JP3035838B2 - 磁気抵抗複合素子 - Google Patents
磁気抵抗複合素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は磁気エンコーダ、磁気ヘ
ッド、磁気バブル検出器等の感磁部に適した磁気抵抗素
子に関する。更に詳しくは強磁性磁気抵抗効果と強磁性
トンネル接合による磁気抵抗効果を併用して磁気信号を
検出する磁気抵抗複合素子に関するものである。
ッド、磁気バブル検出器等の感磁部に適した磁気抵抗素
子に関する。更に詳しくは強磁性磁気抵抗効果と強磁性
トンネル接合による磁気抵抗効果を併用して磁気信号を
検出する磁気抵抗複合素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１０に示すように、この種の感磁部に
用いられる磁気抵抗素子１は、単層の磁気抵抗効果を有
する強磁性薄膜を一定幅のストライプ状に加工した後、
その長手方向（ｙ方向）の両端に電極２，３を形成して
作られる。電極２，３に一定の電流を流し、素子１の幅
方向（ｘ方向）に検出すべき磁場を与えたときの電極
２，３間の電圧に基づいて算出された抵抗値から磁場が
検出される。図１１に示すように、従来の磁気抵抗素子
は電流の流れる方向に直交する磁場の大きさによって抵
抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大２〜７％変化する特性を有
する。一方、２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を挟んで接
合した素子において、強磁性薄膜間に一定のトンネル電
流を流し、この状態で強磁性薄膜の膜面に平行に異なる
磁場を与えたときの抵抗の変化により、この素子に新し
い磁気抵抗効果があることが報告されている（S.Maekaw
a and U.Gafvert, IEEE Trans. Magn. MAG-18(1982) 70
7）。そしてこの報告に基づいて、磁性層に異方性的磁
気抵抗効果が小さく、強磁性トンネル効果を分離し易
い、Ｆｅ系合金を用いた磁気抵抗素子が提案されている
（中谷、北田；日本金属学会秋期大会公演概要, 364 (1
990)）。この磁気抵抗素子は、２層の磁性層の保磁力を
異なる値にするために、ＦｅにＣ及びＲｕをそれぞれ２
ａｔ％程度添加し、絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いる。
用いられる磁気抵抗素子１は、単層の磁気抵抗効果を有
する強磁性薄膜を一定幅のストライプ状に加工した後、
その長手方向（ｙ方向）の両端に電極２，３を形成して
作られる。電極２，３に一定の電流を流し、素子１の幅
方向（ｘ方向）に検出すべき磁場を与えたときの電極
２，３間の電圧に基づいて算出された抵抗値から磁場が
検出される。図１１に示すように、従来の磁気抵抗素子
は電流の流れる方向に直交する磁場の大きさによって抵
抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大２〜７％変化する特性を有
する。一方、２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を挟んで接
合した素子において、強磁性薄膜間に一定のトンネル電
流を流し、この状態で強磁性薄膜の膜面に平行に異なる
磁場を与えたときの抵抗の変化により、この素子に新し
い磁気抵抗効果があることが報告されている（S.Maekaw
a and U.Gafvert, IEEE Trans. Magn. MAG-18(1982) 70
7）。そしてこの報告に基づいて、磁性層に異方性的磁
気抵抗効果が小さく、強磁性トンネル効果を分離し易
い、Ｆｅ系合金を用いた磁気抵抗素子が提案されている
（中谷、北田；日本金属学会秋期大会公演概要, 364 (1
990)）。この磁気抵抗素子は、２層の磁性層の保磁力を
異なる値にするために、ＦｅにＣ及びＲｕをそれぞれ２
ａｔ％程度添加し、絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の強磁性
磁気抵抗素子は、図１１の磁気抵抗曲線Ａに示すように
弱磁場範囲Ｂにおける抵抗変化率の変化が小さく感度が
良くない不具合があった。また曲線Ａがゼロ磁場を中心
にしてほぼ左右対称であって、磁場方向に対する極性が
ないため、従来の磁気抵抗素子はその動作点をゼロ磁場
ではなく、図の矢印Ｃに示す付近に偏倚させて用いられ
る。この動作点を偏倚させるために従来より磁性膜の近
くにバイアス用の磁石を設けているが、この方法ではバ
イアス用磁石の分だけスペースを要し、構造が複雑化し
小型化できないとともにコスト高になる問題点があっ
た。また一般に磁気抵抗素子は実用上２％以上の抵抗変
化率を必要とするのに対して、後者の強磁性トンネル接
合による磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子は、磁気
抵抗効果が十分大きくないため、図１２に示すように室
温での抵抗変化率が高々１％程度と小さく実用的でなか
った。またこの素子は可逆的に特性が変化する磁場範囲
Ｄが狭く、磁気抵抗素子として安定して利用しにくい問
題点があった。
磁気抵抗素子は、図１１の磁気抵抗曲線Ａに示すように
