JP6652014B2

JP6652014B2 - Magnetoresistive element and magnetic sensor

Info

Publication number: JP6652014B2
Application number: JP2016165736A
Authority: JP
Inventors: 勇人小池
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: JP2018032459A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気センサに関するものである。 The present invention relates to a magneto-resistance effect element and a magnetic sensor.

薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる再生素子として、磁気抵抗効果素子が知られている。一般的な磁気抵抗効果素子は、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの層の間に電流を流すため、高出力が得られる。 2. Description of the Related Art A magnetoresistive element is known as a reproducing element used for a thin-film magnetic recording / reproducing head or the like. A general magnetoresistive effect element provides a high output because a current flows between the magnetization fixed layer, the magnetization free layer, and these layers.

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面上（スピンを蓄積するためのチャネル層上）に形成するスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が知られている。スピン蓄積型磁気抵抗効果素子は、例えば、薄膜磁気記録再生ヘッド等の磁気センサに用いられた場合、高い空間分解能が得られることが期待されている。また、デバイス設計の自由度を向上できる利点も期待されている。特許文献１には、２つの強磁性電極と２つの非磁性電極を有する４端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献２には、２つの強磁性電極と１つの非磁性電極を有する３端子型のスピン蓄積型磁気抵抗効果素子が開示されている。 On the other hand, there is known a spin accumulation type magnetoresistive element in which a magnetization free layer and a magnetization fixed layer are formed on the same horizontal plane (on a channel layer for accumulating spins). For example, when a spin accumulation type magnetoresistive element is used for a magnetic sensor such as a thin film magnetic recording / reproducing head, it is expected that a high spatial resolution can be obtained. In addition, an advantage that the degree of freedom in device design can be improved is also expected. Patent Document 1 discloses a four-terminal spin accumulation type magnetoresistance effect element having two ferromagnetic electrodes and two nonmagnetic electrodes. Patent Document 2 discloses a three-terminal spin accumulation type magnetoresistive element having two ferromagnetic electrodes and one nonmagnetic electrode.

特許文献２には、図９に示すような磁気抵抗効果素子１ｘが記載されている。磁気抵抗効果素子１ｘは、支持基板３０ｘ上に下地絶縁層８０ｘを介してチャネル層７ｘを有し、チャネル層７ｘ上に、障壁層１４Ａｘを介して第１強磁性層１２Ａｘを有し、障壁層１４Ｂｘを介して第２強磁性層１２Ｂｘを有している。チャネル層７ｘは、第１強磁性層１２Ａｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる第１領域Ａ１ｘと、第２強磁性層１２Ｂｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる第２領域Ａ２ｘとを有している。さらに、チャネル層７ｘは図９に示すような延在部ＡＥｘを有している。磁気抵抗効果素子１ｘにおいて、延在部ＡＥｘは、第２領域Ａ２ｘから離間して設けられた参照電極２０ｘ（非磁性電極）とチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第２領域Ａ２ｘとの間の領域とからなる領域である。 Patent Document 2 describes a magnetoresistive element 1x as shown in FIG. The magnetoresistive element 1x has a channel layer 7x on a support substrate 30x via a base insulating layer 80x, and has a first ferromagnetic layer 12Ax on the channel layer 7x via a barrier layer 14Ax. There is a second ferromagnetic layer 12Bx via 14Bx. The channel layer 7x includes a first region A1x overlapping the first ferromagnetic layer 12Ax in the thickness direction of the channel layer 7x, and a second region A2x overlapping the second ferromagnetic layer 12Bx in the thickness direction of the channel layer 7x. have. Further, the channel layer 7x has an extension AEx as shown in FIG. In the magnetoresistive element 1x, the extending portion AEx includes a region overlapping the reference electrode 20x (non-magnetic electrode) provided apart from the second region A2x when viewed in the thickness direction of the channel layer 7x, This is an area including the area between the two areas A2x.

特開２０１０−２８７６６６号公報JP 2010-287666 A 国際公開第２０１５／０７６１８７号WO 2015/076187

しかしながら、スピン蓄積型磁気抵抗効果素子を実用的なものにするには、信号雑音比（ＳＮ比）はいまだに小さく、ＳＮ比のさらなる向上が必要である。本発明は、高いＳＮ比を有する磁気抵抗効果素子および磁気センサを提供することを目的とする。 However, in order to make the spin accumulation type magnetoresistance effect element practical, the signal-to-noise ratio (SN ratio) is still small, and it is necessary to further improve the SN ratio. An object of the present invention is to provide a magnetoresistive element and a magnetic sensor having a high SN ratio.

上記の課題を解決するため、本発明の磁気抵抗効果素子は、チャネル層と、第１強磁性層と、第２強磁性層と、参照電極とを有し、前記第１強磁性層と、前記第２強磁性層と、前記参照電極とは、互いに離間し、かつ、前記チャネル層を介して互いに電気的に接続され、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、前記チャネル層の厚み方向から見て互いに重ならずに離間しており、前記チャネル層は、前記第１強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第１領域、前記第２強磁性層と前記厚み方向から見て重なる第２領域および、前記第１領域と前記第２領域との間の第３領域を有し、前記参照電極の少なくとも一部が、前記第１領域、前記第２領域および前記第３領域からなる領域に接していることを特徴とする。 In order to solve the above problem, a magnetoresistive effect element according to the present invention has a channel layer, a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and a reference electrode, The second ferromagnetic layer and the reference electrode are separated from each other and are electrically connected to each other via the channel layer. The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are The channel layer is spaced apart from the first ferromagnetic layer when viewed from the thickness direction, and the channel layer is separated from the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer when viewed from the thickness direction. A second region overlapping when viewed from a direction, and a third region between the first region and the second region, wherein at least a part of the reference electrode includes the first region, the second region and the second region. It is characterized by being in contact with a region consisting of the third region.

上記の磁気抵抗効果素子に対し、第１強磁性層と第２強磁性層との間に第１強磁性層から第２強磁性層へチャネル層を介してスピン偏極キャリアを流すことにより、チャネル層の第２領域にスピンが蓄積され、チャネル層を介して第２強磁性層および参照電極の間において電圧（出力信号）を検出することにより、第１強磁性層の磁化方向と第２強磁性層の磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が検出される。上記の磁気抵抗効果素子によれば、第１領域、第２領域および第３領域からなる領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層の延在部（チャネル層全体からスピン偏極キャリアが流れる部分を除いた部分）の体積を小さくすることができる。その結果、チャネル層の第２領域に蓄積したスピンの第２領域から延在部への拡散を抑制することができ、第２領域にスピンを高密度に蓄積することができる。したがって、本発明の磁気抵抗効果素子の出力信号を大きくすることができ、高いＳＮ比を実現することができる。 By flowing a spin-polarized carrier from the first ferromagnetic layer to the second ferromagnetic layer via the channel layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, Spin is accumulated in the second region of the channel layer, and by detecting a voltage (output signal) between the second ferromagnetic layer and the reference electrode via the channel layer, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer and the second A change in resistance according to a change in the relative angle of the magnetization direction of the ferromagnetic layer is detected. According to the above-described magnetoresistive effect element, the extended portion of the channel layer (the channel layer) can be compared with the case where the region including the first region, the second region, and the third region is spaced apart from the reference electrode. (The portion excluding the portion through which the spin-polarized carriers flow) can be reduced. As a result, the diffusion of the spin accumulated in the second region of the channel layer from the second region to the extending portion can be suppressed, and the spin can be accumulated at a high density in the second region. Therefore, the output signal of the magnetoresistance effect element of the present invention can be increased, and a high SN ratio can be realized.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の少なくとも一部が前記第２領域に接していることを特徴とする。 Further, in the magnetoresistance effect element according to the present invention, at least a part of the reference electrode is in contact with the second region.

これによれば、参照電極の少なくとも一部が第１領域、第２領域および第３領域からなる領域と接するとともに第２領域と参照電極とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層と参照電極との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。 According to this, at least a part of the reference electrode is in contact with the region including the first region, the second region, and the third region, and the channel is more compared with the case where the second region and the reference electrode are spaced apart from each other. Comparing the case where the contact area between the layer and the reference electrode is the same, the volume of the region where the portion where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and the part where the voltage is detected (spin detection path) overlaps in the channel layer. Can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistance effect element of the present invention can be reduced.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第１領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。 Further, in the magnetoresistance effect element according to the present invention, the first region and the reference electrode are not in contact with each other.

これによれば、第１領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。 According to this, compared to the case where the first region is in contact with the reference electrode, a portion where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path) in the channel layer. The volume of the overlapping region can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistance effect element of the present invention can be reduced.

さらに、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記第３領域と前記参照電極とが接していないことを特徴とする。 Further, in the magnetoresistance effect element according to the present invention, the third region and the reference electrode are not in contact with each other.

これによれば、第３領域と参照電極とが接している場合に比べて、チャネル層におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、本発明の磁気抵抗効果素子の出力ノイズを小さくすることができる。 According to this, as compared with the case where the third region is in contact with the reference electrode, a portion where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path) in the channel layer. The volume of the overlapping region can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistance effect element of the present invention can be reduced.

