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Dokumentenidentifikation DE102005043574A1 05.10.2006
Titel Magnetoresistives Element, insbesondere Speicherelement oder Lokikelement, und Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein derartiges Element
Anmelder Universität Duisburg-Essen, 45141 Essen, DE
Erfinder Hochstrat, Andreas, 46562 Voerde, DE;
Chen, Xi, Dr., 45478 Mülheim, DE;
Borisov, Pavel, 47057 Duisburg, DE;
Kleemann, Wolfgang, Prof. Dr., 47249 Duisburg, DE
Vertreter Patentanwälte Gesthuysen, von Rohr & Eggert, 45128 Essen
DE-Anmeldedatum 12.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005043574
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.10.2006
IPC-Hauptklasse G11C 11/16(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G11C 11/22(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G11C 11/15(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Es werden ein magnetoresistives Element, insbesondere Speicherelement oder Logikelement, und ein Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein derartiges Element vorgeschlagen. Das Element weist einen ersten Kontakt aus ferromagnetischem Material und eine zugeordnete Schicht aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material auf, wobei der erste Kontakt in Abhängigkeit von einer antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht magnetisch polarisiert wird. Diese magnetische Polarisation bildet eine binäre Information.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element, insbesondere ein Speicherelement oder Logikelement, ein Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein derartiges Element sowie eine Verwendung eines Exchange-Bias-Systems zur Informationsspeicherung.

Die Magnetoelektronik und der spinpolarisierte Transport von Ladungsträgern haben in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung durchgemacht. Diese Entwicklung wurde vor allem durch die Entdeckung des sogenannten Giant-Magnetowiderstands (GMR) und des Tunnelmagnetowiderstands (TMR) ausgelöst. Diese beiden Effekte ermöglichten es erstmals, ein Magnetfeld bzw. eine Magnetisierungsinformation direkt in eine Widerstandsänderung umzusetzen. Beide Effekte basieren auf dem Transport spinpolarisierter Elektronen zwischen zwei ferromagnetischen Kontakten, wobei die relative Magnetisierung der beiden Kontakte ausschlaggebend für den Widerstand des Gesamtbauelements ist. Die beiden Kontakte oder sonstige Schichten, deren magnetischen Momente sich relativ zueinander ausrichten und die Magnetisierungshysterese beeinflussen, werden auch als Exchange-Bias-System bezeichnet. Der GMR wird üblicherweise in rein metallischen Strukturen und der TMR in Strukturen mit einer oxidischen Tunnelbarriere zwischen zwei ferromagnetischen Metallschichten genutzt. Zur Zeit werden TMR-Strukturen für elektronisch auslesbare Magnetspeicher (MRAMs) verwendet, während der GMR kommerziell vor allem in der Magnetfeldsensorik und in Festplatteleseköpfen genutzt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein derartiges magnetoresistives oder sonstiges Element, bei dem mindestens eine Information in magnetischer Form vorliegt bzw. speicherbar ist.

Bei einem heutigen MRAM erfolgt das Schreiben einer Information – also eine magnetische Polarisierung bzw. Magnetisierung – üblicherweise durch ein entsprechendes Magnetisierungsfeld, das elektromagnetisch erzeugt wird. Die Polarität des Magnetfelds wird in Abhängigkeit von der Information variiert. Nachteilig bzw. problematisch ist hierbei, daß eine Fokussierung des Magnetfelds im Hinblick auf eine hohe Packungsdichte schwierig bzw. aufwendig ist und daß verhältnismäßig hohe elektrische Ströme erforderlich sind und zu einer hohen unerwünschten Verlustwärme führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes magnetoresistives Element, ein verbessertes Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein insbesondere magnetoresistives Element sowie eine Verwendung eines Exchange-Bias-Systems zur Informationsspeicherung anzugeben, insbesondere wobei ein zumindest im wesentlichen stromloses Schreiben einer magnetischen Information möglich ist.

