Thermometer für Nanoschaltkreise

  • 07. February 2018

Magnetische Tunnelkontakte ermög­lichen absolute, zeitauf­gelöste Temperatur­messung.

Forscher der Physi­kalisch-Tech­nischen Bundes­anstalt PTB in Braun­schweig haben eine Methode entwickelt, die für das Temperatur­management von Nanoschalt­kreisen genutzt werden kann. Die Methode basiert auf magne­tischen Tunnel­kontakten und ermöglicht quanti­tative Temperatur­messungen mit einer Zeit­auflösung unterhalb einer Nano­sekunde. Dabei wird der Tunnel­kontakt, unter Ausnutzung der Temperatur­abhängigkeit des Tunnel­widerstands, als kali­briertes Thermo­meter verwendet. Das Prinzip wurde für die zeitauf­gelöste Messung von laser­induzierten Temperatur­erhöhungen demons­triert und kann in vielen Nanoschalt­kreisen ange­wendet werden.

Abb.: Prinzip der absoluten, zeitaufgelösten Temperaturmessung. Die optisch induzierte Temperaturerhöhung wird mittels eines magnetischen Tunnelkontakts, der sich innerhalb einer Nanostruktur befindet, mit einer Subnanosekunden-Zeitauflösung ausgelesen. (Bild: PTB)

Abb.: Prinzip der absoluten, zeitaufgelösten Temperaturmessung. Die optisch induzierte Temperaturerhöhung wird mittels eines magnetischen Tunnelkontakts, der sich innerhalb einer Nanostruktur befindet, mit einer Subnanosekunden-Zeitauflösung ausgelesen. (Bild: PTB)

Durch die immer kleineren Abmes­sungen und die damit verbundenen hohen Strom­stärken in Nanoschalt­kreisen wird es zunehmend wichtiger, die Temperatur­entwicklung in diesen Bauele­menten zu überwachen. Unge­nügende Wärme­abfuhr kann die Nanoschalt­kreise verändern oder gar zerstören. Das neue Verfahren bietet eine Zeit­auflösung im Subnano­sekunden-Bereich. Dabei wird in die Nano­strukturen ein magne­tischer Tunnel­kontakt integriert. Er besteht aus zwei magne­tischen Schichten, die durch eine dünne Oxid­schicht von­einander getrennt sind. Der Tunnel­widerstand ist stark davon abhängig, ob die Magneti­sierungen dieser Schichten parallel oder anti­parallel zueinander ausge­richtet sind; eine Änderung der Aus­richtung kann den Widerstand um mehr als 100 Prozent verändern. Diese Widerstands­änderung ist aufgrund komplexer physi­kalischer Effekte temperatur­abhängig und nimmt mit stei­gender Temperatur ab. Daher kann durch elek­trisches Auslesen des Tunnel­widerstandes der Tunnel­kontakt als schnelles Thermo­meter verwendet werden.

Zur Demons­tration dieses Prinzips wurde ein Tunnel­kontakt in eine Abfolge von Nano­schichten integriert und zuerst die temperatur­induzierte Änderung des Tunnelwider­standes kalibriert. Dazu wurde mit einem elek­trischen Heizer eine bekannte Temperatur eingestellt. Mit dieser Kali­brierung konnte die durch­schnittliche Änderung des Tunnel­widerstandes, die durch Aufheizen der Nano­schichten mit einem kurzen Laser­impuls entstand, in eine Tem­peratur umge­rechnet werden. Ein Pulszug aus einem Femtosekunden­laser mit einer Puls­energie von fünf Nano­joule und einer Repetitions­rate von 76 MHz führt in einer Schicht, die mehrere hundert Nanometer unterhalb der Proben­oberfläche liegt, zu einer mitt­leren Temperatur­erhöhung von 80 Kelvin. Durch sehr schnelles Auslesen des Tunnel­widerstands war es zudem möglich, den absoluten Temperatur­verlauf zeitauf­gelöst zu bestimmen. Dies ergab, dass jeder Laserpuls zusätz­lich zu der mittleren Temperatur­erhöhung einen Temperatur­peak verursacht. Etwa vier Nano­sekunden nach Auftreffen des Laserpulses auf der Proben­oberfläche erreicht diese schnelle zeitliche Temperatur­erhöhung am Ort des Tunnel­kontakts ihr Maximum in Höhe von zwei Kelvin.

PTB / JOL

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