DE19652536C2 - Dünnschichtenaufbau eines magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem magnetoresistiven Magnetschichtsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnschichtenaufbau ei­ nes magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem magnetoresisti­ ven Magnetschichtsystem, wobei eine Spinabhängigkeit der Elektronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätselektronen gegeben ist. Ein entsprechender Dünnschichtenaufbau geht aus der WO 94/15223 A1 hervor.

In Schichten aus ferromagnetischen Übergangsmetallen wie Ni, Fe oder Co und deren Legierungen kann eine Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Größe der Richtung eines das Material durchdringenden Magnetfeldes gegeben sein. Den bei solchen Schichten auftretenden Effekt nennt anisotropen Magnetowiderstand "AMR" oder anisotropen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf den unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit unterschiedlichem Spin und der Spinpolarität des D-Bandes. Die Elektronen werden deshalb als Majoritäts- bzw. Minoritäts(leitungs)elektronen bezeichnet. Für entsprechende magnetoresistive Sensoren wird im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magneto­ resistiven Material mit einer Magnetisierung in der Schich­ tebene vorgesehen. Die Widerstandsänderung bei Drehung der Magnetisierung bezüglich der Stromrichtung kann dann einige Prozent des normalen isotropen (= ohmschen) Widerstandes be­ tragen.

Ferner sind seit einiger Zeit magnetoresistive Mehrschichten­ systeme bekannt, welche mehrere, zu einem Stapel angeordnete ferromagnetische Schichten enthalten, die jeweils durch me­ tallische Zwischenschichten voneinander getrennt sind und de­ ren Magnetisierungen jeweils in der Schichtebene liegen. Die Dicken der einzelnen Schichten sind dabei deutlich geringer als die mittlere freie Weglänge der Leitungselektronen gewählt. In solchen in Dünnfilmtechnik zu erstellenden Mehr­ schichtsystemen kann nun zusätzlich zu dem erwähnten aniso­ tropen magnetoresistiven Effekt AMR ein sogenannter giant­ magnetoresistiver Effekt oder Giant-Magnetowiderstand "GMR" auftreten (vgl. z. B. EP 0 483 373 A1). Ein solcher GMR-Effekt beruht auf der unterschiedlich starken Streuung von Majori­ täts- und Minoritätselektronen an den Grenzflächen zwischen den ferromagnetischen Schichten und den dazu benachbarten Zwischenschichten sowie auf Streueffekten innerhalb dieser Schichten, insbesondere wenn diese Schichten aus Legierungen bestehen. Der GMR-Effekt ist dabei ein isotroper Effekt. Er kann erheblich größer sein als der anisotrope Effekt AMR und Werte bis zu 70% des normalen isotropen Widerstandes anneh­ men. In entsprechenden, einen GMR-Effekt zeigenden, nachfol­ gend allgemein als "Magnetschichtsysteme" bezeichneten Mehr­ schichtensystemen sind benachbarte metallische Schichten zu­ nächst entgegengesetzt magnetisiert, wobei eine Biasschicht bzw. ein Biasschichtteil magnetisch härter als eine Meß­ schicht ist. Unter Einfluß eines äußeren Magnetfeldes, d. h. einer in der Schichtebene ausgeprägten Komponente dieses Fel­ des, kann sich dann die anfängliche antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung in eine parallele umwandeln. Bei entspre­ chenden Magnetfeldsensoren wird diese Tatsache ausgenutzt.

Zur Erhöhung der Signalstärke eines entsprechenden GMR- Magnetschichtsystems ist es bekannt, eine sich periodisch wiederholende Schichtenfolge vorzusehen (vgl. z. B. DE 42 32 244 A1). Denn die Signalstärke steigt mit der Anzahl der Perioden an gleichen Schichtpaketen asymptotisch bis zu einem Maximalwert monoton an. Die Anzahl der Perioden in einem ent­ sprechenden Dünnschichtenaufbau kann ohne weiteres 100 oder mehr betragen. Die Herstellung eines entsprechenden, aus pe­ riodisch wiederkehrenden Magnetschichtsystemen zusammenge­ setzten Dünnschichtenaufbaus ist jedoch nur mit einem ent­ sprechenden Aufwand durchzuführen.

Ferner ist es auch bekannt, auf die Außenflächen eines drei­ lagigen GMR-Magnetschichtsystems mit zwei magnetischen Schichten und einer dazwischenliegenden nicht-magnetischen Schicht jeweils eine perfekt reflektierende Schicht aufzu­ bringen, um die Signalstärke zu erhöhen (vgl. "Phys. Rev. B", Vol. 42, No. 13, 1. Nov. 1990, Seiten 8110 bis 8120).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, den Dünn­ schichtenaufbau mit den eingangs genannten Merkmalen dahinge­ hend auszugestalten, daß eine hohe Signalstärke bei gleich­ zeitig geringer Anzahl von Dünnschichten zu gewährleisten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an we­ nigstens einer Seite des Magnetschichtsystems ein Reflektor­ schichtteil angeordnet ist, der bezüglich der Elektronen spinabhängig reflektierend ist, indem dieser Schichtteil min­ destens eine die Elektronen in Abhängigkeit von ihrem Spin reflektierende Grenzfläche sowie Bereiche enthält, in denen eine zumindest weitgehend diffuse Streuung von nichtreflek­ tierten Elektronen erfolgt.

