МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2003 года по МПК G01R33/05 H01F10/08 

Изобретение относится к магниторезистивным считывающим элементам и может быть использовано в нано-электронике и компьютерной технике, для считывания информации с магнитных носителей с высокой информационной плотностью (магнитные диски, магнитные ленты и т.п.), а также в сенсорной технике и автоматике.

В течение последних 10 лет увеличение плотности информации на магнитных носителях составляло 60% в год. В настоящее время информационная плотность в магнитных запоминающих устройствах достигает 10⁸ бит/см². Для считывания информации такой высокой плотности необходимо использовать считывающие элементы высокой чувствительности. Современные миниатюрные магниторезистивные считывающие сенсоры, как правило, изготовляются на основе трехслойных пленочных магниточувствительных элементов. Принцип считывания основан на эффекте гигантского магнитосопротивления.

Известны магниточувствительные элементы, представляющие собой многослойные тонкопленочные структуры, состоящие из магнитных слоев, разделенных немагнитными прослойками. Сопротивление таких структур зависит от взаимной ориентации намагниченности в магнитных слоях (пат РФ 2060567, МПК Н 01 F 10/08, 2023320, Н 01 F 10/10). Недостатком этих устройств является недостаточная магнитная чувствительность к внешнему магнитному полю, зависящая от параметров элемента - его размеров и материала, большой объем перемагничиваемого материала, сложная трехслойная структура.

Известен магниточувствительный элемент (патент США 5206590, НКИ 324/252), представляющий собой 3-слойный тонкопленочный элемент, нанесенный на подложку, состоящий из двух магнитных слоев из различных материалов, отличающихся друг от друга толщиной и величиной константы анизотропии. Магнитные слои отделены друг от друга немагнитной прослойкой. При отсутствии внешнего магнитного поля направление намагниченности верхнего магнитного слоя перпендикулярно направлению намагниченности нижнего магнитного слоя. Направление намагниченности нижнего магнитного слоя постоянно. Изменение величины тока, проходящего через элемент, и напряжение регистрируются при различных величинах сопротивления. Сопротивление элемента зависит от направления намагниченности верхнего слоя, меняющегося под действием измеряемого магнитного поля. Изменение сопротивления в зависимости от взаимной ориентации намагниченности верхнего и нижнего магнитных слоев называется эффектом спинового переключения.

Способ определения магнитной чувствительности элемента состоит в наложении внешнего магнитного поля, регистрации изменения сигнала - магнитного сопротивления элемента и определении магнитной чувствительности как отношения этой величины к максимально возможной величине изменения сигнала. Эта величина определяется геометрическими параметрами элемента и магнитной проницаемостью материала элемента и является неизменной для данного элемента.

К недостаткам данного прототипа можно отнести многослойную конструкцию прибора и невысокую магнитную чувствительность к внешнему магнитному полю.

Невысокая восприимчивость прибора описанной конструкции, в частности, объясняется тем, что для считывания информацию с плотностью записи 10⁷ бит/см² элемент должен иметь размеры порядка 100 • 100 нм. При таких размерах возрастает роль дефектов материала и термофлуктуаций при перемагничивании верхнего слоя, и работа элемента становится нестабильной.

Задачей, на которую направлено изобретение, является упрощение конструкции элемента, повышение стабильности его работы за счет уменьшения краевых эффектов при перемагничивании, увеличение эффективности работы элемента за счет повышения магнитной чувствительности к измеряемому внешнему полю и уменьшение объема перемагничиваемой области.

Для достижения указанной задачи предложен магниточувствительный элемент, включающий подложку с расположенным на ней слоем тонкопленочного магнитного материала, а указанный слой выполнен в виде двух пластин с перемычкой в центральной части, при этом намагниченности в пластинах имеют плоскостную ориентацию вдоль перемычки и противонаправлены.

В магниточувствительном элементе (МЭ) пластины и перемычка выполнены прямоугольными.

При этом перемычка МЭ имеет переменную ширину.

При этом ширину перемычки МЭ; выбирают в диапазоне 1-50 нм.

Материал магнитного слоя МЭ выбирают из группы материалов, содержащих Fe, Ni, Со, или переходные металлы, или редкоземельные металлы, или их сплавы, или соединения на их основе, или магнитные полупроводники.

Магниточувствительный элемент выполнен так, что граница между частями элемента с различной намагниченностью расположена в перемычке.

Магниточувствительный элемент может быть выполнен осесимметричным.

