JP2010087225A - 磁性発振素子、磁気センサ及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振線幅が狭く、発振周波数が安定した磁性発振素子を提供する。
【解決手段】 磁性発振素子においては、磁化Ｍ１を有する第１の強磁性層１１、非磁性層１２、及び磁化Ｍ２を有する第２の強磁性層１３を順次積層した積層構造に形成され、第２の強磁性層１３が、一軸磁気異方性を有する面内磁化膜で形成される。電流Ｉの通電により歳差運動が誘起される磁化Ｍ２は、磁化Ｍ２の向きが強磁性層に作用する反磁場の効果と一軸異方性の効果とが互いに打ち消すような向きとなるように外部から磁場が印加されて制御される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性発振素子、更に磁性発振素子を用いた磁気センサ及び磁気再生装置に関する。

巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ効果)を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、顕著な増加率を示している。ＧＭＲ素子は、強磁性/非磁性層/強磁性の積層膜（いわゆるスピンバルブ膜）を含む。ＧＭＲ素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する。これまでに、スピンバルブ膜の膜面に電流を流して抵抗変化を検出するＣＩＰ−ＧＭＲ素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流して抵抗変化を検出するＣＰＰ−ＧＭＲ素子が開発されている。ＣＩＰ−ＧＭＲ素子及びＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、いずれも数％程度の磁気抵抗比（ＭＲ比）を得ることができ、２５０Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。

より高密度な磁気記録に対応するために、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は、強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜を含み、強磁性層間に電圧を印加し、トンネル電流を流す。ＴＭＲ素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化方向の相対角度によって変化することを利用し、外部磁界による磁化方向の相対角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する。

ＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子よりもＭＲ比が大きいため、信号電圧も大きくなる。しかし、ＴＭＲ素子では、純粋な信号成分だけでなくショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）がよくならないという問題がある。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネンル抵抗の平方根に比例して増大する。ショットノイズを抑えて必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要がある。記録密度を高密度化するほど、素子サイズを記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要があるため、トンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２の記録密度では、接合抵抗を１Ω・ｃｍ^２以下にすることが必要とされ、Ｍｇ−Ｏ（マグネシウム酸化膜）トンネル絶縁層の膜厚に換算すると、原子２層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。トンネンル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭＲ比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によって、ＴＭＲ素子で対応可能な記録密度の限界は５００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２程度であろうと見積もられている。

上記の素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を利用している。近年、これらのＭＲ素子に共通して磁気的白色雑音（ホワイトノイズ）が問題になってきている。この雑音は、上述したショットノイズ等の電気的ノイズとは異なり、微小磁化の熱揺らぎに起因して生じる。このため、ＭＲ素子の微細化に伴ってより支配的となり、２５０〜５００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ^２以上対応の素子では、電気的雑音よりも顕著になると考えられている。

一方、非特許文献１には、第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の３層構造において、その膜面に垂直に電流を流したときの磁化の運動を応用する例としてスピン波発振器が開示されている。膜面に垂直に直流電流を流すと、電子が第１の強磁性層内を通過する際にスピン偏極し、その偏極電流が第２の強磁性層に注入される。この電子のスピンと第２の強磁性層内の磁化とが相互作用し、第２の強磁性層内の磁化の歳差運動が誘起されてマイクロ波を発生し、このマイクロ波に対応する周波数でスピン波発振器が発振する。このようなスピン波発振器においては、非特許文献２に開示されるように、磁気抵抗効果等によりスピン波発振器の両端に発生する高周波発振電圧を検出することが可能である。

このようなスピントランスファ効果を利用した磁性体のスピン波発振器は、スピントランスファ発振器、或いは磁性発振素子等とも称されている。

磁性発振素子は、微細加工技術の進歩により、１００ｎｍ×１００ｎｍ程度、或いはそれ以下のサイズで加工することが可能となり、局所的にマイクロ波を発生させることができる。磁性発振素子における磁化の歳差運動の振幅及び周波数は、電流及び磁化に作用する磁場に依存する。特許文献１には、これらの特徴を生かし、磁性発振素子を備えた磁気センサ等が開示されている。

しかし、磁性発振素子においては、強磁性層の膜厚が数ｎｍと非常に薄い膜で構成されているため、歳差運動する磁化には、面直方向に強い反磁場が作用する。この強い反磁場の影響で、面内磁化膜では、磁化の発振振幅が増加すると、周波数が低周波側に変化する非線形性を有するため、振幅揺らぎと位相揺らぎの相関が強く、発振線幅が狭くならない問題がある。このような、発振線幅が広い磁性発振素子を磁気センサに用いると、Ｓ／Ｎ比が低く、十分な特性が得られない。
特開２００６−２８６８５５号公報 L. Berger "Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current" Physical Review B 54, 9353 (1996) S. I. Kiselev et al. "Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current" Nature 425, 380 (2003).