Es wurde nämlich erkannt, daß mit einer derartigen spinpola­ risationsabhängigen Reflexion auch mit verhältnismäßig weni­ gen Schichten ein hoher GMR-Signalpegel zu erreichen ist. Der Vorteil eines entsprechenden Aufbaus ist darin zu sehen, daß man z. B. keine Sputtermodule mit rotierender Palette in eine Produktionskette aufnehmen muß, wo die Verweilzeit verhält­ nismäßig lang ist. Die Abscheidungszeit für den Schichtenauf­ bau wird dementsprechend verkürzt, und es ergibt sich eine entsprechende Kostenersparnis. Darüber hinaus ist die Gesamt­ dicke des Schichtenaufbaus verhältnismäßig gering zu halten, so daß unerwünschte entmagnetisierende Effekte nur eine ge­ ringere Rolle spielen. Diese Tatsache führt bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schichtenaufbaus bei Winkeldetektoren zu einer entsprechend höheren Isotropie, bei Feldsensoren zu einer höheren Empfindlichkeit und bei Schwellwertdetektoren zu steileren Flanken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Dünn­ schichtenaufbaus gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend noch weiter erläutert, wobei auf die Zeich­ nung Bezug genommen wird. Dabei zeigen

die Fig. 1 und 2 schematisch einen Dünnschichtenaufbau mit verschiedenen Reflexionskoeffizienten für Elektro­ nen unterschiedlicher Spinpolarität,

die Fig. 3 bis 5 Diagramme mit Kurven von sich aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen ergebenden Ver­ besserungsfaktoren des GMR-Effektes,

die Fig. 6 und 7 bzw. 8 und 9 bzw. 10 und 11 jeweils sche­ matisch den Fig. 1 und 2 entsprechende Darstellungen von weiteren Dünnschichtenaufbauten mit verschiedener Reflektion für Elektronen un­ terschiedlicher Spinpolarität,

die Fig. 12 und 13 schematisch zwei Ausbildungsmöglichkei­ ten eines Dünnschichtenaufbaus mit einem als künstlicher Antiferromagnet wirkenden Schichten­ system,

die Fig. 14 bis 16 Diagramme mit Kurven von Zustandsdich­ ten von Elektronen unterschiedlicher Spinpolarität für verschiedene Materialien sowie

