JP2007335759A - 磁気ヘッド - Google Patents

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Abstract

【課題】強磁性トンネル接合で発生するノイズを抑制することが可能な磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】室温以上のキュリー点を有する強磁性層である強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２により障壁層１０３を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子１００と、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生する電圧ノイズの強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を強磁性トンネル接合素子１００に印加する電源１１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気ヘッド、固体素子メモリ及び磁気センサに関する。
一般的に、強磁性トンネル接合は、数十オングストローム以下の薄い絶縁バリア層の両側を強磁性層で挟みこんだ構造を持つことが知られている。この強磁性トンネル接合の電気伝導は、強磁性層のスピン電子が数十オングストローム以下の薄い絶縁バリア層をトンネリングすることにより生じる。よって、強磁性トンネル接合は、絶縁バリア層を挟み込む両強磁性層の磁化の方向が平行か反平行かで電気抵抗が変化する、磁気抵抗効果を示す。
このような強磁性トンネル接合の最初の報告は、１９７４年にJulliereによってＦｅ／ＧａＯ／Ｃｏ接合の場合について行われ、４２Ｋで約１４％の磁気抵抗比を示す強磁性トンネル接合が報告された（例えば、非特許文献１参照）。その後、実験技術の進歩により、良質なトンネル接合が得られるようになり、１９９５年にMoodera及び宮崎らにより、１０〜２０％の磁気抵抗比を示す強磁性トンネル接合が報告された（例えば、非特許文献２、３参照）。さらに最近では、２００４年に湯浅らにより酸化マグネシウムを用いたトンネル接合において、室温で１００％に迫る磁気抵抗比を示す強磁性トンネル接合が報告された（例えば、非特許文献４参照）。その後、電極構造の最適化が図られ、いくつかのグループから室温で数百％もの磁気抵抗比を示す強磁性トンネル接合が報告されている（例えば、非特許文献５、６参照）。
前述した高い磁気抵抗比を示す強磁性トンネル接合は、例えば高密度磁気記録再生用の磁気ヘッド等への応用が期待されている。そして、強磁性トンネル接合は、実際に磁気ヘッドに利用され、高周波領域での応答特性及びノイズ特性の改善が望まれている。
M.Julliere, Phys.Lett., 54A, 225 (1975). J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong, and R. Meservey, Phys. Rev. Lett. 74, 3273 (1995). T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995). S. Yuasa, A. Fukushima, T. Nagahama, K. Ando, and Y. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L588 (2004). S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, and S. H. Yang, Nature Materials 3, 862 (2004). S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki, and K. Ando, Nature Materials 3, 868 (2004).
ところで、強磁性トンネル接合を用いた磁気ヘッドでこれまで用いられてきた動作周波数領域は数百ＭＨｚ程度であったが、磁気記録密度の上昇に伴い、次世代の磁気ヘッドの動作周波数領域はＧＨｚのオーダになることが予想される。しかしながら、高周波領域では強磁性トンネル接合の強磁性層から熱的に誘起される磁気のノイズが磁化検出信号の信頼性を低下させる要因となると考えられるため、強磁性トンネル接合で発生するノイズの影響が無視できない問題となる。
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、強磁性トンネル接合で発生するノイズを抑制することが可能な磁気ヘッドを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の磁気ヘッドは、室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備えることを特徴とする。ここで、前記電流印加手段が印加する電流の値は、前記ノイズが当該ノイズの周波数分布において所定の周波数にピークを持ち、前記強磁性トンネル接合素子に印加する磁界が増加したときに前記ピークが高周波側に移動するデータを用いて決定されてもよい。
これによって、強磁性トンネル接合で発生するノイズを抑制することができる。その結果、磁気ヘッドの動作特性を向上させることができる。
また、前記電流印加手段は、前記フリー層及び固定層の間の相対磁化角度が９０°未満の場合には、前記電流を前記フリー層から前記固定層に向けて流してもよいし、前記電流印加手段は、前記フリー層及び固定層の間の相対磁化角度を９０°以上の場合には、前記電流を前記固定層から前記フリー層に向けて流してもよい。
これによって、強磁性トンネル接合素子で発生するノイズが更に抑制される。
また、本発明は、室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備えることを特徴とする磁気センサとすることもできる。
