JP3088478B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
磁界強度を信号として読み取るための磁気抵抗効果素子
に関するものである。実用性の高い磁気抵抗効果素子
は、小さい外部磁場で、抵抗変化率が大きいことが要求
される。本発明に係る磁気抵抗効果素子は、小さい外部
磁場で、抵抗変化率が大きく、充分な実用性を有してい
る。
気記録における高密度化が進められており、これに伴い
磁気抵抗効果型磁気センサー(以下、MRセンサーとい
う。)及び磁気抵抗効果型磁気ヘッド(以下、MRヘッ
ドという。)の開発が盛んに進められている。MRセン
サーもMRヘッドも、磁性材料からなる読み取りセンサ
ー部の抵抗変化により、外部磁界信号を読み出す訳であ
るが、MRセンサー及びMRヘッドは、記録媒体との相
対速度が再生出力に依存しないことから、MRセンサー
では高感度が、MRヘッドでは高密度磁気記録において
も高い出力が得られるという特長がある。
磁性体Ni0.8Fe0.2等を利用したMRセンサーでは、抵
抗変化率△R/R(後に定義する。)がせいぜい2〜5
%位であることから、さらに抵抗変化率の大きなMR素
子が求められてきた。
になっている[Fe/Cr]Nを代表とする人工格子膜で大
きな磁気抵抗効果が起きることが発見された[フィジカ
ル・レビュー・レターズ(Phys.Rev.Lett.)第6
1巻、2472頁、1988年]。しかし、この人工格
子膜では最大抵抗変化の起きる外部磁場が十数KOe〜
数十KOeと大きく、このままでは実用性がない。
MRセンサー及びMRヘッドでは抵抗変化率が小さく、
またFe/Crをはじめとする人工格子膜では抵抗変化の
起こる外部磁場が大きすぎるという問題があった。本発
明者らは、この問題点を解決するため鋭意研究を重ねた
結果、極めて実用性の高い磁気抵抗効果素子の作製に成
功したのである。
板、及び該基板上に非磁性薄膜層を介して積層された少
なくとも2層の磁性薄膜を有してなり、非磁性薄膜層を
介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異なっており、磁性薄
膜層及び非磁性薄膜層の厚みが各々200オングストロ
ーム以下であり、非磁性薄膜層を介して積層された少な
くとも2層の磁性薄膜からなる人工格子膜の繰返し積層
回数が少なくとも2であることを特徴とする磁気抵抗効
果素子を提供するものである。
膜を介して隣合った磁性薄膜層の保磁力は互いに異なっ
ていることが必須である。その理由は、本発明の原理
が、隣合った磁性層の磁化の向きがズレているとき、伝
導電子がスピンに依存した散乱を受け、抵抗が増え、磁
化の向きが互いに逆向きに向いたとき、最大の抵抗を示
すことにあるからである。すなわち、本発明では、図2
で示すごとく外部磁場が磁性薄膜層の保磁力Hc2と磁性
薄膜層の保磁力Hc3の間(Hc2<H<Hc3)であると
き、隣合った磁性層の磁化の方向が互いに逆向きにな
り、抵抗が増大する。なお、外部磁場、保磁力及び磁化
の方向の関係に付いては後に詳述する。
特に制限されないが、具体的には、Fe,Ni,Co,M
n,Cr,Dy,Er,Nd,Tb,Tm,Ce,Gd等が好まし
い。また、これらの元素を含む合金や化合物としては、
例えば、Fe−Si,Fe−Ni,Fe−Co,Fe−Gd,F
e−Al−Si(センダスト等),Fe−Y,Fe−Mn,C
r−Sb,Co系アモルファス合金、Co−Pt,Fe−A
l,Fe−C,Mn−Sb,Ni−Mn,Co−O,Ni−O,
Fe−O,Ni−F,フェライト等が好ましい。
異なる2種またはそれ以上を選択して磁性薄膜を形成す
る。
グストームである。一方、磁性薄膜の厚さの下限は特に
ないが、4オングストローム以下はキューリー点が室温
より低くなって実用性がなくなる。また、厚さを4オン
グストローム以上とすれば、膜厚を均一に保つことが容
易となり、膜質も良好となる。また、飽和磁化の大きさ
が小さくなりすぎることもない。膜厚を200オングス
