3. Магнетоэлектроника

Магнетоэлектроника — направление функциональной микроэлектроники, связанное с появлением новых магнитных материалов, обладающих малой намагниченностью насыщения, и с разработкой технологических методов получения тонких магнитных пленок.

На перемагничивание тонкопленочного элемента, толщина которого обычно не превышает толщины одного домена, требуется энергии в 10—20 раз и времени в 10—30 раз меньше, чем на перемагничивание ферритового сердечника.

Наибольший интерес представляет использование тонкопленочных металлических магнитных материалов в микроэлектронных запоминающих устройствах (ЗУ), где в качестве элемента памяти применяются тонкие магнитные пленки. Эти пленки позволяют создавать надежные быстродействующие ЗУ с малой мощностью управления. Весьма перспективны устройства, памяти на цилиндрических магнитных доменах. Плотность записи таких устройств достигает 10⁵бит/см²при скорости обработки информации 310⁶бит/с. Преимущество этих устройств заключается также в том, что магнитные домены могут составить систему идентичных элементов, реализующих функции логики, памяти и коммутации без нарушения однородности структуры материала носителя информации. Следовательно, кристалл на магнитных доменах является вычислительной средой, на поверхности которой посредством системы внешних аппликаций можно размещать схемы, реализующие различные комбинации логических и переключающих функций и функций памяти.

Применение тонких магнитных пленок в качестве носителей информации основано на том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями.Эти состояния пленки обеспечиваются благодаря одноосной магнитной анизотропии — предпочтительной ориентации вектора намагниченности, которая создается в процессе изготовления пленки или при ее последующей термической обработке с помощью внешнего магнитного поля.

Тонкие пленки пермаллоя (сплав никеля и железа с небольшими добавками меди, хрома и молибдена) можно изготовить так, что их магнитные свойства в разных направлениях будут сильно различаться. В направлении оси трудного намагничивания(ОТН) петля гистерезиса практически полностью отсутствует, зато под прямым углом к ней в направленииоси легкого намагничивания(ОЛН) петля гистерезиса является почти полной (рис.7,а). Это свойство используется в двух видах интегральной памяти: элементе памяти с плоскими магнитными пленками (рис.7,б) и элементе памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку (рис.7,в).

Рис.7. Использование тонких магнитных пленок для элементов памяти ЭВМ:

а– петля гистерезиса тонкой магнитной пленки;б– элемент памяти с плоскими магнитными пленками;в– элемент памяти с электролитическим магнитным покрытием, нанесенным на проволоку

При хранении информации пермаллойные элементы намагничены в одном или другом направлении оси легкого намагничивания, которое совпадает с продольным направлением в пленке и является окружностью для проволоки с электролитическим покрытием. При записи ток слов делает направление намагниченности почти совпадающим с направлением оси трудного намагничивания. Ток чисел отклоняет направление намагниченности в ту или другую сторону, так что после прохождения импульсов намагниченность устанавливается в направлении ОЛН.

Третьим типом интегральной памяти на магнитных пленках является плоская проволочная память (рис.8). Ее изготовляют путем электролитического нанесения пленки пермаллоя на медно-бериллиевую проволоку. Прямые параллельные отрезки такой проволоки образуют линии чисел; проводящие ленты, протянутые в поперечном направлении, служат линиями слов. Запоминание осуществляется намагничиванием по окружности пленки, нанесенной электролизом на проволоку, причем это соответствует направлению оси легкого намагничивания, которое устанавливается при электролизе за счет пропускания постоянного тока через проволоку. Ток слов направляет поле по оси проволоки, т. е. в направлении оси трудного намагничивания. Это индуцирует напряжения в линиях чисел, причем небольшие токи чисел направляют поля вдоль оси легкого намагничивания.

Рис.8. Плоская проволочная память

На тонких магнитных пленках могут быть выполнены не только элементы памяти ЭВМ, но также логические микросхемы, магнитные усилители и другие приборы.

Широкие перспективы построения разнообразных функциональных устройств открывают новые материалы — магнитные полупроводники. К ним относятся магнетики, не обладающие металлической природой электропроводности и представляющие собой соединения магнитных и немагнитных элементов. В настоящее время известны такие магнитные полупроводники, как халькогениды европия, халькогенидные шпинели хрома, сильно легированные ферриты (например, железоиттриевый гранат, легированный кремнием) и т. д.

В магнитных полупроводниках при температурах, меньших температуры магнитного упорядочения (точки Кюри), появляется как бы дополнительная по сравнению с обычными немагнитными полупроводниками степень свободы — магнитный порядок. Между магнитным порядком и полупроводниковыми свойствами материала (электрическими, оптическими) имеются взаимосвязь и взаимовлияние, которые и вызывают разнообразные, свойственные исключительно этим материалам, эффекты. Например, вследствие зависимости зонной структуры от величины магнитного момента при понижении температуры до значений, меньших, в магнитных полупроводниках наблюдается аномально сильный сдвиг края полосы поглощения. При этом ширина запрещенной зоны может, как уменьшаться, так и увеличиваться. Магнетосопротивление в магнитных полупроводниках существенно больше, чем в обычных, и максимально вблизи точки Кюри. Возникает оно, прежде всего из-за воздействия внешнего поля на намагниченность, а не непосредственно на носитель заряда, как в обычных полупроводниках. Эти эффекты обусловлены влиянием намагниченности на оптические и электрические свойства вещества. Существуют эффекты и обратного порядка. Имеются сообщения о наблюдении изменений магнитной проницаемости и направления оси анизотропии в некоторых магнитных полупроводниках под воздействием света. В халькогенидах европия и некоторых других материалах имеют место повышение точки Кюри и изменение намагниченности с увеличением концентрации носителей заряда.

Ряд эффектов в магнитных полупроводниках возникает из-за взаимодействия носителей заряда со спиновыми волнами, в частности изменение знака магнетосопротивления. Экспериментально наблюдался эффект усиления СВЧ-излучения в магнитных полупроводниках при пропускании через них электрического тока.

Продолжаются широкие исследования различных свойств магнитных полупроводников. Однако уже известные эффекты позволяют создавать монолитные СВЧ-микросхемы с активными и пассивными СВЧ-элементами на одной монокристаллической подложке из магнитного полупроводника, устройства бесконтактного управления и связи, заменители датчиков Холла и другие устройства.

Магнитные шпинели дают возможность реализовать запоминающие устройства, аналогичные запоминающим устройствам на ферритовых сердечниках. Предполагается, что шпинели будут технологичнее ферритов. Кроме того, из них можно делать также активные приборы, позволяющие параллельно с записью и считыванием информации производить обработку информации непосредственно в запоминающей среде.