JP2009146512A - 磁気ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高記録密度磁気記録再生に好適な高分解能・高出力の蓄積素子を提供する。
【解決手段】スピン注入部１０，１１を複数備えることで、トータルのスピン電子の量を増加させる。スピン蓄積素子は、非磁性導電体１、第一の磁性導電体３、第二の磁性導電体８、及び第三の磁性導電体６で構成されており、それぞれが、トンネル接合によって、非磁性導電体に接している。スピン蓄積効果による出力電圧は、非磁性導電体１と第三の磁性導電体６の電位差として検出される。第一のスピン注入部１０の第一の磁性導電体３は第一の反強磁性導電体４によって、第二のスピン注入部１１の第二の磁性導電体８は第二の反強磁性導電体４によって、互いの磁化の方向が反平行になるように固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッド及びそれを用いた磁気記録装置に関する。

磁気記録再生装置の記録密度は、年率４０−６０％で増大しており、近い将来Ｔｂｉｔ／ｉｎ²に到達すると推測される。それに伴い磁気記録再生ヘッドは、更に高出力化・高分解能化する必要がある。現在、磁気再生ヘッドとしては、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane Giant Magneto Resistance）ヘッドやＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）ヘッドが提案されている。しかし、これらのヘッドは、素子の膜の厚さの要請から、シールド間のギャップ長Ｇ_wを３０ｎｍ以下にすることが困難であり、分解能の点で１Ｔｂｉｔ／ｉｎ²以上の媒体には適用が困難であると考えられている。例えば、１Ｔｂｉｔ／ｉｎ²の媒体に対する再生ヘッドのギャップ長はＧ_w＝２５ｎｍとなり、ＣＰＰ−ＧＭＲやＴＭＲ等の従来技術では対応できない。

そのため、高分解能再生ヘッドとして、スピン蓄積効果（非特許文献１）を利用した再生ヘッドが提案されている（特許文献１）。スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性金属に電流を流した際に、スピン拡散長λの範囲内で、非磁性金属中にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。スピン拡散長λは、スピンの情報が消失する（スピンが反転する）距離を表しており、物質固有の値である。

ここで、非磁性体として非磁性金属細線を用い、この非磁性細線上に２つの磁性体を積層した基本素子（スピン蓄積素子）構造に関して説明する。２つの磁性体の内、片方の第一の磁性体から非磁性体へと電流を流すことでスピン注入源として用いる。もう片方の第二の磁性体をスピン蓄積効果による出力電圧の検出部分とする。強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）をもつため、第一の磁性体から非磁性体へと電流を流すことで、非磁性細線中では、スピン密度の差が誘起される。この蓄積されたスピン偏極した電子のため、非磁性体は、スピン拡散長の範囲内で、強磁性的な振る舞いをすることが知られている（非特許文献１，２）。この効果を用いると、第一の磁性体と第二の磁性体の磁化の向きに依存して、電圧差ΔＶが生じる。この電圧差のことをスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶと呼んでいる。なお、出力電圧の測定方法として、電圧検出部分には電流が流れない非局所電圧測定が一般的に用いられている（非特許文献１）。ΔＶの増大のためには、スピン拡散長λを長くすることや２つの電極間距離ｄ₁を減少させることが有効である（特許文献２）。

F. J. Jedema et al., "Spin injection and spin accumulation in all-metal mesoscopic spin valves", Phys. Rev. B, vol.67, (2003), pp.85319-85319(16). S. Takahashi and S. Maekawa, "Spin injection and detection in magnetic nanostructures", Phys. Rev. B, vol.67, (2003), pp.52409(1) -52409(4). 特開２００４−３４２２４１号公報 特開２００４−１８６２７４号公報

この基本素子を利用した再生ヘッドは、固定層と自由層を完全に分離できるため、シールド間のギャップ長を狭小化できるという特徴がある。しかし、従来のスピン蓄積素子は出力の点で不十分であり、更なる高出力化を図る必要がある。スピン蓄積効果を利用する再生ヘッドの出力電圧を増大させる方法の一つとして、スピン蓄積素子を構成する２つの磁性体間隔ｄ₁を狭小化する方法が考えられる。しかし、現在の微細加工の技術では、磁性体間隔が最狭で３０ｎｍほどであり、無限に狭小化することは不可能である。また、磁性体間隔距離を近づけすぎると、２つの磁性体の間に磁気的な相互作用が働き、かえって磁気特性を落とす要因にもなる。そのため、磁性体間隔を狭めることなく、スピン電子の減衰を低減する新たな方法が求められている。

本発明のスピン蓄積素子は、複数のスピン注入部を備える。従来は、単一のスピン注入部を用いてスピン注入を行っていたが、本発明ではスピン注入部を複数備えることで、トータルのスピン電子の量を増加させる。

