JPH11289115A - スピン偏極素子 - Google Patents
スピン偏極素子Info
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- JPH11289115A JPH11289115A JP11018342A JP1834299A JPH11289115A JP H11289115 A JPH11289115 A JP H11289115A JP 11018342 A JP11018342 A JP 11018342A JP 1834299 A JP1834299 A JP 1834299A JP H11289115 A JPH11289115 A JP H11289115A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
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- Power Engineering (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 強磁性体内での、伝導に寄与するキャリアの
状態密度の磁化方向による分極を利用したスピン偏極素
子において、分極率をあげることにより、素子の効率を
上げる。 【解決手段】 少なくとも一つ以上、非磁性体（Ｎ１６
２）を介して強磁性体（ＦＭ６２、ＦＳ６１）が接続さ
れた経路があり、強磁性体（ＦＭ６２、ＦＳ６１）のう
ち少なくとも一つが半導体もしくはハーフメタルである
構成を有している。
状態密度の磁化方向による分極を利用したスピン偏極素
子において、分極率をあげることにより、素子の効率を
上げる。 【解決手段】 少なくとも一つ以上、非磁性体（Ｎ１６
２）を介して強磁性体（ＦＭ６２、ＦＳ６１）が接続さ
れた経路があり、強磁性体（ＦＭ６２、ＦＳ６１）のう
ち少なくとも一つが半導体もしくはハーフメタルである
構成を有している。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、磁場により抵抗が
変化するスピン偏極素子に関する。
変化するスピン偏極素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の、磁場により抵抗が変化する材料
としては、異方性磁気抵抗効果を用いたＡＭＲ、強磁性
金属と非磁性金属を積層し、各強磁性層の磁化相対角の
変化による抵抗の変化を用いたＧＭＲ、強磁性金属を超
薄の絶縁膜で分離し、絶縁膜をトンネルする電流が各強
磁性金属の磁化相対角度により変化する事を用いたＴＭ
Ｒ、絶縁材料中に強磁性金属が分散しており、分散した
強磁性金属の磁化方向が外部磁場で揃うことにより抵抗
が変化するグラニュラー材料、磁場により誘起される絶
縁体−金属相転移を用いたＣＭＲ等がある。
としては、異方性磁気抵抗効果を用いたＡＭＲ、強磁性
金属と非磁性金属を積層し、各強磁性層の磁化相対角の
変化による抵抗の変化を用いたＧＭＲ、強磁性金属を超
薄の絶縁膜で分離し、絶縁膜をトンネルする電流が各強
磁性金属の磁化相対角度により変化する事を用いたＴＭ
Ｒ、絶縁材料中に強磁性金属が分散しており、分散した
強磁性金属の磁化方向が外部磁場で揃うことにより抵抗
が変化するグラニュラー材料、磁場により誘起される絶
縁体−金属相転移を用いたＣＭＲ等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらの、磁場により
抵抗が変化する素子に要求される特性は、できるだけ大
きな抵抗変化率が室温で得られる事と、抵抗が変化する
磁場が、用いようとする磁場範囲内にあることである。
例えば、センサーや、磁気記録の際の読み取りヘッドと
して用いる場合、できるだけ低い磁場で抵抗が変化する
ことが必要である。
抵抗が変化する素子に要求される特性は、できるだけ大
きな抵抗変化率が室温で得られる事と、抵抗が変化する
磁場が、用いようとする磁場範囲内にあることである。
例えば、センサーや、磁気記録の際の読み取りヘッドと
して用いる場合、できるだけ低い磁場で抵抗が変化する
ことが必要である。
【０００４】前記従来例のうち、パーマロイなどのＡＭ
Ｒ材料は、数Ｏｅの低磁場で抵抗が変化するため、磁気
記録の読み取りヘッドなどによく用いられてきたが、抵
抗変化率が数％しかなく、感度を上げるのに限界があ
る。ＣＭＲ材料は、室温で十数〜数十％の抵抗変化率が
得られるが、磁場が変化するためには少なくとも数ｋＯ
ｅから、それ以上の高磁場を必要としている。グラニュ
ラー材料も室温での抵抗変化率、動作磁場域に問題があ
る。
Ｒ材料は、数Ｏｅの低磁場で抵抗が変化するため、磁気
記録の読み取りヘッドなどによく用いられてきたが、抵
抗変化率が数％しかなく、感度を上げるのに限界があ
る。ＣＭＲ材料は、室温で十数〜数十％の抵抗変化率が
