JPH09121065A - 超格子構造磁性膜及びその製造方法 - Google Patents
超格子構造磁性膜及びその製造方法Info
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- JPH09121065A JPH09121065A JP7277473A JP27747395A JPH09121065A JP H09121065 A JPH09121065 A JP H09121065A JP 7277473 A JP7277473 A JP 7277473A JP 27747395 A JP27747395 A JP 27747395A JP H09121065 A JPH09121065 A JP H09121065A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 超薄膜強磁性層を用いた超格子構造磁性膜を
提供すること。 【解決手段】 ４原子層以下の超薄膜強磁性層を用いた
超格子構造膜は、超薄膜化を行なうことにより、磁性層
内のアップスピン電子とダウンスピン電子についてフェ
ルミ準位での状態密度に大きな差を生じさせることがで
きる。強磁性層のフェルミ準位における電子状態密度の
スピン依存性の増大は、超格子構造の磁気素子における
磁気抵抗の増加をもたらすため、超薄膜磁性層を用いる
ことにより高感度な磁気ヘッド素子の実現が可能とな
る。この素子の成膜に際して分子線エピタキシー法を用
い、更に光電子信号を検知し膜厚を測定しながら成膜す
ることにより、原子層レベルでの積層構造の形成が行
え、実用的にも比較的容易に素子の製造を行なうことが
できる。
提供すること。 【解決手段】 ４原子層以下の超薄膜強磁性層を用いた
超格子構造膜は、超薄膜化を行なうことにより、磁性層
内のアップスピン電子とダウンスピン電子についてフェ
ルミ準位での状態密度に大きな差を生じさせることがで
きる。強磁性層のフェルミ準位における電子状態密度の
スピン依存性の増大は、超格子構造の磁気素子における
磁気抵抗の増加をもたらすため、超薄膜磁性層を用いる
ことにより高感度な磁気ヘッド素子の実現が可能とな
る。この素子の成膜に際して分子線エピタキシー法を用
い、更に光電子信号を検知し膜厚を測定しながら成膜す
ることにより、原子層レベルでの積層構造の形成が行
え、実用的にも比較的容易に素子の製造を行なうことが
できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は超格子構造磁性膜お
よびその製造方法に関し、特に、磁気抵抗素子用超格子
構造磁性膜およびその製造方法に関する。
よびその製造方法に関し、特に、磁気抵抗素子用超格子
構造磁性膜およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、高感度な磁気ヘッド素子用材料
として、強磁性膜と非磁性膜とを交互に積層した人工超
格子材料が知られている。この種の人工超格子材料が、
例えば、ジャーナル・オブ・アプライドフィジックス
（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ）、第６７巻、第５９０８頁、１９９０年に報告さ
れており、ここでは、高感度な材料として、例えば、鉄
を３ｎｍ、クロムを１．８ｎｍの厚さで交互に１０回積
層した積層構造を有する人工格子材料（膜）が開示さ
れ、この人工格子材料は室温で１３％の磁気抵抗を示す
ことが記載されている。
として、強磁性膜と非磁性膜とを交互に積層した人工超
格子材料が知られている。この種の人工超格子材料が、
例えば、ジャーナル・オブ・アプライドフィジックス
（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ）、第６７巻、第５９０８頁、１９９０年に報告さ
れており、ここでは、高感度な材料として、例えば、鉄
を３ｎｍ、クロムを１．８ｎｍの厚さで交互に１０回積
層した積層構造を有する人工格子材料（膜）が開示さ
