JP2004039672A

JP2004039672A - Spin filter effect element and magnetic device using the same

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Publication number: JP2004039672A
Application number: JP2002190610A
Authority: JP
Inventors: Koichiro Inomata; 猪俣　浩一郎
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP4304688B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin filter effect element which has large TMR at a room temperature in a low external magnetic field while a high-resistance ferromagnetic body is used as a tunnel barrier. <P>SOLUTION: The spin filter effect element is composed of a first electrode 11 formed of a non-magnetic layer, a second electrode 13, and a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film 12 other than magnetite and interposed between the electrodes 11 and 13. The ferromagnetic spinel ferrite film 12 functions as a tunnel barrier to electrons, and the second electrode 13 is formed of, at least, a ferromagnetic layer. At a room temperature, the spin filter effect element has a very high magnetoresistivity change rate in a low magnetic field. When the element is applied to magnetic devices, various high-sensitivity magnetic devices, such as magnetic sensors, high-sensitivity magnetic heads, MRAMs capable of applying a high signal voltage and the like can be realized. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンフィルタ効果素子およびそれを利用した磁気デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や半導体に外部磁界を印加したときに、その抵抗が変化する磁気抵抗効果は、磁気ヘッドや磁気センサなどに使用されている。より大きな磁気抵抗を得るために、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子がある。その中でも、第１の従来例として強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子及び第２の従来例としてスピンフィルタ効果素子がある。
【０００３】
第１の従来例のＭＴＪ素子に関しては、Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ　ｅｔ．ａｌ、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．、Ｌ３９、ｐ．１２３１、１９９５年に記載されている。
この強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるＭＴＪ素子は、外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が、室温で得られる。
ＴＭＲは、使用する強磁性層と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ_１，Ｐ_２とすると、一般に、下記（１）式で与えられることが知られている。
ＴＭＲ　＝　２Ｐ_１Ｐ_２／（１−Ｐ_１Ｐ_２）　　　　　　　　（１）
ここで、強磁性層のスピン分極率Ｐは０＜Ｐ≦１の値をとる。
現在、スピン分極率が約０．５のＣｏＦｅ合金を用いたＭＴＪ素子により得られているＴＭＲは、室温において約５０％である。
【０００４】
（１）式からわかるように、Ｐ＝１の磁性体を用いると無限に大きなＴＭＲが期待される。Ｐ＝１の磁性体はハーフメタルと呼ばれる。
これまで、ＮｉＭｎＳｂ、Ｆｅ_３Ｏ_４、ＣｒＯ_２、（Ｌａ−Ｓｒ）ＭｎＯ_４、Ｔｈ_２ＭｎＯ_７、Ｓｒ_２ＦｅＭｏＯ_６など種々のハーフメタルを用いてＴＭＲ素子が製作されたが、いずれも室温のＴＭＲは期待に反して小さく、せいぜい十数％程度であった。
現在、ＭＴＪ素子は、ハードデイスク用磁気ヘッド及び不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加する構造を有している。
この印加磁界により、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、１、０を記録させている。また、読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００５】
第２の従来例のスピンフィルタ効果素子は、例えば、文献〔Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ、Ｘ．Ｈａｏ、Ｇ．Ａ．Ｇｉｂｓｏｎ　ａｎｄ　Ｒ．Ｍｅｒｓｅｖｅｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６１、ｐ．６３７、１９８８年〕に記載されている。このスピンフィルタ効果素子は、トンネル障壁としてＥｕＳなどの磁性半導体を用い、電極に非磁性金属（金（Ａｕ）とアルミニウム（Ａｌ））を用いたものである。トンネル障壁が磁性半導体であるため、そのエネルギー準位はスピンによって異なるので、トンネル障壁がスピンに依存することになり、非磁性金属電極からのトンネル電子のコンダクタンスはスピンに依存する。即ち、トンネル障壁はスピンフィルタの役割を担い、このような現象はスピンフィルタ効果と呼ばれる。スピンフィルタ効果素子では磁性半導体のエネルギー準位のスピン分裂が大きいほど、より大きなスピンフィルタ効果が期待される。上述の文献では、スピンフィルタ効果としてスピン分極率Ｐ＝０．８が得られている。
【０００６】
さらに、トンネル障壁にＥｕＳ磁性半導体を用い、一方の電極に非磁性金属を、他方の電極に強磁性金属を用い、強磁性金属の磁化を外部磁界で反転させることによって磁気抵抗効果を得ることができる。この場合の磁気抵抗変化率は、磁性半導体のエネルギー準位のスピン分裂に依存し、それが大きいほどより大きなトンネル磁気抵抗が期待される。
これまでの報告〔Ｐ．ＬｅＣｌａｉｒ、Ｊ．Ｋ．Ｈａ、Ｈ．Ｊ．Ｍ．Ｓｗａｇｔｅｎ、Ｊ．Ｔ．Ｋｏｈｌｈｅｐｐ、Ｇ．Ｈ．ｖａｎＶｉｎ　　ａｎｄ　　Ｗ．Ｊ．Ｍ．ｄｅ　　Ｊｏｎｇｅ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．８０、ｐ．６２５、２００２年〕によれば、Ａｌ／ＥｕＳ／Ｇｄからなるスピンフィルタ素子において、２Ｋで１００％を超えるＴＭＲが得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来例のＭＴＪ素子をＭＲＡＭに応用し、高密度化のために素子サイズを小さくすると、素子バラツキに伴うノイズが増大するので、ＴＭＲの値の大きいＭＴＪ素子が必要となる。現状のＴＭＲの値である約６０％ではまだＴＭＲが小さく、ＴＭＲの大きい素子が得られないという課題がある。
【０００８】
第２の従来例のスピンフィルタ効果素子では、１００％を超えるＴＭＲが得られているが、ＥｕＳのキュリー点が１６．８Ｋと低温のため、このような大きなＴＭＲは、２Ｋという極低温でしか得られていない。従って、常温動作のスピンフィルタ効果素子が実現されていないという課題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、キュリー点の高い新しい強磁性体をトンネル障壁に用い、室温かつ低外部磁界で、非常に大きなＴＭＲを有するスピンフィルタ効果素子を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のスピンフィルタ効果素子は、非磁性層からなる第１の電極と、第２の強磁性電極と、電極の間に挿入されるマグネタイトを除く高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜と、からなり、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜は、電子に対するトンネル障壁として作用する。
この構成によれば、本発明のスピンフィルタ効果素子は、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を除く高抵抗の強磁性スピネルフェライトをトンネル障壁に用いることにより、室温かつ低外部磁界で、非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
【００１１】
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜において、Ｆｅの一部が、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉおよびそれらの混合物で置換されており、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、Ｍ_ＸＦｅ_３−ＸＯ_４（Ｍは、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉの何れか１つ）であることを特徴とする。
このような高抵抗強磁性スピネルフェライトは、エネルギーバンドのスピン分裂が１ｅＶ以上と大きいため、大きなＴＭＲが得られる。また、比抵抗を１Ω・ｃｍ以上とすることにより、トンネル障壁が効率良く形成できる。
【００１２】
前記構成において、第２の電極の強磁性層は、反強磁性層と接したスピンバルブ構造からなる。また、第２の電極は保護膜となる非磁性金属に覆われていてよい。また、スピンフィルタ効果素子は、基板上に形成されている。
