Brevet FR2648942A1 — publié le 19901228

CAPTEUR A EFFET MAGNETORESISTIF La présente invention concerne les capteurs à effet magnétorésistif, à savoir les capteurs utilisant la variation de résistivité du matériau formant le capteur en fonction de la variation d'un champ magnétique. Actuellement, des capteurs utilisant l'effet magnétorésistif sont mis en oeuvre dans divers systèmes de lecture d'enregistrement magnétique. Ces capteurs sont réalisés en un alliage ferromagnétique à forte magnétorésistance qui est placé dans le circuit magnétique d'une tête de lecture. Dans ce cas, on détecte les variations de la résistance électrique du capteur lors du passage de la bande. Les alliages à forte magnétorésistance actuellement utilisés sont en général des alliages ferromagnétique à base de nickel, tels que les alliages de type Ni80Fe20 ou des alliages Ni Co pour lesquels la magnétoréslstance à température ambiante correspond à une variation de résistance de quelques pour cent. L'un des principaux Inconvénients de ces capteurs réside dans leur bruit. En effet, ces alliages ne sont pas monocristalllns et ils. présentent de nombreux domaines magnétiques pour les champs magnétiques correspondant au point de fonctionnement du capteur. Ces nombreux domaines magnétiques sont la cause principale de bruit. La présente Invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant une nouvelle structure pour l'élément sensible des capteurs à effet magnétoréslstif. Alnsi, la présente invention a pour objet un capteur à effet magnétorésistif, caractérisé en ce que l'élément sensible du capteur est constitué par une multicouche métallique magnétique monocrlstalllne formée d'un empilement de couches en un matériau magnétique séparées par des couches en un matériau non-magnétlque, la multicouche étant réalisée de telle sorte que les couches en matériau magnétique présentent un couplage de type anti-ferromagnétique et que la transition entre l'état d'arrangement anti-parallèle et l'état d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ magnétique très faible. De préférence, le matériau magnétique utilisé dans la multicouche métallique magnétique est choisi parmi le fer, le cobalt ou le nickel et le matériau non magnétique est choisi parmi le manganèse, le chrome, le vanadium ou le titane. Les couches en matériau magnétique présentent une o épaisseur comprise en 9 et 90 A et les couches en matériau non o magnétique présentent une épaisseur inférieure à 30 A. Ainsi, en utilisant certains types de matériaux magnétiques et non-magnétiques, associés selon une structure spécifique, on a pu observer une forte magnétorésistance se produisant dans un domaine de champ restreint permettant donc son utilisation comme élément sensible d'un capteur à effet 1 5 magnétorésistif. Cette forte magnétorésistance observée notamment dans le cadre des multicouches métalliques magnétiques Fe/Cr est due à la transition sous champ magnétique entre les deux états d'aimantation du système, à savoir l'état o l'alternance des aimantations des couches magnétiques est anti-parallèle et l'état o toutes ces aimantations sont parallèles. Selon une autre caractéristique de la présente invention, les couches en matériau magnétique sont alternativement minces et épaisses avec un rapport entre les épaisseurs compris entre 1 et 3. Dans ce cas, la transition entre l'état d'arrangement anti-parallèle et l'état d'arrangement parallèle sera de type "spin-flop" (A savoir: par retournement brutal de l'aimantation des couches de faible épaisseur A un champ donné appelé champ. de spin-flop). Selon une autre caractéristique de la présente invention, les couches en matériau magnétique sont de même épaisseur, la multicouche présentant alors une anisotropie uni-axiale dans le plan des couches. Selon encore une autre caractéristique de la présente invention, la multicouche métallique magnétique est recouverte d'au moins une couche supplémentaire à aimantation bloquée. Dans ce cas, on décale le champ magnétique de "spin-flop" vers des champs très faibles. Cette solution permet de réduire ou même éventuellement de supprimer le champ magnétique de polarisation nécessaire lorsque le système ne fonctionne pas près d'un champ nul. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après de différents modes de réalisation d'un capteur à effet magnétorésistif avec référence aux dessIns ci-annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un capteur A effet magnétorésistif conforme à la présente invention; les figures 2A et 2B sont des vues en coupe de l'élément sensible du capteur expliquant le fonctionnement de ce capteur - la figure 3 est une vue en coupe schématique de l'élément sensible d'un capteur à effet magnétorésistif selon un autre mode de réalisation de la présente Invention - les figures 4A et 4B sont des vues semblables à la figure 3 expliquant le fonctionnement dudit capteur - la figure 5 représente le cycle d'hystéréris du capteur de figure 3; - la figure 6 est une vue en coupe schématique d'un troisième mode de réalisation d'un capteur à effet magnétoréslstif conforme à la présente invention, et - la figure 7 représente le cycle d'hystérésis d'un capteur selon la figure 6. Pour simplifier- la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. D'autre part, il est évident pour l'homme de l'art que, dans un but de clarté, les - épaisseurs des différentes couches n'ont pas été représentées à l'échelle. Comme représenté sur la figure 1, un capteur à effet magnétorésistif comporte essentiellement un substrat 1, une multicouche métallique magnétique monocristalline 2 formée par un empilement de couches 20 en matériau magnétique séparées par des couches 21 en matériau non magnétique, et recouvertes d'une couche d'encapsulation 3. Le substrat 1 est réalisé soit en un matériau isolant ou en un matériau semiconducteur non dopé tel que l'arseniure de galllum (AsGa). Sur ce substrat 1 est déposée une multicouche métallique magnétique monocrlstalline. En fait, le substrat 1 doit présenter une structure de mailles adaptée de telle façon que la croissance de la multicouche soit réalisée de manière A obtenir un monocristal. Pour obtenir ce monocristal, on utilise des techniques de croissance telle que la croissance par epitaxie, de préférence l'épitaxie par jets moléculaires appelée aussi épitaxie MBE. Ainsi, avec un monocristal, pour une couche donnée, les états magnétiques sont monodomaines, ce qui a pour principal avantage de réduire considérablement le bruit associé. Conformément à la présente invention, le matériau magnétique des couches 20 est choisi parmi le fer, le cobalt, le nickel ou un alliage de ces métaux, de même 'ie matériau non magnétique des couches 21 est choisi parmi le manganèse, le. chrome, le vanadium ou le titane. D'autre part, les couches 20 en matériau magnétique présentent une épaisseur comprise entre e 9 et 90 A tandis que les couches 21 en matériau non magnétique présentent une épaisseur inférieure A 30 A de façon à obtenir une structure de multicouche particulière. Avec la structure cl-dessus utilisée pour la multicouche 2, le couplage entre les couches magnétiques 201, 20 20203 telles que représentées sur la figure 2A est de type antl-ferromagnétique, c'est-A-dire qu'elle présente un arrangement antl-parallèle symbolisé par les flèches F et F' sur la figure 2A, pour les aimantations des couches. La structure de la multicouche est telle qu'elle passe de l'arrangement anti-parallèle de la figure 2A A un arrangement parallèle tel que représenté sur la figure 2B pour un intervalle de champ magnétique très faible, de quelques Gauss, soit A partir d'un champ nul, soit A partir d'un champ fini. Dans ce dernier cas, il faut alors utiliser un champ magnétique de polarisation pour fixer le point de fonctionnement du capteur au voisinage de ce champ. C'est en fait cette transition entre l'état de la figure 2A et l'état de la figure 2B qui induit une forte magnétorésistance dans le type de structure décrit ci-dessus. Ainsi, l'obtention d'une forte magnétorésistance associée A la transition de l'état d'arrangement anti-paraRllèle en un état d'arrangement parallèle peut s'expliquer grAce A la notion de résistlvlté dépendante du spin pour des impuretés dans des matériaux ferromagnétiques tels que le fer, le cobalt ou le nickel. En fait, l'état avec