DE69617833T2 - Magnetoresistives Element und Speicherelement - Google Patents

Magnetoresistives Element und Speicherelement

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft magnetoresistive Elemente, wie etwa Magnetköpfe und Sensoren und selbige verwendende Speicherelemente.
  • Aus US-A-4,823,177 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Magnetisieren von Dünnfilmen durch die Verwendung von injiziert spinpolarisierten Strömen bekannt. DMS-Material (dilute magnetic semiconductors = semimagnetische Halbleiter = magnetisch verdünnte Halbleiter) wird nicht durch ein äußeres Feld magnetisiert, sondern stattdessen durch einen einfallenden Laserstrahl mit entweder linker oder rechter Zirkularpolarisation, um eine lichtinduzierte Magnetisierung des DMS-Materials zu erhalten. Das magnetische Nettomoment beziehungsweise der Grad der in dem DMS-Material induzierten Magnetisierung wird durch ein SQUID-Magnetometer (SQUID = superconducting quantum interference device) erfaßt.
  • Es wurde jüngst entdeckt, daß künstliche Supergitter (Fe/Cr), (Co/Ru), die über einen metallischen unmagnetischen Dünnfilm wie etwa Cr und Ru antiferromagnetisch gekoppelt sind, in einem starken Magnetfeld (1 bis 10 k0e) einen GMR-Effekt (GMR = giant magnetoresistive effect) aufweisen (Physical Review Letter Band 61, S. 2472, 1988; Physical Review Letter Band 64, S. 2304 (1ß90)). Diese Filme zeigen zwar eine große Änderung beim magnetoresistiven Effekt, doch erfordern sie ein großes Magnetfeld in der Größenordnung mehrerer k0e, weshalb sie unpraktisch sind. Der GMR-Effekt wurde auch in Filmen mit künstlichen Supergittern (Ni-Fe/Cu/Co) unter Verwendung von Co und einem magnetischen Dünnfilm aus Ni-Fe mit unterschiedlichen Koerzitivkräften ohne magnetische Ankopplung angetroffen, und solche mit einem magnetoresistiven Änderungsverhältnis von etwa 8% sind bei Raumtemperatur in einem Magnetfeld von 0,5 k0e erhalten worden (Journal of Physical Society of Japan Band 59, S. 3061, 1990). Jedoch sind auch in diesem Fall die Charakteristiken nicht ausreichend praktisch, weshalb zur Entwicklung von magnetoresistiven Elementen mit einer größeren magnetoresistiven Änderung bei einem kleineren angelegten Magnetfeld aufgerufen worden ist. Als magnetoresistives Element, das durch Anlegen eines sehr kleinen Magnetfelds betätigt wird, wird ein Spin- Valve-Element mit einem antiferromagnetischen Material Fe-Mn vorgeschlagen, das an Ni-Fe/Cu/Ni-Fe angebrapht ist (Journal of Magnetism and Magnetic Materials 93, 5. 101, 1991). Bei diesem Fall liegt jedoch dahingehend ein Problem vor, daß das Änderungsverhältnis des magnetoresistiven Effekts bis auf 2 bis 4% zurückgeht.
  • Außerdem werden Speicherelemente vorgeschlagen, die Filme mit künstlichem Gitter und magnetoresistivem Effekt verwenden. Dazu gehören unter anderem beispielsweise solche, die zwei Arten von Magnetschichten mit unterschiedlichen Koerzitivkräften verwenden (Japanese Journal of Applied Physics, L415- 417, 1995) und solche, die den obenerwähnten Spin- Valve-Film verwenden (Digest of Intermag '95 AP-03 1995). Für diese Speicherelemente sind solche erforderlich, die eine größere Änderung des magnetoresistiven Effekts aufweisen, damit die Ausleseausgabe verbessert wird.
  • Da die obenerwähnten herkömmlichen Filme mit künstlichem Gitter Elektronen ohne Spinpolarisation verwenden, weisen sie in der Oberfläche des Magnetfilms eine schlechte Streueffizienz auf, weshalb das theoretische Änderungsverhältnis des magnetoresistiven Effekts bisher nicht erzielt worden ist.
  • Um die obenerwähnten Probleme in der herkömmlichen Technologie zu lösen, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Elements mit magnetoresistivem Effekt mit einer großen magnetoresistiven Änderung in einem schwachen Magnetfeld und einem Speicherelement mit einer großen Ausgabe unter Verwendung von Elektronen mit Spinpolarisation.