Fig. 17 schematisch eine Ausbildungsmöglichkeit einer Elektronenstreuschicht eines Dünnschichtenauf­ baus.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Wirkung einer spinabhängigen (polarisationsabhängigen) Reflektion bei einem erfindungsgemäßen Dünnschichtenaufbau sei nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 verdeutlicht. In diesen Figuren sind der Dünnschichtenaufbau allgemein mit 2, ein einen magnetoresistiven Effekt wie z. B. einen GMR-Effekt zeigendes, an sich bekanntes Magnetschichtsystem mit 3 und ein spinunabhängiger Reflektorschichtteil des Dünnschichten­ aufbaus mit 4 bezeichnet. Ein nachfolgend allgemein als Spin­ reflektor bezeichneter, spinabhängig reflektierender Schicht­ teil des Dünnschichtenaufbaus enthält wenigstens eine Schicht, die zu einer Diskriminierung der Majoritätselektro­ nen von den Minoritätselektronen mindestens eine Grenzfläche aufweist, an der Elektronen von einem der beiden Typen re­ flektiert werden. Außerdem sind in dem Spinreflektor Bereiche vorhanden, in denen die in den Spinreflektor eingetretenen, nicht-reflektierten Elektronen zumindest weitgehend diffus gestreut werden. Die Funktion der spinabhängigen Reflexion und der Streuung eines erfindungsgemäß gestalteten Spinre­ flektors kann jeweils auch wenigstens zu einem überwiegenden Teil von getrennten Schichten ausgeübt werden. Dementspre­ chend enthält der den Fig. 1 und 2 zugrundegelegte Dünn­ schichtenaufbau 2 eine spinabhängig reflektierende Reflektor­ schicht 5 und eine Elektronenstreuschicht 6 eines Spinreflek­ tors 7. Außerdem sind mit M die Magnetisierung des Magnet­ schichtsystems 3, mit d_m dessen Dicke, mit d_s die Dicke der Reflektorschicht 5, mit d_abs die Dicke der Elektronenstreu­ schicht 6, mit K1 ein erster Spinkanal (Fig. 1) für Elektro­ nen einer ersten Spinrichtung S1 sowie mit K2 ein zweiter Spinkanal (Fig. 2) für die Elektronen mit zu S1 entgegenge­ setzter Spinrichtung S2 bezeichnet. Ferner gilt für die Ge­ samtdicke d_t des Spinreflektors bzw. Reflektorschichtteils 7 aus Reflektorschicht 5 und Elektronenstreuschicht 6: d_t = d_s + d_abs. Dabei kann jede in den Figuren dargestellte Schicht im Prinzip aus einer beliebigen Anzahl von aufeinander gestapel­ ten Schichten bestehen. Die Schichtdicke d_s der Reflektor­ schicht 5 liegt vorzugsweise zwischen 0,15 und 1 nm.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist das Magnet­ schichtsystem 3 an einer Flachseite von dem perfekten, spin­ unabhängigen Reflektorschichtteil 4 und an der gegenüberliegenden Seite von dem aus Reflektorschicht 5 und Elektronen­ streuschicht 6 zusammengesetzten Spinreflektor 7 abgedeckt. Dabei wird berücksichtigt, daß die Spinabhängigkeit der Elek­ tronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätsladungsträgern (Majoritäts- bzw. Minoritätselektronen) in magnetischen Schichten der grundlegende Mechanismus für den GMR-Effekt ist. Diese Spinabhängigkeit, die für den GMR-Effekt charakte­ ristisch ist, wird in bekannter Weise durch eine Größe α, de­ finiert durch das Verhältnis ρ^-/ρ⁺, zum Ausdruck gebracht (vgl. z. B. das Buch "Ferromagnetic Materials", Vol. 3, Ed.: E. P. Wohlfarth, North-Holland Publ. Co., Amsterdam u. a., 1982, Seiten 747 bis 804, insbesondere Seiten 758 bis 762). Dabei sind ρ^- und ρ⁺ die spezifischen Widerstände von Minori­ täts- bzw. Majoritätselektronen. Es sei angenommen, daß α < 1 ist; d. h. die Minoritätselektronen haben dann den höchsten spezifischen Bulkwiderstand. Auch Grenzflächenstreuungen kön­ nen zu einem effektiven α_eff beitragen oder dieses bestimmen. In den Fig. 1 und 2 sind zwei Spinkanäle K1 und K2 defi­ niert, wobei Kanal K1 den Majoritätselektronen bei der in den Figuren gezeigten Magnetisierung M zugeordnet ist. Im Ideal­ fall werden an dem Spinreflektor 7 die Elektronen von Kanal K1 vollständig reflektiert und von Kanal K2 ungehindert durchgelassen. Bei dem den Fig. 1 und 2 zugrundegelegten Ausführungsbeispiel eines Spinreflektors 7 ist an dessen Re­ flektorschicht 5 an der dem Magnetschichtsystem 3 abgewandten Flachseite eine hochresistive Schicht angeordnet, die in den Figuren als Elektronenstreuschicht 6 bezeichnet ist. Die Elektronenstreuung braucht dabei nicht notwendigerweise spinabhängig zu sein. Wenigstens in dieser Elektronenstreu­ schicht sind die den Spinreflektor kennzeichnenden Bereiche vorhanden, in denen eine zumindest weitgehend diffuse Streu­ ung von Elektronen erfolgt, die nicht von der Reflektor­ schicht 5 reflektiert wurden. Die Elektronenstreuschicht 6 kann z. B. aus einer nicht-magnetischen Metallschicht beste­ hen, die zur Erhöhung der Resistivität mit weiteren Elementen legiert worden ist. Die entsprechende Legierungsschicht kann dabei zur weiteren Erhöhung der Resistivität auch amorphisiert werden. Die Reflektorschicht 5 des spinabhängigen Re­ flektorschichtteils sowie dessen Elektronenstreuschicht 6 können im Prinzip auch mit einer einzelnen Schicht realisiert werden, indem man z. B. eine diffuse Streuung an Streuzentren ausnutzt, die an einer beliebigen Stelle der Schicht vorhan­ den sein können.

Das den erfindungsgemäßen Maßnahmen zugrundeliegende Prin­ zip wird nachfolgend noch näher erläutert, wobei die folgen­ den Bezeichnungen gewählt sind, und zwar
"ρ" für den spezifischen Widerstand,
"R" für den Quadratwiderstand,
"p" für die Streuzentrendichte,
"P" für die Flächenstreuzentrendichte und
"d" für die Schichtdicke.

Dabei bedeuten die tiefergestellten Indizes an den jeweiligen Größen, daß diese sich auf die folgenden Teile eines Dünn­ schichtenaufbaus beziehen sollen, nämlich
"1" auf den Spinkanal K1,
"2" auf den Spinkanal K2,
"m" auf eine Meßschicht des Magnetschichtsystems,
"s" auf die Reflektorschicht des Spinreflektors,
"abs" auf die Elektronenstreuschicht des Spinreflektors,
"t" auf das Schichtensystem des gesamten Spinreflektors,
"b" auf eine Biasschicht des Magnetschichtensystems und
"e" auf eine Entkopplungsschicht des Magnetschichtsystems.

Sich auf die Minoritätselektronen und auf die Majoritätselek­ tronen beziehende Größen sind durch ein hochgestelltes "-" - bzw. "+"-Zeichen gekennzeichnet.