得られるが、磁場が変化するためには少なくとも数ｋＯ
ｅから、それ以上の高磁場を必要としている。グラニュ
ラー材料も室温での抵抗変化率、動作磁場域に問題があ
る。
【０００５】前記従来例のうち有望とされているのはＴ
ＭＲとＧＭＲ、およびＧＭＲの一形態のスピンバルブ膜
である。これらはいずれも強磁性金属中では磁化と平行
なスピンの作るバンドと、反平行なスピンの作るバンド
ではエネルギー準位に差ができ、結果として、伝導に寄
与するフェルミ面近傍の状態密度が、磁化に平行と反平
行で異なり、スピンの偏極が生じる事を用いている。そ
の特性は、用いる強磁性金属のフェルミ面近傍のスピン
分極率に依存する事になるが、その分極率は単元素中も
っとも高いＦｅにおいても４０〜５０％程度であり、そ
こから計算される抵抗変化率の最大値は約５０％であ
る。それ以上の値を得るためには、新たな工夫が必要と
なる。
ＭＲとＧＭＲ、およびＧＭＲの一形態のスピンバルブ膜
である。これらはいずれも強磁性金属中では磁化と平行
なスピンの作るバンドと、反平行なスピンの作るバンド
ではエネルギー準位に差ができ、結果として、伝導に寄
与するフェルミ面近傍の状態密度が、磁化に平行と反平
行で異なり、スピンの偏極が生じる事を用いている。そ
の特性は、用いる強磁性金属のフェルミ面近傍のスピン
分極率に依存する事になるが、その分極率は単元素中も
っとも高いＦｅにおいても４０〜５０％程度であり、そ
こから計算される抵抗変化率の最大値は約５０％であ
る。それ以上の値を得るためには、新たな工夫が必要と
なる。
【０００６】本発明は、上記従来の問題を解決するため
に、強磁性体でありかつ半導体もしくはハーフメタルで
ある物質のスピン分極を用いることにより、従来より大
きな抵抗変化率を得られる、新規なスピン偏極素子を提
供する事を目的とする。
に、強磁性体でありかつ半導体もしくはハーフメタルで
ある物質のスピン分極を用いることにより、従来より大
きな抵抗変化率を得られる、新規なスピン偏極素子を提
供する事を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明のスピン偏極素子は、強磁性体と非磁性体か
らなり、かつ、少なくとも一つ以上、非磁性体を介して
強磁性体が接続された経路があり、かつ前記非磁性体を
介して強磁性体が接合された経路を構成する強磁性体の
うち少なくとも一つが半導体もしくはハーフメタルであ
る構成を有している。強磁性体としてはフェロ磁性体、
フェリ磁性体、キャンティ磁性体、メタ磁性体などを用
いることができる。また、ここでいうハーフメタルと
は、Ｆｅ3Ｏ4やＬａ0.67Ｓｒ0.33ＭｎＯ3などの、磁化
と平行なスピンのつくるバンドと、磁化に反平行なスピ
ンのつくるバンドとのエネルギー差により、フェルミ面
が実質的にどちらか片方のスピンがつくるバンドのみを
横切る材料のことであり、半金属（セミメタル）とは異
なる。
に、本発明のスピン偏極素子は、強磁性体と非磁性体か
らなり、かつ、少なくとも一つ以上、非磁性体を介して
強磁性体が接続された経路があり、かつ前記非磁性体を
介して強磁性体が接合された経路を構成する強磁性体の
うち少なくとも一つが半導体もしくはハーフメタルであ
る構成を有している。強磁性体としてはフェロ磁性体、
フェリ磁性体、キャンティ磁性体、メタ磁性体などを用
いることができる。また、ここでいうハーフメタルと
は、Ｆｅ3Ｏ4やＬａ0.67Ｓｒ0.33ＭｎＯ3などの、磁化
と平行なスピンのつくるバンドと、磁化に反平行なスピ
ンのつくるバンドとのエネルギー差により、フェルミ面
が実質的にどちらか片方のスピンがつくるバンドのみを
横切る材料のことであり、半金属（セミメタル）とは異
なる。
【０００８】その際、非磁性体を介して強磁性体が接続
された経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁
性体が非磁性金属である場合、その厚みが１μｍ以下で
あることが望ましい。より好ましくは、１００ｎｍ以下
であることが望ましい。
された経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁
性体が非磁性金属である場合、その厚みが１μｍ以下で
あることが望ましい。より好ましくは、１００ｎｍ以下
であることが望ましい。
【０００９】また、非磁性体を介して強磁性体が接続さ
れた経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁性
体が非磁性絶縁体である場合、その厚みが１０ｎｍ以下
である事が望ましい。
れた経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁性
体が非磁性絶縁体である場合、その厚みが１０ｎｍ以下
である事が望ましい。
【００１０】また、前記非磁性絶縁体としては磁性不純
