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DE69513630T2 - Magnetische mehrlagenanordnung, die eine doppelbarrierenstruktur mit resonantem tunneleffekt enthält - Google Patents

Magnetische mehrlagenanordnung, die eine doppelbarrierenstruktur mit resonantem tunneleffekt enthält

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DE69513630T2
DE69513630T2 DE69513630T DE69513630T DE69513630T2 DE 69513630 T2 DE69513630 T2 DE 69513630T2 DE 69513630 T DE69513630 T DE 69513630T DE 69513630 T DE69513630 T DE 69513630T DE 69513630 T2 DE69513630 T2 DE 69513630T2
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magnetic
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Martinus Gijs
Hendrik Van Houten
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Koninklijke Philips NV
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Mehrlagenstruktur mit zwei durch eine zwischenliegende Lagenstruktur getrennten Schichten aus magnetischem Material.
  • Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung einer derartigen Anordnung in einem magnetischen Aufzeichnungskopf.
  • Mehrlagenanordnungen, wie diese eingangs beschrieben wurden, sind durchaus bekannt und sind u. a. in dem Artikel von Parkin u. a. in "Phys. Rev. Lett. 64 (1990), Seiten 2304-2307 eingehend beschrieben, wobei es sich um Co/Ru, Co/Cr und Fe/Cr-Supergitter handelt.
  • Mehrlagenstrukturen wie diese umfassen wechselweise gestapelte Schichten aus ferromagnetischem Material (Co oder Fe) und nicht-magnetischem Material (Ru oder Cr) und eignen sich insbesondere zum Gebrauch in Magnetwiderstandsfeldsensoren, wie magnetischen Leseköpfen. Dem sog. "spin-valve"-Magnetwiderstandseffekt, worauf solche Sensoren basieren, liegt die Tatsache zugrunde, dass der gemessene elektrische Widerstand der Mehrlagenstruktur durch die wechselweise Magnetisierungskonfiguration in den ferromagnetischen Schichten bestimmt wird, wobei dieser Widerstand für eine Anti-Parallel-Konfiguration (im Allgemeinen) höher ist als für eine Parallel- Konfiguration. Bei den bekannten Strukturen kann diese Konfiguration nur durch eine geeignete Zuführung eines äußeren Magnetfeldes steuerbar eingestellt werden, wie dies beispielsweise in dem US Patent US 5.134.533 beschrieben ist.
  • Der obengenannte Artikel beschreibt insbesondere, wie die Austauschkopplung zwischen aufeinanderfolgenden ferromagnetischen Schichten bei den bekannten Strukturen abhängig ist von der Dicke der zwischenliegenden nicht magnetischen Schichten. Es ist beispielsweise erläutert, dass eine solche Kopplung entweder ferromagnetisch (F) oder anti-ferromagnetisch (AF) sein kann, je nach der genauen Dicke der Zwischenlage. Dies ist ein interessantes Phänomen, da eine F-Kopplung eine parallele Magnetisierungskonfiguration in aufeinanderfolgenden ferromagneti schen Schichten erzeugen wird, während eine AF-Kopplung eine wechselweise antiparallele Magnetisierungskonfiguration verursachen wird. Diese verschiedenen Magnetisierungskonfigurationen werden ihrerseits im Wesentlichen verschiedenen magnetischen Flussverteilungen für das Muster entsprechen. Unglücklicherweise ist aber die Zwischenschichtdicke nicht ein Parameter, der nach der Herstellung der Mehrlagenstruktur geändert werden kann, so dass solche steuerbaren Einstellungen der Austauschkopplung in einer fertigen Struktur der bekannten Art nicht praktisch erzielbar sind.
  • Es ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine magnetische Mehrlagenstruktur zu schaffen, wobei die Magnetisierungskonfiguration der aufeinanderfolgenden magnetischen Schichten durch Mittel, anders als die Zuführung eines äußeren Magnetfeldes geändert werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, dass die Austauschkopplung zwischen aufeinanderfolgenden Magnetschichten in der fertigen Mehrlagenstruktur einstellbar sein soll. Insbesondere bezweckt die Erfindung, dass eine solche Einstellung mittels der Zuführung eines geeigneten elektrischen Feldes ermöglicht wird.
  • Diese und andere Aufgaben werden erzielt in einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art, mit dem Kennzeichen, dass die zwischenliegende Lagenstruktur eine Doppelbarrierenstruktur mit resonantem Tunneleffekt (RTDBS) umfasst.
