JPH10209526A - Ferromagnetic spin tunnel effect element - Google Patents

Ferromagnetic spin tunnel effect element

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Publication number
JPH10209526A
JPH10209526A JP9023255A JP2325597A JPH10209526A JP H10209526 A JPH10209526 A JP H10209526A JP 9023255 A JP9023255 A JP 9023255A JP 2325597 A JP2325597 A JP 2325597A JP H10209526 A JPH10209526 A JP H10209526A
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JP
Japan
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ferromagnetic
thin film
spin
ferromagnetic thin
electrons
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Application number
JP9023255A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Motofumi Suzuki
基史 鈴木
Takeshi Owaki
健史 大脇
Yasunori Taga
康訓 多賀
Hiroshi Tadano
博 只野
Toru Kachi
徹 加地
Yuichi Tanaka
雄一 田中
Kazuyoshi Tomita
一義 冨田
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Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferromagnetic spin tunnel effect element having a large rate of change in resistance. SOLUTION: A first ferromagnetic body 12 and a second ferromagnetic body 14 are oppositely located via an insulation layer 13 in a ferromagnetic spin tunnel effect element where a tunnel current flowing through the insulation layer 13 changes, depending on the relation of magnetization direction between the first ferromagnetic body 12 and the second ferromagnetic body 14, the first ferromagnetic body 12 or/and second ferromagnetic body 14 are made of a ferromagnetic semimetal. As a result, the rate of change in resistance becomes much greater than that of the conventional ferromagnetic spin tunnel effect element.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、所定値以上の外部磁場
の有無、又は、外部磁場の向きに応じて、流れる電流を
2値レベルで切り換えられる素子に関する。さらに詳し
くは強磁性スピントンネル効果を用いた素子に関し、磁
気センサ、パルス式の回転又は位置センサ、磁気メモ
リ、磁気メモリに対する磁気ヘッド等に用いることがで
きる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an element capable of switching a flowing current at a binary level according to the presence or absence of an external magnetic field of a predetermined value or more, or according to the direction of the external magnetic field. More specifically, an element using the ferromagnetic spin tunnel effect can be used for a magnetic sensor, a pulse type rotation or position sensor, a magnetic memory, a magnetic head for a magnetic memory, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、2つの強磁性体を極めて薄い絶縁
体で挟んだ構造の強磁性スピントンネル効果素子が知ら
れている(特開平6−244477号、特開平8−70
148号、特開平4−103014号公報)。その素子
は、Al2O3 等の絶縁体を介してFe、Co、Ni等の2つの強
磁性体間に流れるトンネル電流の大きさが、2つの強磁
性体の磁化の向きに依存して変化するというものであ
る。即ち、2つの強磁性体の磁化の向きが同一向き(以
下、単に、「平行」という)の場合には比較的大きな電
流が流れ、磁化の方向は平行であるが向きが反対(以
下、単に、「反平行」という)である場合には比較的小
さな電流が流れる。このことは、2つの強磁性体間の抵
抗値が2つの強磁性体間の磁化の向きに応じて変化する
とも言える。
2. Description of the Related Art Conventionally, a ferromagnetic spin tunnel effect device having a structure in which two ferromagnetic materials are sandwiched between extremely thin insulators is known (Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 6-244377 and Hei 8-70).
148, JP-A-4-103014). In this device, the magnitude of the tunnel current flowing between two ferromagnetic materials such as Fe, Co, and Ni via an insulator such as Al 2 O 3 depends on the magnetization directions of the two ferromagnetic materials. It changes. That is, when the magnetization directions of the two ferromagnetic materials are the same (hereinafter simply referred to as “parallel”), a relatively large current flows, and the magnetization directions are parallel but opposite (hereinafter simply referred to as “parallel”). , "Anti-parallel"), a relatively small current flows. This can be said that the resistance value between two ferromagnetic materials changes according to the direction of magnetization between the two ferromagnetic materials.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
素子では、磁化の反平行時の抵抗値の平行時の抵抗値か
らの抵抗増加量の磁化の平行時の抵抗値に対する割合
(以下、「抵抗変化率」という)が最大で約20%と小
さく、その素子をセンサに用いた場合には、外部磁化方
向の識別感度が低く、又、スイッチング素子に用いた場
合には、オンオフの制御性能に問題があった。
However, in the above element, the ratio of the amount of increase in resistance from the resistance in parallel when the magnetization is anti-parallel to the resistance in parallel in magnetization (hereinafter referred to as "resistance"). The rate of change is as small as about 20% at the maximum. When the element is used for a sensor, the sensitivity of discriminating the external magnetization direction is low. When the element is used for a switching element, the on / off control performance is poor. There was a problem.

