JP2009193635A - 磁気記録再生ヘッドおよび磁気記録再生装置 - Google Patents

磁気記録再生ヘッドおよび磁気記録再生装置 Download PDF

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Abstract

【課題】線記録密度が向上しても高い再生出力、分解能ならびにＳＮＲが得られる磁気記録再生ヘッドを提供する。また、十分なビットエラーレートが得られる磁気記録再生装置を提供する。
【解決手段】磁気記録再生ヘッド１０は、差動型再生ヘッド２０と記録ヘッド２５を有する。差動型再生ヘッド２０は、第１の自由層２１０を有する第１の磁気抵抗効果素子２００と、差動ギャップ層１００と、第２の自由層３１０を有する第２の磁気抵抗効果素子３００が積層された積層構造４００を有し、積層構造４００の外側に一対の電極５０，５１と、一対の磁気シールド３０，３１を有する。ここで、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０の内側の距離(G1)とビット長(b1)の比(G1/B1)を、０．６以上１．６以下に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、差動型再生ヘッドと記録ヘッドを備える磁気記録再生ヘッドおよびこの磁気記録再生ヘッドを搭載する磁気記録再生装置に関するものである。
近年、HDD（Hard Disk Drive）などの磁気記録再生装置においては、急速な記録密度の増加が求められており、磁気ヘッドや磁気メディア等も高記録密度を実現するものが求められている。磁気記録再生装置に再生素子として搭載する磁気抵抗効果ヘッドとしては、強磁性金属層を非磁性金属層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果を利用した、スピンバルブと呼ばれる構造が用いられている。磁気抵抗効果とは、非磁性中間層を挟んだ２層の強磁性層の磁化と磁化のなす角によって電気抵抗が変化する現象である。磁気抵抗効果を用いたスピンバルブは、反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の構造を有し、反強磁性層／強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により反強磁性層と接した強磁性層の磁化を実質的に固定し、他方の強磁性層の磁化が外部磁界によって自由に回転することで出力を得る。上記磁化が反強磁性層により実質的に固定される強磁性層は固定層、上記磁化が外部磁場によって回転する強磁性層は自由層と呼ばれる。
磁気抵抗効果を利用したスピンバルブには、従来は、電流を積層膜の面内方向に流して用いるＣＩＰ（Current In the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive）ヘッドが採用されてきた。現在では、積層膜の膜厚方向に電流を流して用いるＴＭＲ（Tunneling Magneto-Resistive）ヘッドや、ＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲヘッドへと移行しつつある。
ＣＩＰ−ＧＭＲヘッドからＴＭＲヘッドやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドへ移行している背景として、主に２つの理由が挙げられる。１つ目は、ＣＩＰ−ＧＭＲヘッドよりもＴＭＲヘッドやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、再生出力を大きくすることが可能であるために、高いＳＮＲ（出力/ノイズ比）が実現できる点である。２つ目は、電流を積層膜の面内方向に流すＣＩＰ方式よりも、電流を積層膜の垂直方向に流すＣＰＰ方式の方が、線記録密度向上の点において有利である点である。線記録密度とは、磁気記録媒体の円周方向のビット密度である。なお、磁気記録媒体の半径方向のビット密度はトラック密度と呼び、両者を増大することで磁気記録再生装置の面記録密度が向上する。線記録密度を高くするためには再生分解能の向上が必須である。再生分解能とは、高記録密度記録時における再生出力が、低記録密度記録時と比較してどの程度の大きさを維持できるかを示す。
ところで、現状の磁気抵抗効果ヘッドは、下部磁気シールドと上部磁気シールドで磁気抵抗効果膜を挟む構成（いわゆるシールド型再生ヘッド）となっていが、線記録密度方向の再生分解能は、この上下磁気シールド間隔（Ｇｓ）に大きく依存する。即ち、上下磁気シールド間隔を狭くするほど、線記録密度方向の分解能が高くなり、高い面記録密度を実現することができる。従来のＣＩＰ−ＧＭＲヘッドは、磁気抵抗効果膜と上部及び下部磁気シールドを電気的に絶縁する必要があったので、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要があり、上下磁気シールド間隔の狭小化が困難であった。一方、積層膜の膜厚方向に電流を流すＴＭＲヘッドや、ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドでは、上部及び下部磁気シールドと磁気抵抗効果膜の間に絶縁膜を介在させる必要がない為、上下磁気シールド間隔の狭小化の点で有利である。このように、高出力化と再生分解能の向上を目指して、磁気抵抗効果ヘッドはＣＩＰ−ＧＭＲからＴＭＲやＣＰＰ−ＧＭＲヘッドに移行しつつあるのである。
しかし、ＣＰＰ型磁気抵抗効果膜の膜厚は、３０ nm程度以下にすることは不可能であり、再生分解能の向上には近い将来に限界が生じると考えられている。その理由は主に２つある。一つ目は、上述した磁気抵抗効果膜(反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層）の膜厚は、物理的に３０ nm程度が薄膜化の限界であることである。二つ目は、上下磁気シールド間隔が３０ nm程度以下になると、再生ヘッドに印加される媒体磁界が急激に減少し、再生出力とともにＳＮＲが急激に低下することである。ＳＮＲが低下すれば、仮に高い分解能が得られたとしてもビットエラーレート（ＢＥＲ）は向上しない。ビットエラーレートとは、ビット信号誤り率であり、磁気記録再生装置のトータル性能を示す。つまり、ビットエラーレートが低いと、高面記録密度を実現することは不可能である。このような２つの理由により、現行構造の再生ヘッドでは上下磁気シールド間隔は３０ nm程度より狭くすることができず、高い面記録密度実現に向けた大きな障害となっている。
線記録密度方向の分解能を向上する手段として、いわゆる差動型再生ヘッドが提案されている。面内磁気記録方式では、磁気記録媒体に書かれた記録ビットに対して、磁化反転領域からのみ信号磁界が生じるのに対して、垂直磁気記録方式では、各記録ビットから必ず信号磁界が生じる。従って、垂直磁気記録方式は差動型再生ヘッドの使用に対して都合が良い。特許文献１には、垂直磁気記録方式を用いた磁気記録再生装置において、一対の磁気抵抗効果膜を導電層を介して直列接続し、差動動作させる再生ヘッド構造が開示されている。一対の磁気抵抗効果膜のうち、信号磁界の感磁部となる２層の自由層が導電層を介して隣接対面するように配置され、一対の磁気抵抗効果膜の抵抗変化特性が、同じ向きの磁界に対して逆極性になるように設定することで、差動動作させることが可能となる。この場合、線記録密度方向の分解能は、上下磁気シールド間隔よりも自由層間の内側の距離、即ち、一対の磁気抵抗効果膜間に介在する導電層の膜厚に大きく影響を受ける。したがって、上下磁気シールド間隔の狭小化ができなくても一対の磁気抵抗効果膜間に介在する導電層の膜厚を薄膜化することで、線密度方向の高い再生分解能が得られる。さらに、特許文献２には、２層の自由層が同じ向きの磁界に対して逆極性の抵抗変化特性が得られるさらに詳細な差動型再生ヘッドの構造が開示されている。また、上下磁気シールドを有さなくても高い分解能を実現する再生ヘッド構造が特許文献３に開示されている。