この構成によれば、スピンバルブ効果により強磁性電極の磁化は、反強磁性層との交換相互作用により、スピンが１方向に固定されるので、本発明のスピンフィルタ効果素子のＴＭＲは更に大きくなる。
【００１３】
また、本発明の磁気デバイスは、前記構成のスピンフィルタ効果素子を有することを特徴とする。この構成によれば、本発明のスピンフィルタ効果素子は、室温において低外部磁界で大きなＴＭＲを有するので、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きいＭＲＡＭ、高感度の磁界センサなどの磁気デバイスを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスピンフィルタ効果素子及びそれを用いた磁気デバイスの実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は本発明のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。本発明のスピンフィルタ効果素子１は、高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が第１の電極である非磁性電極１１と第２の電極である強磁性電極１３との間に挿入された構造を有している。直流電源１４は、第１の電極１１と第２の電極１３に印加され、外部磁界１５が膜面内に平行に印加されている。
【００１５】
ここで、高抵抗のスピネルフェライト１２は、強磁性を有し、その厚さはトンネル現象が生起するように十分に薄く形成されている。直流電源１４は、非磁性電極１１からの電子が、スピネルフェライト１２中をトンネルして、強磁性電極１３へ流れるように、非磁性電極１１側を負とする向きに接続する。
【００１６】
図２は、本発明のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。図において、Φ↓（下向き矢印）は、第１の電極のフェルミ準位からの高抵抗のスピネルフェライト１２の↓（下向き矢印）スピンバンドの電位障壁高さである。
また、高抵抗のスピネルフェライト１２は、強磁性体であるため、↑（上向き矢印）スピンバンドのエネルギー準位は、Φ↓と異なるΦ↑（上向き矢印）で示す。図２に示すように、Φ↑がΦ↓よりも小さいので、スピン電子ｅ↑のみが、Φ↑のトンネル障壁を介して強磁性電極１３側にトンネルすることができる。
【００１７】
このように、トンネル障壁がスピンに依存することで、非磁性金属電極１１からのトンネル電子による抵抗、または、コンダクタンスは、スピンに依存し、スピンに依存したトンネル現象を示す。すなわち、トンネル障壁はスピンフィルタとして働く。
従って、本発明のスピンフィルタ素子１では、高抵抗のスピネルフェライト１２のエネルギー準位のスピン分裂が大きいほど、より大きなスピンフィルタ効果が得られる。また、本発明のスピンフィルタ素子１では外部磁界１５を印加し、このスピンフィルタ効果を利用すると共に、外部磁界により第２電極の強磁性層のスピンを反転させることによって、大きなトンネル磁気抵抗効果が得られる。
【００１８】
図１に示す本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極１３は、強磁性電極上に、さらに反強磁性層を積層して形成することができる。この構造では、スピンバルブ効果により強磁性電極の磁化は、反強磁性層との交換相互作用により、スピンが１方向に固定されるので、電極１３のスピンの平行、反平行を容易に得ることができるため、本発明のスピンフィルタ効果素子のＴＭＲは更に大きくなる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極１３の強磁性電極、または、反強磁性層の上には、さらに保護膜となる非磁性の電極層を堆積させることが好ましい。
本発明のスピンフィルタ効果素子１は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いて成膜することができる。
【００１９】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子に用いるスピネルフェライトについて説明する。
スピネルフェライトは、ＭＦｅ_２Ｏ_４なる化学式で表される。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉなどの２価のイオンであり、Ｆｅは３価の鉄イオンである。
スピネル構造の単位胞は分子式ＭＦｅ_２Ｏ_４の８個分のイオンから構成され、金属イオンの入る位置は結晶学的に異なるＡ、Ｂ二つのサイトがある。Ａサイトは、４個の酸素で４面体的に囲まれ、Ｂサイトは、６個の酸素で８面体的に囲まれている。
ここで、Ｍ＝Ｆｅであるマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）は、金属的な伝導性を有し、トンネル障壁の機能を有しないから、本発明のスピンフィルタ効果素子のトンネル障壁とならない。
【００２０】
このＡ、Ｂサイトへの金属イオンの入り方の違いで正スピネルと逆スピネルとがある。２価のイオンがＡサイトに入るものを正スピネル、Ｂサイトに入るものを逆スピネルという。
従って、正スピネルフェライトは、（Ｍ^２＋）［Ｆｅ^３＋］Ｏ_４、逆スピネルフェライトは、（Ｆｅ^３＋）［Ｆｅ^３＋Ｍ^２＋］Ｏ_４となる。
ここで（　）は、Ａサイトを、［　］は、Ｂサイトを表す。
正スピネルフェライトは、Ｍ＝Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｎの場合のみであり、それ以外は逆スピネルであることが知られている。
【００２１】
スピネルフェライトでは、ＡサイトとＢサイト間（Ａ−Ｂ間）の負の交換相互作用が最も大きく、Ａ−Ａ間およびＢ−Ｂ間のそれは、負の小さな値である。従って、逆スピネルフェライトでは、Ｍ^２＋のスピンの大きさのみで磁化の値が決まる。
【００２２】
一方、正スピネルでは、Ｍが非磁性元素の場合には、Ａ−Ｂ間の相互作用は零であり、Ｂ−Ｂ間の負の相互作用によって反強磁性体になる。そのため、ＺｎフェライトやＣｄフェライトは反強磁性体である。他方、正スピネルにおいて、Ｍの量が１より小さい場合には、Ｍの不足した位置をＦｅ^３＋が占めることになるので、（Ｍ_ＸＦｅ_１−ｘ）［Ｆｅ_２］Ｏ_４、即ちＭ_ＸＦｅ_３−ＸＯ_４となる。
この結果、Ｍ_ＸＦｅ_３−ＸＯ_４のＭが非磁性元素でも（１＋ｘ）個のＦｅ^３＋に相当する磁化が生じて強磁性体になり、本発明のスピンフィルタ効果素子のトンネル障壁に用いる強磁性層として好適である。
【００２３】
本発明のスピンフィルタ効果素子に用いる強磁性スピネルフェライト１２は、特に、エネルギーバンドのスピン分裂が１ｅＶ以上と大きく、大きなＴＭＲが得られ、且つ室温で動作させるためにキュリー点が室温よりも十分高い材料であることが好ましい。また、スピンフィルタ効果を得るために、有効なトンネル障壁とするためには、高抵抗のスピネルフェライト１２の抵抗率は、１Ω・ｃｍ以上が好適である。
このような、強磁性スピネルフェライト１２としては、Ｆｅの一部を、Ｍ＝Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ及びそれらの混合物で置換した材料が好適である。
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト１２が、Ｍ_ＸＦｅ_３−ＸＯ_４（Ｍは、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉの何れか１つ）であればよい。
このような、本発明に用いる高抵抗のスピネルフェライト１２のキュリー点は、おおよそ３００℃以上あるので、室温で十分に動作する。
【００２４】
本発明によるスピンフィルタ効果素子１は以上のように構成されており、外部磁界の印加により以下のような抵抗が得られる。
図３は本発明のスピンフィルタ効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。図の横軸は、スピンフィルタ効果素子に印加される外部磁界で、縦軸が抵抗である。ここで、本発明のスピンフィルタ効果素子には、トンネル電流が流れるために必要な電圧が十分に印加されている。
図示するように、本発明のスピンフィルタ効果素子の抵抗は、外部磁界により大きな変化を示す。外部磁界を領域（Ｉ）より印加し、外部磁界を減少させ、零として、さらに外部磁界を反転して増大させると、領域（ＩＩ）から領域（ＩＩＩ　）において最小の抵抗から最大の抵抗に変化する。ここで、領域（ＩＩ）の外部磁界をＨ_１とする。
【００２５】
さらに、外部磁界を増加させると、領域（ＩＩＩ　）から領域（ＩＶ）を経て領域（Ｖ）までの抵抗変化が得られる。これにより、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、領域（Ｉ）と、領域（ＩＩＩ　）の外部磁界おいて、強磁性電極１３のスピンが強磁性トンネル障壁のスピンに対して平行と反平行の状態となり、それぞれ抵抗が最小と最大となる。
【００２６】
次に、領域（Ｖ）から、外部磁界を減少させ、零として反転させ領域（■）に戻した時には、抵抗は、領域（Ｖ），領域（ＩＶ），領域（ＩＩＩ　），領域（ＶＩ）を経て、領域（Ｉ）へと変化する。領域（ＩＩ）と領域（ＶＩ）は所謂ヒステリシスが得られる領域である。ここで、領域（ＶＩ）の磁界は−Ｈ_２とする。ヒステリシスの発生する磁界Ｈ_１と−Ｈ_２の磁界の絶対値は、おおよそ等しい。
【００２７】
ここで、磁気抵抗変化率は、外部磁界を印加したとき、
磁気抵抗変化率＝（最大の抵抗−最小の抵抗）／最小の抵抗（％）
で表され、この値が大きいほど、磁気抵抗変化率としては、望ましい。
これにより、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、図３に示すように、磁界が零から±Ｈ_１より極く僅かに大きい磁界、即ち低い磁界を加えることで、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００２８】
本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、キュリー点が室温より高い高抵抗のスピネルフェライト１２と、第２の電極１３の強磁性電極とにより、室温で大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極をスピンバルブ電極とすれば、より大きい磁気抵抗変化率を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子を用いた磁気デバイスに係る実施の形態を示す。
図３に示すように、領域（Ｉ）から領域（ＩＩＩ　）の間で大きな抵抗変化、即ち大きな磁気抵抗変化率が得られる。
