JP2011018415A - 磁気センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、出力を十分に高めることができかつ微小領域からの磁束を感度よく検出可能な磁気センサを提供する。
【解決手段】磁気センサ２００は、グラフェン層７と、グラフェン層７上に配置された磁化固定層１２Ｂと、グラフェン層７上に配置された磁化自由層１２Ｃと、グラフェン層７に電気的に接続された第一電極２０Ａ及び第二電極２０Ｄと、グラフェン層７、磁化固定層１２Ｂ、及び、磁化自由層１２Ｃを積層方向の両側から挟む下部磁気シールド層２２及び上部磁気シールド層１１，１２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン伝導現象を用いた磁気センサに関するものである。

以下の特許文献や非特許文献に開示されるような、いわゆるスピン蓄積型（ＳＡ）の磁気センサが知られている。

特開２００７−２９９４６７号公報 特許第４０２９７７２号公報

J. Mag. Mag. Mat. 286, 88 (2005) Phys.Rev. B 71, 094402 (2005)

スピン蓄積型の磁気センサは、原理的にスピン流を選択的に測定できるため、ノイズを低減して高感度な測定が可能になり、微小領域からの磁束を感度よく検出できると考えられる。しかしながら、従来のスピン蓄積型のセンサでは、出力が十分ではない。

そこで、本発明は、出力を十分に高めることができかつ微小領域からの磁束を感度よく検出可能な磁気センサを提供することを課題とする。

本発明に係る磁気センサは、グラフェン層と、グラフェン層上に配置された磁化固定層と、グラフェン層上に配置された磁化自由層と、グラフェン層に電気的に接続された第一電極及び第二電極と、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層とを備え、下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層はグラフェン層、磁化固定層及び磁化自由層を積層方向の両側から挟む。

本発明によれば、磁化固定層と第一電極と（又は、磁化自由層と第二電極と）を電流源に接続することにより、磁化固定層（又は、磁化自由層）の磁化の向きに対応するスピンを有する電子をグラフェン層へ注入することができる。このようにして注入されたスピンは、グラフェン層を磁化自由層（又は、磁化固定層）側に拡散する。そして、磁化自由層と第二電極と（又は、磁化固定層と第一電極と）に接続される電圧測定器により、グラフェン層と磁化自由層（又は磁化固定層）との間において発生する電圧出力を検出できる。また、一対のシールド層により、磁化固定層、磁化自由層、及び、グラフェン層が積層方向の両側から挟まれており、これらの３つの層が積層方向から侵入する磁界から保護される。したがって、不要な磁束を除去して積層方向と直交する横方向からの磁束を選択的に検出でき磁気センサとして好適に使用できる。

特に、本発明の磁気センサでは、スピンの伝導及び蓄積を行なうチャンネルとして、グラフェンを用いている。グラフェンのスピン拡散長は、従来のＣｕ等の金属や、Ｓｉ等の半導体等に比べて著しく長いので、磁気センサの出力を十分に高くすることができる。

ここで、グラフェン層は単層のグラフェンシートであることが好ましい。

これによれば、グラフェン層の厚みを極めて薄くでき、グラフェン層及び磁化自由層を挟む一対の磁気シールド層間の間隔を極めて薄くできる。したがって、極めて微小の領域からの磁束を検出できる。

また、上部磁気シールド層が、磁化自由層の上に配置され磁化自由層と電気的に接続された上部第１磁気シールド層と、磁化固定層の上に配置され磁化固定層と電気的に接続された上部第２磁気シールド層と、を有し、上部第１磁気シールド層と、上部第２磁気シールド層とは互いに電気的に絶縁されることが好ましい。

これにより、また、上部第１磁気シールド層を利用して、磁化自由層からの電圧の検出又はグラフェン層へのスピンの注入を容易に行なえ、上部第二磁気シールド層を利用して、グラフェン層へのスピンの注入又は磁化固定層からの電圧の検出を好適に行なえる。

また、上部第１磁気シールド層と下部磁気シールド層との間隔が、上部第２磁気シールド層と下部磁気シールド層との間隔よりも小さいことが好ましい。

これによれば、より狭い領域からの磁束を選択的に検出できる。

また、グラフェン層と下部磁気シールド層との間に絶縁層が配置され、絶縁層の材料がＳｉＯ_２又はＳｉＣであることが好ましい。
これによれば、グラフェン層を流れるスピン流の流出を特に抑制しやすいという効果がある。