このように、磁性発振素子では、磁化の歳差運動が誘起される面内磁化膜に作用する反磁場の影響が大きいことで振幅の増加に伴い、周波数が減少する非線形性を有するため、発振線幅が狭くならない問題があり、発振線幅が狭い発振周波数の安定性が高い磁性発振素子が求められている。また、この磁性発振素子を備えた磁気センサ及び磁気記録再生装置が求められている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、発振線幅が狭い発振周波数の安定性が高い磁性発振素子ならびにこの磁性発振素子を備えた磁気センサ及び磁気記録再生装置を提供することにある。

本発明によれば、
第１の強磁性層と、
前記第１の強磁性層に積層された非磁性層と、
前記非磁性層に積層された第２の強磁性層と、
前記第１の強磁性層または前記第２の強磁性層のうち少なくとも一方の強磁性層の磁化の歳差運動を誘起する電流を前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層及び前記非磁性層の膜面に対して垂直に通電する為の一対の電極と、
前記磁化の歳差運動が誘起される前記強磁性層が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜で形成され、前記面内磁化膜に作用する反磁場の効果による前記歳差運動の非線形周波数シフトと前記一軸磁気異方性の効果による前記歳差運動の非線形周波数シフトが互いに打ち消し合うように前記磁化の方向を制御する磁場を発生する磁場発生部と、
を具備することを特徴とする磁性発振素子が提供される。

また、本発明によれば、
上記した磁性発振素子と、
前記磁性発振素子に通電することにより、誘起される磁化の歳差運動に起因して、前記磁性発振素子の両端に発生する高周波発振電圧の振幅または発振周波数の外部磁場による変化を検出するモニターと
を具備することを特徴とする磁気センサが提供される。

また、本発明によれば、
上記した磁気センサを含む磁気ヘッドと、
磁気記録媒体と、
を具備することを特徴とする磁気記録再生装置が提供される。

本発明の磁性発振素子においては、発振振幅の変化による周波数変化を大いに低減することができるため、発振線幅を狭くでき、すなわち発振周波数の安定性を高くすることができる。また、この磁性発振素子を備え、外部磁場による発振周波数、或いは振幅の変化を検出できるＳ／Ｎ比の高い高感度の微細な磁気センサ及びこの磁気センサを備えた超高密度記録に対応した磁気記録再生装置を提供できる。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る磁性発振素子を説明する。

図１及び図２（ａ）には、本発明の一実施の形態に係る磁性発振素子１０が概略的に示されている。図１に示されるように、磁性発振素子１０は、第１の強磁性層１１、非磁性層１２、及び第２の強磁性層１３を順次積層した積層構造に形成されている。この第１の強磁性層１１及び第２の強磁性層１３は、それぞれ磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を有する。磁性発振素子１０は、膜面に対して垂直に電流Ｉを通電する為の一対の電極を有し、電流Ｉの通電下においてスピントランスファ効果により第１の強磁性層１１及び第２の強磁性層１３のうち少なくとも一方の磁化の歳差運動が誘起される。このような磁性発振素子１０では、磁化の歳差運動、即ち磁化の発振に応じて磁気抵抗効果により高周波発振電圧が発生する。

磁化の歳差運動が誘起される強磁性層は、一軸磁気異方性Ｋｕを有する面内磁化膜で形成される。この一軸磁気異方性Ｋｕは、結晶磁気異方性の高い材料を磁場中成膜または磁場中アニールすることによる結晶磁気異方性、或いは、磁性発振素子の形状を長方形または楕円形等に加工することによる形状異方性を利用して実現される。

