JP2010272199A - スピン蓄積磁気センサのための三端子設計 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン蓄積磁気センサのための三端子設計を提供する。
【解決手段】自由層をエアベアリング面に設けることを可能にする三端子設計を有するスピン蓄積センサ。（ＡＢＳに設けられた）自由層構造から、ＡＢＳから離された基準層構造にかけて、非磁性の伝導性スピン輸送層が広がる。センサは、基準層構造に電流を印加するための電流源または電圧源を含む。電流源または電圧源は、非磁性のスピン輸送層に、かつ電気的接地にも接続されたリードを有する。信号電圧を測定するための回路は、自由層構造に電気的に接続されたシールドと、接地との間の電圧を測定する。自由層構造は、電圧源へのリードに到達する前に全てのスピン電流が完全に散失されることを保証することによって、電圧源へのスピン電流の分流を阻止する、スピン拡散層を含むことができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁気抵抗センサに関し、特に、スピン蓄積センサであって、データ記録システムにおけるスピン蓄積センサの実際の応用を可能にする三端子構成およびスピン拡散層を有するスピン蓄積センサに関する。

コンピュータの長期記憶の心臓部は、磁気ディスクドライブと呼ばれる組立品である。磁気ディスクドライブは、回転磁気ディスクと、回転磁気ディスクの表面の近傍にあるサスペンションアームによって浮かされた読み取りヘッドおよび書き込みヘッドと、書き込みヘッドおよび読み取りヘッドを回転ディスク上の被選択円形トラックの上方に配置するためにサスペンションアームを揺動させるアクチュエータとを含む。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、エアベアリング面（ＡＢＳ）を有するスライダに直接設けられる。サスペンションアームは、ディスクの表面に向けてスライダを付勢し、ディスクの近傍にある空気は、ディスクの回転時にディスクの表面と一緒に移動する。スライダは、この移動空気をクッションとし、ディスクの表面の上方を飛行する。スライダがエアベアリングに乗ると、回転ディスクに磁気転移を書き込むためおよび回転ディスクから磁気転移を読み取るために、書き込みヘッドおよび読み取りヘッドが用いられる。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、書き込み機能および読み取り機能を実行するためにコンピュータプログラムにしたがって動作する処理回路に接続される。

書き込みヘッドは、従来より、第１の磁極片層と第２の磁極片層との間に挟まれた第１、第２、および第３の絶縁層（絶縁スタック）に埋め込まれたコイル層を含んでいる。第１の磁極片層と第２の磁極片層との間には、書き込みヘッドのエアベアリング面（ＡＢＳ）におけるギャップ層によってギャップが形成され、磁極片層は、バックギャップにおいて接続される。コイル層に伝わる電流は、磁極片内に磁束を誘発し、これは、上記の回転ディスク上の円形トラックなどの移動媒体上のトラックに上記の磁気転移を書き込む目的で、ＡＢＳにおける書き込みギャップにおいて磁界をフリンジさせる。

現行の読み取りヘッド設計においては、回転磁気ディスクからの磁界を感知するために、ＴＭＲセンサが用いられる。センサは、基準層および自由層と呼ばれる第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に挟まれたトンネル障壁層を含む。センサには、障壁にセンス電圧を印加するために、第１および第２のリードが接続される。基準層の磁化は、エアベアリング面（ＡＢＳ）に垂直に固定され、自由層の磁化は、ＡＢＳに平行に向くが、外部磁界に反応して自由に回転可能である。基準層の磁化は、反強磁性層との直接的な交換ピニングによって、または反強磁性層によって交換ピニングされた第３の強磁性「ピニング」層への強い反強磁性結合によって、固定される。

基準層の磁化と自由層の磁化とが互いに平行であるとき、障壁を越えるトンネル電流は最大になる。基準層の磁化と自由層の磁化とが反平行であるとき、トンネル電流は最小になる。θを基準層の磁化と自由層の磁化との間の角度とすると、ＴＭＲのコンダクタンスの変化は、ｃｏｓθの形で変化する。読み取りモードにおいて、ＴＭＲセンサの抵抗は、回転ディスクからの磁界の大きさに比例して変化する。ＴＭＲセンサにセンス電圧が印加されると、抵抗の変化によって電流の変化が引き起こされ、再生信号として検出され処理される。

最近になって、研究者らは、垂直磁気記録システムを開発している。上述の書き込みヘッドを組み込んだものなどの、従来の長手記録システムは、磁気ディスク表面の面内において、トラックに沿った長手方向を向いた磁気ビットとしてデータを格納する。この長手データビットは、書き込みギャップによって隔てられた磁極対の間に形成するフリンジ磁界によって記録される。

