JP2017191841A - Magnetic sensor element and magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気センサ素子及び磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor element and a magnetic sensor.
磁気抵抗効果素子として、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（GMR:Giant Magneto Resistive）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（TMR:Tunnel Magneto Resistive）素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層との磁化の相対角に応じた抵抗値変化を利用した素子である。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ素子、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（MRAM:Magnetoresistive Randam Access Memory）素子等の種々の素子に用いられている。 Giant Magneto Resistive (GMR) element consisting of a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer as a magnetoresistive effect element, and a tunnel using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as a nonmagnetic layer A magnetoresistive (TMR: Tunnel Magneto Resistive) element is known. The magnetoresistive effect element is an element using a change in resistance value according to the relative angle of magnetization between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. Magnetoresistive elements are used in various elements such as magnetic sensor elements, high-frequency components, magnetic heads, and non-volatile random access memory (MRAM) elements.
磁気抵抗効果素子の一つとして、磁化自由層の磁化の振動を利用したスピントルク発振素子が知られている。スピントルク発振素子は、磁化固定層と、非磁性層と、磁化自由層とが順に積層された構造を有する。スピントルク発振素子の積層方向に電流を流すと磁化自由層の磁化が定常な振動状態を示す。磁化自由層の磁化の振動を利用して、ＧＨｚ帯域の電磁波を発振するマイクロ波発振素子への応用や、磁気センサ素子への応用が進められている。 As one of magnetoresistive effect elements, a spin torque oscillation element using vibration of magnetization of a magnetization free layer is known. The spin torque oscillation element has a structure in which a magnetization fixed layer, a nonmagnetic layer, and a magnetization free layer are sequentially stacked. When a current is passed in the stacking direction of the spin torque oscillation element, the magnetization of the magnetization free layer shows a steady oscillation state. Applications to microwave oscillation elements that oscillate electromagnetic waves in the GHz band using the vibration of magnetization of the magnetization free layer and applications to magnetic sensor elements are being promoted.
例えば、特許文献１には、スピントルク発振素子を磁気センサ素子として用いた磁気ヘッドが記載されている。磁化自由層の磁化振動の振幅や周波数が、磁気センサ素子に作用する外部磁場に依存することを利用して、磁気記録媒体からの外部磁場による磁化振動の振幅、周波数又は位相の変化等を検出している。 For example, Patent Document 1 describes a magnetic head using a spin torque oscillation element as a magnetic sensor element. Utilizing the fact that the amplitude and frequency of the magnetization vibration of the magnetization free layer depend on the external magnetic field acting on the magnetic sensor element, detects changes in the amplitude, frequency, or phase of the magnetization vibration due to the external magnetic field from the magnetic recording medium doing.
しかしながら、特許文献１に記載された磁気センサ素子は大きな磁場変化を検出することはできるが、ＳＱＵＩＤ（Superconducting Quantum Interference Device）により検出されるフェムトテスラ（１０−１５Ｔ）レベルの微弱な磁場変化を検出することはできない。 However, although the magnetic sensor element described in Patent Document 1 can detect a large magnetic field change, it can detect a weak magnetic field change at a femtotesla (10 −15 T) level detected by a SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). It cannot be detected.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、微弱な磁場変化を検出できる磁気センサ素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a magnetic sensor element capable of detecting a weak magnetic field change.
本発明者らは、磁化自由層にホイスラー合金を用いることで大きな磁気抵抗効果を実現し、磁化自由層がボルテックス磁気構造を形成することで、微弱な磁場変化を検出できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
The present inventors have realized that a large magnetoresistance effect can be realized by using a Heusler alloy for the magnetization free layer, and that a weak magnetic field change can be detected by forming a vortex magnetic structure in the magnetization free layer. Completed.
That is, this invention provides the following means in order to solve the said subject.
（１）本発明の一態様にかかる磁気センサ素子は、一軸磁気異方性を有する磁化固定層と、前記磁化固定層の一面に積層された非磁性層と、前記非磁性層の前記磁化固定層と反対側の面に積層された磁化自由層と、を備え、前記磁化自由層は、ホイスラー合金を含み、駆動時にボルテックス磁気構造を形成する。 (1) A magnetic sensor element according to one aspect of the present invention includes a magnetization fixed layer having uniaxial magnetic anisotropy, a nonmagnetic layer stacked on one surface of the magnetization fixed layer, and the magnetization fixed of the nonmagnetic layer. A magnetization free layer stacked on a surface opposite to the layer, the magnetization free layer including a Heusler alloy and forming a vortex magnetic structure when driven.
（２）上記（１）に記載の磁気センサ素子において、前記磁化自由層の保磁力は、２０Ｏｅ以下である構成でもよい。 (2) In the magnetic sensor element according to the above (1), the coercive force of the magnetization free layer may be 20 Oe or less.
（３）上記（１）又は（２）のいずれかに記載の磁気センサ素子において、前記磁化自由層の磁化と前記磁化固定層の磁化による磁気抵抗効果のＭＲ比は、１０％以上である構成でもよい。 (3) In the magnetic sensor element according to any one of (1) and (2) above, the MR ratio of the magnetoresistive effect due to the magnetization of the magnetization free layer and the magnetization of the magnetization fixed layer is 10% or more But you can.
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一つに記載の磁気センサ素子において、前記ホイスラー合金は、Ｃｏ２（ＦｅｘＭｎ１−ｘ）Ｓｉ（０≦ｘ≦１）合金でもよい。 (4) In the magnetic sensor element according to any one of the above (1) to (3), the Heusler alloy, Co 2 (Fe x Mn 1 -x) Si (0 ≦ x ≦ 1) or an alloy .
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載の磁気センサ素子において、前記磁化自由層の厚みは、１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。 (5) In the magnetic sensor element according to any one of (1) to (4), the thickness of the magnetization free layer may be not less than 15 nm and not more than 50 nm.
（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の磁気センサ素子において、前記磁化自由層を積層方向から平面視した形状が、円形であってもよい。 (6) In the magnetic sensor element according to any one of (1) to (5), the shape of the magnetization free layer viewed in plan from the stacking direction may be a circle.
（７）上記（６）に記載の磁気センサ素子において、前記磁化自由層を積層方向から平面視した面の径は、１０μｍ以下であってもよい。 (7) In the magnetic sensor element according to (6) above, a diameter of a surface of the magnetization free layer when viewed in plan from the stacking direction may be 10 μm or less.
（８）上記（１）〜（７）のいずれか一つに記載の磁気センサ素子において、前記非磁性層が非磁性金属層であってもよい。 (8) In the magnetic sensor element according to any one of (1) to (7), the nonmagnetic layer may be a nonmagnetic metal layer.
（９）本発明の一態様にかかる磁気センサは、上記（１）〜（８）のいずれか一つに記載の磁気センサ素子と、前記磁気センサ素子の積層方向に電流を印加する電流源と、前記磁気センサ素子における電圧変化を出力する出力手段と、を備える。 (9) A magnetic sensor according to an aspect of the present invention includes a magnetic sensor element according to any one of (1) to (8), a current source that applies a current in a stacking direction of the magnetic sensor element, and Output means for outputting a voltage change in the magnetic sensor element.
本発明の一態様に係る磁気センサ素子によれば、磁化自由層がボルテックス磁気構造を形成し、磁化自由層の有効磁場が安定化するため、微弱な磁場変化も検出できる。 According to the magnetic sensor element of one embodiment of the present invention, since the magnetization free layer forms a vortex magnetic structure and the effective magnetic field of the magnetization free layer is stabilized, a weak magnetic field change can be detected.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention.
図１は、本発明の一態様にかかる磁気センサ１００の模式図である。
図１に示すように、磁気センサ１００は、磁気センサ素子１０と、電流源２０と、出力手段３０とを備える。磁気センサ１００は、電流源２０から供給された電流により生じる磁気センサ素子１０の抵抗値変化を電圧として読出し、読出した電圧を出力手段３０で外部に出力する。
FIG. 1 is a schematic diagram of a magnetic sensor 100 according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the magnetic sensor 100 includes a magnetic sensor element 10, a current source 20, and output means 30. The magnetic sensor 100 reads a change in resistance value of the magnetic sensor element 10 caused by the current supplied from the current source 20 as a voltage, and outputs the read voltage to the outside by the output means 30.
