CN112349833A - 磁阻效应元件以及惠斯勒合金 - Google Patents

磁阻效应元件以及惠斯勒合金 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够减少磁化的旋转所需要的能量的磁阻效应元件以及惠斯勒合金。该磁阻效应元件具备：第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一个是由Co2FeαZβ表示的合金的元素的一部分被取代元素取代的惠斯勒合金，Z是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素，α和β满足2.3≤α+β、α<β且0.5<α<1.9，所述取代元素与所述Z的元素不同，并且所述取代元素是比Co磁矩小的元素。

Description

磁阻效应元件以及惠斯勒合金
技术领域
本发明涉及一种磁阻效应元件以及惠斯勒合金。本申请要求基于2019年8月8日在日本提交的日本专利申请特愿2019-146359号的优先权，并且在此引用其内容。
背景技术
磁阻效应元件是层叠方向的电阻值根据磁阻效应而变化的元件。磁阻效应元件具备两个铁磁性层和被该两个铁磁性层夹持的非磁性层。在非磁性层中使用了导体的磁阻效应元件被称为巨磁阻(GMR)元件，在非磁性层中使用了绝缘层(隧道势垒层、势垒层)的磁阻效应元件被称为隧道磁阻(TMR)元件。磁阻效应元件可以应用于磁传感器、高频部件、磁头以及非易失性随机存取存储器(MRAM)等的各种用途。
在非专利文献1中，公开了在GMR元件的铁磁性层中使用了作为惠斯勒合金的Co2FeGa0.5Ge0.5合金的例子。惠斯勒合金作为在室温下达成100％自旋极化率的可能性高的材料而被研究。
现有技术文件
非专利文件
非专利文献1：Appl.Phys.Lett.108,102408(2016).
发明内容
发明想要解决的技术问题
利用了磁阻效应元件的存储元件(例如，MRAM)利用铁磁性层的磁化反转来存储信息。利用了磁阻效应元件的高频设备利用铁磁性层的磁化的岁差运动(precessionmotion)，来使高频振荡。磁传感器利用铁磁性层的磁化的旋转或磁化的振动来读取外部的磁状态。当铁磁性层的磁化方向变得容易改变(磁化旋转或磁化反转变得容易)时，驱动元件所需要的能量变小。惠斯勒合金的饱和磁化的值与CoFe合金等相比较小，并且铁磁性层的磁化的方向容易变化。需要一种能够进一步减小磁化的旋转所需要的能量的磁阻效应元件以及惠斯勒合金。
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种能够进一步减小磁化的旋转所需要的能量的磁阻效应元件以及惠斯勒合金。
用于解决技术问题的技术手段
本发明者们发现，通过将构成惠斯勒合金的元素的一部分用磁矩小的元素取代，从而能够进一步减小铁磁性层的磁化的旋转所需要的能量。为了解决上述技术问题，本发明提供以下手段。
[1]根据第一方式所涉及的磁阻效应元件，其具备：第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一个是由Co2FeαZβ表示的合金的元素的一部分被取代元素取代的惠斯勒合金，Z是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素，α和β满足2.3≤α+β、α<β且0.5<α<1.9，所述取代元素与所述Z的元素不同，并且所述取代元素是比Co磁矩小的元素。
[2]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述惠斯勒合金可以由下述通式(1)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)αZβ……(1)
式(1)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，a和b满足0<a<0.5且b≥0。
[3]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述第二取代元素可以是选自第4族到第10族的元素中比Fe熔点高的元素中的一种以上的元素。
[4]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述惠斯勒合金可以由下述通式(2)表示：
(Co1-aX1a)2FeαZβ……(2)
式(2)中，X1是所述取代元素，a满足0<a<0.5。
[5]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述取代元素可以是选自Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt和Au中的一种以上的元素。
[6]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述取代元素可以是选自Cu、Ag和Au中的一种以上的元素。
[7]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述惠斯勒合金可以由下述通式(3)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ga1-cZ1c)β……(3)
式(3)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，Z1是选自Mn、Cr、Al、Si、Ge和Sn中的一种以上的元素，并且满足0<a<0.5、b≥0、且0.1≤β(1-c)。
[8]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述通式(3)中的c可以满足c>0.5。
[9]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述惠斯勒合金可以由下述通式(4)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ge1-dZ2d)β……(4)
式(4)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，Z2是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga和Sn中的一种以上的元素，并且满足0<a<0.5、b≥0、且0.1≤β(1-d)。
[10]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述通式(4)中的d可以满足d<0.5。
[11]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述Z2可以是Ga。
[12]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述α和β可以满足2.3≤α+β<2.66。
[13]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，所述α和β可以满足2.45≤α+β<2.66。
[14]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，可以构成为所述非磁性层包含Ag。
[15]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，可以构成为在所述第一铁磁性层与非磁性层之间以及在所述第二铁磁性层与非磁性层之间，分别进一步具有包含NiAl合金的NiAl层。
[16]在上述方式所涉及的磁阻效应元件中，可以构成为所述NiAl层的厚度t为0<t≤0.63nm。
[17]根据第二方式所涉及的惠斯勒合金，其是由Co2FeαZβ所表示的合金的元素的一部分被取代元素取代，Z是选自Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素，α和β满足2.3≤α+β、α<β且0.5<α<1.9，所述取代元素与所述Z的元素不同，并且所述取代元素是比Co磁矩小的元素。
发明的效果
能够减少铁磁性层的磁化的旋转所需要的能量。
附图说明
图1是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。