Die obige Aufgabe wird durch einen magnetoresistives Element gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 12 oder eine Verwendung gemäß Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das magnetoresistive Element weist vorzugsweise zwei über eine Trennschicht in Verbindung stehende, ferromagnetische Kontakte auf, die insbesondere ein TMR-Element oder GMR-Element bilden. Dem ersten Kontakt ist eine erste Schicht aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material derart zugeordnet, daß der erste Kontakt in Abhängigkeit von der antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht magnetisch polarisierbar ist. Der erste Kontakt und die erste Schicht bilden ein Exchange-Bias-System. Durch ein elektrisches Feld – im Falle von magnetoelektrischem Material zusammen mit einem Magnetfeld – läßt sich die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation, also die Ausrichtung der magnetischen Momente bzw. Spins der ersten Schicht zumindest in der Grenzschicht zum ersten Kontakt hin steuern. Damit wird die magnetische Polarisierung des ersten Kontakts festgelegt bzw. gesteuert. Die magnetische Polarisierung bzw. Magnetisierung des ersten Kontakts bildet dann eine gespeicherte Information des magnetoresistiven Elements. Der elektrische Widerstand über die beiden Kontakte gestattet ein Lesen dieser Information, da der elektrische Widerstand bei paralleler Ausrichtung der Polarisierungen bzw. magnetischen Momente der beiden Kontakte niedrig und bei antiparalleler (entgegengesetzter) Ausrichtung hoch ist.

Das bevorzugte Verfahren zum Schreiben von Informationen zeichnet sich dadurch aus, daß die magnetoelektrische Schicht über eine kritische Temperatur erwärmt und mittels eines Magnetfelds und eines elektrischen Felds in gewünschter Weise in seiner Grenzschicht antiferromagnetisch polarisiert bzw. manipuliert wird, wobei das Magnetfeld und das elektrische Feld bis zur Abkühlung unter die kritische Temperatur bzw. bis zum Einfrieren der durch das Magnetfeld und elektrische Feld bestimmten antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der magnetoelektrischen Schicht aufrechterhalten werden, so daß der zugeordnete Kontakt durch die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der Schicht in gewünschter Weise magnetisch polarisiert wird und diese magnetische Polarisation eine magnetische Information des Elements bildet. Durch entsprechende antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der Schicht erfolgt also das Schreiben der Information.

Vorteilhafterweise kann beim Schreiben der Information immer die gleiche Polarisation des Magnetfelds verwendet werden, wobei die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der Schicht bzw. die Information von der Richtung des elektrischen Felds relativ zum Magnetfeld – parallel oder antiparallel – abhängt. Dementsprechend kann das Magnetfeld für die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der Schicht insbesondere durch einen Permanentmagneten erzeugt werden. Weiter kann das Schreiben quasi stromlos erfolgen, da lediglich ein elektrisches Feld zur Festlegung der antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht erforderlich ist.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Es zeigt:

1 einen schematischen Aufbau eines vorschlagsgemäßen magnetoresistiven Elements gemäß einer ersten Ausführungsform;

2 einen ersten Kontakt und eine erste Schicht des magnetoresistiven Elements, die einen vorschlagsgemäßes Exchange-Bias-System bilden;

3 ein Diagramm, das einen Magnetisierungszustand des Exchange-Bias-Systems bzw. ersten Kontakts zeigt;

4 ein Diagramm, das einen anderen Magnetisierungszustand des Exchange-Bias-Systems bzw. ersten Kontakts zeigt;

5 eine schematische Feldverteilung beim Schreiben einer Information; und

6 einen schematischen Aufbau eines vorschlagsgemäßen magnetoresistiven Elements gemäß einer zweiten Ausführungsform.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Eigenschaften und Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung insbesondere aus Vereinfachungsgründen weggelassen ist.

1 zeigt in einer nur schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung ein vorschlagsgemäßes, magnetoresistives Element 10 mit einem ersten Kontakt 11 und einem zweiten Kontakt 12, die über eine dazwischen angeordnete Trennschicht bzw. Barriere 13 elektrisch miteinander verbunden sind.

