用来探测固体中的自旋偏振电子流的方法 本发明涉及一种用来探测通过来自非铁磁体固体的磁化的铁磁体接触物的注射在非铁磁体固体中产生的自旋偏振电子流的主要偏振方向的方法，它还涉及用来实现这一方法的装置。
该方法和装置考虑优选用于磁性存贮器技术中，在磁性存贮技术中可以达到特别高地存贮密度；磁性存贮器是非易失性的。为了写入只需通过施加一个外加磁场改变磁化。但是给磁性存贮器的电子读出过程带来困难。
具有磁滞和有限矫顽磁场的铁磁颗粒可以以其磁化方向的方式贮存信息。其中，贮存一个比特(Bit)意味着不是平行于就是反向平行于规定的空间方向的磁化，这里牵涉到所谓的磁性存贮器工艺。贮存一个Bit的颗粒原则上可以完全向一个方向磁化。但是根据状态密度(材料)的不同这不意味着100％的导电电子偏振化。原则上导电电子的偏振化甚至可能是反方向的。因此称为“主要的”偏振方向。重要的仅仅是，通常在导电电子的磁化方向和偏振化之间始终存在相似关系。
铁磁材料中的电子根据电子自旋取向的不同具有不同的状态密度。如果状态密度的区别在于费米能级，那么输送电流的电子具有相应于磁化的优选自旋取向。同样从别的材料进入铁磁体的电子根据其自旋取向存在不同数量的自由状态。
按US－PS5432373(Johnson 373)在从铁磁体流入非铁磁体的电流中在离相应的触头一定距离处可以保持电子的自旋偏振。在已知方法中为此所采用的装置由一个在非铁磁性导体或半导体固体上的铁磁体金属触头组成。
这里利用了导电电子在从铁磁体触点材料中转入非铁磁体固体材料时保持自旋偏振性并在那里产生自旋偏振电子流。下面把这种现象称为注射。电子的自旋偏振化保持一定的与材料和温度有关的距离。因为电子的大多数散射过程不直接影响其自旋，可以以自旋张弛长度明显大于电子平均自由路程长度这一事实为出发点。也就是贮存在相应的铁磁性触点内的信息的电子读出将是在于：探测电子流的自旋偏振化。
由US－PS5654566(Johnson 566)已知的用来探测从铁磁体触头注射入导体或半导体固体内的电子的方法要求在固体上有第二个铁磁体触头。这里假设，第二个触头的性能随着其磁化相对于电子流自旋偏振化的取向而改变。其理由应该是对于铁磁体内两种自旋取向有不同的状态密度，它应该影响进入的、自旋偏振化的电子与自旋有关的进入概率。但是在半导体内的状态密度与在铁磁体触点内的状态密度相比是如此之小，以致无法测量选择性；事实上来自于半导体的所有电子在铁磁性触头中找到一个自由状态。
如果将第二个铁磁体触头通过一个隧道势垒与第一个铁磁体隔开，那末便重新建立自旋选择性。但是在这样情况下不得不承受较大的电阻和关于隧道势垒的很大的制造问题，隧道势垒通常由几纳米厚的氧化物组成并且不允许有缺陷。
本发明的目的在于创造一种探测从磁化的铁磁性接触体中注射到非铁磁性固体中的自旋偏振电子流的自旋偏振化的方法，用这种方法可避免上述的缺点。也就是说寻找一种新的测量原理，它允许直接测量出自旋偏振，达到工艺上有意义的输入和输出电阻，不需要隧道势垒等等难以制造的辅助装置，并具有对于漂移电压、补偿电压和干扰电压尽可能小的灵敏性，使得可以利用相应地制成的构件作为比普通的、以硅为基的动态存贮器(DRAM)具有更高的集成密度的、用于1Bit信息量的非易失的贮存位置。虽然与非易失存贮器快速Ram、EPROM、EEPROM相比原则上仅仅达到一个优点。但是本发明目的的范围内如果可以用非易失存贮器代替易失的动态存贮器，那末将得到另一个改进。输入和输出电阻应该是和通常的技术(CMOS)兼容的。
