JP2008123669A

JP2008123669A - マイクロ波支援磁界を生成するためのスピン運動量伝達駆動発振器を組み込んだｗａｍｒライタ

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Publication number: JP2008123669A
Application number: JP2007295919A
Authority: JP
Inventors: Thomas W Clinton; ウィリアムクリントントーマス; Sharat Batra; バトラシャラト; Shehzaad Kaka; カカシェアザード; Werner Scholz; ショルツウェルナー
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2006-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-11-14
Also published as: JP4348389B2; US20080112087A1; CN101261838A

Abstract

【課題】高い保磁力を持つハードディスク磁気記録媒体の書込みを高速で切り換えることのできる磁気記録ヘッドを提供する。
【解決手段】この磁気記録ヘッド４０は、書込み磁極４２と、戻り磁極４４と、書込み磁極４２と戻り磁極４４の間にあるワイヤ４８と、第１の自由層５６と、書込み磁極４２と第１の自由層５６の間にある第１の中間層７２とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は磁気記録ヘッドに関するもので、特にＷＡＭＲライタおよび高周波源を含むヘッドに関するものである。

ハードディスク・ドライブの記憶容量を増やすために磁気記録のビット面積密度は絶えず高くなり、これに従って磁気遷移（すなわち、ビット）の大きさは、従って記録ヘッドの大きさは、１００ｎｍ以下に押し下げられている。これと平行して、面積密度の高い記録媒体を安定にするために、磁気的に硬い（すなわち、保磁力の高い）媒体材料が必要である。従来、硬い媒体への書込みは誘導型書込みヘッドを含む磁性材料の飽和磁化（すなわち、４πＭ_s値）を増やすことにより行われ、これにより媒体に与える磁界を支えている。書込みヘッドのＭ_sを増やすための材料の研究はかなり成功しているが、その増加の速さはディスク記憶装置内のビット面積密度が毎年増加する速さを支えるのに十分ではない。また材料がその基本的限界に達しているので、Ｍ_sが今後も引き続き増加することは考えられない。面積密度を高めるとデータ・レートが高まる。データ・レートはＧＨｚ以上に高まっており、この領域では、磁化の方向と逆平行に書込み磁界を印加して磁気媒体の磁化を切り換えるという従来の方法を用いることはますます難しくなる。

したがって、保磁力の高い媒体をますます高くなるデータ・レートで切り換えることのできる書込みプロセスが必要である。

本発明の第１の態様は、書込み磁極、戻り磁極、書込み磁極と戻り磁極の間にあるワイヤ、第１の自由層、および書込み磁極と第１の自由層の間にある第１の中間層を備える機器を提供する。
本発明の別の態様は、書込み磁極、戻り磁極、書込み磁極と戻り磁極の間にあるワイヤ、第１の磁気スタック、第２の磁気スタック、および第１および第２の磁気スタックの間にある減極層を備える機器を提供する。
本発明の別の態様は、書込み磁極、戻り磁極、書込み磁極と戻り磁極の間にあるワイヤ、および第１の高周波磁界源を備える機器を提供する。第１の高周波磁界源は第２の高周波磁界源と位相同期してよい。
本発明の別の態様は、書込み磁極、戻り磁極、第２の高周波磁界源と位相同期する第１の高周波磁界源を備える機器を提供する。

１つのタイプの磁気書込みヘッドは、空気軸受面（ＡＢＳ）で書込み磁極に近接するワイヤにより付勢されて磁界が増幅される。書込み磁界を作るのに用いるワイヤをアンペア・ワイヤと呼ぶ。アンペア・ワイヤは、薄膜ワイヤ内の大きな電流密度（〜１０⁹Ａ／ｃｍ²）により大きな局所磁界（＞ｋＯｅ）を生成することができる。このタイプの記録ヘッドをワイヤ増幅磁気記録（ＷＡＭＲ）ヘッドと呼ぶ。アンペア・ワイヤからの磁束密度は十分高く、書込み磁極を磁化しまた適当な磁界方向および空間プロフィールを持つ十分な追加の磁束密度を生成して書込み磁界を強めることができる。磁界の大きさを高めるのに加えて、ワイヤからの磁界プロフィールを書込み磁極にマップして、改善された磁界傾斜を作る。

磁気多層構造の固定層と自由層の間のスピン運動量伝達（ＳＭＴ）を用いて自由層磁化の連続的な歳差運動を誘導することができる。このようにして、直流（ＤＣ）は振動する磁界および電圧を駆動することができる。記憶媒体の有効磁気共鳴に近い周波数を持つ振動磁界を用いて、書込みプロセス中の媒体を「柔らかく」することができる。

