JPH11238925A - Magnetic element, magnetic part using the same and electronic component - Google Patents
Magnetic element, magnetic part using the same and electronic componentInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性体と誘電体
とを含む磁気素子と、それを用いた磁気へッド、磁気セ
ンサ、磁気記憶素子、ダイオード素子などの各種の磁気
部品および電子部品に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic element including a ferromagnetic material and a dielectric material, and various magnetic components and electronic devices using the same, such as a magnetic head, a magnetic sensor, a magnetic storage element, and a diode element. Related to parts.
【0002】[0002]
【従来の技術】磁気抵抗効果は、ある種の磁性体に磁界
を加えることにより電気抵抗が変化する現象である。こ
のような磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果素子(以
下、MR素子と記す)は、磁気ヘッド、磁気センサなど
に使用されており、さらには磁気抵抗効果メモリなどが
提案されている。このようなMR素子には、外部磁界に
対する感度が大きいこと、応答速度が早いことなどが要
求されている。2. Description of the Related Art The magnetoresistance effect is a phenomenon in which the electric resistance changes when a magnetic field is applied to a certain kind of magnetic substance. Such a magnetoresistive element utilizing the magnetoresistive effect (hereinafter, referred to as an MR element) is used for a magnetic head, a magnetic sensor, and the like, and a magnetoresistive effect memory and the like have been proposed. Such an MR element is required to have a high sensitivity to an external magnetic field and a high response speed.
【0003】強磁性体を用いたMR素子は、温度安定性
に優れ、使用温度範囲が広いというような特徴を有して
おり、従来からNiFe合金などの強磁性合金の薄膜が
使用されてきた。しかし、その磁気抵抗変化率は 2〜3%
程度と小さいため、これを用いた磁気ヘッドでは十分な
感度が得られないという問題があった。[0003] An MR element using a ferromagnetic material has characteristics such as excellent temperature stability and a wide operating temperature range, and a thin film of a ferromagnetic alloy such as a NiFe alloy has been conventionally used. . However, its magnetoresistance ratio is 2-3%
Due to the small size, there is a problem that a magnetic head using the same cannot provide sufficient sensitivity.
【0004】一方、近年、強磁性層と非磁性金属層とを
数nmの周期で積層した積層膜が、スピンの方向に依存し
て巨大磁気抵抗効果を示す材料として注目されている。
例えば、Fe/Cr人工格子膜(Phys. Rev. Lett.61, 2
472(1988))、Co/Cu人工格子膜(J.Mag. Mag. Mate
r.94, L1(1991))などの強磁性層間の相互作用を反強磁
性結合させたものが見出されている。しかし、強磁性層
間の反強磁性結合を利用した金属人工格子膜は反強磁性
交換結合定数が大きいため、飽和磁界が大きく、またヒ
ステリシスも非常に大きいという問題を有している。On the other hand, in recent years, a laminated film in which a ferromagnetic layer and a non-magnetic metal layer are laminated with a period of several nm has attracted attention as a material exhibiting a giant magnetoresistance effect depending on the spin direction.
For example, Fe / Cr artificial lattice film (Phys. Rev. Lett. 61, 2
472 (1988)), Co / Cu artificial lattice film (J. Mag. Mag. Mate
r.94, L1 (1991)), etc., in which the interaction between ferromagnetic layers is antiferromagnetically coupled. However, the metal artificial lattice film using the antiferromagnetic coupling between the ferromagnetic layers has a problem that the saturation magnetic field is large and the hysteresis is very large because the antiferromagnetic exchange coupling constant is large.
【0005】飽和磁界を小さくする目的で、強磁性層/
非磁性層/強磁性層のサンドイッチ積層膜の一方の強磁
性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強
磁性層を外部磁界により磁化反転させることによって、
2つの強磁性層の磁化方向の相対角度を変化させる、い
わゆるスピンバルブ膜が開発されている。しかし、スピ
ンバルブ膜は積層膜の抵抗が小さく出力電圧が小さいた
めに、大きな出力電圧を得るためにはセンス電流を大き
くする必要がある。このため、スピンバルブ膜を使用し
た磁気ヘッドでは、エレクトロマイグレーションなどの
問題が存在する。MR素子を用いたメモリなどを考慮し
ても、非磁性金属を中間層とした場合には大きな出力電
圧が得られないという同様の問題が存在する。In order to reduce the saturation magnetic field, the ferromagnetic layer /
By applying an exchange bias to one of the ferromagnetic layers of the sandwich laminated film of the non-magnetic layer / ferromagnetic layer to fix the magnetization and inverting the magnetization of the other ferromagnetic layer by an external magnetic field,
A so-called spin valve film that changes the relative angle between the magnetization directions of two ferromagnetic layers has been developed. However, since the spin-valve film has a low resistance of the laminated film and a small output voltage, it is necessary to increase the sense current in order to obtain a large output voltage. Therefore, a magnetic head using a spin valve film has problems such as electromigration. Even when a memory using an MR element is taken into consideration, there is a similar problem that a large output voltage cannot be obtained when a nonmagnetic metal is used as the intermediate layer.
【0006】また、上述したような多層膜(金属人工格
子膜)に対して電流を膜面に垂直方向に流す、いわゆる
垂直磁気抵抗効果を利用すると、非常に大きな磁気抵抗
変化率が得られることが知られている(Phys. Rev. Let
t.66, 3060(1991))。しかし、この場合には電流パスが
小さく、また各層が金属であるために抵抗が小さいこと
から、サブミクロン以下に微細加工しないと室温での磁
気抵抗効果を測定できないという問題がある。[0006] Further, if a so-called perpendicular magnetoresistance effect, in which a current flows through a multilayer film (metal artificial lattice film) in a direction perpendicular to the film surface, is used, an extremely large magnetoresistance change rate can be obtained. (Phys. Rev. Let
t.66, 3060 (1991)). However, in this case, since the current path is small and the resistance is small because each layer is made of metal, there is a problem that the magnetoresistance effect at room temperature cannot be measured unless fine processing is performed to a submicron or less.
【0007】さらに、上述した多層膜構造とは異なり、
非磁性金属マトリックス中に磁性超微粒子を分散させ
た、いわゆるグラニュラー磁性膜もスピンに依存した伝
導に基づく巨大磁気抵抗効果を示すことが見出されてい
る(Phys. Rev. Lett.68, 3745(1992))。このようなグ
ラニュラー磁性膜では、磁界を加えない状態では磁性超
微粒子の性質により、各磁性超微粒子のスピンが互いに
不規則な方向を向いているために電気抵抗が大きく、磁
界を加えて各スピンを磁界の方向に揃えると抵抗が低下
し、その結果スピンに依存した磁気抵抗効果が発現す
る。しかし、この場合の磁性超微粒子は超常磁性を示す
ため、飽和磁界が本質的に非常に大きいという問題を有
している。Further, unlike the above-described multilayer structure,
It has been found that a so-called granular magnetic film in which magnetic ultrafine particles are dispersed in a nonmagnetic metal matrix also exhibits a giant magnetoresistance effect based on spin-dependent conduction (Phys. Rev. Lett. 68, 3745 ( 1992)). In such a granular magnetic film, when the magnetic field is not applied, the spin of each magnetic ultrafine particle is oriented in an irregular direction due to the properties of the magnetic ultrafine particles, so that the electrical resistance is large. When the magnetic field is aligned in the direction of the magnetic field, the resistance decreases, and as a result, a spin-dependent magnetoresistance effect is exhibited. However, since the magnetic ultrafine particles in this case exhibit superparamagnetism, there is a problem that the saturation magnetic field is essentially very large.
【0008】一方、スピン依存散乱とはメカニズムを異
にする、強磁性トンネル効果に基く巨大磁気抵抗効果が
見出されている。これは 2つの強磁性金属層の間に絶縁
層を挿入したサンドイッチ膜において、膜面に垂直に電
流を流して絶縁層のトンネル電流を利用するものであ
り、例えば保磁力の小さい強磁性金属層のスピンのみを
反転させると、 2つの強磁性金属層のスピンが互いに平
行なときと反平行なときでトンネル電流が大きく異なる
ために巨大磁気抵抗効果が得られる。On the other hand, a giant magnetoresistance effect based on a ferromagnetic tunnel effect, which has a different mechanism from spin-dependent scattering, has been found. In a sandwich film in which an insulating layer is inserted between two ferromagnetic metal layers, a current flows vertically to the film surface and the tunnel current of the insulating layer is used.For example, a ferromagnetic metal layer having a small coercive force is used. When only the spin of the ferromagnetic metal layer is inverted, a giant magnetoresistance effect is obtained because the tunnel current is greatly different between when the spins of the two ferromagnetic metal layers are parallel to each other and when they are antiparallel.
【0009】このような強磁性トンネル接合素子は構造
が簡単であり、また比較的大きな磁気抵抗変化率が得ら
れるものの、数μm 2 程度の微細素子に加工すると抵抗
値がMΩと大きくなり、応答速度や高周波特性などの点
で問題を有している。さらに、所望の出力電圧値を得る
ために強磁性トンネル接合素子に流す電流値を増やす
と、磁気抵抗変化率が大幅に減少するという問題を有し
ている(Phys. Rev. Lett.74,3273 (1995))。Although such a ferromagnetic tunnel junction device has a simple structure and can obtain a relatively large magnetoresistance change rate, when it is processed into a micro device of about several μm 2 , the resistance value becomes as large as MΩ, and the response is increased. It has problems in speed, high frequency characteristics, and the like. Further, there is a problem that when the value of the current flowing through the ferromagnetic tunnel junction element is increased in order to obtain a desired output voltage value, the magnetoresistance change rate is greatly reduced (Phys. Rev. Lett. 74, 3273). (1995)).
【0010】また、Fe/Ge/Fe/Ge/強磁性体
構造の 2重トンネル接合において、スピン偏極共鳴トン
ネル効果により大きなMR変化率が得られることが理論
上予想されている(Phys. Rev. B56, 5484(1997))。しか
し、これは極低温(8K)での結果であり、室温でこのよう
な現象が起こることは予想されていないと共に、実際に
2重トンネル接合を作製した例は報告されていない。It is theoretically expected that a large MR ratio can be obtained due to the spin-polarized resonance tunnel effect in a double tunnel junction having an Fe / Ge / Fe / Ge / ferromagnetic structure (Phys. Rev.). B56, 5484 (1997)). However, this is a result at cryogenic temperature (8K), and it is not expected that this phenomenon will occur at room temperature, and it is actually
There is no report on the fabrication of a double tunnel junction.
【0011】さらに、Al2 O3 /グラニュラー(Co
微粒子−Al2 O3 マトリックス)/Al2 O3 構造を
磁性層で挟んだトンネル接合が報告されている(Phys. R
ev.B56, R5747 (1997))。しかし、この場合のCo微粒
子は数nmと小さく120K以上では超常磁性であり、スピン
が不規則であるため、低温でも0.5T以上と大きな磁場を
かけなければグラニュラー層がスピンスイッチしない。
このため、電圧を印加してもスピン偏極共鳴トンネル効
果は観測されていない。Further, Al 2 O 3 / granular (Co
A tunnel junction in which a fine particle-Al 2 O 3 matrix / Al 2 O 3 structure is sandwiched between magnetic layers has been reported (Phys. R
ev.B56, R5747 (1997)). However, in this case, the Co fine particles are as small as several nanometers, are superparamagnetic at 120 K or higher, and have irregular spins. Therefore, even at a low temperature, the granular layer does not spin-switch unless a large magnetic field of 0.5 T or higher is applied.
