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Submitted on 1 Jan 1969
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Effet hall plan dans les couches minces ferromagnétiques déposées sous vide
B. Carpuat, M. Galinier, R. Morille
To cite this version:
B. Carpuat, M. Galinier, R. Morille. Effet hall plan dans les couches minces ferromagnétiques déposées sous vide. Revue de Physique Appliquée, Société française de physique / EDP, 1969, 4 (4), pp.533-537.
�10.1051/rphysap:0196900404053300�. �jpa-00243325�
EFFET HALL PLAN DANS LES COUCHES MINCES FERROMAGNÉTIQUES
DÉPOSÉES SOUS VIDE
Par B. CARPUAT, M. GALINIER et R. MORILLE,
Centre d’Informatique, Faculté des Sciences de Toulouse.
(Reçu le 8 juillet 1969, révisé le 11 septembre 1969.)
Résumé. - Nous avons effectué une étude expérimentale en fonction des conditions
d’évaporation, de l’épaisseur du film, de la composition et de la forme des électrodes.
Les films anisotropes de Ni-Fe ou contenant différents pourcentages de Pd, V, Co, Mo présentent un effet Hall plan maximum pour la composition Ni-Fe 86/14. L’optimisation des paramètres géométriques des électrodes et de l’élément magnétique permet d’obtenir une
tension de sortie maximum ou un courant de sortie en court-circuit maximum.
Abstract. - An experimental study of ferromagnetic thin film conditions of evaporation,
film thickness, composition and shape of the electrodes has been undertaken.
Anisotropic Ni-Fe films with various additions of Pd, V, Co, Mo, showed a maximum planar
Hall effect for the composition Ni-Fe 86/14. The optimization of the geometrical parameters
of the electrodes and the magnetic film elements is described, allowing one to design for maximum
output voltage or maximum output current in a short circuited loop.
Introduction. - Dans un milieu isotrope conduc-
teur et dans des conditions isothermes (grad T = 0),
la magnétorésistance et l’effet Hall peuvent être décrits
phénoménologiquement par une équation faisant inter-
venir l’induction magnétique B, la densité de cou-
rant J, le champ électrique E [1] :
E = P1J + n(J.n) (p~2013pjj + p~n x J (1)
n : vecteur unitaire dirigé selon la direction de B,
P1 : résistivité dans un champ magnétique transverse, pjj : résistivité dans un champ magnétique longi-
tudinal,
PH : résistivité de Hall.
La composante du champ électrique perpendi-
culaire au courant :
cp étant l’angle entre J et B, B étant dans le plan xoy,
est représentative de l’effet Hall plan [2].
Dans les couches minces ferromagnétiques utilisées,
la tension résultante est mesurée aux bornes d’élec- trodes orthogonales aux électrodes de courant selon la figure 1. On peut alors observer la variation en
sin 2y prévue par l’équation (2) sur la figure 2 [3], [4].
L’étude de cet effet dans les couches minces ferro-
magnétiques a été motivée par l’observation d’un
signal de sortie plus important que celui provoqué
FIG. 1. - Schéma d’un élément à effet Hall plan.
FIG. 2. - Variation de la tension de Hall plan en fonc-
tion de l’angle formé par le courant et le vecteur aimantation.
!) t
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/rphysap:0196900404053300
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par commutation de flux dans les mêmes conditions.
De nouvelles possibilités peuvent être envisagées dans
les circuits digitaux. Peu de travaux ayant été réalisés,
nous avons cherché à optimiser l’effet selon les para- mètres géométriques et la composition [5].
Influence des facteurs géométriques. - Les dimen- sions de la pastille magnétique élémentaire et de ses
électrodes sont représentées sur la figure 1. Les élec- trodes de courant sont toujours égales à la dimension b de la pastille pour avoir une distribution plus uniforme
de courant dans la couche ferromagnétique.
Les mesures de la tension de Hall plan en fonction
de l’épaisseur du film pour un élément carré sont
reportées sur la figure 3. Cette couche fait apparaître
FIG. 3. - Courbes illustrant les variations de la tension
en fonction de 1/D pour deux courants d’excitation.
la proportionnalité de la tension ~Ep à la densité de courant J. AEp est l’amplitude de la tension de Hall
plan prise crête à crête pour une rotation de 1800 de l’aimantation comme indiqué figure 2.
Dans des éléments carrés, avec dlc = 0,95, à den-
sité de courant constante, la variation de tension ~Ep
est proportionnelle au côté b de la pastille ( fig. 4).
Nous pouvons écrire AEP = Cp./.~, Cp étant le
coefficient d’effet Hall plan; J, densité de courant;
J = Ilb D. Nous pouvons aussi écrire DEp = ~Rp X I
où ô.Rp = Cp/JD est homogène à une résistance et
peut être comparé au ~R de magnétorésistance.