本発明のスピンフィルタ効果素子１は、室温で、かつ、低磁界において大きな磁気抵抗変化率を有しているので、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気デバイスを得ることができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、室温で、かつ、低磁界において大きな磁気抵抗変化率を有しているので、感度の高い読み出し用の磁気デバイス所謂磁気ヘッドを構成することができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して外部磁界を印加することで、スピンフィルタ効果素子を構成する第２の強磁性電極の磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、抵抗が高い状態と抵抗が低い状態となり保持、即ち記録ができる。
これを１、０として記録させることで、ＭＲＡＭなどの磁気デバイスを構成することができる。
【００３０】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子の実施例について説明する。
（実施例１）
図４は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例１の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、例えばＭｇＯ（１００）基板２０上に非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に第２の電極１３となる強磁性層１３Ａが配置されている。ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＣｏＦｅ_２Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ_９Ｆｅを５ｎｍ、それぞれ堆積して成膜した多層膜である。
なお、成膜時に１００Ｏｅ（Ｏｅ：エルステッド）の磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。また、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４膜１３Ａを成膜するときには基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３１】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３２】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、Ｃｏ_９Ｆｅ膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは、室温で約１２０％と非常に大きい値を示した。これは、強磁性ＣｏＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４１２の単独薄膜の抵抗率は１０^４Ω・ｃｍ以上であった。
【００３３】
（実施例２）
図６は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例２の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、ＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと反強磁性体層１３Ｂとが配置されている。
ここで、上記構造は、ＭＢＥ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト膜１２としてＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ_９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ層１３Ｂは、反強磁性体であり、スピネルフェライト膜１２であるＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４のスピンを固定する役割をしている。なお、Ｍｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３４】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３５】
本実施例２でも、上記実施例１の場合と同様に、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、Ｍｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは室温で約１８０％と非常に大きい値を示した。これは強磁性体のＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、Ｍｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２の単独薄膜の抵抗率は、約１００Ω・ｃｍであった。
【００３６】
（実施例３）
本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例３の構成は、上記実施例２と同じ構成である。
実施例３におけるスピネルフェライト膜１２は、実施例２によるＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２を、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２に変えたものである。他の各層の構成は、実施例２と同一である。
ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＭｎＦｅ_２Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ_９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ膜１３Ｂは反強磁性体でありＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピンを固定する役割をしている。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３７】
本実施例でも、同様に図５のスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図を用いて説明する。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３８】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは室温で約１３０％と非常に大きい値を示した。これは、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２の単独薄膜の抵抗率は、１０^４Ω・ｃｍ以上であった。
【００３９】
（実施例４）
図７は本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例４の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子は、熱酸化Ｓｉ基板２１上にスピンフィルタ効果素子１を形成している。Ｓｉ基板２１の表面を熱酸化し、酸化膜２１Ｂを形成した。この基板２１上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと、反強磁性体層１３Ｂと、さらに保護膜となる電極層１３Ｃが配置されている。
ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によって熱酸化Ｓｉ基板２１上に、非磁性の第１の電極１１としてＡｌを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＺｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４を５ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ_９Ｆｅを１０ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、保護層１３Ｃとなる非磁性層のＡｌを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ膜１３Ｂは、反強磁性体であり、強磁性層１３ＡのＣｏ_９Ｆｅ１３のスピンを固定する役割をしている。なお、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。また、Ｚｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２１を４００℃の温度に加熱した。
【００４０】
スピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す図５を用いて以下説明する。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００４１】
この素子について、四端子法を用いて、室温において磁気抵抗を測定した結果、Ｚｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは約１４０％と非常に大きい値を示した。これは、Ｚｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４膜１２が強磁性で、そのスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、Ｚｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４膜１２の単独の薄膜の抵抗率は、約１０Ω・ｃｍであった。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、構造が簡便で、室温において磁気抵抗変化率が非常に大きいので、ＭＲＡＭなどの不揮発性磁気メモリの記憶素子として、素子寸法の縮小をしても、十分に大きな電流が得られる。
【００４２】
（実施例５）
図８は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例５の構成を示す断面図である。実施例５におけるスピンフィルタ効果素子１の構造は、実施例４のスピネルフェライト１２上に、さらに絶縁膜１６を挿入していることである。絶縁膜１６は、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２と、強磁性層１３Ａとの磁気的結合を弱めるために用いている。