本発明では、非磁性導電体上に、第一のスピン注入部として磁化が一方向に固定された第一の磁性導電体を形成する。また、非磁性導電体を挟んで構成膜の垂直方向に対して第一のスピン注入部と反対方向に、あるいは、非磁性導電体に対して第一のスピン注入部と同じ側に第一のスピン注入部と離間して、第二のスピン注入部を形成する。第二のスピン注入部は、第二の磁性導電体を備え、その磁化の向きは第一のスピン注入部の第一の磁性導電体の磁化と反平行とする。また、出力電圧の検出部として、スピン注入部からスピン拡散長の範囲内で、非磁性導電体上に第三の磁性導電体を形成する。センス電流を第一のスピン注入部から、非磁性導電体、第二のスピン注入部と流した場合、非磁性導電体中には、第一及び第二のスピン注入部から、スピン偏極した電子が注入される。これにより、非磁性導電体中のスピン電子密度が増大し、スピン蓄積効果による出力電圧が増大する。

また、第二のスピン注入部に非磁性導電体を備え、第二のスピン注入部に電流を流したとき逆スピンホール効果によって生じるスピン偏極電子を注入するようにしてもよい。

本発明によると、従来のスピン蓄積素子と比較し、非磁性体中に蓄積されるスピン電子の量を増加させることができる。一例では、スピン蓄積効果による出力信号が、単一のスピン注入部を用いたスピン蓄積素子と比較し１００％以上増大する。これには、複数のスピン注入部を備えたことによる効果と非磁性導電体中でのスピン電子の鏡面反射が関与している。その結果、高分解能・高出力の磁気再生ヘッドを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１に、本発明を適用した第一のスピン蓄積素子を示す。第一のスピン蓄積素子は、非磁性導電体１と、非磁性導電体１上に積層された第一の磁性導電体３とが、非磁性導電体１上に形成した第一のトンネル接合２において接している。ここで、非磁性導電体１として、非磁性細線を用いているが、その形状は、この限りではない。第一の磁性導電体３は、第一の反強磁性体４により磁化方向が磁気的に固定されている。この磁性導電体３を第一のスピン注入部１０とする。ただし、磁性導電体の磁化の固定方法としては、この限りではなく、積層フェリ構造などを用いても磁気的に固定可能である。また、第三の磁性導電体６は、第三のトンネル接合５を介して、非磁性導電体１に接している。第三の磁性導電体６の磁化は、外部磁場の影響を受けて自由に回転する。一方、第二の磁性導電体８は、第二のトンネル接合７を介して非磁性導電体１に接合されており、第二の反強磁性体９によって、磁化方向が磁気的に一方向に固着されている。第二の磁性導電体８は、非磁性導電体１の膜厚方向に対して、第一の磁性導電体３に対して反対側に接合されており、第二のスピン注入部１１とする。ここで、第一のスピン蓄積素子は、第一の磁性導電体３と第二の磁性導電体８の磁化方向が互いに反平行であるのが特徴である。

非磁性導電体１としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ｙｂ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈからなる非磁性導電性金属や、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ₃を主成分とする伝導性の化合物を用いることができる。第一の磁性導電体３と第三の磁性導電体６の距離ｄ₁は、磁気再生ヘッドとしての十分な出力を得るためには、それぞれの物質固有のスピン拡散長λよりも短いこと（ｄ₁＜λ）が望ましいが、ｄ₁＞λの条件でも効果は観測可能である。障壁層２としては、ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮ，ＳｉＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｚｒ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜を用いることができる。磁性導電体３としては、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｎ、あるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる材料を用いることができる。さらに、ハーフメタルＦｅ₃Ｏ₄に代表されるＡＢ₂Ｏ₄（ＡはＦｅ，Ｃｏ，Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎの一つ）なる構造を持つ酸化物、ＣｒＯ₂，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂあるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ₂ＭｎＧｅ，Ｃｏ₂ＭｎＳｂ，Ｃｏ₂Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4Ａｌなどに代表されるＣ₂Ｄ×Ｅ１×Ｆ（ＣはＣｏ，ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの一種、ＦはＡｌ、Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分）型のホイスラー合金を、これら磁性層が含有している場合も本発明に含まれる。反強磁性導電体４としては、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＭｎＲｈ等を用いることができる。

第一のスピン蓄積素子において、電流Ｉ_cを第一のスピン注入部１０から、非磁性導電体１へと流した場合、アップにスピン偏極した電子（スピン電子Ｉ_s1 ^↑）が、第一のスピン注入部から、非磁性導電体１中へと注入される。この注入されたスピン電子Ｉ_s1 ^↑の偏極方向は、第二の磁性導電体８の磁化方向と逆のため、第二のスピン注入部１１との界面で反射し、非磁性導電体１中に効率良く注入される。一方、非磁性導電体１から第二の磁性導電体８へと流れる電流のために、非磁性導電体１中のダウンのスピン電子Ｉ_s2 ^↓が、第二のスピン注入部１１へと透過し、結果として非磁性導電体１中には、I_s2 ^↑が蓄積される。言い換えるならば、第二のスピン注入部１１によって、Ｉ_s1 ^↑とは独立にI_s2 ^↑が非磁性導電体１中に注入されると言える。また、前記の通り、注入されたスピン電子Ｉ_s2 ^↑も、第一のスピン注入部１０との界面で反射する。こうして、Ｉ_s1 ^↑とＩ_s2 ^↑の合成されたスピン電子が非磁性導電体１中に蓄積され、第三の磁性導電体６の磁化の方向に依存した出力電圧が、第三の磁性導電体６と非磁性導電体１の間に発生する。

