Thermometer für Nanoschaltkreise

Die rasante Technologieentwicklung der letzten Jahrzehnte hat viele Bauelemente mit Nanoschaltkreisen hervorgebracht. Durch die immer kleineren Abmessungen und die damit verbundenen hohen Stromstärken wird es zunehmend wichtiger, die Temperaturentwicklung in diesen Bauelementen zu überwachen. Ungenügende Wärmeabfuhr kann die Nanoschaltkreise verändern oder gar zerstören.

In der PTB wurde ein Verfahren entwickelt, das eine absolute Temperaturmessung in Nanostrukturen mit einer Zeitauflösung im Subnanosekunden-Bereich ermöglicht. 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 % 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 in der PTB 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 5 nJ und einer Repetitionsrate von 76 MHz führt in einer Schicht, die mehrere 100 nm unterhalb der Probenoberfläche liegt, zu einer mittleren Temperaturerhöhung von 80 K. 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 4 ns nach Auftreffen des Laserpulses auf der Probenoberfläche erreicht diese schnelle zeitliche Temperaturerhöhung am Ort des Tunnelkontakts ihr Maximum in Höhe von 2 K.