JP3100714B2 - 磁性積層体および磁気抵抗効果素子 - Google Patents
磁性積層体および磁気抵抗効果素子Info
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- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/002—Antiferromagnetic thin films, i.e. films exhibiting a Néel transition temperature
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
- H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、磁性積層体と、それを
用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）とに関する。
用いた磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）とに関する。
【０００２】
【従来の技術】各種磁気センサ（ＭＲセンサ）や磁気ヘ
ッド（ＭＲヘッド）などのＭＲ素子は、磁界による磁性
膜の電気抵抗変化を検出して磁界強度やその変化を測定
するものであり、一般に、室温における磁気抵抗変化率
が大きく、動作磁界強度が小さいことが要求される。
ッド（ＭＲヘッド）などのＭＲ素子は、磁界による磁性
膜の電気抵抗変化を検出して磁界強度やその変化を測定
するものであり、一般に、室温における磁気抵抗変化率
が大きく、動作磁界強度が小さいことが要求される。
【０００３】ＭＲ素子の磁性膜としては、従来、異方性
磁気抵抗効果を利用するＦｅ−Ｎｉ合金（パーマロイ）
やＮｉ−Ｃｏ合金が代表的に用いられている。しかし、
Ｆｅ−Ｎｉ合金やＮｉ−Ｃｏ合金では、動作磁界強度は
小さいが、縦磁気抵抗変化と横磁気抵抗変化との差、す
なわち異方性磁気抵抗効果が２％と小さい。
磁気抵抗効果を利用するＦｅ−Ｎｉ合金（パーマロイ）
やＮｉ−Ｃｏ合金が代表的に用いられている。しかし、
Ｆｅ−Ｎｉ合金やＮｉ−Ｃｏ合金では、動作磁界強度は
小さいが、縦磁気抵抗変化と横磁気抵抗変化との差、す
なわち異方性磁気抵抗効果が２％と小さい。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、磁気抵抗変化率が大きく、しかも動作磁界強度を小
さくでき、また動作磁界強度を変化させることのできる
磁性積層体と、この積層体を用いた磁気抵抗効果素子と
を提供することにある。
は、磁気抵抗変化率が大きく、しかも動作磁界強度を小
さくでき、また動作磁界強度を変化させることのできる
磁性積層体と、この積層体を用いた磁気抵抗効果素子と
を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（７）の本発明により達成される。 （１） ＮｉxＦｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組成の磁
性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されており、面内に磁化容
易軸をもち、面内の角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．５以下であ
ることを特徴とする磁性積層体。
（１）〜（７）の本発明により達成される。 （１） ＮｉxＦｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組成の磁
性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されており、面内に磁化容
易軸をもち、面内の角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．５以下であ
ることを特徴とする磁性積層体。
【０００６】（２） ＮｉxＦｅ1-x （０．５≦ｘ＜
１）の組成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されてお
り、反強磁性を示すことを特徴とする磁性積層体。
１）の組成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されてお
り、反強磁性を示すことを特徴とする磁性積層体。
【０００７】（３） 前記磁性薄膜およびＣｕ薄膜が分
子線エピタキシー法により形成されている上記（１）ま
たは（２）に記載の磁性積層体。
子線エピタキシー法により形成されている上記（１）ま
たは（２）に記載の磁性積層体。
【０００８】（４） ４〜２０A の厚さのＮｉxＦｅ1-x
（０．５≦ｘ＜１）の組成の磁性薄膜と、２〜６０A
の厚さのＣｕ薄膜とを分子線エピタキシー法によって積
層したことを特徴とする磁性積層体。
（０．５≦ｘ＜１）の組成の磁性薄膜と、２〜６０A
の厚さのＣｕ薄膜とを分子線エピタキシー法によって積
層したことを特徴とする磁性積層体。
【０００９】（５） 面内に磁化容易軸をもち、面内の
