KR20060069469A - 터널 접합 소자 - Google Patents

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KR20060069469A
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요시노리 도쿠라
마사시 가와사키
히로유키 야마다
요시히로 오가와
요시오 가네코
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도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코
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Abstract

상온에서도 높은 MR 비를 갖는 터널 접합 소자를 제공하기 위해,
Figure 112006013721116-PCT00077
/
Figure 112006013721116-PCT00078
/
Figure 112006013721116-PCT00079
의 3-층 구조의 비자기 층인 터널링 막이 강자성 금속 재료
Figure 112006013721116-PCT00080
(12) 와 강자성 금속 막 재료
Figure 112006013721116-PCT00081
(14) 사이에 배열된다. 터널링 막은 강자성 금속 재료
Figure 112006013721116-PCT00082
(12) 상에 배열되는 2 개의
Figure 112006013721116-PCT00083
단위 층 (13A); 5 개의
Figure 112006013721116-PCT00084
단위 층 (13B); 및
Figure 112006013721116-PCT00085
(13B) 와 강자성 금속 막 재료
Figure 112006013721116-PCT00086
(14) 사이의 인터페이스에 배열되는 2 개의
Figure 112006013721116-PCT00087
단위 층 (13C) 을 포함한다

Description

터널 접합 소자{TUNNEL JUNCTION ELEMENT}
기술 분야
본 발명은 터널 접합 소자에 관한 것으로, 자화에 의해 저장되는 정보를 판독하는데 필요한 자기 헤드에 적용된다. 또한, 이 기술은, 자기 메모리 소자로 확장될 수 있는, 터널 자기저항 (TMR) 소자와 관련된 기술에도 적용될 수 있다.
배경 기술
정보 산업 기술이 확대 되었으며, 통상적으로 화상의 저장에 대한 수요가 증가해왔기 때문에, 저장 용량을 증가하기 위한 요구는 무한하다. 결과적으로, 메모리의 크기는 최소화되도록 요구된다. 2004 년에는 약 30 nm (300 옹스트롬) 크기의 자기 재료를 가지고 100 Gbpsi (gigabits per square inches) 의 메모리 용량이 달성될 수 있고, 2007 년에는 약 10 nm (100 옹스트롬) 크기의 자기 재료를 가지고 1000 Gbpsi 의 메모리 용량이 달성될 수 있을 것이라 예견된다.
저장용 자기 재료가 더 미세한 크기와 더 높은 밀도를 갖도록 하기 위해서, 재생 헤드 또는 자기 센서의 감도가 증가되어야만 한다. 감도는 MR 비에 의해 표현된다. 재생 헤드의 사이즈 감소는 재생 헤드를 구성하는 센싱 소자의 MR 비를 증가시킴으로써 달성되어왔다.
MR 비와 관련하여, 약 1994 년 이래로, MR 비가 4 % 인 거대 자기저항 (giant magnetoresistive ; GMR) 소자가 개발되어 실용화되고 있다. 약 10% 의 MR 비를 갖는 것들도 곧 출시되려 한다. 그러나, 100 Gbpsi 이상의 저장 밀도에서, GMR 소자의 MR 비는 여전히 불충분하고, 또한 10 % 에서 수십 % 의 MR 비가 요구된다.
2000 년에, 개발 단계에 있는 10 % 이상의 MR 비를 갖는 TMR 소자가 달성되었다. TMR 소자는 종래의 GMR 소자에 의해 달성될 수 없는 더 높은 MR 비를 달성할 수 있다 (비-특허 문헌 1).
이러한 TMR 소자는 자기 센서 뿐만 아니라, 자기 메모리로서도 적용될 수 있다. IBM 은 2004 년에 256 Mbit-MRAM 을 시장에 출시하는 공동 개발 프로젝트를 발표했다. 따라서, TMR 소자의 중요성이 증가하고 있다.
