JP2011176108A - 磁気センサー、磁気検出装置、及び磁気ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】微小領域からの磁束が検出可能であり、かつ素子抵抗の増大を抑制可能な磁気センサーを提供すること。
【解決手段】磁気センサー１は、チャンネル７と、チャンネル７上の強磁性体１２、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂと、チャンネル７における強磁性体１２と対向する部分を覆う磁気シールドＳ１と、チャンネル７と磁気シールドＳ１の間に設けられた絶縁膜７ａと、を備え、磁気シールドＳ１は、チャンネル７における強磁性体１２と対向する部分に向かって延びる貫通穴Ｈを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサー、磁気検出装置、及び磁気ヘッドに関する。

従来、外部磁場を検出する種々の素子が知られており、例えば、ホール素子、MI（Magneto Impedance）素子、MR（Magneto Resistive）素子、GMR（Giant Magneto Resistive）素子、TMR（Tunnel Magneto Resistive）素子、スピン蓄積型の素子（下記特許文献１参照）などが知られている。この種の磁場検出素子は、例えば、微小領域からの磁場を検知するHDDヘッドや、地磁気を検出するセンサーなどに用いられている。

特開２００７−２９９４６７号公報

上述のHDDヘッドに用いられる磁場検出素子において、より微小な領域から磁束を検出するには、素子を微細化するという方法が取られていた。しかしながら、素子の微細化技術には、限界が見え始めている。一方、素子を微細化することによって、素子抵抗が増大してしまい、低消費電力及び高速動作の障害となっていた。すなわち、微小領域からの磁束を検出可能とすることと、素子抵抗の増大を抑えることはトレードオフの関係であった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、微小領域からの磁束が検出可能であり、かつ素子抵抗の増大を抑制可能な磁気センサーを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の磁気センサーは、チャンネルと、チャンネル上の強磁性体、第一及び第二参照電極と、チャンネルにおける強磁性体と対向する部分を覆う磁気シールドと、チャンネルと磁気シールドの間に設けられた絶縁膜と、を備え、磁気シールドは、チャンネルにおける強磁性体と対向する部分に向かって延びる貫通穴を有することを特徴とする。

上述の強磁性体は、チャンネルへスピンを注入するための注入電極としての機能に加えて、チャンネルからスピンを受け取るための受け取り電極としての機能を有する。チャンネルは、強磁性体から注入されるスピンが蓄積する部分として機能する。この磁気センサーでは、チャンネルにおける強磁性体と対向する部分を覆う磁気シールドに、当該チャンネルにおける強磁性体と対向する部分に向かって延びる貫通穴が設けられている。この貫通穴を通して外部磁場をチャンネルに印加すると、チャンネル内に蓄積しているスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。一方、チャンネルに外部磁場を印加しない場合、チャンネル内のスピンの向きは変化せず、そのままチャンネル内に蓄積する。よって、強磁性体及び第一参照電極に電流源及び出力測定器の一方を電気的に接続し、強磁性体及び第二参照電極に電流源及び出力測定器の他方を電気的に接続することにより、外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力を読み取ることができ、外部磁場の有無によって生じるスピンの回転の度合いに応じた値を検出できる。従って、上述の貫通穴の大きさに対応する微小領域からの磁束が検出可能となる。この際、強磁性体のサイズを微細化することなく磁束を検出できるので、強磁性体を微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することも可能となる。また、絶縁膜がチャンネルと磁気シールドとの間に設けられているので、スピンが磁気シールドに吸収されることを抑制できる。

また、貫通穴の軸方向と、強磁性体の磁化方向と、が非平行であることが好ましい。

上述したように、貫通穴を通して外部磁場をチャンネルに印加すると、チャンネル内のスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転する。仮に、貫通穴の軸方向と強磁性体の磁化方向と、が平行である場合、外部磁場の印加によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、貫通穴の軸方向と強磁性体の磁化方向とが非平行であれば、上述のような磁束の検出を好適にできる。

また、貫通穴の軸方向からみて、貫通穴の全断面が、チャンネルと対向していることが好ましい。これにより、所望の領域からの外部磁場の読み取りをより正確に行うことができる。

また、貫通穴の底部の径は、貫通穴の頂部の径よりも小さくすることができる。つまり、貫通穴は、テーパー側面を有することができる。この場合、外部磁場による磁束が、チャンネルに対して斜めに入射しても、磁気シールドに吸収されない。よって、外部磁場の入射角度をテーパー側面のテーパー角度に応じて変更できる。

