DE2232902A1

DE2232902A1 - Magnetische granat-einkristallschicht

Info

Publication number: DE2232902A1
Application number: DE19722232902
Authority: DE
Inventors: Bertram Allen Calhoun; Edward August Giess; Erik Klokholm; Thomas Stanley Plaskett; Laurence Lee Rosier; Philip Edward Seiden
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1971-08-04
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-02-15
Also published as: CA945357A; FR2148314A1; JPS4825197A; FR2148314B1

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: YO 971 035

Magnetische Granat-Einkristallschicht

Die Erfindung betrifft eine magnetische Granat-Einkristallschicht mit Lanthaniden-Anteilen sowie mit uniaxialer Anisotropie zur Aufrechterhaltung und Weiterleitung hierin erzeugter magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen.

Anordnungen mit zylindrischen magnetischen Domänen sind beispielsweise aus der USA-Patentschrift 3 460 116 bekanntgeworden. Hierbei werden zylindrische magnetische Domänen in einem magnetischen Film wahlweise erzeugt und hierin nach vorgegebenem Muster verschoben. Wenn diese magnetischen zylindrischen Domänen zur Darstellung binärer Information dienen, dann lassen sich entsprechende Daten einschreiben, auslesen und verschieben, wie es bei datenverarbeitenden Einrichtungen gefordert wird.

Magnetische Filme dieser Art können dabei Orthoferrite, Magnetoplumbite und Granate sein. Speziell sind Granate als magnetische Domänenmaterialien vorgeschlagen worden, wie es sich aus den nachstehend aufgeführten Literaturstellen ergibt:

1. Van Uitert, et al "Garnets for Bubble Domain Devices", Mat. Res. Bull., Bd. 5, Seiten 825-836, 1970.

2. E. A. Giess, et al "Magnetic Materials for Circular Domain

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Devices", IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 13., Nr. 2, S. 517, Juli IP70.

3. A. H. B ob eck, et al "Fniaxial Facnetic C-arnets for Dorain Wall 'Bubble' Devices", Applied Phvsics Letters, Ed. 17. Hr. 3, S. 131 (1. Aug. 19 70).

4. J. E. Mee, et al IFEE Transactions on Magnetics, ^r'l?G-5. S. 717 (1969) .'

5. J. E. Mee, et al Applied Physics Letters, 13, 60 (1971).

Die unter 1 und 3 zitierten Literaturstellen beschreiben Granat-Kristalle, die eine Mischung aus mehreren Lanthanirien-Elementen enthalten. Granat-Verbindungen dieser £rt zeichnen sich durch eine v/achstumsbedingte uniaxiale Anisotropie aus. In diesen Granat-Zusammensetzungen kann die wachstupsbedirgte 'nisotroDie in der magnetischen Schicht existieren, ohne daß ein besonderes Substrat erforderlich wäre. Das bedeutet aber_; daß hier das Problen der Citteranpassunc go(""onstfindslo.^cs int.

Die unter 1 und 3 zitierten Literaturs teilen beschreiber Lanthaniden-Granat-Zusammensetzungen, die mehrere Lanthaniden-Elementanteile enthalten, v/obei das eine Lanthanid (A) einen nagnetostriktiven Koeffizienten λ mit positivem Vorzeichen besitzt, wohingegen das andere Lanthanid (B) einen maanetostriktiven Koeffizienten λ mit negativem Vorzeichen besitzt. Infolgedessen ist die resultierende Magnetostriktion annähernd Null.

Die unter 4 und 5 zitierten Literaturstellen beschreiben Granat-Zusammensetzungen für zylindrische magnetische Domänen, die auf speziellen Lanthaniden-Mischsubstraten epitaxial aufgewachsen sind. Es ist schwierig Substrate dieser Art weitgehend fehlerlos zu züchten, und außerdem lassen sie auch für hierauf aufcrewachsene reproduzierbare magnetische Filme hinsichtlich einer befrie-

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BAD ORi

digenö.en Qualität sehr zu wünschen ti

Ci e eben angeführten magnetischen Filme sind zwar reeignet für den Gebrauch bei Anwendung magnetischer zylindrischer "Einzelwanddomänen > sie weisen jedoch nicht alle für diesen besonderen Zweck gewünschten Qualitäten auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, verbesserte Granat-Zusammensetzungen bzw. -Verbindungen für magnetische Filme der oben beschriebenen Art bereitzustellen, die sich auf einfachen Verbindungssubstraten aufwachsen lassen, wobei eine gegenüber bisher wesentlich erhöhte Domär-engeschwindigkeit über einen weiten Bereich der angelegten Feldstärken zu erzielen ist; und sich außerdem noch hohe Bitdichten bei Verwendung in Speicheranordnungen ergeben sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich -auf einem Substrat ein Eisengranatfilm mit durch mechanische Beanspruchung bedingter uniaxialer Anisotropie befindet, welcher neben einen einzigen Lanthaniden-Elementanteil Yttrium enthält, so daß sich eine Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Film im Bereich von 0,02 bis 0,16 ergibt.