図１に示す磁性発振素子１０では、第１の強磁性層１１は固定層で、磁化Ｍ１は、固定されており、第２の強磁性層１１はフリー層で、磁化Ｍ２は、固定されず、第２の強磁性層１１の磁化Ｍ２が、電流Ｉを通電するとスピントランスファ効果により発振する。この磁性発振素子１０においては、図２（ａ）に示されるように、磁性発振素子１０の両側に磁場Ｈ_biasを磁性発振素子１０に印加する永久磁石１６が設けられている。この永久磁石１６は、第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２の向きが面内において一軸磁気異方性Ｋｕの容易軸方向から困難軸方向へ角度φだけ傾くよう配置される。また、この永久磁石１６は、磁性発振素子１０に電流Ｉを通電する為の電気配線からの電流磁場の影響を考慮して配置される。後述されるように、発振する磁化Ｍ２の向きを制御することで発振周波数の安定した磁性発振素子１０が得られる。

尚、永久磁石１６の配置は、図２に示されるような磁性発振素子１０の両側に限定されない。歳差運動が誘起される第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２が所望の方向を向くように磁場Ｈ_biasが第２の強磁性層１３に印加されればよく、永久磁石１６は、磁性発振素子１０の上下に配置されてもよい。また、第２の強磁性層１３に磁場を印加する磁場発生源としては、永久磁石１６に限定されない。図２（ｂ）に示されるように、例えば磁性発振素子１０に直上に電気配線１８が設けられ、この電気配線１８に電流を通電することで発生する電流磁場Ｈ_biasが第２の強磁性層１３に印加されて第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２の方向が制御されてもよい。磁性発振素子１０に印加する磁場Ｈ_biasの大きさ及び向きは、電気配線１８及び磁性発振素子１０間の距離、電流の向き、及び電流値により制御される。電流値により発生磁場の大きさを変更することが可能なため、磁性発振素子１０の作製後でも第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２の向きを微調整できる。電流磁場を利用して磁化Ｍ２の向きを制御する方法は、このような電気配線１８から発生する電流磁場に限られず、磁性発振素子１０に電流を流通する為の電気配線から発生する電流磁場を利用してもよい。電流磁場を利用する場合には、消費電力の問題から永久磁石１６と組み合わせて利用することが好ましい。

図１に示す磁性発振素子１０においては、電流Ｉが膜面に対して垂直に図１に示す矢印方向に、即ち、第２の強磁性層１３から非磁性層１２を介して第１の強磁性層１１に通電される。従って、電子は、第１の強磁性層１１から第２の強磁性層１３の方向へ流れる。磁性発振素子１０に電流Ｉが通電されると、第１の強磁性層１１の磁化Ｍ１によりスピン偏極された電子が第２の強磁性層１３に注入され、第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２に作用して磁化Ｍ２の歳差運動が誘起される。この歳差運動する磁化Ｍ２は、外部磁場Ｈの影響を受けて発振振幅θで外部磁場Ｈ周りを発振し、その発振周波数は外部磁場に依存する。従って、図１に示す磁性発振素子１０においては、磁化Ｍ２の歳差運動の周波数に関連する高周波電圧の振幅、位相、または発振周波数の外部磁場Ｈによる変化を検出することにより、外部磁場Ｈを検出することができる。

尚、第１の強磁性層１１及び第２の強磁性層１３のいずれの磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２も固定されない場合には、磁性発振素子に電流Ｉが通電されると、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２に一定の位相差を持って磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の歳差運動が誘起される。この場合にも、磁性発振素子１０に発生する高周波電圧を検出することにより外部磁場Ｈを検出することができる。

第１及び第２の強磁性層は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、或いはそれらを含む合金からなる。

尚、第１及び第２の強磁性層のうち少なくとも一方の両端部に一対のバイアス磁性膜を設けてもよい。第１及び第２の強磁性層のうち一方を、面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成してもよい。第１及び第２の強磁性層のうち一方を、面内磁気異方性を有する強磁性層、バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層及び反強磁性層を積層した交換結合膜で形成してもよい。第１及び第２の強磁性層のうち一方を、面内磁気異方性を有する人工フェリ膜と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成してもよい。

非磁性層１２は、Ｃｕ等のような非磁性金属、或いはＭｇＯならびにＡｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）等の絶縁膜からなる。非磁性層１２にＭｇＯ等のトンネル絶縁膜を用いる磁性発振素子１０では、ＭＲ比が大きいため出力が大きくできる利点を有する。

