JP4304688B2

JP4304688B2 - Spin filter effect element and magnetic device using the same

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Publication number: JP4304688B2
Application number: JP2002190610A
Authority: JP
Inventors: 浩一郎猪俣
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: JP2004039672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スピンフィルタ効果素子およびそれを利用した磁気デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属や半導体に外部磁界を印加したときに、その抵抗が変化する磁気抵抗効果は、磁気ヘッドや磁気センサなどに使用されている。より大きな磁気抵抗を得るために、トンネル接合を用いた磁気抵抗効果素子がある。その中でも、第１の従来例として強磁性スピントンネル接合（ＭＴＪ）素子及び第２の従来例としてスピンフィルタ効果素子がある。
【０００３】
第１の従来例のＭＴＪ素子に関しては、Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉｅｔ．ａｌ、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．、Ｌ３９、ｐ．１２３１、１９９５年に記載されている。
この強磁性層／絶縁体層／強磁性層からなるＭＴＪ素子は、外部磁界によって２つの強磁性層の磁化を互いに平行あるいは反平行に制御することにより、膜面垂直方向のトンネル電流の大きさが互いに異なる、いわゆるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が、室温で得られる。
ＴＭＲは、使用する強磁性層と絶縁体との界面におけるスピン分極率Ｐに依存し、二つの強磁性体のスピン分極率をそれぞれＰ₁，Ｐ₂とすると、一般に、下記（１）式で与えられることが知られている。
ＴＭＲ = 2Ｐ₁Ｐ₂／（１−Ｐ₁Ｐ₂）（１）
ここで、強磁性層のスピン分極率Ｐは０＜Ｐ≦１の値をとる。
現在、スピン分極率が約０．５のＣｏＦｅ合金を用いたＭＴＪ素子により得られているＴＭＲは、室温において約５０％である。
【０００４】
（１）式からわかるように、Ｐ＝１の磁性体を用いると無限に大きなＴＭＲが期待される。Ｐ＝１の磁性体はハーフメタルと呼ばれる。
これまで、ＮｉＭｎＳｂ、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＣｒＯ₂、（Ｌａ−Ｓｒ）ＭｎＯ₄、Ｔｈ₂ＭｎＯ₇、Ｓｒ₂ＦｅＭｏＯ₆など種々のハーフメタルを用いてＴＭＲ素子が製作されたが、いずれも室温のＴＭＲは期待に反して小さく、せいぜい十数％程度であった。
現在、ＭＴＪ素子は、ハードデイスク用磁気ヘッド及び不揮発性磁気メモリ（ＭＲＡＭ）への応用が期待されている。ＭＲＡＭは、ＭＴＪ素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して磁界を印加する構造を有している。この印加磁界により、各ＭＴＪ素子を構成する二つの磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、１、０を記録させている。また、読み出しは、ＴＭＲ効果を利用して行う。
【０００５】
第２の従来例のスピンフィルタ効果素子は、例えば、文献〔Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ、Ｘ．Ｈａｏ、Ｇ．Ａ．ＧｉｂｓｏｎａｎｄＲ．Ｍｅｒｓｅｖｅｙ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．６１、ｐ．６３７、１９８８年〕に記載されている。このスピンフィルタ効果素子は、トンネル障壁としてＥｕＳなどの磁性半導体を用い、電極に非磁性金属（金（Ａｕ）とアルミニウム（Ａｌ））を用いたものである。トンネル障壁が磁性半導体であるため、そのエネルギー準位はスピンによって異なるので、トンネル障壁がスピンに依存することになり、非磁性金属電極からのトンネル電子のコンダクタンスはスピンに依存する。即ち、トンネル障壁はスピンフィルタの役割を担い、このような現象はスピンフィルタ効果と呼ばれる。スピンフィルタ効果素子では磁性半導体のエネルギー準位のスピン分裂が大きいほど、より大きなスピンフィルタ効果が期待される。上述の文献では、スピンフィルタ効果としてスピン分極率Ｐ＝０．８が得られている。
【０００６】
さらに、トンネル障壁にＥｕＳ磁性半導体を用い、一方の電極に非磁性金属を、他方の電極に強磁性金属を用い、強磁性金属の磁化を外部磁界で反転させることによって磁気抵抗効果を得ることができる。この場合の磁気抵抗変化率は、磁性半導体のエネルギー準位のスピン分裂に依存し、それが大きいほどより大きなトンネル磁気抵抗が期待される。
これまでの報告〔Ｐ．ＬｅＣｌａｉｒ、Ｊ．Ｋ．Ｈａ、Ｈ．Ｊ．Ｍ．Ｓｗａｇｔｅｎ、Ｊ．Ｔ．Ｋｏｈｌｈｅｐｐ、Ｇ．Ｈ．ｖａｎＶｉｎａｎｄＷ．Ｊ．Ｍ．ｄｅＪｏｎｇｅ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．８０、ｐ．６２５、２００２年〕によれば、Ａｌ／ＥｕＳ／Ｇｄからなるスピンフィルタ素子において、２Ｋで１００％を超えるＴＭＲが得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来例のＭＴＪ素子をＭＲＡＭに応用し、高密度化のために素子サイズを小さくすると、素子バラツキに伴うノイズが増大するので、ＴＭＲの値の大きいＭＴＪ素子が必要となる。現状のＴＭＲの値である約６０％ではまだＴＭＲが小さく、ＴＭＲの大きい素子が得られないという課題がある。
【０００８】
第２の従来例のスピンフィルタ効果素子では、１００％を超えるＴＭＲが得られているが、ＥｕＳのキュリー点が１６．８Ｋと低温のため、このような大きなＴＭＲは、２Ｋという極低温でしか得られていない。従って、常温動作のスピンフィルタ効果素子が実現されていないという課題がある。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、キュリー点の高い新しい強磁性体をトンネル障壁に用い、室温かつ低外部磁界で、非常に大きなＴＭＲを有するスピンフィルタ効果素子を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のスピンフィルタ効果素子は、非磁性層からなる第１の電極と、第１の電極上のマグネタイトを除く高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜と、強磁性スピネルフェライト膜上の強磁性層からなる第２の電極と、が順に配置され、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、電子に対してスピンに依存したトンネル障壁として作用する。
この構成によれば、本発明のスピンフィルタ効果素子は、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）を除く高抵抗の強磁性スピネルフェライトをトンネル障壁に用いることにより、室温かつ低外部磁界で、非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
【００１１】
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜において、Ｆｅの一部が、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉおよびそれらの混合物で置換されており、かつ比抵抗が１Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、Ｍ_ｘＦｅ_３−ｘＯ_４（Ｍは、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉの何れか１つ）であることを特徴とする。
高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、ＣｏＦｅ _２Ｏ _４からなることを特徴とする。
このような高抵抗強磁性スピネルフェライトは、エネルギーバンドのスピン分裂が１ｅＶ以上と大きいため、大きなＴＭＲが得られる。また、比抵抗を１Ω・ｃｍ以上とすることにより、トンネル障壁が効率良く形成できる。
【００１２】
前記構成において、第２の電極の強磁性層上に反強磁性層が配置されており、強磁性層と反強磁性層とがスピンバルブ構造からなる。また、第２の電極は保護膜となる非磁性金属に覆われていてよい。また、スピンフィルタ効果素子は、基板上に形成されている。
この構成によれば、スピンバルブ効果により強磁性電極の磁化は、反強磁性層との交換相互作用により、スピンが１方向に固定されるので、本発明のスピンフィルタ効果素子のＴＭＲは更に大きくなる。
【００１３】
また、本発明の磁気デバイスは、前記構成のスピンフィルタ効果素子を有することを特徴とする。この構成によれば、本発明のスピンフィルタ効果素子は、室温において低外部磁界で大きなＴＭＲを有するので、高感度磁気ヘッド、信号電圧の大きいＭＲＡＭ、高感度の磁界センサなどの磁気デバイスを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるスピンフィルタ効果素子及びそれを用いた磁気デバイスの実施の形態を図面により詳細に説明する。