反対に、垂直記録システムは、磁気ディスクの面に垂直に向いた磁化としてデータを記録する。磁気ディスクは、薄い硬磁性最上層によって覆われた軟磁性下地層を有する。垂直書き込みヘッドは、非常に小さい断面の書き込み極と、遥かに大きい断面の戻り極とを有する。書き込み極からは、磁気ディスク表面に垂直な方向に高密度の強い磁界が放出され、硬磁性最上層を帯磁させる。結果として生じる磁束は、次いで、軟磁性下地層を通って移動し、戻り極に戻る。そこでは、磁束は、十分に散開されていて弱いゆえに、戻り極に戻る途中で硬磁性最上層を通るときに、書き込み極によって記録された信号を消去することはない。垂直磁気データ記録システムの出現は、データ密度の増大に進歩をもたらしたが、依然として、データ密度の更なる増大が必要とされている。

記録の面密度が増大するにつれ、読み取りセンサのサイズは小さくなる。ＴＭＲなどの読み取りセンサ技術は、それ以前の技術では、必要とされる小さいサイズのセンサでは必要とされる信号および信号対雑音比を供給できなかったときに導入された。同様に、ＴＭＲ読み取りセンサも、デバイスサイズの小型化には限界があると考えられ（すなわち面密度にも限界があり）、必要な信号対雑音性能を実現するのに不十分と考えられる。

本発明は、スピン電流の不必要な分流、硬磁性バイアスの安定化への干渉、または第４の接触をエアベアリング面もしくはその近くに確立することの製造上の困難の、いずれも伴うことなく自由層をエアベアリング面に設けることを可能にする三端子設計を有するスピン蓄積読み取りヘッドセンサを提供する。センサは、エアベアリング面から離して設けられた基準層構造と、エアベアリング面に設けられた自由層構造とを含む。基準層構造から自由層構造にかけて、非磁性で伝導性の内部スピン輸送伝導層が広がる。本発明においては、基準層構造をＡＢＳから離すことによって、基準層構造のサイズを自由層構造より大幅に大きくすることが可能になり、そうして、面記録密度を高める必要に応じて基準層構造を自由層構造と同時に縮小することに関連して生じる技術的な困難および信号対雑音の劣化を低減させることができる。

第２のリード接続を通して基準層構造にかけられる電流源または電圧源は、基準層内にスピン偏極電流を印加し、この電流は、共通「接地」接続に接続された第１の電流リードに戻る。同時に、純粋なスピン電流が、上述された伝導性スピン輸送伝導層を通って基準層構造から自由層構造へ、そして自由層構造内を流れる。もし、自由層のスピンコンダクタンスが、基準層の磁化に対して相対的な自由層の磁化の向きに依存するならば、接地に一方を接続されるとともに、自由層構造に電気的に接触している第３のリード接続に接続されている（電圧センス）増幅器は、回転磁気ディスクからの信号磁界に反応した自由層磁化の回転によってスピン電流が変調されたときに自由層構造に生じる電圧の変化を検出することができる。例えば、読み出しヘッドの従来の上部および底部の磁気シールドは、ＴＭＲセンサの場合に通常そうであるように、信号電圧が上部シールドと底部シールドとの間において測定される電位差であるように、第１の／接地のリード接続および第３のリード接続のいずれかとして機能することができる（一方のシールドが接地である一方で、もう一方のシールドは第３のリードである）。しかしながら、第３のリード接続は、本発明の三端子設計においては自由層構造への唯一の外部電気接続であるので、基準層から自由層構造に達するスピン電流が、第３のリードに電気的に接続された側と反対の側の自由層構造への第４のリード接続に分流されることはない。先行技術のスピン蓄積装置においては、第４のリードが存在してスピン電流の一部を分流させ、信号を低減させている。

自由層構造は、それを、第１の／接地のリード接続として機能するシールド層への直接的な接続から電気的に絶縁された状態に維持するために、第３のリードに電気的に接続された側と反対の側（上部または底部）に、絶縁層を含むことができる。自由層構造は、また、自由層と、第３のリード接続として機能するシールドとの間に、スピン拡散層を含むこともできる。このスピン拡散層は、Ｐｔ、Ｉｒ、またはＲｅなどの、短いスピン拡散距離を有する金属導体で構成することができ、スピン電流のスピン極性を、それがシールドに到達する前に拡散させる働きをする。これは、自由層構造のスピンコンダクタンスに影響を及ぼすにあたってシールド磁化の方向が第２の基準層の役割を演じることを阻止する。

一貫して類似の参照符号によって類似の構成要素を示されている図面とあわせた好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むことによって、本発明のこれらのおよびその他の特徴および利点が明らかになる。

本発明の性質および利点ならびに好ましい使用形態を更に完全に理解するために、添付の図面とあわせた以下の詳細な説明を参照することが望ましい。

本発明を具現化可能なディスクドライブシステムの概略図である。 先行技術のスピン蓄積装置の側断面図である。 先行技術のスピン蓄積装置を図２の線３−３の視点で上から見た図である。 本発明の実施形態にしたがったスピン蓄積センサの側断面図である。 スピン蓄積センサを図４の線５−５の視点で上から見た図である。

