EP1514314A1 - Dispositif a magnetoresistance variable - Google Patents

Dispositif a magnetoresistance variable

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Publication number
EP1514314A1
EP1514314A1 EP03760035A EP03760035A EP1514314A1 EP 1514314 A1 EP1514314 A1 EP 1514314A1 EP 03760035 A EP03760035 A EP 03760035A EP 03760035 A EP03760035 A EP 03760035A EP 1514314 A1 EP1514314 A1 EP 1514314A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
magnetic
insulating layer
constrictions
magnetic field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03760035A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Marie George
Karim Bouzehouane
Julian Carrey
Frédéric NGUYEN VAN DAU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of EP1514314A1 publication Critical patent/EP1514314A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a variable magnetoresistance device.
  • variable magnetoresistance device is understood to mean any device comprising at least: a free magnetic layer (whose magnetization is easily oriented in the direction of an external magnetic field) or fixed (whose magnetization requires a much larger external magnetic field to change direction), an insulating layer, and a fixed or free magnetic layer.
  • a free magnetic layer whose magnetization is easily oriented in the direction of an external magnetic field
  • fixed whose magnetization requires a much larger external magnetic field to change direction
  • an insulating layer insulating layer
  • fixed or free magnetic layer insulating layer
  • fixed or free magnetic layer can for example be magnetic field sensors as well as magnetic read heads or logic gates controlled by an external magnetic field.
  • Magnetic field sensors whether magnetoresistive or Hall effect, have a sensitivity limited to approximately 10 5 V / TA.
  • the applications currently envisaged would require higher sensitivities (10 6 to 10 7 V / TA so as to be able to compete with bulky techniques such as NMR or requiring cryogenics, such as SQUID).
  • the sensitivity of the read heads needs to keep up with the increasing densities of the recording media, while current multitrack read heads also have limited performance.
  • the logic gates have the highest possible density and can be driven by a weak external magnetic field.
  • the subject of the present invention is a device with variable magnetoresistance which is sensitive to the weakest possible magnetic field, which is the least bulky possible, reproducible and easy to produce.
  • the device according to the invention of the type comprising at least: a free magnetic layer, an insulating layer and a fixed magnetic layer, is characterized in that the insulating layer comprises at least one constriction whose dimension is of the order of greatness of some Angstroms.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 is a set of two schematic views of the device of Figure 1 illustrating the effect of an external magnetic field on the relative orientation of the magnetizations of the two magnetic layers which are part of this device, and illustrating the way of measure this change in orientation;
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the operating principle of the device of the invention used in logic gate
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the physical phenomenon varying the resistance of the device of the invention.
  • FIG. 5 is a simplified diagram illustrating the electroplating step that can be implemented during the manufacture of the device of the invention
  • the device of the invention in the first embodiments described below (FIGS. 1 to 6), is a magnetic device implementing the ballistic magnetoresistance through a constriction which serves to trap a magnetic domain.
  • a magnetic device 1 As specified above, this device can for example be a magnetic field sensor, or else a magnetic read head, or even a logic gate.
  • This device 1 comprises a first free magnetic layer 2, an insulating layer 3 pierced with holes 4 (also called constrictions), and a second fixed magnetic layer 5.
  • the holes 4 have, seen in section, a conical shape narrowing from the layer 5 towards the layer 2, but it is understood that this shape can be different (rectilinear, cones inverted with respect to those shown , shrinking halfway ).
  • the dimension of the narrowest part of each of the holes 4 must be at minimum of the dimension of an atom, that is to say it must be a few Angstroms.
  • the material constituting layer 5 must fill the holes 4.
  • layer 2 is a free magnetic layer, while layer 5 is a fixed magnetic layer, but it is understood that the reverse is also possible.
