methods.

YO 971 035YO 971 035

309807/11 SS309807/11 pp

Verbindungen dieser Art sind insbesondere im Flüssig-Phasenepi- ■ taxieverfahren auf Galliumgranatsubstraten unter Verwendung von PbO-B₂O₃-Schmelzfluß und Anwendung der Kipp- oder der einfacheren Eintauchmethode aufgetragen. Die Schichten wachsen bei einem. PbO-B₂O₃-Schmelzfluß in einem Temperaturbereich von 800 ⁰C bis 850 ⁰C auf. Filme dieser Art werden auf (111)-orientierten Gd_Ga,-O_l2-Substraten aufgewachsen, um die Anzahl der in Betracht kommenden Variablen möglichst zu begrenzen. Wie weiter unten noch ausgeführt, lassen sich beliebige Arten von Substraten anwenden.Compounds of this type are applied in particular in the liquid phase epitaxy process to gallium garnet substrates using PbO-B ₂ O ₃ melt flow and application of the tilting or the simpler immersion method. The layers grow in you. PbO-B ₂ O ₃ melt flow in a temperature range from 800 ^° C. to 850 ^° C. Films of this type are grown on (111) -oriented Gd_Ga, _-O12 substrates in order to limit the number of variables under consideration as far as possible. As explained below, any type of substrate can be used.

Werden reaktive Aufdampfverfahren angewendet, dann stellen Halide geeignete Transportmedien dar.If reactive vapor deposition processes are used, then provide Halide are suitable transport media.

Aufschleudern und Aktivieren von Alkoholnitratlösungen stellt eine andere Methode für die Bereitstellung dieser Granat-Schichten dar.Spinning and activating alcohol nitrate solutions provides another method for providing these garnet layers represent.

Durch Kathodenzerstäubung sind Seltene-Erden-Eisen-Einkristallgranatfilme auf Granat-Substraten mit einer [111]-Orientierung niedergeschlagen worden.By sputtering, rare earth iron are single crystal garnet films on garnet substrates with a [111] orientation been knocked down.

Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, gute Substrate zu verwenden, deren Eigenschaften unter Kontrolle stehen, die leicht geformt und gleichförmig sind und die in bezug auf die zu verwendende Granat-2usammensetzung geeignete Gitterkonstanten besitzen. Fernerhin ist es zweckmäßig als Substrate solche Materialien zu verwenden, die kongruent schmelzen. Hierunter wird verstanden, daß Komponenten gleicher Phase zu gleichen Anteilen !©we-hl im schmelzflüssigen als auch im erstarrten Zustand vorhanden sind. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich die GitterkQnatante im Substrat nicht ändert, so daß sichergestellt ist, daß die dem magnetischen Granat-Film eingeprägten mechanischen Spannungen in der Schicht gleichmäßig verteilt sind.As already mentioned, it is advantageous to use good substrates, whose properties are under control, which are easily shaped and uniform, and which are related to the one to be used Garnet composition have suitable lattice constants. Furthermore, it is expedient to use materials that melt congruently as substrates. Below is understood that components of the same phase are present in equal proportions! © we-hl in the molten as well as in the solidified state are. This ensures that the lattice character does not change in the substrate, so that it is ensured that the mechanical Stresses in the layer are evenly distributed.

Rein© Verbindungen ergeben geeignete Substrate. Beispiele hierfür sind Gallium-Granat-Verbindungen, die sich durch die allge- Pure © compounds result in suitable substrates. Examples of this are gallium-garnet compounds, which are characterized by the general

⁹⁷¹ Θ*⁵ 309807/1166 ⁹⁷¹ Θ * ⁵ 309807/1166

meine Formel RE₃Ga₅O₁₂ darstellen lassen, worin RE ein Lanthanid bedeutet, wie z.B. Gd, Dy, Sm, Nd usw. oder Yttrium.Let my formula RE ₃ Ga ₅ O ₁₂ represent, in which RE is a lanthanide, such as Gd, Dy, Sm, Nd, etc. or yttrium.

Es lassen sich auch andere Substratverbindungen als Granate verwenden. Es ist lediglich erforderlich, daß die Substrate gute gleichförmige Eigenschaften und.zweckentsprechende Gitterkonstanten in bezug auf die aufzutragenden Granat-Film besitzen. Spezielle Beispiele hierfür sind MgO und Spinelle.Substrate compounds other than grenades can also be used. It is only necessary that the substrates have good uniform properties and appropriate lattice constants with respect to the garnet film to be applied. Specific examples are MgO and spinels.