Es sei zunächst angenommen, daß die Elektronenstreuschicht 6 und die Reflektorschicht 5 sehr dünn ausgebildet sind und diese Teile eine Oberflächenstreuzentrendichte P_abs haben. Weiter sei der Reflektor 4 elektrisch isolierend. Die Bulkre­ sistivität der Majoritätselektronen in dem Magnetschichtsystem 3 ist proportional zur Streuzentrendichte p⁺ und ρ⁺ = C⁺ρ⁺ _. Ein allgemein durch den Quotienten ρ/d definierter Qua­ dratwiderstand, der im Fall von Spinkanal K1 mit R₁ bezeich­ net ist, ergibt sich bei einer Parallelschaltung von Elektro­ nenstreuschicht und Magnetschichtsystem und ist für diesen einfachen Fall:

R₁ = C⁺p⁺/d_m = ρ⁺/d_m (1)

Für Spinkanal K2 gilt:

R₂ = C^-(d_mp^- + P_abs)/d_m/d_m = (ρ^- + C^-P_abs/d_m)/d_m (2)

Die effektive Größe α_eff = R₂/R₁ von diesem System ist dann:

α_eff = α + C^-P_abs/(ρ⁺d_m) = α(1 + C^-P_abs/(ρ^-d_m)) (3)

und nimmt um einen Faktor 1 + C^-P_abs/(ρ^-d_m) < 1 zu. Bei kleiner Dicke des Magnetschichtsystems ist ein deutlicher Gewinn zu erzielen.

Im allgemeinen sind d_s und d_abs nicht gleich null. Setzen wir alle C's gleich und d_s null, dann müssen die obenstehenden Ausdrücke (1) und (2) durch die nachstehenden ersetzt wer­ den:

Bei einem kleinen d_t und einem endlichen Produkt d_t . |p| erge­ ben sich wieder Gleichungen (1) und (2). Nimmt man d_t . |p| als konstant an, dann klingt R₂ mit wachsendem d_t ab, d. h. α_eff nimmt ab. Für sehr großes d_t ist die Näherung für R₂ nicht gültig.

Aus den beiden obenstehenden Gleichungen ergibt sich der fol­ gende Verbesserungsfaktor G_α für α:

Dieser Faktor G_α geht in den drei Diagrammen der Fig. 3 bis 5 für α = 2 bzw. = 4 bzw. = 8 jeweils aus Kurven für ver­ schiedene Werte von |ρ|/ρ⁺ hervor. Dabei sind in Ordinaten­ richtung der Faktor G_α und in Abszissenrichtung das Verhält­ nis d_t/d_m aufgetragen. |ρ| ist dabei der absolute spezifische Widerstand.

Wie aus den Fig. 3 bis 5 zu ersehen ist, ergeben sich be­ sonders hohe Verbesserungen für die Dickenverhältnisse d_t/d_m bei einem Wert von ≈ 1.

Nachfolgend werden noch einige Spinreflektoren für spezielle Magnetschichtsysteme erläutert.

I. Spinreflektoren in Magnetschichtsystemen mit magnetisch harten und weichen Schichten gemäß den Fig. 6 und 7

Das in den Figuren gezeigte, an sich bekannte Magnet­ schichtsystem 13 eines Dünnschichtenaufbaus 12 setzt sich aus einer magnetisch weicheren Meßschicht 14 (oder einem Meßschichtensystem), einer magnetisch härteren Bi­ asschicht 15 (oder einem Biasschichtensystem) sowie ei­ ner dazwischenliegenden Entkopplungsschicht 16 im einfachsten Fall zusammen. An das Magnetschichtensystem 13 ist an der Seite der hartmagnetischen Biasschicht 15 ein Spinreflektor 7 mit einer Reflektorschicht 5 und einer Streuschicht 6 angefügt. Während nach Fig. 6 die­ ser Spinreflektor 7 für die Majoritätselektronen der Biasschicht, d. h. für Spinkanal K1 reflektierend ist, ist dieser Reflektor nach Fig. 7 für die Minoritätse­ lektronen transparent (Spinkanal K2).

Auf der gegenüberliegenden Seite des Magnetschichtsy­ stems 13 kann ein nicht-spinabhängiger Reflektor 4 ange­ bracht sein. Es sei angenommen, daß das α der Bias­ schicht 15 größer eins ist. Nach dem vorigen Abschnitt sollten dann nur die Minoritätselektronen von der Re­ flektorschicht 5 durchgelassen werden. Es wurde gezeigt, daß das effektive α_eff, wenn |ρ| . d_t groß verglichen zum ρ^- . d_b ist, zu einem höheren Sensorsignal führt.

Unter den gleichen Voraussetzungen wie bei den Gleichun­ gen (1) bis (3) ergibt sich für den elektrischen Qua­ dratwiderstand R^↑↑ bei parallelen Magnetisierungen von Meß- und Biasschicht und bei gleichen C's für alle Schichten:

Die α's der Meß- und Biasschicht sind gleich gewählt wor­ den.

Für die Situation mit entgegengesetzten Magnetisierungen von Bias- und Meßschicht gelten ähnliche Ausdrücke für die Quadratwiderstände R^↑↓:

Der differentielle Quadratwiderstand ΔR = R^↑↓- R^↑↓ und der GMR sind dann:

Zur Beurteilung des Gleichungssystems (7) werden zwei ein­ fache Fälle näher betrachtet:

Fall 1

P_b ⁺

= P_m ⁺

= P_e

= P

Die Ausdrücke bei den rechten Bruchstrichen geben die Korrektur verglichen zum Zustand mit einfachen Reflekto­ ren an beiden Seiten. Da α in dem jetzigen Fall größer 1 ist, folgt für den Korrekturfaktor, daß dieser immer größer eins ist; d. h. es ergibt sich immer eine Signal­ erhöhung. Bei richtiger Wahl der Materialien und Dicken kann die Signalerhöhung erheblich sein.

