JP3677107B2

JP3677107B2 - 磁気抵抗効果素子

Info

Publication number: JP3677107B2
Application number: JP01103496A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎猪俣; 圭一郎柚須; ロジャー・ハイモア; 志保奥野; 好昭斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-01-26
Filing date: 1996-01-25
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2016-01-25
Also published as: JPH08264858A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体マトリックス中に磁性金属粒子が分散した磁性体を用いた磁気抵抗効果素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気抵抗効果は、ある種の磁性体に磁界を加えることによって電気抵抗が変化する現象であり、磁界センサや磁気ヘッド等に利用されている。例えば、強磁性体を用いた磁気抵抗効果素子は、温度安定性に優れ、かつ使用温度範囲が広いという特長を有している。
【０００３】
従来より、磁性体を用いた磁気抵抗効果素子にはパーマロイ合金等の薄膜が広く用いられているが、パーマロイ合金薄膜の磁気抵抗変化率は２〜３％程度と小さいため、十分な感度が得られないという問題がある。
【０００４】
一方、近年、磁気抵抗効果を示す新しい材料として、磁性層と非磁性金属層とが数オングストロームから数十オングストロームのオーダーの周期で交互に積層された構造を有し、非磁性金属層を介して相対する磁性層がその磁気モーメントを反平行にした状態で磁気的カップリングした人工格子膜が巨大な磁気抵抗効果を示すとして注目されている。例えば、（Ｆｅ／Ｃｒ）_n の人工格子膜（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６１，２４７２（１９８８））や、（Ｃｏ／Ｃｕ）_n の人工格子膜（Ｊ．Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．９４，Ｌ１（１９９１）、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６６，２１２５（１９９１））等が見出されている。
【０００５】
このような人工格子膜は、数１０％という従来のパーマロイ合金薄膜よりも格段に大きな磁気抵抗変化率を示す。このような巨大磁気抵抗効果は磁性層のスピンの向きに依存した電子の散乱に起因している。
【０００６】
しかしながら、このような人工格子膜は、大きな磁気抵抗効果を得るためには積層数を多くする必要があるという問題や、飽和磁界（抵抗値が飽和する磁界）が数テスラ（Ｔ）以上と大きくこのままでは磁気ヘッド等への応用には不向きであるという問題を有している。
【０００７】
一方、飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の多層膜を有し、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定しておき、他方の強磁性層を外部磁界により磁化反転させることによって、２つの強磁性層の磁化方向の相対的な角度を変化させる、いわゆるスピンバルブ膜が開発されている。
【０００８】
しかし、このスピンバルブ膜は磁気抵抗変化率が３〜４％程度とあまり大きくはなく、また多層膜の抵抗そのものが数１０μΩｃｍと小さいため、外部磁界を検出するためには比較的大きな電流を流す必要があるという問題を有している。
【０００９】
さらに、最近、以上述べたような人工格子膜とは異なり、非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分散させた、いわゆるグラニュラー磁性膜も巨大磁気抵抗効果を有することが見出されている（例えば、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６８，３７４５（１９９２））。
【００１０】