１つの態様では、本発明はＳＭＴ発振器を組み込んだ垂直ワイヤ増幅磁気記録(ＷＡＭＲ)ヘッドを提供して、ＷＡＭＲ書込み能力を更に向上させる。ＳＭＴデバイスはＷＡＭＲ磁界と重なり合う高周波（ｒｆ）支援磁界を作る。この説明で用いるｒｆは一般にマイクロ波周波数を指す。またＳＭＴ発振器は他のｒｆ源（例えば、別のＳＭＴデバイスおよび／または外部の源）と位相同期して、その電力出力を支えまた生成する支援磁界の空間領域を拡大することができる。この考え方を用いると異方性が高い媒体に書き込むことができるので、一層高い面積密度の書込みが可能になる

本発明は磁気媒体ならびにライタ内の磁気材料の磁化ダイナミックスを用いて媒体に効率的に書き込む。まず、磁界Ｈが存在するとき単一領域磁化Ｍのダイナミックスを記述する簡単なモデルがランダウ・リフシッツ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ）方程式

で表される媒体を考える。ただし、γは磁気回転比（＝２８ＧＨｚ／Ｔ）、αは減衰パラメータである。第１項は磁界Ｈの回りの磁化Ｍの歳差運動を表し、第２項は動きを減衰させて最終的にＭをＨに沿って緩和させることを表す。

従来の書込みプロセスのタイムスケールでは、スイッチングを最もよく記述するのは式１全体である。なぜなら、減衰は記憶媒体の磁化のダイナミックスで重要な役割を果たすからである。ただし、Ｍは記憶媒体の磁化容易軸に平行な書込み磁界

の有効方向に沿って最終的に緩和する。更に、相補横方向（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ）（すなわち、垂直記録では「面内」）磁界を用いる書込みプロセスは磁化に与えるトルクＴを大きくするという利点を有する。ただし、

で表わされ、θはＭとＨの間の角度である。面内磁界が磁化の有効歳差運動周波数（ｆ_o）と共鳴振動するときトルクは最大になる。磁気記憶媒体の場合、共鳴周波数は、異方性Ｈ_kや飽和磁化４πＭ_sなどの材料の自己磁界、ならびに外部磁界Ｈ_writeの関数である。

歳差運動で支援されるスイッチングプロセスの概要を図１および図２に示す。図１は垂直記憶媒体の磁化容易軸１０に沿う初期状態の磁化Ｍ_initialを示す。書込み磁界Ｈ_writerをＭと逆平行に与える。この場合、Ｈ_writer＜Ｈ_ｋなのでＭを逆転するには不十分である。図２は磁化Ｍに共鳴してトルクを与える面内ｒｆ磁界Ｈ_rfを加えたときを示す。この場合、正味の書込み磁界［Ｈ_w＋Ｈ_rf(f)］は、正味の磁界の大きさがＨ_ｋより小さいとき（すなわち、

）でも、磁化Ｍ_finalを十分反転させることができる。面内ｒｆ磁界は垂直磁化に最大トルクを与えるが、ｒｆ磁界は面内に限る必要はない。

次に、上に述べた書込みプロセスに適用するときの、磁界伝達という概念の磁化ダイナミックスを考える。スピン偏向された電流が磁性材料を通るとき、スピンから角運動量が伝達されて材料の磁気モーメントにトルクを与える。固定磁気層（すなわち、基準磁気層）および自由層を有する磁気スタック（磁気バイレイヤとも呼ぶ）内で、スピン偏向された電流は角運動量を固定層から自由層に伝達して自由層にトルクを与える。スピン偏向された電流が磁化に与える影響を組み込むことにより、ランダウ・リフシッツ方程式（式１）を再び適用することができる。この場合は自由層ダイナミックスを記述する。

ただし、Ｉは磁気層の平面に垂直に流れる電流（ＣＰＰ）、Ｍ_Sfreeは自由層の飽和磁化、Ｍ_Sfixedは固定層の飽和磁化、εは電流のスピン偏向に関係する効率係数、Ｖは自由層の体積である。この方程式の解は限界電流I_ｃを与える。すなわち、I_ｃを超えると、電流の方向に従って、自由層の磁化は固定層に平行または逆平行に駆動される。

臨界電流または電流密度Ｊ_c（＝Ｉ_cｔ／Ｖ）は磁界や自由層の物理的パラメータなどのいくつかの変数に依存する。すなわち、
Ｊ_c∝αｔ（Ｈ±Ｍ_s）（３）
ただし、ｔは自由層の厚さである。図３および図４は、磁気スタック（すなわち、バイレイヤ）２２を含むスピン運動量伝達スタック２０の略図で、ＣＰＰバイレイヤ内のスピン電流の影響を示す。磁気バイレイヤ２２は中間層２８により分離された固定磁気層２４および自由磁気層２６を含む。電極３０および３２は磁気バイレイヤの両側に向かい合って位置して磁気バイレイヤに電気的に接続する。これらの図には示していないが、電流源が磁気バイレイヤにバイアス電流Ｉを供給する。Ｈは外部から与えられる磁界である。