Fall 2

Pb⁺

= P_e

= 0, P_m ⁺

= P

Interessanterweise tritt in diesem Fall erst ein Signal auf, wenn der Spinreflektor mit seiner Elektronenstreu­ schicht vorhanden ist.

II. Spinreflektor an der Meßschicht eines Magnetschichtsy­ stems gemäß den Fig. 8 und 9

Gegenüber der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 sind bei der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Aus­ führungsform eines Dünnschichtenaufbaus 20 die Positio­ nen des Spinreflektors 7 und die des spinunabhängigen Reflektors 4 vertauscht. Bei der gezeigten Ausführungs­ form vergrößert nunmehr der Spinreflektor das effektive α der Meßschicht 14.

Auf gleiche Weise wie für die Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 lassen sich unter gleichen Bedingungen zu Gleichungssystem (7) äquivalente Ausdrücke ableiten:

Die Gleichungssysteme (7) und (10) sind im Prinzip gleich, und man braucht nur P_b ⁺ und P_m ⁺ zu vertauschen. Für die Sonderfälle (8) und (9) sind die Gleichungen so­ gar identisch, wenn im Fall 2 P_m statt P_b null gesetzt wird.

III. Spinreflektoren an einem Magnetschichtsystem mit künst­ lichem Antiferromagneten gemäß den Fig. 10 bis 13

Bei der in den Fig. 10 und 11 wiedergegebenen Ausfüh­ rungsform eines Dünnschichtenaufbaus 22 weist deren Ma­ gnetschichtsystem 23 ein als künstlicher Antiferromagnet wirkendes Schichtensystem 24 auf (vgl. die eingangs ge­ nannte WO-Schrift). Das Schichtensystem 24 enthält des­ halb mindestens eine Biasschicht 25, eine nichtmagne­ tische Kopplungsschicht 26 sowie eine zweite magnetische Schicht 27 mit gegenüber der Biasschicht entgegengesetz­ ter Magnetisierung. Bei der gezeigten Ausführungsform sind zwei Spinreflektoren 30 bzw. 31 auf beiden Seiten des Magnetschichtsystems 23 vorgesehen, die auf der dem Magnetschichtsystem abgewandten Seite ihrer Reflektor­ schichten 30a bzw. 31a jeweils eine Elektronenstreu­ schicht 30b bzw. 31b enthalten. Es sei angenommen, daß die Meßschicht 14 und die Biasschicht 25 jeweils eine Größe α von < 1 haben. Die zweite Magnetschicht 27 des Schichtensystems 24 soll vorzugsweise eine Größe α < 1 oder höchstens ≈ 1 haben. Die Reflektorschichten 30a und 31a müssen die Elektronen mit Spin vom Kanal K1 reflek­ tieren und diejenigen vom Spinkanal K2 durchlassen, wenn die Magnetisierungen der Bias- und Meßschicht parallel sind. Dieser Fall ist den Fig. 10 und 11 zugrundege­ legt. Die Wirkung des Spinreflektors 31 an dem als künstlicher Antiferromagnet wirkenden Schichtensystem 24 läßt sich folgendermaßen zusammenfassen: An der äußer­ sten Schicht werden in diesem Fall die Minoritätselek­ tronen reflektiert. Gleichung (3) läßt sich dann erset­ zen durch

α_eff = α/{1 + C⁺P_abs/(p⁺d_m} (11)

Aus der Gleichung ist erkennbar, daß die Änderung der Größe α die richtige Tendenz aufweist; d. h., der Betrag von α wird niedriger. Es ist sogar möglich, einen Wert α von < 1 in einen Wert des effektiven α_eff < 1 umzuwan­ deln, d. h. einen erwünschten inversen GMR-Effekt hervor­ zurufen.

In dem als künstlicher Antiferromagnet wirkenden Schich­ tensystem 24 ist die zweite Magnetschicht 27 zur Signal­ erzeugung nicht unbedingt erforderlich, d. h., diese Schicht kann gegebenenfalls aus dem Signalweg isoliert werden. D. h., Elektronen aus der Meßschicht oder Bias­ schicht können dann die Schicht 27 nicht erreichen. Die Fig. 12 und 13 zeigen entsprechende Ausführungsformen eines Dünnschichtenaufbaus 32 bzw. 35. Man wählt deshalb einen spinabhängigen Reflektor 33 (vgl. Fig. 12) oder 34 (vgl. Fig. 13) an einer der beiden Seiten der Kopplungs­ schicht 26, welche die Kopplung nicht zerstören sollte. Eine Möglichkeit hierzu ist, eine Kopplungsschicht-Magnet­ schicht-Kombination zu wählen, die sowohl für die Minori­ tätselektronen wie auch für die Majoritätselektronen einen großen Potentialsprung aufweist. Dabei sollten jedoch die beiden Potentialsprünge für die beiden Spintypen unter­ schiedlich groß sein. Mögliche Schichtkombinationen 27-26 sind beispielsweise Co und Rh oder Co und Ir. Ferner ist es auch möglich, die Magnetschicht 27 zu legieren, um so auf diese Weise ihre Bandstruktur zu modifizieren. Z. B. kann durch eine solche Legierung das Fermi-Niveau bezüg­ lich des d-Bandes verschoben werden. Ein entsprechendes konkretes Ausführungsbeispiel wäre Fe mit V zu legieren.