Therefore, no spin-polarized resonance tunneling effect is observed even when a voltage is applied.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、スピ
ン依存散乱を利用した磁気抵抗効果素子において、反強
磁性結合を利用した金属人工格子膜は、飽和磁界やヒス
テリシスが非常に大きいという問題を有している。ま
た、スピンバルプ膜では大きな出力電圧が大きなセンス
電流を流さないと得られず、エレクトロマイグレーショ
ンが発生しやすいというような問題がある。さらに、グ
ラニュラー磁性膜は磁性超微粒子が超常磁性を示すた
め、飽和磁界が本質的に大きいという問題を有してい
る。As described above, in a magnetoresistive element utilizing spin-dependent scattering, a metal artificial lattice film utilizing antiferromagnetic coupling suffers from the problem that the saturation magnetic field and hysteresis are extremely large. Have. In addition, the spin valve film has a problem that a large output voltage cannot be obtained unless a large sense current flows, and electromigration is likely to occur. Furthermore, the granular magnetic film has a problem that the saturation magnetic field is essentially large because the magnetic ultrafine particles exhibit superparamagnetism.
【0013】一方、強磁性トンネル接合素子は、室温で
比較的大きな磁気抵抗変化率が得られ、また飽和磁界が
小さいというような特徴を有する反面、微細素子に加工
した際に抵抗が MΩと大きくなり、これにより応答速度
や高周波特性などの点で問題があると共に、所望の出力
電圧値を得るために素子に流す電流値を増やすと磁気抵
抗変化率が大幅に減少するという問題を有している。On the other hand, a ferromagnetic tunnel junction device has a characteristic that a relatively large magnetoresistance change rate can be obtained at room temperature and a small saturation magnetic field, but has a large resistance of MΩ when processed into a fine device. Therefore, there is a problem in terms of response speed and high-frequency characteristics, and there is a problem that when a current value flowing through the element to obtain a desired output voltage value is increased, a magnetoresistance change rate is greatly reduced. I have.
【0014】本発明はこのような課題に対処するために
なされたものであり、大きな磁気抵抗変化率および小さ
い飽和磁界を有し、かつ微細素子形状に加工しても抵抗
値が小さく、また素子に流す電流(または電圧)値を増
やしても磁気抵抗変化率の減少が少なく、大きな出力電
圧(または出力電流)が得られる磁気素子、およびそれ
を用いた磁気部品、電子部品を提供することを目的とし
ている。The present invention has been made to address such problems, and has a large rate of change in magnetoresistance and a small saturation magnetic field, and has a small resistance value even when processed into a fine element shape. To provide a magnetic element capable of obtaining a large output voltage (or output current) with a small decrease in the magnetoresistance ratio even if the current (or voltage) value supplied to the element is increased, and a magnetic component and an electronic component using the same. The purpose is.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】本発明における第1の磁
気素子は、請求項1に記載したように、少なくとも1層
の強磁性層と、前記強磁性層を挟持するように配置され
た誘電体層と、前記誘電体層を介して前記強磁性層と積
層配置された第1および第2の金属層とを有する積層膜
を具備し、前記第1および第2の金属層のうち少なくと
も一方は強磁性体からなり、かつ前記積層膜は前記強磁
性層に形成された離散準位を介してスピン偏極トンネル
効果を示すことを特徴としている。According to a first aspect of the present invention, a first magnetic element includes at least one ferromagnetic layer and a dielectric disposed so as to sandwich the ferromagnetic layer. A laminated film having a body layer and first and second metal layers laminated on the ferromagnetic layer via the dielectric layer, wherein at least one of the first and second metal layers is provided. Is made of a ferromagnetic material, and the laminated film exhibits a spin-polarized tunnel effect via discrete levels formed in the ferromagnetic layer.
【0016】第2の磁気素子は、請求項2に記載したよ
うに、強磁性体が誘電体で分断された強磁性層と、前記
磁性層を挟持するように配置された誘電体層と、前記誘
電体層を介して前記強磁性層と積層配置された第1およ
び第2の金属層とを有する積層膜を具備し、前記第1お
よび第2の金属層のうち少なくとも一方は強磁性体から
なり、かつ前記積層膜は前記強磁性層に形成された離散
準位を介してスピン偏極トンネル効果を示すことを特徴
としている。According to a second aspect of the present invention, the second magnetic element includes a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is divided by a dielectric, a dielectric layer disposed so as to sandwich the magnetic layer, A laminated film having first and second metal layers laminated with the ferromagnetic layer via the dielectric layer, wherein at least one of the first and second metal layers is a ferromagnetic material And the laminated film exhibits a spin-polarized tunnel effect via discrete levels formed in the ferromagnetic layer.
【0017】強磁性層または、強磁性体が誘電体で分断
された強磁性層を、誘電体層で挟持して作製した 2重以
上の多重強磁性トンネル接合において、これらの強磁性
層に離散準位が形成されると、この離散準位を介してス
ピン偏極トンネル効果が得られる。そして、このスピン
偏極トンネル効果により大きな磁気抵抗変化率(MR変
化率)を得ることができる。このように、本発明者らは
実際に多重強磁性トンネル接合を作製した結果、室温で
強磁性層または、強磁性体が誘電体で分断された強磁性
層に形成された離散準位を介したスピン偏極トンネル効
果によって、大きなMR変化率が得られることを見出し
た。In a multiple or more double ferromagnetic tunnel junction formed by sandwiching a ferromagnetic layer or a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is separated by a dielectric, the ferromagnetic layer is separated by a ferromagnetic layer. When a level is formed, a spin-polarized tunnel effect is obtained via the discrete level. And a large magnetoresistance change rate (MR change rate) can be obtained by this spin polarization tunnel effect. As described above, the present inventors have actually fabricated a multi-ferromagnetic tunnel junction, and as a result, at room temperature, via a discrete level formed in a ferromagnetic layer or a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is separated by a dielectric. It has been found that a large MR ratio can be obtained by the spin-polarized tunnel effect.
【0018】図1に、 2重の多重強磁性トンネル接合に
おけるエネルギーポテンシャル図を示す。図1(a)は
第1の強磁性層(第1の金属層)1/誘電体層2/第2
の強磁性層3/誘電体層4/第3の強磁性層(第2の金
属層)5からなる 2重強磁性トンネル接合を、また図1
(b)は第1の強磁性層1(第1の金属層)/誘電体層
2/第2の強磁性層3/誘電体層4/金属層(第2の金
属層)6からなる 2重強磁性トンネル接合を示してい
る。なお、第2の金属層は強磁性体および非磁性体のい
ずれであってもよい。FIG. 1 shows an energy potential diagram in a double multiple ferromagnetic tunnel junction. FIG. 1A shows a first ferromagnetic layer (first metal layer) 1 / dielectric layer 2 / second
A double ferromagnetic tunnel junction comprising a ferromagnetic layer 3 / dielectric layer 4 / third ferromagnetic layer (second metal layer) 5 of FIG.
(B) is composed of a first ferromagnetic layer 1 (first metal layer) / dielectric layer 2 / second ferromagnetic layer 3 / dielectric layer 4 / metal layer (second metal layer) 6. 1 shows a heavy ferromagnetic tunnel junction. The second metal layer may be either a ferromagnetic material or a non-magnetic material.
【0019】このような 2重強磁性トンネル接合におい
て、第2の強磁性層3が十分に薄い場合には、量子効果
により第2の強磁性層3にスピンに依存した離散的なエ
ネルギー準位(離散準位)が形成される。すなわち、第
2の強磁性層3の離散的なエネルギー準位は交換相互作
用のためにスピン分裂しており、上向きスピン(↑)と
下向きスピン(↓)ではエネルギーが交換エネルギーγ
の分だけ異なっている。 ここで、第1の強磁性層1と
第2の強磁性層3のスピンの向きが同じ(図1では上向
きスピン(↑))であるとき、 2重強磁性トンネル接合
にある値以上の電圧を印加すると、第2の強磁性層3に
形成された離散準位を介したスピン偏極トンネル効果に
より抵抗が小さくなる。この状態から一方の強磁性層
(例えば第2の強磁性層3)のスピンの向きを反転させ
ると、スピン偏極したスピン電流の透過率が減少して抵
抗値が大きくなる。多重強磁性トンネル接合において、
このような強磁性層3に形成された離散準位を介して得
られるスピン偏極トンネル効果を利用することによっ
て、例えば室温で 30%を超すような大きなMR変化率を
得ることができる。In such a double ferromagnetic tunnel junction, when the second ferromagnetic layer 3 is sufficiently thin, a discrete energy level dependent on the spin is applied to the second ferromagnetic layer 3 by a quantum effect. (Discrete levels) are formed. That is, the discrete energy level of the second ferromagnetic layer 3 is spin-split due to the exchange interaction, and the energy is the exchange energy γ in the upward spin (↑) and the downward spin (↓).
Only differ by minutes. Here, when the spin directions of the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 3 are the same (upward spin (↑) in FIG. 1), a voltage higher than a certain value in the double ferromagnetic tunnel junction Is applied, the resistance becomes small due to the spin-polarized tunnel effect via the discrete level formed in the second ferromagnetic layer 3. When the spin direction of one ferromagnetic layer (for example, the second ferromagnetic layer 3) is reversed from this state, the transmittance of the spin-polarized spin current decreases and the resistance value increases. In multiple ferromagnetic tunnel junctions,
By utilizing the spin-polarized tunnel effect obtained via the discrete levels formed in the ferromagnetic layer 3, a large MR change rate, for example, exceeding 30% at room temperature can be obtained.
【0020】上記したスピン偏極トンネル効果に基づく
磁気抵抗効果において、素子抵抗は多重強磁性トンネル
接合に印加する電圧がある電圧(しきい電圧)を超える
と減少する。これはスピン依存共鳴トンネル効果に基づ
くものであると考えられる。すなわち、多重強磁性トン
ネル接合に電圧を印加すると、第1の強磁性層1から第
3の強磁性層5または金属層6にトンネル電流が流れ
る。そして、この電圧がある値を超えると、第2の強磁
性層3内の離散準位のうちの 1つ(図1では↑スピン)
が第1の強磁性層1の伝導電子のエネルギーと同じレベ
ル(共鳴状態)になる。この共鳴状態にある離散準位の
スピンと同じ向きのスピンを持つ第1の強磁性層1中の
伝導電子は、誘電体層2、4により反射されることなく
第1の強磁性層1から第3の強磁性層5または金属層6
にトンネル伝導する。これがスピン依存共鳴トンネル効
果である。このように、第2の強磁性層3内の離散準位
を制御することによって、スピン依存共鳴トンネル効果
に基づく非常に大きな磁気抵抗効果が得られる。In the above-described magnetoresistance effect based on the spin-polarized tunnel effect, the element resistance decreases when the voltage applied to the multiple ferromagnetic tunnel junction exceeds a certain voltage (threshold voltage). This is considered to be based on the spin-dependent resonance tunnel effect. That is, when a voltage is applied to the multiple ferromagnetic tunnel junction, a tunnel current flows from the first ferromagnetic layer 1 to the third ferromagnetic layer 5 or the metal layer 6. When this voltage exceeds a certain value, one of the discrete levels in the second ferromagnetic layer 3 (3spin in FIG. 1)
Is at the same level (resonant state) as the energy of the conduction electrons of the first ferromagnetic layer 1. The conduction electrons in the first ferromagnetic layer 1 having spins in the same direction as the spins of the discrete levels in this resonance state are not reflected by the dielectric layers 2 and 4 and are not reflected by the first ferromagnetic layer 1. Third ferromagnetic layer 5 or metal layer 6
Tunnel conduction through. This is the spin-dependent resonance tunnel effect. As described above, by controlling the discrete levels in the second ferromagnetic layer 3, an extremely large magnetoresistance effect based on the spin-dependent resonance tunnel effect can be obtained.
