DE19720197C2

DE19720197C2 - Dünnschichtenaufbau eines magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem einen erhöhten magnetoresistiven Effekt zeigenden Magnetschichtensystem

Info

Publication number: DE19720197C2
Application number: DE19720197A
Authority: DE
Inventors: Hugo Van Den Berg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-05-14
Filing date: 1997-05-14
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2017-05-15
Also published as: DE19720197A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Dünnschichtenaufbau ei nes magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem magnetoresisti ven Mehrschichtensystem, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt mit einer Spinabhängigkeit der Elektronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätselektronen zeigt und zumindest

- eine weichmagnetische Meßschicht,
- ein Biasschichtsystem mit einer gegenüber der magnetischen Härte der Meßschicht vergleichsweise größeren magnetischen Härte

sowie

- eine zwischen der wenigstens einen Meßschicht und dem we nigstens einen Biasschichtsystem befindliche Entkopplung sschicht

aufweist.

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 eines in das Material eindringenden Magnetfeldes gegeben sein. Den bei solchen Schichten auftretenden Effekt nennt man anisotropen Magneto widerstand "AMR" oder anisotropen magnetoresistiven Effekt. Er beruht physikalisch auf unterschiedlichen Streuquerschnit ten von Elektronen mit unterschiedlichem Spin und der Spinpo larität des D-Bandes. Die Elektronen werden deshalb als Majo ritäts- bzw. Minoritäts(leitungs)elektronen bezeichnet. Für entsprechende magnetoresistive Sensoren wird im allgemeinen eine dünne Schicht aus einem solchen magnetoresistiven Material mit einer Magnetisierung in der Schichtebene vorgesehen. Die Widerstandsänderung bei Drehung der Magnetisierung bezüg lich der Stromrichtung kann dann einige wenige Prozent des normalen isotropen (= ohmschen) Widerstandes betragen.

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 ge wählt. In solchen in Dünnfilmtechnik zu erstellenden Mehr schichtensystemen kann nun zusätzlich zu dem erwähnten ani sotropen 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 beispielsweise bis zu 70% des normalen isotropen Wi derstandes annehmen. Im allgemeinen werden Magnetowiderstände mit Werten, die größer als 3% des normalen isotropen Wider standes betragen, als Giant-Magnetowiderstände bezeichnet. In einen GMR-Effekt zeigenden, nachfolgend allgemein als "Mehrschichtensysteme mit erhöhtem magnetoresistiven Effekt" bezeichneten Schichtanordnungen sind benachbarte metallische Schichten zunächst entgegengesetzt magnetisiert, wobei bei speziellen Ausführungsformen eine Biasschicht bzw. ein Bias schichtsystem magnetisch härter als eine weichmagnetische Meßschicht ist. Unter Einfluß eines äußeren Magnetfeldes, d. h. einer in der Schichtebene ausgeprägten Komponente dieses Feldes, kann sich dann die anfängliche antiparallele Ausrich tung der Magnetisierungen in eine paralle umwandeln. Bei ent sprechenden Magnetfeldsensoren wird diese Tatsache ausge nutzt.

Bei einem aus der eingangs genannten WO-Schrift entnehmbaren Dünnschichtenaufbau weist dessen einen erhöhten magnetoresi stiven Effekt zeigendes Mehrschichtensystem ein magnetisches Biasschichtsystem mit einem Schichtteil auf, der einen soge nannten künstlichen Antiferromagneten bildet. Hierzu enthält das Biasschichtsystem eine Biasschicht, an welche über eine Kopplungsschicht antiferromagnetisch eine weitere Magnet schicht angekoppelt ist. Damit läßt sich verhindern, daß sich ein Teil des Magnetflusses der Biasschicht über die Meß schicht schließt. Ein entsprechender künstlicher Antiferroma gnet ist nach außen hin magnetisch weitgehend neutral, d. h. sein Magnetfeld schließt sich praktisch ganz zwischen der Bi asschicht und der zusätzlichen Magnetschicht. Damit ergibt sich der Vorteil einer Stabilisierung der Magnetisierung der Biasschicht auch bei stärkeren äußeren Magnetfeldern.