  • the device 1 described above uses the ballistic magnetoresistance through a wall whose size is smaller than the mean electronic free path (the latter being about 20 nm). These magnetoresistance effects have been described for experimental devices, for example in the following publications: “G. TARTARA et al, Phys. Rev. Lett. 83 (1999), 2030 ",” P. BRUNO, Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 2425 ”, N. GARCIA et al, Phys. Rev. Lett. 85 (2000), 3053 ”,“ N. GARCIA et al, Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 2586 ”.
  • the device of Figure 1 can be easily mass produced using industrial techniques well known per se, such as those described below, which makes it easily reproducible.
  • the device of the invention it is easy to give a value of output resistance, within certain limits, by forming, during manufacture, a determined number of constrictions, the resistances due to these constrictions being in parallel with one another.
  • the resistance of a constriction in a given state is R
  • its output resistance will be R / N.
  • the output resistance is the so-called SHARVING resistance, which is 26 k ⁇ , and which is a quantum limit, as described in the article by Yu V. SHARVING, published in Russian in the Journal of Experimental Theoretical Physics 48, 984 (1965), or in English translation [Sov. Phys. JEPT, 21, 655 (1965)].
  • the use of the device of the invention as a logic gate digitally exploits the variation of the ballistic magnetoresistance signal, while its use as a sensor exploits the same signal in its analog form.
  • two of the main advantages of the device of the invention are the non-volatile nature of the storage of information in magnetic form and the fact that it is intrinsically hardened with respect to ionizing radiation thanks to the nature metallic of its magnetic layers.
  • FIG. 2 illustrates the operating principle of the device of the invention.
  • a device according to the invention in two different characteristic states.
  • the device 6 On the left, the device 6 is in a first state corresponding to the absence of an external magnetic field (other than the terrestrial magnetic field), while on the right, the same device, referenced 7, is in a second state, corresponding to the presence of an external magnetic field.
  • This device comprises a fixed magnetic layer 8, an insulating layer 9 pierced with at least one hole 9A and a free magnetic layer, which is referenced 10 in the first state and 10A in the second state.
  • a device 11 for measuring resistance is connected to the two magnetic layers.
  • the orientation of the magnetization of the fixed magnetic layer 8 does not change (arrow 12), while that of the free magnetic layer varies.
  • the orientation of the magnetization of the free magnetic layer (10) is, for example, in the same direction as that of the layer 8 (arrow 13).
  • the magnetization of the free magnetic layer tends to orient in the direction imposed by this field (which is symbolized, for the device 7, by an arrow 14 which has a orientation different from that of arrow 13).
  • the relative angular variation between the magnetizations of the two magnetic layers 8 and 10 is accompanied by a resistance variation, measured by the device 11.
  • FIG. 3 corresponds to the use of the device of the invention as a logic gate.
  • the device of the invention is associated with a device such as a conductor which can be traversed by an electric current, inactive in the state of rest and producing under the action of an external control a sufficient magnetic field. to modify the orientation of the magnetization of the free magnetic layer of the device of the invention.
  • this magnetic field is oriented so as to produce a maximum angular variation in the orientation of the magnetization of the free magnetic layer.
  • the resistance of the device of the invention which has the value R in the absence of a magnetic field, suddenly changes to the value R1 (greater than R) as soon as the magnetic field appears, and also switches back suddenly to the value R as soon as this magnetic field disappears.
  • two logical states are made (“0” and “1”).
  • FIG. 4 illustrates in a simplified manner the phenomenon which is at the origin of the variation in resistance of the device of the invention.
  • This phenomenon is due to the diffusion, dependent on the spin, through a magnetic domain trapped in each constriction 15 of the insulating layer 16, formed between a fixed magnetic layer 17 and a free magnetic layer 18, when the angle between the magnetizations of the two layers 17, 18 is different from zero.
  • the size of the magnetic domain is smaller than the mean electronic free path (symbolized by the set of arrows 19)
  • the conduction of the electrons on either side of the domain is ballistic, with conservation of the spin of the electrons .
