JP3240310B2 - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents
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Description
し、微弱磁場を検知する磁気センサ等として有効である
磁気抵抗効果素子に関するものである。
は、微弱な磁場を検知する小型の磁気センサが不可欠で
ある。最近では、従来より広く利用されてきた誘導型読
み取り磁気ヘッドにかわり、金属や合金の磁気抵抗(M
R)効果を利用したMRヘッドが使われるようになり、
誘導型読み取りでは困難であった高密度磁気記録が可能
となってきている。しかし、これらの金属や合金の磁気
抵抗効果の大きさは抵抗変化率で1%程度であるため、
更なる高密度磁気記録には使用できないことが明白であ
る。
を集めている巨大磁気抵抗酸化物を読み取りヘッドに使
うことが検討されはじめている。特に、例えば「 Physi
calreview Letters」、第77巻、2041ページなどで報告
されたような、強磁性を示すペロブスカイト型酸化物L
a1-X SrX MnO3 多結晶試料などで見られる結晶粒
界での巨大な(10%以上)弱磁場磁気抵抗効果は、高感
度磁気センサへの応用に最も有望と考えられる。その磁
気抵抗効果を最大限に引き出そうとした試みの一つとし
て、2つの強磁性薄膜の間に絶縁体薄膜を挟んだいわゆ
るトンネル接合素子で、80%以上の磁気抵抗効果が得ら
れたことが「Physical Review B 」第54巻、8357ページ
に報告されている。
発展により、基板と完全に格子整合した良質なエピタキ
シャル成長薄膜が酸化物においても得られるようになっ
てきた。この薄膜は、基板表面上に、基板の結晶学的構
造(以下結晶構造と記す)に起因する原子スケールの段
差(以下ステップと記す)が存在した場合ですら、その
ステップの状態をそのまま引き継いで成長を続けること
が「Science 」第 266巻、1540ページなどに示されてい
る。この時に、成長させる薄膜の結晶構造および成膜条
件によって、ステップ直上以外の部分は完全に単結晶と
なっていて、ステップ部だけに薄膜表面に平行な方向の
原子配列の周期性が乱れた、いわゆるアンチフェーズド
メインバウンダリーが存在する膜を得ることができる。
子における最大の問題点は、素子の作成が容易でない点
にある。即ちトンネル接合の場合、強磁性薄膜に挟まれ
た絶縁体薄膜の厚さは、数ナノメートル(nm)以下で
あることが望ましいが、そのような薄い絶縁体薄膜を、
電流の短絡無しに作成することは非常に難しい。また、
素子構造が複雑であるため、作成のための加工プロセス
も煩雑になり、高度なプロセス最適化が必要とされる。
これらの問題点は、素子サイズが小さくなるほどより一
層顕著になると考えられるため、高密度磁気記録用読み
取りヘッドへのトンネル接合素子の応用は、かなり困難
であるといわざるを得ない。
ブスカイトに代表される強磁性酸化物の粒界で起こる巨
大な磁気抵抗効果を、容易に高感度磁気センサに応用す
る手段を提供することにある。特に素子への加工プロセ
スを大幅に簡便化し、大量生産にも対応できる手法を提
供する。
きな磁気抵抗効果を示す強磁性酸化物を応用した磁気抵
抗効果素子を提案するものであって、表面に原子層レベ
ルのステップを持つ酸化物基板上に、強磁性酸化物薄膜
をエピタキシャル成長させる際に、薄膜内の基板ステッ
プ直上にアンチフェーズドメインバウンダリーが自発的
に形成され、これに直交する方向で電気抵抗を測ること
により、大きな磁気抵抗効果が得られることを見いだし
たものである。
料と酸化物基板の組み合わせとしては、強磁性酸化物材
料として RE3-X AEX Mn2 O7 (REは少なくとも一種の希土類元素(Y,La,C
e,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er,Tm,Yb,Lu)からなり、AEは少なく
とも一種のアルカリ土類金属(Mg,Ca,Sr,B
a)からなる。)を、表面に原子層ステップを持つ酸化
物基板として、SrTiO3 の〈100〉基板を用いる
