CN102194466B

CN102194466B - 磁性传感器、磁性检测装置以及磁头

Info

Publication number: CN102194466B
Application number: CN201110045918.4A
Authority: CN
Inventors: 佐佐木智生; 及川亨; 野口洁
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: JP5338711B2; US20110204886A1; EP2372381A1; CN102194466A; EP2372381B1; JP2011176012A; US8872514B2

Abstract

本发明提供一种磁性传感器、磁性检测装置以及磁头。本发明的磁性传感器具备第一强磁性体(12A)、第二强磁性体(12B)、从第一强磁性体(12A)延伸至第二强磁性体(12B)的通道(7)、覆盖通道(7)的隔磁套(S2)、被设置于通道(7)与隔磁套(S2)之间的绝缘膜(7b)；隔磁套(S2)具有朝着通道(7)延伸的贯通孔(H)。

Description

磁性传感器、磁性检测装置以及磁头

技术领域

本发明涉及磁性传感器、磁性检测装置以及磁头。

背景技术

一直以来，检测外部磁场的各种元件已为人熟知，例如众所周知的霍尔元件、MI(Magneto Impedance)元件、MR(Magneto Resistive)元件、GMR(Giant Magneto Resisitive)元件、TMR(Tunnel MagnetoResistive)元件、自旋累积型的元件(spin accumulation)(参照日本专利申请公开2007-299467号公报)等。这种磁场检测元件例如可以被运用于检测来自于微小区域的磁场的HDD头或者运用于检测地磁的传感器等。

发明内容

被运用于上述HDD头的磁场检测元件中，对于从更加微小的区域检测磁通量来说是采取所谓对元件实行细微化的方法。但是，在元件细微化技术方面已开始显露出极限。另外，通过对元件实施细微化从而会增大元件电阻以至于变成低消耗功率以及高速动作的阻碍。即，能够检测来自于微小区域的磁通量与抑制元件电阻增大是一种权衡的关系。

本发明就是为了解决上述课题所做出的悉心研究之结果，其目的在于提供一种能够检测来自于微小区域的磁通量并且能够抑制元件电阻增大的磁性传感器。

为了解决上述课题，本发明的磁性传感器的特征在于：具备第一强磁性体、第二强磁性体、从第一强磁性体延伸至第二强磁性体的通道、覆盖通道的隔磁套(magnetic shield)、被设置于通道与隔磁套之间的绝缘膜；隔磁套具有朝着通道延伸的贯通孔。

上述第一强磁体以及第二强磁体中的一者是作为用于向通道注入自旋的注入电极而起作用，另一者是作为用于从通道接收自旋的接收电极而起作用。通道是作为从第一强磁性体或者第二强磁性体注入的自旋的传导部分而起作用。该磁性传感器中，在覆盖通道的隔磁套中设置有朝着通道延伸的贯通孔。如果通过该贯通孔将外部磁场施加于通道的话，那么在通道内进行传导的自旋的朝向是围绕着施加磁场的轴进行旋转，并且自旋一边伴随着该旋转一边进行扩散(即所谓Hanle效应)。另一方面，在不将外部磁场施加于通道的情况下，通道内的自旋的朝向不发生变化而就这样进行扩散。因此，如果接收电极上读出相对于外部磁场的电压输出或者电阻输出的话，那么就能够检测对应于由外部磁场的有无所产生的自旋旋转程度的值。因此，就能够检测来自于与上述贯通孔大小对应的微小区域的磁通量。此时，因为不用对第一强磁性体以及第二强磁性体的尺寸进行细微化就能检测磁通量，所以能够抑制由于对第一强磁性体以及第二强磁性体进行细微化而引起的元件电阻的增大。

另外，贯通孔的轴方向与第一强磁性体以及第二强磁性体的磁化方向优选为非平行。

如以上所述，如果通过贯通孔将外部磁场施加于通道的话，那么通道内的自旋的朝向是围绕着施加磁场的轴进行旋转。假定在贯通孔的轴方向与第一强磁性体以及第二强磁性体的磁化方向为平行的情况下，无论从哪一个强磁性体注入自旋也不会在由外部磁场的施加而引起的自旋的朝向上发生旋转，因而磁通量的检测是困难的。因此，如果贯通孔的轴方向与第一强磁性体以及第二强磁性体的磁化方向为非平行的话那么合适地就能够检测如上述那样的磁通量。

另外，从贯通孔的轴方向看优选为贯通孔的整个截面与通道相对。由此，就能够更加正确地进行对来自于所期望区域的外部磁场的读取。

另外，贯通孔底部的直径可以为小于贯通孔顶部的直径。也就是说，贯通孔可以有锥形侧面。在此情况下，由于外部磁场而引起的磁通量即使相对于通道斜着入射也不会被隔磁套吸收。因此，对应于锥形侧面的锥形角度能够变更外部磁场的入射角度。

另外，优选为通道具有弯曲形状，贯通孔与通道弯曲部的外侧面相对设置。由此，就能够紧缩外部磁场等的磁通量的读取区域。

另外，优选为第一强磁性体以及第二强磁性体被埋设于通道中，由第一以及第二强磁性体的上表面和绝缘膜的上表面形成平坦面，设置有贯通孔的隔磁套覆盖在该平坦面上。

这样，通过设置有贯通孔的隔磁套覆盖在第一强磁性体和第二强磁性体以及绝缘膜的上表面被平坦化了的平坦面上，从而就能够相对于记录介质等的磁场形成面平行地配置设置有贯通孔的隔磁套。因此，能够顺畅地进行对磁场的读取。