对于开头所述的方法按本发明的解决办法是，在固体内产生一个依赖于其通过自旋产生的磁矩的偏转每次注射进来的电子的非均匀磁场，并作为电压检测通过自旋偏振电子的这种磁性偏转所建立的电场；换言之后者应该优先意味着：电场的积分被确定为两个接触体之间的电压。
在实施本方法的一种优选装置中在固体上设有至少一个注射自旋偏振电子的铁磁接触体(或者说注射触头)，至少一个产生不均匀磁场的铁磁体和至少一个用来测量电场的电接触体。尤其是意味着，至少需要一个注射器和一个用来记忆电流的第二接触体，以及至少一个铁磁体和两个用来测量电场的接触体，其中之一可以包含磁铁。这里对于每个装置存在“铁磁体”，它能够产生和保持所要求的具有极大不均匀性的磁场。本发明的一些改进和其他结构给出在从属权利要求中。
本发明推荐一种测量方法，它在根本上不同于迄今为止所应用的方法。在固体内，特别是半导体内磁场对电子的常规效应可以用词语“磁阻”和“霍尔效应”来概括。这两种效应在大体上与电子自旋无关。它们建立在洛伦兹力的基础上，这个力使运动电子向垂直于电子流方向和磁场方向所确定的平面的方法偏转。另外如果考察磁场对自旋偏振迁移的作用，那么在资料中唯独提到电子场在外加均匀磁场中的运动；参见A．G．Aronov，G．E．Pikus，“注射入半导体的自旋”，Sov．Phys．semicond．10，6，(1976)，698－700页。
按照本发明利用另一种力，也就是允许自旋偏振电子加速或偏转的力。这个力是1921年在所谓的Stern－Gerlach试验中在证明银原子在强非均匀磁场中的自旋量子化时发现的(参见物理教科书)。
按本发明的把对于非荷电粒子的Stern－Gerlach试验的构想转用到由于量子化的自旋具有磁矩的荷电粒子、即电子上，这种构思导致了在带有梯度的磁场B内由于磁矩M在注射入固体内的自旋偏振电子上作用一个力F=M．_B。
正比于按本发明待检测的电场或局部电压梯度的这个力起到使自旋偏振电子流(不同于在洛伦兹力时)在电子流／磁场平面内向B－场梯度方向加速和偏转的作用。本发明所使用的使单个电子偏转的力F也仅仅取决于磁场梯度和电子的磁矩。相反这个力与(电子)流的大小无关。偏振度和电子流通过自旋偏振电子仅仅决定输出电阻。
本发明的另外一些优点在于：不需要分析触头和磁场传感器，尤其是在采用普通的制造方法的情况下可以制造具有较小过程费用和比迄今为止小得多的尺寸的存贮位置。例如一个非常小的铁磁体颗粒在颗粒表面上的外磁场由于连续性条件可以做得和颗粒的磁化一样强，也就是说可以在1至2Tesla(特斯拉)范围内。在离颗粒表面很小的距离处(那里的非均匀)磁场极其迅速地减弱。一个直径为约300纳米的颗粒在1微米的距离处几乎不再产生磁场，因此外磁场在颗粒表面附近－例如在500纳米之内－具有非常大的梯度，它大致可以达到107特斯拉／米。在本发明的范围内优选采用相应于微观尺度的直径小于500纳米，特别是200纳米的小铁磁体颗粒。如果可能的话，颗粒还可以小。目前力求直径为100纳米或更小。
在本发明范围内固体可以由半导体或导电的非铁磁材料组成，特别优选采用硅作为原料。用来产生非均匀磁场的铁磁接触体应该垂直于自旋偏振电子平均注射方向并平行于引导电子的固体表面磁化。但是也可以给磁化的铁磁接触体－也叫注射触头－在固体的相对的边上共同附设一个非铁磁的、但也可以是第二个铁磁性接触体。
部分地借助于附图对本发明包括其他结构和改进作较详细的说明。其中表示：
图1按本发明做成的存贮单元连同注射触头的透视图；
图2和3在自旋偏振和磁场平行或反向平行定向时图1的机理；
图4和5像图2和3时那样，但是带有具有两个注射触头的单元的机理；
图6按图1的存贮单元的平面方案；
图7按图6的(非均匀)磁场的分布；和
图8具有许多按图1或6的构件的存贮器矩阵。