图2A是由X2YZ的组成式所表示的惠斯勒合金的晶体结构的一例，即，L21结构。
图2B是由X2YZ的组成式所表示的惠斯勒合金的晶体结构的一例，即，来自L21结构的B2结构。
图2C是由X2YZ的组成式所表示的惠斯勒合金的晶体结构的一例，即，来自L21结构的A2结构。
图3是第二实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。
图4是第三实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。
图5是适用例1所涉及的磁记录装置的截面图。
图6是适用例2所涉及的磁记录装置的截面图。
图7是适用例3所涉及的磁记录装置的截面图。
图8是适用例4所涉及的自旋流磁化旋转元件的截面图。
图9是适用例5所涉及的磁畴壁移动元件的截面图。
图10是适用例6所涉及的磁畴壁移动元件的截面图。
图11是适用例7所涉及的磁畴壁移动元件的立体图。
图12是适用例8所涉及的高频设备的截面图。
符号的说明
101、102、103……磁阻效应元件；10……基板；20……基底层；21……第一基底层；22……第二基底层；23……第三基底层；24……第四基底层；30……第一铁磁性层；40……第一NiAl层；50……非磁性层；60……第二NiAl层；70……第二铁磁性层；80……盖层；201……磁记录装置；202、203……磁记录元件；210……磁头；220……电阻测量器；230……电源；240……测量部；300……自旋流磁化旋转元件；400……磁畴壁移动型磁记录元件；401……第一铁磁性层；402……第二铁磁性层；403……非磁性层；404……第一磁化固定层；405……第二磁化固定层；500……磁性细线装置；510……磁记录媒体；511……磁性细线；511A……第一磁畴；511B……第二磁畴；512……基底层；513……基板；520……磁记录磁头；530……脉冲电源；600……磁畴壁移动型空间光调制器；610……第一磁化固定层；620……第二磁化固定层；630……光调制层；631、636……重叠区域；632、635……初始磁畴区域；633、634……磁畴变化区域；700……高频设备；701……直流电源；702……电感器；703……电容器；704……输出端口；705、706……配线；DW……磁畴壁。
具体实施方式
在下文中，对于本实施方式，一边适当地参照附图一边进行详细说明。对于在以下的说明中使用的附图而言，为了容易理解本实施方式的特征，方便起见，有时将成为特征的部分放大表示，并且各构成要素的尺寸比率等有时与实际不同。在以下的说明中例示出的材料、尺寸等仅作为一例，本发明不限于此，能够在不改变其要旨的范围内适当改变来实施。
[第一实施方式]
图1是第一实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。图1是在磁阻效应元件的各层的层叠方向上切断磁阻效应元件101的截面图。磁阻效应元件101在基板10上具有基底层20、第一铁磁性层30、第一NiAl层40、非磁性层50、第二NiAl层60、第二铁磁性层70和盖层80。非磁性层50位于第一铁磁性层30与第二铁磁性层70之间。第一NiAl层40位于第一铁磁性层30与非磁性层50之间，第二NiAl层60位于非磁性层50与第二铁磁性层70之间。
(基板)
基板10是构成磁阻效应元件101的台基的部分。基板10优选使用平坦性优异的材料。基板10包含例如金属氧化物单晶、硅单晶、带热氧化膜的硅单晶、蓝宝石单晶、陶瓷、石英以及玻璃。基板10中所包含的材料只要是具有适度的机械强度，并且适合于热处理或精细加工的材料，则没有特别限定。作为金属氧化物单晶，例如，可以列举MgO单晶。包含MgO单晶的基板，例如可以使用溅射法容易地形成外延生长膜。使用了该外延生长膜的磁阻效应元件显示大的磁阻特性。基板10的种类根据目标产品而不同。在产品是MRAM的情况下，基板10例如是具有电路结构的Si基板。在产品是磁头的情况下，基板10例如是易于加工的AlTiC基板。
(基底层)
基底层20位于基板10和第一铁磁性层30之间。基底层20例如从靠近基板10的位置起依次具有第一基底层21、第二基底层22和第三基底层23。
第一基底层21是缓和基板10的晶格常数和第二基底层22的晶格常数之差的缓冲层。第一基底层21的材料可以是导电性的材料、绝缘性的材料中的任意种。第一基底层21的材料根据基板10的材料和第二基底层22的材料而不同，但是例如是具有(001)取向的NaCl结构的化合物。具有NaCl结构的化合物例如是包含选自Ti、Zr、Nb、V、Hf、Ta、Mo、W、B、Al、Ce中的至少一种元素的氮化物，或者是包含选自Mg、Al、Ce中的至少一种元素的氧化物。
第一基底层21的材料，例如，可以是由ABO3的组成式所表示的(002)取向的钙钛矿系导电性氧化物。钙钛矿系导电性氧化物包含例如选自Sr、Ce、Dy、La、K、Ca、Na、Pb、Ba中的至少一种元素作为位点A，包含例如选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ga、Nb、Mo、Ru、Ir、Ta、Ce、Pb中的至少一种元素作为位点B的氧化物。
第二基底层22是提高层叠于第二基底层22之上的上部的层的结晶性的晶种层。第二基底层22包含例如MgO、TiN和NiTa合金中的至少一种。第二基底层22例如，是包含Co和Fe的合金。包含Co和Fe的合金例如是Co-Fe、Co-Fe-B。
第三基底层23是缓和第二基底层22的晶格常数和第一铁磁性层30的晶格常数之差的缓冲层。在第三基底层23作为用于流通检测用电流的电极使用的情况下，例如，包含金属元素。金属元素例如是Ag、Au、Cu、Cr、V、Al、W和Pt中的至少一种。第三基底层23可以是包含具有通过流通电流时的自旋霍尔效应从而产生自旋流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物、金属磷化物中的任意种的层。此外，第三基底层23例如可以是具有(001)取向的四方晶结构或立方晶结构，并且包含选自Al、Cr、Fe、Co、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au、Mo、W、Pt中的至少一种元素的层。第三基底层23可以是这些金属元素的合金、或者是由这些金属元素的两种以上构成的材料的层叠体。金属元素的合金例如可以包含有立方晶系的AgZn合金、AgMg合金、CoAl合金、FeAl合金和NiAl合金。
基底层20作为缓和基板10和第一铁磁性层30的晶格常数之差的缓冲层发挥功能，并且提高形成于基底层20之上的上部的层的结晶性。可以去除第一基底层21、第二基底层22、第三基底层23。即，可以没有基底层20，也可以是一层或两层。另外，第一基底层21、第二基底层22以及第三基底层23中的任意个可以用相同的材料来形成。另外，基底层20可以不限于三层，也可以是四层以上。
(第一铁磁性层、第二铁磁性层)
第一铁磁性层30和第二铁磁性层70是磁性体。第一铁磁性层30和第二铁磁性层70分别具有磁化。磁阻效应元件101输出第一铁磁性层30的磁化与第二铁磁性层70的磁化的相对角的变化作为电阻值变化。
第二铁磁性层70的磁化例如比第一铁磁性层30的磁化更容易移动。在施加了规定的外力的情况下，第一铁磁性层30的磁化的方向不发生变化(被固定)，第二铁磁性层70的磁化的方向发生变化。通过相对于第一铁磁性层30的磁化的方向，第二铁磁性层70的磁化的方向发生变化，从而磁阻效应元件101的电阻值发生变化。在这种情况下，有时第一铁磁性层30可以被称为磁化固定层，第二铁磁性层70可以被称为磁化自由层。在下文中，将以第一铁磁性层30为磁化固定层、以第二铁磁性层70为磁化自由层的情况为例进行说明，但是该关系可以相反。
在施加了规定的外力时的第一铁磁性层30的磁化与第二铁磁性层70的磁化之间的移动容易度之差，由第一铁磁性层30的磁化与第二铁磁性层70的矫顽力的差异引起。例如，当使第二铁磁性层70的厚度比第一铁磁性层30的厚度薄时，第二铁磁性层70的矫顽力变得比第一铁磁性层30的矫顽力小。另外，例如，在第一铁磁性层30的与非磁性层50为相反侧的面，经由间隔层，而设置反铁磁性层。第一铁磁性层30、间隔层、反铁磁性层成为合成反铁磁性结构(SAF结构)。合成反铁磁性结构由夹持间隔层的两个磁性层构成。通过第一铁磁性层30与反铁磁性层进行反铁磁性耦合，从而第一铁磁性层30的矫顽力变得比不具有反铁磁性层的情况大。反铁磁性层例如是IrMn、PtMn等。间隔层例如包含选自Ru、Ir、Rh中的至少一种。