另外，优选为通道中的位于贯通孔侧的部分的宽度窄于通道中的位于第一强磁性体侧的部分以及位于第二强磁性体侧的部分。

这样，通过将通道当中位于贯通孔之下的部分制作成被缩窄的形状从而就能够使在通道内扩散的自旋流集中于这个狭窄部分。因此，就能够从贯通孔有效地将外部磁场施加于改被集中了的自旋。因此，就能够提高磁场的输出灵敏度。

另外，优选为第一强磁性体以及第二强磁性体中的至少一者的磁化方向由反强磁性体、形状各向异性中至少一个来固定。

反强磁性体通过与第一强磁性体以及第二强磁性体中的至少一者进行交换结合，从而就变得能够在第一强磁性体以及第二强磁性体的至少一者的磁化方向上赋予单方向各向异性。在此情况下，与不设置反强磁性体的情况相比能够获得在单方向上具有更高顽磁力的第一强磁性体或者第二强磁性体。另外，在由形状各向异性来固定磁化的情况下，能够省略用于区别顽磁力差的反强磁性体。

另外，第一强磁性体的磁化方向优选为与第二强磁性体的磁化方向相同。在此情况下，就能够容易地对第一强磁性体以及第二强磁性体进行磁化固定。

另外，优选进一步具备将与贯通孔的轴方向相同的方向的磁场提供给贯通孔的永久磁石。在使用永久磁石而不将磁场施加于通道层的情况下，虽然在检测对象的外部磁场为零时出现输出的峰值，但是通过使用永久磁石而将磁场施加于通道层从而就能够移动输出峰值的位置，并能够在外部磁场不为零的时候产生输出峰值。

另外，第一强磁性体以及第二强磁性体的材料优选为从由Cr、Mn、Co、Fe、Ni构成的群中选择的金属、含有一个以上所述群的元素的合金、或者含有从所述群中选择的一个以上的元素和从由B、C、N、Si、Ge构成的群中选择一个以上的元素的化合物。这些材料因为是自旋极化率(spin polarizability)为较大的强磁性材料所以能够合适地实现作为自旋注入电极或者自旋接收电极的功能。

另外，通道材料优选为含有Si、Ge、GaAs、C、ZnO中任意一个的半导体。这些半导体因为自旋扩散长度比较长所以能够合适地将自旋积蓄于通道内。

另外，优选在第一强磁性体以及第二强磁性体中的至少一者与通道之间形成有障壁层。由此，就能够从第一强磁性体以及第二强磁性体中的至少一者较多地将自旋极化(spin polarization)了的电子注入到通道中，并且还能够提高磁性传感器的电位输出。

另外，优选为进一步具备第一参照电极以及第二参照电极，且通道在与从第一强磁性体延伸至第二强磁性体的方向不相同的方向上从第一强磁性体延伸至第一参照电极，通道在与从第二强磁性体延伸至第一强磁性体的方向不相同的方向上从第二强磁性体延伸至第二参照电极。由此，例如就能够将第一强磁性体以及第一参照电极与电流源连接，并且将第二强磁性体以及第二参照电极与输出测定器连接。

在上述构成中优选进一步具备电流源以及输出测定器，且电流源以及输出测定器中的一者电连接于第一强磁性体以及第一参照电极，电流源以及输出测定器中的另一者则电连接于第二强磁性体以及第二参照电极。由此，例如通过将第一强磁性体以及第一参照电极连接于电流源从而就能够使检测用电流流过第一强磁性体。通过电流从作为强磁性体的第一强磁性体流向非磁性的通道，从而就能够将与第一强磁性的磁化方向对应方向的自旋注入到通道中。另外，通过将第二强磁性体以及第二参照电极连接于输出测定器从而就能够读取对应于外部磁场的输出。

另外，优选为不使用第一参照电极以及第二参照电极而进一步具备被设置于第一强磁性体与第二强磁性体之间的电源。在第一强磁性体与第二强磁性体之间，根据由外部磁场施加的有无而产生的磁性电阻效应，电阻也会发生变化。因此，不设置第一参照电极以及第二参照电极而在第一强磁性体与第二强磁性体之间设置电源并通过监测电流和电压的变化也能够检测外部磁场。

另外，优选为磁性检测装置具备多个上述磁性传感器。在此情况下能够将各个磁性传感器的输出合计起来。像这样的磁性检测装置例如能够适用于检测癌细胞等的生物体传感器等。

另外，磁头可以具备由上述磁性传感器构成的读取头部和写入用记录头部。由此，就能够提供一种利用了所谓Hanle效应的新型的磁头。

根据本发明，能够提供一种能够检测来自于微小区域的磁通量并且能够抑制元件电阻增大的磁性传感器。

附图说明

图1是磁性传感器的上表面图。

图2是沿着图1中的II-II线的截面图。

图3是用于说明磁性传感器效果的侧面图。

图4(a)是表示在隔磁套层形成的贯通孔例子的上表面图。图4(b)是沿着图4(a)的B1-B1线的截面图。图4(c)是表示在隔磁套层形成的贯通孔例子的上表面图。图4(d)是沿着图4(c)的D-D线的截面图。