トローム以上としても効果は落ちないが、膜厚の増加に
伴って効果が増大することもなく、膜の作製上無駄が多
く、不経済である。
ける外部磁界強度や要求される抵抗変化率等に応じて、
例えば約0.001Oe〜約10kOeの範囲から適宜選
択すればよい。また、隣接する磁性薄膜の保磁力の比
は、1.2:1〜100:1、好ましくは5:1〜5
0:1、より好ましくは8:1〜20:1である。
薄膜の磁気特性を直接測定することはできないので、通
常、下記のようにして測定する。測定すべき磁性薄膜
を、磁性薄膜の合計厚さが200〜400オングストロ
ーム程度になるまで非磁性薄膜と交互に蒸着して測定用
サンプルを作製し、これに付いて磁気特性を測定する。
この場合、磁性薄膜の厚さ、非磁性薄膜の厚さ及び非磁
性薄膜の組成は、磁気抵抗効果測定素子におけるものと
同じにする。
定はないが、低保磁力の磁性薄膜の角形比は0.9〜
1.0であるのが好ましい。
層間の磁気相互作用を弱める役割をはたす材料であり、
その種類に特に制限はなく、各種金属ないし半金属非磁
性体及び非金属非磁性体から適宜選択すればよい。
Pt,Al,Mg,Mo,Zn,Nb,Ta,V,Hf,Sb,
Zr,Ga,Ti,Sn,Pb等及びこれらの合金が好まし
い。半金属非磁性体としては、Si,Ge,C,B等及び
これらに別の元素を添加したものが好ましい。非金属非
磁性体としては、SiO2,SiO,SiN,Al2O3,Zn
O,MgO,TiN等及びこれらに別の元素を添加したも
のが好ましい。
ーム以下が望ましい。一般に膜厚が200オングストロ
ームを超えると、非磁性薄膜層により抵抗が決まってし
まい、スピンに依存する散乱効果が相対的に小さくなっ
てしまい、その結果、磁気抵抗変化率が小さくなってし
まう。一方、膜厚が4オングストローム以下になると、
磁性薄膜層間の磁気相互作用が大きくなり過ぎ、両磁性
薄膜の磁化方向が相異なる状態が生じにくくなる。
顕微鏡、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光分析等に
より測定することができる。また、薄膜の結晶構造は、
X線回折や高速電子線回折等により確認することができ
る。
格子膜の繰返し積層回数Nに特に制限はなく、目的とす
る磁気抵抗変化率等に応じて適宜選定すればよいが、十
分な磁気抵抗変化率を得るためには、Nを3以上にする
のが好ましい。また、積層数を増加するに従って、抵抗
変化率も増加するが、生産性が悪くなり、さらにNが大
きすぎると素子全体の抵抗が低くなりすぎて実用上の不
便が生じることから、通常、Nを50以下とするのが好
ましい。
異なる2種類の磁性薄膜だけを用いているが、保磁力が
それぞれ異なる3種以上の磁性薄膜を用いることによ
り、磁化方向が逆転する外部磁界を2箇所以上設定で
き、動作磁界強度の範囲を拡大することができる。
けい素や酸化けい素等の酸化防止膜が設けられてもよ
く、電極引出のための金属導電層が設けられてもよい。
線エピタキシー法(MBE)等の方法で行う。また、基
板としては、ガラス,けい素,MgO,GaAs,フェラ
イト,CaTiO等を用いることができる。
の関係を説明する。簡素化の為、保磁力の異なった2種
類の磁性薄膜及びに限定して説明する。図2に示す
ように、2種類の磁性薄膜層のHcをそれぞれHc2及び
Hc3とする(0<Hc2<Hc3)。最初、外部磁場Hを、
H<−Hcm(Hcmは、磁性薄膜の磁化が飽和する外部
磁界である。)となるようにかけておく。磁性薄膜層
及びの磁化方向は、Hと同じ−(負)方向に向いてい
る。次に外部磁場を上げていくと、H<Hc2の領域
(I)では、まだ両磁性薄膜層磁化方向は−方向を向い
ている。
(II)になると、磁性薄膜層の磁化方向が反転し、磁
性薄膜層及びの磁化方向は互いに逆向きになる。更
に外部磁場を大きくしたHcm<Hの領域(III)では、
磁性薄膜層及びの磁化方向は、+方向に揃って向
く。
<Hの領域(IV)では磁性薄膜層及びの磁化方向は