次に、発振する磁化Ｍ２の向きを制御することで発振周波数の安定した磁性発振素子１０が得られることを説明する。

一般に磁性発振素子の強磁性層の膜厚は、数ｎｍ程度と非常に薄いため、強磁性層には面直方向に大きな反磁場４πＭｓが作用する。

強磁性層が一軸磁気異方性のない面内磁化膜からなる磁性発振素子において、外部磁場Ｈが印加される場合、反磁場の効果による磁性発振素子の発振周波数ωの周波数変化δωは、強磁性層の磁化の発振振幅θを用いて次式の関係で表わされる。

この（１）式において、Ｍｓは、強磁性層の飽和磁化、γは、磁気回転比（gyromagnetic ratio）を表わす。（１）式から常に磁化の発振振幅θが増加するのに従い発振周波数ωが減少する、即ち、発振振幅θの増加に対してδω＜０であり、発振周波数ωがレッドシフトすることがわかる。

次に、強磁性層が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜からなる磁性発振素子において、一軸磁気異方性の効果による磁性発振素子の発振振幅θに対する周波数変化δωについて説明する。

強磁性層が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜からなる磁性発振素子において、外部磁場Ｈが強磁性層の容易軸方向に印加され、強磁性層の磁化が容易軸方向で発振する場合、磁性発振素子の磁気エネルギーＵ_easyは、次式で表わされる。

この（２）式において、Ｋ_ｕは、容易軸方向における一軸磁気異方性エネルギー、Ｍは、強磁性層の磁化を表わす。また、磁化に働くトルクＴ_easyは、次式で表わされる。

この（３）式において、Ｈ_ｋは、一軸磁気異方性磁場を表わす。従って、磁化に働く有効磁場Ｈ_easyは、次式で表わされる。

この（４）式から有効磁場Ｈ_easyは、発振振幅θが増加するのに従い減少することが分かる。従って、磁化の発振振幅θが増加するのに従い発振周波数ωが減少する（δω＜０)、即ち、発振振幅θの増加に対して発振周波数ωがレッドシフトすることが分かる。

一方、強磁性層が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜からなる磁性発振素子において、外部磁場Ｈが強磁性層の困難軸方向に印加され、強磁性層の磁化が困難軸方向で発振する場合、磁性発振素子の磁気エネルギーＵ_easyは、次式で表わされる。

この（５）式において、θ’＝π／２−θとしている。θ’は困難軸方向で発振する場合の発振振幅を表す。また、磁化に働くトルクＴ_hardは、次式で表わされる。

この（６）式において、Ｋ_ｌｕは、困難軸方向における一軸磁気異方性エネルギーを表わす。従って、磁化に働く有効磁場Ｈ_hardは、次式で表わされる。

この（７）式から、有効磁場Ｈ_hardは、発振振幅θ’が増加するのに従い増加することが分かる。従って、磁化の発振振幅θ’が増加するのに従い発振周波数ω（δω＞０）が増加する、即ち、発振振幅θ’の増加に対して発振周波数ωがブルーシフトすることが分かる。

このように、周波数変化は、一軸磁気異方性の効果による非線形性を有し、強磁性層が面内で一軸磁気異方性を有する場合、発振する磁化の方向に応じて、発振振幅θの増加にともなう一軸磁気異方性による周波数変化の符号が反転することが分かる。

強磁性層が面内で一軸磁気異方性を有し、かつ磁化の方向が困難軸方向に向くように制御された磁性発振素子では、一軸磁気異方性の効果による周波数変化がブルーシフトとなり、この一軸磁気異方性の効果による周波数変化のブルーシフトにより面直方向に作用する反磁場の効果による周波数変化のレッドシフトを相殺することができる。

具体的な非線形効果の大きさを見積もった値を次に示す。外部磁場Ｈが困難軸方向に印加され、磁化が困難軸方向で発振する素子での反磁場による周波数変化δωは、次式で表わされる。

例えば、面直方向に作用する反磁場が４πＭｓ＝１０^４Ｇａｕｓｓとなる強磁性層を有する磁性発振素子において、Ｈ−Ｈ_ｋ＝５×１０^２Ｏｅの磁場を印加した場合、Ｈ^＊は、２８０Ｏｅとなる。また、面直方向に作用する反磁場が４πＭｓ＝５×１０^４Ｇａｕｓｓとなる強磁性層を有する磁性発振素子において、Ｈ−Ｈ_ｋ＝１０^２Ｏｅの磁場を印加した場合、Ｈ^＊は、９０Ｏｅ程度となる。このＨ^＊は、一軸磁気異方性による周波数変化（有効磁場変化）の係数Ｈ_ｋ／２と同程度のオーダーであり、一軸磁気異方性による非線形効果によって反磁場による非線形効果が相殺されるのに充分な大きさである。一軸磁気異方性磁場Ｈ_ｋは、材料や素子形状にもよるが、５０〜３００Ｏｅ程度にすることが出来る。

