JP2010229477A - ホイスラー合金材料、磁気抵抗素子および磁気デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】高スピン分極率かつ低磁気異方性を有することで、高磁界感度な磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能なホイスラー合金材料、そのホイスラー合金材料を用いた磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供する。
【解決手段】ホイスラー合金材料は、Co2(FexMn1-x)Si合金(x=0.1〜0.9)の組成比を有している。酸化マグネシウムまたはクロムから成る下地層を介して形成された後、熱処理プロセスを施して形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、磁気センサー等の磁気デバイスに使われる磁気抵抗素子の磁化自由層あるいは磁化固定層に用いることが出来るホイスラー合金材料、その材料を用いた磁気抵抗素子および磁気デバイスに関するものである。
二つの磁性体の磁化の相対角度によって抵抗値が変化する磁気抵抗素子を、微弱な磁場の検出を可能にする磁気センサーに応用することは、スピントロニクス分野における大きな目標の一つである。
磁気センサーの出力性能は、(磁気抵抗(MR)比/自由層の異方性磁界の2倍(2Hk))で表される。従って、センサー出力を向上させるためには、MR比を大きくするための高スピン分極率と、Hkを小さくするための低磁気異方性とを兼ね備えた磁性材料が不可欠である。
スピン分極率が大きい磁性材料として、ハーフメタル材料に非常に大きな期待が集まっている。ハーフメタルとは、フェルミエネルギー近傍において片方のスピンバンドのみにエネルギーギャップを有する特殊な磁性材料であり、完全にスピン分極した伝導電子を具える。
室温で実用に供するのに十分なキュリー温度を有するハーフメタル材料として、ホイスラー合金が有望であり、これまでに、Co2MnSi組成のホイスラー合金を用いた磁気抵抗素子において、巨大なMR比が観測されている(例えば、特許文献1、2、3、または非特許文献1参照)。
しかし、従来のCo2MnSi組成のホイスラー合金は、異方性磁界が数十Oe以上と大きく、センサー応用の磁気抵抗素子には不向きであった。従って、高スピン分極率を維持しつつ、磁気異方性の小さいホイスラー合金が切望されている。
特開2007−300025号公報 特開2008−218640号公報 特開2008−218641号公報
S.Tsunegi, Y. Sakuraba, M. Oogane, K. Takanashi, Y. Ando, "Large tunnelmagnetoresistance in magnetic tunnel junctions using a Co2MnSiHeusler alloy electrode and a MgO barrier", Appl. Phys. Lett., 2008年, 93, p.112506
本発明の目的は、高スピン分極率かつ低磁気異方性を有することで、高磁界感度な磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能なホイスラー合金材料、そのホイスラー合金材料を用いた磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供することにある。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、高スピン分極率と低磁気異方性を兼備するホイスラー合金材料、および、そのホイスラー合金材料を用いた磁気抵抗素子を作製することに成功した。本発明に係るホイスラー合金材料は、Co2(FexMn1-x)Si合金(x=0.1〜0.9)の組成比を有することを特徴とする。
本発明に係る、ホイスラー合金材料は熱処理プロセスを経ていることが好ましい。
本発明に係る、ホイスラー合金材料は所定の下地層を介して形成されていることが好ましい。また、前記下地層は酸化マグネシウムまたはクロムから成ることが好ましい。
本発明に係る磁気抵抗素子は、強磁性金属磁化固定層/中間層/強磁性金属磁化自由層から成り、前記磁化固定層と前記磁化自由層との磁化の相対角度により抵抗が変化し、本発明に係るホイスラー合金材料を前記磁化自由層および前記磁化固定層の少なくとも一方に用いたことを特徴とする。また、本発明に係る磁気抵抗素子は、前記中間層として酸化アルミニウム、または、酸化マグネシウムを用い、前記磁化自由層あるいは前記磁化固定層として本発明に係るホイスラー合金材料を用いたトンネル磁気抵抗素子から成ることが好ましい。
本発明に係る磁気デバイスは、本発明に係る磁気抵抗素子を用いることを特徴とする。
したがって、本発明に係るホイスラー合金材料を、磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に用いることで、高MR比および低Hkを呈する高磁界感度磁気抵抗素子を実現できる。また、この磁気抵抗素子は、例えば磁気センサーなどの磁気デバイスに使用することができる。
本発明によれば、高スピン分極率かつ低磁気異方性を有することで、高磁界感度な磁気抵抗素子の磁化自由層または磁化固定層に適用可能なホイスラー合金材料、そのホイスラー合金材料を用いた磁気抵抗素子および磁気デバイスを提供することができる。
本発明の実施の形態のCo2(FexMn1-x)Siホイスラー合金材料を示す模式断面図である。 図1に示すホイスラー合金材料を使用した、MgO(10nm)/Co2(FexMn1-x)Siホイスラー合金材料(30nm)/Ta(5nm)試料の異方性磁界(Hk)の組成依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態のCo2(FexMn1-x)Siホイスラー合金材料を用いた磁気抵抗素子を示す模式断面図である。 図3に示すホイスラー合金材料を使用した、Cr(40nm)/Co2(FexMn1-x)Siホイスラー合金材料(30nm)/Al-O(1.3nm)/CoFe(10nm)磁気抵抗素子のMR比の組成依存性を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図1に示すように、超高真空スパッタ法により下地層/Co2(FeMn1-x)Siホイスラー合金材料/保護層の試料を作製した。なお、図1に示す一例では、下地層は酸化マグネシウム(MgO)から成っている。
図2に、下地層としてMgO(10nm)を用い、保護層にTa(5nm)を用いたCo2(FexMn1-x)Siホイスラー合金材料の異方性磁界の組成x依存性を示す。なお、作製したホイスラー合金は500℃以下の温度で熱処理プロセスを施している。
図2から、x=0.1以上の組成領域ではHkの値が15 Oe以下と小さくなっており、低磁気異方性を呈するホイスラー合金として好ましい態様であることが分かる。
図3に示すように、超高真空スパッタ法により下地層/Co2(FeMn1-x)Siホイスラー合金材料/絶縁層/上部強磁性材料の磁気抵抗素子を作製した。
図4に、下地層にCr、絶縁層にAl-O、上部強磁性材料にCoFeを用いた、Cr(40nm)/Co2(FexMn1-x)Si(30nm)/Al-O(1.3nm)/CoFe(10nm)磁気抵抗素子のMR比の組成x依存性を示す。
図4から、x=0.0〜0.9の領域ではMR比が大きいことが分かる。MR比は、MR比=2PCFMSPCoFe/(1−PCFMSPCoFe)(PCFMS、PCoFeはそれぞれCo2FexMn1-xSiおよびCoFeのスピン分極率)の関係にあることから、Co2FexMn1-xSiはx=0.0〜0.9の組成領域で高スピン分極率を呈するホイスラー合金として好ましい態様であることが分かる。
図2および図4から、Co2FexMn1-xSiはx=0.1〜0.9の組成領域において、低異方性磁界と高スピン分極率とを兼ね備えており、高磁界感度磁気抵抗素子を実現するための最良の態様であることが分かる。
以上、発明の実施の形態に則して本発明を説明してきたが、本発明の内容は上記に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更か可能である。