【0021】誘電体体で分断された強磁性層を用いた多
重強磁性トンネル接合においても、同様な離散準位を介
してスピン偏極トンネル効果が得られる。すなわち、誘
電体体で分断された強磁性層の膜厚は十分に薄く、また
周囲を誘電体マトリックスによって囲まれているため、
強磁性体のエネルギー準位は量子化されて離散的にな
り、しかもスピン分裂している。このような強磁性層に
形成された離散準位を介してスピン偏極トンネル効果が
得られ、このスピン偏極トンネル効果に基づいて室温で
30%を超すような大きなMR変化率が得られる。In a multiple ferromagnetic tunnel junction using a ferromagnetic layer divided by a dielectric, a spin-polarized tunnel effect can be obtained through a similar discrete level. In other words, the thickness of the ferromagnetic layer divided by the dielectric is sufficiently small, and the periphery is surrounded by the dielectric matrix.
The energy level of the ferromagnetic material is quantized to be discrete and spin-split. A spin-polarized tunnel effect is obtained through discrete levels formed in such a ferromagnetic layer, and at room temperature based on the spin-polarized tunnel effect.
A large MR change rate exceeding 30% can be obtained.
【0022】このように、本発明の磁気素子は、強磁性
層または誘電体で分断された強磁性層と誘電体層との積
層膜を有する磁気素子であって、室温下で 30%以上の磁
気抵抗変化率を示すことを特徴としている。また、本発
明の磁気素子は、強磁性層または誘電体で分断された強
磁性層と誘電体層との積層膜を有する磁気素子であっ
て、室温下で印加電圧に基づいて増加する磁気抵抗変化
率を有することを特徴としている。As described above, the magnetic element of the present invention is a magnetic element having a ferromagnetic layer or a laminated film of a ferromagnetic layer and a dielectric layer separated by a dielectric, and has a ratio of 30% or more at room temperature. It is characterized by showing a magnetoresistance change rate. Further, the magnetic element of the present invention is a magnetic element having a ferromagnetic layer or a laminated film of a ferromagnetic layer and a dielectric layer separated by a dielectric, and has a magnetoresistance that increases based on an applied voltage at room temperature. It is characterized by having a rate of change.
【0023】本発明の磁気素子によれば、上記したよう
に室温下で 30%以上というような大きなMR変化率が得
られ、また素子抵抗自体も低く、さらに素子に流す電流
(または電圧)値を増やしてもMR変化率の減少がな
く、よって大きな出力電圧(または出力電流)を得るこ
とが可能となる。According to the magnetic element of the present invention, as described above, a large MR change rate of 30% or more at room temperature is obtained, the element resistance itself is low, and the current (or voltage) value flowing through the element is obtained. Does not decrease the MR change rate, so that a large output voltage (or output current) can be obtained.
【0024】本発明の磁気部品は、上述したような本発
明の磁気素子を具備することを特徴としている。また、
本発明の電子部品は、上述したような本発明の磁気素子
を具備することを特徴としているA magnetic component according to the present invention includes the above-described magnetic element according to the present invention. Also,
An electronic component according to the present invention includes the above-described magnetic element according to the present invention.
【0025】[0025]
【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。Embodiments of the present invention will be described below.
【0026】図2は本発明の第1の磁気素子の基本的な
膜構造(基本構成)を示す図である。図2に示す磁気素
子は、第1の金属層11/誘電体層12/強磁性層13
/誘電体層14/第2の金属層15からなる積層膜を有
している。このような積層膜において、第1の金属層1
1は強磁性体からなる。一方、第2の金属層15は強磁
性体および非磁性体のいずれであってもよい。なお、第
1および第2の金属層11、15は電極層である。FIG. 2 is a view showing a basic film structure (basic structure) of the first magnetic element of the present invention. The magnetic element shown in FIG. 2 has a first metal layer 11 / dielectric layer 12 / ferromagnetic layer 13
/ Dielectric layer 14 / second metal layer 15. In such a laminated film, the first metal layer 1
1 is made of a ferromagnetic material. On the other hand, the second metal layer 15 may be either a ferromagnetic material or a non-magnetic material. The first and second metal layers 11 and 15 are electrode layers.
【0027】強磁性層13は 2つの薄い誘電体層12、
14、すなわち 2つのトンネル層によって挟まれてお
り、各誘電体層12、14を介して第1の金属層(強磁
性体)11と強磁性層13との間および強磁性層13と
第2の金属層(強磁性体または非磁性金属)15との間
にそれぞれトンネル電流が流れるように構成されてい
る。すなわち、誘電体層12、14を介して、第1の金
属層11、強磁性層13および第2の金属層15の間
に、 2重の多重強磁性トンネル接合が形成されている。
このような積層膜において、強磁性層13が十分に薄
い場合には、図1に示したように、量子効果により強磁
性層13にスピンに依存した離散準位が形成される。そ
して、前述したように、強磁性体からなる第1の金属層
11と第2の金属層15との間に適当な電圧を印加し、
強磁性層13に形成された離散準位を制御(シフト)す
ることによって、スピン偏極トンネル効果を生じさせる
ことができる。また、図24に示すように、強磁性層1
3に形成された離散準位を制御(シフト)する電極(ゲ
ート電極)Gを設けてもよい。この際の強磁性層13
は、後述する誘電体で分断された強磁性層であってもよ
い。この際に、第1の金属層11および強磁性層13の
一方のスピンの方向を変化させることによって、スピン
偏極トンネル効果、さらにはスピン偏極共鳴トンネル効
果に基づく非常に大きなMR変化率を得ることができ
る。The ferromagnetic layer 13 comprises two thin dielectric layers 12,
14, that is, sandwiched between two tunnel layers, between the first metal layer (ferromagnetic material) 11 and the ferromagnetic layer 13 and between the ferromagnetic layer 13 and the second And a metal layer (ferromagnetic material or non-magnetic metal) 15. That is, a double multiple ferromagnetic tunnel junction is formed between the first metal layer 11, the ferromagnetic layer 13, and the second metal layer 15 via the dielectric layers 12, 14.
In such a laminated film, when the ferromagnetic layer 13 is sufficiently thin, a spin-dependent discrete level is formed in the ferromagnetic layer 13 by the quantum effect as shown in FIG. Then, as described above, an appropriate voltage is applied between the first metal layer 11 and the second metal layer 15 made of a ferromagnetic material,
By controlling (shifting) the discrete levels formed in the ferromagnetic layer 13, a spin-polarized tunnel effect can be generated. Further, as shown in FIG.
An electrode (gate electrode) G for controlling (shifting) the discrete level formed in 3 may be provided. The ferromagnetic layer 13 at this time
May be a ferromagnetic layer divided by a dielectric described later. At this time, by changing the direction of one of the spins of the first metal layer 11 and the ferromagnetic layer 13, a very large MR change rate based on the spin-polarized tunneling effect and the spin-polarized resonance tunneling effect can be obtained. Obtainable.
【0028】さらに、本発明の第1の磁気素子におい
て、離散準位を形成する強磁性層13は 1層に限られる
ものではなく、強磁性層13を複数層とすると共に、こ
れら複数の強磁性層を誘電体層と交互に積層配置して、
3重以上の多重強磁性トンネル接合を有する構成とする
こともできる。すなわち、第1の金属層11/誘電体層
12/(強磁性層13/誘電体層14)N /第2の金属
層15構造の積層膜(N≧ 1:積層数)を使用すること
ができる。このような多重強磁性トンネル接合において
も、誘電体層12、14に挟まれた強磁性層13に上向
きスピン(↑)と下向きスピン(↓)とでエネルギーが
異なる量子準位を形成することによって、スピン偏極ト
ンネル効果に基づく大きなMR変化率が得られる。Further, in the first magnetic element of the present invention, the number of the ferromagnetic layers 13 forming discrete levels is not limited to one, and the ferromagnetic layers 13 are formed in a plurality of layers, and the plurality of ferromagnetic layers 13 are formed. Magnetic layers are alternately stacked with dielectric layers,
A configuration having three or more multiple ferromagnetic tunnel junctions may be employed. That is, it is possible to use a laminated film having a structure of first metal layer 11 / dielectric layer 12 / (ferromagnetic layer 13 / dielectric layer 14) N / second metal layer 15 (N ≧ 1: the number of layers). it can. Also in such a multiple ferromagnetic tunnel junction, by forming a quantum level having different energy between the upward spin (↑) and the downward spin (↓) in the ferromagnetic layer 13 sandwiched between the dielectric layers 12 and 14. Thus, a large MR change rate based on the spin polarization tunnel effect can be obtained.
【0029】図1に示した磁気素子において、強磁性層
13および強磁性体からなる第1の金属層11(第2の
金属層15に強磁性体を用いる場合を含む)の構成材料
は、特に限定されるものではなく、パーマロイに代表さ
れるFe−Ni合金、強磁性を示すFe、Co、Niお
よびそれらを含む合金、NiMnSb、PtMnSbの
ようなホイスラー合金などのハーフメタル、CrO2 、
マグネタイト、Mnペロブスカイトなどの酸化物系のハ
ーフメタル、アモルファス合金などの種々の軟磁性材料
から、Co−Pt合金、Fe−Pt合金、遷移金属−希
士類合金などの硬磁性材料まで、種々の強磁性材料を使
用することができる。In the magnetic element shown in FIG. 1, the constituent materials of the ferromagnetic layer 13 and the first metal layer 11 made of a ferromagnetic material (including the case where a ferromagnetic material is used for the second metal layer 15) are as follows. There is no particular limitation, Fe-Ni alloys represented by permalloy, Fe, Co, Ni exhibiting ferromagnetism and alloys containing them, NiMnSb, half metals such as Heusler alloys such as PtMnSb, CrO 2 ,
From various soft magnetic materials such as oxide half-metals such as magnetite and Mn perovskite and amorphous alloys to hard magnetic materials such as Co-Pt alloys, Fe-Pt alloys and transition metals and rare earth alloys. Ferromagnetic materials can be used.
【0030】また、第1の金属層11および強磁性層1
3のうち、一方のスピンの方向のみを変化させるために
は、例えば強磁性体の保磁力の差を利用してもよいし、
また反強磁性膜を積層配置して交換結合により強磁性層
の磁化を固定するようにしてもよい。強磁性層13の厚
さは、上述したように量子効果によりスピンに依存した
離散的なエネルギー準位が形成されるような厚さ、具体
的には10nm以下程度とする。より好ましくは 5nm以下で
ある。第1および第2の金属層11、15の厚さは特に
限定されるものではなく、例えば 0.1〜 100mm程度とす
ることが好ましい。Further, the first metal layer 11 and the ferromagnetic layer 1
In order to change only the direction of one of the three spins, for example, a difference in coercive force of a ferromagnetic material may be used,
Alternatively, the antiferromagnetic films may be stacked to fix the magnetization of the ferromagnetic layer by exchange coupling. As described above, the thickness of the ferromagnetic layer 13 is such that a discrete energy level depending on spin is formed by the quantum effect, specifically, about 10 nm or less. More preferably, it is 5 nm or less. The thickness of the first and second metal layers 11 and 15 is not particularly limited, and is preferably, for example, about 0.1 to 100 mm.
【0031】上述した実施形態では、強磁性体と誘電体
との 2重以上の多重トンネル接合を有する磁気素子につ
いて説明したが、誘電体で分断された強磁性層を用いた
場合においても、同様なスピン偏極トンネル効果(さら
にはスピン偏極共鳴トンネル効果)を室温で得ることが
できる。これが本発明の第2の磁気素子である。In the above embodiment, a magnetic element having a double or more multiple tunnel junction of a ferromagnetic material and a dielectric material has been described. However, the same applies to the case where a ferromagnetic layer separated by a dielectric material is used. A simple spin-polarized tunnel effect (further, a spin-polarized resonance tunnel effect) can be obtained at room temperature. This is the second magnetic element of the present invention.
