JP2000090415A - 強磁性トンネル効果素子およびそれを用いた磁気装置 - Google Patents

強磁性トンネル効果素子およびそれを用いた磁気装置

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JP2000090415A JP10258950A JP25895098A JP2000090415A JP 2000090415 A JP2000090415 A JP 2000090415A JP 10258950 A JP10258950 A JP 10258950A JP 25895098 A JP25895098 A JP 25895098A JP 2000090415 A JP2000090415 A JP 2000090415A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 強磁性トンネル効果素子において、小さい磁
場で大きな磁気抵抗変化率を容易に得ること可能にし、
また抵抗や磁界感度のバラツキを抑制する。さらに、抵
抗の減少を図る。 【解決手段】 強磁性トンネル効果素子は、保磁力をも
つ強磁性体2と誘電体3との混合体からなるグラニュラ
ー磁性膜4に、少なくとも一方が強磁性体からなる一対
の電極5、6が近接配置されている。これら一対の電極
5、6のうち、一方の強磁性体電極5は誘電体層7を介
してグラニュラー磁性膜4と積層する。他方の電極6は
グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と実質的に接触さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性トンネル効
果を利用した磁気素子と、それを用いた磁気ヘッドや磁
気記憶素子などの磁気装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、金属人工格子における巨大磁気抵
抗効果(GMR)が発見されて以来、スピンに依存した
伝導現象が注目されている。金属人工格子は磁性金属層
と非磁性金属層とを数オングストロームから数十オング
ストロームのオーダの周期で交互に積層した構造を有
し、非磁性層を介して相対する磁性層の磁気モーメント
が零磁場状態で反平行に結合したものである。このよう
な金属人工格子膜は数 10%という、従来のパーマロイ合
金膜などの数% よりも格段に大きな抵抗変化率を示し、
高感度磁界センサや磁気ヘッドなどへの応用が期待され
ている。
【0003】また、この原理を利用した他の磁気抵抗効
果膜としてスピンバルブ膜が知られており、高感度磁気
センサなどに使用されはじめている。スピンバルブ膜
は、それぞれ金属からなる強磁性層/非磁性層/強磁性
層/反強磁性層の 4層積層膜からなり、一方の強磁性層
を反強磁性層と接触させることでスピンを固定し、他方
のスピンのみを磁場で反転させ、非磁性層を介した 2つ
の強磁性層のスピンを互いに平行あるいは反平行に制御
することによって、巨大磁気抵抗効果を得るものであ
る。このような巨大磁気抵抗効果は伝導電子のスピン依
存散乱に基づくことが判明している。
【0004】さらに、上述したような金属人工格子膜と
は異なり、非磁性金属マトリックス中に金属磁性超微粒
子を分散させたいわゆる金属グラニュラー磁性膜も、同
様なスピン依存散乱に基づくGMR効果を示すことが見
出されている。
【0005】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基づく巨大磁気抵抗効果
が見出されている。これは強磁性層/絶縁層/強磁性層
の 3層積層膜からなる接合構造を有し、一方の強磁性層
の保磁力が他方の強磁性層の保磁力よりも小さい構造に
おいて、両磁性層間に電圧を印加してトンネル電流を発
生させるものである。このとき、保磁力の小さい磁性層
のスピンのみを反転させると、 2つの強磁性層のスピン
が互いに平行なときと反平行なときとでトンネル電流が
大きく異なるため、巨大磁気抵抗効果が得られる。この
原理は強磁性体のフェルミ面における状態密度のスピン
非対称性にあることが分かっている。このような強磁性
トンネル効果は、誘電体中に磁性超微粒子を分散させ
た、いわゆるグラニュラー膜においても見出されてい
る。
【0006】上述した強磁性トンネル接合素子は構造が
簡単であり、しかも室温で 20%程度の大きな磁気抵抗変