物の濃度が１００ｐｐｍ、より好ましくは２０ｐｐｍ以
下である事が望ましい。
物の濃度が１００ｐｐｍ、より好ましくは２０ｐｐｍ以
下である事が望ましい。
【００１１】また、非磁性体を介して強磁性体が接続さ
れた経路において、前記非磁性体のうち、少なくとも、
半導体もしくはハーフメタルである強磁性体と接続され
る界面においては前記非磁性体は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、
Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはそれらの合金である
ことが望ましい。
れた経路において、前記非磁性体のうち、少なくとも、
半導体もしくはハーフメタルである強磁性体と接続され
る界面においては前記非磁性体は、Ｃｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、
Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、もしくはそれらの合金である
ことが望ましい。
【００１２】また、非磁性体を介して接続された強磁性
体でありかつ半導体である強磁性体のバンドギャップエ
ネルギーとしては１ｅＶ以下である事が望ましい。
体でありかつ半導体である強磁性体のバンドギャップエ
ネルギーとしては１ｅＶ以下である事が望ましい。
【００１３】また、強磁性体としては主にＦｅ、Ｎｉ、
Ｍｎ、Ｃｏから選ばれる少なくとも一種の元素の酸化物
を含む磁性酸化物を用いることができ、その場合、ＭＦ
ｅ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍ
ｇ、Ｌｉ）、γＦｅ2Ｏ3、ＭｎＺｎフェライト、ＮｉＺ
ｎフェライト、ＣｕＺｎフェライト、Ｌａ0.67Ｓｒ 0.33
ＭｎＯ3等を用いることができ、特に、その中でも抵抗
率が１００（ｏｈｍ・ｃｍ）以下であるものが望まし
い。
Ｍｎ、Ｃｏから選ばれる少なくとも一種の元素の酸化物
を含む磁性酸化物を用いることができ、その場合、ＭＦ
ｅ2Ｏ4（Ｍ＝Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍ
ｇ、Ｌｉ）、γＦｅ2Ｏ3、ＭｎＺｎフェライト、ＮｉＺ
ｎフェライト、ＣｕＺｎフェライト、Ｌａ0.67Ｓｒ 0.33
ＭｎＯ3等を用いることができ、特に、その中でも抵抗
率が１００（ｏｈｍ・ｃｍ）以下であるものが望まし
い。
【００１４】また、非磁性体を介して強磁性体が接続さ
れた経路を形成する際、強磁性体と非磁性体を層状に
し、交互に積層する方法を用いることができる。
れた経路を形成する際、強磁性体と非磁性体を層状に
し、交互に積層する方法を用いることができる。
【００１５】また、非磁性体を介して強磁性体が接続さ
れた経路を形成する際、粒状の強磁性体を非磁性体中に
分散させることにより、形成することができる。その
際、強磁性体の平均粒径は１００ｎｍ以下である事が望
ましい。
れた経路を形成する際、粒状の強磁性体を非磁性体中に
分散させることにより、形成することができる。その
際、強磁性体の平均粒径は１００ｎｍ以下である事が望
ましい。
【００１６】また、非磁性体を介して接続された強磁性
体の保磁力をＨｃiとした時、非磁性体を介して接続さ
れた強磁性体各々の保磁力、Ｈｃ１、Ｈｃ２の組におい
てＨｃ１＜１ｋＯｅかつＨｃ２＞Ｈｃ１である組み合わ
せを少なくとも一つ持つ、または、非磁性体を介して接
続された強磁性体のうち少なくとも一つを反強磁性体に
接続する事が望ましい。
体の保磁力をＨｃiとした時、非磁性体を介して接続さ
れた強磁性体各々の保磁力、Ｈｃ１、Ｈｃ２の組におい
てＨｃ１＜１ｋＯｅかつＨｃ２＞Ｈｃ１である組み合わ
せを少なくとも一つ持つ、または、非磁性体を介して接
続された強磁性体のうち少なくとも一つを反強磁性体に
接続する事が望ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１、２を用いて説明する。
て図１、２を用いて説明する。
【００１８】（実施の形態１）図１（ａ）に本発明のス
ピン偏極素子の１例を示す。図１（ａ）においてＦＭ１
１、強磁性金属材料であり、ＮＭ１１は非磁性金属材料
であり、ＦＳ１１は強磁性半導体材料である。ＦＭ１１
はＮＭ１１を介してＦＳ１１と接続されている。
ピン偏極素子の１例を示す。図１（ａ）においてＦＭ１
１、強磁性金属材料であり、ＮＭ１１は非磁性金属材料
であり、ＦＳ１１は強磁性半導体材料である。ＦＭ１１
はＮＭ１１を介してＦＳ１１と接続されている。
【００１９】以上のように構成されたスピン偏極素子に
ついて、以下、その動作を述べる。
ついて、以下、その動作を述べる。
【００２０】このスピン偏極素子に通電すると、荷電粒
子は、平均自由行程Ｌ毎に散乱されながら、平均して電
場の方向に移動していく。ＦＭ１１の強磁性体金属中で