  • Die Basiseigenschaften der Doppelbarnerenstrukturen mit resonantem Tunneleffekt sind in dem Artikel von Tsu und Esaki in "Appl. Phys. Lett. 22 (1973), Seiten 562-564 und von Chang u. a. in "Appl. Phys. Lett. 24 (1974) Seiten 593-595 eingehend beschrieben worden. Im Wesentlichen besteht eine solche Struktur aus einer Schicht aus Gastgeber-Halbleitermaterial (die sog. Zwischenschicht), die zwischen zwei sog. Barrierenschichten symmetrisch "gesandwicht" ist. Das Material dieser Barrierenschichten ist eine geringfügige Abweichung von dem der Zwischenschicht, im Allgemeinen als Ergebnis der Hinzufügung einer oder mehrerer Fremdsubstanzen. In einer beispielsweisen RTDBS besteht die Zwischenschicht aus GaAs und die Sperrschichten bestehen bei de aus All XGaXAs, wobei x als im Bereich von 0,4 bis 0,8 liegend gewählt werden kann. Die kollektive elektronische Bandstruktur einer solchen Dreifachschicht enthält ein diskretes Spektrum sogenannter resonanter Energiepegel En, deren genaue Positionen durch die genaue Zusammensetzung und Dicke der einzelnen Schichten in der Struktur genau bestimmt werden.
  • Der Tunnelübertragungskoeffizient Ti der RTDBS für eintreffende Elektronen ist sehr abhängig von dem Anteil Ei der Elektronenenergie entsprechend der Elektronenbewegung senkrecht zu der RTDBS. Insbesondere hat, wenn Ei = En ist, Ti einen Wert 1, und eintreffende Elektronen können erfolgreich durch die Struktur "tunneln". Wenn aber Ei einen Wert hat, der nicht mit einem der resonanten Energiepegel übereinstimmt, fällt Ti schroff nach Null und es tritt nicht länger ein signifikanter Tunneleffekt auf. Dadurch, dass ein elektrisches Feld über die RTDBS angelegt wird, wird der Wert von Ei gegenüber dem Spektrum Eo geändert, so dass das Tunnelverhalten der Elektronen durch die Struktur hindurch entsprechend geändert wird. Eine Austauschkopplung zwischen den Magnetschichten erfolgt durch den Elektronenaustausch zwischen diesen Schichten. Insbesondere werden die Art und die Stärke der Kopplung bestimmt durch die Art und Weise, wie die Wellenfunktionen der Magnetschichten einander überlappen, wie in den nachfolgenden Veröffentlichungen noch näher als Beispiel erläutert wird:
  • P. Bruno, "J. Magn. Mater." 1.21 (1993), Seiten 248-252;
  • J. E. Ortega u. a., "Phys. Rev." B 47 (1993), Seiten 1540-1552;
  • P. Bruno, "Phys. Rev." B 49 (1994), Seiten 13231-13234.
  • Dadurch, dass die Magnetschichten nach der Erfindung auf je einer Seite einer RTDBS vorgesehen werden, kann der Elektronenaustausch zwischen den Magnetschichten dadurch geändert werden, dass die RTDBS einem elektrischen Feld ausgesetzt wird (wie oben erläutert). Das Vorhandensein eines solchen elektrischen Feldes kann die Überlappung der Magnetschichtwellenfunktionen wesentlich ändern, wodurch die Art und die Stärke der Austauschkopplung zwischen den Magnetschichten wesentlich beeinflusst wird. So kann beispielsweise das genannte elektrische Feld zum Umschalten der Art der Austauschkopplung zwischen einem AF- und einem F- Zustand herbeiführen.
  • Das erforderliche elektrische Feld kann beispielsweise dadurch geschaffen werden, dass die zwei Magnetschichten der Anordnung nach der Erfindung mit entgegengesetzten Polen einer Quelle einer veränderlichen Spannung verbunden wer den. Im Allgemeinen braucht die Spannungsdifferenz zwischen den Magnetschichten in einem solchen Fall von der Größenordnung von etwa 10 V (maximal) zu sein, damit eine befriedigende Wirkung der Erfindung gewährleistet wird.
  • Die Anordnung nach der Erfindung kann selbstverständlich ebenfalls auf einer Mehrbarrierenstruktur mit resonantem Tunneleffekt (RTMBS) basieren, was eine Verallgemeinerung der Basis-RTDBS ist und zusätzliche ZwischenschichtBarrierenschicht-Einheiten in Reihe mit der Dreifachschichtstruktur der RTDBS aufweist. Der Gebrauch einer RTMBS zwischen Magnetschichten wird betrachtet als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend, da die RTMBS immer wenigstens eine RTDBS enthält. Deutlichkeitshalber bezieht sich die nachfolgende Beschreibung nur auf den Gebrauch einer RTDBS.