また、第二電極を一対有し、一対の第二電極は、グラフェン層上に磁化自由層を間に挟む位置に、かつ、磁化固定層と磁化自由層とを結ぶ方向と直交する方向に離間して配置されることが好ましい。

これによれば、グラフェン層内の電位にムラが生じた場合でも、平均化された信号が得られるため、信号が安定化できるという効果がある。

また、磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石をさらに備えることがこのましい。

これによれば、磁化自由層の単磁区化が可能であり、バルクハウゼンノイズを低減できる。

また、磁化自由層及び記磁化固定層の少なくとも一方の材料が、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金であることが好ましい。

これらの材料は軟磁性材料であるため、磁化自由層としての機能を好適に実現することが可能である。また、これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、磁化固定層としての機能を好適に実現することが可能である。

また、磁化固定層は、形状異方性によって、又は、磁化固定層上に形成された反強磁性層によって、磁化の向きが固定されていることが好ましい。

また、磁化自由層は検出すべき磁界を外部から受け入れる磁界入力面をさらに備え、磁界入力面の外側から見て磁化固定層は、磁化自由層よりも奥に配置されることが好ましい。

これによれば、磁化自由層の磁化が外部磁場による影響を受け易くなり、感度が良くなる。一方、磁化固定層の磁化は十分に固定されやすく、所定のスピンを低抵抗でグラフェン層内に効率よく注入しやすい。

また、磁化自由層はグラフェン層の端面をさらに被覆していることが好ましい。

これによれば、磁化自由層において、グラフェン層の上に積層された部分よりも厚みが大きい部分をさらに形成することができ、この厚みの大きい部分に外部磁界を入力させることができる。このようにしてグラフェン層を排除し、上下の磁気シールド層の間の距離を有効に利用して外部磁界の検出ができるので、一対の磁気シールド間の距離をより狭めることができるという効果がある。

また、グラフェン層と対向する面における磁化固定層の面積が、グラフェン層と対向する面における磁化自由層の面積よりも大きいことが好ましい。

これにより、低抵抗でグラフェン層に電流を流すことができ、大きなスピン電圧を得ることができると言う効果がある。

本発明によれば、出力を十分に高めることができかつ微小領域からの磁束を感度よく検出可能な磁気センサを提供することができる。

第１実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。 図１におけるII−II線に沿った断面図である。 図１におけるIII−III線に沿った断面図である。 所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を（ａ）〜（ｃ）の順に示す概略斜視図である。 図６に続き、所望の層数のグラフェン層を剥離法により得る方法を（ａ）〜（ｄ）の順に示す概略斜視図である。 第２実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。 第３実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る磁気センサの一例として、薄膜磁気記録再生ヘッド２００を説明する。

図１は、薄膜磁気記録再生ヘッド２００を示す部分断面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。なお、図２では、後述する第三絶縁層１４及び永久磁石１５を省略してチャンネル層の形状を示している。

薄膜磁気記録再生ヘッド２００は、そのエアベアリング面（Air Bearing Surface：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体２０の記録面２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図中Ｚ方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド２００に対して相対的に進行する。

薄膜磁気記録再生ヘッド２００は、磁気記録媒体２０から記録を読み取る磁気センサ１００Ｃ及び磁気記録媒体２０への記録を行う磁気記録部１００Ｄを備える。磁気センサ１００Ｃ及び磁気記録部１００Ｄは、基板ＳＢ上に設けられており、アルミナ、シリカ等の非磁性絶縁層１により覆われている。図１に示すように、磁気センサ１００Ｃの上に磁気記録部１００Ｄが設けられている。磁気記録部１００Ｄにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが、磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。

磁気センサ１００Ｃは、電子のスピンの伝導及び蓄積をするチャンネルとして機能するグラフェン層７と、グラフェン層７の第一の部分上に設けられた磁化自由層１２Ｃと、グラフェン層７の第一の部分とは異なる第二の部分上に設けられた磁化固定層１２Ｂとを主として備えている。