また、差動型再生ヘッドは、再生出力も向上すると考えられている。１素子の最大抵抗変化をΔＲとしたときに、再生センサ全体としては２×ΔＲの抵抗変化が見込まれるためである。
特開２００２−１８３９１５号公報 特開２００３−６９１０９号公報 特開２００４−２２７７４９号公報
差動型再生ヘッドを搭載した磁気記録再生装置が高線記録密度のポテンシャルがあるかを明らかにするために、再生特性についてマイクロマグネティックシミュレーションによる数値計算とビットエラーレートの測定により、検討を行った。第１の自由層と第２の自由層の距離（Gl）とビット長（bl）の比（Gl／bl）は０．５とし、磁気記録再生装置の線記録密度は２０００ kfciとした。ここで、ビット長とは垂直磁気記録媒体の物理的な長さである記録ビット長である。
検討の結果、差動型再生ヘッドを搭載した磁気記録再生装置では、再生分解能は現行ヘッドを有するものよりも向上するが、再生出力は現行ヘッドよりも大きく低下することが分かった。また、ビットエラーレートも、差動型再生ヘッドを有する磁気記録再生装置は現行ヘッドを有するものよりも悪化する問題が生じた。この原因は、再生出力が低下し、ＳＮＲが低下したためである。したがって、単純に差動型再生ヘッドを磁気記録再生装置に搭載しただけでは、面記録密度の向上は期待できないことが新たに明らかになった。
現行のシールド型ヘッドと比較して差動型再生ヘッドの再生出力が低下する原因は、シールド型ヘッドでは自由層が記録パターンの中心近傍にあるときに出力が最大となることに対し、差動型再生ヘッドでは２つの自由層が記録パターンの遷移領域にあるときに出力が最大となるためである。ここで、記録パターンとは垂直記録媒体の磁化が同方向になっている領域を示す。記録パターンの遷移領域では必ず遷移幅を持つため、自由層に印加される媒体磁界は、記録パターンの中心近傍にある時に比較して２割から４割程度に減衰するのである。このため、差動型再生ヘッドの再生出力は現行ヘッドより低下するのである。
本発明の目的は、再生出力の劣化を回避し、かつ、高い再生分解能と高いＳＮＲを呈する差動型再生ヘッドを備える磁気記録ヘッドを提供することである。
本発明の他の目的は、上記磁気記録再生ヘッドを搭載することにより、良好なビットエラーレートと高記録密度を実現する磁気記録再生装置を提供することである。
本発明では、上記課題を解決する為に、垂直磁気記録方式を前提として、磁気記録再生ヘッドは、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子と、差動ギャップ層と、第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子が積層された積層構造を有する差動動作型の再生ヘッドと、記録ヘッドとを有する。また、磁気記録再生装置は、上記磁気記録再生ヘッドと、垂直磁気記録媒体とを有する。
磁気記録再生ヘッドの差動型再生ヘッドとして、第１磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子は、反強磁性層／固定層／非磁性中間層／自由層の積層構造を有するスピンバルブ型磁気抵抗効果素子を用いる。ここで反強磁性層は固定層の磁化を実質的に固定するための交換結合バイアスを印加するものであって、直接固定層に密着して形成しても、間接的に磁気的結合を経て効果をもたらしてもよい。あるいは反強磁性層の替わりに他のバイアス印加手段、例えば、硬磁性膜の残留磁化を用いたり、電流バイアスを用いたりしてもよい。
自由層は膜厚と飽和磁化の積が異なる２つ以上の複数の自由層を反平行結合層を介してお互いの磁化が反平行になるように結合した、積層フェリ自由層を用いても良い。固定層は、第１の固定層と第２の固定層が反平行結合層を介してお互いの磁化が反平行になるように結合した、積層フェリ固定層を用いてもよい。このとき、その結合は感知すべき磁場に対して十分に大きいことが必要である。具体的な反平行結合磁界の大きさは数百から数千エルステッド程度である。その結果、第２の固定層の磁化は感知すべき磁場に対して固定している。自由層は感知すべき磁場に対応して磁化の方向を変化させる。感知すべき磁場に対応して方向を変化させる自由層の磁化と、感知すべき磁場に対して固定している固定層あるいは積層フェリ固定層の第２の固定層の磁化の相対角度により出力が発生する。
差動ギャップ層は単層あるいは複数の積層構造であっても良い。また、自由層を単磁区化するために、バイアス層を配置する。このバイアス層は、望ましくは感知すべき磁界に対して十分大きな保磁力を有する高保磁力膜を、自由層のトラック幅方向の端部に互いの端部が近接するように配置したものである。また、膜面に略垂直方向に電流を流すための一対の電極を配置する。
記録ヘッドとしては、媒体対向面に垂直に磁界を印加するための、主磁極と副磁極を備えている構造が必要である。主磁極の磁気ヘッド進行方向後方あるいは前方にそれぞれトレーリングシールドとリーディングシールドを備えていても良い。また、主磁極のトラック幅方向の両側にサイドシールドを備えている構造でも良い。さらに、熱により媒体の保磁力を低減することにより記録を容易にするための、媒体に光を照射することができる導波路と光源を主磁極に近接して設けていても良い。
このような磁気記録再生ヘッドにおいて、本発明では、高分解能、高再生出力、高ＳＮＲを実現するために、さらに以下の構成を採用する。
２つの自由層の内側の間の距離(G1)と垂直磁気記録媒体のビット長(b1)の比が、０．６以上１．６以下となるように設定する。本発明では、ビット長とは磁気記録再生装置で用いる最短のビット長であると定義する。さらに、分解能を向上させるために、再生ヘッドの積層構造の外側には高透磁率である強磁性金属からなる磁気シールドを設ける。
このような構成とすることで、高い線記録密度においても高い分解能、再生出力を実現することが可能となる。また、２つの自由層の内側の間の距離とビット長の比が０．８以上１．４以下となるように設定することにより、さらに分解能と再生出力を高めることができる。
本発明の磁気記録再生装置は、上記した磁気記録再生ヘッドと垂直磁気記録媒体を搭載し、垂直磁気記録媒体は、媒体対向面に垂直に磁化することができる垂直磁化膜を備えている。この磁気記録再生装置において、十分なビットエラーレート(BER)が得られる。
本発明によれば、２つの磁気抵抗効果素子を用いた差動型再生ヘッドを有する磁気記録再生ヘッドにおいて、自由層間の内側の距離とビット長を適切に制御することにより、高再生出力、高分解能、高ＳＮＲを実現することができる。また、このような磁気記録再生ヘッドを搭載することにより、磁気記録再生装置において高線記録密度と良好なビットエラーレートを実現することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。
〔実施例１〕
図１に実施例１による磁気記録再生ヘッドの差動型再生ヘッドと、対向する垂直磁気記録媒体の概略断面図を示す。図２は差動型再生ヘッドをＡＢＳ（Air bearing surface）面から見た概略図である。尚、図中には各強磁性層の磁化方向を矢印で付記してある。