図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子は、熱酸化Ｓｉ基板２１上にスピンフィルタ効果素子１を形成している。Ｓｉ基板２１の表面を熱酸化し、酸化膜２１Ｂを形成した。この基板２０上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に絶縁膜１６が堆積され、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと、反強磁性体層１３Ｂと、さらに保護膜となる電極層１３Ｃが配置されている。
【００４３】
ここで、上記構造は、マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板２１上に、非磁性の第１の電極１１としてＡｌを５ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＺｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４を１０ｎｍ、絶縁膜のＡｌ_２Ｏ_３１６を２ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ_９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、保護層１３Ｃとなる非磁性層のＡｌを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。
【００４４】
ＩｒＭｎ１３Ｂは反強磁性体であり、強磁性層Ｃｏ_９Ｆｅ１３Ａのスピンを固定する役割をしている。Ａｌ_２Ｏ_３１６は絶縁膜であり、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライトＺｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４膜１２と、強磁性層１３ＡであるＣｏ_９Ｆｅとの間の磁気的結合を弱めるために用いた。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。Ｚｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２１を４００℃の温度に加熱した。
【００４５】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００４６】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、２０Ｏｅという小さな外部磁界で室温において、約８５％のＴＭＲを観測した。この値は従来のＴＭＲよりかなり大きく、Ｚｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４膜１２のスピン分裂が非常に大きいことを意味し、ハーフメタルであることを示唆している。
【００４７】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態では、金属ＭをＺｎやＭｎを使用した例を説明をしたが、金属Ｍは、これに限らず、Ｃｏなどに適用し得ることは勿論である。また、本発明のスピンフィルタ効果素子を用いた磁気デバイスは、磁気抵抗センサ、ＭＲＡＭ、磁気ヘッドについて説明したが、他の磁気デバイスなどに適用し得ることは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、室温で、かつ、低外部磁界で、非常に大きなトンネル磁気抵抗が得られ、従来にない新規なスピンフィルタ効果素子を提供することができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子は、構造が簡便で、室温で非常に大きなトンネル磁気抵抗が得られるので、従来の磁気抵抗効果素子よりもはるかに微細化が可能である。
【００４９】
さらに、このスピンフィルタ効果素子は、磁気デバイスに使用することで新規な磁気デバイスを提供することができる。このスピンフィルタ効果素子を磁気デバイスに使用すれば、高感度磁気ヘッドや信号電圧の大きいＭＲＡＭを実現できるほか、各種高感度の磁界センサなどが提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。
【図３】本発明のスピンフィルタ効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例１の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定のパターンを示す平面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例２の構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例４の構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例５の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　　スピンフィルタ効果素子
１１　　第１の電極である非磁性電極
１２　　高抵抗のスピネルフェライト
１３　　第２の電極
１３Ａ　強磁性層
１３Ｂ　反強磁性層
１３　　保護膜
１４　　直流電源
１５　　外部磁界
１６　　絶縁膜
２０　　ＺｎＯ基板
２１　　熱酸化Ｓｉ基板
２１Ａ　Ｓｉ基板
２１Ｂ　Ｓｉ酸化膜[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a spin filter effect element and a magnetic device using the same.
[0002]
[Prior art]
The magnetoresistive effect, in which the resistance changes when an external magnetic field is applied to a metal or a semiconductor, is used for a magnetic head, a magnetic sensor, and the like. In order to obtain a larger magnetoresistance, there is a magnetoresistance effect element using a tunnel junction. Among them, a first conventional example is a ferromagnetic spin tunnel junction (MTJ) element, and a second conventional example is a spin filter effect element.
[0003]
Regarding the MTJ element of the first conventional example, T.K. Miyazaki et. al, J. et al. Magn. Mater. , L39, p. 1231, 1995.
The MTJ element composed of the ferromagnetic layer / insulator layer / ferromagnetic layer controls the magnetization of the two ferromagnetic layers to be parallel or antiparallel to each other by an external magnetic field, so that the tunnel current in the direction perpendicular to the film surface is increased. The so-called tunnel magnetoresistance (TMR) effect is obtained at room temperature.
The TMR depends on the spin polarizability P at the interface between the ferromagnetic layer and the insulator to be used. ₁ , P ₂ Then, it is generally known that the following equation (1) is given.
TMR = 2P ₁ P ₂ / (1-P ₁ P ₂ (1)
Here, the spin polarizability P of the ferromagnetic layer takes a value of 0 <P ≦ 1.
At present, TMR obtained by an MTJ element using a CoFe alloy having a spin polarization of about 0.5 is about 50% at room temperature.
[0004]
As can be seen from equation (1), an infinitely large TMR is expected when a magnetic material with P = 1 is used. A magnetic material with P = 1 is called a half metal.
Until now, NiMnSb, Fe ₃ O ₄ , CrO ₂ , (La-Sr) MnO ₄ , Th ₂ MnO ₇ , Sr ₂ FeMoO ₆ TMR elements were manufactured using various half-metals, but the TMR at room temperature was small, contrary to expectations, and was at most about 10%.
At present, the MTJ element is expected to be applied to a magnetic head for a hard disk and a nonvolatile magnetic memory (MRAM). The MRAM has a structure in which MTJ elements are arranged in a matrix, and a current is applied to a separately provided wiring to apply a magnetic field.
By controlling the two magnetic layers constituting each MTJ element to be parallel or antiparallel to each other by this applied magnetic field, 1 and 0 are recorded. Reading is performed using the TMR effect.