Die mechanische Beanspruchung, die entweder durch Druck oder Zug ausgeübt ist, wird dabei sorgfältig gewählt, um die erwünschte Anisotropie herbeiführen zu können,- ohne daß der Granat-Film mechanisch beschädigt wird, z.B. durch Bruch. Magnetische Filme dieser Art lassen sich in einfacher Weise epitaxial auf unkomplizierten Verbindungssubstraten aufwachsen und zeigen dabei eine äußerst hohe magnetische Einzelwanddomänengeschwirdigkeit. Diese Beweglichkeit existiert über dem gesamten Bereich der Feldstärken des angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldes, das zur Ausbreitung der zylindrischen Einzelwanddomänen dient. Magnetische Filme dieser Art lassen sich auch mit verschiedenen Werten für die liaanetisierung H und die uniaxiale Anisotropie

K herstellen, so daß sich hohe Bitdichten in stabilen Granat-•n

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BAD

Filmen ergeben.

Das Substrat selbst kann aus einem Lanthaniden-Granat, einem Spinell, einem Saphir oder aus Magnesiumoxid bestehen.

Granat-Zusammensetzungen dieser Art sind speziell geeignet für Betrieb bei Raumtemperatur. Wie bereits gesagt, besitzen diese magnetischen Filme uniaxiale Anisotropie, bedingt durch mechanische Spannung, wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der Normalen der Filmebene fällt. Ob Zugspannung oder Druckspannung wirksam ist, hängt von den jeweils verwendeten Granat-Zusammensetzungen ab. Der Lanthaniden-Anteil in diesem magnetischen Film wird jedenfalls in einem solchen Betrag gewählt, daß sich die erwünschte prozentuale Gitterfehlanpassung einstellen kann.

Die Granat-Zusammensetzungen lassen sich gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft durch die allgemeine Formel RE Y_ Fe₁. Ga O, _o,

y 3-y 5-x χ 12'

worin y zwischen 0,1 und 0,9 einschließlich und χ zwischen 0,9 und 1,2 einschließlich liegt. RE ist die Bezeichnung für das gewählte Lanthanid wie Gd, Eu, Tb, Dy, Sm, Ce usw.. Um den gewünschten Wert für die mechanische Spannung und die Sättigungsmagnetisierung 4irM (zwischen lOO und 300 Gauß) zu erhalten, kann der Wert für y je nach dem verwendeten Substrat den üblichen Bereich überschreiten.

Die erfindungsgemäßen Granat-Filme stellen Einkristall-Filme dar, die im allgemeinen zwischen 1 bis 10 /um dick sind und epitaxial auf relativ unkomplizierten Substraten aufgewachsen sind, die z.B. aus seltenen-Erden-Granaten, wie z.B. Gd₃Ga-O _> bestehen können oder den anderen obengenannten Substraten. Die Substrate sind dabei so gewählt, daß sich die gewünschte Gitterfeh lanpassung ergibt.

Obwohl die magnetischen Filme allgemein eine Achse der leichten Magnetisierbarkeit in Richtung der Normalen der (111)-Ebene

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_ 5 —

besitzen, sind Kristallorientierungen dieser Art nicht die einzig möglichen. Gewisse Orientierungen, wie z.B. (111), sind .allgemein für ein Filmschichtwachstum bevorzugt und außerdem für Anisotropie-Bedingungen. So wachsen z.B. Granate vorzugsweise schnell in der (111)-Ebene, und die uniaxiale Anisotropie ist vorzugsweise in Richtung der Normalen dieser Ebene ausgebildet. Die Substrate selbst können mit Hilfe bekannter Verfahren, wie z.B. im Czochralski-Prozeß, hergestellt sein. Auch die Magnetfilme lassen sich mit Hilfe bekannter Verfahren herstellen, wie mit dem Flüssigphasenepitaxieverfahren, dem reaktiven Verdampfungsverfahren, der Kathodenzerstäubung und dem Aufschleuderverfahren.

Die Anwendung von Granat-Verbindungen mit nur einem einzigen Lanthaniden-Elementanteil in Kombination mit Yttrium, wie es erfindungsgemäß vorgesehen ist, führt zu Magnetfilmen mit extrem hoher Beweglichkeit. Dies beruht hauptsächlich auf dem geringen Dämpfungskoeffizienten, der sich hierfür ergibt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß sich bei Anwendung der erfindungsgemäßen Magnetfilme zylindrische Einzelwanddomänengeschwindigkeiten ergeben, die weit höher liegen als es bisher für magnetische Filme der Fall gewesen ist; und zwar gilt dies für den gesamten Bereich der Feldstärken des angelegten und auf die Domänen einwirkenden magnetischen Weiterleitungsfeldes. Es ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß dank der minimalen Anzahl der benötigten chemischen Anteile zur Erstellung des magnetischen Films die Herstellung in reproduzierbarer Weise außerdem sehr einfach gehalten werden kann, im Gegensatz zu den komplizierteren Granaten mit Lanthaniden-Mischungen, wie sie in den oben angeführten Literaturstellen beschrieben sind.

Als besonders vorteilhafte Substanzen für die erfindungsgemäßen Granate lassen sich GdY- Fe^ Ga O- und Eu Y, Fe. Ga O.»

y j ~*y 3"™" λ χ χ A y j ™™y *j """" ·*· *^* **

anwenden, wobei die oben angegebenen Anteile für χ und y einzuhalten sind.

