(57)【要約】【課題】高抵抗の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。【解決手段】非磁性層からなる第１の電極１１と、第２の電極１３と、電極の間に挿入される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１２とからなり、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜１２は、電子に対するトンネル障壁として作用し、第２の電極１３が少なくとも強磁性層から構成される。室温において、低磁界で非常に高い磁気抵抗変化率が得られる。磁気デバイスに使用すれば、各種高感度の磁界センサ，高感度磁気ヘッド，信号電圧の大きいＭＲＡＭなどを提供できる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性層からなる第１の電極と、強磁性層からなる第２の電極と、該電極の間に挿入される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、からなり、
上記高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、電子に対するトンネル障壁として作用することを特徴とする、スピンフィルタ効果素子。
【請求項２】
前記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、請求項１に記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項３】
前記高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜が、
組成式ＭＸ　Ｆｅ３−Ｘ　Ｏ４　（Ｍは、Ｚｎ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｍｇ，Ｌｉの何れか１つ、かつ、０＜ｘ＜３）で記述されることを特徴とする、請求項２に記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項４】
前記第２の電極の強磁性層が、反強磁性層と接したスピンバルブ構造からなることを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項５】
前記第２の電極が、保護膜となる非磁性金属で覆われていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項６】
前記高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜と前記第２の電極となる強磁性層との間に、さらに、トンネル障壁として作用する絶縁物が挿入されていることを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項７】
前記スピンフィルタ効果素子が、基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のスピンフィルタ効果素子。
【請求項８】
請求項１〜７の何れかに記載のスピンフィルタ効果素子を有することを特徴とする、磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【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．Ｍｉｙａｚａｋｉ　ｅｔ．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　＝　２Ｐ１　Ｐ２　／（１−Ｐ１　Ｐ２　）　　　　　　　　（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、Ｆｅ３　Ｏ４　、ＣｒＯ２　、（Ｌａ−Ｓｒ）ＭｎＯ４　、Ｔｈ２　ＭｎＯ７　、Ｓｒ２　ＦｅＭｏＯ６　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．Ｇｉｂｓｏｎ　ａｎｄ　Ｒ．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．ｖａｎＶｉｎ　　ａｎｄ　　Ｗ．Ｊ．Ｍ．ｄｅ　　Ｊｏｎｇｅ、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２の強磁性電極と、電極の間に挿入される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、からなり、高抵抗の強磁性スピネルフェライト膜は、電子に対する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（Ｆｅ３　Ｏ４　）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、ＭＸ　Ｆｅ３−Ｘ　Ｏ４　（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。
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の電極の強磁性層は、反強磁性層と接した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、ＭＦｅ２　Ｏ４　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ＭＦｅ２　Ｏ４　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（Ｆｅ３　Ｏ４　）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、（ＭＸ　Ｆｅ１−ｘ　）［Ｆｅ２　］Ｏ４　、即ちＭＸ　Ｆｅ３−Ｘ　Ｏ４　となる。
この結果、ＭＸ　Ｆｅ３−Ｘ　Ｏ４　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、ＭＸ　Ｆｅ３−Ｘ　Ｏ４　（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ＣｏＦｅ２　Ｏ４　を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ９　Ｆｅ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、ＣｏＦｅ２　Ｏ４　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、Ｃｏ９　Ｆｅ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ＣｏＦｅ２　Ｏ４　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、ＣｏＦｅ２　Ｏ４　１２の単独薄膜の抵抗率は１０４　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Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ９　Ｆｅ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Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　のスピンを固定する役割をしている。なお、Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　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、Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　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Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　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、Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　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Ｍｎ０．２５Ｆｅ２．７５Ｏ４　膜１２を、ＭｎＦｅ２　Ｏ４　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ＭｎＦｅ２　Ｏ４　を３ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ９　Ｆｅ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ＭｎＦｅ２　Ｏ４　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。ＭｎＦｅ２　Ｏ４　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、ＭｎＦｅ２　Ｏ４　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、ＭｎＦｅ２　Ｏ４　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、ＭｎＦｅ２　Ｏ４　膜１２の単独薄膜の抵抗率は、１０４　Ω・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Ｚｎ０．３５Ｆｅ２．６５Ｏ４　を５ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ９　Ｆｅ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Ｃｏ９　Ｆｅ１３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、Ｚｎ０．３５Ｆｅ２．６５Ｏ４　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、Ｚｎ０．３５Ｆｅ２．６５Ｏ４　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、Ｚｎ０．３５Ｆｅ２．６５Ｏ４　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、Ｚｎ０．３５Ｆｅ２．６５Ｏ４　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Ｚｎ０．２　Ｆｅ２．８　Ｏ４　を１０ｎｍ、絶縁膜のＡｌ２　Ｏ３　１６を２ｎｍ、第２の電極１３となる強磁性層１３ＡとしてＣｏ９　Ｆｅ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Ｃｏ９　Ｆｅ１３Ａのスピンを固定する役割をしている。Ａｌ２　Ｏ３　１６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Ｚｎ０．２　Ｆｅ２．８　Ｏ４　膜１２と、強磁性層１３ＡであるＣｏ９　Ｆｅ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。Ｚｎ０．２　Ｆｅ２．８　Ｏ４　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、Ｚｎ０．２　Ｆｅ２．８　Ｏ４　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
２０　　ＺｎＯ基板
２１　　熱酸化Ｓｉ基板
２１Ａ　Ｓｉ基板
２１Ｂ　Ｓｉ酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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