また、チャンネルは屈曲形状を有し、貫通穴は、チャンネルの屈曲部の外側面に対向して設けられていることが好ましい。これにより、外部磁場などの磁束の読み取り領域をコンパクトにすることができる。

また、強磁性体の磁化方向は、強磁性体上に設けられた反強磁性体によって、固定されていることが好ましい。

反強磁性体が強磁性体と交換結合することにより、強磁性体の磁化方向に一方向異方性を付与することが可能となる。この場合、反強磁性体を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する強磁性体を得られる。

また、貫通穴の軸方向と同じ方向の磁界を貫通穴に供給する永久磁石を更に備えることが好ましい。永久磁石を用いて磁場をチャンネル層に印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石を用いて磁場をチャンネル層に印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。

また、強磁性体の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、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以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物であることが好ましい。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、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。

また、チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体のスピン拡散長は比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積できる。

また、強磁性体とチャンネルとの間に、障壁層が形成されていることが好ましい。これにより、強磁性体からチャンネルへスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサーの電位出力を高めることが可能となる。

また、上述の磁気センサーを複数備えた磁気検出装置とすることが好ましい。この場合、各磁気センサーの出力を合算することができる。このような磁気検出装置は、例えば癌細胞などを検知する生体センサーなどに適用できる。

また、上述の磁気センサーからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部とを備える磁気ヘッドとすることができる。これにより、いわゆるＨａｎｌｅ効果を利用した新規な磁気ヘッドを提供できる。

本発明によれば、微小領域からの磁束が検出可能であり、かつ素子抵抗の増大を抑制可能な磁気センサーを提供することができる。

図１は、磁気センサーの上面図である。 図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。 図３は、磁気センサーの効果を説明するための側面図である。 図４（ａ）は、磁気シールド層に形成された貫通穴の例を示す上面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ１−Ｂ１線に沿った断面図である。図４（ｃ）は、磁気シールド層に形成された貫通穴の例を示す上面図である。図４（ｄ）は、図４（ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。 図５（ａ）は、磁気シールド層に形成された貫通穴の例を示す上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ２−Ｂ２線に沿った断面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図６は、磁気センサーが永久磁石を備える例を示す上面図である。 図７は、磁気センサーの変形例１を示す側面図である。 図８は、磁気センサーの変形例２を示す側面図である。 図９は、図８のＪ−Ｊ線に沿った断面を示す側面図である。 図１０は、磁気センサーの変形例３を示す側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る磁気センサーの好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、ＸＹＺ直交座標軸系が示されている。
（第一実施形態）

図１は、第一実施形態に係る磁気センサーの上面図である。図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。

図２に示すように、磁気センサー１は、チャンネル層７と、強磁性層１２と、磁気シールド層とを備え、Ｚ軸方向の外部磁界を検出するものである。

チャンネル層７は、強磁性層１２から注入されるスピンを蓄積させる部分として機能する。図１に示す例では、チャンネル層７は、チャンネル層７の厚み方向から見て、矩形状をなしている。チャンネル層７には、導電性を付与するためのイオンが添加されていても良い。イオン濃度は、例えば１．０×１０^１５〜１．０×１０^２２ｃｍ^−３とすることができる。チャンネル層７は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体とすることができる。

強磁性層１２は、チャンネル層７へスピンを注入するための注入電極としての機能に加えて、チャンネル層７内のスピンを検出するための受け取り電極としての機能を有する。強磁性層１２は、チャンネル層７の第一領域７１上に設けられている。強磁性層１２は、Ｙ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。図２に示すように、強磁性層１２の磁化方向Ｇ１は、外部磁場Ｂの磁化方向Ｂと非平行にすることが好ましい。強磁性層１２は、強磁性材料からなる。強磁性層１２の材料は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、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以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。

磁気シールド層は、チャンネル層７における強磁性層１２と対向する部分を覆っている。磁気シールド層は、チャンネル層７の表面を絶縁膜（例えば絶縁膜７ａ）を間に介して、少なくとも部分的に覆っており、外部磁場がチャンネル層７へ侵入することを遮蔽するものである。磁気シールド層は、特に、強磁性層１２と対向する第一領域７１のまわりの部分を少なくとも覆っている。図２に示す例では、磁気シールド層として、下部磁気シールド層Ｓ１を用いている。下部磁気シールド層Ｓ１は、チャンネル層７の下方に設けられている。

