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Magnetische Tunnelkontakte ermöglichen absolute, zeitaufgelöste Temperaturmessung von Nanoschaltkreisen.

06.09.2017

Mittels magnetischer Tunnelkontakte ist es möglich, quantitative Temperaturmessungen mit einer Zeitauflösung im Subnanosekunden-Bereich durchzuführen. Dabei wird der Tunnelkontakt aufgrund seines temperaturabhängigen Tunnelwiderstands als kalibriertes Thermometer verwendet. Das Prinzip wurde in der PTB für die zeitaufgelöste Messung von laserinduzierten Temperaturerhöhungen demonstriert und kann in vielen Nanoschaltkreisen angewendet werden.

 

 

Die rasante Technologieentwicklung der letzten Jahrzehnte hat viele Bauelemente mit Nanoschaltkreisen hervorgebracht. Durch die geringer werdenden Abmessungen und die damit verbundenen hohen Stromstärken wird die Temperaturentwicklung in diesen Bauelementen jedoch immer wichtiger. Ungenügende Wärmeabfuhr kann die Nanoschaltkreise nicht nur verändern, sondern auch zerstören.


In der PTB ist es jetzt gelungen ein Verfahren zu entwickeln, welches eine absolute Temperaturmessung in Nanostrukturen mit einer Zeitauflösung im Subnanosekunden-Bereich ermöglicht. Bei diesem Messverfahren wird ein magnetischer Tunnelkontakt in die Nanostrukturen integriert. Der Tunnelkontakt besteht aus zwei magnetischen Schichten, die durch eine dünne Oxidschicht voneinander getrennt sind. Der Tunnelwiderstand ist stark davon abhängig, ob sie parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind; eine Änderung der Ausrichtung kann den Widerstand um mehr als 100% verändern. Da die Widerstandsänderung temperaturabhängig ist und mit steigender Temperatur abnimmt, kann durch elektrisches Auslesen des Tunnelwiderstandes der Tunnelkontakt als schnelles Thermometer verwendet werden.


Zur Demonstration dieses Prinzips haben die Wissenschaftler an der PTB einen 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 absolute Temperatur umgerechnet werden. Ein Pulszug aus einem Femtosekundenlaser mit einer Pulsenergie von 5 nJ und einer Repetitionsrate von 76 MHz führt in einer Schicht, die mehrere 100 nm unterhalb der Probenoberfläche liegt, zu einer durchschnittlichen Temperaturerhöhung von 80 K. Durch Auslesen des Tunnelwiderstands mit einem Oszilloskop war es zudem möglich, den absoluten Temperaturverlauf zeitaufgelöst zu bestimmen. Zu der durchschnittlichen Temperaturerhöhung von 80 K kommt eine zeitlich abhängige Temperaturerhöhung von 2 K, die 4 ns nachdem der Laserpuls die Oberfläche der Probe erreicht hat, ihr Maximum aufweist.


Solche absoluten, zeitaufgelösten Temperaturmessungen in Nanostrukturen, die mehrere 100 nm unterhalb der Oberfläche eines Bauelementes liegen, könnten in Zukunft für die Validierung von Wärmetransportsimulationen verwendet werden und sich damit als enorm wichtig für das Temperaturmanagement von Nanobauelementen zeigen.

 

 

Prinzip absoluter, zeitauflösender Temperaturmessung

Bild: 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.

 

 

 

Wissenschaftliche Veröffentlichung:
H. F. Yang, X. K. Hu, N. Liebing, T. Böhnert, J. D. Costa, M. Tarequzzaman, R. Ferreira, S. Sievers, M. Bieler, and H. W. Schumacher, "Electrical measurement of absolute temperature and temperature transients in a buried nanostructure under ultrafast optical heating," Appl. Phys. Lett. 110, 232403 (2017).