Speichertechnologie und Sensorik: Neue Wege durch Magneto-Elektronik?

Transkript

1 Speichertechnologie und Sensorik: Neue Wege durch Magneto-Elektronik? Günter Reiss Hubert Brückl Andreas Hütten Willi Schepper Fakultät für Physik Viele technologische Bereiche stehen, was auf den ersten Blick erstaunt, in einem engen Wechselverhältnis mit der physikalischen Grundlagenforschung. So kann die Entdeckung des Riesenmagnetowiderstandes durch einen Festkörperphysiker im Jahre 1990 die Technologie der Informationsspeicher in Rechnern ebenso revolutionieren wie die Sensortechnik im Automobilbau. Mit besonderen zweilagigen Schichtsystemen aus verschiedenen Elementen kann ein ungewöhnliches magnetisches Verhalten erzeugt werden: Bringt man ein solches System in ein äußeres Magnetfeld, so verändert sich der elektrische Widerstand auf drastische Weise. Dieser Effekt hat ganz neue technologische Wege bis hin zum Bereich der Nanotechnologie gangbar gemacht. Die neuen Technologien wirken ihrerseits stimulierend auf die Grundlagenforschung und bedürfen ihrer zur weiteren Entwicklung. Abb. 1: Prinzip einer Speicherzelle, wie sie derzeit in DRAMs (Dynamic Random Access Memories) eingesetzt werden. Solche DRAMS befinden sich in großer Anzahl in jedem PC. Der Kondensator wird über einen Feldeffekt-Transistor als Schalter geladen bzw. entladen, wobei der geladene Zustand einer logischen 1, der ungeladene einer 0 entspricht. Über eine Steuerleitung wird der Ladezustand an die Steuerelektronik weitergereicht. Wissenschaftliche Entdeckungen in der Physik haben oft unbemerkt speziell durch die deutsche Öffentlichkeit unsere Lebensbedingungen in den letzten Jahrzehnten ganz wesentlich verändert. Besonders die Entwicklungen in der Festkörperphysik haben die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts als Silizium-Zeitalter geprägt: Einkristalle aus diesem Element bilden die Basis für Mikroelektronik und Sensorik. Auch heute tragen die Physik und die verbundene Technologie wesentlich zur Weiterentwicklung dieser Gebiete bei. Die Industrie in diesen Bereichen weist in den letzten Jahrzehnten ein rasantes Wachstum auf. So wurden auf dem Markt für höchstintegrierte Speicher- Einheiten (Random Access Memories, RAMs, wie sie in jedem PC zu finden sind) 1998 weltweit knapp 40 Milliarden DM umgesetzt; die Schätzungen für das Jahr 2002 liegen bei knapp 100 Milliarden DM. Dabei werden die Bestandteile der mikroelektronischen Schaltungen immer kleiner. Bereits heute ist der Begriff Mikroelektronik überholt, da die kleinsten Strukturen in den RAM-Speichern nur noch etwa 300 nm = 0,3 µm groß sind (1µm ist der millionste Teil eines Meters, ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters). Zum Vergleich: Der Durchmesser eines Haares ist etwa zweihundert mal größer als der der Leiterbahnen in Ihrem Computer. Forschung an der Universität Bielefeld 19/

2 Ein weiteres Beispiel findet sich in der Automobiltechnik: In heute üblichen Mittelklasse-PKWs beträgt der Anteil der Elektronik und Sensorik bereits ca DM, wobei etwa gleiche Anteile für die Sicherheit und für den Komfort verwendet werden. Beide Gebiete sind heute zentral für die erfolgreiche Vermarktung von Automobilen. Auch in der Sensorik werden auf dem Weltmarkt beträchtliche Umsätze erzielt: 1998 ca. 16 Milliarden DM, wobei nach seriösen Einschätzung ein Wachstum von knapp 10% jährlich erwartet wird. Die Grundlagenforschung an Universitäten und Instituten hat wesentlich zu dieser Entwicklung beigetragen. Neue Materialien und Speicherkonzepte konnten z.b. den Flächenbedarf und damit den Preis einer gespeicherten Informationseinheit so weit