さらに、図１に示すように、磁気センサ１００Ｃは、グラフェン層７を間に挟んで対向する下部磁気シールド層２２と、上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２と、下部磁気シールド層２２とグラフェン層７との間に設けられた第一絶縁層２３及び第一電極２０Ａと、磁化固定層１２Ｂ上に設けられた反強磁性層８と、反強磁性層８上に設けられた導電キャップ層１９とを更に備えている。

基板ＳＢとしては、特に限定されないが、ＡｌＴｉＣ等の導電性の基板が好ましい。

図１に示すように、下部磁気シールド層２２は、外部、特に磁気センサ１００Ｃの下部から、磁化自由層１２Ｃ及び磁化固定層１２Ｂに侵入する磁気をそれぞれ遮断するためのものであり、第一絶縁層２３及び第一電極２０Ａの下に形成されている。

下部磁気シールド層２２の材料として、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料が挙げられる。

第一絶縁層２３は、グラフェン層７に蓄積、伝導させる電子のスピンが下部磁気シールド層２２側へ流出することを防ぐものである。第一絶縁層２３は、グラフェン層７と下部磁気シールド層２２との間に設けられている。スピン蓄積を効率良く行う観点から、第一絶縁層２３は、グラフェン層７の下部面上において、磁化固定層１２Ｂ側から磁化自由層１２Ｃ側に亘って設けられていることが好ましい。さらに、グラフェン層７において磁化固定層１２Ｂから磁化自由層１２Ｃ側まで効率よくスピンを拡散させる観点から、第一絶縁層２３が、グラフェン層７を介して磁化自由層１２Ｃに全部重なるように設けられていることが好ましい。第一絶縁層２３として、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＣ等が挙げられる。

第一電極２０Ａは、磁化固定層１２Ｂからグラフェン層７へ検出用電流を流すための電極である。第一電極２０Ａは、グラフェン層７の下面上において、エアベアリング面Ｓとは反対側に第一絶縁層２３と隣接して設けられている。図１では、第一電極２０Ａを介して、グラフェン層７は下部磁気シールド層２２と電気的に接続している。従って、第一電極２０Ａ下に設けられている下部磁気シールド層２２を磁化固定層１２Ｂへ検出用電流Ｉを流すための電極として用いることができる。第一電極２０Ａとして、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。

グラフェン層７は、スピン注入によりスピンが蓄積される層である。図１に示すように、グラフェン層７は、第一絶縁層２３及び第一電極２０Ａにより形成される平面（ＸＹ平面）上に設けられており、図２に示すように、例えば、矩形形状をしている。

グラフェンとは、炭素原子が６角形の網の目状に平面的に結合した構造のシートである。グラフェン層７は、複数のグラフェンシートが積層したものであってもよいが、３層以下のグラフェンシートであることが好ましく、２層以下がより好ましく、単層グラフェンシートであることが最も好ましい。これにより、グラフェン層７の厚みを極限まで薄くでき、極めて微小領域からの磁束を選択的に検出可能となる。

このようなグラフェン層７は、例えば、剥離用、分解法により得ることができる。
剥離法では、例えば、図４（ａ）に示すように、高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）４００を用意する。この高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）４００は、単層グラフェンシート４０１が多数積層されたものである。また、有機溶媒に可溶なフィルム基材５０１上に、レジスト層５０３を塗布した剥離板５００を用意する。

続いて、図４（ｂ）に示すように、常圧下でフィルム基材５０１上のレジスト層５０３をＨＯＰＧ４００と接触させる。これにより、レジスト層５０とＨＯＰＧ４００とが付着する。続いて、ＨＯＰＧ４００と剥離板５００とを真空下におき、図４（ｃ）に示すように、ＨＯＰＧ４００から剥離板５００をはがす。これにより、剥離板５００のレジスト層５０３上に、最初のＨＯＰＧ４００から、一部の、すなわち、１層又は複数層のグラフェンシートが剥離されて付着する。

さらに、図５（ａ）に示すように、別の剥離板５００を用意し、真空を維持した状態で、剥離された複数層のグラフェンシート４０１にレジストを接触させ、再び、図５（ｂ）に示すように剥離する。このような作業を、付着したレジスト層が、所望の膜厚になるように光学顕微鏡等で観察しながら、この付着、剥離を真空中で繰り返す。