角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．５以下である上記（４）に記載
の磁性積層体。
角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．５以下である上記（４）に記載
の磁性積層体。
【００１０】（６） 反強磁性を示す上記（４）に記載
の磁性積層体。
の磁性積層体。
【００１１】（７） 上記（１）ないし（６）のいずれ
かに記載の磁性積層体を有する磁気抵抗効果素子。
かに記載の磁性積層体を有する磁気抵抗効果素子。
【００１２】なお、近年、薄膜技術の進歩により、分子
線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いた人工格子が登場し
ている。この人工格子は、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法を用いた金属の原子オーダーの厚さの薄膜が周期
的に積層された構成をもち、バルク状の金属とは異なっ
た特性を示す。
線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いた人工格子が登場し
ている。この人工格子は、分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）法を用いた金属の原子オーダーの厚さの薄膜が周期
的に積層された構成をもち、バルク状の金属とは異なっ
た特性を示す。
【００１３】このような人工格子の１つとして、Ｆｅと
Ｃｒを交互に積層したＦｅ／Ｃｒ系磁性積層体の巨大磁
気抵抗変化材料が開発されている。このものでは、Ｃｒ
薄膜をはさんだＦｅ薄膜が、反平行に磁気的に結合して
いる。そして、外部磁場により、このＦｅのスピンが一
方向に揃いだし、それに従い抵抗が減少していく。この
結果４．２Ｋで４６％、室温で１６％の巨大な磁気抵抗
変化を示す（PhysicalReview Letters ６１巻、２４７
２ページ、１９８８年等）。
Ｃｒを交互に積層したＦｅ／Ｃｒ系磁性積層体の巨大磁
気抵抗変化材料が開発されている。このものでは、Ｃｒ
薄膜をはさんだＦｅ薄膜が、反平行に磁気的に結合して
いる。そして、外部磁場により、このＦｅのスピンが一
方向に揃いだし、それに従い抵抗が減少していく。この
結果４．２Ｋで４６％、室温で１６％の巨大な磁気抵抗
変化を示す（PhysicalReview Letters ６１巻、２４７
２ページ、１９８８年等）。
【００１４】しかし、Ｆｅ／Ｃｒ系磁性積層体は、磁気
抵抗変化率（ＭＲ変化率）は大きいものの動作磁界強度
が２０ｋＯｅ程度と極めて大きく、ＭＲ素子としては実
用上の制約がある。
抵抗変化率（ＭＲ変化率）は大きいものの動作磁界強度
が２０ｋＯｅ程度と極めて大きく、ＭＲ素子としては実
用上の制約がある。
【００１５】このような反強磁性を示す人工格子磁性積
層体については、その後世界中で活発な研究開発が開始
されており、現在までに、Ｃｏ／Ｃｒ系、Ｃｏ／Ｒｕ系
磁性積層体で、反強磁性的なスピンの層間結合が発見さ
れている（Physical ReviewLetters ６４巻、２３０４
ページ、１９９０年）。しかし、ＭＲ変化率は、Ｃｏ／
Ｃｒ系で６．５％（４．５Ｋ）、Ｃｏ／Ｒｕ系で６．５
％（４．５Ｋ）ときわめて小さな値である。
層体については、その後世界中で活発な研究開発が開始
されており、現在までに、Ｃｏ／Ｃｒ系、Ｃｏ／Ｒｕ系
磁性積層体で、反強磁性的なスピンの層間結合が発見さ
れている（Physical ReviewLetters ６４巻、２３０４
ページ、１９９０年）。しかし、ＭＲ変化率は、Ｃｏ／
Ｃｒ系で６．５％（４．５Ｋ）、Ｃｏ／Ｒｕ系で６．５
％（４．５Ｋ）ときわめて小さな値である。
【００１６】また、ＣｏとＣｕを交互に積層したＣｏ／
Ｃｕ系磁性積層体の巨大磁気抵抗変化材料が開示されて
いる［D.H.Mosca, et al.,J. Magnetism and Magnetic
Material, vol.94 (1991), L1］。そして、このもの
は、層間でＣｏが反強磁性的結合をしていると考えら
れ、上記のＦｅ／Ｃｒ系磁性積層体と同様のメカニズム
で、４．２Ｋで７８％、室温で４８％の巨大な磁気抵抗
を示すことも記載されている。
Ｃｕ系磁性積層体の巨大磁気抵抗変化材料が開示されて
いる［D.H.Mosca, et al.,J. Magnetism and Magnetic
Material, vol.94 (1991), L1］。そして、このもの
は、層間でＣｏが反強磁性的結合をしていると考えら
れ、上記のＦｅ／Ｃｒ系磁性積層体と同様のメカニズム
で、４．２Ｋで７８％、室温で４８％の巨大な磁気抵抗
を示すことも記載されている。
【００１７】さらに、ＣｏおよびＦｅと、Ｃｕを交互に
積層したＣｏ−Ｆｅ／Ｃｕ系磁性積層体の巨大磁気抵抗
変化材料が開示されている［Saito, et al., J.J.A.P.,
vol.30(1991), L1733］。このものも、反強磁性的結合
に基づき、磁気抵抗変化を示すと考えられ、その変化
は、室温で４０％程度の大きなものであることが示され
ている。
積層したＣｏ−Ｆｅ／Ｃｕ系磁性積層体の巨大磁気抵抗
変化材料が開示されている［Saito, et al., J.J.A.P.,