Die Substrate lassen sich mit Hilfe bekannter Verfahren herstellen, wie z.B. durch Züchtung aus der Schmelze oder durch Czochralski-Prozesse. In einigen Fällen kann die Gitterkonstante a_Q des Substrates geringfügig verschieden sein, je nachdem, ob eine Züchtung aus der Schmelze stattgefunden oder ein Czochralski-Prozeß angewendet worden ist. Ein Ordnung-Unordnungsphänomen mag verantwortlich für diesen Unterschied in der Gitterkonstanten sein, da Gitterkonstantenänderungen nach Hochtemperaturglühbehandlungen beobachtet worden sind.The substrates can be produced with the aid of known processes, such as, for example, by growing from the melt or by Czochralski processes. In some cases, the lattice constant a _{Q of} the substrate can be slightly different, depending on whether growth has taken place from the melt or a Czochralski process has been used. An order-disorder phenomenon may account for this difference in lattice constant, since lattice constant changes have been observed after high temperature anneals.

Speziell sind Lanthaniden-Gallium-Granat-Substrate unter Anwendung von Czochralski-Prozessen in induktiv beheizten Iridium-Tiegeln hergestellt worden. Die Substratkristall-Wachstumsbedingungen entsprechen im wesentlichen denen, wie sie durch R. C. Linares in Solid State Comm. Nr. 2 (1964), Seite 229 beschrieben sind, ausgenommen, daß als Behandlungsatmosphäre 1 % Sauerstoff und 99 % Stickstoff verwendet ist. Die orientierten Rohstücke sind anschließend mit der Diamantsäge in 1 mm dicke Scheiben zerlegt worden. Zum erfolgreichen Aufwachsen von Schichten werden Substratscheiben äußerst guter Oberflächenqualität benötigt. Aus diesem Grunde muß nach dem Zersägen ein aufeinanderfolgendes Läppen mit Diamantgrieß einer 30-, 9- und 3-pm-Körnung erfolgen. Ein chemomechanischer Polierverfahrensschritt unter Anwendung einer kolloidalen Silikatmischung in alkalischem Medium dient anschließend zum Entfernen der letzten Reste der durch das Sägen erfolgten Oberflächenbeschädigungen. Die dieser Art polierten Substrate werden dann bei Luft für 4 Stunden aufSpecifically, lanthanide gallium garnet substrates are used by Czochralski processes in inductively heated iridium crucibles. The substrate crystal growth conditions are essentially as set out by R. C. Linares in Solid State Comm. No. 2 (1964), page 229 except that 1% oxygen and 99% nitrogen are used as the treatment atmosphere. The oriented Raw pieces were then cut into 1 mm thick slices with a diamond saw. For the successful growth of layers substrate disks of extremely good surface quality are required. For this reason, after the sawing, a consecutive Lapping with diamond grit with a grain size of 30, 9 and 3 μm take place. A chemomechanical polishing process step using a colloidal silicate mixture in alkaline The medium is then used to remove the last remains of the surface damage caused by the sawing. The this Art polished substrates are then left in air for 4 hours

YO 971 035YO 971 035

309807/1166309807/1166

1250 °C aufgeheizt.1250 ° C heated.

Die Substrate lassen sich auch durch normale Schmelzzüchtungsverfahren erstellen. So werden z.B. die Kristallsubstanzen bei hoher Temperatur aufgelöst, um sie anschließend langsam abzukühlen, so daß sich eine gesättigte Schmelze ergibt. Die Kristalle werden dann in geschlossenen. Platintiegeln gezüchtet.The substrates can also be made by normal melt growth techniques create. For example, the crystal substances are dissolved at a high temperature and then slowly removed to cool, so that a saturated melt results. The crystals are then closed in. Grown platinum crucibles.

Es sollen nun einige spezielle Granat-Verbindungen mit der allgemeinen Formel RE Y-, Fe,._ Ga O₀ beschrieben werden, wobeiSome special garnet compounds with the general formula RE Y-, Fe, ._ Ga O ₀ will now be described, with

y j™y dx χ i/y j ™ y dx χ i /

wiederum RE ein Lanthanid darstellt und 0,9<x<_l,2 und 0,l<y<0,9 gilt. Diese Substanzen stellen Einkristall-Granat-Filme auf den oben erwähnten Substraten dar.again RE represents a lanthanide and 0.9 <x <_l, 2 and 0, l <y <0.9 is applicable. These substances constitute single crystal garnet films on the substrates mentioned above.

