JPH0697531A - 磁気抵抗効果素子 - Google Patents

磁気抵抗効果素子

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JPH0697531A
JPH0697531A JP4242468A JP24246892A JPH0697531A JP H0697531 A JPH0697531 A JP H0697531A JP 4242468 A JP4242468 A JP 4242468A JP 24246892 A JP24246892 A JP 24246892A JP H0697531 A JPH0697531 A JP H0697531A
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政司 佐橋
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 絶縁性の基板上に第１の磁性体層が形成さ
れ、その上にＮ型の第１の半導体層が形成されている。
またこの第１の半導体層上の所定の領域にはＰ型の第２
の半導体層及び第２の磁性体層がこの順序で積層形成さ
れている。さらにこの第２の半導体層が形成されている
領域に近接した領域にＰ型の第４の半導体層が形成され
ている。さてこのような構造で、第１の半導体層をベー
ス（Ｂ）とし、第２の半導体層をエミッタ（Ｅ）とし、
第４の半導体層をコレクタ（Ｃ）とし、第１の磁性体層
ベース電極とし、第２の磁性体層をエミッタ電極とす
る。この構成でＢ−Ｅ間にバイアス電流を流した状態で
外部磁界を変化させると、Ｂ−Ｃ間の電流が磁界に応じ
て変化する。 【効果】 高感度、高出力の新規な磁気抵抗効果素子を
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、再生用磁気ヘッド，高
感度磁気センサなどに好適な磁気抵抗効果素子に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】磁気記録密度の向上に伴い、磁気ヘッド
の高感度化が要求され、磁気抵抗効果を用いた磁気ヘッ
ドの研究が進められている。
【０００３】従来はＦｅ−Ｎｉパーマロイ薄膜などの強
磁性磁気抵抗効果を用いるものが主であるが、電気抵抗
の変化率（（ρl −ρt ）／ρ0 ×100 ρl ；磁化の
向きと平行方向の電気抵抗，ρt ；磁化の向きと直角方
向の電気抵抗，ρ0 ；消磁状態での電気抵抗）は高々２
％程度と十分なものではない。
【０００４】また、非磁性の中間層を介して磁性体層を
対向せしめ、反強磁性的に結合せしめる構造の磁気抵抗
効果素子が提案されている（特開平2-61572 号公報な
ど）。これは、磁性体層間の相対的な磁気スピンの向き
を磁界により変えて磁気抵抗効果を得るものである。基
本的には磁性体層と中間層との界面で生じるスピン方向
に依存する電子散乱を利用するため、中間層は電子の平
均自由行程より小さい厚さに構成される。
【０００５】しかしながらこのような構成の磁気抵抗効
果素子は比抵抗が小さいため、十分な信号出力を得るた
めには、大電流密度が必要であり、発熱，エレクトロマ
イグレーション等の問題があるため、信頼性，耐久性の
点で問題がある。
【０００６】一方、磁気トンネル接合を利用した磁気抵
抗効果素子も知られている（特開平4-42417 号公報，特
開平4-103013号公報，特開平4-103014号公報など）。こ
の素子は、10Ａ（オングストローム）程度の極めて薄い
絶縁体膜を介して磁性体層を対向せしめた構成を採り、
両磁性体層の磁化の相対角度によってトンネルコンダク
タンスが変化することを用いるものである。
【０００７】この磁気トンネル接合を利用した磁気抵抗
効果素子では極めて薄い絶縁体層をピンホールなどの欠
陥がなく良好に形成する必要があるため、再現性，耐久
性，安定性等の問題から工業的な応用は困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら磁気トン
ネル接合を利用した磁気抵抗効果素子ではトンネルコン
ダクタンスが小さいため、比較的小さな電流密度で大き
な出力信号を得ることができるので、発熱，エレクトロ
マイグレーション等の問題が生じ難い。従って、トンネ
ル接合を形成するトンネル層を、ピンホールなどなく良
好にかつ再現性良く形成できれば、磁気トンネル接合を
利用した磁気抵抗効果素子は工業上非常に有効な技術と
なる。このように磁性体層のキャリアの持つスピン情報
を利用した磁気抵抗効果素子は、工業的に有望であるが