このように磁性発振素子において、反磁場は、強磁性層内で歳差運動する磁化に対して磁化の歳差運動の発振振幅の増加に伴って磁性発振素子の発振周波数が減少するように作用する。また、磁化の歳差運動が誘起される強磁性層が面内磁化膜で形成され、一軸異方性を有する場合には、外部磁場により磁化の向きが容易軸方向から困難軸方向に変更されると、磁化の歳差運動の発振振幅の増加に伴って発振周波数が増加する。従って、発振する磁化の向きを制御することで反磁場の効果による非線形性を一軸磁気異方性の効果による非線形性で打ち消すことができ、磁性発振素子における非線形性が大きく低減される。

図３は、単一磁化モデルにおけるランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）から得られる発振線幅（発振スペクトルの半値全幅）の磁化の向きの容易軸からの角度φ依存性を示している。角度φが大きくなるに従い、発振線幅が狭くなり、９０°近傍で極小値を持つことが分かる。発振線幅が極小値を取る角度は、強磁性層の飽和磁化、一軸磁気異方性磁場、外部磁場、及び電流値等のパラメータで変化するが、磁化を困難軸方向に向けることで発振線幅は、狭くなる。

以上のように、磁化の歳差運動が誘起される強磁性層が面内磁化膜であり、かつ一軸磁気異方性を有する場合には、反磁場及び一軸磁気異方性による非線形性が互いに打ち消しあうように磁化の方向を制御することで、非線形性が大きく低減され、発振線幅の狭い、発振周波数が安定した磁性発振素子が得られる。

図４は、ある発振振幅θで磁化が発振する場合における一軸磁気異方性及び反磁場の効果による周波数変化量の磁化の向きの容易軸からの角度φ依存性を示している。図４において、実線（ａ）は、一軸磁気異方性の効果による周波数変化量を示しており、点線（ｂ）は、反磁場の効果による周波数変化量を示している。一軸磁気異方性の効果による周波数変化量は、角度φが増加するに伴い増加し、反磁場の効果による周波数変化量は、角度φに依存せず一定の値となっている。

磁場の印加方向を少なくとも容易軸方向から困難軸方向に対して面内で４５°以上傾けた方向に印加し、印加磁場の大きさを適切な大きさに制御することで、磁化の方向を容易軸方向から困難軸方向に４５°以上傾けることができる。これにより、面内磁化膜における一軸磁気異方性の効果による周波数変化をブルーシフトにすることができ、反磁場の効果による周波数変化のレッドシフトを低減できる。従って、発振周波数の発振振幅依存（非線形性）を大幅に低減した磁性発振素子が得られる。

以上の説明に基づいて、図１及び図２（ａ）に示す磁性発振素子１０においては、第２の強磁性層１３が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜で形成され、磁化Ｍ２の向きが永久磁石１６によって面内で容易軸方向から困難軸方向に対して４５°以上傾いた方向に制御される。これにより、発振周波数の発振振幅に対する依存性が大幅に低減され、発振線幅が狭い、発振周波数が安定した磁性発振素子１０が構成される。

以上のように、本発明に係る磁性発振素子１０においては、直流電流Ｉの通電によって磁化Ｍ２の歳差運動が誘起される第２の強磁性層１３が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜で形成され、この第２の強磁性層１３の磁化Ｍ２の向きが面内において容易軸から４５°以上傾いた方向に向くように永久磁石１６等により制御される。このような構成とすることで発振周波数の発振振幅に対する依存性が大幅に低減され、発振線幅が狭い、発振周波数の安定性した磁性発振素子１０が得られる。