  • FIG. 5 schematically illustrates a step of electrodeposition of the magnetic layer which has to fill the constrictions of the device of the invention.
  • a first magnetic layer 20 is deposited, in a manner known per se, on a non-ferromagnetic substrate 21.
  • Layer 20 is a ferromagnetic conductive layer of thickness which may be between a few nanometers and several hundred nanometers.
  • a layer 22 of insulating material is deposited having a thickness of a few nanometers.
  • Different methods can be envisaged to make constrictions 22A in the layer 22 depending on the hardness of the latter. If this layer 22 is, for example, made of alumina (AI 2 O3), the constrictions can be achieved by nanoindentation.
  • the pressure exerted by the nanoindentor controls the depth of the hole.
  • the constrictions can be carried out with an atomic force microscope equipped with a conductive tip. Control of the depth of the hole is then ensured by measuring the resistance between this point and the layer 20.
  • Other techniques known per se, can be used to constrict. It may be the local breakdown of an insulator using a point of tunnel microscopy, or else the “nanoimprint” (described in the article by SN. CHOU et al, in Science, vol. 272, p. 85 - 1996).
  • this deposition is carried out electrolytically, as illustrated in FIG. 5.
  • a receptacle 23 containing a bath of suitable electrolysis liquid 24 is placed on layer 22, and one applies between this liquid and the layer 20 a potential difference using a generator 25.
  • the layer thus deposited by electrolysis is a conductive ferromagnetic layer is for example made of Co, Ni, Fe or one of the alloys of these metals .
  • the deposition can continue to form the second magnetic layer. This is achieved by percolation of the electrolytic deposit.
  • a conductive layer preferably a ferromagnetic layer, can be deposited in order to ensure the magnetic homogeneity of the magnetization of this second layer.
  • the most conventional ones consist in blocking one of the main magnetic layers either using an indirect exchange coupling through a non-magnetic layer with another magnetic layer, or, as illustrated in FIGS. 6 and 7, by inserting a auxiliary layer of an antiferromagnetic material (NiO, FeMn, IrMn, ... for example) which is in contact with the fixed ferromagnetic layer.
  • a auxiliary layer of an antiferromagnetic material NiO, FeMn, IrMn, ... for example
  • the free ferromagnetic layer is advantageously made of a soft magnetic material such as NiFe.
  • FIG. 6 there is shown schematically a first possibility of insertion of the auxiliary layer.
  • a first main ferromagnetic layer 27 is deposited, which is a free layer.
  • an insulating layer 28 with constrictions 28A and a second main ferromagnetic layer 29 filling the constrictions is deposited.
  • an anti-ferromagnetic layer 30 with a thickness of the order of a few tens of nm is deposited, then a protective layer 31, for example made of Au or Cu.
  • FIG. 7 The second possibility of inserting the antiferromagnetic layer is illustrated in FIG. 7.
  • an anti-ferromagnetic layer 33 is deposited, then a fixed main ferromagnetic layer 34, an insulating layer 35, a free main layer 36, which fills the constrictions 35A of the insulating layer and a protective layer 37.
  • FIGS. 8 and 9 there are diagrammatically shown two exemplary embodiments of the device of the invention, for which the constrictions only open on one side, that is to say that there remains on the other side a thickness E of insulation, a few Angstroms.
  • the operating principle of the device of the invention is more akin to magnetoresistance with a tunnel effect than with a ballistic effect.
  • the device of FIG. 8 comprises, on a substrate 38, a first main ferromagnetic layer 39, an insulating layer 40 and a second main ferromagnetic layer 41.
  • the constrictions 42 formed in the layer 40 do not completely pass through it, which leaves it remaining between their bottom and the layer 39 a thin veil of insulating material 43, of thickness E (of a few Angstroms, as specified above).