[특허 문헌 1] 미심사 일본 공개특허공보 제 2003-86863 호
[비-특허 문헌 1] Ohashi 외, NEC "저 저항 터널 자기저항 헤드 (Low Resistance Tunnel Magnetoresistive head)", IEEE Transaction on Magnetics, Vol. 36, No. 5, pp. 2549-2553, 2000
[비-특허 문헌 2] M. Brown 외, App. Phys. 82 (2003) 233
[비-특허 문헌 3] M. Kawasaki, T. Tokura 외, J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) L369-L372
[비-특허 문헌 4] U. Pustogowa 외, Phys. Rev. B49 (1994) 10031
[비-특허 문헌 5] Th. Rasing 외, Phys. Rev. Lett. 74(1995) 3692 (J. Appl. Phys. 79 (1996), 6181)
발명의 개시
TMR 소자는 강자성 터널 접합에 스핀-편향된 (spin-polarized) 터널링 자기저항을 이용하는 소자이다. 강자성 터널 접합은 철과 같은 전이 금속의 강자성 금속 층들 사이에 샌드위칭된, 통상적으로
Figure 112006013721116-PCT00001
의 충분히 얇은 절연체 층을 포함하는 샌드위치 구조를 갖는다. TMR 의 기본적인 물리적 현상은, 절연 층의 장벽을 통하는 도전성 전자의 터널링 가능성이 상부 및 하부 강자성 층들의 스핀 방향에 의존하여 변화한다는 사실에 의해 야기된다. 전술된 특허 문헌 2 는 TMR 소자를 구성하는 강자성 금속 층의 페르보스카이트 산화물을 사용함으로써 일반적인 전이 금속들보다 더 높은 MR 비가 획득될 수 있다는 것을 설명한다. 결과적인 TMR 소자의 MR 비는 4 K 에서 1800 % 이상이다. 이 타입의 TMR 소자는 "초거대 자기저항 (colossal magnetoresisitive; CMR) 소자" 라 불린다.
강자성 금속 층에 페르보스카이트 산화물을 사용하는 CMR 소자는 종래의 TMR 소자를 훨씬 능가하는 특성을 갖는 것으로 기대할 수 있으나, 상온에서 낮은 MR 비를 갖는다.
이러한 상황 하에서, 본 발명의 목적은 상온에서도 높은 MR 비를 갖는 터널 접합 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 CMR 소자가 상온에서, 기대되는 바와 같은 그러한 높은 MR 비를 보여주지 못하는 이유를 밝혔다 (비-특허 문헌 3). 절연 층이 CMR 소자의 실용화를 위한 페르보스카이트 강자성 도전성 산화물의 층들 간에 배열될 때, 그 터널 접합은 그 자체로 페르보스카이트 상화물의 강자성 전이 온도 Tc 보다 더 낮은 강자성 전이 온도 Tc 를 갖는다. 강자성 전이 온도 Tc 의 감소는 절연 층과 강자성 금속 재료 사이의 인터페이스에서의 스핀 상태가 단일 강자성 금속 층의 스핀과 다르다는 사실에 의해 야기된다. 인터페이스에서의 스핀 방향은 내부층 반강자성 (A-타입 계층화된 반강자성) 과 강자성 금속 층의 스핀들 간의 강자성 결합을 강화하는 이중 교환 상호작용 간의 경합에 의해 결정된다.