組み合わせか、強磁性酸化物材料として AE2-X REX FeMO6 (REは少なくとも一種の希土類元素(Y,La,C
e,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er,Tm,Yb,Lu)、AEは少なくとも一種
のアルカリ土類金属(Mg,Ca,Sr,Ba)、Mは
MoもしくはReからなる。)を、表面に原子層ステッ
プを持つ酸化物基板として、SrTiO3 の〈111〉
基板を用いる組み合わせを利用できる。
O3 の〈100〉基板を用いる場合には、化学的表面処
理により基板最表面の原子層をTiO2 に規定すること
が本発明の効果を最大限に引き出すのに有効である。一
方、後者の、酸化物基板としてSrTiO3 の〈11
1〉基板を用いる場合には、AE2-X REX FeMO6
を成長させる前にFeO2 面で終端したSrFeO3 薄
膜をバッファーとして成膜することが有効である。
6 (AE2-X REX FeMO6 におけるX=0で、AE
=Sr、M=Mo)を、表面に原子層ステップを持つ酸
化物基板としてSrTiO3 の〈111〉基板を用いる
組み合わせを例にして以下に説明する。図1は、Sr2
FeMoO6 で見られるアンチフェーズドメインバウン
ダリーの模式図であって、正八面体は、Fe6 もしくは
MoO6 からなる正八面体を示したものである。黒い大
きな球はそれらの正八面体の中心にある鉄原子を、小さ
な球はモリブデン原子をあらわしている。理想的な結晶
構造では鉄原子を中心とする正八面体とモリブデン原子
を中心とする正八面体が交互に並んでいることになる
が、基板のステップ部分にある灰色の丸の両型では原子
配列が乱れ、モリブデン同士が隣り合っている。図1に
示すようにSrTiO3 の〈111〉面上にエピタキシ
ャル成長させたSr2 FeMoO6 薄膜においては、基
板の原子層ステップの直上で鉄原子とモリブデン原子の
並びがずれている。即ち、この境界面上では理想的な結
晶構造における(−Fe−O−Mo−O−)の結合鎖が
とぎれ、Fe−O−Feあるいは、Mo−O−Moの配
列となっている。この薄膜に対しフォトリソグラフィー
により、図2に示すような抵抗測定パターンを電流の向
きが基板ステップに垂直になるような向きで形成して、
その電気抵抗率を測定する。Sr2 FeMoO6 は、フ
ェリ磁性体であるため、結晶が理想的な場合にはすべて
のFeのスピンは同じ向きにそろっているが、この薄膜
では前述のように鉄原子とモリブデン原子の配列が崩れ
ているので、この境界部で磁化の方向が互いに反転する
ようになる。この強磁性体内の伝導電子スピンが著しく
大きい偏極率、(液体ヘリウム温度に近い低温ではほぼ
100 %、300 Kにおいても60〜70%)を持っている為
に、この状態では境界部の電気抵抗は最大となる。この
素子に磁場を加えると、数10ガウス程度の磁場で境界部
の両側の磁化の向きをそろえることができる。この時に
は、境界での電気抵抗は低下し、両側の磁化の向きが完
全にそろったときに極小となる。薄膜の成長条件を最適
にした場合ではこの抵抗変化率は、 100ガウス以下の磁
場で50%を超えるものになる。
する。
を、Ar気流中で1000℃、2時間アニール処理を行うこ
とにより、基板のカット面の〈111〉からのわずかな
ずれを反映した、平行な原子層ステップを表面に持つ基
板を得た。この基板上に、レーザーアブレーション法に
よりSrFeO3 薄膜を、40Å成膜した。この厚さは、
SrFeO3 結晶単位胞の10周期分に相当する。具体的
には、まずSrFeO3 なる組成を持つ酸化物多結晶体
を直径20mm、厚さ 5mmのペレットに成形してターゲ
ットとした。このターゲットを真空チャンバー内に設置
した後、集光したKrFパルスエキシマレーザを照射
し、ターゲットに対向して置かれた基板にSrFeO3
薄膜を成長させた。この時の基板の温度は 900℃とし、
チャンバー内の酸素圧は10-6Torrとした。またターゲッ
ト表面上でのエキシマレーザのエネルギー密度は、1パ
ルスあたり1000mJ/cm2、パルス繰り返し周期は5Hzとし
た。次に、ターゲットをSr2 FeMoO6 に代え、同