図１は本発明のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。本発明のスピンフィルタ効果素子１は、高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が第１の電極である非磁性電極１１と第２の電極である強磁性電極１３との間に挿入された構造を有している。直流電源１４は、第１の電極１１と第２の電極１３に印加され、外部磁界１５が膜面内に平行に印加されている。
【００１５】
ここで、高抵抗のスピネルフェライト１２は、強磁性を有し、その厚さはトンネル現象が生起するように十分に薄く形成されている。直流電源１４は、非磁性電極１１からの電子が、スピネルフェライト１２中をトンネルして、強磁性電極１３へ流れるように、非磁性電極１１側を負とする向きに接続する。
【００１６】
図２は、本発明のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。図において、Φ↓（下向き矢印）は、第１の電極のフェルミ準位からの高抵抗のスピネルフェライト１２の↓（下向き矢印）スピンバンドの電位障壁高さである。
また、高抵抗のスピネルフェライト１２は、強磁性体であるため、↑（上向き矢印）スピンバンドのエネルギー準位は、Φ↓と異なるΦ↑（上向き矢印）で示す。図２に示すように、Φ↑がΦ↓よりも小さいので、スピン電子ｅ↑のみが、Φ↑のトンネル障壁を介して強磁性電極１３側にトンネルすることができる。
【００１７】
このように、トンネル障壁がスピンに依存することで、非磁性金属電極１１からのトンネル電子による抵抗、または、コンダクタンスは、スピンに依存し、スピンに依存したトンネル現象を示す。すなわち、トンネル障壁はスピンフィルタとして働く。
従って、本発明のスピンフィルタ素子１では、高抵抗のスピネルフェライト１２のエネルギー準位のスピン分裂が大きいほど、より大きなスピンフィルタ効果が得られる。また、本発明のスピンフィルタ素子１では外部磁界１５を印加し、このスピンフィルタ効果を利用すると共に、外部磁界により第２電極の強磁性層のスピンを反転させることによって、大きなトンネル磁気抵抗効果が得られる。
【００１８】
図１に示す本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極１３は、強磁性電極上に、さらに反強磁性層を積層して形成することができる。この構造では、スピンバルブ効果により強磁性電極の磁化は、反強磁性層との交換相互作用により、スピンが１方向に固定されるので、電極１３のスピンの平行、反平行を容易に得ることができるため、本発明のスピンフィルタ効果素子のＴＭＲは更に大きくなる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極１３の強磁性電極、または、反強磁性層の上には、さらに保護膜となる非磁性の電極層を堆積させることが好ましい。
本発明のスピンフィルタ効果素子１は、スパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いて成膜することができる。
【００１９】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子に用いるスピネルフェライトについて説明する。
スピネルフェライトは、ＭＦｅ₂Ｏ₄なる化学式で表される。ここで、Ｍは、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉなどの２価のイオンであり、Ｆｅは３価の鉄イオンである。
スピネル構造の単位胞は分子式ＭＦｅ₂Ｏ₄の８個分のイオンから構成され、金属イオンの入る位置は結晶学的に異なるＡ、Ｂ二つのサイトがある。Ａサイトは、４個の酸素で４面体的に囲まれ、Ｂサイトは、６個の酸素で８面体的に囲まれている。
ここで、Ｍ＝Ｆｅであるマグネタイト（Ｆｅ₃Ｏ₄）は、金属的な伝導性を有し、トンネル障壁の機能を有しないから、本発明のスピンフィルタ効果素子のトンネル障壁とならない。
【００２０】
このＡ、Ｂサイトへの金属イオンの入り方の違いで正スピネルと逆スピネルとがある。２価のイオンがＡサイトに入るものを正スピネル、Ｂサイトに入るものを逆スピネルという。
従って、正スピネルフェライトは、（Ｍ²⁺）［Ｆｅ³⁺］Ｏ₄、逆スピネルフェライトは、（Ｆｅ³⁺）［Ｆｅ³⁺Ｍ²⁺］Ｏ₄となる。
ここで（）は、Ａサイトを、［］は、Ｂサイトを表す。
正スピネルフェライトは、Ｍ＝Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｎの場合のみであり、それ以外は逆スピネルであることが知られている。
【００２１】
スピネルフェライトでは、ＡサイトとＢサイト間（Ａ−Ｂ間）の負の交換相互作用が最も大きく、Ａ−Ａ間およびＢ−Ｂ間のそれは、負の小さな値である。従って、逆スピネルフェライトでは、Ｍ²⁺のスピンの大きさのみで磁化の値が決まる。
【００２２】
一方、正スピネルでは、Ｍが非磁性元素の場合には、Ａ−Ｂ間の相互作用は零であり、Ｂ−Ｂ間の負の相互作用によって反強磁性体になる。そのため、ＺｎフェライトやＣｄフェライトは反強磁性体である。他方、正スピネルにおいて、Ｍの量が１より小さい場合には、Ｍの不足した位置をＦｅ³⁺が占めることになるので、（Ｍ_XＦｅ_1-x）［Ｆｅ₂］Ｏ₄、即ちＭ_XＦｅ_3-XＯ₄となる。
この結果、Ｍ_XＦｅ_3-XＯ₄のＭが非磁性元素でも（１＋ｘ）個のＦｅ³⁺に相当する磁化が生じて強磁性体になり、本発明のスピンフィルタ効果素子のトンネル障壁に用いる強磁性層として好適である。
【００２３】
本発明のスピンフィルタ効果素子に用いる強磁性スピネルフェライト１２は、特に、エネルギーバンドのスピン分裂が１ｅＶ以上と大きく、大きなＴＭＲが得られ、且つ室温で動作させるためにキュリー点が室温よりも十分高い材料であることが好ましい。また、スピンフィルタ効果を得るために、有効なトンネル障壁とするためには、高抵抗のスピネルフェライト１２の抵抗率は、１Ω・ｃｍ以上が好適である。
このような、強磁性スピネルフェライト１２としては、Ｆｅの一部を、Ｍ＝Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｌｉ及びそれらの混合物で置換した材料が好適である。
また、高抵抗の強磁性スピネルフェライト１２が、Ｍ_XＦｅ_3-XＯ₄（Ｍは、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉの何れか１つ）であればよい。
このような、本発明に用いる高抵抗のスピネルフェライト１２のキュリー点は、おおよそ３００℃以上あるので、室温で十分に動作する。
【００２４】
本発明によるスピンフィルタ効果素子１は以上のように構成されており、外部磁界の印加により以下のような抵抗が得られる。
図３は本発明のスピンフィルタ効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。図の横軸は、スピンフィルタ効果素子に印加される外部磁界で、縦軸が抵抗である。ここで、本発明のスピンフィルタ効果素子には、トンネル電流が流れるために必要な電圧が十分に印加されている。
図示するように、本発明のスピンフィルタ効果素子の抵抗は、外部磁界により大きな変化を示す。外部磁界を領域（Ｉ）より印加し、外部磁界を減少させ、零として、さらに外部磁界を反転して増大させると、領域（II）から領域（III ）において最小の抵抗から最大の抵抗に変化する。ここで、領域（II）の外部磁界をＨ₁とする。
【００２５】
さらに、外部磁界を増加させると、領域（III ）から領域（IV）を経て領域（Ｖ）までの抵抗変化が得られる。これにより、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、領域（Ｉ）と、領域（III ）の外部磁界おいて、強磁性電極１３のスピンが強磁性トンネル障壁のスピンに対して平行と反平行の状態となり、それぞれ抵抗が最小と最大となる。
【００２６】
次に、領域（Ｖ）から、外部磁界を減少させ、零として反転させ領域（■）に戻した時には、抵抗は、領域（Ｖ），領域（IV），領域（III ），領域（VI）を経て、領域（Ｉ）へと変化する。領域（II）と領域（VI）は所謂ヒステリシスが得られる領域である。ここで、領域（VI）の磁界は−Ｈ₂とする。ヒステリシスの発生する磁界Ｈ₁と−Ｈ₂の磁界の絶対値は、おおよそ等しい。
【００２７】
ここで、磁気抵抗変化率は、外部磁界を印加したとき、
磁気抵抗変化率＝（最大の抵抗−最小の抵抗）／最小の抵抗（％）
で表され、この値が大きいほど、磁気抵抗変化率としては、望ましい。
これにより、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、図３に示すように、磁界が零から±Ｈ₁より極く僅かに大きい磁界、即ち低い磁界を加えることで、大きな磁気抵抗変化率が得られる。
【００２８】
本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、キュリー点が室温より高い高抵抗のスピネルフェライト１２と、第２の電極１３の強磁性電極とにより、室温で大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子の第２の電極をスピンバルブ電極とすれば、より大きい磁気抵抗変化率を得ることができる。
【００２９】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子を用いた磁気デバイスに係る実施の形態を示す。
図３に示すように、領域（Ｉ）から領域（III ）の間で大きな抵抗変化、即ち大きな磁気抵抗変化率が得られる。
本発明のスピンフィルタ効果素子１は、室温で、かつ、低磁界において大きな磁気抵抗変化率を有しているので、磁気抵抗センサとして用いれば、感度の高い磁気デバイスを得ることができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、室温で、かつ、低磁界において大きな磁気抵抗変化率を有しているので、感度の高い読み出し用の磁気デバイス所謂磁気ヘッドを構成することができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子をマトリックス状に配置し、別に設けた配線に電流を流して外部磁界を印加することで、スピンフィルタ効果素子を構成する第２の強磁性電極の磁性層を互いに平行、反平行に制御することにより、抵抗が高い状態と抵抗が低い状態となり保持、即ち記録ができる。