Bevor auf die Besonderheiten dieser Zusammensetzungen eingegangen wird, sei auf eine der hervorstechendsten Eigenschaften dieser Zusammensetzungen, wie es sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ergibt, hingewiesen. Wie ersichtlich, ist hier die Domänenwandgeschwindigkeit als Funktion des angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldes H^ aufgetragen, das zur Verschiebung der Domänen dient, wobei in an sich bekannter Weise weichmagnetische Streifenmuster als Weiterleitungsmittel auf der magnetischen Schicht aufgebracht sind. Hierzu dienen z.B. T-förmige Permalloystreifen, die mit dem sich in der Ebene der magnetischen Schicht drehenden Weiterleitungsfeld H, zusammenwirken.Before going into the specifics of these compositions, let us consider one of the most salient properties of these Compositions, as it emerges from the graph of FIG. 4, indicated. As you can see, here is the Domain wall velocity plotted as a function of the applied magnetic conduction field H ^, which is responsible for the displacement serves the domains, with soft magnetic stripe patterns as a transmission means on the magnetic in a manner known per se Layer are applied. For this purpose, e.g. T-shaped permalloy strips are used, which are in the plane of the magnetic Layer rotating forwarding field H, cooperate.

Die Beweglichkeit ρ des Magnetschichtmaterials entspricht dem Verhältnis aus Domänenwandgeschwindigkeit zur Feldstärke des Weiterleitugsfeldes H.. In diesem Falle sind drei Kurven aufgetragen: Eine Kurve entspricht dabei den hier bevorzugten Granat-Zusammensetzungen, wohingegen die anderen Kurven für Magnetschichten gelten, wie sie bisher in bekannter Weise Verwendung gefunden haben. Die mit ^RE _y ^Y3_y^Fe5__x ^Ga _x°i2 bezeichnete Kurve gilt für bevorzugte Granat-Zusammensetzungen der Erfindung. Die mit Y-(Fe, Ga)rO., bezeichnete Kurve gilt ebenso wie die mit (RE₇-RE_n) (Fe, Ga)₁-O₁ ο bezeichnete Kurve für Granat-Zusammen-The mobility ρ of the magnetic layer material corresponds to the ratio of the domain wall velocity to the field strength of the transmission field H .. In this case, three curves are plotted: One curve corresponds to the garnet compositions preferred here, whereas the other curves apply to magnetic layers as they were previously known Have found use. The ^{curve labeled RE} _y ^Y 3_y ^Fe 5_ _x ^Ga _x ° i2 applies to preferred garnet compositions of the invention. The curve marked with Y- (Fe, Ga) rO., Applies as well as the curve marked with (RE ₇ -RE _n ) (Fe, Ga) ₁ -O ₁ ο for garnet combinations.

^{Yo 971 O35} 309807/1 166 '' ^{Yo 971 O35} 309807/1 166 ''

Setzungen bekannter Art.Settlements of a known kind.

Wie sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ergibt, besitzen die hier beschriebenen Granat-Zusammensetzungen nicht nur eine höhere Beweglichkeit p, sondern auch höhere Domänenwandgeschwindigkeiten über ausgedehnte Bereiche der Feldstärke des Weiterleitungsfeldes H, gegenüber denen bekannter Art. Dies ist aber von ganz besonderer Bedeutung bei Herstellung arbeitsfähiger Anordnungen, da die Domänenwandgeschwindigkeit als Funktion des angelegten Weiterleitungsfeldes wichtiger ist als die Beweglichkeit an sich. So sind tatsächlich Domänenwandgeschwindigkeiten mit Werten größer als 4000 cm/Sekunde in einem Gd Y__ Fe₁- Ga O₁₉-FiIm gemessen worden. Diese hohen Domänengeschwindigkeiten sind wesentlich notwendig, wenn Datengeschwindigkeiten von wenigstens 10 Bits/Sekunde verlangt werden.As can be seen from the graph according to FIG. 4, the garnet compositions described here have not only a higher mobility p, but also higher domain wall velocities over extended areas of the field strength of the transmission field H, compared to those of the known type. This is, however, very special Significance in the production of workable arrangements, since the domain wall speed as a function of the applied transmission field is more important than the mobility itself. Domain wall velocities with values greater than 4000 cm / second have actually been measured _{in a Gd Y__ Fe 1} - Ga O _{19 -FiIm.} These high domain speeds are essential when data rates of at least 10 bits / second are required.