【0004】従って、本発明の目的は、上記構造の強磁
性スピントンネル効果素子において、抵抗変化率を向上
させ、センサ又はスイッチング素子としての素子特性を
向上させることである。
Accordingly, it is an object of the present invention to improve the rate of change in resistance in a ferromagnetic spin tunneling device having the above structure, and to improve the device characteristics as a sensor or a switching device.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、第1強磁性体と第2強磁性体とを絶縁層
を介して対向させ、第1強磁性体と第2強磁性体との間
の磁化方向の関係によって絶縁層を介して流れるトンネ
ル電流が変化する強磁性スピントンネル効果を用いた素
子において、第1強磁性体又は/及び第2強磁性体を強
磁性半金属とするという手段を採用した。尚、第1強磁
性体及び第2強磁性体共に強磁性半金属とすると抵抗変
化率が高くなり望ましいが、いずれか一方に採用して
も、従来の素子に比べて抵抗変化率は向上する。又、強
磁性半金属としては、NiMnSb、CoMnSb、FeMnSb、CrO2
La1-x Cax MnO3等を採用することができる。その他、一
般的に、C1b型の結晶構造を有するホイスラー合金、M
nを含む金を採用することができる。
According to the present invention, a first ferromagnetic material and a second ferromagnetic material are opposed to each other via an insulating layer, and the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material are opposed to each other. In a device using a ferromagnetic spin tunnel effect in which a tunnel current flowing through an insulating layer changes depending on a relationship of a magnetization direction with a magnetic material, a first ferromagnetic material and / or a second ferromagnetic material are combined with a ferromagnetic half-structure. The means of metal was adopted. It is desirable that both the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material are ferromagnetic semimetals, so that the resistance change rate is high. However, even if either one is adopted, the resistance change rate is improved as compared with the conventional element. . Further, as ferromagnetic semimetals, NiMnSb, CoMnSb, FeMnSb, CrO 2 ,
La 1-x Ca x MnO 3 or the like can be employed. In addition, in general, a Heusler alloy having a C1 b type crystal structure, M
Gold including n can be employed.

【0006】[0006]

【作用及び発明の効果】上記のように、第1強磁性体又
は/及び第2強磁性体を強磁性半金属とした結果、2つ
の強磁性体の磁化の向きが反平行時におけるスピントン
ネル電流を極めて小さくすることができ、抵抗変化率を
大きくすることができる。理想的には、磁化の向きが反
平行時にはスピントンネル電流が流れない状態、即ち抵
抗変化率を無限大まで向上させることができる。
As described above, since the first ferromagnetic material and / or the second ferromagnetic material is made of a ferromagnetic metalloid, the spin tunneling when the magnetization directions of the two ferromagnetic materials are antiparallel is achieved. The current can be extremely reduced, and the rate of change in resistance can be increased. Ideally, when the magnetization directions are antiparallel, a state in which the spin tunnel current does not flow, that is, the resistance change rate can be improved to infinity.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。図1は、本発明の具体的な一実施例
に係る強磁性スピントンネル効果素子100の構造を示
した断面図である。図1に示すように、ガラス基板16
の上に、銅(Cu)から成る厚さ100nmの電極11が形
成されており、その電極11の上に、強磁性半金属のNi
MnSbから成る厚さ100nmの第1強磁性薄膜(第1強
磁性体)12が形成されている。そして、その第1強磁
性薄膜12の上面には、厚さ10nmのAl2O3 から成る
絶縁層13が形成されており、その絶縁層13の上面に
は強磁性半金属のCrO2から成る厚さ100nmの第2強
磁性薄膜(第2強磁性体)14が形成されている。さら
に、第2強磁性薄膜14の上面に銅(Cu)で形成された厚
さ100nmの電極15が形成されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described based on specific embodiments. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a ferromagnetic spin tunnel effect device 100 according to a specific example of the present invention. As shown in FIG.
An electrode 11 made of copper (Cu) and having a thickness of 100 nm is formed thereon, and a ferromagnetic metalloid Ni is formed on the electrode 11.
A first ferromagnetic thin film (first ferromagnetic material) 12 made of MnSb and having a thickness of 100 nm is formed. On the upper surface of the first ferromagnetic thin film 12, an insulating layer 13 of Al 2 O 3 having a thickness of 10 nm is formed, and on the upper surface of the insulating layer 13, a ferromagnetic metalloid CrO 2 is formed. A second ferromagnetic thin film (second ferromagnetic material) 14 having a thickness of 100 nm is formed. Further, an electrode 15 made of copper (Cu) and having a thickness of 100 nm is formed on the upper surface of the second ferromagnetic thin film 14.

【0008】次に、この強磁性スピントンネル効果素子
100の製造方法について、図1を用いて説明する。こ
の素子100はイオンビーム・スパッタリング法により
形成された。スパッタリングの際にイオンガスとしては
Arを用いた。尚、スパッタリング装置内のイオンガス
圧力は2.5×10-2Pa、イオンガンの加速電圧は1
200V、イオン電流は120mA、ターゲット基板間
距離は120mmとする。
Next, a method of manufacturing the ferromagnetic spin tunnel effect device 100 will be described with reference to FIG. This element 100 was formed by an ion beam sputtering method. Ar was used as an ion gas at the time of sputtering. The ion gas pressure in the sputtering apparatus was 2.5 × 10 -2 Pa, and the acceleration voltage of the ion gun was 1
200 V, ion current is 120 mA, and the distance between target substrates is 120 mm.

【0009】最初に、基板10を温度200℃に保ち、
基板16の上に銅(Cu)をスパッタリングして厚さ100
nmの電極11を形成した。次に、この電極11の上面
にNiMnSbをスパッタリングして厚さ100nmの第1強
磁性薄膜12を形成した。さらに、この第1強磁性薄膜
12の上面にAlをスパッタリングして10nmのAl層1
3を形成した。ここで空気中に30時間放置してAl層1
3を酸化させて絶縁体であるAl2O3 に変化させて絶縁層
13を形成した。
First, the substrate 10 is kept at a temperature of 200 ° C.
Sputtering copper (Cu) on the substrate 16 to a thickness of 100
The electrode 11 of nm was formed. Next, NiMnSb was sputtered on the upper surface of the electrode 11 to form a first ferromagnetic thin film 12 having a thickness of 100 nm. Further, Al is sputtered on the upper surface of the first ferromagnetic thin film 12 to form an Al layer 1 having a thickness of 10 nm.
3 was formed. Here, it is left in the air for 30 hours, and the Al layer 1
The insulating layer 13 was formed by oxidizing 3 and changing it to Al 2 O 3 as an insulator.