第一铁磁性层30例如是选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含这些金属中的一种以上的合金、以及包含有这些金属与B、C和N中的至少一种的元素的合金。第一铁磁性层30例如优选Co-Fe、Co-Fe-B。第一铁磁性层30可以是与后述的第二铁磁性层70相同的惠斯勒合金。
第二铁磁性层70是惠斯勒合金。惠斯勒合金是通过非磁性层50的电子仅为向上或向下的自旋，并且自旋极化率表示为理想情况下的100％的半金属。
由X2YZ表示的铁磁性的惠斯勒合金被称为全惠斯勒合金，并且是基于bcc结构的典型的金属间化合物。由X2YZ表示的铁磁性的惠斯勒合金具有L21结构、B2结构和A2结构中的任一种的晶体结构。在由X2YZ的组成式所表示的化合物中，结晶性以L21结构>B2结构>A2结构的顺序变高。
图2A～C是由X2YZ的组成式所表示的惠斯勒合金的晶体结构的一例，图2A是L21结构的惠斯勒合金的晶体，图2B是来自L21结构的B2结构，图2C是来自L21结构的A2结构。L21结构固定有进入X位点的元素、进入Y位点的元素、以及进入Z位点的元素。B2结构中进入Y位点的元素和进入Z位点的元素混合存在，并且进入X位点的元素被固定。A2结构中进入X位点的元素、进入Y位点的元素和进入Z位点的元素混合存在。
在本实施方式所涉及的惠斯勒合金中，α和β为2.3≤α+β。α是在取代前的状态下将Co元素的数目设定为2时的Fe元素的数目，β是在取代前的状态下将Co元素的数目设定为2时的Z元素的数目。在取代后的状态下，例如，是将Co元素以及后述的取代元素的数目设定为2时为Fe元素的数目，β是将Co元素以及后述的取代元素的数目设定为2时的后述的Z元素的数目。本实施方式所涉及的惠斯勒合金偏离图2A所示的由X2YZ所表示的惠斯勒合金的化学计量组成(α+β＝2)。α+β优选为2.3≤α+β<2.66、特别优选为2.45<α+β<2.66。
在本实施方式所涉及的惠斯勒合金中，α和β满足α<β的关系。Fe元素有时取代X元素位点的元素。将Fe元素取代X元素位点称为反位点。反位点会使惠斯勒合金的费米能级发生变动。当费米能级发生变动时，惠斯勒合金的半金属性能降低，并且自旋极化率降低。自旋极化率的降低是磁阻效应元件101的MR比降低的原因。α和β优选为α<β<2×α、特别优选为α<β<1.5×α。通过使β相对于α不会过于变大，从而可以抑制惠斯勒合金的晶体结构被打乱，并且可以抑制磁阻效应元件101的MR比的降低。
另外，在本实施方式所涉及的惠斯勒合金中，α满足0.5<α<1.9的关系。为了抑制反位点，α优选为0.8<α<1.33、特别优选为0.9<α<1.2。
另外，在本实施方式所涉及的惠斯勒合金中，由Co2FeαZβ所表示的合金的元素的一部分被取代元素取代。Z元素是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素。取代元素取代Co元素、Fe元素和Z元素中的任意种。取代元素主要取代Co元素。
取代元素是不同于Z元素的元素，并且是比Co磁矩小的元素。取代元素例如是选自Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt、Au中的一种以上的元素。这些元素即使被取代Co元素，也容易维持晶体结构。另外，取代元素优选为选自Cu、Ag、Au中的一种以上的元素。由洪德规则(Hund's rules)确定的每个原子的磁性体的磁矩的大小随着最外层价电子数越小而变得越小。当Co元素的一部分被选自Cu、Ag、Au中的一种以上的元素取代时，可以减少最外层价电子数，并且可以减少饱和磁化。当磁性体的饱和磁化变小时，变得容易磁化反转。
本实施方式的惠斯勒合金例如由以下通式(1)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)αZβ……(1)
式(1)中，X1是取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素。a和b满足0<a<0.5且b≥0。在通式(1)中，α是当将X位点的元素(Co元素或取代元素)的数目设定为2时的Y位点的原子(Fe元素或者第二元素)的数目，β是当将X位点的元素的数目设定为2时的Z元素的数目。
第二取代元素可以与取代元素相同，也可以不同。第二取代元素优选为选自第4族到第10族的元素中比Fe元素熔点高的元素中的一种以上的元素。通过用比Fe元素熔点高的元素来取代Fe元素，从而可以提高惠斯勒合金的熔点。当惠斯勒合金的熔点变高时，可以抑制从惠斯勒合金向其它的层的元素扩散，还可以抑制磁阻效应元件101的MR比的降低。
另外，本实施方式的惠斯勒合金例如可以由下述通式(2)表示：
(Co1-aX1a)2FeαZβ……(2)
式(2)中，X1是取代元素。a满足0<a<0.5。在通式(1)中，α是当将X位点的元素(Co元素或取代元素)的数目设定为2时的Y位点的元素(Fe元素或者第二元素)的数目，β是当将X位点的元素的数目设定为2时的Z元素的数目。通式(2)是通式(1)的Fe元素未被取代时的通式，与通式(1)中的b＝0时一致。
另外，本实施方式的惠斯勒合金例如可以由下述通式(3)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ga1-cZ1c)β……(3)
式(3)中，X1是取代元素，Y1是第二取代元素，Z1是选自Mn、Cr、Al、Si、Ge和Sn中的一种以上的元素。通式(3)满足0<a<0.5、b≥0、0.1≤β(1-c)。通式(3)对应于通式(1)中的Z元素的一部分为Ga的情况。
Ga的熔点低，并且即使在低温下也可以使惠斯勒合金的晶体结构有序化。当将X位点的元素(Co元素或取代元素)的数目设定为2时，如果含有0.1以上的Ga，则惠斯勒合金即使在低温下也容易有序化。通式(3)的惠斯勒合金可以抑制构成元素向其它的层进行元素扩散，并且可以抑制磁阻效应元件101的MR比的降低。另外，Ga元素的存在比优选比Z1元素的存在比小。即，优选满足c>0.5。当惠斯勒合金中所含有的Ga过多时，惠斯勒合金的熔点降低，并且Ga扩散至其它的层。
另外，本实施方式的惠斯勒合金例如可以由下述通式(4)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ge1-dZ2d)β……(4)
式(4)中，X1是取代元素，Y1是第二取代元素，Z2是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga和Sn中的一种以上的元素。通式(4)满足0<a<0.5、b≥0、0.1≤β(1-d)。
Ge是半导体元素，并且具有增加惠斯勒合金的电阻率的作用。当惠斯勒合金包含Ge时，磁阻效应元件的面电阻(RA)变大。例如，要求后述的磁畴壁驱动元件等的RA大。当将X位点的元素(Co元素或取代元素)的数目设定为2时，优选包含有0.1以上的Ge元素。Ge元素的存在比优选比Z2元素的存在比多。即，优选满足d<0.5。另一方面，当Ge元素的存在比变得过大时，惠斯勒合金的电阻率变大，并且成为磁阻效应元件101的寄生电阻成分。β(1-d)更优选为0.63<β(1-d)<1.26，特别优选为0.84<β(1-d)<1.26。
另外，在上述通式(4)中，Z2元素可以为Ga。在这种情况下，通式(4)由下述通式(5)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ge1-dGad)β……(5)
式(5)中，X1是取代元素，Y1是第二取代元素。通式(5)满足0<a<0.5、b≥0、0.1≤β(1-d)、0.1≤βd。
通式(5)的惠斯勒合金包含Ga和Ge作为Z元素。通式(5)的惠斯勒合金由于Ga和Ge的协同效果，作为半金属特性变强且自旋极化率提高。使用了通式(5)的惠斯勒合金的磁阻效应元件101，由于上述的Ga和Ge的协同效果，MR比和RA变得更大。
在通式(5)中，Ge元素的存在比优选比Ga元素的存在比多。另外，通式(5)更优选满足0.63<β(1-d)<1.26，特别优选满足0.84<β(1-d)<1.26。