は伝導バンドが磁化の方向に平行と反平行のスピン間で
フェルミ面付近の状態密度に差があるため、スピンの偏
極が生じている。ＮＭ１１内でスピン偏極状態は、荷電
キャリアが散乱される毎にスピン反転確率ｓで失われ、
述べｓＬの距離を移動するとスピン偏極状態はほぼ失わ
れる。ＮＭ１１の厚みを距離ｓＬに対して充分短くする
と、スピン偏極状態が残留したまま荷電キャリアは、Ｎ
Ｍ１１を越えて強磁性半導体ＦＳ１１内に伝導しようと
する。しかし、ＦＳ１１は強磁性体であるため、その伝
導帯はＦＳ１１の磁化方向に平行と反平行のスピン間で
エネルギーにＥｄの差が生じ、伝導帯の底から、エネル
ギーＥｄのところまでは伝導帯の分極率はほぼ１００％
になっている。
子は、平均自由行程Ｌ毎に散乱されながら、平均して電
場の方向に移動していく。ＦＭ１１の強磁性体金属中で
は伝導バンドが磁化の方向に平行と反平行のスピン間で
フェルミ面付近の状態密度に差があるため、スピンの偏
極が生じている。ＮＭ１１内でスピン偏極状態は、荷電
キャリアが散乱される毎にスピン反転確率ｓで失われ、
述べｓＬの距離を移動するとスピン偏極状態はほぼ失わ
れる。ＮＭ１１の厚みを距離ｓＬに対して充分短くする
と、スピン偏極状態が残留したまま荷電キャリアは、Ｎ
Ｍ１１を越えて強磁性半導体ＦＳ１１内に伝導しようと
する。しかし、ＦＳ１１は強磁性体であるため、その伝
導帯はＦＳ１１の磁化方向に平行と反平行のスピン間で
エネルギーにＥｄの差が生じ、伝導帯の底から、エネル
ギーＥｄのところまでは伝導帯の分極率はほぼ１００％
になっている。
【００２１】結果として、ＦＭ１１の磁化方向とＦＳ１
１の磁化方向に応じて図１（ａ）のスピン偏極素子の抵
抗は変化し、ＦＳ１１における分極率が１００％である
ために、従来の磁性金属材料の接合を用いた場合に比べ
て大きな抵抗変化率を得ることができる。
１の磁化方向に応じて図１（ａ）のスピン偏極素子の抵
抗は変化し、ＦＳ１１における分極率が１００％である
ために、従来の磁性金属材料の接合を用いた場合に比べ
て大きな抵抗変化率を得ることができる。
【００２２】図１（ｂ）においてＦＭ２１は強磁性金属
材料であり、ＮＩ２１は非磁性絶縁体であり、ＦＳ２１
は強磁性半導体である。ＦＭ２１はＮＩ２１を介してＦ
Ｓ２１に接続されている。以上のように構成されたスピ
ン偏極素子において、ＦＭ２１では図１（ａ）の例と同
様の理由でスピン偏極が生じており、また、ＦＳ２１で
は図１（ａ）の例と同様の理由で伝導帯の底のスピン分
極率がほぼ１００％であるためにほぼ１００％のスピン
偏極が生じている。ＮＩ２１が充分薄ければ、荷電キャ
リアはＦＭ２１から、スピンの状態を保持したまま、Ｆ
Ｓ２１内にトンネルしようとするが、ＦＳ２１の伝導帯
の底のスピン分極率が１００％に非常に近いため、ＦＭ
２１の磁化方向と、ＦＳ２１の磁化方向によってトンネ
ル確率は大きく変化し、従来に比べ大きな抵抗変化率を
得ることができる。
材料であり、ＮＩ２１は非磁性絶縁体であり、ＦＳ２１
は強磁性半導体である。ＦＭ２１はＮＩ２１を介してＦ
Ｓ２１に接続されている。以上のように構成されたスピ
ン偏極素子において、ＦＭ２１では図１（ａ）の例と同
様の理由でスピン偏極が生じており、また、ＦＳ２１で
は図１（ａ）の例と同様の理由で伝導帯の底のスピン分
極率がほぼ１００％であるためにほぼ１００％のスピン
偏極が生じている。ＮＩ２１が充分薄ければ、荷電キャ
リアはＦＭ２１から、スピンの状態を保持したまま、Ｆ
Ｓ２１内にトンネルしようとするが、ＦＳ２１の伝導帯
の底のスピン分極率が１００％に非常に近いため、ＦＭ
２１の磁化方向と、ＦＳ２１の磁化方向によってトンネ
ル確率は大きく変化し、従来に比べ大きな抵抗変化率を
得ることができる。
【００２３】図１（ｃ）においてＦＳ３１は強磁性半導
体であり、ＨＭ３１は強磁性ハーフメタルであり、ＮＩ
３１は非磁性絶縁体である。ＦＳ３１はＮＩ３１を介し
てＨＭ３１に接続されている。強磁性ハーフメタルＨＭ
３１内では、磁化と平行なスピンのつくるバンドと、磁
化に反平行なスピンのつくるバンドとのエネルギー差に
より、フェルミ面が実質的にどちらか片方のスピンがつ
くるバンドのみを横切るためにほぼ１００％のスピン分
極を生じている。ゆえに、以上のように構成されたスピ
ン偏極素子においても図１（ａ）、（ｂ）と同様に大き
な抵抗変化率を得ることができる。
体であり、ＨＭ３１は強磁性ハーフメタルであり、ＮＩ
３１は非磁性絶縁体である。ＦＳ３１はＮＩ３１を介し
てＨＭ３１に接続されている。強磁性ハーフメタルＨＭ
３１内では、磁化と平行なスピンのつくるバンドと、磁
化に反平行なスピンのつくるバンドとのエネルギー差に
より、フェルミ面が実質的にどちらか片方のスピンがつ
くるバンドのみを横切るためにほぼ１００％のスピン分
極を生じている。ゆえに、以上のように構成されたスピ
ン偏極素子においても図１（ａ）、（ｂ）と同様に大き