Zur Erhöhung der Signalstärke eines GMR-Mehrschichtensystems ist es ferner bekannt, eine sich periodisch wiederholende Schichtenfolge vorzusehen (vgl. z. B. DE-PS 22 32 244). 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 entsprechenden Dünn schichtenaufbau kann ohne weiteres 100 oder mehr betragen.

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

Aus der EP 0 548 841 A1 ist ein magnetoresistives Element zu entnehmen, das zwei magnetische Schichten mit unterschiedli cher magnetischer Härte (bzw. Koerzitivfeldstärke) und dazwi schenliegender nicht-magnetischer Zwischenschicht enthält. An mindestens einer Grenzfläche zwischen einer der magnetischen Schichten und der Zwischenschicht soll eine weitere dünne me tallische Schicht vorgesehen sein. Diese zusätzliche Schicht, die ebenfalls aus einem magnetischen Material bestehen kann, bildet zusammen mit der zugehörenden magnetischen Schicht ein Doppelschichtsystem, das zu einer Erhöhung des magnetoresi stiven Effektes führen kann.

In der Veröffentlichung "Applied Physics Letters", Vol. 61, No. 17, 26. Oktober 1992, Seiten 2111 bis 2113, ist der soge nannte "Spin-Valve-Effekt" beschrieben, der zu erhöhten Wer ten des magnetoresistiven Effektes führt. Dieser Effekt wurde unter anderem an dem Multilagensystem Si/Co80 Å/Cu25 Å/NiFe50 Å/ FeMn90 Å/Ta50 Å/Cu(0, 100 Å, 300 Å)/Ta50 Å untersucht.

In der DE 44 27 495 A1 ist ein Aufbau einer Sensoreinrichtung angegeben, die vier zu einer Brücke verschaltete Brückenele mente aus Schichtsystemen enthält, die jeweils einen sehr großen magnetoresistiven Effekt (GMR) zeigen. Die Magnetfeld empfindlichkeit einzelner Brückenelemente kann dabei unter schiedlich sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Dünnschichten aufbau mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend aus zugestalten, daß eine hohe Signalstärke bei gleichzeitig ver hältnismäßig geringer Anzahl von einzelnen Schichten zu ge währleisten ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das wenigstens eine Biasschichtsystem mindestens einen bezüglich der Elektronen spinabhängig reflektierenden Reflektorschicht teil enthält, welcher mindestens eine die Elektronen in Ab hängigkeit von ihrem Spin reflektierende Grenzfläche sowie Bereiche besitzt, in denen eine zumindest weitgehend diffuse Streuung von nicht-reflektierten Elektronen erfolgt, wobei der Reflektorschichtteil eine spinabhängig reflektierende Re flektorschicht innerhalb des wenigstens einen Biasschichtsy stems aufweist.

Es wurde nämlich erkannt, daß mit einer derartigen spinpola risationsabhängigen Reflexion auch mit verhältnismäßig weni gen Schichten ein hoher GMR-Signalpegel zu erreichen ist. Darüber hinaus ist die Gesamtdicke des Schichtenaufbaus ver hältnismäßig gering zu halten, so daß unerwünschte entmagne tisierende Effekte nur eine geringere Rolle spielen. Diese Tatsache führt bei Einsatz des erfindungsgemäßen Schichten aufbaus 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.

Anhand von speziellen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung 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 Elek tronen unterschiedlicher Spinpolarität, sowie

die Fig. 3 und 4 schematisch einen erfindungsgemäßen Dünn schichtenaufbau mit einem als künstlicher Anti ferromagnet wirkenden Schichtteil sowie

die Fig. 5 bis 7 Diagramme mit Kurven von Zustandsdichten von Elektronen unterschiedlicher Spinpolarität für verschiedene Materialien.