【0032】すなわち、図3に示す磁気素子は、第1の
金属層(強磁性体)11/誘電体層12/誘電体で分断
された強磁性層16/誘電体層14/第2の金属層(強
磁性体または非磁性金属)15からなる積層膜を有して
いる。このような積層膜において、誘電体で分断された
強磁性層16は強磁性体18が誘電体17で分散された
ものであり、この誘電体で分断された強磁性層16は超
常磁性を示さず、有限の保磁力を持つ強磁性体である。
誘電体で分断された強磁性層16は多少ばらつきがあっ
てもよく、誘電体12、14で分断されていればよい。That is, the magnetic element shown in FIG. 3 has a first metal layer (ferromagnetic material) 11 / dielectric layer 12 / ferromagnetic layer 16 divided by dielectric / dielectric layer 14 / second metal It has a laminated film composed of a layer (ferromagnetic or non-magnetic metal) 15. In such a laminated film, the ferromagnetic layer 16 divided by a dielectric is a ferromagnetic material 18 dispersed by a dielectric 17, and the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric exhibits superparamagnetism. Rather, it is a ferromagnetic material with a finite coercive force.
The ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric may have some variation, and may be separated by the dielectrics 12 and 14.
【0033】このような積層膜12、16、14を挟ん
で、第1の電極層11と第2の電極層13とが近接配置
されており、第1の電極層11と誘電体で分断された強
磁性層12および誘電体で分断された強磁性層12と第
2の電極層13との間に、それぞれトンネル電流が流れ
るように構成されている。すなわち、誘電体で分断され
た強磁性層12と電極層11、13との間には 2重トン
ネル接合が形成されている。The first electrode layer 11 and the second electrode layer 13 are arranged close to each other with the laminated films 12, 16 and 14 interposed therebetween, and are separated from the first electrode layer 11 by a dielectric. A tunnel current flows between the ferromagnetic layer 12, the ferromagnetic layer 12 separated by the dielectric, and the second electrode layer 13. That is, a double tunnel junction is formed between the ferromagnetic layer 12 separated by the dielectric and the electrode layers 11 and 13.
【0034】誘電体で分断された強磁性層16は、 2つ
の薄い誘電体層12、14、すなわち 2つのトンネル層
によって挟まれており、各誘電体層12、14を介して
第1の金属層(強磁性体)11と誘電体で分断された強
磁性層16との間および誘電体で分断された強磁性層1
6と第2の金属層(強磁性体または非磁性金属)15と
の間にそれぞれトンネル電流が流れるように構成されて
いる。すなわち、誘電体層12、14を介して、第1の
金属層11、誘電体で分断された強磁性層16および第
2の金属層15の間に、 2重の多重強磁性トンネル接合
が形成されている。The ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric is sandwiched between two thin dielectric layers 12 and 14, that is, two tunnel layers, and a first metal layer is formed through each of the dielectric layers 12 and 14. Between the layer (ferromagnetic material) 11 and the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric and the ferromagnetic layer 1 divided by the dielectric
A tunnel current flows between the first metal layer 6 and the second metal layer (ferromagnetic or non-magnetic metal) 15. That is, a double multiple ferromagnetic tunnel junction is formed between the first metal layer 11, the ferromagnetic layer 16 separated by the dielectric, and the second metal layer 15 via the dielectric layers 12 and 14. Have been.
【0035】このような積層膜において、誘電体で分断
された強磁性層16中の強磁性体18の厚さは十分に薄
いため、強磁性体18のエネルギー準位は量子化されて
離散的になり、しかもスピン分裂している。従って、前
述した第1の実施形態と同様に、強磁性体からなる第1
の金属層11と第2の金属層15との間に適当な電圧を
印加し、誘電体で分断された強磁性層16に形成された
離散準位を制御(シフト)することによって、スピン偏
極トンネル効果を生じさせることができる。この際に、
第1の金属層11および誘電体で分断された強磁性層1
6の一方のスピンの方向を変化させることによって、ス
ピン偏極トンネル効果、さらにはスピン偏極共鳴トンネ
ル効果に基づく非常に大きなMR変化率、例えば室温で
30%以上というような大きなMR変化率を得ることがで
きる。In such a laminated film, since the thickness of the ferromagnetic material 18 in the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric material is sufficiently small, the energy level of the ferromagnetic material 18 is quantized and discrete. And spin-split. Therefore, similarly to the first embodiment, the first ferromagnetic material is used.
By applying an appropriate voltage between the first metal layer 11 and the second metal layer 15 to control (shift) the discrete levels formed in the ferromagnetic layer 16 separated by the dielectric, the spin polarization can be controlled. A polar tunnel effect can be created. At this time,
First metal layer 11 and ferromagnetic layer 1 separated by a dielectric
By changing the direction of one of the spins of No. 6, a very large MR change rate based on the spin-polarized tunneling effect and also the spin-polarized resonance tunneling effect, for example, at room temperature
A large MR change rate such as 30% or more can be obtained.
【0036】さらに、本発明の第2の磁気素子におい
て、誘電体で分断された強磁性層16は 1層に限られる
ものではなく、例えば図4に示すように、複数の誘電体
で分断された強磁性層16a、16b、16cと誘電体
層14a、14b、14cとを交互に積層配置して、 3
重以上の多重強磁性トンネル接合を有する構成とするこ
ともできる。すなわち、第1の金属層11/誘電体層1
2/(誘電体で分断された強磁性層16/誘電体層1
4)N /第2の金属層15構造の積層膜(N≧ 1:積層
数)を使用することができる。このような構成において
も、誘電体で分断された強磁性層の離散準位を制御する
こととよって、スピン偏極トンネル効果に基づく大きな
MR変化率が得られる。Further, in the second magnetic element of the present invention, the ferromagnetic layer 16 divided by a dielectric is not limited to one layer, but may be divided by a plurality of dielectrics as shown in FIG. The ferromagnetic layers 16a, 16b, 16c and the dielectric layers 14a, 14b, 14c are alternately stacked and arranged.
It is also possible to adopt a configuration having multiple or more multiple ferromagnetic tunnel junctions. That is, the first metal layer 11 / the dielectric layer 1
2 / (ferromagnetic layer 16 divided by dielectric / dielectric layer 1)
4) A laminated film having a structure of N / second metal layer 15 (N ≧ 1: the number of laminated layers) can be used. Even in such a configuration, by controlling the discrete levels of the ferromagnetic layer divided by the dielectric, a large MR change rate based on the spin polarization tunnel effect can be obtained.
【0037】図5は基板面に沿って電流を流すプラーナ
ー型の素子であり、誘電体で分断された強磁性層16
a、16bと誘電体層14a、14b、14cとを交互
に積層した積層膜上に、第1の金属層(強磁性体)11
と第2の金属層(強磁性体または非磁性金属)15とが
分離された状態で配置されている。このようなプラーナ
ー型磁気素子は微細加工技術を用いて容易に作製するこ
とができる。FIG. 5 shows a planar type element in which a current flows along the surface of the substrate, and the ferromagnetic layer 16 divided by a dielectric material.
a, 16b and dielectric layers 14a, 14b, 14c are alternately laminated on a first metal layer (ferromagnetic material) 11
And a second metal layer (ferromagnetic or non-magnetic metal) 15 are arranged in a separated state. Such a planar magnetic element can be easily manufactured by using a fine processing technique.
【0038】図3〜図5に示した磁気素子において、誘
電体で分断された強磁性層16は上述したように誘電体
17で強磁性体18を分断したものである。この誘電体
で分断された強磁性層16のスピンは超常磁性を示さ
ず、有限の保磁力を持つ強磁性体であり、理想的にはそ
のスピンは一方向に揃っていることが望ましい。この場
合、誘電体で分断された強磁性層16に量子準位が形成
される。In the magnetic element shown in FIGS. 3 to 5, the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric is obtained by dividing the ferromagnetic material 18 by the dielectric 17 as described above. The spin of the ferromagnetic layer 16 separated by the dielectric does not exhibit superparamagnetism, and is a ferromagnetic material having a finite coercive force. Ideally, the spins are desirably aligned in one direction. In this case, a quantum level is formed in the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric.
【0039】強磁性体18には種々の強磁性材料を使用
することができる。例えば、誘電体で分断された強磁性
層16を磁化固定層とする場合には、磁気異方性の大き
いCo、Co−Pt合金、Fe−Pt合金、遷移金属−
希土類合金などを用いることが好ましい。誘電体で分断
された強磁性層16を軟磁性層として用いる場合、特に
磁性微粒子18の構成材料は限定されるものではなく、
Fe、Co、Niおよびそれらを含む合金、スピン分極
率の大きいマグネタイト、CrO2 、RXMnO
3-y (Rは希土類金属、XはCa、BaおよびSrから
選ばれる少なくとも 1種の元素、 yは 0に近い値)など
の酸化物系磁性材料、NiMnSb、PtMnSbなど
のホイスラー合金などを使用することができる。Various ferromagnetic materials can be used for the ferromagnetic material 18. For example, when the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric is used as the magnetization fixed layer, Co, Co—Pt alloy, Fe—Pt alloy, transition metal—
It is preferable to use a rare earth alloy or the like. When the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric is used as a soft magnetic layer, the constituent material of the magnetic fine particles 18 is not particularly limited.
Fe, Co, Ni and alloys containing them, magnetite with high spin polarizability, CrO 2 , RXMnO
Use oxide-based magnetic materials such as 3-y (R is a rare earth metal, X is at least one element selected from Ca, Ba and Sr, y is a value close to 0), and Heusler alloys such as NiMnSb and PtMnSb can do.
【0040】また、誘電体で分断された強磁性層16を
磁化固定層とする場合においても、例えば誘電体で分断
された強磁性層16に接してFeMn、PtMn、Ir
Mn、PtCrMn、NiMn、NiOなどの反強磁性
膜を配置して、誘電体で分断された強磁性層16のスピ
ンを一方向に固着すれば、種々の強磁性材料を強磁性体
18に適用することができる。さらに、誘電体で分断さ
れた強磁性層16の両端部に一対の硬磁性膜を隣接配置
し、この硬磁性膜から誘電体で分断された強磁性層16
にバイアス磁界を印加することによってスピンを固定す
るようにしてもよい。In the case where the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric is used as a magnetization fixed layer, for example, FeMn, PtMn, Ir may be in contact with the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric.
If an antiferromagnetic film such as Mn, PtCrMn, NiMn, or NiO is arranged and the spin of the ferromagnetic layer 16 separated by the dielectric is fixed in one direction, various ferromagnetic materials can be applied to the ferromagnetic material 18. can do. Further, a pair of hard magnetic films are disposed adjacent to both ends of the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric, and the ferromagnetic layer 16 separated by a dielectric is separated from the hard magnetic film.
A spin magnetic field may be applied to fix the spin.
【0041】誘電体17(および誘電体層12、14)
としては、Al2 O3 、SiO2 、MgO、AlN、B
i2 O3 、MgF2 、CaF2 などの種々の誘電体材料
を使用することができ、このような誘電体17で強磁性
体18を分断することで強磁性層16が得られる。な
お、上記した酸化膜、窒化膜、フッ化膜などでは、それ
ぞれの元素の欠損が一般的に存在するが、そのような誘
電体膜であっても何等問題はない。Dielectric 17 (and dielectric layers 12, 14)
Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, AlN, B
Various dielectric materials such as i 2 O 3 , MgF 2 , and CaF 2 can be used, and the ferromagnetic layer 16 is obtained by dividing the ferromagnetic material 18 with such a dielectric 17. In the above-described oxide film, nitride film, fluoride film and the like, defects of respective elements generally exist, but there is no problem with such a dielectric film.