れ、この人工格子材料は室温で１３％の磁気抵抗を示す
ことが記載されている。
【０００３】この種の人工格子構造を有する磁気デバイ
スでは、非磁性金属層の厚さが強磁性層間の磁気的結合
を大きく左右する。このため、人工格子構造を有する磁
気デバイスでは、非磁性層の厚さを変えることにより磁
気感度を制御している。
スでは、非磁性金属層の厚さが強磁性層間の磁気的結合
を大きく左右する。このため、人工格子構造を有する磁
気デバイスでは、非磁性層の厚さを変えることにより磁
気感度を制御している。
【０００４】また、強磁性膜と非磁性膜とを交互に積層
した磁気抵抗効果素子が、例えば、特開平５−２５９５
３０号公報に記載されている。
した磁気抵抗効果素子が、例えば、特開平５−２５９５
３０号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、磁気記録が
高密度化する技術動向に合わせて、記録の読み取り装置
である磁気ヘッドのサイズも小型化する必要がある。こ
の際、磁気ヘッドの感度を向上させなければならない。
高密度化する技術動向に合わせて、記録の読み取り装置
である磁気ヘッドのサイズも小型化する必要がある。こ
の際、磁気ヘッドの感度を向上させなければならない。
【０００６】このように、磁気ヘッドを小型化するため
には、従来よりミクロな現象に基づいた動作制御が可能
な磁性膜が必要である。さらに、従来の磁気ヘッド用材
料等では、界面のラフネス及び結晶性不整合に起因し
て、そのミクロな現象を明確に発現する高品質な磁性膜
を製造するが困難である。
には、従来よりミクロな現象に基づいた動作制御が可能
な磁性膜が必要である。さらに、従来の磁気ヘッド用材
料等では、界面のラフネス及び結晶性不整合に起因し
て、そのミクロな現象を明確に発現する高品質な磁性膜
を製造するが困難である。
【０００７】本発明の目的は、高感度の磁気ヘッド等を
得ることのできる超格子構造磁性膜及びその製造方法を
提供することにある。
得ることのできる超格子構造磁性膜及びその製造方法を
提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による超格子構造
磁性膜は、バンド構造を有し、このバンド構造のフェル
ミ準位近傍においてアップスピン電子とダウンスピン電
子との状態密度が異なる強磁性層が非磁性層と隣接した
積層構造を有しており、複数の強磁性層におけるそれぞ
れのスピン配列が互いに平行であるか又は平行かである
によって、磁気抵抗値が依存する。
磁性膜は、バンド構造を有し、このバンド構造のフェル
ミ準位近傍においてアップスピン電子とダウンスピン電
子との状態密度が異なる強磁性層が非磁性層と隣接した
積層構造を有しており、複数の強磁性層におけるそれぞ
れのスピン配列が互いに平行であるか又は平行かである
によって、磁気抵抗値が依存する。
【０００９】そして、本発明では、原子オーダーの急峻
性で強磁性層と非磁性層とが接触した積層構造を有して
おり、強磁性層は原子レベルの層構造を有し、その層数
が４原子層以下の構造を有している。
性で強磁性層と非磁性層とが接触した積層構造を有して
おり、強磁性層は原子レベルの層構造を有し、その層数
が４原子層以下の構造を有している。
【００１０】上記のような超格子構造磁性膜を製造する
際には、成長膜から放出される励起光電子の強度に応じ
て成長膜の成長層数をモニターして、成長膜を分子線エ
ピタキシー成長させる。
際には、成長膜から放出される励起光電子の強度に応じ
て成長膜の成長層数をモニターして、成長膜を分子線エ
ピタキシー成長させる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下本発明について説明する。
【００１２】本発明による超薄膜強磁性層を用いた超格
子構造磁性膜では、強磁性層の膜厚を４原子層以下に超
薄膜化している。これによって、後述するように、磁気
感度の向上を達成される。つまり、強磁性層の膜厚を超
薄膜化することによって、強磁性層のフェルミ準位にお