Der erste Kontakt 11 und der zweite Kontakt 12 sind vorzugsweise aus ferromagnetischem Material aufgebaut, also ferromagnetisch, und bilden insbesondere ein TMR-Element oder GMR-Element, dessen elektrischer Widerstand zwischen A und B von der relativen Ausrichtung der durch Pfeile beispielhaft angedeuteten magnetischen Momente bzw. Polarisierungen der beiden Kontakte 11, 12 abhängt. Die Trennschicht 13 bildet entsprechend eine Tunnelbarriere oder eine elektrisch leitende, ggf. metallische Verbindung.

Dem ersten Kontakt 11 ist eine erste Schicht 14 aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material zugeordnet, insbesondere benachbart. Vorzugsweise liegen der ersten Kontakt 11 und die erste Schicht 14 vollflächig aufeinander. Der erste Kontakt 11 und die erste Schicht 14 bilden ein vorschlagsgemäßes Exchange-Bias-System. Dies bedeutet, daß die magnetischen Momente des ersten Kontakts 11 und der ersten Schicht 14 in ihren Ausrichtungen korrelieren, insbesondere antiparallel verlaufen. Durch diese Wechselwirkung erfolgt insbesondere eine Ausrichtung der magnetischen Momente bzw. Polarisierung des ersten Kontakts 11 in Abhängigkeit von der antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht 14.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 weist das magnetoresistive Element 10 eine zweite Schicht 15 auf, die sich beim Darstellungsbeispiel an die erste Schicht 14 unmittelbar anschließt und zwar auf der dem ersten Kontakt 11 abgewandten Flachseite. Die zweite Schicht 15 ist bei der ersten Ausführungsform aus permanentmagnetischem Material aufgebaut, also permanentmagnetisch, und/oder als Anschlußelektrode ausgebildet.

Zum Aufbau des magnetoresistiven Elements 10 ist anzumerken, daß 1 insbesondere nur als schematischer Ausschnitt eines insbesondere flächen- oder plattenartigen Aufbaus oder dgl. zu verstehen ist und insbesondere nur der Erläuterung der Funktion einer Speicherzelle dient. Insbesondere kann ein Magnetspeicher oder dgl. eine Vielzahl derartiger Elemente 10 bzw. Speicherzellen mit entsprechender Schichtung oder ähnlicher Schichtung aufweisen.

Beispielsweise können die Trennschicht 13, die erste Schicht 14 und/oder die zweite Schicht 15 als durchgehende, bedarfsweise unterbrechungsfreie Schichten ausgeführt sein. Der erste Kontakt 11 und der zweite Kontakt 12 können bedarfsweise auch als durchgehende Schichten oder dgl. ausgebildet sein.

Alternativ können insbesondere der erste Kontakt 11 und der zweite Kontakt 12 oder im Falle der zweiten Ausführungsform die Anschlußelektroden 16, 17 auch flächig, jedoch nicht durchgehend ausgebildet sein, sondern beispielsweise quer zueinander in verschiedenen Ebenen verlaufende Streifen oder dgl. bilden, um eine Adressierung einzelner Speicherzellen zu ermöglichen. 1 stellt lediglich eine einzige Speicherzelle dar, die vorzugsweise in z-Richtung senkrecht zu der xy-Ebene der nicht dargestellten Streifen oder sonstigen flächenhaften Erstreckung des ersten und zweiten Kontakts 11, 12 bzw. der Schichten 13 bis 15 aufgebaut ist. Jedoch sind auch andere Aufbauten und Strukturen möglich.

Die in 2 angedeutete Anordnung des ersten Kontakts bzw. Flächenbereichs 11 und der ersten Schicht 14 bildet ein vorschlagsgemäßes Exchange-Bias-System, bei dem sich die magnetischen Momente des ersten Kontakts 11 und der ersten Schicht 14 vorzugsweise antiparallel zueinander ausrichten, beispielsweise voneinander weg, wie dargestellt, oder aufeinander zu oder parallel zu den Hauptebenen der Schichten.

