CN102810317A - 自旋转矩振荡器、传感器、磁场感测系统及盘驱动器 - Google Patents

自旋转矩振荡器、传感器、磁场感测系统及盘驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了自旋转矩振荡器（STO）、STO传感器、磁场感测系统以及盘驱动器。该自旋转矩振荡器（STO）具有单个自由铁磁层，该自由铁磁层与非磁导电间隔层形成巨磁阻（GMR）结构的一部分，并与隧道势垒层形成隧道磁阻（TMR）结构的一部分。该STO具有连接到电路的三个电端子，该电路提供经过导电间隔层的自旋转矩激励电流以及经过隧道势垒层的较小的感测电流。当STO用作磁场传感器时，激励电流使得自由层的磁化在没有外部磁场时在固定的基频振荡。耦接到感测电流的检测器检测自由层的磁化振荡频率响应于外部磁场从基频的偏移。

Description

自旋转矩振荡器、传感器、磁场感测系统及盘驱动器
技术领域
本发明总地涉及一种自旋转矩振荡器（spin-torque oscillator:STO），更具体地，涉及使用STO传感器的磁场传感器及感测系统。
背景技术
在磁记录盘驱动器中用作读头的一种常规磁阻（MR）传感器是基于巨磁阻（GMR）效应的“自旋阀”传感器。GMR自旋阀传感器具有叠层，该叠层包括通过非磁导电间隔层分隔的两个铁磁层，该非磁导电间隔层基本为铜（Cu）。邻近间隔层的一个铁磁层磁化方向固定，诸如通过与相邻反铁磁层的交换耦合而被钉扎，并被称作参考层。邻近间隔层的另一个铁磁层其磁化方向在外部磁场存在时自由旋转，并被称作自由层。当感测电流施加到传感器时，由于外部磁场的存在，诸如来自盘上的被记录的磁位，自由层磁化相对于参考层磁化的旋转可被检测为电阻的变化。如果感测电流被引导为垂直通过传感器堆叠中的层的平面，则该传感器被称作电流垂直于平面（CPP）传感器。
除了CPP-GMR读头之外，另一类型的CPP传感器是磁隧道结传感器，也被称作隧穿MR或TMR传感器，其中非磁间隔层为非常薄的非磁隧道势垒层。在CPP-TMR传感器中，垂直穿过多个层的隧穿电流取决于两个铁磁层中的磁化的相对取向。在CPP-GMR读头中，非磁间隔层由导电材料形成，基本为金属诸如Cu或Ag。在CPP-TMR读头中，非磁间隔层由绝缘材料形成，诸如TiO2、MgO或Al2O3。
在CPP MR传感器中，期望在高的偏置或感测电流密度来操作传感器以最大化信号和信噪比（SNR）。然而，已知地，CPP MR传感器容易受到电流引发的噪声和不稳定性影响。自旋极化的偏置电流垂直流过铁磁层并对局域磁化产生自旋转矩（ST）效应。这会产生磁化的波动，如果感测电流大，导致显著的低频磁噪声。
基于CPP-GMR或CPP-TMR传感器结构的另一种可选传感器，被称作自旋转矩振荡器（STO）传感器，被设计为使得自旋转矩效应产生磁化的持续的进动。当高于Ic（称作临界电流）的固定直流引导通过STO传感器时，自由层的磁化由于ST效应而进动或振荡。在适当设计的结构中，该进动的频率（振荡频率）随着外部磁场的施加而偏移，这些频率偏移能够用于检测外部磁场的变化。因此，已经提出STO传感器用作磁记录盘驱动器中的读头以代替常规的CPP-GMR和CPP-TMR读头，如例如在转让给与本申请相同受让人的US 20100328799A1中以及US 20090201614A1中所述。
基于CPP-GMR传感器的STO传感器由于在参考层与自由层之间的非磁导电间隔层而能够在非常高的电流密度操作，但是由于其低的磁阻（ΔR/R）而具有非常小的输出信号。基于CPP-TMR传感器的STO传感器具有显著较高的磁阻，但是在高电流密度下易受隧道势垒的电介质击穿的影响。
需要一种STO用于像磁场检测系统的系统中，其具有高的输出信号而不易受隧道势垒的电介质击穿影响。
发明内容
本发明是具有单个自由层的自旋转矩振荡器（STO），该单个自由层与非磁导电间隔层形成GMR结构的一部分并与隧道势垒层形成TMR结构的一部分。STO具有连接到电路的三个电端子，该电路提供经过导电间隔层的自旋转矩激励电流以及经过隧道势垒层的较小的感测电流。STO具有用作混频器、收音机、手机和雷达（包括汽车雷达）中的振荡器、以及用作微波辅助磁记录（MAMR）中的振荡器的应用。