（磁気センサ素子）
磁気センサ素子１０は、磁化固定層１と、非磁性層２と、磁化自由層３とを備える。以下、磁化固定層１、非磁性層２及び磁化自由層３が積層されている方向を積層方向といい、磁化固定層１に対して非磁性層２側を「上」、非磁性層２と反対側を「下」ということがある。また、積層方向に対して垂直な面の延在方向を面内方向ということがある。
図１において、磁化固定層１の下側には下地層４が設けられ、磁化自由層３の上側には、キャップ層５が設けられている。
(Magnetic sensor element)
The magnetic sensor element 10 includes a magnetization fixed layer 1, a nonmagnetic layer 2, and a magnetization free layer 3. Hereinafter, the direction in which the magnetization pinned layer 1, the nonmagnetic layer 2, and the magnetization free layer 3 are laminated is referred to as a lamination direction, and the nonmagnetic layer 2 side is “up” with respect to the magnetization pinned layer 1. The other side is sometimes called “down”. Further, the extending direction of the surface perpendicular to the stacking direction may be referred to as an in-plane direction.
In FIG. 1, a base layer 4 is provided below the magnetization fixed layer 1, and a cap layer 5 is provided above the magnetization free layer 3.
磁化固定層１は、一軸方向に磁気異方性を有する強磁性体である。磁化固定層１の磁化の向きは面内方向のいずれかの方向に固定されている。 The magnetization fixed layer 1 is a ferromagnetic material having magnetic anisotropy in a uniaxial direction. The magnetization direction of the magnetization fixed layer 1 is fixed in any one of the in-plane directions.
磁化固定層１に用いる材料には、積層した際に一軸磁気異方性を有する公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金、又は、これらの金属とＢ、Ｃ及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。 As the material used for the magnetization fixed layer 1, a known material having uniaxial magnetic anisotropy when laminated can be used. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, an alloy containing one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism, or at least one or more of these metals and B, C and N An alloy containing these elements can be used. Specifically, Co-Fe and Co-Fe-B are mentioned.
この他に磁化固定層１には、スピン分極率の高い材料として、Ｃｏ２ＦｅＳｉなどのホイスラー合金を用いることができる。磁化固定層１にスピン分極率の高い材料を用いると、磁気センサ１００の出力電圧をより大きくすることができる。
図２は、ホイスラー合金の結晶構造を模式的に示した図である。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素又は貴金属元素である。Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ又はＴｉ族の遷移金属であり、Ｘとして記載の元素種を選択することもできる。Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２（ＦｅｘＭｎ１−ｘ）Ｓｉ（０≦ｘ≦１）などが挙げられる。
In addition, a Heusler alloy such as Co 2 FeSi can be used for the magnetization fixed layer 1 as a material having a high spin polarizability. When a material having a high spin polarizability is used for the magnetization fixed layer 1, the output voltage of the magnetic sensor 100 can be further increased.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the crystal structure of the Heusler alloy. The Heusler alloy includes an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ. X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, Cu group on the periodic table. Y is a transition metal of Mn, V, Cr or Ti group, and the element species described as X can also be selected. Z is a typical element from Group III to Group V. For example, Co 2 (Fe x Mn 1 -x) Si (0 ≦ x ≦ 1) , and the like.
非磁性層２は、磁化固定層１上に積層される。
非磁性層２を構成する材料は、金属でも、絶縁体でもよい。非磁性層２が金属の場合、磁気センサ素子１０は一般にＧＭＲ素子と呼ばれる。非磁性層２が絶縁体の場合、磁気センサ素子１０は一般にＴＭＲ素子と呼ばれる。
The nonmagnetic layer 2 is laminated on the magnetization fixed layer 1.
The material constituting the nonmagnetic layer 2 may be a metal or an insulator. When the nonmagnetic layer 2 is a metal, the magnetic sensor element 10 is generally called a GMR element. When the nonmagnetic layer 2 is an insulator, the magnetic sensor element 10 is generally called a TMR element.
非磁性層２が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
また、非磁性層２が絶縁体（トンネルバリア層）からなる場合、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ又はＭｇＡｌ２Ｏ４を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。
When the nonmagnetic layer 2 is made of a metal, Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.
Further, when the nonmagnetic layer 2 is made of an insulator (tunnel barrier layer), Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, or MgAl 2 O 4 can be used as the material thereof. In addition to these, materials in which a part of Al, Si, Mg is substituted with Zn, Be, or the like can also be used.
非磁性層２には、上述のように非磁性金属層及び非磁性絶縁層のいずれも選択することができるが、非磁性金属層であることが好ましい。非磁性層２を非磁性金属層とすることで、磁気センサ素子１０の積層方向に電流を印加した際にショットノイズの発生を抑制することができる。また使用態様時に磁気センサ素子１０には電流を印加し続けるが、非磁性層２を非磁性金属層とすることで、非磁性層２が絶縁破壊する等の問題を避けることができる。 As the nonmagnetic layer 2, any of a nonmagnetic metal layer and a nonmagnetic insulating layer can be selected as described above, but a nonmagnetic metal layer is preferable. By making the nonmagnetic layer 2 a nonmagnetic metal layer, it is possible to suppress the occurrence of shot noise when a current is applied in the stacking direction of the magnetic sensor element 10. In addition, although a current is continuously applied to the magnetic sensor element 10 during use, problems such as dielectric breakdown of the nonmagnetic layer 2 can be avoided by using the nonmagnetic layer 2 as a nonmagnetic metal layer.
磁化自由層３は、非磁性層２上に積層される。磁化自由層３は円柱状に加工され、積層方向から平面視した面の形状は円形である。ここで「円形」は真円に限られず、楕円等でもよい。磁化自由層３は駆動時にボルテックス磁気構造を形成する。 The magnetization free layer 3 is stacked on the nonmagnetic layer 2. The magnetization free layer 3 is processed into a cylindrical shape, and the shape of the surface viewed in plan from the stacking direction is circular. Here, the “circular” is not limited to a perfect circle but may be an ellipse or the like. The magnetization free layer 3 forms a vortex magnetic structure when driven.
図３は、本発明の一態様にかかる磁気センサ素子１０の磁化自由層３におけるボルテックス磁気構造を模式的に示した平面図である。磁気センサ１００の使用時において磁気センサ素子１０の積層方向に電流が印加され、磁気センサ素子１０に外部磁場が印加されると、磁化自由層３内にボルテックス磁気構造が形成される。 FIG. 3 is a plan view schematically showing a vortex magnetic structure in the magnetization free layer 3 of the magnetic sensor element 10 according to one embodiment of the present invention. When the magnetic sensor 100 is used, when a current is applied in the stacking direction of the magnetic sensor element 10 and an external magnetic field is applied to the magnetic sensor element 10, a vortex magnetic structure is formed in the magnetization free layer 3.
ボルテックス磁気構造は、図３に示すように、コア領域３Ａと、ボルテックス領域３Ｂからなる。 As shown in FIG. 3, the vortex magnetic structure includes a core region 3A and a vortex region 3B.
コア領域３Ａにおけるスピンは、磁化自由層３の積層方向に配向している。コア領域３Ａは、磁化自由層３を積層方向から平面視した面の中心Ｃ（以下、単に「中心」ということがある）を基準に円を描くように、面内方向に移動する。図３において、時間経過とともにコア領域３Ａが移動する軌跡を点線で図示している。 The spin in the core region 3 </ b> A is oriented in the stacking direction of the magnetization free layer 3. The core region 3A moves in an in-plane direction so as to draw a circle with reference to a center C (hereinafter sometimes simply referred to as “center”) of a surface when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction. In FIG. 3, the trajectory along which the core region 3 </ b> A moves with the passage of time is illustrated by a dotted line.
ボルテックス領域３Ｂにおけるスピンは、磁化自由層３の面内方向にコア領域３Ａを取り囲み、コア領域３Ａのスピンを軸に渦を巻いている。 The spin in the vortex region 3B surrounds the core region 3A in the in-plane direction of the magnetization free layer 3 and vortexes around the spin of the core region 3A.
磁化自由層３の形状は、安定的なボルテックス磁気構造の形成に寄与する。具体的には、磁化自由層３の厚みと磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径とは、安定的なボルテックス磁気構造の形成に影響を与える。 The shape of the magnetization free layer 3 contributes to the formation of a stable vortex magnetic structure. Specifically, the thickness of the magnetization free layer 3 and the diameter of the plane when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction affect the formation of a stable vortex magnetic structure.