磁気シールド層は、チャンネル層７における強磁性層１２と対向する部分に向かって延びる貫通穴Ｈを有する。貫通穴Ｈは、チャンネル層７へ外部磁場を印加するためのものである。図２に示す例では、貫通穴Ｈが下部磁気シールド層Ｓ１に設けられており、チャンネル層７の第一領域７１の下面に対向して配置している。

この貫通穴Ｈの軸方向（例えば、図１の例ではＺ軸方向）から見て、貫通穴Ｈの全断面が、チャンネル層７と対向していることが好ましい。すなわち、貫通穴Ｈの軸方向から見て、貫通穴Ｈがチャンネル層７からはみ出ないようにする。これにより、外部磁場の読み取りをより正確に行うことができる。

図４（ａ）は、磁気シールド層Ｓに形成される貫通穴Ｈの例を示す上面図である。貫通穴Ｈは、磁気シールド層Ｓの厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、種々の形状をとることが可能であり、例えば矩形状をなしている。図４（ａ）に示す例では、貫通穴Ｈは、磁気シールド層Ｓの厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、長方形状をなしている。この場合、貫通穴Ｈの短辺の長さ（Ｘ軸方向の長さ）Ｄ１を例えば０．００３μｍ〜０．３μｍとして、長辺の長さ（Ｙ軸方向の長さ）Ｄ２を例えば０．０１μｍ〜１μｍとすることができる。

図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ１−Ｂ１線に沿った断面図である。図４（ｂ）に示すように、貫通穴Ｈの底部ｈ１の径は、貫通穴Ｈの頂部ｈ２の径と同一にすることができる。すなわち、貫通穴Ｈは、チャンネル層７に向かって垂直に延びている。

磁気シールド層の材料として、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。

磁気センサー１は、更に、第一参照電極２０Ａと第二参照電極２０Ｂとを備えている。第一参照電極２０Ａは、チャンネル層７の第二領域７２上に設けられている。第二参照電極２０Ｂは、チャンネル層７の第三領域７３上に設けられている。第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは、導電性材料からなり、例えばＡｌなどのＳｉに対して低抵抗な非磁性金属からなる。図２に示すように、チャンネル層７の第二領域７２と第三領域７３との間に、第一領域７１が存在している。すなわち、チャンネル層７上には、第一参照電極２０Ａ、強磁性層１２、及び第二参照電極２０Ｂが、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて、この順に配置されている。

第一参照電極２０Ａと強磁性層１２との距離は、チャンネル層７における電子がスピンを保持できるスピン拡散長よりも長くなっている。また、第二参照電極２０Ｂと強磁性層１２との距離も、チャンネル層７におけるスピン拡散長よりも長くなっている。この構成により、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂにスピンが吸収され、出力が下がることを抑制できる。なお、例えばチャンネル層７がＳｉである場合、スピン拡散長はおよそ２.５μｍである。

磁気センサー１は、更に、障壁層８１を備えている。障壁層８１は、チャンネル層７と、強磁性層１２との間に設けられている。これにより、強磁性層１２からチャンネル層７へスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサーの電位出力を高めることが可能となる。障壁層８１は、例えば絶縁性材料の膜からなるトンネル障壁である。図２では、障壁層８１が単層からなる例を示すが、障壁層８１は複数の層からなる積層構造を有していても良い。障壁層８１として、例えば酸化マグネシウム層、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛、または酸化ベリリウムなどを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、障壁層８１の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、障壁層８１の膜厚は、１原子層厚を考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。

磁気センサー１は、更に、絶縁膜（あるいは絶縁体）を備えている。絶縁膜は、チャンネル層７の露出を防ぎ、チャンネル層７を電気的及び磁気的に絶縁する機能を有する。絶縁膜は、磁気シールド層とチャンネル層７との間に存在していることが好ましい。これによれば、チャンネル層７を流れるスピン流の磁気シールド層への流出を特に抑制しやすいという効果がある。また、絶縁膜は、チャンネル層７の表面（例えば下面、側面、または上面）の必要な領域を覆っていることが好ましい。図２に示す例では、絶縁膜７ａが、チャンネル層７の下面に設けられており、絶縁膜７ｂが、チャンネル層７の上面上に設けられている。具体的に、絶縁膜７ｂは、チャンネル層７の第二領域７２と第三領域７３との間の領域の上面上に設けられている。この絶縁膜７ｂ上に、第一参照電極２０Ａ、強磁性層１２、及び第二参照電極２０Ｂに接続する配線を設ければ、この配線によってチャンネル層７のスピンが吸収されることを抑制できる。また、絶縁膜７ｂ上に配線を設けることにより、配線からチャンネル層７へ電流が流れることも抑制できる。