以下の説明は、現時点で考えられる発明実施の最適な実施形態についての説明である。この説明は、本発明の原則を例示する目的でなされており、本明細書に記載の発明概念を限定することは意図していない。

図１を参照すると、本発明を具現化したディスクドライブ１００が示されている。図１に示されるように、少なくとも１つの回転可能磁気ディスク１１２が、スピンドル１１４に支えられ、ディスク駆動モータ１１８によって回転される。各ディスク上における磁気記録は、磁気ディスク１１２上における同心円状のデータトラック（不図示）の環状パターンの形態をとる。

少なくとも１つのスライダ１１３が、磁気ディスク１１２の近くに位置決めされ、各スライダ１１３は、１つまたは２つ以上の磁気ヘッドアセンブリ１２１を支える。磁気ディスクの回転とともに、スライダ１１３は、所望のデータを書き込まれた磁気ディスク上の異なるトラックに磁気ヘッドアセンブリ１２１がアクセスできるように、ディスク表面１２２の上方を径方向に行き来する。各スライダ１１３は、サスペンション１１５によってアクチュエータアーム１１９に取り付けられる。サスペンション１１５は、スライダ１１３をディスク表面１２２に対して付勢する僅かなスプリング力を提供する。各アクチュエータアーム１１９は、アクチュエータ手段１２７に取り付けられる。図１に示されるようなアクチュエータ手段１２７は、ヴォイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってよい。ＶＣＭは、固定磁界内を移動可能なコイルを含み、コイルの移動の方向および速度は、コントローラ１２９によって供給されるモータ電流信号によって制御される。

ディスクストレージシステムの動作時において、磁気ディスク１１２の回転は、スライダに押し上げ力または持ち上げ力を及ぼすエアベアリングを、スライダ１１３とディスク表面１２２との間に生成する。エアベアリングは、したがって、通常動作時において、サスペンション１１５の僅かなスプリング力と打ち消しあい、実質一定の小間隔だけディスク表面から離れた僅か上方においてスライダ１１３を支える。

ディスクストレージシステムの各種の構成要素は、動作時に、制御ユニット１２９によって生成されるアクセス制御信号および内部クロック信号などの制御信号によって制御される。通常、制御ユニット１２９は、論理制御回路、ストレージ手段、およびマイクロプロセッサを含む。制御ユニット１２９は、ライン１２３に載せる駆動モータ制御信号およびライン１２８に載せるヘッド位置決め及び探索制御信号などの、各種のシステム動作を制御するための制御信号を生成する。ライン１２８に載せる制御信号は、スライダ１１３をディスク１１２上の所望のデータトラックに最適に移動させて位置決めするための所望の電流プロフィールを提供する。書き込みヘッドおよび読み取りヘッド１２１との間では、記録チャネル１２５を通じて書き込み信号および読み取り信号がやり取りされる。

図２は、先行技術のスピン蓄積装置の側断面図を示している。図２に示された装置は、理論装置にすぎず、その幾何学的形状は、先行技術文献において論じられた類似の幾何学形状および等価の四端子電気接続を有する装置をもとにして自然に推測されることを指摘されるべきである。装置は、このような装置を動作可能なデータ記録システムにおける使用に適したものでなくする幾らかの難題（後述される）に見舞われる。

装置２００は、基準磁性層２０２と、自由磁性層２０４とを含む。基準磁性層２０２は、自由層２０４から離れたところに設けられ、自由層２０４は、「ＡＢＳ」と記された破線によって示されるエアベアリング面に設けられると考えられる。前述のように、基準層２０２は、通常はＡＢＳに垂直に方向を固定された磁化２１０を有する。自由磁性層２０４は、縁がＡＢＳにあるように設けられると考えられる。基準層２０２から自由層２０４にかけて、非磁性の伝導性スピン輸送伝導層２０６が広がる。層２０６は、基準層２０２と自由層２０４との間の距離より長いことが好ましいスピン拡散距離を伴う導電性の材料で構成されることが望ましい。

基準層２０２の磁化２１０を、ＡＢＳ面に垂直な所望の方向にピニングするために、反強磁性材料（ＡＦＭ層）の層２０８を、基準磁性層２０２の上に形成し、同層２０２と交換結合させることができる。また、基準層２０２と非磁性スピン伝導性層２０６との間に、第１の薄い非磁性接触層２１２を提供することができる。同様に、自由磁性層２０４とスピン伝導性層２０６との間に、第２の薄い非磁性接触層２１４を提供することができる。接触層２１２、２１４は、それぞれ、スピン伝導性層２０６と基準層２０２または自由層２０４との間におけるスピン依存電気輸送を促進するように選択され、導電性の金属様の層、または先行技術においてＴＭＲセンサに使用されるものに類似するトンネル障壁層のいずれかを含むことができる。