在一个具体的应用中，STO是磁场传感器，诸如电流垂直于平面（CPP）盘驱动器读头。在该应用中，STO具有单个自由铁磁层，该自由铁磁层具有在要被感测的外部磁场（诸如，盘上的磁化“位”或区域）存在时基本上自由振荡的平面内磁化。该自由层与隧道势垒层和具有固定的平面内磁化的第一参考层形成TMR结构的一部分，并与非磁导电间隔层和具有固定的平面内磁化的第二参考层形成GMR结构的一部分。STO传感器具有用于连接到电路的三个电接触或端子。第一端子电耦接到第一参考层，第二端子电耦接到第二参考层，第三端子电耦接到导电间隔层或自由层。连接到STO端子的电路包括激励电流源和感测电流源。激励电流大于用于GMR结构的临界电流，并足够高以提供足够的电流密度以引起自由层的磁化在外部磁场不存在时在固定的基频振荡。感测电流小于用于TMR结构的临界电流。耦接到感测电流的检测器响应于来自盘的磁化区域的外部磁场检测自由层磁化振荡频率从基频的偏移。
为了更全面地理解本发明的本质和优点，应当参照以下与附图一起的详细描述。
附图说明
图1是常规磁记录硬盘驱动器在去除盖时的示意俯视图。
图2是沿图1的方向2-2取得的滑块的放大的端视图和盘的截面。
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出具有读/写头的端部的滑块的气垫面（ABS）。
图4是根据现有技术的电流垂直于平面型磁阻（CPP MR）读头的ABS的截面示意图，示出位于磁屏蔽层之间的叠层。
图5是在磁记录盘驱动器中实现的根据本发明实施例的磁场自旋转矩振荡器（STO）感测系统的示意图。
图6是图5的STO传感器在反射模式的实施例的示意图，但其中第二参考层不在叠层中而是从ABS凹入。
图7是STO传感器在传输模式的实施例的示意图，但其中第二参考层和非磁导电间隔层都不在叠层中而是从ABS凹入。
图8是STO传感器在传输模式的实施例的示意图，其中第一参考层和隧道势垒层都不在叠层中而是从ABS凹入。
具体实施方式
根据本发明的三端STO具有除了作为磁场传感器之外的应用，但是下面将作为磁记录盘驱动器读头详细描述。
图1至图4示出常规CPP磁阻（MR）磁场感测传感器和系统。图1是常规磁记录硬盘驱动器的简图。该盘驱动器包括磁记录盘12和支撑在盘驱动器壳或基座16上的旋转音圈电机（VCM）致动器14。盘12具有旋转中心13，并通过安装到基座16的主轴电机（未示出）沿方向15旋转。致动器14绕轴17转动并包括刚性的致动器臂18。基本柔性的悬架20包括弯曲元件(flexure element)23并附接到臂18的端部。头承载器或气垫滑块22附接到弯曲元件23。磁记录读/写头24形成在滑块22的拖尾面25上。弯曲件23和悬架20能够使滑块在由旋转的盘12产生的气垫上“俯仰”和“摇摆”。基本，在由主轴电机旋转的轮毂（hub）上堆叠有多个盘，单独的滑块和读/写头与每个盘表面关联。
图2是沿图1的方向2-2取得的滑块22的放大的端视图和盘12的截面。滑块22附接到弯曲件23并具有面对盘12的气垫面（ABS）27和基本垂直于ABS的拖尾面25。ABS 27使得来自旋转盘12的气流产生气垫，该气垫支撑滑块20使得其非常靠近或几乎接触盘12的表面。读/写头24形成在拖尾面25上并通过到拖尾面25上的端子焊垫29的电连接而连接到盘驱动器读/写电子系统。如图2的截面图所示，盘12是具有在跨道方向上间隔开的离散数据道50的图案化介质盘，这些数据道中的一个被示出为与读/写头24对准。离散数据道50具有在跨道方向上的道宽度TW，并可以在圆周方向上由连续可磁化材料形成，在该情形下，图案化介质盘12被称作离散道介质（DTM）盘。或者，数据道50可以包含沿道间隔开的离散数据岛，在该情形下，图案化介质盘12被称作位图案化介质（BPM）盘。盘12还可以是常规的连续介质（CM）盘，其中记录层没有被图案化，而是记录材料的连续层。在CM盘中，具有道宽度TW的同心数据道在写头在连续记录层上写入时被建立。
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出当从盘12观看时读/写头24的端部。读/写头24是在滑块22的拖尾面25上沉积并被光刻图案化的一系列薄膜。读头包括垂直磁写极（WP），还可以包括拖尾和/或侧屏蔽（未示出）。CPP MR传感器或读头100位于两个磁屏蔽件S 1和S2之间。屏蔽件S1、S2由可导磁材料（基本为NiFe合金）形成，还可以是导电的使得它们能够用作到读头100的电引线。屏蔽件用于使读头100屏蔽于与正在被读取的数据位相邻的记录数据位。也可以使用单独的电引线，在该情形下，读头100形成为与导电引线材料（诸如，钽、金或铜）的层接触，这些层与屏蔽件S1、S2接触。图3没有按比例，因为难以示出非常小的尺寸。与读头100在沿道方向上的总厚度（其可以在20至40nm的范围内）相比，基本每个屏蔽件S1、S2在沿道方向上为几微米厚。