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

Die prinzipielle Wirkung einer spinabhängigen (polarisationsabhängigen) Reflexion bei einem erfindungsgemä ßen Dünnschichtenaufbau sei nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 verdeutlicht. In diesen Figuren sind der Dünnschichten aufbau allgemein mit 2, ein einen erhöhten magnetoresistiven Effekt, d. h. einen GMR-Effekt zeigendes Mehrschichtensystem allgemein mit 3 und ein spinunabhängiger Reflektorschichtteil des Dünnschichtenaufbaus mit 4 bezeichnet. Das Mehrschichten system ist an sich bekannt und in den Figuren nicht näher ausgeführt. Ein nachfolgend allgemein als Spinreflektor be zeichneter, spinabhängig reflektierender Schichtteil des Dünnschichtenaufbaus enthält wenigstens eine Schicht, die zu einer Diskriminierung der Majoritätselektronen von den Mino ritätselektronen mindestens eine Grenzfläche aufweist, an der Elektronen von einem der beiden Typen reflektiert werden. Au ßerdem 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 Spinreflektors kann jeweils auch wenigstens zu einem überwiegenden Teil von getrennten Schich ten ausgeübt werden. Dementsprechend enthält der den Fig. 1 und 2 zugrundegelegte Dünnschichtenaufbau 2 eine spinabhän gig reflektierende Reflektorschicht 5 und eine Elektronen streuschicht 6 eines Spinreflektors 7. Darüber hinaus sind mit M die Magnetisierung des Mehrschichtensystems 3, mit d_m dessen Dicke, mit d_s die Dicke der Reflektorschicht 5, mit d_abs die Dicke der Elektronenstreuschicht 6, mit K1 ein erster Spinkanal (Fig. 1) für Elektronen einer ersten Spinrichtung S1 sowie mit K2 ein zweiter Spinkanal (Fig. 2) für die Elek tronen mit zu S1 entgegengesetzter Spinrichtung S2 bezeich net. Ferner gilt für die Gesamtdicke d_t des Spinreflektors bzw. Reflektorschichtteils 7 aus Reflektorschicht 5 und Elek tronenstreuschicht 6: d_t = d_s + d_abs. Dabei kann jede in den Figuren dargestellte Schicht im Prinzip aus einer beliebigen Anzahl von aufeinander gestapelten Schichten bestehen. Die Schichtdicke d_s der Reflektorschicht 5 liegt vorzugsweise zwischen 0,15 und 1 nm.

Wie aus den Fig. 1 und 2 ferner hervorgeht, ist das Mehr schichtensystem 3 an einer Flachseite von dem perfekten, spinunabhängigen Reflektorschichtteil 4 und an der gegenüber liegenden Seite von dem aus Reflektorschicht 5 und Elektro nenstreuschicht 6 zusammengesetzten Spinreflektor 7 abge deckt. Dabei wird berücksichtigt, daß die Spinabhängigkeit der Elektronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätsladungs trägern (Majoritäts- bzw. Minoritätselektronen) in magneti schen Schichten der grundlegende Mechanismus für den GMR- Effekt ist. Diese Spinabhängigkeit, die für den GMR-Effekt charakteristisch ist, wird in bekannter Weise durch eine Grö ße α, definiert durch das Verhältnis ρ^-/ρ⁺, zum Ausdruck ge bracht (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 Minoritäts- bzw. Majoritätselektronen. Es sei angenommen, daß α < 1 ist; d. h. die Minoritätselektronen haben dann den höchsten spezifischen Bulkwiderstand. Auch Grenzflächenstreuungen können zu einem effektiven α_eff beitragen oder dieses bestim men. In den Fig. 1 und 2 sind zwei Spinkanäle K1 und K2 definiert, wobei Kanal K1 den Majoritätselektronen bei der in den Figuren gezeigten Magnetisierung M zugeordnet ist. Im Idealfall werden an dem Spinreflektor 7 die Elektronen von Kanal K1 vollständig reflektiert und von Kanal K2 ungehindert durchgelassen. Dieser Sachverhalt soll in den Fig. 1 und 2 durch eine unterschiedliche Schraffur der Schicht 5 veran schaulicht sein. Bei dem den Fig. 1 und 2 zugrundegelegten Ausführungsbeispiel eines Spinreflektors 7 ist an dessen Re flektorschicht 5 an der dem Mehrschichtensystem 3 abgewandten Flachseite eine hochresistive Schicht angeordnet, die in den Figuren als Elektronenstreuschicht 6 bezeichnet ist. Diese Elektronenstreuung braucht dabei nicht notwendigerweise spinabhängig zu sein. Wenigstens in dieser Elektronenstreu schicht sind die zu einem Spinreflektor gehörenden 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 amorphi siert 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 Mehrschichtensy stem 3 ist proportional zur Streuzentrendichte p⁺ und ρ^- = C⁺ p⁺. 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 Mehrschichtensystem 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 Mehrschichtensystems 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 . |ρ| erge ben sich wieder die Gleichungen (1) und (2). Nimmt man d_t . |ρ| 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:

Dabei ergeben sich besonders hohe Verbesserungen für die Dic kenverhältnisse d_t/d_m bei einem Wert von ≈ 1.

Bei der in den Fig. 3 und 4 wiedergegebenen Ausführungs form eines erfindungsgemäßen Dünnschichtenaufbaus 10 weist dessen Mehrschichtensystem 12 eine weichmagnetische Meß schicht 14 auf, die über eine nicht-magnetische Entkopplungs schicht 15 von einem Biasschichtsystem 16 magnetisch entkop pelt ist. Dieses Biasschichtsystem setzt sich dabei zumindest aus einer vergleichsweise magnetisch härteren Biasschicht 17 sowie an deren der Entkopplungsschicht 15 abgewandten Seite aus einem Schichtteil 18 zusammen, der einen sogenannten künstlichen Antiferromagneten bildet (vgl. die eingangs ge nannte WO-Schrift). Der Schichtteil 18 enthält deshalb minde stens eine nicht-magnetische Kopplungsschicht 20, welche die Biasschicht 17 von einer weiteren Magnetschicht 21 räumlich trennt. Diese weitere Magnetschicht 21 weist eine gegenüber der Biasschicht 17 entgegengesetzte Magnetisierung M' auf.

Der erfindungsgemäße Dünnschichtenaufbau 10 soll einen anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten spinabhängigen Reflektor, ei nen sogenannten Spinreflektor aufweisen, der wenigstens eine spinabhängige Reflektorschicht 22 und Bereiche oder Zonen aufweist, in denen eine zumindest weitgehend diffuse Streuung von nicht-reflektierten Elektronen erfolgt.

In dem als künstlicher Antiferromagnet wirkenden Schichtteil 18 ist die zweite Magnetschicht 21 zur Signalerzeugung nicht unbedingt erforderlich; d. h., diese Schicht kann gegebenen falls aus dem Signalweg isoliert werden. D. h., Elektronen aus der Meßschicht 14 oder der Biasschicht 17 können dann diese Schicht 21 nicht erreichen. Es ist deshalb prinzipiell mög lich, einen spinabhängigen Reflektor an einer der beiden Sei ten der Kopplungsschicht 20 vorzusehen, ohne daß die Kopplung zerstört wird. Für eine entsprechende Ausführungsform ist dann eine Kopplungsschicht-Magnetschicht-Kombination zu wäh len, die sowohl für die Minoritätselektronen wie auch für die Majoritätselektronen einen großen Potentialsprung aufweist. Dabei sollten jedoch die beiden Potentialsprünge für die bei den Spintypen unterschiedlich groß sein. Eine mögliche Schichtkombination für die Schichten 20 und 21 sind bei spielsweise Co und Rh oder Co und Ir. Ferner ist es auch mög lich, die Magnetschicht 21 zu legieren, um auf diese Weise ihre Bandstruktur zu modifizieren. Z. B. kann durch eine sol che Legierung das Fermi-Niveau bezüglich des d-Bandes ver schoben werden. Ein entsprechendes konkretes Ausführungsbei spiel wäre Fe mit V zu legieren.