弱磁場範囲Ｂにおける抵抗変化率の変化が小さく感度が
良くない不具合があった。また曲線Ａがゼロ磁場を中心
にしてほぼ左右対称であって、磁場方向に対する極性が
ないため、従来の磁気抵抗素子はその動作点をゼロ磁場
ではなく、図の矢印Ｃに示す付近に偏倚させて用いられ
る。この動作点を偏倚させるために従来より磁性膜の近
くにバイアス用の磁石を設けているが、この方法ではバ
イアス用磁石の分だけスペースを要し、構造が複雑化し
小型化できないとともにコスト高になる問題点があっ
た。また一般に磁気抵抗素子は実用上２％以上の抵抗変
化率を必要とするのに対して、後者の強磁性トンネル接
合による磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子は、磁気
抵抗効果が十分大きくないため、図１２に示すように室
温での抵抗変化率が高々１％程度と小さく実用的でなか
った。またこの素子は可逆的に特性が変化する磁場範囲
Ｄが狭く、磁気抵抗素子として安定して利用しにくい問
題点があった。
【０００４】本発明の目的は、室温における抵抗変化率
（ΔＲ／Ｒ）が２％以上であって電極を選択することに
より強磁場においてもまた弱磁場においても良好な感度
が得られる磁気抵抗複合素子を提供することにある。ま
た本発明の別の目的は、電極を選択することにより弱磁
場における磁場方向に対する極性を容易に検出でき、そ
の動作点を偏倚させる必要がなく、構造が簡単で小型化
し得る磁気抵抗複合素子を提供することにある。
（ΔＲ／Ｒ）が２％以上であって電極を選択することに
より強磁場においてもまた弱磁場においても良好な感度
が得られる磁気抵抗複合素子を提供することにある。ま
た本発明の別の目的は、電極を選択することにより弱磁
場における磁場方向に対する極性を容易に検出でき、そ
の動作点を偏倚させる必要がなく、構造が簡単で小型化
し得る磁気抵抗複合素子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】図１に示すように、本発
明は第１強磁性薄膜１１と第２強磁性薄膜１２とを薄い
絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接合し、これにより
生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の改
良である。その特徴ある構成は、前記第１及び第２強磁
性薄膜１１，１２はそれぞれストライプ状に形成され、
かつ両薄膜１１，１２の長手方向を互いに直交させてそ
れぞれの磁化容易軸Ｍ 1 ，Ｍ 2 が互いに直交するように両
薄膜１１，１２が薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟ん
で設けられ、第２強磁性薄膜１２はその磁化容易軸方向
の保磁力が第１強磁性薄膜１１の磁化容易軸方向の保磁
力より小さくかつ強磁性磁気抵抗効果を有し、第１強磁
性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄膜
に一定電流を流すための第１電極１４，１５がそれぞれ
設けられ、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜
１２の他端に両薄膜の強磁性トンネル接合による磁気抵
抗効果を検出するための第２電極１７，１８がそれぞれ
設けられ、第２強磁性薄膜１２の両端の電極１５，１７
が薄膜１２の強磁性磁気抵抗効果を検出するための第３
電極となるように構成されたことにある。
明は第１強磁性薄膜１１と第２強磁性薄膜１２とを薄い
絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接合し、これにより
生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の改
良である。その特徴ある構成は、前記第１及び第２強磁
性薄膜１１，１２はそれぞれストライプ状に形成され、
かつ両薄膜１１，１２の長手方向を互いに直交させてそ
れぞれの磁化容易軸Ｍ 1 ，Ｍ 2 が互いに直交するように両
薄膜１１，１２が薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟ん
で設けられ、第２強磁性薄膜１２はその磁化容易軸方向
の保磁力が第１強磁性薄膜１１の磁化容易軸方向の保磁
力より小さくかつ強磁性磁気抵抗効果を有し、第１強磁
性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄膜
に一定電流を流すための第１電極１４，１５がそれぞれ
設けられ、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜
１２の他端に両薄膜の強磁性トンネル接合による磁気抵
抗効果を検出するための第２電極１７，１８がそれぞれ
設けられ、第２強磁性薄膜１２の両端の電極１５，１７
が薄膜１２の強磁性磁気抵抗効果を検出するための第３
電極となるように構成されたことにある。
【０００６】以下、本発明を詳述する。図１に示すよう
に、本発明の磁気抵抗複合素子１０は、第１強磁性薄膜
１１と第２強磁性薄膜１２とは薄い絶縁層を含む非磁性
膜１３を挟んで接合される。これら２つの強磁性薄膜１
１，１２はそれぞれの磁化容易軸Ｍ1，Ｍ2が互いに直交