な抵抗変化率を得ることができる。
【００２４】図１（ｄ）においてＦＭ４１、ＦＭ４２は
強磁性金属材料であり、ＮＩ４１は非磁性絶縁体であ
り、ＦＳ４１は強磁性半導体である。ＦＭ４１、ＦＳ４
１はＮＩ４１を介してＦＭ４２に接続され、ＦＭ４２同
士もＮＩ４１を介して接続されている。以上のように構
成されたスピン偏極素子においても同様の作用で大きな
抵抗変化率を得ることができる。
強磁性金属材料であり、ＮＩ４１は非磁性絶縁体であ
り、ＦＳ４１は強磁性半導体である。ＦＭ４１、ＦＳ４
１はＮＩ４１を介してＦＭ４２に接続され、ＦＭ４２同
士もＮＩ４１を介して接続されている。以上のように構
成されたスピン偏極素子においても同様の作用で大きな
抵抗変化率を得ることができる。
【００２５】図１（ｅ）においてＦＭ５１は強磁性金属
材料、ＮＩ５１は非磁性絶縁体、ＦＳ５１は強磁性半導
体、ＡＦ５１は反強磁性体である。ＦＭ５１とＦＳ４１
はＮＩ５１を介して接続され、ＦＳ５１はＡＦ５１に接
続されている。ＡＦ５１に接続されることによりＦＳ５
１には１方向異方性がかかり、磁化方向が固定され、い
わゆるスピンバルブ動作をするようになる。以上のよう
に構成されたスピン偏極素子においても、強磁性かつ半
導体もしくはハーフメタルである強磁性体の１００％に
近いスピン分極率によって、大きな抵抗変化率を得るこ
とができる。
材料、ＮＩ５１は非磁性絶縁体、ＦＳ５１は強磁性半導
体、ＡＦ５１は反強磁性体である。ＦＭ５１とＦＳ４１
はＮＩ５１を介して接続され、ＦＳ５１はＡＦ５１に接
続されている。ＡＦ５１に接続されることによりＦＳ５
１には１方向異方性がかかり、磁化方向が固定され、い
わゆるスピンバルブ動作をするようになる。以上のよう
に構成されたスピン偏極素子においても、強磁性かつ半
導体もしくはハーフメタルである強磁性体の１００％に
近いスピン分極率によって、大きな抵抗変化率を得るこ
とができる。
【００２６】なお、以上の説明では、強磁性金属−非磁
性金属−強磁性半導体、強磁性金属−非磁性絶縁体−強
磁性半導体、強磁性半導体−非磁性絶縁体−強磁性ハー
フメタル、強磁性金属−（非磁性絶縁体−強磁性金属−
非磁性絶縁体）ｎ−強磁性半導体の組み合わせで構成し
た例で説明したが、組み合わせ内に少なくとも一つ強磁
性、かつ、半導体もしくはハーフメタルである強磁性体
を有していれば、任意の強磁性金属と強磁性半導体、強
磁性金属とハーフメタル、強磁性半導体とハーフメタル
を入れ替えても同様に実施可能である。また、任意の非
磁性金属と非磁性絶縁体を入れ替えても同様に実施可能
である。また、少なくとも一つ強磁性半導体を有し、少
なくとも二つの強磁性体が、非磁性体を介して接続され
た組み合わせを有していれば、それらをさらに組み合わ
せた場合においても同様に実施可能である。
性金属−強磁性半導体、強磁性金属−非磁性絶縁体−強
磁性半導体、強磁性半導体−非磁性絶縁体−強磁性ハー
フメタル、強磁性金属−（非磁性絶縁体−強磁性金属−
非磁性絶縁体）ｎ−強磁性半導体の組み合わせで構成し
た例で説明したが、組み合わせ内に少なくとも一つ強磁
性、かつ、半導体もしくはハーフメタルである強磁性体
を有していれば、任意の強磁性金属と強磁性半導体、強
磁性金属とハーフメタル、強磁性半導体とハーフメタル
を入れ替えても同様に実施可能である。また、任意の非
磁性金属と非磁性絶縁体を入れ替えても同様に実施可能
である。また、少なくとも一つ強磁性半導体を有し、少
なくとも二つの強磁性体が、非磁性体を介して接続され
た組み合わせを有していれば、それらをさらに組み合わ
せた場合においても同様に実施可能である。
【００２７】（実施の形態３）図２に本発明のスピン偏
極素子を用いたデバイスの例を示す。
極素子を用いたデバイスの例を示す。
【００２８】図２において、ＦＭ６１、ＦＭ６２は強磁
性金属材料であり、ＦＳ６１は強磁性半導体でありＮＩ
６１、ＮＩ６２は非磁性絶縁体であり、Ｓ６１、Ｓ６
２、Ｓ６３は金属よりなる端子であり、Ｉ６１は定電流
源であり、Ｖ６１は電圧計である。ＦＭ６１にはＳ６
２、Ｓ６３が接続され、また、ＦＳ６１の内の一つが接
続されている。ＦＳ６１はＮＩ６２を介してＦＭ６２に
接続され、ＦＭ６２の一つには端子Ｓ６１が接続されて
いる。ＮＩ６１は１０ｎｍより充分厚く、素子の上部と
下部を電気的に絶縁し、荷電キャリアができるだけ多く
のＦＳ６１−ＮＩ６２−ＦＭ６２界面を通過する様にし
ている。Ｉ６１は定電流源であるため、電圧計Ｖ６１で
読みとられる電圧はＳ６１とＳ６３間の抵抗値である。
実施の形態１と同様の理由で、ＦＳ６１−ＮＩ６２−Ｆ
Ｍ６２ではＦＳ６１の磁化方向と、ＦＭ６２の磁化方向
で抵抗が変化する。ＦＳ６１に、その保磁力ＨｃFSがＦ
Ｍ６２の保磁力ＨｃFMより大きい材料を選び、またＦＭ
６２にパーマロイやセンダストなどの軟磁性材料を用い
ると外部磁場ＨがＨｃFS＞Ｈ＞ＨｃFMの範囲で磁場によ