化率が得られるという特徴を有している。しかしなが
ら、トンネル効果を発現させるためには絶縁層の厚さを
数nm以下に薄くする必要があり、そのような薄い絶縁層
を均質に、しかも安定して作製することは困難であるた
め、抵抗や抵抗変化率のバラツキが大きくなってしまう
という問題を有している。また、一般に接合抵抗が大き
いため、スピン依存伝導素子として用いた場合に、素子
の高速動作が得られず、また雑音が増大してS/N比の
大きい素子が得られないなどの問題がある。
【0007】一方、誘電体中に磁性超微粒子を分散させ
たグラニュラー膜を有するトンネル効果素子の場合、強
磁性トンネル接合よりも作製が容易であるという特徴を
有する反面、磁性粒子が超微粒子であることから、非常
に大きな磁場を印加しないとスピンが揃わず、このため
大きな磁気抵抗を発現させるためには 10kOe 以上の非
常に大きな磁場を印加する必要があり、実用性の点で問
題がある。また、磁気抵抗変化率の大きさは、原理的に
強磁性トンネル接合の値の 1/2にしかならないという問
題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の強磁性トンネル効果素子は、絶縁層を介して 2つの強
磁性層を配置したトンネル接合、あるいは誘電体マトリ
ックス中に磁性超微粒子を分散させたグラニュラー膜を
用いたものである。これらのうち、トンネル接合素子は
数nm以下の薄い絶縁層を作製する必要があるため、絶縁
層にバラツキやピンホールが発生しやすく、安定した抵
抗や磁気抵抗効果を得ることが困難であると共に、接合
抵抗が大きいという問題を有している。また、グラニュ
ラー膜は大きな磁気抵抗を得るために、非常に大きな磁
場を印加する必要があるため、実用的ではないという問
題を有している。
【0009】従来のトンネル効果素子が有する問題点に
対して、本発明者らは先に、非磁性誘電体マトリックス
中に保磁力をもつ強磁性微粒子を分散させたグラニュラ
ー磁性膜と、このグラニュラー磁性膜に近接配置された
少なくとも一方が強磁性体からなる 2つの電極とを具備
する強磁性トンネル効果素子を提案している(特願平9-
118991号)。
【0010】このような強磁性トンネル効果磁気素子に
おいては、グラニュラー磁性膜と強磁性電極との間にト
ンネル電流を流すことによって、安定してしかも小さい
磁場で大きい磁気抵抗変化率を容易に得ることができ
る。すなわち、グラニュラー磁性膜の膜厚が数10nmと厚
いため、従来のトンネル接合素子のように、絶縁層のバ
ラツキやピンホールの発生による抵抗や磁気抵抗変化率
のバラツキの問題が緩和され、かつ小さな磁場で大きな
磁気抵抗変化率を生じさせることができる。
【0011】しかし、 2つの電極とグラニュラー磁性膜
中の粒子との間に 2つのトンネル障壁をもつ二重トンネ
ル効果素子であるため、この 2つのトンネル障壁の互い
の厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという問題
が生じるおそれがある。また、トンネル障壁が 2つある
ために、抵抗値を大きく低下させることが難しいという
難点を有している。さらに、グラニュラー磁性膜中の強
磁性粒子が小さい場合、その保磁力が小さいために、温
度上昇や外部磁界によりスピンが反転しやすく、それに
よって磁気抵抗変化率が低下するという難点を有してい
る。
【0012】本発明はこのような課題に対処するために
なされたもので、小さい磁場で大きな磁気抵抗変化率を
容易にかつ安定して得ることができ、また抵抗や磁界感
度のバラツキを抑制することができると共に、抵抗を小
さくすることが可能な強磁性トンネル効果素子、および
それを用いた磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気装置
を提供することを目的としている。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、誘電体と
強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、こ
のグラニュラー磁性膜に近接配置された少なくとも 1つ
が強磁性体からなる電極の間に、トンネル電流を流す磁
気素子に関する研究を進めた結果、一方の強磁性体から
なる電極を誘電体層を介してグラニュラー磁性膜と積層
し、かつ他方の電極はグラニュラー磁性膜中の強磁性体
と実質的に接触している構造をとることによって、より