その後、剥離板５００のレジスト層５０３上に付着したグラフェンシート４０１を、基材、図５（ｄ）に示すように、例えば、基板ＳＢ上に、下部磁気シールド層２２及び第一絶縁層２３を積層した基材の第一絶縁層２３上に真空中で付着させ、その後、常圧に戻してから有機溶媒でフィルム基材５０１を溶かし、レジストを溶解・洗浄することにより、図５（ｄ）に示すように、剥離板５００から所望の基材上へ所望の層数のグラフェンシート４０１を配置することができる。

また、分解法では、まず、例えば、ＣＶＤ法等により形成したＳｉＣ層に対して必要に応じて、酸化及び水素エッチングを行なった後、電子衝撃加熱等によってシリコン原子を脱離させることによって、ＳｉＣ層上に、グラフェンシートを形成できる。

磁化自由層１２Ｃは、外部磁界を検出し、磁気記録媒体２０などの磁化方向の変化を鋭敏に検出するための層である。磁化自由層１２Ｃは、グラフェン層７の上面上においてグラフェン層７の検出対象となる磁束が進入する側すなわちエアベアリング面Ｓ側に配置されており、エアベアリング面Ｓの一部を形成する磁界入力面ＳＳを有している。磁化自由層１２Ｃを磁気記録媒体２０に近接して設置することにより、媒体２０から磁気情報を好適に読み取ることが可能である。磁化自由層１２Ｃとして強磁性材料、特に軟磁性材料が適用され、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の金属を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１又は複数の金属及びＢ、Ｃ、及びＮのうち少なくとも一種を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅが挙げられる。

磁化固定層１２Ｂは、所定のスピンを有する電子をグラフェン層７へ注入するための層であり、磁化固定層１２Ｂは、グラフェン層７の上面上においてグラフェン層７の検出対象となる磁束が進入する側の反対側、すなわち、エアベアリング面Ｓの外側から見て、磁化自由層１２Ｃよりも奥に配置されている。

図２に示すように、磁化自由層１２Ｃや磁化固定層１２Ｂの外形形状は、例えば、矩形状とすることができる。

磁化固定層１２Ｂの材料として、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を使用することができ、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１種以上含む合金、又は、前記群から選択される１種以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される一種以上の元素を含む合金が挙げられる。具体的には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢが挙げられる。

磁化固定層１２Ｂの保磁力は、磁化自由層１２Ｃの保磁力よりも大きい。磁化固定層１２Ｂの磁化は、後述する反強磁性層８を用いる磁化固定方法、及び磁化固定層１２Ｂの形状異方性による磁化固定方法のうち少なくともいずれか一の磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これにより、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きを外部磁界に反応し難くすることが可能となる。

磁化固定層１２Ｂの磁化固定方法として、反強磁性層８を用いる磁化固定方法を採用する場合、図１に示すように、反強磁性層８は、磁化固定層１２Ｂ上に接して設けられている。反強磁性層８が磁化固定層１２Ｂと交換結合することにより、磁化固定層１２Ｂの磁化方向を固定（一方向異方性を付与）することが可能となる。この場合、反強磁性層８を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する磁化固定層１２Ｂが得られる。従って、反強磁性層８に用いられる材料は、磁化固定層１２Ｂに用いられる材料に合わせて選択される。例えば、反強磁性層８として、Ｍｎを用いた反強磁性を示す合金、具体的にはＭｎと、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｆｅのうちから選ばれる少なくとも一つの元素とを含む合金が挙げられる。具体的には、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎが挙げられる。

一方、磁化固定層１２Ｂに形状異方性を持たせて、磁化固定層１２Ｂの磁化を固定する方法を採用する場合には、反強磁性層８を省略することが可能である。なお、反強磁性層８及び形状異方性の両方によって磁化を固定してもよいことは言うまでもない。形状異方性を用いる場合、平面視における磁化固定層１２Ｂのアスペクト比を１以外の値とすればよく、例えば、図２に示すように、グラフェン層７の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、Ｙ軸方向の磁化固定層１２Ｂの長さ１２ＢＹは、Ｘ軸方向の磁化固定層１２Ｂの幅１２ＢＸよりも長くして、Ｙ方向に磁化固定することが考えられる。