実用化されていないのが現状である。
【０００９】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、磁性体層のスピン情報を利用した磁気抵抗効果素子
を工業的に利用可能とする新規な構造の磁気抵抗効果素
子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、Ｎ型
若しくはＰ型にドーピングされた半導体層中では、Ｉ型
の半導体層中に比べ、注入されたキャリアはスピン偏極
情報が保たれたまま拡散しやすいことに着目してなされ
たものである。
【００１１】すなわち本発明は、第１の磁性体層と、第
２の磁性体層とが、Ｐ型若しくはＮ型の半導体層を介し
て接合された構造を有することを特徴とする磁気抵抗効
果素子である。
【００１２】例えば半導体層を磁性体層で挟んだ構造を
考えると（第１発明）このような構造を採ることで、第
１の磁性体層から半導体層に注入されたキャリアは、ス
ピン偏極情報を保ったまま半導体層中を拡散移動し、第
２の磁性体層にショツトキー障壁などのキャリアの注入
障壁を介して到達する。この注入により流れるトンネル
電流は、第１の磁性体層と第２の磁性体層の磁化の向き
によりトンネル確率が変化するので、トンネル電流の大
きさが、磁界の大きさに対応したものとなる。
【００１３】この場合、Ｉ型の半導体に比べＰ若しくは
Ｎ型にドーピングされた半導体ではスピン偏極情報が効
率良く伝達されるため、半導体層の厚みを増すことがで
きる。またこの構成では半導体層と第２の磁性体層との
間のショットキーバリアを良好に形成することができ強
磁性トンネル障壁として利用できる。従って、従来数10
Ａ程度の極めて薄いトンネル膜が必要であったのが、ド
ーピングされた半導体層を用いることで、数100 Ａ程度
の膜厚でも磁気トンネル効果が実現することができる。
よってピンホール等の欠陥のないトンネル膜を製造し易
くなり、再現性，安定性等が向上することになる。また
Ｉ型の半導体を用いた場合と同程度の膜厚とした場合で
も、スピン偏極情報が効率良く伝達されるため、感度の
点で向上が期待される。ドーピング量は用いる磁性体材
料との関係で適宜設定することが可能であるが、約１０
16cm-3から１０20cm-3とすることが好ましい。膜厚も適
宜設定することが可能であるが、５０Ａから１００００
Ａとすることが好ましい。
【００１４】磁性体層としてはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等の強
磁性金属若しくはこれらの合金を用いることができる。
また、ＰｔＭｎＳｂ，ＮｉＭｎＳｂ，ＣｏＭｎＳｂなど
のハーフメタル、Ｆｅ3 Ｏ4 ，ＣｏＦｅ2 Ｏ4 ，ＭｎＦ
ｅ2 Ｏ4 などのフェライト、ＣｒＯ2 ，ＫＣｒＳｅ2 な
どの磁性を示す化合物など各種のものを用いることがで
きる。
【００１５】また半導体層としては、Ｓｉ，Ｇｅ等の単
体の半導体のほか、ＳｉＧｅ，ＧａＡｓ，ＺｎＳｅ等の
化合物半導体に適当なドーパントをドーピングしたもの
を用いることができるが、磁性材料に応じて適宜選択す
ることが必要である。
【００１６】また、Ｐ若しくはＮ型にドーピングされた
半導体層と磁性体層との接合を用いることで、半導体層
中でのスピン依存再結合効果を利用する磁気抵抗効果素
子を構成することができる（第２発明）。
【００１７】例えばＰＮ接合を構成するＰ型半導体層及
びＮ型半導体層のそれぞれに磁性体層を接合した構造を
考えると、磁性体層から注入されたスピン偏極した正孔
とスピン偏極した電子をＰＮ接合界面近傍で再結合する
ことになる。磁性体層間のスピンの相対角度により再結
合の確率が変化し、キャリア消滅までの時間が変化する
ことになり、結果としてキャリア密度に変化が生じ電気
抵抗が変化することになる。このように磁界状態によっ
て電気抵抗が変化することになる。
【００１８】
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。 （実施例１）図１（ａ）は第１の発明を示すもので、絶
縁性の基板(1) 上に第１の磁性体層(2) 、第１の半導体
層(3) 、第２の磁性体層(4) を積層形成されている。な
お、第１の磁性体層と半導体層とはショットキー接合が
形成されている。また第２の磁性体層と半導体層もショ
ットキー接合が形成されている。
【００１９】なお第２の磁性体層に面内の一方向に磁気
異方性を付与するため、第２の磁性体表面にはＦｅＭｎ
合金層のような反強磁性体層を磁化固定層(5) として形
成した。