reduzieren, daß die Rechenleistung eines heutigen PC der eines zwanzig Jahre alten Großrechners entspricht. Auch in der Sensorik konnten Entwicklungen aus dem wissenschaftlichen Bereich neue Konzepte für Gassensoren, Bewegungssensoren und viele weitere Sensortypen bereitstellen, die z.b. Antiblockier- und Antischleudersysteme sowie komfortable Klimaregelungen in Automobilen ermöglichten. Wie wird nun diese Entwicklung weitergehen? Stehen wir wie uns bereits seit etwa zwanzig Jahren immer wieder vorausgesagt wird nun doch am Ende des Siliziumzeitalters? Wo liegen eigentlich die Probleme der Entwicklung und wie kann man diese umgehen? Hier zunächst ein Beispiel für derzeitige Probleme: In den heute üblichen Speicherzellen in Computern wird die Information in Form von elektrischer Ladung digital auf einem Kondensator gespeichert (Abb. 1). Dazu wird der Kondensator über eine Leitung geladen bzw. entladen, wobei der geladene Zustand Abb. 2: Typische Abhängigkeiten des Widerstands vom Magnetfeld für zwei Klassen von Materialsystemen. Die Richtung der Magnetisierungen in den jeweiligen Feldbereichen sind durch die Pfeile gekennzeichnet: a) Antiferromagnetisch gekoppelte Co/Cu/Co-Mehrlagenschichten. Hier sind die beiden Magnetisierungen M1 und M2 ohne äußeres Feld antiparallel. Bei genügend großem Feld werden beide Magnetisierungen in Feldrichtung gezwungen. Dabei ergibt sich ein hysteresefreies Absinken des Widerstands. b) Tunnelelemente aus hartmagnetischem Co, einer Al 2 O 3 Tunnelbarriere und weichmagnetischem Ni/Fe. Hier magnetisiert bei steigendem Feld zunächst die Ni/Fe-Schicht und erst bei höheren Feldwerten die Co-Schicht um. Daher liegt wiederum in bestimmten Feldbereichen eine antiparallele Ausrichtung von M1 und M2 vor, die zu einem hohen Widerstand führt. 18 Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999

3 einer logischen 1, der entladene einer 0 entspricht. Dieses Prinzip hat einige Nachteile: Beim Lesen wird die auf dem Kondensator gespeicherte Information zerstört. Daher muß nach einem Lesezyklus der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt werden. Der Speicherkondensator entlädt sich auch ohne Lesezugriff nach einigen Millisekunden. Daher muß die Information regelmäßig aufgefrischt werden (durch sogenannte Refresh-Zyklen). Die Information geht beim Ausschalten des Rechners verloren. Bereits heute sind wegen der geringen Abmessungen des Speicherkondensators nur noch einige hunderttausend Elektronen am Speichervorgang beteiligt. Bei einer weiteren Miniaturisierung der Schaltung wird auch die auf dem Kondensator gespeicherte Ladung immer kleiner und letztendlich das sogenannte Signal-zu-Rausch-Verhältnis schlechter. Neue Entdeckungen aus der Grundlagenforschung der Festkörperphysik bieten nun einen Ansatz, derartige Schwierigkeiten zu umgehen und gleichzeitig das Spektrum der Möglichkeiten der Mikroelektronik wesentlich zu erweitern. Anzeige Riesenmagnetowiderstand Peter Grünberg fand in 1986 im Forschungszentrum Jülich an mehrlagigen Fe/Cr-Schichten (Schichten, die abwechselnd aus Eisen und Chrom bestehen) ein ungewöhnliches magnetisches Verhalten: Bei Chrom- Lagendicken um 1 nm = 0,001 µm richtet sich die Magnetisierung benachbarter Eisenschichten aufgrund quantenmechanischer Kopplungseffekte antiparallel aus, so daß sich eine mehrlagige Schicht nicht mehr wie ein Ferro-, sondern wie ein Antiferromagnet verhält. Auf die Entdeckung des besonderen magnetischen Verhaltens nanoskaliger, mehrlagiger Schichtsysteme folgte ein weiteres wichtiges Ergebnis: Bringt man ein derartiges Schichtsystem in ein äußeres Magnetfeld, dann sinkt der elektrische Widerstand ab. Dabei ist die Widerstandsänderung überraschend groß: Bereits bei Raumtemperatur erhält man Widerstandsänderungen von bis zu 70%, der Rekord steht derzeit bei über 200% bei tiefen Temperaturen. Damit war klar, daß der sogenannte Riesenmagnetowiderstand (Giant Magneto Resistance, GMR) ein neuer Effekt ist, der nicht auf dem bis dahin bekannten anisotropen Magnetowiderstand beruhen kann, der maximale Widerstandsänderungen von etwa 3% bis 4% aufweist. Forschung an der Universität Bielefeld 18/