图4是当从盘观看时ABS的视图，示出构成CPP MR传感器结构的层。传感器100是包括形成在两个磁屏蔽层S1、S2之间的叠层的CPP MR读头。传感器100具有在ABS处的前边缘以及定义道宽度（TW）的间隔开的侧边缘102、104。屏蔽件S1、S2由导电材料形成，并因此还可以用作用于偏置或感测电流IS的电引线，该偏置或感测电流IS基本被引导为垂直经过传感器叠层中的层。或者，单独的电引线层可以形成在屏蔽件S1、S2与传感器叠层之间。下屏蔽件S1基本通过化学机械抛光（CMP）抛光以提供用于传感器叠层生长的平坦基板。籽层101（诸如薄的Ru/NiFe双层）（基本通过溅射）沉积在S2下面以利于相对厚的屏蔽件S2的电镀。
传感器100的层包括：参考铁磁层120，具有横向取向（进入纸面）的固定磁矩或磁化方向121；自由铁磁层110，具有能够响应来自盘12的横向外部磁场而在层110的平面内旋转的磁矩或磁化方向111；以及非磁间隔层130，在参考层120与自由层110之间。CPP MR传感器100可以是CPP GMR传感器，在该情形下，非磁间隔层130将由导电材料形成，基本为金属如Cu、Au或Ag。或者，CPP MR传感器100可以是CPP隧穿MR（CPP-TMR）传感器，在该情形下非磁间隔层130将是由电绝缘材料形成的隧道势垒，如TiO2、MgO或Al2O3。
CPP MR传感器中被钉扎的铁磁层可以是如图4中所示出那样的反平行（AP）被钉扎结构或单个被钉扎层。AP被钉扎结构具有通过非磁反平行耦合（APC）层123分隔的第一铁磁层（AP1）122和第二铁磁层（AP2）120，两个AP被钉扎铁磁层的磁化方向基本反平行地取向。AP2层120，其在一侧与非磁APC层123接触并在另一侧与传感器的导电非磁间隔层130接触，基本被称作参考层。AP1层122，其基本在一侧与反铁磁层124或硬磁钉扎层接触并在另一侧与非磁APC层123接触，基本被称作被钉扎层。AP被钉扎结构使参考/被钉扎层与CPP MR自由铁磁层之间的净静磁耦合最小化。AP被钉扎结构有时也被称作“层叠”被钉扎层或合成反铁磁体（SAF）。
图4中的CPP GMR传感器中的被钉扎层为公知的AP被钉扎结构，该结构具有参考铁磁层120（AP2）和下铁磁层122（AP1），参考铁磁层120（AP2）和下铁磁层122（AP1）跨过AP耦合（APC）层123而反铁磁耦合。APC层123基本为Ru、Ir、Rh、Cr或其合金。AP1和AP2层、以及自由铁磁层110基本由晶体CoFe或NiFe合金形成，或由这些材料的多层（诸如CoFe/NiFe双层）形成。AP1和AP2铁磁层的各自磁化方向127、121反平行取向。AP1层122通过与反铁磁（AF）层124交换耦合而可以使其磁化方向被钉扎，如图4所示。AF层124基本为Mn合金，例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn。或者，AP被钉扎结构可以是“自钉扎的”。在“自钉扎”的传感器中，AP1和AP2的磁化方向127、121通过存在于所制造的传感器中的残余应力和磁致伸缩而基本被设定为一般垂直于盘表面。期望AP1和AP2层具有类似的磁矩。这保证AP被钉扎结构的净磁矩小，从而最小化与自由层110的静磁耦合并且AF层124的有效钉扎场保持为高，该钉扎场大致与AP被钉扎结构的净磁矩成反比例。
籽层125可以位于下屏蔽层S1与AP被钉扎结构之间。如果使用AF层124，籽层125增强AF层124的生长。籽层125基本为NiFeCr、NiFe、Ta、Cu或Ru的一层或多层。盖层112位于自由铁磁层110与上屏蔽层S2之间。盖层112提供腐蚀保护并可以是单层或不同材料的多层，诸如Ru、Ta、Ti或Ru/Ta/Ru、Ru/Ti/Ru或Cu/Ru/Ta三层。
在感兴趣的范围内的外部磁场（也就是来自盘上的记录数据的磁场）存在时，自由层110的磁化方向111将旋转，而参考层120的磁化方向121将保持固定而不旋转。因此，当感测电流IS从顶屏蔽件S2垂直穿过传感器叠层到底屏蔽件S1（或从S1到S2）施加时，来自盘上的记录数据的磁场将引起自由层磁化111关于参考层磁化121的旋转，这可检测为电阻的变化。
