CN1210818C - 磁性元件和使用这种磁性元件的磁头和磁存储器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磁性元件，它包括有具有分散在电感应体基质中的强磁性微粒的、并且不显示超常磁性的、具有有限矫顽力的微粒磁性膜，以及强磁性膜。微粒磁性膜和强磁性膜以叠层或沿着基板表面并列设置的方式构成为强磁性隧道结合膜。强磁性隧道结合膜将微粒磁性膜作为屏障。通过使微粒磁性膜和强磁性膜中的一个磁性膜的自旋方向在外部磁场的作用下变化的方式，可以获得巨磁电阻效应。这种磁性元件特征在于磁电阻变化率大、饱和磁场小、并可以将元件电阻调节为所需要的值，因此具有可获得偏差小而稳定的特性。

Description

磁性元件和使用这种磁性 元件的磁头和磁存储器
技术领域
本发明涉及利用隧道电流的磁性元件，以及使用这种磁性元件的磁头和磁存储器。
背景技术
磁电阻效应是指当向某些种磁性体施加磁场时其电阻会产生变化的现象。利用磁电阻效应的磁电阻效应元件(MR元件)已被使用在磁头、磁传感器等等中。而且还有人提出过有关使用MR元件的磁电阻效应储存器的专利申请。这种MR元件需要进一步改进的方面包括，增大相对于外部磁场的灵敏度，提高应答速度等等。
使用强磁性体的MR元件具有温度稳定性良好、使用温度范围大等等特点。可以用由NiFe合金等等构成的强磁性合金薄膜制作这种使用强磁性体的MR元件。若将这种MR元件使用在硬盘等等的再生磁头中，可以实现高密度的磁记录。然而采用NiFe合金薄膜构造的这种MR元件还存在有磁电阻变化率(MR变化率)相当小，仅为2～3％左右，所以难以获得实现高密度记录所需要的足够的灵敏度的问题。
在另一方面，将强磁性层和非磁性金属层按数纳米的周期交替叠层而制成的人造晶体薄膜，作为一种显示磁电阻效应的新型材料，由于具有巨磁电阻效应而在近年来日渐引人注目。比如说Fe/Cr人造晶体薄膜(参见Phys.Rev.Lett.61，2472(1988))和Co/Cu人造晶体薄膜(参见J.Mag.Mag.Mater.94，L1(1991)，Phys.Rev.Lett.66，2156(1991))等等，它们均是通过非磁性层，使相对的强磁性层的磁矩呈反平行状态磁性结合而获得具有磁电阻效应的材料。
上述的这些人造晶体薄膜具有比原有的坡莫合金薄膜大数十个百分比的磁电阻变化率。这种巨磁电阻效应(GMR)是由于依赖于强磁性层自旋方向取向的电子的散乱而造成的。然而人造晶体薄膜存在有为获得比较大的磁电阻效应而必须设置多个叠层的问题，还存在有饱和磁场(使电阻值饱和的磁场)在数泰斯拉(T)以上，使其难以原封不动的应用于磁头等等中的问题。
为了减小饱和磁场，目前已经开发出了具有强磁性层/非磁性层/强磁性层的夹层结构形式的叠层膜的自旋阀。由自旋阀是通过使一个强磁性层被交换偏置以固定磁化，并使另一个强磁性层在外部磁场的作用下磁化反转，从而使两个强磁性层的磁化方向的相对角度发生变化的方式，来获得磁电阻效应的。然而自旋阀的MR变化率还不够大，叠层膜的电阻仅为数十微欧厘米，所以还有为能检测外部磁场而必须使比较大的电流流过的问题。
目前已知，如果相对于磁性多层膜使电流沿与膜面垂直的方向流动，即利用其垂直磁电阻效应，可以获得非常大的磁电阻效应(参见Phys.Rev.Lett.66，3060(1991))。然而对于这种场合，电流传递量比较小，且各层由金属构成，电阻也比较小，所以存在有难以进行亚微米以下的精细加工，且难以在室温下测定磁电阻效应的问题。
目前还已知有一种与上述多层膜构造不同的构成方式，它是根据在非磁性金属基质中使磁性超微粒子分散的、所谓微粒磁性膜也依赖于自旋的传导关系，来获得巨磁电阻效应的(参见Phys.Rev.Lett.68，3745(1992)。微粒磁性膜在未施加有磁场的状态下，各个磁性超微粒子的自旋各自指向不规则的方向而使电阻较高，在施加有磁场时可使各个自旋与磁场方向一致而使电阻降低。因此可以根据自旋的散乱与否获得磁电阻效应。微粒磁性膜比人造晶体薄膜更容易制作，所以有希望成为下一代磁电阻效应元件。然而原有的微粒磁性膜由于磁性超微粒子显示出超常磁性，所以存在有饱和磁场实际上将变得非常大的问题。
与上述的自旋散乱关系的机理不同，还可以根据强磁性隧道效应获得巨磁电阻效应。它由具有强磁性层/绝缘层/强磁性层的三层叠层体构成，并且使一个强磁性层的矫顽力比另一个强磁性层的矫顽力小，从而在两个强磁性层之间施加有电压时会产生有隧道电流。这时，若仅使矫顽力比较小的强磁性层的自旋反转，由于在两个强磁性层的自旋彼此平行时和反平行时，隧道电流具有比较大的差异，从而获得巨磁电阻效应。
这种强磁性隧道结合元件的特征在于其构造简单，而且在室温下可获得大至为20％左右的磁电阻变化率。然而为了获得隧道效应，必须使绝缘层的厚度在数纳米以下。这样薄的绝缘层在均匀、稳定的制作方面有困难，所以存在有磁电阻变化率的偏差比较大的问题。还存在有当绝缘层的电阻比较高时，将其用于储存元件时难以使元件实现高速动作，并且会使噪音增大，S/N比下降等的问题。而且还存在有为了获得所需要的输出电压值而增大流经强磁性隧道结合元件的电流值时，磁电阻变化率将大幅度减小的问题(参见Phys.Rev.Lett.74，3273(1995))。
如上所述，在基质中分散有磁性超微粒子的微粒磁性膜具有比人造晶体薄膜更容易制作，磁电阻变化率在室温下可达10％左右的较大值等等的特性。而且超微粒子的粒径在小于数十埃以下时可形成小的单磁区，这可以使磁电阻曲线的磁滞更小。因此当作为MR元件使用时，可望减小其巴克好森噪音。然而原有的超微粒由于显示有超常磁性，这将使得饱和磁场实际上变得非常大，从而存在有如何将其实用化的课题。
在另一方面，即在强磁性隧道结合元件具有在室温下可获得20％左右大的磁电阻变化率、饱和磁场比较小等等特性，相反，它还有因绝缘层的膜厚所引起的难以制作出具有稳定特性的元件的问题。而且还存在有在为了获得所需要的输出电压值而使流经强磁性隧道结合元件的电流值增大时，MR变化率将大幅度降低的问题。
发明内容
因此，本发明的目的就是要提供一种磁电阻变化率大、饱和磁场小、元件电阻可以被调整为适当的值的、并且可以获得离散偏差比较小的稳定特性的磁性元件。而且本发明还提供了一种即使为了获得所需要的输出电压值(或电流值)而使流经元件的电流(或电压)增大，磁电阻变化率减小的也比较小的磁性元件。本发明的另一目的是要提供一种通过采用这种磁性元件而进一步提高其特性和可靠性的磁头和磁存储器。
本发明的一种磁性元件的特征在于它包括有具有电感应体基质和分散在所述电感应体基质中的强磁性微粒的、并且具有矫顽力的微粒磁性膜；以及与所述微粒磁性膜邻接配置的、在其与微粒磁性膜之间可流过隧道电流的强磁性膜。
本发明的磁性元件可以通过诸如使微粒磁性膜和强磁性膜中的一个矫顽力比较小的磁性膜的自旋方向发生变化，获得磁电阻效应。在本发明的磁性元件中，强磁性膜能由非磁性体分开的强磁性体构成。
如果举例来说，本发明的微粒磁性膜和强磁性膜的具体配置结构可以是使微粒磁性膜和强磁性膜呈叠层配置的结构，也可以是使微粒磁性膜和强磁性膜呈沿基板表面并列配置的结构。而且微粒磁性膜和强磁性膜可以呈实质上的接触配置，但也可以除了微粒磁性膜之外，还夹装有其厚度使得隧道电流可以在微粒磁性膜和强磁性膜之间流过的绝缘膜。