图5(a)是表示在隔磁套层形成的贯通孔例子的上表面图。图5(b)是沿着图5(a)的B2-B2线的截面图。图5(c)是表示沿着图5(a)的C-C线的截面图。

图6是表示磁性传感器具备永久磁石的例子的上表面图。

图7是表示磁性传感器的变形例1的侧面图。

图8是表示磁性传感器的变形例2的侧面图。

图9是表示磁性传感器的变形例3的上表面图。

图10是表示沿着图9的J-J线的截面的侧面图。

图11是表示磁性传感器的变形例4的侧面图。

图12是表示磁性传感器的变形例5的侧面图。

图13是表示磁性传感器的变形例6的侧面图。

图14是表示外部磁场与电阻输出的关系的图表。

图15是表示由于贯通孔直径的不同而引起的输出强度不同的模拟结果的图表。

符号说明

1、2、3、4、5、6 磁性传感器

7 通道层7

7a、7b、7c、7d 绝缘膜

8 永久磁石

12A 第一强磁性层

12B 第二强磁性层

20A 第一参照电极

20B 第二参照电极

S1、S3 下部隔磁套层

S2 上部隔磁套层

S10、S11 侧部隔磁套层

H 贯通孔

81A 障壁层

81B 障壁层

K 弯曲部

具体实施方式

以下是一边参照附图一边就有关本发明所涉及的磁性传感器的优选实施方式作详细说明。在图面中表示有XYZ直角坐标轴系统。

(第1实施方式)

图1是第一实施方式所涉及的磁性传感器的上表面图。图2是沿着图1中的II-II线的截面图。

如图2所示，磁性传感器1是一种具备通道层7、第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及隔磁套层并且能够检测Z轴方向的外部磁场的装置。

如图1所示，通道层7从第一强磁性层12A延伸至第二强磁性层12B，并从通道层7的厚度方向进行观察被形成为矩形状。在通道层7中也可以添加用于给予导电性的离子。离子浓度例如可以是1.0×10¹⁵～1.0×10²²cm^-3。通道层7优选为自旋寿命长的材料，例如可以是含有Si、Ge、GaAs、C以及ZnO中任意一个的半导体。另外，通道层7中的从第一强磁性层12A至第二强磁性层12B的距离优选为通道层7的自旋扩散长度以下。

第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B是作为用于向通道层7注入自旋的注入电极或者作为用于检测从传导通道层7传递而来的自旋的接收电极而起作用。第一强磁性层12A被设置于通道层7的第一区域71上。第二强磁性层12B被设置于通道层7的第二区域72上。

第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B分别具有将Y轴方向作为长轴的长方体形状。第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的X轴方向上的宽度可以是相同的。如图1所示，第一强磁性层12A的磁化方向G1例如可以与第二强磁性层12B的磁化方向G2相同。在此情况下，就能够容易地进行第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化固定。

第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B是由强磁性材料所构成。第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的材料可以是从由Cr、Mn、Co、Fe、Ni构成的群中选择的金属、含有一个以上所述群的元素的合金、或者含有从所述群中选择的一个以上的元素和从由B、C、N、Si、Ge构成的群中选择一个以上的元素的化合物。

隔磁套层中间隔着绝缘膜(例如绝缘膜7a、7b)而至少部分覆盖通道层7的表面，为遮蔽外部磁场向通道层7侵入的层。为此，隔磁套层覆盖存在于第一区域71与第二区域72之间的通道层7的上表面、侧面以及下表面中的至少一个面。在图2所示的例子中，隔磁套层是由下部隔磁套层S1和上部隔磁套层S2所构成。下部隔磁套层S1被设置于通道层7的下方。上部隔磁套层S2被设置于通道层7的上方。

隔磁套层具有朝着通道层7延伸的贯通孔H。贯通孔H是为了将外部磁场施加于通道层7的贯通孔。在图2所示的例子中，贯通孔H被设置于上部隔磁套层S2，并且与存在于第一区域71与第二区域72之间的通道层7的部分的上表面相对地配置。

从该贯通孔H的轴方向(例如在图1的例子中为Z轴方向)进行观察的话，优选为贯通孔H的整个截面与通道层7相对。即，从贯通孔H的轴方向进行观察的话，则贯通孔H不从通道层7露出。由此，就能够更加正确地进行对外部磁场的读取。

图4(a)是表示在隔磁套层S形成的贯通孔H例子的上表面图。贯通孔H从隔磁套层S的厚度方向(Z轴方向)观察的话，可为各种各样的形状，例如可以形成为矩形。在图4(a)所示的例子中，贯通孔H从隔磁套层S的厚度方向(Z轴方向)观察被形成为长方形状。在此情况下，能够将贯通孔H的短边长度(X轴方向的长度)D1设置为例如0.003μm～0.3μm，且能够将长边的长度(Y轴方向的长度)D2设置为例如0.01μm～1μm。

图4(b)是沿着图4(a)的B1-B1线的截面图。如图4(b)所示，贯通孔H底部h1的直径可以与贯通孔H顶部h2的直径相同。即，贯通孔H是朝着通道层7进行垂直延伸的。