次に、図５を参照して本発明の一実施の形態に係る磁気センサを説明する。図５には、上述した磁性発振素子１０を備える磁気センサの概略構成が示されている。磁性発振素子１０に直流電流Ｉを流すことで、第１の強磁性層１１または第２の強磁性層１３のうち少なくとも一方の磁化の歳差運動が励起され、磁性発振素子１０には、磁気抵抗効果により高周波電圧が発生する。この高周波電圧は、高周波フィルター１１０で高周波成分が取り出され、遅延検波回路１２０に入力される。遅延検波回路１２０において、高周波電圧は、二分され、一方は、遅延回路１２１を通過されて位相が遅らされ、もう一方は、遅延なしで通過される。そして、これらの２つの電圧信号がミキサー１２２で乗積され、ローパスフィルター１３０に入力される。この乗積された電圧信号は、ローパスフィルター１３０で余分な高周波成分が取り除かれ、電圧計１４０に入力されてモニターされる。このようにして磁性発振素子１０で発生する高周波電圧の位相の変化が検出される。磁化の歳差運動の周波数は、外部磁場の変化によって変化するため、磁性発振素子１０で発生する高周波電圧の周波数も変化し、この周波数の変化が上記の構成により高周波電圧の位相の変化として検出され、磁場の変化が検出される。

尚、図５に示される高周波電圧のモニターする回路は、高速に磁気記録を読み出せる点で優れているが、外部磁場の変化による高周波電圧の周波数変化、或いは振幅変化をモニターできれば、どのような回路で構成してもよい。

以上のように、磁性発振素子１０を備えた磁気センサにおいては、磁性発振素子１０において発生する高周波電圧をモニターすることで、磁性発振素子１０に印加される磁場の変化を検出することができる。

次に、図６を参照して、本発明の一実施の形態に関わる磁気記録再生装置について説明する。図６には、上述した磁気センサを備える磁気記録再生装置１５０の概略構成が示されている。磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘッドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、上で説明した磁気センサを含む磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。

磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７にアクチュエータアーム１５４を回転させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドに搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。

［実施例１］
実施例１では、磁性発振素子１０を作製して、その発振特性を測定した結果について説明する。ガラス基板３１上に、スパッタリング装置を用いて成膜を行い、上部電極３３及び下部電極３２は、フォトリソグラフィーとイオンミリングにより形成し、磁性発振素子１０部は、電子線リソグラフィーとイオンミリングにより加工した。

図７は、作製した磁性発振素子１０の断面図を示している。第１の強磁性層１１は、中間層２３を強磁性層２２及び強磁性層２４で挟んだ人工フェリ磁性膜と反響磁性層２１とを積層した交換バイアス膜からなり、磁化が固着されている。この中間層２３は、Ｒｕからなり、強磁性層２２は、ＣｏＦｅからなり、強磁性層２４は、ＣｏＦｅＢからなり、また、反響磁性層２１は、ＩｒＭｎからなる。非磁性層１２は、ＭｇＯからなり、第二の強磁性層１３は、ＣｏＦｅＢからなる。下部電極３２には、Ｔａ／Ｃｕ／Ｔａを用い、上部電極３３には、Ａｕ／Ｃｕを用いた。絶縁体３４にはＳｉＯ_２を用いた。

直流電流を流すことで、第２の強磁性層１３であるＣｏＦｅＢ層の磁化の歳差運動が誘起される。

磁性発振素子１０の大きさは、約６０ｎｍ×１２０ｎｍの楕円で、形状異方性により一軸異方性を付与し、長軸方向が容易軸で、短軸方向が困難軸方向となっている。一軸磁気異方性磁場Ｈ_ｋは、約２５０Ｏｅであった。

この磁性発振素子１０の素子抵抗は、４８Ω、ＭＲ比（ΔＲ/Ｒ）は、約６．８％であった。

磁性発振素子１０の上部電極リードと下部電極リードは、特性インピーダンスが５０Ωのコプレナーガイド（導波路）になるように設計した。

図８に、図７に示される磁性発振素子１０の発振パワースペクトルの測定系を示す。磁性発振素子１０から高周波発振を伝送する導波路１０１に、高周波プローブ１１１を介してバイアスティー１１２を接続し、バイアスティー１１２の出力端に増幅器１１４の入力端を接続し、増幅器１１４の出力端にスペクトルアナライザー１１５を接続している。またバイアスティー１１２には、直流電源１１３を接続している。磁性発振素子１０には、７００Ｏｅの外部磁場Ｈを面内に容易軸方向から角度Φの方向に印加した。

図９は、電流Ｉと外部磁場Ｈの角度Φを変化させた場合における発振周波数の変化を示している。電流Ｉを増加させることは、発振振幅θを増加させることに対応している。

印加される外部磁場Ｈの角度がφ＝９０°付近において発振周波数が最小となる。従って、図３を参照して分かるように、印加される外部磁場Ｈの角度がφ＝９０°付近となる場合には、磁化Ｍ２の方向がほぼ困難軸方向を向いていることが分かる。