また、本発明の磁気抵抗効果素子は、前記参照電極の熱伝導率が前記チャネル層の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする。 Further, the magnetoresistance effect element according to the present invention is characterized in that the thermal conductivity of the reference electrode is smaller than the thermal conductivity of the channel layer.

これによれば、チャネル層のスピン輸送経路内において生じるジュール熱の参照電極による放熱作用を抑制することができ、チャネル層の内部における温度勾配を小さくすることができる。チャネル層の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、本発明の磁気抵抗効果素子のＳＮ比をさらに高くすることができる。 According to this, it is possible to suppress the radiation effect of Joule heat generated in the spin transport path of the channel layer by the reference electrode, and to reduce the temperature gradient inside the channel layer. Since the output noise decreases as the temperature gradient inside the channel layer decreases, the SN ratio of the magnetoresistive element of the present invention can be further increased.

さらに、本発明の磁気センサは、上記の磁気抵抗効果素子を有することを特徴とする。 Further, a magnetic sensor according to the present invention includes the above-described magnetoresistance effect element.

これによれば、高いＳＮ比を有する磁気センサを実現することが出来る。 According to this, it is possible to realize a magnetic sensor having a high SN ratio.

本発明によれば、高いＳＮ比を有する磁気抵抗効果素子および磁気センサを提供することができる。 According to the present invention, a magnetoresistive element and a magnetic sensor having a high SN ratio can be provided.

図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of the magnetoresistive element according to the first embodiment. 図２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a modification of the magnetoresistance effect element according to the first embodiment. 図３は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the magnetoresistive element according to the second embodiment. 図４は、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a modification of the magnetoresistive element according to the second embodiment. 図５は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of the magnetoresistive element according to the third embodiment. 図６は、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子の変形例の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a modification of the magnetoresistive element according to the third embodiment. 図７は、第４実施形態に係る磁気センサの要部断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a main part of a magnetic sensor according to the fourth embodiment. 図８は、図７の磁性媒体対向面（Ｘ方向）から見た側面図である。FIG. 8 is a side view as viewed from the magnetic medium facing surface (X direction) in FIG. 図９は、従来例に係る磁気抵抗効果素子の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a magnetoresistive element according to a conventional example.

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Preferred embodiments for implementing the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The components described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that have an equivalent range. Furthermore, the components described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of the components can be made without departing from the spirit of the present invention.

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１について説明する。 (1st Embodiment)
Hereinafter, the magnetoresistive element 1 according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.

（基本構造）
図１は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１の斜視図である。図１に示すように、磁気抵抗効果素子１は、チャネル層７と、第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂと、参照電極２０とを有している。チャネル層７および参照電極２０は、下地絶縁層８０を介して支持基板３０上に設けられている。第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂと、参照電極２０とは、互いに離間し、かつ、チャネル層７を介して互いに電気的に接続されている。第１強磁性層１２Ａと、第２強磁性層１２Ｂとは、チャネル層７の厚み方向から見て互いに重ならずに離間している。チャネル層７は、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとが並ぶ方向（膜面内における方向）が長辺方向であり、その長辺方向に垂直な方向（膜面内における方向）が短辺方向である矩形の平面視形状を有しており、直方体形状となっている。 (Basic structure)
FIG. 1 is a perspective view of the magnetoresistive element 1 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the magnetoresistive element 1 includes a channel layer 7, a first ferromagnetic layer 12A, a second ferromagnetic layer 12B, and a reference electrode 20. The channel layer 7 and the reference electrode 20 are provided on the support substrate 30 via the base insulating layer 80. The first ferromagnetic layer 12A, the second ferromagnetic layer 12B, and the reference electrode 20 are separated from each other and are electrically connected to each other via the channel layer 7. The first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are separated from each other without overlapping when viewed from the thickness direction of the channel layer 7. In the channel layer 7, the direction in which the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are arranged (the direction in the film plane) is the long side direction, and the direction perpendicular to the long side direction (the direction in the film plane). ) Has a rectangular planar shape that is the short side direction, and has a rectangular parallelepiped shape.

チャネル層７は、チャネル層７の厚み方向で互いに対向する第１の面と第２の面とを有している。磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂは、チャネル層７の第１の面の側（図１に示される例では、チャネル層７の上面側）に設けられている。 The channel layer 7 has a first surface and a second surface facing each other in the thickness direction of the channel layer 7. In the magnetoresistance effect element 1, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are provided on the first surface side of the channel layer 7 (the upper surface side of the channel layer 7 in the example shown in FIG. 1). Have been.

第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂは、これらの間を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへチャネル層７を介してスピン偏極キャリア（電子またはホール）が流れる部分であり、第２強磁性層１２Ｂおよび参照電極２０は、チャネル層７を介して電圧が検出される部分である。 Between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, spin-polarized carriers (electrons or holes) flow from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7. The second ferromagnetic layer 12 </ b> B and the reference electrode 20 are portions where a voltage is detected via the channel layer 7.

チャネル層７は、第１強磁性層１２Ａとチャネル層７の厚み方向から見て重なる第１領域Ａ１、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の厚み方向から見て重なる第２領域Ａ２および、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との間の第３領域Ａ３を有している。 The channel layer 7 includes a first region A1 overlapping the first ferromagnetic layer 12A in the thickness direction of the channel layer 7, a second region A2 overlapping the second ferromagnetic layer 12B in the thickness direction of the channel layer 7, and It has a third area A3 between the first area A1 and the second area A2.

参照電極２０は少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接するように設けられている。図１に示す例では、参照電極２０は少なくとも一部が、第２領域Ａ２に接するように設けられている。磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が、チャネル層７の第２の面の側（図１に示す例では、チャネル層７の下面側）に設けられ、第２領域Ａ２の下面に接するように配置されている。すなわち、参照電極２０は、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の厚み方向から見て重なる位置に配置されている。磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０は、第２領域Ａ２の下面の全面のみでチャネル層７と接しており、第１領域Ａ１および第３領域Ａ３とは接していない。 The reference electrode 20 is provided so that at least a part thereof is in contact with a region including the first region A1, the second region A2, and the third region A3. In the example shown in FIG. 1, at least a part of the reference electrode 20 is provided so as to be in contact with the second region A2. In the magnetoresistive element 1, the reference electrode 20 is provided on the second surface side of the channel layer 7 (the lower surface side of the channel layer 7 in the example shown in FIG. 1) and is in contact with the lower surface of the second region A2. Are located in That is, the reference electrode 20 is arranged at a position overlapping the second ferromagnetic layer 12B when viewed from the thickness direction of the channel layer 7. In the magnetoresistive element 1, the reference electrode 20 is in contact with the channel layer 7 only on the entire lower surface of the second region A2, and is not in contact with the first region A1 and the third region A3.

磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａ、第１領域Ａ１、第３領域Ａ３、第２領域Ａ２および第２強磁性層１２Ｂがスピン輸送経路に相当する領域（スピン偏極キャリアが流れる部分）であり、第２強磁性層１２Ｂ、第２領域Ａ２および参照電極２０がスピン検出経路に相当する領域（電圧が検出される部分）である。 In the magnetoresistive effect element 1, the first ferromagnetic layer 12A, the first region A1, the third region A3, the second region A2, and the second ferromagnetic layer 12B correspond to a region corresponding to a spin transport path (spin-polarized carriers flow). And the second ferromagnetic layer 12B, the second region A2, and the reference electrode 20 correspond to a spin detection path (a part where a voltage is detected).

第１強磁性層１２Ａとチャネル層７との間には、障壁層１４Ａが設けられ、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間には、障壁層１４Ｂが設けられている。 A barrier layer 14A is provided between the first ferromagnetic layer 12A and the channel layer 7, and a barrier layer 14B is provided between the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7.

（支持基板および下地絶縁層）
支持基板３０の材料としては、例えば、ＡｌＴｉＣまたはＳｉが挙げられる。支持基板３０上に設けられる下地絶縁層８０の材料としては、例えばＳｉＯ_ｘ（酸化シリコン）、ＨｆＯ_ｘ（酸化ハフニウム）またはＳｉＮ_ｘ（窒化シリコン）などが挙げられる。下地絶縁層８０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さくなっている。 (Supporting substrate and underlying insulating layer)
The material of the support substrate 30 includes, for example, AlTiC or Si. As a material of the base insulating layer 80 provided on the support substrate 30, for example, SiO _x (silicon oxide), HfO _x (hafnium oxide), SiN _x (silicon nitride), or the like can be given. The thermal conductivity of the base insulating layer 80 is smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7.

（強磁性層）
第１強磁性層１２Ａ及び第２強磁性層１２Ｂの材料としては、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群の金属を１種以上含む合金、又は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１又は複数の金属と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される１種以上の元素とを含む合金が挙げられ、具体的には、ＣｏＦｅＢまたはＮｉＦｅ等が挙げられる。 (Ferromagnetic layer)
As a material of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, for example, a metal selected from the group consisting of Co, Fe, and Ni, and a metal of the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni are used. One or more metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe, and Ni, and one or more metals selected from the group consisting of B, C, N, Al, Si, Ga, and Ge An alloy containing one or more elements is mentioned, and specifically, CoFeB or NiFe is mentioned.

