Thermometer für Nanoschaltkreise
Magnetische Tunnelkontakte ermöglichen absolute, zeitaufgelöste Temperaturmessung.
Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig haben eine Methode entwickelt, die für das Temperaturmanagement von Nanoschaltkreisen genutzt werden kann. Die Methode basiert auf magnetischen Tunnelkontakten und ermöglicht quantitative Temperaturmessungen mit einer Zeitauflösung unterhalb einer Nanosekunde. Dabei wird der Tunnelkontakt, unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit des Tunnelwiderstands, als kalibriertes Thermometer verwendet. Das Prinzip wurde für die zeitaufgelöste Messung von laserinduzierten Temperaturerhöhungen demonstriert und kann in vielen Nanoschaltkreisen angewendet werden.
Abb.: Prinzip der absoluten, zeitaufgelösten Temperaturmessung. Die optisch induzierte Temperaturerhöhung wird mittels eines magnetischen Tunnelkontakts, der sich innerhalb einer Nanostruktur befindet, mit einer Subnanosekunden-Zeitauflösung ausgelesen. (Bild: PTB)
Durch die immer kleineren Abmessungen und die damit verbundenen hohen Stromstärken in Nanoschaltkreisen wird es zunehmend wichtiger, die Temperaturentwicklung in diesen Bauelementen zu überwachen. Ungenügende Wärmeabfuhr kann die Nanoschaltkreise verändern oder gar zerstören. Das neue Verfahren bietet eine Zeitauflösung im Subnanosekunden-Bereich. Dabei wird in die Nanostrukturen ein magnetischer Tunnelkontakt integriert. Er besteht aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind. Der Tunnelwiderstand ist stark davon abhängig, ob die Magnetisierungen dieser Schichten parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind; eine Änderung der Ausrichtung kann den Widerstand um mehr als 100 Prozent verändern. Diese Widerstandsänderung ist aufgrund komplexer physikalischer Effekte temperaturabhängig und nimmt mit steigender Temperatur ab. Daher kann durch elektrisches Auslesen des Tunnelwiderstandes der Tunnelkontakt als schnelles Thermometer verwendet werden.
Zur Demonstration dieses Prinzips wurde ein Tunnelkontakt in eine Abfolge von Nanoschichten integriert und zuerst die temperaturinduzierte Änderung des Tunnelwiderstandes kalibriert. Dazu wurde mit einem elektrischen Heizer eine bekannte Temperatur eingestellt. Mit dieser Kalibrierung konnte die durchschnittliche Änderung des Tunnelwiderstandes, die durch Aufheizen der Nanoschichten mit einem kurzen Laserimpuls entstand, in eine Temperatur umgerechnet werden. Ein Pulszug aus einem Femtosekundenlaser mit einer Pulsenergie von fünf Nanojoule und einer Repetitionsrate von 76 MHz führt in einer Schicht, die mehrere hundert Nanometer unterhalb der Probenoberfläche liegt, zu einer mittleren Temperaturerhöhung von 80 Kelvin. Durch sehr schnelles Auslesen des Tunnelwiderstands war es zudem möglich, den absoluten Temperaturverlauf zeitaufgelöst zu bestimmen. Dies ergab, dass jeder Laserpuls zusätzlich zu der mittleren Temperaturerhöhung einen Temperaturpeak verursacht. Etwa vier Nanosekunden nach Auftreffen des Laserpulses auf der Probenoberfläche erreicht diese schnelle zeitliche Temperaturerhöhung am Ort des Tunnelkontakts ihr Maximum in Höhe von zwei Kelvin.
PTB / JOL