図２は、第一のスピン蓄積素子との比較のために示した第二のスピン蓄積素子の構成図である。素子構造は図１と同様であるが、第一の磁性導電体３と第二の磁性導電体８の磁化の方向が互いに平行な点が第一のスピン蓄積素子と異なっている。電流Ｉ_cを第一のスピン注入部１０から、非磁性導電体１、第二のスピン注入部１１へと流す。図１の素子と同様に、第一のスピン注入部１０からは、アップに偏極したスピン電子Ｉ_s1 ^↑が、非磁性導電体１へと注入される。この時、非磁性導電体１中に注入されたアップスピン電子Ｉ_s1 ^↑は、第二の磁性導電体８の磁化方向と平行のため、第二の磁性導電体８へと容易に透過する。一方、第二のスピン注入部１１と非磁性導電体１の界面では、第二の磁性導電体８の磁化方向と反平行なダウンに偏極したスピン電子Ｉ_s2 ^↓が蓄積される。このため、スピン電子Ｉ_s1 ^↑とスピン電子Ｉ_s2 ^↓が互いに打ち消しあい、非磁性導電体１中には、一方向に偏極したスピン電子は蓄積されにくくなる。つまり、図２に示した第二のスピン蓄積素子では、十分な発明の効果が得られない。これらのことより、本発明による効果を得るためには、第一の磁性導電体１と第二の磁性導電体８の磁化の向きは反平行にする必要がある。

図３に、本発明による第三のスピン蓄積素子の構成例を示す。このスピン蓄積素子は、第一のスピン蓄積素子を構成している第一及び第二のスピン注入部１０，１１に加えて、第一及び第二の注入部を挟んで第三の磁性導電体６と反対側の同一直線上に、第三及び第四のスピン注入部１０’，１１’を増設した構造を有する。新たに増設した第三及び第四のスピン注入部１０’，１１’の構造及び材料は、図１で示した第一及び第二のスピン注入部と同じとし、第三のスピン注入部１０’と第三の磁性導電体６との距離をｄ₁’とする。また、第三のスピン注入部１０’から、第四のスピン注入部１１’へと電流Ｉ_c’を印加する。この構造により、図１での説明の通り、非磁性導電体１中にはスピン電子Ｉ_s1，Ｉ_s2，Ｉ’_s1，Ｉ’_s2が蓄積され、トータルの出力電圧は、図１の構造と比べて更に向上する。なお、図３に示した例は、図１の第一及び第二のスピン注入部１０，１１をそれぞれ１つ増やした構造であるが、２つ以上増やしてもよい。

図４（ａ）に、本発明の第四のスピン蓄積素子を示す。第四のスピン蓄積素子は、第一のスピン蓄積素子と異なり、第二のスピン注入部を第一のスピン注入部と同一平面上に形成したことを特徴とする。なお、第一の磁性導電体３と第二の磁性導電体８の磁化方向は、互いに反平行とする。今、第一のスピン注入部１０から、第二のスピン注入部１１へと電流Ｉ_cを流す。第一のスピン注入部１０では、アップに偏極したスピン電子Ｉ_s1 ^↑が非磁性導電体１へと注入され、スピン拡散長の範囲内で、非磁性導電体１に蓄積される。一方、第二のスピン注入部１１では、アップに偏極したスピン電子Ｉ_s2 ^↑が、スピン拡散長の範囲内で同様に非磁性導電体１に蓄積される。出力電圧は、Ｉ_s1 ^↑とＩ_s2 ^↑の合計で規定されるため、単一のスピン注入部を備えたスピン蓄積素子と比較して、この第四のスピン蓄積素子の出力電圧は増大する。図４（ｂ）は、第二のスピン注入部１１が、第一のスピン注入部１０と第三の磁性導電体６の間に配置された構造を示す。この構造では、第二のスピン注入部１１を第一のスピン注入部１０と第三の磁性導電体６の間に形成する必要があるために、その磁性体間距離ｄ₁を狭小化することが困難となる。その結果、出力電圧は減少してしまう。これらのことから、第二のスピン注入部を第一のスピン注入部と同一直線上に配置する場合は、図４（ａ）の構造の方が好ましい。また、第三のスピン注入部１１’を新たに増設した構造を図４（ｃ）に示す。本構造によって、新たにスピン電子Ｉ_s3 ^↑が非磁性導電体１中に蓄積されるため、図４（ａ）で説明した効果に加え、蓄積されたスピン電子Ｉ_s3 ^↑の効果の分だけ、出力は増大する。この様に、本発明は、図３の第二のスピン注入部１１を複数備えてもよい。

図５は、本発明による第一のスピン蓄積素子の出力信号の磁性電極間距離依存性を示す。実線は本発明による第一のスピン蓄積素子の出力電圧、破線は単一のスピン注入部を有する素子の出力電圧である。ただし、第一のスピン蓄積素子において、非磁性導電体１の線幅をｗ_N、膜厚をｔ_N、第一のスピン注入部１０と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_i1、第三の磁性導電体６と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_d、非磁性導電体１のスピン拡散長をλ_N、非磁性導電体１の抵抗率をρ_N、第一の磁性導電体３と第三の磁性導電体６の距離をｄ₁とする。スピン蓄積現象の理論によれば、単一のスピン注入部をもつ基本素子の出力電圧は、次式で表される（非特許文献２）。