  • Die obengenannte Al1-xGaxAs/GaAs/Al1-xGaxAs-RTDBS eignet sich insbesondere zum Gebrauch bei der Anordnung nach der Erfindung. Dies ist u. a. durch die Tatsache, dass Al und Ga die gleichen chemischen Hafteigenschaften haben, zusammen mit einer nahezu identischen Größe, so dass Einführung von A1 in das GaAs-System für eine minimale Störung des Kristallgitters sorgt. Dies ist wichtig, da die RTDBS in der Anordnung nach der Erfindung imstande sein soll, einen Elektronenaustausch zwischen benachbarten Magnetschichten aufrechtzuerhalten, was an sich wieder erfordert, dass etwaige Störstellen in dem Gitter auf ein Minimum beschränkt werden.
  • In diesem Kontext ist es ebenfalls erwünscht, ein epitaxiales Anwachsen der RTDBS sowie der Magnetschichten zu erzielen, da dies weiterhin die Gitterkontinuität fördern wird und etwaige Störphänomene in der Mehrlagenanordnung nach der Erfindung vermeidet. Ein besonders geeignetes Material zum Gebrauch bei den Magnetschichten ist MnGa, das ferromagnetisch ist und eine reine Oberfläche und ein konstantes Gitter hat, welche Eigenschaften weitgehend kompatibel mit denen von GaAs (und All XGaXAs) sind. Das gewünschte epitaxiale Wachstum kann erhalten werden durch Anwendung einer Ablagerungstechnik, wie beispielsweise Molekularstrahl-Epitaxie (MBE) oder das CVD-Verfahren.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung benutzt eine RTDBS, worin die Zwischenschicht eine Dicke hat im Bereich von von 1-10 nm und die Barrierenschichten haben eine Dicke im Bereich von 0,5-2,0 nm. Eine zu große Dicke der RTDBS kann übermäßig den Tunneleffekt vermeiden, währen eine zu geringe Dicke den Tunneleffekt in dermaßen ermöglichen kann, dass die RTDBS auf effektive Weise eine normale, dünne isolierende Schicht wird, ohne die kennzeichnenden Eigenschaften, welche die Erfindung beabsichtigt zu benutzen. Außerdem neigt die Größe der Austauschkopplung zwischen den Magnetschichten abzunehmen bei Zunahme der Trennung, so dass eine zu dicke RTDBS mit einer relativ geringen Kopplungskraft entsteht.
  • Die Anordnung nach der Erfindung kann u. a. in einem magnetischen Speicher oder in einer magnetischen "Einstell"-Anordnung verkörpert werden. Diese Anordnung kann dazu verwendet werden um einen magnetischen Körper verübergehend einem regelbaren magnetischen Fluss auszusetzen, mit der Absicht einer Änderung ("Einstellung") der magnetischen Bereichsstruktur in dem Körper.
  • Eine besonders interessante Anwendung der Anordnung nach der Erfindung ist in einem magnetischen Aufzeichnungskopf (Schreibkopf). Bei einem derartigen gebrauch ist die Magnetisierung M&sub1; in einer der Magnetschichten (L1) absichtlich fest, während die Magnetisierung M&sub2; in der anderen Magnetschicht (L2) frei gelassen ist. Auf diese Weise ermöglicht eine elektrische Einstellung der Austauschkopplung über die zwischenliegende RTDBS, dass M&sub2; gegenüber einem festen Bezugsrahmen steuerbar neu ausgerichtet wird. Wenn beispielsweise die Austauschkopplung über die RTDBS zwischen einer F- und einer AF-Art eingestellt werden soll, kann die Richtung von M&sub2; auf entsprechende Weise hin und her geklappt werden. Wenn nun das elektrische Feld an der RTDBS entsprechend einem bestimmten (binären) Datenmuster moduliert wird, kann ein magnetisches Medium in der Nähe der entsprechend modulierten Magnetisierung M&sub2; durch koerzitive Übertragung mit diesen Daten ausgestattet werden. Geeignete magnetische Medien dazu umfassen Magnetbänder, Magnetscheiben und -karten.
  • Da die Anordnung aus dünnen Schichten konstruiert wird, und da es keine Notwendigkeit gibt für eine Spulenwickelprozedur wird der Magnetkopf nach der Erfindung im Allgemeinen viel kleiner sein als ein herkömmlicher Magnetkopf.
