JP2001102656A - 強磁性ホール素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、最大で数百ｍＶ以上の出力電圧を示
し、磁場感度に優れた強磁性ホール素子を提供すること
にある。 【構成】強磁性ホール素子を超薄膜化したＦｅ−Ｐｔ合
金で構成することにより、出力電圧と垂直磁化の磁場感
度を向上させることができる。非磁性元素の添加あるい
は絶縁物とのグラニュラー組織化によって、さらなるホ
ール出力電圧と磁場感度の向上を図ることができる。こ
の素子は耐食性に非常に優れているため、超薄膜状態で
も保護膜なしでの利用が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大きな異常ホール効果
を示す強磁性ホール素子に関するものであり、モータの
回転速度センサ、磁気記録再生用磁気ヘッドなどの各種
磁気センサ、および垂直磁化を利用して記憶する固体素
子メモリへの利用が可能である。

【０００２】

【従来の技術】電流磁気効果のひとつであるホール効果
を利用した素子として、ＩｎＳｂ，ＧａＡｓなどの移動
度の大きな半導体を用いたホール素子がモータ等の回転
センサ、磁界測定用センサに多く用いられている。この
ような半導体ホール素子は外部磁界の大きさに比例する
正常ホール効果を利用したものであるが、磁性体に特有
のホール効果として磁化の大きさに比例する異常ホール
効果が知られている。しかしながら、磁性体の異常ホー
ル効果は半導体の正常ホール効果に比べて一般に非常に
小さいために、素子としての応用は今まで顧みられなか
った。

【０００３】その中でＧｄ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｐｔのよう
に、希土類あるいは白金など重元素を含む合金系におい
て、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの磁性元素よりも２桁程度大
きなホール抵抗率を示すことが知られており、ホール効
果の基礎的な物性が調べられている。これら重元素を含
む合金系が磁気センサあるいは固体素子メモリなどのホ
ール素子として応用できる可能性は指摘されているが、
まだ素子としての実用化はなされていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように磁性
体の異常ホール効果は半導体の正常ホール効果に比べ一
般にその出力が小さいために、現在のところ実用化に向
けた研究はほとんどない。しかしながら、数ｍＶ以上の
出力電圧が得ることができれば半導体ホール素子とは異
なる特徴を持つ素子を実現できるものと考えられる。

【０００５】例えば、磁気センサとしての応用を目的に
した場合には、半導体の正常ホール効果を利用した素子
が広く用いられているが、原理的に外部磁界の大きさに
比例した出力しか得られず、磁場感度に劣っている。ま
た一般に、半導体ホール素子の温度特性は良好ではな
く、ほとんどの場合その最高使用温度は１００〜２００
℃以下であり、特にＩｎＳｂのような大きい移動度を持
つ半導体は、１００℃以下と非常に低いものである。Ｆ
ｅ−Ｐｔ合金などの磁性体を用いれば、磁場感度と最高
使用温度も高い素子の可能性が生じる。

【０００６】また最近、固体素子メモリ（Ｍａｇｎｅｔ
ｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓｍｅｍｏｒｙ）に使
う目的で、巨大磁気抵抗効果あるいはトンネル磁気抵抗
効果を示すスピンバルブタイプのサンドウィッチ膜の検
討がなされている。これらは、従来の合金系磁気抵抗素
子よりも大きな磁気抵抗変化を示すが、その特性は界面
状態に非常に大きく影響されるため、プロセス上の制御
が難しく歩留まりも悪いものである。もし、このメモリ
素子に異常ホール効果を用いることができれば、磁性体
の単層膜で機能を果たすため、サンドウィッチ膜におけ
る界面制御の問題を回避することができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】ホール効果の出力電圧Ｖ
_Ｈは、一般に以下の式で記述される。ここでρ_Ｈはホー
ル抵抗率、ｉは電流、ｄは膜厚である。 Ｖ_Ｈ＝ρ_Ｈ・（ｉ／ｄ） 従って、出力電圧を上昇させるためには、材料固有の物
性値であるホール抵抗率が大きい材料が心要であること
以外に、膜厚に反比例した出力が得られるため膜厚の減
少によっても出力向上を図ることができることがわか
る。このような膜厚を減少させる超薄膜化は、出力電圧
向上とともに、表面異方性による垂直磁気異方性の誘起
をもたらす場合があるが、これはホール素子の磁場感度
向上を意味する。