また、グラフェン層７と対向する面における磁化固定層１２Ｂの面積が、グラフェン層７と対向する面における磁化自由層１２Ｃの面積よりも大きいことが好ましい。これにより、低抵抗でグラフェン層に電流を流すことができ、大きなスピン電圧を得ることができると言う効果がある。

なお、図１に戻って、グラフェン層７と磁化自由層１２Ｃとの間、及びグラフェン層７と磁化固定層１２Ｂとの間にはトンネル障壁層が設けられていてもよい。トンネル障壁層の材料として、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどの絶縁体、あるいは酸化亜鉛などの半導体が適用される。

導電キャップ層１９は、上部第二磁気シールド層１２を電極として磁化固定層１２Ｂに電流を流すべく、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８とを電気的に接続するための層である。導電キャップ層１９は、上部第二磁気シールド層１２と反強磁性層８や磁化固定層１２Ｂとの間の原子の拡散等を抑制する効果もある。導電キャップ層１９の材料として、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。

第二絶縁層４３は、導電キャップ層１９の両端に形成されている。第二絶縁層４３として、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＣ等が挙げられる。

上部第一磁気シールド層１１は磁化自由層１２Ｃ上に形成されており、磁化自由層と電気的に接続されている。また、上部第二磁気シールド層１２は、磁化固定層１２Ｂ、反強磁性層８、及び、導電キャップ層１９からなる層構造の上に形成され、磁化固定層１２Ｂと電気的に接続されている。上部第一磁気シールド層１１及び上部第二磁気シールド層１２は、外部、特に磁気センサ１００Ｃの上部から、磁化自由層１２Ｃ、磁化固定層１２Ｂに侵入する磁気をそれぞれ遮断する。なお、上部第一磁気シールド層１１と上部第二磁気シールド層１２とが、互いに離間して独立に設けられている、すなわち、電気的に絶縁されていることにより、上部第一磁気シールド層１１を磁化自由層１２Ｃ用の電極として、上部第二磁気シールド層１２を磁化固定層１２Ｂ用の電極としてそれぞれ利用することができる。

上部第１磁気シールド層１１と下部磁気シールド層２２との間隔が、上部第２磁気シールド層１２と下部磁気シールド層２２との間隔よりも小さいことが好ましい。このように、磁化固定層１２Ｂ、反強磁性層８、導電キャップ層１９等によって厚くなりやすい上部第二磁気シールド層１２と下部磁気シールド層２２との間隔に比べて、上部第１磁気シールド層１１と下部磁気シールド層２２との間隔を小さくすることによって、極めて微小な領域から放出される磁束を選択的に磁化自由層で検出することができる。

上部第一磁気シールド層１１、及び上部第二磁気シールド層１２の材料は例えば、下部磁気シールド層２２と同様とすることができる。

第二電極２０Ｄは、磁化自由層１２Ｃとグラフェン層７との間に生じる電圧を検出するための電極である。この実施形態では、図２及び図３に示すように、第二電極２０Ｄを２つ有する。一対の第二電極２０Ｄは、グラフェン層７上に磁化自由層１２Ｃを間に挟む位置に、かつ、磁化固定層１２Ｂと磁化自由層１２Ｃとを結ぶ方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に離間して配置されている。第二電極２０Ｄとして、例えば、ＣｕやＴａなどの金属材料が用いられる。なお、第二電極２０Ｄが、１つでも実施可能であることはいうまでもない。このような一対の第二電極２０Ｄがあると、グラフェン層７内の電位にムラが生じた場合でも、平均化された信号が得られるため、信号が安定化できるという効果がある。

次に、図３を用いて、図１に示した磁気センサ１００ＣのＸ方向に平行な断面形状を説明する。図３は、図１のIII−III線に沿った断面構成を説明するための概略図である。

第三絶縁層１４は、グラフェン層７及び磁化自由層１２Ｃと永久磁石１５との間に設けられ、グラフェン層７及び磁化自由層１２Ｃと永久磁石１５とを電気的に絶縁するためのものである。第三絶縁層１４として、ＳｉＯ_２、ＳｉＣなどが用いられる。

一対の永久磁石１５は、第三絶縁層１４を介して、磁化自由層１２ＣのＺ方向の両側に配置されている。一対の永久磁石１５からの漏洩磁束を用いて、磁化自由層１２Ｃにバイアス磁界を、例えば、Ｘ方向に印加することにより、磁化自由層１２Ｃの磁区構造を安定化（単磁区化）することが可能となる。これにより、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することが可能となる。