铁磁偏置层115，诸如CoPt或CoCrPt硬磁偏置层，也基本在传感器100的侧边缘102、104附近形成在传感器叠层外面。偏置层115通过绝缘层116电绝缘于传感器100的侧边缘102、104。特别地如果偏置层为CoPt或CoPtCr层，可选的籽层114，诸如Cr合金如CrMo或CrTi，可以沉积在绝缘层116上以促进偏置层115的生长。盖层118，诸如Cr层或Ta/Cr多层，被沉积在偏置层115上面。盖层118的上层例如Cr也用于在传感器的制造期间作为化学机械抛光（CMP）停止层的目的。偏置层115具有基本平行于ABS的磁化117并由此纵向偏置自由层110的磁化111。因此，在没有外部磁场时，其磁化117平行于自由层110的磁化111。铁磁偏置层115可以是交换耦合到反铁磁层的铁磁层或硬磁偏置层。用于屏蔽层S2的籽层101，诸如NiFe层，可以位于传感器100和盖层118上面。
在感兴趣的范围内的外部磁场（也就是，来自盘12上的记录数据的磁场）存在时，自由层110的磁化方向111将旋转，而参考层120的磁化方向121将保持基本固定而不旋转。自由层磁化111关于参考层磁化121的旋转导致电阻的变化。因此，当感测直流IS经过传感器100中的叠层引导时，电阻变化被检测为与来自盘上记录数据的磁信号场的强度成比例的电压信号。如果IS大于某些临界电流（IC），自旋转矩（ST）效应能够产生自由层磁化的回转(gyration)或起伏(fluctuation)，导致显著的低频磁噪声，该磁噪声将传感器的信噪比（SNR）减小到不期望的水平。
基于CPP-GMR或CPP-TMR传感器的一种可选传感器，被称作自由转矩振荡器（STO）传感器，在大于IC的感测电流操作以利用作用于自由层上的由ST引起的力。当高于IC的固定直流经过这种类型的STO传感器引导时，自由层的磁化由于ST效应进动或振荡。该进动频率（振荡频率）随着外部磁场的施加而偏移，这些频率偏移能够被用来检测外部磁场的变化。因此，STO传感器已经被提出用作磁记录盘驱动器中的读头以代替常规的CPP-GMR和CPP-TMR读头，如例如转让给与本申请相同受让人的US20100328799A1中以及US 20090201614A1中所述。
基于CPP-GMR传感器的STO传感器由于其在参考层与自由层之间的导电间隔层可以在非常高的电流密度操作，但是由于其低的磁阻（ΔR）而具有非常小的输出信号。基于CPP-TMR传感器的STO传感器具有显著较高的磁阻，但是易受高电流密度下隧道势垒的电介质击穿的影响。
根据本发明的STO传感器利用了CPP-GMR传感器和CPP-TMR传感器两者的积极方面以在高电流密度操作并提供高的输出信号。图5是根据本发明实施例的使用STO传感器200的磁场感测系统的示意图。该系统示出为具有STO传感器200的磁记录盘驱动器，其ABS面对盘250。传感器200包括一组独立的层以及如以上关于CPP传感器100描述的CPP-GMR传感器和CPP-TMR传感器两者的特征。盘150具有基板252和记录层254，该记录层254用作具有磁化区域的磁记录介质，该磁化区域由指向ABS或离开ABS的箭头示出。当盘旋转时，磁化区域沿箭头215的方向移动经过传感器200。记录层254被示出为具有垂直于记录层254的平面磁化的区域的垂直磁记录介质，但是备选地其可以是具有在记录层254的平面内磁化的区域的纵向磁记录介质。STO传感器200具有：第一屏蔽层S1，可用作沉积一组层的基板；第二屏蔽层S2；以及单个自由铁磁层210，具有在要被感测的外部磁场存在时自由振荡的基本平面内的磁化211。自由层210与隧道势垒层230和具有固定的平面内磁化221的第一参考层220形成TMR结构的一部分，并且自由层210与非磁导电间隔层270和具有固定的平面内磁化261的第二参考层260形成GMR结构的一部分。参考层220、260的每个可以是单个被钉扎层或AP被钉扎结构的AP2层。非铁磁导电金属层225位于S1与第一参考层220之间用于在允许导电的同时断开S1与第一参考层220或传感器的叠层中的其它铁磁层之间的任何磁交换相互作用。类似地，非铁磁导电金属层265位于S2与第二参考层260之间。用于层225、265的典型材料是Cu、Ag、Ta和Ru。在叠层中的传感器层的次序可以与图5所示的相反，使第二参考层260首先沉积在S1上的层265上，接着是导电间隔层270、自由层210、隧道势垒层230、第一参考层220和层225，S2位于层225上。
STO传感器200具有用于连接到电路300的三个电接触或端子。端子301经由S1电耦接到第一参考层220，端子302经由S2电耦接到第二参考层260，端子303电耦接到导电间隔层270或自由层210。在图5的实施例中，端子303连接到导电间隔层270，但是可以连接到或者导电间隔层270或者自由层210。端子301、302、303为了示出的方便在图5中示出为直接连接到它们各自的层，但是很可能位于滑块的拖尾面上，如图2中滑块22的拖尾面25上的端子焊垫29所示。传感器包括在从ABS凹进的背后区域中的绝缘材料290，用于使S1、导电间隔层270和S2彼此电隔离。