+方向のままであるが、−Hc3<H<−Hc2の領域
(V)では、磁性薄膜層の磁化方向は−方向に反転
し、磁性薄膜層及びの磁化方向は互いに逆向きにな
る。更に、H<−Hcmの領域(VI)では、磁性薄膜層
及びの磁化方向は−方向に揃って向く。この磁性薄膜
層及びの磁化方向が互いに逆向きになっている領域
(II)及び(V)で、伝導電子がスピンに依存した散乱
を受け、抵抗は大きくなる。
Fe0.2(Hc2数Oe)を選び、磁性薄膜層にHcのやや
大きい例えばCo(Hc3数十Oe)を選ぶことにより、外
部磁場Hc2付近の小外部磁場で大きな抵抗変化率を示す
MR素子が得られる。
して説明する。図1は、本発明の実施例である人工格子
膜1の断面図である。図1において、人工格子膜1は、
基板4上に磁性薄膜M1,M2,…,Mn-1,Mnを有し、
隣接する2層の磁性薄膜の間に、非磁性薄膜N1,N2,
…,Nn-2,Nn-1を有する。
明する。実施例1 基板としてガラス基板4を用い、超高真空蒸着装置の
中に入れ、10-9〜10-10torrまで真空引きを行う。
基板温度は室温に保ったまま基板を回転させながら、以
下の組成をもつ人工格子膜1を作製した。磁界を基板の
面内方向に印加しながら、約0.3オングストローム/
秒の製膜速度で、製膜を行った。
構成及び磁気抵抗変化率を下記表1に示す。なお、表1
において、例えば、[Ni0.8Fe0.2(30)/Cu(20)/Co
(30)/Cu(20)]5と表示されている場合、30オングス
トローム厚のNi80%−Fe20%の合金薄膜、20
オングストローム厚のCu薄膜、30オングストローム
厚のCo薄膜及び20オングストローム厚のCu薄膜を順
次蒸着する工程を5回繰り返したことを意味する。
た。抵抗測定は、表1に示される構成の試料から0.3
×10mmの形状のサンプルを作成し、外部磁界を面内に
電流と垂直方向になるようにかけながら、−500〜5
00Oeまで変化させたときの抵抗を4端子法により測
定し、その抵抗から磁気抵抗変化率ΔR/Rを求めた。
抵抗変化率ΔR/Rは、最大抵抗値をRmax、最小抵抗
値をRminとし、次式により計算した:
o(25)/Cu(55)]5のB−H曲線及び外部磁場−抵抗曲線
をそれぞれ示す。
抗効果素子を作成した。
向(H.A.)に外部磁場を−3000Oe〜3000
Oeまで変化させてかけ、抵抗変化率を測定した。結果
を表2に示す。
および[Ni(30)/Cu(35)/Co(30)/Cu(35)]15の構成
でも上記とほぼ同様の効果を得た。
類、膜厚を変える実験を行ったところ、人工格子膜のB
−H曲線の形状が少しずつ変わり、それにつれて抵抗変
化率△R/Rの大きさ、外部磁場−抵抗曲線の形状、最
大抵抗値Rmaxを示すときの外部磁場HRが変化すること
が明らかとなった。すなわち、本発明の磁気抵抗効果素
子では、磁性薄膜の磁気特性、非磁性薄膜の厚さ、種類
を選択することにより、極めて高い抵抗変化率が実現
し、しかも抵抗値が最大となる磁界強度を比較的自由に
設定することができる。
効果素子で、数Oe〜数十Oe程度の小さい外部磁場で数
%〜数十%の大きい抵抗変化率をもつ磁気抵抗効果素子
が得られる。従って高感度のMRセンサー及び高密度磁
気記録が可能なMRヘッドを提供することできる。
面図である。
である。
のB−H曲線である。
の外部磁界Hと抵抗Rとの関係を示す曲線である。
N1,N2,…,Nn-1:非磁性薄膜層、4:基板
Claims (1)
- 【請求項1】 基板、及び該基板上に非磁性薄膜層を介
して積層された少なくとも2層の磁性薄膜を有してな
り、非磁性薄膜層を介して隣合う磁性薄膜の保磁力が異
なっており、磁性薄膜層及び非磁性薄膜層の厚みが各々
200オングストローム以下であり、非磁性薄膜層を介
して積層された少なくとも2層の磁性薄膜からなる人工
格子膜の繰返し積層回数が少なくとも2であることを特
徴とする磁気抵抗効果素子。
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