4 Abb. 3: Skizze einer Matrix-Anordnung von magnetischen Tunnelelementen, die zur Speicherung von Daten genutzt werden kann. Jede einzelne Speicherzelle besteht aus einem Tunnelelement (wie in Abbildung 2 skizziert) sowie aus den zugehörigen elektrischen Anschluß-Leiterbahnen. Intensive weltweite Anstrengungen zeigten, daß der Riesenmagnetowiderstand auftreten kann, wenn ferromagnetische Bereiche mit nicht parallelen Magnetisierungsrichtungen durch dünne, nicht ferromagnetische Zwischenbereiche getrennt sind. Dünn bedeutet hier, daß die Leitungselektronen die Zwischenschichten ohne Streuprozesse durchqueren können. Der Zwischenbereich kann dabei sogar eine isolierende (z.b. oxidische) Tunnelbarriere sein. Da der Riesenmagnetowiderstand in verschiedenen Materialsystemen mit unterschiedlichem magnetischen Verhalten auftreten kann, hat sich als Oberbegriff die Abkürzung XMR (X-beliebiger Magnetowiderstand) eingebürgert. Eine kurze Erläuterung des Effektes gibt die Abbildung 2. Anwendungen des Riesenmagnetowiderstands Nach der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands war sehr schnell klar, daß die hohe Empfindlichkeit und die große Signalamplitude Anwendungen in der Sensorik und in der Informations- und Speichertechnologie eröffnen. Dies begründet die fast zeitgleiche Zunahme der Zahl von Patenten und Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften. Wie in Abbildung 2 skizziert, bieten sich verschiedene Abhängigkeiten des Widerstands vom Magnetfeld an, so daß die Forschung daher über einen Baukasten verfügt, mit dem solche Kennlinien maßgeschneidert werden können. Laufende bzw. angedachte Entwicklungen sollen folgende Beispiele erläutern: Datenspeicherung: Magnetic Random Access Memories (MRAMs) Eine breite Anwendung des Riesenmagnetowiderstands ist die Speicherung von Daten in MRAMs, die künftig in Konkurrenz zu den etablierten DRAMs (Dynamic Random Access Memory) treten können. Die Speicherzelle eines RAM hat die Aufgabe, eine Informationseinheit (ein Bit), d.h. zwei verschiedene Zustände stabil anzunehmen. Ein Blick auf die Abbildung 2 zeigt, daß die Widerstandskennlinie eines Tunnelelements diese Aufgabe erfüllen kann. Hier liegt das Element entweder mit hohem oder mit niedrigem Widerstand vor. Das Prinzip eines MRAM zeigt die Abbildung 3. Die Speicherung von Information in derartigen magnetischen Tunnelelementen hat gegenüber dem in Abbildung 1 skizzierten heutigen DRAM-Prinzip einige bemerkenswerte Vorteile: Der Signalhub, d.h. die maximale relative Änderung des elektrischen Widerstands mit dem äußeren Magnetfeld hängt in guter Näherung nicht von der Größe der Speicherzelle ab, daher ist die Skalierbarkeit des Elements bis zu Abmessungen unter 100 nm = 0,1 µm möglich. Die Information wird nichtflüchtig gespeichert, d.h. auch nach dem Abschalten des Rechners bleiben die Daten erhalten. Die Bauweise ist kompakt und einfach, so daß der Preis derartiger Speicher relativ niedrig sein kann. 20 Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999