（障壁層）
第１強磁性層１２Ａとチャネル層７との間には、障壁層１４Ａが設けられているので、第１強磁性層１２Ａからチャネル層７へスピン偏極したキャリア（電子またはホール）を多く注入することが可能となり、磁気抵抗効果素子１の出力信号を高めることが可能となる。第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間には、障壁層１４Ｂが設けられているので、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７との間におけるスピン偏極キャリアのスピン偏極率の低下が抑制され、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへの効率的なスピンの輸送が可能になる。 (Barrier layer)
Since the barrier layer 14A is provided between the first ferromagnetic layer 12A and the channel layer 7, many spin-polarized carriers (electrons or holes) are injected from the first ferromagnetic layer 12A into the channel layer 7. And the output signal of the magnetoresistive element 1 can be increased. Since the barrier layer 14B is provided between the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7, the spin polarization ratio of the spin-polarized carrier between the second ferromagnetic layer 12B and the channel layer 7 is reduced. The drop is suppressed, and efficient transport of spins from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B becomes possible.

障壁層１４Ａ、１４Ｂは、トンネル障壁層であることが好ましい。トンネル障壁層の材料として、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、スピネル酸化膜または酸化亜鉛などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル障壁層として機能させる観点から、トンネル障壁層の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、トンネル障壁層の膜厚は、１原子層の厚みを考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。 The barrier layers 14A and 14B are preferably tunnel barrier layers. As a material of the tunnel barrier layer, for example, magnesium oxide, aluminum oxide, titanium oxide, spinel oxide film, zinc oxide, or the like can be used. From the viewpoint of suppressing an increase in resistance and functioning as a tunnel barrier layer, the thickness of the tunnel barrier layer is preferably 3 nm or less. The thickness of the tunnel barrier layer is preferably 0.4 nm or more in consideration of the thickness of one atomic layer.

（チャネル層）
チャネル層７はスピンが輸送・蓄積される層である。チャネル層７の材料は、非磁性材料であり、スピン拡散長が長い材料であることが好ましい。磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の材料は非磁性半導体となっている。この場合、チャネル層７の材料（母材）は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓおよびＣのうちのいずれか１つを含む半導体とすることができる。また、チャネル層７の材料は、Ｃｕ、ＡｇまたはＡｌ等の非磁性金属とすることもできる。磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の材料は第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３で同じである。 (Channel layer)
The channel layer 7 is a layer in which spins are transported and accumulated. The material of the channel layer 7 is a non-magnetic material, and is preferably a material having a long spin diffusion length. In the magnetoresistive element 1, the material of the channel layer 7 is a non-magnetic semiconductor. In this case, the material (base material) of the channel layer 7 can be a semiconductor containing any one of Si, Ge, GaAs, and C. Further, the material of the channel layer 7 may be a non-magnetic metal such as Cu, Ag or Al. In the magnetoresistive element 1, the material of the channel layer 7 is the same in the first region A1, the second region A2, and the third region A3.

チャネル層７の材料として非磁性半導体を用いる場合、母材となる半導体材料には導電性を付与するための不純物を少量添加（不純物ドーピング）することが好ましい。不純物ドーピングの手法としては、例えば、イオン注入法、熱拡散法などが挙げられる。例えば、母材となる半導体材料としてＳｉ、ＧｅまたはＣなどの１４族（ＩＶ族）の元素を用いる場合、Ｎ、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどの１５族（Ｖ族）の元素を不純物としてドーピングすれば、電子が多数キャリアとなるため、キャリア濃度として電子の濃度を調整することができる。この場合、チャネル層７はｎ型半導体となる。また、Ｂ、ＡｌまたはＧａなどの１３族（ＩＩＩ族）の元素を不純物としてドーピングすれば、ホールが多数キャリアとなるため、キャリア濃度としてホールの濃度を調整することができる。この場合、チャネル層７はｐ型半導体となる。チャネル層７の不純物濃度は、１．０×１０^１６〜１．０×１０^２１ｃｍ^−３とすることが好ましい。 When a nonmagnetic semiconductor is used as the material of the channel layer 7, it is preferable to add a small amount of an impurity for imparting conductivity (impurity doping) to a semiconductor material serving as a base material. Examples of the impurity doping method include an ion implantation method and a thermal diffusion method. For example, in the case where an element belonging to Group 14 (Group IV) such as Si, Ge or C is used as a base material, an element belonging to Group 15 (Group V) such as N, P, As or Sb may be doped as an impurity. For example, since electrons become majority carriers, the electron concentration can be adjusted as the carrier concentration. In this case, the channel layer 7 is an n-type semiconductor. Further, when an element of Group 13 (Group III) such as B, Al, or Ga is doped as an impurity, holes serve as majority carriers, so that the concentration of holes can be adjusted as the carrier concentration. In this case, the channel layer 7 is a p-type semiconductor. It is preferable that the impurity concentration of the channel layer 7 be 1.0 × 10 ^{16 to} 1.0 × 10 ²¹ cm ⁻³ .

チャネル層７の材料がｎ型半導体である場合は、電子がスピン偏極キャリアとなる。この場合、第２強磁性層１２Ｂから第１強磁性層１２Ａへチャネル層７を介して流れる電流が、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから印加される。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こした電子が、第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７の内部を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送される。これにより、チャネル層７の内部（第２領域Ａ２）にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成される。 When the material of the channel layer 7 is an n-type semiconductor, electrons serve as spin-polarized carriers. In this case, a current flowing from the second ferromagnetic layer 12B to the first ferromagnetic layer 12A via the channel layer 7 is applied from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, electrons that have been spin-polarized by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A, and the inside of the channel layer 7 is moved from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Transported to Thereby, a non-equilibrium state of spin (spin accumulation) is generated inside the channel layer 7 (second region A2).

チャネル層７の材料がｐ型半導体である場合は、ホールがスピン偏極キャリアとなる。この場合、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂへチャネル層７を介して流れる電流が、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから印加される。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こしたホールが、第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７の内部を第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送される。これにより、チャネル層７の内部（第２領域Ａ２）にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成される。 When the material of the channel layer 7 is a p-type semiconductor, holes serve as spin-polarized carriers. In this case, a current flowing from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7 is applied from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B. In this case, holes that have been spin-polarized by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A, and the inside of the channel layer 7 moves from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B. Transported to Thereby, a non-equilibrium state of spin (spin accumulation) is generated inside the channel layer 7 (second region A2).

（参照電極）
図１に示すように、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が、下地絶縁層８０の凹部に設けられ、チャネル層７の第２領域Ａ２の下面に接している。 (Reference electrode)
As shown in FIG. 1, in the magnetoresistive element 1, the reference electrode 20 is provided in the concave portion of the base insulating layer 80 and is in contact with the lower surface of the second region A2 of the channel layer 7.

参照電極２０の材料は導体である非磁性材料、特に非磁性の金属であることが好ましい。さらに、参照電極２０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。表１に、参照電極２０またはチャネル層７に用いることができる主な非磁性材料の例とその熱伝導率を示す。例えば、チャネル層７の材料としてＳｉを用いる場合、参照電極２０に用いる好ましい材料として、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、ＣｒまたはＮｂなどが挙げられる。チャネル層７の材料としてＣｕを用いる場合、参照電極２０に用いる好ましい材料として、Ａｌ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔａ、ＣｒまたはＮｂなどが挙げられる。なお、参照電極２０の材料として、これらの元素を主成分とする合金や窒化物などを用いてもよい。 The material of the reference electrode 20 is preferably a non-magnetic material that is a conductor, particularly a non-magnetic metal. Further, the thermal conductivity of the reference electrode 20 is preferably smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7. Table 1 shows examples of main nonmagnetic materials that can be used for the reference electrode 20 or the channel layer 7 and their thermal conductivity. For example, when Si is used as the material of the channel layer 7, preferable materials used for the reference electrode 20 include Ti, Zr, V, Ta, Cr, and Nb. When Cu is used as the material of the channel layer 7, preferable materials used for the reference electrode 20 include Al, W, Mo, Ti, Zr, V, Ta, Cr, and Nb. Note that, as a material of the reference electrode 20, an alloy or a nitride containing these elements as main components may be used.

磁気抵抗効果素子１では、スピン輸送経路に相当する領域にスピン偏極キャリアを流すために、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が流される。第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が流れる間、スピン輸送経路内には電流値の二乗とスピン輸送経路の材料の抵抗値に比例した量の熱（ジュール熱）が発生するが、磁気抵抗効果素子１のようにチャネル層７の材料が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３で同じ場合、チャネル層７のそれぞれの領域においてジュール熱は均一に発生する。 In the magnetoresistive effect element 1, a current flows between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B in order to flow spin-polarized carriers in a region corresponding to the spin transport path. While a current flows between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, an amount of heat (Joule heat) proportional to the square of the current value and the resistance of the material of the spin transport path is present in the spin transport path. However, when the material of the channel layer 7 is the same in the first region A1, the second region A2, and the third region A3 as in the magnetoresistance effect element 1, Joule heat is uniform in each region of the channel layer 7. Occurs.