図４は、磁化自由層３にＣｏ２（Ｆｅ０．４Ｍｎ０．６）Ｓｉ合金を用い、磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径と、磁化自由層３の厚みを変化させた際におけるボルテックス磁気構造を形成する領域を示したグラフである。図４において、横軸は磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径であり、縦軸は磁化自由層３の厚みである。また点線より図示左上の領域はボルテックス磁気構造が容易に形成された領域であり、点線より図示右下の領域はボルテックス磁気構造が形成するのが困難な領域である。 In FIG. 4, a Co 2 (Fe 0.4 Mn 0.6 ) Si alloy is used for the magnetization free layer 3, and the diameter of the surface when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction and the thickness of the magnetization free layer 3 are changed. It is the graph which showed the area | region which forms a vortex magnetic structure at the time of making it do. In FIG. 4, the horizontal axis is the diameter of the surface of the magnetization free layer 3 as viewed in plan from the stacking direction, and the vertical axis is the thickness of the magnetization free layer 3. The region on the upper left side of the drawing from the dotted line is a region where the vortex magnetic structure is easily formed, and the region on the lower right side of the drawing from the dotted line is a region where it is difficult to form the vortex magnetic structure.
ボルテックス磁気構造を安定的に形成するという観点からは、磁化自由層３の厚みは厚い方が好ましい。一方で、磁化自由層３の厚みが厚くなると、磁気センサ素子１０の積層方向の素子抵抗が大きくなる。素子抵抗が大きくなると、磁化固定層１と磁化自由層３の磁気の向きの相対角に応じて変化する検出すべき磁気抵抗変化とノイズとの切り分けが難しくなる。換言すると、磁気センサ素子１０のＭＲ比を高めるためには、磁化自由層３の厚みは薄い方が好ましい。すなわち、安定的にボルテックス磁気構造を形成し、かつ、高いＭＲ比を得るためには、磁化自由層３の厚みは、１５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。 From the viewpoint of stably forming the vortex magnetic structure, the magnetization free layer 3 is preferably thicker. On the other hand, when the thickness of the magnetization free layer 3 increases, the element resistance in the stacking direction of the magnetic sensor element 10 increases. When the element resistance increases, it becomes difficult to distinguish between the magnetoresistive change to be detected and the noise that change according to the relative angle of the magnetization direction of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3. In other words, in order to increase the MR ratio of the magnetic sensor element 10, it is preferable that the magnetization free layer 3 is thin. That is, in order to stably form a vortex magnetic structure and obtain a high MR ratio, the thickness of the magnetization free layer 3 is preferably 15 nm or more and 50 nm or less.
また、磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径は、磁化自由層３の厚みに応じて適宜設計することが好ましい。磁化自由層３は、電子線リソグラフィ又はフォトリソグラフィ等を利用して加工される。そのため、磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径は、形状加工性の観点からは、１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径がこの範囲内であれば、上述の磁化自由層３の厚み範囲内でも、安定的にボルテックス磁気構造を形成することができる。ここで磁化自由層３を積層方向から平面視した面の形状が真円以外の場合、「径」は磁化自由層３と内接する円の径を意味する。 Moreover, it is preferable that the diameter of the surface of the magnetization free layer 3 as viewed in plan from the stacking direction is appropriately designed according to the thickness of the magnetization free layer 3. The magnetization free layer 3 is processed using electron beam lithography or photolithography. Therefore, the diameter of the surface when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction is preferably 10 μm or less, and more preferably 5 μm or less from the viewpoint of shape workability. If the diameter of the surface of the magnetization free layer 3 viewed in plan from the stacking direction is within this range, the vortex magnetic structure can be stably formed even within the thickness range of the magnetization free layer 3 described above. Here, when the shape of the surface of the magnetization free layer 3 as viewed in plan from the stacking direction is other than a perfect circle, the “diameter” means the diameter of a circle inscribed in the magnetization free layer 3.
また磁化自由層３は、磁気異方性が弱く、スピン分極率が大きい物質を含むことが好ましい。「磁気異方性が弱い」は、磁化自由層３の保磁力が２０Ｏｅ以下であると換言することができる。また「スピン分極率が大きい」は、磁化自由層３の磁化と磁化固定層１の磁化による磁気抵抗効果のＭＲ比が１０％以上であると換言することができる。 Moreover, it is preferable that the magnetization free layer 3 contains a substance having a weak magnetic anisotropy and a high spin polarizability. In other words, “weak magnetic anisotropy” means that the coercive force of the magnetization free layer 3 is 20 Oe or less. Further, “high spin polarizability” can be said in other words that the MR ratio of the magnetoresistance effect by the magnetization of the magnetization free layer 3 and the magnetization of the magnetization fixed layer 1 is 10% or more.
磁気異方性は、強磁性体中のスピンの向きによって、その内部エネルギーが異なる性質である。一方で、保磁力は、磁化された磁性体を磁化されていない状態に戻すために必要な反対向きの外部磁場の強さをいう。そのため、磁気異方性と保磁力は同一ではないが、互いに密接な関係を有する概念である。磁気異方性が強ければ保磁力が大きくなり、磁気異方性が弱ければ保磁力が小さくなる。そのため、磁気異方性の強弱を保磁力の強弱として表現することができる。 Magnetic anisotropy is a property in which the internal energy differs depending on the direction of spin in a ferromagnetic material. On the other hand, the coercive force refers to the strength of an external magnetic field in the opposite direction necessary for returning a magnetized magnetic body to a non-magnetized state. Therefore, the magnetic anisotropy and the coercive force are not the same, but are concepts that are closely related to each other. If the magnetic anisotropy is strong, the coercive force is large, and if the magnetic anisotropy is weak, the coercive force is small. Therefore, the strength of magnetic anisotropy can be expressed as the strength of coercive force.
磁化自由層３内のスピンは、磁化自由層３の磁気異方性が非常に強い（磁化自由層３の保磁力が大きい）場合、ボルテックス磁気構造を形成せずに一軸に配向する。一軸に配向した方が、エネルギー的に安定になるためである。つまり、磁化自由層３の磁気異方性が強いと、磁化自由層３内にボルテックス磁気構造を形成することが難しくなる。 The spin in the magnetization free layer 3 is uniaxially oriented without forming a vortex magnetic structure when the magnetic anisotropy of the magnetization free layer 3 is very strong (the coercive force of the magnetization free layer 3 is large). This is because uniaxial orientation is more stable in terms of energy. That is, if the magnetic anisotropy of the magnetization free layer 3 is strong, it becomes difficult to form a vortex magnetic structure in the magnetization free layer 3.
これに対し、磁化自由層３の保磁力が２０Ｏｅ以下であれば、磁化自由層３内に安定的にボルテックス磁気構造を形成することができる。より安定的にボルテックス磁気構造を形成するためには、磁化自由層３の保磁力は１５Ｏｅ以下であることがより好ましく、１０Ｏｅ以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the coercive force of the magnetization free layer 3 is 20 Oe or less, a vortex magnetic structure can be stably formed in the magnetization free layer 3. In order to form a vortex magnetic structure more stably, the coercive force of the magnetization free layer 3 is more preferably 15 Oe or less, and further preferably 10 Oe or less.
またスピン分極率は、物質内の上向きスピンと下向きスピンの差を意味する。例えば、物質内のスピンが全て上向きスピン又は下向きスピンの場合はスピン分極率が１００％であり、上向きスピンと下向きスピンが同数の場合はスピン分極率が０％である。 The spin polarizability means the difference between the upward spin and the downward spin in the substance. For example, the spin polarizability is 100% when all the spins in the material are upward spins or downward spins, and the spin polarizability is 0% when the upward spins and the downward spins are the same number.
一方で、ＭＲ比は、以下の一般式（１）で表現され、磁化固定層１及び磁化自由層３のスピン分極率に比例する。
ＭＲ比＝（ＲＡＰ−Ｒｐ／Ｒｐ）×１００ ∝Ｐ１Ｐ２ …（１）
ＲＰは磁化固定層１と磁化自由層３の磁化の向きが平行の場合の抵抗であり、ＲＡＰは磁化固定層１と磁化自由層３の磁化の向きが反平行の場合の抵抗である。またＰ１は磁化固定層１のスピン分極率であり、Ｐ２は磁化自由層３のスピン分極率である。
On the other hand, the MR ratio is expressed by the following general formula (1) and is proportional to the spin polarizabilities of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3.