【００２０】この様な構成を採ることで、磁化の方向が
固定されている第２の磁性体層の磁化が回転しないよう
な範囲での磁界下では、第１の磁性体層中の磁気スピン
のみが磁界の影響下で回転することになり、例えば磁界
の強度により第１の磁性体層中の磁化方向と、第２の磁
性体層中の磁化方向との相対角度が変化することにな
り、これがトンネルコンダクタンスの変化に反映される
ことになる。
【００２１】例えば基板としてＧａＡｓ単結晶基板を、
第１の磁性体層として約100A程度のＦｅ薄膜を、Ｎ型の
半導体層として約500A程度のＳｅドープのＧａＡｓを、
第２の磁性体層として約100A程度のＣｏＦｅ合金層を用
い、磁化固定層として約150AのＦｅＭｎ合金層を形成
し、上記構成の磁気抵抗効果素子を形成することができ
る。第２の磁性体層の磁化方向の反平行方向に磁界を印
加したときの方が、反平行の方向に磁界をかけたときに
比べ、トンネルコンダクタンスが低くなる。この様子を
図２を用いて説明する。
【００２２】反平行磁界印加のときは第１の磁性体層と
第２の磁性体層との磁化方向が反平行になり、第１の磁
性体層ではアップスピン状態の電子の状態密度が高いの
に比べ、第２の磁性体層ではダウンスピン状態の電子の
状態密度が高くなるため、結果としてトンネル確率が低
くなる。一方、平行磁界印加のときは第２の磁性体層中
でもアップスピン状態の電子の状態密度が高くなるた
め、トンネル確率が高くなる。
【００２３】従って、図１に示すように定電圧を印加し
ておけば、平行磁界印加時の方がトンネルコンダクタン
スが高いので、平行磁界印加時の方が反平行磁界印加時
に比べ、電流値が大きくなる。また逆に定電流駆動にす
れば、電圧変化として読み取ることも可能である。
【００２４】なお、本実施例の場合磁性体層は両方とも
良導体であるので別段電極層を形成しなかったが、フェ
ライト系のような電気抵抗が高い場合は、Ａｕ等の電極
層を別途形成しても良い。ただし磁性体層への電子など
のキャリアの注入に際し、障壁が形成されないように、
オーミックコンタクトが形成されるように適宜材料を選
定する必要が有る。また用いる半導体層はＮ型に限らず
Ｐ型でも構わない。また正孔の場合も同様に考えること
ができる。 （実施例２）
【００２５】図１（ａ）に示した構造において、磁性体
層からのキャリアの注入障壁をショツトキーバリアで形
成したが、例えば半導体層の酸化膜からなる絶縁体層を
ショツトキーバリアの代替として用いても良い。この構
成を図１（ｂ）に示す。
【００２６】トンネルバリア（キャリアの注入障壁）を
絶縁体層だけで構成しようとすると、従来技術でも説明
したように、極めて薄くする必要があり、ピンホール等
が生じやすくなってしまうという問題点があった。しか
しながらドーピングされた半導体層と併用すること、た
とえピンホールが存在したとしても、磁性体同士が接触
することはないため、絶縁体の厚みは薄くすることがで
きる。またキャリアはスピン情報を保持したままでドー
ピングされた半導体層中を移動するので、結果として図
１（ａ）に示した構造の素子と同様の効果が期待でき
る。
【００２７】この様な構成によれば良好なショットキー
障壁が形成できない磁性体と半導体の組み合わせでも素
子を構成することができ、素子製造の際の材料選択に自
由度が増す。
【００２８】この酸化膜は、半導体層若しくは磁性体層
の酸化膜でもよいし、またＳｉＯ2，Ａｌ2 Ｏ3 などの
酸化膜、Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＡｌＮなどの窒化膜など各種のも
のを用いることが可能である。 （実施例３）次に第２の発明の実施例を説明する。
【００２９】図３に示す構造は、絶縁性の基板(11)上に
第１の磁性体層(12)、第１の半導体層(13)、第３の半導
体層(14)、第２の半導体層(15)及び第２の磁性体層(16)
がこの順序で積層形成されている。
【００３０】この構成では、第１の磁性体層と第１の半
導体層とはオーミック接合が形成されている。また第２
の磁性体層と第２の半導体層もオーミック接合が形成さ
れている。また第１の半導体層と第２の半導体層は逆導
電型である。従って例えば第１の半導体層がＮ型とする
と第２の半導体層はＰ型となる。また第１及び第２の半
導体層に挟まれる第３の半導体層はＩ型である。なお実
施例１と同様に第２の磁性体層に面内の一方向に磁気異
方性を付与するため、第２の磁性体層(16)表面には磁化
固定層(17)を形成した。
【００３１】この様な構成を採ることで、第２の磁性体
層の磁化が回転しないような範囲での磁界下では、第１