Кроме того, предложен способ задания магнитной чувствительности магниточувствительного элемента, включающий выбор геометрических параметров элемента и магнитных параметров материала элемента, при этом предварительно находят критические значения длины перемычки магниточувствительного элемента и константу анизотропии ферромагнитного материала, при которых граница намагниченности спонтанно выходит из центра перемычки, затем строят линию потери устойчивости границы намагниченности и, выбирая положение рабочей точки относительно линии потери устойчивости, задают магнитную чувствительность элемента к внешнему магнитному полю.

При этом критические значения величин находят путем компьютерного моделирования или экспериментально.

Такое выполнение магниточувствительного элемента, использующего эффект гигантского сопротивления, обеспечит высокую восприимчивость элемента к изменению внешнего магнитного слоя при выборе рабочих параметров сенсора, близких к точке потери устойчивости центрального положения доменной границы (ДГ).

На фиг. 1 изображен магниточувствительный элемент по настоящему изобретению, где L - длина перемычки, b - ширина перемычки.

Фиг.2 показывает включение магниточувствительного элемента по настоящему изобретению в электрическую схему.

Фиг. 3 представляет фазовую диаграмму, где по осям отложены значения длины перемычки L в нм и константы анизотропии в Дж/м³; диаграмма демонстрирует эффект потери устойчивости центрального положения доменной границы (ДГ), при этом A₁ и А₂ - два возможных варианта выбора рабочей точки.

Фиг. 4 иллюстрирует схематическую зависимость величины смещения доменной границы (d) из центра элемента и сигнала считывания (R) от внешнего магнитного поля в левую пластину. Четыре кривые соответствуют двум рабочим точкам A₁ и А₂, A₁ - ближе к кривой, А₂ - дальше.

Фиг. 5 и 6 представляют характерные распределения намагниченности, полученные компьютерным моделированием при следующих параметрах:
М_s=8•10⁵A/м, К=3000 Дж/м³, А=1,4•10^-11 Дж/м,
где М_s - остаточная намагниченность;
К - константа анизотропии;
А - константа внутрислойного обмена.

Фиг. 5 иллюстрирует направление намагниченности в элементе при ДГ в центре элемента.

Фиг. 6 - под действием внешнего магнитного поля ДГ вышла из центра элемента.

Магниточувствительный элемент по настоящему изобретению состоит из двух пластин - левой и правой, изготовленных из тонкопленочного ферромагнитного материала, соединенных тонкой перемычкой из того же материала. Толщина пленки может изменяться в зависимости от используемых материалов в пределах от 0,2 до 10² нм. Пластины могут быть, например, прямоугольной формы (фиг.1). Пластины намагничиваются в противоположном направлении, так что переходная область (доменная граница - ДГ) возникает в области перемычки (частный случай).

В качестве ферромагнитводного материала могут использоваться магнитные материалы Fe, Co, Ni, сплавы на их основе, редкоземельные металлы и сплавы на их основе, а также сплавы редкоземельных металлов и металлов группы Fе (Fe, Ni, Со, Мn и др.). Также могут быть использованы магнитные полупроводники, например Ga(Mn)As.

Существует критическое сочетание параметров, при котором магнитная чувствительность прибора формально обращается в бесконечность. Подбор параметров материала и геометрии осуществляются таким образом, чтобы они, с одной стороны, обеспечивали устойчивое положение доменной границы - границы намагниченности в центре перемычки и, следовательно, обеспечивали стабильность работы элемента, а с другой стороны, находились сравнительно близко к критической точке, что обеспечивает высокую чувствительность прибора к измеряемому магнитному полю.

При изменении внешнего магнитного поля перемагничивается только область перемычки, что составляет только 1-5% от объема магнитной пленки прибора.

Гигантский магниторезистивный эффект в приборе может превышать 60% (в других приборах порядка 20%).

Магниточувствительный элемент по настоящему изобретению (см. фиг.1) работает следующим образом. Внешнее магнитное поле, приложенное к магниточувствительному элементу, выводит доменную границу (ДГ) из центра перемычки (фиг. 2). Пороговое внешнее магнитное поле Н_с, необходимое для вывода доменной границы из центра перемычки в боковую пластину - левую или правую, определяется геометрическими параметрами прибора (в первую очередь длиной контакта L, его шириной b) и магнитными параметрами используемых материалов (например Со, Fe, Ni; магнитных полупроводников, например Ga(Mn)As).

Способ определения магнитной чувствительности заключается в следующем.