絶縁膜が存在する場合、下部磁気シールド層Ｓ１は、絶縁膜７ａを間に介して、チャンネル層７の下面に設けられている。

以下、本実施形態に係る磁気センサー１の製造方法の一例を説明する。まず、予め準備した基板に、アライメントマークを形成する。基板として例えばＡｌｔｉｃ基板を用いることができる。アライメントマークを目印として、基板上において、下部磁気シールド層Ｓ１を形成する。次いで、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法によって、下部磁気シールド層Ｓ１上に絶縁膜７ａを形成する。

続いて、例えばＭＢＥ法によって、絶縁膜７ａ上にチャンネル層７を形成する。チャンネル層７に、導電性を付与するためのイオンを注入して、チャンネル層７の伝導特性を調節する。その後、必要に応じて熱アニールによってイオンを拡散させる。次いで、洗浄により、チャンネル層７の表面の付着物、有機物、及び酸化膜の除去をする。洗浄液として、例えば希釈したＨＦ溶液を用いる。

その後、例えばＭＢＥ法によって、チャンネル層７上に、障壁層８１となる障壁膜と、強磁性層１２となる強磁性膜とをこの順に形成する。なお、必要に応じて、強磁性層１２上に、例えばＭＢＥ法によって、さらに反強磁性層を形成してもよい。続いて、強磁性層１の磁化方向を固定するために、磁場中でアニールを行う。次いで、これらの障壁膜及び強磁性膜を例えば電子ビーム（ＥＢ）法にて、マスクを用いて加工する。これにより、チャンネル層７の第一領域７１上に、障壁層８１を介して強磁性層１２が形成される。その後、例えばイオンミリングによって、チャンネル層７上に形成された不要な障壁膜や強磁性膜を除去する。

次いで、不要な障壁膜や強磁性膜が除去されたチャンネル層７上に絶縁膜７ｂを形成する。また、チャンネル層７の第二領域７２及び第三領域７３上の絶縁膜７ｂを除去し、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂをそれぞれ形成する。第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂは、例えばＡｌなどで形成する。

また、下部磁気シールド層Ｓ１を、チャンネル層７の強磁性層１２と対向する部分（すなわち第一領域７１）を絶縁膜７ａを介して覆うように、形成する。図２に示す例では、下部磁気シールド層Ｓ１を、チャンネル層７の第一領域７１に隣接する領域に亘って覆うように、設けている。次いで、この下部磁気シールド層Ｓ１に、外部磁場からの磁束が侵入するための貫通穴Ｈを設ける。貫通穴Ｈは、例えばフォトリソグラフィー法によって形成できる。以上の方法により、図１及び２に示す磁気センサー１が作製できる。

以下、本実施形態に係る磁気センサー１の作用効果を説明する。図３は、第一実施形態に係る磁気センサー１の動作を説明するための側面図である。まず、強磁性層１２の磁化方向を固定する。強磁性層１２の磁化方向（図３に示す例ではＸ軸方向）Ｇ１は、外部磁場Ｂの磁場方向（図３に示す例ではＺ軸方向）と非平行に固定する。

例えば強磁性層１２及び第一参照電極２０Ａを電流源７０に接続することにより、強磁性層１２に検出用電流を流す。強磁性体である強磁性層１２から、障壁層８１を介して、非磁性のチャンネル層７へ電流が流れることにより、強磁性層１２の磁化の向きＧ１に対応する向きのスピンを有する電子がチャンネル層７へ注入される。注入されたスピンはチャンネル層７内に蓄積する。

ここで、チャンネル層７に外部磁場Ｂを印加しないとき、すなわち外部磁場Ｂがゼロのとき、チャンネル層７内の電子のスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された強磁性層１２の磁化の向きＧ１と同一方向のスピンが、強磁性層１２によって検出されることとなる。従って、外部磁場Ｂがゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、強磁性層１２及び第二参照電極２０Ｂに接続した電圧測定器８０などの出力測定器により評価することができる。