【0042】一方、強磁性体からなる第1の金属層11
(第2の金属層15に強磁性体を用いる場合を含む)の
構成材料については、前述した実施形態で示したよう
に、種々の強磁性材料を使用することができる。また、
強磁性材料はAg、Cu、Au、Ta、B、C、Pd、
Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nbなどの非磁性元素を
多少含んでいても、強磁性を失わない限り特に問題はな
い。On the other hand, the first metal layer 11 made of a ferromagnetic material
As a constituent material (including a case where a ferromagnetic material is used for the second metal layer 15), various ferromagnetic materials can be used as shown in the above-described embodiment. Also,
Ferromagnetic materials are Ag, Cu, Au, Ta, B, C, Pd,
Even if it contains some nonmagnetic element such as Pt, Zr, Ir, W, Mo, and Nb, there is no particular problem as long as the ferromagnetism is not lost.
【0043】また、第2の金属層15を強磁性体で構成
する場合、第1の金属層11と第2の金属層15とは必
ずしも同じ材料で構成する必要はない。また、これら強
磁性層は単層構造に限らず、非磁性層を介して配置した
2つの強磁性層を有し、これら強磁性層の磁化を互いに
反平行となるように結合させた積層膜で、強磁性膜14
を構成することもできる。このような反平行に結合させ
た積層膜によれば、強磁性膜14から磁束が外部に漏れ
ることを防ぐことができる。When the second metal layer 15 is made of a ferromagnetic material, the first metal layer 11 and the second metal layer 15 do not necessarily need to be made of the same material. In addition, these ferromagnetic layers are not limited to a single-layer structure, but are arranged via a non-magnetic layer.
A ferromagnetic film having two ferromagnetic layers and having the magnetizations of these ferromagnetic layers coupled antiparallel to each other.
Can also be configured. According to such laminated films connected in antiparallel, it is possible to prevent the magnetic flux from leaking from the ferromagnetic film 14 to the outside.
【0044】さらに、強磁性層と半導体層とを交互に積
層した積層膜を、第1の金属層11として用いることも
できる。この場合には、熱や光照射によりスピンを反転
させることができるため、磁界が不要になるという特徴
がある。このような積層膜に用いる半導体としては、B
20構造のFeSi合金などが挙げられる。Further, a laminated film in which ferromagnetic layers and semiconductor layers are alternately laminated can be used as the first metal layer 11. In this case, since the spin can be inverted by heat or light irradiation, there is a feature that a magnetic field becomes unnecessary. As a semiconductor used for such a laminated film, B
An FeSi alloy having a 20-structure is exemplified.
【0045】上述した誘電体で分断された強磁性層16
および強磁性層(少なくとも第1の金属層11)は、そ
れぞれ膜面内に一軸磁気異方性を有することが望まし
い。これによって、急峻な磁化反転を起こすことができ
ると共に、磁化状態を安定して保持することができる。The ferromagnetic layer 16 divided by the above-mentioned dielectric material
The ferromagnetic layer (at least the first metal layer 11) desirably has uniaxial magnetic anisotropy in the film plane. As a result, steep magnetization reversal can be caused, and the magnetization state can be stably maintained.
【0046】また、誘電体で分断された強磁性層16、
第1の金属11および第2の金属層15の膜厚は特に限
定されるものではないが、例えば 0.1〜 200nmの範囲と
することが好ましい。このうち、誘電体で分断された強
磁性層16の膜厚はできるだけ薄い方が好ましいが、作
製上均一な膜厚を維持することができ、またトンネル電
流に対して悪影響を及ぼさない膜厚であればよく、例え
ば10nm以下とすることが好ましい。誘電体層12、14
の厚さは 1nm〜数nmというように薄いほうが好ましい
が、特に制限はない。なお、作製上10nm以下とすること
が好ましい。Also, the ferromagnetic layer 16 divided by a dielectric,
The thicknesses of the first metal 11 and the second metal layer 15 are not particularly limited, but are preferably in the range of, for example, 0.1 to 200 nm. Of these, the thickness of the ferromagnetic layer 16 divided by the dielectric is preferably as small as possible. However, a uniform film thickness can be maintained in the fabrication, and the thickness does not adversely affect the tunnel current. It is preferable that the thickness be, for example, 10 nm or less. Dielectric layers 12, 14
Is preferably as thin as 1 nm to several nm, but there is no particular limitation. Note that the thickness is preferably 10 nm or less from the viewpoint of manufacturing.
【0047】このような各層からなる磁気素子は典型的
には薄膜状であり、分子線エピタキシー(ΜBE)法、
各種スパッタ法、蒸着法などの通常の薄膜形成方法を適
用して作製することができる。また、上述した積層膜を
作製する基板は特に限定されるものではなく、結晶質お
よび非晶質、または磁性体および非磁性体の区別なく、
種々の基板を使用することができる。例えば、Si、S
iO2 、Al2 O3 、スピネル、MgO、AlNなどの
各種基板を使用することができる。The magnetic element composed of such layers is typically in the form of a thin film, and is formed by a molecular beam epitaxy (ΜBE) method,
It can be manufactured by applying ordinary thin film forming methods such as various sputtering methods and vapor deposition methods. Further, the substrate on which the above-described laminated film is manufactured is not particularly limited, and there is no distinction between crystalline and amorphous, or magnetic and non-magnetic,
Various substrates can be used. For example, Si, S
Various substrates such as iO 2 , Al 2 O 3 , spinel, MgO, and AlN can be used.
【0048】以上説明したように、本発明の磁気素子は
室温下で印加電圧に基づいてMR変化率が増加し、例え
ば室温下で 30%以上というような大きなMR変化率を得
ることができる。このような本発明の磁気素子は、磁気
抵抗効果型磁気ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素子など
の磁気抵抗効果を利用した磁気部品などに適用すること
ができる。さらに、本発明の磁気素子に生じる電流−電
圧特性の負性抵抗を利用して、スピンダイオード素子な
どを作製することもできる。また、半導体トランジスタ
などの従来の半導体素子と組み合わせて使用することも
可能である。As described above, in the magnetic element of the present invention, the MR ratio increases at room temperature based on the applied voltage. For example, a large MR ratio of 30% or more at room temperature can be obtained. Such a magnetic element of the present invention can be applied to a magnetic component utilizing a magnetoresistive effect, such as a magnetoresistive magnetic head, a magnetic sensor, and a magnetic storage element. Furthermore, a spin diode element or the like can be manufactured by utilizing the negative resistance of the current-voltage characteristic generated in the magnetic element of the present invention. Further, it can be used in combination with a conventional semiconductor element such as a semiconductor transistor.
【0049】次に、本発明の磁気素子を磁気ヘッドに適
用する場合の素子構造について説明する。図6〜図8は
本発明の磁気素子を磁気ヘッドとして使用する場合の膜
構造例を示す断面図である。これらの図において、21
は離散準位が形成される強磁性層または誘電体で分断さ
れた強磁性層(誘電体との多層積層膜を含む)、22は
強磁性層(第1の金属層)、23は強磁性層(第2の金
属層)、24は誘電体層である。なお、図8において、
25は強磁性層または誘電体で分断された強磁性層と誘
電体との多層積層膜を示す。Next, an element structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic head will be described. 6 to 8 are sectional views showing examples of the film structure when the magnetic element of the present invention is used as a magnetic head. In these figures, 21
Is a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed or a ferromagnetic layer divided by a dielectric (including a multilayer laminated film with a dielectric), 22 is a ferromagnetic layer (first metal layer), and 23 is a ferromagnetic layer The layer (second metal layer), 24 is a dielectric layer. In FIG. 8,
Numeral 25 denotes a multilayer laminated film of a ferromagnetic layer or a ferromagnetic layer divided by a dielectric and a dielectric.
【0050】図6〜図8に示すように、本発明の磁気素
子を磁気ヘッドとして使用する場合には、強磁性層2
2、23や離散準位が形成される強磁性層または誘電体
で分断された強磁性層21、25に接して、FeMn、
PtMn、IrMn、PtCrMn、NiMn、Ni
O、Fe2 O3 などの反強磁性膜26を配置し、この反
強磁性膜26からバイアス磁界を印加することによっ
て、磁性層のスピンを一方向に固着することが好まし
い。As shown in FIGS. 6 to 8, when the magnetic element of the present invention is used as a magnetic head, the ferromagnetic layer 2
FeMn, in contact with ferromagnetic layers in which discrete levels are formed or ferromagnetic layers 21 and 25 separated by a dielectric.
PtMn, IrMn, PtCrMn, NiMn, Ni
It is preferable that an antiferromagnetic film 26 made of O, Fe 2 O 3 or the like is disposed, and a spin of the magnetic layer is fixed in one direction by applying a bias magnetic field from the antiferromagnetic film 26.
【0051】また、図6〜図8に示す各磁気ヘッド用膜
構造において、各層の磁気特性(軟磁性および硬磁性)
を組合せることで良好な磁気ヘッドを構成することがで
きる。例えば、図6において離散準位が形成される強磁
性層または誘電体で分断された強磁性層21は軟磁性
層、強磁性層22、23は硬磁性層である。図7におい
て、強磁性層22は軟磁性層、離散準位が形成される強
磁性層または誘電体で分断された強磁性層21と強磁性
層23は硬磁性層である。図8において、強磁性層22
は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層または誘電
体で分断された強磁性層と誘電体との多層積層膜25は
硬磁性層である。In each of the film structures for magnetic heads shown in FIGS. 6 to 8, the magnetic properties (soft magnetic and hard magnetic) of each layer are shown.
, A good magnetic head can be formed. For example, in FIG. 6, the ferromagnetic layer in which discrete levels are formed or the ferromagnetic layer 21 divided by a dielectric is a soft magnetic layer, and the ferromagnetic layers 22 and 23 are hard magnetic layers. In FIG. 7, a ferromagnetic layer 22 is a soft magnetic layer, a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed, or a ferromagnetic layer 21 and a ferromagnetic layer 23 separated by a dielectric are hard magnetic layers. In FIG. 8, the ferromagnetic layer 22
Is a soft magnetic layer, a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed, or a multilayer laminated film 25 of a dielectric and a ferromagnetic layer divided by a dielectric is a hard magnetic layer.
【0052】上述したような組合せにおいて、磁場中成
膜、磁場中熱処理により隣り合う磁性層のスピンを略直
交させることによって、HDDの記録媒体からの漏れ磁
束に対して良好な線形応答性が得られる。このような構
造はいかなる磁気ヘッド構造においても使用することが
できる。In the above-mentioned combination, by forming the spins of the adjacent magnetic layers substantially orthogonally by film formation in a magnetic field and heat treatment in a magnetic field, a good linear response to the leakage magnetic flux from the recording medium of the HDD can be obtained. Can be Such a structure can be used in any magnetic head structure.
【0053】次に、本発明の磁気素子を磁気記憶素子に
適用する場合の素子構造について説明する。図9〜図1
2は本発明の磁気素子を磁気記憶素子として使用する場
合の膜構造例を示す断面図である。Next, an element structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic storage element will be described. 9 to 1
2 is a sectional view showing an example of a film structure when the magnetic element of the present invention is used as a magnetic storage element.