このようなグラニュラー磁性膜は、磁界を加えない状態では磁性超微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンは互いに不規則な方向を向いて抵抗が高く、磁界を加えて各スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下し、その結果スピン依存散乱に基づく磁気抵抗効果が発現する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子が分散したグラニュラー磁性膜は、人工格子膜に比べて作製が容易であり、磁気抵抗変化率も室温で２０％程度の大きな値が得られる。さらに、超微粒子は粒径が数ｎｍ程度と小さく単磁区のため、磁気抵抗曲線のヒステリシスが小さく、従って磁気抵抗効果素子として用いた場合にノイズの小さいことが期待される。
【００１２】
上述したような従来のグラニュラー磁性膜においては、磁性超微粒子の粒径が比較的大きいと強磁性的な磁気結合が生じて不規則なスピン配列を得ることが困難であり、磁気抵抗効果が小さく、磁気抵抗効果素子として用いるうえで好ましくない。従って、磁性微粒子の粒径を数ｎｍ程度まで超微細化している。しかし、このように超微粒子が分散されているがゆえにその性質上飽和磁界が大きく、大きな磁気抵抗効果を得るためには、本質的に数テスラ（Ｔ）以上の大きな磁界を加える必要があり、実用上の課題となっている。
【００１３】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的はヒステリシスおよび飽和磁界がともに小さく、磁気抵抗変化率の大きい磁気抵抗効果素子を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決しようとする手段】
本発明は、上記課題を解決するために、第１に、半導体マトリックス中に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した磁性体を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１５】
本発明は、第２に、半導体マトリックス中に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の磁性層と、少なくとも１層の非磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１６】
本発明は、第３に、半導体マトリックス中に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の第１の磁性層と、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む少なくとも１層の第２の磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１７】
本発明は、第４に、半導体マトリックス中にＦｅ，Ｃｏ，およびＮｉのうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した第１の磁性層と、前記第１の磁性層よりソフトな磁性を有する第２の磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子を提供する。
【００１８】
磁性金属粒子が非磁性貴金属マトリックス中に分散した構造を有する従来のグラニュラー磁性膜において、その飽和磁界が大きい理由は、磁性金属粒子の大きさが数ｎｍと小さいため超常磁性を示すことにある。磁性金属粒子の大きさを、超常磁性を示さない程度に大きくすれば飽和磁界は小さくなるが、その場合には磁性金属粒子間の強磁性的な磁気結合が強まるため、零磁界で各磁性金属粒子のスピン方向が揃ってしまい、磁界を加えてもスピンの方向はあまり変化せず、その結果大きな磁気抵抗効果が得られない。
【００１９】
これに対し、本発明者らは、マトリックスとして半導体を用いた場合には、磁性金属粒子間には常に反強磁性的磁気結合が働くため、磁界が零の状態では各磁性金属粒子のスピンは互いに不規則になること、およびその磁気結合の強さは金属マトリックスを用いた場合よりもかなり小さいことを見出した。
【００２０】
金属磁性粒子が半導体マトリックスに分散している場合、一般に半導体のほうが金属よりもポテンシャルが大きいので金属からの伝導電子は半導体をトンネル効果により流れる。この際のエネルギー準位を図１に示す。図１では金属の電導帯の底のエネルギーを０とし、半導体のポテンシャルの高さをＵとしている。試料に電圧Ｖを印加すると金属粒子間にはｅＶだけのポテンシャルの差が生じ、一方の金属からの伝導電子が半導体をトンネルして他方の金属に流れる。この時の様子を波動関数Ψ_k （ｋは波数ベクトル）を用いて図１に示す。
【００２１】
磁性粒子の分極率をＰ、２つの磁性粒子の磁化の向き（図１中の矢印）のなす角度をθとすると、コンダクタンスＧは次式で与えられる（J.C.Slonczewski,Phys.Rev.B39,6995(1989) ）。
【００２２】
Ｇ＝Ｇ₀ （１＋Ｐ² ｃｏｓθ）