Zur Erleichterung der Auswahl geeigneter Materialkombinatio nen, die sowohl die erwünschten Spinreflektoreigenschaften wie auch die antiferromagnetischen Kopplungseigenschaften aufweisen, ist erfindungsgemäß die spinabhängige Reflektor schicht 22 gemäß Fig. 3 in die Biasschicht 17 integriert. D. h., diese Biasschicht ist durch die spinabhängige Reflek torschicht 22 in zwei parallele Teilschichten 22a und 22b un terteilt. Dabei sind die Magnetisierungen M in diesen beiden Teilschichten parallel und die Kopplung über die Reflektor schicht 22 ferromagnetisch. Eine derartige ferromagneti sche Kopplung ist vorteilhaft sogar bei nicht-perfekten Re flektorschichten 22 in den meisten Fällen verhältnismäßig einfach zu erreichen. D. h., bei der Wahl der Materialkombina tion hat man fast nur die Spinreflektoreigenschaften zu be trachten, so daß sich dann eine verhältnismäßig große Frei heit in der Wahl ergibt. Darüber hinaus braucht bei der Aus wahl der antiferromagnetischen Kopplungsschicht 20 keine gro ße Rücksicht auf deren magnetoresistive Streueigenschaften genommen werden. Die Kopplungsschicht darf z. B. aus einem stark spinabhängigen Streumaterial wie Ru bestehen. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Dünnschichtenaufbaus 10 erfolgt demnach eine zumindest weitgehend diffuse Streuung von an der Reflektorschicht 22 nicht-reflektierten Elektronen mit vorbestimmtem Spin in Bereichen, die zumindest von der dem künstlichen Antiferromagneten zugewandten Teilschicht 17a der Biasschicht 17, gegebenenfalls auch von der Kopplungsschicht 20 und gegebenenfalls auch noch von der weiteren Ma gnetschicht 21 gebildet werden.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ferner hervorgeht, kann entspre chend den Fig. 1 und 2 auf der der Entkopplungsschicht 15 abgewandten Seite der Meßschicht 14 noch ein weiterer Spinre flektor 7 angeordnet werden, der sich aus einer spinabhängi gen Reflektorschicht 5 und einer Elektronenstreuschicht 6 zu sammensetzt. Der Spinreflektor 7 braucht jedoch nicht unbe dingt vorhanden sein oder kann durch einen spinunabhängigen Reflektor ersetzt werden.

Die Wahl des Materials zumindest für die Reflektorschicht ei nes Spinreflektors hängt davon ab, ob entweder Majoritäts- oder Minoritätselektronen reflektiert werden sollen. Im Prin zip möchte man an der Reflektorschicht die Elektronen des an deren Spintyps vollständig durchlassen. Hierbei spielt vor allem die Übereinstimmung zwischen den d-Bändern der beiden Materialien eine entscheidende Rolle. Anhand der Fig. 5 bis 7 sind die drei wesentlichsten Fälle von d-Bandstrukturen angedeutet. Dabei wurde eine bekannte Darstellung der d-Band strukturen in Form von Diagrammen unter Zugrundelegung be kannter Parameter gewählt (vgl. z. B. das Buch "Handbook of the band structure of elemental solids" von D. A. Papacon stantopoulos, Plenum Press, New York u. a., 1986, insbesondere Seiten 73 bis 126). In den Diagrammen sind jeweils in Ordina tenrichtung das Energieniveau E der Elektronen und in Abszis senrichtung die Zustandsdichten Z_mi und Z_ma aufgetragen. Das Fermi-Niveau ist jeweils mit E_F bezeichnet. Fig. 5 zeigt die typische asymmetrische d-Bandstruktur von den ferromagneti schen Elementen Ni und Co. Die Zustandsdichten der Majorität selektronen Ma und der Minoritätselektronen Mi sind mit Z_ma bzw. Z_mi gekennzeichnet. Aus den Fig. 6 und 7 sind die d- Bandstrukturen der Elemente veranschaulicht, die gegenüber den ferromagnetischen Elementen Ni und Co eine kleinere Ord nungszahl im Periodensystem (Fig. 6) bzw. eine größere Ord nungszahl im Periodensystem (Fig. 7) aufweisen. Möchte man Minoritätselektronen Mi reflektieren, dann kämen nach Fig. 7 vor allem Elemente in Frage, die rechts von dem magnetischen Element in dem periodischen System angesiedelt sind. Im Falle von Co wäre beispielsweise Cu geeignet. Bei einer gewünschten Reflexion von Majoritätselektronen Ma sind es die Elemente links vom magnetischen Element im Periodensystem, die die ge eignete 3d-Bandstruktur aufweisen. Beispielsweise sind Mn, Cr oder V geeignete Reflektormaterialien.