本发明的另一种磁性元件的特征在于包括有其厚度可使隧道电流流过的隧道绝缘层；以夹持着前述隧道绝缘层的方式配置的第一强磁性膜和第二强磁性膜；并且使所述第一和第二强磁性膜中的至少一个被非磁性体分开。
本发明的一种磁头的特征在于包括有如上所述的本发明的磁性元件；以及通过使隧道电流流经所述磁性元件的方式供给电流用的电极。本发明的一种磁存储器的特征在于包括有如上所述的本发明的磁性元件；向所述磁性元件施加电流磁场用的记录电极；以及使隧道电流流经所述磁性元件的那样地供给传感电流用的再生电极。
本发明提供了一种磁性元件，包括有：
具有电感应体基质和分散在所述电感应体基质中的强磁性微粒的、并且具有矫顽力的微粒磁性膜，
以及与所述微粒磁性膜邻接配置的、在与微粒磁性膜之间可流过隧道电流的强磁性膜。
本发明提供了一种磁性元件，包括：其厚度可使隧道电流流过的隧道绝缘层；夹着所述隧道绝缘层配置的第一强磁性膜及第二强磁性膜，
所述第一强磁性膜及第二强磁性膜中至少一个在膜面方向上被非磁性体分开。
本发明提供了一种读取被写入记录层的数据的磁头，其特征在于具有如下的结构：
设有分散在电感应体基质中的强磁性微粒组成的具有矫顽力的微粒磁性膜和靠近所述微粒磁性膜而配置的强磁性膜的磁性元件上，被供给用以通过判定所述记录层的磁化方向来读取被写入所述记录层的数据的读出电流，以使隧道电流流过所述微粒磁性膜和所述强磁性膜之间。
本发明提供了一种读取被写入记录层的数据的磁记录装置，其特征在于具有如下的结构：
设有分散在电感应体基质中的强磁性微粒组成的具有矫顽力的微粒磁性膜和靠近所述微粒磁性膜而配置的强磁性膜的磁性元件上，被供给用以通过判定所述记录层的磁化方向来读取被写入所述记录层的数据的读出电流，以施加用以在所述记录层上写入数据的电流磁场，并使隧道电流流过所述微粒磁性膜和所述强磁性膜之间。
下面对本发明的磁性元件在低磁场下具有巨磁电阻效应的原理进行说明。
图1A、图1B、图2A和图2B为本发明的磁性元件的基本构造用的示意性说明图。正如图中所示，强磁性膜F和微粒磁性膜G构成为强磁性隧道结。图中的箭头表示磁化方向。在这儿，本发明的磁性元件中的微粒磁性膜G具有分散在电感应体基质中的强磁性微粒。微粒磁性膜G为具有有限矫顽力的强磁性体，而不显示有超常磁性。
在理想状态下，强磁性微粒的自旋可以如图1A、图1B、图2A和图2B所示，均被抑制指向一个方向。自旋的方向可以呈如图1A和图1B所示的状态，也可以呈如图2A和图2B所示的状态。而且强磁性微粒最好呈层状排列。
在这种结构中，当强磁性膜F和微粒磁性膜G之间通过诸如电极等等施加有电压时，强磁性膜F中的传导电子将由于隧道效应而在微粒磁性膜G的强磁性微粒之间传导，从而使隧道电流流动。这时的自旋取向一般被保持着。下面对在这种状态下从外部施加磁场时的情况进行说明。
在初始状态，正如图1A和图2A所示，两个磁性膜F、G的自旋指向相同的方向。这时可以保持强磁性膜F和微粒磁性膜G中的自旋而照样进行隧道传导。因此如图3A所示，沿各种状态密度比较大的自旋能带中的电子(如图3A中的↓所示的自旋电子)的方向具有较大的传导，电子容易成为隧道。即电阻比较小。
随后如图1B和图2B所示，按仅使两个磁性膜F、G中矫顽力相对比较小的磁性膜的自旋(在图1B和图2B中，为强磁性膜F中的自旋，下面相同)反转的大小，施加外部磁场。这时如图3B所示，各磁性膜F、G中的自旋能带处于状态密度比较小的自旋能带，所以电子与图3A所示的场合相比，隧道被阻塞。因此电阻比较大。
这样，通过仅使矫顽力比较小的磁性膜中的自旋在外部磁场作用下反转，便可以获得巨磁电阻效应。这时如果在强磁性膜F中选择矫顽力比较小的软磁性体，还可以减小饱和磁场。因此采用本发明的磁性元件的磁电阻效应型元件可以获得高灵敏度。
本发明的微粒磁性膜并不显示有超常磁性，而是一个强磁性体，所以不会出现原有的微粒GMR材料中饱和磁场大的问题。本发明的微粒磁性膜是在电感应体基质中分散有强磁性微粒，所以和具有绝缘层的强磁性隧道结相比，其电阻比较小。而且通过控制微粒磁性膜的电流传递方向(膜厚方向或称膜面内侧方向)长度、或强磁性微粒的体积填充率、大小、分散状态等等的方式，可以将电阻控制为适当的值。因此本发明的磁性元件可以根据应用的需要，调整电阻。
而且对于强磁性隧道结元件，在为获得所需要的输出电压值(或电流值)而增大流经元件的电流(或电压)的场合，通过使长波长的自旋波(以波的形式传导各个晶格点中的自旋倾向的状态的物质：磁振子)在强磁性膜内和强磁性膜之间传导的方式，可以减少磁电阻变化率。这儿，通过使与微粒磁性膜靠近设置的强磁性膜被非磁性体分开的方式，可以阻断磁振子的传播。因此即使在感应电流值增大的场合，也可以抑制磁电阻变化率的降低，从而可以获得比较大的输出电压。
被非磁性体分开的强磁性膜对于常规的强磁性隧道结元件也是有效的。本发明的其它磁性元件，也可以是在具有强磁性膜/绝缘层/强磁性膜结构的叠层膜的强磁性隧道结元件中的至少一个强磁性膜被非磁性体分开的元件。
本发明的磁性元件可以应用于磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器等等。在这种场合，特别对于磁存储器最好还在膜面内具有磁各向异性。
附图说明
图1A和图1B为表示本发明的磁性元件的基本构造的示意图。
图2A和图2B为表示本发明的磁性元件的基本构造的另一示意图。
图3A和图3B为说明本发明的磁性元件所具有的磁电阻效应的示意图。
图4为表示适用于本发明的叠层型磁性元件的第一实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。
图5为表示适用于本发明的叠层型磁性元件的第二实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。
图6为表示向本发明的叠层型磁性元件施加偏置磁场时的一个实例的结构的示意性剖面图。
图7为表示向本发明的叠层型磁性元件施加偏置磁场时的另一个实例的结构的示意性剖面图。
图8为表示本发明的磁性元件中的强磁性膜的一个变形实施例的示意性剖面图。
图9为表示图8所示的磁性元件的一个变形实施例的示意性剖面图。
图10为表示适用于本发明的叠层型磁性元件的第三实施形式的主要部分结构的示意性说明图。
图11为表示适用于本发明的叠层型磁性元件的第四实施形式的主要部分结构的示意性说明图。
图12为表示本发明的叠层型磁性元件的一个具体元件的结构的示意性说明图。
图13为表示图12所示的叠层型磁性元件的剖面图。
图14为表示适用于本发明的叠层型磁性元件的第五实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。
图15为表示图14所示的叠层型磁性元件的一个变形实施例的主要部分结构的示意性剖面图。
图16为表示适用于本发明的平面型磁性元件的第一实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。