この式より、θ＝０のときとθ＝πのときとでＧの差が最も大きい。すなわち、外部磁場でθを変えることにより、コンダクタンス、あるいは抵抗を変化させることができる。これが磁性金属粒子と半導体マトリックスによって構成される系の磁気抵抗効果である。
【００２３】
トンネル電流は一般に小さいので磁性金属粒子間の交換結合力は小さい。したがって、磁性金属粒子が半導体マトリックスに分散した系では、磁性金属粒子間に結合力の小さな反強磁性的磁気結合が生じることとなり、磁性金属粒子が貴金属マトリックスに分散した従来のグラニュラー系に比べて本質的に飽和磁場は小さい。また、磁性粒子を超常磁性領域を超えて大きくすることができるので、この点からも飽和磁場が小さくなる。
【００２４】
すなわち、半導体マトリックスを用いることにより、
（１）磁性金属粒子の大きさが超微粒子の大きさを越えて大きくなっても、零磁界で不規則スピン配列を実現することができ、磁界を加えることによりスピンを揃えることができる。このため、磁界を加えることにより比較的大きく電気抵抗を低下させることができ、比較的大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００２５】
（２）さらにこの場合、上述したように磁性金属粒子間の磁気的結合が弱いので、飽和磁界を小さくすることができ、小さな磁界で磁気抵抗効果を発現させることができる。その結果、高感度の磁気抵抗効果素子が実現される。
【００２６】
また、このようにマトリックスに半導体を用い、半導体マトリックス中に磁性金属粒子を分散させた磁気抵抗効果素子は比抵抗が大きいため、出力電圧を大きくとれるというメリットもある。したがって、小さな電流で磁気抵抗効果を検出することができ、磁気抵抗効果型の磁気ヘッドや磁界センサーなどへの応用には大きなメリットとなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。
図２は、半導体マトリックス中に磁性金属粒子を分散させた基本構造を有する本発明の磁気抵抗効果素子における磁性体を模式的に示す図である。この図に示すように、本発明の磁気抵抗効果素子は、半導体マトリックス１中に、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子２が分散した磁性体３を有する。そして、図２（ａ）は磁界Ｈが零の状態であり、磁性金属粒子２のスピン４の向きがランダムである。また（ｂ）は磁界Ｈが飽和磁界Ｈ_S よりも大きい場合であり、磁性金属粒子のスピン４の向きが揃っている。
【００２８】
半導体マトリックスを構成する半導体としては、エネルギーギャップの小さい材料や不純物準位の多い材料が好ましく、具体的には実効的エネルギーギャップが１ｅＶ以下であることが好ましい。すなわち、半導体の実効的エネルギーギャップが１ｅＶを超えると絶縁体的性質が支配的になる傾向にあるが、その値が１ｅＶ以下であれば磁性体から半導体へのトンネル電流がより大きくなり、また室温においてキャリアが半導体の伝導帯に熱励起され得るので、コンダクタンスがより大きくなるとともに磁性金属粒子間の磁気的結合をより反強磁性的にすることができ、室温においてより大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。半導体の実効的エネルギーギャップのさらに好ましい範囲は０．１ｅＶ以下である。
【００２９】
なお、ここでいう実効的エネルギーギャップは、真性半導体のエネルギーギャップＥ_g を意味するとともに、不純物半導体における不純物準位と伝導帯のバンドの底との差あるいは不純物準位とフェルミ準位との差をも意味するものである。
【００３０】
いずれにしてもマトリックスを構成する半導体としては、トンネル電流が大きいか、または／および室温において熱励起され、伝導帯に十分なキャリア濃度をもつものであればよい。
【００３１】
このような半導体としては、遷移金属とＳｉあるいはＧｅとの合金または化合物（結晶またはアモルファス）、アモルファスＳｉ、アモルファスＧｅ、不純物半導体などを用いることができる。マトリックスを構成する半導体は１種類である必要はなく、２種以上の複合相からなっていてもよい。また、不純物半導体は、ｎ型であってもｐ型であってもよく、ある程度キャリア濃度の高いほうが好ましく、その不純物濃度は１０²⁰〜１０²¹ｃｍ^-3の範囲が好ましい。さらに、半導体マトリックスを構成する半導体としては、通常の半導体のみならず、欠陥を有する酸化物等、半導体的な挙動を示すもの、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ 、ＭｇＯ_X であってもよい。
【００３２】