これを１、０として記録させることで、ＭＲＡＭなどの磁気デバイスを構成することができる。
【００３０】
次に、本発明のスピンフィルタ効果素子の実施例について説明する。
（実施例１）
図４は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例１の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、例えばＭｇＯ（１００）基板２０上に非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に第２の電極１３となる強磁性層１３Ａが配置されている。ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＣｏＦｅ_２Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ _９Ｆｅを５ｎｍ、それぞれ堆積して成膜した多層膜である。
なお、成膜時に１００Ｏｅ（Ｏｅ：エルステッド）の磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。また、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４膜１３Ａを成膜するときには基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３１】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３２】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、Ｃｏ _９Ｆｅ膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは、室温で約１２０％と非常に大きい値を示した。これは、強磁性ＣｏＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、ＣｏＦｅ_２Ｏ_４１２の単独薄膜の抵抗率は１０^４ Ω・ｃｍ以上であった。
【００３３】
（実施例２）
図６は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例２の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、ＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと反強磁性体層１３Ｂとが配置されている。
ここで、上記構造は、ＭＢＥ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト膜１２としてＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ _９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ層１３Ｂは、反強磁性体であり、スピネルフェライト膜１２であるＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４のスピンを固定する役割をしている。なお、Ｍｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３４】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３５】
本実施例２でも、上記実施例１の場合と同様に、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、Ｍｎ_0.25Ｆｅ_2.75Ｏ₄膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは室温で約１８０％と非常に大きい値を示した。これは強磁性体のＭｎ_0.25Ｆｅ_2.75Ｏ₄膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、Ｍｎ_0.25Ｆｅ_2.75Ｏ₄膜１２の単独薄膜の抵抗率は、約１００Ω・ｃｍであった。
【００３６】
（実施例３）
本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例３の構成は、上記実施例２と同じ構成である。
実施例３におけるスピネルフェライト膜１２は、実施例２によるＭｎ_０．２５Ｆｅ_２．７５Ｏ_４膜１２を、ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２に変えたものである。他の各層の構成は、実施例２と同一である。
ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によってＭｇＯ（１００）基板２０上に、非磁性の第１の電極１１としてＴｉＮを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＭｎＦｅ_２Ｏ_４を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ _９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ膜１３Ｂは反強磁性体でありＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２のスピンを固定する役割をしている。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。ＭｎＦｅ_２Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２０を４００℃の温度に加熱した。
【００３７】
本実施例でも、同様に図５のスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図を用いて説明する。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００３８】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定した結果、ＭｎＦｅ₂Ｏ₄膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは室温で約１３０％と非常に大きい値を示した。これは、ＭｎＦｅ₂Ｏ₄膜１２のスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、ＭｎＦｅ₂Ｏ₄膜１２の単独薄膜の抵抗率は、１０⁴Ω・ｃｍ以上であった。
【００３９】
（実施例４）
図７は本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例４の構成を示す断面図である。図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子は、熱酸化Ｓｉ基板２１上にスピンフィルタ効果素子１を形成している。Ｓｉ基板２１の表面を熱酸化し、酸化膜２１Ｂを形成した。この基板２１上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと、反強磁性体層１３Ｂと、さらに保護膜となる電極層１３Ｃが配置されている。
ここで、上記構造は、高周波スパッタ法によって熱酸化Ｓｉ基板２１上に、非磁性の第１の電極１１としてＡｌを１０ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＺｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４を５ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ _９Ｆｅを１０ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、保護層１３Ｃとなる非磁性層のＡｌを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。ＩｒＭｎ膜１３Ｂは、反強磁性体であり、強磁性層１３ＡのＣｏ _９Ｆｅ１３のスピンを固定する役割をしている。なお、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。また、Ｚｎ_０．３５Ｆｅ_２．６５Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２１を４００℃の温度に加熱した。
【００４０】
スピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す図５を用いて以下説明する。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００４１】
この素子について、四端子法を用いて、室温において磁気抵抗を測定した結果、Ｚｎ_0.35Ｆｅ_2.65Ｏ₄膜１２のスピン反転に伴う磁気抵抗効果曲線が得られ、その大きさは約１４０％と非常に大きい値を示した。これは、Ｚｎ_0.35Ｆｅ_2.65Ｏ₄膜１２が強磁性で、そのスピン分裂が非常に大きく、ハーフメタル的振る舞いを示したことによると考えられる。なお、Ｚｎ_0.35Ｆｅ_2.65Ｏ₄膜１２の単独の薄膜の抵抗率は、約１０Ω・ｃｍであった。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、構造が簡便で、室温において磁気抵抗変化率が非常に大きいので、ＭＲＡＭなどの不揮発性磁気メモリの記憶素子として、素子寸法の縮小をしても、十分に大きな電流が得られる。