5 Aufgrund dieses Verhaltens erforschen derzeit Forschungsinstitute und Elektronik-Firmen die Möglichkeiten der Datenspeicherung durch den Riesenmagnetowiderstand. Erste Labormuster liegen in Form von 16-Kbit-Speicher-Chips vor. Die Entwicklung der MRAMs wird deswegen weltweit intensiv betrieben. Die Random Access Memories gelten neben den Prozessoren als Schlüsselkomponenten und Technologietreiber künftiger Rechnergenerationen. Anwendungen in der Sensorik Weitere Anwendungen des Riesenmagnetowiderstands liegen im Bereich der Sensorik: Die einfache Bestimmung von Magnetfeldern durch Widerstandsmessungen erlaubt die berührungslose Ermittlung von Drehzahl, Weg oder Winkel und von daraus abgeleiteten Größen beweglicher mechanischer Bauteile. Diese Sensorsysteme dienen z.b. dazu, für die Steigerung der Sicherheit von Automobilen wesentliche Schlüsselkomponenten zur Verfügung zu stellen. Was wird nun von einem Sensor verlangt, d.h. welche der in der Abbildung 2 gezeigten Kennlinien eignen sich? Manche Kennlinien weisen Hysterese-Effekte auf: Je nachdem, in welcher Richtung sie durchlaufen werden, fallen die Signalhöhen verschieden aus. Hysterese-Effekte in der Kennlinie führen zu einem von der Vorgeschichte abhängigen und daher nicht eindeutigen Sensorsignal. Tunnelelemente (Abb. 2b) scheiden daher aus. Für eine einfache Auswertung des Sensorsignals sind ferner lineare Kennlinien von Vorteil. Eine weitere Anforderung der Praxis ist die Unabhängigkeit des Signals von der Umgebung: Der Sensor darf nicht von äußeren Einflüssen beeinflußt werden. Es wäre sehr ungünstig, wenn ein Sensorsystem im PKW schon auf lokale Schwankungen bzw. Verzerrungen des Erd-Magnetfelds ansprechen würde. Derartige Verzerrungen können z.b. in der Nähe von LKWs wegen ihrer großen Metallmasse auftreten. Damit ergeben sich zusätzliche technische Anforderungen an die magnetischen Sättigungsfeldstärken der Sensoren, die etwa zwischen 20 Oe und 300 Oe liegen sollten. (Zum Vergleich: Das Erd-Magnetfeld beträgt etwa 0,5 Oe, wobei in der Nähe von großen Metallmassen Schwankungen um mehr als 1 Oe auftreten können.) Für Sensoren bieten sich daher antiferromagnetisch gekoppelte Mehrlagenschichten an, oder aber Kombinationen aus verschiedenen Systemen. Die Abbildung 4 gibt ein Beispiel für solche Sensoren und Abb. 4: Ein Drehwinkelsensor, der auf dem Riesenmagnetowiderstand basiert. Über der als Sensor dienenden Mehrlagenschicht befindet sich ein Permanentmagnet, der wiederum an der drehbaren Achse befestigt ist. In dem Mehrlagensystem dreht sich nur die Magnetisierung der oberen, weichmagnetischen Sensorschicht mit dem Permanentmagneten, während die der unteren, hartmagnetischen Basisschicht konstant bleibt. Daher ergibt sich eine direkte Korrelation des Widerstands des Schichtsystems zum Drehwinkel des Magneten. Forschung an der Universität Bielefeld 19/

6 zeigt gleichzeitig, daß der erwähnte Kennlinien-Baukasten bereits genutzt wird. Drehwinkelsensoren, wie sie in der Abbildung 4 skizziert sind, können in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik und in Sicherheitssystemen eingesetzt werden. So gestattet z.b. erst die genaue Kenntnis der Stellung des Lenkrads das gezielte Verhindern von Schleuderbewegungen bei einem Automobil. Die vielen Anwendungsbeispiele drängen die Frage auf, ob in diesem Bereich überhaupt noch Grundlagenforschung nötig sein wird. Die Antwort ist ein eindeutiges ja. So wurde die grundlegende Entdeckung des Effekts durch Peter Grünberg keineswegs aus der Motivation geboren, neue Sensoren und Speicherkonzepte zu entwickeln, sondern aus dem Interesse an möglichen langreichweitigen magnetischen Kopplungseffekten in Festkörpern. Die mittlerweile in der technischen Entwicklung erreichten Bauelemente