  • the device of FIG. 9 comprises, on a substrate 44, a first main ferromagnetic layer 45, an auxiliary layer 46 of insulating material, having the above-mentioned thickness E, an insulating layer 47 and a second main ferromagnetic layer 48. Contrary to what was done in the device of FIG. 8, the constrictions 47A of the insulating layer 47 of FIG. 9 pass through this entire layer, the insulating layer 46 playing the same role as the sails 43, that is to say that it is the seat of the tunnel effect.
  • the device of FIG. 10 comprises, on a substrate 49, a first main ferromagnetic layer 50, a non-magnetic conductive layer 51, an insulating layer 52 and a second main ferromagnetic layer 53.
  • the constrictions 52A formed in the insulating layer 52 pass entirely through it. Due to the presence of the conductive layer 51 between the layers 50 and 52, the operating principle of this device in FIG. 10 is similar to giant magnetoresistance (GMR).
  • GMR giant magnetoresistance
  • the devices of Figures 8 to 10 may advantageously include an anti-ferromagnetic auxiliary layer such as that of Figures 6 and 7, as well as a protective layer.

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Abstract

Le dispositif de l'invention comporte: une couche ferromagnétique libre (5), une couche isolante (3) et une couche ferromagnétique fixe (2). Selon une caractéristique de l'invention, la couche isolante comporte des constrictions (4) d'une dimension de quelques Angströms.

Description

DISPOSITIF A MAGNETORESISTANCE VARIABLE
La présente invention se rapporte à un dispositif à magnétorésistance variable.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par dispositif à magnétorésistance variable tout dispositif comportant au moins : une couche magnétique libre (dont l'aimantation s'oriente facilement dans la direction d'un champ magnétique extérieur) ou fixe (dont l'aimantation nécessite un champ magnétique extérieur beaucoup plus important pour changer de direction), une couche isolante, et une couche magnétique fixe ou libre. De tels dispositifs peuvent par exemple aussi bien être des capteurs de champ magnétique que des têtes magnétiques de lecture ou bien des portes logiques pilotées par un champ magnétique externe.
Les capteurs de champ magnétique, qu'ils soient magnétorésistifs ou à effet Hall, ont une sensibilité limitée à environ 105 V/TA. Or, les applications actuellement envisagées nécessiteraient des sensibilités plus élevées (106 à 107 V/TA de façon à pouvoir concurrencer les techniques volumineuses comme la RMN ou nécessitant de la cryogénie, telle que SQUID). De même, la sensibilité des têtes de lecture a besoin de suivre l'augmentation des densités des supports d'enregistrement, alors que les têtes de lecture multipistes actuelles ont également des performances limitées. Bien entendu, il serait également souhaitable que les portes logiques aient une densité la plus élevée possible et puissent être pilotées par un faible champ magnétique externe.
La présente invention a pour objet un dispositif à magnétorésistance variable qui soit sensible à un champ magnétique le plus faible possible, qui soit le moins encombrant possible, reproductible et facile à réaliser.
Le dispositif conforme à l'invention, du type comportant au moins : une couche magnétique libre, une couche isolante et une couche magnétique fixe, est caractérisé en ce que la couche isolante comporte au moins une constriction dont la dimension est de l'ordre de grandeur de quelques Angstroms. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs, et illustrée par le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention ;
- la figure 2 est un ensemble de deux vues schématiques du dispositif de la figure 1 illustrant l'effet d'un champ magnétique extérieur sur l'orientation relative des aimantations des deux couches magnétiques qui font partie de ce dispositif, et illustrant la façon de mesurer ce changement d'orientation ;
- la figure 3 est un diagramme illustrant le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention utilisé en porte logique ;
- la figure 4 est un schéma illustrant le phénomène physique faisant varier la résistance du dispositif de l'invention ;
- la figure 5 est un schéma simplifié illustrant l'étape d'électrodéposition pouvant être mise en œuvre lors de la fabrication du dispositif de l'invention ;
- les figures 6 à 10 sont des vues en coupe schématiques d'autres modes de réalisation du dispositif de l'invention.