vol.30(1991), L1733］。このものも、反強磁性的結合
に基づき、磁気抵抗変化を示すと考えられ、その変化
は、室温で４０％程度の大きなものであることが示され
ている。
【００１８】しかし、Ｃｏ／Ｃｕ系やＣｏ−Ｆｅ／Ｃｕ
系の磁性積層体は、上記のように、磁気抵抗変化率は大
きいものの、いずれもイオンビームスパッタ法により作
製されている。イオンビームスパッタ法では、被着され
る粒子をもつ運動エネルギーが数十〜数百eVと高いた
め、界面において各々の元素が相互拡散を起こし組成の
分布が生じてしまう。その結果、異種元素が直接接する
ことによって生じると考えられる人工格子本来の特異な
特性が得られにくくなってしまう。
系の磁性積層体は、上記のように、磁気抵抗変化率は大
きいものの、いずれもイオンビームスパッタ法により作
製されている。イオンビームスパッタ法では、被着され
る粒子をもつ運動エネルギーが数十〜数百eVと高いた
め、界面において各々の元素が相互拡散を起こし組成の
分布が生じてしまう。その結果、異種元素が直接接する
ことによって生じると考えられる人工格子本来の特異な
特性が得られにくくなってしまう。
【００１９】しかしながら、Ｆｅ−Ｎｉパーマロイ系合
金を用いた磁性積層体の反強磁性結合については従来知
られていない。
金を用いた磁性積層体の反強磁性結合については従来知
られていない。
【００２０】
【具体的構成】以下、本発明の具体的構成を詳細に説明
する。
する。
【００２１】本発明の磁性積層体は、基体上に、Ｎｉx
Ｆｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組成の磁性薄膜を有し、
各磁性薄膜は、非磁性中間層であるＣｕ薄膜と交互に積
層されている。本発明における磁性薄膜は、上記のよう
に、パーマロイ合金組成を有するものであり、Ｎｉおよ
びＦｅの両方を含有する。そして、ｘは、０．５≦ｘ＜
１、特に０．７≦ｘ≦０．９の関係を満足することが好
ましい。このような組成とすることにより、結晶磁気異
方性が小さくなって等方的になり、磁性積層体としたと
き層間の反強磁性的結合が結晶磁気異方性に比べて相対
的に大きくなり、このような反強磁性に基づく磁気抵抗
変化（ＭＲ変化）が大きくなる。すなわち、ＭＲ素子と
したときの感度上昇の効果が得られる。これに対し、ｘ
が０．５未満となると、Ｆｅの割合が大となり結晶磁気
異方性が大きくなって反強磁性が十分に得られなくな
り、十分な磁気抵抗変化（ＭＲ変化）を示さなくなる。
また、ｘ＝１ではＮｉのみとなり、人工格子構造をとっ
た場合においてはＮｉがキュリー温度の低下により十分
な磁化を示さなくなり、ＭＲ変化は極端に減少する。
Ｆｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組成の磁性薄膜を有し、
各磁性薄膜は、非磁性中間層であるＣｕ薄膜と交互に積
層されている。本発明における磁性薄膜は、上記のよう
に、パーマロイ合金組成を有するものであり、Ｎｉおよ
びＦｅの両方を含有する。そして、ｘは、０．５≦ｘ＜
１、特に０．７≦ｘ≦０．９の関係を満足することが好
ましい。このような組成とすることにより、結晶磁気異
方性が小さくなって等方的になり、磁性積層体としたと
き層間の反強磁性的結合が結晶磁気異方性に比べて相対
的に大きくなり、このような反強磁性に基づく磁気抵抗
変化（ＭＲ変化）が大きくなる。すなわち、ＭＲ素子と
したときの感度上昇の効果が得られる。これに対し、ｘ
が０．５未満となると、Ｆｅの割合が大となり結晶磁気
異方性が大きくなって反強磁性が十分に得られなくな
り、十分な磁気抵抗変化（ＭＲ変化）を示さなくなる。
また、ｘ＝１ではＮｉのみとなり、人工格子構造をとっ
た場合においてはＮｉがキュリー温度の低下により十分
な磁化を示さなくなり、ＭＲ変化は極端に減少する。
【００２２】磁性薄膜の厚さは４〜２０A 、好ましくは
６〜１２A とするのがよい。厚さが大きくなりすぎる
と、層間の磁性元素間の距離が相対的に遠くなり、反強
磁性的結合がなくなり、巨大磁気抵抗変化が示されなく
なってくる。これに対し、磁性薄膜の厚さが小さすぎる
と、形成面内に磁性元素が連続して配列しなくなり、強
磁性を示さなくなる。
６〜１２A とするのがよい。厚さが大きくなりすぎる
と、層間の磁性元素間の距離が相対的に遠くなり、反強
磁性的結合がなくなり、巨大磁気抵抗変化が示されなく
なってくる。これに対し、磁性薄膜の厚さが小さすぎる
と、形成面内に磁性元素が連続して配列しなくなり、強
磁性を示さなくなる。
【００２３】Ｃｕ薄膜は、Ｃｕのみから形成されること
が好ましく、その厚さは６０A 以下、特に５０A 以下、
より好ましくは４５A 以下とすることが好ましい。膜厚
が大きくなると、磁性薄膜間の距離が大きくなり、反強
磁性的結合が失われてくる。また、Ｃｕ薄膜の厚さは、
２A 以上とすることが好ましい。膜厚が小さくなると、
連続膜とならず、非磁性中間層の機能が失われてくる。
が好ましく、その厚さは６０A 以下、特に５０A 以下、
より好ましくは４５A 以下とすることが好ましい。膜厚
が大きくなると、磁性薄膜間の距離が大きくなり、反強
磁性的結合が失われてくる。また、Ｃｕ薄膜の厚さは、
２A 以上とすることが好ましい。膜厚が小さくなると、
