【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は磁気エンコーダ、磁気ヘッド、磁気バブル検出器等の感磁部に適した磁気抵抗素子に関する。 更に詳しくは強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用して磁気信号を検出する磁気抵抗素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６に示すように、この種の感磁部に用いられる磁気抵抗素子１は、単層の磁気抵抗効果を有する強磁性薄膜を一定幅のストライプ状に加工した後、その長手方向（ｙ方向）の両端に電極２，３を形成して作られる。 電極２，３に一定の電流を流し、素子１の幅方向（ｘ方向）に検出すべき磁場を与えたときの電極２，
３間の電圧に基づいて算出された抵抗値から磁場が検出される。 図７に示すように、従来の磁気抵抗素子は電流の流れる方向に直交する磁場の大きさによって抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が最大２〜６％変化する特性を有する。
一方、２つの強磁性薄膜を薄い絶縁層を挟んで接合した素子において、強磁性薄膜間に一定のトンネル電流を流し、この状態で強磁性薄膜の膜面に平行に異なる磁場を与えたときの抵抗の変化により、この素子に新しい磁気抵抗効果があることが報告されている（S.Maekawa and
U.Gafvert, IEEE Trans. Magn. MAG-18 (1982) 707）。
そしてこの報告に基づいて、磁性層に異方性的磁気抵抗効果が小さく、強磁性トンネル効果を分離し易い、Ｆｅ
系合金を用いた磁気抵抗素子が提案されている（中谷、
北田；日本金属学会秋期大会公演概要, 364 (1990)）。
この磁気抵抗素子は、２層の磁性層の保磁力を異なる値にするために、ＦｅにＣ及びＲｕをそれぞれ２ａｔ％程度添加し、絶縁層としてＡｌ ₂ Ｏ ₃を用いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の強磁性磁気抵抗素子は、図７の磁気抵抗曲線Ａに示すように弱磁場範囲Ｂにおける抵抗変化率の変化が小さく感度が良くない不具合があった。 また曲線Ａがゼロ磁場を中心にしてほぼ左右対称であって、磁場方向に対する極性がないため、従来の磁気抵抗素子はその動作点をゼロ磁場ではなく、図の矢印Ｃに示す付近に偏倚させて用いられる。 この動作点を偏倚させるために従来より磁性膜の近くにバイアス用の磁石を設けているが、この方法ではバイアス用磁石の分だけスペースを要し、構造が複雑化し小型化できないとともにコスト高になる問題点があった。 また一般に磁気抵抗素子は実用上２％以上の抵抗変化率を必要とするのに対して、後者の強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子は、磁気抵抗効果が十分大きくないため、図８に示すように室温での抵抗変化率が高々１％程度と小さく実用的でなかった。 またこの素子は可逆的に特性が変化する磁場範囲Ｄ
が狭く、磁気抵抗素子として安定して利用しにくい問題点があった。

【０００４】本発明の目的は、室温における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）が２％以上であって弱磁場における感度が良好で、安定して使用できる範囲を有効磁場範囲の２倍以上とすることができる磁気抵抗素子を提供することにある。 また本発明の別の目的は、その動作点を偏倚させる必要がなく、構造が簡単で小型化し得る磁気抵抗素子を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】図１に示すように、本発明は第１強磁性薄膜１１と第２強磁性薄膜１２とを薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接合し、これにより生じる強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子１０
の改良である。 その特徴ある構成は、前記第１及び第２
強磁性薄膜１１，１２はそれぞれの磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂
が互いに直交するように配置して設けられ、第１強磁性薄膜１１の磁化容易軸方向の保磁力が第２強磁性薄膜１
２の磁化容易軸方向の保磁力より２倍以上大きいことにある。

