DE69011997T2

DE69011997T2 - Hall-Effekt Magnetwiedergabekopf.

Info

Publication number: DE69011997T2
Application number: DE69011997T
Authority: DE
Inventors: Gerard Creuzet; Alain Friederich Al Friederich
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1989-06-27
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1995-01-26
Anticipated expiration: 2010-06-16
Also published as: JP2862963B2; EP0406051A1; FR2648941A1; EP0406051B1; FR2648941B1; DE69011997D1; JPH0337813A; US5093753A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Leseköpfe für magnetische Aufzeichnung, insbesondere die den Hall-Effekt ausnutzenden Einspur- oder Mehrspur-Leseköpfe.
Derzeit werden die Einspur- oder Mehrspur-Leseköpfe für magnetische Aufzeichnung im allgemeinen unter Verwendung von Materialien wie etwa Permalloy, also einer Eisen-Nickel-Legierung mit 78% Nickel verwendet (siehe FR-A-2 578 343). Nun betrifft einer der Nachteile dieser magnetischen Köpfe das Rauschen. Dieses Rauschen ist hauptsächlich durch die Eigenschaften der Magnetisierungsbereiche bedingt. Die Legierungen, aus denen die Leseköpfe verwirklicht sind, sind nämlich nicht monokristallin. Daher hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine neue Struktur für die Leseköpfe für magnetische Aufzeichnung mit Hall-Effekt vorzuschlagen, die ermöglicht, einen Einkristall zu erhalten, so daß das obige Problem gelöst wird.
Daher hat die vorliegende Erfindung einen magnetischen Lesekopf mit Hall-Effekt zum Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element des Kopfs versehen ist mit einem Substrat, auf dem durch epitaktisches Wachstum eine Schicht aus einem Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit sowie eine magnetische, metallische Mehrfachschicht erzeugt worden sind, welche durch übereinandergestapelte Schichten von magnetischen Materialien und nichtmagnetischen Materialien gebildet ist, und mit Stromzufuhr- und Hallspannungs-Erfassungselektroden, die mit der Schicht aus Halbleitermaterial in Kontakt sind, wobei die Schicht aus Halbleitermaterial und die Mehrfachschicht elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die Mehrfachschicht eine senkrechte Anisotropie und eine Dicke zwischen 100 und 1000 Å besitzt.
Wenn die magnetische, metallische Mehrfachschicht durch epitaktisches Wachstum auf einem Halbleitermaterial erzeugt wird, wird dadurch ein Einkristall erhalten. Die Magnetisierung dieser Struktur ist daher eine Magnetisierung in einem einzigen Bereich, was eine Begrenzung des Rauschens zur Folge hat.
Damit andererseits die obige Struktur als magnetischer Lesekopf verwendet werden kann, besitzt die Mehrfachschicht eine senkrechte Anisotropie. Außerdem weist sie eine Gesamtdicke auf, die im Bereich von 100 bis 1000 Å liegt. Wenn daher die Grenzflächenanisotropie ausgenutzt wird und Mehrfachschichten mit ausreichend kleinen Dicken der einzelnen Schichten verwirklicht werden, wird eine zur Mehrfachschicht senkrechte Magnetisierung erhalten, die für die Verwendung dieser Mehrfachschicht als Lesekopf besonders günstig ist.
In der obigen Struktur wird eine Konzentration der Feldlinien erhalten, die hauptsächlich durch die Mehrfachschicht mit senkrechter Magnetisierung bedingt ist. Diese Konzentration der Feldlinien erzeugt in der Halbleiterschicht, auf der die Mehrfachschicht durch epitaktisches Wachstum erzeugt worden ist, ein Magnetfeld. Es ist dann möglich, die Veränderungen der in der Halbleiterschicht induzierten Hallspannung zu erfassen, wenn sich die Magnetisierung eines magnetischen Aufzeichnungsträgers wie etwa eines Magnetbandes verändert.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält der magnetische Lesekopf mit Hall-Effekt außerdem zwischen der Schicht aus Halbleitermaterial und der Mehrfachschicht eine Isolierschicht, um die Erfassung der Hallspannung nicht zu stören. Diese Isolierschicht ist vorzugsweise aus einem isolierenden Oxid oder aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandbreite wie etwa GaAlAs verwirklicht. Die magnetischen Leseköpfe mit Hall-Effekt, die keine Isolierschichten enthalten, sind aus Materialien verwirklicht, derart, daß die zwischen der Mehrfachschicht und der Halbleiterschicht gebildete Schottky-Diode keinen Leckverlust hat. Daher muß zwischen der ersten metallischen Schicht der Mehrfachschicht und der Schicht aus Halbleitermaterial eine ausreichende Barrierenbreite vorhanden sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung, die für verschiedene Ausführungsformen eines magnetischen Lesekopfs mit Hall-Effekt mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen:
- Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines magnetischen Einspur-Lesekopfs mit Hall- Effekt ist;
- Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 1 ist;
- Fig. 3 eine Schnittansicht ähnlich derjenigen von Fig. 2 einer weiteren Ausführungsform eines Magnetkopfs mit Hall-Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
- Fig. 4 eine Draufsicht ist, die die Anordnung der Kontakte zeigt;
- Fig. 5A und 5B schematische Ansichten sind, die die Funktionsweise der Leseköpfe gemäß der vorliegenden Erfindung erläutern;
- Fig. 6 eine Ansicht ist, die den Bereich der Signale der Hallspannung in Abhängigkeit von der Magnetisierung des vom Lesekopf gelesenen Bandes angibt; und
- Fig. 7 eine schematische perspektivische Ansicht eines Mehrspur-Lesekopfs mit Hall-Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Um die Beschreibung zu vereinfachen, tragen in den Figuren die gleichen Elemente die gleichen Bezugszeichen. Um andererseits das Verständnis der Figuren zu erleichtern, sind die unterschiedlichen Dicken der Schichten vergrößert worden.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein magnetischer Lesekopf mit Hall- Effekt gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus einem Substrat 1 gebildet, auf dem durch epitaktisches Wachstum nacheinander eine Schicht 2 aus einem Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit, eine Isolierschicht 3 und eine Mehrfachschicht 4 erzeugt worden sind, die ihrerseits aus übereinandergestapelten Schichten von magnetischen Materialien und nichtmagnetischen Materialien gebildet ist. Um eine monokristalline Struktur zu erhalten, die die Verringerung des Rauschens erlaubt, wird die obige Struktur dadurch verwirklicht, daß besondere Epitaxietechniken wie etwa die Molekularstrahl-Epitaxie verwendet werden. Andererseits wird das Substrat 1 so gewählt, daß die Gitterparameter mit den aufzubringenden Materialien kompatibel sind, um die Epitaxie ausführen zu können. Das Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit ist aus Verbindungen der Gruppen III und V des Periodensystems der Elemente, etwa Galliumarsenid (GaAs), oder durch dotiertes Silicium gebildet.
Somit ist eine mögliche Struktur für den Kopf der Fig. 1 und 2 aus einem Substrat 1 aus nichtdotiertem Galliumarsenid und aus einer Schicht 2 aus Galliumarsenid, das so dotiert ist, daß die gewünschte Elektronenbeweglichkeit erhalten wird, gebildet. Die Isolierschicht 3 kann in diesem Fall durch ein Halbleitermaterial mit großer Barrierenbreite wie beispielsweise GaAlAs verwirklicht sein. Es können andere Typen von Isolierschichten verwendet werden, insbesondere Isolierschichten auf Oxidbasis. Die magnetische Mehrfachschicht 4, die den aktiven Teil des Lesekopfs bildet, muß eine Überführung der in der magnetischen Aufzeichnung enthaltenen Information in eine zur Mehrfachschicht senkrechte Magnetisierung ermöglichen können. Folglich ist diese magnetische Mehrfachschicht 4 aus einem Stapel von magnetischen Schichten und nichtmagnetischen Schichten gebildet, wobei die magnetischen Schichten 41 vorzugsweise aus Cobalt oder aus einer Cobaltlegierung verwirklicht sind, während die nichtmagnetischen Schichten 42 aus Chrom, aus Silber oder aus einer Legierung dieser Metalle verwirklicht sind. Außerdem sind die Dicken der einzelnen Schichten ausreichend klein und weisen jeweils eine Dicke auf, die im Bereich zwischen einigen Angström und 30 bis 60 Å liegt, so daß eine Mehrfachschicht erhalten wird, die eine Dicke besitzt, die im Bereich von 100 bis 1000 Å liegt.
Wenn daher die Grenzflächenanisotropie zwischen den Schichten der Mehrfachschicht ausgenutzt wird und wegen der Dicke dieser Mehrfachschicht wird somit eine zur Mehrfachschicht senkrechte Magnetisierung erhalten, die zum Lesen eines magnetischen Aufzeichnungsträgers verwendet werden kann.
Tatsächlich muß die verwendete Mehrschichtstruktur mit einer senkrechten Anisotropie versehen sein, mit einer Anisotropieenergie
Ea = Keff sin² θ, wobei Keff = K - 2πM²
< K: Anisotropie-Koeffizient), wobei θ der Winkel zwischen der Magnetisierung und der Normalen der Mehrfachschicht ist und M die Magnetisierung ist. Die Hystereseschleife einer solchen Mehrfachschicht ist im wesentlichen rechtwinklig, während das Koerzitivfeld durch
Hc = 2 Keff/M