arrangement parallèle possède une résistance faible si on choisit un matériau non magnétique qui diffuse peu les électrons de conduction pour au moins une direction de spin. En revanche, l'état avec arrangement antl-parallèle aura une résistivité plus importante. Alnsi, pour *pouvoir réaliser un capteur A effet magnétorésistif, en utilisant comme élément sensible une multicouche métallique magnétique monocristaLline, il est nécessaire que cette multicouche' présente une structure particulière et soit réalisée A l'aide de matériaux ferromagnétiques et de matériaux non magnétiques spécifiques de manière à ce que les couches en matériau magnétique présentent un couplage de type anti-ferromagnétique et que la transition entre l'état d'arrangement antl-parallèle et l'état d'arrangement parallèle se réallse sur un intervalle de champ magnétique très faible. En effet, suite a des études effectuées, notamment sur les multicouches de type Fe/Cr, on s'est aperçu que l'obtention d'une forte magnétorésistance est liée étroitement A la nature du matériau non- magnétique. On peut considérer que la diffusion par la couche mince non- magnétique dans le cas d'un arrangement parallèle tel que représenté sur la figure 2B est semblable A celle d'impuretés du matériau non-magnétique dans le matériau magnétique. Ceci explique le choix du matériau non magnétique. Cependant, l'utilisation de certains matériaux comme élément de base d'un capteur magnétoresistif est de plus subordonnée au fait que le couplage entre les couches magnétiques soit de type anti- ferromagnétique et que la transition entre l'état d'arrangement anti- parallèle et l'état d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ très faible. De façon générale, on peut prévoir que des couches non-magnétiques réalisées en tout métal de transition, A cause de la forte propension qu'ont les électrons de la couche de bande d A se polariser magnétiquement, établira un couplage entre couches magnétiques pour des épaisseurs de même ordre de grandeur. Cependant, suivant le type de matériau non-magnétique utilisé, ce couplage peut être un couplage ferromagnétique ou un couplage anti-ferromagnétique, ce qui explique le choix des matériaux non magnétiques. De plus, selon la position en champ magnétique de la transition entre les arrangements parallèles et les arrangements anti-parallèles, on peut être amené A utiliser un champ de polarisation qui polarise le système au voisinage du champ de transition. Sur la figure 3, on a représenté une variante de réalisation de la multicouche métallique magnétique monocristalline 2 d'un capteur à effet magnétorésistif. Dans ce cas, les couches magnétiques 20'1, 20'2, 20'3 et 20'4 sont constituées par des couches d'épaisseurs variables. Dans le mode de réalisation représenté, les couches 20' et 20' sont des I 3 couches épaisses tandis que les couches 20'2 et 20'4 sont des couches minces. En fait, les couches doivent être réallsées de manière à ce que leur épaisseur se trouve dans un rapport de 1 à 3. Comme représenté sur les figures 4A et 4B, la transition entre l'état d'arrangement anti-parallèle de la figure 4A et l'état d'arrangement parallèle de la figure 4B sera alors du type "spln-flop". Ainsi, un faible champ magnétique commence par orienter dans sa direction l'aimantation des couches épaisses 20'1, 20'3, les couches fines 20'2, 20'4 ayant leur aimantation dans la direction opposée F'. Un champ caractéristique ou champ de "spin-flop" Hsf, renversera ensuite brutalement l'aimantation des couches fines 20' et 20'4 dans le 2 4 mode de réalisation représenté. Dans ce cas, on obtient le cycle d'hystérésis représenté sur la figure 5. Il est, alors, nécessaire d'utiliser un champ de polarisation Hb dont la valeur est très proche de Hsf afin que la transition se produise pour l'application d'un champ magnétique de l'ordre de grandeur de celui qui est mis en jeu dans la lecture des bandes magnétiques. En fait, l'obtention d'un cycle d'hystérésis tel que celui représenté dans la figure 5 peut aussi être réalisé avec des multicouches métalliques magnétiques possédant des couches magnétiques d'épaisseur égale, si le système possède une