  • Zur Erzielung der obenerwähnten Aufgabe umfaßt ein erfindungsgemäßes Element mit einem magnetoresistiven Effekt: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil, der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen mit dem Halbleiterteil in Kontakt stehenden magnetischen Filmteil, wobei der Halbleiterteil mit dem magnetischen Filmteil in elektrischem Kontakt steht und Elektrodenteile mit dem Halbleiterteil bzw. dem magnetischen Filmteil in elektrischem Kontakt stehen. Das erfindungsgemäße Element mit einem magnetoresistiven Effekt verwendet dementsprechend im Gegensatz zu herkömmlichen Elementen mit künstlichem Gitter und magnetoresistivem Effekt, die mindestens zwei Magnetfilme verwenden, nur einen Magnetfilm und nutzt die magnetische Streuung von Elektronen mit Spinpolarisation, die durch Lichtanregung in den Halbleiterteilen erzeugt wird, die nach dem Magnetzustand des Magnetfilms an seiner Oberfläche drastisch variiert.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird bevorzugt, daß der Halbleiterteil aus zwei Arten von Halbleitern mit verschiedenen Gitterkonstanten besteht.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird weiterhin bevorzugt, daß zwischen dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Metallfilm angeordnet ist. In diesem Fall wird besonders bevorzugt, daß der unmagnetische Metallfilm aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht. In diesem Fall wird weiter bevorzugt, daß der unmagnetische Metallfilm aus zwei Arten von unmagnetischen Metallfilmen besteht. In diesem Fall wird weiter bevorzugt, daß für die beiden Arten von unmagnetischem Metallfilm der den Halbleiterteil kontaktierende Film aus Cs besteht und der andere, den magnetischen Filmteil kontaktierende Film aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht. In diesem Fall wird besonders bevorzugt, daß die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms 100 nm oder weniger beträgt.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird besonders bevorzugt, daß zwischen dem magnetischen Filmteil und dem. Halbleiterteil ein unmagnetischer Isolierfilm vorgesehen ist. In diesem Fall wird weiterhin bevorzugt, daß der unmagnetische Isolierfilm eine ähnliche Kristallstruktur wie der Halbleiterteil aufweist.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird weiterhin bevorzugt, daß es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiXCoYFeZ mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 besteht.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird weiterhin bevorzugt, daß es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus Nix'Coy'Fez' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 besteht.
  • Ein erfindungsgemäßes Speicherelement umfaßt folgendes: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil, der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen magnetischen Filmteil mit einer quadratischen Magnetisierungskurve, der den Halbleiterteil kontaktiert, einen Leiterleitungsteil zum Auslesen von Informationen, der durch den Weg gebildet wird, der durch den Halbleiterteil und den magnetischen Filmteil verläuft, und einen Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen, der über einen Isolierfilm in der Nähe des magnetischen Filmteils angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Speicherelement verwendet dementsprechend einen Magnetfilm mit einer magnetischen Kurve mit einer guten Rechteckigkeit, und es besteht hauptsächlich aus einem Leiterleitungsteil zum Auslesen von Informationen, der mit dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil verbunden ist, und einem Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen, der über einen Isolierfilm in der Nähe des magnetischen Filmteils angeordnet ist.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird bevorzugt, daß der Halbleiterteil aus zwei Arten von Halbleitern mit verschiedenen Gitterkonstanten besteht.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird weiterhin bevorzugt, daß zwischen dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Metallfilm vorgesehen ist. In diesem Fall wird besonders bevorzugt, daß der unmagnetische Metallfilm aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht. In diesem Fall wird weiter bevorzugt, daß der unmagnetische Metallfilm aus zwei Arten von unmagnetischen Metallfilmen besteht. In diesem Fall wird weiter bevorzugt, daß für die beiden Arten von unmagnetischem Metallfilm der den Halbleiterteil kontaktierende Film aus Cs besteht und der andere, den magnetischen Filmteil kontaktierende Film aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht. In diesem Fall wird besonders bevorzugt, daß die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms 100 nm oder weniger beträgt.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird besonders bevorzugt, daß zwischen dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Isolierfilm vorgesehen ist. In diesem Fall wird weiter bevorzugt, daß der unmagnetische Isolierfilm die gleiche Kristallstruktur wie der Halbleiterteil aufweist.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird weiter bevorzugt, daß es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiXCoYFeZ mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 besteht.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird weiter bevorzugt, daß es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus Nix'CoY'FeZ' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 besteht.
  • In der obenerwähnten Konfiguration des erfindungsgemäßen Speicherelements wird besonders bevorzugt, daß der Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen aus zwei Arten von zueinander orthogonalen Leiterleitungen in der Nähe des magnetischen Filmteils besteht.