Le dispositif de l'invention, dans les premiers modes de réalisation décrits ci-dessous (figures 1 à 6), est un dispositif magnétique mettant en oeuvre la magnétorésistance balistique à travers une constriction qui sert à piéger un domaine magnétique. On a représenté en figure 1 les parties essentielles d'un dispositif magnétique 1 conforme à l'invention. Comme précisé ci-dessus, ce dispositif peut être par exemple un capteur de champ magnétique, ou bien une tête de lecture magnétique, ou encore une porte logique. Ce dispositif 1 comporte une première couche magnétique 2 libre, une couche 3 isolante percée de trous 4 (que l'on appelle également constrictions), et une deuxième couche magnétique 5 fixe. Dans l'exemple représenté, les trous 4 ont, vus en coupe, une forme conique se rétrécissant de la couche 5 vers la couche 2, mais il est bien entendu que cette forme peut être différente (rectiligne, cônes inversés par rapport à ceux représentés, rétrécissement à mi-hauteur ...). La dimension de la partie la plus étroite de chacun des trous 4 doit être au minimum de la dimension d'un atome, c'est-à-dire qu'elle doit être de quelques Angstroms. Le matériau constituant la couche 5 doit remplir les trous 4. Dans le présent exemple, la couche 2 est une couche magnétique libre, alors que la couche 5 est une couche magnétique fixe, mais il est bien entendu que l'inverse est également possible.
Le dispositif 1 décrit ci-dessus utilise la magnétorésistance balistique à travers une paroi dont la taille est plus petite que le libre parcours moyen électronique (ce dernier étant d'environ 20 nm). Ces effets de magnétorésistance ont été décrits pour des dispositifs expérimentaux, par exemple dans les publications suivantes : « G. TARTARA et al, Phys. Rev. Lett. 83 (1999), 2030 », « P. BRUNO, Phys. Rev. Lett. 83 (1999) 2425 », N. GARCIA et al, Phys. Rev. Lett. 85 (2000), 3053 », « N. GARCIA et al, Appl. Phys. Lett. 76 (2000) 2586 ».
Les dispositifs décrits dans ces publications comportent deux pointes en matériau magnétique à extrémités arrondies que l'on approche l'une de l'autre jusqu'à constater l'existence du phénomène de magnétorésistance balistique. Ces dispositifs sont purement expérimentaux, sont encombrants et ne sont pas reproductibles industriellement.
Par contre, le dispositif de la figure 1 peut être facilement fabriqué en série à l'aide de techniques industrielles bien connues en soi, comme par exemple celles décrites ci-dessous, ce qui le rend facilement reproductible.
En outre, il est facile de conférer au dispositif de l'invention une valeur de résistance de sortie, dans certaines limites, en formant, à la fabrication, un nombre déterminé de constrictions, les résistances dues à ces constrictions étant en parallèle entre elles. Ainsi, si la résistance d'une constriction dans un état donné est R, et s'il y a N constrictions dans un dispositif, sa résistance de sortie sera R/N. Dans le cas ultime d'un contact entre deux atomes (constriction de dimension atomique), la résistance de sortie est la résistance dite de SHARVING, qui est de 26 kΩ, et qui est une limite quantique, comme décrit dans l'article de Yu V. SHARVING, publié en russe dans le Journal de Physique Théorique Expérimentale 48, 984 (1965), ou en traduction anglaise [Sov. Phys. JEPT, 21 , 655 (1965)].
L'utilisation du dispositif de l'invention en tant que porte logique exploite de façon numérique la variation du signal de magnétorésistance balistique, alors que son utilisation en tant que capteur exploite le même signal sous sa forme analogique. Dans les deux cas, deux des avantages principaux du dispositif de l'invention sont le caractère non volatile du stockage de l'information sous forme magnétique et le fait qu'il soit intrinsèquement durci vis-à-vis de radiations ionisantes grâce à la nature métallique de ses couches magnétiques.