Die unten stehende Tabelle bringt Granat-Zusammensetzungsbeispiele gemäß der Erfindung mit den zugehörigen Daten. Bei allen Beispielen sind Epitaxieverfahren unter Züchtung aus der flüssigen Phase bei Anwendung eines PbO-B^O.-Flusses ausgeführt worden. Die Substrate bestehen aus in Czochralski-Prozessen gezüchteten Gd^Ga₁-O₁ „-Kristallen mit einer (ill)-Orientierung, wenn nicht anders vermerkt. Der Domänendurchmesser ist in Mikrometer angegeben. Die Angabe für die Sättigung 4irM erfolgt in Gauß. Die Größe (H,-4ttM ) wird in Oersted gemessen. H_a stellt das Anisotropiefeld dar und entspricht derjenigen Feldstärke, die benötigt wird, um die magnetischen Schichten von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit in die der schweren Magnetisierbarkeit zu schalten. Ist die Größe (H.-4<irM ) negativ, dann existiert keineThe table below gives examples of garnet composition according to the invention with associated data. In all of the examples, epitaxial growth processes have been carried out with growth from the liquid phase using a PbO-B ^ O. flow. The substrates consist of Gd ^ Ga ₁ -O ₁ "crystals grown in Czochralski processes with an (ill) orientation, unless otherwise noted. The domain diameter is given in micrometers. The saturation 4irM is specified in Gauss. The size (H, -4ttM) is measured in Oersted. H _a represents the anisotropy field and corresponds to the field strength that is required to switch the magnetic layers from the axis of easy magnetizability to that of difficult magnetizability. If the size (H.-4 <irM) is negative, then none exist

/V S/ V S

uniaxiale Anisotropie. Steht hinter der Zahl in dieser Spalte ein "(A)", dann heißt das, daß in diesem Falle ein Glühvorgang bei 1220 °C in Luft für 3 Stunden stattgefunden hat, um die erforderliche Anisotropie herbeizuführen. Die Größe H, gibt das Vormagnetisierungsfeld an, das auf die Magnetschichten einwirkt und ist ebenfalls in Oersted gemessen. Die Filmdicke ist in Mikrometer angegeben. Zur Substratorientierung dienen dieuniaxial anisotropy. If there is an "(A)" after the number in this column, it means that in this case an annealing process is taking place 1220 ° C has taken place in air for 3 hours in order to bring about the required anisotropy. The quantity H gives the bias field that acts on the magnetic layers and is also measured in Oersted. The film thickness is in Micrometers specified. The serve for substrate orientation

^{Yo 973} °³⁵ 309807/1166 ^{Yo 973} ° ³⁵ 309807/1166

-Γ-Γ

Miller-Indizes (hkl). Die Größe Aa_Q ist in Angström angegeben. Die Größe Aa_Q dient als Angabe für den Unterschied in den Gitterkonstanten des Substrats und des Films nach Auftragen der Schicht und nach Aufheizen, d.h. Gitterkonstante des Substrates minus der Gitterkonstanten des Films ergibt den Wert für Aa_Q.· Infolgedessen gilt für positives Aa daß der Film unter Zugbeanspruch steht.Miller indices (hkl). The quantity Aa _Q is given in angstroms. The quantity Aa _Q is used to indicate the difference in the lattice constants of the substrate and the film after application of the layer and after heating, i.e. the lattice constant of the substrate minus the lattice constant of the film gives the value for Aa _Q Film is under tensile stress.