ける電子状態密度のスピン依存性を制御し、これによっ
て、人工格子系における磁気抵抗を増加させる。
子構造磁性膜では、強磁性層の膜厚を４原子層以下に超
薄膜化している。これによって、後述するように、磁気
感度の向上を達成される。つまり、強磁性層の膜厚を超
薄膜化することによって、強磁性層のフェルミ準位にお
ける電子状態密度のスピン依存性を制御し、これによっ
て、人工格子系における磁気抵抗を増加させる。
【００１３】ところで、鉄及びコバルト等の強磁性を示
す遷移金属では、非磁性層と積層構造を形成した際、界
面に局在するエネルギーバンドが形成され、磁性を担う
ｄバンドのエネルギー幅が狭くなることが知られてい
る。そして、磁性を担うｄバンドのエネルギー幅が狭く
なると、強磁性超薄膜における磁気モーメントが増加す
る（例えば、フィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ）、Ｂ第４３巻、第７８０頁、１９９１
年）本発明においては、鉄を超薄膜にすることによっ
て、つまり、バンド幅の減少に応じて、フェルミ準位に
おけるｄバンドの電子状態密度がスピンの向きに強く依
存することがわかった。磁性層／非磁性層の積層構造単
位では、界面より２原子層までがこのバンド幅の減少の
効果を受ける。このため、多層構造にした際には、２つ
の界面に挟まれた強磁性層に関して、４原子層以下でバ
ンド幅の減少の効果が生じ得ることになる。
す遷移金属では、非磁性層と積層構造を形成した際、界
面に局在するエネルギーバンドが形成され、磁性を担う
ｄバンドのエネルギー幅が狭くなることが知られてい
る。そして、磁性を担うｄバンドのエネルギー幅が狭く
なると、強磁性超薄膜における磁気モーメントが増加す
る（例えば、フィジカル・レビュー（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ）、Ｂ第４３巻、第７８０頁、１９９１
年）本発明においては、鉄を超薄膜にすることによっ
て、つまり、バンド幅の減少に応じて、フェルミ準位に
おけるｄバンドの電子状態密度がスピンの向きに強く依
存することがわかった。磁性層／非磁性層の積層構造単
位では、界面より２原子層までがこのバンド幅の減少の
効果を受ける。このため、多層構造にした際には、２つ
の界面に挟まれた強磁性層に関して、４原子層以下でバ
ンド幅の減少の効果が生じ得ることになる。
【００１４】ここで、磁性層間のスピン配列が平行であ
るか反平行であるかを外部磁場で容易に制御できる磁性
層／非磁性層の単位の２層構造を多層に積層した人工格
子構造を考えると、磁気抵抗効果に関しては、主に電流
を担うのが非磁性層のｓバンド電子である金を用いた場
合、あるスピンを有するｓバンドの電子が磁性層に進入
すると、同同一のスピンの向きを有するｄバンドがフェ
ルミ準位で大きな状態密度を持っていれば、ｄバンドへ
の散乱確率が増加する。これによって、抵抗値も増大す
ることになる。
るか反平行であるかを外部磁場で容易に制御できる磁性
層／非磁性層の単位の２層構造を多層に積層した人工格
子構造を考えると、磁気抵抗効果に関しては、主に電流
を担うのが非磁性層のｓバンド電子である金を用いた場
合、あるスピンを有するｓバンドの電子が磁性層に進入
すると、同同一のスピンの向きを有するｄバンドがフェ
ルミ準位で大きな状態密度を持っていれば、ｄバンドへ
の散乱確率が増加する。これによって、抵抗値も増大す
ることになる。
【００１５】なお、強磁性遷移金属の電子状態密度には
ｄバンドの寄与が支配的であり、このため、以下の説明
では、簡単のため、ｄバンドの状態密度を単に状態密度
と言い換えることにする。
ｄバンドの寄与が支配的であり、このため、以下の説明
では、簡単のため、ｄバンドの状態密度を単に状態密度
と言い換えることにする。
【００１６】上記のメカニズムによって、超薄膜化に応
じて磁性層内のアップスピン電子とダウンスピン電子と
について、フェルミ準位での状態密度に大きな差を生じ
た系では、磁性層間のスピン配列が平行であるか反平行