在图1中所示结构中在由半导体材料，尤其是硅组成的固体1的相互对立的边上有一个铁磁接触体2－它在图1中是所谓的注射触头－和一个非铁磁接触体3，它在图1中仅仅用来记忆电子流。在固体的另两个边上连接一个用来偏转和测量电压的铁磁触头4和一个用来测量电压的非铁磁触头5。
铁磁接触体2应该平行于固体1表面并垂直于接触体2、3的连接线，也就是平均电子流方向6磁化。在接触体2内磁化方向用7表示。电子8平均来说应该沿电子流方向6在接触体2和3之间流动。电子8应该以一定的百分比自旋偏振化。此自旋偏振9在方向方面相当于接触体2的磁化方向7或者是它的反方向，这视自旋偏振是怎样将导电电子与磁化相连系而定。
下面流动方向6表示注射的自旋偏振电子的运动方向。从接触体2通过固体1到接触体3的电子流根据由接触体2的磁化所确定的对于不同自旋方向的不同状态密度自旋偏振化。通过触头4的非均匀磁场在自旋偏振电子8上作用一个力。通过这个力引起电荷分离，它在触头4和5之间产生一个电压U。这个电压视(合成的)力是吸引还是排斥而定改变其正负号。
如果固体1表示为矩形，那么接触体2和3装在固体的边10或11上，触头4和5连接在边12或13上。按图1触头4的磁化14应该沿朝向另一个触头5的方向分布。这个方向称作X方向。触头4或者说它在固体1上的接头位于X=0处，触头5(或者说它在固体1上的接头)位于X=d处，如果d是固体1相对边12和13之间的距离的话。
无损其普遍性地，假设图1中B－场14在正X方向上。这样地选择触头4的尺寸和它的形状，使外磁场在正X方向具有已经提到过的很大的B－梯度。由于电子自旋产生的磁矩和磁场梯度在从接触体2出发沿朝向接触体3的方向经过固体1运动的自旋偏振电子8上作用一个力F。
由此使电子8偏转，这里由此引起的电荷分离由于不同磁矩的非均匀分布建立一个(抵消偏转的)电场E。这个电场的大小为E=l／e·M·_B。
因此在两个触头4和5之间存在一个电压，它相当于电场E从4到5的积分。如果磁场B从触头4(x=0)直到触头5(x=d)下降为0，那么得到积分U=l／e·M·B。
根据触头4磁化量的不同这个电压可以在100微伏到1微伏之间的范围内。由最后一个公式可见(与取决于自旋的霍尔电压完全相反)，电压U与接触体2和3之间的电子流无关。电子流仅仅决定构件或者说存贮元件的输出电阻。也就是说构件可以和存在的电路相匹配。如果用单独的触头4和5测量电压，那么按本发明的关于自旋偏振的信息并不在于电压的大小，而仅仅在于正负号。
图2表示按本发明的构件在自旋偏振9和偏转(非均匀)磁场14平行取向时的结构和工作原理的例子。在接触体2和3之间加上一个电源15，触头4和5之间的被探测电压U在测量仪器16上读出。
图3中表示一个类似于图2中的结构。其区别主要在于：电子8的自旋偏振9反向平行于磁场14。
电子流的自旋偏振由注射触头确定。但是如果接触体2和3做得相同，那么可以通过流动方向的颠倒可选择地读出接触体2或3。在这种情况下集成密度加倍。在图4和5中表示和图2和3时类似的关系；但是设想，两个接触体2和3都是铁磁体，并可以用作偏振信息的存贮器。如图所示，那么在同一个构件上可以通过流动方向6的颠倒或电源15极性反接读出两个注射触头(2，3)。
如上所述，按本发明的构件可以用作1Bit信息量的存贮位置或者说存贮元件，其中可达到很高的集成度。可以比通常的DRAMS达到实质上进一步的微型化。
每个被贮存的信息可以选择地贮存在接触体2内或触头4内，其中为了读出必须知道另一个触头的磁化方向。但是通常用来存贮信息的铁磁性触头由软磁性材料制成，用来产生强非均匀磁场的触头由硬磁性材料制成。