するように配置して設けられ、かつ第２強磁性薄膜１２
はその磁化容易軸方向の保磁力が第１強磁性薄膜１１の
磁化容易軸方向の保磁力より小さくかつ強磁性磁気抵抗
効果を有する。薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで
強磁性トンネル接合した強磁性薄膜１１及び１２の各一
端に電極１４及び１５がそれぞれ設けられ、各他端に電
極１８及び１７がそれぞれ設けられる。図２は磁気抵抗
複合素子１０の電気回路構成図であり、図３はその等価
回路である。図２において、薄膜１１のうち電極１８側
の薄膜及び薄膜１２のうち電極１７側の薄膜は電流が実
質的に流れないため、電圧は発生しないものとみなさ
れ、図３の回路が得られる。図１及び図３に示す電極１
４から電極１５に電流ｉを流し、両電極１７及び１５間
の電圧ＶIから薄膜１２の強磁性磁気抵抗効果を、また
両電極１８及び１７間の電圧ＶIIから両薄膜１１及び１
２の強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果をそれぞれ
検出する。電極１４から電極１５に流れるトンネル電流
は２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きの相互関係
によって異なり、磁化の向きが変わると抵抗値が変化す
る磁気抵抗効果が現れる。図４に薄膜１２の強磁性磁気
抵抗効果に基づいた磁気抵抗曲線を示し、図５に両薄膜
１１及び１２の強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果
に基づいた磁気抵抗曲線を示す。
に、本発明の磁気抵抗複合素子１０は、第１強磁性薄膜
１１と第２強磁性薄膜１２とは薄い絶縁層を含む非磁性
膜１３を挟んで接合される。これら２つの強磁性薄膜１
１，１２はそれぞれの磁化容易軸Ｍ1，Ｍ2が互いに直交
するように配置して設けられ、かつ第２強磁性薄膜１２
はその磁化容易軸方向の保磁力が第１強磁性薄膜１１の
磁化容易軸方向の保磁力より小さくかつ強磁性磁気抵抗
効果を有する。薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで
強磁性トンネル接合した強磁性薄膜１１及び１２の各一
端に電極１４及び１５がそれぞれ設けられ、各他端に電
極１８及び１７がそれぞれ設けられる。図２は磁気抵抗
複合素子１０の電気回路構成図であり、図３はその等価
回路である。図２において、薄膜１１のうち電極１８側
の薄膜及び薄膜１２のうち電極１７側の薄膜は電流が実
質的に流れないため、電圧は発生しないものとみなさ
れ、図３の回路が得られる。図１及び図３に示す電極１
４から電極１５に電流ｉを流し、両電極１７及び１５間
の電圧ＶIから薄膜１２の強磁性磁気抵抗効果を、また
両電極１８及び１７間の電圧ＶIIから両薄膜１１及び１
２の強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果をそれぞれ
検出する。電極１４から電極１５に流れるトンネル電流
は２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きの相互関係
によって異なり、磁化の向きが変わると抵抗値が変化す
る磁気抵抗効果が現れる。図４に薄膜１２の強磁性磁気
抵抗効果に基づいた磁気抵抗曲線を示し、図５に両薄膜
１１及び１２の強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果
に基づいた磁気抵抗曲線を示す。
【０００７】強磁性磁気抵抗効果と強磁性トンネル接合
による磁気抵抗効果について図６〜図８に基づいて説明
する。図６に示すように、ゼロ磁場（Ｈ＝０）で強磁性
薄膜１１，１２の磁化の向きが直交するときに電極１４
から電極１５に電流ｉを流したときの強磁性磁気抵抗効
果による抵抗値ＲIがＲI0（図４のＪ点）であって、強
磁性トンネル接合による磁気抵抗効果による抵抗値ＲII
がＲII0（図５のＳ点）であるとする。図７に示すよう
に、飽和磁場（Ｈ＝＋ＨK）で強磁性薄膜１１，１２の
磁化の向きがそれぞれ同一方向になると、強磁性磁気抵
抗効果による抵抗値ＲIは［ＲI0−ΔＲI］（図４のＫ
点）になり、強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果に
よる抵抗値ＲIIは［ＲII0−ΔＲII／２］（図５のＴ
点）となる。また図８に示すように、飽和磁場（Ｈ＝−
ＨK）で強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが互いに反
対方向になると、強磁性磁気抵抗効果による抵抗値ＲI
は［ＲI0−ΔＲI］（図４のＬ点）になり、強磁性トン
ネル接合による磁気抵抗効果による抵抗値は［ＲII0＋
ΔＲII／２］（図５のＵ点）となる。ここで飽和磁場と
は保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きが磁場方
向に一致するときの最小磁場をいう。この飽和磁場より
大きな磁場（Ｈ≦−ＨK又はＨ≧＋ＨK）になっても抵抗
値ＲI及びＲIIは変わらない。換言すれば、図５の符号
Ｅは磁場により抵抗変化率が変化する有効磁場範囲（−
ＨK≦Ｈ≦＋ＨK）を示し、符号Ｄは保磁力の小さな強磁