【0010】次に、上記のスパッタリング条件と同一に
して、この絶縁層13の上面にCrO2をスパッタリングし
て厚さ100nmの第2強磁性薄膜14を形成した。さ
らに、この第2強磁性薄膜14の上面に銅(Cu)をスパッ
タリングして厚さ100nmの電極15を形成した。さ
らに、ドライエッチングにより電極15、第2強磁性薄
膜14、絶縁層13、第1強磁性薄膜12の一部をエッ
チングすることにより電極11の一部を露出させた。こ
れにより、電極15と電極11の露出部11a間に電圧
Vを印加して、外部磁場Hにより、第1強磁性薄膜12
と第2強磁性薄膜14との磁化Mの向きの関係が平行、
反平行と変化することで、流れる電流Iの大きさを変化
させることができる強磁性スピントンネル効果素子を形
成することができる。このトンネル電流Iの変化は、抵
抗R1の電圧降下に変換して検出され、トランジスタTr
1をトンネル電流Iの大きさに応じてオンオフさせるこ
とで、トランジスタTr1のコレクタ電圧により出力信号
S1として、外部に出力することができる。
Next, under the same sputtering conditions as above, CrO 2 was sputtered on the upper surface of the insulating layer 13 to form a second ferromagnetic thin film 14 having a thickness of 100 nm. Further, copper (Cu) was sputtered on the upper surface of the second ferromagnetic thin film 14 to form an electrode 15 having a thickness of 100 nm. Further, a part of the electrode 11, the second ferromagnetic thin film 14, the insulating layer 13, and a part of the first ferromagnetic thin film 12 were etched by dry etching to expose a part of the electrode 11. Thus, the voltage V is applied between the electrode 15 and the exposed portion 11a of the electrode 11, and the first ferromagnetic thin film 12 is applied by the external magnetic field H.
And the direction of the magnetization M between the second ferromagnetic thin film 14 and
By changing the anti-parallel state, a ferromagnetic spin tunnel effect element capable of changing the magnitude of the flowing current I can be formed. This change in the tunnel current I is detected by converting it into a voltage drop of the resistor R1, and is detected by the transistor Tr.
1 is turned on and off according to the magnitude of the tunnel current I, so that it can be output to the outside as an output signal S1 by the collector voltage of the transistor Tr1.

【0011】次に上記の強磁性スピントンネル効果素子
100の動作原理について説明する。 a)磁化の向きが平行の場合 第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14とを同一向き
に磁化した場合について説明する。図2(a)は、縦軸
が電子のエネルギーを示し、横軸が電子エネルギーEに
おける電子の状態密度D(E)を表している。良く知られた
ように、ある状態における電子の占有確率はエネルギー
Eに関してフェルミ・ディラックの分布関数F(E)に従っ
て変化する。従って、エネルギーEにおける電子密度N
(E)は、D(E)・F(E)で与えられる。
Next, the operation principle of the ferromagnetic spin tunnel effect device 100 will be described. a) Case where the directions of magnetization are parallel The case where the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 are magnetized in the same direction will be described. In FIG. 2A, the vertical axis represents the electron energy, and the horizontal axis represents the electron density of states D (E) at the electron energy E. As is well known, the occupancy probability of an electron in a certain state changes with respect to the energy E according to the Fermi-Dirac distribution function F (E). Therefore, the electron density N at energy E
(E) is given by D (E) · F (E).

【0012】又、良く知られたように、任意の温度で、
電子の占有確率が1/2 であるエネルギーEはフェルミレ
ベルfeと言われ、物質中の電子の伝導挙動は、このフェ
ルミレベルfeに対して微小幅Δ内に存在する電子の挙動
により概ね決定される。
As well known, at any temperature,
The energy E at which the probability of occupation of electrons is 1/2 is called the Fermi level fe, and the conduction behavior of the electrons in the substance is largely determined by the behavior of the electrons existing within a small width Δ with respect to this Fermi level fe. You.

【0013】次に、第1強磁性薄膜12が図1に示す基
準軸xの正の向きに磁化されたとする。強磁性体の伝導
帯は、交換相互作用により、アップスピンとダウンスピ
ンの2つの伝導帯31、32に分離する。図2(a)
は、この伝導帯31、32の分離の様子を示している。
電子エネルギーレベルが低い伝導帯31に存在する電子
はアップスピン、電子エネルギーレベルが大きい伝導帯
32に存在する電子はダウンスピンと定義される。即
ち、強磁性体の磁化Mの向きと電子の角運動量の向きが
平行になる電子はアップスピン、強磁性体の磁化Mの向
きと電子の角運動量の向きが反平行になる電子はダウン
スピンと定義される。
Next, it is assumed that the first ferromagnetic thin film 12 is magnetized in the positive direction of the reference axis x shown in FIG. The conduction band of the ferromagnetic material is separated into two conduction bands 31 and 32 of up spin and down spin by exchange interaction. FIG. 2 (a)
Shows the state of separation of the conduction bands 31 and 32.
Electrons existing in the conduction band 31 having a low electron energy level are defined as upspin, and electrons existing in the conduction band 32 having a high electron energy level are defined as downspin. That is, an electron whose magnetization M direction of the ferromagnetic material is parallel to the direction of angular momentum of the electron is an up spin, and an electron whose magnetization M direction of the ferromagnetic material is antiparallel to the direction of the angular momentum of the electron is a down spin. Is defined as