【０００６】以下、本発明を詳述する。 図１及び図２に示すように、第１強磁性薄膜１１と第２強磁性薄膜１２
とは薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を挟んで接合される。 これら２つの強磁性薄膜１１，１２はそれぞれの磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂が互いに直交するように配置して設けられ、かつ磁化容易軸方向の保磁力が互いに２倍以上異なることを特徴とする。 薄い絶縁層を含む非磁性膜１３
を挟んで強磁性トンネル接合した強磁性薄膜１１及び１
２に電極１４及び１５をそれぞれ設け、両電極１４，１
５間に電流を流すと、両電極１４，１５間に流れるトンネル電流は２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きの相互関係によって異なり、磁化の向きが変わると抵抗値が変化する磁気抵抗効果が現れる。 即ち、図２の実線矢印で示すように強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きＭ ₁ ，Ｍ ₂が直交するときの抵抗値をＲ ₀とすると、強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きがそれぞれ同一方向であるとき（Ｍ ₂を破線矢印で示す）には抵抗値は［Ｒ ₀ −Δ
Ｒ／２］となり、強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きが互いに反対方向であるとき（Ｍ ₂を一点鎖線矢印で示す）には抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／２］となる。

【０００７】本発明の第一の特徴ある構成は、この強磁性トンネル接合による磁気抵抗効果現象を利用して、２
つの強磁性薄膜１１，１２をそれぞれの磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂が互いに直交するように配置して設けた点にある。 これにより、２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化の向きは外部磁場を与えない状態で直交し、両薄膜間の抵抗値はＲ ₀となる。 外部磁場の方向を保磁力の大きな強磁性薄膜１１の磁化の向きＭ ₁にとり、磁場を大きくしていくと、保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きＭ ₂は徐々に外部磁場の方向に向い、最終的には図の破線矢印に示すように外部磁場方向と一致する。 また外部磁場の方向を磁化の向きＭ ₁と反対にとり、磁場を大きくしていくと、保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きＭ ₂は同様に図の一点鎖線矢印に示すように外部磁場方向と一致する。 しかし、外部磁場の方向が保磁力の大きな強磁性薄膜１１の磁化の向きＭ ₁とは逆でしかもその保磁力より大きいときには、強磁性薄膜１１の磁化の向きＭ ₁が反転し、抵抗値は［Ｒ ₀ ＋ΔＲ／２］から［Ｒ ₀ −ΔＲ／２］になってしまい、極性の検知ができなくなる。 このため、本発明の第二の特徴ある構成は、
強磁性薄膜１１及び１２の磁化容易軸方向の保磁力を２
倍以上異ならせることにより、可逆的に特性が変化して磁気抵抗素子として安定な磁場範囲Ｄを有効磁場範囲Ｅ
の２倍以上広く確保するようにした点にある。 ここで磁気抵抗素子として安定な磁場範囲Ｄとは、保磁力の小さな強磁性薄膜１２の磁化の向きが変わり、かつ保磁力の大きな強磁性薄膜１１の磁化の向きの変わらない外部磁場の範囲をいい、有効磁場範囲Ｅとは磁場により抵抗変化率が変化する範囲をいう。 この保磁力の小さい第２強磁性薄膜１２は従来の強磁性の磁気抵抗効果を有する材料、即ち電子と磁気モーメントとの相互作用の大きな材料により構成される。 例示すればＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素のうち少なくとも２種以上含み、同時にＣｏ元素の含有量が４０ａｔ％以下の強磁性材料が挙げられる。 また保磁力が大きい第１強磁性薄膜１１はＣｏを主成分とする材料により構成される。 例示すればＣｏ，Ｃｏ−Ｓｍ，
Ｃｏ−Ｃｒ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｐｔ−Ｎｉ，Ｃ
ｏ−Ｐｔ−Ｖ等のＣｏ元素を２０ａｔ％以上含む強磁性材料が挙げられる。

【０００８】強磁性薄膜１１及び１２に挟まれる層は、
数１０オングストローム程度の均一な絶縁層を含む非磁性膜１３である。 絶縁層としてはＡｌ ₂ Ｏ ₃層、ＮｉＯ層等が挙げられる。 この層は電子がスピンを保持してトンネルするために非磁性でなければならない。 非磁性膜の全部が絶縁層であっても、その一部が絶縁層であってもよい。 一部を絶縁層にしてその厚みを極小にすることにより、磁気抵抗効果を更に高めることができる。 非磁性膜の一部が絶縁層である例としては、Ａｌ膜の一部を酸化させて形成されるＡｌ ₂ Ｏ ₃層が挙げられる。