图17为表示如图16所示的平面型磁性元件的一个变形实施例的主要部分结构的示意性剖面图。
图18为表示适用于本发明的平面型磁性元件的第二实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。
图19为表示本发明的另一种磁性元件的主要部分结构的示意性剖面图。
图20为表示在图19所示的磁性元件上施加反强磁性膜的状态的示意性剖面图。
图21为表示如图19所示的磁性元件的一个变形实施例的主要部分结构的示意性剖面图。
图22为表示本发明的第一实施例的磁性元件磁化曲线的测定结果的示意图。
图23为表示本发明的第一实施例的磁性元件磁电阻效应的测定结果的示意图。
图24为表示作为一个比较实例的磁性元件磁化曲线的测定结果的示意图。
图25为表示本发明的第四实施例的磁性元件的隧道磁电阻变化率与施加电压之间关系的测定结果的示意图。
图26为表示本发明的第五实施例的磁性元件的隧道磁电阻变化率与施加电压之间关系的测定结果的示意图。
图27为表示本发明的第六实施例的磁性元件的隧道磁电阻变化率与施加电压之间关系的测定结果的示意图。
图28为表示本发明的第七实施例的磁性元件的隧道磁电阻变化率与施加电压之间关系的测定结果的示意图。
图29为表示本发明的第八实施例的磁性元件的隧道磁电阻变化率与施加电压之间关系的测定结果的示意图。
具体实施方式
下面参考附图说明本发明的最佳实施例。
图4为表示本发明的磁性元件的第一实施形式的主要部分结构的示意性说明图。图4所示的，磁性元件1具有形成在基板2上的微粒磁性膜3，和叠层形成在这一微粒磁性膜3上的强磁性膜4。由这种微粒磁性膜3和强磁性膜4形成的叠层膜5构成着强磁性隧道结。然而叠层膜5中的微粒磁性膜3和强磁性膜4的叠层顺序并不仅限于此。
图5为表示本发明的磁性元件的第二实施形式的主要部分结构的示意性说明图。正如图5所示，磁性元件1的构造为由两层强磁性膜4a、4b夹持着微粒磁性膜3。换句话说就是，第一强磁性膜4a和第二强磁性膜4b以夹持着微粒磁性膜3的方式相对配置。这种三层结构的叠层膜5也构成为一种强磁性隧道结。
在这儿，叠层型磁性元件1可以具有由至少一层微粒磁性膜3和至少一层强磁性膜4叠层构成的叠层膜5。叠层型磁性元件1也可以采用由微粒磁性膜3和强磁性膜4多层叠置而形成的叠层膜。而且在微粒磁性膜3和强磁性膜4之间还可以夹装有其厚度为可以使隧道电流流过的绝缘膜，并可以利用这一绝缘膜控制其电阻。
微粒磁性膜3具有在电感应体基质6中分散有强磁性微粒7的结构。这种微粒磁性膜3并不显示出超常磁性，而是具有有限矫顽力的强磁性体。在微粒磁性膜3中的强磁性微粒7为了在这些微粒之间使隧道电流流过，而必需分散在电感应体基质6之中。因此强磁性微粒7的微粒间隔最好在3纳米之下。而且强磁性微粒7的粒径必须为不至于出现超常磁性的、且可保持有强磁性的大小，比如说可为数纳米以上。为了能进一步增大强磁性微粒7的大小和微粒间隔，强磁性微粒7的粒径最好取为5～10纳米。
强磁性微粒7最好在电感应体基质6中呈层状配置。通过将强磁性微粒7配置为层状的方式，可以使流过微粒磁性膜3和强磁性膜4之间的隧道电流更均匀，并且可以提高由磁电阻效应产生的电阻变化的可再现性。
可以采用各种强磁性材料制造强磁性微粒7。在使强磁性微粒7分散在电感应体基质6中的微粒磁性材料中，由于它将比整体材料的矫顽力要小，所以为了防止这种情况出现，最好是采用磁各向异性大的材料作为强磁性微粒7，这类材料包括Co、Co-Pt合金、Fe-Pt合金、迁移金属—稀土类合金等等。对于将微粒磁性膜3作为磁化固定膜的场合，采用这些强磁性材料是特别合适的。
对于微粒磁性膜3作为软磁性层使用的场合，强磁性微粒7用的构成材料并不特别限定，还可以采用Fe、Co、Ni和包含有这些金属的合金，自旋极化率比较大的氧化镁、CrO2、RXMnO3-y(其中R为稀土类金属，X为由Ca、Ba和Sr中选择出的一种元素，y为接近于0的值)等等的氧化物类磁性元件，以及NiMnSb、PtMnSb等等的霍依斯勒合金等等材料。
对于采用矫顽力不是很大的微粒磁性材料的场合，还可以如图6所示，在微粒磁性膜3的两个端部邻接配置有一对硬磁性膜8，并通过由这种硬磁性膜8向微粒磁性膜3施加偏置磁场的来固定住自旋。而且在图6中，9为绝缘层。
图6中的膜4、4中的至少一个也可以为强磁性膜。对于仅有一个为强磁性膜的场合，其另一个可以为由Cr等等非磁性金属构成的电极。偏置磁场施加膜并不仅限于采用硬磁性膜8，比如说还可以如图7所示，采用与微粒磁性膜3叠层形成的反强磁性膜10。反强磁性膜10可以采用诸如FeMn、IrMn、PtMn、NiMn等等的反强磁性合金和诸如NiO、Fe2O3等等的反强磁性材料。而且还可以采用诸如Co/Ru/Co、Co/Au/Co等等的反强磁***换结合膜作为偏置磁场施加膜。
分散RXMnO3-y粒子的微粒磁性材料具有更小的矫顽力，并具有100％的自旋极化率。因此当采用RXMnO3-y磁性元件作为强磁性微粒7使用时，隧道电流的自旋的依赖性相当大，所以可以获得相当大的磁电阻效应。对于采用这种微粒磁性材料的场合，上述的偏置结构也是相当有效的。而且在仅使强磁性膜4自旋反转的场合，在强制固定微粒磁性膜3的自旋方面，由硬磁性膜8和反强磁性膜10构成偏置磁场施加膜是有效的。
可以采用诸如Al2O3、SiO2、MgO、MgF2、B2O3、AlN、CaF2、SrTiO3等等的各种电感应型材料作为电感应体基质6。通过在这种电感应体膜中分散有如上所述的强磁性微粒7的方式，便可以获得不显示出超常磁性的微粒磁性膜3。而且在上述的氧化膜、氮化膜、氟化膜等中，一般存在各自元素的缺损，所以即使使用这种电感应体膜也不会出现任何问题。
在另一方面，强磁性膜4从其目的来看还与微粒磁性膜3之间的矫顽力的大小有关。强磁性膜4可以采用各种磁性材料，比如说可以采用以坡莫合金为代表的Fe-Ni合金，显示出强磁性的Fe、Co、Ni和包含有这些金属的合金，诸如NiMnSb、PtMnSb等等的霍依斯勒合金中的类金属，诸如CrO2、氧化镁、(La、Sr)MnO3等等的氧化物类的类金属，以及非晶合金等等的软磁性材料，直至诸如Co-Pt合金、Fe-Pt合金、迁移金属—稀土类合金等等的硬磁性材料。类金属在一个方向的自旋能带上存在有能隙，所以仅对具有一个方向自旋的电子产生传导作用。因此采用这种材料制作强磁性膜4，可以获得更大的磁电阻效应。
正如图5所示，当采用两层以上的强磁性膜4a、4b时，它们并非必须要采用相同的材料构成，而且还可以分别具有与微粒磁性膜3不同的矫顽力。对于两层强磁性膜4a、4b的矫顽力不同的场合，还可以将其作为诸如多值储存器等等使用。
强磁性膜4也并不仅限于单层膜。比如说还可以如图8所示，具有通过非磁性层11配置的两个强磁性层12、13，也可以用使这两个强磁性层12、13的磁化彼此反平行的方式结合而成的叠层膜构成为强磁性膜4。如果采用这种反平行结合的叠层膜，由于能防止磁束由强磁性膜4处漏出至外部，因而这是一种更好的实施形式。在制备反平行结合的强磁性层12、13时，可以使强磁性层和非磁性层交替叠层，以便利用交换结合和静磁结合。强磁性层的叠层数目并不仅限于两层，还可以彼此通过非磁性层而形成多层体。