본 발명에서는, 터널링 절연 층과 강자성 금속 재료 간의 인터페이스에서 발생하는, A-타입 층화된 반강자성 특성이 터널링 절연 층 및 강자성 금속 사이에서의 전하 이동에 근거한다고 생각된다. 이러한 생각에 기초하여, 절연 층으로부터의 전하 이동을 방지하는 층들 (막들) 은 본 발명에 따라 배열되어 (청구항 1) 상기의 목적을 달성한다. 전하 이동을 방지하는 상부 및 하부 층은 코어 절연 층 사이에 끼워지도록 하기 위해서 필요하다. 코어 절연 층을 포함하는 3-계층화된 터널링 막은 3 개의 단위 층 이상의 두께를 가지지만, 터널링 막의 증가하는 두께는 터널링 전류가 감소하는 것을 방지한다. 따라서, 터널링 막은 3 개 내지 10 개의 단위 층을 포함한다 (청구항 2). 전하 이동을 방지하는 층들 각각은 1 개 내지 3 개의 단위 층 두께의 얇은 박막을 포함한다 (청구항 3). 3 개의 박막들 중 하나 이상은 전이 금속의 산화물을 포함하는 층일 수 있다 (청구항 4). 3 개의 박막을 위한 재료들 중 하나 이상은, X 가 조건, 0≤X≤1 을 만족시키고,
Figure 112006013721116-PCT00002
가 산소 결핍을 나타내고, A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y, Bi 로 구성되는 원소들 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; B 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된, A 와 상이한 다른 원소를 나타내고; M 은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내는,
Figure 112006013721116-PCT00003
(페르보스카이트) 산화물일 수 있다 (청구항 5). 터널링 막을 구성하는 3 층의 코어 층은
Figure 112006013721116-PCT00004
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00005
를 포함할 수 있고 (청구항 6), 코어 층이 샌드위칭되는 상부 및 하부 층은 Sr 의 함량 x 가 조건, 0≤x≤0.4 을 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00006
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00007
를 포함할 수 있다 (청구항 7). 강자성 도전성 층들은 각각, x 가 조건, 0.2≤x≤0.5 를 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00008
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00009
산화물을 포함할 수 있다 (청구항 8). 강자성 도전성 층들은 각각, X가 조건, 0≤X≤1 을 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00010
가 산소 결핍을 나타내고; A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들; Y 및/또는 Bi 를 포함하는 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; M 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내고; M' 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은, M 과는 상이한, 다른 전이 금속 원소를 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00011
산화물을 포함할 수 있다 (청구항 9). 강자성 도전성 전극 및 터널링 막을 구성하는 재료들 중 하나 이상은 레이저 연마 프로세스에 의해 제조 (prepare) 될 수 있다 (청구항 10).
도면의 간단한 설명
도 1 은 초격자 CMR 소자를 구성하는 층 간의 관계 및 레이저 빔의 배열을 표시하는 다이어그램을 도시한다.
도 2 는 초격자 CMR 소자를 구성하는 층들의 제 2 고조파의 편향면의 로테이션 (데이터) 각도를 도시하는 다이어그램이다.
도 3 은 본 발명에 따른 터널 접합 소자의 개략적인 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 따른 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 5 는 제 2 고조파를 사용하여 인터페이스에서의 스핀 상태를 관찰하는 방법의 원리를 설명하는 다이어그램이다.
발명을 수행하기 위한 최선의 모드
본 발명에 따르면, 다음의 이점들이 획득될 수 있다.
자세하게는, 본 발명은, 종래의 CMR 소자에 의해 달성될 수 없는, 상온에서 충분히 높은 MR 비를 갖는 자기 센서를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 100 Gbpsi 에서 1000 Gbpsi 기가 비트의 레코딩 밀도에서 사용가능한 자기 헤드를 제공할 수 있고, DRAM 및 FeRAM 과 동일한, 자기 메모리용 구성 소자로서의 특성을 갖는 CMR 소자를 제공할 수 있다.
터널 접합 소자는 하부 강자성 도전성 전극, 상부 강자성 도전성 전극, 및 상부 및 하부 전극 사이에 배열되는 터널링 막을 포함한다. 터널링 막은 3 개의 전기적 절연 층을 포함한다. 강자성 도전성 전극들은 각각, X 가 조건, 0≤X≤1을 만족시키고;
Figure 112006013721116-PCT00012
가 산소 결핍을 나타내고; A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 원소들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; B 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, 및 Y 및 Bi 를 포함하는 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된, A 와 상이한 다른 원소를 나타내고; M 은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00013
산화물을 포함한다. 다시 말해, 터널 접합 소자는 강자성 도전성 전극 및 강자성 도전성 전극들 사이에 배열되는 터널링 막을 포함한다. 터널링 막은, 전하를 공급할 수 있는 상부 및 하부 층들, 상부층과 하부 층 간에 배열되는 코어 층의 3 개의 전기적 절연 층을 포함한다.
[실시형태]
(1) 도 3 은 본 발명에 따르는 터널 접합 소자의 개략적인 단면도이다.