另外，在上述通式(4)中，Z2元素可以为Ga和Mn。在这种情况下，通式(4)由下述通式(6)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ge1-dGaeMnf)β……(6)
式(6)中，X1是取代元素，Y1是第二取代元素。通式(6)满足0<a<0.5、b≥0、e+f＝d>0、0.1≤β(1-d)、0.1≤βe、0.1≤βf。
Mn通过与Ga和Ge共存，从而具有使磁阻效应元件101的MR比变大的效果。即使Mn原子取代X元素位点，也难以降低半金属特性。在通式(6)中，优选Mn元素的存在比优选比Ge元素的存在比多。另外，Ga元素的存在比优选比Ge元素的存在比多。具体地，优选分别满足：β(1-d)满足0.4<β(1-d)<0.6、βe满足0.2<βe<0.4、βf满足0.38<βf<0.76。当惠斯勒合金包含Ga、Ge和Mn时，发挥由各自的元素引起的效果，磁阻效应元件101的MR比进一步变大。
本实施方式所涉及的惠斯勒合金可以减少磁化的旋转所需要的能量。尽管使磁化的旋转所需要的能量变小的理由尚不明确，但是认为通过以下的多个因素的叠加，可以使磁化的旋转所需要的能量变小。
第一个因素是：惠斯勒合金的组成偏离化学计量组成，即偏离α+β＝2，而设定为2.3≤α+β。由此，在费米能量下的少数自旋(minorityspin)的状态密度变低，并且阻尼常数变小。阻尼常数是起源于自旋轨道相互作用的物理量。阻尼常数也被称为磁摩擦系数或磁弛豫系数，并且如果阻尼常数较小，则由于自旋转移扭矩等的外力，磁化变得容易移动(变得容易旋转)。
第二个因素是：合金的的元素的一部分被磁矩比Co小的取代元素取代。当用磁矩比Co小的取代元素来取代时，磁各向异性能量变得比取代前的物质的磁各向异性能小。当惠斯勒合金的磁各向异性能量变小时，磁化变得容易反转。
惠斯勒合金的组成可以通过XRF(荧光X射线法)、ICP(电感耦合等离子体)发光光谱法、SIMS(二次离子质谱法)、AES(俄歇电子能谱法)等来测量。
惠斯勒合金的晶体结构可以通过XRD(X射线衍射法)、RHEED(反射高速电子衍射法)等来测量。例如，当通过XRD测量时，在惠斯勒合金是L21结构的情况下，显示(200)和(111)峰，在B2结构的情况下，显示(200)峰而不显示(111)峰。例如，当通RHEED测量时，在惠斯勒合金具有L21结构的情况下，显示(200)条纹和(111)条纹，在B2结构的情况下，显示(200)条纹但不显示(111)条纹。
取代元素的位点特定能够通过XAS(X射线吸收能谱法)、XMCD(X射线磁圆二色性)、NMR(核磁共振法)等来测量。例如，在XAS的情况下，只要能够看见Co或Fe的吸收端即可。
上述组成、上述晶体结构、上述位点特定可以在磁阻效应元件101的制作中(in-situ)或者制作后进行分析，也可以通过在基材上仅形成惠斯勒合金来进行分析。在后者情况下，选择由不包含惠斯勒合金中所包含的元素的材料构成的基材，并且作为惠斯勒合金的膜厚，根据分析仪器的分辨率优选为2nm至50nm的程度。
(第一NiAl层、第二NiAl层)
第一NiAl层40和第二NiAl层60是包含NiAl合金的层。第一NiAl层40是缓和第一铁磁性层30与非磁性层50的晶格不匹配的缓冲层。第二NiAl层60是缓和非磁性层50与第二铁磁性层70的晶格不匹配的缓冲层。
第一NiAl层40和第二NiAl层60，例如，各自的厚度t为0<t≤0.63nm。如果厚度t变得过厚，则可能会在从第一铁磁性层30(第二铁磁性层70)移动至第二铁磁性层70(第一铁磁性层30)的电子中被自旋散射。通过厚度t在该范围内，从而可以在移动的电子中抑制自旋散射，降低第一铁磁性层30与非磁性层50的晶格不匹配，并且降低非磁性层50与第二铁磁性层70的晶格不匹配。当各层的晶格不匹配性变小时，磁阻效应元件101的MR比提高。
(非磁性层)
非磁性层50由非磁性的金属构成。非磁性层50的材料例如是Cu、Au、Ag、Al、Cr等。非磁性层50优选包含选自Cu、Au、Ag、Al、Cr中的一种以上的元素作为主要的构成元素。主要的构成元素是指，在组成式中，Cu、Au、Ag、Al、Cr所占的比例为50％以上。非磁性层50优选包含Ag，并且优选包含Ag作为主要的构成元素。由于Ag的自旋扩散长度长，因此使用了Ag的磁阻效应元件101的MR比变得更大。
非磁性层50例如厚度在1nm以上且10nm以下的范围内。非磁性层50妨碍第一铁磁性层30与第二铁磁性层70的磁耦合。
另外，非磁性层50可以是绝缘体或半导体。非磁性的绝缘体例如是Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4以及它们的Al、Si、Mg的一部分被取代成Zn、Be等的材料。这些材料的带隙大，并且绝缘性优异。在非磁性层50由非磁性的绝缘体构成的情况下，非磁性层50是隧道势垒层。非磁性的半导体是例如Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等。
(盖层)
盖层80位于磁阻效应元件101的与基板10相反的一侧。盖层80为了保护第二铁磁性层70而设置。盖层80抑制来自第二铁磁性层70的原子的扩散。另外，盖层80还有助于磁阻效应元件101的各层的晶体取向性。当具有盖层80时，第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化稳定化，并且可以提高磁阻效应元件101的MR比。
盖层80为了可以用作用于流通检测用电流的电极，优选包含导电性高的材料。盖层80可以包含例如Ru、Ag、Al、Cu、Au、Cr、Mo、Pt、W、Ta、Pd和Ir中的一种以上的金属元素、这些金属元素的合金、或者由这些金属元素的两种以上构成的材料的层叠体。
接下来，对本实施方式所涉及的磁阻效应元件101的制造方法进行说明。磁阻效应元件101例如通过在基板10上，依次层叠基底层20(第一基底层21、第二基底层22、第三基底层23)、第一铁磁性层30、第一NiAl层40、非磁性层50、第二NiAl层60、第二铁磁性层70、盖层80而获得。各层的成膜方法，例如，可以使用溅射法、蒸镀法、激光烧蚀法和分子束外延(MBE)法。
另外，在基底层20的形成之后，或者在第二铁磁性层70的层叠之后，可以对基板10进行退火。通过退火各层的结晶性提高。
构成磁阻效应元件101的由第一铁磁性层30、非磁性层50和第二铁磁性层70构成的层叠体是柱状的形状。俯视层叠体时的形状可以设定为圆形、四边形、三角形、多边形等的各种形状，并且可以通过光刻或离子束蚀刻等的公知的方法来制作。
如上所述，本实施方式所涉及的磁阻效应元件101将上述的惠斯勒合金用于第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中的至少一个。上述的惠斯勒合容易磁化反转，并且可以降低磁阻效应元件101的操作时的电流密度。
[第二实施方式]
图3是第二实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。磁阻效应元件102中，不具有第一NiAl层40和第二NiAl层60，在这一方面与图1所示的磁阻效应元件101不同。在图3中，对于与图1相同的结构，赋予相同的符号，并省略其说明。
第二实施方式的磁阻效应元件102的第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中的至少一个是上述的惠斯勒合金。第二实施方式的磁阻效应元件102起到与第一实施方式的磁阻效应元件101相同的效果。另外第二实施方式的磁阻效应元件102不具有第一NiAl层和第二NiAl层，并且第一铁磁性层30、非磁性层50和第二铁磁性层70直接接触。磁阻效应由夹持非磁性层的两个铁磁性层的磁化方向的相对角的变化而产生。通过由第一铁磁性层30和第二铁磁性层70直接夹持非磁性层50，从而MR比提高。另外，表现磁阻效应的层成为第一铁磁性层30、第二铁磁性层70和非磁性层50这三层，并且磁阻效应元件102整体的厚度变薄。如果使一个磁阻效应元件102的厚度变薄，则可以在相同的区域内设置多个元件，并成为适用于高记录密度的元件。另外，由于不需要形成第一NiAl层40和第二NiAl层60的工序，因此制造工序简化。
[第三实施方式]