MR ratio = (R AP −R p / R p ) × 100 P 1 P 2 (1)
RP is a resistance when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 are parallel, and RAP is a resistance when the magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 are antiparallel. . P 1 is the spin polarizability of the magnetization fixed layer 1, and P 2 is the spin polarizability of the magnetization free layer 3.
そのため、スピン分極率とＭＲ比は同一ではないが、互いに密接な関係を有する概念である。磁化固定層１及び磁化自由層３のスピン分極率が大きければＭＲ比は大きくなり、磁化固定層１及び磁化自由層３のスピン分極率が小さければＭＲ比が小さくなる。そのため、スピン分極率の大小をＭＲ比の大小として表現することができる。磁化自由層３のスピン分極率は、磁化自由層３と非磁性層２との界面等の界面の効果の影響を含むため、正確に見積もることが困難であるが、ＭＲ比は抵抗変化率を測定すれば容易に測定できる。 For this reason, the spin polarizability and the MR ratio are not the same, but are concepts that are closely related to each other. The MR ratio increases if the spin polarizability of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 is large, and the MR ratio decreases if the spin polarizability of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 is small. Therefore, the magnitude of the spin polarizability can be expressed as the magnitude of the MR ratio. The spin polarizability of the magnetization free layer 3 includes the influence of the interface effect such as the interface between the magnetization free layer 3 and the nonmagnetic layer 2 and is difficult to estimate accurately, but the MR ratio indicates the resistance change rate. If it measures, it can measure easily.
磁化自由層３の磁化と磁化固定層１の磁化による磁気抵抗効果のＭＲ比が大きいと、磁化自由層３と磁化固定層１の磁化の向きの相対角変化により生じる抵抗値変化量が大きくなる。すなわち、磁気センサ素子１０が出力する高周波電圧の電位差が大きくなる。出力される高周波電圧の電位差が大きくなれば、出力される情報とノイズの区別が明確になり、磁気センサ１００の感度が高まる。 When the MR ratio of the magnetoresistive effect due to the magnetization of the magnetization free layer 3 and the magnetization of the magnetization fixed layer 1 is large, the amount of change in resistance value caused by the relative angle change of the magnetization directions of the magnetization free layer 3 and the magnetization fixed layer 1 increases. . That is, the potential difference of the high frequency voltage output from the magnetic sensor element 10 is increased. If the potential difference between the output high-frequency voltages increases, the distinction between the output information and noise becomes clear, and the sensitivity of the magnetic sensor 100 increases.
また磁化自由層３は、ホイスラー合金を含む。ホイスラー合金は、ハーフメタルと言われ、フェルミ面に一方のスピンを有する電子のみが存在する。そのため、高いスピン分極率を実現することができ、理論的には室温で１００％のスピン分極率を達成できると予想されている。 The magnetization free layer 3 includes a Heusler alloy. Heusler alloys are said to be half-metal, and only have electrons with one spin on the Fermi surface. Therefore, a high spin polarizability can be realized, and it is theoretically expected that a spin polarizability of 100% can be achieved at room temperature.
磁化自由層３に用いることができるホイスラー合金は、磁化固定層１で示したものと同様である。上述したホイスラー合金の中でも、Ｃｏ２（ＦｅｘＭｎ１−ｘ）Ｓｉ（０≦ｘ≦１）合金を用いることが好ましい。この合金の組成比は、０．２≦ｘ≦０．８であることが好ましく、０．３≦ｘ≦０．７であることより好ましく、０．３５≦ｘ≦０．５であることがさらに好ましい。Ｃｏ２（ＦｅｘＭｎ１−ｘ）Ｓｉ合金は高いスピン分極率を有するため、高いＭＲ比を得ることができる。また、特に組成を上述の範囲とすることで、より高いＭＲ比を得ることができる。 The Heusler alloy that can be used for the magnetization free layer 3 is the same as that shown for the magnetization fixed layer 1. Among the above-mentioned Heusler alloys, Co 2 (Fe x Mn 1 -x) Si (0 ≦ x ≦ 1) is preferably an alloy. The composition ratio of this alloy is preferably 0.2 ≦ x ≦ 0.8, more preferably 0.3 ≦ x ≦ 0.7, and 0.35 ≦ x ≦ 0.5. Further preferred. Co 2 (Fe x Mn 1- x) Si alloy has a high spin polarization, it is possible to obtain a high MR ratio. In particular, by setting the composition within the above range, a higher MR ratio can be obtained.
下地層４は、図示略の基板上に積層される。下地層４は、基板と磁化固定層１の結晶構造の違いを緩和するためのバッファ層である。下地層４を設けると、磁化固定層１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を高めることができる。下地層４は、必須の層ではなく、用途に応じて省くことができる。 The underlayer 4 is laminated on a substrate (not shown). The underlayer 4 is a buffer layer for relaxing the difference in crystal structure between the substrate and the magnetization fixed layer 1. When the underlayer 4 is provided, crystallinity such as crystal orientation and crystal grain size of each layer including the magnetization fixed layer 1 can be enhanced. The underlayer 4 is not an essential layer and can be omitted depending on the application.
図１に示す下地層４は、第１下地層４Ａと第２下地層４Ｂからなる。下地層４は、図１に示す態様に限られず、１層でもよいし、３層以上の複数層積層してもよい。下地層４の構成を工夫することにより磁気センサ素子１０を構成する各層の結晶性を高め、磁気特性の改善が可能となる。 The underlayer 4 shown in FIG. 1 includes a first underlayer 4A and a second underlayer 4B. The underlayer 4 is not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and may be a single layer or a multilayer of three or more layers. By devising the configuration of the underlayer 4, the crystallinity of each layer constituting the magnetic sensor element 10 can be improved and the magnetic characteristics can be improved.
下地層４は、磁化固定層１と同様の結晶構造を有していることが好ましい。下地層４には、例えば、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む物質を用いることができる。この物質には、単体金属、合金、酸化物、窒化物等が含まれる。 The underlayer 4 preferably has a crystal structure similar to that of the magnetization fixed layer 1. For the underlayer 4, for example, a substance containing at least one element selected from the group of Al, Cr, Fe, Co, Rh, Pd, Ag, Ir, Pt, Au, Mo, and W can be used. This material includes simple metals, alloys, oxides, nitrides and the like.
キャップ層５は、磁化自由層３上に積層されている。キャップ層５は、磁化自由層３から元素の拡散を抑制する。またキャップ層５は磁化自由層３の酸化を抑制する。またキャップ層５は、磁気センサ素子１０の各層の結晶配向性にも寄与する。その結果、キャップ層５を設けることで、磁気センサ素子１０における磁化固定層１及び磁化自由層３の磁性の配向性が安定化し、磁気センサ素子１０を低抵抗化することができる。キャップ層５は、必須の層ではなく、用途に応じて省くことができる。 The cap layer 5 is stacked on the magnetization free layer 3. The cap layer 5 suppresses element diffusion from the magnetization free layer 3. The cap layer 5 suppresses the oxidation of the magnetization free layer 3. The cap layer 5 also contributes to the crystal orientation of each layer of the magnetic sensor element 10. As a result, by providing the cap layer 5, the magnetic orientation of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 in the magnetic sensor element 10 is stabilized, and the resistance of the magnetic sensor element 10 can be reduced. The cap layer 5 is not an essential layer and can be omitted depending on the application.
キャップ層５には、導電性が高い材料を用いることが好ましい。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等を用いることができる。キャップ層５が導電性を有することで、磁気センサ素子１０の積層方向に電流を流すための電極としても機能することができる。キャップ層５の結晶構造は、隣接する磁化自由層３の結晶構造に合せて設定することが好ましい。 The cap layer 5 is preferably made of a highly conductive material. For example, Ru, Ta, Cu, Ag, Au, etc. can be used. Since the cap layer 5 has conductivity, it can also function as an electrode for flowing a current in the stacking direction of the magnetic sensor elements 10. The crystal structure of the cap layer 5 is preferably set in accordance with the crystal structure of the adjacent magnetization free layer 3.
磁気センサ素子１０の各層は、例えば、スパッタ装置を用いて形成することができる。成膜法としてはマグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の薄膜作成法を用いることができる。また円柱状の非磁性層２及び磁化自由層３は、電子線リソグラフィ又はフォトリソグラフィ等の公知の方法で作製できる。 Each layer of the magnetic sensor element 10 can be formed using, for example, a sputtering apparatus. As a film forming method, in addition to a magnetron sputtering method, a thin film forming method such as a vapor deposition method, a laser ablation method, or an MBE method can be used. The columnar nonmagnetic layer 2 and the magnetization free layer 3 can be produced by a known method such as electron beam lithography or photolithography.
