DE69723963T2 - Seitliche magento-elektronische vorrichtung unter ausnutzung eines quasi zwei-dimensionalen elektrogases - Google Patents

Seitliche magento-elektronische vorrichtung unter ausnutzung eines quasi zwei-dimensionalen elektrogases Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetoelektronische Vorrichtung mit einem Substrat, auf welchem ein erster und ein zweiter Körper aus Magnetmaterial vorgesehen sind, wobei zumindest die Magnetisierung des zweiten Körpers nicht festgelegt ist.
  • Der Begriff „Körper" umfasst in diesem Falle zum Beispiel einzelne Dünnschichten, Mehrschichtstrukturen oder Dickschichten, welche sämtlich zumindest teilweise Magnetmaterial aufweisen. Der Begriff „festgelegt", wie im Hinblick auf die Magnetisierung verwendet, weist eine relative Bedeutung auf die Magnetisierung M1 in einem ersten Körper ist an der Magnetisierung M2 in einem zweiten Körper festgelegt, wenn die externe Magnetfeldstärke H, welche erforderlich ist, um M1 von der Richtung her umzukehren, höher als diese ist, welche erforderlich ist, um M2 umzukehren. Eine Möglichkeit, um die Magnetisierungsrichtung in einem Magnetkörper festzulegen, besteht durch ,Exchange-Bias'; alternativ kann, wenn das Koerzitivfeld des ersten Körpers dieses des zweiten Körpers überschreitet oder wenn der erste Körper eine größere Formanisotropie aufweist, die Magnetisierung des ersten Körpers als festgelegt angesehen werden.
  • Eine Vorrichtung, wie in dem einleitenden Absatz erwähnt, ist aus der Internationalen Patentanmeldung WO 95/22820 bekannt, welche eine Dreischichtstruktur beschreibt, die zwei Schichten aus Magnetmaterial, die durch eine dazwischen angeordnete Nichtmetallschicht (mit zum Beispiel einem Halbleiter-, Halbmetall- oder Isolatormaterial) getrennt und mit dieser magnetisch verbunden sind, aufweist. Eine der Schichten aus Magnetmaterial weist eine feste Magnetisierungsrichtung auf – was unter Anwendung einer Technik, wie zum Beispiel ,Exchange-Biasing', erreicht wird – während die Magnetisierung der anderen Magnetschicht rotieren kann. Durch Verbinden der Magnetschichten mit ungleichnamigen Polen einer regelbaren Spannungsquelle kann an der Nichtmetall-Zwischenschicht ein elektrisches Feld angelegt werden; auf diese Weise können die Stärke und Art der magnetischen Ankopplung an der Zwischenschicht geändert werden, wodurch eine Änderung der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden Magnetschichten ermöglicht wird. Durch Ausnutzung dieses Effekts kann die Vorrichtung zum Beispiel als Magnetschreibkopf oder Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAM) verwendet werden.
  • Die bekannte Vorrichtung weist einige Nachteile auf. Zum Beispiel sind die Spannungen, welche erforderlich sind, um die Auskopplung an die Zwischenschicht (typischerweise in der Größenordnung von fünf Volt oder mehr) zu verändern, relativ hoch. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen den Magnetschichten auf Grund der übereinander angeordneten Schichten relativ gering (in der Größenordnung einiger Nanometer), so dass die Zwischenschicht nicht unmittelbarer zugänglich ist, um auf deren Eigenschaften besser bzw. eingrenzender Einfluss zu nehmen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue, magnetoelektronische Vorrichtung vorzusehen. Im Besonderen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu ermöglichen, dass die Bestandteile dieser Vorrichtung zugänglicher sind, um eine bessere Einflussnahme auf die Leistung der Vorrichtung zu gestatten. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu ermöglichen, auf die Eigenschaften der neuen Vorrichtung nicht nur durch Verwendung eines elektrischen Feldes, sondern auch durch verschiedene andere Mittel Einfluss zu nehmen. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der neuen Vorrichtung eine niedrigere Betriebsspannung als bei der bekannten Vorrichtung vorzusehen.
  • Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung, wie in dem einleitenden Absatz im Einzelnen beschrieben, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Körper im Wesentlichen koplanar und gegenseitig isolie sind, und dass die Körper über eine Schicht aus Halbleitermaterial, in welcher ein quasizweidimensionales Elektronengas erzeugt werden kann, miteinander verbunden sind, um eine laterale Anordnung zu bilden, erfüllt.
  • Der Begriff „zweidimensionales Elektronengas" (2DEG) wird in Bezug auf Halbleiterstrukturen verwendet, in welchen innerhalb einer vorgegebenen Ebene eine relativ hohe (metallische) Elektronenmobilität zu verzeichnen ist, wohingegen senkrecht zu dieser Ebene Elektronen in einer Potentialmulde eingefangen werden. Zweidimensionale Elektronengase werden zum Beispiel in normalen MOSFETs genutzt; deren Verwendung in einer Vorrichtung, wie in dem vorherigen Absatz im Einzelnen beschrieben, war jedoch bislang unbekannt. Die 2DEG-Physik ist in US-Patent 4 996 570 kurz und in Solid State Physics, Band 44, H. Ehrenreich und D. Turnbull (Verfasser), Academic Press Inc., 1991, ISBN 0-12-607744-4, speziell auf den Seiten 1–26, im Einzelnen erläutert. Bei einem soge nannten „reinen 2DEG" wird in der Potentialmulde lediglich ein Subband belegt, und es erfolgt keine Streuung zu höheren Subbändern hin; dagegen werden bei einem sogenannten „quasi-2DEG" mehrere Subbänder in der Potentialmulde belegt (wobei die gegenseitige Trennung der Subbänder größer als die thermische Energie kT bei einer vorgegebenen Temperatur T ist, wobei k die Boltzmann-Konstante darstellt). In dem gesamten Text ist der Begriff „quasi-2DEG" bzw. „quasi-zweidimensionales Elektronengas" als ebenfalls reines 2DEG enthaltend auszulegen. Einige Halbleiterstrukturen enthalten ein „intrinsiches" quasi-2DEG, welches sogar bei Fehlen eines angelegten elektrischen Feldes vorhanden ist, während andere Strukturen eine quasi-2DEG-Reaktion ausschließlich bei Vorhandensein eines solchen Feldes zeigen: aus diesem Grunde ist der Ausdruck „kann erzeugt werden", wie hier angewandt, als beide Möglichkeiten umfassend zu interpretieren.
  • Die vorliegende Erfindung macht sich unter anderem die Tatsachen zunutze, dass ein quasi-2DEG eine relativ große, elektronische, mittlere, freie Weglänge (in der Größenordnung von 0,2–0,5 μm) und eine relativ hohe Elektronenbeweglichkeit (typischerweise größer als 1,5 m2/Vs) aufweist; infolgedessen kann das quasi-2DEG zum Beispiel eine magnetische Kopplung zwischen zwei Magnetkörpern über eine relativ große Entfernung vorsehen, wobei an Stelle der konventionellen Stapelstruktur eine laterale Bauelementstruktur ermöglicht wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Elektronendichte eines quasi-2DEGs zu modulieren, wobei dessen Metalleigenschaften trotzdem erhalten bleiben; folglich kann, wenn zwei Magnetkörper lediglich über das quasi-2DEG miteinander verbunden sind, die magnetische Wechselwirkung (Kopplung) zwischen diesen Körpern durch Einstellen der Elektronendichte des quasi-2DEGs verändert werden. Auf Grund der lateralen Struktur kann die Halbleiterschicht, in welcher das quasi-2DEG erzeugt wird, durch aktinische Strahlen, Magnetfelder oder Gateelektroden frei zugänglich sein, so dass auf die Elektronendichte des quasi-2DEGs direkter, eingrenzender und besser Einfluss genommen werden kann. Bei Einstellung mit Hilfe einer oder mehrerer Gateelektroden sind die typischerweise erforderlichen Spannungen (in der Größenordnung von 1 Volt) im Wesentlichen niedriger als die bei der bekannten Vorrichtung erforderlichen Spannungen. Darüber hinaus kann die Halbleiterschicht, da diese frei zugänglich ist, verschiedenartig strukturiert (z. B. unter Anwendung lithografischer Techniken) werden, so dass deren elektrischer Widerstand den Erfordernissen eines jeweiligen Verwendungszwecks angepasst werden kann (z. B. kann die Schicht mit einer Verengung versehen werden, wodurch sich ein hoher, elektrischer Widerstand zwischen den Magnetkörpern ergibt). Wie weiter unten näher erläutert, kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung als Basis von Magnetfeldsensoren, Magnetschreibköpfen, MRAMs usw. verwendet werden.