Um am besten Dünnschichtfilme für kleine zylindrische Einzelwanddomänen herzustellen, ist jeweils ein gutes Substrat erforderlich.

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Das Substrat selbst sollte deshalb wohlkontrollierte Eigenschaften besitzen, gleichförmig sein und die geeignete Gitterkonstante aufweisen. Die Wahl eines einfachen Substrats in Form entsprechend geeigneter chemischer Bestandteile genügt diesen Erfordernissen. Magnetische Filmzusammensetzungen gemäß der Erfindung lassen sich dann mit diesen relativ einfachen Substraten anwenden.

Da Granate von kubischer Struktur sind, muß eine uniaxiale Anisotropie in diese Kristalle von außen eingeführt werden. Die in den oben angeführten Literaturstellen 1 und 3 angegebene Herstellungsweise hierzu führt zu wachstumsbedingter Anisotropie. Es hat sich aber gezeigt, daß Substanzen mit dieser Art Anisotropie für gewöhnlich hohe Dämpfungsfaktoren und infolgedessen eine geringe Einzelwanddomänenbeweglichkeit besitzen.

Demgegebenüber wird in Granat-Zusammensetzungen gemäß der Erfindung spannungsbedingte Anisotropie angewendet, so daß sich eine sehr hohe Einzelwanddomänenbeweglichkeit ergibt. Von größerer Bedeutung dabei ist allerdings, daß eine hohe Domänengeschwindigkeit bei den angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldern zu erzielen ist. Die erfindungsgemäßen Magnetfilme unterliegen sorgfältig ausgewählten mechanischen Spannungen, so daß Bruchstellen vermieden werden.

Die Sättigungsmagnetisierung M und die Anisotropie K lassen sich jeweils einstellen, indem die Zusammensetzungsbestandteile des Granat-Films variiert und die Filme einem Aufheizverfahren (bis etwa 1250 ⁰C) unterworfen werden.

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Zweistoffdiagramm für ein Europiumsystem

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bei verschiedenen Gitterkonstanten des Substrats und Magnetisierungen als Parameter,

Fig. 2 ein Zweistoffdiagramm eines Gadoliniumsystems

für verschiedene Gitterkonstanten des Substrats und Magnetisierungen als Parameter,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, bei der die Magnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur für das Europium- und das Gadoliniumsystem aufgetragen ist,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, bei der die Domänengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Weiterleitungsfeld für die verschiedenen Granat-Verbindungen aufgetragen ist.

Eisen-Lanthaniden-Granate besitzen die allgemeine Formel

RE Y-,^ Fet, Ga O₁₉, worin KE ein Lanthaniden-Element darstellt, wie z.B. Gadolinium, Europium, Terbium, Samarium, Dysprosium und Cer. Die Verbindungsanteile liegen üblicherweise in einem Bereich

0,9<x<l,2 0,l<y<0,9.

Die Granat-Schichten werden epitaxial auf einem Substrat aufwachsen gelassen, welches generell ein Lanthaniden-Granat oder ein anderes isolierendes Substrat, wie z.B. Magnesiumoxid, Saphir und Spinell sein kann. Die kristallographische Orientierung der Magnetschichten entspricht im allgemeinen der (111)-Fläche, obwohl ohne weiteres auch andere Orientierungen möglich sein können. Diese Magnetschichten besitzen fernerhin eine uniaxiale Anisotropie, die durch entsprechende mechanische Spannung herbeigeführt ist, wobei sich entweder Zug oder Druck anwenden läßt. Die magnetische Achse der leichten Magnetisierbarkeit ist in Richtung der Normalen der Magnetschicht gerichtet.

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Im Kristallgitter tritt Gallium anstelle von Eisen und besetzt so gleiche Gitterplätze wie Eisen. Gallium bevorzugt eine tetraedrische Gitterplatzbesetzung. Anstelle von Gallium läßt sich auch Aliminium im Austausch für Eisen verwenden. Jedoch wird Gallium bevorzugt, da es eine bessere Kontrolle der Gitterkonstanten zuläßt. Dieser Austausch der Eisenatome durch andere gestattet einen Abgleich der Sättigungsmagnetisierung.

Die Lanthaniden-Ionen besetzen dodecaedrische Gitterplätze im Kristall. Der Austausch gegen Lanthaniden beeinflußt die Magneto-Striktionskoeffizienten von Magnetschichten.

Wie bereits gesagt, gilt für magnetische Granat-Schichten allgemein die Formel RE Y, Fe₁. Ga O₁₀. Wenn auch für y gewöhnlich

V j—*V j—X X 1.Λ

der Bereich zwischen 0,1 und 0,9 einschließlich und für χ zwischen 0,9 und 1,2 einschließlich liegt, dann lassen sich doch für die benutzten Substanzen jeweils Vorzugsbereiche angeben; z.B. für Gadolinium ein y zwischen 0,1 und 0,5 und ein χ zwischen 0,9 und 1,2.