Vorschlagsgemäß wird für die erste Schicht 14 jedoch nicht – wie üblich – rein antiferromagnetisches Material, sondern vorzugsweise magnetoelektrisches Material, insbesondere Cr2O3, verwendet. Die "magnetoelektrische" Eigenschaft liegt darin, daß in der ersten Schicht 14 die Ausrichtung der magnetischen Momente bzw. Spins in der Grenzschicht an der Grenzfläche zum ersten Kontakt 11 hin durch ein äußeres Magnetfeld und ein elektrisches Feld vorgebbar und insbesondere dauerhaft festlegbar ist. Dies wird bei der vorliegenden Erfindung auch als antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation (AGP) bezeichnet.

Die Richtung der AGP ist durch das Magnetfeld und äußere Feld vorgebbar, also steuerbar. Weiter bleibt die AGP auch nach Abschalten des Magnetfelds und des elektrischen Felds erhalten.

Die vorgegebene AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 führt zu einer definierten, insbesondere entgegengesetzten oder parallelen, magnetischen Polarisierung des ersten Kontakts 11. Dementsprechend wird durch die Richtung der AGP die Polarisationsrichtung des ersten Kontakts 11 gesteuert.

3 zeigt ein Diagramm, das sehr schematisch die Magnetisierungshysterese des ersten Kontakts 11 bei AGP der ersten Schicht 14 in einer ersten Richtung zeigt. 4 zeigt die entsprechende schematische Magnetisierungshysterese bei entgegengesetzter AGP der ersten Schicht 14. Die x-Achse gibt hierbei jeweils das äußere Magnetfeld H an. Die y-Achse entspricht dem magnetischen Moment m des ersten Kontakts 11.

Die beiden Diagramme veranschaulichen, daß die magnetoelektrische Schicht 14 zu einer starken Asymmetrie bzw. Verschiebung der Magnetisierungshysteresen in Abhängigkeit von der Richtung der AGP der Schicht 14 führt. Insbesondere wird ersichtlich, daß ohne äußeres Magnetfeld – also bei H = 0 – die magnetische Polarisation des ersten Kontakts 11 eindeutig ist. Diese magnetische Polarisation bzw. Magnetisierung des ersten Kontakts 11 kann daher als Information I verstanden werden, die lediglich von der AGP der ersten Schicht 14 abhängt. Im Falle von 3 ist die Information I beispielsweise "1" bzw. "High", und im Falle von 4 beispielsweise "0" bzw. "Low".

Zur Magnetisierung der magnetoelektrischen Schicht 14 – also zum Schreiben der Information I – wird vorschlagsgemäß die magnetoelektrische Schicht 14 über eine kritische Temperatur T (bei Cr2O3 etwa 310 K) erwärmt und durch ein äußeres Magnetfeld und elektrisches Feld in gewünschter Weise zumindest in ihrer Grenzschicht zum ersten Kontakt 11 hin "polarisiert", um die gewünschte AGP zu erreichen. Hierbei muß das Produkt der Feldstärken des Magnetfelds und des elektrischen Felds einen Mindestwert M überschreiten und die magnetoelektrische Schicht 14 über die Temperatur T erwärmt sein. Das äußere Magnetfeld und das äußere elektrische Feld bleiben eingeschaltet, bis die magnetoelektrische Schicht 14 wieder unter die Temperatur T abgekühlt und dadurch die gewünschte AGP festgelegt bzw. "eingefroren" wird.