  • Gemäß der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Element, das folgendes umfaßt: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil, der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen magnetischen Filmteil und in dem Halbleiterteil beziehungsweise dem magnetischen Filmteil angeordnete Elektrodenteile, können die unten erwähnten Vorteile erzielt werden. Das heißt, daß Elektronen mit einer in dem Halbleiterteil unter Verwendung einer polarisierbaren Lichtquelle, wie etwa einem Halbleiterlaser, erzeugten Spinpolarisation zu der Magnetfilmelektrode 7 strömen, um sich an der Oberfläche des Magnetfilmteils magnetisch zu streuen, wobei ein elektrisches Feld sowohl an die an dem Halbleiterteil als auch die an dem magnetischen Filmteil angeordneten Elektrodenteile angelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt variiert das Streuverhältnis der Elektronen mit Spinpolarisation sehr stark in Abhängigkeit von dem Magnetisierungszustand des magnetischen Filmteils. Durch Änderung des Spins der angeregten Elektronen von dem Aufwärtszustand zu dem Abwärtszustand wird der Magnetisierungszustand des Magnetfilms deshalb durch das an den magnetischen Filmteil angelegte Magnetfeld geändert, und diese Änderung wird unter Verwendung der Änderung beim Streuverhältnis der polarisierten Elektronen an der Oberfläche des magnetischen Films erfaßt. Die Änderung der Magnetoresistenz gestattet dementsprechend die Erfassung von Änderungen beim Magnetfeld.
  • In der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird, da der Halbleiterteil aus zwei Arten von Halbleitern mit verschiedenen Gitterkonstanten besteht, die Verschlechterung des Bands aufgrund des Stresses von dort weiter entspannt, und Elektronen mit einem größeren Polarisationsverhältnis können durch Licht angeregt werden.
  • Bei der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird, da zwischen dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Metallfilm vorgesehen ist, die Reaktion an der Oberfläche des magnetischen Filmteils und des Halbleiterteils verhindert, wodurch eine gute Oberfläche erhalten werden kann. Durch das Vorliegen der guten Oberfläche kann die magnetische Streuung von Elektronen an der Oberfläche dementsprechend erleichtert werden. In diesem Fall kann weiterhin gemäß der bevorzugten Ausführungsform, daß der unmagnetische Metallfilm aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht, zwischen dem magnetischen Filmteil und dem unmagnetischen Metallfilm leicht eine glatte und klare Oberfläche erhalten werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von Cu für den unmagnetischen Metallfilm ein großes magnetoresistives Änderungsverhältnis realisisert werden. Weiterhin können in diesem Fall gemäß der bevorzugten Ausführungsform, daß der unmagnetische Metallfilm aus zwei Arten von unmagnetischen Metallfilmen besteht, Elektronen ungehindert von dem Halbleiterteil zu dem magnetischen Filmteil bewegt werden. In diesem Fall können gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform, daß bei den beiden Arten von unmagnetischen Metallfilmen der den Halbleiterteil kontaktierende Film aus Cs besteht und der andere, den magnetischen Filmteil kontaktierende Film aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht, Elektronen ungehindert von dem Halbleiterteil zu dem magnetischen Filmteil bewegt werden. Außerdem wird in diesem Fall gemäß der bevorzugten Ausführungsform, daß die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms 100 nm oder weniger beträgt, der Speicher des Spinzustands nicht von den Elektronen Verloren.
  • In der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt wird, da zwischen dem magnetischen Filmteil und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Isolierfilm vorgesehen ist, die Reaktion an der Oberfläche des magnetischen Filmteils und des Halbleiterteils verhindert, weshalb eine gute Oberfläche erhalten werden kann. Weiterhin kann durch das Vorliegen der guten Oberfläche die magnetische Streuung von Elektronen an der Oberfläche erleichtert werden. Außerdem ist in diesem Fall gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform, daß der unmagnetische Isolierfilm die gleiche Kristallstruktur wie der Halbleiterteil aufweist, das epitaxiale Aufwachsen des unmagnetischen Isolierfilms auf dem Halbleiterteil möglich, und somit kann die Elektronentunnelung effizient ausgenutzt werden. Ein derartiger unmagnetischer Isolierfilm kann durch Erweitern des Bandabstands erhalten werden, indem die Zusammensetzung des Halbleiterteils geringfügig geändert wird.
  • In der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt kommt es leicht zu der magnetoresistiven Änderung, da es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiXCoYFeZ mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 besteht, und somit kann problemlos ein magnetischer Filmteil erhalten werden, der die Magnetisierung in einem schwachen Magnetfeld leicht umkehren kann.
  • In der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des erfindungsgemäßen Elements mit einem magnetoresistiven Effekt kann, da es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiX'CoY'FeZ' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 besteht, ein weiteres großes magnetoresistives Änderungsverhältnis realisiert werden.