り抵抗の変化するデバイスが実現される。
性金属材料であり、ＦＳ６１は強磁性半導体でありＮＩ
６１、ＮＩ６２は非磁性絶縁体であり、Ｓ６１、Ｓ６
２、Ｓ６３は金属よりなる端子であり、Ｉ６１は定電流
源であり、Ｖ６１は電圧計である。ＦＭ６１にはＳ６
２、Ｓ６３が接続され、また、ＦＳ６１の内の一つが接
続されている。ＦＳ６１はＮＩ６２を介してＦＭ６２に
接続され、ＦＭ６２の一つには端子Ｓ６１が接続されて
いる。ＮＩ６１は１０ｎｍより充分厚く、素子の上部と
下部を電気的に絶縁し、荷電キャリアができるだけ多く
のＦＳ６１−ＮＩ６２−ＦＭ６２界面を通過する様にし
ている。Ｉ６１は定電流源であるため、電圧計Ｖ６１で
読みとられる電圧はＳ６１とＳ６３間の抵抗値である。
実施の形態１と同様の理由で、ＦＳ６１−ＮＩ６２−Ｆ
Ｍ６２ではＦＳ６１の磁化方向と、ＦＭ６２の磁化方向
で抵抗が変化する。ＦＳ６１に、その保磁力ＨｃFSがＦ
Ｍ６２の保磁力ＨｃFMより大きい材料を選び、またＦＭ
６２にパーマロイやセンダストなどの軟磁性材料を用い
ると外部磁場ＨがＨｃFS＞Ｈ＞ＨｃFMの範囲で磁場によ
り抵抗の変化するデバイスが実現される。
【００２９】なお、以上の説明で用いた強磁性体、非磁
性体の組み合わせ以外に、実施の形態１で挙げた何れの
組み合わせを用いても同様に実施可能である。また、Ｆ
Ｍ６２に、その保磁力ＨｃFMがＦＳ６１の保磁力ＨｃFS
より大きい材料を選び、またＦＳ６１にＭｎＺｎフェラ
イトや、ＮｉＺｎフェライトなどの軟磁性材料を用いる
と外部磁場ＨがＨｃFM＞Ｈ＞ＨｃFSの範囲で同様の効果
が実施可能である。また、強磁性金属ＦＭ６２の代わり
に反強磁性金属を用い、ＦＭ６２に接続されたＦＳ６１
に一方向性異方性を付与しても、同様に実施可能であ
る。
性体の組み合わせ以外に、実施の形態１で挙げた何れの
組み合わせを用いても同様に実施可能である。また、Ｆ
Ｍ６２に、その保磁力ＨｃFMがＦＳ６１の保磁力ＨｃFS
より大きい材料を選び、またＦＳ６１にＭｎＺｎフェラ
イトや、ＮｉＺｎフェライトなどの軟磁性材料を用いる
と外部磁場ＨがＨｃFM＞Ｈ＞ＨｃFSの範囲で同様の効果
が実施可能である。また、強磁性金属ＦＭ６２の代わり
に反強磁性金属を用い、ＦＭ６２に接続されたＦＳ６１
に一方向性異方性を付与しても、同様に実施可能であ
る。
【００３０】
【実施例】以下に本発明の具体例を説明する。
【００３１】（実施例１）図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）
に示した構造をスパッタ法、ＭＢＥ法、蒸着法、レーザ
ーアブレーション法のいずれかを用いて、表１，表２，
表３に示す材料及び厚みで作製した。作製に際しては、
まず基板上にスパッタ法により第一の電極をもうけてお
き、次に所望の構造を作製し、５００〜２０００（Ｏ
ｅ）の磁場中、２００〜４００℃でアニールした後、で
きた構造の表面に金線を圧着し、素子に定電流電源と電
圧計をつないで疑似４端子回路を作製しサンプルの抵抗
を測定した。アニール時の磁場方向と直角かつサンプル
面内に、磁場を５０〜５００Ｏｅ印加し、（（印加時の
抵抗）−（ゼロ磁場時の抵抗））／（ゼロ磁場時の抵
抗）で定義される抵抗の変化率を、表１，表２，表３中
の従来例と比較した。従来例より同程度の場合△、改善
した場合○、劣化した場合×で示す。
に示した構造をスパッタ法、ＭＢＥ法、蒸着法、レーザ
ーアブレーション法のいずれかを用いて、表１，表２，
表３に示す材料及び厚みで作製した。作製に際しては、
まず基板上にスパッタ法により第一の電極をもうけてお
き、次に所望の構造を作製し、５００〜２０００（Ｏ
ｅ）の磁場中、２００〜４００℃でアニールした後、で
きた構造の表面に金線を圧着し、素子に定電流電源と電
圧計をつないで疑似４端子回路を作製しサンプルの抵抗
を測定した。アニール時の磁場方向と直角かつサンプル
面内に、磁場を５０〜５００Ｏｅ印加し、（（印加時の
抵抗）−（ゼロ磁場時の抵抗））／（ゼロ磁場時の抵
抗）で定義される抵抗の変化率を、表１，表２，表３中
の従来例と比較した。従来例より同程度の場合△、改善
した場合○、劣化した場合×で示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
【表３】
【００３５】この（表１，表２，表３）から明らかなよ
うに、本実施例によるスピン偏極素子は、従来のものに
比べ大きな抵抗変化率が得られる。
うに、本実施例によるスピン偏極素子は、従来のものに
比べ大きな抵抗変化率が得られる。
【００３６】なお、（表１，表２，表３）中の強磁性半
導体ＦＳ１１、ＦＳ２１のＮｉＺｎフェライト、ＭｎＺ
ｎフェライトをハーフメタルであるＦｅ3Ｏ4、Ｌａ0.67
Ｓｒ 0.33ＭｎＯ3に変えても同様の傾向が得られた。
導体ＦＳ１１、ＦＳ２１のＮｉＺｎフェライト、ＭｎＺ
ｎフェライトをハーフメタルであるＦｅ3Ｏ4、Ｌａ0.67