実施例１に関しては、２つのスピン注入源がそれぞれ、第三の磁性導電体６と距離ｄ₁の場所に配置された構造のため、前記の通り、複数のスピン注入部を備えた素子の出力電圧は、全てのスピン電子の総和で規定されるために、
ΔＶ＝（Ｐ_i1＋Ｐ_i2）Ｐ（λ／ｗ_Nｔ_N）ρ_NＰ_i1Ｐ_d exp(−λ_N／ｄ₁)×Ｉ_c (2)
で表せる。ただし、第二のスピン注入部１１と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_i2とした。更に、ｎ個のスピン注入部を備えた場合の出力電圧は、次式で表される。

ただし、ｎ番目のスピン注入部と第三の磁性導電体６との距離をｄ_n、スピン注入部に流れる電流値をＩ_cnとした。このことにより、複数のスピン注入部を備えた場合、単一のスピン注入を備える従来のスピン蓄積素子と比べ、出力電圧は増加する。

図６は、図４（ａ）に示した本発明による第四のスピン蓄積素子の出力信号の磁性電極間距離ｄ₁依存性を示す。実線は本発明による第四のスピン蓄積素子の出力電圧、破線は単一のスピン注入部を有するスピン蓄積素子の出力電圧である。ただし、第四のスピン蓄積素子において、非磁性導電体１の線幅をｗ_N、膜厚をｔ_N、第一のスピン注入部１０と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_i1、第二のスピン注入部１１と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_i2、第三の磁性導電体６と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_d、非磁性導電体１のスピン拡散長をλ_N、非磁性導電体１の抵抗率をρ_N、第一の磁性導電体３と第三の磁性導電体６の距離をｄ₁、第二の磁性導電体８と第三の磁性導電体８の距離をｄ₂とする。ここで、トータルの出力電圧は、式(3)で、書き表されるため、実施例２の出力電圧は、
ΔＶ＝Ｐ_d(λ_N／ｗ_Nｔ_N)ρ_N[Ｐ_i1exp(−λ_N／ｄ₁)＋Ｐ_i2exp(−λ_N／ｄ₂)]×Ｉ_c (4)
となる。このため、実施例２では、ｄ₁及びｄ₂を狭小化した場合に、本発明の効果が十分得られるといえる。

図７に、本発明の第一のスピン蓄積素子を備えた再生ヘッドを示す。図７（ａ）は、再生ヘッドの斜視図であり、ＢＢ’、ＣＣ’及びＤＤ’断面を図７（ｂ）、図７（ｃ）及び図７（ｄ）に表す。図７（ｃ）に示した再生ヘッドのスピン注入部に関して、電流端子１５、バッファー層１４、第二のスピン注入部１１、非磁性導電体１、第一のスピン注入部１０、バッファー層１４、上部シールド１７の順番に積層された構造である。バッファー層１４は反強磁性体を形成する上で必要な層であり、ＣｕやＰｔ、Ｒｕなどを用いることが一般的である。なお、電流Ｉ_cは、上部シールド１７より、電流端子１５に常に通電している。また、漏洩磁場の検出部分を図７（ｄ）に示すが、下部シールド１８、コンタクト１３、非磁性導電体１、第三のトンネル接合５、第三の磁性導電体６、電圧端子１６、上部シールド１７の順に積層された構造である。コンタクト１３は、非磁性導電体１の電位を下部シールド１８で検出可能にするためのものである。なお、電圧端子１６は、上部シールド１７と電気的に絶縁されており、電圧端子１６と下部シールド１８との間で、出力電圧を検出する構造である。

続いて、第二のスピン注入部に非磁性導電体を用いたスピン蓄積素子について説明する。非磁性導電体を用いたスピン注入の方式として、逆スピンホール効果を用いる。逆スピンホール効果とは、スピン軌道相互作用の大きい非磁性導電体中に電流を流した場合、電流のホール方向にスピン電子が偏極し、スピン電子の流れ（スピン流）が誘起される現象である（T. Kimura, Y. Otani, T. Sato, S. Takahashi, and S. Maekawa, “Room-Temperature Reversible Spin Hall Effect”, Phys. Rev. Lett., vol.98, (2007), pp.156601-1）。