还可以将使强磁性层和半导体层交替叠层而构成的叠层膜作为强磁性膜4而用。对于这种场合，其特点在于可以利用热和光照射而使实施自旋反转，所以不再需要施加磁场。如果举例来说，作为用于作这种叠层膜的半导体可以为具有B20构造的FeSi合金等等。而且由强磁性层和非磁性层交替叠层构成的叠层膜，以及由强磁性层和半导体层交替叠层而构成的叠层膜还可以如图9所示，用作为通过微粒磁性膜3配置的两个强磁性膜4中的一个。
如上所述的微粒磁性膜3和强磁性膜4最好还在其膜面内具有单轴的磁各向异性。如果采用这种构成形式，不仅可以产生急剧的磁化反转，而且还可以同时保持住磁化状态的稳定。这对于应用于磁存储器的场合是特别有效的。微粒磁性膜3和强磁性膜4的膜厚最好在0.5～100纳米的范围内。其中微粒磁性膜3的膜厚应尽可能的薄，但在制作上应保持膜厚均匀，只要膜厚不对隧道电流产生不良影响即可。当微粒磁性膜3的膜厚取为50纳米以下时则更好些。
由上述各层构成的磁性元件1呈典型的薄膜状，并可以用分子束外延生成(MBE)法、各种溅射法、蒸镀法等等的常规薄膜成型方法制作。微粒磁性膜3可以用使构成电感应体基质6的电感应体材料和强磁性微粒7组成的强磁性材料同时成膜(比如说，同时溅射)的方式制作，也可以用使电感应体材科和强磁性材料交替成膜的方式制作。在交替成膜的过程中，强磁性材料由于对电感应体材料浸湿性恶化，所以通过控制强磁性材料的堆积量使其颗粒化。如果采用这种成膜方法，便可以使强磁性微粒7呈均匀的层状设置。而且在本发明的磁性元件中，还可以在叠层膜5处设置有由磁性材料或非磁性材料构成的衬底层，或由非磁性材料构成的大规模涂层等等。
在上述的磁性元件1中，通过使微粒磁性膜3和强磁性膜4中的矫顽力比较小的磁性膜，比如说强磁性膜4的自旋方向随外部磁场的变化而变化的方式，便可以如上述那样获得磁电阻效应。换句话说就是，在微粒磁性膜3和强磁性膜4的自旋方向处于相同方向的状态，叠层膜5的电阻为最小。由这一状态使矫顽力比较小的一个磁性膜，比如说仅使强磁性膜4的自旋方向在外部磁场的作用下反转，便可以使叠层膜5的电阻为最大。这时，另一个磁性膜，比如说微粒磁性膜3中的自旋，对于使强磁性膜4自旋反转的外部磁场可以基本上保持不变。
通过使这种由微粒磁性膜3和强磁性膜4形成的叠层膜5中的一个磁性膜的自旋反转的方式，可以获得MR变化率为20％以上的巨的磁电阻效应。在外部磁场作用下自旋反转的磁性膜可以为微粒磁性膜3和强磁性膜4中矫顽力比较小的任一个磁性膜，而并不特别限定于强磁性膜4。使自旋方向反转的磁性膜也可以为微粒磁性膜3。但是，也可以通过外部磁场等使矫顽力调节容易的强磁性膜4的自旋方向反转。
对于显示巨磁电阻效应的叠层膜5，在叠层方向有感应电流，在微粒磁性膜3和强磁性膜4之间流过隧道电流。在采用两层强磁性膜的场合，在第一强磁性膜4a、微粒磁性膜3和第二强磁性膜4b之间流有隧道电流。通过测定包含这种隧道电流的感应电流的电压，便可以检测出信号磁场等等的外部磁场。
这种外部磁场的检测功能与原有的MR元件相类似，即可以被利用在磁电阻效应型磁头和磁传感器等等中。而且通过使微粒磁性膜3和强磁性膜4中矫顽力比较小的一个磁性膜作为记录层，同时使另一个作为自旋固定层，用同样的感应电流判断记录层的磁化方向的方式，可以读取在记录层上写入的数据。因此它还可以被利用作为磁存储器。
在这种磁性元件1中，微粒磁性膜3为不具有超常磁性的强磁性体，所以解决了原有的微粒GMR材料中存在的饱和磁场比较大的问题。而且若在强磁性膜4中选定矫顽力小的软磁性体，由于可以进一步减小其饱和磁场，从而可以使利用磁电阻效应的磁性元件高敏感化。
微粒磁性膜3在电感应体基质6中分散有强磁性微粒7，所以和具有绝缘层的原有的强磁性隧道结相比，其电气电阻更小。通过控制微粒磁性膜3的电流传递方向(膜厚方向)的长度、或强磁性微粒7的体积填充率、大小、分散状态等等，可以将电阻控制为适当的值。通过采用这种方式，在例如存储元件等等使用的场合，可以进一步地提高元件的高速动作性能，并增大其S/N比。
具有磁电阻效应的强磁性隧道结(叠层膜5)，将微粒磁性膜3作为隧道屏障，这种叠层膜5中的隧道电流是以具有有限矫顽力的微粒磁性膜3中的强磁性微粒7为基础的，所以微粒磁性膜3不再需要象原有的强磁性隧道结中的绝缘层那样薄。换句话说就是，微粒磁性膜3的膜厚可以在制作时能够保持均匀状态的膜厚，所以可以减小偏差，使稳定特性的再现性更好。
图10和图11为表示本发明的磁性元件的第三和第四实施形式的主要部分结构的示意性图。在这些图所示的磁性元件14中，强磁性膜4(4a、4b)沿膜面方向被非磁性体15分开。除此之外的其它构成，均与图4和图5所示的磁性元件1相同。
分开强磁性膜4用的非磁性体15可以采用与磁性体(磁性微粒)彼此交换作用比较弱的各种非磁性体，这些材料可以为Ag、Cu、Au、Ta、B、C、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb等等的非磁性元素单体，或是非磁性合金，非磁性化合物，非磁性氧化物等等。同样地，非磁性体15的厚度可以是使磁性微粒之间的相互交换作用比较弱的厚度，比如说可以为1纳米左右。
这样便可以采用与强磁性膜4内的磁性微粒彼此交换相互作用比较弱的方式配置非磁性体15。更具体的讲就是，以防止较长波长的自旋波(磁振子)在强磁性膜4内传递的那样地，将非磁性体15配置在强磁性膜4内。图11示出了图1和图2中的两个强磁性膜4a、4b双方均被非磁性体15分的结构，但也可以采用仅有一个强磁性膜被非磁性体分开的结构。
在这儿，激励低能磁振子用的能量可由下述公式表示。
E＝2J(2π/N)2                          …(1)
N为单位体积中的原子数，J为磁性体交换能量，与居里点成比例。因此当向磁振子施加能量E时，对于比由公式(1)确定的N更小的粒子磁振子将不会被激励。
例如，当E＝0.01电子伏特时，由公式(1)可有
N-2＝(2J/0.01)(2π)-2                  …(2)
如果J＝1500K，1电子伏特＝104K，则由公式(2)变为
N＝16.8
当晶格常数为a＝0.25纳米时，晶格大小为
Na＝16.8×0.25nm＝4.2nm
即，对于直径在4.2纳米以下的颗粒，并不能激励具有E＝0.01电子伏特以下的能量的磁振子。
由上述的说明可知，通过用非磁性体15将强磁性膜4分开为可由磁振子的能量引导的某颗粒以下的大小的方式，便可以阻断磁振子在强磁性膜4内的传播。然而，当由非磁性体15分开后的颗粒的大小过小时，又难以保持自旋。因此，强磁性模4可以在保持其自旋的范围内，以可更有效地防止磁振子传递的方式，将其分开成尽可能的小。
用非磁性体15分开强磁性膜4的方式，换句话说，作为在强磁性膜4内配置非磁性体15的方式，例如采用设置作为强磁性膜4的衬底的非金属层(例如非磁性金属层)的方式。在图10和图11中并没有示出这种非磁性衬底。通过对这种叠层膜实施热处理的方式，可以使非磁性体15沿着强磁性膜4的结晶界面配置。换句话说就是，根据其结晶体相大小可用非磁性体15分开。对于这种场合，通过预先控制构成强磁性膜4的结晶颗粒的大小的方式，便可以用非磁性体15将强磁性膜4分开成具有所需要的大小的磁性颗粒。