であるかによって磁気抵抗の値に大きな差を生じる。
じて磁性層内のアップスピン電子とダウンスピン電子と
について、フェルミ準位での状態密度に大きな差を生じ
た系では、磁性層間のスピン配列が平行であるか反平行
であるかによって磁気抵抗の値に大きな差を生じる。
【００１７】従って、上述のような人口格子構造を有す
る材料を磁気ヘッド材料として用いた場合には、磁気感
度の高い素子を構成できる。
る材料を磁気ヘッド材料として用いた場合には、磁気感
度の高い素子を構成できる。
【００１８】本発明による超薄膜強磁性膜では、原子オ
ーダーの層構造及び非磁性層との界面において急峻性が
必要である。この超薄膜を作成する際には、例えば、分
子線エピタキシー（ＭＢＥ）法が用いられる。ＭＢＥ法
を用いることによって、原子層１層ごとの成膜を行うこ
とができ、光電子強度を検知して膜厚を測定しつつ成膜
を行えば、膜厚が４原子層以下の超薄膜になった際の膜
厚のばらつきを抑えることができる。
ーダーの層構造及び非磁性層との界面において急峻性が
必要である。この超薄膜を作成する際には、例えば、分
子線エピタキシー（ＭＢＥ）法が用いられる。ＭＢＥ法
を用いることによって、原子層１層ごとの成膜を行うこ
とができ、光電子強度を検知して膜厚を測定しつつ成膜
を行えば、膜厚が４原子層以下の超薄膜になった際の膜
厚のばらつきを抑えることができる。
【００１９】次に、本発明による超格子構造磁性膜の具
体的例について、図１及び図２を参照して説明する。図
１は本発明による超格子構造における超薄膜強磁性層構
造及び電子状態密度のスピン依存性を示す図であり、図
２は従来の強磁性構造及び電子状態密度のスピン依存性
を示す図である。
体的例について、図１及び図２を参照して説明する。図
１は本発明による超格子構造における超薄膜強磁性層構
造及び電子状態密度のスピン依存性を示す図であり、図
２は従来の強磁性構造及び電子状態密度のスピン依存性
を示す図である。
【００２０】図１に示す例では、強磁性層１１と非磁性
層１２とが交互に積層されている。同様に、図２におい
ても、強磁性層１３と非磁性層１４とが交互に積層され
ている。
層１２とが交互に積層されている。同様に、図２におい
ても、強磁性層１３と非磁性層１４とが交互に積層され
ている。
【００２１】図１に示す例では、強磁性層１１として鉄
を用いた。強磁性層１１として鉄を選択した際には、図
２に示すように強磁性層１３が厚い場合と異なって、４
原子層以下の超薄膜の場合、アップスピンの電子につい
てフェルミ準位の状態密度が十分小さくなる。つまり、
超薄膜化によりフェルミ準位における電子状態密度がス
ピンの向きに強く依存する。一方、コバルト又はニッケ
ルでは、４原子層を越えるような厚膜の際、元々、バン
ド構造においてアップスピンのバンドが十分埋った構造
となっている結果、超薄膜化による効果は小さい。
を用いた。強磁性層１１として鉄を選択した際には、図
２に示すように強磁性層１３が厚い場合と異なって、４
原子層以下の超薄膜の場合、アップスピンの電子につい
てフェルミ準位の状態密度が十分小さくなる。つまり、
超薄膜化によりフェルミ準位における電子状態密度がス
ピンの向きに強く依存する。一方、コバルト又はニッケ
ルでは、４原子層を越えるような厚膜の際、元々、バン
ド構造においてアップスピンのバンドが十分埋った構造
となっている結果、超薄膜化による効果は小さい。
【００２２】強磁性層１を構成する鉄を１原子層まで薄
くすると、成膜条件によっては、キュリー温度が常温以
下になって強磁性でなくなってしまう。このため、実用
的には、磁性層１の膜厚は、２原子層から４原子層、つ
まり、０．２９ｎｍから０．５７ｎｍとされる。
くすると、成膜条件によっては、キュリー温度が常温以
下になって強磁性でなくなってしまう。このため、実用
的には、磁性層１の膜厚は、２原子層から４原子層、つ
まり、０．２９ｎｍから０．５７ｎｍとされる。
【００２３】磁気抵抗素子として用いる場合には、鉄が
良好に層状成長し、かつ電気伝導度の大きい材料である