ここで、参照電極２０の熱伝導率がチャネル層７の熱伝導率よりも大きい場合、参照電極２０とチャネル層７とが接する面において、チャネル層７（熱伝導率が小さい側）から参照電極２０（熱伝導率が大きい側）への方向に向かって熱の拡散（放熱）が起こり、チャネル層７の内部に温度勾配が生じてしまう。より具体的には、チャネル層７の温度分布は、第１領域Ａ１側（参照電極２０から離れた側）で温度が高く、第２領域Ａ２側（参照電極２０に近い側）で温度が低いものになる。 Here, when the thermal conductivity of the reference electrode 20 is larger than the thermal conductivity of the channel layer 7, on the surface where the reference electrode 20 and the channel layer 7 are in contact with each other, the reference electrode 20 extends from the channel layer 7 (on the side where the thermal conductivity is smaller). Heat is diffused (dissipated) toward the direction of 20 (the side with the higher thermal conductivity), and a temperature gradient is generated inside the channel layer 7. More specifically, the temperature distribution of the channel layer 7 is such that the temperature is higher on the first region A1 side (the side distant from the reference electrode 20) and lower on the second region A2 side (the side closer to the reference electrode 20). Become something.

一方、参照電極２０の熱伝導率がチャネル層７の熱伝導率よりも小さい場合、チャネル層７の内部で生じたジュール熱の参照電極２０の方向への拡散（放熱）は抑制され、チャネル層７の内部において生じる温度勾配は小さく抑制される。チャネル層７の内部における温度勾配が小さいほど出力ノイズが小さくなるので、この場合、磁気抵抗効果素子１のＳＮ比をさらに高くすることができる。したがって、参照電極２０の熱伝導率は、チャネル層７の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。 On the other hand, when the thermal conductivity of the reference electrode 20 is smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7, diffusion (radiation) of Joule heat generated inside the channel layer 7 in the direction of the reference electrode 20 is suppressed, and The temperature gradient generated inside 7 is suppressed to be small. Since the output noise decreases as the temperature gradient inside the channel layer 7 decreases, in this case, the SN ratio of the magnetoresistive element 1 can be further increased. Therefore, the thermal conductivity of the reference electrode 20 is preferably smaller than the thermal conductivity of the channel layer 7.

（作製方法）
磁気抵抗効果素子１は、例えば、以下の手順で作製することが好ましい。 (Production method)
It is preferable that the magnetoresistive element 1 is manufactured, for example, by the following procedure.

支持基板３０上に絶縁層を有する基板を準備し、フォトリソグラフィ、イオンミリングおよびスパッタリング法などにより、下地絶縁層８０に相当する絶縁層、および参照電極２０に相当する非磁性導体層からなる構造体を作製する。 A substrate having an insulating layer on a supporting substrate 30 is prepared, and a structure including an insulating layer corresponding to the base insulating layer 80 and a nonmagnetic conductor layer corresponding to the reference electrode 20 is formed by photolithography, ion milling, sputtering, or the like. Is prepared.

次に、ＣＭＰ（化学機械研磨）処理などにより、上記構造体の表面を平坦化し、下地絶縁層８０および参照電極２０を形成する。また、薬液洗浄やプラズマ処理などにより、下地絶縁層８０および参照電極２０からなる構造体表面の付着物（パーティクル、有機物、及び自然酸化膜など）を除去し、清浄化する。 Next, the surface of the structure is flattened by a CMP (chemical mechanical polishing) process or the like, and the base insulating layer 80 and the reference electrode 20 are formed. In addition, by cleaning with a chemical solution, plasma treatment, or the like, deposits (particles, organic substances, natural oxide films, and the like) on the surface of the structure including the base insulating layer 80 and the reference electrode 20 are removed and the structure is cleaned.

次に、ＭＢＥ（分子線エピタキシー）法などにより、上記構造体上に非磁性半導体層、障壁層および強磁性層を成膜し、積層膜を形成する。 Next, a non-magnetic semiconductor layer, a barrier layer, and a ferromagnetic layer are formed on the structure by an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or the like to form a stacked film.

次に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層膜を矩形状にパターニングして、上記構造体の上部にチャネル層７、障壁層および強磁性層からなる積層構造体を作製する。なお、上記積層構造体は、チャネル層７の第２領域に相当する領域の下面のみが、参照電極２０の上面と接するようにパターニングされる。 Next, the above-mentioned laminated film is patterned into a rectangular shape by photolithography, ion milling, or the like, and a laminated structure including a channel layer 7, a barrier layer, and a ferromagnetic layer is formed on the structure. The stacked structure is patterned so that only the lower surface of the region corresponding to the second region of the channel layer 7 is in contact with the upper surface of the reference electrode 20.

最後に、フォトリソグラフィおよびイオンミリングなどにより、上記の積層構造体の障壁層および強磁性層をパターニングし、障壁層１４Ａ、第１強磁性層１２Ａ、障壁層１４Ｂおよび第２強磁性層１２Ｂを形成する。これにより、チャネル層７の第１領域Ａ１の上部には障壁層１４Ａおよび第１強磁性層１２Ａが積層しており、チャネル層７の第２領域Ａ２の上部には障壁層１４Ｂおよび第２強磁性層１２Ｂが積層した構造が作製される。 Finally, the barrier layer and the ferromagnetic layer of the above-mentioned laminated structure are patterned by photolithography and ion milling to form the barrier layer 14A, the first ferromagnetic layer 12A, the barrier layer 14B, and the second ferromagnetic layer 12B. I do. Thus, the barrier layer 14A and the first ferromagnetic layer 12A are stacked on the first region A1 of the channel layer 7, and the barrier layer 14B and the second ferromagnetic layer are formed on the second region A2 of the channel layer 7. A structure in which the magnetic layers 12B are stacked is manufactured.

このように作製された磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７の長辺側の側面と、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に沿う側面）とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層７の短辺側の一方の側面と、第１強磁性層１２Ａの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２強磁性層１２Ｂとは反対側の側面）とが、同一の面上に存在している。また、チャネル層７の短辺側の他方の側面と、第２強磁性層１２Ｂの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第１強磁性層１２Ａとは反対側の側面）とが、同一の面上に存在している。 In the magnetoresistive element 1 thus manufactured, the long side surface of the channel layer 7 and the side surfaces of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B (the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B). (A side surface along the arrangement direction of the magnetic layers 12B) exists on the same surface. Further, one side surface on the short side of the channel layer 7 and the side surface of the first ferromagnetic layer 12A (the side surface intersecting with the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, (The side opposite to the ferromagnetic layer 12B) is on the same plane. Further, the other side surface on the short side of the channel layer 7 and the side surface of the second ferromagnetic layer 12B (the side surface intersecting with the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B, (The side opposite to the ferromagnetic layer 12A) is present on the same surface.

なお、チャネル層７における第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂまでの距離は、チャネル層７に用いる材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。 Note that the distance from the first ferromagnetic layer 12A to the second ferromagnetic layer 12B in the channel layer 7 is preferably equal to or less than the spin diffusion length of the material used for the channel layer 7.

（効果の説明）
チャネル層７の材料としてｎ型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第２強磁性層１２Ｂを正、第１強磁性層１２Ａを負とする電圧を印加した場合、第２強磁性層１２Ｂからチャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａへと電流が流れるとともに、チャネル層７の内部には、第２領域Ａ２側を正、第１領域Ａ１側を負とした電界が生じる。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こした電子が第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７を介し、第２強磁性層１２Ｂへと輸送されるが、チャネル層７の内部においては、スピン偏極した電子が流れる方向と同じ方向にスピン偏極した電子を加速させて輸送しようという力（ドリフト電界）が、スピン偏極した電子に加わる。これにより、スピン偏極した電子が第２領域Ａ２（特に、第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に高密度に蓄積する。 (Explanation of effect)
When an n-type semiconductor is used as the material of the channel layer 7 and a voltage is applied in the spin transport path to make the second ferromagnetic layer 12B positive and the first ferromagnetic layer 12A negative, A current flows through the channel layer 7 to the first ferromagnetic layer 12A, and an electric field is generated inside the channel layer 7 with the second region A2 side being positive and the first region A1 side being negative. In this case, electrons that have been spin-polarized by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A and transported to the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7. Inside the device, a force (drift electric field) for accelerating and transporting the spin-polarized electrons in the same direction as the flow of the spin-polarized electrons is applied to the spin-polarized electrons. Thereby, spin-polarized electrons are accumulated at a high density in the second region A2 (especially near the interface between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2).