【０００８】実施例に示すように、磁性体の中でも大き
なホール効果を示すＦｅ−Ｐｔ合金を超薄膜化すれば、
正の垂直磁気異方性が誘起されると同時に、数ｍＶから
最大数百ｍＶに達する出力電圧を得ることができる。ま
た、超薄膜は酸化に非常に弱い状態にあるため、材料自
身に高い化学的安定性が要求されるが、Ｆｅ−Ｐｔ合金
あるいはこれをベースとした材料は非常に耐食性に優れ
るため、保護膜の存在なしに素子としての応用化が可能
である。

【０００９】ホール抵抗率自身の上昇を図る方法とし
て、酸化物など絶縁物との複合材料化（グラニュラー
化）による方法がある。絶縁物とのグラニュラー化によ
って抵抗率の上昇がもたらされるが、これが電子の非対
称散乱確率を増しホール抵抗率上昇につながると考えら
れる。絶縁物としてはＡｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２な
どの酸化物、ＡｌＮなどの窒化物、ＭｇＦ、ＣａＦなど
のフッ化物を用いることが可能である。

【００１０】磁性体の異常ホール効果を用いた素子は、
正常ホール効果と異なり磁化に比例した出力を発生する
ため、磁性体の異方性制御により素子の磁場感度を向上
させることができる。磁性薄膜に垂直異方性を付与する
ためには、上述の超薄膜化による界面異方性の他に、エ
ピタキシャル成長による結晶磁気異方性の制御・柱状組
織による形状異方性などが考えられる。

【００１１】また、Ｆｅ−Ｐｔ合金に非磁性元素を添加
し飽和磁化を下げてやれば、反磁場の影響が少なくなり
垂直磁場感度向上につなげることができる。Ｎｂあるい
はＳｉなど添加元素の種類によっては、結晶粒が微細化
され最大２０％程度のホール抵抗率上昇がもたらされ
る。添加元素としてＮｂおよびＳｉがホール抵抗率上昇
に対して最も効果が高いが、その他に非磁性元素として
Ｂ，Ｃ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｚ
ｒ，Ｍｏ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ｂａ，Ｈ
ｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｉｒ，Ａｕ，Ｐｂ，Ｂｉを用いることが
できる。

【００１２】本発明の特徴とするところは次の通りであ
る。第１発明は、一般式Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ}Ｐｔ_ｘＭ_ｙ
で表され、Ｍは非磁性元素Ｎｂ、Ｓｉ、ＢｉおよびＨｆ
のうちから選択される１種または２種以上の元素で、か
つその原子組成比は３０≦ｘ≦７５、０≦ｙ≦１０であ
り、膜厚が５００Å以下で、１ｍＶ／ｍＡ以上の飽和ホ
ール電圧を有する合金からなることを特徴とする強磁性
ホール素子に関する。

【００１３】第２発明は、一般式Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ}Ｐ
ｔ_ｘＭ_ｙで表され、Ｍは非磁性元素Ｎｂ、Ｓｉ、Ｂｉお
よびＨｆのうちから選択される１種または２種以上の元
素で、かつその原子組成比は３０≦ｘ≦７５、０≦ｙ≦
１０である合金と絶縁物とのナノグラニュラー構造から
なり、膜厚が５００Å以下で、１ｍＶ／ｍＡ以上の飽和
ホール電圧を有することを特徴とする強磁性ホール素子
に関する。

【００１４】第３発明は、単結晶基板上、あるいは最初
に下地層を積層させた多結晶基板上に成長させて結晶配
向を制御し、垂直磁化膜としたことを特徴とする請求項
１あるいは２に記載の強磁性ホール素子に関する。