大きな磁気抵抗効果が得られ、かつ抵抗の小さい強磁性
トンネル効果素子を実現できることを見出した。
【0014】このような強磁性トンネル効果素子では、
誘電体層を介した強磁性体電極とグラニュラー磁性膜と
の間のトンネル電流のみに基づいて、トンネル磁気抵抗
が得られるため、 1層の誘電体層の膜厚のみを制御すれ
ばよいことになる。従って、トンネル障壁の厚さの違い
による抵抗や磁界感度のバラツキを抑制できることを見
出した。さらに、電極の 1つがグラニュラー磁性膜中の
強磁性体と実質的に接触しているため、グラニュラー磁
性膜中の強磁性体のスピンが温度上昇や擾乱磁界などに
よって反転し難くなり、それだけ安定であるということ
を見出した。
【0015】本発明はこのような知見および検証結果に
基づくものであり、本発明の強磁性トンネル効果素子
は、請求項1に記載したように、誘電体と保磁力をもつ
強磁性体との混合体からなるグラニュラー磁性膜と、前
記グラニュラー磁性膜に近接配置され、少なくとも一方
が強磁性体からなる一対の電極とを具備する強磁性トン
ネル効果素子において、前記一対の電極のうち、一方の
強磁性体からなる電極は誘電体層を介して前記グラニュ
ラー磁性膜と積層されており、かつ他方の電極は前記グ
ラニュラー磁性膜中の強磁性体と実質的に接触している
ことを特徴としている。
【0016】本発明の強磁性トンネル効果素子は、例え
ば請求項2に記載したように、強磁性体からなる電極
を、グラニュラー磁性膜の膜面に沿って誘電体層上に配
列された第1および第2の強磁性体電極で構成した構
造、すなわちプラーナ型の強磁性トンネル効果素子に適
用することができる。本発明の強磁性トンネル効果素子
によれば、特にプラーナ型の素子の作製が容易になる。
【0017】本発明の磁気装置は、請求項3に記載した
ように、上記した本発明の強磁性トンネル効果素子を具
備することを特徴とするものである。なお、本発明にお
ける磁気装置とは、強磁性トンネル効果素子を使用した
磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶装置などを指すもの
である。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の強磁性トンネル効
果素子を実施するための形態について、図面を参照して
説明する。
【0019】図1は本発明の強磁性トンネル効果素子の
一実施形態の構造を模式的に示す図である。なお、図中
矢印はスピン方向を示している。同図に示す強磁性トン
ネル効果素子1は、保磁力をもつ強磁性体2と誘電体3
との混合体からなるグラニュラー磁性膜4と、このグラ
ニュラー磁性膜1に近接配置された一対の電極5、6と
を具備している。
【0020】これら電極5、6のうち、一方の電極5は
誘電体層7を介してグラニュラー磁性膜4と積層されて
いる。他方の電極6はグラニュラー磁性膜4中の強磁性
体2と実質的に接触している。誘電体層7によりグラニ
ュラー磁性膜4と隔てられている電極5は、強磁性体に
より構成された強磁性体電極である。電極5を構成する
強磁性体は、グラニュラー磁性膜4との間で保磁力差を
有しているものであればよい。他方の電極6は強磁性金
属で構成してもよいし、また非磁性金属で構成してもよ
い。
【0021】また、図1ではグラニュラー磁性膜4が誘
電体3からなるマトリックス中に強磁性体2を分散させ
た構造を示している。本発明におけるグラニュラー磁性
膜4は、図2に示すように、強磁性体2からなるマトリ
ックス中に誘電体3を分散させた構造であってもよい。
いずれにしても、強磁性体2は超常磁性を示さず、有限
の保磁力をもつものである。理想的にはそのスピンは一
方向に揃って向いていることが望ましい。
【0022】なお、上記した電極5、6の構成材料、お
よびグラニュラー磁性膜4の具体的な構成については、
後に詳述する。
【0023】以下に、図1および図2に示した強磁性ト
ンネル効果素子1の原理について述べる。ここでは、電
極6にも強磁性体を用い、かつ強磁性体電極5の保磁力
が最も小さいものとして説明する。なお、電極6は非磁
性体で構成してもよく、また保磁力の大小関係はこれに
限定されるものではない。
【0024】図1および図2に示した強磁性トンネル効
果素子1において、 2つの電極5、6間に電圧を印加す
ると、誘電体層7の膜厚が適当に薄ければトンネル電流
が流れる。この際、強磁性体電極5、6とグラニュラー
磁性膜4の相対的なスピンのなす角度に応じてトンネル