性薄膜１２の磁化の向きが変わり、かつ保磁力の大きな
強磁性薄膜１１の磁化の向きの変わらない外部磁場の範
囲であって、磁気抵抗素子として安定な磁場範囲を示
す。
による磁気抵抗効果について図６〜図８に基づいて説明
する。図６に示すように、ゼロ磁場（Ｈ＝０）で強磁性
薄膜１１，１２の磁化の向きが直交するときに電極１４
から電極１５に電流ｉを流したときの強磁性磁気抵抗効
果による抵抗値ＲIがＲI0（図４のＪ点）であって、強
磁性トンネル接合による磁気抵抗効果による抵抗値ＲII
がＲII0（図５のＳ点）であるとする。図７に示すよう
に、飽和磁場（Ｈ＝＋ＨK）で強磁性薄膜１１，１２の
磁化の向きがそれぞれ同一方向になると、強磁性磁気抵
抗効果による抵抗値ＲIは［ＲI0−ΔＲI］（図４のＫ
点）になり、強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果に
よる抵抗値ＲIIは［ＲII0−ΔＲII／２］（図５のＴ
点）となる。また図８に示すように、飽和磁場（Ｈ＝−
ＨK）で強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが互いに反
対方向になると、強磁性磁気抵抗効果による抵抗値ＲI
は［ＲI0−ΔＲI］（図４のＬ点）になり、強磁性トン
ネル接合による磁気抵抗効果による抵抗値は［ＲII0＋
ΔＲII／２］（図５のＵ点）となる。ここで飽和磁場と
は保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きが磁場方
向に一致するときの最小磁場をいう。この飽和磁場より
大きな磁場（Ｈ≦−ＨK又はＨ≧＋ＨK）になっても抵抗
値ＲI及びＲIIは変わらない。換言すれば、図５の符号
Ｅは磁場により抵抗変化率が変化する有効磁場範囲（−
ＨK≦Ｈ≦＋ＨK）を示し、符号Ｄは保磁力の小さな強磁
性薄膜１２の磁化の向きが変わり、かつ保磁力の大きな
強磁性薄膜１１の磁化の向きの変わらない外部磁場の範
囲であって、磁気抵抗素子として安定な磁場範囲を示
す。
【０００８】本発明の保磁力の小さい第２強磁性薄膜１
２は従来の強磁性の磁気抵抗効果を有する材料、即ち電
子と磁気モーメントとの相互作用の大きな材料により構
成される。例示すればＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素のうち少な
くとも２種以上含み、同時にＣｏ元素の含有量が４０ａ
ｔ％以下の強磁性材料が挙げられる。また保磁力が大き
い第１強磁性薄膜１１はＣｏを主成分とする材料により
構成される。例示すればＣｏ，Ｃｏ−Ｓｍ，Ｃｏ−Ｃｒ
−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｐｔ−Ｎｉ，Ｃｏ−Ｐｔ−
Ｖ等のＣｏ元素を２０ａｔ％以上含む強磁性材料が挙げ
られる。
２は従来の強磁性の磁気抵抗効果を有する材料、即ち電
子と磁気モーメントとの相互作用の大きな材料により構
成される。例示すればＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素のうち少な
くとも２種以上含み、同時にＣｏ元素の含有量が４０ａ
ｔ％以下の強磁性材料が挙げられる。また保磁力が大き
い第１強磁性薄膜１１はＣｏを主成分とする材料により
構成される。例示すればＣｏ，Ｃｏ−Ｓｍ，Ｃｏ−Ｃｒ
−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｐｔ−Ｎｉ，Ｃｏ−Ｐｔ−
Ｖ等のＣｏ元素を２０ａｔ％以上含む強磁性材料が挙げ
られる。
【０００９】強磁性薄膜１１及び１２に挟まれる層は、
数１０オングストローム程度の均一な絶縁層を含む非磁
性膜１３である。絶縁層としてはＡｌ2Ｏ3層、ＮｉＯ層
等が挙げられる。この層は電子がスピンを保持してトン
ネルするために非磁性でなければならない。非磁性膜の
全部が絶縁層であっても、その一部が絶縁層であっても
よい。一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることに
より、磁気抵抗効果を更に高めることができる。非磁性
膜の一部が絶縁層である例としては、Ａｌ膜の一部を酸
化させて形成されるＡｌ2Ｏ3層が挙げられる。
数１０オングストローム程度の均一な絶縁層を含む非磁
性膜１３である。絶縁層としてはＡｌ2Ｏ3層、ＮｉＯ層
等が挙げられる。この層は電子がスピンを保持してトン
ネルするために非磁性でなければならない。非磁性膜の
全部が絶縁層であっても、その一部が絶縁層であっても
よい。一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることに
より、磁気抵抗効果を更に高めることができる。非磁性
膜の一部が絶縁層である例としては、Ａｌ膜の一部を酸
化させて形成されるＡｌ2Ｏ3層が挙げられる。
【００１０】２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化容易軸
Ｍ1，Ｍ2を互いに直交させるための方法は、図１に示す
ように強磁性薄膜１１，１２をイオンビーム蒸着法、真
空蒸着法、スパッタリング蒸着法等により形成するとき
に、エッチングにより、或いは基板にマスクをかぶるこ
とにより、ストライプ状にかつこれらの長手方向が互い
に直交するように磁場中でそれぞれ形成し、着膜時の磁