IV. Materialwahl für den Spinreflektor

Die Wahl des Materials zumindest für die Reflektor­ schicht eines Spinreflektors hängt davon ab, ob entweder Majoritäts- oder Minoritätselektronen reflektiert werden sollen. Im Prinzip möchte man an der Reflektorschicht die Elektronen des anderen Spintyps vollständig durch­ lassen. Hierbei spielt vor allem die Übereinstimmung zwischen den d-Bändern der beiden Materialien eine ent­ scheidende Rolle. Anhand der Fig. 14 bis 16 sind die drei wesentlichsten Fälle von d-Bandstrukturen angedeu­ tet. Dabei wurde eine bekannte Darstellung der d- Bandstrukturen in Form von Diagrammen unter Zugrundele­ gung bekannter Parameter gewählt (vgl. z. B. das Buch "Handbook of the band structure of elemental solids" von D. A. Papaconstantopoulos, Plenum Press, New York u. a., 1986, insbesondere Seiten 73 bis 126). In den Dia­ grammen sind jeweils in Ordinatenrichtung das Energieni­ veau E der Elektronen und in Abszissenrichtung die Zu­ standsdichten Z_mi und Z_ma aufgetragen. Das Fermi-Niveau ist jeweils mit EF bezeichnet. Fig. 14 zeigt die typi­ sche asymmetrische d-Bandstruktur von den ferromagneti­ schen Elementen Ni und Co. Die Zustandsdichten der Majo­ ritätselektronen Ma und der Minoritätselektronen Mi sind mit Z_ma bzw. Z_mi gekennzeichnet. Aus den Fig. 15 und 16 sind die d-Bandstrukturen der Elemente veranschau­ licht, die gegenüber den ferromagnetischen Elementen Ni und Co eine kleinere Ordnungszahl im Periodensystem (Fig. 15) bzw. eine größere Ordnungszahl im Periodensystem (Fig. 16) aufweisen. Möchte man Minoritätselektronen Mi reflektieren, dann kämen nach Fig. 16 vor allem Elemen­ te in Frage, die rechts von dem magnetischen Element in dem periodischen System angesiedelt sind. Im Falle von Co wäre beispielsweise Cu geeignet. Bei einer gewünsch­ ten Reflexion von Majoritätselektronen Ma sind es die Elemente links vom magnetischen Element im Periodensy­ stem, die die geeignete 3d-Bandstruktur aufweisen. Beispielsweise sind Mn, Cr oder V geeignete Reflektormate­ rialien.

Es wurde erkannt, daß generell zu einer Reflexion von Minoritätselektronen zumindest für die Reflektorschicht eines Spinreflektors vorteilhaft ein Material gewählt wird, das zumindest als Hauptbestandteil (zu mehr als 50 Atom-%) ein Element aus einer bestimmten Gruppe der Elemente des Periodensystems enthält, die im Periodensy­ stem rechts von der Gruppe der ferromagnetischen Über­ gangsmetalle des Materials der benachbarten Magnet­ schicht liegt. Und zwar sind das die Elemente aus den - soweit vorhandenen - benachbarten Gruppen VIIIb der Übergangsmetalle oder aus einer der Gruppen Ib, IIb oder IIIa (gemäß der Darstellung in dem Buch "Anorganische Chemie" von E. Riedel, Verlag W. de Gruyter, Berlin u. a., 1988, letzte Doppelseite). Als besonders geeignet sind die Elemente Cu, Ag, Au oder Al anzusehen. Wenn z. B. Fe das ferromagnetische Material der Magnetschicht ist, kommen darüber hinaus auch noch nicht-ferromagne­ tische Elemente aus der Co- und Ni-Gruppe wie z. B. Rh bzw. Pd in Frage. Sollen demgegenüber Majoritätselektro­ nen spinabhängig reflektiert werden, so wird für die Re­ flektorschicht vorteilhaft ein Material aus einer der Gruppen IV bis VIII der Übergangsmetalle gewählt, wobei die jeweilige Gruppe immer links von der Gruppe der be­ nachbarten Magnetschicht liegen soll. Vorzugsweise wird eines der Elemente Mn, Cr, V oder Ti vorgesehen. Besteht die Magnetschicht z. B. aus Ni, so kommen auch noch nicht-ferromagnetische Elemente aus der Co- und Fe- Gruppe wie z. B. Rh bzw. Ru in Frage.

Die Reflektorschichten von Spinreflektoren brauchen im Grunde nur so dick zu sein, daß sie die magnetischen Schichten des Magnetschichtsystems vollständig bedecken. Diese Forderung ist zu erfüllen, wenn sie dicker als 0,15 nm sind. Darüber hinaus sollen diese nicht zum GMR- Signal beitragenden Schichten möglichst dünn sein. Schichtdicken über 1 nm sind deshalb im allgemeinen we­ niger geeignet. Wird die Streufunktion auch von dieser Schicht übernommen, dann gilt noch zusätzlich die Über­ legung, daß das Produkt |p| . d genügend hoch sein muß.