  • Es sei erwähnt, dass bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Schicht aus Halbleitermaterial, in welcher das quasi-2DEG erzeugt wird, zum Beispiel lediglich in dem Zwischenraum zwischen den beiden isolierten Magnetkörpern oder als eine Schicht auf der Oberseite des Substrats und unterhalb der Magnetkörper vorgesehen werden kann. Ebenfalls sei explizit erwähnt, dass die erfinderische Vorrichtung zum Betrieb bei Raumtemperatur geeignet ist und deshalb zum Betrieb nicht auf Tieftemperaturen abgekühlt werden muss.
  • Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung des ersten Körpers (zum Beispiel unter Anwendung einer Technik, wie in dem zweiten einleitenden Absatz erläutert) festgelegt wird. Wie dann weiter erläutert wird, ist diese Maßnahme das Kernstück der verschiedenen möglichen Verwendungen der erfinderischen Vorrichtung. Es sei jedoch erwähnt, dass M1 nicht unbedingt festgelegt werden muss: zum Beispiel kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung dennoch als MRAM eingesetzt werden, wenn sowohl M1 als auch M2 rotieren kann; s. (d) unten.
  • Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der erfinderischen Vorrichtung, wie in dem vorherigen Absatz im Einzelnen beschrieben, ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Körper gegenseitig magnetisch verbunden sind (Austauschkopplung oder magnetostatische Kopplung). In einem solchen Fall besteht, in Anbetracht dessen, dass die Magnetisierung M2 des zweiten Körpers nicht festgelegt ist, die Möglichkeit, die relative Ausrichtung von M1 und M2 lediglich durch Verändern der Art (Vorzeichen) der Verbindung zwischen diesen zu verändern. Hierdurch ergeben sich verschiedene mögliche Verwendungszwecke der erfinderischen Vorrichtung, zum Beispiel:
  • (a) ein Magnetschreibkopf
  • Durch Verwendung eines elektrischen Feldes oder einer Lichtquelle, um die Elektronendichte in dem quasi-2DEG der Halbleiterschicht entsprechend einer vorgegebenen Binärdatenstruktur zu modulieren, kann die Kopplung zwischen den beiden Magnetkörpern zwischen ferromagnetischen (F) und antiferromagnetischen (AF) Zuständen verändert werden, wodurch bewirkt wird, dass M2 entsprechend rotiert, um jeweils zu M1 parallel oder antiparallel zu sein. Diese Modulation der Richtung von M2 kann zum Einschreiben von Binärinformationen auf einem benachbarten Magnetspeichermedium, wie z. B. einem Band, einer Platte oder Karte, eingesetzt werden.