Um eine große Speicherdichte zu ermöglichen, ist eine räumlich sehr begrenzte AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 wünschenswert, wie in 5 angedeutet. Die Begrenzung der AGP auf einen gewünschten, möglichst sehr kleinen Bereich gestattet eine entsprechend dichte Packung von Speicherzellen. Um einen nur möglichst kleinen Bereich antiferromagnetisch polarisieren zu können, werden die beiden folgenden Maßnahmen vorgeschlagen, die alternativ oder zusammen realisiert werden können:

  • a) Das Erwärmen erfolgt vorzugsweise mittels Strahlung, insbesondere Licht, vorzugsweise Laserlicht L eines Lasers. Dies ist verhältnismäßig leicht realisierbar, beispielsweise durch einen bewegbaren Laserkopf, wie bei einem DVD-Brenner oder dgl. Die Erwärmung durch Laserlicht L kann sehr schnell und insbesondere sehr lokal begrenzt erfolgen. Dementsprechend kann durch die lokale Erwärmung auch der Bereich begrenzt werden, in welchem die AGP in der magnetoelektrischen Schicht 14 eingestellt wird bzw. werden kann.
  • b) Das äußere Magnetfeld H und das äußere elektrische Feld E werden beispielsweise durch einen Magnetkopf und eine Elektrodenspitze erzeugt. Die maximale Feldstärke des Magnetfelds H liegt in einem ersten Bereich der magnetoelektrischen Schicht 14 und die maximale Feldstärke des elektrischen Felds E in einem zweiten, zum ersten beabstandeten Bereich der magnetoelektrischen Schicht 14. Nur in einem Überlappungsbereich Ü des Magnetfelds H und des elektrischen Felds E der von den Feldstärken und dem Abstand abhängt, überschreitet des Produkt der Feldstärken des Magnetfelds H und des elektrischen Felds E den zur AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 erforderlichen Mindestwert M – also die zum Schreiben der gewünschten Information erforderliche Stärke. Entsprechend ist der mögliche AGP-Bereich auf diesen Überlappungsbereich Ü beschränkt. Durch Variation des Abstands und/oder der Feldstärken kann die Größe des Überlappungsbereichs Ü bedarfsgerecht angepaßt werden.

Die beiden vorgenannten Maßnahmen können dadurch kombiniert werden, daß der unter b) genannte Überlappungsbereich Ü nur teilweise auf bzw. über die erforderliche bzw. kritische Temperatur T erwärmt wird, so daß nur in diesem Teilbereich letztendlich die AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 und dadurch das Schreiben der magnetischen Information erfolgt.

Zum vorschlagsgemäßen Verfahren ist noch zu ergänzen, daß zur AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 immer die gleich Polarisation des Magnetfelds unabhängig von der gewünschten Richtung der AGP bzw. von der Information verwendet werden kann und vorzugsweise wird, da die Richtung der AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 nur davon abhängt, ob das Magnetfeld und das elektrische Feld parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Dementsprechend wird vorzugsweise nur durch Variation der Richtung des elektrischen Felds die Richtung der AGP der magnetoelektrischen Schicht 14 moduliert und dadurch die gewünschte Information erzeugt.

Vorzugsweise verlaufen das äußere Magnetfeld H und das äußere elektrische Feld E beim Schreiben zumindest im wesentlichen senkrecht zur Schichtebene der magnetoelektrischen Schicht 14.

Insbesondere wird beim Schreiben immer das gleiche Magnetfeld verwendet. Vorzugsweise kann dazu ein Permanentmagnet eingesetzt werden.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß gegenüber bisherigen magnetoresistiven Elementen ein Umpolarisieren bzw. ein wechselndes Magnetfeld in Abhängigkeit von der zu schreibenden Information nicht erforderlich ist. Dies vereinfacht das vorgeschlagene Verfahren wesentlich, so daß der Einsatz eines Elektromagneten weniger problematisch ist und insbesondere sogar ein Permanentmagnet eingesetzt werden kann.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß zum Schreiben kein wesentlicher Strom fließen muß. Vielmehr genügt für das Schreiben das Anlegen des elektrischen Felds. Die eigentliche Fixierung erfolgt durch das vorzugsweise nur bereichsweise Erwärmen und Abkühlen der magnetoelektrischen Schicht 14.

Nachfolgend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen des vorschlagsgemäßen magnetoresistiven Elements 10 näher erläutert. Die beiden Ausführungsbeispiele sind auf magnetoresistives Lesen bzw. Wiedergewinnen der Information gerichtet. Jedoch kann grundsätzlich auch ein Auslesen in sonstiger Form erfolgen.