连接到STO传感器200的电路包括恒定电流源310和恒定电流源320，恒定电流源310提供在端子302、303之间经过导电间隔层270的直流（DC）激励电流Ie，恒定电流源320提供在端子301、303之间经过隧道势垒层230的直流DC感测电流Is。激励电流大于用于GMR结构的临界电流Ic，并足够高以提供足够的电流密度使得自由层210的磁化211在没有外部磁场时在固定的基频振荡。感测电流Is小于用于TMR结构的临界电流Ic。检测器350耦接到用于感测电流Is的电路。检测器350检测自由层磁化211的振荡频率响应于来自记录层254的磁化区域的外部磁场从基频的偏移。电流源310可以替代地采用交流（AC）激励电流或具有DC偏置的AC激励电流。这能够允许将振荡器的频率锁定到固定的驱动频率，磁场通过相位检测进行相关牵引和检测，如文献中已知的，例如“Injection Locking and Pulling inOscillators”，B Razari等，IEEE J of Solid State Circuits 39,1415(2004)以及专利US 7633699。
单个自由层210是被GMR和TMR结构共享的公共自由层，与电路的三端连接使Ie与Is去耦。用于激励ST振荡的较高Ie经过导电间隔层270，较低的Is经过隧道势垒层230以感测经过GMR结构的Ie产生的自由层磁化211的振荡。低的Is保持跨隧道势垒层230的电压低以避免电介质击穿，同时仍利用了TMR结构的大得多的磁阻信号。
在优选的实施例中，两个参考层220、260的各自的磁化221、261应当基本平行于彼此以获得最高的临界电流。在没有外部磁场时，自由层210的磁化211应当基本分别反平行于两个参考层220、260的磁化221、261，并基本垂直于ABS。自由层210的磁化211可以指向记录层254或者背离记录层254。在备选的实施例中，两个参考层220、260的各自的磁化221、261可以基本反平行。这会降低阈值电流但是可以帮助来通过与参考层220、260的静磁相互作用来控制自由层210上的有效场。
激励电流源310与GMR结构的连接方式限定ST被赋予给自由层210的方式。在图5的实施例中，第三端子303连接到导电间隔层270。这是“反射(reflection)”模式，因为大部分电子不流经自由层210，而是通过导电间隔层270中的自旋积累产生自旋电流，其将ST赋予给自由层210。STO传感器200的备选实施例将与图5相同，除了端子303连接到自由层210而不是导电间隔层270。这是“传输(transmission)”模式，因为电子流到自由层210中，并直接将ST赋予给自由层210。传输模式在赋予ST上更有效，因此比反射模式需要更小的激励电流。
作为根据本发明的盘驱动器STO传感器的一个示例，在反射模式操作时，临界电流Ic的密度可以为107-108A/cm2的数量级。具有3-5x107A/cm2（传输）或1-5x108A/cm2（反射）的电流密度的激励电流Ie将引起自由层210的磁化211在没有外部磁场时在约4-8GHz（取决于使用的铁磁材料的饱和磁化）的共振频率或基频下进动或振荡。记录层254中的正和负的磁化可以在传感器经过介质之上的高度处产生100-500Oe的磁场，并以高达2GHz的频率经过自由层210。该磁场会使自由层210的磁化211的振荡的基频偏移约±1GHz。感测电流Is将具有约107A/cm2的电流密度。检测器350能够通过测量跨隧道势垒层230的电阻的变化来测量自由层磁化的振荡频率。在一种检测技术中，来自自由层磁化振荡的频率调制（FM）信号被转换为一连串电压脉冲（数字信号），延迟检测方法被用于FM检测（K.Mizushima,等，“Signal-to-noise ratios in high-signal-transfer-rate read heads composed ofspin-torque oscillators”，J.Appl.Phys.,107,0639042010）。