電流の大きさが異なり、トンネル磁気抵抗が生じる。こ
れが強磁性トンネル効果である。
【0025】今、大きな外部磁場を印加して、グラニュ
ラー磁性膜4および強磁性体電極5、6の全ての磁性体
のスピンを一方向に揃えた後、磁場の大きさを減少さ
せ、さらにその符号を反転させると、保磁力が最小の強
磁性体電極5の保磁力に相当した磁場で、強磁性体電極
5のスピンのみが反転する。この強磁性体電極5のスピ
ンの反転に伴ってトンネル電流が減少して抵抗が増大す
る。これによってトンネル磁気抵抗が得られる。なお、
外部磁場でスピンを反転させる磁性層は強磁性体電極5
に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜4中の強
磁性体2であってもよい。
【0026】この様子を図3に示す。図3において、矢
印はスピンの方向を示している。ここで、図1および図
2に示した強磁性トンネル効果素子において、電極(こ
こでは強磁性体電極)6はグラニュラー磁性膜4中の強
磁性体2と実質的に接触しているため、これらのスピン
は互いに同じ方向を向いている。また、これらグラニュ
ラー磁性膜4と電極6との間の抵抗は小さく、トンネル
電流ではない通常の伝導による電流が流れる。
【0027】従って、トンネル磁気抵抗は強磁性体電極
5とグラニュラー磁性膜4との間でのみ生じるので、磁
気抵抗を得るためには誘電体層7の膜厚のみを制御すれ
ばよい。すなわち、図1および図2に示した強磁性トン
ネル効果素子は、一重のトンネル接合によりトンネル磁
気抵抗を制御しているため、 2つのトンネル障壁をもつ
二重トンネル効果素子のように、 2つのトンネル障壁の
互いの厚さの違いにより抵抗や磁界感度が異なるという
問題が生じるおそれがない。
【0028】言い換えると、図1および図2に示した強
磁性トンネル効果素子1は、誘電体層7の膜厚のみを制
御することによりトンネル磁気抵抗が得られるため、抵
抗や磁界感度のバラツキを抑制することができる。さら
に、トンネル障壁が 1つであるため、強磁性トンネル効
果素子1の抵抗を大きく低下させることができる。電極
6はグラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と実質的に接
触しているため、グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2
のスピンが温度上昇や擾乱磁界などによって反転し難く
なり、より大きな磁気抵抗効果を安定して得ることがで
きる。
【0029】また、図1および図2に示した強磁性トン
ネル効果素子1において、グラニュラー磁性膜4中の強
磁性体2は超常磁性を示さず、有限の保磁力を有するた
め、従来のグラニュラー型トンネル膜のように飽和磁界
が大きいという問題はない。さらに、グラニュラー膜4
は強磁性体2と誘電体3との混合体あるため、従来の強
磁性トンネル接合のように絶縁層のバラツキやピンホー
ルにより抵抗や磁気抵抗効果が不安定になるという問題
を解消することができると共に、電気抵抗が小さいとい
う利点を有する。
【0030】加えて、グラニュラー磁性膜4を流れる電
流パス方向(膜厚方向または膜面内方向)の長さ、ある
いは強磁性体2の体積充填率、大きさ、分散状態などを
制御することによって、電気抵抗を適当な値に制御する
ことができる。そのため、各種磁気装置に応用する際
に、強磁性トンネル効果素子1の電気抵抗を調整できる
という大きな特徴を有している。
【0031】上述したように、強磁性トンネル効果素子
1によれば、より大きな磁気抵抗効果を小さい磁場で容
易にかつ安定して得ることができる。その上で、抵抗や
磁界感度の安定性を高めることができ、さらには抵抗の
減少を図ることができると共に、抵抗値自体を適当な値
に制御することができる。このように、本発明の強磁性
トンネル効果素子1は、磁気ヘッド、磁界センサ、磁気
記憶素子などに用いる磁気素子として実用性に優れるも
のである。
【0032】なお、電極6がグラニュラー磁性膜4中の
強磁性体2と実質的に接触している状態とは、この間の
電流がトンネル電流ではなく、通常の伝導による電流を
流すことが可能な状態を指すものである。従って、グラ
ニュラー磁性膜4と電極6との間に通常の電流が流れる
範囲内であれば、グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2
と電極6との間に非常に薄い誘電体が介在していてもよ