Es sind neuartige Granat-Zusammensetzungen beschrieben worden, die jeweils nur ein Element der Lanthaniden-Gruppe besitzen und uniaxiale Anisotropie aufweisen, die durch mechanische Spannungsbeanspruchung eingeprägt ist. Diese Magnetschichten lassen Domä- Novel garnet compositions have been described which each have only one element of the lanthanide group and have uniaxial anisotropy, which is impressed by mechanical stress. These magnetic layers allow domains

5 25 2

nenbitdichten von mindestens 1Ö Bits/cm und Datengeschwindigkeiten von mindestens 10 Bits/sec zu.- Die erfindungsgemäßen Magnetschichten zeichnen sich durch eine wesentlich höhere Domänenwandgeschwindigkeit aus, als es bei bisherigen Granat-Zusammensetzungen der Fall ist. Weiterhin lassen sich diese Granat-Zusammensetzungen auf einfache Weise gemäß bekannter Verfahren epitaxial auf Substraten, bestehend aus reinen Verbindungen, . aufwachsen, so daß eine Verwendung von Substraten, bestehend aus komplexen gemischten Verbindungen, speziell nicht erforderlich ist.Bit densities of at least 10 bits / cm and data speeds of at least 10 bits / sec. The magnetic layers according to the invention are distinguished by a significantly higher domain wall speed than is the case with previous garnet compositions. These garnet compositions can also be used in a simple manner according to known methods epitaxially on substrates consisting of pure compounds,. grow up, so that a use of substrates consisting of complex mixed compounds, especially not required is.

Obgleich Granat-Zusammensetzungen für Domänen-Speichervorrichtungen bereits bekannt sind, hat sich doch gezeigt, daß die durch die Erfindung bereitgestellten Granat-Zusammensetzungen ganz besondere Vorteile bei der magnetischen Domänen-Anwendung bieten und dabei Eigenschaften entwickeln, die mit Filmschichten bekannter Art nicht zu erzielen sind. Dabei ist.es äußerst bemerkenswert, daß die mit diesen Granat-Zusammensetzungen erzielbaren Eigenschaften lediglich eine minimale Auswahl von Komponenten aus einer großen Anzahl zur Verfügung stehender Substanzen bedingen.Although garnet compositions for domain storage devices are already known, it has been found that the garnet compositions provided by the invention offer very special advantages in the magnetic domain application and develop properties in the process that do with film layers known type cannot be achieved. It is extremely noteworthy that the garnet compositions that can be achieved with these garnet compositions Properties only a minimal selection of components from a large number of available substances condition.

YO 971 035YO 971 035

309 007/1166309 007/1166

σ
co
co
οσ
co
co
ο

Nenn-ZusammensetzungNominal composition

^GdO_/2 ^Y2,5^Fe4,O^Gal,O°12 ^GdO_f5^Y2,5^Fe4,O5^GaO,95^Ol2 ^Gd O _{/ 2} ^Y 2.5 ^Fe 4, O ^Ga 1, 0 ° 12 ^Gd O _f 5 ^Y 2.5 ^Fe 4, ^{O 5 Ga} O, 95 ^O 12

^Gdl_/8^Yl,2^Fe4,O5^GaO,95°l2 ^Gd l _/ 8 ^Y l, 2 ^Fe 4 ^Ga O5 O, 95 ° l2

^EuO,45^Y2,55^Fe4^Gal^O12 ^EuO,6^Y2,5^Fe4^Gal°12 ^Eu0,6^Y2,4^Fe3,95^Gal,O5°12 ^{Eu O.45 Y} 2.55 ^Fe 4 ^Ga l ^O 12 ^{Eu O.6 Y} 2.5 ^Fe 4 ^Ga l ° 12 ^Eu 0.6 ^Y 2.4 ^Fe 3.95 ^Ga l, O5 ° 12

^EuO,6^Y _2/4^Fe3,85^Gal,l5°12 ^{Eu 0.6 Y} _2/4 ^Fe 3.85 ^Ga l, 15 ° 12

^EuO,7^Y2,3^Fe3,8^Gai,2°12 ^EuO,9^Y _2/l^Fe4,O5^GaO,95°l2 ^TbO,6^Y _2/4^Fe3,95^Gal,O5°12 Negatives Aa_n (a ^{Eu O.7 Y} 2.3 ^Fe 3.8 ^Ga i, 2 ° 12 ^{Eu O.9 Y} _{2 /} l ^Fe 4, O5 ^Ga O, 95 ° l2 ^{Tb O.6 Y} _2/4 ^Fe 3.95 ^Ga l , O5 ° 12 Negative Aa _n (a

^{u u}Substr. ^uu Substr.