gegeben ist. Dieses Feld Hc muß ausreichend klein sein, damit die Magnetisierung der Mehrfachschicht unter der Wirkung des durch die Aufzeichnung erzeugten Feldes umkippt, wenn in dieser Aufzeichnung von einem gegebenen Bereich zu einem inversen Bereich übergegangen wird (in der Praxis ist je nach Aufzeichnungstyp H 100 bis 500 Oe). Die Dicke t der Mehrfachschicht wird ausreichend klein sein, damit ihre Wirkung auf die Aufzeichnung vernachlässigbar ist und diese letztere nicht verändert (nämlich tMHc « t'M'Hc', wobei t', M' und Hc' die Dicke, die Magnetisierung bzw. das Koerzitivfeld des Magnetbandes sind).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zwischen der Halbleiterschicht 2 und der Mehrfachschicht 4 vorgesehene Isolierschicht 3 weggelassen sein. In diesem Fall wird die Mehrfachschicht durch epitaktisches Wachstum direkt auf der Halbleiterschicht erzeugt. Es ist jedoch notwendig, daß die auf diese Weise erhaltene SCHOTTKY-Diode keinen Leckverlust besitzt, weshalb erforderlich ist, daß die Barrierenbreite zwischen der ersten magnetischen Schicht der Mehrfachschicht 4 und der Halbleiterschicht 2 ausreichend groß ist.
Diese Isolation ist notwendig, damit die Erfassung der Magnetisierung der Mehrfachschicht durch Messung des in der Halbleiterschicht induzierten Hall-Effekts nicht gestört wird, wie im folgenden genauer erläutert wird.
Andererseits kann die Mehrfachschicht 4, wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, von einer Schutzschicht 5 abgedeckt sein. Diese Schutzschicht 5 ist entweder aus einer Schicht auf Nitridbasis oder aus einer nichtmagnetischen Antiabriebschicht gebildet.
Wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Lesekopf mit zwei Elektrodenpaaren 6, 6 und 7, 7 versehen, die für den ankommenden Strom bzw. für den Abgriff der Hallspannung VH&supmin; und VH&spplus; bestimmt sind. Diese Elektroden sind durch Aufbringung einer metallischen Schicht auf die Oberfläche der Halbleiterschicht 2 verwirklicht. Im Fall eines Lesekopfs, der eine Isolierschicht enthält, ist es notwendig, die Isolierschicht zu ätzen. Nach der Ätzung werden auf der Halbleiterschicht 2 Kontakte mit sehr geringem Widerstand aufgebracht.
Wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt, kann ein Lesekopf gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl zum Lesen eines Bandes 10A mit longitudinaler Aufzeichnung, wie in Fig. 5A gezeigt, als auch zum Lesen eines Bandes 10B mit senkrechter Aufzeichnung, wie in Fig. 5B gezeigt, verwendet werden. Im ersten Fall ist der Lesekopf senkrecht zum Band angeordnet. Die Feldlinien sind dann so orientiert, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt ist, wobei die beiden Pfeile die Magnetisierungsrichtung im Band bzw. in der Mehrfachschicht des Kopfs angeben.
Im zweiten Fall ist der Lesekopf parallel zum Band positioniert.
Mit diesem Kopftyp wird das Lesen durch Kombinieren zweier Phänomene ausgeführt, nämlich:
- einer Überführung der in der magnetischen Aufzeichnung vorhandenen Information in eine zur Mehrfachschicht senkrechte Magnetisierung, wie in den Fig. 5A und 5B durch die Pfeile F symbolisch dargestellt ist;
- einer Erfassung der Magnetisierung der Mehrfachschicht durch Messen des in der Halbleiterschicht 2 erzeugten Hall-Effekts.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die binären Informationen in das Magnetband 10 durch Magnetisierungen mit entgegengesetzter Richtung aufgezeichnet, die durch die Pfeile F auf dem Band 10 symbolisch dargestellt sind. Dieser Wechsel der Magnetisierungsbereiche des Magnetbandes hat eine Änderung der Magnetisierungsrichtung in der magnetischen metallischen Mehrfachschicht und daher eine Änderung des Vorzeichens der in der Halbleiterschicht gemessenen Hallspannung VH zur Folge, wie durch die Kurve der Fig. 6 dargestellt ist. Die aus der Vorbeibewegung des Randes unter dem Magnetkopf sich ergebende Hallspannung ist daher eine Spannung des digitalen Typs, die einfach ausgewertet werden kann.
Wie in Fig. 7 gezeigt, kann die Struktur des obenbeschriebenen Kopfs auch für einen Mehrspur-Lesekopf verwendet werden. In diesem Fall ist auf einem gemeinsamen Substrat 1 eine Halbleiterschicht 2 verwirklicht, die von einer Isolierschicht 3 und von einer Mehrfachschicht 4 überzogen ist. Um die mehreren Spuren zu verwirklichen, werden die Mehrfachschicht, die Isolierschicht und die Halbleiterschicht geätzt, wobei die Ätzung 20 auf das Substrat in der Weise einwirkt, daß die Köpfe voneinander isoliert sind.
Somit wird durch Verwenden einer die herkömmlichen Materialien des Permalloy-Typs ersetzenden Mehrschichtstruktur und durch Auswählen der Komponenten und der Dicken der die Mehrfachschicht bildenden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten in der Weise, daß eine senkrechte Anisotropie erhalten wird, die eine senkrechte Magnetisierung ergibt, sowie durch Verwenden eines spezialisierten Verfahrens zur Verwirklichung der Mehrfachschicht in der Weise, daß ein Einkristall erhalten wird, ein Lesekopf erhalten, der eine Einzelbereichsmagnetisierung besitzt, wodurch es möglich ist, das Rauschen erheblich zu verringern. Außerdem wird ein Lesekopf erhalten, der eine Erfassung des digitalen Typs der induzierten Hallspannung ergibt.