Ｓｒ 0.33ＭｎＯ3に変えても同様の傾向が得られた。
【００３７】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、非磁性
金属もしくは非磁性絶縁体を介した強磁性金属の接合を
利用した素子の、少なくとも一つの強磁性金属の代わり
に強磁性かつ半導体もしくはハーフメタルである材料を
用いることにより、高いスピン分極率よって、従来の強
磁性金属材料の接合を用いた場合に比べて大きな抵抗変
化率を得ることができる。
金属もしくは非磁性絶縁体を介した強磁性金属の接合を
利用した素子の、少なくとも一つの強磁性金属の代わり
に強磁性かつ半導体もしくはハーフメタルである材料を
用いることにより、高いスピン分極率よって、従来の強
磁性金属材料の接合を用いた場合に比べて大きな抵抗変
化率を得ることができる。
【図１】 本発明の実施例のスピン偏極素子の構成図
【図２】 本発明のスピン偏極素子を用いたデバイスの
一例の模式図
一例の模式図
ＦＭ１１ 強磁性金属 ＦＳ１１ 強磁性半導体 ＮＭ１１ 非磁性金属 ＦＭ２１ 強磁性金属 ＦＳ２１ 強磁性半導体 ＮＩ２１ 非磁性絶縁体 ＨＭ３１ ハーフメタル ＦＳ３１ 強磁性半導体 ＮＩ３１ 非磁性絶縁体 ＦＭ４１ 強磁性金属 ＦＭ４２ 強磁性金属 ＦＳ４１ 強磁性半導体 ＮＩ４１ 非磁性絶縁体 ＦＭ５１ 強磁性金属 ＮＩ５１ 非磁性絶縁体 ＦＳ５１ 強磁性半導体 ＡＦ５１ 反強磁性体 ＦＭ６１ 強磁性金属 ＦＭ６２ 強磁性金属 ＦＳ６１ 強磁性半導体 ＮＩ６１ 非磁性絶縁体 ＮＩ６２ 非磁性絶縁体 Ｓ６１ 端子 Ｓ６２ 端子 Ｓ６３ 端子 Ｉ６１ 定電流電源 Ｖ６１ 電圧計
Claims (15)
- 【請求項１】 強磁性体と非磁性体からなるスピン偏極
素子であり、少なくとも一つ以上の、非磁性体を介して
強磁性体が接続された経路があり、かつ前記非磁性体を
介して強磁性体が接合された経路を構成する強磁性体の
うち少なくとも一つが半導体もしくはハーフメタルであ
るスピン偏極素子。 - 【請求項２】 非磁性体を介して強磁性体が接続された
経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁性体が
非磁性金属でありかつ厚みが１μｍ以下である請求項１
記載のスピン偏極素子。 - 【請求項３】 非磁性体を介して強磁性体が接続された
経路のうちの、少なくとも一つ以上で、前記非磁性体が
非磁性絶縁体でありかつ厚みが１０ｎｍ以下である請求
項１記載のスピン偏極素子。 - 【請求項４】 非磁性絶縁体中の磁性不純物の濃度が１
００ｐｐｍ以下である請求項３記載のスピン偏極素子。 - 【請求項５】 少なくとも一つの非磁性体を介して強磁
性体が接続された経路において、前記非磁性体のうち、
少なくとも、半導体もしくはハーフメタルである強磁性
体と接続される界面がＣｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、
Ｐｔ、Ａｕ、もしくはそれらの合金とからなる請求項１
もしくは２に記載のスピン偏極素子。 - 【請求項６】 非磁性体を介して接続された半導体であ
る強磁性体のバンドギャップエネルギーが１ｅＶ以下で
ある請求項１〜５記載のスピン偏極素子。 - 【請求項７】 半導体もしくはハーフメタルである強磁
性体が主にＦｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏから選ばれる少なく
とも一種の元素の酸化物を含む磁性酸化物である請求項
１〜６に記載のスピン偏極素子。 - 【請求項８】 強磁性体と非磁性体が層状であり、前記
層状の磁性体と、層状の非磁性体が交互に積層されるこ
とにより非磁性体を介して磁性体が接続された経路を形
成した請求項１〜７に記載のスピン偏極素子。 - 【請求項９】 非磁性体を介して強磁性体が接続された
経路のうち、少なくとも一つの強磁性体−非磁性体−強
磁性体経路において、粒状の強磁性体が非磁性体中に分
散することにより非磁性体を介して強磁性体接続された
経路を有する請求項１〜７に記載のスピン偏極素子。 - 【請求項１０】 粒状の強磁性体の平均粒径が１００ｎ
ｍ以下である請求項９記載のスピン偏極素子。 - 【請求項１１】 非磁性体を介して接続された強磁性体
の保磁力をＨｃiとした時、非磁性体を介して接続され
た強磁性体各々の保磁力、Ｈｃ１、Ｈｃ２の組において
Ｈｃ１＜１ｋＯｅかつＨｃ２＞Ｈｃ１である組み合わせ
を少なくとも一つ持つ請求項１〜１０に記載のスピン偏
極素子。 - 【請求項１２】 非磁性体を介して接続された磁性体の
うち少なくとも一つが反強磁性体に接続されている請求
項１〜１０に記載のスピン偏極素子。 - 【請求項１３】 請求項１〜１２に記載のスピン偏極素
子と、前記スピン偏極素子に電流を供給する端子と、前
記スピン偏極素子内での電圧降下を測定する端子を有し