の磁性体層中の磁気スピンのみが磁界の影響下で回転す
ることになり、例えば磁界の強度により第１の磁性体層
中の磁化方向と、第２の磁性体層中の磁化方向との相対
角度が変化することになる。
【００３２】この変化が、第１及び第２の磁性体層から
それぞれ第１及び第２の半導体層に注入される電子、正
孔の、第３の半導体層での再結合確率の変化に反映され
ることになる。この様子を図４に概念図として示す。
【００３３】すなわち第２の磁性体層の磁化方向に平行
な方向に磁界を印加したときの方が、反平行の方向に磁
界をかけたときに比べ、電気抵抗が高くなる。これは第
１の磁性体層と第２の磁性体層の磁化の方向が平行の場
合は、第１及び第２の半導体層にそれぞれ注入され、Ｉ
型の半導体層に移行する電子、正孔間のスピンが反平行
となり、再結合の確率が高くなる。一方磁化が反平行の
場合は再結合の確率が低くなる。
【００３４】Ｉ型の第３の半導体層中に蓄積されるキャ
リアは再結合確率に影響されるため、再結合確率が低い
場合、すなわち反平行磁界印加の場合、Ｉ型の半導体層
中のキャリア密度が上昇するためと考えられる。
【００３５】なおキャリアの蓄積効果を用いれば電気抵
抗の変化は顕著に現われるが、Ｉ型の半導体層を省略し
て、ＰＮ接合構造としても同様な原理で磁気抵抗効果の
発現が可能である。またＩ型に代え、高抵抗の例えばＰ
- ，Ｎ- の半導体層を用いても同様の効果が得られる。 （実施例４）実施例３の構造を用い、トランジスタのよ
うな３端子構造としたのが図５に示すものである。
【００３６】この実施例では、絶縁性の基板(21)上に第
１の磁性体層(22)が形成され、その上にＮ型の第１の半
導体層(23)が形成されている。またこの第１の半導体層
上の所定の領域にはＰ型の第２の半導体層(24)及び第２
の磁性体層(25)がこの順序で積層形成されている。さら
にこの第２の半導体層(24)が形成されている領域に近接
した領域にＰ型の第４の半導体層(26)が形成されてい
る。また第４の半導体層には電極層が形成されている。
【００３７】この構成では、第１の磁性体層とＮ型の第
１の半導体層とはオーミック接合が形成されている。ま
た第２の磁性体層とＰ型の第２の半導体層もオーミック
接合が形成されている。なお実施例１と同様に第２の磁
性体層に面内の一方向に磁気異方性を付与するため、第
２の磁性体層(25)表面には磁化固定層(27)を形成した。
【００３８】さてこのような構造で、第１の半導体層(2
3)をベース（Ｂ）、第２の半導体層(24)をエミッタ
（Ｅ）、第４の半導体層(26)をコレクタ（Ｃ）と呼ぶ。
第１の磁性体層(22)はベース電極、第２の磁性体層(25)
はエミッタ電極になる。この構成でＢ−Ｅ間にバイアス
電流を流した状態で外部磁界を変化させると、Ｂ−Ｃ間
の電流が磁界に応じて変化する。これは以下の現象によ
るものと考えられる。
【００３９】図６は本実施例の動作原理を示す概念図で
ある。今、第２の半導体層の磁化が固定されているの
で、外部磁界の方向により第１の磁性体層の磁化方向が
変化する。
【００４０】磁化の方向が平行の場合は第１の磁性体層
から第１の半導体層中に注入される電子のスピンの向き
と、第２の磁性体層から第２の半導体層を介して第１の
半導体層に注入される正孔のスピンの向きとが逆の方が
相対的に多くなる。一方、反平行状態のときは、電子の
スピンと正孔のスピンとは同じ向きになる方が多くな
る。従って平行磁界のときの方が反平行磁界印加時に比
べ再結合確率が高くなり、結果として残存するキャリア
量が少なくなる。
【００４１】第１の半導体層中で再結合せずに残存する
キャリア量（この場合は正孔）は第４の半導体層に供給
されることになり、この量が第４の半導体層と第１の磁
性体層間に流れる電流量，すなわちＢ−Ｃ間の電流を支
配することになる。従って反平行磁界印加時の方がＢ−
Ｃ電流は多くなる。
【００４２】以上のような原理で図５に示した構成の素
子で磁気抵抗効果を得ることができる。原理的には図４
で説明したのと同様であるが、図５の構成の方がバイア
ス電流と信号電流を分離し、増幅作用があるので高出力
となる。
【００４３】図５に示した構成で、第１の半導体層と第
２の半導体層及び第４の半導体層間に、第３の半導体層
としてＩ型若しくは第１及び第２の半導体層より高抵抗
の低濃度半導体層を介在せしめることもできる。これは
先の実施例と同様の効果を期待したものであり、再結合
を第３の半導体層中で行わせようというものである。こ
の構成を図７(a) として示す。また各磁性体層と半導体
層との接合を良好にするなどの目的で、高濃度の半導体