図４は、電子が下から上に流れる負バイアス電流（Ｉ^-）を示す。固定層の磁化方向に沿って磁界Ｈが与えられて固定層および自由層の磁化が揃う。固定層から自由層に向かう電子スピンは自由層磁化にトルクを与え、固定層の磁化の方向に平行にこれを駆動して平行に揃える。図３は電子が上から下に流れる正バイアス（Ｉ⁺）を示す。時間反転対称により、これは自由層に入る逆偏向スピンの逆流と同等であって、自由層の磁化を固定層の磁化の方向と逆平行に駆動しようとするトルクを与える。

図３はスピン・トルクが図２の制動項（すなわち、第２項）により実質的に釣り合って、自由層が歳差運動状態を持続する場合を示す。固定層の磁化に対して自由層が絶えず変動するので、図５に示すように、抵抗またはスタックにかかる電圧の形で振動磁界と巨大な磁気抵抗（ＧＭＲ）信号３４の両方を生じる。信号の変動の特性周波数はマイクロ波領域（＞ＧＨｚ）である。このように、ＤＣ電流は同調可能なマイクロ波源を駆動する。一般に、周波数ｆは電流および印加バイアス磁界を制御することにより同調させることができる。ｆは印加磁界が増加すると直線的に増加し、電流が増加すると直線的に減少する。

図６は磁気記録ヘッド４０（ライタとも呼ぶ）の三次元表現であって、かかるスピン運動量伝達（ＳＭＴ）スタックを垂直記録システム内のＷＡＭＲライタに組み込む方法を示す。ＷＡＭＲライタについての詳細は、例えば、米国特許第６，６６５，１３６Ｂ２号を参照していただきたい。この開示を参照によってここに援用する。ヘッドは、ヨーク４６により磁気的に結合される第１の（すなわち、書込み）磁極４２および第２の（すなわち、戻り）磁極４４を含む。アンペア・ワイヤ４８は第１の磁極と第２の磁極の間に、ライタの空気軸受面５０に近接して設ける。第１の電極５２と第２の電極５４はワイヤ４８の両側に向かい合って電気的に接続する。磁気自由層５６は第１の磁極４２とワイヤ４８の間にある。電気接点５８および導体６０は第１の磁極４２に電気的に接続して、スピン運動量伝達電流Ｉ_smtの流路を形成する。ライタは、記録層６４および下層６６を含む磁気記憶媒体６２に近接して設ける。記録媒体およびライタは、ライタと媒体とが矢印６８で示すように相対的に動くように取り付ける。

電流源７０はワイヤ４８に電流を供給する。ワイヤ４８を通る書込み電流Ｉ_wは記憶媒体の一部を通るＷＡＭＲ書込み磁界Ｈ_wを作る。ＳＭＴスタックをライタ内に組み込むことによりｒｆ磁界Ｈ_rfを作ることができる。ｒｆ磁界Ｈ_rｆはＷＡＭＲ磁界と重なり合って、例えば図１および図２に説明しまた図示したように書込み能力を改善する。このように、スタックはヘッドの書込み能力を改善する組込みｒｆ磁界源を形成する。

図７は図６の記録ヘッドの空気軸受面の平面図を示す。ヨークにつながる書込み磁極（図６参照）は固定磁気層として作用し、自由磁気層は主磁極とアンペア・ワイヤの間に挟まれる。固定層と自由層の間にこの２つの層を磁気的および電気的に結合する中間層７２があり、導体にも絶縁トンネル・バリアにもなる。どちらもＳＭＴを最適にするように設計することができる。自由層がアンペア・ワイヤの底部に短絡されているところを除いて、磁極／スタックはＷＡＭＲリード線から絶縁層７４および７６により電気的に絶縁される。スタックは接点５８および導体６０を介してそのベースで接地される。別の絶縁層８０がワイヤ４８と戻り磁極４４の間にある。矢印の先端８１および８３は磁極４２および自由層５６の磁化の方向をそれぞれ示す。矢印の先端８３は楕円形であるがこれは磁化の歳差運動を示す。

図６および図７は比例した尺度で描かれていない。なぜなら、ＳＭＴ自由層および中間層は一般にそれぞれ１０ｎｍおよび１ｎｍ程度であるが、磁極は１００ｎｍに近いからである。ほとんどの図は概念を示すものであって、一定の尺度では描かれていない。実際のデバイスの尺度は図８に示すものに近い。図８で、矢印６８は媒体が記録ヘッドに対して相対的に動く方向を示す。

ＷＡＭＲライタはワイヤ内の電流I_wだけで駆動され、ＳＭＴスタックはＤＣ電流I_smtで駆動される。電流I_smtは接点８４と８６の間に印加される電圧から生じる。I_smtの極性は図７に示す通りであり、自由層の磁化は持続する歳差運動状態にあってｒｆ磁界を生成する。I_smtの極性は、上に述べたようにまた図３に示したように正バイアスを有する。一般的なライタ前置増幅器はＷＡＭＲリード線およびワイヤを特定の電圧Ｖ_oで浮遊させるコモンモード電圧を有し、この電圧はスタックを流れる電流（すなわち、I_smt＝Ｖ_o／Ｒ_smtである。ただし、Ｒ_smtはスタックから接地までの有効抵抗）を駆動する１つの可能な駆動源である。一般にI_wは５０−１００ｍＡ程度であり、I_smtは１０ｍＡより小さくてよい。