Une série d’éléments identiques a été réalisée sur
une couche de nickel-fer, où seule variait la largeur
des électrodes de sortie. Pour les différentes largeurs,
nous avons mesuré AEP et le courant ~Ip dans une
résistance de 0,27 ~2. Les résultats sont reportés sur
la figure 5.
L’élément à effet Hall peut être optimisé pour une tension de sortie maximale, auquel cas dlc -- 0,1,
ou pour un courant de sortie maximal dans une faible
impédance de charge, auquel cas die = 0,95.
FiG. 4. - Variation de AEp
en fonction de b pour un élément carré.
W G. 5. - Variations de la tension de sortie en circuit ouvert, du courant de sortie sur une charge de 0,27 n et de la résistance transverse en fonction de la largeur
des électrodes pour un élément carré.
Les électrodes sont formées par des couches succes-
sives de chrome (200 À), de cuivre (3 000 Á) et d’or
(400 Á) photogravées sélectivement après avoir été dé- posées par évaporation sous vide sur le film anisotrope
de nickel-fer. La figure 6 représente les variations de ~Ep
en fonction de la rectangularité (cJb). A J. b = Cte
et dlc = 0,95, llEp présente un maximum correspon- dant à la forme carrée. A J. b = Cte et die = 0,1,
.~Ep croît avec la rectangularité clb. Pour elb = 2,
Fie. 6. - Variation de la tension AEp en fonction de la rectangularité c/b pour dlc = 0,1 et d/c = 0,95.
le signal de sortie est 1,5 fois supérieur à celui obtenu pour cjh = 1. Par contre, la tension d’alimentation,
et par suite la puissance dissipée, augmente avec la rectangularité, la résistance longitudinale augmentant.
Influence des conditions d’évaporation et de la composition. - Les films sont évaporés sur un substrat
de verre (Corning 7059) ayant une rugosité de l’ordre
de 7 y chauffé en présence d’un champ orienteur
de 60 0152.
La pression dans l’enceinte est maintenue à 5 X 10 - s torr pendant l’évaporation. Pour les mesures,
un courant de 500 mA est utilisé. La figure 7 montre
FIG. 7. - Variation de la dispersion Ct90’ t1Ep et de ~Ip
avec la température du substrat pendant l’évaporation.
un accroissement de 30 % de ~Ep pour une variation
de 20 OC à 370 OC de la température des différents
substrats pendant l’évaporation. Afin de conserver un
angle de dispersion Cl90 faible, les évaporations sont
ensuite réalisées entre 300 et 350 OC.
Les variations dans la composition nickel-fer et les
mesures du champ coercitif ~3 du champ d’aniso- tropie HK et de la dispersion Cl90 sont en accord avec
les données déjà publiées ( fig. 8). Le coefficient d’effet Hall plan Cp = ~Rp ~C D en fonction de la compo-
sition est reporté sur la figure 9. Ce coefficient est
FIG. 8. - Variation du champ coercitif Hc et du champ d’anisotropie HK en fonction du pourcentage de nickel
dans un film de nickel-fer.
FIG. 9. - Coefficient d’effet Hall Cp en fonction du pour- centage de nickel dans un film de nickel-fer.
maximal pour une composition de 86 % de nickel
et 14 % de fer. Pour ces mêmes films, la magnéto-
résistance a été mesurée, le pic du maximum a lieu
pour la même composition; il existe donc une étroite relation entre ces deux phénomènes.
Des alliages Ni-Fe-Co à magnétostriction nulle [6],
ainsi que les alliages obtenus par addition de palla- dium, de vanadium et de molybdène dans l’alliage
Ni-Fe non magnétostrictif ont été réalisés.
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FiG. 10. - Variation du coefficient de Hall Cp avec le pourcentage de l’élément ternaire ajouté à l’alliage
nickel-fer à faible magnétostriction.
Les résultats représentés sur la figure 10 montrent
une diminution du coefficient d’effet Hall plan.
Fonctionnement dynamique. - Quelques essais de
fonctionnement dynamique d’un élément ont été effec- tués. L’échantillon est placé dans un champ magné- tique continu H dirigé à 45~ des lignes de courant.
Le courant est fourni sous forme d’impulsions. La
lecture a lieu à l’aide d’une sonde de courant, les élec- trodes de courant étant en court-circuit. La figure 11 représente les signaux obtenus. La vitesse de fonction-
nement est uniquement fonction des conditions de
câblage.
Fie. 11. - Impulsions de lecture.
Pour un élément carré avec les électrodes les plus larges (dlc = 0,95), une formule approchée donnant
le courant de court-circuit peut être déduite des résul-
tats expérimentaux.