層を介在せしめても良い。この構成を図７(b)として示
す。
【００４４】以上示した実施例は基本動作を説明するも
のであるが、実用に際しては、基本パターンを平面方向
で繰り返したもの、積層方向で繰り返したものを用いた
り種々の変形が可能である。
【００４５】例えば図８は、図６に示す構成を変形した
ものの平面図であるが、第２の半導体層を取り囲むよう
に第４の半導体層を形成している。この様な構成によれ
ば再結合せずに残ったキャリアを有効に利用することが
できる。磁気記録の読み出しヘッドとして用いる場合は
例えば図８に示すように媒体が位置するが、これに限ら
ず種々の位置関係が考えられる。磁界の検出は直接電
圧、電流を読み取る他に、電流変化，電圧変化などスピ
ン偏極状態を反映した物理量であれば何を検出しても良
い。
【００４６】また従来のＭＲヘッドなどで磁束の導入の
仕方（軟磁性体を磁路として用いるなど）、磁気バイア
スのかけ方などは本願発明の趣旨を損なわない範囲で適
宜応用することができる。また各図においては電極端子
を模式的に表現しているが、当然のことながら配線など
は薄膜形成技術を用いて作成できることも言うまでもな
い。
【００４７】また以上の実施例では磁化の固定に反強磁
性膜を用いたが、同様の作用を実現できればこれに限ら
ず用いることができることは言うまでもない。また必ず
しも磁化固定を行う必要もない。さらに以上の実施例で
はスピン情報を持ったキャリアの注入は対向配置された
磁性体層で行ったが、同一平面上で近接配置した磁性体
層間で行っても良い。その他本発明の趣旨を変更しない
限り各種の変形が可能である。
【００４８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、新
規な構造の磁気抵抗効果素子を得ることができる。この
構成によれば極限的に薄い絶縁膜を必要とせず、再現
性、安定性に優れた工業的に有用な磁気抵抗効果素子を
得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施例を示す概略断面図。
【図２】 本発明実施例を示す概念図。
【図３】 本発明実施例を示す概略断面図。
【図４】 本発明実施例を示す概念図。
【図５】 本発明実施例を示す概略断面図。
【図６】 本発明実施例を示す概念図。
【図７】 本発明実施例を示す概略断面図。
【図８】 本発明実施例を示す概略平面図。
【符号の説明】
１，１１，２１・・・基板 ２，１２，２２・・・第１の磁性体層 ３ ・・・半導体層 ４，１６，２５・・・第２の磁性体層 １３，２３ ・・・第１の半導体層 １５，２４ ・・・第２の半導体層 １４，２８ ・・・第３の半導体層 ２６ ・・・第４の半導体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩崎 仁志 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝総合研究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の磁性体層と、第２の磁性体層と
    が、Ｐ型若しくはＮ型の半導体層を介して接合された構
    造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  2. 【請求項２】 第１の磁性体層と、第２の磁性体層と
    が、第１導電型の第１の半導体層と第２導電型の第２の
    半導体層との接合を有する半導体層を介して接合された
    構造を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  3. 【請求項３】 第１の磁性体層と、この第１の磁性体層
    に接合された第１導電型の第１の半導体層と、この第１
    の半導体層に接合された第２導電型の第２の半導体層
    と、この第２の半導体層に接合された第２の磁性体層
    と、第１の半導体層に接合された第２導電型の第３の半
    導体層とを具備したことを特徴とする磁気抵抗効果素
    子。
  4. 【請求項４】 磁性体層と半導体層との間に絶縁体層を
    介在せしめたことを特徴とする請求項１乃至３記載の磁
    気抵抗効果素子。
  5. 【請求項５】 第１の導電型の半導体層と第２導電型の
    半導体層との間にＩ型若しくは高抵抗の半導体層を介在
    せしめたことを特徴とする請求項１乃至４記載の磁気抵
    抗効果素子。
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