Bei Verwendung von Europium soll der Bereich für y vorzugsweise größer sein, d.h. zwischen 0,2 und 0,9 liegen, wohingegen χ vorzugsweise einen Wert zwischen 0,9 und 1,2 haben soll. Diese bevorzugten Bereiche fallen aber alle innerhalb der oben angegebenen Hauptbereiche und sind jeweils so gewählt, daß sich für das benutzte Lanthanid die besten magnetischen Eigenschaften ergeben. Durch Erhöhen des Anteils y an größeren Lanthaniden-Ionen derart, daß es allgemein auftritt, steigt die Gitterkonstante der Magnetschicht ebenfalls an, wohingegen die Magnetisierung M abnimmt. Eine Verstärkung des Anteils χ der kleineren Gallium-Ionen läßt die Schicht-Gitterkonstante abnehmen und wiederum auch die Magnetisierung M . Damit läßt sich durch Abgleichen der x- und y-Anteile sowohl die Gitterkonstante als auch die Magnetisierung auf die jeweils gewünschten Werte einstellen. Die oben angegebenen Hauptbereiche für χ und y passen gut bei Verwendung eines Substrates wie Gd₃Ga₅O _, wobei sich

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— Q —

Schichten mit einer Magnetisierung 4irM mit Werten zwischen 100 und 300 Gauß unter verbesserter Gitterfehlanpassung herstellen lassen. Jedoch ist für einige Substrate die Gitterkonstante a_Q so groß, daß sich hieraus die Forderung ergibt, den Anteil an Lanthaniden in der Granat-Schicht größer als y=0,9 zu wählen. Soll z.B. eine Gd Y- Fe₁. Ga O₀-Magnetschicht auf ein Sm₃Ga₅O --Substrat aufgewachsen werden, dann sollte der Anteil von Gd erhöht werden, um einen geeigneten Betrag für die Gitterfehlanpassung (0,02 bis 0,16) und einen geeigneten Wert für die Magnetisierung 4ττΜ (100 bis 300 Gauß) zu erhalten. Als brauchbarer Wert ergibt sich ein Anteil von etwa y=l,8, wie auch aus der weiter unten stehenden Tabelle zu entnehmen ist.

Typische Lanthaniden-Eisen-Granate gemäß der Erfindung sind durch die Zweistoffdiagramme in Fig. 1 und 2 dargestellt. Fig. 1 gilt für einen Europium-Eisen-Granat, wohingegen in Fig. 2 ein Gadolinium-Eisen-Granat veranschaulicht ist. Diese Diagramme lassen' den Bereich für die verschiedenen Zusätze erkennen, die für die jeweiligen Substratgitterparameter und die Magnetisierung 4ττΜ erforderlich sind.

Das Diagramm nach Fig. 1 gilt für Eu Y_ Fe^ Ga O₀, worin die beiden von links oben nach rechts unten verkaufenden Linien Substanzzusammensetzungen mit der jeweils angegebenen Gitterkonstanten a_ angeben. Die durch die Gerade a =12,384 Ä bezeichneten Substanzzusammensetzungen besitzen eine vollkommene Gitteranpassung bei einem Substrat mit dieser Gitterkonstanten. In diesem Falle besitzt ein durch Czochralski-Ziehverfahren gewonnenes Gd-Ga₅O_l2-Substrat die oben angegebene Gitterkonstante. Die mit a =12,437 £ bezeichnete Gerade bezeichnet entsprechende Zusammensetzungen von Eu Y₃ Fe₅__xGa_x0_l2. Im letzteren Falle kann das Substrat entweder aus der Schmelze gewachsen oder nach dem Czochralski-Ziehverfahren als Sm₃Ga₅0₁₂-Kristall hergestellt sein.

Die von links nach unten nach rechts oben verlaufende Kurven-

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schar hat als Parameter die Magnetisierung. Die Magnetisierungsparameter liegen zwischen O und 300. In der Praxis allerdings liegt die Magnetisierung vorzugsweise zwischen 100 und 300 Gauß einschließlich, urn die für eine zylindrische magnetische Einzelwanddomänenausbreitung optimale Magnetisierung zur Verfügung zu haben.

Die Abszisse in Fig. 1 gilt für den Galliumanteil, wobei Eisen als Ausgleich dient (Fe, Ga)₅. Auf der Ordinaten ist der Y-Anteil mit Eu als Ausgleich aufgetragen (Eu, Y).,. Um zugspannungsbedingte Anisotropie in der Magnetschicht zu erhalten, werden Magnetschichtsubstanzen oberhalb der gewünschten Gitterkonstanten (a_) ausgewählt. Soll hingegen druckspannungsbedingte Anisotropie herbeigeführt werden, dann werden Schichtzusammensetzungen mit kleinerer Gitterkonstante (a«) ausgesucht. D.h. also, die Gitterkonstante für die Magnetschicht ist geringer als dieses Substrat im Falle einer Zugspannung, wohingegen die Verhältnisse umgekehrt sind, wenn Druckspannung erzielt werden soll. Ist der vom Lanthaniden-Ion und der vom Eisen-Ion herrührende Beitrag zum Magnetostriktions-Koeffizienten positiv, dann wird eine sich flächenhaft auswirkende Zugspannung in der entsprechenden Granat-Zusammensetzung ausgenutzt. Diese flächenhafte Auswirkung bezieht sich auf die Ebene der Magnetschicht.