【0054】図9および図10は破壊読出しを想定した
場合の磁気記憶素子の素子構造である。この場合には、
強磁性層22、23や離散準位が形成される強磁性層ま
たは誘電体で分断された強磁性層21、25に接して、
FeMn、PtMn、IrMn、PtCrMn、NiM
n、NiOなどの反強磁性膜26を配置し、この反強磁
性膜26からバイアス磁界を印加することによって、磁
性層のスピンを一方向に固着することが好ましい。図9
において、強磁性層22は軟磁性層、離散準位が形成さ
れる強磁性層または誘電体で分断された強磁性層21と
強磁性層23は硬磁性層である。図10において、強磁
性層22は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層ま
たは誘電体で分断された強磁性層と誘電体との多層積層
膜25は硬磁性層である。FIGS. 9 and 10 show the element structure of the magnetic storage element in the case of assuming destructive reading. In this case,
In contact with the ferromagnetic layers 22 and 23 and the ferromagnetic layers in which discrete levels are formed or the ferromagnetic layers 21 and 25 separated by a dielectric,
FeMn, PtMn, IrMn, PtCrMn, NiM
Preferably, an antiferromagnetic film 26 of n, NiO or the like is disposed, and a spin of the magnetic layer is fixed in one direction by applying a bias magnetic field from the antiferromagnetic film 26. FIG.
In the above, the ferromagnetic layer 22 is a soft magnetic layer, the ferromagnetic layer in which discrete levels are formed, or the ferromagnetic layer 21 and the ferromagnetic layer 23 separated by a dielectric are hard magnetic layers. In FIG. 10, a ferromagnetic layer 22 is a soft magnetic layer, a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed, or a multilayer laminated film 25 of a dielectric and a ferromagnetic layer divided by a dielectric is a hard magnetic layer.
【0055】また、図11および図12は非破壊読出し
を想定した場合の磁気記憶素子の素子構造であり、軟磁
性層と硬磁性層とを適当に組合せることによって、読み
出し層および書き込み層を設け、電流磁界で軟磁性層の
磁化を反転させることにより、書き込み層の情報を非破
壊で読み出すことができる。図11において、強磁性層
22は軟磁性層、離散準位が形成される強磁性層または
誘電体で分断された強磁性層21と強磁性層23は硬磁
性層である。図12において、強磁性層22は軟磁性
層、離散準位が形成される強磁性層または誘電体で分断
された強磁性層21は硬磁性層であり、第2の金属層は
非磁性金属層27である。FIGS. 11 and 12 show the element structure of a magnetic memory element assuming non-destructive readout. By appropriately combining a soft magnetic layer and a hard magnetic layer, a read layer and a write layer can be formed. The information in the writing layer can be read nondestructively by reversing the magnetization of the soft magnetic layer with the current magnetic field. In FIG. 11, a ferromagnetic layer 22 is a soft magnetic layer, a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed, or a ferromagnetic layer 21 and a ferromagnetic layer 23 separated by a dielectric are hard magnetic layers. In FIG. 12, a ferromagnetic layer 22 is a soft magnetic layer, a ferromagnetic layer in which discrete levels are formed or a ferromagnetic layer 21 divided by a dielectric is a hard magnetic layer, and a second metal layer is a nonmagnetic metal. Layer 27.
【0056】強磁性層22、23には、図13に示すよ
うに、層間の相互作用が反強磁性的に結合した磁性体2
8/非磁性体29/磁性体30構造の積層膜を用いても
よい。非磁性体29として半導体を用いた場合には、光
によりスピンスイッチさせることができる。As shown in FIG. 13, the ferromagnetic layers 22 and 23 have a magnetic material 2 in which the interaction between the layers is antiferromagnetically coupled.
A laminated film having a structure of 8 / nonmagnetic material 29 / magnetic material 30 may be used. When a semiconductor is used as the non-magnetic material 29, spin switching can be performed by light.
【0057】そして、図14に示すように、上述したよ
うな本発明の磁気素子31をトランジスタ31、書き込
みライン32、読み出しライン33、ビットライン34
などと共にセル状に基板上に微細加工することによっ
て、磁気記録装置を作製することができる。As shown in FIG. 14, the magnetic element 31 of the present invention as described above is replaced with a transistor 31, a write line 32, a read line 33, and a bit line 34.
By performing microfabrication on the substrate in a cell shape together with the above, a magnetic recording device can be manufactured.
【0058】なお、前述したように、本発明の磁気素子
は磁気ヘッドや磁気記憶素子などの磁気部品に限らず、
本発明の磁気素子に生じる電流−電圧特性の負性抵抗を
利用して、スピンダイオード素子などの電子部品を作製
することもできる。As described above, the magnetic element of the present invention is not limited to magnetic parts such as a magnetic head and a magnetic storage element.
An electronic component such as a spin diode element can also be manufactured by utilizing the negative resistance of the current-voltage characteristic generated in the magnetic element of the present invention.
【0059】[0059]
【実施例】以下に、この発明の実施例について説明す
る。Embodiments of the present invention will be described below.
【0060】なお、以下に示す各実施例では、 100× 1
00μm と比較的大きな接合面積で試料を作製したため、
電極の抵抗を小さくするために強磁性電極の下地とオー
バーレイヤーとして厚さ 200nmのAu層を設けている。
しかし、実際に使用する際には数μm と小さいため、特
にAu層は必要ない。In each of the embodiments described below, 100 × 1
Since the sample was prepared with a relatively large joint area of 00 μm,
In order to reduce the resistance of the electrode, a 200 nm thick Au layer is provided as an underlayer and overlayer of the ferromagnetic electrode.
However, when actually used, it is as small as a few μm, so that an Au layer is not particularly necessary.
【0061】実施例1 スパッタ装置を用いて、Fe、Co5 Fe3 Pt2 、A
lをターゲットとしてArガス圧 1×10-3Torrで磁場中
成膜(一軸異方性の付与)を実施した。まず、Si/A
l2 O3 基板上にメタルマスクを用いてAu(200nm) /
Fe(50nm)/Co−Fe−Pt(0.5nm)電極を積層し、
真空中でメタルマスクを交換した後にAlを 1nm成膜
し、Al膜をプラズマ酸化した。Example 1 Fe, Co 5 Fe 3 Pt 2 , A
Film formation in a magnetic field (giving uniaxial anisotropy) was performed at an Ar gas pressure of 1 × 10 −3 Torr using 1 as a target. First, Si / A
Au (200 nm) / l 2 O 3 substrate using a metal mask
Fe (50 nm) / Co-Fe-Pt (0.5 nm) electrodes are laminated,
After replacing the metal mask in a vacuum, Al was deposited to a thickness of 1 nm, and the Al film was plasma-oxidized.
【0062】次に、上記したAl2 O3 膜上にCo−F
e−Ptを 2nmを成膜し、さらにAlを 1nm成膜してプ
ラズマ酸化した後、ネガレジストを層間絶縁層として用
い、その上にCo9 Fe(40nm)/Au(200nm) 電極を成
膜した。このようにして、Fe/Co−Fe−Pt/A
l2 O3 /Co−Fe−Pt/Al2 O3 /Co9 Fe
構造(図2に示した構造)の 100μm 2 角の 2重トンネ
ル接合を作製した。Next, Co-F is formed on the above Al 2 O 3 film.
After e-Pt is deposited to a thickness of 2 nm, Al is deposited to a thickness of 1 nm and plasma oxidized, then a negative resist is used as an interlayer insulating layer, and a Co 9 Fe (40 nm) / Au (200 nm) electrode is deposited thereon. did. Thus, Fe / Co-Fe-Pt / A
l 2 O 3 / Co-Fe-Pt / Al 2 O 3 / Co 9 Fe
The double tunnel junction 100 [mu] m 2 corners of the structure (the structure shown in FIG. 2) was fabricated.
【0063】このようにして作製した試料のカー効果を
測定した結果、保磁力か大きいCo−Fe−Ptと保磁
力が比較的小さいFe/Co−Fe−Pt、Co9 Fe
のヒステリシス曲線の足し合わせである、保磁力差が存
在する 2段のヒステリシス曲線が観測された。As a result of measuring the Kerr effect of the sample thus manufactured, Co—Fe—Pt having a large coercive force and Fe / Co—Fe—Pt, Co 9 Fe
A two-step hysteresis curve with a coercive force difference, which is the sum of the hysteresis curves of the two, was observed.
【0064】また、試料の磁気抵抗変化率、素子電圧の
印加電圧依存性の測定結果を図15に示す。素子に印加
する電圧値を増やしていくと、あるしきい電圧値以上で
素子抵抗が急激に減少して磁気抵抗効果が増大してい
る。これはCo−Fe−Ptに形成された量子力学的離
散準位を介したスピン依存トンネル効果に基づくもので
ある。このことは素子に印加する電圧または素子に流す
電流を適当に選ぶことによって、MR値が大きく低抵抗
の素子が実現できることを示している。FIG. 15 shows the measurement results of the magnetoresistance ratio of the sample and the dependence of the element voltage on the applied voltage. As the voltage value applied to the element is increased, the element resistance sharply decreases above a certain threshold voltage value, and the magnetoresistance effect increases. This is based on a spin-dependent tunnel effect via discrete quantum mechanical levels formed in Co-Fe-Pt. This indicates that an element having a large MR value and a low resistance can be realized by appropriately selecting the voltage applied to the element or the current flowing through the element.
【0065】さらに、図16に示した磁気抵抗効果曲線
を見ると、FeおよびCo9 Feは約10Oe という小さ
な磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効果型
へッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性が
得られていることが分かる。なお、誘電体層としてSi
O2 、AlN、MgO、Bi2 O3 、MgF2 、CaF
2 を用いた場合においても、同様の傾向を示した。Further, looking at the magnetoresistance effect curves shown in FIG. 16, the magnetoresistance effect of Fe and Co 9 Fe sharply changes in a small magnetic field of about 10 Oe, and the magnetoresistance effect type head, magnetic sensor, It can be seen that good characteristics are obtained as a magnetic storage element. In addition, Si as a dielectric layer
O 2 , AlN, MgO, Bi 2 O 3 , MgF 2 , CaF
The same tendency was shown when using No. 2 .
【0066】実施例2 スパッタ装置を用いて、Arガス圧 1×10-3Torrで磁場
中成膜(一軸異方性の付与)を行った。まず、熱酸化S
i基板上にメタルマスクを用いてAu(200nm)/Fe(40
nm)を成膜した後、Co8 Pt2 膜を10nm成膜した。次
いで、メタルマスクを交換した後にCo8 Pt2 とSi
O2 をターゲットとして、Co8 Pt2とSiO2 の体
積比が 1:1になるように交互スパッタを行った。その
際、基板バイアスを400Wかけながら成膜を行って、(S
iO2 で分断されたCo8 Pt2 層/SiO2 )の層状
積層膜を作製した。Example 2 A film was formed in a magnetic field (providing uniaxial anisotropy) at an Ar gas pressure of 1 × 10 −3 Torr using a sputtering apparatus. First, thermal oxidation S
Au (200 nm) / Fe (40
nm), a 10 nm Co 8 Pt 2 film was formed. Next, after replacing the metal mask, Co 8 Pt 2 and Si
Using O 2 as a target, alternate sputtering was performed so that the volume ratio of Co 8 Pt 2 to SiO 2 was 1: 1. At this time, film formation was performed while applying a substrate bias of 400 W, and (S
A layered laminated film of (Co 8 Pt 2 layer / SiO 2 ) separated by iO 2 was prepared.