図１と図２に示すように、差動型再生ヘッド１０は基板１５側から順に、第１の磁気抵抗効果素子２００と、差動ギャップ層１００と、第２の磁気抵抗効果素子３００を積層した積層構造４００を有する。第１と第２の磁気抵抗効果素子は、磁場に対し逆位相の抵抗変化が得られるように設定する。再生ヘッド１０の第１の磁気抵抗効果素子２００と第２の磁気抵抗効果素子３００はそれぞれ第１の自由層２１０と第２の自由層３１０を有し、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０の間の距離をGlと定義する。例えば、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０が差動ギャップ層１００と接している構成の時には、Glは差動ギャップ層の膜厚となる。また、図２に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２００と第２の磁気抵抗効果素子３００のトッラク幅方向への両側には、自由層を単磁区化するための永久磁石膜４５０を設けることができる。２つの磁気抵抗効果素子の外側（上下）には、電流を膜厚の垂直方向に流すための一対の電極を設けることができる。電極は基板１５に近い方を下部電極５０、基板１５から遠い方を上部電極５１と呼ぶ。下部及び上部電極の変わりに、導電性の強磁性体を用いて電極と磁気シールドの役割を兼ね備えさせても良い。
図１に示す垂直記録媒体６０の記録層（垂直磁化膜）は磁気的にABS面と垂直方向に磁化される。記録媒体６０は垂直記録が可能である特徴を満たしていれば、それ以外の構成が異なっていても本発明の効果を損なうものではない。例えば、垂直記録媒体６０は、各ビットが連続して存在する所謂連続媒体でも良いし、複数のトッラク間に記録ヘッドにより書き込み不可能な非磁性である領域が設けられている所謂ディスクリートトラックメディアでも良い。また、基板上に、凸状の磁性パターンと磁性パターン間の凹部を充填する非磁性体とを含む所謂パターンド媒体でも良い。
図３に実施例１による磁気記録再生ヘッド１０の構成を斜視図で示す。図３に示すように、磁気記録再生ヘッド１０は、基板１５上に差動型再生ヘッド（下部磁気シールド３０、積層構造４００、上部磁気シールド３１）２０と、記録ヘッド（主磁極２６、副磁極２７、コイル２８）２５を有する。垂直記録ヘッド（記録ヘッド）２５には磁気記録を補助するために、シールドや垂直磁気記録媒体６０を熱するための光源等が備えられていても何ら本発明の趣旨を損なうものではない。たとえば、主磁極２６のトレーリング側、リーディング側、トラック幅方向の両側には、それぞれトレーリングシールド、リーディングシールド、サイドシールドを設けることができる。また、トレーリングシールドとサイドシールドが連結したラップアラウンドシールドを設けることもできる。また、主磁極２６に近接する位置に、磁気記録媒体６０を熱するための、発光素子と同波路を有する光プローブを設けることができる。
図４に上記磁気記録再生ヘッド１０を搭載した磁気記録再生装置（磁気ディスク装置）の概略構成を示す。図４に示すように、磁気記録再生装置１０００は、磁気的に情報を記録する垂直磁気記録媒体６０を保持するディスク５００をスピンドルモータ６００にて回転させ、アクチュエータ８００によってヘッドスライダ７００をディスク５００のトラック上に誘導する。即ち磁気ディスク装置１０００においては、ヘッドスライダ７００上に上記実施例１による磁気記録再生ヘッド１０が形成され、ヘッドスライダ７００に依って垂直磁気記録媒体６０上の所定の記録位置に近接して相対運動し、信号を順次書き込み、及び読み取るのである。アクチュエータ８００はロータリーアクチュエータまたはマイクロアクチュエータであることが望ましい。記録信号は信号処理系９００を通じて記録ヘッドにて媒体上に記録し、差動型再生ヘッド２０の出力を、信号処理系９００を経て信号として得る。さらに差動型再生ヘッド２０を所望の記録トラック上へ移動せしめるに際して、本作動型再生ヘッド２０からの高感度な出力を用いてトラック上の位置を検出し、アクチュエータ８００を制御して、ヘッドスライダ７００の位置決めを行うことができる。図４ではヘッドスライダ７００、ディスク５００を各１個示したが、これらは複数であっても構わない。またディスク５００は両面に垂直磁気記録媒体６０を有して情報を記録してもよい。情報の記録がディスク両面の場合、ヘッドスライダ７００はディスクの両面に配置される。
図５に、更に詳細な差動型再生ヘッド２０のＡＢＳ面から見た構成例を示す。差動ギャップ層１００の構造は、単層もしくは積層構造であってもよい。第１の磁気抵抗効果膜２００の基本構成は、基板１５側から順に、第１の固定層２３０／第１の中間層２２０／第１の自由層２１０である。勿論、最下層に適切な下地層を形成しても何ら差し支えはない。同様に、第２の磁気抵抗効果膜３００の基本構成は、差動ギャップ層１００に近い側から順に、第２の自由層３１０／第２の中間層３２０／第２の固定層３３０である。最上層に適切な保護層を形成しても何ら差し支えはない。
以下に、第１の磁気抵抗効果素子２００と第２の磁気抵抗効果素子３００が同一外部磁界方向に対して、逆位相の抵抗変化を示すための、第１の固定層２３０と第２の固定層３３０の構成の一例を示す。第１の固定層２３０は、第１の反強磁性層２３６と、ｍ層（ｍ：奇数）の強磁性層とｍ−１層の反強磁性的層間結合層を交互に積層したいわゆる積層フェリ構造の積層膜である。第２の固定層３３０は、ｎ層（ｎ：偶数）の強磁性層とｎ−１層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造と、第２の反強磁性層３３４の積層膜である。こうすることによって、第１の反強磁性層２３６及び第２の反強磁性層３３４に接している強磁性層（第１の固定層２３０及び第２の固定層３３０の構成要素）の磁化を同一方向に固定した場合、実質的に磁気抵抗効果に寄与する、第１の中間層２２０及び第２の中間層３２０に接する強磁性層（第１の固定層２３０及び第２の固定層３３０の構成要素）の磁化は反平行な方向に固定される。従って、第１の磁気抵抗効果膜２００と第２の磁気抵抗効果膜３００が同一方向の信号磁界に対して、逆位相の抵抗変化特性を示す。尚、ｎが奇数であって、ｍが偶数であっても何ら本発明の趣旨を損なうものではない。
本構成例においては、高い分解能と再生出力を実現するために、さらに、差動型再生ヘッド２０の積層構造４００外側には、一対の電極５０，５１を介して一対の磁気シールドを設ける。基板１５に近い方の磁気シールドが下部磁気シールド３０、遠い方の磁気シールドが上部磁気シールド３１である。磁気シールドを設けることにより、分解能をさらに向上させることが可能となる。また、磁気記録再生装置のビット長（bl）とGlが、以下の式（１）の関係を持つように設定する。

0.6<Gl/bl<1.6 （１）

ここで、ビット長（bl）は磁気記録再生装置で用いる最短の記録パターン長、つまり。最も線記録密度が高いときのパターンの長さである。また、パターン長とは垂直磁気記録媒体磁化の向きが同方向になっている領域の垂直磁気記録媒体の円周方向の長さとする。一般的に磁気記録再生装置では、記録パターン長がビット長の１倍から１０倍程度、異なるものを複合して信号として利用している。
図６に、マイクロマグネティック・シミュレーションによって求めた上記差動型再生ヘッド２０における第１の磁気抵抗効果膜２００単体、第２の磁気抵抗効果膜３００単体、及びこれらを差動ギャップ層１００を介して直列接続した差動型再生ヘッド２０としてのの孤立波形を示す。第１の磁気抵抗効果膜２００の単体出力１、第２の磁気抵抗効果膜３００の単体出力２の孤立波形は、図示のように、垂直磁気記録方式特有の矩形型の再生波形となる。一方、差動型再生ヘッド２０の差動出力の孤立波形は、第１の磁気抵抗効果膜２００単体、第２の磁気抵抗効果膜３００単体の孤立波形に見られた出力変化点（記録ビットの磁化反転領域に対応）において出力ピークとなるローレンツ型の再生波形となる。これは、差動型再生ヘッド２０では、２層の自由層による、個々の信号磁界検出に基づく差動出力となるから、微分的な再生波形となる為である。
