WO2000050912A1 - Ungekoppelter gmr-sensor mit lateral strukturierter schicht - Google Patents

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layer
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gmr
laterally structured
gmr sensor
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Bernd Schirmer
Matthias Wuttig
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    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/3227—Exchange coupling via one or more magnetisable ultrathin or granular films

Definitions

  • the present invention relates to an uncoupled GMR sensor and a layer for producing GMR sensors.
  • Magnetic resistance effects also called MR effects
  • MR effects have long been used in the field of sensor technology in such a way that changes in the magnetic field, which can be indicators of magnetic, electrical or mechanical parameters, are converted directly into an electrical signal that is contact-free and, in principle, easy to read .
  • the sensors in which MR effects are used in a technically advantageous and elegant way include in particular read heads for magnetic storage media, such as those e.g. are used for computer hard drives.
  • the magnetoresistance effect is "gigantic" compared to the AMR effects which have been known for some time, which is why GMR systems are increasingly used.
  • GMR effect is found in a system that consists of two magnetic layers (eg cobalt) that are interrupted by a non-magnetic intermediate layer (eg copper).
  • the maximum relative resistance increase triggered by an external magnetic field in such a simple sandwich is 6 to 8%. Compared to the AMR effect, this represents about a doubling.
  • the GMR effect can be increased considerably by changing from a sandwich to a multilayer, whereby resistance changes of about 100% can now be achieved.
  • the spin of the electrons is used in GMR effects, whereby the electrical resistance of the sandwich layer depends on the angle between the upper and lower magnetization.
  • the scattering of the electrons causing the resistance is increased if the direction of magnetization of the two boundary layers is not parallel.
  • the resistance is greatest with anti-parallel setting and smallest with parallel setting.
  • the two magnetic states of the system are associated with a change in the electrical resistance of the system.
  • Coupled systems in which a magnetic exchange coupling of two magnetic layers via one non-magnetic intermediate layer takes place
  • uncoupled GMR systems in which such an intermediate layer coupling no longer takes place due to the thickness of the intermediate layer.
  • the two magnetic layers of a sandwich must be designed in such a way that one layer easily re-magnetizes in fields of the desired strength, while the other maintains its magnetization in the same fields.
  • one layer must show a soft magnetic behavior, while the others must be sufficiently resistant to remagnetization. This can be achieved in that the layers differ slightly in the coercive field strength.
  • An alternative measure is to "pin down" the magnetization of one layer at a time. To do this, one can use the exchange anisotropy effect. This comes about through the interaction of a ferromagnet with an adjacent antiferromagnet and has the effect that the magnetization curve of the ferromagnet on the H- Axis is shifted.
  • the uncoupled systems have the advantage over the coupled systems that they show anisotropy and a higher sensitivity. They are also easier to manufacture, for example they can be produced by sputtering.
  • uncoupled systems are associated with the disadvantage that in principle there are more layers and therefore requires more process steps in production than for coupled systems.
  • the object of the invention is therefore to provide a GMR sensor which is simple to manufacture while maintaining anisotropy and high sensitivity.
  • the GMR sensor has at least one ferromagnetic layer and a laterally structured layer with ferro- and anti-ferromagnetic domains, which is decoupled from the ferromagnetic layer by an intermediate layer.
  • a laterally structured layer as is provided according to the invention, the advantages of high sensitivity and anisotropy of uncoupled systems can be combined with the advantage of simple production of coupled systems.
  • Laterally structured layers can namely be produced in a simple manner from a self-organized layer or artificially by ion implantation on a ferromagnetic layer.
  • the artificial structuring can be produced, for example, by implantation of oxygen ions with the production of Co-CoO or Ni-NiO layers.
  • the laterally structured layer offers the further advantage that the size of the exchange anisotropy effect can be adjusted via the size of the antiferromagnetic areas.
  • the laterally structured layer has a 2.5 to 4.5 monolayer-thick Fe film, which has been grown on a 7 monolayer-thick Ni film on, for example, a single-crystalline substrate.
  • the layer-thick area the layer breaks down into two different types of structural domains, as studies of the structure with low-energy electron diffraction have shown. These domains are characterized by two different types of LEED superstructures and are correlated with certain magnetic properties.
  • the layer structured in this way shows an exchange anisotropy field with increasing proportion of the antiferromagnetic domains. The maximum of the exchange anisotropy field is greatest with a share of the anti-ferromagnetic domains of 50% and then drops again.
  • Figure 1 is a schematic view of a laterally structured layer according to the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing the exchange anisotropy hold depending on the proportion of the antiferromagnetic domains in a laterally structured layer shows.
  • FIG. 1 shows a laterally structured layer according to the present invention, which is suitable for use in GMR sensors.
  • the laterally structured layer consists of a 2.5 to 4.5 monolayer Fe film that has been grown on a 7 monolayer Ni film on a substrate.
  • the layer breaks down into two different types of structural domains, namely anti-ferromagnetic domains 2 on the one hand and ferromagnetic domains 3 on the other hand. These domains are characterized by two different types of LEED superstructures. The two structural domains are correlated with certain magnetic properties.
  • the laterally structured layer 1 shows, as shown in Figure 2, an exchange anisotropy field that increases with an increasing proportion of the antiferromagnetic domains, the maximum of which is at a proportion of the antiferromagnetic domains of 50% and then drops again.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen ungekoppelten GMR-Sensor, der durch wenigstens eine ferromagnetische Schicht und eine lateral strukturierte Schicht (1) mit ferro- und antiferromagnetischen Domänen (2, 3) gekennzeichnet ist, die von der ferromagnetischen Schicht durch eine Zwischenschicht entkoppelt ist. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Schicht für solche ungekoppelten GMR-Sensoren.