装置２００は、四端子装置であることがわかる。電流源２１６は、電気的接触層２３０、ＡＦＭ層２０８、基準層２０２、および接触層２１２を含む基準層構造に電流２１８を印加し、この電流は、次いで、非磁性スピン伝導性層２０６に入る。前述のように、基準層２０２は、ＡＢＳに垂直に固定された磁化２１０を有する。接触層２１２は、スピン依存輸送を促進するので、結果として、電子のスピン偏極（磁化２１０の方向に対して共線的に偏極される）が引き起こされ、スピン伝導性層２０６に入る。このスピン偏極電流２１８の、純粋に電気的な（または電荷）成分は、接地接続を通じて電流源２１６に必ず戻らなければならない。しかしながら、このスピン偏極電流の純粋なスピン電流２２０は、更に、スピン伝導性層２０６に沿ってもう一方の方向に自由層２０４に向かって流れることができる。スピン伝導性層２０６のスピン拡散距離が、基準層と自由層との間の距離に匹敵するまたはそれより長いと仮定すると、このスピン電流の大きさ（または偏極の程度）は、この距離を流れる間にほとんど弱まらず、自由層構造（２１４、２０４、２２８）内を上昇する可能性がある。もし接触層２１４が、伝導性層２０６と自由層２０４との間におけるスピン依存輸送を促進するならば、自由層構造内を通る純粋なスピン電流は、純粋に電気的な電圧を自由層構造に生成し、この電圧は、自由層構造の両端に適切に接続された電圧センス増幅器２２４によって検出することができる。

自由層２０４は、矢頭記号２２２によって示されるように、ＡＢＳに平行な方向にバイアスされた磁化を有する。この磁化は、ＡＢＳに平行にバイアスされる一方で、外部磁界に反応して自由に回転可能である。磁化２２２に対するバイアスは、図３に見ることができる硬磁性バイアス層３０２、３０４によって提供される。図３は、図２の線３−３の視点で上から見た図である。硬磁性バイアス層３０２、３０４は、自由層２０４と静磁的に結合され、薄い絶縁層３０６、３０８によって自由層２０４から隔てられる。

接触層２１４を流れるスピン電流の実効スピンインピーダンスは、前述のように基準層２０２の磁化２１０によって決定される、スピン電流の偏極ベクトルに相対的な磁化２２２の向きに依存する。自由層２０４の磁化２２２が、基準層２０２の磁化２１０に平行に近づくほど、接触層２１４におけるスピンインピーダンスは低くなる。反対に、磁化２１０に対する磁化２２２の反平行性が強いほど、接触層２１４におけるスピンインピーダンスは高くなる。したがって、磁化２２２が外部磁界に反応して回転するとともに、接触層２１４における実効スピンインピーダンスは変化する。実効スピンインピーダンス（の変化）と、自由層構造内を上昇するスピン電流の大きさとの積は、増幅器２２４によって検出される信号電圧を決定する。

上述の構造は、しかしながら、このような装置の実装を実用上ありえなくしている欠点に見舞われる。例えば、構造が、層２０４および第２の障壁層２１４にかかる電圧を読み取るためには、増幅器２２４の一方の側が、第４の接触点２２６において伝導性層２０６に電気的に接続されていなければならない。実際、このような接触点におけるメタライゼーションは、必然的に、薄いスピン伝導性層２０６と比べて比較的大規模であり、接触点２２６に到達するあらゆるスピン電流に対し、基本的にゼロスピンインピーダンスの完璧な「スピンシンク」として振る舞う。したがって、基本的に全てのスピン電流が自由層構造（２１４、２０４、２２８）を離れて接触点２２６へ分流される事態を回避するためには、接触点２２６の場所を、層２０６のスピン拡散距離より長いことが好ましい距離によって自由層構造（２１４、２０４、２２８）から離して維持する必要があると考えられる。それでもなお、これは、分流の問題を部分的に緩和するにすぎないと考えられる。なぜなら、層２０６の延長領域は、なおも、スピン電流を自由層構造（２１４、２０４、２２８）から迂回させてこの延長領域内において散失させるための、軽度から中程度の代替のスピンインピーダンス分路として機能すると考えられるからである。

しかしながら、接触点２２６を遠方に設けることについてのこの部分的固定は、実際面において、それ自体が事実上不可能である。これは、層２０６がエアベアリング面（ＡＢＳ）を遥かに超えて広がることを要求する。これは、当然ながら、実際の装置においては受け入れられないことである。なぜなら、磁気信号を効果的に検出するためには、自由層をちょうどＡＢＳのところに設けなければならないからである。また、層２０６を自由層構造（２１４、２０４、２２８）から側方へ且つＡＢＳに平行に広がらせることは、非常に困難だと考えられる。なぜなら、装置のこれらの側辺は、自由層の磁化２２２をバイアスするために必要とされる（図３に示されるような）硬磁性バイアス層３０２、３０４および絶縁層３０６、３０８によって占有されるからである。更にまた、読み戻し信号に対する線形分解能の要件を満たすためには、読み取りギャップの大きさは、ほんの数十ナノメートル程度に限定される。自由層構造（２１４、２０４、２２８）への第４の電気的接触をＡＢＳに／ＡＢＳの近くに且つ読み取りギャップの内部に作成することは、極めて困難であると考えられる。したがって、機能するデータ記録システムにスピン蓄積装置を実装可能にすることができる構造が、必要とされている。