以下に、図１で示した第１実施形態に係る磁気センサ１００Ｃの動作について説明する。下部磁気シールド層２２と、上部第二磁気シールド層１２とを、電流源７０に電気的に接続する。また、第二電極２０Ｄ及び上部第一磁気シールド層１１を、電圧測定器８０に電気的に接続する。

まず、磁気センサ１００Ｃの磁化固定層１２Ｂへ検出用電流Ｉを流す。例えば、図１に示すように、電流源７０から電子を、上部第二磁気シールド層１２、導電キャップ層１９、反強磁性層８、磁化固定層１２Ｂ、グラフェン層７、第一電極２０Ａ、下部磁気シールド層２２の順に流す。

このように、強磁性体である磁化固定層１２Ｂからグラフェン層７へ電子を流すと、磁化固定層１２Ｂとグラフェン層７との界面からグラフェン層７内に磁化固定層１２Ｂの磁化の向きに対応するスピンを有する電子が流入される（スピン注入）。そして、このスピンは、グラフェン層７内をさらに磁化固定層１２Ｂ側から磁化自由層１２Ｃ側に向かって拡散する。

そして、外部からの磁界によって磁化の向きが変化する磁化自由層１２Ｃの磁化の向きと、磁化固定層１２Ｂの磁化の向きとの相対角に応じて、磁化自由層１２Ｃとグラフェン層７との界面において異なる電圧出力が発生することとなる。本実施形態では、第二電極２０Ｄと上部第一磁気シールド層１１との間からこの電圧を検出している。このようにして、磁気センサ１００Ｃを外部磁場センサとして応用することができる。

以下に、第１実施形態に係る磁気センサ１００Ｃによる効果を説明する。第１実施形態に係る磁気センサによれば、チャンネルとしてグラフェン層を用いることにより、磁気センサ１００Ｃからの出力を十分に高めることができる。この理由は以下のとおりである。

すなわち、チャンネル層が、金属からなる場合には一般的にスピン出力が１μＶ程度と短く、このような磁気センサからの出力は低い。しかしながら、チャンネル層が非金属からなる場合にはスピン拡散長が十倍以上長く、スピン出力が大きく取れる。例えば、スピン出力は、GaAsで５μＶ(T. Inouchi et al. 2 (2009) 023006), Siで８μＶ(T. Sasaki et al.Appl. Phys. Express 2 (2009) 053003), グラフェンで１００μＶ(M. Shiraishi et al. (2008) arXiv:0810.4592v1)とされている。

そして、スピン蓄積型では以下のような出力が理論値として得られるとされている（S. Takahashi and S. Maekawa: Phys. Rev.B 67 (2003) 052409）。
Ｖ＝β_ｉβ_ｉ’ｒ_Ｎｅｘｐ（-Ｌ／λ_Ｎ）Ｉ_０
ここで、Ｖが出力電圧、β_ｉがスピンを注入するときのスピン分極率（最大１）、β’_ｉがスピンを検出するときのスピン分極率（最大１）,ｒ_Ｎがスピン抵抗,Ｌが電極間距離, λ_Ｎがスピン拡散長, Ｉ_０が注入電流である。また、スピン抵抗ｒ_Ｎはチャンネルの抵抗率に比例した関係式(ｒ_Ｎ=ρλ_Ｎ/Ｓ)で表され、ρはスピン伝導層の抵抗率、Ｓはスピン伝導層の断面積である。但し、この式が成りたつのは注入電流が少ないときであり、注入電流を増大させても電流が大きい領域では出力の増大は頭打ちになる。またスピン抵抗はスピン伝導層の抵抗率に比例して上昇する値であり、スピン伝導層の抵抗率が上昇するほど出力は上昇する。
したがって、グラフェンをチャンネル層として用いると、極めて高い出力が得られる。

また、３つのシールド層１１，１２，２２により、磁化固定層１２Ｂ、磁化自由層１２Ｃ、及び、グラフェン層７が挟まれており、これらが積層方向（Ｚ方向）から侵入する磁界から保護されて、不要な磁束を除去して、横方向（Ｙ方向）からの磁束を選択的に検出でき磁気センサとして好適に使用できる。