磁性金属粒子は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含むものであり、これら元素の単体の他、ＣｏＦｅに代表されるＣｏ基合金、Ｆｅ₈ Ｎに代表されるＦｅ基合金、ＮｉＦｅに代表されるＮｉ基合金が含まれる。特に、磁性金属粒子としてはＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち、少なくとも２種類以上からなるものであることが好ましい。このように、磁性金属粒子として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも２種類以上を含むものを用いた場合には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの単体を用いた場合よりも小さな磁界での磁気抵抗効果が非常に大きくなる。
【００３３】
磁性金属粒子の大きさは粒径で５〜１００ｎｍの範囲であることが望ましく、粒径がこの範囲内にあれば磁性金属粒子が単磁区であるため、磁気抵抗曲線のヒステリシスを小さくすることができる。しかしながら、その大きさが５ｎｍ未満では超微粒子的になるため飽和磁界が大きくなり、１００ｎｍを超えると磁気抵抗効果が大きく低下する。
【００３４】
飽和磁界を一層低下させる観点からは、磁性金属粒子中の磁気異方性が小さいことが好ましく、このため磁性金属粒子がアモルファス合金からなることが好ましい。この理由は、アモルファス合金の結晶磁気異方性は本質的に零であるからである。さらには磁歪が実質的に零のアモルファス合金を用いれば磁気弾性に基づく磁気異方性も小さくなるのでより好ましい。磁歪が実質的に零のアモルファス合金としては、（Ｎｉ_x Ｆｅ_y Ｃｏ_z ）_a Ｘ_100-a （ただし、ｘ＝０〜０．１０、ｙ＝０．０４〜０．１０、ｚ＝０．９０〜０．９４、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、ａ＝６５〜９０、ＸはＮｂ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｓｉ，Ｂ，Ｃ，およびＰからなる群から選択される少なくとも１種）で表される組成のものが挙げられる。
【００３５】
また、磁性金属粒子が結晶質であっても、磁歪定数λが１０^-5以下とゼロに近いものであれば飽和磁界を低下させることができる。このように磁歪定数λがゼロに近い材料としてはＣｏ₉₀Ｆｅ₁₀、Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉、Ｎｉ₆₆Ｆｅ₁₆Ｃｏ₁₈などが挙げられる。
【００３６】
このような半導体マトリックス中に磁性金属粒子が分散した磁性体は、典型的には薄膜状であり、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、各種スパッタ法、蒸着法など通常の薄膜形成装置を用いて作製することができる。また必ずしも薄膜である必要はなく、超急冷などによる薄帯であっても良い。
【００３７】
本発明の磁気抵抗効果素子は、以上のような半導体マトリックスに磁性金属粒子が分散した磁性体を単層で備えるものであってもよいが、これに限らず、半導体マトリックスにＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の磁性層と、少なくとも１層の非磁性層との積層膜、または半導体マトリックスにＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の第１の磁性層と、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む少なくとも１層の第２の磁性層との積層膜を具備していてもよい。このような積層膜によれば、半導体マトリックス中に分散される磁性金属粒子の形状を制御してその形状異方性に基づく磁気異方性を小さくすることが可能であるため、より飽和磁界が低下するとともに、より大きな磁気抵抗効果を得ることができる。
【００３８】
これら積層膜は例えば、図３に示すように、半導体マトリックス１１中にＣｏ，ＦｅおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子１２が分散した磁性層１３と、非磁性層１４とが交互に積層された構造、および図４に示すように、半導体マトリックス２１中にＣｏ，ＦｅおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子２２が分散した第１の磁性層２３と、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうち少なくとも１種の元素からなる第２の磁性層２４とが交互に積層された構造を有する。
【００３９】