い。また、上記では電極6、7を共に強磁性体で構成し
た場合について主として述べたが、その原理からも分か
るように、グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と実質
的に接触している電極7は、非磁性体や反強磁性体であ
ってもよいことが明らかである。
【0033】次に、強磁性トンネル効果素子1の各構成
要素について詳述する。グラニュラー磁性膜4は、前述
したように、図1に示した誘電体3からなるマトリック
ス中に強磁性体2を分散させた構造、および図2に示し
た強磁性体2からなるマトリックス中に誘電体3を分散
させた構造のいずれであってもよい。
【0034】すなわち、本発明に用いるグラニュラー磁
性膜4は、グラニュラー磁性膜4をある断面で見たとき
に強磁性体2と誘電体3とが互いに分断された構造を有
していればよい。さらに、強磁性体2と誘電体3との混
合割合は特に限定されるものではない。グラニュラー磁
性膜4中の強磁性体2が保磁力を有していると共に、グ
ラニュラー磁性膜2中の強磁性体2を介してトンネル電
流を流すことが可能であれば、種々のグラニュラー磁性
膜2を使用することができる。
【0035】グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2に
は、種々の強磁性材料を使用することができる。例え
ば、パーマロイに代表されるFe−Ni合金、アモルフ
ァス合金、強磁性を示すFe、Co、Niおよびそれら
を含む合金、NiMnSbやPtMnSbのようなホイ
スラー合金などのハーフメタル、CrO2 、マグネタイ
ト、Mnペロブスカイトなどの酸化物系のハーフメタル
などの軟磁性材料から、Co−Pt合金、Fe−Pt合
金、遷移金属−希士類合金などの硬磁性材料まで、種々
の強磁性材料を使用することができる。
【0036】また、誘電体3としては、Al2 3 、S
iO2 、MgO、MgF2 、Bi23 、AlN、Ca
2 などの種々の誘電体材料を使用することができ、こ
のような誘電体で上記したような強磁性体2を分断する
ことによって、本発明のグラニュラー磁性膜4が得られ
る。なお、上記した酸化物、窒化物、フッ化物などでは
それぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのよう
な誘電体であっても何等問題はない。
【0037】一方、強磁性体電極5はグラニュラー磁性
膜4との間で保磁力に大小関係を有していればよく、グ
ラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と同様に、種々の軟
磁性材料から硬磁性材料まで各種の強磁性材料で構成す
ることができる。例えば、ハーフメタルは一方のスピン
バンドにエネルギーギャップが存在するので、一方向の
スピンを持つ電子しか伝導に寄与しないため、より大き
な磁気抵抗効果を得ることができる。
【0038】誘電体層7としては、グラニュラー磁性膜
4中の誘電体3と同様に、種々の誘電体材料を使用する
ことができ、誘電体3と同一材料であってもよいし、ま
た異なる材料であってもよい。誘電体層7はそれを介し
て強磁性体電極5とグラニュラー磁性膜4との間にトン
ネル電流が流れるものであればよい。
【0039】グラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と実
質的に接触している電極6は、前述したように強磁性体
に限られるものではなく、グラニュラー磁性膜4と電極
6との間にはトンネル電流は実質的に流れないため、非
磁性体や反強磁性体で構成することも可能である。電極
6を強磁性体や反強磁性体で構成した場合、グラニュラ
ー磁性膜4中の強磁性体2と電極6とが互いに接触して
交換結合するため、スピンの向きが安定してより大きな
磁気抵抗を得ることができると共に、温度上昇や擾乱磁
界によるスピンの乱れを抑制することができる。このよ
うなことから、電極6は強磁性体や反強磁性体で構成す
ることが好ましい。なお、電極6に強磁性体を使用する
場合、強磁性体電極5と必ずしも同じ材料である必要は
なく、異なる強磁性体を使用することも可能である。
【0040】また、電極6は強磁性体と非磁性体との積
層膜で構成してもよい。この場合、非磁性体を介して隣
り合う強磁性体のスピンが反平行に結合していると、電
極6がグラニュラー磁性膜4中の強磁性体2のスピンの