（電流源）
電流源２０は、磁気センサ素子１０の積層方向に電流を印加する。図１では、電流源２０は、磁気センサ素子１０の下地層４とキャップ層５に接続されている。電流源２０は、公知の電流源を用いることができる。
(Current source)
The current source 20 applies a current in the stacking direction of the magnetic sensor elements 10. In FIG. 1, the current source 20 is connected to the base layer 4 and the cap layer 5 of the magnetic sensor element 10. A known current source can be used as the current source 20.
（出力手段）
出力手段３０は、磁気センサ素子１０の磁化自由層３の磁化の向きと磁化固定層１の磁化の向きとの相対角変化により生じる抵抗値変化を電圧として出力する。出力手段３０は、アンプ３１と検出部３２とを有する。検出部３２には、オシロスコープやスペクトルアナライザー等を用いることができる。また磁気センサ素子１０から出力された高周波電圧と、磁気センサ素子１０へ印加する直流電流とを分離するバイアスティー３３が、出力手段３０と磁気センサ素子１０の間に配設されている。
(Output means)
The output means 30 outputs a resistance value change caused by a relative angle change between the magnetization direction of the magnetization free layer 3 of the magnetic sensor element 10 and the magnetization direction of the magnetization fixed layer 1 as a voltage. The output unit 30 includes an amplifier 31 and a detection unit 32. For the detection unit 32, an oscilloscope, a spectrum analyzer, or the like can be used. A bias tee 33 that separates the high-frequency voltage output from the magnetic sensor element 10 and the direct current applied to the magnetic sensor element 10 is disposed between the output means 30 and the magnetic sensor element 10.
次いで、磁気センサ１００の動作について説明する。
磁気センサ１００の磁気センサ素子１０に外部磁場を印加する。また電流源２０によって、磁気センサ素子１０の積層方向に電流を印加する。
Next, the operation of the magnetic sensor 100 will be described.
An external magnetic field is applied to the magnetic sensor element 10 of the magnetic sensor 100. Further, a current is applied by the current source 20 in the stacking direction of the magnetic sensor elements 10.
磁気センサ素子１０に外部磁場と電流が印加されると、磁化自由層３にボルテックス磁気構造が形成される。 When an external magnetic field and current are applied to the magnetic sensor element 10, a vortex magnetic structure is formed in the magnetization free layer 3.
上述のようにボルテックス磁気構造におけるコア領域３Ａは、中心Ｃを基準に円を描くように、面内方向に移動する。またボルテックス領域３Ｂにおけるスピンは磁化自由層３の面内方向にコア領域３Ａを取り囲み、コア領域３Ａのスピンを軸に渦を巻く。すなわち、磁化自由層３におけるスピンは、回転軸を面内方向に変化させながら渦を巻く。 As described above, the core region 3A in the vortex magnetic structure moves in the in-plane direction so as to draw a circle with the center C as a reference. Further, the spin in the vortex region 3B surrounds the core region 3A in the in-plane direction of the magnetization free layer 3, and vortexes around the spin of the core region 3A. That is, the spin in the magnetization free layer 3 spirals while changing the rotation axis in the in-plane direction.
図５は、本発明の一態様にかかる磁気センサ素子１０の磁化自由層３におけるボルテックス磁気構造の時間変化を積層方向から平面視した模式図である。図５は、任意の時間ａにおけるボルテックス磁気構造と、その任意の時間における磁化自由層３の有効磁化の向き（黒矢印）と、磁化固定層１の有効磁化の向き（白抜き矢印）を示す。また図５は、任意の時間から一定の時間経過後の時間ｂ、時間ｃ、時間ｄにおけるボルテックス磁気構造と、その時間における磁化自由層３の有効磁化の向き（黒矢印）と、磁化固定層１の有効磁化の向き（白抜き矢印）を示す。時間は、時間ａ、時間ｂ、時間ｃ、時間ｄの順に流れる。ここで、「有効磁化」とは、磁化固定層１又は磁化自由層３のスピンをマクロに総和したものを意味する。 FIG. 5 is a schematic view of a temporal change of the vortex magnetic structure in the magnetization free layer 3 of the magnetic sensor element 10 according to one aspect of the present invention viewed in plan from the stacking direction. FIG. 5 shows the vortex magnetic structure at an arbitrary time a, the effective magnetization direction (black arrow) of the magnetization free layer 3 at the arbitrary time, and the effective magnetization direction (open arrow) of the magnetization fixed layer 1. . FIG. 5 shows a vortex magnetic structure at a time b, a time c, and a time d after elapse of a certain time from an arbitrary time, an effective magnetization direction (black arrow) of the magnetization free layer 3 at that time, and a magnetization fixed layer. 1 shows the direction of effective magnetization (open arrow). Time flows in the order of time a, time b, time c, and time d. Here, “effective magnetization” means the sum of the spins of the magnetization fixed layer 1 or the magnetization free layer 3 macroscopically.
図５に示すように、ある任意の時間ａにおいてコア領域３Ａの位置は、中心Ｃより＋ｘ方向にずれている。ここで、ｘ方向は、中心Ｃを基準とした面内方向の任意の一方向であり、ｙ方向は面内方向でｘ方向と直交する方向である。 As shown in FIG. 5, the position of the core region 3A is shifted from the center C in the + x direction at a certain arbitrary time a. Here, the x direction is an arbitrary in-plane direction with respect to the center C, and the y direction is an in-plane direction that is orthogonal to the x direction.
ボルテックス領域３Ｂにおけるスピンの向きは、場所毎に異なる。図５に示すように、中心Ｃを基準にコア領域３Ａより＋ｘ方向に存在するスピンは＋ｙ方向に配向し、−ｘ方向に存在するスピンは−ｙ方向に配向し、＋ｙ方向に存在するスピンは−ｘ方向に配向し、−ｙ方向に存在するスピンは＋ｘ方向に配向する。 The direction of spin in the vortex region 3B varies from place to place. As shown in FIG. 5, the spin existing in the + x direction from the core region 3A with respect to the center C is oriented in the + y direction, the spin existing in the -x direction is oriented in the -y direction, and the spin existing in the + y direction. Are oriented in the -x direction, and the spins present in the -y direction are oriented in the + x direction.
ある任意の時間ａにおいては、相対的に−ｙ方向に配向したスピンの量が多くなる。コア領域３Ａの位置が中心Ｃより＋ｘ方向にずれ、相対的に−ｙ方向に配向したスピンが存在する領域の面積が増えるためである。その結果、ある任意の時間ａにおける磁化自由層３の有効磁化の向きは、−ｙ方向になる。 At an arbitrary time a, the amount of spins relatively oriented in the -y direction increases. This is because the position of the core region 3A is shifted from the center C in the + x direction, and the area of the region where spins relatively oriented in the -y direction exist increases. As a result, the effective magnetization direction of the magnetization free layer 3 at a certain arbitrary time a becomes the −y direction.
任意の時間ａから一定の時間が経過した時間ｂ、時間ｃ、時間ｄにおいてもそれぞれ同様のことが言える。 The same can be said for time b, time c, and time d when a certain time has elapsed from an arbitrary time a.
時間ｂにおいては、コア領域３Ａの位置は中心Ｃを基準に−ｙ方向にある。そのため、時間ｂでは、相対的に−ｘ方向に配向したスピンが存在する領域の面積が増え、磁化自由層３の有効磁化の向きは、−ｘ方向になる。
時間ｃにおいては、コア領域３Ａの位置は中心Ｃを基準に−ｘ方向にある。そのため、時間ｃでは、相対的に＋ｙ方向に配向したスピンが存在する領域の面積が増え、磁化自由層３の有効磁化の向きは、＋ｙ方向になる。
時間ｄにおいては、コア領域３Ａの位置は中心Ｃを基準に＋ｙ方向にある。そのため、時間ｄでは、相対的に＋ｘ方向に配向したスピンが存在する領域の面積が増え、磁化自由層３の有効磁化の向きは、＋ｘ方向になる。
At time b, the position of the core region 3A is in the −y direction with respect to the center C. Therefore, at time b, the area of the region where spins relatively oriented in the -x direction are present increases, and the effective magnetization direction of the magnetization free layer 3 becomes the -x direction.