  • Das gewünschte Festlegen von M&sub1; in der Magnetschicht L&sub1; kann verschiedenartig erhalten werden, wie:
  • (a) Austausch-Vormagnetisierung der Schicht L&sub1;. Die allgemeinen Prinzipien der Austausch-Vormagnetisierung sind in den Artikeln von Meiklejohn und Bean in "Phys. Rev." 102 (1956) Seiten 1413-1414, und "Phys. Rev." 105 (1957), Seiten 904- 913;
  • (b) Gewährleisten, dass die magnetische Anisotropie der Schicht L&sub1; wesentlich größer ist als die der Schicht L2. Solche Unterschiede in der Anisotropie können beispielsweise durch eine geeignete Einstellung der genauen Zusammensetzung der magnetischen Schichten, oder durch Hinzufügung bestimmter Fremdstoffe zu diesen schichten erzielt werden.
  • Diese beiden Techniken sind durchaus bekannt.
  • Es sei bemerkt, dass die Magnetisierungsrichtung in den magnetischen Schichten der Anordnung nach der Erfindung entweder in gleicher Ebene oder senkrecht aufeinander sein kann. Weiterhin können solche Schichten ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material enthalten und sie brauchen nicht derselben Zusammensetzung oder derselben Dicke zu sein. Es erübrigt sich zu sagen, dass die Anordnung nach der Erfindung mehrere extra Schichten zusätzlich zu der RTDBS und den zwei Magnetschichten enthalten kann; etwaige Kandidaten für solche Schichten sind beispielsweise Austausch-Vormagnetisierungsschichten, Isolierschichten, Antikorrosionsschichten, Magnetwiderstandsdreifachschichten, usw. Weiterhin kann die Anordnung nach der Erfindung selbstverständlich in Form einer Mehrlagenstruktur mit mehr als nur zwei Magnetschichten ausgebildet werden, wobei zwischen jedem Paar aufeinanderfolgender Magnetschichten eine RTDBS (oder eine RTMBS) vorgesehen wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • Figur leinen Schnitt durch einen Teil einer als Beispiel gegebenen magnetischen Mehrlagenanordnung nach der Erfindung,
  • Fig. 2 eine Darstellung des Gegenstandes nach Fig. 1 während der Aussetzung der RTDBS an einem elektrischen Feld,
  • Fig. 3 einen teilweisen Schnitt durch ein Beispiel einer RTMBS, geeignet zum Gebrauch bei der Anordnung nach der Erfindung,
  • Fig. 4 eine schaubildliche Ansicht eines Magnetkopfes, wobei die Anordnung nach der Erfindung verkörpert worden ist.
    • Ausführungsbeispiel 1
  • Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch die Basisstruktur und die grundsätzliche Wirkungsweise einer Anordnung nach der vorliegenden Erfindung. Entsprechende Teile in den beiden Figuren sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben.
  • Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Anordnung 1 nach der Erfindung, die zwei Schichten 3, 5 aus magnetischem Material und eine zwischenliegende RTDBS 7 aufweist. Die RTDBS 7 ist selber eine Lagenstruktur, die eine zwischenliegende Schicht 9 aus Gastgeber-Halbleitermaterial enthält, die zwischen zwei Sperrschichten 11, 13 aus modifiziertem Halbleitermaterial vorgesehen ist. Die magnetischen Schichten 3, 5 werden mit entgegengesetzten Polen einer Quelle veränderlicher Spannung V, S verbunden, wodurch ein elektrisches Feld an der RTDBS 7 erzeugt werden kann.
  • Spezifische Werkstoffe, geeignet zum Gebrauch bei der Anordnung 1 sind beispielsweise MnGa in der Schichten 3, 5, GaAs in der Schicht 9 und Al0,5Ga0,5 in den Schichten 13.
  • Die magnetischen Schichten 3, 5 sind austauschgekoppelt über die zwischenliegende RTDBS 7. Wie hier dargestellt, ist die Art der Austauschkopplung F, so dass die Magnetisierung M&sub1; in der Schicht 3 und die Magnetisierung M&sub2; in der Schicht 5 eine Parallelkonfiguration sind.