以下に、上記実施例１による磁気記録再生ヘッド１０において、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０の間の距離(Gl)とビット長(B1)の比を適切に制御することにより得られる効果について説明する。
図７に、規格化出力の線記録密度依存性の計算結果を示す。磁気記録再生装置の最高線記録密度は1500 kfciであり、ビット長(B1)は17 nmであるとした。通常のシールド型磁気抵抗効果ヘッド（単体の磁気抵抗効果膜を使用）と、図５に示した実施例１による差動型再生ヘッド２０を比較して示してある。通常のシールド型磁気抵抗効果ヘッドの上下磁気シールド間隔は２０ nmである。差動型再生ヘッド２０の上下磁気シールド間隔は６０ nmであり、差動ギャップ層１００の膜厚とGlは等しく、７ nm、２０ nm、３５ nmである。本発明においては式（１）を満たす必要があるため、Glは８．５ nmから２７ nmの範囲に設定する必要があり、Glが２０ nmの差動型再生ヘッドのみが実施例１による構造である。
差動型再生ヘッドとシールド型再生ヘッドの分解能を比較すると、Glが７ nmと２０ nmの差動型再生ヘッドはシールド型再生ヘッドより高い分解能を示していることが確認できる。シールド型磁気抵抗効果ヘッドにおいて、上下磁気シールド間隔を２０ nmとするのは極めて困難である。一方で、差動型再生ヘッドの差動ギャップ層１００の膜厚は、１ nmから１００ nm程度の範囲に設定することは容易であるので、差動型再生ヘッドはシール型再生ヘッドよりも高い分解能を実現することが可能である。次に、Glが異なる差動型再生ヘッドの再生分解能を比較する。Glが大きいほど再生分解能は悪化し、特に、Glが３５ nmの差動型再生ヘッドでは、1000 kfci以上においてシールド型再生ヘッドよりも規格化再生出力が低下してしまう。これは、Glがビット長の２倍の長さに近づくと、本来記録を再生するべきビットの隣のビットの信号磁界を読んでしまうためである。このため、高線記録密度においてはGlが大きい差動型再生ヘッドでは、出力の低下に伴いSNRが低下する。したがって、Glとビット長の比はある値以下に設定することが必要である。
次に、図８に再生出力の線記録密度依存性を示す。差動型再生ヘッドや線記録密度の条件は図７に示したものと等しい。シールド型再生ヘッドと差動型再生ヘッドの再生出力を比較すると、Glが35 nmと20 nmの差動型再生ヘッドの出力はシールド型再生ヘッドよりも大きいことが分かる。しかし、Glが7 nmの差動型再生ヘッドでは通常のシールド型再生ヘッドよりも大幅に出力が小さいことがわかった。これは、Glが小さくなるほど、差動再生波形のピークにおいて自由層に印加される磁界が小さくなるためである。再生出力が大幅に低下するとSNRも低下するので、高分解能であっても高いビットエラーレートは得られない。したがって、Glは記録密度すなわちビット長に応じてある値以上に設定する必要がある。
ある線記録密度を達成するために必要なGlとビット長(B1)の比を決定するために、Glが異なる差動型再生ヘッドのビットエラーレート(BER)を測定した。ビットエラーレートはマイクロマグネティックシミュレーションにより得られる差動波形から、実際の磁気記録再生装置で使われるランダムパターンを生成し、一般的に磁気記録再生装置で用いられているリードライトチャネルを用いて再生波形を生成し、データ領域中のエラーの数を測定することにより、ビットエラーレートを測定した。本検討に用いた差動型再生ヘッドはトラック幅と素子高さは５０ nm、抵抗値は４０Ωであり、ｄＲ／Ｒは１０％である。ヘッドノイズは抵抗に起因するジョンソンノイズとアンプなどのシステムノイズと磁性層の熱的な磁化揺らぎを考慮した。図９に線記録密度が1500 kfci、つまりビット長が１７ nmである実施例１の差動型再生ヘッド２０を搭載した磁気記録再生装置のビットエラーレート(BER)とGlとビット長(B1)の比(Gl/bl)の関係を示す。ビットエラーレートのGl/blの依存性は、あるGl/blにおいて極小値を持つ下に凸型の関係になる。これは、前述したように、Gl/blが大きい時には分解能が低下することによりビットエラーレートが悪化し、Gl/blが小さい時には再生出力が低下するためにビットエラーレートが悪化するためである。一般的に、磁気記録再生装置のビットエラーレートは、信号の信頼性の観点から、10-7以下であることが求められている。したがって、10-7以下のビットエラーレートを実現するためには、Gl/blは０．５以上１．６以下に設定することが必要なのである。また、本実施例１の構造と現行のシールド型再生ヘッド構造を比較するために、シールド型再生ヘッドのビットエラーレートも測定した。記録密度は1500 kfciとした。シールド型再生ヘッドのシールド間隔は３０ nmとし、トラック幅と素子高さは５０ nm、抵抗値は４０ Ωであり、dＲ／Ｒは１０%とした。シールド型再生ヘッドのビットエラーレートは１０−6.0であった。したがって、実施例１の差動型再生ヘッド２０を搭載することにより、シールド型再生ヘッドよりも良好なビットエラーレートを得ることができる。
さらに、実施例１の差動型再生ヘッド２０を搭載した磁気記録再生装置のビットエラーレートのGl/bl依存性は、ほとんど線記録密度に依らない。図１０に、磁気記録再生装置の線記録密度が2500 kfciにおけるGl/blとビットエラーレート(BER)の関係を示す。図１０に示すように、ビットエラーレートが10-7以下となるときのGl/blの範囲は、０．５以上１．７以下であり、線記録密度が1500 kfciのときとほとんど等しい。一方で、シールド型再生ヘッドのビットエラーレートは１０−3.0であった。これは、シール型再生ヘッドでは分解能が大きく低下したためである。一方で、本実施例１の差動型再生ヘッド２０は記録密度と共にGlも小さくなるため、分解能が低下せずに良好なビットエラーレートを維持できるのである。
上述した理由により、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０の間の距離(Gl)ととビット長（bl）の比を制御することにより、高線記録密度においても良好なビットエラーレートを得ることができ、高い線記録密度を実現できるのである。
磁気記録再生装置において、Glとビット長（bl）の比を適切に設定するためのさらに詳細な構成を以下に示す。図１１に実施例１の構成例において設定するべきGlと物理的に磁気記録媒体に記録される最高線記録密度(kfci)の関係を示す。図１１に示すGlの範囲は式（１）から容易に導かれるものである。ところで、磁気記録再生装置の記録密度は、一般的に実際にユーザーが使用できる線記録密度であるユーザーデータ線記録密度（BPI）とトッラク密度（TPI）の積により決定される。例えば、面記録密度が５００ Gb/in2の磁気記録再生装置では、ユーザーデータ線記録密度は1415 kbpiであり、トラック密度は３５３ ktpiである。ビット長（bl）は磁気記録再生装置のユーザーデータ線記録密度とコードレイトから以下の式（２）で求めることができる。

bl=1 /(BPI/コードレイト) (２)