作为隔磁套层的材料例如可以列举含有Ni以及Fe的合金、铁硅铝磁性合金(sendust)、含有Fe以及Co的合金、含有Fe和Co以及Ni的合金等的软磁性材料。

磁性传感器1进一步具备第一参照电极20A和第二参照电极20B。第一参照电极20A被设置于通道层7的第三区域73上。第二参照电极20B被设置于通道层7的第四区域74上。另外，通道层7优选在与从第一强磁性层12A到第二强磁性层12B进行延伸的方向不相同的方向上从第一强磁性层12A延伸至第一参照电极20A，且通道层7优选在与从第二强磁性层12B到第一强磁性层12A进行延伸的方向不相同的方向上从第二强磁性层12B延伸至第二参照电极20B。第一参照电极20A以及第二参照电极20B是由导电性材料所构成，例如是由A1等的相对于Si具有低电阻的非磁性金属所构成。

如图2所示，在第三区域73与第四区域74之间存在有第一区域71以及第二区域72。在通道层7上在X轴方向以规定的间隔按下列顺序配置有第一参照电极20A、第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及第二参照电极20B。

磁性传感器1进一步具备障壁层81A、81B。障壁层81A、81B被设置于通道层7与第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中的至少一者之间。由此，能够从第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中的至少一者向通道层7较多地注入进行自旋极化了的电子，并且能够提高磁性传感器的电位输出。障壁层81A、81B是例如由绝缘性材料的膜构成的隧道障壁。在图2中，障壁层81A、81B是表示由单层所构成的例子，但是障壁层81A、81B也可以具有由多层所构成的层叠构造。作为障壁层81A、81B例如可以使用氧化镁层、氧化铝、氧化钛、氧化锌或者氧化铍等。从抑制电阻的增大并且作为隧道绝缘层而起作用的观点出发，障壁层81A、81B的膜厚优选为3nm以下。另外，障壁层81A、81B的膜厚在考虑了1原子层厚而优选为0.4nm以上。

磁性传感器1进一步具备绝缘膜(或者绝缘体)。绝缘膜具有防止通道层7的露出并且对通道层7进行电绝缘以及磁绝缘的功能。绝缘膜优选存在于隔磁套层与通道层7之间。由此，就会有特别容易抑制在通道层7中流动的自旋流朝隔磁套层流出的效果。另外，绝缘膜优选覆盖通道层7的表面(例如下表面、侧面或者上表面)的所必要的区域。在由图2所表示的例子中，绝缘膜7a被设置于通道层7的下表面，绝缘膜7b则被设置于通道层7的上表面上。具体地，绝缘膜7b被设置于存在于通道层7的第一区域71与第二区域72之间的区域的上表面、存在于通道层7的第一区域71与第三区域73之间的区域的上表面、存在于第二区域72与第四区域74之间的区域的上表面上。在该绝缘膜7b上如果设置有连接于第一参照电极20A、第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及第二参照电极20B的配线，那么就能够抑制由该配线的通道层7的自旋被吸收。另外，通过将配线设置于绝缘膜7b上从而也就能够抑制电流从配线流向通道层7。

在绝缘膜存在的情况下，下部隔磁套层S1是中间隔着绝缘膜7a而被设置于通道层7的下表面。另外，上部隔磁套层S2是中间隔着绝缘膜7b而被设置于通道层7的上表面。

以下是说明本实施方式所涉及的磁性传感器1制造方法的一个例子。首先，在预先准备好的基板上形成定位标记。作为基板例如可以使用Altic基板。将定位标记作为一个基准记号从而在基板上形成下部隔磁套层S1。接着，例如由分子束外延(MBE：Molecular Beam Epitaxy)法将绝缘膜7a形成于下部隔磁套层S1上。

接着，例如由MBE法将通道层7形成于绝缘膜7a上。将用于给予导电性的离子注入到通道层7从而调节通道层7的传导特性。之后，对应于必要而由热退火(thermal annealing)来使离子扩散。接着，通过清洗从而除去通道层7表面的附着物、有机物以及氧化膜。作为清洗液例如可以使用被稀释了的HF溶液。

之后，例如由MBE法在通道层7上依次形成成为障壁层81A、81B的障壁膜、成为第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的强磁性膜。接着，使用例如由电子束(EB)法制作的掩模来加工这些障壁膜以及强磁性膜。由此，在通道层7的第一区域71上经由障壁层81A而形成第一强磁性层12A，在通道层7的第二区域72上经由障壁层81B而形成第二强磁性层12B。此外，对应于必要，也可以例如由MBE法在第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B上进一步形成反强磁性层。然后，为了固定第一强磁性层12A或者第二强磁性层12B的磁化方向而进行在磁场下的退火。之后，例如由离子研磨(ion milling)来除去被形成于通道层7上的不要的障壁膜和强磁性膜。

接着，在不要的障壁膜和强磁性膜被除去了的通道层7上形成绝缘层7b。另外，除去通道层7的第三区域73以及第四区域74上的绝缘膜7b并分别形成第一参照电极20A以及第二参照电极20B。第一参照电极20A以及第二参照电极20B例如是由Al等所形成。