【０００９】２つの強磁性薄膜１１，１２の磁化容易軸Ｍ ₁ ，Ｍ ₂を互いに直交させるための方法は、図１に示すように強磁性薄膜１１，１２をイオンビーム蒸着法、真空蒸着法、スパッタリング蒸着法等により形成するときに、エッチングにより、或いは基板にマスクをかぶることにより、ストライプ状にかつこれらの長手方向が互いに直交するように磁場中でそれぞれ形成し、着膜時の磁場の方向を薄膜の長手方向にする。 この方法で作られた強磁性薄膜１１，１２は各磁化方向が安定な状態となり、これにより図３の磁気抵抗曲線に示されるヒステリシス現象を小さくすることができる。 薄膜１１及び１２
を作る順序としては、図１に示すように、先ずガラス等の基板１６上に第２強磁性薄膜１２をストライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ ₂になるように形成し、
第２強磁性薄膜１２の中央部に薄い絶縁層を含む非磁性膜１３を着膜し、この非磁性膜１３上に第２強磁性薄膜１２と長手方向同士が直交するように第１強磁性薄膜１
１をストライプ状にかつその長手方向が磁化容易軸Ｍ ₁
になるように形成する。 或いは第１強磁性薄膜１１を先に形成し、次いで非磁性膜１３を形成し、最後に第２強磁性薄膜１２を形成してもよい。

【００１０】また、２つの強磁性薄膜１１，１２間に生じる磁気抵抗効果のみを有効に検出するために、第１強磁性薄膜１１の一端と第２強磁性薄膜１２の一端に両薄膜に一定電流を流すための第１電極１４，１５をそれぞれ設け、第１強磁性薄膜１１の他端と第２強磁性薄膜１
２の他端に両薄膜間に印加された電圧を測定するための第２電極１７，１８をそれぞれ設けることが好ましい。

【００１１】

【作用】第２強磁性薄膜１２として、電子と磁気モーメントとの相互作用の大きなＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ元素を２種以上含む合金を強磁性トンネル接合の材料に用いることにより、この薄膜における電子のスピンは上記磁性原子の有する磁気モーメントとの相互作用を反映して高まると推定される。 強磁性トンネル効果は電子がスピンを保持して絶縁層をトンネルすることにより生じる現象であるため、高められた電子のスピンにより強磁性トンネル効果は顕著に現れ、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は図３に示すように従来の２倍以上の２％を越える実用域まで向上する。 また第１強磁性薄膜１１として、Ｃｏを主成分とする保磁力の大きな材料を用いて、両薄膜１１及び１２
の磁化容易軸方向の保磁力を２倍以上異ならせることにより、図４の磁気抵抗曲線に示すように有効磁場範囲Ｅ
の２倍以上の安定な磁場範囲Ｄが室温において得られる。