図８（ａ）に、スピン軌道相互作用の大きな非磁性細線１２（例えば、ＰｔやＡｕなど）に電流Ｉ_cを印加した場合の模式図を表す。電流Ｉ_cを細線方向に流した場合、強いスピン軌道相互作用のため、非磁性導電体中のアップスピン電子とダウンスピン電子が、それぞれ、非磁性細線１２の端面に偏極する。このため、非磁性細線中１２では、電流Ｉ_cが流れる向きのホール方向にケミカルポテンシャルの差が生まれ、スピン電子が流れる現象が起こる。次に、このスピン軌道相互作用の大きな非磁性導電体１２を、材料の異なる非磁性導電体１の上に積層した構造を図８（ｂ）に示す。この場合、非磁性細線１２の細線方向に電流を印加すると、逆スピンホール効果によって、非磁性細線１２と非磁性導電体１との界面から非磁性導電体１にスピン電子Ｉ_s ^↑が注入されることになる。注入されたスピン電子Ｉ_s ^↑は、非磁性導電体１中に蓄積される。この効果を用いることで、新たなスピン注入部として機能させることが可能である。なお、電流を反転させると、注入されるスピン電子の極性が反転するため、第一のスピン注入部から注入されるスピンの向きと非磁性細線１２に流す電流の方向は、一意的に決める必要がある。

図９に、逆スピンホール効果を用いた本発明の第五のスピン蓄積素子を示す。第五のスピン蓄積素子は、非磁性導電体１上に第一のスピン注入部１０として、トンネル接合２、第一の磁性導電体３、反強磁性導電体４が順に積層された構造を持つ。また、出力電圧の検出部分として、非磁性導電体１上にトンネル接合５、磁性導電体６を備え、非磁性導電体１と磁性導電体６との電位差を検出可能になっている。第五のスピン蓄積素子の特徴として、第二のスピン注入部にスピン軌道相互作用の大きな非磁性導電体１２を備える。第二のスピン注入部１２の材料としては、Ｐｔ，Ａｕ，ＰｄやＳｒ₂ＲｕＯ₄などのｄ，ｆ金属原子又は金属間化合物であるスピン軌道相互作用の大きな非磁性導電体を用いる。

図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、それぞれ第五のスピン蓄積素子の断面図、スピン注入部から見た側面図、上部から見た平面図である。第一のスピン注入部１０は、非磁性導電体１の膜厚方向に積層され、第二のスピン注入部１２は、非磁性導電体１に線幅方向に電気的に接合されている。また、電圧検出用の磁性導電体６は、トンネル接合５を介して、非磁性導電体１に接合されている。本素子は、第一のスピン注入部１０、及び、第二のスピン注入部１２流端子を共通とした構造であり、第一及び第二のスピン注入部には、電流Ｉ_c1、Ｉ_c2が、それぞれ独立に流れる構造となっている。前記の通り、第一のスピン注入部１０では、アップに偏極したスピン電子Ｉ_s1 ^↑が非磁性導電体１へと注入される。一方、第二のピン注入部１２と非磁性導電体１の界面では、図９（ｂ）に示すように、電流Ｉ_c2が上から下へ流れるため、アップに偏極したスピン電子Ｉ_s4 ^↑が誘起され、電流Ｉ_c2を流し続けることで、非磁性導電体１中にはスピン電子Ｉ_s4 ^↑が蓄積される。そのため、トータルで、Ｉ_s1 ^↑とＩ_s4 ^↑のアップに偏極したスピン電子が蓄積され、Ｉ_s4 ^↑の寄与分だけ、出力信号は増大する。なお、図９（ａ）に示すように、電流Ｉ_c1及びＩ_c2が上から下へと流れる構造では、第一の磁性導電体３の磁化の方向を図に示したように左向きに固着させた場合に本発明による効果が十分に得られる。更に、電流Ｉ_c1と電流Ｉ_c2の電流端子を共通化することで、逆スピンホール効果を用いた場合でも、従来のスピン蓄積再生ヘッドと電極数は変わらない。

図１０に、本発明による第五のスピン蓄積素子の出力信号の磁性電極間距離依存性を示す。実線は本発明による第五のスピン蓄積素子の出力電圧、破線は単一のスピン注入部を有するスピン蓄積素子の出力電圧である。第五のスピン蓄積素子において、非磁性導電体１の線幅をｗ_N、膜厚をｔ_N、第二のスピン注入部における非磁性導体１の細線方向に垂直な方向の線幅をｗ_SH、第一のスピン注入部１０と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_i、検出部の磁性導電体６と非磁性導電体１の界面におけるスピン分極率をＰ_d、非磁性導電体１のスピン拡散長をλ_N、非磁性導電体１の抵抗率をρ_N、第二のスピン注入部における抵抗率をρ_SH、第二のスピン注入部におけるスピンホール係数をα_SH、第一の磁性導電体３と磁性導電体６の距離をｄ₁とすると、逆スピンホール効果において、スピン蓄積効果による出力電圧は、
ΔＶ_SH＝α_SH（Ｐ_d／ｗ_SH）ρ_SHexp（−ｄ₁／λ_N）×Ｉ_c2 (5)
の形で表され（非特許文献３）、第二のスピン注入部を構成する非磁性導電体の線幅の減少に伴い、出力は増大することが予想される。

図１１に、第五のスピン蓄積素子を備えた再生ヘッドの模式図を示す。図１１（ａ）は、再生ヘッドの斜視図であり、そのＢＢ’、ＣＣ’及びＤＤ’断面を、図１１（ｂ）、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示す。