これによって、磁気センサの動作特性を向上させることができる。
また、本発明は、室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備えることを特徴とする固体素子メモリとすることもできる。
これによって、固体素子メモリの高周波ノイズを低減することができる。
本発明により、高密度磁気記録再生用磁気ヘッド、エンコーダ等の各種磁気センサ、あるいは磁化の平行・反平行状態を利用して記憶する固体素子メモリ等の動作周波数領域に対して、これら磁気ヘッド等を構成する強磁性トンネル接合素子への電圧、電流及び磁界等の印加条件を適当な条件に設定できる。よって、強磁性トンネル接合素子で発生するノイズが抑制されるので、磁気ヘッドの動作特性を向上させ、また各種磁気センサや固体素子メモリ等の高周波ノイズを低減することができる。
以下、本発明の実施の形態におけるノイズ抑制方法について、図面を参照しながら説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子で発生するノイズを見積もる回路の回路図である。具体的には、磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ及び固体素子メモリの読み出し装置におけるノイズを見積もる回路の回路図である。
この回路は、強磁性トンネル接合素子１００、電源１１０、コイル１２０、増幅アンプ１３０及びコンデンサ１４０から構成される。このとき、強磁性トンネル接合素子１００及び電源１１０は、ノイズを含む信号を出力する磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ又は固体素子メモリを構成する。
強磁性トンネル接合素子１００は、順次積層された下部電極１０１、強磁性固定層１０２、障壁層１０３、強磁性フリー層１０４及び上部電極１０５から構成される。
強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２は、室温以上のキュリー点を有する強磁性層である。障壁層１０３は、数十オングストローム以下の薄い絶縁バリア層であり、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２により挟み込まれる。
電源１１０は、下部電極１０１及び上部電極１０５と接続され、強磁性トンネル接合素子１００に直流電流をバイアスとして注入する。
コイル１２０は、上部電極１０５と電源１１０との間に挿入される。増幅アンプ１３０は、上部電極１０５とコイル１２０との間にコンデンサ１４０を介して接続される。
上記構成を有する回路では、強磁性トンネル接合素子１００に直流電流を印加した状態で外部磁界を印加し、強磁性トンネル接合素子１００の磁化状態の信号検出を行う。
図２は、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。このとき、ノイズ電圧は、強磁性トンネル接合素子１００に外部磁界を印加していない状態で、回路により検出される電圧信号を強磁性トンネル接合素子１００に注入される直流電流で規格化したものであり、強磁性トンネル接合素子で発生するノイズの電流当たりの量に対応する。
図２から、強磁性トンネル接合素子１００に印加する直流電流の大きさが電流密度２×１０5Ａ／ｃｍ2から増加するのに従って、ノイズ電圧が低減されていくことがわかる。よって、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値を決定し、その電流値の電流を電源１１０により強磁性トンネル接合素子１００に印加することでノイズを抑制することができる。
具体的には、目標とするノイズの値を設定し、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照してノイズの値が目標とする値となる電流の値を決定した後、決定された値の電流を強磁性トンネル接合素子１００に印加することで、ノイズを抑制することができる。
（第２の実施の形態）
図３は、本実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の回路図である。
この回路は、強磁性トンネル接合素子１００、定電圧源２１０及び電流計２００から構成される。定電圧源２１０の強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。このとき、強磁性トンネル接合素子１００及び定電圧源２１０は、ノイズを含む信号を出力する磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ又は固体素子メモリを構成する。
上記構成を有する回路では、強磁性トンネル接合素子１００に直流電流を印加した状態で外部磁界を印加し、強磁性トンネル接合素子１００の磁化状態の信号検出を行う。このとき、磁界は、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が９０°未満となるように強磁性トンネル接合素子１００に印加される。
図４は、１ＧＨｚ〜７ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。このとき、実線は、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が３０°となるように強磁性トンネル接合素子１００に磁界を印加し、かつフリー層から固定層に向かって０．８７ｍＡの直流電流を流した場合の周波数依存性を示し、点線は、同じように磁界を印加し、かつ固定層からフリー層に向かって０．８７ｍＡの直流電流を流した場合の周波数依存性を示している。
図４から、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が３０°である場合には、フリー層から固定層に向かって直流電流を流した方が低いノイズ電圧となることがわかる。よって、上記回路では、ノイズが更に抑制される。