  • (b) ein MRAM:
  • Wie im obigen Fall, kann (zum Beispiel) von dem Anlegen eines elektrischen Feldes an die Halbleiterschicht bzw. dem Entfernen desselben zur Änderung der Richtung von M2 Gebrauch gemacht werden. Auf diese Weise kann die erfinderische Vorrichtung als Binär-RAM- eingesetzt werden, wobei eine Richtung von M2 durch eine „0" und die entgegengesetzte Richtung durch eine „1" dargestellt ist. Das durch M2 dargestellte, bestimmte Binärbit kann zum Beispiel zu einem vorgegebenen Zeitpunkt durch Überwachen von magnetooptischen Kerr-Effekten in dem zweiten Körper oder durch Darstellen des zweiten Körpers als ,Spin-Valve'-Magnetowiderstandsdreischicht und Überwachen des elektrischen Widerstands derselben bestimmt (gelesen) werden. Ein wesentlicher Vorteil der lateralen Form der erfinderischen Vorrichtung bei einem MRAM ist, dass, da der erste und zweite Magnetkörper weiter voneinander entfernt als bei einer Stapelstruktur sein können, die Möglichkeit besteht, auf einen Magnetkörper Einfluss zu nehmen (z. B. mit einem Strom führenden Draht), ohne dabei den anderen Magnetkörper wesentlich zu beeinflussen. Solche Vorrichtungen werden in den weiter unten erwähnten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel der erfinderischen Vorrichtung, wie in dem vorherigen Absatz im Einzelnen beschrieben, sind der erste und zweite Körper nicht miteinander magnetisch verbunden. Hierdurch ergeben sich verschiedene mögliche Verwendungszwecke der erfinderischen Vorrichtung, zum Beispiel:
  • (c) ein Magnetfeldsensor (Magnetlesekopf):
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung sieht einen wesentlichen ,Spin-Valve'-Magnetowiderstandseffekt vor. Bei nicht vorhandener Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Körper kann M2 in Reaktion auf einen variablen, externen Magnetfluss rotieren. Da M1 richtungsmäßig festgelegt ist, verändert eine solche Rotation die gegenseitige Ausrichtung von M1 und M2 und somit den elektrischen Widerstand zwischen dem ersten und zweiten Magnetkörper. Die Vorrichtung wirkt damit als Messwandler, wobei ein variabler Magnetfluss in ein sich entsprechend veränderndes, elektrisches Signal umgewandelt wird;
  • (d) ein MRAM:
  • Wenn sowohl M1 als auch M2 rotieren kann, kann ein MRAM realisiert werden, indem zwei getrennte Schreibleitungen (d.h . elektrische Bahnen, mit welchen ein Magnetfeld erzeugt werden kann) verwendet werden, um M1 und M2 direkt zu manipulieren. Auf diese Weise können M1 und M2 zwischen Parallelkonfiguration und Antiparallelkonfiguration geschaltet werden, wodurch der laterale, elektrische Widerstand R12 des MRAMs (über den ,Spin-Valve'-Magnetowiderstandseffekt) entsprechend beeinflusst wird. Solche Vorrichtungen werden in den weiter unten erwähnten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Wie oben ausgeführt, wird bei verschiedenen möglichen Verwendungszwecken der erfinderischen Vorrichtung von dem Anlegen eines elektrischen Feldes an das quasi-2DEG Gebrauch gemacht. Eine zweckmäßige Weise, ein solches (steuerbares) Feld zu erzeugen, ist die Zuhilfenahme einer Elektrode (einer sogenannten Gatelektrode oder eines Schottky-Kontakts), welche gegen die Schicht aus Halbleitermaterial vorgesehen ist. Im Einzelnen können, falls dieses gewünscht wird oder erforderlich ist, mehrere solcher Gateelektroden gegen die Halbleiterschicht vorgesehen werden, wodurch ermöglicht wird, dass verschiedene Bereiche des quasi-2DEGs verschiedenen elektrischen Feldern ausgesetzt werden; hierdurch wird zum Beispiel die Erzeugung einer sogenannten Resonanzdurchtunnelungs-Mehrfachbarrierenstruktur in dem quasi-2DEG (eine laterale Version, wie in der Internationalen Patentanmeldung WO 96/11469 näher erläutert) ermöglicht. Darüber hinaus kann (können) die Gateelektrode(n), wenn gewünscht, mit einer speziellen, geometrischen Form (z. B. unter Anwendung lithografischer Techniken) versehen werden.