アンペア（すなわちＷＡＭＲ）ワイヤ内の電流は固定層および自由層の磁化をＡＢＳに垂直に駆動する効果を有する。書込みサイクル中は、これは実質的に固定層の方向として作用する。ただし、書込みサイクルを通して磁化は上下に切り換わる。磁極の磁化の方向が上でも下でもI_smtの極性は同じである。一般にライタは、ＳＭＴデバイスのｒｆ周波数に比べて小さい周波数（すなわち、データ・レート）で駆動される。したがって、簡単のために、固定層の磁化は静的であるとして扱ってよい。

図９はＡＢＳ５０の近くの図７のライタの横断側面図である。自由層５６は垂直磁界Ｈ_poleとｒｆ磁界Ｈ_rfの両方を生成し、アンペア・ワイヤからの磁界Ｈ_wireはｒｆ周波数を数十ＧＨｚにも駆動する自由層上のバイアス磁界として作用する。媒体での正味の磁界は、磁極およびワイヤからの「静的」磁界とＳＭＴ発振器からのｒｆ磁界とを重ね合わせたもの、すなわち、Ｈ_net＝Ｈ_pole＋Ｈ_wire＋Ｈ_rfである。磁界傾斜は、磁極の有効トレーリング・エッジと、自由層の頂部とアンペア・ワイヤの底部の間のインターフェース８８とが一致するように起こる。

図１０は図７と同じ略図であるが、スタックと直列に可変抵抗器Ｒを設けて接地に接続したものである。この抵抗器を用いると、ＳＭＴ電流

を「実行中に」調整してＳＭＴデバイスのｒｆ出力（例えば、周波数、磁界の大きさ、電力など）を最適にすることができる。可変抵抗器はスライダ上のヘッドに組み込んでもよいし、スライダから外して駆動電子回路（例えば、簡単な電位差計を用いて）に組み込んでもよい。

図１１に示すように、ＳＭＴ発振器はライタ前置増幅器ではなくリーダ前置増幅器９０により駆動することもできる。これの利点は、ＳＭＴスタックなどのデバイスをバイアスしてリーダと同じ電子的設計点で動作するようリーダ前置増幅器を設計することにより、ライタ前置増幅器をこの目的に適応させるのに比べて一層直接的にＳＭＴデバイスを制御できることである。

図１２は自由層領域５６の相対的尺度を示す断面図である。この領域は、この層を通る電流密度が明確に規定されまた制御できる大きさになるように制限される。自由層のナノ・サイズの領域をパターン化するのに用いられる製作プロセスは、「ストライプ高さ」方向９１のアンペア・ワイヤとクロス・トラック方向９２の固定層磁極との自己整合により実現することができる。例えば、自由層を堆積させ、同じクロス・トラック寸法を有するように固定層と共にパターン化し、次に、アンペア・ワイヤを画定するときその一部としてエッチし、中間層または固定層で止めて、そのストライプ高さを定義する。

図１３は別の記録ヘッド１００で、２つのスピン運動量伝達スタック１０２および１０４を組み込み、持続する歳差運動状態で自由層を位相同期させるものである。ライタは第１の（すなわち、書込み）磁極１０６と第２の（すなわち、戻り）磁極１０８とを含み、これらは図示していないヨークにより磁気的に結合される。アンペア・ワイヤ１１０は第１の磁極と第２の磁極の間に、ライタの空気軸受面に近接して設ける。第１の電極１１２と第２の電極１１４はワイヤ１１０の両側に向かい合って電気的に接続する。第１の磁気自由層１１６は第１の磁極１０６とワイヤ１１０の間にある。電気接点１１８および導体１２０は第１の磁極１０６に電気的に接続して、スピン運動量伝達電流Ｉ_smtの流路を形成する。中間層１２２は第１の磁極と第１の磁気自由層の間にある。

ライタは更に第２のＳＭＴスタックを含む。これは、逆平行の固定層１２４、第２の磁気自由層１２６、および逆平行の固定層１２４と第２の磁気自由層１２６の間にある第２の中間層１２８を含む。電気接点１３０は逆平行の固定層１２４の上に設けられ、ＳＭＴ電流路１３２に接続する。可変抵抗器１３４および１３６はＳＭＴ電流を調整する。自由層は位相同期する。絶縁１３８は第２のスピン運動量伝達スタックを囲む。別の絶縁層１４０、１４２、および１４４は第１のスピン運動量伝達スタックを接点から絶縁する。はっきりさせるために、デバイスの実際的な尺度を図１４に示す。１つの自由層は固定層磁極の上に、かつアンペア・ワイヤの下にあり、１つはアンペア・ワイヤの上に、かつ第２の（上部の）固定層の下にある。後者の場合、上部の自由層および固定層はアンペア・ワイヤからの磁界により磁極と逆平行に駆動される（図１５参照）。