なお、本実施の形態のノイズ抑制方法では、定電圧源２１０を用いて強磁性トンネル接合素子１００に電流を印加するとした。しかし、図５に示されるように、回路は、強磁性トンネル接合素子１００、電圧計３００及び定電流源３１０から構成され、定電流源３１０を用いて強磁性トンネル接合素子１００に電流を印加してもよい。このとき、強磁性トンネル接合素子１００及び定電流源３１０は、ノイズを含む信号を出力する磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ又は固体素子メモリを構成し、定電流源３１０の強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。
以上のように、本実施の形態のノイズ抑制方法によれば、強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。また、強磁性トンネル接合素子１００には、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が９０°未満となるように磁界が印加され、かつフリー層から固定層に向かって直流を流す。よって、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズが抑制される。その結果、強磁性トンネル接合素子１００により構成される磁気ヘッド、磁気センサあるいは固体素子メモリから出力されるノイズを抑制することができる。
（第３の実施の形態）
図６は、本実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の回路図である。
この回路は、強磁性トンネル接合素子１００、定電圧源４１０及び電流計２００から構成される。定電圧源４１０の強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。このとき、強磁性トンネル接合素子１００及び定電圧源４１０は、ノイズを含む信号を出力する磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ又は固体素子メモリを構成する。
上記構成を有する回路では、強磁性トンネル接合素子１００に直流電流を印加した状態で外部磁界を印加し、強磁性トンネル接合素子１００の磁化状態の信号検出を行う。このとき、磁界は、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が９０°以上となるように強磁性トンネル接合素子１００に印加される。
図７は、１ＧＨｚ〜７ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。このとき、実線は、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が１５０°となるように強磁性トンネル接合素子１００に磁界を印加し、かつ固定層からフリー層に向かって０．８７ｍＡの直流電流を流した場合の周波数依存性を示し、点線は、同じように磁界を印加し、かつフリー層から固定層に向かって０．８７ｍＡの直流電流を流した場合の周波数依存性を示している。
図７から、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が１５０°である場合には、固定層からフリー層に向かって直流電流を流した方が低いノイズ電圧となることがわかる。よって、上記回路では、ノイズが更に抑制される。
なお、本実施の形態のノイズ抑制方法では、定電圧源２１０を用いて強磁性トンネル接合素子１００に電流を印加するとした。しかし、図８に示されるように、回路は、強磁性トンネル接合素子１００、電圧計３００及び定電流源５１０から構成され、定電流源５１０を用いて強磁性トンネル接合素子１００に電流を印加してもよい。このとき、強磁性トンネル接合素子１００及び定電流源５１０は、ノイズを含む信号を出力する磁気ヘッド、磁気抵抗磁界センサ又は固体素子メモリを構成し、定電流源５１０の強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。
図９は、３ＧＨｚ〜７ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。このとき、強磁性トンネル接合素子１００には、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が１５０°となるように強磁性トンネル接合素子１００に磁界を印加している。
図９から、強磁性トンネル接合素子１００に印加する直流電流の大きさが電流密度２×１０5Ａ／ｃｍ2から増加するのに従って、ノイズ電圧が低減されていくことがわかる。よって、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値を決定し、その電流値の電流を電源１１０により強磁性トンネル接合素子１００に印加することでノイズを抑制することができる。
図１０は、１ＧＨｚ〜３ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。また、図１１は、１ＧＨｚ〜１１ＧＨｚの高周波領域における、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。このとき、強磁性トンネル接合素子１００には、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が１５０°となるように強磁性トンネル接合素子１００に磁界を印加し、かつ固定層からフリー層に向かって０．０８７ｍＡの直流電流を流している。
図１０から、強磁性トンネル接合素子１００に印加する磁界の大きさが増加するのに従って、ノイズ電圧が低減されていくことがわかる。例えば、周波数を２ＧＨｚに固定し、７００Ｏｅの磁界を強磁性トンネル接合素子１００に印加した場合には、強磁性トンネル接合素子１００に外部磁界を印加していない状態と比較して、ノイズ電圧が１／４程度にまで低減されることがわかる。
