DE19908054C2 - Ungekoppelter GMR-Sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen ungekoppelten GMR-Sensor sowie eine Schicht zur Herstellung von GMR- Sensoren.

Im Bereich der Sensorik werden seit langem Magnetowi­ derstandseffekte, auch MR-Effekte genannt, in der Weise ausgenutzt, daß Magnetfeldänderungen, welche Indikatoren magnetischer, elektrischer oder mechanischer Parameter sein können, direkt in ein elektrisches Signal umgewan­ delt werden, welches berührungsfrei und im Prinzip leicht auslesbar ist. Zu den Sensoren, in denen MR-Effekte tech­ nisch vorteilhaft und elegante Lösung eingesetzt werden, gehören insbesondere Leseköpfe für Magnetspeichermedien, wie sie z. B. bei Computerfestplatten zur Anwendung kom­ men.

Je nach physikalischem Wirkprinzip können unterschiedlich große Magnetwiderstandswirkungen erzielt werden. In den sogenannten GMR-Systemen, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist die Magnetowiderstandswirkung ge­ genüber den schon länger bekannten AMR-Effekten "gigantisch", weshalb GMR-Systeme in zunehmendem Maß eingesetzt werden. In der einfachsten Form wird der GMR- Effekt in einem System gefunden, welches aus zwei magne­ tischen Schichten (z. B. aus Kobalt) besteht, die von ei­ ner nicht-magnetischen Zwischenschicht (z. B. Kupfer) un­ terbrochen sind. Die maximale durch ein äußeres Magnet­ feld ausgelöste relative Widerstandserhöhung in einem solchen einfachen Sandwich beträgt 6 bis 8%. Gegenüber dem AMR-Effekt stellt dies etwa eine Verdopplung dar. Hinzu kommt, daß der GMR-Effekt ganz wesentlich dadurch vergrößert werden kann, daß man von einem Sandwich zu ei­ ner Vielfachschicht übergeht, wodurch Widerstandsänderun­ gen von etwa 100% inzwischen erzielbar sind.

Bei GMR-Effekten wird der Spin der Elektronen genutzt, wobei der elektrische Widerstand der Sandwich-Schichtung vom Winkel zwischen der oberen und unteren Magnetisierung abhängt. Die den Widerstand verursachende Streuung der Elektronen wird vergrößert, wenn die Magnetisierungsrich­ tung der beiden Grenzschichten nicht parallel ist. Der Widerstand ist bei anti-paralleler Einstellung am größ­ ten, und am kleinsten bei paralleler Einstellung. Die beiden magnetischen Zustände des Systems sind mit einer Änderung des elektrischen Widerstands des Systems verbun­ den.

Es sind bis jetzt zwei verschiedene Möglichkeiten bekannt und werden verwendet, um ein GMR-System mit solchen Ei­ genschaften zu erzeugen. Man unterscheidet sogenannte ge­ koppelte Systeme, bei denen eine magnetische Aus­ tauschkopplung zweier magnetischer Schichten über eine nicht-magnetische Zwischenschicht hinweg stattfindet, und sogenannte ungekoppelte GMR-Systeme, bei denen eine sol­ che Zwischenschichtkopplung aufgrund der Dicke der Zwi­ schenschicht nicht mehr stattfindet.

Bei ungekoppelten Systemen müssen die beiden magnetischen Schichten eines Sandwiches so ausgelegt sein, daß eine Schicht leicht in Feldern der gewünschten Stärke ummagne­ tisiert, die andere dagegen ihre Magnetisierung in den­ selben Feldern beibehält. Mit anderen Worten muß eine Schicht ein weichmagnetisches Verhalten zeigen, während die anderen ausreichend widerstandsfähig gegen Ummagneti­ sierung sein müssen. Dies kann man dadurch erreichen, daß sich die Schichten in der Koerzitivfeldstärke leicht un­ terscheiden. Eine alternative Maßnahme besteht darin, die Magnetisierung von jeweils einer Schicht "festzupinnen". Dazu kann man den Austauschanisotropieeffekt nutzen. Die­ ser kommt durch die Wechselwirkung eines Ferromagneten mit einem angrenzenden Antiferromagneten zustande und wirkt sich so aus, daß die Ummagnetisierungskurve des Ferromagneten auf der H-Achse verschoben ist.

Für den Bau von Sensoren haben die ungekoppelten Systeme gegenüber den gekoppelten Systemen den Vorteil, daß sie eine Anisotropie und eine höhere Sensitivität zeigen. Au­ ßerdem sind sie einfacher in der Herstellung, sie können beispielsweise durch Sputtern hergestellt werden. Aller­ dings sind ungekoppelte Systeme mit dem Nachteil verbun­ den, daß man für sie prinzipiell mehr Schichten und damit mehr Prozeßschritte in der Herstellung benötigt als für gekoppelte Systeme.