  • In dem, in dem vorherigen Absatz erläuterten Ausführungsbeispiel kann (können) sich die Gateelektrode(n) in direktem Kontakt mit der Halbleiterschicht befinden. Alternativ kann (können) die Gateelektrode(n) von der Schicht aus Halbleitermaterial elektrisch isoliert sein. Eine solche Isolation kann zum Beispiel erreicht werden, indem eine Schicht aus dielektrischem Material (wie z. B. SiO2) zwischen der (den) Gateelektrode(n) und der Halbleiterschicht vorgesehen wird. Eine separate Isolationsschicht dieser Art ist nicht erforderlich, wenn zum Beispiel eine Quantenmuldenstruktur (d. h. eine nicht leitende (Oberflächen-) Schicht) in der Halbleiterschicht, in welcher das quasi-2DEG erzeugt wird, vorhanden ist.
  • Im Allgemeinen ist mindestens einer der Magnetkörper der erfinderischen Vorrichtung mit einem elektrischen Anschluss verbunden, und es können beide Magnetkörper, wenn ein spezieller Verwendungszweck dieses erforderlich macht, mit unterschied lichen elektrischen Anschlüssen verbunden sein. Jedoch kann die erfinderische Vorrichtung, sofern gewünscht, ebenfalls weitere ohmsche Kontakte (Anschlüsse) aufweisen. Zum Beispiel kann durch Verwendung von insgesamt vier Kontakten (z. B. auf einer einzelnen Schicht aus quasi-2DEG-Halbleitermaterial) eine planare Hall-Effekt-Vorrichtung vorgesehen werden, bei welcher der Stromfluss zwischen zwei Magnetkontakten im Wesentlichen senkrecht zu dem, zwischen zwei Metallkontakten gemessenen Spannungsgradienten verläuft; eine solche Vorrichtung (mit Ausnahme dieser wird kein quasi-2DEG verwendet) wird zum Beispiel von A. Schuhl et al. in Appl. Phys., Ausgabe 66 (1995), Seite 2751– 2753, erläutert. Durch die Anwendung der Hall-Geometrie, z. B. bei einem Magnetfeldsensor, für welchen die erfinderische Vorrichtung verwendet wird, kann eine signifikante Geräuschreduzierung erreicht werden.
  • Zur optimalen Leistung sollte das Vorhandensein von Schottky-Barrieren zwischen den Magnetkörpern und der Halbleiterschicht verhindert werden. Dieses vorausgesetzt, ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial InAs aufweist. InAs sieht eine Anreicherungsschicht auf der Oberfläche (wobei ein quasi-2DEG erzeugt wird) vor, so dass die meisten Metalle, welche auf reinem InAs aufgebracht werden, einen ohmschen Kontakt bilden. Eine geeignete Alternative zu reinem InAs ist zum Beispiel InxGa1-xAs (wobei die Menge von Ga relativ gering, z. B. x ≥ 0,8, ist).
  • Zu den geeigneten Substratmaterialien zur Verwendung in der Vorrichtung gemäß der Erfindung gehören zum Beispiel unter anderem Siliciumscheiben und InP. Geeignete Magnetmaterialien zur Verwendung in dem ersten und zweiten Magnetkörper sind zum Beispiel Fe, Ni, Co, verschiedene binäre und ternäre Legierungen aus diesen Materialien (wie z. B. Permalloy), CoZrNb und FeNbZrN. Es sei erwähnt, dass der erste und zweite Magnetkörper nicht den gleichen Aufbau, die gleiche Form oder Größe haben müssen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 – einen Querriss einer Halbleiterschicht, in welcher ein quasi-2DEG erzeugt werden kann;
  • 2 – einen Querriss einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, in diesem Falle als Magnetfeldsensor verkörpert;
  • 3 – eine Modifikation des Gegenstands von 2, welche zur Verwendung als Magnetschreibkopf geeignet ist;
  • 4 – eine Modifikation des Gegenstands von 2, welche zur Verwendung als MRAM geeignet ist.