【0067】その上にSiO2 を 1nm成膜した後、メタ
ルマスクを交換してCo8 Pt2 (20.5nm)/Co9 Fe
(40nm)/Au(200nm) を形成した。このようにして、F
e/Co8 Pt2 /SiO2 /(SiO2 で分断された
Co8 Pt2 /SiO2 )/Co8 Pt2 /Co9 Fe
構造の 100μm 2 角の 2重トンネル接合(図3に示した
構造)、Fe/Co8 Pt2 /SiO2 /(SiO2 で
分断されたCo8 Pt2 /SiO2 )2 /Co8 Pt2
/Co9 Fe構造の 100μm 2 角の 3重トンネル接合を
作製した。After a 1-nm thick SiO 2 film is formed thereon, the metal mask is replaced to replace Co 8 Pt 2 (20.5 nm) / Co 9 Fe.
(40 nm) / Au (200 nm). Thus, F
e / Co 8 Pt 2 / SiO 2 / (Co 8 Pt 2 / SiO 2 was divided by SiO 2) / Co 8 Pt 2 / Co 9 Fe
Double tunnel junction 100 [mu] m 2 corners of the structure (the structure shown in FIG. 3), Fe / Co 8 Pt 2 / SiO 2 / (Co 8 Pt 2 / SiO 2 was divided by SiO 2) 2 / Co 8 Pt 2
/ Co 9 to prepare a triple tunnel junction of 100 [mu] m 2 corners of Fe structure.
【0068】このようにして作製した各試料のカー効果
を測定した結果、保磁力が大きいSiO2 で分断された
Co8 Pt2 層と保磁力が比較的小さいFe/Co8 P
t2、Co8 Pt2 /Co9 Feのヒステリシス曲線の
足し合わせである、保磁力差が存在する 2段のヒステリ
シス曲線が観測された。As a result of measuring the Kerr effect of each sample manufactured in this manner, a Co 8 Pt 2 layer divided by SiO 2 having a large coercive force and Fe / Co 8 P having a relatively small coercive force were obtained.
At t 2 , a two-stage hysteresis curve having a coercive force difference, which is the sum of the hysteresis curves of Co 8 Pt 2 / Co 9 Fe, was observed.
【0069】また、これら各試料の磁気抵抗変化率、素
子電圧の印加電圧依存性の測定結果を図17に示す。図
17から素子に印加する電圧値を増やしていくとあるし
きい電圧値以上で素子抵抗が減少し、磁気抵抗効果が増
大するCo8 Pt2 に形成された離散準位を介したスピ
ン依存トンネル効果が得られていることが分かる。さら
に、図18に示すように、印加電圧に対してスピンが平
行、反平行の場合の差△Rは増大している。このことは
素子に印加する電圧または素子に流す電流を適当に選ぶ
ことによって、図19に示すようにMR値が大きく低抵
抗の素子が実現できることを示している。さらに、磁気
抵抗効果型ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良
好な特性を示した。FIG. 17 shows the measurement results of the magnetoresistance ratio of each sample and the dependence of the device voltage on the applied voltage. From FIG. 17, when the voltage value applied to the element is increased, the element resistance is reduced above a certain threshold voltage value, and the magnetoresistance effect is increased. The spin-dependent tunneling through discrete levels formed in Co 8 Pt 2 increases. It can be seen that the effect is obtained. Further, as shown in FIG. 18, the difference ΔR between the case where the spin is parallel and the case where the spin is parallel to the applied voltage increases. This indicates that an element having a large MR value and a low resistance as shown in FIG. 19 can be realized by appropriately selecting the voltage applied to the element or the current flowing through the element. Further, it exhibited good characteristics as a magnetoresistive head, a magnetic sensor, and a magnetic storage element.
【0070】なお、誘電体層がAl2 O3 、AlN、M
gO、Bi2 O3 、MgF2 、CaF2 を用いた場合に
も同様の傾向を示した。The dielectric layer is made of Al 2 O 3 , AlN, M
Similar tendency was shown when gO, Bi 2 O 3 , MgF 2 , and CaF 2 were used.
【0071】実施例3 スパッタ装置を用いると共に、メタルマスクとリフトオ
フによる微細パターンを利用して、熱酸化Si基板上に
図5に示した素子構造を作製した。まず、Co8 Pt2
とSiO2 をターゲットとして、Co8 Pt2 とSiO
2 の体積比が1:1になるように交互スパッタを行った。
その際、基板にメタルマスクをかぶせると共に、基板バ
イアスを400wかけながら成膜を行った。その後、SiO
2 を1nm成膜して、 100μm 2 角のSiO2 /(SiO
2 で分断されたCo8 Pt2/SiO2 )2 構造の積層
膜を作製した。その際のArガス圧は 1×10-3Torrとし
た。Example 3 An element structure shown in FIG. 5 was fabricated on a thermally oxidized Si substrate using a sputtering apparatus and a fine pattern formed by a metal mask and lift-off. First, Co 8 Pt 2
And SiO 2 as targets, Co 8 Pt 2 and SiO 2
Alternate sputtering was performed so that the volume ratio of 2 became 1: 1.
At that time, a metal mask was put on the substrate, and film formation was performed while applying a substrate bias of 400 w. After that, the SiO
2 and 1nm deposition, SiO 2 / (SiO of 100μm 2 corners
The laminated film of shed Co 8 Pt 2 / SiO 2) 2 structure 2 was manufactured. The Ar gas pressure at that time was 1 × 10 −3 Torr.
【0072】その上に、Crマスク露光器を用いてレジ
ストをパターニングした後、上部強磁性層としてCo8
Fe2 /Ni8 Fe2 を成膜し、リフトオフにより20μ
m 2角のパターンを作製した。このようにして、図5に
示した構造を有するトンネル接合を作製した。その後、
各試料を 200℃で磁場中熱処理して一軸異方性を付与し
た。After patterning the resist thereon using a Cr mask exposure device, Co 8 was used as an upper ferromagnetic layer.
Fe 2 / Ni 8 Fe 2 is deposited and lifted off to 20 μm.
to produce a pattern of m 2 corners. Thus, a tunnel junction having the structure shown in FIG. 5 was manufactured. afterwards,
Each sample was heat-treated at 200 ° C. in a magnetic field to give uniaxial anisotropy.
【0073】このようにして作製した試料の磁気抵抗変
化率、素子電圧の印加電圧依存性を測定した。その結果
を図20に示す。図20から素子に印加する電圧値を増
やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少し
て、磁気抵抗効果が増大するスピン依存共鳴トンネル効
果が得られていることが分かる。このことは素子に印加
する電圧または素子に流す電流を適当に選ぶことによっ
て、MR値が大きく低抵抗の素子が実現できることを示
している。The sample thus fabricated was measured for the magnetoresistance ratio and the applied voltage dependency of the device voltage. FIG. 20 shows the result. It can be seen from FIG. 20 that when the voltage value applied to the element is increased, the element resistance decreases at a certain threshold voltage or more, and a spin-dependent resonance tunnel effect in which the magnetoresistance effect increases is obtained. This indicates that an element having a large MR value and a low resistance can be realized by appropriately selecting the voltage applied to the element or the current flowing through the element.
【0074】また、図21に示す磁気抵抗効果曲線を見
ると、Co8 Fe2 /Ni8 Fe2層は約 6Oe という
小さな磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効
果型へッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特
性が得られていることが分かる。Looking at the magnetoresistive effect curve shown in FIG. 21, the Co 8 Fe 2 / Ni 8 Fe 2 layer has a magnetoresistive effect that changes steeply with a small magnetic field of about 6 Oe, It can be seen that good characteristics were obtained as a magnetic sensor and a magnetic storage element.
【0075】なお、誘電体層としてAl2 O3 、Al
N、MgO、Bi2 O3 、MgF2 、CaF2 を用いた
場合においても同様の傾向を示した。Note that Al 2 O 3 , Al
N, MgO, showed the same tendency in the case of using a Bi 2 O 3, MgF 2, CaF 2.
【0076】実施例4 スパッタ装置およびメタルマスクを用いて、まず熱酸化
Si基板上にAu(200nm) /Ir−Mn(15nm)/Co9
Fe(20nm)をArガス圧 1×10-3Torrで成膜した。次い
で、Co8 Pd2 とAl2 O3 をターゲットとして、C
o8 Pd2 とAl2 O3 の体積比が 1:1になるようにA
rガス圧で 1×10-3Torr、O2 ガス圧 1×10-5Torrで交
互スパッタを行った。その際、基板バイアスを300Wかけ
ながら成膜を行った。Example 4 First, Au (200 nm) / Ir—Mn (15 nm) / Co 9 was deposited on a thermally oxidized Si substrate by using a sputtering apparatus and a metal mask.
Fe (20 nm) was deposited at an Ar gas pressure of 1 × 10 −3 Torr. Next, using Co 8 Pd 2 and Al 2 O 3 as targets,
o so that the volume ratio of o 8 Pd 2 to Al 2 O 3 is 1: 1.
Alternate sputtering was performed at an r gas pressure of 1 × 10 −3 Torr and an O 2 gas pressure of 1 × 10 −5 Torr. At this time, the film was formed while applying a substrate bias of 300 W.
【0077】次に、Al2 O3 (1nm) のcap層を成膜
することによって、Al2 O3 /(Al2 O3 で分断さ
れたCo8 Pd2 /Al2 O3 )構造の層状積層膜、A
l2O3 /(Al2 O3 で分断されたCo8 Pd2 /A
l2 O3 )2 構造の層状積層膜を作製した。次に、Al
2 O3 を層間絶縁膜として用いた後、その上に、Arガ
ス圧 1×10-3TorrでスパッタしてCo8 Pd2 (0.8nm)
/Co9 Fe(10nm)/NiFe(30nm)/Au(200nm) を
形成した。このようにして、図7に示した構造の 100μ
m 2 角の 2重トンネル接合および 3重トンネル接合を作
製した。その後、試料を 300℃にて磁場中熱処理して一
軸異方性を付与した。Next, by depositing a cap layer of Al 2 O 3 (1nm), Al 2 O 3 / (Al 2 O 3 Co 8 Pd 2 / Al 2 O 3 were separated by) structure laminar Laminated film, A
l 2 O 3 / (Co 8 Pd 2 / A separated by Al 2 O 3
A layered laminated film having an l 2 O 3 ) 2 structure was produced. Next, Al
After using 2 O 3 as an interlayer insulating film, Co 8 Pd 2 (0.8 nm) is sputtered thereon with an Ar gas pressure of 1 × 10 −3 Torr.
/ Co 9 Fe (10 nm) / NiFe (30 nm) / Au (200 nm). In this way, the 100 μm structure shown in FIG.
to prepare a double tunnel junction and triple tunnel junctions m 2 corners. Thereafter, the sample was heat-treated in a magnetic field at 300 ° C. to give uniaxial anisotropy.
【0078】このようにして作製した試料の磁気抵抗変
化率、素子電圧の印加電圧依存性を測定した。その結果
を図22に示す。図22から素子に印加する電圧値を増
やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少し
て、磁気抵抗効果が増大するスピン依存トンネル効果が
得られていることが分かる。このことは素子に印加する
電圧または素子に流す電流を適当に選ぶことによって、
MR値が大きく低抵抗の素子が実現できることを示して
いる。The sample thus manufactured was measured for the magnetoresistance ratio and the applied voltage dependency of the device voltage. The result is shown in FIG. FIG. 22 shows that when the voltage value applied to the element is increased, the element resistance decreases at a certain threshold voltage or more, and a spin-dependent tunnel effect in which the magnetoresistance effect increases is obtained. This can be achieved by appropriately selecting the voltage applied to the element or the current flowing through the element.
This shows that an element having a large MR value and a low resistance can be realized.