向きを安定化させるため、より大きな磁気抵抗効果を得
ることができる。また、この場合には磁性膜から磁束が
外部に漏れることを防ぐことができるという利点もあ
る。
【0041】電極6を強磁性体で構成する場合、例えば
図4に示すように、強磁性体電極6を反強磁性体8と接
触させた構造を適用することもできる。このような構造
によれば、強磁性体電極6のスピンが反強磁性体8によ
り安定化され、それと接したグラニュラー磁性膜4中の
強磁性体2のスピンの向きが安定するため、より大きな
磁気抵抗効果を得ることができる。なお、外部磁場でグ
ラニュラー磁性膜4中の強磁性体2のスピンを反転させ
る場合には、強磁性体電極5を反強磁性体と接触させた
構造としてもよい。
【0042】グラニュラー磁性膜4および強磁性体電極
5(強磁性体で構成した場合の電極6を含む)は、それ
ぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが望ましい。
これによって、急峻な磁化反転を起こすことができると
共に、磁化状態を安定して保持することができる。これ
らは磁気ヘッドや磁気記憶素子に適用する場合に有効で
ある。また、電極5、6の膜厚は特に制限はないが、あ
まり厚いと素子として大きくなるので 0.1〜 100nm程度
とすることが好ましい。グラニュラー磁性膜4の膜厚は
ある程度薄い方が好ましいが、作製上 100nm以下であれ
ばよい。
【0043】図1および図2では、本発明の強磁性トン
ネル効果素子1の各構成層を基板面に対して垂直方向に
積層した構造を示したが、例えば図5に示すように、グ
ラニュラー磁性膜4の膜面に沿って誘電体層7上に互い
に分離された 2つの強磁性体電極5a、5bを並列配置
した素子構造、すなわちプラーナ型素子に適用すること
も可能である。
【0044】図5に示すプラーナ型の強磁性トンネル効
果素子1において、互いに分離された 2つの強磁性体電
極5a、5b間に電圧を印加すると、一方の強磁性体電
極5aからグラニュラー磁性膜4にトンネル電流が流
れ、それがグラニュラー磁性膜4中の強磁性体2と接触
している電極6を経て他方の強磁性体電極5bに流れ込
む。すなわち、電極6がグラニュラー磁性膜4中の強磁
性体2と実質的に接触しており、この間の抵抗が小さい
ことから、グラニュラー磁性膜4中を基板面に沿って流
れる電流を抑制することができる。このように、本発明
の強磁性トンネル効果素子1によれば、特にプラーナ型
素子の作製が容易になると共に、その特性の向上を図る
ことができる。
【0045】また、図5に示すプラーナ型の強磁性トン
ネル効果素子1では、グラニュラー磁性膜4と強磁性体
電極5との積層部分を複数利用することができるため、
抵抗変化率の増大を図ることが可能となる。またこの場
合、電流は主として電極6を流れるが、この部分の抵抗
は小さく、素子面積を微細化すればグラニュラー磁性膜
4を横切る抵抗に比べて無視できるため、グラニュラー
磁性膜4を横切る電流パスが 2倍になる分だけ電気抵抗
が増大するなど、各種特性を調整することができる。
【0046】図1、図2および図5では、本発明の強磁
性トンネル効果素子1を 2端子素子として利用する場合
について説明したが、本発明の強磁性トンネル効果素子
1は3端子素子として使用することもできる。例えば、
グラニュラー磁性膜4に第3の電極としてゲート電極を
形成し、このゲート電極でグラニュラー磁性膜4中を流
れるトンネル電流やスピンの向きなどを制御することに
よって、 3端子素子として機能させることができる。こ
のような 3端子素子を作製する上で、図5に示したプラ
ーナ型の強磁性トンネル効果素子1は好ましい構造であ
る。
【0047】上述したような本発明の強磁性トンネル効
果素子1は、典型的には薄膜状であり、分子線エピタキ
シー(MBE)法、各種スパッタ法、蒸着法、メッキ法
など通常の薄膜形成装置を用いて作製することができ
る。また、グラニュラー磁性膜4の作製法としては、そ
れを構成する強磁性体2と誘電体4とを同時に堆積して
もよいし、また交互に積層してもよい。
【0048】また、強磁性トンネル効果素子1を構成す
る積層膜を成膜するための基板は、ガラス、セラミッ
ク、金属などの単結晶および多結晶体など、任意のもの
を用いることができる。特に、Si基板を用いれば、例
えばゲート電極を形成しやすいなど、従来の半導体技術
を利用することができるので望ましい。なお、本発明の
強磁性トンネル効果素子では、磁性材料または非磁性材