Claims (7)

  1. Co2(FexMn1-x)Si合金(x=0.1〜0.9)の組成比を有することを、特徴とするホイスラー合金材料。
  2. 熱処理プロセスを経ていることを、特徴とする請求項1記載のホイスラー合金材料。
  3. 所定の下地層を介して形成されていることを、特徴とする請求項1または2記載のホイスラー合金材料。
  4. 前記下地層は酸化マグネシウムまたはクロムから成ることを、特徴とする請求項1、2または3記載のホイスラー合金材料。
  5. 強磁性金属磁化固定層/中間層/強磁性金属磁化自由層から成り、前記磁化固定層と前記磁化自由層との磁化の相対角度により抵抗が変化する磁気抵抗素子において、
    請求項1、2、3または4記載のホイスラー合金材料を、前記磁化自由層および前記磁化固定層の少なくとも一方に用いたことを、
    特徴とする磁気抵抗素子。
  6. 前記中間層として酸化アルミニウム、または、酸化マグネシウムを用い、前記磁化自由層あるいは前記磁化固定層として請求項1、2、3または4に記載のホイスラー合金材料を用いたトンネル磁気抵抗素子から成ることを、特徴とする請求項5記載の磁気抵抗素子。
  7. 請求項5または6に記載の磁気抵抗素子を用いることを、特徴とする磁気デバイス。

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