图6中表示图1结构的平面方案。活性区即固体1，例如特别是在采用半导体材料时通过离子移植产生。按图1触头4和5位于固体1平面内，按图6所有接触体2，3和4、5都位于固体1的表面上。按图6和7应该产生非均匀B－场的触头4，5做得这样薄，使得在(1)的表面上磁场和场梯度几乎平行于它分布。这种制造方法和常用的工艺是兼容的。
图7表示在按图6的平面方案中在偏转触头4前面偏转的(非均匀)磁场的优选分布。由于触头4非常薄B－梯度直接分布在固体1的表面内或上，特别是半导体固体的表面内或上。
按照另一发明触头4和5都设计成铁磁体，在两个触头4和5中B－场可以指向同一个方向，要是触头4和5的B－梯度方向相反就更好了。这样如果触头4和5的间距d这样选择，使两个触头的磁场在触头之间的中心(x=d／2)几乎等于0，那么由场梯度产生的电压便相加。由此输出电压增加一倍。
如果触头4的材料和固体1的材料之间会存在工艺不相容性，那么触头4可以通过一个薄的非铁磁性金属层17与固体1隔开，而不明显地影响其功能。同样注射磁铁2也不必非和半导体1直接接触不可。可以设想，为了改善接触性能可以插入一个非铁磁性薄金属层，其中在它里面自旋不会张弛－无论如何不受干扰。
原则上触头5可以完全去掉。在这种情况下测量触头4和3或者4和2之间的电压，但是这里随着自旋偏振的改变不出现正负号变化，而仅仅出现电压变化。如果希望出现足够大的电压变化和通过取消一个触头使得可以有更高的集成密度，那么优选采用这种方案。
在集成时单个构件设置在一个存贮器矩阵内。这里在每一列和每一行内分布一根导线，其中在需反向磁化的触头上分别叠加一根行或列导线。一根行或列导线单独产生的磁场小于贮存信息的触头的矫顽磁场。在列导线或行导线的场重叠的部位超过矫顽磁场强度。用这种方法可以用简单的控制装置可选择地使触头改变磁化方向(改写)。这些行和列导线也可以用来控制(地址选择)单个元件和用来读出。
在本发明范围内多个存贮元件可以连接在一起，其中第n个元件的各个接触体2和第(n+1)个元件的接触体3连接。在从连接链的第一个元件的接触体3流到连接链最后一个元件的接触体2时，所属的输出电压连接在连接链的所有元件上。也就是它们可以并行地读出。作为一种选择，多个元件可以这样连接在一起，其中第n个元件的各个触头4与第(n+1)个元件的触头5相连接。在通过其接触体2和3控制连接链的几个元件时第一元件的触头5和最后一个元件的触头4之间连接几个元件的输出电压。由此使得可以仅仅用一根输出信号线有选择地读出。
上述的链连接可以组合，其中接触体2和3例如成列设置，接触体4和5成行设置。这样可以通过列记忆电子流，通过选择行有目的地读出矩阵中的单个元件。在这种情况下为了给n2个元件编写地址需要2n根导线。在这种矩阵连接时触头4和5可以被两个元件利用。这样从工作原理方面看相邻存贮元件的触头4和5应该方向交替地安装。汇总在一起不仅节省位置，而且也节省材料和制造成本。图8中表示在每两个元件共同利用一个触头的矩阵内其他元件相应的布线和控制。
图8还表示其他意思。也就是采用具有两个偏转磁铁的方案。因为一个磁铁从两端看起来各自不同，所有元件都同方向运行。另外所有接触体2和3都是信息载体。但是视考察哪一个元件而定，它们不是用作注射器就是用作第二个触头，以记忆电子流(这里不干扰磁化)。也就是说节省了两个触头，或者说利用2Bit的方案，但是不通过电子流反向读出。具体的关系最好由图8的图形和参考标记加以理解。
参考标记
1 =固体 10－13，=边(1)
2、3 =接触体 14 =B－场
4、5 =触头 15 =电源
6 =电子流 16 =电压测量仪
7 =磁化 17 =金属层
8 =电子
9 =自旋偏振