チャネル層７の材料としてｐ型半導体を用い、スピン輸送経路内において、第１強磁性層１２Ａを正、第２強磁性層１２Ｂを負とする電圧を印加した場合、第１強磁性層１２Ａからチャネル層７を介して第２強磁性層１２Ｂへと電流が流れるとともに、チャネル層７の内部には、第１領域Ａ１側を正、第２領域Ａ２側を負とした電界が生じる。この場合、第１強磁性層１２Ａによってスピン偏極を起こしたホールが第１強磁性層１２Ａから注入され、チャネル層７を介し、第２強磁性層１２Ｂへと輸送されるが、チャネル層７の内部においては、スピン偏極したホールが流れる方向と同じ方向にスピン偏極したホールを加速させて輸送しようという力（ドリフト電界）が、スピン偏極したホールに加わる。これにより、スピン偏極したホールが第２領域Ａ２（特に、第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に高密度に蓄積する。 When a p-type semiconductor is used as the material of the channel layer 7 and a voltage is applied to the first ferromagnetic layer 12A positive and the second ferromagnetic layer 12B negative in the spin transport path, the first ferromagnetic layer 12A A current flows through the channel layer 7 to the second ferromagnetic layer 12B, and an electric field is generated inside the channel layer 7 with the first region A1 side being positive and the second region A2 side being negative. In this case, holes that have been spin-polarized by the first ferromagnetic layer 12A are injected from the first ferromagnetic layer 12A and transported via the channel layer 7 to the second ferromagnetic layer 12B. Inside the hole, a force (drift electric field) for accelerating and transporting the spin-polarized hole in the same direction as the direction in which the spin-polarized hole flows is applied to the spin-polarized hole. As a result, spin-polarized holes accumulate at a high density in the second region A2 (especially near the interface between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2).

このように、スピン偏極キャリアが、第１強磁性層１２Ａから第２強磁性層１２Ｂの方向に輸送され、第２領域Ａ２にスピンの非平衡状態（スピン蓄積）が生成されることにより、磁気抵抗効果素子１には、第１強磁性層１２Ａの磁化と第２強磁性層１２Ｂの磁化に起因した磁気抵抗効果が発生し、第１強磁性層１２Ａの磁化方向と第２強磁性層１２Ｂの磁化方向の相対角の変化に応じた抵抗変化が生じる。このうち、主に、第２強磁性層１２Ｂとチャネル層７の第２領域Ａ２との間の磁気抵抗効果による抵抗変化に対応した電圧変化（出力値）が、チャネル層７を介して第２強磁性層１２Ｂおよび参照電極２０の間において検出される。 As described above, the spin-polarized carriers are transported from the first ferromagnetic layer 12A toward the second ferromagnetic layer 12B, and a non-equilibrium state of spin (spin accumulation) is generated in the second region A2. In the magnetoresistive element 1, a magnetoresistive effect occurs due to the magnetization of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization of the second ferromagnetic layer 12B, and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12A. A resistance change occurs in accordance with a change in the relative angle of the magnetization direction of 12B. Among them, mainly, a voltage change (output value) corresponding to a resistance change due to a magnetoresistance effect between the second ferromagnetic layer 12B and the second region A2 of the channel layer 7 is generated via the channel layer 7 via the second layer. It is detected between the ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20.

磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接している。そのため、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と参照電極２０とが離間して配置されている場合（従来例）に比べて、チャネル層７の延在部（チャネル層全体からスピン輸送経路に相当する領域を除いた部分）の体積を小さくすることができる。 In the magnetoresistive element 1, at least a part of the reference electrode 20 is in contact with a region including the first region A1, the second region A2, and the third region A3. Therefore, as compared with the case where the region including the first region A1, the second region A2, and the third region A3 and the reference electrode 20 are spaced apart from each other (conventional example), the extending portion (channel) of the channel layer 7 The volume of the entire layer excluding a region corresponding to the spin transport path) can be reduced.

従来例に係る磁気抵抗効果素子１ｘの斜視図を図９に示す。図９に示すように、磁気抵抗効果素子１ｘのチャネル層７ｘは、第２領域Ａ２ｘから離間して設けられた参照電極２０ｘとチャネル層７ｘの厚み方向から見て重なる領域と、この領域と第２領域Ａ２ｘとの間の領域とからなる領域である延在部ＡＥｘを有している。磁気抵抗効果素子１ｘにおいて、チャネル層７ｘは、第１領域Ａ１ｘ、第２領域Ａ２ｘ、第１領域Ａ１ｘと第２領域Ａ２ｘの間の領域である第３領域Ａ３ｘおよび延在部ＡＥｘから構成されている。参照電極２０ｘは、第２領域Ａ２ｘには接しておらず、延在部ＡＥｘに接している。 FIG. 9 shows a perspective view of a magnetoresistive element 1x according to a conventional example. As shown in FIG. 9, the channel layer 7x of the magnetoresistive element 1x has a region overlapping the reference electrode 20x provided apart from the second region A2x when viewed in the thickness direction of the channel layer 7x, An extension portion AEx is a region including the region between the two regions A2x. In the magnetoresistive element 1x, the channel layer 7x includes a first region A1x, a second region A2x, a third region A3x which is a region between the first region A1x and the second region A2x, and an extension AEx. I have. The reference electrode 20x is not in contact with the second region A2x, but is in contact with the extension AEx.

第２領域Ａ２（Ａ２ｘ）に蓄積したスピンは、第２領域Ａ２（Ａ２ｘ）を中心にチャネル層７（７ｘ）の内部を三次元的に拡散する性質がある。したがって、磁気抵抗効果素子１のように、チャネル層７の延在部の体積を小さくすることにより、第２領域Ａ２に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部への方向への拡散を抑制することができる。その結果、第２領域Ａ２にスピンを高密度に蓄積することができ、磁気抵抗効果素子１の出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子１は、高いＳＮ比を有することができる。 Spins accumulated in the second region A2 (A2x) have a property of three-dimensionally diffusing inside the channel layer 7 (7x) around the second region A2 (A2x). Therefore, by reducing the volume of the extending portion of the channel layer 7 as in the magnetoresistive effect element 1, the diffusion of the spin accumulated in the second region A2 in the direction from the second region A2 to the extending portion is prevented. Can be suppressed. As a result, spins can be accumulated at a high density in the second region A2, and the output signal of the magnetoresistive element 1 can be increased. Therefore, the magnetoresistance effect element 1 can have a high SN ratio.

なお、磁気抵抗効果素子１では、チャネル層７において、スピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が存在する。チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積を小さくするほど、スピン輸送経路に生じる電圧降下の影響を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。また、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が大きいほど、スピン検出経路における抵抗値を小さくすることができ、出力ノイズを小さくすることができる。磁気抵抗効果素子１は、参照電極２０の少なくとも一部が第２領域Ａ２に接しているので、参照電極２０の少なくとも一部が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と接するとともに第２領域Ａ２と参照電極２０とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が同じである場合で比較すると、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズを小さくすることができる。 In the magnetoresistive element 1, there is a region in the channel layer 7 where a portion where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (spin detection path) overlap. As the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path overlap in the channel layer 7 is reduced, the effect of the voltage drop occurring in the spin transport path can be reduced, and the output noise can be reduced. Further, as the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 increases, the resistance value in the spin detection path can be reduced, and the output noise can be reduced. In the magnetoresistive element 1, at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the second region A2, so that at least a part of the reference electrode 20 is formed of the first region A1, the second region A2, and the third region A3. When the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is the same as compared with the case where the second region A2 and the reference electrode 20 are separated from each other, It is possible to reduce the volume of the region where the part where the polarized carriers flow (spin transport path) and the part where the voltage is detected (spin detection path) overlap. As a result, the output noise of the magnetoresistive element 1 can be reduced.

また、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第１領域Ａ１に接していないので、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が、第１領域Ａ１においては存在せず、チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズを小さくすることができる。 In the magnetoresistive element 1, since the reference electrode 20 is not in contact with the first region A1, the portion of the channel layer 7 where the spin-polarized carriers flow (the spin transport path) and the portion where the voltage is detected (the spin detection path) Is not present in the first region A1, and the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path in the channel layer 7 overlap is small. As a result, the output noise of the magnetoresistive element 1 can be reduced.

また、磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第３領域Ａ３に接していないので、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分（スピン輸送経路）と電圧が検出される部分（スピン検出経路）とが重なる領域が、第３領域Ａ３においても存在せず、チャネル層７におけるスピン輸送経路とスピン検出経路とが重なる領域の体積が小さい。その結果、磁気抵抗効果素子１の出力ノイズをさらに小さくすることができる。 Further, in the magnetoresistive element 1, since the reference electrode 20 is not in contact with the third region A3, a portion of the channel layer 7 where the spin-polarized carriers flow (spin transport path) and a portion where the voltage is detected (the spin detection path). ) Does not exist in the third region A3, and the volume of the region where the spin transport path and the spin detection path in the channel layer 7 overlap is small. As a result, the output noise of the magnetoresistive element 1 can be further reduced.

なお、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１では、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとがチャネル層７の上面側に、参照電極２０がチャネル層７の下面側に設けられている例で説明したが、第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとがチャネル層７の下面側に、参照電極２０がチャネル層７の上面側に設けられていてもよい。また、第１強磁性層１２Ａと参照電極２０とがチャネル層７の上面側に、第２強磁性層１２Ｂがチャネル層７の下面側に設けられていてもよい。また、第１強磁性層１２Ａと参照電極２０とがチャネル層７の下面側に、第２強磁性層１２Ｂがチャネル層７の上面側に設けられていてもよい。 In the magnetoresistive element 1 of the first embodiment, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B are provided on the upper surface of the channel layer 7, and the reference electrode 20 is provided on the lower surface of the channel layer 7. However, the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B may be provided on the lower surface of the channel layer 7, and the reference electrode 20 may be provided on the upper surface of the channel layer 7. Further, the first ferromagnetic layer 12A and the reference electrode 20 may be provided on the upper surface side of the channel layer 7, and the second ferromagnetic layer 12B may be provided on the lower surface side of the channel layer 7. Further, the first ferromagnetic layer 12A and the reference electrode 20 may be provided on the lower surface side of the channel layer 7, and the second ferromagnetic layer 12B may be provided on the upper surface side of the channel layer 7.