  • Gemäß der obenerwähnten bevorzugten Ausführungsform des Speicherelements der vorliegenden. Erfindung, das folgendes umfaßt: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil, der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen magnetischen Filmteil mit einer quadratischen Magnetisierungskurve, der den Halbleiterteil kontaktiert, einen Leiterleitungsteil zum Auslesen von Informationen, der sowohl den Halbleiterteil als auch den magnetischen Filmteil kontaktiert, und einen Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen, der über einen Isolierfilm in der Nähe des magnetischen Filmteils angeordnet ist, können die unten erwähnten Vorteile erzielt werden. Das heißt, durch Anlegen von elektrischem Strom an den Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen zum Erzeugen eines Magnetfelds, das größer ist als die Koerzitivkraft des magnetischen Filmteils und Magnetisieren des magnetischen Filmteils können auf dem magnetischen Filmteil Informationen aufgezeichnet werden. Bei guter Rechteckigkeit der Magnetisierungskurve des magnetischen Filmteils kommt es in ein Magnetfeld, das schwächer ist als die Koerzitivkraft, nicht zu einer Umkehrung der Magnetisierung, weshalb die aufgezeichneten Informationen beibehalten werden können. Außerdem können durch Erzeugen von Elektronen mit Spinpolarisation entweder in den Aufwärtszustand oder in den Abwärtszustand durch Lichtanregung in dem Halbleiterteil und Ausnutzung der Differenz beim Widerstand zwischen den auf dem Halbleiterteil und dem magnetischen Filmteil angeordneten Elektroden gemäß dem Magnetisierungszustand des magnetischen Filmteils, auf dem die Informationen aufgezeichnet sind, die Informationen ausgelesen werden. Weiterhin kann durch Eingeben eines sich verändernden sehr kleinen Stroms auf den Leitungsleiterteil zum Aufzeichnen von Informationen und Ausnutzen des dadurch erzeugten Magnetfelds und zum Ändern des Magnetisierungszustands des magnetischen Filmteils und Anordnen des Ausgabetelis zum Anschließen der Last entweder an den Halbleiterteil oder den magnetischen Filmteil das Speicherelement auch als ein verstärkendes Element arbeiten. Um ein verstärkendes Element mit einer guten Linearität zu erhalten, wird jedoch bevorzugt, wenn die Orientierung des von dem Leitungsleiterteil zum Aufzeichnen von Informationen erzeugten Magnetfelds gleich der schwierigen Achsenorientierung des magnetischen Filmteils ist.
  • Bei der obenerwähnten bevorzugten Konfiguration des Speicherelements der vorliegenden Erfindung kann, da der Leitungsleiterteil zum Aufzeichnen von Informationen aus zwei Arten von Halbleitern mit zueinander orthogonalen Leiterleitungen in der Nähe des magnetischen Filmteils besteht, ein Speicherelement mit vielen Bit erhalten werden.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elemente mit einem magnetoresistiven Effekt veranschaulicht.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Ausführungsform der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
  • Fig. 3 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung mit vielen Bit darstellt.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Beispiele näher beschrieben.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elemente mit einem magnetoresistiven Effekt veranschaulicht. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist auf einem Substrat 1 über eine Pufferschicht ein Halbleiterfilm 2 angeordnet, der ein Fenster für Anregungslicht bereitstellt. Die Pufferschicht ist hier zum Aufrechterhalten einer guten Oberfläche zur Ausbildung eine s guten Films bestimmt. Ein Halbleiterfilm 3 und ein unmagnetischer Metallfilm (oder ein unmagnetischer Isolierfilm) 4 sind nacheinander auf dem Halbleiterfilm 2 angeordnet. Ein magnetischer Film 5 mit einer Magnetisierungskurve mit einer guten Rechteckigkeit ist auf dem unmagnetischen Metallfilm (oder einem unmagnetischen Isolierfilm) 4 angeordnet. Eine Elektrode 6 ist unter dem Substrat 1 angeordnet, und eine Elektrode 7 ist auf dem magnetischen Film 5 angeordnet. Laserlicht tritt durch den Halbleiterfilm 2 als ein Fenster und beleuchtet den auf dem Halbleiterfilm 2 angeordneten Halbleiterfilm 3. Dadurch werden Elektronen mit Spinpolarisation durch Licht auf dem Halbleiterfilm 3 angeregt. Durch Anlegen eines elektrischen Felds an die auf der Seite des Substrats 1 beziehungsweise der Seite des magnetischen Films 5 angeordneten Elektroden fließen die spinpolarisierten Elektronen von dem Halbleiterfilm 3 zu dem magnetischen Film 5 durch den unmagnetischen Metallfilm (oder den unmagnetischen