次に、図４を参照すると、エアベアリング面（ＡＢＳ）から離して設けられた基準層構造４０２と、ＡＢＳに設けられた自由層構造４０４とを含む装置４００が提供される。基準層構造４０２から自由層構造４０４に、そしてＡＢＳにかけて、例えば銅で作成することができる非磁性の伝導性スピン輸送伝導層４０６が広がる。基準層構造４０２および自由層構造４０４は、スピン伝導性層４０６のスピン拡散距離以下の、好ましくはそれ未満の距離によって隔てられる。スピン伝導性層４０６は、エアベアリング面（ＡＢＳ）まで広がることができる。基準層構造４０２、自由層構造４０４、および非磁性のスピン伝導性層４０６は、ＮｉＦｅなどの材料、または磁性で導電性のその他の何らかの適切な材料で構成することができる第１の磁気シールド４０８と第２の磁気シールド４１０との間に挟まれる。非磁性のスピン伝導性層４０６は、アルミナなどの電気絶縁層４１２によって、第１のシールド４０８から隔てることができる。自由層構造４０４と基準層構造４０２との間の空間を満たすために、アルミナなどの非磁性の電気絶縁充填層４０７を提供することができる。

基準層構造４０２は、ＡＢＳに名目上垂直な方向に固定された磁化４１６を有する強磁性基準層４１４を含む。基準層は、磁化４１６を所望の方向にピニングされた状態に維持するＩｒＭｎまたはＰｔＭｎなどの反強磁性材料の層（ＡＦＭ層４１８）と交換結合することができる。ＡＦＭ層４１８の上には、導電性リード４２０を提供することができ、電気絶縁層４２２によって、第２のシールド４１０から隔てられる。導電性リード層４２０は、図４には示されていないが、側方に広がる且つ／またはセンサ４００の後方へ広がることができる。また、基準層構造４０２内の層は、ＡＢＳから離されているので、それらの層は、読み取りギャップ（すなわち直線記録密度）に影響を及ぼすことなく、ＡＢＳに設けられた自由層構造４０４の層よりも厚く且つ多くすることができる。同様に、基準層構造の層は、読み取りヘッドのトラック幅（すなわち記録トラック密度）分解能に影響を及ぼすことなく、それらの面積を広くすることができる。したがって、自由層構造４０４および基準層構造４０２は、ほぼ同じサイズおよび厚さで示されているが、基準層構造４０２は、自由層構造４０４よりも、幅および厚さの双方ともに大きいことが可能である。

リード４２０は、Ａｕ、Ｃｕ、またはその他の何らかの材料などの、導電性の材料で構成することができ、絶縁層４２２は、アルミナ、またはその他の何らかの電気絶縁材料であることができる。基準層４１４と、非磁性スピン伝導性層４０６との間には、薄い第１の接触層４２４が挟まれる。接触層４２４は、アルミナもしくはＭｇＯなどのトンネル障壁材料、Ｃｕなどの純粋に金属性の層、または絶縁材料内部の小さい伝導性「ピンホール」（例えばＣｕ）のマトリクスからなるハイブリッド「ナノオキサイド」層で構成することができる。後者は、金属接触層と同様のスピン依存輸送特性を有することができるが、その抵抗面積積は更に大きく、よりトンネル障壁に匹敵する。

自由層構造４０４は、矢頭記号４２８によって示されるようにＡＢＳに名目上平行な方向にバイアスされた磁化を有する磁性自由層４２６を含む。図５は、自由層４２６の両側に形成された硬磁性バイアス層５０２、５０４を示している。これらの硬磁性バイアス層５０２、５０４は、磁化４２８をＡＢＳに平行にバイアスするために、自由層４２６に静磁的に結合されている。バイアス層５０２、５０４は、絶縁層５０６、５０８によって、自由層構造４０４から隔てられる。

自由層４２６は、Ｃｏ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはその他の何らかの適切な磁性材料の、１枚または２枚以上の層で構成することができる。自由層と、非磁性スピン伝導性層４０６との間には、第２の非磁性接触層４３０が挟まれる。第１の接触層４２４と同様に、第２の接触層４３０は、アルミナもしくはＭｇＯなどのトンネル障壁材料、Ｃｕなどの純粋に伝導性の層、または絶縁材料内部の小さい伝導性「ピンホール」（例えばＣｕ）のマトリクスからなるハイブリッド「ナノオキサイド」層で構成することができる。自由層４２６と、第２のシールド層４１０との間には、短いスピン拡散距離を有する材料の層（スピン拡散層４３２）が設けられる。この層は、Ｐｔ、Ｉｒ、またはＲｅなどの材料で構成することができる。スピン拡散層４３２の目的は、自由層構造のスピンコンダクタンスに影響を及ぼすにあたって第２のシールド磁化の方向が二次的な基準層の役割を演じることを阻止することにある。