ここで、コードレイトはユーザーデータ線記録密度と物理的に磁気記録媒体に記録される最高線記録密度（kfci）の比を示している。例えば、ユーザーデータ線記録密度が1415 kBPIでありコードレイトが１００／１０６である磁気記録再生装置では、物理的に磁気記録媒体に記録される最高線記録密度は1500 kfciであり、ビット長（bl）は１７ nmである。なお、コードレートは一般的に１以上の任意の値に設定できるものであり、コードレートがどのような値であっても本発明の趣旨を損なうものではない。図１２に実施例１の差動型再生ヘッド２０を搭載した磁気記録再生装置において、任意のユーザーデータ線記録密度(kBPI)を実現するために必要なGlの範囲を示す。なお、コードレートは１００／１０６であるとした。さらに、図１３に本構成例における差動ギャップ層１００の膜厚tgとユーザーデータ線記録密度（kBPI）の関係を示す。本構成例においては設定すべきGlは差動ギャップ層１００の膜厚tgと等しい。
次に、図２及び図５に示した差動型再生ヘッド２０の各構成要素の具体的な組成及び膜厚について説明する。基板１５、下部磁気シールド３０及び上部磁気シールド３１、絶縁膜４０については、本発明において特別な限定を要するものではない為、一般的に用いられている材料を一例として挙げておく。基板１５としては、ＡｌＴｉＣ、ＳｉＣ又はそれらにＡｌ２Ｏ３を被覆したもの、下部磁気シールド３０及び上部磁気シールド３１としては、Ｎｉ−Ｆｅ合金及びその窒化物、Ｃｏ−Ｚｒ又はＣｏ−Ｈｆ又はＣｏ−Ｔａ系非晶質合金等の単層又は多層膜を用いればよい。これらは、スパッタ法やめっき法で形成するのが簡便である。絶縁膜４０としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮやこれらの混合物及び多層膜を用いることで、下部磁気シールド３０と上部磁気シールド３１の短絡を防止することができる。これらは、スパッタ法で形成するのが簡便で好ましい。
第１の磁気抵抗効果膜２００／差動ギャップ層１００／第２の磁気抵抗効果膜３００の形成は、膜厚及び合金組成の制御性や量産効率の観点から、スパッタ法により作製するのが好ましい。第１の磁気抵抗効果膜２００の膜構成例は、例えば、Ｎｉ８５Ｆｅ１５（３）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（４）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１．５）/Ｍｎ８０Ｉｒ２０（６）などが好ましい一例である。（ ）内の数値は膜厚を示し、単位はｎｍである。また、元素の添え字で示した各合金組成の単位は、ａｔ％である。Ｍｎ８０Ｉｒ２０（６）が第１の反強磁性層２３６に、Ｃｏ７５Ｆｅ２５（２）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）／Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）が第１の固定層２３０に、ＭｇＯ（１）が第１の中間層２２０に、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１）/Ｎｉ８５Ｆｅ１５（３）が第１の自由層２１０にそれぞれ相当する。なお、Ｔａ（３）/Ｒｕ（２）を、第１の反強磁性層２３６の下地層として形成しても良い。また、ここでは第１の中間層としてＭｇＯを用いたＴＭＲ膜の例を示したが、ＭｇＯ以外にも、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａなどを含む酸化物あるいは窒化物を中間層材料として用いても差し支えない。また、第１の中間層にＣｕ、Ａｇ、Ａｕやそれを主成分とした合金を用いる構成とすると、そのままＣＰＰ−ＧＭＲ膜として使用し得る。更には、第１の中間層をＡｌ２Ｏ３のような絶縁性材料の中にＣｕなどの金属的ピンホールによる伝導パスを形成したいわゆる「電流狭窄型」の構成としても良い。
同様に、第２の磁気抵抗効果膜３００の膜構成例は、例えば、Ｎｉ８５Ｆｅ１５（３）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３）/Ｍｎ８０Ｉｒ２０（６）のようにすると良い。概ね、第１の磁気抵抗効果膜２００の積層順を対称にしたような構成にすることで、ほぼ同等な磁気抵抗変化特性を得ることができる。面積抵抗や磁気抵抗変化率を微調整する為には、主に中間層の膜厚を適宜最適化すれば良い。唯一異なるのが、固定層の構成である。第２の磁気抵抗効果膜３００中の第２の固定層３３０は、Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３）としてある。どちらも、Ｃｏ−Ｆｅ強磁性層と反強磁性的な層間結合をもたらすＲｕ層を交互に積層した、いわゆる「積層フェリ」構成となっている。第１の磁気抵抗効果膜２００中の第１の固定層２３０は３層のＣｏ−Ｆｅ層、第２の磁気抵抗効果膜３００中の第２の固定層３３０は２層のＣｏ−Ｆｅ層を含んでいる点に相違がある。即ち、第１の固定層２３０は、ｍ層（ｍ：奇数）の強磁性層とｍ−１層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造、第２の固定層３３０は、ｎ層（ｎ：偶数）の強磁性層とｎ−１層の反強磁性的層間結合層を交互に積層した積層フェリ構造としてある。
こうすることによって、第１の反強磁性層２３６及び第２の反強磁性層３３４に接している強磁性層（第１の固定層２３０及び第２の固定層３３０の構成要素）の磁化を同一方向に固定した場合、実質的に磁気抵抗効果に寄与する第１の中間層２２０及び第２の中間層３２０に接する強磁性層（第１の固定層２３０及び第２の固定層３３０の構成要素）の磁化は反平行な方向に固定される。従って、第１の磁気抵抗効果膜２００と第２の磁気抵抗効果膜３００が同一方向の信号磁界に対して、逆位相の抵抗変化特性を示し、差動動作に適した形態となる。尚、ｍ：偶数、ｎ：奇数と置き換えても何ら差し支えはない。
差動ギャップ層１００の具体的な組成は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ir、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、もしくはＥr、またはこれらの元素を含む合金を用いることができる。注意すべきことは、差動ギャップ層１００を介して、第１の自由層２１０と第２の自由層３１０の間で、磁気抵抗効果が生じないような材料系とする点である。差動ギャップ層１００に用いることができる金属は、主にＡ（Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ）、Ｂ（Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ）、Ｃ（Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅr）の３つのグループに分類することができる。Ａグループの金属を用いた差動型再生ヘッドの特徴として電気抵抗が他のＢまたはＣグループと比較して低い特徴を有する。Ｂグループの特徴としては、他のＡまたはＣグループと比較して物理的な研磨に対して耐性が強い特徴を有する。Ｃグループの特徴としては、他のＡまたはＢグループと比較してスピントルクに起因するスピントルクノイズが小さいという特徴を有する。これらの元素は、磁気記録再生装置の記録密度すなわち差動型再生ヘッドのトラック幅やGl等の素子サイズや電気抵抗値に応じて相応しいものを選択することができる。
以上説明したように、実施例１の磁気記録再生ヘッドによれば、ビット長が低下、すなわち線記録密度が高くなっても、高い分解能と高い再生出力を維持することができる。また、再生出力を高く維持できるので、ＳＮＲも高くすることができる。また、この磁気記録再生ヘッドを磁気記録再生装置に搭載することにより、必要なビットエラーレートを得ることができ、高い線記録密度を達成することができる。