下部および上部のＳＭＴスタックのストライプ高さはアンペア・ワイヤのストライプ高さと自己整合してよい。上部および下部のスタックはそれぞれ接地に結合し、それぞれその中を逆極性の電流Ｉ^U _smtおよびＩ^L _smtがアンペア・ワイヤに向けて流れる。アンペア・ワイヤはライタ前置増幅器により電圧Ｖ_oにバイアスされる。やはり可変抵抗器（例えば、電位差計など）を用いて、各スタックを通る電流を独立に同調させてよい。図１５に示すようにＩ^L _smtを正にバイアスしかつＩ^U _smtを負にバイアスした場合は、スピン運動量伝達により自由層にスピン・トルクが与えられ、それぞれの固定層に対してそれぞれ逆平行に駆動しようとする。その結果、上部および下部の自由層は、原理的に、両方とも持続して歳差運動状態に駆動される。しかし、一般にこれは同じ電流では起こらないので、デバイスは、Ｉ_smtの同調能力と、２つの発振器の位相同期および伝達同調とに依存する。

アンペア・ワイヤは上部ＳＭＴスタックと下部ＳＭＴスタックの間を流れる電流を減極できるだけの十分の厚さを有するので、固定層だけがそれぞれの自由層にトルクを与える。位相を同期させるには、自由層は最初に互いに近い周波数を有しなければならないし、また磁気的および／または電気的に結合しなければならない。これらは全て材料特性および寸法により設計することができる。また上に述べた例から、もちろん電磁結合が起こる。なぜなら、各層は電気的に接続され、十分近接しているので少なくとも静磁気結合を有するからである。また、歳差運動する層の間の位相差を同調させてｒｆ出力を最適にすることができる。この設計の利点は、個々の発振器または全部の発振器に比べて、位相同期状態により実質的に電力出力を高くしまた周波数線幅を鋭くできることである。別の利点は、２つの層があるので磁荷および磁界が２倍になり、また、最適に同期したときに生成するｒｆ磁界の空間領域が自由層の間の物理的隙間により増加することである。

図１６および図１７は図１３および図１５と同じであるが、異なるのは、上部および下部ＳＭＴスタックが追加の前置増幅器１５２からの同じ極性のバイアス電流により駆動されることである。これには、スタックの１つが図１３を反転した自由層および固定層を有する必要がある。図１６の例では、上部ＳＭＴスタック１５４は固定層１５６、自由層１５８、および中間層１６０を含み、正電流バイアスを受ける。この配置は２つの自由層の間にやや大きな隙間を作る。なぜなら、この場合は上部固定層が２つの自由層の間にあって大きな隙間を作るからである。

図１８および図１９は図１３と同じであるが、異なるのは、下部自由層が固定層磁極の下にあることである。これにより、自由層の間に更に大きな隙間ができる。なぜなら磁極は一般に自由層より約１０倍厚い（約１００ｎｍ）からである。図１８および図１９のヘッド１７０は、固定磁極層１７４、自由層１７６、および中間層１７８を有する下部ＳＭＴスタック１７２を含む。

図２０、図２１、および図２２は図１３と同じ設計概念を示すが、異なるのは、ＳＭＴ層が垂直の面外異方性を有することである。図２０、図２１、および図２２は２つのスピン運動量伝達スタック１９２および１９４を組み込んだ別の記録ヘッド１９０を示す。ライタは第１の（すなわち、書込み）磁極１９６と、この図には示していないヨークにより磁気的に結合された第２の（すなわち、戻り）磁極１９８とを含む。アンペア・ワイヤ２００は第１の磁極と第２の磁極の間に、ライタの空気軸受面に近接して設ける。第１の電極２０２と第２の電極２０４はワイヤ２００の両側に向かい合って電気的に接続する。

第１の磁気自由層２０６および第１の磁気固定層２０８は第１の磁極１９６とワイヤ２００の間にある。第１の中間層２１０は磁極１９６と第１の磁気固定層２０８の間にある。第２の中間層２１２は第１の磁気自由層２０６と第１の磁気固定層２０８の間にある。電気接点２１４および導体２１６は第１の磁極１９６に電気的に接続して、スピン運動量伝達電流Ｉ_smtの流路を形成する。