  • Entsprechende Merkmale in den verschiedenen Figuren sind durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • 1 zeigt einen Querriss eines spezifischen Ausführungsbeispiels einer Halbleiterschicht 3, welche zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung geeignet ist und in welcher ein quasi-2DEG erzeugt werden kann. Die Schicht 3 wird auf einem Substrat 1, welches in diesem Fall aus InP besteht, aufgebracht. Die Schicht 3 weist eine zusammengesetzte Struktur in der folgenden Zusammensetzung auf
    Figure 00080001
  • In der Tabelle steht „ud" für undodiert (d. h. eigenleitend) und „n+" für Donatordotierung.
  • Die dargestellte Halbleiterschicht 3 enthält ein quasi-2DEG in Teilschicht 13 (in diesem spezifischen Fall ein reines Intrinsic-2DEG). Das quasi-2DEG weist eine Elektronenbeweglichkeit von etwa 1,65 m2/Vs, eine Elektronendichte von etwa 1,96 × 1016 m–2 und eine elektronische, mittlere, freie Weglänge von etwa 0,4 μm auf.
  • Ausführungsbeispiel 2
  • Als Beispiel einer Alternative zu der Struktur in Ausführungsbeispiel 1 kann ebenfalls ein quasi-2DEG in einer MBE-aufgebrachten Halbleiterschicht, welche sich wie folgt zusammensetzt:
    ud GaAs (17 nm)
    un-dotiertes Al0,33Ga0,67As (38 nm)
    ud Al0.33Ga0.67As (41 nm)
    ud GaAs (500 nm)
    erzeugt werden. Diese Bestandteile sind in der Reihenfolge der Verringerung des Abstands zu dem Substrat, welches zum Beispiel aus GaAs bestehen kann, aufgeführt. Die in Klammern gesetzten Angaben stellen die idealen Dicken für die verschiedenen Bestandteile dar. „ud" steht für undotiert (d. h. eigenleitend).
  • Ausführungsbeispiel 3
  • 2 zeigt ein spezifisches Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung weist ein Substrat 1 auf, auf welchem ein erster Magnetkörper 21 und ein zweiter Magnetkörper 22 vorgesehen sind. Der erste Körper 21 weist eine Magnetisierung M1 auf und ist mit einem elektrischen Anschluss 31 verbunden, während der zweite Körper 22 eine Magnetisierung M2 vorsieht und mit einem elektrischen Anschluss 32 verbunden ist. Die Körper 21, 22 können zum Beispiel aus Permalloy bestehen. Wie hier dargestellt, weisen die Magnetisierungen M1, M2 eine planare Richtung auf, können sich jedoch zum Beispiel ebenfalls senkrecht (senkrechte Anisotropie) zu dem Substrat 1 befinden.
  • Die Magnetisierung M2 kann unter dem Einfluss eines externen Magnetflusses rotieren. Jedoch ist die Magnetisierung M1 richtungsmäßig durch ,Exchange-Biasing' des Körpers 21 an einer angrenzenden Schicht aus ,Exchange-Biasing'-Material, wie z. B. Fe50Mn50, welches zum Beispiel auf der Oberseite des Körpers 21 aufgebracht werden kann, festgelegt. Alternativ kann der Körper 21 so dargestellt sein, dass er eine höhere Koerzitivkraft Hc als der Körper 22, z. B. durch Verwendung unterschiedlicher Basismaterialien für die Körper 21, 22 oder durch Verwendung der gleichen Basismaterialien und Dotierung in unterschiedlicher Höhe mit Hilfe eines Hc-beeinflussenden Zusatzes (wie z. B. Os oder Re) aufweist. Eine andere Alternative ist, die Körper 21, 22 mit unterschiedlichen Formanisotropien, z. B. durch Darstellung als eine Platte (geringe Formanisotropie), zu versehen.