図１１（ｃ）に示すように、再生ヘッドのスピン注入部は、電流端子１５、コンタクト１３、非磁性導電体１、第一のスピン注入部１０、バッファー層１４、上部シールド１７の順番に積層され、更に、第二のスピン注入部１２が非磁性導電体１に電気的に接合されている。なお、第一のスピン注入部１０及び第二のスピン注入部に流れる電流をＩ_c1及びＩ_c2とし、電流端子は、上部電極１８と電流端子１５とを共通とする。第二のスピン注入部１２を構成する非磁性導電体は、電極端子１５及び上部シールド１７と、それぞれコンタクト１３によって接続されている。また、漏洩磁場の検出部分を図１１（ｄ）に示すが、下部シールド１８、コンタクト１３、非磁性導電体１、トンネル接合５、磁性導電体６、電圧端子１６、上部シールド１７の順に積層された構造である。なお、電圧端子１６は、上部シールド１７と電気的に絶縁されており、電圧端子１６と下部シールド１８との間で、出力電圧を検出する。

図１２は、本発明による複数のスピン注入部を備えたスピン蓄積素子を再生ヘッド４１として用い、積層型記録ヘッド４２と組み合わせた磁気ヘッド４０の模式図である。図示したスピン蓄積素子は、本発明の第一のスピン蓄積素子であるが、他の構造を有する本発明のスピン蓄積素子を用いてもよい。

図１３は、本発明による磁気記録装置の模式図である。この磁気記録装置は、磁気記録層を有する磁気記録媒体５２、磁気記録媒体を駆動する駆動部５４、磁気記録媒体に対して記録・再生動作を行う本発明による磁気ヘッド４０、磁気ヘッドを磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ５０及びスライダ５１、磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段を有する。磁気記録媒体としては、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった媒体を用いることができる。

図１及び図７に示した本発明の第一のスピン注入素子の効果を検証するために、２種類のスピン蓄積素子を製作した。第一のスピン蓄積素子は、非磁性導電体１の材料にＡｌを採用した。実施例１で採用したＡｌ細線は、線幅ｗ_N＝１００ｎｍ、膜厚ｔ_N＝１０ｎｍ、長さＬ_N＝３μｍのサイズであり、その電気抵抗率ρ_Nは、ρ_N＝２．５μΩｃｍである。第一のトンネル接合２、第二のトンネル接合７、及び、第三のトンネル接合５として、Ａｌ−Ｏ_x障壁層を用いた。Ａｌ−Ｏ_x障壁は、Ａｌ細線の表面を自然酸化することによって形成した。第一の磁性導電体３、第二の磁性導電体８、及び、第三の磁性導電体６として、膜厚が１０ｎｍのＣｏを用いた。第一の磁性導電体Ｃｏ１及び第二の磁性導電体Ｃｏ２の線幅は、ｗ_Co1，ｗ_Co2＝２００ｎｍとし、第三の磁性導電体Ｃｏ３の線幅はｗ_Co3＝１００ｎｍとした。Ｃｏ１とＣｏ２の磁化は、膜厚１０ｎｍの反強磁性導電体ＭｎＩｒによって一方向に固定し、互いの磁化の方向を反平行の状態にし、Ｃｏ１とＣｏ３の距離ｄ₁を３０ｎｍ≦ｄ₁≦１０００ｎｍで変化させた素子を作製した。なお、本素子に関して、Ｃｏ１，Ｃｏ２及びＣｏ３とＡｌの界面での分極率はＰ_i1，Ｐ_i2，Ｐ_d＝０．４、Ａｌのスピン拡散長はλ_N＝３５０ｎｍである。なお、比較のために、従来の単一のスピン注入部を備えたスピン蓄積素子も作製した。従来のスピン蓄積素子は、第一のスピン蓄積素子の第二のスピン注入部１１を備えない構造となっている。

本発明の第一のスピン蓄積素子と従来のスピン蓄積素子に電流Ｉ_c＝１ｍＡを流し、第三の磁性導電体６に非磁性導電体１の細線方向と平行に磁場を印加して、非局所電圧測定を行ったところ、Ｃｏ１とＣｏ３の相対的な磁化の向きに依存した電位差が得られた。この電位差ΔＶを出力電圧とよび、図５に出力電圧ΔＶのｄ₁依存性を示す。白丸が本発明の素子に対する測定値、黒丸が従来構造の素子に対する測定値である。従来のスピン蓄積素子と本発明による第一のスピン蓄積素子は、いずれもｄ₁の増大と共に、ΔＶがexponentialの形で減少していく結果が得られた。これは、非磁性導電体中のスピン電子がexponentialの形で蓄積されていることを反映している。

単一のスピン注入部を備えた従来のスピン蓄積は、破線で示したように、理論式と定量的に良い一致を示した。一方、本発明による第一のスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶは、従来比で１００％強の増大が観測された。これは、スピン注入部を複数にしたことで、非磁性導電体中のトータルのスピン電子が増大した効果である。また、前記の通り、第一の磁性導電体と第二の磁性導電体の磁化方向が反平行なので、非磁性導電体中でのスピン電子の鏡面反射効果も寄与していると考えられる。