【００１５】第４発明は、請求項１ないし３のいずれか
１項に記載の強磁性ホール素子からなる磁気センサに関
する。

【００１６】第５発明は、請求項１ないし３のいずれか
１項に記載の強磁性ホール素子からなる固体素子メモリ
に関する。

【００１７】

【作用】以上述べたように異常ホール効果を利用した素
子としてＦｅ−Ｐｔ合金薄膜を超薄膜化してやれば、最
大で数百ｍＶの出力電圧と同時に表面異方性による垂直
磁気異方性の誘起が観測され磁場感度上昇が図れる。ま
た、Ｎｂ、Ｓｉなどの非磁性元素を添加することで飽和
磁化の値を減少させ、反磁場の影響を低減させることで
垂直磁場感度を向上させることができる。このような元
素添加によって同時に若干のホール抵抗率の増強も図る
ことができる。

【００１８】さらにホール抵抗率の値を上昇させる方法
として、酸化物などの絶縁物との複合材料化（グラニュ
ラー化）があげられる。絶縁物とのグラニュラー化によ
って抵抗率の上昇とともに異常ホール効果の発生機構で
ある非対称散乱が増加するものと考えられ、ホール抵抗
率の増強がなされる。

【００１９】Ｆｅ−Ｐｔ薄膜はＭｇＯなどの単結晶基板
上に容易にエピタキシャル成長し、ｃ軸配向した垂直磁
化膜が得られ、固体素子メモリなどの用途に適する。ま
た、ガラスなどの多結晶基板上においても、Ｃｒ（１０
０）／ＭｇＯ層など下地膜を挿入することでｃ軸が優先
配向した膜が得られる。

【００２０】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。 〔実施例１〕 Ｆｅ−Ｐｔ超薄膜のホール特性 Ｆｅ−Ｐｔ薄膜はイオンビームスパッタ装置を用いてガ
ラス基板上に成膜を行った。最終到達真空度は３ｘ１０
^−７Ｔｏｒｒ以下で、イオンビーム加速電圧は５００Ｖ
である。Ｆｅ−Ｐｔ薄膜のホール抵抗率は６０ａｔ％Ｐ
ｔ付近で最大を示すため、この組成における超薄膜化の
ホール効果に及ぼす影響を示す。図１に電子線リソグラ
フィ法によって作製した代表的なＦｅ−Ｐｔホール素子
の走査電子顕微鏡像を示す。素子パターン幅が、サブミ
クロンオーダーのサイズまで作製可能である。零磁場で
の電圧オフセットを補償するため５端子としているが、
単純な十字型パターンでの利用も可能である。固体素子
メモリとしての利用のためには、さらにこの素子パター
ン上に磁化反転のための磁場を発生させるラインパター
ンが加わる。

【００２１】図２にＦｅ−Ｐｔ薄膜ホール素子のホール
電圧と飽和磁場の膜厚依存性を示す。膜厚の減少ととも
にホール電圧の増加が見られ、最大で１００ｍＶ以上の
値が得られている。同時に磁場感度向上を意味する飽和
磁場の減少が観測されていることがわかる。図３にＦｅ
−Ｐｔ薄膜ホール素子の出力電圧と印加電流の関係を示
す。最大で５００ｍＶ近くのホール電圧が得られている
ことがわかる。