Weitere Materialsysteme, die für spinabhängig reflektie­ rende Reflektoren in Frage kommen, sind spezielle Halb­ metalle mit magnetischen Eigenschaften. Ein entsprechen­ des Beispiel sind die sogenannten Heusler-Legierungen, die Legierungen auf Basis des Stoffsystems Mn-Al dar­ stellen. Ferner sind auch Perowskite geeignet, die halb­ leitende Eigenschaften für nur einen der Spinkanäle auf­ weisen. Vom Spinkanal mit den halbleitenden Eigenschaf­ ten werden die Elektronen reflektiert, während die Elek­ tronen mit vorbestimmter Spinpolarität von dem anderen Kanal weitgehend durchgelassen werden. D. h., für diesen (anderen) Spinkanal ist das Material elektrisch leitend. Im Prinzip gibt es Bereiche mit unterschiedlicher Orien­ tierung der magnetischen Momente. Zur einheitlichen Aus­ richtung dieser Bereiche sollte das magnetische Halbme­ tall Perowskit austauschgekoppelt werden mit einer Schicht oder mit einem Schichtsystem mit uniformer Ma­ gnetisierung und hartmagnetischen Eigenschaften. CoPt, CoFeTb und künstliche antiferromagnetische Systeme sind deshalb geeignet. Aus diesem Grunde werden die magneti­ schen Halbmetalle vorzugsweise als Spinreflektoren für hartmagnetische Subsysteme vorgesehen.

V. Materialwahl für die Elektronenstreuschicht

Die Elektronenstreuschicht braucht nicht spinselektiv sein, so daß die Wahlfreiheit für das Material verhält­ nismäßig groß ist. So kann man insbesondere die Reflek­ torschicht des Spinreflektors ab einem gewissen Abstand zur Magnetschicht legieren, um so eine hohe Streuzen­ trendichte zu erhalten. Fig. 17 zeigt einen entsprechenden Aufbau. Dementsprechend ist an einem Magnet­ schichtsystem 40 ein Spinreflektor 41 angeordnet, der einen unlegierten Teil 41a auf seiner dem Magnetschicht­ system 40 zugewandten Seite und einen legierten Teil 41b auf der davon abgewandten Seite umfaßt. Mit einer ent­ sprechenden Legierungstechnik lassen sich hochspezifi­ sche Widerstände realisieren, die größer 100 µΩ.cm sind. Hierzu können die Spinreflektormetalle insbesondere mit Seltenen Erdmetallen legiert werden, wobei häufig amor­ phe Phasen auftreten. Man kann die Fremdatomdichte ste­ tig ansteigen lassen, um so die Reflektion von diesem Teil 41b zu verringern. Eine weitere Möglichkeit ist, einen Schichtstapel mit vielen Grenzflächen vorzusehen, an denen die Elektronen streuen können. Aus den Diagram­ men der Fig. 2 bis 5 geht hervor, daß die optimale Streuwirkung erzielt wird, wenn die Dicken der Magnet­ schicht d_m und d_t ungefähr gleich groß sind.

Gemäß den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurde davon ausgegangen, daß es sich bei dem Magnetschichtsystem eines erfindungsgemäßen Dünnschichtenaufbaus um ein System handelt, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt GMR zeigt. Ein erfindungsgemäßer Dünnschichtenaufbau ist jedoch auf ein derartiges Magnetschichtsystem nicht beschränkt. Da nämlich auch ein anisotroper Magnetowiderstand AMR physika­ lisch auf unterschiedlichen Streuquerschnitten von Elektronen mit unterschiedlichem Spin beruht, kann der Dünnschichtaufbau als Magnetschichtsystem auch eine entsprechende Schicht oder ein Schichtensystem aufweisen. An wenigstens einer Seite ei­ ner solchen AMR-Schicht oder eines entsprechenden Schichtsy­ stems ist dann der bezüglich der Elektronen spinabhängig re­ flektierende Reflektor vorzusehen.

Darüber hinaus ist es auch vorteilhaft möglich, daß der spin­ abhängig reflektierende Reflektor eines Dünnschichtenaufbaus nach der Erfindung zugleich als Substrat dient oder eine auf einem Substrat abgeschiedene Schicht ist und auf dem so ausgebildeten Unterbau dann das GMR- oder AMR-Magnetschicht­ system abgeschieden wird.

Claims (22)

1. Dünnschichtenaufbau eines magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem magnetoresistiven Magnetschichtsystem, wobei eine Spinabhängigkeit der Elektronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätselektronen gegeben ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an wenigstens einer Seite des Magnetschichtsystems (3, 13, 23, 40) ein bezüglich der Elek­ tronen spinabhängig reflektierender Reflektorschichtteil (7, 30, 31; 33, 34; 41) angeordnet ist, welcher mindestens eine die Elektronen in Abhängigkeit von ihrem Spin (S1, S2) re­ flektierende Grenzfläche (Schicht 5) sowie Bereiche (Schicht 6) enthält, in denen eine zumindest weitgehend diffuse Streu­ ung von nicht-reflektierten Elektronen erfolgt.