Da die Magnetisierungsgröße 4πΜ für den Einzelwanddomänendurch-

messer bestimmend ist, soll diese Größe unabhängig vom Vorzeichen zweckmäßigerweise zwischen 100 und 300 Gauß liegen. Das bedeutet, daß in Abhängigkeit vom gewählten Substrat der Gallium- und Yttrium-Anteil in der Granat-Zusammensetzung zwischen den Kurven 4ιτΜ = 100 Gauß und 4πΜ = 300 Gauß liegen muß. Da wei-

S S

terhin die auf Fig. 1 bezogenen Granat-Zusammensetzungen Druckspannungen unterliegen sollen, ist fernerhin bei der Anteilsbestimmung zu berücksichtigen, daß der Wert für a_Q der Magnetschicht größer sein muß als der des Substrats.

Das Zweistoffdiagramm nach Fig. 2 gilt für einen Gadolinium-

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Yttrium-Eisengranat, der sich durch die verallgemeinerte Formel Gd Y, Fe₁. Ga O „ darstellen läßt. In diesem Zweistoffdiagramm ist auf der Ordinate der Yttrium-Anteil aufgetragen, wobei vorausgesetzt ist, daß Gadolinium als Ausgleich für die (Gd, Y)_- Verbindung dient; wohingegen auf der Abzisse der Gallium-Anteil aufgetragen ist, wobei als Ausgleich für die (Fe, Ga)^-Verbindung Fe als Ausgleich dient. Auch hier wiederum sind die schräg von links oben nach rechts unten verlaufenden Geraden jeweils für eine bestimmte Substrat-Gitterkonstante a_Q aufgetragen. Die von links unten nach rechts oben verlaufenden Kurven entsprechen dann jeweils einem bestimmten Wert von 4ttM in Gauß. Ein Substrat

nach Fig. 2 mit der Gitterkonstanten a =12,376 Ä ist üblicherweise ein aus der Schmelze gewachsener Gd₃Ga₅O „-Kristall.

Für Gadolinium-Yttrium-Eisengranate ist der resultierende Magnetostriktionskoeffizient negativ, so daß in diesem Falle eine sich flächenhaft auswirkende Zugspannung zur Bereitstellung der uniaxialen Anisotropie ausgenutzt wird. Wie oben wird auch hier der Wert von 4πΜ so gewählt, daß er zwischen 100 und 300 Gauß liegt, um ein geeignetes Material für die Erzeugung und Aufrechterhaltung von Einzelwanddomänen zu erhalten. Brauchbare Gadolinium-Yttrium-Eisengranat-Filme werden mit einer Gitterkonstanten a_Q gewählt, die kleiner ist als die des Substrates und wie gesagt einem Wert für 4πΜ zwischen 100 und 300 Gauß entsprechen. Die Anisotropie dieser Magnetschichten entsteht durch Gitterfehlanpassung zwischen Magnetschicht und Substrat./So sind Fehlanpassungen mit 1 Teil auf 500 beobachtet worden. Im allgemeinen wird die Fehlanpassung mit etwa 1 Teil auf 1200 gewählt.

Im Diagramm nach Fig. 3 ist die Magnetisierung in Abhängigkeit von der Temperatur für die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Beispiele aufgetragen. Die verwendeten Granat-Zusammensetzungen weisen Curie-Temperaturen auf, die weit oberhalb der Raumtemperatur liegen. Der Temperaturkoeffizient der Magnetisierung ist in beiden Fällen, wie aus den Diagrammen ersichtlich, oberhalb

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der Raumtemperatur negativ. Dies hat zur Folge, daß der Einzelwanddomänendurchmesser in diesem Bereich konstant bleibt. Nach F. C. Rossol in "Temperature Dependence of Rare-Earth Orthoferrite Properties Relevant to Propagating Domain Device Applications", IEEE Transactions on Magnetics, Bd. Mag-5, No. 3, September 1969, Seite 562 rechte Spalte, hängt nämlich der Domänendurchmesser in seiner Temperaturabhängigkeit von der Magnetisierung und von dem Anisotropie-Energiedichte-Koeffizienten ab, der im allgemeinen ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, so daß, da beide durch einen Bruchstrich voneinander getrennt sind, bei Verwendung der oben bezeichneten erfindungsgemäßen Granate ein Ausgleich eintritt.

Die Kristallorientierung der Magnetschicht ist im allgemeinen (111), obgleich auch andere Orientierungen möglich sind. Gewisse Orientierungen, z.B. (111), sind aufgrund des Schichtwachstums und der Anisotropiebedingungen bevorzugt. So wachsen z.B. Granat-Schichten und Granat-Substrate vorzugsweise schnell in der (Hl)-Ebene. Auch die uniaxiale Anisotropie bevorzugt gewisse Orientierungen vor anderen, wobei die Achse der leichten Magnetisierbarkeit der Magnetschicht vorzugsweise normal zur (111)-Ebene gerichtet ist.

Bei mit Samarium und Europium dotierten Y-Fe-Ga-O-Granat-Schichten könnten so die (100)-Orientierungen ebenfalls zweckmäßig sein. Im allgemeinen hängt die Orientierung von den gewählten Substraten und der bevorzugten Wachstumsrichtung der Granat-Schichten im Substrat ab. Die Auswahl einer geeigneten Orientierung kann daher dem Fachmann überlassen bleiben.

