Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Skalierbarkeit von Spinlogikgattern. Zentraler Baustein dieser rekonfigurierbaren, magnetischen Logikschaltungen sind ultrakleine, magnetoresistive Tunnelstrukturen (TMR-Strukturen) mit einer lateralen Ausdehnung im tiefen Submikrometerbereich.

Ihr Einsatz in künftigen, logischen Bauteilen erscheint aufgrund der Nichtflüchtigkeit gespeicherter Information, der hohen Integrationsdichte, der Kompatibilität zum magnetischen Arbeitsspeicher (MRAM) und der schnellen Programmierbarkeit vielversprechend. Der im Zuge der Arbeit etablierte Herstellungsprozess fußt auf den Methoden der Elektronenstrahllithografie und umfasst bis zu acht Masken.

Zu den Bedingungen, die an die Funktion der Gatter geknüpft sind, gehört eine geringe Streuung in den elektronischen und magnetischen Eigenschaften der eingesetzten Tunnelelemente. Aus der Vielzahl physikalischer Phänomene, die diese Eigenschaften maßgeblich beeinflussen können, erwächst die Aufgabe, die resultierende Streuung in der TMR-Effektamplitude, dem Tunnelwiderstand und dem magnetischen Schaltverhalten experimentell zu bemessen. Dies wird mit Zellpaarigkeitsuntersuchungen auf der Basis von Magnetotransportmessungen bewerkstelligt. Die untersuchten Tunnelschichtsysteme bestehen dabei neben elektrischen Zuleitungen aus der Schichtfolge MnIr 10.8/ CoFe 2.3/ Al 1...1.4 plasmaoxidiert/ NiFe 5 (Schichtdicken in nm) bzw. PtMn 25/ CoFe 3/ Ru 0.9/ CoFe 2.8/ Al 1.2 plasmaoxidiert/ CoFeB 4. Typischerweise zeigen die elliptischen Tunnelelemente mit einer lateralen Ausdehnung A < 0.03 µm hoch 2 eine relative Standardabweichung im Tunnelwiderstand von weniger als sechs Prozent und in der Effektamplitude von etwa 2 Prozent.

Neben der Darstellung logischer Funktionen erlaubt das Design der Gatter auch die Charakterisierung einzelner TMR-Strukturen. Durch die Ummagnetisierung ihrer programmierbaren Elektroden mittels stromführender Leiterbahnen glückt so die Aufnahme magnetischer Schaltasteroiden. Diskrepanzen zwischen den Asteroiden der Submikrometerstrukturen (A = 0.02 µm hoch 2) und der Asteroide eines theoretischen Stoner-Wohlfarth-Teilchens wie der Versatz der Asteroidenzentren können durch mikromagnetische Simulationen auf die magnetische Wechselwirkung zwischen den Elektroden zurückgeführt werden. Ferner wird experimentell demonstriert, dass der Einsatz eines gepinnten, künstlichen Antiferromagneten PtMn/CoFe/Ru/CoFe in der Referenzelektrode diese magnetische Kopplung für den Anwendungszweck in hinreichender Weise vermindert.

Diverse Layouts der Logikgatter mit einem Platzbedarf zwischen etwa 100×100 µm hoch 2 und weniger als 10×10 µm hoch 2 sind realisiert worden. Hierbei sind die elliptischen TMR-Strukturen mit 210 nm und 90 nm langen Hauptachsen die bislang kleinsten Tunnelelemente, die je in Logikgattern zum Einsatz gekommen sind. Der Betrieb einzelner Spinlogikgatter wird schlussendlich mit der Darstellung wechselnder logischer Funktionen demonstriert. Die Ansteuerung mit einer Taktfrequenz von 1 MHz wird hierbei von einem ASIC übernommen, der im Rahmen einer Kooperation bei der Siemens AG Corporate Technology in Erlangen entwickelt worden ist.