様な手続きで薄膜を成長させた。成長条件は基板温度 9
30℃、酸素分圧1×10-6Torr、レーザーパワー1パルス
あたり1000mJ/cm2、繰返し周期5Hzとした。Sr2 Fe
MoO6 膜厚は 500Å程度とした。作成した薄膜を、通
常のフォトリソグラフィー技術により、図2のような4
端子抵抗測定素子に加工した。この際、電流を流す向き
(図中(1) −(4) )がSrTiO3 基板上のステップエ
ッジの方向(図中(2) −(3) )に直交するようにパター
ンを生成した。(1) −(4) の間に電流を流し、(2) −
(3) 間の電圧を測定する。磁気抵抗効果は、素子を電磁
石内におき、電磁石内の磁場の強さを変えながら素子の
電気抵抗を測定することにより、測定した。図3に、27
℃で測定した磁気抵抗測定の結果を示す。この素子の電
気抵抗率は磁場の無い場合に最も大きく、磁場を加える
にしたがって低下した。磁場の大きさが 100ガウスの時
に、電気抵抗率は磁場の無い場合の約50%まで低下し
た。
持つように表面処理を行ったSrTiO3 〈111〉基
板上に、SrFeO3 薄膜を成膜した。次に、ターゲッ
トをSr2 FeReO6 なる組成の化合物焼結体に代
え、基板温度 850℃、酸素分圧10-6Torr、エキシマレー
ザのエネルギー密度1パルスあたり1000mJ/cm2、パルス
繰り返し周期5Hz条件で、Sr2 FeReO6 薄膜を 5
00Åの厚さで堆積させた。そして、前記実施例1と同様
な4端子抵抗測定素子を作製し、27℃において磁気抵抗
効果の測定を行った結果、100 ガウスにおいて 60 %の
抵抗減少が確認された。
プを持つように処理を行ったSrTiO3 〈111〉基
板上に、SrFeO3 薄膜を成膜した。次に、ターゲッ
トをSr1.8 La0.2 FeMoO6 なる組成の化合物焼
結体に代え、基板温度は 930℃、酸素分圧は10-6Torr、
エキシマレーザのエネルギー密度1パルスあたり 1000m
J/cm2 、パルス繰り返し周期 5Hz条件で、同組成の薄
膜を 500Åの厚さで堆積した。そして、前記実施例1,
2と同様な4端子抵抗測定素子を作製し、27℃において
磁気抵抗効果の測定を行った結果、100 ガウスにおいて
55 %の抵抗減少が確認された。
H4.2 のNH4 F- HF混合液でエッチングし、真空チ
ャンバーに導入し、酸素1mTorrの雰囲気中、800℃で1
0分間の熱処理を行うことにより、最表面原子層が完全
にTiO2 面で覆われ、かつ基板のカット面の〈10
0〉からのわずかなずれを反映した、平行な原子層ステ
ップを表面に持つ図4に示すような基板を得た。図4
中、ステップエッジ方向は斜め約30度方向でステップ間
隔は約60nm。ステップ間隔は基板のOFF角で決まり任
意に調節できる。ステップ位置で磁気抵抗は発生するた
めステップ間隔を調節することで磁気抵抗の大きさを調
整することができる。この基板上に、レーザーアブレー
ション法によりLa1.2 Sr1.8 Mn2 O7薄膜を結晶
単位胞の10周期、100 Åの厚さに成膜した。具体的に
は、まずLa1.2 Sr1.8 Mn2 O7 なる組成の酸化物
多結晶体を直径20mm,厚さ5mmのペレットに成形しター
ゲットとした。このターゲットを真空チャンバー内に設
置した後、KrFパルスエキシマレーザを照射し、ター
ゲットに対向しておかれた基板にLa1.2 Sr1.8 Mn
2 O7 薄膜を成長させた。この時の基板の温度は970 ℃
とし、チャンバー内の酸素圧は100 mTorrとした。また
ターゲット表面上でのエキシマレーザのエネルギー密度
は1パルスあたり2J/cm2 、パルス繰り返し周期は10Hz
とした。作成した薄膜を、通常のフォトリソグラフィー
技術により、図5のような4端子抵抗測定素子に加工し
た。この際、電流を流す向きがSrTiO3 基板上のス
テップエッジの方向に直交するようにパターンを生成し
た。具体的には、薄膜作成後原子間力顕微鏡(AFM)
にてステップエッジの方向を確認した後、その方向に図
中A−Fが、その垂直方向(ステップをまたぐ方向)に
図中D−Gが形成されるようにフォトレジストパターン