Description

Beschreibung:
UNGEKOPPELTER GMR-SENSOR MIT LATERAL STRUKTURIERTER SCHICHT
Die vorliegende Erfindung betrifft einen ungekoppelten GMR-Sensor sowie eine Schicht zur Herstellung von GMR- Sensoren.
Im Bereich der Sensorik werden seit langem Magnetowiderstandseffekte, auch MR-Effekte genannt, in der Weise ausgenutzt, daß Magnetfeldänderungen, welche Indikatoren magnetischer, elektrischer oder mechanischer Parameter sein können, direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches berührungsfrei und im Prinzip leicht auslesbar ist. Zu den Sensoren, in denen MR-Effekte technisch vorteilhaft und elegante Lösung eingesetzt werden, gehören insbesondere Leseköpfe für Magnetspeichermedien, wie sie z.B. bei Computerfestplatten zur Anwendung kommen.
Je nach physikalischem Wirkprinzip können unterschiedlich große Magnetwiderstandswirkungen erzielt werden. In den sogenannten GMR-Systemen, auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist die Magnetowiderstandswirkung gegenüber den schon länger bekannten AMR-Effekten „gigantisch", weshalb GMR-Systeme in zunehmendem Maß ein- gesetzt werden. In der einfachsten Form wird der GMR- Effekt in einem System gefunden, welches aus zwei magnetischen Schichten (z.B. aus Kobalt) besteht, die von einer nicht-magnetischen Zwischenschicht (z.B. Kupfer) unterbrochen sind. Die maximale durch ein äußeres Magnetfeld ausgelöste relative Widerstandserhöhung in einem solchen einfachen Sandwich beträgt 6 bis 8%. Gegenüber dem AMR-Effekt stellt dies etwa eine Verdopplung dar. Hinzu kommt, daß der GMR-Effekt ganz wesentlich dadurch vergrößert werden kann, daß man von einem Sandwich zu einer Vielfachschicht übergeht, wodurch Widerstandsänderungen von etwa 100 % inzwischen erzielbar sind.
Bei GMR-Effekten wird der Spin der Elektronen genutzt, wobei der elektrische Widerstand der Sandwich-Schichtung vom Winkel zwischen der oberen und unteren Magnetisierung abhängt. Die den Widerstand verursachende Streuung der Elektronen wird vergrößert, wenn die Magnetisierungsrichtung der beiden Grenzschichten nicht parallel ist. Der Widerstand ist bei anti-paralleler Einstellung am größten, und am kleinsten bei paralleler Einstellung. Die beiden magnetischen Zustände des Systems sind mit einer Änderung des elektrischen Widerstands des Systems verbunden.
Es sind bis jetzt zwei verschiedene Möglichkeiten bekannt und werden verwendet, um ein GMR-System mit solchen Eigenschaften zu erzeugen. Man unterscheidet sogenannte gekoppelte Systeme, bei denen eine magnetische Austauschkopplung zweier magnetischer Schichten über eine nicht-magnetische Zwischenschicht hinweg stattfindet, und sogenannte ungekoppelte GMR-Systeme, bei denen eine solche Zwischenschichtkopplung aufgrund der Dicke der Zwischenschicht nicht mehr stattfindet.
Bei ungekoppelten Systemen müssen die beiden magnetischen Schichten eines Sandwiches so ausgelegt sein, daß eine Schicht leicht in Feldern der gewünschten Stärke ummagne- tisiert, die andere dagegen ihre Magnetisierung in denselben Feldern beibehält. Mit anderen Worten muß eine Schicht ein weichmagnetisches Verhalten zeigen, während die anderen ausreichend widerstandsfähig gegen Ummagneti- sierung sein müssen. Dies kann man dadurch erreichen, daß sich die Schichten in der Koerzitivfeldstärke leicht unterscheiden. Eine alternative Maßnahme besteht darin, die Magnetisierung von jeweils einer Schicht „festzupinnen" . Dazu kann man den Austauschanisotropieeffekt nutzen. Dieser kommt durch die Wechselwirkung eines Ferromagneten mit einem angrenzenden Antiferromagneten zustande und wirkt sich so aus, daß die Ummagnetisierungskurve des Ferromagneten auf der H-Achse verschoben ist.