料からなる下地層、または非磁性体のオーバーコートな
どを設けてもよい。
【0049】本発明の強磁性トンネル効果素子1は、磁
気抵抗効果型磁気ヘッド、磁界センサ、磁気記憶素子な
どの磁気装置に適用することができる。この場合、特に
磁気ヘッドや磁気記憶素子では膜面内に磁気異方性が付
与されていることが望ましい。 上述した実施形態の強
磁性トンネル効果素子1を用いた磁気抵抗効果型磁気ヘ
ッドは、従来の磁気抵抗効果ヘッドと同様に構成するこ
とができる。すなわち、グラニュラー磁性膜4と強磁性
体電極5のうち保磁力が小さい磁性膜を感磁層として利
用し、この感磁層の磁化方向を例えば信号磁界に応じて
変化させる。その際のトンネル電流を含むセンス電流の
電圧を測定することによって、信号磁界などを検出する
ことができる。これは磁気記録装置などの再生ヘッドと
して有効である。また、磁界センサなどとしても使用可
能である。
【0050】本発明の強磁性トンネル効果素子1を磁気
記憶素子に適用する場合には、強磁性体電極5(あるい
はグラニュラー磁性膜4)に書き込みを行う。信号の書
き込みは、例えば図6に示すように、強磁性体電極5
(あるいはグラニュラー磁性膜4)に対して絶縁層11
を介して導体層12を配置し、この導体層12に流す電
流の向きによりスピンの向きを制御することによって、
そのスピンの向きを1、0として書き込む。読み出しは
保磁力の小さい方のスピンのみを反転させ、磁気抵抗効
果を利用する。なお、図6はグラニュラー磁性膜4をメ
モリ層として用い、強磁性体電極5を再生層として用い
た場合である。
【0051】
【実施例】次に、本発明の具体的な実施例およびその評
価結果について述べる。
【0052】実施例1 図7に示した構造の強磁性トンネル効果素子をスパッタ
法を用いて作製した。まず、メタルマスクを使用してM
gO(110) 基板上に 6nmFe/ 3nmCo80Pt20構造の
幅 0.1mmの短冊状の強磁性積層膜Aを形成した。
【0053】その上に、円形のマスクとCo80Pt20
金およびAl2 3 ターゲットを用いて、Al2 3
/グラニュラー磁性膜Bを作製した。この積層膜Bの作
製にあたっては、まず厚さ 1.5nm、直径 2mmのAl2
3 膜を形成し、その上に基板バイアス400Wの条件下でC
80Pt20合金を 2.8nmの厚さで形成し、さらにその上
に厚さ 1.5nmのAl2 3 膜を形成した。
【0054】この後、マスクを代えて積層膜B上に、厚
さ20nmの短冊状のCo9 Fe膜Cを強磁性積層膜Aと十
字をなす形に形成した。このようにして、図7に示した
強磁性トンネル効果素子を得た。
【0055】得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を
透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、図1に模式的
に示したように、Co80Pt20合金とAl2 3 の混合
膜からなり、互いに分断された構造を有していることを
確認した。また、グラニュラー磁性膜中のAl2 3
は薄く、グラニュラー磁性膜中のCo80Pt20磁性合金
とCo9 Fe膜は互いに接触していた。
【0056】上記した強磁性積層膜AとCo9 Fe膜C
の上にそれぞれAuをスパッタし、それらを電極として
両者の間に電圧を印加して磁場中で磁気抵抗を測定し
た。そのときの磁場に対する抵抗変化を図8に示す。強
磁性積層膜A( 6nmFe/ 3nmCo80Pt20)の保磁力
に対応した約30Oe で抵抗が急峻に変化しており、抵抗
変化率は 22%であった。また、抵抗のピーク値は約 2.9
Ωであった。
【0057】比較例1 上部電極となるCo9 Fe膜を厚さ 2.5nmのAl2 3
膜を介してグラニュラー磁性膜上に作製する以外は、上
記した実施例1と同様にしてトンネル接合を作製した。
得られたグラニュラー磁性膜の断面構造を透過型電子顕
微鏡を用いて観察した結果、Co9 Fe膜とグラニュラ
ー磁性膜の間に 2.5nmのAl2 3 膜が介在していた。
【0058】このトンネル接合の磁場中での磁気抵抗
を、実施例1と同様にして測定した。そのときの磁場に
対する抵抗変化を図9に示す。 6nmFe/ 3nmCo80
20の保磁力に対応した約30Oe と、Co9 Fe膜の保
磁力に対応した約 100Oe の磁場で抵抗が階段上に変化
しており、抵抗変化率は約15%であった。また、抵抗の
ピーク値は 9.8Ωであった。