引き続き図４を参照すると、基準層構造４０２を流れる電流を供給するために、電流源４３４が提供される。電流源４３４は、リード層４２０に接続されたリード４３６と、非磁性金属および接地に接続された別のリード層４３８とを通じて電流を印加する。接地との接続は、ＡＢＳから遠く離れた場所で行うことができる。

基準層４１４および第１の接触層４２４に電流が流されると、その結果として、非磁性スピン伝導性層４０６を通ってＡＢＳおよび自由層構造４０４に向かって移動するスピン電流４０５を生じる。スピン電流４０５は、第２の接触層４３０に到達するので、接触層４３０における実効スピンインピーダンスは、基準層４１４の磁化４１６に対して相対的な、自由層４２６の磁化４２８の相対配向に依存する。磁化４２８が磁化４１６に平行であるほど、接触４３０におけるインピーダンスは低くなる。反対に、磁化４２８、４１６の反平行性が強いほど、スピンインピーダンスは高くなる。実効スピンインピーダンスと、自由層構造内を上昇するスピン電流の大きさとの積は、増幅器４４０によって検出される信号電圧を決定する。

構造４０２は、有利なことに、四端子装置ではなく三端子装置として構成されることがわかる。増幅器４４０の両端で検出される電圧は、第２のシールド４１０への電気的接触と、電流リード４３８の接続先である共通接地との間に存在するものである。実際は、第１のシールド４０８をこの共通接地に電気的に接続し（および／または第１のシールド４０８によってこの共通接地を確立し）、シールド４０８との物理的接触によって電気的接続４３８を確立することが好都合である。これは、基準層構造４０２から離れたどこかで絶縁層４１２を排除し、伝導性層４０６と第１のシールド４０８との直接的な電気的接触を可能にすることによって、実現することができる。この接地接続を確立させる場所は、スピン伝導性層４０６のスピン拡散距離の等倍またはそれを超える距離によって基準層構造４０２の場所から物理的に隔てられることが望ましい。これは、伝導性層４０６に注入されたスピン電流を分流させて自由層構造内に入って上昇する望ましい流れを妨げる望ましくない二次的な経路を、可能な限り効果的に排除する。共通接地へのこの接続は、ＡＢＳから、そしてスピン蓄積装置４０２から離した場所で行うことができる。

基準層構造４０２からスピン伝導性層４０６を通って自由層構造４０４に向かって電気的電流／電荷電流は流れないので、層４０６の電位は、この領域において基本的に一定である。この領域における層４０６の電位は、同様に、層４０６を通って流れる純粋なスピン電流に無関係であり、したがって、自由層の磁化４２８の向きに無関係である。スピン伝導層４０６の電位は、したがって、地電位に対して一定であり、実際の値は、ＤＣ注入電流４３４のレベル、および基準層構造４０２と接地接続４３８との間の静的な電気インピーダンスによって決定される。後端における伝導性層４０６の形状を接地接続４３８に向かって広げることによって、この静的インピーダンスは、比較的小さくすることができる。したがって、信号周波数において、自由層構造の場所より下方の伝導性層４０６の電位は、電気的に接地に等しい。この理由のため、増幅器４４０を通じて第２のシールド４１０と接地との間でＡＣ電気信号電位を測定することは、エアベアリング面にまたはその近くに完全にスピンを反映する第４の端子接続があると仮定した場合の四端子測定と、電気的に等価である。したがって、本発明は、四端子スピン蓄積センサの物理的実装を実用上ありえなくすると考えられる欠点を伴うことなく、実際の四端子構造よりも優れた性能を実現することができる。

したがって、本発明は、スピン蓄積装置４０２を磁気データ記録システムに使用するのに実用的なものにする幾つかの利点を提供する。これらの利点には、三端子の電気的構成の製造を、より単純に且つより実用的に実現可能にすること、物理的な第４のリード端子によるスピン電流の分流に起因する信号損失を排除すること、および硬磁性バイアスの機能性または狭いギャップの線形読み戻し分解能について妥協しないことによって、そうでなければ更なるリード層を求められた場合に可能であると考えられるデータ密度の増大を可能にすることが含まれる。