在这种实施形式的磁性元件14中，用非磁性体15分开强磁性膜4，所以可以防止磁振子的传播。因此为了获得所需要的输出电压值，即使流经作为强磁性隧道结的磁性元件14的电流值增大，也可以抑制磁电阻变化率的降低。通过采用这种方式，可以良好的获得比较大的输出电压。而且通过用非磁性体15分开强磁性膜4的方式，还可以使强磁性膜4进一步软磁性化。因此可以进一步使作为MR元件的磁性元件14高灵敏度化。
下面以举例方式，参考图12和图13所示的结构，说明上述各实施形式所表示中的叠层型磁性元件1、14的元件具体构成。即在形成在基板2上的下侧强磁性膜4a上，盖覆着这一下侧强磁性膜4a的一部分那样地依次叠层形成与其相正交的微粒磁性膜3和上侧强磁性膜4b。这时也可以在基板2上不使用下侧强磁性膜4a，而是采用由诸如Cr等等的非金属材料构成的电极。如果需要的话，还可以在上侧强磁性膜4b上形成由Cu、Au、Ag等等的良导体构成的电极。
在具有这种结构的磁性元件1、14中，微粒磁性膜3和强磁性膜4的重叠部分(比如说，其正交部分)形成为强磁性隧道结。通过使感应电流相对于这一部分沿膜厚方向流过的方式，便可以利用包含着微粒磁性膜3的强磁性隧道结的磁电阻效应。
图14为说明本发明的磁性元件的第五实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。在如图14所示的磁性元件16中，是在微粒磁性膜3上并列配置有彼此相分离的两个强磁性膜4A、4B。因此对于叠层型磁性元件，其微粒磁性膜与强磁性膜的叠层区域并不限于一个。这种场合的强磁性膜4A、4B，也可以如图15所示，用非磁性体15沿其膜面方向分开。
对于图14和图15所示的结构，微粒磁性膜3和强磁性膜4的叠层部分形成为两个。在这种结构中，最好还在微粒磁性膜3的下侧设置有其电阻比微粒磁性膜3更低的衬底层17。利用这一低电阻的衬底层17，可以抑制沿微粒磁性膜3的膜面内流动的隧道电流。
对于具有上述结构构成的磁性元件16，可以利用若干个由微粒磁性膜3和强磁性膜4构成的叠层部分，所以可以进一步增大其电阻变化率。而且在磁性元件16具有低电阻的衬底层17的场合，沿膜面方向流动的电流将流过衬底层17。由于这一部分的电阻比较小，若元件面积也相当小，则它和微粒磁性膜3的横向电阻相比可以忽略不计，所以可以在最少为横向流过微粒磁性膜3的电流传递量两倍的条件下，调整对增大电阻等等的各种特性。
下面说明本发明的磁性元件的其它实施形式。
图16为表示适用于沿着基板面使电流在本发明的磁性元件中流动的平面型结构的第一实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。如图16所示的平面型磁性元件21中，在基板2上沿着基板面配置有微粒磁性膜3和夹持着微粒磁性膜3的两个强磁性膜4、4。
换句话说就是，沿着基板表面配置有以夹持着微粒磁性膜3的方式相对设置的两个强磁性膜4、4(第一和第二强磁性膜)。沿与基板表面相平行的方向相连接的微粒磁性膜3和强磁性膜4的结合部(平行排列型结合部)构成强磁性隧道结。这种强磁性膜4也可以如图17所示，用非磁性体15沿膜面方向分开。而且还可以不采用其中的某一个强磁性膜4，而是配置作为电极使用的非磁性金属膜。
平面型磁性元件21中的各层的具体结构和附加的结构均与前述的叠层型磁性元件1、14相类似，比如说也可以根据需要配置偏置磁场施加膜。而且平面型磁性元件21除了使包含位于微粒磁性膜3和强磁性膜4之间的隧道电流的感应电流沿着基板表面流动的这一点之外，均与前述的叠层型磁性元件1、14相类似，即通过使微粒磁性膜3和强磁性膜4中的矫顽力比较小的一个磁性膜(比如说强磁性膜4)的自旋方向可以因外部磁场等等的作用而变化的方式，能获得巨磁电阻效应。
如果采用这种平面型磁性元件21，可以获得与所述叠层型磁性元件1、14相同的效果。在用非磁性体15分开强磁性膜4的场合，由于可以防止磁振子的传播，所以即使在电流值增大也可以抑制MR变化率的减小。而且平面型元件容易采用精细加工技术制作，所以可以获得稳定的特性，同时可以容易地实现元件的高密度化。
例如如图18所示，这种平面型元件还适用于端边结合型元件结构。在如图18所示的端边结合型磁性元件22中，在基板2上依次叠层设置强磁性膜4和绝缘层23，并使这一叠层膜的端面相对于基板面变成以预定角度倾斜的倾斜端面。然后再以至少盖覆着下侧强磁性膜4和绝缘层23的叠层膜的倾斜端面的方式，依次叠层形成微粒磁性膜3和上侧强磁性膜4。在端边结合型磁性元件22中，在倾斜部沿与基板面平行的方向连接着的微粒磁性膜3和强磁性膜4的结合部构成强磁性隧道结。而且上下两层强磁性膜4、4中的一个强磁性膜4也可以用非磁性金属膜替代。即使这种端边结合型磁性元件22也可以获得与平面型磁性元件21相同的效果。
下面对本发明的磁性元件的其它实施形式进行说明。
图19为表示本发明的另一种磁性元件的一实施形式的主要部分结构的示意性剖面图。在图19所示的磁性元件31中，在基板32上形成有第一强磁性膜33。在第一强磁性膜33上还通过隧道绝缘层34形成有第二强磁性膜35。隧道绝缘层34的厚度使得隧道电流可以在第一强磁性膜33和第二强磁性膜35之间流过。隧道绝缘层34的厚度最好在30纳米以下。利用这些主要部件便可以构成具有强磁性隧道结的磁性元件(强磁性隧道结合元件)31。
第一和第二强磁性膜33、35可以用非磁性体36沿膜面方向分开。强磁性膜33、35被非磁性体36分开的大小、非磁性体36的材质和厚度、非磁性体36在强磁性膜33、35内的配置方式等等，均与前述的实施形式相类似。对于这种实施形式中的磁性元件31，用非磁性体36分开的强磁性模33、35，也可以抑制磁振子的传播。
可以使第一和第二强磁性膜33、35中的一个强磁性膜中的自旋方向在诸如外部磁场等等的作用下发生变化，这样便可以获得巨大的磁电阻效应。当第一和第二强磁性膜33、35中的自旋呈相同方向的状态时，强磁性隧道结合元件31的电阻(对沿与膜面垂直方向的隧道电流的电阻)为最小。通过使一个强磁性膜的自旋方向由这一状态在外部磁场的作用下反转，便可以使强磁性隧道结合元件31的电阻变为最大。这时，另一个强磁性膜的自旋相对于这一外部磁场基本上保持固定。
可以利用诸如强磁性体在矫顽力方面的差异，使第一和第二强磁性膜33、35中的一个强磁性膜的自旋方向发生变化。或如图20所示，通过在一个强磁性膜(比如说，在图20中为第二强磁性膜35)上叠层设置反强磁性膜37，并利用与这一反强磁性膜37的交换结合的方式而使磁化固定。还可以采用诸如Co/Ru/Co、Co/Au/Co等等的反强磁***换结合膜实现对一个强磁性膜的磁化固定。
对强磁性膜33、35的具体材质并没有特定的限制，它可以采用各种磁性材料制作，例如说可以采用以坡莫合金为代表的Fe-Ni合金，显示出强磁性的Fe、Co、Ni和包含有这些金属的合金，诸如NiMnSb、PtMnSb等等的霍依斯勒合金，诸如CrO2、氧化镁、(La、Sr)MnO3等等的氧化物类的磁性材料，以及非晶合金等等的各种软磁性材料，直至诸如Co-Pt合金、Fe-Pt合金、迁移金属—稀土类合金等等的硬磁性材料。