を生成する。薄膜は塩酸または王水を用いることによっ
て、容易にエッチングすることができる。最後にアセト
ンでフォトレジストを溶解することにより、素子を完成
させた。磁気抵抗効果は、素子を電磁石内におき電磁石
内の磁場の強さを変えながら素子の電気抵抗を測定する
ことにより、測定した。図6に、-200℃で測定した磁気
抵抗測定の結果を示す。この素子の電気抵抗率は磁場の
無い場合に最も大きく、磁場を加えるにしたがって低下
した。磁場の大きさが 100ガウスの時に、電気抵抗率は
磁場の無い場合の約30%まで低下した。
を一度加工するだけの簡単なプロセスで作成でき、50%
以上の高い磁気感度を有することから、微弱磁界の検出
素子として有効であることが示された。したがって、本
発明の磁気抵抗効果素子は、高い磁気感度を有し、微弱
磁場を検知する磁気センサ等として有効である。また、
特に素子への加工プロセスを大幅に簡便化したので、大
量生産にも対応でき、工業生産性も高いものである。
チフェーズドメインバウンダリー部を概念的に示す斜視
図である。
抗素子を模式的に示す平面図である。
センサの電気抵抗と外部磁場の関係を示すグラフであ
る。
の例を示す電子顕微鏡写真である。
ある磁気抵抗異方性測定用4端子マスクを模式的に示す
平面図である。
率の磁場による変化の一例を示すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】 結晶粒界で大きな磁気抵抗効果を示す強
磁性酸化物を応用した磁気抵抗効果素子であり、表面に
原子層レベルステップを持つ酸化物基板上に、強磁性酸
化物薄膜をエピタキシャル成長させ、その際に導入され
る結晶粒界を磁気抵抗発生部として利用することを特徴
とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項2】 請求項1において、結晶粒界で大きな磁
気抵抗効果を示す強磁性酸化物材料として、 RE3-X AEX Mn2 O7 (REは少なくとも一種の希土類元素(Y,La,C
e,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er,Tm,Yb,Lu)からなり、 AEは少なくとも一種のアルカリ土類金属(Mg,C
a,Sr,Ba)からなる。)を、表面に原子層ステッ
プを持つ酸化物基板として、SrTiO3 の〈100〉
基板を用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項3】 請求項1において、結晶粒界で大きな磁
気抵抗効果を示す強磁性酸化物材料として、 AE2-X REX FeMO6 (REは少なくとも一種の希土類元素(Y,La,C
e,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,H
o,Er,Tm,Yb,Lu)、 AEは少なくとも一種のアルカリ土類金属(Mg,C
a,Sr,Ba)、 MはMoもしくはReからなる。)を、表面に原子層ス
テップを持つ酸化物基板として、SrTiO3 の〈11
1〉基板を用いることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項4】 請求項2において、SrTiO3 の〈1
00〉基板表面をすべてTiO2 層にするような化学的
表面処理を行うことにより、その上に堆積する強磁性薄
膜内で基板のステップ位置に、格子不整合を生じ易くす
ることを特徴とする磁気抵抗効果素子。 - 【請求項5】 請求項3において、SrTiO3 の〈1
11〉基板上に強磁性薄膜を堆積する前に、SrFeO
3 薄膜を堆積することにより、その上に堆積する強磁性
薄膜内で基板のステップ位置に、格子不整合を生じ易く
することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
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固体物理,Vol.30,No.10(1995),pp.884−887 |
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