另外，在被设置于存在于第一区域71与第二区域72之间的通道层7的区域的上表面的绝缘膜7b上形成有上部隔磁套层S2。在该上部隔磁套层S2上设置有用于使来自于外部磁场的磁通量侵入的贯通孔H。贯通孔H例如能够由光刻法来形成。由以上所述方法就可制作出由图1以及图2所表示的磁性传感器1。

以下是说明本实施方式所涉及的磁性传感器1的作用效果。图3是用于说明第一实施方式所涉及的磁性传感器1的动作的侧面图。首先，固定第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向。在图3所示的例子中，第一强磁性层12A的磁化方向G1被固定于与第二强磁性层12B的磁化方向G2相同的方向(Y轴方向)。

例如，通过将第一强磁性层12A以及第一参照电极20A连接于电流源70，从而就能够使检测用电流流动于第一强磁性层12A。通过从作为强磁性体的第一强磁性层12A经由障壁层81A使电流流向非磁性的通道层7，从而将具有对应于第一强磁性层12A的磁化方向G1的方向的自旋P1的电子注入到通道层7。被注入的自旋P1向第二强磁性层12B侧扩散。这样，可以制作出流过通道层7的电流以及自旋流主要是在X轴方向上进行流动的构造。

图14是表示外部磁场与电阻输出的关系的一个例子的图表。在此，在不将外部磁场B施加于通道层7的时候，即在外部磁场B为零的时候，在通道层7的第一区域71与第二区域72之间的区域进行扩散的自旋方向不发生旋转。因此，与预先设定的第二强磁性层12B的磁化方向G2相同的方向的自旋扩散至第二区域72。因此，在外部磁场B为零的时候，电阻输出或者电压输出变成极值。另外，根据电流或者磁化的方向可获得极大值或者极小值。输出可以由连接于第二强磁性层12B以及第二参照电极20B的电压测定器80等的输出测定器来评价。

相对地，考虑从贯通孔H向通道层7施加外部磁场B的情况。此外，在图3的例子中，外部磁场B相对于第一强磁性层12A的磁化方向G1以及第二强磁性层12B的磁化方向G2是从垂直方向(Z轴方向)施加的。如果施加了外部磁场B的话，那么在通道层7内在贯通孔H相对的区域扩散开来的自旋P2的方向是将外部磁场B的轴方向(Z轴方向)作为中心进行旋转(所谓Hanle效果)。这个自旋P2由扩散至通道层7第二区域72的时候的旋转方向与预先设定的第二强磁性层12B的磁化方向G2(即自旋)的相对角决定了通道层7与第二强磁性层12B的界面的电压输出和电阻输出。在施加外部磁场B的情况下，因为在通道层7中进行扩散的自旋的方向会发生旋转，所以不会与第二强磁性层12B的磁化方向G2方向一致。因此，电阻输出或者电压输出如果是在外部磁场B为零的时候取得极大值的情况，那么在施加外部磁场B的时候将变为不足极大值，如果是在外部磁场B为零的时候取得极小值的情况，那么在施加了外部磁场B之后将变成超过极小值。

因此，如图14所示在外部磁场B为零的时候出现输出峰值，如果使外部磁场B增加或者减少，则输出就会发生减少。总之，因为由于外部磁场B的有无而使得输出发生变化，所以可以将本实施方式所涉及的磁性传感器1作为磁性检测元件来使用。

这样，使用被设置于隔磁套层的贯通孔H从而能够检测对应于贯通孔H大小的微小磁通量。此时，清晰度因为是由贯通孔H的大小所决定的，所以不用对第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的尺寸实施微小化而就能够检测出来自微小区域磁通量。因此，能够抑制由于对第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B实施微小化而引起的元件电阻的增大。

此外，在以往的利用自旋的磁性传感器中，虽然由磁化自由层和磁化固定层的磁化方向为平行或者反平行(anti parallel)时的相对角下出现输出峰值，但是在本发明的磁性传感器中如上述那样在外部磁场为零的情况下出现输出峰值。因此，本发明的磁性传感器适用于例如磁头，在读取外部磁场正负的时机的情况下，因为磁壁的磁场被取消而为零时出现输出峰值，所以能够判断在此为翻转。另外，在本发明的磁性传感器中，如图14所示，没有滞后现象也是其特征。

以下关于输出与贯通孔H直径的关系进行补充说明。图15是表示由于贯通孔H直径的不同而引起的输出强度不同的模拟结果的图表。在图15中设想贯通孔H为正方形的情况。图15(a)是表示正方形贯通孔H的一边为0.01μm的例子。图15(b)是表示正方形贯通孔H的一边为0.1μm的例子。图15(c)是表示正方形贯通孔H的一边为1μm的例子。图15(d)是表示正方形贯通孔H的一边为10μm的例子。此时，设想通道层7是Si并且用于给予导电性的离子浓度为1×1020cm-3的情况。Si的自旋扩散长度大约为2.5μm。因此，根据图15的模拟结果，正方形的贯通孔H的一边如果是小于自旋扩散长度的话，则在输出波形和输出强度上基本上没有什么差别。

