(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶基板上に作製した鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）の少なくとも一つの強磁性体金属原子に窒素（Ｎ）あるいは炭素（Ｃ）の非磁性原子を侵入させた体心正方晶をもつ化合物膜であって、当該膜の室温での異常ホール係数が、当該膜を構成する金属膜の室温における異常ホール係数より高いことを特徴とする強磁性金属化合物膜。
【請求項２】
請求項１の強磁性金属化合物膜が単結晶基板上に作製したＦｅ16Ｎ2 単結晶膜であって、当該膜の異常ホール係数が室温で１.５±０.５×１０-11Ｖcm／     ＡGaussである強磁性金属化合物膜。
【請求項３】
請求項１の強磁性金属化合物膜が単結晶基板上に作製した窒化鉄膜であり、当該窒化鉄膜中の窒素含有量が９.０〜１２.０at.％ であって、結晶構造がＦｅ−Ｎマルテンサイトであり、当該膜の異常ホール係数が室温で０.９±０.５×    １０-11Ｖcm／ＡGaussである強磁性金属化合物膜。
【請求項４】
請求項１の強磁性金属化合物膜が単結晶基板上に作製した窒化鉄膜であり、窒化鉄膜中の窒素含有量が９.０〜１２.０at.％ 以下であって、その窒化鉄膜の結晶構造がＦｅ16Ｎ2 とＦｅ−Ｎマルテンサイトの少なくとも一方を含有し、当該膜の異常ホール係数が室温で０.６±０.５×１０-11 〜１.５±０.５×１０-11Ｖcm／ＡGaussである強磁性金属化合物膜。
【請求項５】
上記請求項１〜４のいずれかに記載の強磁性金属化合物膜を膜構成中に少なくとも１層含むことを特徴とする多層構造膜。
【請求項６】
上記請求項１〜５のいずれかに記載の強磁性金属化合物膜あるいはその多層構造膜において、前記強磁性金属化合物の飽和磁化がＦｅよりも大きいことを特徴とする強磁性金属化合物膜。
【請求項７】
上記請求項１〜６のいずれかに記載の強磁性金属化合物膜あるいはその多層構造膜に電流を流すことで、外部磁界の変化を異常ホール電圧あるいは異常ホール電流の強度変化の信号として変換する強磁性金属化合物膜あるいは多層構造膜を用いた磁界センサー。
【請求項８】
上記請求項７の強磁性金属化合物膜あるいは多層構造膜を用いた磁界センサーを磁気記録の読み出し用ヘッドとして用いた磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁性材料および磁気センサーに係り、特に磁界センサー，ホール素子，高記録密度磁気記録再生装置，高飽和磁化材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
磁界をホール効果（正常ホール効果）で測定するという手法は古くから行われており、すでにこの性質を利用した装置が周知となっている。しかし強磁性体においてはこの性質が磁性と関係して特に大きくなる。これを異常ホール効果と呼んでいる。
【０００３】
異常ホール効果を実用に用いた例は少ないが、これについての報告は横浜国大などのグループで詳細に行われており、第１５回  日本応用磁気学会学術講演概要集ｐ１１８(１９９１)．にＮｉＦｅ化合物の異常ホール効果について検討した報告がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では異常ホール効果を発生する磁性体として、主にＮｉＦｅの膜を使用している。報告によると膜厚が約１００ｎｍでホール抵抗が約８×１０-3 μΩcmであり、又、異常ホール効果の原理上、飽和磁化が低いため、高々数kＯe程度までが測定可能範囲である。
【０００５】
ここで、材料上の問題点として、高密度の記録を読み取ったり、微弱な磁界変化を測定するためには、なるべく小さい素子で高いホール抵抗がとれること、すなわち、ホール抵抗の磁界依存性の傾き（ホール係数）が大きいことが挙げられる。一方、磁界センサーとして用いるためには飽和磁化が高く、ある程度高い磁場までホール抵抗の線形域があることの２点が重要な課題である。従って、本発明の目的はなるべく小さい素子で高いホール抵抗がとれ、高い磁場までホール抵抗の線形域があるような材料（飽和磁化が高い材料）およびこれを用いた磁界センサーなどの基本的素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、なるべく小さい素子で高いホール抵抗がとれて、飽和磁化が高く高磁場まで一定のホール抵抗である物質を示す点にある。
