Silizium kann auch Magnetoelektronik

  • 14. September 2011

Der unmagnetische Halbleiter zeigt einen Magnetowiderstand wie man ihn bisher nur von magnetischen Materialien kannte.

Der Riesenmagnetowiderstand, für dessen Entdeckung Peter Grünberg und Albert Fert 2007 den Physik-Nobelpreis bekamen, hat die magnetische Datenspeicherung revolutioniert, da er extrem empfindliche Leseköpfe ermöglichte. Die dafür verwendeten magnetischen Materialien sind indes nicht mit der Halbleitertechnologie verträglich. Doch jetzt berichten chinesische Forscher, dass der Widerstand von Silizium fast so empfindlich vom Magnetfeld abhängt, wie man es für magnetische Substanzen mit Riesenmagnetowiderstand beobachtet.

In der Nähe der p-n-Grenzschicht (schwarze Linie) hat das Magnetfeld (a: ohne Feld; b: mit Feld) einen besonders starken Einfluss auf den Stromfluss (Pfeile)

Abb.: In der Nähe der p-n-Grenzschicht (schwarze Linie) hat das Magnetfeld (a: ohne Feld; b: mit Feld) einen besonders starken Einfluss auf den Stromfluss (Pfeile). Das führt zu einem großen Magnetowiderstand. (Bild: C.-H. Wan et al., Nature)Caption

Xiaozhong Zhang und seine Kollegen von der Tsinghua University in Peking haben an einem n-dotierten Siliziumwafer den „inhomogenitätsinduzierten“ Magnetowiderstand untersucht. Dahinter verbirgt sich ein seit gut zehn Jahren intensiv erforschter Effekt, bei dem in einem nichtmagnetischen Material eine inhomogene Verteilung der beweglichen Ladungsträger dazu führt, dass Ströme sehr empfindlich auf Magnetfelder reagieren. Während der normale Magnetowiderstand, hinter dem die auf die Ladungsträger wirkende Lorentz-Kraft steckt, quadratisch mit der magnetischen Feldstärke anwächst, nimmt der inhomogenitätsinduzierte Magnetowiderstand linear mit der Feldstärke zu.

Die chinesischen Forscher haben in zirka 3 mm breiten und etwa 10 mm langen Silizumstreifen, die an ihren beiden Enden mit Indiumelektroden kontaktiert waren, eine besondere Ladungsinhomogenität erzeugt. Dazu haben sie mit der einen Elektrode Minoritätsladungsträger, also positive Löcher, in den Streifen gepumpt, während von der anderen Elektrode Elektronen nachgeliefert wurden. Es entstand im Siliziumstreifen eine p-n-Grenzschicht, an der die Löcher mit den Elektronen rekombinierten. Durch Erhöhung der Stromstärke ließ sich diese Grenzschicht von der positiven zur negativen Elektrode hin verschieben.

Bei Zimmertemperatur setzten die Forscher den stromdurchflossenen Streifen einem senkrecht zu ihm stehenden Magnetfeld aus. Mit zusätzlichen Elektroden maßen sie den Abfall der Spannung längs des Streifens und die Hall-Spannung in Querrichtung. Als sie die Stromstärke stetig von 105 µA auf 205 µA erhöhten, nahmen die gemessene Spannung und der Hall-Widerstand zu. Zwischen 140 µA und 175 µA gab es einen Übergangsbereich, in dem der Hall-Widerstand sehr schnell anwuchs und der aus der Spannung abgeleitete Widerstand ebenfalls deutlich zunahm. Dieses Verhalten kam dadurch zustande, dass bei der Übergangsstromstärke die p-n-Grenzschicht etwa dort lag, wo die Messelektroden auf dem Streifen angebracht waren. Hier wurde die Sache spannend.

Als die Forscher die Abhängigkeit des Widerstands von der Magnetfeldstärke maßen, fanden sie im Übergangsbereich einen ungewöhnlich großen Magnetowiderstand, der bei 0,07 Tesla sprunghaft um 10 %, bei 0,2 Tesla um 100 % und bei 0,5 Tesla um 1000 % zunahm. Damit war die Feldempfindlichkeit des Siliziums fast vergleichbar mit der von Riesenmagnetowiderstands- oder GMR-Sensoren. Doch im Gegensatz diesen reagiert Silizium auch noch bei sehr hohen Feldstärken empfindlich. Die Forscher haben bei 7 Tesla eine Änderung des Widerstands um bis zu 1.500.000 % gemessen. In GMR-Sensoren führen solche Feldstärken zu Sättigung und machen sie unbrauchbar.

Doch wie kommt es zu diesem ungewöhnlich großen Magnetowiderstand des Siliziums, den die chinesischen Forscher beobachtet haben? Dieser Frage gingen sie dadurch nach, dass sie die Bewegungen der Ladungsträger in einem Siliziumstreifen mit dem Computer simulierten. Dabei stellten sie fest, dass die p-n-Grenzschicht wie eine Ansammlung von magnetischen Streuzentren wirkte, die die Bahnen der Ladungsträger verzerrte und dadurch den Stromfluss empfindlich änderte. Durch eine geschickte Wahl der Positionen, an denen die Messelektroden angebracht werden, ließe sich der Magnetowiderstand noch weiter erhöhen.

Das neue Sensorelement aus Silizium ist mit der herkömmlichen Halbleitertechnologie kompatibel. Es kann sowohl mit Magnetfeldern als auch mit elektrischen Feldern moduliert werden. Damit eröffnet es die Möglichkeit, Siliziumbauelemente für eine Magnetoelektronik herzustellen, die das Zusammenspiel von magnetischen und elektrischen Effekten nutzt.

Rainer Scharf

OD

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