Bei der ersten in 1 dargestellten Ausführungsform des magnetoresistiven Elements bzw. Speicherelements 10 hängt der elektrische Widerstand über die beiden Kontakte 11 und 12 und die dazwischen angeordnete Trennschicht 13 – also zwischen den schematisch angedeuteten Anschlüssen A und B – von der relativen Orientierung der magnetischen Momente in den beiden Kontakten 11 und 12 ab, wie bereits erläutert.

Die Orientierung der magnetischen Momente des zweiten Kontakts 12 ist bei der ersten Ausführungsform vorzugsweise durch die zweite, als Permanentmagnet ausgebildete Schicht 15 festgelegt. Folglich hängt bei der ersten Ausführungsform der genannte elektrische Widerstand nur von der Ausrichtung der magnetische Momente, also von der magnetischen Polarisierung, des ersten Kontakts 11 ab. Da diese Polarisierung ihrerseits durch die erste, insbesondere magnetoelektrische Schicht 14 festgelegt wird, wie bereits oben an Hand von 2 bis 5 erläutert, kann somit die gespeicherte Information durch Messen des genannten elektrischen Widerstands festgestellt bzw. "gelesen" werden.

Zum Schreiben der Information – also gewünschten Magnetisierung der ersten magnetoelektrischen Schicht 14 – stellt vorzugsweise die zweite Schicht 15 oder ein sonstiger Magnet das erforderliche äußere Magnetfeld bereit. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung insbesondere zwischen Kontakt A und der zweiten Schicht 15 kann bei entsprechender Erwärmung dann das Schreiben in gewünschter Weise erfolgen.

Das magnetoresistive Element 10 gemäß der ersten Ausführungsform eignet sich insbesondere für einen RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) mit einer Vielzahl von Speicherzellen auf kompaktem Raum.

Gemäß einer Ausführungsvariante ist die erste Schicht 14 nicht aus magnetoelektrischem Material, sondern aus sogenanntem ferroelektrischen Material aufgebaut, das auch multiferroisches Material, insbesondere BaTiO3-CoFe2O4-Nanostrukturen, wie beispielsweise in dem Artikel "Multiferroic BaTiO3-CoFe2O4 Nanostructures" von H. Zhieng et al., Science, Vol. 303, Seite 661 f. vom 30. Januar 2004 veröffentlicht, oder dgl. einschließt. Die multiferroische bzw. ferroelektrische Eigenschaft der Schicht 14 führt dazu, daß die AGP allein durch ein elektrisches Feld bzw. einen elektrischen Strom modifizierbar und festlegbar ist, ein zusätzliches äußeres Magnetfeld nicht erforderlich ist. Eine Erwärmung über eine kritische Temperatur ist auch nicht erforderlich. So wird das Schreiben von Informationen vereinfacht.

Es ist anzumerken, daß die zweite Schicht 15 bedarfsweise auch nicht permanentmagnetisch sein kann. Beispielsweise kann die zweite Schicht 15 aus antiferromagnetischem Material oder wie die erste Schicht 14 aufgebaut sein.

Weiter kann die zweite Schicht 15 auch unmittelbar auf dem zugeordneten zweiten Kontakt 12 angeordnet sein.

6 zeigt eine zweite Ausführungsform des magnetoresistiven Elements 10 in einer nur sehr schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung, ähnlich wie 1. Der grundsätzliche Aufbau ist ähnlich, so daß nachfolgend nur auf wesentliche Unterschiede gegenüber der ersten Ausführungsform näher eingegangen wird. Die voranstehenden Ausführungen gelten für die zweite Ausführungsform also entsprechend. Insbesondere ist auch eine beliebige Kombination von verschiedenen Aspekten der beiden Ausführungsformen möglich.