対して、貫通穴Ｈからチャンネル層７へ外部磁場Ｂを印加する場合を考える。外部磁場Ｂを印加すると、チャンネル層７内に注入されたスピンの向きは、外部磁場Ｂの軸方向（図３に示す例ではＺ軸方向）を中心として回転し（いわゆるＨａｎｌｅ効果）、図３に示す例では、スピンＰ１の向きがＹ軸方向を向いている状態を示す。この回転したスピンＰ１の向きと、予め設定された強磁性層１２の磁化の向きＧ１、すなわち電子のスピンと、の相対角により、チャンネル層７と強磁性層１２の界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場Ｂを印加する場合、チャンネル層７のスピンの向きは回転するので、強磁性層１２の磁化の向きＧ１と向きが揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場Ｂがゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場Ｂを印加するときには極大値以下となり、外部磁場Ｂがゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場Ｂを印加すると極小値以上となる。

従って、この磁気センサー１では、外部磁場Ｂがゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場Ｂを増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場Ｂの有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサー１を磁気検出素子として使用できる。

このように、磁気シールド層に設けた貫通穴Ｈを用いて、貫通穴Ｈの大きさに対応する微小な磁束が検出可能となる。この際、解像度は貫通穴Ｈの大きさで決定されるので、強磁性層１２のサイズを微細化することなく、微小領域から磁束を検出できる。よって、注入電極や受け取り電極として機能する強磁性層１２を微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することも可能となる。

なお、従来のスピンを利用した磁気センサーでは、磁化自由層と磁化固定層の磁化方向が平行や反平行のときの相対角で出力のピークが出ていたが、本発明の磁気センサーでは、上述のように外部磁場がゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに本発明の磁気センサーを適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、本発明の磁気センサーでは、ヒステリシスがないことも特徴である。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、貫通穴Ｈの形状は、上述した形に限定されない。図４（ｃ）は、磁気シールド層Ｓの貫通穴の一形態を示す上面図である。図４（ｄ）は、図４（ｃ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。図４（ｃ）に示すように、貫通穴Ｈの底部ｈ１の径は、貫通穴Ｈの頂部ｈ２の径よりも小さくすることができる。つまり、貫通穴Ｈは、テーパー側面を有することができる。この場合、外部磁場Ｂによる磁束が、チャンネル層７の上面に対して斜めに入射しても、磁気シールド層Ｓに吸収されない。よって、外部磁場Ｂの入射角度をテーパー角度θに応じて変更できる。

また、図５（ａ）は、磁気シールド層Ｓの貫通穴の一形態を示す上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ２−Ｂ２線に沿った断面図である。図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図５（ａ）に示すように、貫通穴Ｈが磁気シールド層Ｓの厚み方向（Ｚ軸方向）からみて矩形状をなす場合、例えば短辺においてテーパー側面を設け、長辺においてテーパー側面を設けない構造にすることができる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、貫通穴Ｈの長辺方向では、貫通穴Ｈの底部ｈ１の径と頂部ｈ２の径を同一にすることができる。一方、図５（ｃ）に示すように、貫通穴Ｈの短辺方向では、貫通穴Ｈの底部ｈ１の径は、貫通穴Ｈの頂部ｈ２の径よりも小さくすることができる。この場合においても、外部磁場Ｂの入射角度をテーパー角度θに応じて変更できる。

また、磁気センサーは、貫通穴Ｈの軸方向と同じ方向の磁界を貫通穴Ｈに供給する永久磁石を更に備えることが好ましい。図６は、磁気センサーが永久磁石を備える例を示す上面図である。図６に示す磁気センサー１では、チャンネル層７の上面に形成された絶縁膜７ｂを介して、永久磁石８を更に備えている。永久磁石８は、貫通穴Ｈの軸方向（図６の例では±Ｚ軸方向）と同じ方向の磁界Ｚ１を発生するものであり、チャンネル層７の第一領域７１に対して貫通穴Ｈの軸方向と同じ（±Ｚ軸）方向の磁界を印加する。永久磁石８を用いて磁場をチャンネル層７に印加しない場合、検出対象の外部磁場Ｂがゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石８を用いて磁場をチャンネル層７に印加することにより、外部磁場Ｂがゼロでないときに出力のピークを出すことが可能となる。また、強磁性層１２と永久磁石８とが磁気的に結合することを避けるために、図６に示すように、強磁性層１２と永久磁石８とは、隙間を空けて配置されている。あるいは、強磁性層１２と永久磁石８との間に、絶縁膜が設けられていても良い。