On a illustré en figure 2 le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention. Sur cette figure, on a représenté, de façon simplifiée, un dispositif conforme à l'invention dans deux états caractéristiques différents. A gauche, le dispositif 6 est dans un premier état correspondant à l'absence de champ magnétique extérieur (autre que le champ magnétique terrestre), alors qu'à droite, le même dispositif, référencé 7, est dans un deuxième état, correspondant à la présence d'un champ magnétique extérieur. Ce dispositif comporte une couche magnétique 8 fixe, une couche 9 isolante percée d'au moins un trou 9A et une couche magnétique libre, qui est référencée 10 dans le premier état et 10A dans le deuxième état. On relie un dispositif 11 de mesure de résistance aux deux couches magnétiques. Qu'un champ magnétique extérieur soit présent ou non, l'orientation de l'aimantation de la couche magnétique fixe 8 ne change pas (flèche 12), tandis que celle de la couche magnétique libre varie. Dans le premier état, l'orientation de l'aimantation de la couche magnétique libre (10) est, par exemple, de même sens que celle de la couche 8 (flèche 13). Par contre, en présence d'un champ magnétique extérieur, l'aimantation de la couche magnétique libre tend à s'orienter dans la direction imposée par ce champ (ce qui est symbolisé, pour le dispositif 7, par une flèche 14 qui a une orientation différente de celle de la flèche 13). La variation angulaire relative entre les aimantations des deux couches magnétiques 8 et 10 s'accompagne d'une variation de résistance, mesurée par le dispositif 11. Bien entendu, dans le cas d'un capteur de champ magnétique, pour éviter une fausse mesure lorsque l'aimantation de la couche 10 est de même sens que ce champ, on peut disposer au moins deux dispositifs capteurs, tel que le dispositif 6, dont les aimantations sont orientées différemment, ou bien on peut faire tourner un seul capteur sur lui-même et noter l'amplitude de la variation de résistance. Ainsi, la variation de résistance, qui passe de la valeur R dans le premier état à la valeur R1 dans le deuxième état, variation mesurée par le dispositif 11 , permet d'utiliser le dispositif de l'invention en capteur de champ magnétique. Une autre application possible du dispositif de l'invention est illustrée par le diagramme de la figure 3.
Cette figure 3 correspond à l'utilisation du dispositif de l'invention en tant que porte logique. Dans ce cas, le dispositif de l'invention est associé à un dispositif tel qu'un conducteur pouvant être parcouru par un courant électrique, inactif à l'état de repos et produisant sous l'action d'une commande extérieure un champ magnétique suffisant pour modifier l'orientation de l'aimantation de la couche magnétique libre du dispositif de l'invention. Bien entendu, ce champ magnétique est orienté de façon à produire une variation angulaire maximale de l'orientation de l'aimantation de la couche magnétique libre. Ainsi, la résistance du dispositif de l'invention, qui a la valeur R en l'absence de champ magnétique, passe brusquement à la valeur R1 (supérieure à R) dès que le champ magnétique apparaît, et repasse aussi brusquement à la valeur R dès que ce champ magnétique disparaît. A ces deux valeurs de résistance différentes, on fait correspondre deux états logiques (« 0 » et « 1 »). On obtient alors une porte logique élémentaire. Etant donné que le dispositif de l'invention peut être facilement miniaturisé, on peut en intégrer un très grand nombre sur un même substrat.
La figure 4 illustre de façon simplifiée le phénomène qui est à l'origine de la variation de résistance du dispositif de l'invention. Ce phénomène est dû à la diffusion, dépendante du spin, à travers un domaine magnétique piégé dans chaque constriction 15 de la couche isolante 16, formée entre une couche magnétique fixe 17 et une couche magnétique libre 18, lorsque l'angle entre les aimantations des deux couches 17, 18 est différent de zéro. Dans le cas où la taille du domaine magnétique est plus petite que le libre parcours moyen électronique (symbolisé par l'ensemble de flèches 19), la conduction des électrons de part et d'autre du domaine est balistique, avec conservation du spin des électrons.