必要性から、非磁性層１２を形成する材料として金を選
択した。磁性層間の弱い磁気的結合が期待できるよう
に、非磁性層の膜厚は０．８ｎｍから３ｎｍとした。１
層ごとの成膜は、分子線エピタキシー法により行い、そ
の際、金の蒸着には、クヌードセン・セルを用い、鉄の
蒸着には電子衝撃加熱を用いた。
良好に層状成長し、かつ電気伝導度の大きい材料である
必要性から、非磁性層１２を形成する材料として金を選
択した。磁性層間の弱い磁気的結合が期待できるよう
に、非磁性層の膜厚は０．８ｎｍから３ｎｍとした。１
層ごとの成膜は、分子線エピタキシー法により行い、そ
の際、金の蒸着には、クヌードセン・セルを用い、鉄の
蒸着には電子衝撃加熱を用いた。
【００２４】本発明では磁気抵抗層の膜厚が薄いことか
ら、成膜チャンバーの真空度が良好でなく、超格子界面
に酸素等の不純物が多く存在したすると、磁気に関係し
ない酸化物の不要な高抵抗層の寄与が無視できなくな
る。このため、本発明においては、１０-8Ｐａより高い
真空下で成膜が行われる。
ら、成膜チャンバーの真空度が良好でなく、超格子界面
に酸素等の不純物が多く存在したすると、磁気に関係し
ない酸化物の不要な高抵抗層の寄与が無視できなくな
る。このため、本発明においては、１０-8Ｐａより高い
真空下で成膜が行われる。
【００２５】成膜中の試料基板温度は室温とし、超格子
の積層サクルを１０以上にした。鉄層が２及び３層の際
には、最大１６％の磁気抵抗変化が観察された。
の積層サクルを１０以上にした。鉄層が２及び３層の際
には、最大１６％の磁気抵抗変化が観察された。
【００２６】積層層数が１５原子層程度までは、高速電
子線回折（ＲＨＥＥＤ）の回折強度が成長時間と共に振
動し、これによって、層状成長が構造解析から確認され
た。
子線回折（ＲＨＥＥＤ）の回折強度が成長時間と共に振
動し、これによって、層状成長が構造解析から確認され
た。
【００２７】ただし、鉄と金との組成のミキシングが無
いことを確認するため、成膜時の試料に紫外光を照射
し、励起された光電子の強度を検知した。鉄はフェルミ
準位より０．７ｅＶ深い準位から多くの光電子を放出
し、金はフェルミ準位より３ｅＶ深い準位から多くの光
電子を放出する。このため、エネルギーフィルターを使
って０．７ｅＶの準位から放出された光電子のみを検知
して、鉄層の成長程度に比例した光電子強度の増大を観
察した。
いことを確認するため、成膜時の試料に紫外光を照射
し、励起された光電子の強度を検知した。鉄はフェルミ
準位より０．７ｅＶ深い準位から多くの光電子を放出
し、金はフェルミ準位より３ｅＶ深い準位から多くの光
電子を放出する。このため、エネルギーフィルターを使
って０．７ｅＶの準位から放出された光電子のみを検知
して、鉄層の成長程度に比例した光電子強度の増大を観
察した。
【００２８】この結果、２層までは光電子強度が増大
し、それを経過して非磁性層になると、その強度は一度
減少し、再び２層単位で増大するという振動パターンを
示した。
し、それを経過して非磁性層になると、その強度は一度
減少し、再び２層単位で増大するという振動パターンを
示した。
【００２９】上記の方法によって、観察できる深さ領域
は、表面より原子２層程度なので、この方法によって、
成長中の超薄膜試料の表面組成を知ることができる。つ
まり、この例では、鉄３，４層と金層が組成的に混ざる
ことがなく、原子層オーダーの急峻性で接合界面を形成
していること及びその成長を確認することができた。
は、表面より原子２層程度なので、この方法によって、
成長中の超薄膜試料の表面組成を知ることができる。つ
まり、この例では、鉄３，４層と金層が組成的に混ざる
ことがなく、原子層オーダーの急峻性で接合界面を形成
していること及びその成長を確認することができた。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光電
子強度を検知し原子層レベルの膜厚測定を用いて分子線
エピタキシー法により薄膜成長を行っているから、急峻
な界面を持つ４原子層以下の強磁性超薄膜と非磁性膜と