【0014】又、第2強磁性薄膜14が図1に示す基準
軸xの正の向き、従って、第1強磁性薄膜12の磁化M
の向きに平行に磁化されたとする。エネルギーレベルE
に対する電子の状態密度D(E)の分布曲線は、第1強磁性
薄膜12のそれと全く等しくなる。よって、図2(a)
に示すように、アップスピンに対して伝導帯41、ダウ
ンスピンに対して伝導帯42の2つの伝導帯に分離した
エネルギー状態図を描くことができる。
The second ferromagnetic thin film 14 is oriented in the positive direction of the reference axis x shown in FIG.
Is magnetized parallel to the direction of. Energy level E
The distribution curve of the electron density of states D (E) with respect to the first ferromagnetic thin film 12 is completely equal to that of the first ferromagnetic thin film 12. Therefore, FIG.
As shown in (1), an energy phase diagram can be drawn in which the conduction band 41 is divided into the conduction band 41 for the up spin and the conduction band 42 for the down spin.

【0015】エネルギーレベルEにおけるスピン偏極率
P(E) は、アップスピンの電子密度をN+(E)、ダウンス
ピンの電子密度をN-(E)をとすると以下のように定義す
ることができる。
The spin polarization P (E) in the energy level E is spin-up electron density N + (E), the electron density of spin-down N - (E) be defined as follows to the Can be.

【数 1】 P(E) =(N+(E)−N-(E))/(N+(E)+N-(E)) …(1)[Number 1] P (E) = (N + (E) -N - (E)) / (N + (E) + N - (E)) ... (1)

【0016】強磁性半金属は上記の式(1)で定義され
るスピン偏極率P(E) がフェルミレベルfeで1の金属で
あり、N+ がN- に比べて十分に大きい場合に、スピン
偏極率は十分に1に近くなる。強磁性半金属では、アッ
プスピンが多数電子となり、フェルミレベルfeの付近に
はダンウスピンの状態が存在しないので、2つの伝導帯
31、32とフェルミレベルfeとの関係は、図2(a)
に示すようになる。
The ferromagnetic metalloid is one metal spin polarization P (E) is at the Fermi level fe defined by formula (1), N + is the N - if sufficiently large in comparison with the , The spin polarization is sufficiently close to 1. In a ferromagnetic semimetal, the up spin becomes a large number of electrons, and there is no dawn spin state near the Fermi level fe. Therefore, the relationship between the two conduction bands 31 and 32 and the Fermi level fe is shown in FIG.
It becomes as shown in.

【0017】今、電極15側が正、電極11側が負とな
るように電圧を印加したとする。電子が、第1強磁性薄
膜12から第2強磁性薄膜14の側へ絶縁層13を介し
てトンネルする時、スピン角運動量が保存され、従っ
て、スピンの向きも保存されるために、第1強磁性薄膜
12中のアップスピンが取り得るエネルギーレベルが第
2強磁性薄膜14にも存在しなければならない。第1強
磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14の磁化Mの向きが平
行の場合には、図2(a)に示すように、アップスピン
の伝導帯31、41の中にフェルミレベルfeが存在する
ので、第1強磁性薄膜12中のフェルミレベルfeにある
アップスピン電子は、第2強磁性薄膜14中の1/2の
割合で満たされた同一エネルギーレベルに遷移すること
ができる。第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14と
におけるフェルミレベルfeでの状態の占有確率は共に1
/2であり、アップスピン電子は、この電子数の2乗に
比例した数だけトンネルでき、低い抵抗率で絶縁層13
をトンネル伝導することができる。これにより、磁化の
向きが平行の時の抵抗値を極めて小さくすることができ
る。
Assume that a voltage is applied so that the electrode 15 side is positive and the electrode 11 side is negative. When electrons tunnel from the first ferromagnetic thin film 12 to the side of the second ferromagnetic thin film 14 through the insulating layer 13, the spin angular momentum is conserved, and therefore the spin direction is also conserved. The energy level that can be taken by the up spin in the ferromagnetic thin film 12 must also be present in the second ferromagnetic thin film 14. When the directions of the magnetizations M of the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 are parallel, as shown in FIG. 2A, the Fermi level fe is present in the up-spin conduction bands 31 and 41. Since it is present, the up-spin electrons at the Fermi level fe in the first ferromagnetic thin film 12 can transition to the same energy level in the second ferromagnetic thin film 14 which is filled at a rate of 1/2. Both the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 have an occupancy probability of 1 at the Fermi level fe.
/ 2, and the number of up-spin electrons can be tunneled by a number proportional to the square of the number of electrons, and the insulating layer 13 has a low resistivity.
Can be tunneled. Thereby, the resistance value when the magnetization directions are parallel can be made extremely small.