場の方向を薄膜の長手方向にする。この方法で作られた
強磁性薄膜１１，１２は各磁化方向が安定な状態とな
り、電極１７，１８間の電圧に基づいて算出された抵抗
値から、図５に示すようなヒステリシス現象が殆どみら
れない磁気抵抗曲線となる。薄膜１１及び１２を作る順
序としては、図１に示すように、先ずガラス等の基板１
６上に第２強磁性薄膜１２をストライプ状にかつその長
手方向が磁化容易軸Ｍ2になるように形成し、第２強磁
性薄膜１２の中央部に薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を
着膜し、この非磁性膜１３上に第２強磁性薄膜１２と長
手方向同士が直交するように第１強磁性薄膜１１をスト
ライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ1になるよ
うに形成する。或いは第１強磁性薄膜１１を先に形成
し、次いで非磁性膜１３を形成し、最後に第２強磁性薄
膜１２を形成してもよい。
Ｍ1，Ｍ2を互いに直交させるための方法は、図１に示す
ように強磁性薄膜１１，１２をイオンビーム蒸着法、真
空蒸着法、スパッタリング蒸着法等により形成するとき
に、エッチングにより、或いは基板にマスクをかぶるこ
とにより、ストライプ状にかつこれらの長手方向が互い
に直交するように磁場中でそれぞれ形成し、着膜時の磁
場の方向を薄膜の長手方向にする。この方法で作られた
強磁性薄膜１１，１２は各磁化方向が安定な状態とな
り、電極１７，１８間の電圧に基づいて算出された抵抗
値から、図５に示すようなヒステリシス現象が殆どみら
れない磁気抵抗曲線となる。薄膜１１及び１２を作る順
序としては、図１に示すように、先ずガラス等の基板１
６上に第２強磁性薄膜１２をストライプ状にかつその長
手方向が磁化容易軸Ｍ2になるように形成し、第２強磁
性薄膜１２の中央部に薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を
着膜し、この非磁性膜１３上に第２強磁性薄膜１２と長
手方向同士が直交するように第１強磁性薄膜１１をスト
ライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ1になるよ
うに形成する。或いは第１強磁性薄膜１１を先に形成
し、次いで非磁性膜１３を形成し、最後に第２強磁性薄
膜１２を形成してもよい。
【００１１】また、２つの強磁性薄膜１１，１２間に生
じる磁気抵抗効果のみを有効に検出するために、第１強
磁性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄
膜に一定電流を流すための第１電極１４，１５をそれぞ
れ設け、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜１
２の他端に両薄膜間に印加された電圧を検出するための
第２電極１７，１８をそれぞれ設けることが好ましい。
更に強磁性薄膜１２の両端の電極１５及び１７を強磁性
磁気抵抗効果のみを有効に検出するための電極とするこ
とが好ましい。
じる磁気抵抗効果のみを有効に検出するために、第１強
磁性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄
膜に一定電流を流すための第１電極１４，１５をそれぞ
れ設け、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜１
２の他端に両薄膜間に印加された電圧を検出するための
第２電極１７，１８をそれぞれ設けることが好ましい。
更に強磁性薄膜１２の両端の電極１５及び１７を強磁性
磁気抵抗効果のみを有効に検出するための電極とするこ
とが好ましい。
【００１２】
【作用】第２強磁性薄膜１２として、電子と磁気モーメ
ントとの相互作用の大きなＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素を２種
以上含む合金を強磁性抵抗効果を有する材料に用いるこ
とにより、第一に電極１５及び１７で検出される抵抗変
化率（ΔＲI／ＲI）は図４に示すように２〜７％にな
る。また第二にこの薄膜における電子のスピンは上記磁
性原子の有する磁気モーメントとの相互作用を反映して
高まると推定される。強磁性トンネル効果は電子がスピ
ンを保持して絶縁層をトンネルすることにより生じる現
象であるため、高められた電子のスピンにより強磁性ト
ンネル効果は顕著に現れ、電極１７及び１８で検出され
る抵抗変化率（ΔＲII／ＲII）は図５に示すように従来
の２倍以上の２〜３％の実用域まで向上する。また第１
強磁性薄膜１１として、Ｃｏを主成分とする保磁力の大
きな材料を用いて、両薄膜１１及び１２の磁化容易軸方
向の保磁力を２倍以上異ならせるようにすれば、図５の
磁気抵抗曲線に示すように有効磁場範囲Ｅの２倍以上の
安定な磁場範囲Ｄが室温において得られる。
ントとの相互作用の大きなＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素を２種
以上含む合金を強磁性抵抗効果を有する材料に用いるこ
とにより、第一に電極１５及び１７で検出される抵抗変
化率（ΔＲI／ＲI）は図４に示すように２〜７％にな
る。また第二にこの薄膜における電子のスピンは上記磁