次に、実施例１の磁気記録再生ヘッドを搭載した磁気記録再生装置において、安定して良好なビットエラーレート（BER）を得るために、差動型再生ヘッドにおける２つの自由層の内側の距離（Gl）とビット長(B1)の比を、次の式（３）を満たす範囲に設定した。

０．８<Gl/bl<１．４ （３）

上記範囲における磁気記録再生装置のビットエラーレート（BER）と、２つの自由層の内側の距離（Gl）とビット長（bl）の比（Gl/bl）の関係を図１４に示す。線記録密度は1500 kfciとした。同様に、線記録密度が2500 kfciにおけるビットエラーレート（BER）と２つの自由層の内側の距離（Gl）とビット長（bl）の比（Gl/bl）の関係を図１５に示す。図１４と図１５から分かるように、この範囲においては線記録密度に依らず、式（１）の範囲よりも、良好なビットエラーレートを実現することができる。また、この範囲においては、実施例１に比較して、２つの自由層の内側の距離（Gl）とビット長（bl）の比（Gl/bl）が変化しても、安定して良好なビットエラーレートの値が得られる。したがって、磁気記録再生装置としてのマージンが拡大する。
［実施例２］
実施例２による差動型再生ヘッド２０′の構成を図１６に示す。本構成例は差動型再生ヘッドの構成のみが実施例１の構成とは異なる。従って、実施例１と重複する差動型再生ヘッド以外の磁気記録再生ヘッド及び磁気記録再生装置の説明については省略する。本構成例は実施例１の構成から、第１の自由層２１０と第１の固定層２３０、ならびに第２の自由層３１０と第２の固定層３３０とを互いに置き換えた構成となっている。本構成例においても実施例１において述べたように、本質的に２つの自由層の内側の距離（Gl）とビット長(b1)の比を適切に設定する必要があることに変わりは無く、その範囲も実施例１に記述した式（１）と等しい。したがって、本差動型再生ヘッド２０′を搭載する磁気記録再生装置においても、Glと最高の線記録密度（kfci）は図１１の関係を満たす。また、実施例１と同様にコードレートが100/106であるならば、ユーザ線記録密度（kbpi）とGlの関係も図１２の関係を満たすことは明らかである。しかし、実施例１においてはGlが差動ギャップ層１００の膜厚と必等しいことに対し、本構成例におけるGlは差動ギャップ層１００の膜厚、第１の固定層２３０の膜厚と第２の固定層３３０の膜厚の和になる点において異なる。したがって、本構成例においては、差動ギャップ層１００膜厚tg、第１の固定層２３０の膜厚tp1と第２の固定層３３０の膜厚tp2の和は式（１）から導かれるGlよりも小さい必要があり、次の式（４）を満たす必要がある。
tp1+tp2+tg<Gl (４)

詳細な構成例を図１７に示す。第１の磁気抵抗効果膜２００′の膜構成例は、例えば、差動ギャップ層１００側から順にＭｎ８０Ｉｒ２０（６）/Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（４）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）/ＭｇＯ（１）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０/Ｎｉ８５Ｆｅ１５（３）であり、第２の磁気抵抗効果膜３００′の膜構成例は、上部電極５１側から順にＮｉ８５Ｆｅ１５（３）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（３．０）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．５）/Ｍｎ８０Ｉｒ２０（６）などが望ましい構成である。一例として示した上記の膜構造では、第１の固定層膜厚tp1は１４．９ nmであり、第２の固定層膜厚tp2は１１．９５ nmである。
本構成例における式（１）と式（３）を満たす差動ギャップ層１００膜厚tgの範囲の一例を図１８に示す。図に示すように、1400 kbpi以上のユーザ線記録密度では差動ギャップ層１００膜厚tgは負になってしまい、これ以上の線記録密度を実現することは困難である。そこで、第１の固定層２３０膜厚tp1と第２の固定層３３０膜厚tp2を薄膜化することにより、式（３）を満たすことが可能となる。固定層を薄膜化した膜構成例として、第１の磁気抵抗効果膜２００′の膜構成例は、差動ギャップ層１００側から順にＭｎ８０Ｉｒ２０（４）/Ｃｏ７５Ｆｅ２５（１．０）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（２．０）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）/ＭｇＯ（１）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０/Ｎｉ８５Ｆｅ１５（３）であり、第２の磁気抵抗効果膜３００′の膜構成例は、上部電極５１側から順にＮｉ８５Ｆｅ１５（３）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．５）/ＭｇＯ（１）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．５）/Ｒｕ（０．４５）/Ｃｏ９０Ｆｅ１０（１．０）/Ｍｎ８０Ｉｒ２０（４）などが望ましい構成である。
本膜構成例におけるtp1は９．９ nmであり、tp2は６．９５ nmである。本構成例における式（１）と式（３）を満たす差動ギャップ層１００膜厚tgの範囲の一例を図１９に示す。図に示すように、固定層を薄膜化することにより、2400 kbpiのユーザ線記録密度を実現することが可能である。また、固定層の層数を減らすことによっても総固定層膜厚（tg1+tg2）を低減することは可能であり、さらに高いユーザ線記録密度も実現可能である。上述したように本構成例においてもビット長とGlが適切な関係を持つように膜構造を設定することによって、高線記録密度においても、磁気記録再生装置として十分なビットエラーレートを得ることができるのである。さらに、本構成例は実施例１と比較して差動ギャップ層１００膜厚tgが薄膜化した膜構造である。このため、製膜プロセスの工程数を増加させること無く、コストを低減することができる。なお、本構成例においては、設定するべきGlとビット長の比（Gl／bl）は実施例１の式（３）において定める範囲としても何ら問題はない。
［実施例３］
実施例３による差動型再生ヘッド２０″の構成は、実施例１の構成と比較して、差動型再生ヘッドの通電方向が異なる構成である。差動型再生ヘッド以外の磁気記録再生ヘッド及び磁気記録再生装置に関する構成については同じ構成であるので説明は省略する。本構成例における差動型再生ヘッドを図２０に示す。本構成例では実施例１の構成における下部電極５０と上部電極５１は必要が無く、その代わりに第１の磁気抵抗効果素子２００と第２の磁気抵抗効果素子３００のトラック幅方向の両端にそれぞれ第１の電極５２と第２の電極５３を独立に設けている。これに伴い、第１の磁気抵抗効果膜２００のトラック幅方向の外側に第１の永久磁石膜２１と、第２の磁気抵抗効果膜３００の外側に第２の永久磁石膜２２を設けている。ここで、２つの磁気抵抗効果素子には独立に電流を流すために、差動ギャップ層１００は絶縁体もしくは磁気抵抗効果膜と比較して十分に大きい必要がある。差動ギャップ層１００の材料は、特別な限定を要するものではない為、一般的に用いられている材料の一例として、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮやこれらの混合物及び多層膜が挙げられる。本構成例において、第１の磁気抵抗効果素子２００ならびに第２の磁気抵抗効果素子３００に同極性の電流を独立に流し、２つの磁気抵抗効果素子の出力電圧を直列に合成することにより、実施例１に記載の構成例と同様の差動波形ならびに出力、分解能、ＳＮＲの特性が得られる。したがって、本実施例による差動型再生ヘッド２０″を搭載した磁気記録再生装置においても、実施例１および実施例２と同様に、Glとビット長を適切に設定することによって、高い線記録密度においても良好なビットエラーレートを得ることができる。