ライタは更に第２のＳＭＴスタック１９４を含む。これは第２の磁気固定層２１８、第２の磁気自由層２２０、および第２の磁気固定層２１８と第２の磁気自由層２２０の間にある中間層２２２を含む。電気接点２２４は第２の磁気固定層２１８上に設けられ、ＳＭＴ電流の路２２６に接続する。可変抵抗器２２８および２３０はＳＭＴ電流を調整する。自由層は位相同期する。絶縁２３２は第２のスピン運動量伝達スタックを囲む。別の絶縁層２３４、２３６、および２３８は第１のスピン運動量伝達スタックを接点から絶縁する。
はっきりさせるために、デバイスの実際的な尺度を図２１に示す。１つの自由層は固定層磁極の上に、かつアンペア・ワイヤの下にあり、１つはアンペア・ワイヤの上に、かつ第２の（上部の）固定層の下にある。

図２０、図２１、および図２２では、書込み磁極は面内異方性も有し、ＳＭＴデバイス内で固定層としては作用しない。代わりに、垂直の固定層２０８および２１８を下部の垂直の自由層およびアンペア・ワイヤの下と、上部の垂直な自由層の上にそれぞれ挿入する。磁化を垂直に向けるには、材料の異方性磁界（Ｈ_k）が面外を指し、かつその飽和磁化より大きいことが必要である。異方性は、通常は面内の磁化を駆動する縮小磁界に逆らう。したがって、アンペア・ワイヤからの磁界が磁化に大きな影響を与えないように、異方性は十分大きくなければならない。垂直の異方性により、自由層磁化の変位角は最大になり、ＳＭＴトルクにより軸から最大９０度傾いて回転して、完全に薄膜の面内で歳差運動することができる。例えば、ＡＢＳの磁極が１つの自由層の表面で正の電荷密度を有し、他の自由層で負の極性の同じ電荷密度を有するとき、歳差運動する２つの自由層の間の位相差を最適にして最大のｒｆ磁界出力を作ることができる。

図２０、図２１、および図２２では、下部固定層と磁極の間に、層の間を流れる電流のスピンを減極する中間層がある。これは、磁極からのスピン偏極された電流が下部固定層に、またはその逆に、トルクを与えないようにするために必要である。減極する中間層は有効な減極材としてこの分野で周知の多くの金属の１つでよい。層の厚さは所定の材料のスピン拡散長より大きいことが必要であって、１０ｎｍ程度でよい。しかし、この層はできるだけ薄くし、磁極とアンペア・ワイヤの間の隙間を最小にする必要がある。これはＷＡＭＲライタにとって最適である。このバランスを考慮すれば、減極層の厚さは１０ｎｍ程度にするのがよい。

図２３および図２４は別のヘッド２４０を示す。図２３および図２４のヘッド２４０は下部ＳＭＴスタック２４２を含む。これは固定層２４４、自由層２４６、固定層と自由層の間の第１の中間層２５０、および磁極と自由層の間の第２の中間層２５２を有する。図２３および図２４は図２０および図２２と同じであるが、異なるのは、下部ＳＭＴスタック２４２内の自由層２４６が固定層２４４の下に、かつ磁極２４８の上にあることである。

図２３および図２４は図２０および図２２と同じであるが、ＳＭＴスタックは同じ極性の電流バイアスを持つ前置増幅器２５４により駆動される。これには一組のＳＭＴスタックを反転させ、この例では下部自由層を下部固定層の下に置くことも必要である。この方向付けにより、持続する歳差運動状態を維持するのに必要な適当なＳＭＴトルクが生成される。下部自由層と磁極の間に、層の間を流れる電流のスピンを減極する中間層がある。これは、固定層磁極からのスピン偏極された電流が下部自由層にトルクを与えないようにするために必要である。

図２５および図２６は別のヘッド２６０を示す。図２５および図２６のヘッド２６０は下部ＳＭＴスタック２６２を含む。これは、固定層２６４、自由層２６６、固定層と自由層の間の第１の中間層２７０、および磁極と自由層の間の第２の中間層２７２を有する。
図２５および図２６は図２３および図２４と同じであるが、異なるのは、下部ＳＭＴスタック２６２内で、自由層２６６が固定層２６４の上に、かつ磁極２６８の下にあることである。この利点は磁極２６８とアンペア・ワイヤとをできるだけ近接させることである。これはＷＡＭＲにとって一般に最適であるが、自由層の間の隙間が大きいために位相同期ＳＭＴ発振器からの磁界は減少するかも知れない。

図２７および図２８は別のヘッド２７０を示す。図２７および図２８のヘッド２７０はアンペア・ワイヤ２７６の下に２つのＳＭＴスタック２７２および２７４を組み込む。スタック２７４は垂直固定層２８０および垂直自由層２８２を含む。第１の中間層２８４は磁極２７８と垂直固定層２８０の間にある。第２の中間層２８６は垂直固定層２８０と垂直自由層２８２の間にある。スタック２７２は垂直固定層２８８、垂直自由層２９０、および垂直固定層２８８と垂直自由層２９０の間にある第１の中間層２９２を含む。減極層２９４は第１および第２のスタックの間にある。