On a schématiquement illustré en figure 5 une étape d'électro- déposition de la couche magnétique devant remplir les constrictions du dispositif de l'invention. Auparavant, on dépose, de façon connue en soi, une première couche magnétique 20 sur un substrat 21 non ferromagnétique. La couche 20 est une couche conductrice ferromagnétique d'épaisseur pouvant être comprise entre quelques nanometres et plusieurs centaines de nanometres. Sur la couche 20, on dépose une couche 22 en matériau isolant ayant une épaisseur de quelques nanometres. Différents procédés sont envisageables pour réaliser des constrictions 22A dans la couche 22 suivant la dureté de celle-ci. Si cette couche 22 est, par exemple, en alumine (AI2O3), les constrictions peuvent être réalisées par nanoindentation. Dans ce cas, la pression exercée par le nanoindenteur contrôle la profondeur du trou. Si la couche 22 est en un matériau plus mou, par exemple un polymère, les constrictions peuvent être réalisées avec un microscope à force atomique équipé d'une pointe conductrice. Le contrôle de la profondeur du trou est alors assuré par la mesure de la résistance entre cette pointe et la couche 20. D'autres techniques, connues en soi, peuvent être mises en œuvre pour réaliser les constrictions. Ce peut être le claquage local d'un isolant à l'aide d'une pointe de microscopie tunnel, ou bien le « nanoimprint » (décrit dans l'article de SN. CHOU et al, dans Science, vol. 272, p. 85 - 1996).
Pour remplir les trous formés dans la couche 22, on peut mettre en œuvre une technique de dépôt classique telle que la pulvérisation cathodique ou l'évaporation sous vide. Selon un aspect préféré de l'invention, ce dépôt est réalisé par voie électrolytique, comme illustré en figure 5. Pour ce faire, on dispose sur la couche 22 un récipient 23 contenant un bain de liquide approprié d'électrolyse 24, et on applique entre ce liquide et la couche 20 une différence de potentiel à l'aide d'un générateur 25. La couche ainsi déposée par électrolyse est une couche ferromagnétique conductrice est par exemple en Co, Ni, Fe ou l'un des alliages de ces métaux. Bien entendu, après remplissage des trous de la couche isolante, on peut continuer le dépôt pour constituer la deuxième couche magnétique. Ceci est réalisé par percolation du dépôt électrolytique. Alternativement, on peut déposer une couche conductrice, de préférence ferromagnétique, afin d'assurer l'homogénéité magnétique de l'aimantation de cette deuxième couche.
Pour assurer le bon fonctionnement du dispositif de l'invention, il est nécessaire de contrôler l'arrangement anti-ferromagnétique des deux couches magnétiques principales (2 et 5 en figure 1). Pour y parvenir, il existe plusieurs procédés connus en soi. Les plus classiques consistent à bloquer une des couches magnétiques principales soit à l'aide d'un couplage d'échange indirect au travers d'une couche non magnétique avec une autre couche magnétique, soit, comme illustré en figures 6 et 7, en insérant une couche auxiliaire d'un matériau antiferromagnétique (NiO, FeMn, IrMn, ... par exemple) qui est au contact de la couche ferromagnétique fixe. Dans ce cas, l'interaction d'échange direct entre la couche ferromagnétique principale (fixe) la plus proche de cette couche auxiliaire et cette couche auxiliaire provoque un décalage du cycle d'hystérésis de ladite couche ferromagnétique principale fixe, qui se voit ainsi artificiellement bloquée. La couche ferromagnétique libre est avantageusement constituée d'un matériau magnétique doux tel que NiFe.