また、グラフェン層７が単層グラフェンシートであると、チャンネル層の厚みを極め薄くでき、極めて微小な領域からの磁束を検出できる。通常の結晶性材料では、原子同士が３次元構造をとることが前提でありチャンネル層を原子一層に薄くすることは極めて困難であるが、グラフェンシートでは、一層でもスピンを伝導する構造を保持できるのである。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態に係る磁気センサについて説明する。図６は、第二実施形態の磁気センサに係る断面図である。

図６に示す磁気センサが、第一実施形態に係る磁気センサと異なる点は、磁化自由層１２Ｃ及びグラフェン層７の形状であるので、これらについてのみ説明する。

図６に示すように、第２実施形態に係る磁気センサでは、グラフェン層７のエアベアリング面Ｓ側の端面７ａは、エアベアリング面Ｓに露出せず、エアベアリング面Ｓよりも内側に配置され、グラフェン層７のエアベアリング面Ｓ側の端面７ａと、エアベアリング面との間には磁化自由層１２Ｃがさらに介在している。すなわち、磁化自由層１２Ｃが、さらに、グラフェン層７の磁化固定層とは反対側の端面７ａを被覆している。これによれば、第１実施形態と同様の効果に加え、磁化自由層１２Ｃにおいて、グラフェン層７の上に積層された部分１２Ｃａよりも厚みが大きい部分１２Ｃｂをさらに形成することができ、この厚みの大きい部分１２Ｃｂに外部磁界を入力させることができる。これにより、部分１２Ｃｂが存在しない場合に比べて上下の磁気シールド層１１，２２の間の距離を有効に利用して外部磁界の検出ができるので、第１実施形態に比べて一対の磁気シールド層１１，２２間の距離をより狭めることが可能となるという効果がある。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態に係る磁気センサについて説明する。図７は、第三実施形態の磁気センサに係る断面図である。

図７に示す磁気センサが、第一実施形態に係る磁気センサと異なる点は、第一電極２０Ａが、グラフェン層７の上に配置されており、グラフェン層７と、下部磁気シールド層２２とが、電気的に絶縁されている点である。
これによれば、第１実施形態と同様の効果に加え、絶縁層の平坦性を確保しやすいと言う効果がある。

以上、各実施形態において、本発明の磁気センサを薄膜磁気記録再生ヘッドに適用する例を用いて説明したが、本発明の磁気センサは、薄膜磁気記録再生ヘッド以外の例えば小型ロボット、ディジタルカメラ、及びインクジェットプリンターなどで使用される磁気エンコーダー装置、磁場計測装置、磁気検知装置等の各種用途にも適用することが可能である。

また、本発明は、上記実施形態に限定されず様々な変形態様が可能である。例えば、グラフェン層７の形状や、磁化自由層１２Ｃ、磁化固定層１２Ｂの形状及び配置、第一電極２０Ａ、第二電極２０Ｄの形状や配置も特に上記には限定されない。

また、上記実施形態では、上部磁気シールドが、互いに絶縁された、上部第１磁気シールド層と、下部第１磁気シールド層との２つから構成されているが、第１磁気シールド層と第二磁気シールド層とを一体化して、例えば、磁化自由層のみと電気的に接続し、磁化固定層には、シールドとはならない電極を電気的に接続してもよい。

以下、実施例１及び２に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例１及び２に限定されるものではない。

（実施例１）
アルティック基板を洗浄し、アライメントマークを作成した。アルティック基板上に、下部シールド層を形成し、フォトリソグラフィー法及びイオンミリング用により、矩形形状にした。続いて、下部磁気シールド層上に絶縁層としてＳｉＯ_２層を形成した。ＳｉＯ２層の一部をイオンミリングにより削り、その孔をＡｕＣｕで埋めることにより、第一電極を形成した。そして、ＣＭＰにより、ＳｉＯ_２層と、ＡｕＣｕ層とを平坦化した。
続いて、上述した剥離法により、ＳｉＯ_２層及びＡｕＣｕ層に接して単層のグラフェンシートを配置した。