【００４２】
（実施例５）
図８は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例５の構成を示す断面図である。実施例５におけるスピンフィルタ効果素子１の構造は、実施例４のスピネルフェライト１２上に、さらに絶縁膜１６を挿入していることである。絶縁膜１６は、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２と、強磁性層１３Ａとの磁気的結合を弱めるために用いている。
図に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子は、熱酸化Ｓｉ基板２１上にスピンフィルタ効果素子１を形成している。Ｓｉ基板２１の表面を熱酸化し、酸化膜２１Ｂを形成した。この基板２０上に、非磁性の第１の電極１１が配置され、第１の電極１１上に高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜が配置され、さらに高抵抗のスピネルフェライト１２の薄膜上に絶縁膜１６が堆積され、第２の電極１３となる強磁性層１３Ａと、反強磁性体層１３Ｂと、さらに保護膜となる電極層１３Ｃが配置されている。
【００４３】
ここで、上記構造は、マグネトロンスパッタ法を用いて、熱酸化Ｓｉ基板２１上に、非磁性の第１の電極１１としてＡｌを５ｎｍ、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライト１２としてＺｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４を１０ｎｍ、絶縁膜のＡｌ_２Ｏ_３１６を２ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ _９Ｆｅを５ｎｍ、反強磁性体層１３ＢとしてＩｒＭｎを５ｎｍ、保護層１３Ｃとなる非磁性層のＡｌを５ｎｍ、順次堆積して成膜した多層膜である。
【００４４】
ＩｒＭｎ１３Ｂは反強磁性体であり、強磁性層Ｃｏ _９Ｆｅ１３Ａのスピンを固定する役割をしている。Ａｌ_２Ｏ_３１６は絶縁膜であり、強磁性トンネル絶縁層となるスピネルフェライトＺｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４膜１２と、強磁性層１３ＡであるＣｏ _９Ｆｅとの間の磁気的結合を弱めるために用いた。また、成膜時に１００Ｏｅの磁界を印加して膜面内に一軸異方性を導入した。Ｚｎ_０．２Ｆｅ_２．８Ｏ_４膜１２を成膜するときには、基板２１を４００℃の温度に加熱した。
【００４５】
図５は、本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定用のパターンを示す平面図である。フォトリソグラフィとイオンミリングを用いてこの積層膜を微細加工し、十字型のパターンを形成した。図示するように、幅ｗとして４μｍの微小なスピンフィルタ効果素子１を製作した。
【００４６】
ここで、四端子法を用いて磁気抵抗を測定したところ、２０Ｏｅという小さな外部磁界で室温において、約８５％のＴＭＲを観測した。この値は従来のＴＭＲよりかなり大きく、Ｚｎ_0.2Ｆｅ_2.8Ｏ₄膜１２のスピン分裂が非常に大きいことを意味し、ハーフメタルであることを示唆している。
【００４７】
本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態では、金属ＭをＺｎやＭｎを使用した例を説明をしたが、金属Ｍは、これに限らず、Ｃｏなどに適用し得ることは勿論である。また、本発明のスピンフィルタ効果素子を用いた磁気デバイスは、磁気抵抗センサ、ＭＲＡＭ、磁気ヘッドについて説明したが、他の磁気デバイスなどに適用し得ることは言うまでもない。
【００４８】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、室温で、かつ、低外部磁界で、非常に大きなトンネル磁気抵抗が得られ、従来にない新規なスピンフィルタ効果素子を提供することができる。
また、本発明のスピンフィルタ効果素子は、構造が簡便で、室温で非常に大きなトンネル磁気抵抗が得られるので、従来の磁気抵抗効果素子よりもはるかに微細化が可能である。
【００４９】
さらに、このスピンフィルタ効果素子は、磁気デバイスに使用することで新規な磁気デバイスを提供することができる。このスピンフィルタ効果素子を磁気デバイスに使用すれば、高感度磁気ヘッドや信号電圧の大きいＭＲＡＭを実現できるほか、各種高感度の磁界センサなどが提供できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスピンフィルタ効果素子の構成を示す断面図である。
【図２】本発明のスピンフィルタ効果素子の動作を説明するためのエネルギー準位を示す模式図である。
【図３】本発明のスピンフィルタ効果素子に外部磁界を印加したときの抵抗を模式的に説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例１の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の四端子磁気抵抗測定のパターンを示す平面図である。
【図６】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例２の構成を示す断面図である。
【図７】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例４の構成を示す断面図である。
【図８】本発明に係る実施の形態によるスピンフィルタ効果素子の実施例５の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１スピンフィルタ効果素子
１１第１の電極である非磁性電極
１２高抵抗のスピネルフェライト
１３第２の電極
１３Ａ強磁性層
１３Ｂ反強磁性層
１３保護膜
１４直流電源
１５外部磁界
１６絶縁膜
２０ＭｇＯ基板
２１熱酸化Ｓｉ基板
２１ＡＳｉ基板
２１ＢＳｉ酸化膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spin filter effect element and a magnetic device using the same.
[0002]
[Prior art]
The magnetoresistive effect that changes its resistance when an external magnetic field is applied to a metal or semiconductor is used in magnetic heads, magnetic sensors, and the like. In order to obtain a larger magnetoresistance, there is a magnetoresistive effect element using a tunnel junction. Among them, there is a ferromagnetic spin tunnel junction (MTJ) element as a first conventional example and a spin filter effect element as a second conventional example.
[0003]
Regarding the MTJ element of the first conventional example, T.W. Miyazaki et. al, J. et al. Magn. Mater. L39, p. 1231, 1995.
This MTJ element comprising a ferromagnetic layer / insulator layer / ferromagnetic layer controls the magnitude of the tunnel current in the direction perpendicular to the film surface by controlling the magnetizations of the two ferromagnetic layers in parallel or antiparallel to each other by an external magnetic field. The so-called tunnel magnetoresistance (TMR) effect, which are different from each other, is obtained at room temperature.
TMR depends on the spin polarizability P at the interface between the ferromagnetic layer and the insulator to be used. When the spin polarizabilities of the two ferromagnets are P ₁ and P ₂ , respectively, It is known to be given.
TMR = 2P ₁ P ₂ / (1-P ₁ P ₂ ) (1)
Here, the spin polarizability P of the ferromagnetic layer takes a value of 0 <P ≦ 1.
At present, the TMR obtained by an MTJ element using a CoFe alloy having a spin polarizability of about 0.5 is about 50% at room temperature.