At time c, the position of the core region 3A is in the −x direction with respect to the center C. Therefore, at time c, the area of the region where spins relatively oriented in the + y direction exist increases, and the effective magnetization direction of the magnetization free layer 3 becomes the + y direction.
At time d, the position of the core region 3A is in the + y direction with respect to the center C. Therefore, at time d, the area of a region where spins oriented relatively in the + x direction are increased, and the effective magnetization direction of the magnetization free layer 3 is in the + x direction.
なお、図５に示すスピンの向きは一例であり、逆向きのカイラリティを有する場合もある。この場合、スピンの方向の正負の符号は逆転する。 Note that the spin direction shown in FIG. 5 is an example, and may have chirality in the opposite direction. In this case, the sign of the spin direction is reversed.
これに対し、磁化固定層１の有効磁化の向き（白抜き矢印）は、常に面内方向の任意の方向に向いている。図５では、磁化固定層１の有効磁化の向きは、＋ｘ方向に向いている。すなわち、磁化固定層１の有効磁化に対する磁化自由層３の有効磁化の相対角は、時間と共に変化する。 On the other hand, the direction of effective magnetization (outlined arrow) of the magnetization fixed layer 1 is always in an arbitrary in-plane direction. In FIG. 5, the effective magnetization direction of the magnetization fixed layer 1 is in the + x direction. That is, the relative angle of the effective magnetization of the magnetization free layer 3 with respect to the effective magnetization of the magnetization fixed layer 1 changes with time.
図６は、本発明の一態様にかかる磁気センサ素子１０の抵抗値の時間変化を模式的に示したグラフである。縦軸は磁気センサ素子１０の素子抵抗であり、横軸は時間である。 FIG. 6 is a graph schematically showing temporal changes in the resistance value of the magnetic sensor element 10 according to one embodiment of the present invention. The vertical axis represents the element resistance of the magnetic sensor element 10, and the horizontal axis represents time.
図６に示すように、ある任意の時間ａにおける磁気センサ素子１０の抵抗値は、Ｒａである。ある任意の時間ａから一定時間が経過し、時間ｂに至ると、磁化固定層１と磁化自由層３の有効磁化の向きは互いに反平行になる（図５のｂ参照）。このとき、磁気センサ素子１０の抵抗値Ｒｂは最大値を示す。その後、時間ｃを経て時間ｄに至ると、磁化固定層１と磁化自由層３の有効磁化の向きは互いに平行になる（図５のｄ参照）。このとき、磁気センサ素子１０の抵抗値Ｒｄは最小値を示す。また時間ｃと時間ａにおいては、磁化固定層１の磁化に対する磁化自由層３の磁化の相対角が同じであるため、時間ｃにおける抵抗値Ｒｃは、時間ａにおける抵抗値Ｒａと同じとなる。 As shown in FIG. 6, the resistance value of the magnetic sensor element 10 at a given time a is Ra. When a certain time elapses from a certain arbitrary time a and reaches time b, the effective magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 become antiparallel to each other (see b in FIG. 5). At this time, the resistance value Rb of the magnetic sensor element 10 shows the maximum value. Thereafter, when time d is reached after time c, the effective magnetization directions of the magnetization fixed layer 1 and the magnetization free layer 3 become parallel to each other (see d in FIG. 5). At this time, the resistance value Rd of the magnetic sensor element 10 indicates a minimum value. Further, at time c and time a, the relative angle of the magnetization of the magnetization free layer 3 with respect to the magnetization of the magnetization fixed layer 1 is the same, so that the resistance value Rc at time c is the same as the resistance value Ra at time a.
このように、磁気センサ素子１０の駆動時における抵抗値は、時間と共に一定の周波数で変化する。磁気センサ素子１０に印加する電流は定電流であるため、オームの法則により、出力される電圧は、一定の周波数を有する高周波電圧となる。周波数は、磁気センサ素子１０の構造や組成等で変化するが、一般にＧＨｚ帯域の周波数である。 Thus, the resistance value during driving of the magnetic sensor element 10 changes at a constant frequency with time. Since the current applied to the magnetic sensor element 10 is a constant current, the output voltage is a high-frequency voltage having a constant frequency according to Ohm's law. The frequency varies depending on the structure and composition of the magnetic sensor element 10, but is generally a frequency in the GHz band.
そして、磁気センサ素子１０により生じた高周波電圧は、バイアスティー３３で直流成分と分離され、出力手段３０に出力される。出力手段３０では、検出した高周波電圧をアンプ３１で増幅し、検出部３２で検出する。 The high frequency voltage generated by the magnetic sensor element 10 is separated from the DC component by the bias tee 33 and output to the output means 30. In the output means 30, the detected high frequency voltage is amplified by the amplifier 31 and detected by the detection unit 32.
磁気センサ１００は、外部磁場の変動を検出する。次に、検出手順について説明する。図７は、磁気センサ１００により微弱な外部磁場の変動を検出する方法について説明するための模式図である。縦軸は検出する信号強度であり、横軸は周波数である。 The magnetic sensor 100 detects a change in an external magnetic field. Next, the detection procedure will be described. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a method for detecting a weak fluctuation of the external magnetic field by the magnetic sensor 100. The vertical axis represents the detected signal intensity, and the horizontal axis represents the frequency.
上述のように、一定の外部磁場及び一定の電流が印加された磁気センサ素子１０は、出力周波数がｆ０の高周波電圧を出力する。検出部３２に検出周波数がｆｄの高周波信号を検波するミキサー等の整流器を設け、高周波電圧の出力周波数（ｆ０）とミキサーの検出周波数（ｆｄ）とを一致させる。すると、図７（ａ）に示すように、磁気センサ素子１０で生じた高周波電圧は検出部３２で検波できる。つまり、磁気センサ素子１０に、一定の外部磁場及び一定の電流が印加され続けると、一定の出力周波数（ｆ０）の高周波電圧が出力され、検出部３２は高周波電圧を信号として検波する。 As described above, the magnetic sensor element 10 constant external magnetic field and a constant current is applied, the output frequency is output a high frequency voltage of f 0. The detection unit 32 is provided with a rectifier such as a mixer for detecting a high-frequency signal having a detection frequency of f d , so that the output frequency (f 0 ) of the high-frequency voltage matches the detection frequency (f d ) of the mixer. Then, as shown in FIG. 7A, the high frequency voltage generated in the magnetic sensor element 10 can be detected by the detection unit 32. That is, when a constant external magnetic field and a constant current are continuously applied to the magnetic sensor element 10, a high-frequency voltage having a constant output frequency (f 0 ) is output, and the detection unit 32 detects the high-frequency voltage as a signal.
これに対し、磁気センサ素子１０に外部磁場が変動すると、コア領域３Ａが中心Ｃの周りを回転する動きや、コア領域３Ａの周囲を渦巻くボルテックス領域３Ｂのスピンの動きが変化する。すなわち、上述のボルテックス磁気構造の運動状態が変化する。ボルテックス磁気構造の運動状態が変化すると、図６に示す抵抗値変化の周期が変化し、出力される高周波電圧の周波数が変化する。 On the other hand, when the external magnetic field fluctuates in the magnetic sensor element 10, the movement of the core region 3A rotating around the center C and the spin movement of the vortex region 3B swirling around the core region 3A change. That is, the motion state of the vortex magnetic structure changes. When the motion state of the vortex magnetic structure changes, the period of the resistance value change shown in FIG. 6 changes, and the frequency of the output high-frequency voltage changes.
すなわち、磁気センサ素子１０に印加される磁場が基準状態の磁場ＨからＨ＋ΔＨに変動すると、高周波電圧の出力周波数は、ｆ０からｆ０’（ｆ０＋Δｆ０）に変動する。 That is, when the magnetic field applied to the magnetic sensor element 10 varies from a reference state magnetic field H to H + [Delta] H, the output frequency of the high frequency voltage varies from f 0 to f 0 '(f 0 + Δf 0).
出力される高周波電圧の出力周波数がｆ０’に変化すると、高周波電圧の出力周波数ｆ０’とミキサーの検出周波数ｆｄとが一致しなくなる。その結果、検出部３２は高周波電圧を信号として検波できなくなる。すなわち、磁気センサ１００は、外部磁場の変動を出力される信号強度として検出することができる。 When the output frequency of the output high-frequency voltage changes to f 0 ′, the output frequency f 0 ′ of the high-frequency voltage does not match the detection frequency f d of the mixer. As a result, the detection unit 32 cannot detect a high frequency voltage as a signal. That is, the magnetic sensor 100 can detect the fluctuation of the external magnetic field as the output signal intensity.