【0059】このように、両電極とグラニニュラー磁性
膜との間にそれぞれ誘電体層を介在させることによっ
て、抵抗が増大すると共に、磁気抵抗変化率が減少し
た。
【0060】実施例2 下側の強磁性体電極として 6nmFe/ 3nmCo80Pt20
に代えて、 6nmFe/3nmCoFeの積層膜を用いる以
外は、実施例1と同様の方法を用いてトンネル接合を作
製した。そのときの磁場に対する抵抗変化を図10に示
す。 6nmFe/3nmCoFeの保磁力に対応した約20Oe
の磁場で抵抗が急峻に変化しており、抵抗変化率は 28
%であった。また、抵抗のピーク値は 2.1Ωであった。
【0061】実施例3 実施例1および比較例1で示した磁気抵抗効果素子の温
度変化を測定した。その結果、 100℃で比較例1の磁気
抵抗は 15%から9%まで低下したが、実施例1の磁気抵抗
は 22%から 20%と低下率が少なかった。このように、本
発明の磁気抵抗効果素子は温度安定性に優れていること
が分かる。
【0062】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の強磁性ト
ンネル効果素子は、小さな磁場で大きな抵抗変化率を容
易に得ることができると共に、接合抵抗を小さくするこ
とができ、その上で各種特性の再現性を高めることが可
能となる。また、温度上昇や外部擾乱磁界などに対する
磁気抵抗の変化を抑制することができる。このような本
発明の強磁性トンネル効果素子を用いることによって、
出力電圧の大きい高感度の磁気ヘッドや磁界センサなど
を構成することが可能になる。また、磁気記億装置に利
用すれば、高速で出力の大きい不揮発性の固体磁気メモ
リを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の強磁性トンネル効果素子の一実施形
態の構成を模式的に示す図である。
【図2】 図1に示す強磁性トンネル効果素子の変形例
を示す図である。
【図3】 本発明の強磁性トンネル効果素子の磁気抵抗
変化を示す模式図である。
【図4】 本発明の強磁性トンネル効果素子の他の構成
例を模式的に示す図である。
【図5】 本発明の強磁性トンネル効果素子をプラーナ
型素子に適用した実施形態の構成を模式的に示す図であ
る。
【図6】 本発明の強磁性トンネル効果素子を適用した
磁気記憶素子の構成例を模式的に示す図である。
【図7】 本発明の実施例で用いた強磁性トンネル効果
素子の構造を模式的に示す図である。
【図8】 本発明の実施例1による強磁性トンネル効果
素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【図9】 比較例1による強磁性トンネル効果素子の磁
場に対する抵抗変化を示す図である。
【図10】 本発明の実施例2による強磁性トンネル効
果素子の磁場に対する抵抗変化を示す図である。
【符号の説明】
1……強磁性トンネル効果素子 2……強磁性体 3……誘電体 4……グラニュラー磁性膜 5、5a、5b……強磁性体電極 6……電極 7……誘電体層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体と保磁力をもつ強磁性体との混合
    体からなるグラニュラー磁性膜と、前記グラニュラー磁
    性膜に近接配置され、少なくとも一方が強磁性体からな
    る一対の電極とを具備する強磁性トンネル効果素子にお
    いて、 前記一対の電極のうち、一方の強磁性体からなる電極は
    誘電体層を介して前記グラニュラー磁性膜と積層されて
    おり、かつ他方の電極は前記グラニュラー磁性膜中の強
    磁性体と実質的に接触していることを特徴とする強磁性
    トンネル効果素子。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の強磁性トンネル効果素子
    において、 前記強磁性体からなる電極は、前記グラニュラー磁性膜
    の膜面に沿って前記誘電体層上に配列された第1および
    第2の強磁性体電極を有することを特徴とする強磁性ト
    ンネル効果素子。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載の強磁性ト
    ンネル効果素子を具備することを特徴とする磁気装置。
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