도 3 에서, 도면 부호 1 은 하부 금속 전극을 표시하고; 도면 부호 2 는 그 위에 형성된
Figure 112006013721116-PCT00014
산화물 막 (0≤X≤1,
Figure 112006013721116-PCT00015
는 산소 결핍을 나타냄) [하부 강자성 도전성 전극] 을 표시하고; 도면 부호 3 은 제 1 절연 층 (3A), 제 2 절연 층 (3B), 및 제 3 절연 층 (3C) 를 포함하는 터널링 막 (절연 막) 을 표시하고; 도면 부호 4 는 제 3 절연 층 (3C) 상에 형성된
Figure 112006013721116-PCT00016
산화물 막 (0≤X≤1,
Figure 112006013721116-PCT00017
는 산소 결핍을 나타냄) [상부 강자성 도전성 전극] 을 표시하며; 도면 부호 5 는 상부 강자성 도전성 전극 (4) 상에 형성된 상부 금속 전극을 표시한다.
(2) 터널 접합 소자에서, 하부 강자성 도전성 전극 (2) 와 상부 강자성 도전성 전극 (4) 사이에 샌드위칭된 제 1 절연 층 (3A), 제 2 절연 층 (3B), 및 제 3 절연 층 (3C) 을 포함하는 3-계층화된 터널링 막 (절연 막 ; 3) 은 3 개 내지 10 개 단위 층의 총 두께를 갖는다.
(3) 터널 접합 소자에서, 하부 강자성 도전성 전극 (2) 와 상부 강자성 도전성 전극 (4) 사이에 배열된 3-계층화된 터널링 막 (절연막 ; 3) 을 구성하는 상부 및 하부 층, 즉, 제 1 절연 층 (3A) 및 제 3 절연 층 (3C) 각각은 1 개 내지 3 개 단위 층의 두께를 갖는다.
(4) 터널 접합 소자의 터널링 막을 구성하는 층들 중 하나 이상은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속의 산화물 막을 포함할 수 있다.
(5) 터널 접합 소자의 터널링 막을 구성하는 층들 중 하나 이상은, X 가 조건, 0≤X≤1을 만족시키고;
Figure 112006013721116-PCT00018
가 산소 결핍을 나타내고; A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 원소들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; B 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, 및 Y 및 Bi 를 포함하는 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된, A 와 상이한 다른 원소를 나타내고; M 은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00019
산화물을 포함할 수 있다.
(6) 터널 접합 소자에서, 터널링 막을 구성하는 3 개의 절연 층의 코어 층, 즉, 제 2 절연 층 (3B) 은
Figure 112006013721116-PCT00020
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00021
를 포함한다.
(7) 터널 접합 소자에서, 터널링 막을 구성하는 3 개의 절연 층의 코어 층, 즉, 제 2 절연 층 (3B) 은
Figure 112006013721116-PCT00022
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00023
를 포함하고, 제 2 절연 층을 샌드위칭하는 상부 및 하부 층, 즉, 제 1 절연 층 (3A) 및 제 3 절연 층 (3C) 은 각각 Sr 의 함량 X 가 조건, 0≤X≤0.4 을 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00024
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00025
을 포함한다.
(8) 터널 접합 소자에서, 하부 강자성 도전성 전극 (2) 및 상부 강자성 도전성 전극 (4) 각각은 x 가 조건, 0.2≤x≤0.5 를 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00026
가 산소 결핍을 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00027
산화물을 포함한다.
(9) 터널 접합 소자의 또 다른 실시형태에서, 하부 강자성 도전성 전극 (2) 및 상부 강자성 도전성 전극 (4) 각각은 X 가 조건, 0≤X≤1 을 만족하고;
Figure 112006013721116-PCT00028
가 산소 결핍을 나타내고; A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; M 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내고; M' 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은, M 과는 상이한, 다른 전이 금속 원소를 나타내는
Figure 112006013721116-PCT00029
산화물을 포함한다.
(10) 터널 접합 소자에서, 강자성 도전성 전극용 재료들, 제 1 절연 층 (3A), 제 2 절연 층 (3B), 제3 절연 층 (3C) 을 포함하는 터널링 막을 구성하는 층들 중의 적어도 하나는 레이저 연마 프로세스에 의해 제조될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 실시형태에 따른 터널 접합 소자의 단면도이다.