性原子の有する磁気モーメントとの相互作用を反映して
高まると推定される。強磁性トンネル効果は電子がスピ
ンを保持して絶縁層をトンネルすることにより生じる現
象であるため、高められた電子のスピンにより強磁性ト
ンネル効果は顕著に現れ、電極１７及び１８で検出され
る抵抗変化率（ΔＲII／ＲII）は図５に示すように従来
の２倍以上の２〜３％の実用域まで向上する。また第１
強磁性薄膜１１として、Ｃｏを主成分とする保磁力の大
きな材料を用いて、両薄膜１１及び１２の磁化容易軸方
向の保磁力を２倍以上異ならせるようにすれば、図５の
磁気抵抗曲線に示すように有効磁場範囲Ｅの２倍以上の
安定な磁場範囲Ｄが室温において得られる。
【００１３】更に図１及び図３に示す電極１８及び１５
で電圧を検出するようにすれば、薄膜１１，１２及び非
磁性膜１３の各抵抗値に応じて、図９に示すように主と
して一方極性のみ出力が現れる磁気抵抗複合素子が得ら
れる。
で電圧を検出するようにすれば、薄膜１１，１２及び非
磁性膜１３の各抵抗値に応じて、図９に示すように主と
して一方極性のみ出力が現れる磁気抵抗複合素子が得ら
れる。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、強磁性トンネル接合
を利用した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）が最も高くて１％であったものが、本発明の磁気抵
抗複合素子によれば電極１７及び１８を用いて室温にお
いて２％以上の実用域の抵抗変化率が得られ、しかも一
方の強磁性薄膜にＣｏを主成分とする保磁力の大きな材
料を用いて、他方の強磁性薄膜の保磁力を小さくするこ
とにより、広くて安定した有効磁場範囲が室温において
得られる。特に、本発明の磁気抵抗複合素子は電極１７
及び１８では弱磁場において、また電極１７及び１５で
は強磁場において、それぞれ抵抗変化率の変化が大きい
ため、利用する磁場の程度により電極を選択することに
より、磁場の変化を感度よく検出することができる。弱
磁場における感度が高いことから、従来の磁気抵抗素子
と異なり動作点を偏倚させるために磁石を用いてバイア
ス磁場を与える必要がなく、構造が簡単で小型化し得る
利点がある。これにより、磁気エンコーダ、磁気ヘッ
ド、磁気バブル検出器等の磁気を検出する素子として好
適に利用することができる。
を利用した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）が最も高くて１％であったものが、本発明の磁気抵
抗複合素子によれば電極１７及び１８を用いて室温にお
いて２％以上の実用域の抵抗変化率が得られ、しかも一
方の強磁性薄膜にＣｏを主成分とする保磁力の大きな材
料を用いて、他方の強磁性薄膜の保磁力を小さくするこ
とにより、広くて安定した有効磁場範囲が室温において
得られる。特に、本発明の磁気抵抗複合素子は電極１７
及び１８では弱磁場において、また電極１７及び１５で
は強磁場において、それぞれ抵抗変化率の変化が大きい
ため、利用する磁場の程度により電極を選択することに
より、磁場の変化を感度よく検出することができる。弱
磁場における感度が高いことから、従来の磁気抵抗素子
と異なり動作点を偏倚させるために磁石を用いてバイア
ス磁場を与える必要がなく、構造が簡単で小型化し得る
利点がある。これにより、磁気エンコーダ、磁気ヘッ
ド、磁気バブル検出器等の磁気を検出する素子として好
適に利用することができる。
【００１５】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。図１に示す
ように、ガラス基板１６の上に真空蒸着法により厚さが
１００ｎｍのパーマロイ薄膜（８２ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ）
１２を作製した。これをエッチングにより幅１ｍｍ、長
さ１８ｍｍのストライプ状に形成した。その際磁場を与
えて磁化容易軸Ｍ2がストライプの長手方向になるよう
にした。次いでこのパーマロイ薄膜１２の中心部に厚さ
１５ｎｍで直径２．５ｍｍのアルミニウム膜１３を真空
蒸着により着膜させた。このアルミニウム膜１３を空気
中に３０時間放置して表面を酸化させ、薄いＡｌ2Ｏ3か
らなる絶縁層を形成した。更にこのＡｌ−Ａｌ2Ｏ3層の
上にパーマロイ膜と長手方向同士が直交するように、厚
さが１００ｎｍで幅１ｍｍ、長さ１８ｍｍのストライプ
状のＣｏ膜１１を形成した。このときのＣｏ膜の磁化容
易軸Ｍ1はストライプの長手方向となるようにした。Ｃ
ｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２の各一端に電極１４及び
１５を設け、それぞれの他端に電極１７及び１８を設け
て磁気抵抗複合素子１０を得た。
ように、ガラス基板１６の上に真空蒸着法により厚さが
１００ｎｍのパーマロイ薄膜（８２ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ）
１２を作製した。これをエッチングにより幅１ｍｍ、長
さ１８ｍｍのストライプ状に形成した。その際磁場を与
えて磁化容易軸Ｍ2がストライプの長手方向になるよう
にした。次いでこのパーマロイ薄膜１２の中心部に厚さ
１５ｎｍで直径２．５ｍｍのアルミニウム膜１３を真空