続いて、磁化自由層及び磁化固定層の形状のレジストパターンをグラフェン層上に形成し、ＣｏＦｅ（厚み２ｎｍ）／Ｒｕ（厚み０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（厚み２．５ｎｍ）／ＩｒＭｎ（厚み６ｎｍ）／Ｔｉ（厚み３ｎｍ）の順に成膜を行い、Ａｒミリング及びエッチングを行い、グラフェン最表面を露出させた。続いて、磁化自由層及び磁化固定層の上部以外に、磁化自由層や磁化固定層の側面も含めてＳｉＯ_２層を形成し、磁化自由層側のＲｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ／Ｔｉをイオンミリングにより除去した。磁化自由層及び磁化固定層の平面形状は、それぞれ２００×２００ｎｍとした。
その後、バイアス磁界印加用の永久磁石層を作成し、固定層と自由層との上にそれぞれ第１上部磁気シールド及び第二上部磁気シールド層を形成し、磁束読み取り用のセンサを完成させた。出力を十分に高めることができかつ微小領域からの磁束を感度よく検出可能な磁気センサが提供された。

７…グラフェン層、８…反強磁性層、１１…上部第一磁気シールド層、１２…上部第二磁気シールド層、１５…永久磁石、２２…下部磁気シールド層、２３…第一絶縁層、８１…第１絶縁層、８２…第２絶縁層、１２Ｂ…磁化固定層、１２Ｃ…磁化自由層、１８Ａ〜１８Ｄ…配線、２０Ａ…第一電極、２０Ｄ…第二電極、２００,１００Ｂ,１００Ｃ…磁気センサ、Ｓ…エアベアリング面、ＳＳ…磁界入力面。

Claims (12)

1. グラフェン層と、
   前記グラフェン層上に配置された磁化固定層と、
   前記グラフェン層上に配置された磁化自由層と、
   前記グラフェン層に電気的に接続された第一電極及び第二電極と、
   前記グラフェン層、前記磁化固定層、及び、前記磁化自由層を積層方向の両側から挟む下部磁気シールド層及び上部磁気シールド層と、
   を備えた磁気センサ。
2. 前記グラフェン層は単層グラフェンシートである請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記上部磁気シールド層は、
   前記磁化自由層の上に配置され前記磁化自由層と電気的に接続された上部第１磁気シールド層と、
   前記磁化固定層の上に配置され前記磁化固定層と電気的に接続された上部第２磁気シールド層と、を有し、
   前記上部第１磁気シールド層と、前記上部第２磁気シールド層とは互いに電気的に絶縁された請求項１又は２記載の磁気センサ。
4. 前記上部第１磁気シールド層と前記下部磁気シールド層との間隔が、前記上部第２磁気シールド層と前記下部磁気シールド層との間隔よりも小さい請求項３記載の磁気センサ。
5. 前記グラフェン層と前記下部磁気シールド層との間に絶縁層が配置され、前記絶縁層の材料がＳｉＯ_２又はＳｉＣである請求項１〜４の何れか記載の磁気センサ。
6. 前記第二電極を一対有し、前記一対の第二電極は、前記グラフェン層上に前記磁化自由層を間に挟む位置に、かつ、前記磁化固定層と前記磁化自由層とを結ぶ方向と直交する方向に離間して配置された請求項１〜５の何れか記載の磁気センサ。
7. 前記磁化自由層にバイアス磁界を印加する永久磁石をさらに備える請求項１〜６の何れか記載の磁気センサ。
8. 前記磁化自由層及び前記磁化固定層の少なくとも一方の材料が、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＮｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素及びＢ、Ｃ、及びＮからなる群から選択される１以上の元素を含む合金である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
9. 前記磁化固定層は、形状異方性によって、又は、前記磁化固定層上に形成された反強磁性層によって、磁化の向きが固定されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載磁気センサ。
10. 前記磁化自由層は検出すべき磁界を外部から受け入れる磁界入力面をさらに備え、前記磁界入力面の外側から見て前記磁化固定層は、前記磁化自由層よりも奥に配置された請求項１〜９の何れか一項に記載の磁気センサ。
11. 前記磁化自由層は前記グラフェン層の端面をさらに被覆している請求項１〜１０の何れか一項に記載の磁気センサ。
12. 前記グラフェン層と対向する面における前記磁化固定層の面積が、前記グラフェン層と対向する面における前記磁化自由層の面積よりも大きい請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。

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