例えば図４および図５に示された構造は、単に説明を目的としているにすぎないことが指摘されるべきである。その他の変形も可能であると考えられる。例えば、基準層構造４０２は、基準層４１４の上にＡＦＭ４１８を、そして基準層４１４の下に接触層４２４を有するものとして示されているが、この配置構成は、逆転させることが可能である。同様に、図４において、自由層構造は、自由層構造４０４は、自由層４２６の下に接触層４３０を有するものとして示されているが、これらの層の順序もやはり、逆転させるまたはそれ以外の形に構成しなおすことが可能である。また、スピン伝導性層４０６は、基準層構造４０２および自由層構造４０４の下ではなく上にあることが可能である。また、接地接続は、底部シールド４０８に対してではなく上部シールド４１０に対して行う、または全くシールドではなくその他の何らかの構造に対して行うことが可能である。また、この装置は、走査型プローブ装置など数ミクロン未満の区分で磁界を検出することができるその他のセンサの応用に使用することができる。

各種の実施形態が上述されてきたが、これらは、限定のためではなく例として示されたものにすぎない。当業者にならば、発明の範囲内に入るその他の実施形態も明らかになるであろう。したがって、発明の広さおよび範囲は、上述されたいかなる例示的実施形態によっても限定されるべきでなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物にしたがって定められるべきである。

１００ ディスクドライブ
１１２ 磁気ディスク
１１３ スライダ
１１４ スピンドル
１１５ サスペンション
１１８ ディスク駆動モータ
１１９ アクチュエータアーム
１２１ 磁気ヘッドアセンブリ
１２２ ディスク表面
１２３ ライン
１２５ 記録チャネル
１２７ アクチュエータ手段
１２８ ライン
１２９ コントローラ
２００ 装置
２０２ 基準磁性層
２０４ 自由磁性層
２０６ 非磁性の伝導性スピン輸送伝送層
２０８ 反強磁性材料層
２１０ 磁化
２１２ 第１の薄い非磁性接触層
２１４ 第２の薄い非磁性接触層
２１６ 電流源
２１８ スピン偏極電流
２２０ 純粋なスピン電流
２２２ 磁化
２２４ 電圧センス増幅器
２２６ 第４の接触点
２２８ 自由層構造
２３０ 電気的接触層
３０２ 硬磁性バイアス層
３０４ 硬磁性バイアス層
３０６ 絶縁層
３０８ 絶縁層
４００ 装置
４０２ 基準層構造
４０４ 自由層構造
４０５ スピン電流
４０６ 非磁性の伝導性スピン輸送伝導層
４０７ 非磁性の電気絶縁充填層
４０８ 第１の磁気シールド
４１０ 第２の磁気シールド
４１２ 電気絶縁層
４１４ 強磁性基準層
４１６ 磁化
４１８ 反強磁性材料層
４２０ 導電性リード
４２２ 電気絶縁層
４２４ 薄い第１の接触層
４２６ 磁性自由層
４２８ 磁化
４３０ 第２の非磁性接触層
４３２ スピン拡散層
４３４ 電流源
４３６ リード
４３８ リード
４４０ 増幅器
５０２ 硬磁性バイアス層
５０４ 硬磁性バイアス層
５０６ 絶縁層
５０８ 絶縁層
ＡＢＳ エアベアリング面。

Claims (25)