蒸着により着膜させた。このアルミニウム膜１３を空気
中に３０時間放置して表面を酸化させ、薄いＡｌ2Ｏ3か
らなる絶縁層を形成した。更にこのＡｌ−Ａｌ2Ｏ3層の
上にパーマロイ膜と長手方向同士が直交するように、厚
さが１００ｎｍで幅１ｍｍ、長さ１８ｍｍのストライプ
状のＣｏ膜１１を形成した。このときのＣｏ膜の磁化容
易軸Ｍ1はストライプの長手方向となるようにした。Ｃ
ｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２の各一端に電極１４及び
１５を設け、それぞれの他端に電極１７及び１８を設け
て磁気抵抗複合素子１０を得た。
【００１６】温度２５℃において、基板１６の表面に平
行にかつ磁化容易軸Ｍ1に対して角度θだけ転向して磁
場Ｈを磁気抵抗複合素子１０に与え、電極１４から電極
１５に一定電流を流し、電極１７及び１５によりパーマ
ロイ薄膜１２間の電圧を測定し、同時に電極１７及び１
８によりＣｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２間の電圧を測
定した。この電流値と電圧値より素子１０の抵抗を算出
した。磁場Ｈの強さを変えたときの前者の抵抗変化率
（ΔＲI／ＲI）はθ＝０において最大の７％になり、後
者の抵抗変化率（ΔＲII／ＲII）は同様にθ＝０におい
て最大の２．７％の極めて高い値になった。図５の範囲
Ｅが磁場によりΔＲII／ＲIIが変化する有効磁場範囲で
あり、範囲Ｄが保磁力の大きなＣｏ膜がその磁化の向き
を変えない磁気抵抗素子として安定な磁場範囲である。
範囲Ｄを越えた磁場が磁気抵抗複合素子に与えられる
と、Ｃｏ膜の磁化は磁場方向に向くようになり、ΔＲII
／ＲIIの値は小さくなる。
行にかつ磁化容易軸Ｍ1に対して角度θだけ転向して磁
場Ｈを磁気抵抗複合素子１０に与え、電極１４から電極
１５に一定電流を流し、電極１７及び１５によりパーマ
ロイ薄膜１２間の電圧を測定し、同時に電極１７及び１
８によりＣｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２間の電圧を測
定した。この電流値と電圧値より素子１０の抵抗を算出
した。磁場Ｈの強さを変えたときの前者の抵抗変化率
（ΔＲI／ＲI）はθ＝０において最大の７％になり、後
者の抵抗変化率（ΔＲII／ＲII）は同様にθ＝０におい
て最大の２．７％の極めて高い値になった。図５の範囲
Ｅが磁場によりΔＲII／ＲIIが変化する有効磁場範囲で
あり、範囲Ｄが保磁力の大きなＣｏ膜がその磁化の向き
を変えない磁気抵抗素子として安定な磁場範囲である。
範囲Ｄを越えた磁場が磁気抵抗複合素子に与えられる
と、Ｃｏ膜の磁化は磁場方向に向くようになり、ΔＲII
／ＲIIの値は小さくなる。
【００１７】図５に示すように、この安定な磁場範囲Ｄ
でΔＲII／ＲIIを測定してみたところ、この磁気抵抗曲
線からこの素子１０は弱磁場での感度が高く、しかも曲
線はゼロ磁場に関して非対称であるため、特別にバイア
ス磁場を与えなくても磁場Ｈの方向を検出することがで
きた。
でΔＲII／ＲIIを測定してみたところ、この磁気抵抗曲
線からこの素子１０は弱磁場での感度が高く、しかも曲
線はゼロ磁場に関して非対称であるため、特別にバイア
ス磁場を与えなくても磁場Ｈの方向を検出することがで
きた。
【図１】本発明実施例の磁気抵抗複合素子の斜視図。
【図２】本発明の磁気抵抗複合素子の電気回路構成図。
【図３】その等価回路構成図。
【図４】その第２強磁性薄膜の強磁性磁気抵抗曲線図。
【図５】その第１及び第２強磁性薄膜の強磁性トンネル
接合による強磁性磁気抵抗曲線図。
接合による強磁性磁気抵抗曲線図。
【図６】その磁気抵抗複合素子の各磁化の向きが互いに
直交する状態を示す要部平面図。
直交する状態を示す要部平面図。
【図７】同じく磁化の向きが互いに同一方向の状態を示
す要部平面図。
す要部平面図。
【図８】同じく磁化の向きが互いに反対方向の状態を示
す要部平面図。
す要部平面図。
【図９】その電極１８及び１５により検出される磁気抵
抗曲線図。
抗曲線図。
【図１０】従来例の強磁性磁気抵抗効果を利用した磁気
抵抗素子の斜視図。
抵抗素子の斜視図。
【図１１】その磁気抵抗曲線。
【図１２】従来例の強磁性トンネル接合を利用した磁気
抵抗素子の磁気抵抗曲線。
抵抗素子の磁気抵抗曲線。
【符号の説明】 １０ 磁気抵抗複合素子 １１ 第１強磁性薄膜 １２ 第２強磁性薄膜 １３ 非磁性膜 １４，１５ 第１電極 １６ 基板 １７，１８ 第２電極 １５，１７ 第３電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 43/00 - 43/14
Claims (7)
- 【請求項１】 第１強磁性薄膜(11)と第２強磁性薄膜(1
2)とを薄い絶縁層を含む非磁性膜(13)を挟んで接合し、
これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵
抗素子において、 前記第１及び第２強磁性薄膜(11,12)はそれぞれストラ
イプ状に形成され、かつ両薄膜(11,12)の長手方向を互
いに直交させてそれぞれの磁化容易軸(M 1 ,M 2 )が互いに
直交するように両薄膜(11,12)が薄い絶縁層を含む非磁
性膜(13)を挟んで設けられ、 前記第２強磁性薄膜(12)はその磁化容易軸方向の保磁力