[0005]
A second conventional spin filter effect element is disclosed in, for example, a document [J. S. Moodera, X .; Hao, G .; A. Gibson and R.S. Mersevey, Phys. Rev .. Lett. Vol. 61, p. 637, 1988]. This spin filter effect element uses a magnetic semiconductor such as EuS as a tunnel barrier, and uses a nonmagnetic metal (gold (Au) and aluminum (Al)) for an electrode. Since the tunnel barrier is a magnetic semiconductor, its energy level varies depending on the spin. Therefore, the tunnel barrier depends on the spin, and the conductance of the tunnel electron from the non-magnetic metal electrode depends on the spin. That is, the tunnel barrier plays a role of a spin filter, and such a phenomenon is called a spin filter effect. In the spin filter effect element, a larger spin filter effect is expected as the spin splitting of the energy level of the magnetic semiconductor increases. In the above document, a spin polarizability P = 0.8 is obtained as a spin filter effect.
[0006]
Furthermore, a magnetoresistance effect can be obtained by using an EuS magnetic semiconductor for the tunnel barrier, using a nonmagnetic metal for one electrode, and using a ferromagnetic metal for the other electrode, and reversing the magnetization of the ferromagnetic metal with an external magnetic field. it can. In this case, the rate of change in magnetoresistance depends on the spin splitting of the energy level of the magnetic semiconductor.
Previous reports [P. LeClair, J.M. K. Ha, H .; J. M. Swagen, J.M. T. Kohlhepp, G. et al. H. vanVin and W.C. J. M. de Jonge, Appl. Phys. Lett. Vol. 80, p. 625, 2002], a spin filter element made of Al / EuS / Gd has a TMR exceeding 100% at 2K.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When the MTJ element of the first conventional example is applied to an MRAM and the element size is reduced for higher density, noise due to element variation increases, so that an MTJ element having a large TMR value is required. At the current TMR value of about 60%, there is a problem that the TMR is still small and an element having a large TMR cannot be obtained.
[0008]
The second conventional spin filter effect element has a TMR exceeding 100%. However, since the Curie point of EuS is as low as 16.8K, such a large TMR can be obtained only at an extremely low temperature of 2K. Not obtained. Therefore, there is a problem that a spin filter effect element operating at room temperature has not been realized.
[0009]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a spin filter effect element having a very large TMR at room temperature and a low external magnetic field by using a new ferromagnetic material having a high Curie point for a tunnel barrier.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, a spin filter effect element according to the present invention comprises a first electrode made of a nonmagnetic layer, a second ferromagnetic electrode, and a high-resistance ferromagnetic material excluding magnetite inserted between the electrodes. The high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film, which comprises a spinel ferrite film and acts as a tunnel barrier for electrons.
According to this configuration, the spin filter effect element according to the present invention has a magnetite (Fe ₃ O ₄ By using a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite (except for (1)) for the tunnel barrier, a very large TMR can be obtained at room temperature and with a low external magnetic field.
[0011]
Further, in the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film, a part of Fe is replaced by Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li and a mixture thereof, and the specific resistance is 1 Ω · cm or more. There is a feature.
Also, a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film is _X Fe _3-X O ₄ (M is any one of Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, and Li).
Such a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite has a large TMR because the energy band has a large spin splitting of 1 eV or more. Further, by setting the specific resistance to 1 Ω · cm or more, a tunnel barrier can be efficiently formed.
[0012]
In the above structure, the ferromagnetic layer of the second electrode has a spin valve structure in contact with the antiferromagnetic layer. Further, the second electrode may be covered with a nonmagnetic metal serving as a protective film. Further, the spin filter effect element is formed on the substrate.
According to this configuration, the magnetization of the ferromagnetic electrode is fixed in one direction by the exchange interaction with the antiferromagnetic layer due to the spin valve effect. Therefore, the TMR of the spin filter effect element of the present invention is further increased. Become.
[0013]
Further, a magnetic device according to the present invention includes the spin filter effect element having the above configuration. According to this configuration, since the spin filter effect element of the present invention has a large TMR in a low external magnetic field at room temperature, it provides a magnetic device such as a high-sensitivity magnetic head, an MRAM with a large signal voltage, and a high-sensitivity magnetic field sensor. be able to.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a spin filter effect element and a magnetic device using the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of the spin filter effect element of the present invention. The spin filter effect element 1 of the present invention has a structure in which a thin film of a high-resistance spinel ferrite 12 is inserted between a non-magnetic electrode 11 as a first electrode and a ferromagnetic electrode 13 as a second electrode. are doing. The DC power supply 14 is applied to the first electrode 11 and the second electrode 13, and an external magnetic field 15 is applied in parallel in the film plane.
[0015]
Here, the high-resistance spinel ferrite 12 has ferromagnetism, and is formed sufficiently thin so that a tunnel phenomenon occurs. The DC power supply 14 is connected in such a manner that the nonmagnetic electrode 11 side is negative so that electrons from the nonmagnetic electrode 11 tunnel through the spinel ferrite 12 and flow to the ferromagnetic electrode 13.
[0016]
FIG. 2 is a schematic diagram showing energy levels for explaining the operation of the spin filter effect element of the present invention. In the figure, Φ ↓ (downward arrow) is the potential barrier height of the ↓ (downward arrow) spin band of the high-resistance spinel ferrite 12 from the Fermi level of the first electrode.
In addition, since the high-resistance spinel ferrite 12 is a ferromagnetic material, the energy level of the 矢印 (upward arrow) spin band is indicated by Φ ↑ (upward arrow) different from Φ ↓. As shown in FIG. 2, since Φ ↑ is smaller than Φ ↓, only spin electrons e ↑ can tunnel to the ferromagnetic electrode 13 through the tunnel barrier of ↑↑.
[0017]
As described above, since the tunnel barrier depends on spin, the resistance or conductance due to tunnel electrons from the nonmagnetic metal electrode 11 depends on spin, and exhibits a spin-dependent tunnel phenomenon. That is, the tunnel barrier acts as a spin filter.
Therefore, in the spin filter element 1 of the present invention, the larger the spin splitting of the energy level of the spinel ferrite 12 having a high resistance, the greater the spin filter effect can be obtained. Further, in the spin filter element 1 of the present invention, an external magnetic field 15 is applied to utilize the spin filter effect and, by inverting the spin of the ferromagnetic layer of the second electrode by the external magnetic field, a large tunnel magnetoresistance effect is obtained. can get.
[0018]
The second electrode 13 of the spin filter effect element of the present invention shown in FIG. 1 can be formed by further laminating an antiferromagnetic layer on a ferromagnetic electrode. In this structure, the magnetization of the ferromagnetic electrode is fixed in one direction by the exchange interaction with the antiferromagnetic layer due to the spin valve effect, so that the parallel and antiparallel spin of the electrode 13 can be easily obtained. Therefore, the TMR of the spin filter effect element of the present invention is further increased.