Für den Bau von Sensoren haben die ungekoppelten Systeme gegenüber den gekoppelten Systemen den Vorteil, daß sie eine Anisotropie und eine höhere Sensitivität zeigen. Außerdem sind sie einfacher in der Herstellung, sie können beispielsweise durch Sputtern hergestellt werden. Allerdings sind ungekoppelte Systeme mit dem Nachteil verbunden, daß man für sie prinzipiell mehr Schichten und damit mehr Prozeßschritte in der Herstellung benötigt als für gekoppelte Systeme.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen GMR-Sensor anzugeben, der unter Beibehaltung einer Anisotropie und einer hohen Sensitivität einfach in der Herstellung ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der GMR-Sensor wenigstens eine ferromagnetische Schicht und eine lateral strukturierte Schicht mit ferro- und anti- ferromagnetischen Domänen, die von der ferromagnetischen Schicht durch eine Zwischenschicht entkoppelt ist, aufweist. Durch die Verwendung einer lateral strukturierten Schicht, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, lassen sich die Vorteile einer hohen Sensitivität und Anisotropie von ungekoppelten Systemen mit dem Vorteil einer einfachen Herstellung von gekoppelten Systemen kombinieren. Lateral strukturierte Schichten lassen sich nämlich in einfacher Weise aus einer selbst organisierten Schicht oder künstlich durch Ionenimplantation an einer ferromagnetischen Schicht herstellen. Die künstliche Strukturierung kann beispielsweise durch Implantation von Sauerstoffionen unter Erzeugung von Co-CoO- oder Ni-NiO- Schichten hergestellt werden. Die Verwendung einer lateral strukturierten Schicht bietet den weiteren Vorteil, daß sich über die Größe der antiferromagnetischen Bereiche die Größe des Austauschanisotropieeffektes einstellen läßt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die lateral strukturierte Schicht einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film auf, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem beispielsweise einkristallinen Substrat aufgewachsen ist. In diesem schichtdicken Bereich zerfällt die Schicht in zwei verschiedene Typen struktureller Domänen, wie Untersuchungen der Struktur mit niederenergetischer Elektronenbeugung gezeigt haben. Diese Domänen werden durch zwei verschiedene Typen von LEED-Überstrukturen charakterisiert und sind mit bestimmten magnetischen Eigenschaften korreliert. Die so strukturierte Schicht zeigt eine mit steigendem Anteil der antiferromagneti- schen Domänen Austauschanisotropiefeld. Das Maximum des Austauschanisotropiefeldes ist bei einem Anteil der anti- ferromagnetischen Domänen von 50% am größten und fällt danach wieder ab.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer lateral strukturierten Schicht für GMR-Sensoren unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 in schematischer Ansicht eine lateral strukturierte Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung und
Figur 2 ein Diagramm, das das Austauschanisotropiever- halten in Abhängigkeit vom Anteil der antiferromagnetischen Domänen in einer lateral strukturierten Schicht zeigt.
In Figur 1 ist eine lateral strukturierte Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die für den Einsatz in GMR-Sensoren geeignet ist. Die lateral strukturierte Schicht besteht aus einem 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film, der auf einem 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem Substrat aufgewachsen worden ist. In diesem Schichtdickenbereich zerfällt die Schicht in zwei verschiedene Typen struktureller Domänen, nämlich in anti- ferromagnetische Domänen 2 einerseits und ferromagneti- sche Domänen 3 andererseits. Diese Domänen werden durch zwei verschiedene Typen von LEED-Überstrukturen charakterisiert. Die beiden strukturellen Domänen sind mit bestimmten magnetischen Eigenschaften korreliert.
Die lateral strukturierte Schicht 1 zeigt, wie in Abbildung 2 dargestellt ist, ein mit steigendem Anteil der antiferromagnetischen Domänen steigendes Austauschanisotropiefeld, dessen Maximum bei einem Anteil der antiferromagnetischen Domänen von 50% liegt und danach wieder abfällt.