【0079】また、図23に示す磁気抵抗効果曲線を見
ると、Co9 Fe/NiFe層は約5Oe という小さな
磁場で急峻に磁気抵抗効果が変化し、磁気抵抗効果型ヘ
ッド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性を有
していることが分かる。Looking at the magnetoresistive effect curve shown in FIG. 23, the magnetoresistive effect of the Co 9 Fe / NiFe layer changes abruptly with a small magnetic field of about 5 Oe. It can be seen that the device has good characteristics.
【0080】なお、誘電体層としてSiO2 、AlN、
MgO、Bi2 O3 、MgF2 、CaF2 を用いた場合
においても、同様の傾向を示した。Note that SiO 2 , AlN,
Similar tendency was shown when MgO, Bi 2 O 3 , MgF 2 and CaF 2 were used.
【0081】実施例5 スパッタ装置およびメタルマスクを用いて、熱酸化Si
基板上に表1に示す構造を有する 100μm 2 角の多重ト
ンネル接合を作製した。作製方法は実施例1〜実施例5
と同様とした。Example 5 A thermally oxidized Si film was formed using a sputtering apparatus and a metal mask.
To produce a multiple tunnel junction of 100 [mu] m 2 corners having the structure shown in Table 1 on the substrate. The manufacturing method is as described in Examples 1 to 5.
The same as above.
【0082】各試料の磁気抵抗変化率、素子電圧の印加
電圧依存性を測定したところ、素子に印加する電圧値を
増やしていくとあるしきい電圧値以上で素子抵抗が減少
して、磁気抵抗が増大する強磁性層に形成された量子力
学的離散準位を介したスピン依存トンネル効果が得られ
た。これら各試料の抵抗値最小の電流を印加したときの
磁気抵抗変化率および素子抵抗を表1に併せて示す。こ
れらは素子に印加する電圧または素子に流す電流を適当
に選ぶことによって、MR値が大きく低抵抗の素子が実
現できることを示している。また、磁気抵抗効果型ヘッ
ド、磁気センサ、磁気記憶素子として良好な特性が得ら
れた。The magnetoresistance ratio of each sample and the dependence of the element voltage on the applied voltage were measured. As the voltage value applied to the element was increased, the element resistance was reduced at a certain threshold voltage or more, and the magnetoresistance was reduced. A spin-dependent tunneling effect was obtained through a quantum mechanical discrete level formed in the ferromagnetic layer with increasing. Table 1 also shows the magnetoresistance change rate and the element resistance when a current having the minimum resistance value was applied to each of these samples. These indicate that an element having a large MR value and a low resistance can be realized by appropriately selecting the voltage applied to the element or the current flowing through the element. In addition, good characteristics were obtained as a magnetoresistive head, a magnetic sensor, and a magnetic storage element.
【0083】[0083]
【表1】 [Table 1]
【0084】[0084]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の磁気素子
は多重強磁性トンネル接合のスピン偏極トンネル効果に
基づいて、室温下で印加電圧に応じて磁気抵抗変化率が
増加し、例えば室温下で 30%以上というような大きな磁
気抵抗変化率が得られる。従って、このような本発明の
磁気素子によれば、大きな出力電圧を得ることが可能と
なり、磁気抵抗効果型ヘッド、磁気センサ、磁気記憶素
子などの特性向上に大きく寄与するものである。As described above, according to the magnetic element of the present invention, the rate of change in magnetoresistance increases with the applied voltage at room temperature based on the spin-polarized tunneling effect of the multiple ferromagnetic tunnel junction. A large magnetoresistance change rate of more than 30% can be obtained below. Therefore, according to such a magnetic element of the present invention, a large output voltage can be obtained, which greatly contributes to improvement of characteristics of a magnetoresistive head, a magnetic sensor, a magnetic storage element, and the like.
【図1】 2重強磁性トンネル接合におけるエネルギー
ポテンシャルを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an energy potential in a double ferromagnetic tunnel junction.
【図2】 本発明の第1の磁気素子の一実施形態の基本
膜構造を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a basic film structure of one embodiment of the first magnetic element of the present invention.
【図3】 本発明の第2の磁気素子の一実施形態の基本
膜構造を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a basic film structure of an embodiment of the second magnetic element of the present invention.
【図4】 図3に示す磁気素子の変形例を示す断面図で
ある。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a modification of the magnetic element shown in FIG.
【図5】 本発明の第2の磁気素子の他の実施形態の基
本膜構造を示す断面図である。FIG. 5 is a sectional view showing a basic film structure of another embodiment of the second magnetic element of the present invention.
【図6】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造の一実施形態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing one embodiment of a film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic head.
【図7】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造の他の実施形態を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing another embodiment of a film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic head.
【図8】 本発明の磁気素子を磁気へッドに適用する際
の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing still another embodiment of the film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic head.
【図9】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用する
際の膜構造の一実施形態を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing one embodiment of a film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic recording element.
【図10】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造の他の実施形態を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing another embodiment of a film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic recording element.
【図11】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図であ
る。FIG. 11 is a sectional view showing still another embodiment of the film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic recording element.
【図12】 本発明の磁気素子を磁気記録素子に適用す
る際の膜構造のさらに他の実施形態を示す断面図であ
る。FIG. 12 is a sectional view showing still another embodiment of a film structure when the magnetic element of the present invention is applied to a magnetic recording element.
【図13】 本発明の磁気素子の他の構造例を示す断面
図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing another structural example of the magnetic element of the present invention.
【図14】 本発明の磁気素子を適用した磁気記録素子
のセル構造の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of a cell structure of a magnetic recording element to which the magnetic element of the present invention is applied.
【図15】 本発明の実施例1による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。FIG. 15 is a diagram showing the magnetoresistance change rate and the applied voltage dependence of the element current of the magnetic element according to Example 1 of the present invention.
【図16】 本発明の実施例1による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a magnetoresistance effect curve of the magnetic element according to the first embodiment of the present invention.
【図17】 本発明の実施例2による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。FIG. 17 is a diagram showing the applied voltage dependence of the magnetoresistance ratio and the device current of the magnetic device according to the second embodiment of the present invention.
【図18】 本発明の実施例2による磁気素子のスピン
が平行、反平行の場合の差△Rの印加電圧依存性を示す
図である。FIG. 18 is a diagram showing the applied voltage dependence of the difference ΔR when the spin of the magnetic element according to the second embodiment of the present invention is parallel or antiparallel.
【図19】 本発明の実施例2による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing a magnetoresistance effect curve of the magnetic element according to the second embodiment of the present invention.
【図20】 本発明の実施例3による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。FIG. 20 is a diagram showing the magnetoresistance ratio of the magnetic element according to the third embodiment of the present invention and the applied voltage dependence of the element current.
【図21】 本発明の実施例3による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing a magnetoresistance effect curve of a magnetic element according to Embodiment 3 of the present invention.
【図22】 本発明の実施例4による磁気素子の磁気抵
抗変化率および素子電流の印加電圧依存性を示す図であ
る。FIG. 22 is a diagram showing the magnetoresistance change rate and the applied voltage dependence of element current of a magnetic element according to Example 4 of the present invention.
【図23】 本発明の実施例4による磁気素子の磁気抵
抗効果曲線を示す図である。FIG. 23 is a view showing a magnetoresistance effect curve of a magnetic element according to Example 4 of the present invention.
【図24】 本発明の磁気素子に制御電極を設けた場合
の素子概略構造を示す図である。FIG. 24 is a view showing a schematic structure of a magnetic element of the present invention in which a control electrode is provided.
【符号の説明】 1……第1の強磁性層 2、4、12、14……誘電体層 3……第2の強磁性層 5……第3の強磁性層 6……金属層 11……強磁性体からなる第1の金属層 13……強磁性層 15……強磁性体または非磁性体からなる第2の金属層 16……誘電体で分断された強磁性層 17……誘電体 18……強磁性体[Description of Signs] 1... First ferromagnetic layer 2, 4, 12, 14... Dielectric layer 3... Second ferromagnetic layer 5... 3rd ferromagnetic layer 6. ... First metal layer 13 made of ferromagnetic material 13... Ferromagnetic layer 15... Second metal layer made of ferromagnetic material or non-magnetic material 16... Dielectric 18: Ferromagnetic
Claims (9)
性層を挟持するように配置された誘電体層と、前記誘電
体層を介して前記強磁性層と積層配置された第1および
第2の金属層とを有する積層膜を具備し、 前記第1および第2の金属層のうち少なくとも一方は強
磁性体からなり、かつ前記積層膜は前記強磁性層に形成
された離散準位を介してスピン偏極トンネル効果を示す
ことを特徴とする磁気素子。An at least one ferromagnetic layer, a dielectric layer disposed so as to sandwich the ferromagnetic layer, and first and second ferromagnetic layers laminated with the dielectric layer interposed therebetween. A stacked film having a second metal layer, wherein at least one of the first and second metal layers is made of a ferromagnetic material, and the stacked film is formed of discrete levels formed on the ferromagnetic layer. A magnetic element exhibiting a spin-polarized tunneling effect via a magnetic field.
と、前記磁性層を挟持するように配置された誘電体層
と、前記誘電体層を介して前記強磁性層と積層配置され
た第1および第2の金属層とを有する積層膜を具備し、 前記第1および第2の金属層のうち少なくとも一方は強
磁性体からなり、かつ前記積層膜は前記強磁性層に形成
された離散準位を介してスピン偏極トンネル効果を示す
ことを特徴とする磁気素子。2. A ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is divided by a dielectric, a dielectric layer disposed so as to sandwich the magnetic layer, and a stacked arrangement of the ferromagnetic layer via the dielectric layer. A stacked film having first and second metal layers formed, wherein at least one of the first and second metal layers is made of a ferromagnetic material, and the stacked film is formed on the ferromagnetic layer. A magnetic element exhibiting a spin-polarized tunneling effect through a given discrete level.
において、 前記積層膜はスピン偏極共鳴トンネル効果を示すことを
特徴とする磁気素子。3. The magnetic element according to claim 1, wherein the laminated film exhibits a spin-polarized resonance tunnel effect.
において、 前記強磁性層と前記強磁性体からなる金属層のうち、一
方のスピンの方向を変化させることにより磁気抵抗効果
を発現させることを特徴とする磁気素子。4. The magnetic element according to claim 1, wherein the spin direction of one of the ferromagnetic layer and the metal layer made of the ferromagnetic material is changed to exhibit a magnetoresistance effect. A magnetic element, characterized in that:
において、 前記強磁性層に形成された離散準位を制御する電極を具
備することを特徴とする磁気素子。5. The magnetic element according to claim 1, further comprising an electrode for controlling a discrete level formed in the ferromagnetic layer.
断された強磁性層と、誘電体層との積層膜を有する磁気
素子であって、室温下で 30%以上の磁気抵抗変化率を示
すことを特徴とする磁気素子。6. A magnetic element having a ferromagnetic layer or a laminated film of a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is separated by a dielectric and a dielectric layer, wherein the magnetoresistance change at room temperature is 30% or more. A magnetic element showing a ratio.
断された強磁性層と、誘電体層との積層膜を有する磁気
素子であって、室温下で印加電圧に基づいて増加する磁
気抵抗変化率を有することを特徴とする磁気素子。7. A magnetic element having a laminated film of a ferromagnetic layer or a ferromagnetic layer in which a ferromagnetic material is divided by a dielectric and a dielectric layer, and increases at room temperature based on an applied voltage. A magnetic element having a magnetoresistance change rate.
記載の磁気素子を具備することを特徴とする磁気部品。8. A magnetic component comprising the magnetic element according to claim 1. Description:
記載の磁気素子を具備することを特徴とする電子部品。9. An electronic component comprising the magnetic element according to claim 1. Description:
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