[0004]
As can be seen from the equation (1), an infinitely large TMR is expected when a magnetic material of P = 1 is used. A magnetic material of P = 1 is called a half metal.
Up to now, TMR elements have been manufactured using various half metals such as NiMnSb, Fe ₃ O ₄ , CrO ₂ , (La—Sr) MnO ₄ , Th ₂ MnO ₇ , Sr ₂ FeMoO ₆ . TMR was small against expectations and was at most about 10%.
Currently, the MTJ element is expected to be applied to a hard disk magnetic head and a non-volatile magnetic memory (MRAM). The MRAM has a structure in which MTJ elements are arranged in a matrix and a magnetic field is applied by flowing a current through a separately provided wiring. By applying the applied magnetic field, the two magnetic layers constituting each MTJ element are controlled to be parallel and antiparallel to each other, thereby recording 1 and 0. Reading is performed using the TMR effect.
[0005]
The spin filter effect element of the second conventional example is disclosed in, for example, a document [J. S. Moodera, X. et al. Hao, G .; A. Gibson and R.M. Mersevey, Phys. Rev. Lett. Vol. 61, p. 637, 1988]. This spin filter effect element uses a magnetic semiconductor such as EuS as a tunnel barrier, and uses a nonmagnetic metal (gold (Au) and aluminum (Al)) as an electrode. Since the tunnel barrier is a magnetic semiconductor, its energy level differs depending on the spin. Therefore, the tunnel barrier depends on the spin, and the conductance of tunnel electrons from the nonmagnetic metal electrode depends on the spin. That is, the tunnel barrier plays a role of a spin filter, and such a phenomenon is called a spin filter effect. In the spin filter effect element, the larger the spin splitting of the energy level of the magnetic semiconductor, the larger the spin filter effect is expected. In the above-mentioned document, the spin polarizability P = 0.8 is obtained as the spin filter effect.
[0006]
Furthermore, a magnetoresistive effect can be obtained by using an EuS magnetic semiconductor for the tunnel barrier, using a nonmagnetic metal for one electrode and a ferromagnetic metal for the other electrode, and reversing the magnetization of the ferromagnetic metal with an external magnetic field. it can. The magnetoresistance change rate in this case depends on the spin splitting of the energy level of the magnetic semiconductor, and a larger tunnel magnetoresistance is expected as it increases.
Previous reports [P. LeClair, J. et al. K. Ha, H.H. J. et al. M.M. Swagten, J.M. T.A. Kohlhepp, G.H. H. vanVin and W.M. J. et al. M.M. de Jonge, Appl. Phys. Lett. Vol. 80, p. 625, 2002], TMR exceeding 100% was obtained at 2K in a spin filter element made of Al / EuS / Gd.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
When the MTJ element of the first conventional example is applied to an MRAM and the element size is reduced in order to increase the density, noise due to element variation increases. Therefore, an MTJ element having a large TMR value is required. At the current TMR value of about 60%, the TMR is still small, and there is a problem that an element having a large TMR cannot be obtained.
[0008]
In the spin filter effect element of the second conventional example, a TMR exceeding 100% is obtained. However, since the Curie point of EuS is as low as 16.8K, such a large TMR can only be achieved at an extremely low temperature of 2K. Not obtained. Therefore, there is a problem that a spin filter effect element operating at room temperature has not been realized.
[0009]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a spin filter effect element having a very large TMR at room temperature and a low external magnetic field using a new ferromagnetic material having a high Curie point as a tunnel barrier.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a spin filter effect element of the present invention includes a first electrode comprising a nonmagnetic layer, a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film excluding magnetite on the first electrode, and a ferromagnetic spinel ferrite. a second electrode made of a ferromagnetic layer on the membrane, but are arranged in this order, a ferromagnetic spinel ferrite film of high resistance, acts as a tunnel barrier depends on the spin against the electrons.
According to this configuration, the spin filter effect element of the present invention uses a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite excluding magnetite (Fe ₃ O ₄ ) as a tunnel barrier, thereby allowing a very large TMR at room temperature and a low external magnetic field. Can be obtained.
[0011]
In the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film, part of Fe is replaced with Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li and a mixture thereof, and the specific resistance is 1 Ω · cm or more. It is characterized by being.
In addition, a high resistance ferromagnetic spinel ferrite film is formed of M _x Fe _{_3-x O} 4 (M is, Zn, Mn, Co, Ni , Cu, Mg, one of Li), characterized in that a.
A high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film is characterized by comprising CoFe ₂ O ₄ .
Such a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite has a large spin splitting of the energy band of 1 eV or more, so that a large TMR can be obtained. Further, when the specific resistance is 1 Ω · cm or more, the tunnel barrier can be formed efficiently.
[0012]
In the above configuration, the antiferromagnetic layer is disposed on the ferromagnetic layer of the second electrode, and the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer have a spin valve structure. The second electrode may be covered with a nonmagnetic metal that serves as a protective film. The spin filter effect element is formed on the substrate.
According to this configuration, the magnetization of the ferromagnetic electrode is fixed in one direction by the exchange interaction with the antiferromagnetic layer due to the spin valve effect, so that the TMR of the spin filter effect element of the present invention is further increased. Become.
[0013]
The magnetic device of the present invention is characterized by having the spin filter effect element having the above-described configuration. According to this configuration, the spin filter effect element of the present invention has a large TMR with a low external magnetic field at room temperature, and thus provides a magnetic device such as a high-sensitivity magnetic head, a large signal voltage MRAM, and a high-sensitivity magnetic field sensor. be able to.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a spin filter effect element and a magnetic device using the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the spin filter effect element of the present invention. The spin filter effect element 1 of the present invention has a structure in which a thin film of high-resistance spinel ferrite 12 is inserted between a nonmagnetic electrode 11 as a first electrode and a ferromagnetic electrode 13 as a second electrode. is doing. The DC power source 14 is applied to the first electrode 11 and the second electrode 13, and an external magnetic field 15 is applied in parallel to the film surface.
[0015]
Here, the high-resistance spinel ferrite 12 has ferromagnetism, and its thickness is sufficiently thin so that a tunnel phenomenon occurs. The direct current power source 14 is connected in a direction in which the nonmagnetic electrode 11 side is negative so that electrons from the nonmagnetic electrode 11 tunnel through the spinel ferrite 12 and flow to the ferromagnetic electrode 13.
[0016]
FIG. 2 is a schematic diagram showing energy levels for explaining the operation of the spin filter effect element of the present invention. In the figure, Φ ↓ (downward arrow) is the potential barrier height of the ↓ (downward arrow) spin band of the high resistance spinel ferrite 12 from the Fermi level of the first electrode.
Further, since the high-resistance spinel ferrite 12 is a ferromagnetic material, the energy level of the ↑ (upward arrow) spin band is indicated by Φ ↑ (upward arrow) different from Φ ↓. As shown in FIG. 2, since Φ ↑ is smaller than Φ ↓, only the spin electrons e ↑ can tunnel to the ferromagnetic electrode 13 side through the tunnel barrier of Φ ↑.
[0017]
As described above, since the tunnel barrier depends on the spin, the resistance or conductance due to the tunnel electrons from the nonmagnetic metal electrode 11 depends on the spin, and shows a tunnel phenomenon depending on the spin. That is, the tunnel barrier functions as a spin filter.