1. エアベアリング面に設けられた自由層構造と、
   前記自由層構造から離して設けられた基準層構造と、
   前記自由層構造および前記基準層構造と物理的に伝導性接触する非磁性の伝導性スピン輸送伝導層と、
   第１および第２の導電性磁気シールドと、
   前記基準層構造および前記非磁性の伝導性スピン輸送伝導層に電流を注入するための電流源または電圧源であって、前記電流は、共通の電気的接地接続を通って戻る、電流源または電圧源と、
   前記共通の接地接続と、前記導電性磁気シールドの一方との間の信号電圧を測定するための回路と、
   を備える、スピン蓄積センサ。
2. 前記基準層構造は、前記ＡＢＳに基本的に垂直な方向に固定された磁化を有する磁性層を更に含み、前記磁性基準層と前記非磁性のスピン輸送伝導性層との間に設けられた第１の接触層を有し、
   前記自由層構造は、前記ＡＢＳに基本的に平行な方向にバイアスされた磁化を有する磁性自由層を更に含み、前記磁性自由層と前記非磁性のスピン輸送伝導性層との間に設けられた第２の接触層を有する、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
3. 前記自由層構造は、前記非磁性のスピン輸送伝導性層と前記第２の導電性磁気シールドとの間に設けられるとともにそれらに電気的に接続され、前記第２の導電性磁気シールドおよび前記非磁性のスピン輸送伝導性層に電気的に接続可能である、請求項２に記載のスピン蓄積センサ。
4. 前記電流源または電圧源は、前記電圧検出回路のための接地接続でもある前記共通の接地接続に接続され、前記接続は、前記ＡＢＳから離された場所でなされる、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
5. 前記自由層構造は、前記非磁性のスピン輸送伝導性層と前記第２の導電性磁気シールドとの間に設けられるとともにそれらの各自に電気的に接続され、前記基準層構造は、前記基準層構造に近い領域において前記第２のシールドから電気的に隔てられるとともに前記非磁性のスピン輸送伝導性層に電気的に接続され、前記第１の導電性磁気シールドは、前記自由層構造および前記基準層構造から離された領域において前記共通の電気的接地接続を提供する、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
6. 前記非磁性のスピン輸送伝導性層は、前記基準層構造および前記自由層構造に近い領域において前記第１の導電性磁気シールドから電気的に絶縁される、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
7. 前記自由層構造と前記基準層構造との間の領域において且つ前記基準層からおおよそ１スピン拡散距離以内またはそれより長い距離以内において前記第１の磁気シールド層を前記非磁性のスピン輸送伝導性層から隔てる電気絶縁層であって、前記距離を越えたところでは、接地電位にも接続された前記シールドに電気的に接触する電気絶縁層を更に備える、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
8. 前記基準層構造は、前記非磁性のスピン輸送伝導性層のスピン拡散距離以下の距離によって前記自由層構造から隔てられる、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
9. 非磁性のスピン輸送伝導性層と、
   自由層から離して設けられ、磁性基準層および第１の薄い接触層を含む基準層構造であって、前記第１の接触層は、前記磁性基準層と前記非磁性のスピン輸送伝導性層との間に設けられる、基準層構造と、
   エアベアリング面に設けられ、磁性自由層、第２の接触層、およびスピン拡散層を含む自由層構造であって、前記接触層は、前記自由磁性層と前記非磁性のスピン輸送伝導性層との間に設けられる、自由層構造と、
   第１および第２の導電性磁気シールドであって、前記基準層構造、前記自由層構造、前記非磁性のスピン輸送伝導性層が間に設けられる、第１および第２の導電性磁気シールドと、
   を備える、スピン蓄積センサ。
10. 前記スピン拡散層は、前記磁性自由層と前記第２の導電性磁気シールドとの間に設けられ、前記スピン拡散層は、それを通って流れる電流のスピンを実質的に混合するのに十分に短いスピン拡散距離を有する、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
11. 前記第１の導電性磁気シールドと前記非磁性のスピン輸送伝導性層との間に挟まれた電気的絶縁層を更に備え、前記スピン拡散層は、前記磁性自由層と前記第２の導電性磁気シールド層との間に挟まれる、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
12. 前記磁性基準層と前記第２の導電性シールド層との間に第２の電気絶縁層を更に備える、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
13. 前記基準層構造に電流を印加し、前記非磁性のスピン輸送伝導性層内にスピン電流を生じさせるために、前記基準層構造に電気的に接続された電流源または電圧源であって、共通の電気的接地接続にも接続された電流源または電圧源と、
    前記自由層構造の一部と、前記共通の電気的接地との間の信号電圧を測定するための回路と、
    を更に備える、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
14. 前記電流源または電圧源は、前記磁性基準層に電気的に接続された第１のリードと、前記非磁性のスピン輸送伝導性層に、かつ電気的接地にも電気的に接続された第２のリードとを含み、信号電圧を測定するための前記回路は、前記第２の導電性磁気シールドに接続された第１のリードと、前記電気的接地に接続された第２のリードとを含む、請求項１３に記載のスピン蓄積センサ。
15. 前記第２の導電性磁気シールドは、前記自由層構造に電気的に接続される、請求項１４に記載のスピン蓄積センサ。
16. 前記基準層構造は、前記第２の導電性磁気シールドから電気的に絶縁される、請求項１５に記載のスピン蓄積センサ。
17. 前記第１および第２の接触層は、それぞれ、金属様の導電性材料を含む、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
18. 前記第１および第２の接触層は、それぞれ、トンネル障壁材料を含む、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
19. 前記第１および第２の接触層の一方は、非磁性の金属様の導電性材料を含み、前記接触層のもう一方は、トンネル障壁材料を含む、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
20. 前記第１および第２のシールドの一方は、共通の電気的接地を提供する、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
21. 前記第１および第２の接触層の少なくとも一方は、絶縁マトリクス内の伝導ピンホールで構成されるナノオキサイド層である、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
22. 前記スピン輸送伝導層は、室温のスピン拡散距離が２０ｎｍより大きい材料である、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。
23. 前記磁性基準層および前記磁性自由層は、それぞれ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、もしくはそれらの合金、またはＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉなどのＨｅｕｓｌｅｒ材料、またはこれらの任意の材料の層を含む、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
24. 前記基準層への伝導接触の面積は、前記自由層への伝導接触の面積より大きい、請求項９に記載のスピン蓄積センサ。
25. 前記第１のシールドは、前記基準層構造に電流を注入するために使用され、前記第２のシールドは、前記自由層構造に接続され、前記非磁性の伝導性スピン輸送伝導層は、接地接続として機能するとともに、前記第１および第２のシールドから絶縁され、前記第１のシールドと前記基準層構造との間に設けられたスピン拡散層を更に備える、請求項１に記載のスピン蓄積センサ。

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