このような積層膜は、複数の磁性層１３および非磁性層１４、または複数の第１の磁性層２３および第２の磁性層２４を積層した構造を有していても、一対の磁性層１３間に非磁性層１４を介在させた構造または一対の第１の磁性層２３間に第２の磁性層２４を介在させた構造を有していてもよい。また、半導体マトリックス中に分散される磁性金属粒子の形状を制御してその形状異方性に基づく磁気異方性を小さくすることのみを考慮すると、一対の非磁性層１４の間に磁性層１３を介在させた構造または一対の第２の磁性層２４の間に第１の磁性層２３を介在させた構造を有していてもよい。また、これらを交互に積層した構造である場合に、積層数は特に限定されるものではない。さらに、これらいずれの場合にも、積層膜を構成する各層が複数ある場合に、それらの組成および膜厚は同一である必要はない。
【００４０】
図２に示す積層膜において、磁性層の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましく、非磁性層の厚さは１〜１０ｎｍが好ましい。なお、磁性層１３の間に介在させる非磁性層１４の材料は、非磁性であれば特に限定されないが、その抵抗の観点から半導体を用いることが好ましい。このような半導体材料も特に限定されるものではない。
【００４１】
一方、図３に示す積層膜において、第１の磁性膜の厚さは０．５〜２０ｎｍが好ましく、第２の磁性膜の厚さは２〜３０ｎｍが好ましい。
これら積層膜も典型的には薄膜状であり、上述したような薄膜形成技術を用いて形成することができる。また、超急冷などによる薄帯であっても良い。また、このような積層膜は、半導体マトリックス中に磁性金属粒子が分散した磁性層と非磁性層または磁性層とを交互に成膜して形成してもよいが、Ｃｏ，ＦｅおよびＮｉのうち少なくとも１種で構成された磁性層と非磁性層とを交互に積層した後に熱処理し、半導体元素を磁性層に拡散させることにより形成することもできる。
【００４２】
本発明に係る磁気抵抗効果素子はまた、半導体マトリックス中にＦｅ，Ｃｏ，およびＮｉのうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した第１の磁性層と、前記第１の磁性層よりソフトな磁性を有する第２の磁性層との積層膜を具備していてもよい。このように、ソフトな磁性を有する第２の磁性層を用いることにより、十分な磁気抵抗変化率を維持しながら飽和磁界を低下させることができる。
【００４３】
ソフトな磁性を有するとは、磁気モーメントの向きが反転し易いことを示し、例えば強磁性体の時保磁力（Ｈｃ）の大小で表すことができる。すなわち、Ｈｃが小さいほどソフトな磁性を有するということができる。ここでは、第１の磁性層よりソフトな磁性を有するとは、第１の磁性層より小さい飽和磁界（Ｈｓ）を有することをいい、第２の磁性層は、このようなソフトな磁性をもたせるために、例えばＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属又は遷移金属を含む合金で形成されたソフト磁性を示す物質、具体的にはパーマロイ、スーパーマロイやセンダストといった従来より用いられているソフト磁性材料で形成されることが好ましい。
【００４４】
このソフトな磁性を有する第２の磁性層の膜厚は０．５〜１００ｎｍ程度が好ましく、さらに好ましくは１〜２０ｎｍである。
このような積層膜は、例えば図５に示すように、半導体マトリックス３１中に磁性金属粒子３２が分散した第１の磁性層３３とソフトな磁性を有する第２の磁性層３４とにより形成される。基板上に第１の磁性層３３を形成した後、第２の磁性層３４を形成してもよいし、第２の磁性層３４を形成した後第１の磁性層３３を形成してもよい。また、第１の磁性層３３は１つであっても複数であっても良く、例えば、図６に示すように、２つの第１の磁性層３３の間に第２の磁性層３４を介在させても良い。また、第２の磁性層３４も１層であっても複数の層であっても良く、例えば図７に示すように、第１の磁性層３３と第２の磁性層３４とを交互に積層するようにしても良い。
【００４５】
これら磁気抵抗効果素子においては、金属磁性粒子３２が分散された第１の磁性層３３中の磁気モーメントは、磁気モーメントが反転し易いソフト磁性の第２の磁性層３４の相互作用により反転し易くなると考えられる。すなわち、第１の磁性層３３自体で得られる高い磁気抵抗変化率を維持しながら、小さな磁界でその磁気モーメントを反転することができるので、その結果、高い感度を得ることができると考えられる。
【００４６】
なお、このような積層膜も上述した薄膜形成技術などを用いて形成することができる。
本発明の磁気抵抗効果素子を実際に使用する際には、図８に示すように、電極が必要である。図８において、本発明に係る磁気抵抗効果素子４０は基板４３上に形成される。そして一対の電極部４１が磁気抵抗効果素子４０に設けられる。一対のリード４２が上記一対の電極部４１にそれぞれ接続される。なお、磁性材料または非磁性材料からなる下地層またはオーバーコートなどを磁気抵抗効果素子に設けてもよい。