を交互に積層した人工格子構造を得ることができる。そ
して、この超薄膜強磁性層を含む人工格子構造材料を用
いることによって高感度な磁気抵抗素子等を構成するこ
とができるという効果がある。
子強度を検知し原子層レベルの膜厚測定を用いて分子線
エピタキシー法により薄膜成長を行っているから、急峻
な界面を持つ４原子層以下の強磁性超薄膜と非磁性膜と
を交互に積層した人工格子構造を得ることができる。そ
して、この超薄膜強磁性層を含む人工格子構造材料を用
いることによって高感度な磁気抵抗素子等を構成するこ
とができるという効果がある。
【図１】本発明による超格子構造磁性膜における超薄膜
強磁性層構造及び電子状態密度のスピン依存性を示す図
である。
強磁性層構造及び電子状態密度のスピン依存性を示す図
である。
【図２】従来の強磁性層構造及び電子状態密度のスピン
依存性を示す図である。
依存性を示す図である。
１１，１３ 磁気的に結合した強磁性層（強磁性層） １２，１４ 非磁性金属層（非磁性層）
Claims (5)
- 【請求項１】 バンド構造を有し、該バンド構造のフェ
ルミ準位近傍においてアップスピン電子の状態密度とダ
ウンスピン電子の状態密度とが異なる強磁性層が非磁性
層と隣接した積層構造を有することを特徴とする超格子
構造磁性膜。 - 【請求項２】 請求項１に記載された超格子構造磁性膜
において、前記強磁性層は複数層であり、前記複数の強
磁性層におけるそれぞれ野スピン配列が互いに平行かあ
るいは反平行かによって磁気抵抗値が変化することを特
徴とする超格子構造磁性膜。 - 【請求項３】 請求項２に記載された超格子構造磁性膜
において、原子オーダーの急峻性で前記強磁性層と前記
非磁性層とが接触する積層構造を有することを特徴とす
る超格子構造磁性膜。 - 【請求項４】 請求項３に記載された超格子構造磁性膜
において、前記強磁性層は原子レベルの層構造を有し、
前記強磁性層の層数が４原子層以下であることを特徴と
する超格子構造磁性膜。 - 【請求項５】 強磁性層と非磁性層とが交互に積層され
た積層構造を有する超格子構造磁性膜を製造する際に用
いられ、成長膜から放出される励起光電子の強度に応じ
て該成長膜の成長層数をモニターして、前記成長膜を分
子線エピタキシー成長させることを特徴とする超格子構
造磁性膜の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7277473A JPH09121065A (ja) | 1995-10-25 | 1995-10-25 | 超格子構造磁性膜及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7277473A JPH09121065A (ja) | 1995-10-25 | 1995-10-25 | 超格子構造磁性膜及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09121065A true JPH09121065A (ja) | 1997-05-06 |
Family
ID=17584090
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7277473A Pending JPH09121065A (ja) | 1995-10-25 | 1995-10-25 | 超格子構造磁性膜及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09121065A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007069638A1 (ja) * | 2005-12-13 | 2007-06-21 | National Institute For Materials Science | 磁性人工超格子とその製造方法 |
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