这种强磁性隧道结合元件31呈典型的薄膜状，并可以用分子束外延生成(MBE)法、各种溅射法、蒸镀法等等的常规薄膜成型方法制作。本发明的强磁性隧道结合元件31，还可以设置由磁性材料或非磁性材料构成的衬底层，或由非磁性材料构成的盖覆镀层等等。
在上述实施形式的强磁性隧道结合元件31，用非磁性体36分开了强磁性膜33、35，所以可以防止磁振子的传播。因而，由于获得所需要的输出电压值，即使流经强磁性隧道结合元件31的电流值增大，也可以抑制磁电阻变化率的降低。通过采用这种方式，可以良好地获得比较大的输出电压。而且通过用非磁性体36分开强磁性膜33、35，强磁性膜33、35进一步软磁性化。因此可以进一步提高作为MR元件的强磁性隧道结合元件31的灵敏度。
用非磁性体36分开强磁性膜33、35的结构并不限于如图19所示的那种结构。例如，还可以如图21所示，采用强磁性层35a和非磁性层38交替叠层设置的结构。通过在比较高的气压下使强磁性层35a和非磁性层38交替溅射成膜便可以获得由非磁性层38分开强磁性层35a的结构。
而且还可以通过对多层结构的强磁性膜35实施热处理的方式，形成使非磁性体38a沿着各个强磁性层35a的结晶界面配置的结构。这种多层结构的强磁性层35，是由沿各强磁性层35a的膜厚方向配置的非磁性层38和配置在强磁性层35a内的非磁性体38a分开的。图21示出了仅一个强磁性层35为多层构造的实例，但也可以在两个强磁性膜33、35中采用多层结构。
被非磁性体分开的强磁性膜可以使用由非磁性体分开成数纳米左右的磁性微粒构成的纳米结晶材料。而且在前述的实施形式的微粒磁性膜由于有被电感应体基质分开磁性微粒的结构，所以能使用其作为由强磁性隧道结合元件31的非磁性体分开的强磁性膜。
在显示巨磁电阻效应的强磁性隧道结合元件31中，沿着叠层方向流过有感应电流，在第一和第二强磁性膜33、35之间流过有隧道电流。通过测定包含这种隧道电流的感应电流的电压，便可以检测出信号磁场等等的外部磁场。这种外部磁场的检测功能与原有的MR元件相类似，即可以被利用在磁电阻效应型磁头和磁传感器等等中。而且通过使第一和第二强磁性膜33、35中矫顽力比较小的一个磁性膜作为记录层，使另一个作为自旋固定层，并且用同样的感应电流判断记录层的磁化方向的方式，还可以读取在记录层上写入的数据。因此它还可以作为磁存储器而加以利用。
上述的各实施形式中的磁性元件1、14、16、21、22、31可分别使用在磁电阻效应型磁头、磁传感器和磁存储器等等中。
使用上述各实施形式中的磁性元件1、14、16、21、22、31的磁电阻效应型磁头，其结构构成可与原有的磁电阻效应型磁头相类似。即可以利用微粒磁性膜3和强磁性膜4、或第一强磁性膜33和第二强磁性膜35中的矫顽力比较小的一个磁性膜作为磁感应层，并使这一磁感应层的磁化方向根据诸如信号磁场等等的变化而变化。通过检测这时的叠层结合部、平行排列型结合部或端边结合型结合部中的电阻，便可以检测出信号磁场。这作为磁存储器等等中的再生磁头是有效的。还可以被用作为磁传感器。
下面对将上述各实施形式中的磁性元件1、14、16、21、22、31应用于磁储存组件等等的磁存储器的场合进行说明。
对于这种场合，可将微粒磁性膜3和强磁性膜4、或第一强磁性膜33和第二强磁性膜35中的矫顽力比较小的一个磁性膜作为记录层，并将另一个作为自旋固定层。如果举例来说就是，对于采用强磁性膜4作为记录层的场合，通过检测作为记录层的强磁性膜4和微粒磁性膜3之间的感应电压，便可以实施再生。即，使作为记录层的强磁性膜4的自旋可以反转，对应与和微粒磁性膜3的自旋相平行或反平行的状态可以指定“1”、“0”。
在再生过程中，如果检测作为记录层的强磁性膜4和微粒磁性膜3之间的电压，则由于由磁电阻效应为“1”或为“0”而使再生电压不同，可以实施识别。而且可以通过诸如在强磁性膜4的上方设置字线，使脉冲电流在其中流过，并切换其方向等等的方式，进行向强磁性膜4中写入“1”或“0”。在这种动作过程中，微粒磁性膜3的自旋方向由于其矫顽力比较大而不会改变方向。
即使采用叠层型磁性元件1、14、16、31、平面型磁性元件21、22中哪个，也可以通过同样地方式构成如上所述的磁存储器。还可以将微粒磁性膜3用于记录层，并将强磁性膜4作为自旋固定层。对于使用强磁性隧道结合元件31的场合，其动作原理等等均相同。
本发明的磁存储器为非易失性固体储存器，可以不采用HDD那样的可动部而实现高可靠性，并可以实现更高速的动作。而且还可以在比较大的范围内对电阻实施控制，并可以用非破坏性方式读取被记录的信息，还可以获得比较大的输出。
下面对本发明的具体实施例和评价结果进行说明。
实施例1
使用高频溅射方法制作出具有图12和图13所示的结构的强磁性隧道结膜。在这一强磁性隧道结膜中作为微粒磁性膜成为隧道屏障。即首先在玻璃基板2上，形成取代如图12和图13所示的强磁性膜4a的、作为下部电极的、长为10毫米、宽为0.5毫米的长方形Cr膜。在其上以盖覆着Cr膜一部分的方式形成微粒磁性膜3，随后在其上再以与Cr膜相正交的方式形成与Cr膜形状相同的强磁性膜4。然后形成作为上部电极的Au膜，在其与下部电极之间施加电压，并测定磁电阻效应。
微粒磁性膜3的制造方法可以为，以Co80Pt20合金和SiO2为极靶，在Ar气压力为0.3Pa、基板偏置为400W的条件下，同时进行Co80Pt20和SiO2的溅射，形成在SiO2中分散有Co80Pt20合金微粒的膜(膜厚为10纳米)。在这种状态下用电子显微镜对构造实施观察的结果表明，Co80Pt20合金微粒在SiO4基质中的分散度大约为50％。通过在成膜过程中施加偏置的方式，可以生长出粒径大约为8纳米、颗粒间距大约为1.5纳米的Co80Pt20合金颗粒。用试样振动型磁力计测定磁化的结果表明，矫顽力为2千奥斯特大小，并具有明显的磁滞。对这一微粒磁性膜观察不到超常磁性。
在上述的微粒磁性膜3上可以形成厚度为20纳米的Co90Fe10合金膜作为强磁性膜4b。所获得的正交叠层膜的磁化曲线如图22所示。由图中可以观察到明显的两段型磁滞，它反映着在SiOx基质中分散有Co80Pt20合金微粒的微粒磁性膜3具有比较大的矫顽力，而由Co90Fe10构成的强磁性膜4b具有为20奥斯特的比较小的矫顽力。
在磁电阻效应的测定过程中，先沿负向方向施加比较大的磁场，使Co90Fe10合金膜和微粒磁性膜的自旋均指向负向方向，随后减小磁场，并沿正向方向施加。所获得的磁电阻变化率与磁场的依赖关系如图23所示。与这一磁化曲线相对应，在大约为20奥斯特的比较小的正向磁场作用下，电阻将急剧增大，这表明这一比较小的磁场使Co90Fe10合金膜产生磁化反转，进而产生了磁电阻效应。当施加更大的正向磁场时，微粒磁性膜的自旋也将反转而使电阻降低。最大电阻为2.8欧，磁电阻变化率为14％。
因此本发明的磁性元件具有非常高的灵敏度，而且其电阻比用绝缘膜作为屏障的原有的强磁性隧道结合元件要低。
比较实例1