Die erfindungsgemäßen Granat-Verbindungen lassen sich mit Hilfe üblicher Verfahren als Epitaxialschichten auf den vorgesehenen Substraten aufwachsen. So sind z.B. das Epitaxieverfahren aus der flüssigen Phase, reaktive Aufdampfungsverfahren, Kathodenzerstäubung und Aufschleudern geeignete Methoden.

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Verbindungen dieser Art sind insbesondere im Flüssig-Phasenepi- ■ taxieverfahren auf Galliumgranatsubstraten unter Verwendung von PbO-B₂O₃-Schmelzfluß und Anwendung der Kipp- oder der einfacheren Eintauchmethode aufgetragen. Die Schichten wachsen bei einem. PbO-B₂O₃-Schmelzfluß in einem Temperaturbereich von 800 ⁰C bis 850 ⁰C auf. Filme dieser Art werden auf (111)-orientierten Gd_Ga,-O_l2-Substraten aufgewachsen, um die Anzahl der in Betracht kommenden Variablen möglichst zu begrenzen. Wie weiter unten noch ausgeführt, lassen sich beliebige Arten von Substraten anwenden.

Werden reaktive Aufdampfverfahren angewendet, dann stellen Halide geeignete Transportmedien dar.

Aufschleudern und Aktivieren von Alkoholnitratlösungen stellt eine andere Methode für die Bereitstellung dieser Granat-Schichten dar.

Durch Kathodenzerstäubung sind Seltene-Erden-Eisen-Einkristallgranatfilme auf Granat-Substraten mit einer [111]-Orientierung niedergeschlagen worden.

Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, gute Substrate zu verwenden, deren Eigenschaften unter Kontrolle stehen, die leicht geformt und gleichförmig sind und die in bezug auf die zu verwendende Granat-2usammensetzung geeignete Gitterkonstanten besitzen. Fernerhin ist es zweckmäßig als Substrate solche Materialien zu verwenden, die kongruent schmelzen. Hierunter wird verstanden, daß Komponenten gleicher Phase zu gleichen Anteilen !©we-hl im schmelzflüssigen als auch im erstarrten Zustand vorhanden sind. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich die GitterkQnatante im Substrat nicht ändert, so daß sichergestellt ist, daß die dem magnetischen Granat-Film eingeprägten mechanischen Spannungen in der Schicht gleichmäßig verteilt sind.

Rein© Verbindungen ergeben geeignete Substrate. Beispiele hierfür sind Gallium-Granat-Verbindungen, die sich durch die allge-

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meine Formel RE₃Ga₅O₁₂ darstellen lassen, worin RE ein Lanthanid bedeutet, wie z.B. Gd, Dy, Sm, Nd usw. oder Yttrium.

Es lassen sich auch andere Substratverbindungen als Granate verwenden. Es ist lediglich erforderlich, daß die Substrate gute gleichförmige Eigenschaften und.zweckentsprechende Gitterkonstanten in bezug auf die aufzutragenden Granat-Film besitzen. Spezielle Beispiele hierfür sind MgO und Spinelle.

Die Substrate lassen sich mit Hilfe bekannter Verfahren herstellen, wie z.B. durch Züchtung aus der Schmelze oder durch Czochralski-Prozesse. In einigen Fällen kann die Gitterkonstante a_Q des Substrates geringfügig verschieden sein, je nachdem, ob eine Züchtung aus der Schmelze stattgefunden oder ein Czochralski-Prozeß angewendet worden ist. Ein Ordnung-Unordnungsphänomen mag verantwortlich für diesen Unterschied in der Gitterkonstanten sein, da Gitterkonstantenänderungen nach Hochtemperaturglühbehandlungen beobachtet worden sind.

Speziell sind Lanthaniden-Gallium-Granat-Substrate unter Anwendung von Czochralski-Prozessen in induktiv beheizten Iridium-Tiegeln hergestellt worden. Die Substratkristall-Wachstumsbedingungen entsprechen im wesentlichen denen, wie sie durch R. C. Linares in Solid State Comm. Nr. 2 (1964), Seite 229 beschrieben sind, ausgenommen, daß als Behandlungsatmosphäre 1 % Sauerstoff und 99 % Stickstoff verwendet ist. Die orientierten Rohstücke sind anschließend mit der Diamantsäge in 1 mm dicke Scheiben zerlegt worden. Zum erfolgreichen Aufwachsen von Schichten werden Substratscheiben äußerst guter Oberflächenqualität benötigt. Aus diesem Grunde muß nach dem Zersägen ein aufeinanderfolgendes Läppen mit Diamantgrieß einer 30-, 9- und 3-pm-Körnung erfolgen. Ein chemomechanischer Polierverfahrensschritt unter Anwendung einer kolloidalen Silikatmischung in alkalischem Medium dient anschließend zum Entfernen der letzten Reste der durch das Sägen erfolgten Oberflächenbeschädigungen. Die dieser Art polierten Substrate werden dann bei Luft für 4 Stunden auf

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1250 °C aufgeheizt.