Further, it is preferable that a non-magnetic electrode layer serving as a protective film is further deposited on the ferromagnetic electrode of the second electrode 13 or the antiferromagnetic layer of the spin filter effect element of the present invention.
The spin filter effect element 1 of the present invention can be formed by a normal thin film forming method such as a sputtering method, an evaporation method, a laser ablation method, and an MBE method.
[0019]
Next, the spinel ferrite used in the spin filter effect element of the present invention will be described.
Spinel ferrite is MFe ₂ O ₄ It is represented by the following chemical formula. Here, M is a divalent ion such as Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, and Li, and Fe is a trivalent iron ion.
The unit cell of the spinel structure has the molecular formula MFe ₂ O ₄ There are two sites, A and B, at which the metal ions enter are crystallographically different. The A site is tetrahedrally surrounded by four oxygens, and the B site is octahedrally surrounded by six oxygens.
Here, magnetite where M = Fe (Fe ₃ O ₄ ) Has metallic conductivity and does not function as a tunnel barrier, and thus does not serve as a tunnel barrier of the spin filter effect element of the present invention.
[0020]
There are forward spinel and reverse spinel depending on how the metal ions enter the A and B sites. Those in which divalent ions enter the A site are called normal spinels and those in which the divalent ions enter the B site are called reverse spinels.
Therefore, the positive spinel ferrite is (M ²⁺ ) [Fe ³⁺ ] O ₄ , Reverse spinel ferrite is (Fe ³⁺ ) [Fe ³⁺ M ²⁺ ] O ₄ It becomes.
Here, () indicates the A site, and [] indicates the B site.
Positive spinel ferrite is known to be an inverse spinel only when M = Zn, Cd, Mn, and otherwise.
[0021]
In spinel ferrite, the negative exchange interaction between the A site and the B site (between A and B) is the largest, and that between A and A and between B and B is a small negative value. Therefore, in the inverse spinel ferrite, M ²⁺ The value of the magnetization is determined only by the magnitude of the spin of.
[0022]
On the other hand, in the positive spinel, when M is a non-magnetic element, the interaction between AB is zero, and the material becomes an antiferromagnetic material due to the negative interaction between BB. Therefore, Zn ferrite and Cd ferrite are antiferromagnetic substances. On the other hand, in the positive spinel, when the amount of M is smaller than 1, the position where M is insufficient is defined as Fe. ³⁺ Is occupied by (M _X Fe _1-x ) [Fe ₂ ] O ₄ , That is, M _X Fe _3-X O ₄ It becomes.
As a result, M _X Fe _3-X O ₄ Of (1 + x) Fe even if M is a non-magnetic element ³⁺ Is generated and turns into a ferromagnetic material, which is suitable as a ferromagnetic layer used for a tunnel barrier of the spin filter effect element of the present invention.
[0023]
In particular, the ferromagnetic spinel ferrite 12 used in the spin filter effect element of the present invention has a large energy band spin splitting of 1 eV or more, provides a large TMR, and has a Curie point sufficiently higher than room temperature to operate at room temperature. Preferably, it is a material. In addition, in order to obtain an effective tunnel barrier to obtain a spin filter effect, the resistivity of the high-resistance spinel ferrite 12 is preferably 1 Ω · cm or more.
As such a ferromagnetic spinel ferrite 12, a material in which a part of Fe is replaced by M = Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li, or a mixture thereof is preferable.
In addition, the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite 12 _X Fe _3-X O ₄ (M is any one of Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, and Li).
Since the Curie point of the high-resistance spinel ferrite 12 used in the present invention is about 300 ° C. or higher, it operates sufficiently at room temperature.
[0024]
The spin filter effect element 1 according to the present invention is configured as described above, and the following resistance is obtained by applying an external magnetic field.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating resistance when an external magnetic field is applied to the spin filter effect element of the present invention. The horizontal axis in the figure is the external magnetic field applied to the spin filter effect element, and the vertical axis is the resistance. Here, a voltage necessary for a tunnel current to flow is sufficiently applied to the spin filter effect element of the present invention.
As shown, the resistance of the spin filter effect element of the present invention shows a large change due to an external magnetic field. When an external magnetic field is applied from the region (I), the external magnetic field is reduced to zero, and the external magnetic field is reversed and increased, the resistance changes from the minimum resistance to the maximum resistance in the region (II) to the region (III). I do. Here, the external magnetic field in the region (II) is set to H ₁ And
[0025]
Further, when the external magnetic field is increased, a resistance change from the region (III) to the region (V) via the region (IV) is obtained. As a result, the spin filter effect element 1 of the present invention has a configuration in which the spin of the ferromagnetic electrode 13 is parallel and antiparallel to the spin of the ferromagnetic tunnel barrier in the external magnetic field of the region (I) and the region (III). State, and the resistance becomes minimum and maximum, respectively.
[0026]
Next, when the external magnetic field is reduced from the region (V) and is reversed to be zero and returned to the region (■), the resistance becomes the region (V), the region (IV), the region (III), and the region (VI). , Changes to the region (I). The region (II) and the region (VI) are regions where so-called hysteresis is obtained. Here, the magnetic field in the region (VI) is −H ₂ And Magnetic field H where hysteresis occurs ₁ And -H ₂ Are approximately equal.
[0027]
Here, when the external magnetic field is applied, the magnetoresistance change rate is
Magnetoresistance change rate = (maximum resistance-minimum resistance) / minimum resistance (%)
The larger the value, the more desirable the magnetoresistance change rate.
Thereby, as shown in FIG. 3, the spin filter effect element 1 of the present invention has a magnetic field from zero to ± H. ₁ By applying an extremely slightly larger magnetic field, that is, a lower magnetic field, a large magnetoresistance change rate can be obtained.
[0028]
According to the spin filter effect element of the present invention, a high magnetoresistance change rate can be obtained at room temperature by the spinel ferrite 12 having a high Curie point higher than room temperature and the ferromagnetic electrode of the second electrode 13.
Further, when the second electrode of the spin filter effect element of the present invention is a spin valve electrode, a higher magnetoresistance ratio can be obtained.
[0029]
Next, an embodiment of a magnetic device using the spin filter effect element of the present invention will be described.
As shown in FIG. 3, a large resistance change between the region (I) and the region (III), that is, a large magnetoresistance change rate is obtained.
Since the spin filter effect element 1 of the present invention has a large rate of change in magnetoresistance at room temperature and in a low magnetic field, a highly sensitive magnetic device can be obtained when used as a magnetoresistance sensor.