以上虽就有关本发明的优选实施方式作了详细的说明，但是本发明并不限定于上述实施方式。例如，贯通孔H的形状并不限定于上述的形状。图4(c)是表示隔磁套层S的贯通孔的一个方式的上表面图。图4(d)是沿着图4(c)的D-D线的截面图。如图4(c)所示，贯通孔H的底部h1的直径可以被设置为小于贯通孔H的顶部h2的直径。也就是说，贯通孔H可以具有锥形侧面。在此情况下，由于外部磁场B而引起的磁通量即使相对于通道层7上表面而斜着进行入射也不会被隔磁套层S吸收。因此，对应于锥度角θ而能够变更外部磁场B的入射角度。

另外，图5(a)是表示隔磁套层S的贯通孔的一个方式的上表面图。图5(b)是沿着图5(a)的B2-B2线的截面图。图5(c)是表示沿着图5(a)的C-C线的截面图。如图5(a)所示在从隔磁套层S的厚度方向进行观察，贯通孔H被形成为矩形状的情况，例如制作出一种在短边上设置锥形侧面而在长边上不设置锥形侧面的构造。即，如图5(b)所示在贯通孔H的长边方向上可以将贯通孔H的底部h1的直径与顶部h2的直径设置为相同。另外，如图5(c)所示在贯通孔H的短边方向上贯通孔H的底部h1的直径可以被制成小于贯通孔H的顶部h2的直径。即使是在该情况下也能够对应于锥形角度θ来变更外部磁场B的入射角度。

另外，磁性传感器优选进一步具备将与贯通孔H的轴方向相同的方向的磁场提供给贯通孔H的永久磁石。图6是表示磁性传感器具备永久磁石的例子的上表面图。在由图6所表示的磁性传感器1中隔着被形成于通道层7侧面的绝缘膜7c而进一步具备永久磁石8。永久磁石8优选为将与贯通孔H的轴方向(在图6的例子中为Z轴方向)相同的方向的磁场Z1提供给贯通孔H。在使用永久磁石8而不将磁场施加于通道层7的情况下，虽然在检测对象的外部磁场B为零的时候出现输出峰值，但是通过使用永久磁石8来将磁场施加于通道层7从而在外部磁场B不为零的时候也能够出现输出峰值。

另外，贯通孔H只要被设置于覆盖了通道层7的隔磁套层中即可，例如也可以被形成于下部隔磁套层中。图7是表示磁性传感器的变形例1的侧面图。在由图7所表示的磁性传感器2中贯通孔H是被形成于下部隔磁套层S3中。贯通孔H与存在于第一区域71与第二区域72之间的通道层7下表面相对配置。即，在贯通孔H被形成于下部隔磁套层S3中的情况下，在被设置于通道层上面和侧面的隔磁套层上没有形成贯通孔。由此，就能够从通道层7的下表面读取外部磁场。

另外，贯通孔H例如也可以被形成于侧部的隔磁套层中。图8是表示磁性传感器的变形例2的侧面图。在由图8所表示的磁性传感器3中，贯通孔H被形成于侧部隔磁套层S10中，并且检测Y轴方向的外部磁场。贯通孔H与存在于第一区域71与第二区域72之间的通道层7侧面相对配置。即，在贯通孔H被形成于侧部隔磁套层S10中的情况下，在上部隔磁套层上或者在下部隔磁套层中不形成贯通孔。由此，就能够从通道层7的侧面读取外部磁场。

另外，从通道层7的厚度方向(Z轴方向)看到的形状也可以是矩形状以外的形状。图9是表示磁性传感器的变形例3的上表面图。图10是表示沿着图9的J-J线的截面的侧面图。由图9所表示的磁性传感器4是检测Y轴方向的外部磁场的装置。在该磁性传感器4中，从通道层7的厚度方向进行观察的话，则通道层7具有弯曲形状。此外，在图9中通道层7因为是被设置于绝缘膜7b之下，所以通道层7没有被图示。在此情况下，贯通孔H与制作成弯曲形状的通道层7的弯曲部K外侧面KS相对配置。在由图9以及图10所表示的例子中，贯通孔H是设置于被形成于通道层7侧面的侧部隔磁套层S11。这样，通过使通道层7发生弯曲，且贯通孔H与弯曲形状的弯曲部K外侧面KS相对配置，从而就能够使外部磁场B等的磁通量读取区域小型化。

另外，如图9所示优选为通道层7的弯曲部K外侧面KS被平坦化并且沿着该外侧面KS形成侧部隔磁套层S11。由此，读取外部磁场的面变得平坦，例如如果使该外侧面KS与记录介质等的读取对象面相对，就能够容易地进行磁场检测。此外，在图9以及图10中，表示了第一强磁性层12A的磁化方向G5被固定于与第二强磁性层12B的磁化方向G6相同的方向(Z轴方向)的例子。而且，也可以以与通道层7的弯曲部K的上表面以及下表面相对的形式配置永久磁石8，并且由该永久磁石8将Y轴方向的磁场提供给贯通孔H。