图4是第三实施方式所涉及的磁阻效应元件的截面图。磁阻效应元件103中，基底层20具有第四基底层24，在这一方面与图1所示的磁阻效应元件101不同。因此，在图4中，对于与图1相同的结构，赋予相同的符号，并省略其说明。
第四基底层24配置于第三基底层23与第一铁磁性层30之间。第四基底层24发挥作为提高层叠于基底层20上的第一铁磁性层30的结晶性的晶种层的功能。第四基底层24例如可以是包含Co和Fe的合金。在第一铁磁性层30是惠斯勒合金的情况下，在层叠界面附近的磁化的稳定性低。另一方面，含有Co和Fe的合金的磁化的稳定性高，并且与构成第一铁磁性层30的惠斯勒合金的晶格匹配性也高。由于在第四基底层24使用了包含Co和Fe的合金的磁阻效应元件103比构成第一铁磁性层30的惠斯勒合金的磁化更加稳定，因此即使在室温下，MR比也提高。包含Co和Fe的合金例如是Co-Fe或Co-Fe-B。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但是各实施方式中的各结构以及它们的组合等是一个示例，可以在不脱离本发明宗旨的范围内，进行结构的附加、省略、取代以及其它的变更。
各实施方式所涉及的磁阻效应元件101、102、103可以被用于各种用途。各实施方式所涉及的磁阻效应元件101、102、103例如可以适用于磁头、磁传感器、磁存储器、高频滤波器等。
接下来，对实施方式所涉及的磁阻效应元件的适用例进行说明。此外，在以下的适用例中，作为磁阻效应元件，使用了第一实施方式的磁阻效应元件101，但是磁阻效应元件不限于此，例如，使用第二实施方式的磁阻效应元件102和第三实施方式的磁阻效应元件103也可以获得相同的效果。
图5是适用例1所涉及的磁记录装置的截面图。图5是沿着磁阻效应元件的各层的层叠方向切断磁阻效应元件101的截面图。
如图5所示，磁记录装置201具有磁头210和磁记录介质W。在图5中，将磁记录介质W延伸的一个方向设定为X方向，将垂直于X方向的方向设定为Y方向。XY平面与磁记录介质W的主面平行。另外，将连结磁记录介质W和磁头210的方向，即，相对于XY平面垂直的方向设定为Z方向。
磁头210的空气轴承面(Air Bearing Surface：介质相对面)S与磁记录介质W的表面相对。磁头210在从磁记录介质W分开一定的距离的位置，沿着磁记录介质W的表面，朝向箭头+X和箭头-X方向移动。磁头210具有作为磁传感器发挥作用的磁阻效应元件101和磁记录部(未图示)。磁阻效应元件101的第一铁磁性层30和第二铁磁性层70连接有电阻测量器220。
磁记录部将磁场施加于磁记录介质W的记录层W1，确定记录层W1的磁化的方向。即，磁记录部进行磁记录介质W的磁记录。磁阻效应元件101读取由磁记录部写入的记录层W1的磁化的信息。
磁记录介质W具有记录层W1和衬底层W2。记录层W1是进行磁记录的部分，衬底层W2是使写入用的磁通再次回流至磁头210的磁路(磁通的通路)。记录层W1将磁信息记录为磁化的方向。
磁阻效应元件101的第二铁磁性层70是自由磁化层。因此，露出于空气轴承面S的第二铁磁性层70受到记录于相对的磁记录介质W的记录层W1的磁化的影响。例如，在图5中，受到记录层W1的朝向+z方向的磁化的影响，第二铁磁性层70的磁化的方向朝向+z方向。在这种情况下，作为磁化固定层的第一铁磁性层30与第二铁磁性层70的磁化的方向平行。
磁头210的第二铁磁性层70是上述的惠斯勒合金，并且磁化反转所需要的能量小。因此，磁头210可以高灵敏度地读出记录于记录层W1的磁化。
这里，当第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为平行时的电阻与当第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为反向平行时的电阻不同。因此，通过由电阻测量器220测量第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的电阻，从而可以读取记录层W1的磁化的信息作为电阻值变化。
此外，对磁头210的磁阻效应元件101的形状没有特别限制。例如，为了避免磁记录介质W的泄漏磁场对磁阻效应元件101的第一铁磁性层30的影响，可以在将第一铁磁性层30设置于远离磁记录介质W的位置。
图6是适用例2所涉及的磁记录装置的截面图。图6是沿着磁阻效应元件的各层的层叠方向切断磁阻效应元件101的截面图。
如图6所示，磁记录元件202具有磁阻效应元件101、连接于磁阻效应元件101的第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的电源230、以及测量部240。在基底层20的第三基底层23具有导电性的情况下，可以将电源230和测量部240连接于第三基底层23来代替第一铁磁性层30。另外，在盖层80具有导电性的情况下，可以将电源230和测量部240连接于盖层80来替代第二铁磁性层70。电源230在磁阻效应元件101的层叠方向上赋予电位差。测量部240测量磁阻效应元件101的层叠方向上的电阻值。
当通过电源230在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70之间产生电位差时，电流在磁阻效应元件101的层叠方向上流动。电流在通过第一铁磁性层30时自旋极化，并变成自旋极化电流。自旋极化电流经由非磁性层50而到达第二铁磁性层70。第二铁磁性层70的磁化接受由自旋极化电流引起的自旋转移扭矩(STT)而发生磁化反转。第二铁磁性层70是上述的惠斯勒合金，并且以少的能量进行磁化反转。通过使第一铁磁性层30的磁化的方向与第二铁磁性层70的磁化的方向的相对角改变，从而可以磁阻效应元件101的层叠方向上的电阻值变化。磁阻效应元件101的层叠方向的电阻值通过测量部240读出。即，图6所示的磁记录元件202是自旋转移扭矩(STT)型的磁记录元件。
图7是适用例3所涉及的磁记录装置的截面图。图7是沿着磁阻效应元件的各层的层叠方向切断磁阻效应元件101的截面图。
如图7所示，磁记录元件203具有磁阻效应元件101、连接于磁阻效应元件101的第三基底层23的两端的电源230、以及连接于第三基底层23和第二铁磁性层70的测量部240。第三基底层23构成为包含具有通过流通电流时的自旋霍尔效应产生自旋电流的功能的金属、合金、金属间化合物、金属硼化物、金属碳化物、金属硅化物和金属磷化物中的任意种的层。第三基底层23例如构成为在最外壳中包含具有d电子或f电子的原子序数为39以上的非磁性金属的层。另外，在盖层80具有导电性的情况下，可以将测量部240连接于盖层80来代替第二铁磁性层70。电源230连接于第三基底层23的第一端和第二端。电源230在第三基极层23的一个端部(第一端)和与第一端为相反侧的端部(第二端)之间的面内方向上赋予电位差。测量部240测量磁阻效应元件101的层叠方向的电阻值。在图7所示的磁阻效应元件101中，将第一铁磁性层30设定为磁化自由层，将第二铁磁性层70设定为磁化固定层。
当通过电源230在第三基底层23的第一端与第二端之间产生电位差时，电流沿着第三基底层23流动。当电流沿着第三基底层23流动时，由于自旋轨道相互作用而产生自旋霍尔效应。自旋霍尔效应是移动的自旋在与电流的流动方向正交的方向上弯曲的现象。自旋霍尔效应在第三基底层23内产生自旋的偏在，并且在第三基底层23的厚度方向上引发自旋电流。自旋通过自旋电流从第三基底层23注入于第一铁磁性层30。
注入于第一铁磁性层30中的自旋将自旋轨道转矩(SOT)赋予第一铁磁性层30的磁化。第一铁磁性层30接受自旋轨道转矩(SOT)并磁化反转。第一铁磁性层30是上述的惠斯勒合金，并且以少的能量进行磁化反转。通过使第一铁磁性层30的磁化的方向和第二铁磁性层70的磁化的方向变化，从而磁阻效应元件101的层叠方向的电阻值变化。磁阻效应元件101的层叠方向的电阻值由测量部240读出。即，图7所示的磁记录元件203是自旋轨道转矩(SOT)型的磁记录元件。
图8是适用例4所涉及的自旋流磁化旋转元件的截面图。
自旋流磁化旋转元件300是从图7所示的磁记录元件203去除了第一NiAl层40、非磁性层50、第二NiAl层60、第二铁磁性层70和盖层80的元件。在自旋流磁化旋转元件300中，第一铁磁性层30是由上述的通式(1)所表示的惠斯勒合金。