도 4 에서, 도면 부호 11 은 하부 금속 전극을 표시하고; 도면 부호 12 는 하부 금속 전극 상에 형성된 하부 강자성 도전성 전극으로서의 강자성 금속 재료
Figure 112006013721116-PCT00030
를 표시하고; 도면 부호 13 은 제 1 절연 층 (13A) 으로서
Figure 112006013721116-PCT00031
단일 단위 층의 2 개 단위 층, 제 2 절연 층 (13B) 으로서
Figure 112006013721116-PCT00032
의 5 개 단위 층, 및 제 3 절연 층 (13C) 으로서
Figure 112006013721116-PCT00033
의 2 개 단위 층을 포함하는 터널링 막 (절연막) 을 표시하고; 도면 부호 14 는 제 3 절연 층 (13C) 상에 형성된 상부 강자성 도전성 전극으로서 강자성 금속 막 재료
Figure 112006013721116-PCT00034
를 표시하며; 도면 부호 15 는 상부 금속 전극을 표시한다.
상술된 바와 같이,
Figure 112006013721116-PCT00035
/
Figure 112006013721116-PCT00036
/
Figure 112006013721116-PCT00037
의 3-층 구조의 비자기 막으로서의 터널링 막은 강자성 금속 재료
Figure 112006013721116-PCT00038
(12) 와 강자성 금속 막 재료
Figure 112006013721116-PCT00039
(14) 사이에 배열된다. 터널링 막은 강자성 금속 재료
Figure 112006013721116-PCT00040
(12) 상에 배열되는 2 개의
Figure 112006013721116-PCT00041
단위 층 (13A); 5 개의
Figure 112006013721116-PCT00042
단위 층 (13B); 및
Figure 112006013721116-PCT00043
(13B) 와 강자성 금속 막 재료
Figure 112006013721116-PCT00044
(14) 사이에 배열되는 2 개의
Figure 112006013721116-PCT00045
단위 층 (13C) 을 포함한다. 이러한 터널링 막 (13), 및 강자성 금속 층 (12 및 14) 은 레이저 연마 프로세스에 의해 라미네이트 (laminate) 된다. 여기에서 막 형성은 850˚C 내지 900˚C, 및 0.1 내지 1 mTorr 의 조건 하에서 수행된다. 일 단위 층
Figure 112006013721116-PCT00046
(13B) 은 3.905 옹스트롬의 두께를 가지고, 일 단위 층
Figure 112006013721116-PCT00047
(13C) 은 3.960 옹스트롬의 두께를 가진다. 이러한 막들을 구성하는 층들의 수는 반사 고-에너지 전자 회절 (reflective high-energy electron diffraction ; RHEED) 관측에 의해 결정된다.
제 2 고조파 (SHG) 의 편향 각도의 측정 예는 아래에 나타내어진다. 측정은 1.55 eV 의 입사 에너지, 26˚의 입사각, 및 50 K 내지 350K 의 샘플 온도에서 3.1 eV 인 제 2 고조파 (SHG) 반사 강도의 조건 하에서 수행된다. SHG 광선은 광 필터를 이용하여 여기 광선으로부터 분리되고, 광전자증배관 및 박스카 (boxcar) 적분기에 의해 측정된다.
도 5 는 제 2 고조파를 이용하여 인터페이스에서의 스핀 상태의 관찰 방법의 원리 [MSHG (자기 제 2 고조파 발생) 방법] 를 도시하는 다이어그램이다.
도 5 에 도시된 바와 같이, 테스트 하의 인터페이스는 비자기 투명 막 (101) 및 자기 막 (102) 를 포함한다. 비자기 투명 막은 종래 재료의 비교예로서
Figure 112006013721116-PCT00048
를, 본 발명의 예로서
Figure 112006013721116-PCT00049
/
Figure 112006013721116-PCT00050
를 포함한다. 강자성 막은 비교 예 및 본 발명의 예 모두에서
Figure 112006013721116-PCT00051
를 포함한다. MSHG 방법에 따르면, 주파수 ω 의 레이저 광선 (103) 은 입사각 ω 으로 입사되어, 그 반사광 (104) 의 주파수 2ω 의 광의 편광면의 로테이션 (rotation) 이 결정된다.