另外，与贯通孔H相对的位置的通道层7的部分也可以是被缩窄的形状。图11是表示磁性传感器的变形例4的侧面图。在由图11所示的磁性传感器5中，贯通孔H被形成于侧部隔磁套层S10中。通道层7中的位于贯通孔H侧的部分优选为其宽度窄于通道层7上的位于第一强磁性层12A侧的部分以及位于第二强磁性层12B侧的部分。即，通道层7中的垂直于传导自旋的方向(在图11的例子中为X轴方向)的面(在图11的例子中为YZ面)的截面积优选为，位于贯通孔H侧的部分小于位于第一强磁性层12A侧的部分以及位于第二强磁性层12B侧的部分中的至少一者。如以上所述，通过将通道层7中位于贯通孔H的部分制作成被缩窄的形状，从而就能够使在通道层7内进行扩散的自旋流集中于这个狭窄的部分。因此，就能够从贯通孔H有效地将外部磁场B施加于该被集中了的自旋上。因此，就能够提高磁场的输出灵敏度。

另外，在图11中所表示的例子虽然是贯通孔H被形成于侧部隔磁套层S10中并且将与贯通孔H相对的位置的通道层7的部分制作成被缩窄的形状，但是例如如图1或者如图7那样也可以是贯通孔H被形成于上部隔磁套层或者下部隔磁套层中并且将与贯通孔的相对位置的通道层的部分制作成被缩窄的形状。另外，在图11中所表示的例子虽然是只将通道层7的下表面制作成斜面，但通道层7的上表面、下表面以及侧面中至少一个面若是斜面即可。例如，通道层7的表面中也可以是几个面成为斜面。

另外，可以制作出具备多个上述磁性传感器的磁性检测装置。在此情况下能够将各个磁性传感器的输出合计起来。像这样的磁性检测装置能够适用于例如检测癌细胞等的生物体传感器等。例如，并列多个上述磁性传感器或者层叠多个上述磁性传感器从而就能够制得磁性检测装置。图12是表示磁性传感器的变形例5的侧面图。作为一个例子，在图12中表示了层叠多个图11所示的磁性传感器5的结构。

另外，上述中展示了一个例子是在通道层7的上表面上以突出的形式形成经由障壁层81A、81B的第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B、以及第一参照电极20A以及第二参照电极20B。但是，第一强磁性层12A、第二强磁性层12B、第一参照电极20A以及第二参照电极20B也可以被埋设于通道层7内。图13是表示磁性传感器的变形例6的侧面图。例如，在由图13所表示的磁性传感器6中，第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B是与障壁层81A、81B一起被埋设于通道层7。由第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的上表面、绝缘膜7d的上表面、第一参照电极20A以及第二参照电极20B的上表面形成了平坦面Z。设置有贯通孔H的上部隔磁套层S6优选为覆盖在该平坦面Z上。还有，在图13的例子中，绝缘膜7d覆盖通道层7的上表面，且这个绝缘层7d还进一步被设置于通道层7与第一强磁性层12A侧面之间以及通道层7与第二强磁性层12B侧面之间。上部隔磁套层S6经由绝缘膜7d而被形成于通道层7上。此外，第一参照电极20A以及第二参照电极20B也可以不被埋设于通道层7内。

这样，设置有贯通孔H的上部隔磁套层S6通过覆盖在第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及绝缘膜7d的上表面被平坦化了的平坦面Z上，从而能够相对于记录介质等的磁场形成面而平行地配置设置有贯通孔H的上部隔磁套层S6。因此，就能够顺畅地进行对磁场的读取。

另外，固定第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向的磁场优选为大于作为评价对象的外部磁场B。由此，就能够稳定检测外部磁场B。

另外，例如在具备写入用记录头部的磁头中，能够将本发明的磁性传感器适用于读取头部。由此，能够提供可以从例如记录介质等的微小区域检测出磁通量的磁头。

另外，在第一强磁性层12A与第二强磁性层12B之间，根据由于外部磁场B施加的有无而产生的磁性电阻效果，电阻也会发生变化。因此，不设置第一参照电极20A以及第二参照电极20B而将电源设置于第一强磁性层12A与第二强磁性层12B之间，并且通过监测电流和电压的变化也能够检测出外部磁场B。

另外，也可以对电流源70和输出测定器(例如电压测定器80)的配置进行交换。也就是说，也可以将第一强磁性层12A以及第一参照电极20A连接于输出测定器并且将第二强磁性层12B以及第二参照电极20B连接于电流源70。在此情况下，第一强磁性层12A作为接收电极而起作用，第二强磁性层12B则作为注入电极而起作用。

另外，以上所表示的一个例子是障壁层81A、81B为由绝缘膜构成隧道障壁。但是，障壁层81A、81B也可以是由金属膜构成的隧道障壁，在此情况下就能够制得半导体通道层7和金属障壁层81A、81B的肖特基(Schottky)障壁。

另外，第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中至少一者的磁化方向，也可以由被设置于第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中至少一者上的反强磁性层、形状各向异性中的至少一个因素来固定。例如，第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中，根据X轴方向与Y轴方向的纵横比差异可以区别翻转磁场的差。或者，在第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B中至少一者上也可以具备为了固定磁化方向的反强磁性层。在此情况下，与不设置反强磁性层的情况相比，能够获得在一个方向上具有更高顽磁力的第一强磁性层12A或者第二强磁性层12B。