Therefore, in the spin filter element 1 of the present invention, the greater the spin splitting of the energy level of the high resistance spinel ferrite 12, the greater the spin filter effect. Further, in the spin filter element 1 of the present invention, an external magnetic field 15 is applied and this spin filter effect is utilized, and the spin of the ferromagnetic layer of the second electrode is reversed by the external magnetic field, thereby providing a large tunnel magnetoresistance effect. can get.
[0018]
The second electrode 13 of the spin filter effect element of the present invention shown in FIG. 1 can be formed by further laminating an antiferromagnetic layer on the ferromagnetic electrode. In this structure, the magnetization of the ferromagnetic electrode is fixed in one direction by the exchange interaction with the antiferromagnetic layer due to the spin valve effect, so that the spin and parallel of the electrode 13 can be easily obtained. Therefore, the TMR of the spin filter effect element of the present invention is further increased.
Further, it is preferable that a nonmagnetic electrode layer serving as a protective film is further deposited on the ferromagnetic electrode or antiferromagnetic layer of the second electrode 13 of the spin filter effect element of the present invention.
The spin filter effect element 1 of the present invention can be formed using a normal thin film forming method such as sputtering, vapor deposition, laser ablation, or MBE.
[0019]
Next, the spinel ferrite used for the spin filter effect element of the present invention will be described.
Spinel ferrite is represented by the chemical formula MFe ₂ O ₄ . Here, M is a divalent ion such as Zn, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mg, Li, and Fe is a trivalent iron ion.
The unit cell of the spinel structure is composed of eight ions of the molecular formula MFe ₂ O ₄ , and there are two sites A and B where the metal ions enter are crystallographically different. The A site is tetrahedrally surrounded by four oxygens, and the B site is octahedrally surrounded by six oxygens.
Here, magnetite (Fe ₃ O ₄ ) in which M = Fe has metallic conductivity and does not have a tunnel barrier function, and therefore does not serve as a tunnel barrier of the spin filter effect element of the present invention.
[0020]
There are a normal spinel and a reverse spinel depending on how metal ions enter the A and B sites. Those in which divalent ions enter the A site are called normal spinels, and those that enter the B sites are called reverse spinels.
Accordingly, the normal spinel ferrite is (M ²⁺ ) [Fe ³⁺ ] O ₄ , and the reverse spinel ferrite is (Fe ³⁺ ) [Fe ³⁺ M ²⁺ ] O ₄ .
Here, () represents the A site, and [] represents the B site.
It is known that the normal spinel ferrite is only in the case of M = Zn, Cd, Mn, and the other is a reverse spinel.
[0021]
In spinel ferrite, the negative exchange interaction between the A site and the B site (between A and B) is the largest, and that between A and A and between B and B is a small negative value. Therefore, in the reverse spinel ferrite, the magnetization value is determined only by the magnitude of the M ²⁺ spin.
[0022]
On the other hand, in the case of positive spinel, when M is a nonmagnetic element, the interaction between AB is zero and the negative interaction between BB becomes an antiferromagnetic material. Therefore, Zn ferrite and Cd ferrite are antiferromagnetic materials. On the other hand, in the positive spinel, when the amount of M is smaller than 1, Fe ³⁺ occupies the position where M is insufficient, so (M _X Fe _1-x ) [Fe ₂ ] O ₄ , that is, M the _X Fe _{_3-X} O _4.
As a _{_{result, M X Fe 3-X O}} 4 of M becomes ferromagnetic be (1 + x) pieces of the corresponding magnetization occurs in the Fe ³⁺ in the non-magnetic element, the tunnel barrier of the spin filter effect element of the present invention It is suitable as a ferromagnetic layer to be used.
[0023]
The ferromagnetic spinel ferrite 12 used in the spin filter effect element of the present invention has a large energy band spin splitting of 1 eV or more, a large TMR, and a Curie point sufficiently higher than room temperature to operate at room temperature. A material is preferred. Further, in order to obtain an effective tunnel barrier in order to obtain the spin filter effect, the resistivity of the high resistance spinel ferrite 12 is preferably 1 Ω · cm or more.
As such a ferromagnetic spinel ferrite 12, a material in which a part of Fe is replaced with M = Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li and a mixture thereof is suitable.
The high-resistance ferromagnetic spinel ferrite 12 may be M _x Fe _{3 -x} O ₄ (M is any one of Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, and Li).
Such a high resistance spinel ferrite 12 used in the present invention has a Curie point of approximately 300 ° C. or more, and therefore operates sufficiently at room temperature.
[0024]
The spin filter effect element 1 according to the present invention is configured as described above, and the following resistance can be obtained by applying an external magnetic field.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating resistance when an external magnetic field is applied to the spin filter effect element of the present invention. The horizontal axis in the figure is the external magnetic field applied to the spin filter effect element, and the vertical axis is the resistance. Here, a voltage necessary for the tunnel current to flow is sufficiently applied to the spin filter effect element of the present invention.
As shown in the figure, the resistance of the spin filter effect element of the present invention shows a large change due to the external magnetic field. When an external magnetic field is applied from the region (I), the external magnetic field is reduced to zero, and the external magnetic field is reversed and increased, the resistance changes from the minimum resistance to the maximum resistance in the region (II). To do. Here, the external magnetic field in the region (II) is H ₁ .
[0025]
Further, when the external magnetic field is increased, a resistance change from the region (III) to the region (V) through the region (IV) can be obtained. As a result, the spin filter effect element 1 of the present invention is such that the spin of the ferromagnetic electrode 13 is parallel and anti-parallel to the spin of the ferromagnetic tunnel barrier in the external magnetic field of the region (I) and the region (III). State, where the resistance is minimum and maximum respectively.
[0026]
Next, when the external magnetic field is reduced from the region (V), reversed as zero and returned to the region (■), the resistance is the region (V), region (IV), region (III), region (VI). After that, the region changes to region (I). Regions (II) and (VI) are regions where so-called hysteresis is obtained. Here, the magnetic field region (VI) is a -H _2. The absolute values of the magnetic fields H ₁ and -H ₂ that generate hysteresis are approximately equal.
[0027]
Here, the rate of change in magnetoresistance is as follows when an external magnetic field is applied:
Magnetoresistance change rate = (maximum resistance−minimum resistance) / minimum resistance (%)
As this value is larger, the rate of change in magnetoresistance is more desirable.
Thereby, as shown in FIG. 3, the spin filter effect element 1 of the present invention obtains a large magnetoresistance change rate by applying a magnetic field whose magnetic field is from zero to slightly larger than ± H ₁ , that is, a low magnetic field. It is done.
[0028]
According to the spin filter effect element of the present invention, it is possible to obtain a large magnetoresistance change rate at room temperature by the spinel ferrite 12 having a high Curie point higher than room temperature and the ferromagnetic electrode of the second electrode 13.
Further, if the second electrode of the spin filter effect element of the present invention is a spin valve electrode, a larger magnetoresistance change rate can be obtained.
[0029]
Next, an embodiment relating to a magnetic device using the spin filter effect element of the present invention will be described.
