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

利用铁磁隧道结开发室温生物磁场传感器

基本信息

批准号：
15J02067
负责人：
加藤大樹
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

使用铁磁隧道结（MTJ）进行生物磁场检测可以为医学诊断和医学研究做出贡献，但有必要提高可检测的磁场。为了提高可检测磁场，需要具有集成 MTJ 阵列的器件，但这是具有铣削自由层的柱形 MTJ。柱型 MTJ 比具有连续膜自由层的 MTJ 具有更大的各向异性磁场值，导致磁场灵敏度下降。今年，为了弄清楚原因，我们的目标是使用柱状自由层观察磁畴，并评估 MTJ 的磁传感器特性。在本实验中，软磁层使用CoFeSiB。首先，沉积厚度为30 nm至200 nm的软磁CoFeSiB薄膜，通过微加工形成柱形状，并使用磁光克尔效应（MOKE）评估磁特性。结果，各向异性磁场的值随着膜厚度的增加而增加。另外，评价第二次退火温度依赖性的结果是，薄膜的磁各向异性发生变化，而厚膜的磁各向异性几乎没有变化。这些MOKE结果表明，主要的磁各向异性根据膜厚度而不同，这表明形状磁各向异性是柱元件中各向异性磁场恶化的原因。接下来，制作了具有相似CoFeSiB膜厚度d的MTJ，并评估了它们的磁传感器特性。本实验中，最薄膜厚d为30 nm的MTJ获得了7.8×10-4 Oe的最佳可检测磁场。这一结果表明，通过将约10,000个MTJ集成到阵列中，可以实时检测心脏磁场。此外，d为30 nm的器件中磁畴结构非常复杂，但d为200 nm的器件具有清晰的回流磁畴结构。这些结果表明，可检测的磁场根据磁畴结构而不同，并且表明澄清这些关系很重要。