另外，在以上所述内容中虽然所表示的例子是在同一个方向上固定第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向，但是贯通孔H的轴方向(在图1的例子中为Z方向)和第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向优选为非平行。如以上所述，如果通过贯通孔将外部磁场B施加于通道层7的话，那么通道层7内的自旋方向将围绕着施加磁场的轴进行旋转。假定是在贯通孔的轴方向和第一强磁性层以及第二强磁性层的磁化方向为平行的情况下，无论从哪一个强磁性层注入自旋，也不会在由外部磁场的施加而引起的自旋方向上发生旋转，因而磁通量的检测是困难的。因此，贯通孔的轴方向和第一强磁性层以及第二强磁性层的磁化方向如果是非平行的话，就能够合适地进行对上述那样的磁通量的检测。

因此，第一强磁性层12A的磁化方向也可以是与第二强磁性层12B的磁化方向不相同的方向，例如也可以是逆方向。在此情况下的外部磁场的评价中的输出峰值，与在第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向为同一个方向的情况下的输出峰值成为正负相反。此外，第一强磁性层12A以及第二强磁性层12B的磁化方向如图1所示既可以与通道层7的相对面平行，也可以如图8或者图9所示与通道层7的相对面垂直。

另外，相对于外部磁场的电压输出和电阻输出峰值的半宽度因为与通道层7中的自旋寿命的倒数成比例，所以自旋寿命越长磁场灵敏度就变得越好。作为被用于通道层7的自旋寿命长的材料例如可以列举Si和GaAs等，特别为优选Si。另外，虽然通道层7中的自旋寿命较短的话，磁场灵敏度就会变差，但是能够检测出较广范围的磁场。

另外，在以上所述内容中是使用了通道层7、第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及隔磁套层为所谓的“层”的例子来加以说明的，但是本发明并不限定于此。通道层7、第一强磁性层12A、第二强磁性层12B以及隔磁套层如果分别是能够作为上述磁性传感器的构成物而使用的话，就能够作为各种各样方式的通道、第一强磁性体、第二强磁性体以及隔磁套。在此情况下，通道、第一强磁性体、第二强磁性体以及隔磁套可以分别被制成例如球体状以及圆柱形状等的形态。

Claims

1.一种磁性传感器，其特征在于：

具备：

第一强磁性体；

第二强磁性体；

从所述第一强磁性体延伸至所述第二强磁性体的通道；

覆盖所述通道的隔磁套；以及

被设置于所述通道与所述隔磁套之间的绝缘膜，

所述隔磁套具有朝着所述通道延伸的贯通孔，

所述第一强磁性体以及所述第二强磁性体中的至少一者的磁化方向由反强磁性体以及形状各向异性中至少一个来固定，

所述贯通孔的轴方向与所述第一强磁性体以及所述第二强磁性体中的至少一者的磁化方向为非平行。

2.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

从所述贯通孔的轴方向看，所述贯通孔的整个截面与所述通道相对。

3.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述贯通孔底部的直径小于所述贯通孔顶部的直径。

4.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述通道具有弯曲形状，

所述贯通孔与所述通道弯曲部的外侧面相对地设置。

5.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述第一强磁性体以及所述第二强磁性体被埋设于所述通道中，由所述第一以及所述第二强磁性体的上表面和所述绝缘膜的上表面形成平坦面，

设置有所述贯通孔的所述隔磁套覆盖在所述平坦面上。

6.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述通道中位于所述贯通孔侧的部分的宽度窄于所述通道中位于所述第一强磁性体侧的部分以及位于所述第二强磁性体侧的部分。

7.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述第一强磁性体的磁化方向与所述第二强磁性体的磁化方向相同。

8.如权利要求项1所记载的磁性传感器，其特征在于：

进一步具备将与所述贯通孔的轴方向相同的方向的磁场提供给所述贯通孔的永久磁石。

9.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述第一强磁性体以及所述第二强磁性体的材料为从由Cr、Mn、Co、Fe、Ni构成的群中选择的金属、含有一个以上所述群的元素的合金或者含有从所述群中选择的一个以上的元素和从由B、C、N、Si、Ge构成的群中选择一个以上的元素的化合物。

10.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

所述通道材料为含有Si、Ge、GaAs、C、ZnO中任意一个的半导体。

11.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

在所述第一强磁性体以及所述第二强磁性体中的至少一者与所述通道之间形成有障壁层。

12.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

还具备第一参照电极以及第二参照电极，

在与从所述第一强磁性体延伸至所述第二强磁性体的方向不同的方向上，所述通道从所述第一强磁性体延伸至所述第一参照电极，

在与从所述第二强磁性体延伸至所述第一强磁性体的方向不同的方向上，所述通道从所述第二强磁性体延伸至所述第二参照电极。

13.如权利要求12所记载的磁性传感器，其特征在于：

还具备电流源以及输出测定器，

所述电流源以及所述输出测定器中的一者电连接于所述第一强磁性体以及所述第一参照电极，

所述电流源以及所述输出测定器中的另一者电连接于所述第二强磁性体以及所述第二参照电极。

14.如权利要求1所记载的磁性传感器，其特征在于：

还具备设置于第一强磁性体与第二强磁性体之间的电源。

15.一种磁性检测装置，其特征在于：

具备多个权利要求1所记载的磁性传感器。

16.一种磁头，其特征在于：

具备由权利要求1所记载的磁性传感器构成的读取头部和写入用记录头部。