実施例１による差動型再生ヘッドならびに垂直磁気記録媒体の概略断面図である。 実施例１による差動型再生ヘッドをＡＢＳから見た概略図である。 実施例１による磁気記録再生ヘッドの構成例を示す斜視図である。 実施例１による磁気記録再生ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の概略構成図である。 図２に示した差動型再生ヘッドの詳細な構成図である。 シールド型ヘッドと差動型再生ヘッドの孤立波形を比較して示した図である。 規格化出力の線記録密度依存性をシールド型ヘッドとG1が異なる差動型再生ヘッドで比較して示した図である。 出力の線記録密度依存性をシールド型ヘッドとG1が異なる差動型再生ヘッドで比較して示した図である。 線記録密度が1500 kfciにおけるビットエラーレートとG1とビット長(B1)の比の関係を示した図である。 線記録密度が2500 kfciにおけるビットエラーレートとG1とビット長(B1)の比の関係を示した図である。 本発明において設定するべき線記録密度とG1の関係を示した図である。 本発明においてコードレートが１００／１０６のときに設定するべきG1とユーザ線記録密度の関係を示した図である。 本発明においてコードレートが１００／１０６のときに設定するべき差動ギャップ層１００膜厚tgとユーザ線記録密度の関係を示した図である。 線記録密度が1500 kfciにおける本発明によるビットエラーレートとG1とビット長(B1)の比の関係を示した図である。 線記録密度が2500 kfciにおける本発明によるビットエラーレートとG1とビット長(B1)の比の関係を示した図である。 実施例２による差動型再生ヘッドをＡＢＳから見た概略図である。 図１６に示した差動型再生ヘッドの詳細な構成図である。 実施例２においてコードレートが１００／１０６であり、第１の固定層膜厚tp1と第２の固定層膜厚tp2の和が２６．８５ nmのときに設定するべき差動ギャップ層膜厚tgとユーザ線記録密度の関係を示した図である。 実施例２においてコードレートが１００／１０６であり、第１の固定層膜厚tp1と第２の固定層膜厚tp2の和が１５．８５ nmのときに設定するべき差動ギャップ層膜厚tgとユーザ線記録密度の関係を示した図である。 実施例３による差動型再生ヘッドをＡＢＳ面から見た概略図である。
符号の説明
１０：磁気記録再生ヘッド、１５：基板、２０，２０′，２０″：差動型再生ヘッド、２５：記録ヘッド、２６：主磁極、２７：副磁極、２８：コイル、３０：下部磁気シールド、３１：上部磁気シールド、４０：絶縁膜、５０：下部電極、５１：上部電極、５２：第１の電極、５３：第２の電極、６０：垂直磁気記録媒体、１００：差動ギャップ層、２００：第１の磁気抵抗効果素子、２１０：第１の自由層、２２０：第１の中間層、２３０：第１の固定層、２３６：第１の反強磁性層、３００：第２の磁気抵抗効果素子、３１０：第２の自由層、３２０：第２の中間層、３３０：第２の固定層、３３４：第２の反強磁性層、５００：ディスク、６００：スピンドルモータ、７００：ヘッドスライダ、８００：アクチュエータ、９００：信号処理系、１０００：磁気記録再生装置。

Claims (20)

  1. 基板側から順に、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子と，差動ギャップ層と，第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子が積層された積層構造と、前記積層構造の外側に配置された１対の電極と、前記電極の外側に配置された１対の磁気シールドとを有し、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を有することで差動動作する再生ヘッドと、
    前記再生ヘッドに隣接して配置された記録ヘッドと、を有し、
    前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離が、磁気記録媒体の物理的な長さである記録ビット長に対して、０．６以上１．６以下であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  2. 請求項１に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離と前記記録ビット長の比が０．８以上１．４以下であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  3. 請求項１または２に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記１対の磁気シールドが前記一対の電極を兼ねることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  4. 請求項１または２に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記記録ヘッドが、主磁極と副磁極を備えた垂直記録用ヘッドであることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  5. 請求項４に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記主磁極のトレーリング側にトレーリングシールドを有し、トラック幅方向の両側にサイドシールドを有することを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  6. 請求項５に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、さらに前記主磁極のリーディング側にリーディングシールドを有することを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  7. 請求項１または２に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記第１の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第１の固定層と、第１の中間層と、第１の自由層が積層された積層膜であり、
    前記第２の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第２の自由層と、第２の中間層と、第２の固定層が積層された積層膜であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  8. 請求項１または２に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記第１の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第１の自由層と、第１の中間層と、第１の固定層が積層された積層膜であり、