Claims

Ansprüche :Unqekoppelter GMR-Sensor
1. Ungekoppelter GMR-Sensor gekennzeichnet durch wenigstens eine ferromagnetische Schicht und eine lateral strukturierte Schicht (1) mit ferro- und antifer- romagnetischen Domänen (2, 3), die von der ferroma- gnetischen Schicht durch eine Zwischenschicht entkoppelt ist.
2. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) ein Austauschanisotropiefeld zeigt.
3. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe- Film aufweist, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni- Film auf einem insbesondere einkristallinen Substrat aufgewachsen ist.
4. Ungekoppelter GMR-Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht (1) aus einer selbstorganisierten Schicht hergestellt ist.
5. Ungekoppelter GMR-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral strukturierte Schicht insbesondere durch Ionenimplantation an einer ferromagnetischen Schicht künstlich hergestellt ist.
6. Ungekoppelter GMR-Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die künstliche Strukturierung durch Implantation von Sauerstoffionen unter Erzeugung von Co-CoO oder Ni-NiO-Schichten hergestellt ist.
7. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß sie lateral strukturiert mit ferro- und antiferromagnetischen Domänen (2, 3) ist.
8. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Austauschanisotropiefeld zeigt.
9. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen 2,5 bis 4,5 Monolagen dicken Fe-Film aufweist, der auf einen 7 Monolagen dicken Ni-Film auf einem insbesondere einkristallinen Substrat aufgewachsen ist.
10. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer selbstorganisierten Schicht hergestellt ist.
11. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie insbesondere durch Ionenimplantation an einer ferromagnetischen Schicht künstlich strukturiert ist.
12. Schicht für ungekoppelte GMR-Sensoren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Implantation von Sauerstoffionen erzeugte Co-CoO oder Ni- NiO-Schichten aufweist.
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