【0018】b)磁化の向きが反平行の場合 第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14とを反対向き
に磁化した場合について説明する。第1強磁性薄膜12
が図1に示す基準軸xの正の向きに磁化されたとする。
これは、磁化の向きが平行の場合のときに示した第1強
磁性薄膜12の磁化の状態と同じであるので、この時の
第1強磁性薄膜12の伝導帯31、32のエネルギー状
態図は、図2(a)に示すものと全く同じに描くことが
できる。
B) The case where the magnetization directions are antiparallel The case where the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 are magnetized in opposite directions will be described. First ferromagnetic thin film 12
Is magnetized in the positive direction of the reference axis x shown in FIG.
This is the same as the state of magnetization of the first ferromagnetic thin film 12 when the direction of magnetization is parallel, and thus the energy state diagram of the conduction bands 31 and 32 of the first ferromagnetic thin film 12 at this time. Can be drawn exactly the same as shown in FIG.

【0019】一方、第2強磁性薄膜14は図1に示す基
準軸xの負の向き、従って第1の強磁性薄膜12と反平
行に磁化されたとする。この時も、交換相互作用により
エレルギーレベルの縮退が解けて、第2強磁性薄膜14
の磁化Mの向きと平行なスピンを持つ伝導帯42、反平
行なスピンを持つ伝導帯41のエネルギー状態図は、図
2(b)に示すようになる。
On the other hand, it is assumed that the second ferromagnetic thin film 14 is magnetized in the negative direction of the reference axis x shown in FIG. Also at this time, the degeneracy of the energy level is released by the exchange interaction, and the second ferromagnetic thin film 14
FIG. 2B shows an energy state diagram of the conduction band 42 having a spin parallel to the direction of the magnetization M and the conduction band 41 having an antiparallel spin.

【0020】しかし、第1強磁性薄膜12と第2強磁性
薄膜14とにおいて、電子のスピンの向きの基準を異な
る方向に取ると不便であるので、第1強磁性薄膜12の
磁化Mの向き、即ち、基準軸xの正方向を統一した基準
方向と定める。そうすると、第2強磁性薄膜14におい
ては、その磁化Mの向きと反平行のスピンがアップスピ
ン、その磁化Mの向きと平行のスピンがダウンスピンと
なる。このようにして、図2(b)に示すように、エネ
ルギー軸に対して右側が共通したアップスピン、左側が
共通したダウンスピンのエネルギー状態図となる。
However, it is inconvenient for the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 to have different directions of electron spins in different directions. That is, the positive direction of the reference axis x is determined as the unified reference direction. Then, in the second ferromagnetic thin film 14, spins antiparallel to the direction of the magnetization M become up spins, and spins parallel to the direction of the magnetization M become down spins. In this way, as shown in FIG. 2B, an energy state diagram of a common up spin on the right side and a common down spin on the left side with respect to the energy axis is obtained.

【0021】電子が第1強磁性薄膜12から第2強磁性
薄膜14へ絶縁層13を介してトンネルする時は、スピ
ンの向きが保存されるために、第1強磁性薄膜12中の
アップスピンの電子がトンネルする場合には第1強磁性
薄膜12中のアップスピンが取り得るエネルギーレベル
が第2強磁性薄膜14にも存在しなければならない。し
かし、第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14の磁化
Mの向きが反平行の場合には、図2(b)に示すよう
に、第1強磁性薄膜12ではアップスピン電子の伝導帯
31のフェルミレベルfeに状態が存在しているが、第2
強磁性薄膜14ではアップスピン電子の伝導帯41のフ
ェルミレベルfeに状態が存在せずアップスピン電子はフ
ェルミレベルfeより高いエネルギーにしか存在し得な
い。よって、アップスピン電子は第1強磁性薄膜12か
ら第2強磁性薄膜14に向けて絶縁層13をトンネル伝
導することはできない。これにより、磁化の向きが反平
行のときには抵抗値を大きくすることができる。
When electrons tunnel from the first ferromagnetic thin film 12 to the second ferromagnetic thin film 14 via the insulating layer 13, the spin direction is preserved. When the electron tunnels, the energy level that can be taken by the up spin in the first ferromagnetic thin film 12 must also exist in the second ferromagnetic thin film 14. However, when the directions of the magnetizations M of the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 are antiparallel, as shown in FIG. Although the state exists at the Fermi level fe of obi 31,
In the ferromagnetic thin film 14, no state exists in the Fermi level fe of the conduction band 41 of the up-spin electrons, and the up-spin electrons can exist only at an energy higher than the Fermi level fe. Therefore, the up-spin electrons cannot tunnel through the insulating layer 13 from the first ferromagnetic thin film 12 to the second ferromagnetic thin film 14. Thereby, when the direction of magnetization is antiparallel, the resistance value can be increased.

【0022】c)スピン偏極率と抵抗 スピン偏極率は式(1)で定義されるように伝導に寄与
する最外殻の電子のアップスピンとダウンスピンの偏り
具合を表している。強磁性半金属はその値がフェルミレ
ベルfeにおいて十分に1に近い値であり、上記に示すよ
うに片方のスピンの状態しか最外殻の電子が存在せず、
伝導帯のエネルギー状態図も図2のように描かれる。そ
して、磁化方向が平行時に抵抗が小さく、反平行時に抵
抗が大きいのは上記で説明したとおりである。
C) Spin Polarization Ratio and Resistance The spin polarization ratio indicates the degree of deviation of upspin and downspin of the outermost electron contributing to conduction as defined by the equation (1). The ferromagnetic semimetal has a value sufficiently close to 1 at the Fermi level fe, and as shown above, only one of the spin states has an outermost electron,
The energy diagram of the conduction band is also drawn as shown in FIG. As described above, the resistance is small when the magnetization directions are parallel and large when the magnetization directions are antiparallel.