【００４７】
【実施例】
次に、半導体マトリックス中に磁性金属粒子を分散させた基本構造を有する本発明の磁気抵抗効果素子における磁性体の実施例を示す。
（実施例１）
まず、ＦｅおよびＳｉを蒸発源として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＦｅ、Ｓｉ、Ｆｅの順番に成膜した。この際の基板温度を１００℃に設定した。ここでは各Ｆｅの膜厚を４ｎｍに固定しＳｉの膜厚を変化させた複数の膜を作成した。
【００４８】
得られた膜の構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、いずれも明確な積層構造をとっておらず、約１０〜２０ｎｍの粒径を有するＦｅ微粒子あるいは強磁性Ｆｅ−Ｓｉ合金微粒子がＳｉリッチのマトリックス中に分散した、いわゆるグラニュラー構造を有していた。
【００４９】
これらの膜について電気抵抗の温度変化を測定した結果、室温での比抵抗は、Ｓｉの膜厚に依存して１８０μΩ・ｃｍから２８０μΩ・ｃｍの間であり、室温近傍では比抵抗は温度上昇とともに低下した。このことから、電気抵抗は金属マトリックスを用いた従来のグラニュラー膜より１桁以上大きく、またマトリックスは半導体であることが確認された。一例として、図９にＳｉの膜厚が２ｎｍの場合の比抵抗の温度変化を示す。
【００５０】
電子線回折を用いてＳｉの膜厚が２ｎｍの場合の膜のマトリックス相を同定した結果、非磁性の半導体ＦｅＳｉ化合物が主相であり、アモルファスＳｉも若干含まれていることが確認された。
【００５１】
続いて、直流４端子法を用いてこの膜の磁気抵抗効果を測定した。得られた磁気抵抗効果曲線を図１０に示す。この図から明らかなように、磁気抵抗変化率が３％であり、飽和磁界が０．０３Ｔ（＝０．３Ｏｅ）であった。この飽和磁界の値は非磁性金属マトリックスを用いた従来のグラニュラー磁性膜よりも２桁以上小さな値である。
【００５２】
（実施例２）
次に、ＣｏおよびＳｉを蒸発源として、ＭＢＥ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＣｏ、Ｓｉ、Ｃｏの順番に成膜した。この際の基板温度を１００℃に設定した。ここでは各Ｃｏの膜厚を４ｎｍに固定しＳｉの膜厚を変化させた複数の膜を作成した。
【００５３】
得られた膜の構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、いずれも明確な積層構造をとっておらず、約１０〜２０ｎｍの粒径を有するＣｏ微粒子あるいは強磁性Ｃｏ−Ｓｉ合金微粒子がＳｉリッチのマトリックス中に分散した、いわゆるグラニュラー構造を有していた。
【００５４】
電子線回折を用いてこれらの膜のマトリックス相を同定した結果、非磁性の半導体ＣｏＳｉ相とアモルファスＳｉ相とからなることが確認された。
続いて、直流４端子法を用いて磁気抵抗効果を測定した。Ｓｉの膜厚が２ｎｍの場合、磁気抵抗変化率が８％であり、飽和磁界が０．０８Ｔであった。この飽和磁界の値は非磁性金属マトリックスを用いた従来のグラニュラー磁性膜よりも２桁以上小さな値である。
【００５５】
（実施例３）
さらに、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金およびＳｉを蒸発源として、ＭＢＥ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板上にＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金、Ｓｉ、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金の順番に成膜した。この際の基板温度を１００℃に設定した。ここでは各Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金の膜厚を５ｎｍに固定しＳｉの膜厚を変化させた複数の膜を作成した。
【００５６】
得られた膜の構造を透過型電子顕微鏡を用いて観察した結果、いずれも明確な積層構造をとっておらず、約１０〜２０ｎｍの粒径を有するＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀合金強磁性微粒子あるいはＮｉ₈₀Ｆｅ₂₀−Ｓｉ合金強磁性微粒子がＳｉリッチのマトリックス中に分散した、いわゆるグラニュラー構造を有していた。
【００５７】
電子線回折を用いてこれらの膜のマトリックス相を同定した結果、非磁性の半導体ＮｉＦｅＳｉ相とアモルファスＳｉ相とからなることが確認された。