Bei der zweiten Ausführungsform ist die zweite Schicht 15 unmittelbar benachbart zum zweiten Kontakt 12 angeordnet, und zwar auf der der Trennschicht 13 abgewandten Flachseite des zweiten Kontakts 12. Die zweite Schicht 12 ist nicht permanentmagnetisch, sondern aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material, insbesondere entsprechend der ersten Schicht 14, aufgebaut. Folglich bilden der zweite Kontakt 12 und die zweite Schicht 15 ein Exchange-Bias-System entsprechend oder ähnlich dem ersten Kontakt 11 und der ersten Schicht 14.

Zusätzlich sind vorzugsweise Anschlußelektroden 16, 17 für die jeweils zugeordnete erste bzw. zweite Schicht 14 bzw. 15 vorgesehen.

Mittels der ersten und zweiten Schicht 14, 15 lassen sich die Ausrichtungen der magnetischen Momente des ersten Kontakts 11 einerseits und des zweiten Kontakts 12 andererseits unabhängig voneinander einstellen. Dementsprechend kann durch Ändern einer Ausrichtung eine Inversion der gespeicherten Information erfolgen.

Das magnetoresistive Element 10 gemäß der zweiten Ausführungsform kann jedoch nicht nur als Speicherzelle, sondern insbesondere auch als logisches Element bzw. Gatter mit der binären Boolschen Funktion XOR (exklusives Oder) verwendet werden.

Wird das magnetoresistive Element 10 gemäß der zweiten Ausführungsform (bei Schichten 14, 15 aus magnetoelektrischem Material) einem äußeren Magnetfeld H in Schichtungsrichtung ausgesetzt, dann können durch Anlegen geeigneter Spannungen zwischen den Anschlüssen A1 und A2 bzw. B1 und B2 während des Abkühlens unter die kritische Temperatur T die antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisierungen der beiden Schichten 14 und 15 in gewünschter Weise bzw. Richtung unabhängig voneinander festgelegt werden. Entsprechend werden dadurch die Ausrichtungen der magnetischen Momente der beiden Kontakte 11 und 12 festgelegt. Schließlich hängt dann der elektrische Widerstand, der beispielsweise über die Anschlüsse A1 und B2 meßbar ist, von der relativen Orientierung der magnetischen Ausrichtung bzw. Polarisierung der beiden Kontakte 11 und 12 zueinander ab. Dementsprechend ergibt sich ein Logikelement 10, das der Boolschen Funktion XOR entspricht.

Das vorschlagsgemäße Logikelement 10 kann nahezu stromfrei arbeiten, da für den Schreib- bzw. Eingabeprozeß lediglich elektrische Spannungen, jedoch keine (relevanten) elektrischen Ströme erforderlich sind. Der Leseprozeß besteht lediglich aus einer Widerstandsmessung und kann ebenfalls bei minimalen Strömen durchgeführt werden. Ein weiterer Aspekt besteht in der Nichtflüchtigkeit des logischen Zustands, der bei der normalen Lesetemperatur – insbesondere der Raumtemperatur – stabil ist. Außerdem ist das vorschlagsgemäße logische Element 10 gemäß der zweiten Ausführungsform aufgrund seiner sehr ähnlichen Schichtstruktur auch sehr einfach mit dem Element 10 gemäß der ersten Ausführungsform kombinierbar, also mit Speicherelementen 10 bzw. einem RAM (Speicher mit wahlfreiem Zugriff).