Важным свойством магниточувствительного элемента является то, что положение доменной границы можно регулировать выбором параметров материала и геометрией прибора. В частности, наблюдается эффект потери устойчивости центрального положения доменной границы при изменении параметров магниточувствительного элемента (длины или константы анизотропии). Этот эффект иллюстрируется на фиг.3, который получен на основе компьютерного моделирования уравнений микромагнетизма для магниточувствительного элемента. На фиг.3 показана линия потери устойчивости доменной стенки в центре перемычки. При приближении к ней сильно возрастает магнитная чувствительность элемента к изменению внешнего магнитного поля. Под магнитной чувствительностью в данном случае понимается отношение амплитуды выхода ДГ из центра магниточувствительного элемента к величине внешнего магнитного поля - параметр, определяющий эффективность прибора, как сенсора магнитного поля. Формально она обращается в бесконечность на линии потери устойчивости. Физические параметры материала: намагниченность насыщения (M_s), константа анизотропии (К), обменная жесткость (А) и геометрия, другими словами рабочая точка прибора, выбираются так, чтобы, с одной стороны, обеспечить состояние прибора с одним положением равновесия ДГ (в данном случае в центре контакта), а с другой стороны, обеспечить его максимальную восприимчивость и к влиянию магнитного поля. Для иллюстрации показаны возможные рабочие точки А₁ и А₂.

Таким образом, под действием детектируемого внешнего магнитного поля доменная граница выходит из области перемычки магниточувствительного элемента и, следовательно, изменяется значение сопротивления прибора; сигнал считывания оценивается следующим образом:

где R(H) - сопротивление при наличии магнитного поля;
R(0) - сопротивление без магнитного поля;
L - длина перемычки;
δ- толщина доменной границы;
ρ₀- удельное сопротивление однородного материала;
ρ₁- удельное сопротивление материала с доменной границей.

В тонкой кобальтовой нанопроволоке, согласно экспериментальным данным (Spin Accumulation and Domain Wall Magnetoresistance in 35 nm Co Wires. U. Ebels, A. Radulescu, Y. Henry, L. Piraux and K. Ounadjela Physical Review Letters, Volume 84 (Issue 5), pp.983-986, 2000): ρ₁/ρ₀≈8.
Полагая δ =10 нм, L= 50 нм, получим δ/L≈0,2 и (ΔR/R)₁≈60%, что значительно превышает аналогичный показатель для приборов, основанных на эффекте гигантского магнитного сопротивления в многослойных пленках.

Таким образом, преимущества изобретения перед аналогичными заключаются в следующем.

1. Прибор состоит из одного магнитного слоя, что позволит существенно упростить технологию изготовления.

2. Высокая магнитная чувствительность к магнитному полю обеспечивается тем, что подбор геометрии и материалов, осуществляется таким образом, чтобы они, с одной стороны, обеспечивали устойчивое положение доменной границы в центре перемычки, но, с другой стороны, находились сравнительно близко к критической точке.

3. В предлагаемом изобретении в отличие от традиционных многослойных элементов необходимо перемагничивать только область перемычки, объем которой, в зависимости от геометрии прибора, составляет порядка 1-5%, в процессе перехода ДГ из центра вправо или влево в область пластин, распределение намагниченности на их внешних краях практически не изменяется. Известно, что наличие областей обратной намагниченности, которые возникают на краях пленочных элементов, является основным фактором, приводящим к неустойчивости работы прибора. В заявляемом приборе нестабильность перемагничивания, вызываемая краевыми эффектами, в этом случае значительно меньше.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к магниторезистивным считывающим элементам, и может быть использовано в компьютерной технике для считывания информации с магнитных носителей с высокой информационной плотностью, а также в сенсорной технике и автоматике. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции элемента, повышение стабильности его в работе за счет повышения магнитной чувствительности к измеряемому внешнему полю и уменьшение объема перемагничиваемой области. Магниточувствительный элемент состоит из двух пластин с перемычкой в центральной части, которые выполнены из тонкопленочного ферромагнитного материала с толщиной пленки 0,2 - 100,0 нм, при этом намагниченности в двух пластинах имеют плоскостную ориентацию вдоль перемычки и противонаправлены, а перемычка имеет ширину 1-50 нм. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Магниточувствительный элемент, включающий подложку с расположенным на ней слоем тонкопленочного ферромагнитного материала, отличающийся тем, что слой тонкопленочного ферромагнитного материала выполнен в виде двух пластин с толщиной пленки 0,2-100,0 нм с перемычкой из того же материала, расположенной в центральной части пластин, при этом намагниченности в двух пластинах имеют плоскостную ориентацию вдоль перемычки и противонаправлены, а перемычка имеет ширину 1-50 нм. 2. Магниточувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что две пластины и перемычка выполнены прямоугольными. 3. Магниточувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, перемычка имеет переменную ширину. 4. Магниточувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала могут быть использованы металлы из группы Fe, Ni, Co, или сплавы на их основе, или переходные металлы, или редкоземельные металлы, или их сплавы, или магнитные полупроводники. 5. Магниточувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что пластины намагничены таким образом, что доменная граница расположена в области перемычки. 6. Магниточувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен осесимметричным.