As shown in FIG. 3, a large resistance change, that is, a large magnetoresistance change rate is obtained between the region (I) and the region (III).
Since the spin filter effect element 1 of the present invention has a large rate of change in magnetoresistance at room temperature and in a low magnetic field, a highly sensitive magnetic device can be obtained when used as a magnetoresistive sensor.
Further, since the spin filter effect element 1 of the present invention has a large magnetoresistance change rate at room temperature and in a low magnetic field, it is possible to constitute a so-called magnetic head for reading with a high sensitivity.
In addition, the spin filter effect element of the present invention is arranged in a matrix, and the magnetic layer of the second ferromagnetic electrode constituting the spin filter effect element is formed by applying an external magnetic field by passing a current through a separately provided wiring. By controlling in parallel and anti-parallel to each other, the resistance becomes high and the resistance becomes low, so that the recording can be performed.
By recording this as 1 and 0, a magnetic device such as an MRAM can be configured.
[0030]
Next, examples of the spin filter effect element of the present invention will be described.
Example 1
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 1 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the spin filter effect element 1 of the present invention, for example, a nonmagnetic first electrode 11 is disposed on an MgO (100) substrate 20, and a high resistance spinel ferrite 12 is formed on the first electrode 11. Further, a ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13 is disposed on the thin film of the spinel ferrite 12 having a high resistance. Here, in the above structure, TiN 10 nm as the non-magnetic first electrode 11 and CoFe ₂ O ₄ 3 nm as the spinel ferrite 12 serving as the ferromagnetic tunnel insulating layer are formed on the MgO (100) substrate 20 by high frequency sputtering. The ferromagnetic layer 13A to be the second electrode 13 is a multilayer film formed by depositing Co ₉ Fe to a thickness of 5 nm.
A uniaxial anisotropy was introduced into the film surface by applying a magnetic field of 100 Oe (Oe: Oersted) during film formation. Further, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C. when forming the CoFe ₂ O ₄ film 13A.
[0031]
FIG. 5 is a plan view showing a four-terminal magnetoresistance measurement pattern of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the drawing, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0032]
Here, as a result of measuring the magnetoresistance using the four-terminal method, a magnetoresistive effect curve associated with the spin reversal of the Co ₉ Fe film 12 is obtained, and the magnitude thereof is a very large value of about 120% at room temperature. Indicated. This is presumably because the spin splitting of the ferromagnetic CoFe ₂ O ₄ film 12 was very large and exhibited a half-metal behavior. The resistivity of the single thin film of CoFe ₂ O ₄ 12 was 10 ⁴ Ω · cm or more.
[0033]
(Example 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 2 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the spin filter effect element 1 of the present invention, a nonmagnetic first electrode 11 is disposed on an MgO (100) substrate 20, and a high resistance spinel ferrite 12 is formed on the first electrode 11. Further, a ferromagnetic layer 13A and an antiferromagnetic layer 13B to be the second electrode 13 are disposed on the thin film of the spinel ferrite 12 having a high resistance.
Here, the structure described above is based on the MBE method on the MgO (100) substrate 20, TiN is 10 nm as the nonmagnetic first electrode 11, and Mn _0.25 Fe _{2 is used} as the spinel ferrite film 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer. _.75 O ₄ is a multilayer film formed by sequentially depositing 3 nm, Co ₉ Fe 5 nm as the ferromagnetic layer 13A to be the second electrode 13, and IrMn 5 nm as the antiferromagnetic layer 13B. The IrMn layer 13B is an antiferromagnetic material and plays a role of fixing the spin of Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ that is the spinel ferrite film 12. Note that when the Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ film 12 was formed, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0034]
FIG. 5 is a plan view showing a four-terminal magnetoresistance measurement pattern of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the drawing, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0035]
In Example 2, as in Example 1, the magnetoresistance was measured using the four-terminal method. As a result, a magnetoresistance effect curve associated with spin inversion of the Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ film 12 was obtained. The size was as large as about 180% at room temperature. This is presumably because the spin splitting of the ferromagnetic Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ film 12 was very large and exhibited a half-metal behavior. The resistivity of the single thin film of the Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ film 12 was about 100 Ω · cm.
[0036]
(Example 3)
The configuration of Example 3 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention is the same as that of Example 2 described above.
The spinel ferrite film 12 in Example 3 is obtained by replacing the Mn _0.25 Fe _2.75 O ₄ film 12 according to Example 2 with a MnFe ₂ O ₄ film 12. The configuration of the other layers is the same as that of the second embodiment.
Here, the above structure has a structure in which TiN is formed as a nonmagnetic first electrode 11 on a MgO (100) substrate 20 by high-frequency sputtering, and MnFe ₂ as spinel ferrite 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer. The multilayer film is formed by sequentially depositing O ₄ of 3 nm, Co ₉ Fe of 5 nm as the ferromagnetic layer 13A to be the second electrode 13, and IrMn of 5 nm as the antiferromagnetic layer 13B. The IrMn film 13B is an antiferromagnetic material and is MnFe _2. It plays a role of fixing the spin of the O ₄ film 12. In addition, a magnetic field of 100 Oe was applied during film formation to introduce uniaxial anisotropy in the film surface. MnFe ₂ When forming the O ₄ film 12, the substrate 20 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0037]
This embodiment will be described with reference to the plan view showing the four-terminal magnetoresistance measurement pattern of the spin filter effect element of FIG. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the drawing, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0038]
Here, as a result of measuring the magnetoresistance using the four-terminal method, a magnetoresistive effect curve associated with the spin inversion of the MnFe ₂ O ₄ film 12 is obtained, and the magnitude thereof is a very large value of about 130% at room temperature. Indicated. This is presumably because the spin splitting of the MnFe ₂ O ₄ film 12 was very large and exhibited a half-metal behavior. The resistivity of the single thin film of the MnFe ₂ O ₄ film 12 was 10 ⁴ Ω · cm or more.
[0039]
(Example 4)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 4 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, the spin filter effect element of the present invention has a spin filter effect element 1 formed on a thermally oxidized Si substrate 21. The surface of the Si substrate 21 was thermally oxidized to form an oxide film 21B. A nonmagnetic first electrode 11 is disposed on the substrate 21, a thin film of high resistance spinel ferrite 12 is disposed on the first electrode 11, and a second film is formed on the thin film of high resistance spinel ferrite 12. A ferromagnetic layer 13A serving as an electrode 13 and an antiferromagnetic material layer 13B, and an electrode layer 13C serving as a protective film are disposed.
Here, in the above structure, Al is 10 nm as the nonmagnetic first electrode 11 and Zn _0.35 Fe is used as the spinel ferrite 12 as the ferromagnetic tunnel insulating layer on the thermally oxidized Si substrate 21 by high frequency sputtering _{. 65} O ₄ of 5 nm, Co ₉ Fe of 10 nm as the ferromagnetic layer 13 A to be the second electrode 13, IrMn of 5 nm as the antiferromagnetic layer 13 B, and 5 nm of nonmagnetic layer Al to form the protective layer 13 C are sequentially deposited. A multilayer film formed as described above. The IrMn film 13B is an antiferromagnetic material and serves to fix the spin of Co ₉ Fe 13 in the ferromagnetic layer 13A. A uniaxial anisotropy was introduced into the film surface by applying a magnetic field of 100 Oe during film formation. Further, when the Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ film 12 was formed, the substrate 21 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0040]
This will be described below with reference to FIG. 5 showing a pattern for measuring the four-terminal magnetoresistance of the spin filter effect element. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the drawing, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0041]
As a result of measuring the magnetoresistance of this element at room temperature using the four-terminal method, a magnetoresistance effect curve associated with the spin reversal of the Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ film 12 was obtained, and the magnitude thereof was about 140%, which was extremely Showed a large value. This is considered to be because the Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ film 12 is ferromagnetic and has a very large spin splitting, and exhibits a half-metal behavior. The resistivity of the single thin film of the Zn _0.35 Fe _2.65 O ₄ film 12 was about 10 Ω · cm.