本発明の一態様にかかる磁気センサ１００は、外部磁場の変動を磁化自由層３のボルテックス磁気構造の運動状態の変化として読み出している。そのため、外部磁場の変動を高感度に読み出すことができる。その理由について、比較例を挙げて説明する。 The magnetic sensor 100 according to one aspect of the present invention reads the fluctuation of the external magnetic field as a change in the motion state of the vortex magnetic structure of the magnetization free layer 3. Therefore, the fluctuation of the external magnetic field can be read with high sensitivity. The reason will be described with reference to a comparative example.
図８は、比較例にかかる磁気センサ１００における磁気センサ素子１０を模式的に示した斜視図である。比較例に係る磁気センサ素子１０’は、磁化自由層３がボルテックス磁気構造を形成せずに、磁化自由層３の磁化が振動するシングルスピンモデルの磁気センサ素子１０’である点が異なる。その他の構成については、本実施形態にかかる磁気センサ素子１０と同様であり、図１と同一の符号を付し、説明を省略する。 FIG. 8 is a perspective view schematically showing the magnetic sensor element 10 in the magnetic sensor 100 according to the comparative example. The magnetic sensor element 10 ′ according to the comparative example is different from the magnetic sensor element 10 ′ in which the magnetization free layer 3 does not form a vortex magnetic structure and the magnetization of the magnetization free layer 3 oscillates. About another structure, it is the same as that of the magnetic sensor element 10 concerning this embodiment, the code | symbol same as FIG. 1 is attached | subjected, and description is abbreviate | omitted.
比較例１にかかる磁気センサ素子１０’は、磁化自由層３’の磁化が振動することで、磁化固定層１の磁化との相対角差により抵抗値変化が生じる。このとき磁化自由層３’をミクロに見ると、各スピンの向きは必ずしも一定ではない。例えば、磁化自由層３’の中心部と外縁部とでは、スピンが感じる磁場強度が異なり、それぞれの位置におけるスピンは異なる振動状態となる。そのため、磁気センサ素子１０’の抵抗値変化の周波数にバラツキが生じ、出力される高周波電圧の周波数もバラつく。 In the magnetic sensor element 10 ′ according to the comparative example 1, the resistance value changes due to the relative angular difference from the magnetization of the magnetization fixed layer 1 when the magnetization of the magnetization free layer 3 ′ vibrates. At this time, when the magnetization free layer 3 ′ is viewed microscopically, the direction of each spin is not necessarily constant. For example, the magnetic field strength felt by the spin is different between the central portion and the outer edge portion of the magnetization free layer 3 ′, and the spin at each position is in a different vibration state. Therefore, the frequency of the resistance value change of the magnetic sensor element 10 ′ varies, and the frequency of the output high frequency voltage also varies.
これに対し、本実施形態にかかる磁気センサ素子１０は、磁化自由層３のボルテックス磁気構造の運動状態の変化を、高周波電圧として読み出している。ボルテックス磁気構造は、渦状に形成されたスピンの流れを有する。そのため、それぞれの領域をミクロに見た際のスピンの向きは所定の方向に揃う。その結果、磁化自由層３全体の有効磁場のバラツキは少なくなり、図６に示すように、磁気センサ素子１０の抵抗値変化は一定の周波数となり、出力される高周波電圧の周波数も一定となる。 On the other hand, the magnetic sensor element 10 according to the present embodiment reads changes in the motion state of the vortex magnetic structure of the magnetization free layer 3 as a high-frequency voltage. The vortex magnetic structure has a flow of spin formed in a vortex. Therefore, the spin directions when the respective regions are viewed microscopically are aligned in a predetermined direction. As a result, the variation in the effective magnetic field of the entire magnetization free layer 3 is reduced, and as shown in FIG. 6, the change in the resistance value of the magnetic sensor element 10 has a constant frequency, and the frequency of the output high-frequency voltage is also constant.
高周波電圧の周波数が一定になると、出力される信号の線幅が狭くなる（図７（ａ）、（ｂ）参照）。信号の線幅が狭くなると、高周波電圧の周波数が基準の周波数ｆ０から僅かに変動（Δｆ０）した場合でも、検出周波数ｆｄで出力される信号強度が大幅に低下する。すなわち、本実施形態にかかる磁気センサ素子１０は、僅かな磁場変化も高感度に検出することができる。 When the frequency of the high-frequency voltage becomes constant, the line width of the output signal becomes narrower (see FIGS. 7A and 7B). When the line width of the signal is narrowed, even when the frequency of the high-frequency voltage slightly varies (Δf 0 ) from the reference frequency f 0, the signal intensity output at the detection frequency f d is significantly reduced. That is, the magnetic sensor element 10 according to the present embodiment can detect even a slight magnetic field change with high sensitivity.
また本実施形態にかかる磁気センサ素子１０は、ボルテックス磁気構造を形成する磁化自由層３がホイスラー合金を含むことで、高周波電圧の電圧変化量を大きくでき、図７に示す出力される信号の強度を大きくできる。得られる信号強度が大きいと、信号がノイズに紛れることが避けられ、磁気センサ１００の検出感度が高まる。 Further, in the magnetic sensor element 10 according to the present embodiment, since the magnetization free layer 3 forming the vortex magnetic structure includes a Heusler alloy, the voltage change amount of the high-frequency voltage can be increased, and the intensity of the output signal shown in FIG. Can be increased. When the obtained signal strength is large, the signal is prevented from being mixed with noise, and the detection sensitivity of the magnetic sensor 100 is increased.
図５に示すように、ボルテックス磁気構造中に、磁化自由層３の有効磁化方向（黒矢印）と逆向きのスピンが生じることは避けられない。有効磁化方向と逆向きのスピンの量が多くなると、ＭＲ比が小さくなり、高周波電圧の出力が小さくなる。しかしながら、本実施形態にかかる磁気センサ素子１０は、ボルテックス磁気構造を形成する磁化自由層３がスピン分極率の高いホイスラー合金を有する。そのため、有効磁化方向（黒矢印）と逆向きのスピンが生じても、大きな信号強度を維持することができる。 As shown in FIG. 5, it is inevitable that spins in the direction opposite to the effective magnetization direction (black arrow) of the magnetization free layer 3 are generated in the vortex magnetic structure. When the amount of spin opposite to the effective magnetization direction increases, the MR ratio decreases and the output of the high frequency voltage decreases. However, in the magnetic sensor element 10 according to the present embodiment, the magnetization free layer 3 forming the vortex magnetic structure has a Heusler alloy having a high spin polarizability. Therefore, even if a spin opposite to the effective magnetization direction (black arrow) occurs, a large signal intensity can be maintained.
なお、ここまで磁気センサ素子１０を磁気センサ１００の一部品として用いる態様について説明した。一方で、上述のように磁気センサ素子１０は、高周波信号を生み出すことができる。そのため、磁気センサ素子１０を、マイクロ波発振素子として用いることもできる。 In addition, the aspect which uses the magnetic sensor element 10 as one component of the magnetic sensor 100 so far was demonstrated. On the other hand, as described above, the magnetic sensor element 10 can generate a high-frequency signal. Therefore, the magnetic sensor element 10 can also be used as a microwave oscillation element.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.
（実施例１）
実施例１では、所定の形状の磁性層内にボルテックス磁気構造が形成されるかを確認した。すなわち、磁気センサ素子１０における磁化自由層３内にボルテックス磁気構造を好適に形成できるかを確認した。
Example 1
In Example 1, it was confirmed whether a vortex magnetic structure was formed in a magnetic layer having a predetermined shape. That is, it was confirmed whether a vortex magnetic structure can be suitably formed in the magnetization free layer 3 in the magnetic sensor element 10.
（１００）結晶面を有するＭｇＯ単結晶からなる基板上に、スパッタにより各層を形成した。下地層４は厚み２０ｎｍで、１層構造とした。下地層４上には、磁性層を５０ｎｍ積層した。そして、積層した磁性層を電子線リソグラフィにより円形状に加工した。 Each layer was formed by sputtering on a substrate made of an MgO single crystal having a (100) crystal plane. The underlayer 4 has a thickness of 20 nm and a single layer structure. A magnetic layer of 50 nm was laminated on the underlayer 4. The laminated magnetic layer was processed into a circular shape by electron beam lithography.