anisotropie uni-axiale dans le plan des couches comme par exemple lorsque le système est réalisé avec une épitaxie de type (110) bcc ou fec. Sur la figure 6 on a représenté un troisième mode de réalisation d'un capteur à effet magnétorésistif conforme à la présente Invention. Dans ce cas, sur la multicouche métallique magnétique 2, on a déposé au moins une couche supplémentaire 4 (deux dans le mode de réalisation) à aimantation bloquée dans une direction donnée. Cette couche supplémentaire à aimantation bloquée est constituée, par exemple, par une couche épaisse de fer. Ces couches supplémentaires permettent de décaler le champ de "spln-flop" Hsf vers des champs magnétiques très faibles. Le processus mis en jeu pour décaler le champ magnétique de "spin-flop" Hsf est alors le processus classique d'anisotropie d'échange avec ces couches supplémentaires. Cette solution permet soit de réduire le champ de polarisation Hb, soit même de le supprimer totalement. Le cycle d'hystérésis obtenu dans ce dernier cas est un cycle tel que représenté sur la figure 7. REVENDICATIONS 1. Capteur à effet magnétorésistif, caractérisé en ce que l'élément sensible du capteur est constitué par une multicouche métallique magnétique monocristalline (2) formée d'un empilement. de couches (20) en un matériau magnétique séparées par des couches (21) en un matériau nonmagnétique, la multicouche étant réalisée de telle. sorte que les couches en matériau magnétique présentent un couplage de type antiferromagnétique et que la transition entre l'état d'arrangement antiparallèle et l'état d'arrangement parallèle se réalise sur un intervalle de champ magnétique très faible. 2. Capteur à effet magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est choisi parmi le fer, le cobalt ou le nickel. 3. Capteur à effet magnétoréslstlf selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau non-magnétique est choisi parmi le manganèse, le chrome, le vanadium ou le titane. 4. Capteur à effet magnétorésistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les couches en matériau magnétique présentent une épaisseur o comprise entre 9 et 90 A. 5. Capteur à effet magnétorésistlf selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les couches en matériau non-magnétique présentent une épaisseur Inférieure à 30 A. 6. Capteur à effet magnétoréslstlf selon l'une quelconque des revendications 1 A 5, caractérisé en ce que les couches en matériau magnétique sont alternativement minces (20'2 et 20'4) et épaisses (20'1 et 20'3) avec un rapport entre les épalsseurs de 1 à 3. 7. Capteur à effet magnétoresistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les couches en matériau magnétique sont de même épaisseur et en ce que la multicouche présente une anisotropie unl-axiale dans le plan des couches. 8. Capteur à effet magnétorésistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la multicouche métallique magnétique est recouverte d'au moins une couche supplémentaire (4) à aimantation bloquée. 9. Capteur à effet magnétorésistif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche supplémentaire est constituée par une couche épaisse de fer. 10. Capteur à effet magnétorésistif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle de champ magnétique est de l'ordre de quelques Gauss. 11il. Capteur à effet magnétorésistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il est polarisé par. un champ de polarisation voisin du champ de transition. 12. Capteur à effet magnétorésistif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la multicouche (2) est déposée sur un substrat (1). 13. Capteur à effet magnétorésistif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le substrat est réalisé en un matériau isolant ou en un matériau semiconducteur non dopé à structure de mailles adaptée. 14. Capteur à effet magnétorésistif selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que le dépôt est réalisé en utilisant une technique d'épltaxie telle que l'épitaxle par jets moléculaires. 15. Capteur A effet magnétoréslstif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que la multicouche (2) est recouverte d'une couche d'encapsulation (3).