強磁性トンネル接合を用いた室温動作生体磁場センサの開発

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強磁性トンネル接合(MTJ)による生体磁場検出は、医療診断や医学研究に貢献できると考えられるが、検出可能磁場の向上が必要である。検出可能磁場を向上に対し、MTJを集積アレイ化した素子が必要であるが、フリー層をミリングしたピラー型のMTJとなる。ピラー型のMTJは、連続膜フリー層を有するMTJと比較し、異方性磁場の値が大きくなってしまい、磁場感度が劣化する。本年度はその原因を明らかにするために、ピラー型のフリー層による磁区観察、MTJの磁気センサ特性の評価を目的とした。本実験では軟磁性層にCoFeSiBを用い実験を行った。初めにCoFeSiB膜厚を30 nm – 200 nmとした軟磁性膜を成膜し、微細加工によりピラー形状を作製し、磁気光学カー効果(MOKE)により磁気特性を評価した。その結果、膜厚増加に伴い、異方性磁場の値が大きくなった。加えてセカンドアニール温度依存性を評価した結果、薄い膜厚の膜は磁気異方性が変化した一方で、厚い膜厚のそれは磁気異方性がほとんど変化しなかった。これらMOKEの結果から膜厚により優位な磁気異方性が異なることが分かり、ピラー素子における異方性磁場の劣化は形状磁気異方性が原因であると示唆された。次に、同様のCoFeSiB膜厚dを有するMTJを作製し、磁気センサ特性を評価した。本実験では膜厚dを30nmと最も薄くしたMTJにおいて、最も優れた検出可能磁場7.8×10-4 Oeが得られた。この結果は10000個程度のMTJを集積アレイ化することで心臓磁場をリアルタイムで検出可能と考えられる値である。また、dが30 nmの素子における磁区構造は非常に複雑だったが、dが200 nmの素子においては明瞭な還流磁区構造であった。これらの結果から磁区構造によって検出可能磁場が異なることが分かり、これらの関係を明らかにすることが重要と示唆された。