Die Substrate lassen sich auch durch normale Schmelzzüchtungsverfahren erstellen. So werden z.B. die Kristallsubstanzen bei hoher Temperatur aufgelöst, um sie anschließend langsam abzukühlen, so daß sich eine gesättigte Schmelze ergibt. Die Kristalle werden dann in geschlossenen. Platintiegeln gezüchtet.

Es sollen nun einige spezielle Granat-Verbindungen mit der allgemeinen Formel RE Y-, Fe,._ Ga O₀ beschrieben werden, wobei

y j™y dx χ i/

wiederum RE ein Lanthanid darstellt und 0,9<x<_l,2 und 0,l<y<0,9 gilt. Diese Substanzen stellen Einkristall-Granat-Filme auf den oben erwähnten Substraten dar.

Bevor auf die Besonderheiten dieser Zusammensetzungen eingegangen wird, sei auf eine der hervorstechendsten Eigenschaften dieser Zusammensetzungen, wie es sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ergibt, hingewiesen. Wie ersichtlich, ist hier die Domänenwandgeschwindigkeit als Funktion des angelegten magnetischen Weiterleitungsfeldes H^ aufgetragen, das zur Verschiebung der Domänen dient, wobei in an sich bekannter Weise weichmagnetische Streifenmuster als Weiterleitungsmittel auf der magnetischen Schicht aufgebracht sind. Hierzu dienen z.B. T-förmige Permalloystreifen, die mit dem sich in der Ebene der magnetischen Schicht drehenden Weiterleitungsfeld H, zusammenwirken.

Die Beweglichkeit ρ des Magnetschichtmaterials entspricht dem Verhältnis aus Domänenwandgeschwindigkeit zur Feldstärke des Weiterleitugsfeldes H.. In diesem Falle sind drei Kurven aufgetragen: Eine Kurve entspricht dabei den hier bevorzugten Granat-Zusammensetzungen, wohingegen die anderen Kurven für Magnetschichten gelten, wie sie bisher in bekannter Weise Verwendung gefunden haben. Die mit ^RE _y ^Y3_y^Fe5__x ^Ga _x°i2 bezeichnete Kurve gilt für bevorzugte Granat-Zusammensetzungen der Erfindung. Die mit Y-(Fe, Ga)rO., bezeichnete Kurve gilt ebenso wie die mit (RE₇-RE_n) (Fe, Ga)₁-O₁ ο bezeichnete Kurve für Granat-Zusammen-

^{Yo 971 O35} 309807/1 166 ''

Setzungen bekannter Art.

Wie sich aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ergibt, besitzen die hier beschriebenen Granat-Zusammensetzungen nicht nur eine höhere Beweglichkeit p, sondern auch höhere Domänenwandgeschwindigkeiten über ausgedehnte Bereiche der Feldstärke des Weiterleitungsfeldes H, gegenüber denen bekannter Art. Dies ist aber von ganz besonderer Bedeutung bei Herstellung arbeitsfähiger Anordnungen, da die Domänenwandgeschwindigkeit als Funktion des angelegten Weiterleitungsfeldes wichtiger ist als die Beweglichkeit an sich. So sind tatsächlich Domänenwandgeschwindigkeiten mit Werten größer als 4000 cm/Sekunde in einem Gd Y__ Fe₁- Ga O₁₉-FiIm gemessen worden. Diese hohen Domänengeschwindigkeiten sind wesentlich notwendig, wenn Datengeschwindigkeiten von wenigstens 10 Bits/Sekunde verlangt werden.

Die unten stehende Tabelle bringt Granat-Zusammensetzungsbeispiele gemäß der Erfindung mit den zugehörigen Daten. Bei allen Beispielen sind Epitaxieverfahren unter Züchtung aus der flüssigen Phase bei Anwendung eines PbO-B^O.-Flusses ausgeführt worden. Die Substrate bestehen aus in Czochralski-Prozessen gezüchteten Gd^Ga₁-O₁ „-Kristallen mit einer (ill)-Orientierung, wenn nicht anders vermerkt. Der Domänendurchmesser ist in Mikrometer angegeben. Die Angabe für die Sättigung 4irM erfolgt in Gauß. Die Größe (H,-4ttM ) wird in Oersted gemessen. H_a stellt das Anisotropiefeld dar und entspricht derjenigen Feldstärke, die benötigt wird, um die magnetischen Schichten von der Achse der leichten Magnetisierbarkeit in die der schweren Magnetisierbarkeit zu schalten. Ist die Größe (H.-4<irM ) negativ, dann existiert keine

/V S

uniaxiale Anisotropie. Steht hinter der Zahl in dieser Spalte ein "(A)", dann heißt das, daß in diesem Falle ein Glühvorgang bei 1220 °C in Luft für 3 Stunden stattgefunden hat, um die erforderliche Anisotropie herbeizuführen. Die Größe H, gibt das Vormagnetisierungsfeld an, das auf die Magnetschichten einwirkt und ist ebenfalls in Oersted gemessen. Die Filmdicke ist in Mikrometer angegeben. Zur Substratorientierung dienen die

^{Yo 973} °³⁵ 309807/1166

-Γ

Miller-Indizes (hkl). Die Größe Aa_Q ist in Angström angegeben. Die Größe Aa_Q dient als Angabe für den Unterschied in den Gitterkonstanten des Substrats und des Films nach Auftragen der Schicht und nach Aufheizen, d.h. Gitterkonstante des Substrates minus der Gitterkonstanten des Films ergibt den Wert für Aa_Q.· Infolgedessen gilt für positives Aa daß der Film unter Zugbeanspruch steht.