【0023】一方、従来の強磁性スピントンネル効果素
子にて用いられている強磁性薄膜はスピン偏極率が0.
2〜0.5程度の物質である。つまり、伝導に寄与する
最外殻の電子はアップスピン電子とダウンスピン電子の
両方が、比較できるオーダでどちらか一方が多い状態で
存在する。この場合の磁化方向が平行のときの伝導帯の
エネルギー状態図を図3(a)に、反平行のときのエネ
ルギー状態図を図3(b)に示す。
On the other hand, the ferromagnetic thin film used in the conventional ferromagnetic spin tunneling device has a spin polarization of 0.1.
It is a substance of about 2 to 0.5. That is, the outermost shell electrons contributing to conduction exist in a state where both the up-spin electrons and the down-spin electrons are in a comparable order and one of them is large. FIG. 3A shows an energy state diagram of the conduction band when the magnetization directions are parallel in this case, and FIG. 3B shows an energy state diagram when the magnetization directions are antiparallel.

【0024】磁化の向きが平行の場合であり、エネルギ
ー状態図が図3(a)で示される時に、電子がトンネル
伝導するのは図2(a)の時と同じ考え方で説明でき
る。但し、この場合には、第1強磁性薄膜12と第2強
磁性薄膜14とにおけるアップスピンの伝導帯31、4
1とダウンスピンの伝導帯32、42の中にフェルミレ
ベルfeが存在するので、アップスピンとダウンスピン
は、それぞれが、各電子数の2乗に比例してトンネル伝
導に寄与するので、抵抗率も低くなる。
In the case where the directions of magnetization are parallel, when the energy phase diagram is shown in FIG. 3A, tunnel conduction of electrons can be explained by the same concept as in FIG. 2A. However, in this case, the up-spin conduction bands 31 and 4 in the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14 are used.
Since the Fermi level fe exists in the conduction bands 32 and 42 of 1 and down spin, the up spin and down spin contribute to the tunnel conduction in proportion to the square of each electron number, and therefore, the resistivity Will also be lower.

【0025】一方、磁化の向きが反平行の場合であり、
エネルギー状態図が図3(b)で示される時には、フェ
ルミレベルfeは、第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜
14とにおけるアップスピンの伝導帯31、41とダウ
ンスピンの伝導帯32、42の中にフェルミレベルfeが
存在する。又、伝導帯31、41とにおいて、フェルミ
レベルfeにおける状態密度の比はそれぞれの電子数の比
程度と考えられるから、図3(a)の場合に比べて、伝
導帯31のアップスピンのトンネルする電子数は、伝導
帯31の電子数と伝導帯41の電子数の積に比例すると
考えられる。よって、この場合にトンネル電流は図3
(a)の場合に比べて小さくなるが、それらの差はあま
り大きくない。よって、図2(b)の時と異なり、トン
ネル伝導し得る電子が存在するので、抵抗値があまり大
きくならないので、強磁性半金属で形成された強磁性ス
ピントンネル効果素子よりも抵抗変化率が大きくならな
い。
On the other hand, the case where the magnetization directions are antiparallel is
When the energy phase diagram is shown in FIG. 3B, the Fermi level fe indicates the up-spin conduction bands 31 and 41 and the down-spin conduction bands 32, in the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film 14, respectively. There is a Fermi level fe in 42. Further, in the conduction bands 31 and 41, the ratio of the density of states at the Fermi level fe is considered to be about the ratio of the number of electrons. Therefore, the tunnel of the upspin in the conduction band 31 is different from the case of FIG. The number of electrons in the conduction band 31 is considered to be proportional to the product of the number of electrons in the conduction band 31 and the number of electrons in the conduction band 41. Therefore, in this case, the tunnel current is as shown in FIG.
Although they are smaller than in the case of (a), the difference between them is not so large. Therefore, unlike in the case of FIG. 2B, there are electrons that can conduct tunnel conduction, so that the resistance value does not increase so much. Does not grow.

【0026】同一フェルミレベル間を遷移する電子数
は、そのレベルの電子数と遷移先のレベルの空状態数と
の積に比例し、空状態数はそのフェルミレベルの電子数
にも比例する。よって、トンネル電流に寄与するアップ
スピンの電子数は、伝導帯31と伝導帯41に存在する
アップスピンの電子数の積、ダウンスピンの電子数は、
伝導帯32と伝導帯42に存在するダウンスピンの電子
数の積に比例する。よって、この強磁性スピントンネル
効果素子の抵抗変化率MRは、偏極率を用いて次のよう
に表すことができる。
The number of electrons transitioning between the same Fermi levels is proportional to the product of the number of electrons at that level and the number of empty states at the transition destination level, and the number of empty states is also proportional to the number of electrons at that Fermi level. Therefore, the number of electrons of the up spin that contributes to the tunnel current is the product of the number of electrons of the up spin existing in the conduction band 31 and the conduction band 41, and the number of electrons of the down spin is
It is proportional to the product of the number of downspin electrons existing in the conduction band 32 and the conduction band 42. Therefore, the resistance change rate MR of the ferromagnetic spin tunnel effect element can be expressed as follows using the polarization rate.