Zu einer Reflexion von Minoritätselektronen wird also zumin dest für die Reflektorschicht eines Spinreflektors vorteil haft ein Material gewählt, das wenigstens als Hauptbestand teil (zu mehr als 50 Atom-%) ein Element aus einer bestimmten Gruppe der Elemente des Periodensystems enthält, die im Peri odensystem rechts von der Gruppe der ferromagnetischen Über gangsmetalle des Materials der benachbarten Magnetschicht liegt. Und zwar sind das die Elemente aus den - soweit vor handenen - benachbarten Gruppen VIIIb der Übergangsmetalle oder aus einer der Gruppen Ib, IIb oder IIIa (gemäß der Dar stellung 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 Ma gnetschicht ist, kommen darüber hinaus auch noch nicht- ferromagnetische Elemente aus der Co- und Ni-Gruppe wie z. B. Rh bzw. Pd in Frage. Sollen demgegenüber Majoritätselektronen spinabhängig reflektiert werden, so wird für die Reflektor schicht vorteilhaft ein Material aus einer der Gruppen IV bis VIII der Übergangsmetalle gewählt, wobei die jeweilige Gruppe immer links von der Gruppe der benachbarten 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 Schich ten möglichst dünn sein. Schichtdicken über 1 nm sind deshalb im allgemeinen weniger geeignet. Wird die Streufunktion auch von dieser Schicht übernommen, dann gilt noch zusätzlich die Überlegung, daß das Produkt |ρ| . d genügend hoch sein muß.

Weitere Materialsysteme, die für spinabhängig reflektierende Reflektoren in Frage kommen, sind spezielle Halbmetalle mit magnetischen Eigenschaften. Ein entsprechendes Beispiel sind die sogenannten Heusler-Legierungen, welche Legierungen auf Basis des Stoffsystems Mn-Al darstellen. Ferner sind auch Perowskite geeignet, die halbleitende Eigenschaften für nur einen der Spinkanäle aufweisen. Vom Spinkanal mit den halb leitenden Eigenschaften werden dann die Elektronen reflek tiert, während die Elektronen 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 Orientierung der magnetischen Momente. Zur einheitlichen Aus richtung dieser Bereiche sollte das magnetische Halbmetall- Perowskit austauschgekoppelt werden mit einer Schicht oder mit einem Schichtsystem mit uniformer Magnetisierung und hartmagnetischen Eigenschaften. CoPt, CoFeTb und künstliche antiferromagnetische Systeme sind deshalb geeignet. Aus die sem Grunde werden die magnetischen Halbmetalle vorzugsweise als Spinreflektoren für hartmagnetische Subsysteme vorgese hen.

Die die Elektronen streuenden Schichten brauchen nicht spin selektiv sein, so daß die Wahlfreiheit für das Material ver hältnismäßig groß ist. Zur Verbesserung der Streufunktion können statt einzelner Schichten auch Schichtstapel mit vie len streuenden Grenzflächen vorgesehen werden.

Claims

1. Dünnschichtenaufbau eines magnetfeldempfindlichen Sensors mit einem magnetoresistiven Mehrschichtensystem, das einen erhöhten magnetoresistiven Effekt mit einer Spinabhängigkeit der Elektronenstreuung von Majoritäts- und Minoritätselektro nen zeigt und zumindest
eine weichmagnetische Meßschicht,
ein Biasschichtsystem mit einer gegenüber der magnetischen Härte der Meßschicht vergleichsweise größeren magnetischen Härte
sowie
eine zwischen der wenigstens einen Meßschicht und dem we nigstens einem Biasschichtsystem befindliche Entkopplungs schicht
aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß das wenigstens eine Biasschichtsystem (16) mindestens ei nen bezüglich der Elektronen spinabhängig reflektierenden Re flektorschichtteil enthält, welcher mindestens eine die Elek tronen in Abhängigkeit von ihrem Spin reflektierende Grenz fläche sowie Bereiche besitzt, in denen eine zumindest weit gehend diffuse Streuung von nicht-reflektierten Elektronen erfolgt, wobei der Reflektorschichtteil eine spinabhängig re flektierende Reflektorschicht (22) innerhalb des wenigstens einen Biasschichtsystems (16) aufweist.