Im übrigen sind lateral strukturierte Schichten bereits aus diversen Druckschriften bekannt. So offenbart die US- Zeitschrift J. Appl. Phys. 83 (1998) 5321-5325 eine Schicht, die in verschiedene magnetische Bereiche struk­ turiert (gepinnt) ist, ist aus der US-Zeitschrift Appl. Phys. Lett. 71 (1997) 3299-3301 eine Schicht bekannt, die durch fehlende Stufen gegliedert ist, und die US- Zeitschrift Phys. Rev. B65 (1997) 14566-14573 sowie die japanische Zeitschrift J. Appl. Phys. 36 (1997) L 1380- L 1383 beschreiben granulare Filme für den GMR-Effekt. Aus den US-Patentschriften 58 58 125 und 58 24 165 sind weitere Strukturierungen bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen GMR-Sensor an­ zugeben, der unter Beibehaltung einer Anisotropie und ei­ ner hohen Sensitivität einfach in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die lateral strukturierte Schicht (1) ferro- und antiferroma­ gnetische Domänen (2, 3) aufweist und von der ferromagne­ tischen Schicht durch eine Zwischenschicht entkoppelt ist. Durch die Verwendung einer lateral strukturierten Schicht, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, lassen sich die Vorteile einer hohen Sensitivität und Anisotro­ pie von ungekoppelten Systemen mit dem Vorteil einer ein­ fachen Herstellung von gekoppelten Systemen kombinieren. Lateral strukturierte Schichten lassen sich nämlich in einfacher Weise aus einer selbst organisierten Schicht oder künstlich durch Ionenimplantation an einer ferroma­ gnetischen Schicht herstellen. Die künstliche Strukturie­ rung kann beispielsweise durch Implantation von Sauer­ stoffionen unter Erzeugung von Co-CoO- oder Ni-NiO- Schichten hergestellt werden. Die Verwendung einer late­ ral strukturierten Schicht bietet den weiteren Vorteil, daß sich über die Größe der antiferromagnetischen Berei­ che die Größe des Austauschanisotropieeffektes einstellen läßt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die lateral strukturierte Schicht einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film auf, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem beispielsweise einkristallinen Substrat aufgewach­ sen ist. In diesem schichtdicken Bereich zerfällt die Schicht in zwei verschiedene Typen struktureller Domänen, wie Untersuchungen der Struktur mit niederenergetischer Elektronenbeugung gezeigt haben. Diese Domänen werden durch zwei verschiedene Typen von LEED-Überstrukturen charakterisiert und sind mit bestimmten magnetischen Ei­ genschaften korreliert. Die so strukturierte Schicht zeigt eine mit steigendem Anteil der antiferromagneti­ schen Domänen Austauschanisotropiefeld. Das Maximum des Austauschanisotropiefeldes ist bei einem Anteil der anti­ ferromagnetischen Domänen von 50% am größten und fällt danach wieder ab.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfol­ gende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer late­ ral strukturierten Schicht für GMR-Sensoren unter Bezug­ nahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 in schematischer Ansicht eine lateral struktu­ rierte Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 ein Diagramm, das das Austauschanisotropieverhalten in Abhängigkeit vom Anteil der antiferromagnetischen Domänen in einer lateral strukturierten Schicht zeigt.

In Fig. 1 ist eine lateral strukturierte Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die für den Ein­ satz in GMR-Sensoren geeignet ist. Die lateral struktu­ rierte Schicht besteht aus einem 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film, der auf einem 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem Substrat aufgewachsen worden ist. In diesem Schichtdickenbereich zerfällt die Schicht in zwei ver­ schiedene Typen struktureller Domänen, nämlich in anti­ ferromagnetische Domänen 2 einerseits und ferromagneti­ sche Domänen 3 andererseits. Diese Domänen werden durch zwei verschiedene Typen von LEED-Überstrukturen charakte­ risiert. Die beiden strukturellen Domänen sind mit be­ stimmten magnetischen Eigenschaften korreliert.

Die lateral strukturierte Schicht 1 zeigt, wie in Abb. 2 dargestellt ist, ein mit steigendem Anteil der an­ tiferromagnetischen Domänen steigendes Austauschanisotro­ piefeld, dessen Maximum bei einem Anteil der antiferroma­ gnetischen Domänen von 50% liegt und danach wieder ab­ fällt.

Claims (12)

1. Ungekoppelter GMR-Sensor mit wenigstens einer ferro­ magnetischen Schicht und einer lateral strukturierten Schicht (1) dadurch gekennzeichnet, daß die late­ ral strukturierte Schicht (1) ferro- und antiferroma­ gnetische Domänen (2, 3) aufweist und von der ferro­ magnetischen Schicht durch eine Zwischenschicht ent­ koppelt ist.

2. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) ein Austauschanisotropiefeld zeigt.

3. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe- Film aufweist, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni- Film auf einem insbesondere einkristallinen Substrat aufgewachsen ist.

4. Ungekoppelter GMR-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) aus einer selbstorganisier­ ten Schicht hergestellt ist.

5. Ungekoppelter GMR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht insbesondere durch Ionenimplan­ tation an einer ferromagnetischen Schicht künstlich hergestellt ist.

6. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Strukturierung durch Implantation von Sauerstoffionen unter Erzeu­ gung von Co-CoO oder Ni-NiO-Schichten hergestellt ist.

7. Lateral strukturierte Schicht für ungekoppelte GMR- Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferro- und antiferromagnetischen Domänen (2, 3) besitzt.

8. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Austauscha­ nisotropiefeld zeigt.

9. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film aufweist, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem insbeson­ dere einkristallinen Substrat aufgewachsen ist.

10. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer selbstorganisierten Schicht hergestellt ist.

11. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie insbeson­ dere durch Ionenimplantation an einer ferromagneti­ schen Schicht künstlich strukturiert ist.

12. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Implan­ tation von Sauerstoffionen erzeugte Co-CoO oder Ni- NiO-Schichten aufweist.