当通过电源230在第三基底层23的第一端和第二端之间产生电位差时，电流沿着第三基底层23流动。当电流沿着第三基底层23流动时，由于自旋轨道相互作用而产生自旋霍尔效应。从第三基底层23注入的自旋对第一铁磁性层30的磁化赋予自旋轨道转矩(SOT)。第一铁磁性层30的磁化根据自旋轨道转矩(SOT)而磁化方向发生变化。
当第一铁磁性层30的磁化方向发生变化时，反射光的偏向由于磁克尔效应而发生变化。另外，当第一铁磁性层30的磁化的方向发生变化时，透射光的偏向由于磁法拉第磁效应而发生变化。自旋流磁化旋转元件300可以作为利用了磁克尔效应或磁性法拉第效应的光学元件使用。
图9是适用例5所涉及的磁畴壁移动元件(磁畴壁移动型磁记录元件)的截面图。磁畴壁移动型磁记录元件400具有第一铁磁性层401、第二铁磁性层402、非磁性层403、第一磁化固定层404和第二磁化固定层405。此外，在图9中，将第一铁磁性层401延伸的方向设定为X方向，将垂直于X方向的方向设定为Y方向，将相对于XY平面垂直的方向设定为Z方向。
非磁性层403在Z方向上被第一铁磁性层401和第二铁磁性层402夹持。第一磁化固定层404和第二磁化固定层405在X方向上夹持第二铁磁性层402和非磁性层403的位置处，连接于第一铁磁性层401。
第一铁磁性层401是能够通过内部的磁性的状态的变化来磁记录信息的层。第一铁磁性层401在内部具有第一磁畴401A和第二磁畴401B。第一铁磁性层401中的与第一磁化固定层404或第二磁化固定层405在Z方向上重叠的位置的磁化被固定于一个方向。与第一磁化固定层404在Z方向上重叠的位置的磁化例如被固定于+Z方向，与第二磁化固定层405在Z方向上重叠的位置的磁化例如被固定于-Z方向。其结果，在第一磁畴401A和第二磁畴401B之间的边界处形成了磁畴壁DW。第一铁磁性层401可以在内部具有磁畴壁DW。在图9所示的第一铁磁性层401中，第一磁畴401A的磁化M401A沿+Z方向取向，第二磁畴401B的磁化M401B沿-Z方向取向。
磁畴壁移动型磁记录元件400可以根据第一铁磁性层401的磁畴壁DW的位置，多值或连续地记录数据。当施加读取电流时，记录于第一铁磁性层401中的数据被读取作为磁畴壁移动型磁记录元件400的电阻值变化。
当磁畴壁DW移动时第一铁磁性层401中的第一磁畴401A与第二磁畴401B的比率变化。第二铁磁性层402的磁化M402例如与第一磁畴401A的磁化M401A为相同方向(平行)，与第二磁畴401B的磁化M401B为相反方向(反向平行)。当磁畴壁DW在+X方向上移动，并且从z方向的俯视时与第二铁磁性层402重叠的部分中的第一磁畴401A的面积增大时，磁畴壁移动型磁记录元件400的电阻值变低。相反地，当磁畴壁DW沿-X方向移动，并且从Z方向俯视时与第二铁磁性层402重叠的部分中的第二磁畴401B的面积增大时，磁畴壁移动型磁记录元件400的电阻值变高。
磁畴壁DW通过在第一铁磁性层401的X方向上流通写入电流、或者施加外部磁场来移动。例如，当在第一铁磁性层401的+X方向上施加写入电流(例如，电流脉冲)时，由于电子在与电流相反的-X方向上流动，因此磁畴壁DW在-X方向上移动。在从第一磁畴401A向第二磁畴401B流通电流的情况下，在第二磁畴401B中自旋极化的电子使第一磁畴401A的磁化M401A磁化反转。通过使第一磁畴401A的磁化M401A磁化反转，从而磁畴壁DW沿-X方向移动。
作为第一铁磁性层401的材料，例如，可以使用上述的惠斯勒合金。上述的惠斯勒合金容易磁化反转，并且可以以少的能量来移动磁畴壁DW。
另外，磁畴壁移动型磁记录元件400优选MR比大、且RA大。当磁畴壁移动型磁记录元件400的MR比大时，磁畴壁移动型磁记录元件400的电阻值的最大值和最小值之差变大，数据的可靠性提高。另外，当磁畴壁移动型磁记录元件400的RA大时，可以更加模拟地记录数据。第一铁磁性层401优选满足通式(4)的惠斯勒合金。
第二铁磁性层402例如可以使用选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含这些金属中的一种以上的合金、包含有这些金属与B、C和N中的至少一种以上的元素的合金等。具体地，可以列举Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。作为第二铁磁性层402的材料，可以使用上述惠斯勒合金。
非磁性层403可以使用与上述非磁性层50相同的材料。第一磁化固定层404和第二磁化固定层405可以使用与第二铁磁性层402相同的材料。第一磁化固定层404和第二磁化固定层405可以是SAF结构。
图10是适用例6所涉及的磁畴壁移动元件(磁性细线装置)的立体图。
如图10所示，磁性细线装置500具备磁记录介质510、磁记录磁头520和脉冲电源530。磁记录磁头520设置于磁记录介质510上的规定的位置。脉冲电源530以使脉冲电流可以施加于磁记录介质510的面内方向的方式，连接于磁记录介质510。此外，在图10中，将磁记录介质510延伸的一个方向设定为X方向，将垂直于X方向的方向设定为Y方向，将相对于XY平面垂直的方向设定为Z方向。
磁记录介质510具有磁性细线511、基底层512和基板513。基底层512层叠于基板513上，磁性细线511层叠于基底层512上。磁性细线511为X方向的长度比Y方向的宽度长的细线状。
磁性细线511由能够在长度方向的一部分形成磁化方向与其它的部分不同的磁畴的磁性材料形成。磁性细线511例如具有第一磁畴511A和第二磁畴511B。第二磁畴511B的磁化M511B取向于与第一磁畴511A的磁化M511A不同的方向。在第一磁畴511A和第二磁畴511B之间，形成有磁畴壁DW。第二磁畴511B通过磁记录磁头520生成。
磁性细线装置500一边通过从脉冲电源530提供的脉冲电流使磁性细线511的磁畴壁DW断续地平移移动，一边通过使用磁记录磁头520所产生的磁场或自旋注入磁化反转来使磁性细线511的第二磁畴511B的位置改变，从而进行数据的写入。写入于磁性细线装置500的数据可以利用磁阻变化或磁光学变化来读出。在使用磁阻变化的情况下，在与磁性细线511相对的位置夹持非磁性层而设置铁磁性层。磁阻变化伴随着铁磁性层的磁化与磁性细线511的磁化的相对角度之差而产生。
作为磁性细线511的材料，使用上述的惠斯勒合金。当磁性细线511是上述的惠斯勒合金时，可以减小用于移动磁畴壁DW所需的能量。另外，当将满足通式(4)的惠斯勒合金用于磁性细线511时，可以增加磁性细线装置500的RA。
作为基底层512的材料，优选至少部分地使用作为氧化物绝缘体的铁氧体，具体而言为软铁氧体。作为软铁氧体，可以使用Mn-Zn铁氧体、Ni-Zn铁氧体、Mn-Ni铁氧体、Ni-Zn-Co铁氧体。由于软铁氧体磁导率高，因此，由磁记录磁头520产生的磁场的磁通集中，因此可以有效地形成第二磁畴511B。基板513可以使用与上述基板10相同的材料。
图11是适用例7所涉及的磁畴壁移动元件(磁畴壁移动型空间光调制器)的立体图。
如图11所示，磁畴壁移动型空间光调制器600具有第一磁化固定层610、第二磁化固定层620和光调制层630。在图11中，将光调制层630延伸的一个方向设定为X方向，将垂直于X方向的方向设定为Y方向，将相对于XY平面垂直的方向设定为Z方向。
第一磁化固定层610的磁化M610和第二磁化固定层620的磁化M620沿不同的方向取向。例如，第一磁化固定层610的磁化M610沿+Z方向取向，第二磁化固定层620的磁化M620沿-Z方向取向。
光调制层630可以区分为重叠区域631、636；初始磁畴区域632、635；磁畴变化区域633、634。
重叠区域631是与第一磁化固定层610在Z方向上重叠的区域，重叠区域636是与第二磁化固定层620在Z方向上重叠的区域。重叠区域631的磁化M631受到来自第一磁化固定层610的泄漏磁场的影响，例如固定于+Z方向。重叠区域636的磁化M636受到来自第二磁化固定层620的泄漏磁场的影响，例如固定于-Z方向。
初始磁畴区632、635是受到来自第一磁化固定层610或第二磁化固定层620的泄漏磁场的影响，并且磁化被固定于与重叠区域631、636不同的方向的区域。初始磁畴区域632的磁化M632受到来自第一磁化固定层610的泄漏磁场的影响，例如固定于-Z方向。初始磁畴区域635的磁化M635受到来自第二磁化固定层620的泄漏磁场的影响，例如固定于+Z方向。