2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Magnetschichtsystem (3, 13, 23, 40) zwischen zwei Reflektorschichtteilen (4, 7; 30, 31; 33, 34; 41) mit elektronenreflektierenden Eigenschaften angeord­ net ist, wobei wenigstens einer der Reflektorschichtteile (7; 30, 31; 33, 34; 41) bezüglich der Elektronen spinabhängig re­ flektierend ist.

3. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der wenigstens eine Reflek­ torschichtteil (7) aus mehreren Schichten (5, 6) zusammenge­ setzt ist.

4. Aufbau nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der spinabhängig reflektierende Re­ flektorschichtteil (7, 30, 31, 33, 34) eine im wesentlichen die mindestens eine Grenzfläche enthaltende reflektierende Schicht (5, 30a, 31a) und eine im wesentlichen die Streube­ reiche enthaltende Schicht (6, 30b, 31b) aufweist.

5. Aufbau nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der spinabhängig reflektierende Reflektorschichtteil (7, 30, 31) an seiner von dem Magnet­ schichtsystem (3, 13, 23, 40) abgewandten Seite wenigstens eine Elektronenstreuschicht (6; 30b, 31b) aufweist.

6. Aufbau nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine von dem Magnetschichtsystem (40) abgewandte Schichtzone (41b) des spinabhängig reflektierenden Reflektorschichtteils (41) als Elektronenstreuschicht ausge­ bildet ist.

7. Aufbau nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektronenstreuschicht (41b) durch Zulegierung mindestens eines weiteren Elementes zu dem Material des Reflektorschichtteils (41) ausgebildet ist.

8. Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der spinabhängig reflektie­ rende Reflektorschichtteil durch eine einzige Schicht gebil­ det ist.

9. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Reflexion von Minoritätselektronen für den spinabhängig reflektierenden Re­ flektorschichtteil zumindest als Hauptbestandteil wenigstens seines reflektierenden Teils ein Material aus einem nicht­ ferromagnetischen Element aus einer Gruppe des Periodensy­ stems der Elemente gewählt ist, die eine, soweit vorhanden, im Periodensystem rechts von der Gruppe des ferromagnetischen Materials der benachbarten Schicht des Magnetschichtsystems liegende Gruppe VIII der Übergangsmetalle oder eine der Grup­ pen Ib, IIb oder IIIa ist.

10. Aufbau nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Material des spinabhängig reflektierenden Teils aus der Gruppe der Elemente Cu, Ag, Au, Al.

11. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Reflexion von Majoritätselektronen für den spinabhängig reflektierenden Re­ flektorschichtteil zumindest als Hauptbestandteil wenigstens seines reflektierenden Teils ein Material aus einem nicht­ ferromagnetischen Element aus einer Gruppe des Periodensy­ stems der Elemente gewählt ist, die eine im Periodensystem links von der Gruppe des ferromagnetischen Materials der be­ nachbarten Schicht des Magnetschichtsystems liegende Gruppe IV bis VIII der Übergangsmetalle ist.

12. Aufbau nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Mn oder Cr oder V oder Ti als Material des spinabhängig reflektierenden Teils.

13. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens für den re­ flektierenden Teil des spinabhängig reflektierenden Reflek­ torschichtteils als Material ein Halbmetall gewählt ist.

14. Aufbau nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den spinabhängig reflektierenden Teil ein Material mit Perowskit-Kristallstruktur gewählt ist, das halbleitende Eigenschaften nur für die Majoritätselektro­ nen oder nur für die Minoritätselektronen aufweist, während es für Elektronen des jeweils anderen Typs elektrisch leitend ist.

15. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der reflektie­ rende Teil des spinabhängig reflektierenden Reflektorschicht­ teils aus einer Heuslerschen Mn-Al-Legierung besteht.

16. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekenn­ zeichnet durch ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigendes Magnetschichtsystem (3, 13, 23, 40).

17. Aufbau nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Magnetschichtsystem (13) zumin­ dest eine Meßschicht (14), eine Biasschicht (15) und eine zwischen diesen Schichten (14, 15) befindliche Entkopplungs­ schicht (16) aufweist.

18. Aufbau nach Anspruch 16 oder 17, gekenn­ zeichnet durch ein als künstlicher Antiferromagnet wirkendes Biasschichtsystem (24) seines Magnetschichtsystems (23).

19. Aufbau nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Biasschichtsystem (24) eine zwi­ schen zwei Magnetschichten (25, 27) befindliche Kopplungs­ schicht (26) aufweist und daß zwischen einer der Magnet­ schichten (25 oder 27) und der Kopplungsschicht (26) ein spinabhängig reflektierender Reflektorschichtteil (33, 34) angeordnet ist.

20. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetschichtsystem wenigstens eine einen anisotropen magnetoresistiven Effekt zeigende Magnetschicht aufweist.

21. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekenn­ zeichnet durch eine Schichtdicke (d_s) eines reflek­ tierenden Teils (5, 41a, 30a, 31a) des spinabhängig reflek­ tierenden Reflektorschichtteils (7; 30, 31; 33, 34; 41) zwi­ schen 0,15 und 1 nm.

22. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der spinabhängig reflek­ tierende Reflektorschichtteil durch ein Substrat oder minde­ stens eine auf einem Substrat erzeugten Schicht gebildet ist und daß das Magnetschichtsystem auf diesem Substrat bzw. die­ ser Substratschicht angeordnet ist.