Nicht-flüchtiges Speicherelement aus ferromagnetischem Halbleiter
Die Arbeitsgruppe von Prof. Molenkamp (Lehrstuhl Experimentelle Physik III) am Physikalischen Institut untersucht sehr erfolgreich ferromagnetische Halbleiter als Informationsspeicher.
Nicht-flüchtiges Speicherelement aus ferromagnetischem Halbleiter
Katrin Pappert, Silvia Hümpfer, Charles Gould, Jan Wenisch, Karl Brunner, Georg Schmidt und Laurens W. Molenkamp
Bild 1
Ferromagnetische Halbleiter
Gallium-Mangan-Arsenid ((Ga,Mn)As) ist ein Halbleiter, der auch ohne angelegtes Magnetfeld magnetisch ist, ein ferromagnetischer Halbleiter. Solche Materialien sind in der Zunkunft besonders für integrierte Schaltkreise interessant. Bis jetzt werden Datenspeicher aus magnetischen Metallen (z.B. Eisen) hergestellt und die Verarbeitung der Information, z.B. im Computer, erfolgt in Halbleiterschaltkreisen. Mit ferromagnetischen Halbleitern könnte man in Zukunft Informationen speichern und verarbeiten auf dem selben Chip. Im Moment sind solche Materialien nur bei sehr tiefen Temperaturen ferromagnetisch (-200 °C), an neuen Materialien die auch bei Raumtemperatur arbeiten wird weltweit ausführlich geforscht.
Anisotropie-Kontrolle/Engineering
Erst seit kurzem weiss man, dass man die magnetische Vorzugsrichtung in GaMnAs dadurch beeinflussen kann, dass man sehr schmale Streifen, die wir Nanobars nennen, herstellt. Typischerweise wächst man eine dünne Schicht (20 Nanometer dick) (Ga,Mn)As auf einen GaAs Wafer auf. Weil das (Ga,Mn)As einen etwas größeren Gitterabstand hat als GaAs (die Gitterzellen sind etwas größer), ist die Schicht verspannt; sie ist zusammengedrückt weil sie sich an die Gitterkonstante von GaAs anpassen muss. Wenn wir jetzt sehr schmale Streifen (200 nm breit, grau in Bild 1; hellere Streifen sind Kontakte aus Gold) aus diesem Material herstellen, kann sich das Material senkrecht zum Streifen wieder ausdehnen während es parallel zum Streifen weiterhin verspannt bleibt (anisotrope Relaxation). Dadurch wird das Gitter verzerrt/deformiert. Die Magnetisierung richtet sich bevorzugt entlang der zusammengedrückten Richtung, also entlang der langen Kante des Nanobars aus. Wenn kein äußeres Magnetfeld anliegt, gibt es für jeden Nanobar also genau zwei mögliche Magnetisierungsrichtungen. Für den linken Streifen in Bild 1 kann die Magnetisierung also z.B. nur nach links(grün) oder nach rechts (rot) zeigen.
Man kann nun neuartige magnetische Bauteile konstruieren, deren Wirkung darauf beruht, dass Komponenten des Bauteils unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen haben. Als Komponenten benutzt man Nanobars entlang verschiedener Richtungen.
Bild 2
Nicht-flüchtige Speicherzelle
Die hier diskutierte nicht-flüchtige Speicherzelle ist das erste Beispiel für ein solches Bauteil. Sie besteht aus zwei zueinander senkrechten Nanobars, die an einer Ecke durch eine schmale Verengung verbunden sind. Die Speicherzelle hat vier nicht-flüchtige Magnetisierungszustände (Skizzen i-iv in Bild 2).
Information schreiben:
Das Beschreiben der Speicherzelle erfolgt mit einem Magnetfeld, das in einer bestimmten Richtung in der Ebene angelegt wird. Es magnetisiert die Streifen in eine bestimmte Richtung und wird danach wieder auf null gefahren. Um z.B. Zustand (i) zu schreiben, legt man ein Feld entlang 45° an und fährt es dann auf Null zurück. In unseren aktuellen Forschungen versuchen wir ähnliche Speicherzellen mit einem elektrischen Strom zum Beschreiben. Dann wäre kein äusseres Magnetfeld mehr notwendig, was technologisch sehr interessant wäre.
Information speichern:
Die Information ist dann in der relativen Magnetisierungsrichtung der Streifen gespeichert, die natürlich erhalten bleibt, wenn man den Strom/das Magnettfeld abstellt. Es ist also eine nicht-flüchtige Speichermethode. Die Streifen können „in Reihe“ magnetisiert sein (i und iii) oder gegeneinander (ii und iv).
Information auslesen:
Um den Zustand auszulesen wird der elektrische Widerstand an der Verengung gemessen. Dieser Widerstand (bei null Magnetfeld) ist in Bild 2 dargestellt in Abhängigkeit vom Magnetfeldwinkel, mit dem die Zelle beschrieben wurde. Der Widerstand is hoch, wenn die Streifen „in Serie“(i & iii) magnetisiert sind und niedrig, wenn sie gegeneinander (ii & iv) magnetisiert sind.