  • Der erste und zweite Körper 21, 22 sind über eine Schicht 3 (z. B. die in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Schicht 3) aus Halbleitermaterial, in welcher ein quasi-2DEG erzeugt werden kann, miteinander verbunden. Die Anordnung der Körper 21, 22 und der Schicht 3 ist so vorgesehen, dass sie statt einer Dreischichtstruktur eine laterale Anordnung bildet. Der laterale Abstand zwischen den Körpern 21, 22 weist vorzugsweise die gleiche Größenordnung wie die elektronische, mittlere, freie Weglänge des quasi-2DEGs (typischerweise etwa 0,2–0,5 μm) auf. Wie hier dargestellt, ist die Schicht 3 zwischen den Körpern 21, 22 angeordnet; sie kann jedoch auch unter den Körpern vorgesehen sein, solange sie eine gegenseitige Verbindung sicherstellt.
  • Die laterale Trennung der Körper 21, 22 ist so groß, damit eine magnetische Kopplung zwischen diesen verhindert wird. Dieses ist typischerweise bei lateralen Trennungen in der Größenrodnung von etwa 0,25–0,5 μm oder mehr der Fall.
  • Der Sensor weist einen substantiellen ,Spin-Valve'-Magnetowiderstandseffekt auf, wobei der zwischen den Anschlüssen 31 und 32 gemessene Wert des elektrischen Widerstands R12 von der relativen Ausrichtung von M1 und M2 (insbesondere, ob sie parallel oder antiparallel sind) abhängig ist. Wird der Sensor einem variablen, externen Magnetfluss ausgesetzt, so hat dieses zur Folge, dass M2 seine Richtung ändert. Da M1 festgelegt ist, verändert ein solches Aussetzen die relative Ausrichtung von M1 und M2 und damit auch den Wert von R12. Auf diese Weise kann ein variabler, externer Magnetfluss in ein sich entsprechend veränderndes, elektrisches Signal umgewandelt werden, so dass die Vorrichtung als Magnetfeldsensor wirkt. Bei einem bestimmten Verwendungszweck geht der externe Magnetfluss von einem Magnetspeichermedium, wie zum Beispiel einem Magnetband, einer Platte oder Karte, welche sich in unmittelbarer Nähe des Körpers 22 bewegen, aus, wodurch die Vorrichtung als Magnetlesekopf wirkt.
  • Die in 2 dargestellte Vorrichtung kann selbstverständlich zusätzliche Teile zu den hier dargestellten Teilen aufweisen. Im Besonderen kann die Vorrichtung Magnetflussführungen vorsehen, um den externen Magnetfluss auf die unmittelbare Umgebung des Körpers 22 zu konzentrieren.
  • Ausführungsbeispiel 4
  • 3 zeigt im Wesentlichen die Vorrichtung von 2 nach folgender Modifikation:
    • – es wurde eine Gateelektrode 23 gegen die (auf der) Schicht 3 vorgesehen, und diese Elektrode 23 ist mit einem elektrischen Anschluss 33 verbunden;
    • – die Anschlüsse 31, 32 in 2 sind im vorliegenden Fall nicht vorhanden;
    • – die Magnetkörper 21, 22 sind magnetisch gekoppelt. Dieses kann durch eine ausreichend geringe, laterale Trennung der Körper 21, 22 (z. B. in der Größenordnung von etwa 100 nm) realisiert werden.
  • Wie hier dargestellt, befindet sich die Gateelektrode 23 in direktem Kontakt mit der Schicht 3, wobei jedoch Elektrode 23 und Schicht 3 ebenfalls durch eine dazwischen angeordnete Schicht aus elektrisch isolierendem Material (nicht dargestellt) voneinander getrennt sein können.
  • Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Anschluss 33 kann die Schicht 3 über die Elektrode 23 einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, welches eingesetzt werden kann, um die Elektronendichte des quasi-2DEGs in der Schicht 3 zu verändern. Insbesondere besteht so die Möglichkeit, Stärke und/oder Vorzeichen (Art) der Kopplung zwischen den Körpern 21, 22 zu verändern.