ＳＭＴスタックを通るバイアス電流はライタ前置増幅器または独立の前置増幅器のコモンモード電圧（Ｖ_o）により駆動してよい。下部自由層と上部固定層の間に、層の間を流れる電流のスピンを減極する中間層がある。これは、上部固定層が下部自由層にトルクを与えないようにするために必要である。

図２９および図３０は別のヘッド３００を示す。図２９および図３０のヘッド３００はアンペア・ワイヤ３０６の上に２つのＳＭＴスタック３０２および３０４を組み込む。スタック３０４は垂直固定層３０８、垂直自由層３１０、垂直固定層３０８と垂直自由層３１０の間にある第１の中間層３１２を含む。スタック３０２は垂直固定層３１４、垂直自由層３１６、垂直固定層３１４と垂直自由層３１６の間にある第１の中間層３１８を含む。減極層３２０は第１および第２のスタックの間にある。
図２９および図３０のヘッド３００はアンペア・ワイヤの上に２つのＳＭＴスタックを置く。これによりアンペア・ワイヤと磁極とをできるだけ近付けることができる。

ｒｆ電流波形（図３１の上側）および／またはｒｆ電圧波形（図３１の下側）をライタ前置増幅器に組み込み、これを用いてＳＭＴ発振器に位相同期させて、ＳＭＴからの電力を増大させまた同調させる手段としてよい。位相同期を起こすためには、外部の電流源または電圧源のｒｆ周波数はＳＭＴ発振器の周波数に近くなければならない。ＳＭＴと電子的に結合していれば、位相同期を起こすためのｒｆ源の電力は大きくなくてよい。電力が小さくてよいので、高周波源をかなり安価に実現することができる。

図３２および図３３は、これらの電源を図１０の前置増幅器のライタに組み込み、またもちろんＳＭＴと結合する方法を示す。Ｉ_rf（ｆ）の振幅および周波数を変えてＳＭＴ発振器の出力に同調させることができる。同様に、ｒｆ電圧源Ｖ_rf（ｆ）を変えてＳＭＴ発振器の出力に同調させることができる。
本発明の別の態様ではＩ_smtにｒｆ成分がある。なぜなら、図５で説明したように、Ｉ_smt 〜Ｖ_o／Ｒ_smt（ｆ）であり、また自由層の持続する変動とスタックの磁気抵抗特性のためにＲ_smtは周波数ｆで振動するからである。したがって、振動する自己磁界Ｈ_lはＩ_smt（ｆ）により生成され、自由層のｒｆ磁界（Ｈ_free）と重なり合って正味のｒｆ磁界を支える、すなわち、Ｈ_rf（ｆ）〜Ｈ_free（ｆ）＋Ｈ_l（Ｉ_smt，ｆ）である。原理的に、Ｉ_smtを同調させてその自己磁界の貢献を最適にすることができる。

ＳＭＴスタックは平面に垂直な電流（ＣＰＰ）巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）リーダ構造（すなわち、トンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）リーダ）から派生したものなので、ＳＭＴスタックは、リーダと、ライタのＳＭＴ発振器、という２つの目的に使えるように設計することができる。図３４は、記憶媒体からデータを読み取るための、磁気スタック（バイレヤとも呼ぶ）３３２を用いる記録ヘッド３３０を示す。スタックは、中間層３３８により自由磁気層３３６から分離された固定磁気層３３４を含む。アンペア・ワイヤ３４０は自由層３３６に近接する。リーダ前置増幅器３４２はアンペア・ワイヤおよびスタックのベースを通してスタックに接続される。

読み取るときは、図３４に示すように、ヘッドのアンペア・ワイヤは付勢されず、Ｉ_wはゼロで、ＳＭＴスタックは最適なリーダ性能になるようにリーダ前置増幅器によりバイアスされる。この場合は、固定層および自由層の磁化は書込みのために付勢されず、その静止状態にあって、読取り性能が最適になるように設計される。自由層の磁化は媒体内のビットにより生成される磁界に応じて回転してよく、ＳＭＴスタック全体が、リードバック信号として作用する磁気抵抗応答を示す。書き込むときは、上に述べたように、ＷＡＭＲライタは付勢され（Ｉ_w≠０）、ＳＭＴスタックは書込み能力が最適になるように持続する歳差運動状態にバイアスされる。

上に述べた設計は全てを包含するものではない。なぜなら、本発明にとって有用でかつ上に述べた例の自然の拡張であり得る他の配置があるからである。自由層および固定層の材料は一般的な遷移金属強磁性体、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはホイスラー合金などの新種の強磁性材料などでよい。中間層は、ＧＭＲデバイスに一般に用いられるＣｕなどの広範囲の金属でよい。中間層も、この分野で周知のＡｌＯ，ＴａＯ，ＭｇＯなどの絶縁トンネル・バリアでよい。書込み能力を大幅に向上させるのに必要なｒｆ支援磁界の大きさはまだ確立されていないが、媒体のＨ_kの例えば約１０％の設計点での妥当な概略の目標は１０００Ｏｅである。厚さ、Ｍ_s、層間の間隔などについて材料層を最適に設計した場合は、上に述べた構造を持つ１０００Ｏｅを超えるｒｆ支援磁化を生成することが可能である。