对于磁记录应用，期望使STO传感器层匹配到磁屏蔽之间的尽可能窄的空间中以获得沿道方向（平行于图5中箭头215的方向）的记录磁位的最高的空间分辨率。在图5中，一组层为叠层的形式，每个层依次沉积在基板例如S1上，隧道势垒层230与自由层210的一个表面接触，导电间隔层270与自由层210的相反表面接触。图6示出图5的实施例的变型，STO传感器处于反射模式，但其中第二参考层260a不在叠层中而是基本形成在与导电间隔层270a相同的平面中。第二参考层260a在图6中示出为从ABS凹进，但是备选地其可以位于导电间隔层270a的任一侧（跨道方向）并仍然基本形成在与导电间隔层270a相同的平面中。在任一情形下，S1-S2屏蔽到屏蔽间隔从图5的实施例减小。在该反射模式的实施例中，端子303通过第二参考层260a而连接到导电间隔层270a，激励电流经过凹进的第二参考层260a和导电间隔层270a。
图7示出STO传感器处于传输模式下的实施例，但其中第二参考层260b和非磁导电间隔层270b都不在叠层中，而是基本都形成在与自由层210相同的平面中。第二参考层260b和导电间隔层270b在图7中被示出为从ABS凹进，但是备选地它们可以位于自由层210的任一侧（跨道方向）并仍然基本形成在与自由层210相同的平面中。在任一情形下，S1-S2屏蔽到屏蔽间隔从图5的实施例减小。在该传输模式的实施例中，激励电流经过凹进的第二参考层260b、导电间隔层270b和自由层210。
图8示出STO传感器处于传输模式下的的实施例，其中第一参考层220a和隧道势垒层230a都不在叠层中而是基本都形成在与自由层210相同的平面中。第一参考层220a和隧道势垒层230a在图8中被示出为从ABS凹进，但是备选地它们可以位于自由层210的任一侧（跨道方向），并基本仍形成在与自由层210相同的平面中。在任一情形下，S1-S2屏蔽到屏蔽间隔从图5的实施例减小。在该传输模式的实施例中，激励电流从S1经过非磁间隔层270和自由层210到S2。
由于在本发明中需要STO传感器200在高于Ic的电流水平操作以在自由层210中产生自旋转矩效应，用于CPP传感器中的自由层的材料的特性可以选择为减小或增大Ic，因此改变需要被提供的激励电流Ie的水平。例如，可期望较低的Ic以限制在产生自由层振荡中耗散的功率。使用特定类型的材料用于自由层以改变STO传感器中的激励电流在08/07/2008提交并转让给与本申请相同的受让人的申请12/188183中进行了描述。
临界电流通常由以下给出：
Ic=(α/g)Mst(Hk+2πMs)
其中α为阻尼参数，g为取决于铁磁材料的自旋极化的参数，Ms为饱和磁化，t为自由层的厚度，Hk为自由层的各向异性场。乘积Ms*t由来自盘上的记录位的磁通决定，并基本按照NiFe合金的等价厚度来给出，例如
Figure BDA00001710471100111
等价坡莫合金（~800emu/cm3）。因此，可以选择具有参数α、Ms和Hk的期望值的自由层材料以改变Ic。例如，Ni81Fe19表现出约0.01至0.02的低α、约800emu/cm3的低Ms*t以及约1Oe的低本征各向异性场Hk。
此外，高自旋极化材料将通过增加参数g的值而显著减小Ic，该参数g依赖于铁磁材料的自旋极化。因此，自由铁磁层210可以由铁磁哈斯勒（Heusler）合金形成或包括铁磁哈斯勒合金，已知铁磁哈斯勒合金中的一些在其块体形式表现出高的自旋极化。全和半哈斯勒合金为具有特定组分和晶体结构的金属间化物。哈斯勒合金的示例包括但不限于全哈斯勒合金Co2MnX（其中X为Al、Sb、Si、Sn、Ga或Ge中的一个或多个）、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al（其中x在0与1之间）。示例还包括但不限于半哈斯勒合金NiMnSb和PtMnSb。理想哈斯勒合金将具有100%的自旋极化。然而，以下是可能的，在薄膜的形式和有限温度下，哈斯勒合金的能带结构可以偏离其理想的半金属结构，自旋极化将减小。例如，某些合金可以表现出化学位无序并以B2结构结晶而不是L21哈斯勒结构。然而，该自旋极化可以超出常规铁磁合金的自旋极化。因此，这里使用时，“哈斯勒合金”将表示组分与已知的哈斯勒合金基本相同的合金，并导致与常规铁磁材料诸如NiFe和CoFe合金相比增强的自旋极化。
另一类能够被使用的材料是与典型自由层的厚度相比具有短自旋扩散长度的那些。类似于具有高自旋极化的材料，它们在短的长度尺度上有效散射自旋，因此引起自旋转矩不稳定性。一种这样的优选材料具有(CoxFe100-x)(100-y)My的组分，其中M为从由Al、Ge和Si构成的组中选出的元素，其中x在约40至60之间，y在约20至40之间。这些材料具有相当高的自旋极化和低磁阻尼的优点，这在本发明的传感器中是期望的以减小Ic。