Isolierfilm), der dazwischen angeordnet ist und eine magnetische Streuung an der Oberfläche des Magnetfilms 5 aufweist. Zu diesem Zeitpunkt variiert das Streuverhältnis der spinpolarisierten Elektronen als Funktion des Magnetisierungszustands des magnetischen Films 5. Dementsprechend ändert sich durch den Spin der angeregten Elektronen in dem Aufwärtszustand oder dem Abwärtszustand der zu erfassende Magnetisierungszustand des magnetischen Films 5 als Funktion des an dem magnetischen Film 5 angelegten Magnetfelds, und das Streuverhältnis der polarisierten Elektronen an der Oberfläche des magnetischen Films 5 ändert sich. Da die magnetoresistive Änderung zwischen den auf dem Substrat 1 und dem magnetischen Film 5 angeordneten Elektroden 6, 7 auftritt, kann die Änderung des Magnetfelds erfaßt werden. In einigen Fällen muß der unmagnetische Metallfilm (oder der unmagnetische Isolierfilm) 4 nicht enthalten sein. Wenn das Element dementsprechend als ein Element mit einem magnetoresistiven Effekt verwendet wird, kann es dadurch betrieben werden, daß der Magnetisierungszustand des magnetischen Films 5 durch das äußere Magnetfeld geändert wird.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Ausführungsform der Speicherelemente der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine Leiterleitung 8 zum Aufzeichnen von Informationen ist in der Nähe des magnetischen Films 5 über einen elektrischen Isolierteil 9 angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Da die anderen Teile der Konfiguration die gleichen sind wie in dem in Fig. I dargestellten obenerwähnten Element mit einem magnetoresistiven Effekt tragen die gleichen Glieder die gleichen Zahlen und werden hier nicht näher erläutert. In diesem Fall wird ein Leiterleitungsteil zum Auslesen von Informationen durch den sich von der Elektrode 6 zu der Elektrode 7 erstreckenden Weg gebildet. Bei Verwendung als Speicherelement wird durch Anlegen eines Stroms an die in der Nähe des magnetischen Films 5 angeordnete Leiterleitung 8 zum Erzeugen eines Magnetfelds, das größer ist als die Koerzitivkraft des magnetischen Films 5, der magnetische Film 5 in eine bestimmte Orientierung magnetisiert. Durch diesen Vorgang werden Informationen auf dem magnetischen Film 5 aufgezeichnet. Wenn der magnetische Film 5 eine Magnetisierungskurve mit einer guten Rechteckigkeit aufweist, wird seine Magnetisierung durch ein Magnetfeld, das kleiner ist als die Koerzitivkraft, nicht umgekehrt, weshalb die aufgezeichneten Informationen beibehalten werden können. Zudem ist es durch die Lichtanregung außerdem möglich, Elektronen mit einer Spinpolarisation nur in den Aufwärtszustand zu erzeugen, um die Informationen je nachdem auszulesen, ob die Elektronen an der Oberfläche des magnetischen Films 5 leicht gestreut werden oder nicht (das heißt, ob der Widerstand hoch oder niedrig ist), und zwar in Abhängigkeit von der Magnetisierungsorientierung des magnetischen Films 5, auf dem die Informationen aufgezeichnet sind.
  • Bei Ausbildung eines Speicherelements mit vielen Bit, wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Elemente (magnetischer Film 5) auf matrixartige Weise angeordnet und ordnen Leiterleitungen 8, 8' auf gitterartige Weise über die Elemente hinweg an. Um die Elemente zu isolieren, kann ein Isolierteil ausgebildet werden, indem Ionen von B (Bor), H (Wasserstoff) und 0 (Sauerstoff) injiziert werden oder indem der Halbleiterfilmteil durch Fräsen oder Ätzen geschnitten wird.
  • Durch Abstrahlen eines Lichts, wie etwa eines Halbleiterlasers als die Lichtquelle, zu dem Halbleiterfilm 3 mit einer dem Bandabstand des Halbleiterfilms 3 entsprechenden Wellenlänge werden Elektronen mit Spinpolarisation durch Lichtanregung erzeugt. Zu dem Zeitpunkt können entsprechend der Differenz der Wahrscheinlichkeiten, ob die angeregten Elektronen den Aufwärtsspinzustand (+1/2) oder den Abwärtsspinzustand (-1/2) einnehmen, Elektronen mit einer Spinpolarisation erhalten werden. Als Beispiel hat im Fall von GaAs das P-Band des Γ-Punkts P3/2 viermal verschlechtert und P1/2 zweimal verschlechtert, und durch Bestrahlen eines polarisierten Laserlichtstrahls können Elektronen mit einem Polarisationsverhältnis von 50% in der leitenden Hülle angeregt werden. Weiter kann, falls ein weiterer GaAs- Film mit einer unterschiedlichen Gitterkonstante auf dem GaAs-P-Film ausgebildet und als der Halbleiterfilm 3 verwendet wird, die Bandverschlechterung weiter durch den Streß davon entspannt werden und Elektronen mit einem größeren Polarisationsverhältnis können durch Licht angeregt werden.