GGG = Gd₃Ga₅0_l2-Substrat SGG = Sm₃Ga₅O,₂-SubstratGGG = Gd ₃ Ga ₅ 0 ₁₂ substrate SGG = Sm ₃ Ga ₅ O, ₂ substrate

TabelleTabel

GRANAT-SCHICHT-DATENGARNET LAYER DATA

Domänendurch messerDomain diameter

(pm) 4 ttM_s
(G)(pm) 4 ttM _s
(G)

Η_Α-4πΜ₅ (Oe)Η _Α -4πΜ ₅ (Oe)

(Oe)(Oe)

Filmdicke Film thickness

(pm)(pm)

Orient, (hkl)Orient, (hkl)

2 2 3 3 22 2 3 3 2

5 3 4 2155 3 4 215

150
380
560
490
510150
380
560
490
510

280280

125
300
200125
300
200

-26-26

-360-360

+150(A)+150 (A)

+540(A)+540 (A)

+210 +1100 +1020 +1230+210 +1100 +1020 +1230

+270(A) +2200+270 (A) +2200

+320(A) +200O +1280+320 (A) + 200O +1280

+800+800

125125

120 250 355 310 340120 250 355 310 340

130130

4545

8080

100100

•χ,• χ,

6 8 66 8 6

GGG GGGGGG GGG

SGG GGG GGG GGG GGGSGG GGG GGG GGG GGG

GGGGGG

GGG GGG GGGGGG GGG GGG

+0,008 0,0+0.008 0.0

+0,008 -0,003 -0,003+0.008 -0.003 -0.003

-0,015 +0,003 -0,015 +0,002 -0,014 -0,021-0.015 +0.003 -0.015 +0.002 -0.014 -0.021

-a-a

) ergibt sich, wenn ein Film einer Druckbeanspruchung ausgesetzt) arises when a film is subjected to compressive stress

Film war.Movie was.

(A) Aufheizung bei 1220 °_c für 3 Stunden in Luft.(A) Heating at 1220 ° _C. for 3 hours in air.

Claims (6)

- 19 PATENTANSPRÜCHE- 19 PATENT CLAIMS 1. Magnetische Granat-Einkristallschicht mit Lanthaniden-Anteilen sowie mit uniaxialer Anisotropie zur Aufrechterhaltung und Weiterleitung hierin erzeugter magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einem Substrat ein Eisen-Granat-Film mit durch mechanische Beanspruchung bedingter uniaxialer Anisotropie befindet, welcher neben einem einzigen Lanthaniden-Elementanteil Yttrium enthält, so daß sich eine Gitter-Fehlanpassung zwischen Substrat und Film im Bereich vom 0/02 bis 0,16 ergibt.1. Magnetic garnet single crystal layer with lanthanide components and uniaxial anisotropy for maintenance and forwarding magnetic cylindrical single wall domains generated therein, characterized in that On a substrate there is an iron-garnet film with uniaxial anisotropy caused by mechanical stress which is located next to a single lanthanide element component Contains yttrium, so that there is a lattice mismatch between substrate and film in the range from 0/02 yields up to 0.16. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Lanthaniöen-Granat besteht.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the substrate consists of a lanthanum garnet. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Spinell, Saphir oder aus Magnesiumoxid besteht.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the substrate consists of a spinel, sapphire or magnesium oxide consists. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die chemische Zusammensetzung des Eisengranats allgemein aus der Formel:4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the chemical composition of the iron garnet is general from the formula: BV3-y^Pe5-x^Gax°12BV3-y ^Pe 5-x ^Ga x ° 12 ergibt, worin RE für den Lanthaniden-Anteil steht undgives, where RE stands for the lanthanide portion and 0,9<x£l,2; O,1<Y<O,9.0.9 <x £ 1.2; O, 1 <Y < O, 9. 5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Granat-Film eine Magnetisierung 4irM (cgs-Systera) zwischen 100 und 300 Gauß besitzt.5. Arrangement at least according to claim 1, characterized in that the garnet film has a magnetization 4irM (cgs-Systera) has between 100 and 300 Gauss. 6. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Granat-Film aus einer Epitaxieschicht mit einer Dicke von etwa 1 bis 10 um besteht.6. Arrangement at least according to claim 1, characterized in that that the garnet film consists of an epitaxial layer with a thickness of about 1 to 10 µm. YO 9 71 035YO 9 71 035 3 09807/11663 09807/1166 LeerseiteBlank page