１つの態様では、本発明はＳＭＴ発振器の形の組込みｒｆ磁界源を持つ垂直ＷＡＭＲライタを提供してＷＡＭＲ書込み能力を改善する。ＳＭＴデバイスはＷＡＭＲ磁界と重なり合うｒｆ支援磁界を作る。またＳＭＴ発振器を第２のｒｆ磁界源と位相同期させて、その電力出力を支えまた生成する支援磁界の空間領域を増やすことができる。第２のｒｆ磁界源は、例えば、ライタ内に設けられた第２のＳＭＴ発振器または外部発振器でよい。外部発振器は、例えば、前置増幅器回路でよい。この考え方により一層高い面積密度の書込みが可能になる。

本発明をいくつかの例について説明したが、当業者に明らかなように、クレームに設定された本発明の範囲から逸れない限り、説明した例に種々の変更を行ってよい。

磁化の方向を示す略図である。磁化の方向を示す略図である。スピン運動量伝達スタックの略図である。スピン運動量伝達スタックの略図である。スピン運動量伝達スタックの略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの等尺図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。スピン運動量伝達スタックの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。図１１の記録ヘッドの断面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。スピン運動量伝達スタックの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。スピン運動量伝達スタックの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された磁気記録ヘッドの一部の略図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。スピン運動量伝達スタックの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。スピン運動量伝達スタックの空気軸受側の平面図である。電流信号および電圧信号のグラフである。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。本発明の或る実施の形態に従って構築された記録ヘッドの空気軸受側の平面図である。

符号の説明

４０磁気記録ヘッド
４２書込み磁極
４４戻り磁極
４８ワイヤ
５６第１の自由層
７２第１の中間層

Claims

書込み磁極と、
戻り磁極と、
前記書込み磁極と前記戻り磁極の間にあるワイヤと、
第１の自由層と、
前記書込み磁極と前記第１の自由層の間にある第１の中間層と、
を備える機器。
前記第１の自由層は前記第１の中間層と前記ワイヤの間にある、
請求項１記載の機器。
前記ワイヤに電流を、また前記書込み磁極、前記第１の中間層、および前記第１の自由層にスピン運動量伝達電流を供給する電流源、
を更に備える請求項１記載の機器。
前記スピン運動量伝達電流を調整する抵抗器、
を更に備える請求項３記載の機器。
前記ワイヤに電流を供給する電流源と、
スピン運動量伝達電流を前記書込み磁極、前記第１の中間層、および前記第１の自由層に供給する前置増幅器と、
を更に備える請求項１記載の機器。
第１の固定層と、
第２の自由層と、
前記第１の固定層と前記第２の自由層の間にある第２の中間層と、
を更に備える請求項１記載の機器。
前記第１の自由層と前記第２の自由層の磁化の方向は逆平行である、
請求項６記載の機器。
前記第２の自由層は前記第１の固定層と前記ワイヤの間にある、
請求項６記載の機器。
前記第１の固定層は前記第２の自由層と前記ワイヤの間にある、
請求項６記載の機器。
前記書込み磁極は前記第１の中間層と前記ワイヤの間にある、
請求項６記載の機器。
前記書込み磁極と前記第１の自由層の間にある第２の固定層、
を更に備える請求項６記載の機器。
前記第１および第２の固定層の磁化の方向は空気軸受面に実質的に平行である、
請求項１１記載の機器。
前記ワイヤと前記第１の自由層の間にある第２の固定層、
を更に備える請求項６記載の機器。
第２の固定層を更に備え、前記書込み磁極および前記第１の自由層は前記第２の固定層と前記ワイヤの間にある、
請求項６記載の機器。
第１の固定層と、
第２の自由層と、
前記第１の固定層と前記第２の自由層の間にある第２の中間層と、
前記第１の自由層と前記第１の固定層の間にある減極層と、
を更に備える請求項１記載の機器。
書込み磁極と、
戻り磁極と、
前記書込み磁極と前記戻り磁極の間にあるワイヤと、
第１の磁気スタックと、
第２の磁気スタックと、
前記第１および第２の磁気スタックの間にある減極層と、
を備える機器。
前記第１および第２の磁気スタックは前記ワイヤと前記戻り磁極の間にある、
請求項１６記載の機器。
書込み磁極と、
戻り磁極と、
前記書込み磁極と前記戻り磁極の間にあるワイヤと、
第１の高周波磁界源と、
を備える機器。
前記第１の高周波磁界源は第２の高周波磁界源と位相同期する、
請求項１８記載の機器。
書込み磁極と、
戻り磁極と、
第２の高周波磁界源と位相同期する第１の高周波磁界源と、
を備える機器。