如之前所述，尽管根据本发明的三端STO已经通过应用为磁场传感器（特别地，磁记录盘驱动器读头）进行了详细描述，但是本发明具有其他的应用。三端STO的其他应用（其所有都受益于能够利用经过隧道势垒层的感测电流来检测自由层振荡的频率或相位）包括混频器、收音机、手机和雷达（包括汽车雷达）。参见例如“STO frequency vs.magnetic field angle:Theprospect of operation beyond 65GHz”，Bonetti等，APL 94102507（2009）。
另一个应用是用于磁记录（诸如磁记录盘驱动器）中的高频辅助写入。在该技术（也被称作微波辅助磁记录（MAMR））中，STO施加高频振荡磁场到记录层的磁晶粒作为来自常规写头的磁写场的辅助磁场。该辅助场可以具有接近记录层中的磁晶粒的共振频率的频率以促进晶粒的磁化在来自常规写头的与没有辅助记录时相比更低的写场下的转换。在一种类型的MAMR系统中，基于GMR或TMR的两端STO在没有垂直于层的平面取向的激励电流的情况下利用参考层的磁化和自由层的磁化操作。参见例如“MicrowaveAssisted Magnetic Recording”，J.G.Zhu等，IEEE Transactions on Magnetics，Vol.44,No.1,2008年1月，pp.125-131。因此，当根据本发明的三端STO(如图5所示的)被用作用于MAMR的STO时，参考层220、260的各自的磁化221、261将垂直于层的平面取向，在没有激励电流Ie时，自由层210的磁化211也将垂直于层的平面取向。经过隧道势垒层230的感测电流Is于是用于监测自由层磁化211的振荡的频率。
尽管已经参照优选的实施例具体示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不背离本发明的精神和范围。因而，所公开的发明应被认为仅是说明性的，仅被限制在由权利要求所指定的范围内。

Claims (21)

1.一种自旋转矩振荡器，包括：
基板；以及
在该基板上的一组层，包括：
自由铁磁层，具有在存在垂直经过该自由铁磁层的平面的激励电流时振荡的磁化；
第一铁磁参考层，具有固定的磁化；
非磁隧道势垒层，在该自由铁磁层与该第一铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第一铁磁参考层接触；
第二铁磁参考层，具有固定的磁化；
非磁导电间隔层，在该自由铁磁层与该第二铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第二铁磁参考层接触；以及
用于将电路连接到该振荡器的三个电端子，其中所述三个端子中的第一个电耦接到该第一铁磁参考层，所述三个端子中的第二个电耦接到该第二铁磁参考层，所述三个端子中的第三个电耦接到所述导电间隔层和所述自由铁磁层中的一个。
2.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中该第一和第二铁磁参考层的每个的磁化基本垂直于层的平面取向。
3.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中该第一和第二铁磁参考层的每个的磁化基本在层的平面内取向。
4.如权利要求3所述的自旋转矩振荡器，其中该第一和第二铁磁参考层的磁化方向基本平行于彼此，其中在没有激励电流时，该自由铁磁层的磁化方向基本反平行于该第一和第二铁磁参考层的磁化方向。
5.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，还包括连接到所述一组层的电路，用于提供经过该导电间隔层的激励电流，该激励电流从直流和交流中选择并具有足够的电流密度以使得该自由铁磁层的磁化振荡，以及用于提供较小的经过该隧道势垒层的感测电流。
6.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中该自由铁磁层具有(CoxFe100-x)(100-y)My的组分，其中M为从由Al、Ge和Si构成的组中选出的元素，其中x在40至60之间，y在20至40之间。
7.如权利要求1所述的自旋转矩振荡器，其中该自由铁磁层包括从由Co2MnX、NiMnSb、PtMnSb、Co2FeSi和Co2FexCr(1-x)Al构成的组中选出的铁磁哈斯勒合金，其中X选自Al、Sb、Si、Sn、Ga和Ge构成的组，x在0与1之间。
8.一种用于感测外部磁场的自旋转矩振荡器传感器，包括：
基板；和
在该基板上的一组层，包括：
自由铁磁层，具有在存在要被感测的外部磁场时基本自由振荡的平面内磁化；
第一铁磁参考层，具有固定的平面内磁化；