Anspruch[de]
Magnetoresistives Element (10), insbesondere Speicherelement oder Logikelement, mit einem ersten Kontakt (11) und einem zweiten Kontakt (12) sowie insbesondere mit einer dazwischen angeordneten Trennschicht (13), wobei der erste Kontakt (11) aus ferromagnetischem Material besteht, wobei eine erste Schicht (14) aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material dem ersten Kontakt (11) derart zugeordnet ist, daß der erste Kontakt (11) in Abhängigkeit von einer antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht (14) magnetisch polarisiert wird. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (14) aus Cr2O3 oder aus BaTiO3-CoFe2O4-Nanostrukturen aufgebaut ist. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt (12) eine vorzugsweise festgelegte definierte magnetische Polarisation aufweist, so daß erste Kontakt (11) in Abhängigkeit von der antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht (14) parallel oder antiparallel zur magnetischen Polarisation des zweiten Kontakts (12) magnetisch polarisierbar ist. Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kontakt (12) aus ferromagnetischem Material aufgebaut ist. Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schicht (15) dem zweiten Kontakt (12) zur Festlegung der magnetischen Polarisierung des zweiten Kontakts (12) zugeordnet ist. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (15) aus permanentmagnetischem oder antiferromagnetischem Material aufgebaut ist und insbesondere eine Anschlußelektrode bildet. Element nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (15) permanentmagnetisch ist und ihr Magnetfeld (H) bis zur ersten Schicht (14) wirkt, um in Abhängigkeit von einem elektrischen Feld (E) eine antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der ersten Schicht (14) zu ermöglichen. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (15) aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material aufgebaut ist, insbesondere wobei die magnetischen Polarisierungen des ersten und zweiten Kontakts (11, 12) mittels der ersten und zweiten Schicht (14, 15) unabhängig voneinander festlegbar sind. Element nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (15) aus Cr2O3 oder aus BaTiO3-CoFe2O4-Nanostrukturen aufgebaut ist. Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht (13) aus elektrisch isolierendem Material und/oder aus nicht magnetischem Material, insbesondere Halbleitermaterial, aufgebaut ist. Element nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Schicht (14, 15) mit einer Anschlußelektrode (16, 17) versehen ist bzw. sind. Verfahren zum Schreiben von Informationen in ein vorzugsweise nach einem der voranstehenden Ansprüche ausgebildetes, insbesondere magnetoresistives Element (10) mit einem ferromagnetischen Kontakt (11) und mit einer zugeordneten, magnetoelektrischen Schicht (12), wobei die Schicht (12) über eine kritische Temperatur (T) erwärmt und mittels eines Magnetfelds (H) und eines elektrischen Felds (E) in einer Grenzschicht an der Grenzfläche zum Kontakt (11) hin antiferromagnetisch polarisiert wird, wobei das Magnetfeld (H) und das elektrische Feld (E) bis zur Abkühlung unter die kritische Temperatur (T) und/oder bis zum Einfrieren der durch das Magnetfeld (H) und elektrische Feld (E) bestimmten antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht (14) aufrechterhalten werden, und wobei die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation der Schicht (14) den Kontakt (11) magnetisch polarisiert und diese magnetische Polarisation des Kontaktes (11) eine Information bildet. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen nur lokal bzw. bereichsweise erfolgt. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Erwärmen mittels Licht, insbesondere Laserlicht (L), erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht (14) immer die gleiche Richtung des Magnetfelds (H) unabhängig von der Richtung der gewünschten antiferromagnetischen Grenzflächenpolarisation der Schicht (14) bzw. von der Information verwendet wird und insbesondere die antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation bzw. Information von der jeweiligen Richtung des elektrischen Felds (E), nämlich parallel oder antiparallel zum Magnetfeld (H), abhängt. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schreiben immer das gleiche Magnetfeld (H) verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (H) mittels eines Permanentmagneten erzeugt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Feldstärke des Magnetfelds (H) in einem ersten Bereich der Schicht (14) und die maximale Feldstärke des elektrischen Felds (E) in einem zweiten, zum ersten beabstandeten Bereich der Schicht (14) erzeugt wird, so daß nur in einem Überlappungsbereich (Ü) des Magnetfelds (H) und des elektrischen Felds (E) das Produkt der Feldstärken der beiden Felder (H, E) einen zum Schreiben der Information erforderlichen Mindestwert (M) überschreitet. Verwendung eines Exchange-Bias-Systems aus ferromagnetischem Material und aus magnetoelektrischem oder ferroelektrischem Material zur Informationsspeicherung, wobei die magnetische Polarisierung des ferromagnetischen Materials ohne äußeres Feld eine eindeutige Information darstellt, die durch eine antiferromagnetische Grenzflächenpolarisation des magnetoelektrischen oder ferroelektrischen Materials bestimmt wird.






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