磁畴变化区域633、634是磁畴壁DW可以移动的区域。磁畴变化区域633的磁化M633和磁畴变化区域634的磁化M634夹持磁畴壁DW并在相反方向上取向。磁畴变化区域633的磁化M633受到初始磁畴区域632的影响，例如取向于-Z方向。磁畴变化区域634的磁化M634受到初始磁畴区域635的泄漏磁场的影响，例如固定于+Z方向。磁畴变化区域633和磁畴变化区域634之间的边界成为磁畴壁DW。磁畴壁DW通过在光调制层630的X方向上流通写入电流、或者通过施加外部磁场来移动。
磁畴壁移动型空间光调制器600一边使磁畴壁DW断续地移动，一边使磁畴壁DW的位置变化。然后，相对于光调制层630入射光L1，并且评价由光调制层630反射的光L2。由磁化的取向方向不同的部分反射的光L2的偏向状态不同。磁畴壁移动型空间光调制器600可以作为利用了光L2的偏向状态的差异的映像显示装置使用。
作为光调制层630的材料，可以使用上述的惠斯勒合金。因此，可以以少的能量来移动磁畴壁DW。另外，当将满足通式(4)的惠斯勒合金用于光调制层630时，可以增加磁畴壁移动型空间光调制器600的RA。其结果，能够更精密地控制磁畴壁DW的位置，并且能够进行更高清晰度的映像显示。
第一磁化固定层610和第二磁化固定层620可以使用与上述第一磁化固定层404和第二磁化固定层405相同的材料。
图12是适用例8所涉及的高频设备的立体图。
如图12所示，高频设备700具有磁阻效应元件101、直流电源701、电感器702、电容器703、输出端口704以及配线705、706。
配线705连接磁阻效应元件101和输出端口704。配线706从配线705分支，并且经由电感器702和直流电源701而到达地线G。直流电源701、电感器702和电容器703可以使用公知的器件。电感器702切断电流的高频分量，并且流通电流的恒定分量。电容器703流通电流的高频分量，并且切断电流的恒定分量。电感器702配设于希望抑制高频电流的流动的部分，电容器703配置于希望抑制直流电流的流动的部分。
当对磁阻效应元件101中所包含的铁磁性层施加交流电或交流磁场时，第二铁磁性层70的磁化进行岁差运动。第二铁磁性层70的磁化在施加于第二铁磁性层70的高频电流或高频磁场的频率在第二铁磁性层70的铁磁性共振频率的附近的情况下强烈振动，并且在第二铁磁性层70的铁磁性共振频率之外的频率几乎不振动。该现象称为铁磁性共振现象。
磁阻效应元件101的电阻值根据第二铁磁性层70的磁化的振动而变化。直流电源701向磁阻效应元件101施加直流电流。直流电流在磁阻效应元件101的层叠方向上流动。直流电流通过配线706、705、以及磁阻效应元件101并向地线G流动。磁阻效应元件101的电位根据欧姆定律而变化。根据磁阻效应元件101的电位的变化(电阻值的变化)，从输出端口704输出高频信号。
第二铁磁性层704是上述的惠斯勒合金，并且能够以更少的能量来使磁化进行岁差运动。另外，上述的惠斯勒合金的饱和磁化小，并且高频设备700的Q值提高。Q值是高频信号的极大特性的锐度的指标。Q值越大，则振荡特定的频率的高频信号。
实施例
(实施例1)
如下述的方式制作了图1所示的磁阻效应元件101。各层的结构如下所述。
基板10：MgO单晶基板，厚度0.5mm
基底层20：
第一基底层21：MgO，厚度10nm
第二基底层22：CoFe，厚度10nm
第三基底层23：Ag，厚度50nm
第一铁磁性层30：(Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga1.27，厚度15nm
第一NiAl层40：厚度0.21nm
非磁性层50：Ag，厚度5nm
第二NiAl层60：厚度0.21nm
第二铁磁性层70：(Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga1.27，厚度5nm
盖层80：Ru层，厚度5nm
第一基底层21(MgO层)是将基板10加热至500℃，并通过溅射法来成膜。将成膜了第一基底层21的基板在500℃下保持15分钟之后，放冷至室温。然后，在第一基底层21上通过溅射法成膜了第二基底层22(CoFe层)。接下来，在第二基底层22上通过溅射法成膜了第三基底层23(Ag层)，并且成膜了基底层20。将成膜了基底层20的基板10在300℃下加热15分钟，然后，放冷至室温。
放冷后，在成膜于基板10的基底层20上，成膜了第一铁磁性层30((Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga1.27)。第一铁磁性层30的成膜是通过使用了Co-Fe-Ga合金靶和Cu靶作为靶的共溅射法来进行的。
在第一铁磁性层30上，通过溅射法成膜了第一NiAl层40。接下来，在第一NiAl层40上，通过溅射法成膜了非磁性层50(Ag层)。然后，在非磁性层50上，与第一NiAl层40同样地成膜了第二NiAl层60。然后，在第二NiAl层60上，与第一铁磁性层30同样地成膜了第二铁磁性层70((Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga1.27)。将成膜了第二铁磁性层70的基板10在550℃下加热15分钟，然后，放冷至室温。
放冷后，在成膜于基板10的第二铁磁性层70上，通过溅射法成膜了盖层80(Ru层)。如此，制作了图1所示的磁阻效应元件101。
此外，第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的薄膜组成，通过对成膜于硅基板上的铁磁性层单膜通过ICP发光光谱法来求得，并且确定了期望的薄膜组成的成膜条件。
在制作的磁阻效应元件101的层叠方向上流通电流，并求得改变第二铁磁性层70的磁化方向所需的电流密度(反转电流密度)。第二铁磁性层70的磁化方向的变化通过监视磁阻效应元件101的电阻值的变化来确认。
另外，还测量了制作的磁阻效应元件101的MR比。在磁阻效应元件101的层叠方向流通了一定电流的状态下，通过一边从外部对磁阻效应元件101扫掠磁场，一边通过电压计监视向磁阻效应元件101施加的电压，从而测量了磁阻效应元件101的电阻值变化。测量第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为平行的情况下的电阻值、以及第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为反向平行的情况下的电阻值并通过下述的式子从获得的电阻值计算了MR比。MR比的测量在300K(室温)下进行。
MR比(％)＝(RAP-RP)/RP×100
RP是第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为平行的情况下的电阻值，RAP是第一铁磁性层30和第二铁磁性层70的磁化的方向为反向平行的情况下的电阻值。
(实施例2～实施例5)
实施例2～5中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中改变了取代Co元素的取代元素，在这一方面与实施例1不同。实施例2将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Ru0.1)2Fe1.03Ga1.27。实施例3将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Rh0.1)2Fe1.03Ga1.27。实施例4将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Pd0.1)2Fe1.03Ga1.27。实施例5将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Ag0.1)2Fe1.03Ga1.27。
(实施例6～实施例8)
实施例6～8中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中改变了取代Co元素的取代元素的比率，在这一方面，与实施例1不同。实施例6将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.8Cu0.2)2Fe1.03Ga1.27。实施例7将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.7Cu0.3)2Fe1.03Ga1.27。实施例8将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.6Cu0.4)2Fe1.03Ga1.27。