【０００７】
ここで、ホール効果とは、一方向に電流Ｉを流した試料に磁界Ｈを印加すると、電流の方向と磁界の方向の両者に対して直交する方向に電圧Ｖが生じる現象で、電圧変化分Ｖに膜厚ｄを掛け合わせたものを電流Ｉでわり算し、比抵抗に見立てたものをホール抵抗（Ｒ＝Ｖｄ／Ｉ）という。
【０００８】
このホール抵抗は非磁性体あるいは十分低い磁界における強磁性体に対しては、磁界の強さにほぼ比例して大きくなる。このときの単位磁界あたりのホール抵抗増加分をホール係数と呼ぶ。さらに、ホール効果は正常ホール効果と異常ホール効果に分離して考えられる。
【０００９】
正常ホール効果は強磁性の有無に係わらず生じるホール効果で、磁界の大きさに対して傾きはほぼ一定であり線形性が良い。しかしながら正常ホール係数は非常に小さく、磁界センサーとして素子化するためには十分大きな体積が必要であり、感度が悪い。
【００１０】
一方、異常ホール効果は強磁性体に特有の現象で、磁化の揺らぎによって電子の流れが変えられるために起こると考えられている。異常ホール効果は物質によって異なるが、正常ホール効果の約１００倍と大きく、磁界の増加に対する増加率はほぼ一定で線形性が良い。しかしながらこの線形性を示す磁界範囲はその強磁性体の飽和磁化よりも必ず低くなるために、測定可能磁界におのずと限界がある。
【００１１】
本発明は、単結晶基板上に作製したＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉの少なくとも一種類の強磁性体金属原子にＮあるいはＣのような非磁性原子を侵入させた体心正方晶をもつ強磁性化合物膜、および、この強磁性化合物膜を少なくとも一層含み構成される多層膜である。
【００１２】
特に、単結晶基板上に作製したＦｅ16Ｎ2 単結晶膜あるいはＦｅ−Ｎマルテンサイト膜については、異常ホール抵抗が５×１０-1μΩcmとＮｉＦｅの１００倍近い大きさの異常ホール抵抗を示すことができる。
【００１３】
一方、この膜の飽和磁化も非常に高く、Ｆｅ16Ｎ2 膜の飽和磁化は室温で約  ２９ｋＧの大きさで、ＦｅやＣｏなどの３ｄ金属のなかでは最も大きく、ＮiＦe系の最大の飽和磁化よりも約３倍大きく、実用上十分大きい値である。Ｆｅ−Ｎマルテンサイト膜についてもＦｅより大きく飽和磁化は室温で約２４ｋＧの大きさである。
【００１４】
この材料を選んだ理由は、実験的にＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性体金属中の特定の原子位置にＮなどの原子が選択的に侵入して結晶格子が一軸的に伸びると、体心正方晶構造となり、磁気モーメントが増すことがわかり、かつ、このときにホール抵抗を測定すると高い飽和磁化をもつ試料について、異常ホール抵抗が従来の金属より高くなっていたことによる。その理由は不明だが、何らかの機構で飽和磁化が大きくなる点が、磁化の揺らぎが大きくなっていることと関係しており、この揺らぎの大きさが異常ホール効果を増大していると考えられる。
【００１５】
本発明ではこのような強磁性化合物膜およびこれを少なくとも一層がこれによって構成される多層膜と、これを利用し高感度，高出力の磁界センサーを得、高記録密度を可能にする磁気記録装置を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の強磁性化合物膜あるいは多層膜は以下の方法で作製した。作製した膜は（１）Ｆｅ16Ｎ2 膜，（２）ＦｅＮマルテンサイト膜，（３）ＦｅＣマルテンサイト膜，（４）Ｆｅ膜である。上記（１）から（４）は、超高真空蒸着装置により作製した。なお（４）は比較のため作製した。基板としてＧａＡｓ(００１)単結晶基板、またはＩｎＧａＡｓ(００１)単結晶基板、あるいはＭｇＯ(００１)単結晶基板を用いた。超高真空蒸着装置中でこれら基板の温度を１２０℃から  ２５０℃に昇温し一定とした。それぞれの膜は以下のように作製した。
【００１７】
（１）Ｆｅ16Ｎ2 膜