이러한 배열에서, 제 2 고조파의 감수율 χ (2) 는 χ (2) = αMxPz 로 표현된다. 분극율 (polarizability) Pz 는 인터페이스의 존재에 기인하여 발생하고, x-축 방향의 자화 Mx 는 χ (2) 를 유도한다. 편광면의 로테이션 각도는 그 인터페이스 자화의 크기에 비례한다. 자기 인터페이스로부터의 제 2 고조파의 편광면의 로테이션은 Pustogowa 등의 Fe 자기 금속 박막 (비-특허 문헌 4) 에 의해 이론적으로 예견되었고, Rasing 등의 스퍼터링된 막에 의해 형성되는 Fe/Cr 막 (비-특허 문헌 5) 에 의해 관측되었다.
도 1 에서, 도 1a 는
Figure 112006013721116-PCT00052
를 이용하는 터널링 막의 +500 가우스의 B 및 -500 가우스의 B 에서의 SHG 광선의 편향 각도를 도시한다. 이러한
Figure 112006013721116-PCT00053
는 CMR 소자에 통상적으로 이용되어 왔다. 도 1b 는 본 발명의 터널 접합 소자의
Figure 112006013721116-PCT00054
/
Figure 112006013721116-PCT00055
터널링 막의 SHG 광선의 편향 각도를 도시한다. 이 도면들은 SHG 광선의 편향이
Figure 112006013721116-PCT00056
터널링 막에서보다
Figure 112006013721116-PCT00057
/
Figure 112006013721116-PCT00058
터널링 막에서 더 높은 온도까지 발생한다는 것을 명백히 설명한다. 도 2 는 50 K 내지 350 K 의 범위 내에서의 SHG 광선의 편향 각도를 도시한다.
상온과 동등한 300 K 이상에서, 터널링 막이
Figure 112006013721116-PCT00059
를 포함할 때 SHG 광선은 사라지는 반면 (도 2 의 그래프 a), 터널링 막이 본 발명에 따를 때 SHG 광선은 50 K 의 낮은 온도에서 40 % 가 남는다 (도 2 의 그래프 b). 이는 낮은 온도에서 40 % 의 MR 비를 갖는 CMR 소자가 실현될 수 있다는 것을 나타낸다. 자세하게는, 1800 % 의 MR 비가 4.2 K 에서 달성되고, 1800 % 의 40 %, 즉, 720 % 가 상온에서 달성될 수 있기 때문에, 이는 상온에서 720 % 의 MR 비가 달성될 수 있다는 것을 설명한다. 이 데이터는, 종래의 터널링 막을 샌드위칭하기 위해, 전하 공급층들 중 1 개 또는 2 개의 단위 층을 형성함으로써, 상부 및 하부 도전성 전극들 사이의 A-타입 계층화된 반강자성의 발생이 성공적으로 억제될 수 있음을 보여주고,
Figure 112006013721116-PCT00060
/
Figure 112006013721116-PCT00061
/
Figure 112006013721116-PCT00062
터널링 막이 상온에서 700 % 이상의 충분한 MR 비를 갖는 것으로 기대된다는 것을 보여준다.
본 발명에 따른 신규한 CMR 소자는 상온에서 동작하고, 700 이상의 MR 비를 갖는 고-성능 자기 센서를 제공할 수 있다. 이는 100 기가비트내지 테라비트 단위에 이르는 거대한 자기 메모리 소자를 제공할 수 있고, 장래에 막대한 정보를 처리하는 정보 통신을 지탱하는데 적합한 거대 메모리를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 신규한 CMR 소자들은 자기 센서들 뿐만 아니라, 현재 급속도로 개발되고 있는 자기 메모리 소자들에도 적용될 수 있다. 이는, 산화 막을 통과하는 이러한 터널링 전류가 반병행 (antiparallel) 상태에서 강자성 도전성 전극용 재료의 스핀 방향을 유지함으로써 급격하게 감소될 수 있으므로, DRAM 소자의 용량용 산화 막에도 적용될 수 있을 것이다. 마이크로자석과 상기-제안된 자기 센서가 서로 마주보도록 배열되는 경우, CMR 소자가 마이크로단위의 자기 필드를 검출할 수 있으므로, 그 장치는 이동 전화를 위한 센서와 같이 개방/폐쇄 센서로서 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 아마도 자기 메모리뿐만 아니라, 광범위한 정보 네트워크의 기본 소자에도 적용될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술된 실시형태에 제한되지 않으며, 본 발명의 사상에 의해, 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있고, 이는 본 발명의 범위 내에 포함된다.