連続膜とならず、非磁性中間層の機能が失われてくる。
【００２４】このような場合、本発明の磁性積層体で
は、磁性層のくり返し周期、とりわけＣｕ薄膜の膜厚変
化によって、磁気交換結合エネルギーが周期的に振動し
つつ変化する。より具体的には、主にＣｕ薄膜の膜厚に
よる振動型磁気結合によって、Ｃｕ薄膜の膜厚を２〜６
０A の範囲で変化させると、飽和印加磁界Ｈｓａｔが周
期的に変化する。Ｈｓａｔは、１kOe 〜１０kOeの範囲
にて周期的に変化し、しかもＨｓａｔの極大値および極
小値も変化する。この際、磁気抵抗変化率も周期的に変
化し、振動するが、室温にて４％をこえる磁気抵抗変化
率が得られるＣｕ薄膜膜厚領域が存在する。
は、磁性層のくり返し周期、とりわけＣｕ薄膜の膜厚変
化によって、磁気交換結合エネルギーが周期的に振動し
つつ変化する。より具体的には、主にＣｕ薄膜の膜厚に
よる振動型磁気結合によって、Ｃｕ薄膜の膜厚を２〜６
０A の範囲で変化させると、飽和印加磁界Ｈｓａｔが周
期的に変化する。Ｈｓａｔは、１kOe 〜１０kOeの範囲
にて周期的に変化し、しかもＨｓａｔの極大値および極
小値も変化する。この際、磁気抵抗変化率も周期的に変
化し、振動するが、室温にて４％をこえる磁気抵抗変化
率が得られるＣｕ薄膜膜厚領域が存在する。
【００２５】この結果、２〜６０A の範囲にてＣｕ薄膜
の厚さを選択することにより、動作磁界強度０．０１〜
２０kOe にて、室温にて１〜８％の磁気抵抗変化率をも
つ磁性積層体を自由に設計することができる。
の厚さを選択することにより、動作磁界強度０．０１〜
２０kOe にて、室温にて１〜８％の磁気抵抗変化率をも
つ磁性積層体を自由に設計することができる。
【００２６】なお、磁性薄膜やＣｕ薄膜の厚さは、透過
型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光分
析等により測定することができ、また、その結晶構造等
はＸ線回折や高速反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）等によ
り確認することができる。
型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光分
析等により測定することができ、また、その結晶構造等
はＸ線回折や高速反射電子線回折（ＲＨＥＥＤ）等によ
り確認することができる。
【００２７】また、膜組成の分析は、Ｘ線マイクロアナ
リシス（ＥＰＭＡ）や螢光Ｘ線分析（ＩＣＰ）等により
行なうことができる。
リシス（ＥＰＭＡ）や螢光Ｘ線分析（ＩＣＰ）等により
行なうことができる。
【００２８】本発明の磁性積層体において、磁性薄膜の
積層数および磁性薄膜／Ｃｕ薄膜ユニットのくり返し回
数に特に制限はなく、目的とする磁気抵抗変化率等に応
じて適宜選定すればよいが、十分な磁気抵抗変化率を得
るためには、くり返し回数を２回以上、特に８回以上と
することが好ましい。くり返し回数が多いほど自由電子
が散乱される割合が多くなり好ましい。また、くり返し
回数をあまりに多くすると膜質の劣化が大きくなり、特
性の向上が望めなくなるので、５００回以下、特に２０
０回以下とすることが好ましい。なお、長周期構造は、
小角Ｘ線回折パターンにて、くり返し周期に応じた１次
２次ピーク等の出現により確認することができる。
積層数および磁性薄膜／Ｃｕ薄膜ユニットのくり返し回
数に特に制限はなく、目的とする磁気抵抗変化率等に応
じて適宜選定すればよいが、十分な磁気抵抗変化率を得
るためには、くり返し回数を２回以上、特に８回以上と
することが好ましい。くり返し回数が多いほど自由電子
が散乱される割合が多くなり好ましい。また、くり返し
回数をあまりに多くすると膜質の劣化が大きくなり、特
性の向上が望めなくなるので、５００回以下、特に２０
０回以下とすることが好ましい。なお、長周期構造は、
小角Ｘ線回折パターンにて、くり返し周期に応じた１次
２次ピーク等の出現により確認することができる。
【００２９】このような積層体は、磁性薄膜の層間の反
強磁性的結合の結果、反強磁性を示すものである。反強
磁性は、例えば偏極中性子線回折によって容易に確認す
ることができる。また、反強磁性を示す結果、振動型磁
力計やＢ−Ｈトレーサーにて、積層体面内の印加磁場−
磁化曲線ないしＢ−Ｈループを測定すると、角形比Ｂｒ
／Ｂｓは０．５以下、特に０．３以下の値となり、場合
によってはＢｒ／Ｂｓはほぼ０となる。この際、印加磁
場−磁化曲線やＢ−Ｈループの減磁カーブと昇磁カーブ
とはきわめて近接する。そして、振動型磁力計やＢ−Ｈ
トレーサーやトルク計で、面内および面内法線方向面の
磁化のしやすさ、あるいは異方性エネルギーを測定する
と、磁化容易軸は面内に存在する。なお、面内のＢｒ／
Ｂｓが０．５をこえると積層体の内部において反強磁性
を示す割合が急激に減少してしまい、その結果、ＭＲ変
化率が減少してしまう。
強磁性的結合の結果、反強磁性を示すものである。反強
磁性は、例えば偏極中性子線回折によって容易に確認す
ることができる。また、反強磁性を示す結果、振動型磁
力計やＢ−Ｈトレーサーにて、積層体面内の印加磁場−
磁化曲線ないしＢ−Ｈループを測定すると、角形比Ｂｒ
／Ｂｓは０．５以下、特に０．３以下の値となり、場合