ＧａＡｓ(００１)単結晶基板上に基板温度２００℃で、２×１０-4TorrのＮ2 ＋ＮＨ3 ガス雰囲気中で蒸着速度０.０１Å／ｓ で作製した。膜厚は３４ｎｍである。
【００１８】
（２）ＦｅＮマルテンサイト膜
ＧａＡｓ(００１)単結晶基板上に基板温度１５０℃で、２×１０-4TorrのＮ2 ＋ＮＨ3 ガス雰囲気中で蒸着速度０.０１Å／ｓ で作製した。膜厚は８０ｎｍである。
【００１９】
（３）ＦｅＣマルテンサイト膜
基板温度１５０℃で、また、同時にＣＨ3 ガスをイオン化したビームを膜表面に照射して蒸着速度０.０１Å／ｓ で作製した。膜厚は４０ｎｍである。
【００２０】
（４）Ｆｅ膜
基板温度２５０℃で、蒸着速度０.２Å／ｓで作製した。膜厚は８６ｎｍである。
【００２１】
これらの膜を正方形に整形し４端を電極として電流を印加した。電流は試料の電流密度や形状によって適正値が変わるが、一辺３mm，膜厚３４ｎｍの膜に対して約２ｍＡの電流を流し、膜面に垂直に磁場を印加した。
【００２２】
上述したいくつかの膜の室温におけるホール抵抗の磁場依存性を図１に示す。図に示すようにホール抵抗は磁場の増加に伴って増加し，特定の磁界で飽和してほぼ磁界に対して一定の値をとる。図から、Ｆｅ16Ｎ2 膜１１のホール抵抗は同一磁界で比較するとＦｅ膜１３の約３倍あり傾きも大きいことがわかる。また、その線形の磁界依存性は磁界範囲が最大約２３ｋＯｅと実用上十分に広い。
【００２３】
ＦｅＮマルテンサイト膜１２ではＦｅ16Ｎ2 膜１１の値よりホール抵抗は低いが、これらの値はＦｅ１４よりも大きい。これから、膜の異常ホール係数を求めた。又、このホール係数の温度依存性を確認し、図２に示す。
【００２４】
図２から、異常ホール係数は温度が低下すると小さくなる。これは、異常ホール効果が磁化の揺らぎによって生じていることを表わしている。また、この図から、Ｆｅ16Ｎ2膜２１の室温での異常ホール係数は１.５±０.５×１０-11Ｖcm／ＡGauss、またＦｅＮマルテンサイト膜２２では０.９±０.５×１０-11Ｖcm／  ＡGaussとなった。ＦｅＣマルテンサイト膜２３でもほぼ同じ０.９±０.５×   １０-11Ｖcm／ＡGaussとなった。
【００２５】
次にこれらの膜を用いた磁界センサーについて実施例を示す。図３に本発明の磁界センサーを上方から見た概念図を示す。異常ホール効果を発生する強磁性化合物薄膜３１を電流付与部位３２と、これと直交する電圧測定部位３３を各２個ずつ４つの端子を持つような十字型を、ホトリソグラフィーによりパターニングし、これをエッチングして作製した。整形した状態が図上部の３１である。
【００２６】
この素子の中央部分に磁界を誘導する軟磁性膜(ＮｉＦｅ)３４を成長させた。これは磁界３５がこの面が垂直になるように入ったときにホール電圧が最大となる構造である。この磁界を誘導する軟磁性膜３４を厚くしてポール状にすれば非常に細い磁界プローブになる。また、この膜に、電圧増幅の構造や、外部磁界を遮蔽するような磁気シールドを設け、感度の高いセンサーにした構造を考えることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば異常ホール係数の大きい物質を提供することができる。また、これを用いて磁界に敏感で小型化したホール効果を利用した磁界センサーを作製することができる。
【００２８】
これによって、ホール効果を用いた高記録密度再生用の磁界センサーを作製できる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による室温のホール抵抗の磁場依存性を示すグラフ。
【図２】本発明による異常ホール係数の温度依存性を示すグラフ。
【図３】本発明による異常ホール磁界センサーの概念図である。
【符号の説明】
１１…Ｆｅ16Ｎ2 膜、１２，２２…ＦｅＮマルテンサイト膜、１３…ＦｅＣ膜、１４，２４…Ｆｅ膜、２１…Ｆｅ16Ｎ6 、２３…ＦｅＣマルテンサイト膜、  ３１…強磁性化合物膜、３２…電流付与部位、３３…電圧測定部位、３４…軟磁性膜、３５…磁界。
【図１】
0003873375.tif 000002
【図２】
0003873375.tif 000003
【図３】
0003873375.tif 000004