En figure 6, on a représenté schématiquement une première possibilité d'insertion de la couche auxiliaire. Sur un substrat 26, on dépose une première couche ferromagnétique principale 27 qui est une couche libre. Sur cette couche 27, on dépose une couche isolante 28 à constrictions 28A et une deuxième couche ferromagnétique principale 29 remplissant les constrictions. Sur la couche 29, on dépose une couche 30 anti- ferromagnétique d'une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de nm, puis une couche de protection 31 , par exemple en Au ou Cu.
La deuxième possibilité d'insertion de la couche antiferromagnétique est illustrée en figure 7. Sur un substrat 32, on dépose une couche anti-ferromagnétique 33, puis une couche ferromagnétique principale fixe 34, une couche isolante 35, une couche principale libre 36, qui remplit les constrictions 35A de la couche isolante et une couche de protection 37.
En figures 8 et 9, on a schématiquement représenté deux exemples de réalisation du dispositif de l'invention, pour lesquels les constrictions ne débouchent que d'un côté, c'est-à-dire qu'il subsiste de l'autre côté une épaisseur E d'isolant, de quelques Angstroms. Dans ce cas, le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention s'apparente plutôt à la magnétorésistance à effet tunnel qu'à celle à effet balistique.
Le dispositif de la figure 8 comporte, sur un substrat 38, une première couche ferromagnétique principale 39, une couche isolante 40 et une deuxième couche ferromagnétique principale 41. Les constrictions 42 pratiquées dans la couche 40 ne la traversent pas entièrement, ce qui laisse subsister entre leur fond et la couche 39 un mince voile de matériau isolant 43, d'épaisseur E (de quelques Angstroms, comme précisé ci-dessus).
Le dispositif de la figure 9 comporte, sur un substrat 44, une première couche 45 ferromagnétique principale, une couche auxiliaire 46 de matériau isolant, ayant l'épaisseur E précitée, une couche isolante 47 et une deuxième couche ferromagnétique principale 48. Contrairement à ce qui a été fait dans le dispositif de la figure 8, les constrictions 47A de la couche isolante 47 de la figure 9 traversent entièrement cette couche, la couche isolante 46 jouant le même rôle que les voiles 43, c'est-à-dire qu'elle est le siège de l'effet tunnel.
Le dispositif de la figure 10 comporte, sur un substrat 49, une première couche ferromagnétique principale 50, une couche conductrice non magnétique 51 , une couche isolante 52 et une deuxième couche principale ferromagnétique 53. Les constrictions 52A formées dans la couche isolante 52 traversent entièrement celle-ci. Du fait de la présence de la couche conductrice 51 entre les couches 50 et 52, le principe de fonctionnement de ce dispositif de la figure 10 s'apparente à la magnétorésistance géante (GMR). Bien entendu, les dispositifs des figures 8 à 10 peuvent avantageusement comporter une couche auxiliaire anti-ferromagnétique telle que celle des figures 6 et 7, ainsi qu'une couche de protection.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif à magnétorésistance variable, du type comportant au moins : une couche ferromagnétique libre (5, 10, 18, 27, 36, 41 , 48, 53), une couche isolante (3, 9, 16, 22, 28, 35, 40, 47, 52) et une couche ferromagnétique fixe (2, 8, 17, 20, 27, 34, 39, 45, 50), caractérisé en ce que la couche isolante comporte au moins une constriction (4, 9A, 15, 22A, 42, 47A, 52A) dont la dimension est de l'ordre de grandeur de quelques Angstroms.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il comporte une couche auxiliaire antiferromagnétique (30, 33) au contact de la couche ferromagnétique fixe (29, 34).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les constrictions traversent la couche isolante.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche isolante auxiliaire d'une épaisseur de quelques Angstroms (46) entre la couche isolante et une couche ferromagnétique (45).
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les constrictions (42) ne traversent pas entièrement la couche isolante, en laissant subsister un voile (43) d'une épaisseur de quelques Angstroms.
6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche conductrice non magnétique (51) entre la couche isolante et une couche ferromagnétique (50).
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