たデバイス。 - 【請求項１４】 請求項１３に記載のスピン偏極デバイ
スを用いた磁気センサー。 - 【請求項１５】 請求項１３に記載のスピン偏極デバイ
スを用いた磁気記録読み取りヘッド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP01834299A JP3206582B2 (ja) | 1998-01-27 | 1999-01-27 | スピン偏極素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-13729 | 1998-01-27 | ||
| JP1372998 | 1998-01-27 | ||
| JP01834299A JP3206582B2 (ja) | 1998-01-27 | 1999-01-27 | スピン偏極素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11289115A true JPH11289115A (ja) | 1999-10-19 |
| JP3206582B2 JP3206582B2 (ja) | 2001-09-10 |
Family
ID=26349554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP01834299A Expired - Fee Related JP3206582B2 (ja) | 1998-01-27 | 1999-01-27 | スピン偏極素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3206582B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6700761B2 (en) * | 2000-06-12 | 2004-03-02 | Fujitsu Limited | Magnetic sensor |
| US7190558B2 (en) | 2001-06-22 | 2007-03-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetoresistive effect element, magnetic head and magnetic reproducing apparatus |
| CN1306476C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-03-21 | 株式会社东芝 | Ccp－cpp－gmr磁头组件及感测电流方向指定方法、磁记录/再现设备 |
| US7265948B2 (en) | 2001-07-17 | 2007-09-04 | Hitachi Global Storage Technologies Japan, Ltd., | Magnetoresistive element with oxide magnetic layers and metal magnetic films deposited thereon |
-
1999
- 1999-01-27 JP JP01834299A patent/JP3206582B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6700761B2 (en) * | 2000-06-12 | 2004-03-02 | Fujitsu Limited | Magnetic sensor |
| US7190558B2 (en) | 2001-06-22 | 2007-03-13 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetoresistive effect element, magnetic head and magnetic reproducing apparatus |
| US7265948B2 (en) | 2001-07-17 | 2007-09-04 | Hitachi Global Storage Technologies Japan, Ltd., | Magnetoresistive element with oxide magnetic layers and metal magnetic films deposited thereon |
| CN1306476C (zh) * | 2004-02-26 | 2007-03-21 | 株式会社东芝 | Ccp－cpp－gmr磁头组件及感测电流方向指定方法、磁记录/再现设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3206582B2 (ja) | 2001-09-10 |
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