非磁隧道势垒层，在该自由铁磁层与该第一铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第一铁磁参考层接触；
第二铁磁参考层，具有固定的平面内磁化；
非磁导电间隔层，在该自由铁磁层与该第二铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第二铁磁参考层接触；以及
三个电端子，用于将电路连接到该传感器。
9.如权利要求8所述的传感器，其中所述三个端子中的第一个电耦接到该第一铁磁参考层，所述三个端子中的第二个电耦接到该第二铁磁参考层，所述三个端子中的第三个电耦接到所述导电间隔层和所述自由铁磁层中的一个。
10.如权利要求8所述的传感器，其中该基板是导磁材料的第一屏蔽层，并且该传感器还包括导磁材料的第二屏蔽层，所述一组层位于该第一和第二屏蔽层之间，其中所述三个端子中的第一个电耦接到该第一屏蔽层，所述三个端子中的第二个电耦接到该第二屏蔽层，所述三个端子中的第三个电耦接到所述导电间隔层和所述自由铁磁层中的一个。
11.如权利要求10所述的传感器，其中该一组层为叠层。
12.如权利要求10所述的传感器，其中该第二铁磁参考层位于与该导电间隔层基本相同的平面中。
13.如权利要求10所述的传感器，其中所述第一铁磁参考层和所述第二铁磁参考层中的一个位于与该自由铁磁层基本相同的平面中。
14.如权利要求8所述的传感器，其中该第一和第二铁磁参考层的磁化方向基本平行于彼此，其中在没有激励电流时，该自由铁磁层的磁化方向基本反平行于该第一和第二铁磁参考层的磁化方向。
15.一种磁场感测系统，包括：
如权利要求8所述的自旋转矩振荡器传感器；
连接到该传感器叠层的电路，用于提供经过该导电间隔层的激励电流，该激励电流具有足够的电流密度以使得该自由铁磁层的磁化在没有外部磁场时在基频振荡，以及用于提供较小的经过该隧道势垒层的感测电流；以及
检测器，耦接到感测电流电路，用于检测该自由铁磁层的磁化振荡频率响应于外部磁场从所述基频的偏移。
16.一种盘驱动器，具有磁记录盘以及用于从该盘读取记录数据的读传感器，包括：
可旋转的磁记录盘，具有提供磁场的磁化区域、表示记录数据的磁化区域之间的转变；
承载器，用于将读传感器支撑在该盘附近，该承载器具有面对盘的表面；
第一和第二导磁屏蔽件，在该承载器上；
读传感器，在该第一和第二屏蔽件之间用来检测来自该盘上的磁化区域的磁场，该读传感器包括：
自由铁磁层，具有在没有来自该盘的磁场时在基本垂直于该承载器的面对盘的表面的方向上取向并且在存在来自该盘的磁场时基本自由振荡的平面内磁化；
第一铁磁参考层，不与该自由铁磁层接触并具有在没有来自该盘的磁场时基本反平行于该自由铁磁层的磁化的固定的平面内磁化；
非磁隧道势垒层，在该自由铁磁层与该第一铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第一铁磁参考层接触；
第二铁磁参考层，不与该自由铁磁层接触并具有基本平行于该第一铁磁参考层的磁化取向的固定的平面内磁化；
非磁导电间隔层，不与该隧道势垒层接触并在该自由铁磁层与该第二铁磁参考层之间并与该自由铁磁层和该第二铁磁参考层接触；
用于提供经过该导电间隔层的激励电流的机构，该激励电流具有足够的电流密度以使得该自由铁磁层的磁化在没有来自该盘的磁场时在基频振荡；
用于提供经过该隧道势垒层的直流感测电流的机构，该感测电流具有小于该激励电流密度的电流密度；以及
响应于该感测电流的检测器，用于检测该自由铁磁层的磁化振荡频率响应于来自该盘的磁场从所述基频的偏移。
17.如权利要求16所述的盘驱动器，还包括连接到所述屏蔽件中的一个的第一端子、连接到另一个屏蔽件的第二端子以及连接到选自该导电间隔层和该自由铁磁层的层的第三端子；其中该激励电流的机构连接在该第三端子与该第一和第二端子中的一个之间；其中该感测电流的机构连接在该第三端子与该第一和第二端子中没有连接到该激励电流的机构的一个之间。
18.如权利要求16所述的盘驱动器，其中该隧道势垒层与该自由铁磁层的一个表面接触，该导电间隔层与该自由铁磁层的相反表面接触。
19.如权利要求16所述的盘驱动器，其中该第一和第二铁磁参考层中的一个从该承载器的面对盘的表面凹进。
20.如权利要求16所述的盘驱动器，其中该第二铁磁参考层和导电间隔层从该承载器的面对盘的表面凹进。
21.如权利要求16所述的盘驱动器，其中该盘的磁化区域在基本垂直于该盘的方向上磁化。
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