산업상 이용가능성
본 발명의 터널 접합 소자는 700 이상의 MR 비를 갖고 상온에서 동작할 수 있는 고-성능 자기 센서에 적합하다.

Claims (10)

  1. 강자성 도전성 전극 및 상기 강자성 도전성 전극들 간에 배열되는 터널링 막을 포함하는 터널 접합 소자로서,
    상기 강자성 도전성 전극 각각은
    Figure 112006013721116-PCT00063
    산화물을 포함하고,
    상기 X 가 조건, 0≤X≤1 을 만족시키고; 상기
    Figure 112006013721116-PCT00064
    가 산소 결핍을 나타내고; 상기 A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 원소들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; 상기 B 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된, 상기 A 와 상이한 다른 원소를 나타내고; 상기 M 은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내며,
    상기 터널링 막은 전하를 공급할 수 있는 상부층 및 하부층, 및 상기 상부층과 상기 하부층 간에 배열되는 코어 층의 3-층 구조를 갖는, 터널 접합 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 3 개의 전기적 절연 층을 포함하는 상기 터널링 막은 3 개의 단위 층 내지 10 개의 단위 층의 총 두께를 갖는, 터널 접합 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 3-층 구조의 터널링 막을 구성하는 상기 상부층 및 하부층 각각은 1 개의 단위 층 내지 3 개 단위 층의 두께를 갖는, 터널 접합 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 터널링 막을 구성하는 층들 중 하나 이상은 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속의 산화물 막을 포함하는, 터널 접합 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 터널링 막을 구성하는 층들 중 하나 이상은
    Figure 112006013721116-PCT00065
    산화물을 포함하고,
    상기 X 가 조건, 0≤X≤1 을 만족시키고; 상기
    Figure 112006013721116-PCT00066
    가 산소 결핍을 나타내고; 상기 A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 원소들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; 상기 B 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 산화물로 구성되는 그룹으로부터 선택된, 상기 A 와 상이한 다른 원소를 나타내고; 상기 M 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내는, 터널 접합 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 터널링 막을 구성하는 상기 3 개의 절연 층의 상기 코어 층은,
    Figure 112006013721116-PCT00067
    가 산소 결핍을 나타내는,
    Figure 112006013721116-PCT00068
    를 포함하는, 터널 접합 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기
    Figure 112006013721116-PCT00069
    층 (
    Figure 112006013721116-PCT00070
    가 산소 결핍을 나타냄) 을 샌드위칭하는 상부층 및 하부층 각각은, Sr 의 함량이 X 가 조건, 0≤X≤0.4 을 만족하고;
    Figure 112006013721116-PCT00071
    가 산소 결핍을 나타내는,
    Figure 112006013721116-PCT00072
    을 포함하는, 터널 접합 소자.
  8. 제 1 항에서 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강자성 도전성 전극 각각은 x 가 조건, 0.2≤x≤0.5 를 만족하고;
    Figure 112006013721116-PCT00073
    가 산소 결핍을 나타내는,
    Figure 112006013721116-PCT00074
    산화물을 포함하는, 터널 접합 소자.
  9. 제 1 항에서 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강자성 도전성 전극 각각은
    Figure 112006013721116-PCT00075
    산화물을 포함하고,
    상기 X 가 조건, 0≤X≤1 을 만족하고; 상기
    Figure 112006013721116-PCT00076
    가 산소 결핍을 나타내고; 상기 A 가 Ca, Sr, Ba, 및 다른 알칼리 토류 원소들, La 및 다른 희토류 원소들, Y 및 Bi 를 포함하는 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 원소를 나타내고; 상 기 M 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은 전이 금속을 나타내고; 상기 M' 이 Mn, Fe, Co, Ni, 또는 Cu 와 같은, M 과는 상이한, 다른 전이 금속 원소를 나타내는, 터널 접합 소자.
  10. 제 1 항에서 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강자성 도전성 전극 및 상기 터널링 막을 구성하는 물질들 중 하나 이상은 레이저 연마 프로세스에 의해 제조되는, 터널 접합 소자.
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