  • In Fig. 2 hat die Quelle V, S veränderlicher Spannung den Auftrag, die RTDBS 7 einem regelbaren elektrischen Feld auszusetzen. Als Ergebnis wird die auftreffende Energie der leitenden Elektronen, die zwischen den Magnetschichten 3 und 5 hindurchgehen, gegenüber dem resonanten Energiespektrum der RTDBS 7 verlagert. Außerdem wird die Überlappung der Wellenfunktionen der magnetischen Schichten 3, 5 geändert. Dadurch wird die Art der Austauschkopplung zwischen den Schichten 3 und 5 geändert, und zwar in einer Art und Weise, die von der Stärke des zugeführten elektrischen Feldes abhängig ist. Insbesondere kann eine einwandfreie Einstellung dieses elektrischen Feldes dafür sorgen, dass die intrinsike F-Kopplung zwischen den Schichten 3 und 5 durch eine induzierte AF-Kopplung ersetzt werden soll (mit einer einhergehenden Antiparallelkonfiguration der Magnetisierungen M&sub1; und M&sub2;). Eine spätere Aktualisierung des zugeführten elektrischen Feldes ermöglich eine Revision der Ausgangs-F-Kopplung über die RTDBS 7.
    • Ausführungsbeispiel 2
  • Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Teil einer bestimmten Doppelbarrierenstruktur mit resonantem Tunneleffekt (RTMBS) 15, die nach der Erfindung durch die Basis-RTDBS 7 in Fig. 7 ersetzt werden kann zum Erzeugen einer Anordnung mit im Wesentlichen denselben Mermalen. Die RTMBS 15 umfasst effektiv eine Basis-RTDBS 17 in Reihe mit einem Zusatzblock 25 mit einer Zwischenschicht 29 und einer Sperrschicht 31. Die drei Sperrschichten 31, 21, 23 haben vorzugsweise dieselbe Dicke und dieselbe Zusammensetzung wie die zwei Zwischenschichten 29 und 19.
  • Gewünschtenfalls kann die Struktur 15 weiter ausgebaut werden durch Hinzufügung von noch mehr Blöcken 25, beispielsweise zum Bilden einer 7-Schicht oder 9-Schicht-RTMBS.
    • Ausführungsbeispiel 3
  • Fig. 4 ist eine schematische, schaubildliche Darstellung eines Teils eines magnetischen Aufzeichnungskopfes (Schreibkopfes) 41 mit einer Mehrlagenanordnung 43 nach der Erfindung (wie in Fig. 1 dargestellt), mit elektrischen Anschlüssen 45. Der Kopf 41 umfasst weiterhin Flußführungselemente 47, 49, 51, die gegenüber der Anordnung 43 vorgesehen sind, um zusammen mit der Anordnung einen Magnetkreis zu bilden. Die Endflächen 53, 55 bilden einen Teil der Polfläche des Magnetkopfes 41, wobei der magnetische Spalt 57 zwischen den genannten Flächen 53, 55 liegt.
  • Nach der Erfindung kann der von der Anordnung 43 erzeugte magnetische Fluss durch eine geeignete Anwendung einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen den elektrischen Anschlüssen 45 moduliert werden (wobei die magnetische Konfiguration in der Anordnung 43 geändert wird). Solche Flußmodulationen werden von den Flussführungselementen 47, 49, 51 dem Spalt 57 zugeführt, wo sie ein intensives moduliertes magnetisches Feld zwischen den Polflächen 53, 55 erzeugen. Ein geeignetes magnetisches Medium (wie ein band, eine Scheibe oder eine Karte), das in sehr geringem Abstand an den Polflächen 53, 55 vorbeigeführt wird, wird diesem variierenden Feld ausgesetzt, wodurch eine ständige Änderung der magnetischen Bereichsstruktur erzielt wird. Auf diese Weise können Daten entsprechend den elektrischen Potentialmodulationen auf dem magnetischen Medium aufgezeichnet werden.

Claims (5)

1. Magnetische Mehrlagenstruktur mit zwei durch eine zwischenliegende Lagenstruktur getrennten Schichten aus magnetischem Material, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende Lagenstruktur eine Doppelbarrierenstruktur mit resonantem Tunneleffekt (RTDBS) umfasst.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende Schicht der RTDBS GaAs aufweist und die Sperrschichten der RTDBS je Al1-xGaxAs enthalten.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material MnGa enthält.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende Schicht der RTDBS eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 nm hat und dass die Sperrschichten der RTDBS je eine Dicke im Bereich von 0,5 bis 2,0 nm haben.
5. Magnetischer Aufzeichnungskopf mit einer Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche.
DE69513630T 1994-10-05 1995-09-21 Magnetische mehrlagenanordnung, die eine doppelbarrierenstruktur mit resonantem tunneleffekt enthält Expired - Fee Related DE69513630T2 (de)

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