が前記第１強磁性薄膜(11)の磁化容易軸方向の保磁力よ
り小さくかつ強磁性磁気抵抗効果を有し、 前記第１強磁性薄膜(11)の一端と前記第２強磁性薄膜(1
2)の一端に両薄膜に一定電流を流すための第１電極(14,
15)がそれぞれ設けられ、 前記第１強磁性薄膜(11)の他端と前記第２強磁性薄膜(1
2)の他端に両薄膜の強磁性トンネル接合による磁気抵抗
効果を検出するための第２電極(17,18)がそれぞれ設け
られ、 前記第２強磁性薄膜(12)の両端の前記電極(15,17)が薄
膜(12)の強磁性磁気抵抗効果を検出するための第３電極
となるように構成された ことを特徴とする磁気抵抗複合
素子。 - 【請求項２】 第１強磁性薄膜(11)の磁化容易軸方向の
保磁力が第２強磁性薄膜(12)の磁化容易軸方向の保磁力
より２倍以上大きい請求項１記載の磁気抵抗複合素子。 - 【請求項３】 第１強磁性薄膜(11)がＣｏ元素を２０ａ
ｔ％以上含む強磁性材料により構成され、第２強磁性薄
膜(12)がＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ元素のうち少なくとも２種以
上含みＣｏ元素の含有量が４０ａｔ％以下の強磁性材料
により構成された請求項１記載の磁気抵抗複合素子。 - 【請求項４】 非磁性膜(13)の全部が絶縁層である請求
項１記載の磁気抵抗複合素子。 - 【請求項５】 非磁性膜(13)の一部が絶縁層である請求
項１記載の磁気抵抗複合素子。 - 【請求項６】 非磁性膜(13)がＡｌ層と絶縁層のＡｌ2
Ｏ3層により構成された請求項４記載の磁気抵抗複合素
子。 - 【請求項７】 絶縁層のＡｌ2Ｏ3層がＡｌ層の表面を酸
化させて形成された請求項６記載の磁気抵抗複合素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3244448A JP3035838B2 (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 磁気抵抗複合素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3244448A JP3035838B2 (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 磁気抵抗複合素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0563254A JPH0563254A (ja) | 1993-03-12 |
| JP3035838B2 true JP3035838B2 (ja) | 2000-04-24 |
Family
ID=17118806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3244448A Expired - Lifetime JP3035838B2 (ja) | 1991-08-29 | 1991-08-29 | 磁気抵抗複合素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3035838B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6124711A (en) * | 1996-01-19 | 2000-09-26 | Fujitsu Limited | Magnetic sensor using tunnel resistance to detect an external magnetic field |
| JPH11134620A (ja) | 1997-10-30 | 1999-05-21 | Nec Corp | 強磁性トンネル接合素子センサ及びその製造方法 |
| JPH11175920A (ja) | 1997-12-05 | 1999-07-02 | Nec Corp | 磁気抵抗効果型複合ヘッドおよびその製造方法 |
| JP3153167B2 (ja) | 1997-12-12 | 2001-04-03 | 日本電気株式会社 | 強磁性トンネル接合素子の製造方法 |
| JP4614212B2 (ja) * | 1998-07-17 | 2011-01-19 | ヤマハ株式会社 | 磁気トンネル接合素子の製造方法 |
| US6452204B1 (en) | 1998-12-08 | 2002-09-17 | Nec Corporation | Tunneling magnetoresistance transducer and method for manufacturing the same |
| KR100707170B1 (ko) * | 2004-08-23 | 2007-04-13 | 삼성전자주식회사 | 균일한 스위칭 특성을 가지며 저 전류 스위칭이 가능한자기 메모리 소자 및 그 동작방법 |
-
1991
- 1991-08-29 JP JP3244448A patent/JP3035838B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0563254A (ja) | 1993-03-12 |
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