【0027】[0027]

【数 2】 MR=(Rap−Rp )/Rp =2P1 2 /(1−P1 2 ) …(2) ただし、Rapは反平行時の抵抗、Rp は平行時の抵抗、
1 は第1強磁性体のスピン偏極率、P2 は第2強磁性
体のスピン偏極率である。よってこの式に従って考える
と、両方の強磁性体のスピン偏極率を1に近づけると抵
抗変化率が大きくなることがわかる。そこで、強磁性体
としてスピン偏極率が1である物質である強磁性半金属
を用いることによって抵抗変化率を無限大とすることが
できる。
## EQU2 ## where MR = (R ap −R p ) / R p = 2P 1 P 2 / (1−P 1 P 2 ) (2) where R ap is the resistance when anti-parallel, and R p is when parallel. Resistance,
P 1 is the spin polarization of the first ferromagnetic material, and P 2 is the spin polarization of the second ferromagnetic material. Therefore, considering this equation, it can be seen that the resistance change rate increases when the spin polarization of both ferromagnetic materials approaches 1. Therefore, the resistance change rate can be made infinite by using a ferromagnetic semimetal, which is a substance having a spin polarization of 1 as the ferromagnetic substance.

【0028】上記実施例においては、第1強磁性薄膜1
2と第2強磁性薄膜14を共に強磁性半金属として強磁
性スピントンネル効果素子を形成したが、第1強磁性薄
膜12と第2強磁性薄膜の何れか一方を強磁性半金属と
し、もう一方を強磁性体で形成することもできる。この
場合には、(2)式からも明らかなように、両方の強磁
性薄膜を強磁性半金属で形成した場合よりも抵抗変化率
は小さくなるが、従来の両方の強磁性薄膜を強磁性体で
形成した場合よりは抵抗変化率を大きくすることができ
る。一方の強磁性薄膜としては、保持力の小さな強磁性
体として、Fe、Ni、Co元素のうち2種以上を含みCo元素
が40at%以下のもの、保持力の大きな強磁性体とし
て、Co、Co-Sm 、Co-Cr-Fe,Co-Pt、Co-Pt-Ni、Co-Pt-V
等のCo元素を20at%以上含む材料を用いることができ
る。
In the above embodiment, the first ferromagnetic thin film 1
The ferromagnetic spin tunnel effect element was formed by using both the second and second ferromagnetic thin films 14 as ferromagnetic semimetals. However, one of the first ferromagnetic thin film 12 and the second ferromagnetic thin film was used as a ferromagnetic semimetal, One can be formed of a ferromagnetic material. In this case, as is clear from equation (2), the resistance change rate is smaller than when both ferromagnetic thin films are formed of ferromagnetic metalloids. The rate of change in resistance can be increased as compared with the case where the body is formed. On the other hand, as a ferromagnetic thin film, a ferromagnetic material having a small coercive force, a material containing two or more of Fe, Ni, and Co elements and containing 40 at% or less of Co element, and a ferromagnetic material having a large coercive force, such as Co, Co-Sm, Co-Cr-Fe, Co-Pt, Co-Pt-Ni, Co-Pt-V
For example, a material containing 20 at% or more of a Co element can be used.

【0029】また、上記実施例においては、絶縁層13
を金属酸化物であるAl2O3 で形成しているが、有機材料
であるフタロシアニンにて形成することができる。有機
材料で絶縁層13を形成すると、絶縁性が高く安定して
いるので、強磁性トンネル効果素子の特性が向上する。
In the above embodiment, the insulating layer 13
Is formed of Al 2 O 3 which is a metal oxide, but can be formed of phthalocyanine which is an organic material. When the insulating layer 13 is formed of an organic material, the insulating property is high and stable, so that the characteristics of the ferromagnetic tunnel effect element are improved.

【0030】有機材料を絶縁層13に用いる場合の製造
方法は上記実施例とほぼ同じであるが、金属酸化物の絶
縁層を形成するときのように導体である金属をスパッタ
リングしそれを空気中に放置することにより酸化させて
絶縁層を形成しているが、有機材料は絶縁物である有機
材料を直接強磁性層に真空蒸着するので空気中に放置す
るという工程は不要となる。
The manufacturing method in the case of using an organic material for the insulating layer 13 is almost the same as that of the above-described embodiment. However, as in the case of forming the insulating layer of a metal oxide, a metal serving as a conductor is sputtered and the metal is sputtered in the air. The insulating layer is formed by being oxidized by leaving the substrate in a vacuum. However, the step of leaving the substrate in the air is unnecessary since the organic material is an organic material which is an insulator and is directly vacuum-deposited on the ferromagnetic layer.

【0031】又、上記実施例における図1の第1強磁性
体の第1強磁性薄膜12まで形成した後、真空状態にお
いて、走査型顕微鏡と同様な極細い針りを強磁性半金属
で構成して、この針を第2強磁性体として、第1強磁性
薄膜12にトンネル電流が流れ得る間隔に対向させても
良い。この構成においても、第1強磁性体、第2強磁性
体の両方、又は、いずれか一方を強磁性半金属で構成し
ても良い。
After forming the first ferromagnetic thin film 12 of the first ferromagnetic material of FIG. 1 in the above embodiment, an ultrafine needle similar to that of a scanning microscope is formed of a ferromagnetic metalloid in a vacuum state. Then, the needle may be used as a second ferromagnetic material and opposed to the first ferromagnetic thin film 12 at an interval where a tunnel current can flow. Also in this configuration, both or one of the first ferromagnetic body and the second ferromagnetic body may be made of a ferromagnetic metalloid.