によってはＢｒ／Ｂｓはほぼ０となる。この際、印加磁
場−磁化曲線やＢ−Ｈループの減磁カーブと昇磁カーブ
とはきわめて近接する。そして、振動型磁力計やＢ−Ｈ
トレーサーやトルク計で、面内および面内法線方向面の
磁化のしやすさ、あるいは異方性エネルギーを測定する
と、磁化容易軸は面内に存在する。なお、面内のＢｒ／
Ｂｓが０．５をこえると積層体の内部において反強磁性
を示す割合が急激に減少してしまい、その結果、ＭＲ変
化率が減少してしまう。
【００３０】積層体を形成する基体の材質に特に制限は
なく、アモルファスガラス基板、結晶化ガラス基板の
他、通常用いられる各種基板、例えば、マグネシア、サ
ファイヤ、シリコン、ガリウム−ヒ素、チタン酸ストロ
ンチウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム等の各
種酸化物等の単結晶基板や、アルミナ−チタンカーバイ
ド、チタン酸カルシウム等の多結晶基板はいずれも使用
可能である。
なく、アモルファスガラス基板、結晶化ガラス基板の
他、通常用いられる各種基板、例えば、マグネシア、サ
ファイヤ、シリコン、ガリウム−ヒ素、チタン酸ストロ
ンチウム、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム等の各
種酸化物等の単結晶基板や、アルミナ−チタンカーバイ
ド、チタン酸カルシウム等の多結晶基板はいずれも使用
可能である。
【００３１】Ｆｅ／Ｃｒ系ではガラス基板を用いると特
性劣化が生じるが、本発明では、ガラス基板を用いても
十分に良好な特性が得られる。このような場合、一般
に、中角領域でのＸ線回折によれば、ガラス基板上で
は、Ｃｕ薄膜はｆｃｃ構造の（１１１）配向しており、
Ｎｉx Ｆｅ1-x ではｆｃｃ（１１１）であり、多結晶と
なっていると考えられる。また、ＭｇＯ基板上では、Ｃ
ｕ（２００）ピークと、Ｎｉx Ｆｅ1-x の（２００）ピ
ークとが確認され、（１００）のエピタキシャル成長が
主になっていると考えられる。
性劣化が生じるが、本発明では、ガラス基板を用いても
十分に良好な特性が得られる。このような場合、一般
に、中角領域でのＸ線回折によれば、ガラス基板上で
は、Ｃｕ薄膜はｆｃｃ構造の（１１１）配向しており、
Ｎｉx Ｆｅ1-x ではｆｃｃ（１１１）であり、多結晶と
なっていると考えられる。また、ＭｇＯ基板上では、Ｃ
ｕ（２００）ピークと、Ｎｉx Ｆｅ1-x の（２００）ピ
ークとが確認され、（１００）のエピタキシャル成長が
主になっていると考えられる。
【００３２】なお、基体の寸法にも特に制限はなく、適
用される素子に応じて適宜選定すればよい。基体の磁性
積層体が形成される側の表面には、必要に応じて各種下
地膜が形成されていてもよい。
用される素子に応じて適宜選定すればよい。基体の磁性
積層体が形成される側の表面には、必要に応じて各種下
地膜が形成されていてもよい。
【００３３】さらに、最上層表面には、窒化けい素や酸
化けい素および種々の金属層等の酸化防止膜が設けられ
てもよく、電極引き出しのための金属導電層が設けられ
てもよい。
化けい素および種々の金属層等の酸化防止膜が設けられ
てもよく、電極引き出しのための金属導電層が設けられ
てもよい。
【００３４】本発明の磁性積層体を製造するには、分子
線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いることが好ましい。
本発明の場合、形成する磁性薄膜およびＣｕ薄膜の層厚
が極めてうすいため、ゆっくりと被着させることが必要
となる。成膜中の不純物混入を避けるため、超高真空領
域での成膜が必要となる。また、各々の層を生成する際
に相互拡散を起こし、反強磁性が失われることのないよ
う、被着粒子のエネルギーは低い程よい。この目的にも
っとも適しているのは、ＭＢＥ法である。
線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いることが好ましい。
本発明の場合、形成する磁性薄膜およびＣｕ薄膜の層厚
が極めてうすいため、ゆっくりと被着させることが必要
となる。成膜中の不純物混入を避けるため、超高真空領
域での成膜が必要となる。また、各々の層を生成する際
に相互拡散を起こし、反強磁性が失われることのないよ
う、被着粒子のエネルギーは低い程よい。この目的にも
っとも適しているのは、ＭＢＥ法である。
【００３５】これに対し、イオンビームスパッタ法によ
る磁性積層体では、被着粒子のエネルギーが高いため、
層間において各々の元素の組成分布が生じる等、膜質に
難点があり、これに起因して、ＭＲ変化率の減少等が生
じる。
る磁性積層体では、被着粒子のエネルギーが高いため、
層間において各々の元素の組成分布が生じる等、膜質に
難点があり、これに起因して、ＭＲ変化率の減少等が生
じる。
【００３６】ＭＢＥ法は、超高真空蒸着法の１種であ
り、超高真空中で蒸着源から蒸発した分子ないし物質を
基体表面に付着させて薄膜を成長させる方法である。具
体的には、シャッタの開閉により蒸着源を選択し、膜厚
計で測定しながら磁性薄膜と非磁性薄膜とを交互に蒸着
する。
り、超高真空中で蒸着源から蒸発した分子ないし物質を
基体表面に付着させて薄膜を成長させる方法である。具