また、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１では、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面に接するように配置される例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２の側面に接するように配置されていてもよい。図２に、第２領域Ａ２が第３領域Ａ３と接する面に対向する第２領域Ａ２の端面（チャネル層７の短辺側の側面）に参照電極２０が配置されている磁気抵抗効果素子１ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子１ａにおいても、参照電極２０が第２領域Ａ２に接するように設けられていることで、高いＳＮ比が得られる。 Further, in the magnetoresistive element 1 of the first embodiment, an example has been described in which the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the lower surface of the second region A2, but the reference electrode 20 is in contact with the side surface of the second region A2. May be arranged. FIG. 2 shows a magnetoresistive element 1a in which a reference electrode 20 is disposed on an end surface (a short side surface of the channel layer 7) of the second region A2 facing the surface where the second region A2 is in contact with the third region A3. FIG. Also in the magnetoresistive element 1a, a high SN ratio can be obtained because the reference electrode 20 is provided so as to be in contact with the second region A2.

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る磁気抵抗効果素子２について、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。 (2nd Embodiment)
Hereinafter, with respect to the magnetoresistive element 2 according to the second embodiment, differences from the magnetoresistive element 1 of the first embodiment will be mainly described, and the common items will not be further described.

磁気抵抗効果素子２は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１に対して、チャネル層７の構成が異なる。図３に示すように、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２が第３領域Ａ３と接する面に対向する第２領域Ａ２の端面から、第３領域Ａ３から離れる方向へ向かって延びる延在部ＡＥを有している。図３に示す磁気抵抗効果素子２では、延在部ＡＥは、チャネル層７が参照電極２０とチャネル層７の厚み方向から見て重なる領域から、第２領域Ａ２を除いた領域となっている。参照電極２０は、第２領域Ａ２および延在部ＡＥの下面に接している。磁気抵抗効果素子２のその他の点は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と同じである。 The configuration of the channel layer 7 of the magnetoresistive element 2 is different from that of the magnetoresistive element 1 of the first embodiment. As shown in FIG. 3, in the magnetoresistance effect element 2, the second region A2 extends from the end face of the second region A2 facing the surface in contact with the third region A3 in a direction away from the third region A3. It has a section AE. In the magnetoresistive element 2 shown in FIG. 3, the extension AE is a region obtained by removing the second region A2 from the region where the channel layer 7 overlaps the reference electrode 20 in the thickness direction of the channel layer 7 in the thickness direction. . The reference electrode 20 is in contact with the second region A2 and the lower surface of the extension AE. Other points of the magnetoresistive element 2 are the same as those of the magnetoresistive element 1 of the first embodiment.

磁気抵抗効果素子２では、従来例（磁気抵抗効果素子１ｘ）と同様、チャネル層７に延在部ＡＥが設けられているが、参照電極２０の少なくとも一部が第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接するように設けられていることにより、従来例（磁気抵抗効果素子１ｘ）よりも延在部ＡＥの体積が小さくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部ＡＥへの方向への拡散を抑制することができる。これにより、磁気抵抗効果素子１に比べて出力信号増大効果は小さくなるものの、出力信号を従来例に比べて大きくすることができる。 In the magnetoresistive element 2, as in the conventional example (the magnetoresistive element 1x), the extension portion AE is provided in the channel layer 7, but at least a part of the reference electrode 20 includes the first region A1 and the second region By being provided so as to be in contact with the region including the region A2 and the third region A3, the volume of the extending portion AE is smaller than that of the conventional example (the magnetoresistive element 1x). Therefore, in the magnetoresistance effect element 2, the diffusion of the spin accumulated in the second region A2 in the direction from the second region A2 to the extending portion AE can be suppressed. Thereby, although the output signal increasing effect is smaller than that of the magnetoresistive effect element 1, the output signal can be larger than that of the conventional example.

また、磁気抵抗効果素子２では、第２領域Ａ２および延在部ＡＥの下面に参照電極２０が設けられていることにより、磁気抵抗効果素子１よりもチャネル層７と参照電極２０との接触面積が大きくなっている。そのため、磁気抵抗効果素子２は、磁気抵抗効果素子１に比べて出力ノイズを小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子２においても、高いＳＮ比が得られる。 Further, in the magnetoresistive element 2, since the reference electrode 20 is provided on the lower surface of the second region A <b> 2 and the extension AE, the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is larger than in the magnetoresistive element 1. Is getting bigger. Therefore, the output noise of the magnetoresistive element 2 can be smaller than that of the magnetoresistive element 1. As a result, also in the magnetoresistive element 2, a high SN ratio can be obtained.

なお、第２実施形態の磁気抵抗効果素子２では、チャネル層７の形状が直方体である例で説明したが、チャネル層７がテーパー形状を有していてもよい。図４にチャネル層７の延在部ＡＥの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２領域Ａ２とは反対側の側面）の部分の形状がテーパー形状である磁気抵抗効果素子２ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子２ａにおいては、チャネル層７は、チャネル層７の厚み方向に垂直な断面が、上面側（第２強磁性層１２Ｂとの対向面側）から下面側（参照電極２０との対向面側）に向かって広くなるような形状となっている。磁気抵抗効果素子２ａにおいては、チャネル層７の第１強磁性層１２Ａ側の側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面）と、第１強磁性層１２Ａの側面（第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂの配列方向に交差する側面であって、第２強磁性層１２Ｂとは反対側の側面）とは、同一の面上に存在している。 In the magnetoresistive element 2 of the second embodiment, the channel layer 7 has been described as an example in which the channel layer 7 has a rectangular parallelepiped shape, but the channel layer 7 may have a tapered shape. FIG. 4 shows the side surface of the extending portion AE of the channel layer 7 (the side surface intersecting with the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and the side surface opposite to the second region A2). FIG. 4 is a perspective view of a magnetoresistive element 2a having a tapered portion. In the magnetoresistive element 2a, the cross section of the channel layer 7 perpendicular to the thickness direction of the channel layer 7 is changed from the upper surface (the surface facing the second ferromagnetic layer 12B) to the lower surface (the surface facing the reference electrode 20). (The surface side). In the magnetoresistive element 2a, the side surface of the channel layer 7 on the side of the first ferromagnetic layer 12A (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B) and the first ferromagnetic layer The side surface 12A (the side surface intersecting the arrangement direction of the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B and the side surface opposite to the second ferromagnetic layer 12B) exists on the same surface. are doing.

磁気抵抗効果素子２ａは、例えば、非磁性半導体層、障壁層および強磁性層からなる積層膜をパターニングする工程において、テーパーを有する側面を形成する際にイオンミリングの傾斜角を大きくすることにより、作製することができる。 The magnetoresistive effect element 2a, for example, in the step of patterning a laminated film composed of a non-magnetic semiconductor layer, a barrier layer and a ferromagnetic layer, by increasing the inclination angle of ion milling when forming a tapered side surface, Can be made.

磁気抵抗効果素子２ａは、チャネル層７の形状が直方体である場合（磁気抵抗効果素子２）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が同じ場合で比較すると、チャネル層７における延在部ＡＥの体積を小さくすることができる。これにより、磁気抵抗効果素子２ａでは、チャネル層７と参照電極２０との接触面積を大きくすることによって得られる出力ノイズ低減効果を備えながら、第２領域Ａ２の上部（第２強磁性層１２Ｂと第２領域Ａ２との間の界面付近）に蓄積したスピンの第２領域Ａ２から延在部ＡＥへの方向への拡散を抑制することができ、出力信号を大きくすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子２ａでは、磁気抵抗効果素子２よりも高いＳＮ比が得られる。 The magnetoresistive element 2a has a channel layer 7 having a rectangular parallelepiped shape (magnetoresistive element 2) and a contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 that is the same. The volume of the extension AE can be reduced. Thereby, in the magnetoresistive effect element 2a, the output noise reduction effect obtained by increasing the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is provided, and the upper part of the second region A2 (with the second ferromagnetic layer 12B) is provided. The diffusion of the spin accumulated in the vicinity of the interface with the second region A2) from the second region A2 to the extending portion AE can be suppressed, and the output signal can be increased. Therefore, the magnetoresistance effect element 2a can obtain a higher SN ratio than the magnetoresistance effect element 2.

（第３実施形態）
以下、第３実施形態に係る磁気抵抗効果素子３について、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。 (Third embodiment)
Hereinafter, with respect to the magnetoresistive element 3 according to the third embodiment, differences from the magnetoresistive element 1 of the first embodiment will be mainly described, and the common items will not be described.