2. Aufbau nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das mindestens eine Biasschichtsystem (16) wenigstens eine gegenüber der wenigstens einen Meß schicht (14) magnetisch härtere Biasschicht (17) aufweist, wobei der Reflektorschichtteil innerhalb der Biasschicht (17) angeordnet oder durch diese Schicht (17) selbst gebildet ist.

3. Aufbau nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Biasschicht (17) durch die spinabhängige Reflektorschicht (22) in zwei parallele Bias schichtteile (17a, 17b) unterteilt ist.

4. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spinabhängig reflek tierende Reflektorschichtteil durch eine einzige Schicht (22) gebildet ist.

5. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem mindestens einen Biasschichtsystem (16) ein künstlicher Antiferromagnet gebil det ist.

6. Aufbau nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß wenigstens eine Biasschicht des künstlichen Antiferromagneten mindestens einen spinabhängig reflektierenden und/oder Elektronen streuenden Schichtteil enthält.

7. Aufbau nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Bereiche diffuser Streuung zumindest mit einem dem künstlichen Antiferromagne ten (18) zugewandten Biasschichtteil (17a) und gegebenenfalls zusätzlich mit Teilen des künstlichen Antiferromagneten ge bildet sind.

8. Aufbau nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an das Mehrschichtensy stem (12) auf seiner dem Schichtteil (18) des künstlichen An tiferromagneten abgewandten Seite ein weiterer Reflektor schichtteil (5, 6) mit elektronenreflektierenden Eigenschaf ten angeordnet ist.

9. Aufbau nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der weitere Reflektorschichtteil (5, 6) ebenfalls spinabhängig reflektierend ist.

10. Aufbau nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der weitere Reflektorschichtteil aus mehreren Schichten (5, 6) zusammengesetzt ist.

11. Aufbau nach Anspruch 10, 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) und eine im wesentlichen die Streubereiche ent haltende Schicht (6) aufweist.

12. Aufbau nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der spinabhängig reflektierende Re flektorschichtteil an seiner von dem Mehrschichtensystem (12) abgewandten Seite wenigstens eine Elektronenstreuschicht (6) aufweist.

13. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Reflexion von Minoritätselektronen für die spinabhängig reflektierende Re flektorschicht (22) 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 pe Ib, IIb oder IIIa ist.

14. Aufbau nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein Material der spinabhängig reflektierenden Reflek torschicht (22) aus der Gruppe der Elemente Cu, Ag, Au, Al.

15. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Reflexion von Majoritätselektronen für die spinabhängig reflektierende Re flektorschicht (22) 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.

16. Aufbau nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch Mn oder Cr oder V oder Ti als Material der spinabhängig reflektierenden Reflektorschicht (22).

17. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die spinabhängig re flektierende Reflektorschicht (2) als Material ein Halbmetall gewählt ist.

18. Aufbau nach Anspruch 17, dadurch gekenn zeichnet, daß für die spinabhängig reflektierende Reflektorschicht (22) ein Material mit Perowskit-Kristall struktur gewählt ist, das halbleitende Eigenschaften nur für die Majoritätselektronen oder nur für die Minoritätselektro nen aufweist, während es für Elektronen des jeweils anderen Typs elektrisch leitend ist.

19. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die spinabhängig reflek tierende Reflektorschicht (22) aus einer Heuslerschen Mn-Al- Legierung besteht.

20. Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekenn zeichnet durch eine Schichtdicke (d_s) der spinabhän gig reflektierenden Reflektorschicht (22) zwischen 0,15 und 1 nm.