実施例２として、図４（ａ）に示した本発明の第四のスピン蓄積素子を作製した。素子の材料及びサイズは、実施例１と同じであるが、第二のスピン注入部１２は、図４（ａ）に示すように、非磁性導電体１に対して第一のスピン注入部１１と同じ側に離間して設けた。第一のスピン注入部１０と第二のスピン注入部１１の離間距離をΔｄ（＝ｄ₂-ｄ₁）とし、Δｄ＝１００，３００，５００ｎｍの３種類を用意し、３０ｎｍ≦ｄ₁≦１０００ｎｍの範囲で、非局所測定を行った。なお、非磁性導電体１の細線方向と平行方向に、磁場を印加している。

図６に、本発明の第四のスピン蓄積素子における、Δｄ＝１００，３００，５００ｎｍの場合の、出力電圧ΔＶの電極間距離ｄ₁依存性を示す。なお、比較のために、従来の単一スピン注入部を備えたスピン蓄積素子の結果も示している。本発明による第四のスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶは、実施例１と同様に、ｄ₁に対しexponentialの形で減少していく結果が得られた。また、出力電圧の大きさは、Δｄ＝１００ｎｍの場合、従来比で約８０％増大する結果が得られた。この増加には、第二のスピン注入部によるスピン電子の寄与と非磁性導電体中でのスピン電子の鏡面反射効果が関与している。また、第一のスピン注入部１０と第二のスピン注入部１１の離間距離Δｄが、大きくなると、出力信号ΔＶの増加率は低減していき、例えば、Δｄ＝５００ｎｍでは従来比で２０％程度の増加しか観測されず、本発明による効果は、それほど顕著にはならなかった。

実施例３として、図９及び図１１に示した本発明の第五のスピン注入素子を製作した。実施例３で採用した非磁性導電体１は、線幅ｗ_N＝１００ｎｍ、膜厚ｔ_N＝１０ｎｍ、長さＬ_N＝３μｍのサイズのＡｌ細線であり、その電気抵抗率ρ_Nは、ρ_N＝２．５μΩｃｍである。図９に示したトンネル接合２，５として、Ａｌの表面を自然酸化させて作製したＡｌ−Ｏ_x障壁層を用いた。第一の磁性導電体３、及び、第三の磁性導電体６として、膜厚が１０ｎｍのＣｏを用いた。第一の磁性導電体Ｃｏ１の線幅は、ｗ_Co1＝２００ｎｍとし、第三の磁性導電体Ｃｏ３の線幅はｗ_Co3＝１００ｎｍとした。Ｃｏ１の磁化は、膜厚１０ｎｍの反強磁性導電体ＭｎＩｒによって一方向に固定し、Ｃｏ１とＣｏ３の距離は、最小でｄ₁＝３０ｎｍまで狭小化した。一方、第二のスピン注入部１２として、スピン軌道相互作用の大きな非磁性導電体であるＰｔを用いた。Ｐｔのサイズは、線幅ｗ_SH＝３０ｎｍ、長さＬ_SH＝２００ｎｍ、膜厚ｔ_SH＝１０ｎｍであり、Ａｌ細線の側面で金属的に接合されている。なお、本素子に関して、Ｃｏ１及びＣｏ３とＡｌの界面での分極率はＰ_i，Ｐ_d＝０．４、Ａｌのスピン拡散長はλ_N＝３５０ｎｍ、Ｐｔのスピン拡散長はλ_N＝１００ｎｍ、Ｐｔの電気抵抗率はρ_SH＝１０μΩｃｍであり、スピンホール係数はα_SH＝０．３７である。そこで、第五のスピン蓄積素子に関して、非局所測定による出力電圧ΔＶの測定を行った。第一のスピン注入部に流れる電流Ｉ_c1と第四のスピン注入部に流れる電流Ｉ_c1は、上部電極から下部電極へ流し、その大きさは、共に１ｍＡとなるようした。なお、非磁性導電体１の細線方向と平行方向に、磁場を印加している。

図１０に、本発明の第五のスピン蓄積素子における出力電圧ΔＶの電極間距離ｄ₁依存性を示す。なお、比較のために、従来の単一スピン注入部を備えたスピン蓄積素子の結果も示している。本発明の第五のスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶは、ｄ₁の増大と共に、exponentialの形で減少していくが、従来のスピン蓄積素子と比較し、約２０％の増加が観測された。この増加分は、逆スピンホール効果によるスピン注入の効果であり、本実施例による効果も式(5)によって説明することができる。ここでは、第二のスピン注入部１２であるＰｔの線幅が３０ｎｍの結果を示したが、Ｐｔの線幅を狭小化することで、更なる出力の増大も期待される。また、第二のスピン注入部の材料を変えることで、スピンホール係数α_SHを大きくすると、出力信号も増大する。

以上、複数のスピン注入部を備えることで、単一のスピン注入部を備えるスピン蓄積素子と比べて、出力信号の増大が確認された。本発明によるスピン蓄積素子の適用により、高分解能・高出力を特徴とする再生ヘッドが得られる。