体的には、シャッタの開閉により蒸着源を選択し、膜厚
計で測定しながら磁性薄膜と非磁性薄膜とを交互に蒸着
する。
【００３７】この際、通常、１０-11 〜１０-9Torr程度
の到達圧力とし、蒸着中の圧力１０-11 〜１０-7Torr、
特に１０-10 〜１０-7Torr程度にて、成膜速度０．０１
〜１０A ／sec 、特に０．１〜１．０A ／sec 程度で成
膜することが好ましい。また、被着粒子は０．０１〜５
eV、好ましくは０．０１〜１eVの運動エネルギーを有す
る。そして、中心エネルギーは０．０５〜０．５eVであ
る。
の到達圧力とし、蒸着中の圧力１０-11 〜１０-7Torr、
特に１０-10 〜１０-7Torr程度にて、成膜速度０．０１
〜１０A ／sec 、特に０．１〜１．０A ／sec 程度で成
膜することが好ましい。また、被着粒子は０．０１〜５
eV、好ましくは０．０１〜１eVの運動エネルギーを有す
る。そして、中心エネルギーは０．０５〜０．５eVであ
る。
【００３８】また、Ｎｉx Ｆｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）
の組成の磁性薄膜を作製する際に用いる蒸着源となる母
合金としては、Ｎｉx Ｆｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組
成のものを用いることが好ましい。
の組成の磁性薄膜を作製する際に用いる蒸着源となる母
合金としては、Ｎｉx Ｆｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組
成のものを用いることが好ましい。
【００３９】また、薄膜の結晶構造を整えるために、必
要に応じ、成膜時に基体を加熱してもよい。加熱温度
は、各薄膜間での拡散を防ぐため８００℃以下とするこ
とが好ましい。なお、磁性薄膜を磁界中で成膜し、面内
磁気異方性を強めてもよい。
要に応じ、成膜時に基体を加熱してもよい。加熱温度
は、各薄膜間での拡散を防ぐため８００℃以下とするこ
とが好ましい。なお、磁性薄膜を磁界中で成膜し、面内
磁気異方性を強めてもよい。
【００４０】本発明の磁性積層体は、ＭＲセンサやＭＲ
ヘッドなどの各種ＭＲ素子に好ましく適用され、使用す
る際には、必要に応じてバイアス磁界が印加される。さ
らに、薄膜型の磁気ヘッドのギャップ内、あるいは同一
トラック内に、本発明の磁性積層体を配置し、読み出し
をＭＲ素片で行なうものであってもよい。
ヘッドなどの各種ＭＲ素子に好ましく適用され、使用す
る際には、必要に応じてバイアス磁界が印加される。さ
らに、薄膜型の磁気ヘッドのギャップ内、あるいは同一
トラック内に、本発明の磁性積層体を配置し、読み出し
をＭＲ素片で行なうものであってもよい。
【００４１】
【実施例】以下、具体的実施例を挙げ、本発明をさらに
詳細に説明する。
詳細に説明する。
【００４２】実施例１ マグネシア単結晶基体上にＮｉx Ｆｅ1-x （ｘ＝０．８
１）の組成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とを交互に蒸着し、
８ＡのＮｉx Ｆｅ1-x と６ＡのＣｕを１単位として、こ
れを３０回積層した磁性積層体サンプルNo. １を作製し
た。以下において、このような場合を ［ＮｉＦｅ（８）−Ｃｕ（１６）］30 と表示する。各薄膜の厚さは、透過型電子顕微鏡により
測定した。また、薄膜の組成はＩＣＰにより測定した。
１）の組成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とを交互に蒸着し、
８ＡのＮｉx Ｆｅ1-x と６ＡのＣｕを１単位として、こ
れを３０回積層した磁性積層体サンプルNo. １を作製し
た。以下において、このような場合を ［ＮｉＦｅ（８）−Ｃｕ（１６）］30 と表示する。各薄膜の厚さは、透過型電子顕微鏡により
測定した。また、薄膜の組成はＩＣＰにより測定した。
【００４３】蒸着は、到達圧力９×１０-11 Torrの真空
槽内において、ＭＢＥ法により行なった。動作圧力は８
×１０-10 Torr、成膜速度は約０．３A ／sec とし、基
体を３０rpmで回転させながら蒸着を行なった。蒸着の
際の基体温度は３０℃とした。被着粒子の中心運動エネ
ルギーは、約０．１eVである。
槽内において、ＭＢＥ法により行なった。動作圧力は８
×１０-10 Torr、成膜速度は約０．３A ／sec とし、基
体を３０rpmで回転させながら蒸着を行なった。蒸着の
際の基体温度は３０℃とした。被着粒子の中心運動エネ
ルギーは、約０．１eVである。
【００４４】また、Ｎｉx Ｆｅ1-x 磁性薄膜作製の蒸着
源に用いる母合金は、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の組成のものと
した。
源に用いる母合金は、Ｎｉ0.8 Ｆｅ0.2 の組成のものと
した。
【００４５】このものの印加磁場−磁化曲線を振動型磁
力計により測定した。
力計により測定した。
【００４６】図１には、試料面内方向の印加磁場−磁化
曲線が示される。この場合の角形比（面内Ｂｒ／Ｂｓ）
は０．１であった。このものは面内に磁化容易軸をも
ち、上記のように、角形比は０．１と小さく、反強磁性