【0032】第1強磁性薄膜12と第2強磁性薄膜14
とにおいて、保持力の異なる強磁性体を用いることで、
外部磁場を−H〜+H(H>0)の範囲で変化させる
時、両者のヒステリシス曲線の相違により、両者の磁化
の向きに関して、負方向平行状態、反平行状態、正方向
平行状態を実現できる。これにより、抵抗値は、最小
値、最大値、最小値と変化するので、このことにより、
回転体の周囲にN極S極を周期的に配列して、この磁化
の変化をパルス信号として検出することで、回転セン
サ、位置センサとして用いることができる。
First ferromagnetic thin film 12 and second ferromagnetic thin film 14
By using ferromagnetic materials with different holding powers,
When the external magnetic field is changed in the range of −H to + H (H> 0), a negative parallel state, an anti-parallel state, and a positive parallel state can be realized with respect to the magnetization directions of the two due to the difference between the hysteresis curves of the two. . As a result, the resistance value changes to a minimum value, a maximum value, and a minimum value.
N-poles and S-poles are periodically arranged around the rotating body, and a change in the magnetization is detected as a pulse signal, so that it can be used as a rotation sensor or a position sensor.

【0033】さらに、第1強磁性薄膜12の磁化の向き
を「0」、「1」に対応させて、2値データを記憶さ
せ、第2強磁性薄膜14を一定方向に磁化させて、両者
を流れる電流の変化を検出することで、第1強磁性薄膜
12に記憶されているデータを読み出すことができる記
憶装置に応用できる。即ち、上記の図1の構成の素子を
1セルとして、格子状に多数配列することで、記憶装置
を実現することができる。
Further, the first ferromagnetic thin film 12 is stored with binary data corresponding to the magnetization directions "0" and "1", and the second ferromagnetic thin film 14 is magnetized in a fixed direction. By detecting a change in the current flowing through the first ferromagnetic thin film 12, the present invention can be applied to a storage device that can read data stored in the first ferromagnetic thin film 12. That is, a memory device can be realized by arranging a large number of the elements having the configuration shown in FIG.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の具体的な実施例に係る強磁性スピント
ンネル効果素子の断面図
FIG. 1 is a sectional view of a ferromagnetic spin tunnel effect device according to a specific example of the present invention.

【図2】本実施例の強磁性スピントンネル効果素子にお
ける強磁性トンネル効果を説明するためのエネルギー状
態図。
FIG. 2 is an energy state diagram for explaining a ferromagnetic tunnel effect in the ferromagnetic spin tunnel effect element of the present embodiment.

【図3】従来の強磁性スピントンネル効果素子における
強磁性トンネル効果を説明するためのエネルギー状態
図。
FIG. 3 is an energy state diagram for explaining a ferromagnetic tunnel effect in a conventional ferromagnetic spin tunnel effect element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11、15…電極 12…第1強磁性薄膜(第1強磁性体) 13…絶縁層 14…第2強磁性薄膜(第2強磁性体) 11, 15 ... electrode 12 ... first ferromagnetic thin film (first ferromagnetic material) 13 ... insulating layer 14 ... second ferromagnetic thin film (second ferromagnetic material)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 多賀 康訓 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 只野 博 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 加地 徹 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 田中 雄一 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 冨田 一義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yasukun Taga 41-Cho, Yokomichi, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture Inside Toyota Central Research Institute, Inc. (72) Inventor Hiroshi Tadano Hiroshi Tadano, Nagakute-machi, Aichi-gun, Aichi Prefecture 41, Yokomichi, Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Toru Kachi, 41, Chuchu Yokomichi Oji, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture, Japan Toyota Central Research Laboratory Co., Ltd. (72) Inventor Yuichi Tanaka Aichi Prefecture 41 Toyota Central Research Laboratory, Nagakute-cho, Aichi-gun, Toyota-Chuo R & D Co., Ltd. (72) Inventor Kazuyoshi Tomita 41-Cho Toyota-Chuo Laboratory, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi, Japan

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1強磁性体と第2強磁性体とを絶縁層を
介して対向させ、前記第1強磁性体と前記第2強磁性体
との間の磁化方向の関係によって前記絶縁層を介して流
れるトンネル電流が変化する強磁性スピントンネル効果
を用いた素子において、 前記第1強磁性体又は/及び前記第2強磁性体を強磁性
半金属としたことを特徴とする強磁性スピントンネル効
果素子。
A first ferromagnetic material and a second ferromagnetic material which face each other via an insulating layer, and wherein the insulating property is determined by a relationship of a magnetization direction between the first ferromagnetic material and the second ferromagnetic material. An element using a ferromagnetic spin tunnel effect in which a tunnel current flowing through a layer changes, wherein the first ferromagnetic material and / or the second ferromagnetic material is a ferromagnetic semimetal. Spin tunnel effect element.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006161120A (en) * 2004-12-09 2006-06-22 Ulvac Japan Ltd Deposition method of heusler's alloy film, and tunnelling magnetoresistive element

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006161120A (en) * 2004-12-09 2006-06-22 Ulvac Japan Ltd Deposition method of heusler's alloy film, and tunnelling magnetoresistive element
JP4541861B2 (en) * 2004-12-09 2010-09-08 株式会社アルバック Method for forming Heusler alloy film

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