【００２２】図４にＦｅ−Ｐｔエピタキシャル薄膜ホー
ル素子のＸ線回折パターンとホールループを示す。図に
見られるように、ほぼ完全にｃ軸配向しており、角型性
が良好なホールループが得られているため、垂直磁化を
利用して記録する固体素子メモリに適していることがわ
かる。非磁性元素を添加したＦｅ−Ｐｔ薄膜のホール電
圧および飽和磁場の値をまとめて、表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】〔実施例２〕 グラニュラーＦｅ−Ｐｔ薄
膜 Ｆｅ−Ｐｔグラニュラー薄膜は、２元イオンビームスパ
ッタ装置を用いてガラス基板上に作製を行った。最終到
達真空度は３ｘ１０^−７Ｔｏｒｒ以下で、イオンビーム
加速電圧は５００Ｖである。ターゲットは、Ｆｅ−Ｐｔ
用複合ターゲットとＡｌ，Ｍｇなどのマトリックス用タ
ーゲットを使用した。マトリックスは酸化物、窒化物、
フッ化物であるため、真空チャンバ内に酸素、窒素、フ
ッ素を導入しながら、成膜を行った。複数のマトリック
スをベースとしたＦｅ−Ｐｔグラニュラー薄膜素子のホ
ール特性をまとめて表２に示す。ここで、Ｆｅ−Ｐｔグ
ラニュールの全体に対する原子組成比は約５０％であ
る。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【発明の効果】本発明は、Ｆｅ−Ｐｔ合金薄膜およびＦ
ｅ−Ｐｔ合金グラニュラー薄膜を用いた強磁性ホール素
子に関するものである。Ｆｅ−Ｐｔ合金は磁性金属合金
のなかでも最も大きなホール効果を示すが、さらに非磁
性元素を添加することにより、磁場感度向上とホール抵
抗率の増強も図ることができる。また、その超薄膜化に
より出力電圧向上と磁場感度向上も達成され、半導体ホ
ール素子と同等以上の出力電圧を発生させることができ
る。絶縁物とのグラニュラー組織化によっても、さらに
本質的なホール効果の大きさを増強させることができ、
出力を向上させることができる。エピタキシャル成長に
よって作製したｃ軸配向Ｆｅ−Ｐｔ薄膜は、固体素子メ
モリに適した垂直磁化ホール素子となる。以上のような
手法により、Ｆｅ−Ｐｔ薄膜ホール素子の出力電圧と磁
場感度向上を図ることにより、磁場感度に優れた磁気セ
ンサおよび固体素子メモリに適した強磁性ホール素子を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｆｅ_３５．７Ｐｔ_５６．８Ｓｉ_７．５薄膜ホー
ル素子の走査電子顕微鏡像。

【図２】Ｆｅ_４０Ｐｔ_６０薄膜ホール素子のホール電圧
Ｖ_Ｈおよび垂直磁化の飽和磁場Ｈ_ｋの膜厚依存性を示す
特性図である。

【図３】Ｆｅ_４０Ｐｔ_６０薄膜ホール素子のホール電圧
Ｖ_Ｈと印加電流ｉの関係を示す特性図である。

【図４】Ｆｅ_４０Ｐｔ_６０エピタキシャル薄膜ホール素
子（膜厚２００Å）のＸ線回折パターンとホールループ
を示す特性図である。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一般式Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ}Ｐｔ_ｘＭ_ｙで
   表され、Ｍは非磁性元素Ｎｂ、Ｓｉ、ＢｉおよびＨｆの
   うちから選択される１種または２種以上の元素で、かつ
   その原子組成比は３０≦ｘ≦７５、０≦ｙ≦１０であ
   り、膜厚が５００Å以下で、１ｍＶ／ｍＡ以上の飽和ホ
   ール電圧を有する合金からなることを特徴とする強磁性
   ホール素子。
2. 【請求項２】 一般式Ｆｅ_{１００−ｘ−ｙ}Ｐｔ_ｘＭ_ｙで
   表され、Ｍは非磁性元素Ｎｂ、Ｓｉ、ＢｉおよびＨｆの
   うちから選択される１種または２種以上の元素で、かつ
   その原子組成比は３０≦ｘ≦７５、０≦ｙ≦１０である
   合金と絶縁物とのナノグラニュラー構造からなり、膜厚
   が５００Å以下で、１ｍＶ／ｍＡ以上の飽和ホール電圧
   を有することを特徴とする強磁性ホール素子。
3. 【請求項３】 単結晶基板上、あるいは最初に下地層を
   積層させた多結晶基板上に成長させて結晶配向を制御
   し、垂直磁化膜としたことを特徴とする請求項１あるい
   は２に記載の強磁性ホール素子。
4. 【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
   強磁性ホール素子からなる磁気センサ。
5. 【請求項５】請求項１ないし３のいずれか１項に記載の
   強磁性ホール素子からなる固体素子メモリ。