  • Als magnetischer Film werden Ni-reiche magnetische Filme bevorzugt, die leicht eine magnetoresistive Änderung erzeugen können und die Magnetisierung in einem schwachen Magnetfeld umkehren können, und die hauptsächlich aus NiXCoYFeZ mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 bestehen. Zu Beispielen für die Ni- reichen magnetischen Filme zählen Ni0,8Co0,15Fe0,05 und Ni0,68Co0,2Fe0,12. Zudem können als solche mit einer größeren magnetoresistiven Änderung, obwohl das Operationsmagnetfeld geringfügig größer wird, Co-reiche magnetische Filme verwendet werden, die hauptsächlich aus Nix'CoX'FeZ' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 bestehen. Zu Beispielen für die Co-reichen magnetischen Filme zählen Co0,9Fe0,1 und Co0,7Ni0,1Fe0,2.
  • Was das Verhältnis NiX'CoY'FeZ' angeht, so werden 50 Gew.-% oder darüber bevorzugt. Zur Verbesserung der weichmagnetischen Charakteristiken, der Korrosionsbeständigkeit und der Abnutzungsbeständigkeit ist es effektiv, gegebenenfalls Materialien wie etwa Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo, W und Ru hinzuzufügen.
  • Falls der magnetische Film 5 direkt auf dem Halbleiterfilm 3 ausgebildet wird, können in einigen. Fällen Probleme entstehen, wie etwa daß eine Reaktion auftritt oder daß man keine glatte Oberfläche erhält, die sich dazu eignet, ein großes magnetoresistives Änderungsverhältnis zu erhalten. In diesen Fällen wird zwischen den Oberflächen des Halbleiterfilms 3 und des magnetischen Films 5 wie obenerwähnt bevorzugt ein unmagnetischer Metallfilm (oder ein unter Berücksichtigung des Tunneleffekts hergestellter unmagnetischer Isolierfilm) 4 eingefügt.
  • Es wird ein unmagnetischer Metallfilm bevorzugt, der an der Oberfläche des magnetischen Films geringe Reaktion zeigt und eine geringe Tendenz aufweist, eine feste Lösung zu bilden. Bei dem unmagnetischen Metallfilm handelt es sich bevorzugt um mindestens ein aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au ausgewähltes Material, da sie zwischen dem magnetischen Film und dem unmagnetischen Film leicht eine glatte und klare Oberfläche bereitstellen. Cu wird weiterhin bevorzugt, um ein besonders großes magnetoresistives Änderungsverhältnis zu erhalten. Da der Speicher des Spinzustands aus den Elektronen verloren geht, falls die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms größer als 100 nm ist, ist die Dicke des unmagnetischen Metallfilms bevorzugt 100 nm oder weniger.
  • Um die Übertragung von Elektronen von dem Halbleiterfilm 3 zu dem magnetischen Film 5 zu erleichtern, ist es effektiv, auf der Halbleiterfilmseite einen unmagnetischen Metallfilm wie etwa Cs auszubilden. Deshalb kann auch eine Konfiguration verwendet werden, die auf der Seite des Halbleiterfilms 3 einen unmagnetischen metallischen Film wie etwa Cs und auf der Seite zum Kontaktieren mit dem magnetischen Film 5 einen unmagnetischen Metallfilm wie etwa Cu ausbildet.
  • Wenn der unmagnetische Isolierfilm eingefügt wird, sollte die Filmdicke höchstens 10 nm betragen, um eine Trägertunnelung durch den Film zu gestatten. Zudem wird als die unmagnetische Isolierfilmzusammensetzung ein Film bevorzugt, der fast die gleiche Zusammensetzung wie der Halbleiterfilm 3 und auch den Bandabstand aufweist und sich wie der Isolierfilm verhält.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Beispiele mit näheren Einzelheiten beschrieben.
    • (Beispiel 1)
  • Durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) wurde ein AlGaAs- Film für ein Fenster mit einer Dicke von etwa 10 nm zum Erzeugen von Elektronen mit einer Spinpolarisation mit einer Dicke von etwa 1 um auf einem GaAs-Substrat über eine GaAs-Filmpufferschicht hergestellt. Ein GaAs-Film mit einer Dicke von etwa 50 nm wurde auf dem AlGaAs- Film zum Erzeugen von Elektronen mit einer Spinpolarisation hergestellt. Außerdem wurden ein Cu- Film mit einer Dicke von etwa 5 nm und ein magnetischer Ni0,7Co0,2Fe0,12-Film mit einer Dicke von etwa 5 nm auf dem GaAs-Film ausgebildet, und Elektroden wurden auf der Substratseite und der Seite des magnetischen Films angeordnet, um ein Element mit einem magnetoresistiven Effekt zu erhalten.
  • Ein Magnetfeld von etwa 20 Oe wurde an das Element mit einer Orientierung etwa parallel zu der Orientierung des einfallenden Laserstrahls angelegt unter gleichzeitiger Abstrahlung eines Halbleiterlaserlichts mit einer Wellenlänge von 830 nm, polarisiert zu einer bestimmten Orientierung, um die Magnetisierungsorientierung umzukehren. Bei der Messung der magnetoresistiven Änderung des Elements durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden wurde ein magnetoresistives Änderungsverhältnis von etwa 30% erhalten.