Claims

1. Magnetischer Lesekopf mit Hall-Effekt, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element des Kopfes versehen ist mit einem Substrat (1), auf dem durch epitaktisches Wachstum eine Schicht (2) aus einem Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit sowie eine magnetische, metallische Mehrfachschicht (4) erzeugt worden sind, welche durch übereinandergestapelte Schichten von magnetischen Materialien (41) und nichtmagnetischen Materialien (42) gebildet ist, und mit Stromzufuhr- und Hallspannungs-Erfassungselektroden, die mit der Schicht aus Halbleitermaterial in Kontakt sind, wobei die Schicht aus Halbleitermaterial und die Mehrfachschicht elektrisch voneinander isoliert sind, wobei die Mehrfachschicht eine senkrechte Anisotropie und eine Dicke zwischen 100 und 1000 Å besitzt.

2. Lesekopf geinäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nichtmagnetische Material der die Mehrfachschicht bildenden Schichten aus Chrom, Silber oder aus einer Legierung dieser Metalle gewählt ist.

3. Lesekopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Material der die Mehrfachschicht bildenden Schichten aus Cobalt oder einer Cobaltlegierung gewählt ist.

4. Lesekopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit aus Verbindungen der Gruppen III und V des Periodensystems der Elemente, etwa GaAs, gewählt ist.

5. Lesekopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial mit hoher Elektronenbeweglichkeit aus dotiertem Silizium gebildet ist.

6. Lesekopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Material verwirklicht ist, das das Haften der Halbleiterschicht erlaubt.

7. Lesekopf gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus demselben Material wie das Material der Halbleiterschicht verwirklicht ist, jedoch nicht dotiert ist.

8. Lesekopf gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat, die Schicht aus Halbleitermaterial und die Mehrfachschicht aus Materialien verwirklicht sind, die kompatible Gitterparameter besitzen.

9. Lesekopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem zwischen der Schicht (2) aus Halbleitermaterial und der Mehrfachschicht (4) eine Isolierschicht (3) enthält.

10. Lesekopf gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aus isolierendem Oxid oder aus einem Halbleitermaterial mit großer Bandbreite wie etwa GaAlAs verwirklicht ist.

11. Lesekopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrfachschicht (4) mit einer Schutzschicht (5) überzogen ist.

12. Lesekopf gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus einer Schicht auf Nitridbasis oder aus einer nichtmagnetischen Antiabriebschicht gebildet ist.

13. Lesekopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Halbleiterschicht und die Mehrfachschicht mittels Molekularstrahl-Epitaxie verwirklicht sind.

14. Mehrspur-Lesekopf, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren Leseköpfen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 gebildet ist, die auf einem gemeinsamen Substrat verwirklicht und voneinander durch Ätzung (20) getrennt sind.