A 7~
f1Ip (court-circuit) = 1,3
~~p ~
où A~p représente la, , , D
variation de tension obtenue avec les électrodes de,
sortie étroites et 7~ la résistance par carré du film.
Cette formule peut s’écrire :
presque constant puisque .Ro X D est constant.
Une optimisation pour une puissance de sortie maxi-
male doit exiger un compromis entre la tension de sortie et R1 la résistance mesurée perpendiculairement
aux lignes de courant. Il en résulte donc une largeur
intermédiaire des électrodes de sortie telle que dlc soit
voisin de lj3 pour un élément carré; la tension de sortie est approximativement :
La puissance d’excitation pour un élément quel-
conque peut s’écrire :
Ru : étant la résistance mesurée entre les électrodes de courant,
I : étant le courant d’excitation,
Pour un élément carré, l’équation devient :
La tension de sortie maximale sera obtenue :
- sans condition de limite de puissance pour le maximum de Cp/D,
- en considérant la puissance dissipée par le maxi-
mum de Cp/Crll’ soit Clp pour un élément carré.
Applications. - L’effet maximum est recherché et l’alliage Ni-Fe 86/14 sera employé. ,
La difficulté dans l’assemblage en matrice des élé- ments réside dans les courants de circulation des mailles. Ces courants sont évités soit par un branche-
ment en parallèle des éléments en ligne (excitation) et
en colonnes (prélèvements), soit par un découplage
inductif ou capacitif entre lignes et colonnes.
MÉMOIRE A COUPLAGE DIRECT. - Les excitations des éléments d’un mot sont branchées en parallèle, de
même que les prélèvements sur une ligne de digit. En
supposant les tensions de décalage négligeables devant
les tensions de prélèvement, le signal de sortie de digit
sur une impédance relativement élevée, 50 ohms par
exemple, sera : 2m où m est le nombre de lignes
de mots. 2m
L’écriture en mémoire nécessite un réseau superposé
de conducteurs orthogonaux.
MÉMOIRE A COUPLAGE INDUCTIF. - En employant
des éléments optimisés pour fournir un maximum de
courant de prélèvement dans une boucle de court-
circuit, nous pouvons coupler inductivement les lignes de digit.
Les éléments sont commutés en série et la limitation
en capacité du schéma précédent n’existe plus. Cepen- dant, la tension de sortie est maintenant la dérivée du courant d’interrogation et ce type de mémoire ne
présente pas un gros avantage sur les mémoires à lecture par variation du flux d’induction.
CONVERTISSEUR DIGITAL-ANALOGIQUE A MÉMOIRE. - Le convertisseur est constitué d’éléments de Hall iden-
tiques, parcourus par une intensité variant dans le rapport 1/2. Des résistances tampon en série avec les éléments actifs constitués par des sections de la même couche de Ni-Fe permettent de diviser le courant prin- cipal suivant les poids binaires tout en gardant l’équi-
librage des tensions de prélèvement. Le nombre de chiffres binaires est actuellement limité à 5 ou 6 par la précision de la photogravure amenant des tensions de décalage et par l’effet de magnétorésistance dans
les résistances tampon, ce qui influe sur la division du
courant d’excitation dans les branches. Un conver-
tisseur occupera une surface d’environ 0,25 cm2, ce qui permettra de réaliser une matrice de convertisseurs
sur un seul substrat.
Conclusion. - Ces différentes optimisations nous
ont permis d’obtenir un niveau de sortie d’effet Hall
plan suffisamment élevé pour être utilisable. Deux
exemples d’utilisation montrent que des dispositifs digitaux à grande fréquence de fonctionnement peu-
vent utiliser cet effet.
BIBLIOGRAPHIE
[1] JAN (J. P.), Solid State Physics, 5, 17, Academic Press.
[2] Wu DING KE, Concerning the planar Hall effect
in thin ferromagnetic films, Bulletin of the Aca- demy of Sciences of the U.S.S.R., Physical series, 1965, 29, 4, 581.
[3] KURITSYNA and WI DING KE, Use of the planar Hall
effect for determining the static characteristics of ferromagnetic films, Bulletin of the A cademy of Sciences of the U.S.S.R., Physical series, 1965, 29, 4, 585.
[4] WI DING KE and KUMTSYNA, The two dimensional
galvanomagnetic effect in thin ferromagnetic films, Soviet Physics, Doklady, 1965, 10, 1.
[5] BATTAREL (C. P.) and GALINIER (M.), Optimization of
the planar Hall effect in ferromagnetic thin films
for Device Design, I.E.E.E. Magnetics, 1968, 4, 364.
[6] BOZORTH, Ferromagnetism, p. 757, Van Nostrand.