    • (Beispiel 2)
  • Wie in Beispiel 1 wurde mit MBE ein GaAs0,75P0,25-Film für ein Fenster mit einer Dicke von etwa 2 um auf dem GaAs- Substrat über eine GaAs-Filmpufferschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm ausgebildet. Außerdem wurde ein GaAs-Film mit einer Dicke von etwa 100 nm darauf zum Erzeugen von Elektronen mit einer Spinpolarisation ausgebildet. Zudem wurden ein Cu-Film mit einer Dicke von etwa 10 nm und ein magnetischer Co0,7Fe0,2Ni0,1-Film mit einer Dicke von etwa 5 nm auf dem GaAs-Film ausgebildet, und Elektroden wurden auf der Substratseite und auf der Seite des magnetischen Films angeordnet, um ein Element mit einem magnetoresistiven Effekt zu erhalten.
  • Ein Magnetfeld von etwa 50 Oe wurde an das Element mit einer Orientierung etwa parallel zu der Orientierung des einfallenden Laserstrahls angelegt unter gleichzeitiger Abstrahlung eines Halbleiterlaserlichts mit einer Wellenlänge von 830 nm, polarisiert zu einer bestimmten Orientierung, um die Magnetisierungsorientierung umzukehren. Bei der Messung der magnetoresistiven Änderung des Elements durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden wurde ein magnetoresistives Änderungsverhältnis von etwa 50% erhalten.
    • (Beipiel 3)
  • Wie im obenerwähnten Beispiel 1 wurde mit MBE ein GaAs0,75P0,25-Film für ein Fenster mit einer Dicke von etwa 2 um auf einem GaAs-Substrat über eine GaAs- Filmpufferschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm ausgebildet. Außerdem wurde ein GaAs-Film mit einer Dicke von etwa 100 nm darauf zum Erzeugen von Elektronen mit einer Spinpolarisation ausgebildet.
  • Zudem wurden ein Al0,3Ga0,2As-Isolierfilm mit einer Dicke von etwa 5 nm und ein magnetischer Co0,7Fe0,2Ni0,1-Film mit einer Dicke von etwa 5 nm auf dem GaAs-Film ausgebildet, und Elektroden wurden auf der Substratseite und auf der Seite des magnetischen Films angeordnet, um ein Element mit einem magnetoresistiven Effekt zu erhalten.
  • Ein Magnetfeld von etwa 50 Oe wurde an das Element an die Orientierung etwa parallel zu der Orientierung des einfallenden Laserstrahls angelegt unter gleichzeitiger Abstrahlung eines Halbleiterlaserlichts mit einer Wellenlänge von 830 nm, polarisiert zu einer bestimmten Orientierung, um die Magnetisierungsorientierung umzukehren. Bei der Messung der magnetoresistiven Änderung des Elements durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden wurde ein magnetoresistives Änderungsverhältnis von etwa 70% erhalten.
    • (Beispiel 4)
  • Wie im obenerwähnten Beispiel 1 wurde mit MBE ein AlGaAs-Film für ein Fenster mit einer Dicke von etwa 1 um auf einem GaAs-Substrat über eine GaAs- Filmpufferschicht mit einer Dicke von etwa 10 nm ausgebildet. Außerdem wurde ein GaAs-Film mit einer Dicke von etwa 50 nm darauf zum Erzeugen von Elektronen mit einer Spinpolarisation ausgebildet zudem würden ein Cu-Film mit einer Dicke von etwa 5 nm und ein magnetischer Ni0,7Co0,2Fe0,12-Film mit einer Dicke von etwa 5 nm auf dem GaAs-Film ausgebildet, und Elektroden wurden auf der Substratseite und auf der Seite des magnetischen Films angeordnet. Außerdem wurde eine Au- Leiterleitung in der Nähe des magnetischen Films über einen Isolierfilm ausgebildet, um ein Element mit 1 Bit mit einem magnetoresistiven Effekt zu erhalten.
  • Nach dem Magnetisieren des magnetischen Films dieses Elements mit einer bestimmten Orientierung durch Schicken eines Stroms in die Au-Leiterleitung wurde eine Spannung an das Element zum Messen der magnetoresistiven Änderung des Elements angelegt, wobei gleichzeitig mit einem Halbleiterlaserlicht mit einer Wellenlänge von 830 nm bestrahlt wurde, das auf eine bestimmte Orientierung polarisiert war. Es stellte sich heraus, daß gemäß der Magnetisierungsrichtung des magnetischen Films eine große magnetoresistive Änderung auftreten kann oder nicht auftreten kann. Dies beweist, daß das Element als ein Speicherelement arbeiten kann.