Es sind neuartige Granat-Zusammensetzungen beschrieben worden, die jeweils nur ein Element der Lanthaniden-Gruppe besitzen und uniaxiale Anisotropie aufweisen, die durch mechanische Spannungsbeanspruchung eingeprägt ist. Diese Magnetschichten lassen Domä-

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nenbitdichten von mindestens 1Ö Bits/cm und Datengeschwindigkeiten von mindestens 10 Bits/sec zu.- Die erfindungsgemäßen Magnetschichten zeichnen sich durch eine wesentlich höhere Domänenwandgeschwindigkeit aus, als es bei bisherigen Granat-Zusammensetzungen der Fall ist. Weiterhin lassen sich diese Granat-Zusammensetzungen auf einfache Weise gemäß bekannter Verfahren epitaxial auf Substraten, bestehend aus reinen Verbindungen, . aufwachsen, so daß eine Verwendung von Substraten, bestehend aus komplexen gemischten Verbindungen, speziell nicht erforderlich ist.

Obgleich Granat-Zusammensetzungen für Domänen-Speichervorrichtungen bereits bekannt sind, hat sich doch gezeigt, daß die durch die Erfindung bereitgestellten Granat-Zusammensetzungen ganz besondere Vorteile bei der magnetischen Domänen-Anwendung bieten und dabei Eigenschaften entwickeln, die mit Filmschichten bekannter Art nicht zu erzielen sind. Dabei ist.es äußerst bemerkenswert, daß die mit diesen Granat-Zusammensetzungen erzielbaren Eigenschaften lediglich eine minimale Auswahl von Komponenten aus einer großen Anzahl zur Verfügung stehender Substanzen bedingen.

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σ
co
co
ο

Nenn-Zusammensetzung

^GdO_/2 ^Y2,5^Fe4,O^Gal,O°12 ^GdO_f5^Y2,5^Fe4,O5^GaO,95^Ol2

^Gdl_/8^Yl,2^Fe4,O5^GaO,95°l2

^EuO,45^Y2,55^Fe4^Gal^O12 ^EuO,6^Y2,5^Fe4^Gal°12 ^Eu0,6^Y2,4^Fe3,95^Gal,O5°12

^EuO,6^Y _2/4^Fe3,85^Gal,l5°12

^EuO,7^Y2,3^Fe3,8^Gai,2°12 ^EuO,9^Y _2/l^Fe4,O5^GaO,95°l2 ^TbO,6^Y _2/4^Fe3,95^Gal,O5°12 Negatives Aa_n (a

^{u u}Substr.

GGG = Gd₃Ga₅0_l2-Substrat SGG = Sm₃Ga₅O,₂-Substrat

Tabelle

GRANAT-SCHICHT-DATEN

Domänendurch messer

(pm) 4 ttM_s
(G)

Η_Α-4πΜ₅ (Oe)

(Oe)

Filmdicke

(pm)

Orient, (hkl)

2 2 3 3 2

5 3 4 215

150
380
560
490
510

280

125
300
200

-26

-360

+150(A)

+540(A)

+210 +1100 +1020 +1230

+270(A) +2200

+320(A) +200O +1280

+800

125

120 250 355 310 340

130

45

80

100

•χ,

6 8 6

GGG GGG

SGG GGG GGG GGG GGG

GGG

GGG GGG GGG

+0,008 0,0

+0,008 -0,003 -0,003

-0,015 +0,003 -0,015 +0,002 -0,014 -0,021

-a

) ergibt sich, wenn ein Film einer Druckbeanspruchung ausgesetzt

Film war.

(A) Aufheizung bei 1220 °_c für 3 Stunden in Luft.

Claims

- 19 PATENTANSPRÜCHE

1. Magnetische Granat-Einkristallschicht mit Lanthaniden-Anteilen sowie mit uniaxialer Anisotropie zur Aufrechterhaltung und Weiterleitung hierin erzeugter magnetischer zylindrischer Einzelwanddomänen, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf einem Substrat ein Eisen-Granat-Film mit durch mechanische Beanspruchung bedingter uniaxialer Anisotropie befindet, welcher neben einem einzigen Lanthaniden-Elementanteil Yttrium enthält, so daß sich eine Gitter-Fehlanpassung zwischen Substrat und Film im Bereich vom 0/02 bis 0,16 ergibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Lanthaniöen-Granat besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Spinell, Saphir oder aus Magnesiumoxid besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die chemische Zusammensetzung des Eisengranats allgemein aus der Formel:

BV3-y^Pe5-x^Gax°12

ergibt, worin RE für den Lanthaniden-Anteil steht und

0,9<x£l,2; O,1<Y<O,9.

5. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Granat-Film eine Magnetisierung 4irM (cgs-Systera) zwischen 100 und 300 Gauß besitzt.

6. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Granat-Film aus einer Epitaxieschicht mit einer Dicke von etwa 1 bis 10 um besteht.

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