werfen andererseits wieder Fragen auf, die die Grundlagenforschung berühren. So ist z.b. zwar der klassisch verbotene, aber quantenmechanisch erlaubte Tunnelvorgang von Elektronen mittlerweile Stoff der Oberstufe an Gymnasien. Der Einfluß des magnetischen Moments der Elektronen auf das Tunneln ist aber noch weitgehend unerforscht, so daß sich derzeit viele Gruppen an Universitäten mit diesem Phänomen befassen. Aus dieser Beschäftigung mit grundlegenden Problemen der Festkörperphysik können nun auch weitere Anwendungsmöglichkeiten wenigstens als Zukunftsvision geboren werden. Durch die gleichzeitige Nutzung der Ladung und des magnetischen Moments einzelner Elektronen besteht z.b. auch die Möglichkeit, Transistorfunktionen in magnetischen Bauelementen mit Abmessungen deutlich unter 0,1 µm darzustellen. Mit dieser Entwicklung wäre eine neue Form der Elektronik, basierend auf Metallen und Isolatoren, vorstellbar die sogenannte Magnetoelektronik. Zu dieser Thematik gibt es in Deutschland große Verbundprojekte, an denen die Bielefelder Gruppe maßgeblich beteiligt ist. Diese Zukunftstechnologie, die auf die Ladung und die Spin-Eigenschaft der Elektronen zurückgreift, könnte wegen ihrer Skalierbarkeit zu extrem kleinen Abmessungen ein Tor in die Nanoelektronik aufstoßen. Derzeit wird die Entwicklung daher weltweit mit der Beteiligung großer Firmen vorangetrieben. Durch die Schnelligkeit der Entwicklung werden dabei Gruppen die (Forschungs-) Nase vorn haben, die die traditionell oft strengen Grenzen zwischen Grundlagenforschung und Anwendung möglichst flexibel handhaben eine Herausforderung auch für die deutsche Forschungspolitik. Prof. Dr. Günter Reiss (hinten Mitte) studierte Physik an der Universität Regensburg. Nach der Promotion 1989 folgte ein Forschungsaufenthalt im T. J. Watson Research Center der Firma IBM in Yorktown Heights, USA. Von 1992 bis 1997 war Dr. Reiss Leiter der Abteilung Dünne Schichten am Institut für Festkörperphysik und Werkstoff-Forschung in Dresden. Seit Ende 1997 ist er Professor für Experimentalphysik an der Universität Bielefeld. Dr. Hubert Brückl (sitzend) studierte Physik an der Universität Regensburg und promovierte dort Danach war er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Hochschule Darmstadt, von 1994 an Gruppenleiter am Institut für Festkörperphysik und Werkstoff-Forschung in Dresden. Seit Ende 1997 ist er wissenschaftlicher Assistent in der Experimentalphysik an der Universität Bielefeld. Dr. Andreas Hütten (hinten links) studierte Physik an der Universität Göttingen. Nach der Promotion 1989 folgte ein fünfjähriger Forschungsaufenthalt an der University of California in Berkeley und am Lawrence Berkeley Laboratory, USA. Von 1995 an war er Gruppenleiter am Institut für Festkörperphysik und Werkstoff-Forschung in Dresden. Seit Ende 1997 ist er wissenschaftlicher Assistent in der Experimentalphysik an der Universität Bielefeld. Dr. Willi Schepper (ganz rechts) studierte Elektrotechnik an der Technischen Universität Braunschweig. Nach der Promotion in Halbleiterelektronik kam er 1972 als Akademischer Rat an die Universität Bielefeld. Zunächst war er in der experimentellen Grundlagenforschung tätig (Molekularstrahlexperimente K, Rb > N 2, CO, O 2, CO 2 ; Entdeckung des Rotations-Regenbogens). Dann leitete er als Akademischer Direktor etliche Kooperationsprojekte mit der Industrie (Bertelsmann, Philips, Krause-Biagosch) auf den Gebieten der Echtzeit-Daten- und Bildverarbeitung sowie der Zeitreihenanalyse. Der Computer- Simulation magnetischer Schichtsysteme gilt sein augenblickliches Interesse. 22 Forschung an der Universität Bielefeld 19/1999