  • Wie obenerwähnt wird durch die vorliegende Erfindung ein Element mit einem magnetoresistiven Effekt und ein festes Speicherelement mit einer großen magnetoresistiven Änderung bei einem geringen Magnetfeld realisiert.

Claims (23)

1. Magnetoresistives Element, das folgendes umfaßt: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil (3), der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen magnetischen Filmteil (5), wobei der Halbleiterteil (3) mit dem magnetischen Filmteil (5) in elektrischem Kontakt steht und Elektrodenteile (6, 7) mit dem Halbleiterteil bzw. dem magnetischen Filmteil (5) in elektrischem Kontakt stehen.
2. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem der Halbleiterteil (3) aus zwei Arten von Halbleitern mit verschiedenen Gitterkonstanten besteht.
3. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem magnetischen Filmteil (5) und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Metallfilm (4) vorgesehen ist.
4. Magnetoresistives Element nach Anspruch 3, bei dem der unmagnetische Metallfilm (4) aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht.
5. Magnetoresistives Element nach Anspruch 3, bei dem der unmagnetische Metallfilm (4) aus zwei Arten von unmagnetischen Metallfilmen besteht.
6. Magnetoresistives Element nach Anspruch 5, bei dem für die beiden Arten von unmagnetischem Metallfilm der den Halbleiterteil kontaktierende Film aus Cs besteht und der andere, den magnetischen Filmteil (5) kontaktierende Film aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht.
7. Magnetoresistives Element nach Anspruch 3, bei dem die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms (4) 100 nm oder weniger beträgt.
5. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem magnetischen Filmteil (5) und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Isolierfilm (4) vorgesehen ist.
9. Magnetoresistives Element nach Anspruch 8, bei dem der unmagnetische Isolierfilm (4) die gleiche Kristallstruktur wieder Halbleiterteil aufweist.
10. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem es sich bei dem magnetischen Filmteil (5) um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiXCoYFeZ mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 besteht.
11. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, bei dem es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NiX'CoY'FeZ' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 besteht.
12. Speicherelement, das folgendes umfaßt: eine polarisierbare Lichtquelle, einen Halbleiterteil (3), der unter Verwendung der Lichtquelle zur Spinpolarisation von Elektronen durch Lichtanregung in der Lage ist, einen magnetischen Filmteil (5) mit einer quadratischen Magnetisierungskurve, der den Halbleiterteil kontaktiert, einen Leiterleitungsteil zum Auslesen von Informationen, der durch den Weg gebildet wird, der durch den Halbleiterteil und den magnetischen Filmteil (5) verläuft, und einen Leiterleitungsteil (8) zum Aufzeichnen von Informationen, der über einen Isolierfilm (4) in der Nähe des magnetischen Filmteils (5) angeordnet ist.
13. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem der Halbleiterteil aus zwei Arten von Halbleitern mit verschiedenen Gitterkonstanten besteht.
14. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem zwischen dem magnetischen Filmteil (5) und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Metallfilm (4) vorgesehen ist.
15. Speicherelement nach Anspruch 14, bei dem der unmagnetische Metallfilm aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht.
16. Speicherelement nach Anspruch 14, bei dem der unmagnetische Metallfilm (4) aus zwei Arten von unmagnetischen Metallfilmen besteht.
17. Speicherelement nach Anspruch 16, bei dem für die beiden Arten von unmagnetischem Metallfilm der den Halbleiterteil kontaktierende Film aus Cs besteht und der andere, den magnetischen Filmteil (5) kontaktierende Film aus mindestens einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cu, Ag und Au besteht.
18. Speicherelement nach Anspruch 14, bei dem die Filmdicke des unmagnetischen Metallfilms (4) 100 nm oder weniger beträgt.
19. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem zwischen dem magnetischen Filmteil (5) und dem Halbleiterteil ein unmagnetischer Isolierfilm vorgesehen ist.
20. Speicherelement nach Anspruch 19, bei dem der unmagnetische Isolierfilm die gleiche Kristallstruktur wie der Halbleiterteil aufweist.
21. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem es sich bei dem magnetischen Filmteil um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus NixCoyFez mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X = 0,6 bis 0,9, Y = 0 bis 0,4, Z = 0 bis 0,3 besteht.
22. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem es sich bei dem magnetischen Filmteil (5) um einen ferromagnetischen Film handelt, der hauptsächlich aus Nix'Coy'Fez' mit dem atomaren Zusammensetzungsverhältnis X' = 0 bis 0,4, Y' = 0,2 bis 0,95, Z' = 0 bis 0,5 besteht.
23. Speicherelement nach Anspruch 12, bei dem der Leiterleitungsteil zum Aufzeichnen von Informationen aus zwei Arten von zueinander orthogonalen Leiterleitungen (8, 8') in der Nähe des magnetischen Filmteils (5) besteht.
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