按在制作微粒磁性膜的过程中，除了不施加基板偏置之外均与第一实施例相同的方式，用相同的材料制作成与其形状相同的叠层膜。此时的磁化曲线如图24所示，即呈Co90Fe10合金膜的磁化曲线与超常磁性的磁化曲线相重叠的形式。随着Co90Fe10合金膜的磁化反转，明显的磁电阻效应为2％左右。由于这种微粒磁性膜具有超常磁性，所以难以实现与Co90Fe10合金膜自旋的反平行状态。
实施例2
使用高频溅射方法制作出图18所示的端边结合型的强磁性隧道结合膜。即首先在玻璃基板2上，按与第一实施例相同的条件，形成取代如图18所示的下侧强磁性膜4的、长为10毫米、宽为0.5毫米的、厚为20纳米的Cr膜。在其上形成AlN绝缘层23。随后利用集束离子束，由倾斜方向将离子束照射至由Cr膜和AlN绝缘层23构成的叠层膜的端面处，以加工出倾斜的叠层膜端面。然后以盖覆着这一倾斜端面的方式，形成在SiOx基质中分散有Co80Pt20合金微粒的、厚度为10纳米的微粒磁性膜3，再在其上形成厚度为20纳米的、作为强磁性膜4的Co90Fe10合金膜。
在如上所述的端边结合型强磁性隧道结膜中，隧道电流流经Cr膜和Co90Fe10合金膜之间，测定其电压并对磁电阻效应作出评价。其结果表明，可以观察到伴随Co90Fe10合金膜的磁化反转的磁电阻效应。磁电阻变化率为22％，磁化反转磁场为20奥斯特。
实施例3
使用高频溅射方法制作出如图7所示的叠层膜。即首先在玻璃基板2上，以Fe为极靶，在Ar气压为0.3Pa、基板偏置为400W的条件下，形成作为强磁性膜4的、20纳米厚Fe膜。在其上再以((La0.7Sr0.3)MnO3)80(Bi2O3)20为极靶，在上述条件下实施溅射，制作出在Bi2O3中分散有强磁性的(La0.7Sr0.3)MnO3颗粒的膜(膜厚为10纳米)作为微粒磁性膜3。然后再在这一微粒磁性膜3上形成膜厚为20纳米的FeMn反强磁性膜10。
在FeMn反强磁性膜10上溅射形成Au电极，在其与Fe膜之间施加电压，并测定磁电阻效应。其磁电阻变化率为33％，磁化反转磁场为50奥斯特。因此，通过在微粒磁性材料中采用自旋极向偏转度为100％的(La0.7Sr0.3)MnO3颗粒，可以增大磁电阻变化率，并可以获得更高的灵敏度。
实施例4
利用溅射装置，首先在热氧化Si基板上形成厚度为100纳米的Ag层。在其上层叠5纳米的Fe层之后，再在Fe层上形成微粒磁性膜。可以在以Co80Pt20合金和SiO2为极靶、在Ar气压为1×10-3Torr、基板偏置为300W的条件下同时实施溅射的方式，形成这一微粒磁性膜。这样便获得了在SiO2基质中分散有CoPt合金微粒的、膜厚为10纳米的微粒磁性膜。磁特性测定的结果表明，微粒磁性膜的矫顽力为1.8千奥斯特左右，并可以获得明显的磁滞曲线，而且观察不到超常磁性的出现。
在上述的微粒磁性膜上制成叠层设置Ag(3纳米)/Ni80Fe20(5纳米)而的试样1，和制成叠层10层的Ag(1纳米)/Ni80Fe20(2纳米)的试样2，随后再分别叠层设置Ag层。分别在300℃的温度下，将试样1、2放在磁场中进行热处理，以获得单轴各向异性。通过在这一磁场状态下进行的热处理，可以使Ag在作为强磁性膜的Fe层和Ni80Fe20层的晶界中扩散开。可以由剖面TEM的结果中获知已经用Ag分开这种强磁性膜。
对试样1、2的隧道磁电阻变化率与施加电压的依赖关系进行测定。测定结果如图25所示。由图25中可以明确获知，即使施加在元件上的电压值的增大也可以减少元件的磁电阻变化率的降低。因此可以提供出具有比较大的输出电压的磁性元件。而且被Ag分开的Ni80Fe20在大约为4奥斯特的小磁场作用下，磁电阻会产生急剧变化，显示出它具有可作为磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器使用的良好特性。
实施例5
利用溅射装置，在玻璃基板上按在Ar气体压力为1×10-3Torr的条件下对作为极靶的Co80Pt20合金和Cu同时实施溅射。随后进行30分钟的300℃的退火。这样便获得了在Cu中分散有Co80Pt20合金微粒的、膜厚为100纳米的微粒磁性膜。磁特性测定的结果表明，微粒磁性膜的矫顽力为0.3千奥斯特左右，并可以获得明显的磁滞曲线，而且观察不到超常磁性的现象。
在上述的微粒磁性膜上成膜出厚度为1纳米的Al膜后，再向腔室内导入Ar+O2气体以进行等离子氧化处理，形成Al2O3膜。在其上制成叠层Ag(3纳米)/Ni80Fe20(5纳米)的试样1，或叠层设置10层的(Ag(1纳米)/Ni80Fe20(2纳米))的试样2，随后再分别成膜厚度为100纳米的Ag层作为复盖层。分别在300℃的温度下，将试样1、2放在磁场中进行热处理，以获得单轴各向异性。通过在这一磁场状态下实施的热处理，可以使Ag在作为强磁性膜的Ni80Fe20中扩散开。而且可以由剖面TEM结果中明确获知用Ag分开这种强磁性膜。
对试样1、2的隧道磁电阻变化率与施加电压的依赖关系进行测定。测定结果如图26所示。而且在图26中还一并示出了对强磁性膜未由非磁性体分开的Co80Pt20/Al2O3/NiFe隧道结(比较实例)的测定结果。作为比较实例的Co80Pt20/Al2O3/NiFe隧道结，当施加至元件的电压增大时其磁电阻变化率将急剧降低，而作为具有用非磁性元素Cu、Ag分开的强磁性膜的、实施例2的各个元件，即使施加电压值增大，元件的磁电阻变化率的降低也少，所以可以获得比较大的输出电压。而且被Ag分开的Ni80Fe20在大约为4奥斯特的小磁场作用下，磁电阻会产生急剧变化，从而显示出其具有可作为磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器使用的良好特性。
实施例6
利用溅射装置，在热氧化Si基板上形成Cr衬底膜，再在该Cr衬底膜上制作出微粒磁性膜。可以在以Co80Pt20合金和Al2O3为极靶、在Ar气压力为1×10-3Torr、基板偏置为300W的条件下同时实施溅射的方式，形成微粒磁性膜。这样便获得了在Al2O3基质中分散有CoPt合金微粒的、膜厚为10纳米的微粒磁性膜。磁特性测定的结果表明，这一微粒磁性膜的矫顽力为2千奥斯特左右，并可以获得明显的磁滞曲线，而且观察不到超常磁性。
在上述的微粒磁性膜上，以Ar气压为1×10-3Torr的条件形成5层的(Mo(1纳米)/Co50Fe30Ni20(2纳米))膜。这时的Ar气压比较高，故叠层比较平坦，从而可以获得如图21所示的、强磁性膜被非磁性层分开的结构。随后用铣床对这种强磁性膜进行精细加工，以制作出具有如图15所示的结构的元件，然后在磁场中实施热处理以获得单轴各向异性。
对这种试样的隧道磁电阻变化率与施加电压的依赖关系进行测定。测定结果如图27所示。对于具有用非磁性元素Mo分开的强磁性膜的元件，即使所施加的电压值增大，磁电性变化率的降低也小，因此可以获得比较大的输出电压。而且被Mo分断开的Co50Fe30Ni20在大约为15奥斯特的小磁场作用下，磁电阻会产生急剧变化，这显示出它具有可作为磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器使用的良好特性。
实施例7