磁気抵抗効果素子３は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１に対して、参照電極２０の設置位置が異なる。図５に示すように、磁気抵抗効果素子３では、参照電極２０は、チャネル層７の第２領域Ａ２の下面の一部に接するように設けられている。 The position of the reference electrode 20 of the magnetoresistive element 3 is different from that of the magnetoresistive element 1 of the first embodiment. As shown in FIG. 5, in the magnetoresistive element 3, the reference electrode 20 is provided so as to be in contact with a part of the lower surface of the second region A2 of the channel layer 7.

磁気抵抗効果素子３は、参照電極２０を形成する工程、チャネル層７を形成する工程、および第２強磁性層１２Ｂを形成する工程のそれぞれのパターンレイアウトを、磁気抵抗効果素子１の作製方法に対して変更することにより、作製することができる。 In the magnetoresistive element 3, the respective pattern layouts of the step of forming the reference electrode 20, the step of forming the channel layer 7, and the step of forming the second ferromagnetic layer 12 </ b> B are changed to the method of manufacturing the magnetoresistive element 1. It can be manufactured by changing it.

磁気抵抗効果素子３は、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面全体に接している場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との接触面積が小さくなっている。これにより、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることができる。その結果、磁気抵抗効果素子３の出力ノイズを小さくすることができる。 In the magnetoresistive element 3, the contact area between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is smaller than when the reference electrode 20 is in contact with the entire lower surface of the second region A2 (the magnetoresistive element 1). . Thereby, the volume of the region in the channel layer 7 where the portion where the spin-polarized carriers flow and the portion where the voltage is detected overlaps can be reduced. As a result, the output noise of the magnetoresistive element 3 can be reduced.

なお、磁気抵抗効果素子３では、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面全体に接している場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との界面における抵抗値が大きくなっている。この場合、スピン検出経路の抵抗値に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子１に比べて大きくなるが、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子３においても、高いＳＮ比が得られる。 In the magnetoresistive element 3, the resistance at the interface between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is smaller than that in the case where the reference electrode 20 is in contact with the entire lower surface of the second region A2 (the magnetoresistive element 1). It is getting bigger. In this case, the output noise caused by the resistance value of the spin detection path is larger than that of the magnetoresistive element 1, but the volume of the region in the channel layer 7 where the portion where the spin-polarized carriers flow and the portion where the voltage is detected overlaps. To reduce the output noise. Therefore, a high SN ratio can be obtained also in the magnetoresistive element 3.

なお、これまで説明した第１〜第３実施形態では、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２の下面だけでなく、第３領域Ａ３または第１領域Ａ１の下面においても接するように配置されていてもよい。図６に、参照電極２０が第２領域Ａ２および第３領域Ａ３の下面に接するように配置されている磁気抵抗効果素子３ａの斜視図を示す。磁気抵抗効果素子３ａにおいても、参照電極２０は、第１強磁性層１２Ａおよび第２強磁性層１２Ｂから離間して設けられている。 In the first to third embodiments described so far, the example in which the reference electrode 20 is disposed so as to be in contact with the channel layer 7 only in the second region A2 has been described. It may be arranged so as to contact not only the lower surface but also the lower surface of the third region A3 or the first region A1. FIG. 6 is a perspective view of the magnetoresistive element 3a in which the reference electrode 20 is arranged so as to be in contact with the lower surfaces of the second region A2 and the third region A3. Also in the magnetoresistive element 3a, the reference electrode 20 is provided separately from the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B.

磁気抵抗効果素子３ａでは、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７と参照電極２０との界面における抵抗値が小さくなっている。これにより、磁気抵抗効果素子３ａの出力ノイズを小さくすることができる。 In the magnetoresistive element 3a, compared with the case where the reference electrode 20 is arranged so as to be in contact only with the channel layer 7 in the second region A2 (the magnetoresistive element 1), the interface between the channel layer 7 and the reference electrode 20 is smaller. Resistance value is low. Thereby, the output noise of the magnetoresistance effect element 3a can be reduced.

一方、磁気抵抗効果素子３ａでは、参照電極２０がチャネル層７と第２領域Ａ２のみで接するように配置される場合（磁気抵抗効果素子１）に比べて、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積が大きくなっている。この場合、チャネル層７におけるスピン偏極キャリアが流れる部分と電圧を検出する部分とが重なる領域の体積に起因する出力ノイズは磁気抵抗効果素子１に比べて大きくなるが、スピン検出経路の抵抗値を小さくすることによる出力ノイズ低減効果が得られる。したがって、磁気抵抗効果素子３ａにおいても、高いＳＮ比が得られる。 On the other hand, in the magnetoresistive element 3a, the spin-polarized carriers in the channel layer 7 are smaller than those in the case where the reference electrode 20 is arranged so as to be in contact with the channel layer 7 only in the second region A2 (the magnetoresistive element 1). The volume of the region where the flowing part and the part for detecting the voltage overlap is large. In this case, the output noise due to the volume of the region where the portion where the spin-polarized carrier flows in the channel layer 7 and the portion where the voltage is detected overlaps is larger than that of the magnetoresistive element 1, but the resistance value of the spin detection path is larger. To reduce the output noise. Therefore, a high SN ratio can be obtained also in the magnetoresistance effect element 3a.

また、第１〜第３実施形態では、参照電極２０の少なくとも一部が第２領域Ａ２に接している例で説明したが、参照電極２０が第２領域Ａ２に接していなくても良い。例えば、チャネル層７と参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１と第３領域Ａ３の両方のみ、またはいずれか一方のみで接するように設けられていてもよい。このような場合の磁気抵抗効果素子であっても、参照電極２０の少なくとも一部が、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域に接していることで、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２および第３領域Ａ３からなる領域と参照電極２０とが離間して配置されている場合に比べて、チャネル層７の延在部の体積を小さくすることができ、高いＳＮ比を実現することができる。 Further, in the first to third embodiments, an example has been described in which at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the second region A2, but the reference electrode 20 may not be in contact with the second region A2. For example, at least a part of the channel layer 7 and the reference electrode 20 may be provided so as to be in contact with both the first region A1 and the third region A3, or only one of them. Even in the magnetoresistance effect element in such a case, at least a part of the reference electrode 20 is in contact with the region including the first region A1, the second region A2, and the third region A3. The volume of the extending portion of the channel layer 7 can be reduced as compared with the case where the region including A1, the second region A2, and the third region A3 and the reference electrode 20 are spaced apart from each other. Ratio can be realized.

（第４実施形態）
以下、第４実施形態に係る磁気センサ１００について説明する。図７は、磁気センサ１００の要部断面図であり、図８は、図７における磁性媒体Ｍから見た側面図（Ｘ方向から見た側面図）である。図７および図８に示すように、磁気センサ１００は、支持基板３０上に下地絶縁層８０を介して、磁気抵抗効果素子１と、磁気抵抗効果素子１を膜面直交方向（Ｚ方向）に挟むように設けられた下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０とを有している。また、図８に示すように、磁気センサ１００は、磁気抵抗効果素子１の幅方向であるＹ方向（図７においては紙面直交方向）の両側に設けられたバイアス磁界印加層１６を有している。チャネル層７と下部磁気シールド４０の間、および磁気抵抗効果素子１とバイアス磁界印加層１６の間には絶縁膜４が設けられている。絶縁膜４は、バイアス磁界印加層１６と磁気抵抗効果素子１を絶縁分離するとともに、下部磁気シールド４０およびバイアス磁界印加層１６などによるスピンの吸収を抑制するために形成される。バイアス磁界印加層１６は、磁気抵抗効果素子１の第１強磁性層１２Ａを単磁区化するために、第１強磁性層１２ＡにＹ方向のバイアス磁界を印加する。絶縁膜４の材料は、例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２など、バイアス磁界印加層１６の材料は、例えばＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔなど、下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０の材料は、例えばＮｉＦｅなどが好ましい。 (Fourth embodiment)
Hereinafter, the magnetic sensor 100 according to the fourth embodiment will be described. 7 is a cross-sectional view of a main part of the magnetic sensor 100, and FIG. 8 is a side view as viewed from the magnetic medium M in FIG. As shown in FIGS. 7 and 8, the magnetic sensor 100 includes the magnetoresistive element 1 and the magnetoresistive element 1 in a direction orthogonal to the film surface (Z direction) via the base insulating layer 80 on the support substrate 30. It has a lower magnetic shield 40 and an upper magnetic shield 50 provided so as to sandwich it. As shown in FIG. 8, the magnetic sensor 100 includes the bias magnetic field applying layers 16 provided on both sides in the Y direction (the direction perpendicular to the paper in FIG. 7) which is the width direction of the magnetoresistive effect element 1. I have. An insulating film 4 is provided between the channel layer 7 and the lower magnetic shield 40 and between the magnetoresistive element 1 and the bias magnetic field applying layer 16. The insulating film 4 is formed to insulate and separate the bias magnetic field applying layer 16 from the magnetoresistive effect element 1 and to suppress spin absorption by the lower magnetic shield 40 and the bias magnetic field applying layer 16. The bias magnetic field applying layer 16 applies a bias magnetic field in the Y direction to the first ferromagnetic layer 12A in order to convert the first ferromagnetic layer 12A of the magnetoresistive element 1 into a single magnetic domain. The material of the insulating film 4 is preferably, for example, Al ₂ O ₃ or SiO ₂ , the material of the bias magnetic field applying layer 16 is, for example, CoPt or CoCrPt, and the material of the lower magnetic shield 40 and the upper magnetic shield 50 is, for example, NiFe. .