続いて、直流４端子法を用いて磁気抵抗効果を測定した。Ｓｉの膜厚が２ｎｍの場合、磁気抵抗変化率が４％であり、また強磁性微粒子の磁歪定数λが１０^-6オーダーで零に近いため、飽和磁界が特に小さく０．０１Ｔであった。この飽和磁界の値は非磁性金属マトリックスを用いた従来のグラニュラー磁性膜よりも２桁以上小さな値である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒステリシス及び飽和磁界がともに小さく、磁気抵抗変化率の大きい磁気抵抗効果素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】隣接する磁性金属微粒子とそれらの間の半導体マトリックスのエネルギ準位を示し、本発明の原理を説明するための図。
【図２】本発明の磁気抵抗効果素子における半導体マトリックスに磁性金属粒子が分散した構造の磁性体を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図４】本発明の他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図５】本発明のさらに他の実施形態に係る磁気抵抗効果素子を示す断面図。
【図６】図５に示す実施形態の磁気抵抗効果素子の他の例を示す断面図。
【図７】図５に示す実施形態の磁気抵抗効果素子のさらに他の例を示す断面図。
【図８】本発明に係る磁気抵抗効果素子の実際の使用状態を示す断面図。
【図９】本発明の実施例１に係る磁性体の電気抵抗の温度変化を示す図。
【図１０】本発明の実施例１に係る磁性体の磁気抵抗効果曲線を示す図。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１……半導体マトリックス
２，１２，２２……磁性金属粒子
３……磁性体
４……スピン
１３，２３，２４，３３……磁性層
１４……非磁性層
３４……ソフト磁性層
４０……磁気抵抗効果素子
４１……電極部
４２……リード
４３……基板

Claims

遷移金属を含み実効的エネルギーギャップが１ｅＶ以下である半導体マトリックス中にＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した磁性体を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
遷移金属を含み実効的エネルギーギャップが１ｅＶ以下である半導体マトリックス中にＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の磁性層と、少なくとも１層の非磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
遷移金属を含み実効的エネルギーギャップが１ｅＶ以下である半導体マトリックス中にＦｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した少なくとも１層の第１の磁性層と、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも１種を含む少なくとも１層の第２の磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
遷移金属を含み実効的エネルギーギャップが１ｅＶ以下である半導体マトリックス中にＦｅ，Ｃｏ，およびＮｉのうち少なくとも１種を含む磁性金属粒子が分散した第１の磁性層と、前記第１の磁性層よりソフトな磁性を有する第２の磁性層との積層膜を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
前記半導体マトリックスは、遷移金属とＳｉまたはＧｅとの合金または化合物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記半導体マトリックスは、実効的エネルギーギャップが０．１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記磁性金属粒子は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉからなる磁性元素のうち少なくとも２種以上を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記磁性金属粒子は、その粒径が５〜１００ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記磁性金属粒子の磁歪が実質的に零であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。
前記非磁性層は半導体で形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。