各層の組成は、以下のようにした。
下地層４：Ｃｒ
磁性層（磁化自由層３）：Ｃｏ２（Ｆｅ０．4Ｍｎ０．６）Ｓｉ合金
The composition of each layer was as follows.
Underlayer 4: Cr
Magnetic layer (magnetization free layer 3): Co 2 (Fe 0.4 Mn 0.6 ) Si alloy
図９は、実施例１における磁化自由層３に形成された磁区像を示す図である。図９（ａ）は磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径が５０ｎｍの場合であり、図９（ｂ）は磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径が２μｍの場合であり、図９（ｃ）は、磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径が５μｍの場合である。磁区像は、光電子顕微鏡を用いて測定し、Ｘ線磁気円二色性（Ｘ−ｒａｙ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｄｉｃｈｒｏｉｓｍ：ＸＭＣＤ）を利用してコントラスト化した。 FIG. 9 is a diagram illustrating a magnetic domain image formed in the magnetization free layer 3 in the first embodiment. FIG. 9A shows a case where the diameter of the surface when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction is 50 nm, and FIG. 9B shows that the diameter of the surface when the magnetization free layer 3 is viewed in plan from the stacking direction is 2 μm. FIG. 9C shows the case where the diameter of the surface of the magnetization free layer 3 as viewed in plan from the stacking direction is 5 μm. The magnetic domain image was measured using a photoelectron microscope and contrasted using X-ray magnetic circular dichroism (XMCD).
磁区像において、コントラストの濃い黒色部分は一定の方向にスピンが配向し、コントラストの薄い白色部分はその反対の方向にスピンが配向していることを示す。また白色部分と黒色部分を繋ぐ領域では、スピン配向が変化しているため中間のコントラストとなっている。図９（ｃ）に、得られた磁区像の写真から読み取れるスピンの向きを示す。
すなわち、図９（ａ）〜（ｃ）から、いずれの場合もボルテックス磁気構造が好適に形成されていることが分かる。
In the magnetic domain image, a black portion having a high contrast indicates that the spin is oriented in a certain direction, and a white portion having a low contrast indicates that the spin is oriented in the opposite direction. Moreover, in the area | region which connects a white part and a black part, since spin orientation is changing, it becomes an intermediate | middle contrast. FIG. 9C shows the spin direction that can be read from the obtained magnetic domain image.
That is, it can be seen from FIGS. 9A to 9C that the vortex magnetic structure is suitably formed in any case.
（実施例２）
実施例２では、磁気センサ素子１０により出力される信号のスペクトルを確認した。
(Example 2)
In Example 2, the spectrum of the signal output by the magnetic sensor element 10 was confirmed.
実施例２では、（１００）結晶面を有するＭｇＯ単結晶からなる基板上に、スパッタにより各層を形成した。下地層４は各層の厚みを２０ｎｍとし、２層構造とした。下地層４上には、磁化固定層１を２０ｎｍ積層した。次いで、非磁性層２、磁化自由層３、キャップ層５を順に積層した。キャップ層５は２層構造とした。非磁性層２の厚みは５ｎｍ、磁化自由層３の厚みは３０ｎｍ、キャップ層５の厚みは１層目を２ｎｍとし、２層目を３ｎｍとした。そして、積層した薄膜資料を電子線リソグラフィにより円形状に加工した。磁化自由層３を積層方向から平面視した面の径は２４０ｎｍとした。 In Example 2, each layer was formed by sputtering on a substrate made of an MgO single crystal having a (100) crystal plane. The underlayer 4 has a two-layer structure with each layer having a thickness of 20 nm. On the underlayer 4, the magnetization fixed layer 1 was laminated to 20 nm. Subsequently, the nonmagnetic layer 2, the magnetization free layer 3, and the cap layer 5 were laminated in order. The cap layer 5 has a two-layer structure. The thickness of the nonmagnetic layer 2 was 5 nm, the thickness of the magnetization free layer 3 was 30 nm, and the thickness of the cap layer 5 was 2 nm for the first layer and 3 nm for the second layer. The laminated thin film material was processed into a circular shape by electron beam lithography. The diameter of the surface of the magnetization free layer 3 viewed in plan from the stacking direction was 240 nm.
各層の組成は、以下のようにした。
第２下地層４Ｂ：Ｃｒ
第１下地層４Ａ：Ａｇ
磁性化固定層１：Ｃｏ２（Ｆｅ０．4Ｍｎ０．６）Ｓｉ合金
非磁性層２：Ａｇ
磁化自由層３：Ｃｏ２（ＦｅｘＭｎ１−ｘ）Ｓｉ合金
キャップ層５：ＡｇとＡｕの積層構造
The composition of each layer was as follows.
Second underlayer 4B: Cr
First underlayer 4A: Ag
Magnetization pinned layer 1: Co 2 (Fe 0.4 Mn 0.6 ) Si alloy Nonmagnetic layer 2: Ag
Free layer 3: Co 2 (Fe x Mn 1-x) Si alloy cap layer 5: Ag and Au layered structure of
図１０は、実施例２にかかる磁気センサ素子１０により出力された高周波電圧の発振スペクトルを示した図である。横軸は高周波電圧の周波数であり、縦軸はパワースペクトル密度（ＰＳＤ）である。 FIG. 10 is a diagram illustrating an oscillation spectrum of the high-frequency voltage output by the magnetic sensor element 10 according to the second embodiment. The horizontal axis is the frequency of the high-frequency voltage, and the vertical axis is the power spectral density (PSD).
図１０に示すように、実施例２にかかる磁気センサ１００は、出力１０ｎＷ、Ｑ値（周波数／線幅）が４０００であった。図８に示すシングルスピンモデルの場合、出力はｐＷであり、Ｑ値は良くても１０００弱である（非特許文献１参照）。すなわち、本実施形態にかかる磁気センサ素子１０によれば、高感度かつ高出力の磁気センサ１００を実現することができる。 As shown in FIG. 10, the magnetic sensor 100 according to Example 2 had an output of 10 nW and a Q value (frequency / line width) of 4000. In the case of the single spin model shown in FIG. 8, the output is pW and the Q value is at most 1000 (see Non-Patent Document 1). That is, according to the magnetic sensor element 10 according to the present embodiment, the magnetic sensor 100 with high sensitivity and high output can be realized.
１００…磁気センサ、１０，１０’…磁気センサ素子、１…磁化固定層、２…非磁性層、３，３’…磁化自由層、３Ａ…コア領域、３Ｂ…ボルテックス領域、４…下地層、４Ａ…第１下地層、４Ｂ…第２下地層、５…キャップ層、２０…電流源、３０…出力手段、３１…アンプ、３２…検出部、３３…バイアスティー、Ｃ…中心 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Magnetic sensor 10, 10 '... Magnetic sensor element, 1 ... Magnetization fixed layer, 2 ... Nonmagnetic layer, 3, 3' ... Magnetization free layer, 3A ... Core area | region, 3B ... Vortex area | region, 4 ... Underlayer, 4A ... 1st ground layer, 4B ... 2nd ground layer, 5 ... Cap layer, 20 ... Current source, 30 ... Output means, 31 ... Amplifier, 32 ... Detection part, 33 ... Bias tee, C ... Center
Claims (9)
前記磁化固定層の一面に積層された非磁性層と、
前記非磁性層の前記磁化固定層と反対側の面に積層された磁化自由層と、を備え、
前記磁化自由層は、ホイスラー合金を含み、駆動時にボルテックス磁気構造を形成する磁気センサ素子。 A magnetization fixed layer having uniaxial magnetic anisotropy;
A nonmagnetic layer laminated on one surface of the magnetization fixed layer;
A magnetization free layer laminated on a surface opposite to the magnetization fixed layer of the nonmagnetic layer,
The magnetic free layer includes a Heusler alloy and forms a vortex magnetic structure when driven.
前記磁気センサ素子の積層方向に電流を印加する電流源と、
前記磁気センサ素子における電圧変化を出力する出力手段と、を備える磁気センサ。 The magnetic sensor element according to any one of claims 1 to 8,
A current source for applying a current in the stacking direction of the magnetic sensor elements;
An output means for outputting a voltage change in the magnetic sensor element.
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