Further, since the spin filter effect element 1 of the present invention has a large magnetoresistance change rate at room temperature and in a low magnetic field, it is possible to constitute a highly sensitive magnetic device for reading, a so-called magnetic head.
Further, the magnetic layer of the second ferromagnetic electrode constituting the spin filter effect element is formed by arranging the spin filter effect element of the present invention in a matrix and applying an external magnetic field by applying a current to a separately provided wiring. By controlling them to be parallel and antiparallel to each other, a state where the resistance is high and a state where the resistance is low can be maintained, that is, recorded.
By recording this as 1, 0, a magnetic device such as an MRAM can be configured.
[0030]
Next, examples of the spin filter effect element of the present invention will be described.
(Example 1)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of Example 1 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, a spin filter effect element 1 according to the present invention has a non-magnetic first electrode 11 disposed on a MgO (100) substrate 20, for example, and a high-resistance spinel ferrite 12 on the first electrode 11. And a ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is disposed on the thin film of the spinel ferrite 12 having a high resistance. Here, the above structure is such that TiN is 10 nm as a nonmagnetic first electrode 11 and CoFe is used as a spinel ferrite 12 to be a ferromagnetic tunnel insulating layer on a MgO (100) substrate 20 by a high frequency sputtering method. ₂ O ₄ Is 3 nm, and the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is made of Co. ₉ This is a multilayer film formed by depositing Fe by 5 nm each.
During film formation, a magnetic field of 100 Oe (Oe: Oersted) was applied to introduce uniaxial anisotropy in the film plane. In addition, CoFe ₂ O ₄ When forming the film 13A, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0031]
FIG. 5 is a plan view showing a pattern for measuring four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the figure, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0032]
Here, as a result of measuring the magnetoresistance using the four-terminal method, Co ₉ A magnetoresistive effect curve associated with the spin reversal of the Fe film 12 was obtained, and its magnitude showed a very large value of about 120% at room temperature. This is a ferromagnetic CoFe ₂ O ₄ This is probably because the spin splitting of the film 12 was very large and exhibited a half-metal-like behavior. Note that CoFe ₂ O ₄ The resistivity of 12 single thin films is 10 ⁴ Ω · cm or more.
[0033]
(Example 2)
FIG. 6 is a sectional view showing a configuration of Example 2 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, a spin filter effect element 1 of the present invention has a non-magnetic first electrode 11 disposed on an MgO (100) substrate 20 and a high-resistance spinel ferrite 12 on the first electrode 11. And a ferromagnetic layer 13A and an antiferromagnetic material layer 13B to be the second electrode 13 are disposed on the thin film of the high-resistance spinel ferrite 12.
Here, the above structure has a structure in which a nonmagnetic first electrode 11 is made of 10 nm of TiN, and a spinel ferrite film 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer is formed of Mn on a MgO (100) substrate 20 by MBE. _0.25 Fe _2.75 O ₄ Is 3 nm, and the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is made of Co. ₉ This is a multilayer film formed by sequentially depositing 5 nm of Fe and 5 nm of IrMn as the antiferromagnetic layer 13B. The IrMn layer 13B is an antiferromagnetic material, and is a spinel ferrite film 12 of Mn. _0.25 Fe _2.75 O ₄ The role of fixing the spin. Note that Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ When forming the film 12, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0034]
FIG. 5 is a plan view showing a pattern for measuring four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the figure, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0035]
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, as a result of measuring the magnetoresistance using the four-terminal method, _0.25 Fe _2.75 O ₄ A magnetoresistive effect curve associated with the spin reversal of the film 12 was obtained, and the magnitude showed a very large value of about 180% at room temperature. This is the ferromagnetic Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ This is probably because the spin splitting of the film 12 was very large and exhibited a half-metal-like behavior. Note that Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ The resistivity of the single thin film of the film 12 was about 100 Ω · cm.
[0036]
(Example 3)
The configuration of Example 3 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention is the same as that of Example 2 described above.
The spinel ferrite film 12 according to the third embodiment is made of the Mn according to the second embodiment. _0.25 Fe _2.75 O ₄ The film 12 is made of MnFe ₂ O ₄ The film 12 has been changed. The configuration of each of the other layers is the same as that of the second embodiment.
Here, the above structure is such that TiN is 10 nm as a nonmagnetic first electrode 11 and MnFe is used as a spinel ferrite 12 to be a ferromagnetic tunnel insulating layer on a MgO (100) substrate 20 by a high frequency sputtering method. ₂ O ₄ Is 3 nm, and the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is made of Co. ₉ This is a multilayer film formed by sequentially depositing 5 nm of Fe and 5 nm of IrMn as the antiferromagnetic layer 13B. The IrMn film 13B is an antiferromagnetic material, and MnFe ₂ O ₄ It serves to fix the spin of the film 12. Further, a uniaxial anisotropy was introduced into the film surface by applying a magnetic field of 100 Oe during film formation. MnFe ₂ O ₄ When forming the film 12, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0037]
This embodiment is also described with reference to a plan view showing a pattern for measuring four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element in FIG. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the figure, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0038]
Here, as a result of measuring the magnetoresistance using the four-terminal method, MnFe ₂ O ₄ A magnetoresistive effect curve associated with the spin reversal of the film 12 was obtained, and the magnitude showed a very large value of about 130% at room temperature. This is MnFe ₂ O ₄ This is probably because the spin splitting of the film 12 was very large and exhibited a half-metal-like behavior. Note that MnFe ₂ O ₄ The resistivity of a single thin film of the film 12 is 10 ⁴ Ω · cm or more.
[0039]
(Example 4)
FIG. 7 is a sectional view showing the configuration of Example 4 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the spin filter element of the present invention has a spin filter element 1 formed on a thermally oxidized Si substrate 21. The surface of the Si substrate 21 was thermally oxidized to form an oxide film 21B. A non-magnetic first electrode 11 is disposed on the substrate 21, a high-resistance spinel ferrite thin film is disposed on the first electrode 11, and a second high-resistance spinel ferrite thin film is disposed on the high-resistance spinel ferrite thin film. A ferromagnetic layer 13A serving as the electrode 13, an antiferromagnetic layer 13B, and an electrode layer 13C serving as a protective film are disposed.