In addition, the spin filter effect element 1 of the present invention has a simple structure and a very large magnetoresistance change rate at room temperature. Therefore, even if the element size is reduced as a storage element of a non-volatile magnetic memory such as an MRAM. A sufficiently large current can be obtained.
[0042]
(Example 5)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 5 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The structure of the spin filter effect element 1 in the fifth embodiment is that an insulating film 16 is further inserted on the spinel ferrite 12 of the fourth embodiment. The insulating film 16 is used to weaken the magnetic coupling between the spinel ferrite 12 serving as the ferromagnetic tunnel insulating layer and the ferromagnetic layer 13A.
As shown in the figure, the spin filter effect element of the present invention has a spin filter effect element 1 formed on a thermally oxidized Si substrate 21. The surface of the Si substrate 21 was thermally oxidized to form an oxide film 21B. A nonmagnetic first electrode 11 is disposed on the substrate 20, a thin film of high resistance spinel ferrite 12 is disposed on the first electrode 11, and an insulating film is further formed on the thin film of high resistance spinel ferrite 12. 16 is deposited, and a ferromagnetic layer 13A to be the second electrode 13, an antiferromagnetic material layer 13B, and an electrode layer 13C to be a protective film are disposed.
[0043]
Here, in the above structure, Al is 5 nm as the nonmagnetic first electrode 11 and Zn _{0.2 is used} as the spinel ferrite 12 serving as the ferromagnetic tunnel insulating layer on the thermally oxidized Si substrate 21 by using a magnetron sputtering method. 10 nm of Fe _2.8 O ₄ , 2 nm of Al ₂ O ₃ 16 as an insulating film, 5 nm of Co ₉ Fe as the ferromagnetic layer 13A serving as the second electrode 13, and 5 nm of IrMn as the antiferromagnetic layer 13B, protection This is a multilayer film formed by sequentially depositing 5 nm of Al of the nonmagnetic layer to be the layer 13C.
[0044]
IrMn13B is an antiferromagnetic material and plays a role of fixing the spin of the ferromagnetic layer Co ₉ Fe 13A. Al ₂ O ₃ 16 is an insulating film, and the magnetic coupling between the spinel ferrite Zn _0.2 Fe _2.8 O ₄ film 12 serving as a ferromagnetic tunnel insulating layer and the Co ₉ Fe serving as the ferromagnetic layer 13A. Used to weaken In addition, a magnetic field of 100 Oe was applied during film formation to introduce uniaxial anisotropy in the film surface. When forming the Zn _0.2 Fe _2.8 O ₄ film 12, the substrate 21 was heated to a temperature of 400 ° C.
[0045]
FIG. 5 is a plan view showing a four-terminal magnetoresistance measurement pattern of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention. The laminated film was finely processed using photolithography and ion milling to form a cross-shaped pattern. As shown in the drawing, a minute spin filter effect element 1 having a width w of 4 μm was manufactured.
[0046]
Here, when the magnetoresistance was measured using the four probe method, about 85% TMR was observed at room temperature with an external magnetic field as small as 20 Oe. This value is considerably larger than that of the conventional TMR, which means that the spin splitting of the Zn _0.2 Fe _2.8 O ₄ film 12 is very large, suggesting that it is a half metal.
[0047]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. . For example, in the above-described embodiment, the example in which the metal M is Zn or Mn has been described. However, the metal M is not limited to this, and can be applied to Co or the like. Further, although the magnetic device using the spin filter effect element of the present invention has been described with respect to the magnetoresistive sensor, MRAM, and magnetic head, it goes without saying that it can be applied to other magnetic devices.
[0048]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, according to the spin filter effect element of the present invention, a very large tunneling magnetoresistance can be obtained at room temperature and with a low external magnetic field. Can be provided.
In addition, the spin filter effect element of the present invention has a simple structure and can provide a very large tunnel magnetoresistance at room temperature. Therefore, the spin filter effect element can be made much finer than the conventional magnetoresistance effect element.
[0049]
Furthermore, this spin filter effect element can provide a novel magnetic device when used in a magnetic device. If this spin filter effect element is used in a magnetic device, a high-sensitivity magnetic head and an MRAM with a large signal voltage can be realized, and various high-sensitivity magnetic field sensors can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a spin filter effect element of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing energy levels for explaining the operation of the spin filter effect element of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating resistance when an external magnetic field is applied to the spin filter effect element of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of Example 1 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a plan view showing a four-terminal magnetoresistance measurement pattern of the spin filter effect element according to the embodiment of the invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 2 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of Example 4 of the spin filter effect element according to the embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a sectional view showing a configuration of a fifth example of the spin filter effect element according to the embodiment of the invention;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Spin filter effect element 11 Nonmagnetic electrode which is 1st electrode 12 High resistance spinel ferrite 13 2nd electrode 13A Ferromagnetic layer 13B Antiferromagnetic layer 13 Protective film 14 DC power supply 15 External magnetic field 16 Insulating film 20 MgO substrate 21 thermally oxidized Si substrate 21A Si substrate 21B Si oxide film

Claims

A first electrode composed of a nonmagnetic layer, a high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film excluding magnetite on the first electrode, a second electrode composed of a ferromagnetic layer on the ferromagnetic spinel ferrite film, Are arranged in order ,
Ferromagnetic spinel ferrite film of the high resistance, characterized in that it acts as a tunnel barrier depends on the spin against the electron spin filter effect element.

In the high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film, a part of Fe is replaced with Zn, Mn, Co, Ni, Cu, Mg, Li and a mixture thereof, and the specific resistance is 1 Ω · cm or more. The spin filter effect element according to claim 1, wherein:

The high-resistance ferromagnetic spinel ferrite film is
Composition formula _{_{_{M x Fe 3-x O 4}}} (M is, Zn, Mn, Co, Ni , Cu, Mg, any one of Li, and, 0 <x <3), characterized in that it is written in The spin filter effect element according to claim 2.

Wherein there is disposed a antiferromagnetic layer on the ferromagnetic layer of the second electrode, characterized in that the ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer is made of a spin valve structure, of claim 1 The spin filter effect element according to any one of the above.

5. The spin filter effect element according to claim 1, wherein the second electrode is covered with a nonmagnetic metal serving as a protective film. 6.

The spin filter effect element, characterized in that it is formed on the substrate, the spin filter effect element according to any one of claims 1-5.

It characterized by having a spin filter effect element according to any one of claims 1 to 6, a magnetic device.