  • In einem spezifischen Beispiel ist die Kopplung zwischen den Körpern 21, 22 intrinsisch ferromagnetisch (z. B. auf Grund einer Austauschwechselwirkung), so dass die Magnetisierungen M1 und M2 bei Nichtvorhandensein eines externen Magnetflusses zueinander parallel sind. Durch Anlegen einer geringen Gleichspannung (in der Größenordnung von 1 Volt) an den Anschluss 33 wird das quasi-2DEG in der Schicht 3 lokal einem elektrischen Feld ausgesetzt, wodurch die Kopplung zwischen den Körpern 21, 22 antiferromagnetisch wird (z. B. durch elektronisches Verarmen des quasi-2DEGs, so dass die Kopplung zwischen den Körpern 21, 22 magnetostatisch wird); infolgedessen, da M1 festgelegt ist, kehrt M2 seine Richtung um, um zu M1 antiparallel zu sein.
  • Es ist somit augenscheinlich, dass das Anlegen einer variablen Spannung an den Anschluss 33 eingesetzt werden kann, um zu bewirken, dass die Magnetisierung M2 in der Richtung hin- und her geht. Wenn daher ein magnetisches Aufzeichnungsmedium nahe zum Körper 22 (oder zu der Polfläche einer von diesem ausgehenden Magnetflussführung) bewegt wird, kann das Anlegen einer Daten modulierten Spannung an den Anschluss 33 eingesetzt werden, um das Medium mit den Daten durch den magnetischen Einfluss von M2 auf das Medium zu verschlüsseln. Die Vorrichtung kann somit als Magnetschreibkopf verwendet werden.
  • Ausführungsbeispiel 5
  • 4 zeigt im Wesentlichen die Vorrichtung von 2 nach einer Modifikation. Im Einzelnen wurde eine sogenannte „Schreibleitung" 34 gegen den Körper 22 vorgesehen, welche von diesem durch eine Schicht 35 aus elektrisch isolierendem Material, wie zum Beispiel SiO2, getrennt ist. In diesem speziellen Fall erstreckt sich die Schreibleitung 34 in eine Richtung senkrecht zu der Ebene der Figur und besteht aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Cu oder Au.
  • Ein durch die Schreibleitung 34 fließender, elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld, mit welchem die Richtung von M2 beeinflusst werden kann; insbesondere kann M2 von der Richtung her umgekehrt werden. Da M1 festgelegt ist, bewirkt eine solche Änderung der Richtung von M2 eine Änderung der gegenseitigen Ausrichtung von M1 und M2, welche durch Messen des Widerstands R12 zwischen den Anschlüssen 31 und 32 überwacht werden kann.
  • Auf diese Weise wirkt die Vorrichtung als Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff, in dem Binärdaten gespeichert und von diesem wieder abgerufen werden können: eine aufrechterhaltene Spannung entsprechend einer „1" oder „0" auf der Schreibleitung 34 erzeugt eine Parallel- oder Antiparallelkonfiguration von Mi und M2, was wiederum in einem relativ geringen oder hohen Wert von R12 resultiert.
  • Wenn gewünscht, kann die in 4 dargestellte Vorrichtung in eine Anordnung von solchen Vorrichtungen integriert werden, um Mehrfachdatenbits speichern und abrufen zu können.

Claims (10)

  1. Magnetoelektronische Vorrichtung mit einem Substrat (1), auf welchem ein erster (21) und ein zweiter (22) Körper aus Magnetmaterial vorgesehen sind, wobei zumindest die Magnetisierung des zweiten Körpers nicht festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Körper im Wesentlichen koplanar und gegenseitig isoliert sind, und dass die Körper über eine Schicht (3) aus Halbleitermaterial, in welcher ein quasizweidimensionales Elektronengas erzeugt werden kann, miteinander verbunden sind, um eine laterale Anordnung zu bilden.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungsrichtung des ersten Körpers festgelegt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Körper miteinander magnetisch verbunden sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Körper nicht miteinander magnetisch verbunden sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode gegen die Schicht aus Halbleitermaterial vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode von der Schicht aus Halbleitermaterial elektrisch isoliert ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial InAs enthält.
  8. Magnetfeldsensor, welcher eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
  9. Magnetschreibkopf, welcher eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
  10. Magnetspeicher mit wahlfreiem Zugriff, welcher eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.
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