次に、周波数変化の電流Ｉ依存性、即ち発振振幅依存性をみると、角度φが８０°以下では、ある角度φの下において電流Ｉが大きい場合の方が発振周波数は、小さくなる。即ち、角度φが８０°以下では、発振振幅の変化に対して発振周波数は、レッドシフトとなっている。角度φが８２°では、電流Ｉの違いによる周波数変化はほぼなくなり、角度φが８４°から９０°までは、電流Ｉが大きい場合の方が発振周波数が大きくなる。即ち、角度φが８４°から９０°までは、発振振幅の変化に対して発振周波数は、ブルーシフトに変化している。発振線幅は、８２°では、約４ＭＨｚ、８０°では、約９ＭＨｚ、８４°では、約１３ＭＨｚであった。従って、反磁場の効果による非線形性と一軸磁気異方性の効果による非線形性が打ち消し合うように磁化の方向が制御される、即ち、電流Ｉの変化による周波数変化が最も小さくなるように磁化の方向が制御される場合に発振線幅が最も狭くなった。

本発明の一実施の形態に係る磁性発振素子の構成を示す概略図である。 （ａ）は、本発明の一実施の形態に係る磁性発振素子の構成を示す概略図であり、（ｂ）は、（ａ）に示される永久磁石を電気配線に置き換えた概略図である。 磁性発振素子の単一磁化モデルにおける発振線幅の磁化の向きの容易軸からの角度依存性を示すグラフである。 図１及び図２（ａ）に示した磁性発振素子の一軸磁気異方性の効果による周波数変化量の磁化の向きの容易軸からの角度依存性を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る磁気センサを示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る磁気記録再生装置を概略的に示す斜視図である。 実施例１に係る磁性発振素子の構成を示す概略図である。 図７に示した磁性発振素子におけるパワースペクトル測定系の構成を示す概略図である。 図７に示した磁性発振素子における発振周波数の電流及び外部磁場を印加する角度依存性を示すグラフである。

符号の説明

１０…磁性発振素子、１１…第１の強磁性層、１２…非磁性層、１３…第２の強磁性層、１６…永久磁石、１８…電気配線、２１…反強磁性体、２２…強磁性体、２３…中間層、２４…強磁性体、３１…基板、３２…下部電極、３３…上部電極、３４…絶縁体、１０１…導波路、１１１…高周波プローブ、１１２…バイアスティー、１１３…直流電源、１１４…増幅器、１１５…スペクトルアナライザー、１１０…高周波フィルター、１２０…遅延検波回路、１２１…遅延回路、１２２…ミキサー、１３０…ローパスフィルター、１４０…電圧計、１５０…磁気記録再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ

Claims (5)

1. 第１の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層に積層された非磁性層と、
   前記非磁性層に積層された第２の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層または前記第２の強磁性層のうち少なくとも一方の強磁性層の磁化の歳差運動を誘起する電流を前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層及び前記非磁性層の膜面に対して垂直に通電する為の一対の電極と、
   前記磁化の歳差運動が誘起される前記強磁性層が一軸磁気異方性を有する面内磁化膜で形成され、前記面内磁化膜に作用する反磁場の効果による前記歳差運動の非線形周波数シフトと前記一軸磁気異方性の効果による前記歳差運動の非線形周波数シフトが互いに打ち消し合うように前記磁化の方向を制御する磁場を発生する磁場発生部と、
   を具備することを特徴とする磁性発振素子。
2. 前記磁場発生部は、前記強磁性層の面内において前記一軸磁気異方性に対して４５°より大きい方向に前記磁場を発生させることを特徴とする磁性発振素子。
3. 前記磁場発生部は、永久磁石または電流磁場発生配線であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁性発振素子。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに１項に記載の磁性発振素子と、
   前記磁性発振素子に通電することにより、誘起される磁化の歳差運動に起因して、前記磁性発振素子両端に発生する高周波発振電圧の振幅または発振周波数の外部磁場による変化を検出する検出回路と
   を具備することを特徴とする磁気センサ。
5. 請求項４に記載の磁気センサを含む磁気ヘッドと、
   磁気記録媒体と、
   を具備することを特徴とする磁気記録再生装置。

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