を示すことが推定された。実際、偏極中性子線回折の結
果も、積層ユニット厚の２倍周期に対応したブラッグ角
に回折線が認められ、層間の反強磁性的結合が確認され
た。
曲線が示される。この場合の角形比（面内Ｂｒ／Ｂｓ）
は０．１であった。このものは面内に磁化容易軸をも
ち、上記のように、角形比は０．１と小さく、反強磁性
を示すことが推定された。実際、偏極中性子線回折の結
果も、積層ユニット厚の２倍周期に対応したブラッグ角
に回折線が認められ、層間の反強磁性的結合が確認され
た。
【００４７】サンプルNo. １において、Ｎｉx Ｆｅ1-x
の１単位当たりの厚さを１４A とするほかは同様にし
て、［ＮｉＦｅ（１４）−Ｃｕ（１６）］30で表示され
るサンプルNo. ２を、ＭＢＥ法により作製した。ただ
し、動作圧力は２×１０-9Torrとした。このものも面内
Ｂｒ／Ｂｓ０．５で、面内に磁化容易軸をもち、反強磁
性を示すことが推定された。
の１単位当たりの厚さを１４A とするほかは同様にし
て、［ＮｉＦｅ（１４）−Ｃｕ（１６）］30で表示され
るサンプルNo. ２を、ＭＢＥ法により作製した。ただ
し、動作圧力は２×１０-9Torrとした。このものも面内
Ｂｒ／Ｂｓ０．５で、面内に磁化容易軸をもち、反強磁
性を示すことが推定された。
【００４８】サンプルNo. １において、Ｎｉx Ｆｅ1-x
の１単位当たりの厚さを６A とし、４０回積層するほか
は同様にして、［ＮｉＦｅ（６）−Ｃｕ（１６）］40で
表示されるサンプルNo. ３をＭＢＥ法により作製した。
ただし、動作圧力は８×１０-10Torr とした。
の１単位当たりの厚さを６A とし、４０回積層するほか
は同様にして、［ＮｉＦｅ（６）−Ｃｕ（１６）］40で
表示されるサンプルNo. ３をＭＢＥ法により作製した。
ただし、動作圧力は８×１０-10Torr とした。
【００４９】このものの試料面内方向の印加磁場−磁化
曲線が図２に示される。この場合の面内Ｂｒ／Ｂｓは
０．１であり、面内に磁化容易軸をもち、反強磁性を示
すことが推定された。
曲線が図２に示される。この場合の面内Ｂｒ／Ｂｓは
０．１であり、面内に磁化容易軸をもち、反強磁性を示
すことが推定された。
【００５０】これらのサンプルNo. １〜No. ３を０．５
mm×１．０mmの短冊状とし、外部磁界を最大−２０〜＋
２０kOe まで変化させたときの抵抗を４端子法により測
定した。
mm×１．０mmの短冊状とし、外部磁界を最大−２０〜＋
２０kOe まで変化させたときの抵抗を４端子法により測
定した。
【００５１】これらのサンプルNo. １〜No. ３につい
て、試料面内、電流と直角方向に外部磁界を印加した場
合（Trans)の、室温ＲＴでの磁気抵抗変化率Δρ／ρｓ
（％）を求めた。結果を表１に示す。ここで、ρｓは、
飽和抵抗率（印加磁場を増加させたときにρが飽和した
ときの値）である。また、Δρ＝ρ−ρS で、ρは各々
の印加磁場での抵抗率であり、本発明の反強磁性による
ＭＲ変化の場合のΔρは、印加磁場をＨとして、Δρ＝
ρ（Ｈ＝０）−ρ（Ｈ＝２０kOe ）で表すことができ
る。表１には、角形比、ρS 、Δρの値も併記する。
て、試料面内、電流と直角方向に外部磁界を印加した場
合（Trans)の、室温ＲＴでの磁気抵抗変化率Δρ／ρｓ
（％）を求めた。結果を表１に示す。ここで、ρｓは、
飽和抵抗率（印加磁場を増加させたときにρが飽和した
ときの値）である。また、Δρ＝ρ−ρS で、ρは各々
の印加磁場での抵抗率であり、本発明の反強磁性による
ＭＲ変化の場合のΔρは、印加磁場をＨとして、Δρ＝
ρ（Ｈ＝０）−ρ（Ｈ＝２０kOe ）で表すことができ
る。表１には、角形比、ρS 、Δρの値も併記する。
【００５２】
【表１】
【００５３】表１の結果から、いずれの積層体において
も、磁気抵抗変化を示すことがわかる。
も、磁気抵抗変化を示すことがわかる。
【００５４】実施例２ 実施例１のサンプルNo. １に準じた［ＮｉＦｅ（８）−
Ｃｕ（ｔ）］30において、Ｃｕ薄膜の厚さｔを種々変え
たときの室温ＲＴでのＣｕ薄膜の厚さと、Δρ／ρS と
の関係が図３に示される。
Ｃｕ（ｔ）］30において、Ｃｕ薄膜の厚さｔを種々変え
たときの室温ＲＴでのＣｕ薄膜の厚さと、Δρ／ρS と
の関係が図３に示される。
【００５５】ここでΔρは印加磁場（Ｈ）０での抵抗率
をρ0 としたときの絶対抵抗値であり、Δρ＝ρ0 −ρ
S で与えられる。
をρ0 としたときの絶対抵抗値であり、Δρ＝ρ0 −ρ
S で与えられる。
【００５６】図３から明らかように、Δρ／ρS はＣｕ
薄膜の膜厚に依存し、周期性がみられ、また膜厚１６Ａ
でΔρ／ρS 最大値５．１５％を示した。
薄膜の膜厚に依存し、周期性がみられ、また膜厚１６Ａ
でΔρ／ρS 最大値５．１５％を示した。
【００５７】なお、上記において、基体をアモルファス
ガラス基板にかえて、そのほかは同様に、磁性積層体を
作製したところ、上記とほぼ同等の結果が得られた。ま
た、磁性薄膜の組成をＮｉx Ｆｅ1-x （ｘ＝０．９）に
かえて、そのほかは同様に、磁性積層体を作製したとこ
ろ、上記とほぼ同等の結果が得られた。
ガラス基板にかえて、そのほかは同様に、磁性積層体を
作製したところ、上記とほぼ同等の結果が得られた。ま
た、磁性薄膜の組成をＮｉx Ｆｅ1-x （ｘ＝０．９）に