Here, the above structure is such that Al is 10 nm as a nonmagnetic first electrode 11 and Zn is used as a spinel ferrite 12 to be a ferromagnetic tunnel insulating layer on a thermally oxidized Si substrate 21 by a high frequency sputtering method. _0.35 Fe _2.65 O ₄ Is 5 nm, and the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is made of Co. ₉ This is a multilayer film formed by sequentially depositing 10 nm of Fe, 5 nm of IrMn as the antiferromagnetic layer 13B, and 5 nm of Al of the nonmagnetic layer to be the protection layer 13C. The IrMn film 13B is an antiferromagnetic material, and the CoM of the ferromagnetic layer 13A is ₉ It serves to fix the spin of Fe13. In addition, a uniaxial anisotropy was introduced in the film plane by applying a magnetic field of 100 Oe during film formation. Also, Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ When forming the film 12, the substrate 21 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0040]
This will be described below with reference to FIG. 5 showing a pattern for measuring four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the figure, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0041]
The magnetoresistance of this device was measured at room temperature using the four-terminal method. _0.35 Fe _2.65 O ₄ A magnetoresistive effect curve associated with the spin reversal of the film 12 was obtained, and the magnitude was as large as about 140%. This is because Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ This is probably because the film 12 was ferromagnetic, had a very large spin splitting, and exhibited half-metal-like behavior. Note that Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ The resistivity of the single thin film 12 was about 10 Ω · cm.
Further, the spin filter effect element 1 of the present invention has a simple structure, and has a very large magnetoresistance change rate at room temperature. Therefore, as a storage element of a nonvolatile magnetic memory such as an MRAM, even if the element size is reduced, A sufficiently large current can be obtained.
[0042]
(Example 5)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of Example 5 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The structure of the spin filter element 1 in the fifth embodiment is that an insulating film 16 is further inserted on the spinel ferrite 12 in the fourth embodiment. The insulating film 16 is used to weaken magnetic coupling between the spinel ferrite 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer and the ferromagnetic layer 13A.
As shown in the figure, the spin filter element of the present invention has a spin filter element 1 formed on a thermally oxidized Si substrate 21. The surface of the Si substrate 21 was thermally oxidized to form an oxide film 21B. A non-magnetic first electrode 11 is disposed on the substrate 20, a high-resistance spinel ferrite 12 thin film is disposed on the first electrode 11, and an insulating film is further disposed on the high-resistance spinel ferrite 12 thin film. A ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13, an antiferromagnetic layer 13B, and an electrode layer 13C serving as a protective film are disposed.
[0043]
Here, the above-mentioned structure is such that, using a magnetron sputtering method, 5 nm of Al is used as a non-magnetic first electrode 11 and Zn is used as a spinel ferrite 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer on a thermally oxidized Si substrate 21. _0.2 Fe _2.8 O ₄ Is 10 nm and the insulating film Al ₂ O ₃ 16 is 2 nm, and the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is Co. ₉ This is a multilayer film formed by sequentially depositing 5 nm of Fe, 5 nm of IrMn as the antiferromagnetic layer 13B, and 5 nm of Al of the nonmagnetic layer to be the protection layer 13C.
[0044]
IrMn13B is an antiferromagnetic material and has a ferromagnetic layer Co ₉ It serves to fix the spin of Fe13A. Al ₂ O ₃ Reference numeral 16 denotes an insulating film, which is a spinel ferrite Zn serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer. _0.2 Fe _2.8 O ₄ The film 12 and the ferromagnetic layer 13A of Co ₉ It was used to weaken the magnetic coupling with Fe. Further, a uniaxial anisotropy was introduced into the film surface by applying a magnetic field of 100 Oe during film formation. Zn _0.2 Fe _2.8 O ₄ When forming the film 12, the substrate 21 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0045]
FIG. 5 is a plan view showing a pattern for measuring four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the figure, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0046]
Here, when the magnetoresistance was measured using the four-terminal method, a TMR of about 85% was observed at room temperature with a small external magnetic field of 20 Oe. This value is much larger than the conventional TMR and Zn _0.2 Fe _2.8 O ₄ This means that the spin splitting of the film 12 is very large, which indicates that it is a half metal.
[0047]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that they are also included in the scope of the present invention. . For example, in the above-described embodiment, an example in which Zn or Mn is used as the metal M has been described. However, the metal M is not limited to this, but can be applied to Co or the like. Also, the magnetic device using the spin filter effect element of the present invention has been described for a magnetoresistive sensor, an MRAM, and a magnetic head, but it goes without saying that the magnetic device can be applied to other magnetic devices.
[0048]
【The invention's effect】
As understood from the above description, according to the spin filter effect element of the present invention, a very large tunnel magnetoresistance can be obtained at room temperature and a low external magnetic field, and a novel spin filter effect element Can be provided.
Further, the spin filter effect element of the present invention has a simple structure and can obtain a very large tunnel magnetoresistance at room temperature, so that it can be made much smaller than a conventional magnetoresistance effect element.
[0049]
Further, the spin filter effect element can provide a novel magnetic device when used in a magnetic device. If this spin filter effect element is used for a magnetic device, a high-sensitivity magnetic head and an MRAM with a large signal voltage can be realized, and various high-sensitivity magnetic field sensors can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a spin filter effect element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing energy levels for explaining the operation of the spin filter effect element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating resistance when an external magnetic field is applied to the spin filter effect element of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of Example 1 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a pattern of four-terminal magnetoresistance measurement of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 2 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 4 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 5 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Spin filter effect element
11. Non-magnetic electrode as the first electrode
12. High resistance spinel ferrite
13 Second electrode
13A Ferromagnetic layer
13B Antiferromagnetic layer
13 Protective film
14 DC power supply
15 External magnetic field
16 Insulating film
20 ZnO substrate
21 Thermally oxidized Si substrate
21A Si substrate
21B Si oxide film

Claims

A first electrode composed of a nonmagnetic layer, a second electrode composed of a ferromagnetic layer, and a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film excluding magnetite inserted between the electrodes;
A spin filter effect element, wherein the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film acts as a tunnel barrier for electrons.

In the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film, part of Fe is replaced by Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li, and a mixture thereof, and the specific resistance is 1 Ω · cm or more. The spin filter effect element according to claim 1, wherein:

The high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film,
Composition formula _{_{_{M X Fe 3-X O 4}}} (M is, Zn, Mn, Co, Ni , Cu, Mg, any one of Li, and, 0 <x <3), characterized in that it is written in The spin filter effect element according to claim 2.

4. The spin filter effect element according to claim 1, wherein the ferromagnetic layer of the second electrode has a spin valve structure in contact with an antiferromagnetic layer.

The spin filter effect element according to claim 1, wherein the second electrode is covered with a nonmagnetic metal serving as a protective film.

6. An insulator which acts as a tunnel barrier is further inserted between the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film and the ferromagnetic layer serving as the second electrode. The spin filter effect element according to any one of the above.

The spin filter effect element according to claim 1, wherein the spin filter effect element is formed on a substrate.

A magnetic device comprising the spin filter effect element according to claim 1.