(实施例9、实施例10)
实施例9、实施例10中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中取代了Fe元素的一部分，在这一方面与实施例1不同。实施例9将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Cu0.1)2Fe0.93Hf0.1Ga1.27。实施例10将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Cu0.1)2Fe0.93Ta0.1Ga1.27。
(实施例11、实施例12)
实施例11、实施例12中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中，将Ga元素的一部分取代成不同的元素，在这一方面与实施例1不同。实施例11将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga0.41Ge0.86。实施例12将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Cu0.1)2Fe1.03Ga0.41Ge0.22Mn0.64。
(比较例1)
比较例1中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中未取代Co元素，在这一方面与实施例1不同。比较例1将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为Co2.0Fe1.03Ga1.27。
(比较例2)
比较例2中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中各元素的构成比率与实施例1不同。比较例2将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为(Co0.9Cu0.1)2Fe1.0Ga1.0。
(比较例3)
比较例3中，在第一铁磁性层30和第二铁磁性层70中，改变各元素的构成比率，并且未取代Co元素，在这一方面，与实施例1不同。比较例3将第一铁磁性层30和第二铁磁性层70设定为Co2.0Fe1.0Ga1.0。
实施例1～实施例12以及比较例1～比较例3的反转电流密度和MR比的结果在以下的表1中示出。如表1所示，实施例1～12的磁阻效应元件与比较例1～3的磁阻效应元件相比，反转电流密度都低。
[表1]
Figure BDA0002621363720000281

Claims (17)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，
具备：第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及位于所述第一铁磁性层与所述第二铁磁性层之间的非磁性层，
所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层中的至少一个是由Co2FeαZβ表示的合金的元素的一部分被取代元素取代的惠斯勒合金，
Z是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素，α和β满足2.3≤α+β、α<β且0.5<α<1.9，
所述取代元素与所述Z的元素不同，并且所述取代元素是比Co磁矩小的元素。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述惠斯勒合金由下述通式(1)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)αZβ……(1)
式(1)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，
a和b满足0<a<0.5且b≥0。
3.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述第二取代元素是选自第4族到第10族的元素中的比Fe熔点高的元素中的一种以上的元素。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述惠斯勒合金由下述通式(2)表示：
(Co1-aX1a)2FeαZβ……(2)
式(2)中，X1是所述取代元素，
a满足0<a<0.5。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述取代元素是选自Ni、Cu、Zn、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Ir、Pt和Au中的一种以上的元素。
6.根据权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述取代元素是选自Cu、Ag和Au中的一种以上的元素。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述惠斯勒合金由下述通式(3)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ga1-cZ1c)β……(3)
式(3)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，Z1是选自Mn、Cr、Al、Si、Ge和Sn中的一种以上的元素，并且
满足0<a<0.5、b≥0、且0.1≤β(1-c)。
8.根据权利要求7所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述通式(3)中的c满足c>0.5。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述惠斯勒合金由下述通式(4)表示：
(Co1-aX1a)2(Fe1-bY1b)α(Ge1-dZ2d)β……(4)
式(4)中，X1是所述取代元素，Y1是选自比Fe磁矩小的元素中的一种以上的第二取代元素，Z2是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga和Sn中的一种以上的元素，并且
满足0<a<0.5、b≥0、且0.1≤β(1-d)。
10.根据权利要求9所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述通式(4)中的d满足d<0.5。
11.根据权利要求9或10所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述Z2是Ga。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述α和β满足2.3≤α+β<2.66。
13.根据权利要求12所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述α和β满足2.45≤α+β<2.66。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述非磁性层包含Ag。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的磁阻效应元件，其特征在于，
在所述第一铁磁性层与非磁性层之间以及在所述第二铁磁性层与非磁性层之间，分别进一步具有包含NiAl合金的NiAl层。
16.根据权利要求15所述的磁阻效应元件，其特征在于，
所述NiAl层的厚度t为0<t≤0.63nm。
17.一种惠斯勒合金，其特征在于，
由Co2FeαZβ表示的合金的元素的一部分被取代元素取代，
Z是选自Mn、Cr、Al、Si、Ga、Ge和Sn中的一种以上的元素，α和β满足2.3≤α+β、α<β且0.5<α<1.9，
所述取代元素与所述Z的元素不同，并且所述取代元素是比Co磁矩小的元素。
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