【００１２】

【発明の効果】以上述べたように、強磁性トンネル接合を利用した従来の磁気抵抗素子の抵抗変化率（ΔＲ／
Ｒ）が最も高くて１％であったものが、本発明の磁気抵抗素子によれば室温において２％以上の実用域の抵抗変化率が得られ、しかも一方の強磁性薄膜にＣｏを主成分とする保磁力の大きな材料を用いて、両薄膜の磁化容易軸方向の保磁力を２倍以上異ならせることにより、有効磁場範囲の２倍以上の安定な磁場範囲が室温において得られる。 特に、本発明の磁気抵抗素子は弱磁場における抵抗変化率の変化が大きいため、磁場の変化を感度よく検出することができ、従来の磁気抵抗素子と異なり動作点を偏倚させるために磁石を用いてバイアス磁場を与える必要がなく、構造が簡単で小型化し得る利点がある。
これにより、磁気エンコーダ、磁気ヘッド、磁気バブル検出器等の磁気を検出する素子として好適に利用することができる。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。 図１に示すように、ガラス基板１６の上に真空蒸着法により厚さが１００ｎｍのパーマロイ薄膜（８２ａｔ％Ｎｉ−Ｆｅ）
１２を作製した。 これをエッチングにより幅１ｍｍ、長さ１８ｍｍのストライプ状に形成した。 その際磁場を与えて磁化容易軸Ｍ ₂がストライプの長手方向になるようにした。 次いでこのパーマロイ薄膜１２の中心部に厚さ１５ｎｍで直径２．５ｍｍのアルミニウム膜１３を真空蒸着により着膜させた。 このアルミニウム膜１３を空気中に３０時間放置して表面を酸化させ、薄いＡｌ ₂ Ｏ ₃からなる絶縁層を形成した。 更にこのＡｌ−Ａｌ ₂ Ｏ ₃層の上にパーマロイ膜と長手方向同士が直交するように、厚さが１００ｎｍで幅１ｍｍ、長さ１８ｍｍのストライプ状のＣｏ膜１１を形成した。 このときのＣｏ膜の磁化容易軸Ｍ ₁はストライプの長手方向となるようにした。 Ｃ
ｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２の各一端に電極１４及び１５を設け、それぞれの他端に電極１７及び１８を設けて磁気抵抗素子１０を得た。

【００１４】温度２５℃において、基板１６の表面に平行にかつ磁化容易軸Ｍ ₁に対して角度θだけ転向して磁場Ｈを磁気抵抗素子１０に与え、電極１４及び１５に一定電流を流し、電極１７及び１８によりＣｏ膜１１とパーマロイ薄膜１２間の電圧を測定した。 この電流値と電圧値より素子１０の抵抗を算出した。 図４の磁気抵抗曲線に示すように、磁場Ｈの強さを変えたときの抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）は最大で２．７％の極めて高い値であった。 図４の範囲Ｅが磁場によりΔＲ／Ｒが変化する有効磁場範囲であり、範囲Ｄが保磁力の大きなＣｏ膜がその磁化の向きを変えない磁気抵抗素子として安定な磁場範囲である。 範囲Ｄを越えた磁場が磁気抵抗素子に与えられると、Ｃｏ膜の磁化は磁場方向に向くようになり、Δ
Ｒ／Ｒの値は小さくなる。 この挙動は図５の磁化曲線に示される。 図４及び図５から本実施例の磁気抵抗素子１
０は安定な磁場範囲Ｄが有効磁場範囲Ｅの２〜３倍あることが判る。

【００１５】図３に示すように、この安定な磁場範囲Ｄ
でΔＲ／Ｒを測定してみたところ、この磁気抵抗曲線からこの素子１０は弱磁場での感度が高く、しかも曲線はゼロ磁場に関して非対称であるため、特別にバイアス磁場を与えなくても磁場Ｈの方向を検出することができた。 なお、図３の磁気抵抗曲線では若干のヒステリシス現象がみられたが、実用上この程度のヒステリシスは問題なく、磁性薄膜を形成するときの２つの磁化容易軸が完全に直交すればこの現象はなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の磁気抵抗素子の斜視図。

【図２】本発明の強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の原理を示す斜視図。

【図３】その可逆領域Ｄにおける磁気抵抗曲線図。

【図４】その磁気抵抗曲線図。

【図５】その磁化曲線図。

【図６】従来例の強磁性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子の斜視図。

【図７】その磁気抵抗曲線。

【図８】従来例の強磁性トンネル接合を利用した磁気抵抗素子の磁気抵抗曲線。

【符号の説明】

１０ 磁気抵抗素子 １１ 第１強磁性薄膜 １２ 第２強磁性薄膜 １３ 非磁性膜 １４，１５ 第１電極 １６ 基板 １７，１８ 第２電極

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【手続補正書】

【提出日】平成３年９月２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正書】

【提出日】平成６年４月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】