第一のスピン蓄積素子の断面図。 第二のスピン蓄積素子の断面図。 第三のスピン蓄積素子の断面図。 第四のスピン蓄積素子の断面図。 第一のスピン蓄積素子の出力電圧の磁性電極間距離依存性を示す図。 第四のスピン蓄積素子の出力電圧の磁性電極間距離依存性を示す図。 第一のスピン蓄積素子を用いた再生ヘッドの概略図。 逆スピンホール効果の説明図。 第五のスピン蓄積素子の断面図。 第五のスピン蓄積素子の出力電圧の磁性電極間距離依存性を示す図。 第五のスピン蓄積素子を用いた再生ヘッドの概略図。 本発明による再生ヘッドと記録ヘッドを備えた磁気ヘッドの概略図。 本発明による磁気ヘッドを備えた磁気記録装置の概略図。

符号の説明

１…非磁性導電体、２…第一のトンネル接合、３…第一の磁性導電体、４…第一の反強磁性導電体、５…第三のトンネル接合、６…第三の磁性導電体、７…第二のトンネル接合、８…第二の磁性導電体、９…第二の反強磁性導電体、１０…第一のスピン注入部、１１…第二のスピン注入部、１２…第二のスピン注入部、１３…コンタクト、１４…バッファー層、１５…電流端子、１６…電圧端子、１７…上部磁気シールド、１８…下部磁気シールド

Claims (9)

1. 第一の非磁性導電体と、
   前記第一の非磁性導電体の上に積層され、外部磁場により磁化方向が変化する第一の磁性導電体と、
   第二の磁性導電体を備え、前記第二の磁性導電体から前記第一の非磁性導電体に電流を印加して、前記第一の非磁性導電体中にスピン電子を蓄積させる第一のスピン注入部と、
   前記第一のスピン注入部とは別個に設けられ、前記第一の非磁性導電体中にスピン電子を蓄積させる第二のスピン注入部と、
   前記第一の磁性導電体と前記第一の非磁性導電体の間の電圧を検出する端子と
   を有することを特徴とする磁気ヘッド。
2. 請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入部は、第三の磁性導電体を有し、前記第一の非磁性導電体から前記第三の磁性導電体に電流が印加され、前記第二の磁性導電体と前記第三の磁性導電体の磁化が互いに反平行であることを特徴とする磁気ヘッド。
3. 請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二の磁性導電体と前記第三の磁性導電体は前記第一の非磁性導電体を挟んで膜厚方向に積層され、前記第一の磁性導電体と前記第二の磁性導電体の間隔は前記第一の非磁性導電体のスピン拡散長よりも短いことを特徴とする磁気ヘッド。
4. 請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一、第二及び第三の磁性導電体は前記第一の非磁性導電体上に離間して積層され、前記第一の磁性導電体と前記第二の磁性導電体の間隔は前記第一の非磁性導電体固有のスピン拡散長よりも短く、前記第三の磁性導電体は前記第二の磁性導電体を挟んで前記第一の磁性導電体と反対側に配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
5. 請求項２記載の磁気ヘッドにおいて、第一のシールドと第二のシールドを有し、前記第二の磁性導電体の磁化は第一の反強磁性体で固定され、前記第三の磁性導電体の磁化は第二の反強磁性体で固定され、前記第一、第二及び第三の磁性導電体は、第一、第二及び第三のトンネル接合によって前記第一の非磁性導電体と接し、前記第二の磁性導電体から前記第一の非磁性導電体を介して前記第三の磁性導電体へと電流が印加されることを特徴とする磁気ヘッド。
6. 請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入部は、前記第一の非磁性導電体に接する第二の非磁性導電体と、前記第二の非磁性導電体に電流を印加する手段とを有することを特徴とする磁気ヘッド。
7. 請求項６記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一及び第二の磁性導電体は第一及び第二のトンネル接合によって前記第一の非磁性導電体に接しており、前記第一の磁性導電体と前記第二の磁性導電体の間隔は前記第一の非磁性導電体のスピン拡散長よりも短く、前記第二の磁性導電体の磁化は反強磁性体によって一方向に偏極したスピン電子が注入される方向に固定されており、前記第二の非磁性導電体には前記第二の磁性導電体によって注入されるスピン電子の偏極方向と同極のスピン電子が注入される方向の電流が流され、前記第二の非磁性導電体は印加される電流の方向と垂直方向に前記第一の非磁性導電体と接していることを特徴とする磁気ヘッド。
8. 請求項６記載の磁気ヘッドにおいて、第一のシールドと第二のシールドを有し、前記第一のスピン注入部と前記第二のスピン注入部にそれぞれ独立した電流が流され、前記第二の磁性導電体と前記第二の非磁性導電体の電流端子が共通であることを特徴とする磁気ヘッド。
9. 磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録再生動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータと、前記磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段とを備え、
   前記磁気ヘッドは、非磁性導電体と、前記非磁性導電体の上に積層され、外部磁場により磁化方向が変化する第一の磁性導電体と、第二の磁性導電体を備え前記第二の磁性導電体から前記非磁性導電体に電流を印加して前記非磁性導電体中にスピン電子を蓄積させる第一のスピン注入部と、前記第一のスピン注入部とは別に設けられ、前記非磁性導電体中にスピン電子を蓄積させる第二のスピン注入部と、前記第一の磁性導電体と前記非磁性導電体の間の電圧を検出する端子とを有することを特徴とする磁気記録装置。

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