図７に示すように、下部磁気シールド４０は、チャネル層７および参照電極２０の下部に設けられている。参照電極２０は、下部磁気シールド４０の凹部に接して設けられている。上部磁気シールド５０は、第１強磁性層１２Ａの上部に設けられている。第２強磁性層１２Ｂの上部には、配線５が設けられている。上部磁気シールド５０は磁気抵抗効果素子１に電流を印加するための配線を兼ねている。下部磁気シールド４０は磁気抵抗効果素子１の電圧を検出するための配線を兼ねている。配線５の材料は、下部磁気シールド４０及び上部磁気シールド５０の材料と同じであってもよい。上部磁気シールド５０と配線５との間には電流源６０が接続され、チャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が印加されるようになっている。配線５と下部磁気シールド４０との間には電圧計７０が接続され、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０との間の電圧が検出されるようになっている。 As shown in FIG. 7, the lower magnetic shield 40 is provided below the channel layer 7 and the reference electrode 20. The reference electrode 20 is provided in contact with the concave portion of the lower magnetic shield 40. The upper magnetic shield 50 is provided above the first ferromagnetic layer 12A. The wiring 5 is provided above the second ferromagnetic layer 12B. The upper magnetic shield 50 also serves as a wiring for applying a current to the magnetoresistive element 1. The lower magnetic shield 40 also serves as a wiring for detecting the voltage of the magnetoresistive element 1. The material of the wiring 5 may be the same as the material of the lower magnetic shield 40 and the upper magnetic shield 50. A current source 60 is connected between the upper magnetic shield 50 and the wiring 5, and a current is applied between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7. ing. A voltmeter 70 is connected between the wiring 5 and the lower magnetic shield 40 so that a voltage between the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 is detected.

磁気センサ１００について、検出する外部磁界として、磁性媒体Ｍから生じる磁界を検出する例で説明する。図７に示すように、磁気センサ１００では、磁気抵抗効果素子１の先端部（第１強磁性層１２Ａの一端）が、磁気センサ１００の磁性媒体Ｍとの対向面に配置されている。磁気センサ１００において、第１強磁性層１２Ａは、磁性媒体Ｍから生じる磁界に応じてその磁化方向が変化する層（磁化自由層）として機能する。第１強磁性層１２Ａとしては、特に軟磁性材料が適用される。なお、磁気センサ１００の磁性媒体Ｍとの対向面には、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の保護膜が形成されていることが好ましいが、図７および図８においては、保護膜は省略している。 The magnetic sensor 100 will be described using an example in which a magnetic field generated from a magnetic medium M is detected as an external magnetic field to be detected. As shown in FIG. 7, in the magnetic sensor 100, the tip of the magnetoresistive element 1 (one end of the first ferromagnetic layer 12 </ b> A) is disposed on the surface of the magnetic sensor 100 facing the magnetic medium M. In the magnetic sensor 100, the first ferromagnetic layer 12A functions as a layer (magnetization free layer) whose magnetization direction changes according to a magnetic field generated from the magnetic medium M. As the first ferromagnetic layer 12A, a soft magnetic material is particularly applied. It is preferable that a protective film such as DLC (diamond-like carbon) is formed on the surface of the magnetic sensor 100 facing the magnetic medium M, but the protective film is omitted in FIGS. 7 and 8. I have.

図７に示すように、磁気センサ１００において、第２強磁性層１２Ｂは、磁性媒体Ｍから離れた位置に配置されている。このため、第２強磁性層１２Ｂは、磁性媒体Ｍから生じる磁界の影響を受けにくくなっているため、その磁化方向が一方向に固定された層（磁化固定層）として機能する。第２強磁性層１２Ｂの磁化の固定をより強固にする（第２強磁性層１２Ｂの保磁力を大きくする）ために、第２強磁性層１２Ｂに形状異方性を付与してもよい。または、第２強磁性層１２Ｂ上に反強磁性層を積層することにより、第２強磁性層１２Ｂと反強磁性層との間に働く交換結合を利用してもよい。または、第２強磁性層１２Ｂをシンセティックピンド構造にすることにより、第２強磁性層１２Ｂの内部に働く交換結合を利用してもよい。 As shown in FIG. 7, in the magnetic sensor 100, the second ferromagnetic layer 12B is arranged at a position away from the magnetic medium M. For this reason, the second ferromagnetic layer 12B is hardly affected by the magnetic field generated from the magnetic medium M, and thus functions as a layer whose magnetization direction is fixed in one direction (a magnetization fixed layer). Shape anisotropy may be imparted to the second ferromagnetic layer 12B in order to further fix the magnetization of the second ferromagnetic layer 12B (to increase the coercive force of the second ferromagnetic layer 12B). Alternatively, an exchange coupling acting between the second ferromagnetic layer 12B and the antiferromagnetic layer may be used by laminating an antiferromagnetic layer on the second ferromagnetic layer 12B. Alternatively, exchange coupling acting inside the second ferromagnetic layer 12B may be used by forming the second ferromagnetic layer 12B with a synthetic pinned structure.

チャネル層７を介して第１強磁性層１２Ａと第２強磁性層１２Ｂとの間に電流が印加され、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０の間の電圧を測定することにより、磁性媒体Ｍから生じる磁界を検出することが可能となる。磁性媒体Ｍから生じる磁界の変化に応じて、第１強磁性層１２Ａの磁化方向と第２強磁性層１２Ｂの磁化方向の相対角が変化して、第２強磁性層１２Ｂと参照電極２０との間の電圧が変化する。 A current is applied between the first ferromagnetic layer 12A and the second ferromagnetic layer 12B via the channel layer 7, and the voltage between the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 is measured. It is possible to detect a magnetic field generated from M. In accordance with the change in the magnetic field generated from the magnetic medium M, the relative angle between the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 12A and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 12B changes, and the second ferromagnetic layer 12B and the reference electrode 20 The voltage changes between.

磁気センサ１００は、高いＳＮ比を得ることができる磁気抵抗効果素子１を有するので、精度よく外部磁場を検出することができる。 Since the magnetic sensor 100 has the magnetoresistive effect element 1 that can obtain a high SN ratio, it can accurately detect an external magnetic field.

第４実施形態の磁気センサ１００は、磁気抵抗効果素子１を有する例であるが、磁気抵抗効果素子１にかえて、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子２、磁気抵抗効果素子２ａ、磁気抵抗効果素子３または磁気抵抗効果素子３ａを用いてもよい。 The magnetic sensor 100 according to the fourth embodiment is an example having the magnetoresistive element 1, but instead of the magnetoresistive element 1, a magnetoresistive element 1a, a magnetoresistive element 2, a magnetoresistive element 2a, The resistance effect element 3 or the magnetoresistance effect element 3a may be used.

１、１ａ、２、２ａ、３、３ａ…磁気抵抗効果素子
７…チャネル層
１２Ａ…第１強磁性層
１２Ｂ…第２強磁性層
１４Ａ、１４Ｂ…障壁層
２０…参照電極
Ａ１…第１領域
Ａ２…第２領域
Ａ３…第３領域 1, 1a, 2, 2a, 3, 3a ... magneto-resistance effect element 7 ... channel layer 12A ... first ferromagnetic layer 12B ... second ferromagnetic layers 14A and 14B ... barrier layer 20 ... reference electrode A1 ... first region A2 ... Second area A3 ... Third area

Claims

A channel layer, a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and a reference electrode;
The first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, and the reference electrode are spaced apart from each other, and are electrically connected to each other via the channel layer;
The first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are separated from each other without overlapping when viewed from a thickness direction of the channel layer,
The channel layer includes a first region overlapping the first ferromagnetic layer in the thickness direction, a second region overlapping the second ferromagnetic layer in the thickness direction, and a second region overlapping the first ferromagnetic layer in the thickness direction. A third region between the region and
At least a part of the reference electrode is in contact with a region including the first region, the second region, and the third region ,
A material of the channel layer is a semiconductor containing Si or Ge as a base material,
A magnetoresistance effect element, wherein the thermal conductivity of the reference electrode is smaller than the thermal conductivity of the channel layer .

The magnetoresistance effect element according to claim 1, wherein at least a part of the reference electrode is in contact with the second region.

3. The magnetoresistive element according to claim 2, wherein the first region and the reference electrode are not in contact with each other.

4. The magnetoresistive element according to claim 2, wherein the third region is not in contact with the reference electrode. 5.

The material of the channel layer is a semiconductor containing Si as a base material,
5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a material of the reference electrode is Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Ta, or Pt . 6.

The material of the channel layer is a semiconductor containing Ge as a base material,
5. The magnetoresistive element according to claim 1, wherein a material of the reference electrode is Ti, V, Zr, Nb, or Ta. 6.

A magnetic sensor having a magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 6.