利用溅射装置，在玻璃基板上以Ar气压为1×10-3Torr的条件下对作为极靶的Co-Fe-Nb-Si-B同时实施溅射。随后进行30分钟的500℃的退火，以制作出膜厚为100纳米的纳米结晶层。在其上成膜出厚度为1纳米的Al膜后，再向腔室内导入Ar+O2气体以进行等离子氧化处理，形成Al2O3膜。
在这一Al2O3膜上叠层设置Ag(3纳米)/Co(5纳米)而构成试样。随后在其上成膜出固定Ag(3纳米)/Co(5纳米)层的磁化用的、厚度为7纳米的FeMn膜，再形成作为复盖层的、厚度为100纳米的Ag膜。将试样放入磁场中，进行300℃下的热处理，以获得单轴各向异性，并且在刚刚达到FeMn的阻塞温度时使磁场方向转动90度，并使温度下降至室温。利用这种在磁场中实施热处理方式，可以使Ag在作为强磁性膜的Co中扩散开。这样便制得了一个强磁性膜为纳米结晶层、另一个强磁性膜被用Ag分断开的结构，这一点可以由剖面TEM的结果中明确获知。
对这种试样的隧道磁电阻变化率与施加电压的依赖关系进行测定。测定结果如图28所示。由图28中可以明确获知，这一实施例中的元件即使所施加的电压值增大，磁电阻变化率降低也较小。因此可以获得比较大的输出电压。而且纳米结晶层在大约为3奥斯特的小磁场作用下，磁电阻会产生急剧变化，显示出它具有可作为磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器使用的良好特性。
实施例8
利用溅射装置，在SiO2基板上形成厚度为100纳米的Cr膜，再在其上制作出微粒磁性膜。可以通过以Co90Fe10合金和Al2O3为极靶、在Ar气压为1×10-3Torr、基板偏置为400W的条件下同时实施溅射的方式，形成微粒磁性膜。这样便获得了在Al2O3基质中分散有CoFe合金微粒的、膜厚为15纳米的微粒磁性膜。磁特性测定的结果表明，微粒磁性膜的矫顽力为30奥斯特左右，并可以获得具有明显角形的强磁性磁滞曲线，而且观察不到超常磁性。
在这种微粒磁性膜上叠层设置Ag(3纳米)/Co80Pt20(5纳米)膜，随后再成膜出作为复盖层的、厚度为100纳米的Ag层而构成试样。将试样放入磁场中，进行300℃下的热处理，以获得单轴各向异性。利用这种在磁场中实施热处理方式，可以使Ag在作为强磁性膜的Co80Pt20的晶界中扩散开。可以由剖面TEM的结果中明确获知这一强磁性膜已经被Ag分开。
对这种试样的隧道磁电阻变化率与施加电压的依赖关系进行测定。测定结果如图29所示。由图29中可以明确获知，即使施加在元件上的电压值增大，而磁电阻变化率降低也较小，因此可以获得比较大的输出电压。而且微粒磁性膜在大约为30奥斯特的小磁场作用下，磁电阻会产生急剧变化，从而显示出它具有可作为磁电阻效应型磁头、磁传感器、磁存储器使用的良好特性。

Claims (20)

1.一种磁性元件，包括有：
具有电感应体基质和分散在所述电感应体基质中的强磁性微粒的、并且具有矫顽力的微粒磁性膜，
以及与所述微粒磁性膜邻接配置的、在与微粒磁性膜之间可流过隧道电流的强磁性膜。
2.权利要求1所述的磁性元件，其特征在于：
所述强磁性膜由夹着所述微粒磁性膜而相对设置的第一及第二强磁性膜构成，
隧道电流在所述微粒磁性膜和所述第一强磁性膜之间以及所述微粒磁性膜和所述第二强磁性膜之间流过。
3.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于通过使所述微粒磁性膜和所述强磁性膜中的一个磁性膜的自旋方向随外部磁场而变化，获得磁电阻效应。
4.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述微粒磁性膜和所述强磁性膜通过形成强磁性隧道结的方式叠层配置。
5.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述微粒磁性膜和所述强磁性膜通过形成强磁性隧道结的方式、在基板上沿着基板表面呈排列配置。
6.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述强磁性微粒的微粒粒径为5～10纳米，而且在所述电感应体基质中以约3纳米以下的间隔分散配置。
7.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述强磁性微粒在所述电感应体基质中呈层状配置。
8.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述的强磁性膜具有通过非磁性层叠层设置的两层强磁性层，而且所述的两层强磁性层以彼此反平行的方式结合。
9.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于还包括有向所述微粒磁性膜施加偏置磁场用的偏置磁场施加膜。
10.一种如权利要求9所述的磁性元件，其特征在于所述偏置磁场施加膜是硬磁性膜、反强磁性膜或反强磁***换结合膜中的任何一个。
11.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述的强磁性膜被非磁性体分开。
12.一种如权利要求11所述的磁性元件，其特征在于所述的非磁性体沿着所述强磁性膜的结晶晶界配置。
13.一种如权利要求1所述的磁性元件，其特征在于所述强磁性膜具有多个强磁性层和多个非磁性层，上述强磁性层和上述非磁性层交替叠层而构成。
14.一种磁性元件(31)，包括：其厚度可使隧道电流流过的隧道绝缘层(34)；夹着所述隧道绝缘层配置的第一强磁性膜(33)及第二强磁性膜(35)，
其特征在于，
所述第一强磁性膜及第二强磁性膜中至少一个在膜面方向上被非磁性体(36)分开。
15.一种如权利要求14所述的磁性元件，其特征在于通过使所述第一和第二强磁性膜中的至少一个强磁性膜的自旋方向随外部磁场的变化，获得磁电阻效应。
16.一种如权利要求14所述的磁性元件，其特征在于所述非磁性体沿着所述强磁性膜的结晶晶界配置。
17.一种如权利要求14所述的磁性元件，其特征在于所述的强磁性膜具有交替叠层设置的强磁性层和非磁性层。
18.一种如权利要求14所述的磁性元件，其特征在于所述强磁性膜由其强磁性微粒被非磁性体分开而形成的纳米晶体材料构成。
19.一种读取被写入记录层的数据的磁头，其特征在于具有如下的结构：
设有分散在电感应体基质中的强磁性微粒组成的具有矫顽力的微粒磁性膜和靠近所述微粒磁性膜而配置的强磁性膜的磁性元件上，被供给用以通过判定所述记录层的磁化方向来读取被写入所述记录层的数据的读出电流，以使隧道电流流过所述微粒磁性膜和所述强磁性膜之间。
20.一种读取被写入记录层的数据的磁记录装置，其特征在于具有如下的结构：
设有分散在电感应体基质中的强磁性微粒组成的具有矫顽力的微粒磁性膜和靠近所述微粒磁性膜而配置的强磁性膜的磁性元件上，被供给用以通过判定所述记录层的磁化方向来读取被写入所述记录层的数据的读出电流，以施加用以在所述记录层上写入数据的电流磁场，并使隧道电流流过所述微粒磁性膜和所述强磁性膜之间。
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