かえて、そのほかは同様に、磁性積層体を作製したとこ
ろ、上記とほぼ同等の結果が得られた。
【００５８】
【発明の効果】本発明の磁性積層体は、従来の反強磁性
的結合による磁気抵抗変化積層体と比較して、より低磁
場でより大きな磁気抵抗変化が得られる。そして、磁気
結合エネルギーの振動周期変化を利用して、０．０１〜
２０kOe の任意の動作磁界にて、１〜８％の任意の磁気
変化を得ることができる。また、ガラス基体にも積層で
きる等、基体材質の制限がなく、成膜時の基体温度にも
制限がなく、量産上有利である。そして、外部磁場方向
によって、異なるＭＲ変化特性を得ることができるとい
う特徴をもつ。
的結合による磁気抵抗変化積層体と比較して、より低磁
場でより大きな磁気抵抗変化が得られる。そして、磁気
結合エネルギーの振動周期変化を利用して、０．０１〜
２０kOe の任意の動作磁界にて、１〜８％の任意の磁気
変化を得ることができる。また、ガラス基体にも積層で
きる等、基体材質の制限がなく、成膜時の基体温度にも
制限がなく、量産上有利である。そして、外部磁場方向
によって、異なるＭＲ変化特性を得ることができるとい
う特徴をもつ。
【図１】本発明の磁性積層体の印加磁場−磁化曲線を示
すグラフである。
すグラフである。
【図２】本発明の磁性積層体の印加磁場−磁化曲線を示
すグラフである。
すグラフである。
【図３】本発明の磁性積層体のＣｕ薄膜の厚さと、磁気
抵抗変化率との関係を示すグラフである。
抵抗変化率との関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−238106（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−20711（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01F 10/14 G01R 33/09 H01L 43/08
Claims (7)
- 【請求項１】 ＮｉxＦｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組
成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されており、面内に
磁化容易軸をもち、面内の角型比Ｂｒ／Ｂｓが０．５以
下であることを特徴とする磁性積層体。 - 【請求項２】 ＮｉxＦｅ1-x （０．５≦ｘ＜１）の組
成の磁性薄膜と、Ｃｕ薄膜とが積層されており、反強磁
性を示すことを特徴とする磁性積層体。 - 【請求項３】 前記磁性薄膜およびＣｕ薄膜が分子線エ
ピタキシー法により形成されている請求項１または２に
記載の磁性積層体。 - 【請求項４】 ４〜２０A の厚さのＮｉxＦｅ1-x
（０．５≦ｘ＜１）の組成の磁性薄膜と、２〜６０A の
厚さのＣｕ薄膜とを分子線エピタキシー法によって積層
したことを特徴とする磁性積層体。 - 【請求項５】 面内に磁化容易軸をもち、面内の角型比
Ｂｒ／Ｂｓが０．５以下である請求項４に記載の磁性積
層体。 - 【請求項６】 反強磁性を示す請求項４に記載の磁性積
層体。 - 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の磁
性積層体を有する磁気抵抗効果素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03337608A JP3100714B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | 磁性積層体および磁気抵抗効果素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03337608A JP3100714B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | 磁性積層体および磁気抵抗効果素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05152128A JPH05152128A (ja) | 1993-06-18 |
| JP3100714B2 true JP3100714B2 (ja) | 2000-10-23 |
Family
ID=18310250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03337608A Expired - Fee Related JP3100714B2 (ja) | 1991-11-27 | 1991-11-27 | 磁性積層体および磁気抵抗効果素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3100714B2 (ja) |
-
1991
- 1991-11-27 JP JP03337608A patent/JP3100714B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05152128A (ja) | 1993-06-18 |
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