図１１から、ノイズ電圧の周波数分布には所定の周波数にピークがあることがわかる。また、このピーク位置の周波数と印加磁界との関係を示す図１２から、強磁性トンネル接合素子１００に印加する磁界の大きさが増加するのに従って、このピークが高周波側にシフトしていくことがわかる。よって、強磁性トンネル接合素子１００に印加する磁界が増加したときにノイズのピークが高周波側に移動することを示すデータを参照して、利用する周波数領域に応じた印加磁界値を決定し、その磁界値の磁界を磁界印加部（図外）により強磁性トンネル接合素子１００に印加することで、ノイズを抑制することができる。
以上のように、本実施の形態のノイズ抑制方法によれば、強磁性トンネル接合素子１００への印加電流値は、強磁性トンネル接合素子１００を流れる電流が増加したときに強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズの電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定される。また、強磁性トンネル接合素子１００には、強磁性フリー層１０４及び強磁性固定層１０２の２つの磁化の相対磁化角度が９０°以上となるように磁界が印加され、かつ固定層からフリー層に向かって直流を流す。よって、強磁性トンネル接合素子１００で発生するノイズが抑制される。その結果、強磁性トンネル接合素子１００により構成される磁気ヘッド、磁気センサあるいは固体素子メモリから出力されるノイズを抑制することができる。
以上、本発明のノイズ抑制方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
本発明は、磁気ヘッド、磁気センサあるいは固体素子メモリ等に利用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る強磁性トンネル接合素子で発生するノイズを見積もる回路の回路図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の回路図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の変形例の回路図である。 本発明の第３の実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の回路図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係るノイズ抑制方法に用いられる回路の変形例の回路図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 強磁性トンネル接合素子で発生するノイズ電圧の周波数依存性を示す図である。 ノイズ電圧のピーク位置の周波数と印加磁界との関係を示す図である。
符号の説明
１００ 強磁性トンネル接合素子
１０１ 下部電極
１０２ 強磁性固定層
１０３ 障壁層
１０４ 強磁性フリー層
１０５ 上部電極
１１０ 電源
１２０ コイル
１３０ 増幅アンプ
１４０ コンデンサ
２００ 電流計
２１０、４１０ 定電圧源
３００ 電圧計
３１０、５１０ 定電流源

Claims (7)

  1. 室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、
    前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備える
    ことを特徴とする磁気ヘッド。
  2. 前記電流印加手段は、前記フリー層及び固定層の間の相対磁化角度が９０°未満の場合には、前記電流を前記フリー層から前記固定層に向けて流す
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
  3. 前記電流印加手段は、前記フリー層及び固定層の間の相対磁化角度を９０°以上の場合には、前記電流を前記固定層から前記フリー層に向けて流す
    ことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヘッド。
  4. 前記強磁性トンネル接合素子には、前記ノイズが当該ノイズの周波数分布において所定の周波数にピークを持ち、前記強磁性トンネル接合素子に印加する磁界が増加したときに前記ピークが高周波側に移動するデータを用いて決定される磁界が印加される
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気ヘッド。
  5. 室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、
    前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備える
    ことを特徴とする磁気センサ。
  6. 室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなり、ノイズを含む信号を出力する強磁性トンネル接合素子と、
    前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して決定された値の電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する電流印加手段とを備える
    ことを特徴とする固体素子メモリ。
  7. 室温以上のキュリー点を有する強磁性層であるフリー層及び固定層により絶縁体バリア層を挟んでなる強磁性トンネル接合素子から出力される信号のノイズを抑制する方法であって、
    目標とする前記ノイズの値を設定するノイズ設定ステップと、
    前記強磁性トンネル接合素子を流れる電流が増加したときに前記強磁性トンネル接合素子で発生する前記ノイズの前記電流当たりの量が減少することを示すデータを参照して、前記ノイズの値が前記目標とする値となる前記電流の値を決定する決定ステップと、
    前記決定された値の前記電流を前記強磁性トンネル接合素子に印加する印加ステップとを含む
    ことを特徴とするノイズ抑制方法。
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