    前記第２の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第２の固定層と、第２の中間層と、第２の自由層が積層された積層膜であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  9. 請求項１または２に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記差動ギャップ層は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ir、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅrの群の中から選ばれる少なくとも１種類の元素またはこれらの元素を含む合金から構成されることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  10. 基板側から順に、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子と，差動ギャップ層と，第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子が積層された積層構造と、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子の膜面方向に独立に電流を流すために前記積層構造の両側に配置された２対の電極と、前記積層構造の外側に配置された１対の磁気シールドとを有し、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を有することで差動動作する再生ヘッドと、
    前記再生ヘッドに隣接して配置された記録ヘッドと、を有し、
    前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離が、磁気記録媒体の物理的な長さである記録ビット長に対して、０．６以上１．６以下であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  11. 請求項１０に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離と前記記録ビット長の比が０．８以上１．４以下であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  12. 請求項１０または１１に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記第１の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第１の固定層と、第１の中間層と、第１の自由層が積層された積層膜であり、
    前記第２の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第２の自由層と、第２の中間層と、第２の固定層が積層された積層膜であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  13. 請求項１０または１１に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記第１の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第１の自由層と、第１の中間層と、第１の固定層が積層された積層膜であり、
    前記第２の磁気抵抗効果素子は、前記基板から順に、第２の固定層と、第２の中間層と、第２の自由層が積層された積層膜であることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  14. 請求項１０または１１に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、前記記録ヘッドが、主磁極と副磁極を有し、前記主磁極のトレーリング側にトレーリングシールドを有し、両側にサイドシールドを有する垂直記録用ヘッドであることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  15. 請求項１０または１１に記載の磁気記録再生ヘッドにおいて、
    前記差動ギャップ層は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ir、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅrの群の中から選ばれる少なくとも１種類の元素またはこれらの元素を含む合金から構成されることを特徴とする磁気記録再生ヘッド。
  16. 垂直磁化膜を有する垂直磁気記録媒体と、
    前記垂直磁気記録媒体を回転させるための手段と、
    基板側から順に、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子と，差動ギャップ層と，第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子が積層された積層構造と、前記積層構造の外側に配置された１対の電極と、前記電極の外側に配置された１対の磁気シールドとを有し、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離が、前記垂直磁気記録媒体の物理的な長さである記録ビット長に対して、０．６以上１．６以下であり、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を有することで差動動作する再生ヘッドと、前記再生ヘッドに隣接して配置された主磁極と副磁極を備えた垂直記録ヘッドとを有する磁気記録再生ヘッドと、
    前記磁気記録再生ヘッドが前記垂直磁気記録媒体に対して記録あるいは再生する信号を処理するための手段と、
    を有することを特徴とする磁気記録再生装置。
  17. 請求項１６に記載の磁気記録再生装置において、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離と前記記録ビット長の比が０．８以上１．４以下であることを特徴とする磁気記録再生装置。
  18. 請求項１６または１７に記載の磁気記録再生装置において、前記１対の磁気シールドが前記一対の電極を兼ねることを特徴とする磁気記録再生装置。
  19. 垂直磁化膜を有する垂直磁気記録媒体と、
    前記垂直磁気記録媒体を回転させるための手段と、
    基板側から順に、第１の自由層を有する第１の磁気抵抗効果素子と，差動ギャップ層と，第２の自由層を有する第２の磁気抵抗効果素子が積層された積層構造と、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子の膜面方向に独立に電流を流すために前記積層構造の両側に配置された２対の電極と、前記積層構造の外側に配置された１対の磁気シールドとを有し、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離が、前記垂直磁気記録媒体の物理的な長さである記録ビット長に対して、０．６以上１．６以下であり、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が同一方向磁界に対して逆位相の抵抗変化を有することで差動動作する再生ヘッドと、前記再生ヘッドに隣接して配置された主磁極と副磁極を備えた垂直記録ヘッドとを有する磁気記録再生ヘッドと、
    前記磁気記録再生ヘッドが前記垂直磁気記録媒体に対して記録あるいは再生する信号を処理するための手段と、
    を有することを特徴とする磁気記録再生装置。
  20. 請求項１９に記載の磁気記録再生装置において、前記第１の自由層と前記第２の自由層の内側の距離と前記記録ビット長の比が０．８以上１．４以下であることを特徴とする磁気記録再生装置。
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