また、貫通穴Ｈは、例えば、チャンネル層７の側面を覆う側部磁気シールド層に形成されていても良い。図７は、磁気センサーの変形例１を示す側面図である。図７に示す磁気センサー２では、貫通穴Ｈは、側部磁気シールド層Ｓ１０に形成されている。この磁気センサー２は、Ｙ軸方向の外部磁界を検出するものである。貫通穴Ｈは、強磁性層１２の下の領域に存在するチャンネル層７の側面に対向して配置している。すなわち、貫通穴Ｈが側部磁気シールド層Ｓ１０に形成されている場合、下部磁気シールド層には、貫通穴は形成されていない。これにより、外部磁場をチャンネル層７の側面から読み取ることができる。この場合においても、強磁性層１２の磁化方向（図７の例ではＺ軸方向）Ｇ４は、印加する外部磁場の磁場方向（例えばＹ軸方向）と非平行とすることが好ましい。

また、チャンネル層７の厚み方向から見た形状は、矩形状以外であってもよい。図８は、磁気センサーの変形例２を示す上面図である。図９は、図８のＪ−Ｊ線に沿った断面を示す側面図である。図８に示す磁気センサー３では、チャンネル層７の厚み方向（Ｚ軸方向）から見て、チャンネル層７は屈曲形状を有している。この磁気センサー３は、Ｙ軸方向の外部磁界を検出するものである。なお、図８では、絶縁膜７ｂの下にチャンネル層７が設けられているため、チャンネル層７は図示されていない。この場合、貫通穴Ｈは、屈曲形状をなすチャンネル層７の屈曲部Ｋの外側面ＫＳに対向して配置されている。図８及び図９に示す例では、貫通穴Ｈが、チャンネル層７の側面を覆う側部磁気シールド層Ｓ１１に、設けられている。このように、チャンネル層７が屈曲しており、貫通穴Ｈが屈曲形状の屈曲部Ｋの外側面ＫＳに対向して配置されていることにより、外部磁場Ｂなどの磁束の読み取り領域をコンパクトにすることができる。

また、図８に示すように、チャンネル層７の屈曲部Ｋの外側面ＫＳが平坦化されており、この外側面ＫＳに沿って側部磁気シールド層Ｓ１１が形成されていることが好ましい。これにより、外部磁場を読み取る面が平坦になり、例えば記録媒体などの読み取り対象面にこの平坦面Ｑを対向させれば、磁場検出を容易に行える。なお、図８及び図９では、強磁性層１２の磁化方向Ｇ５が、Ｘ軸方向に固定されている例を示し、この場合、外部磁場を例えばＹ軸方向から印加することができる。なお、永久磁石８をチャンネル層７の屈曲部Ｋの上面及び下面に対向するように配置し、貫通穴ＨにＹ軸方向の磁化を供給してもよい。

また、上述の磁気センサーを複数備えた磁気検出装置とすることができる。この場合、各磁気センサーの出力を合算することができる。このような磁気検出装置は、例えば癌細胞などを検知する生体センサーなどに適用できる。例えば、上述の磁気センサーを複数並列あるいは複数積層して、磁気検出装置とすることができる。図１０は、磁気センサーの変形例３を示す側面図である。一例として、図１０に、図９で示した磁気センサー３を複数積層した構成を示す。

また、強磁性層１２の磁化方向を固定する磁場は、評価対象である外部磁場Ｂよりも大きいことが好ましい。これにより、安定して外部磁場Ｂを検出することができる。

また、例えば書き込み用の記録ヘッド部を備える磁気ヘッドにおいて、上述の磁気センサーを読取ヘッド部に適用することができる。これにより、例えば記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な磁気ヘッドを提供できる。

また、電流源７０と出力測定器（例えば電圧測定器８０）の配置を交換してもよい。つまり、強磁性層１２及び第一参照電極２０Ａを出力測定器に接続し、強磁性層１２及び第二参照電極２０Ｂを電流源７０に接続してもよい。この場合においても、強磁性層１２は、受け取り電極としての機能と、注入電極としての機能を有する。

また、障壁層８１が、絶縁膜からなるトンネル障壁である例を示した。しかし、障壁層８１は、金属膜からなるトンネル障壁であってもよく、この場合、半導体のチャンネル層７と金属の障壁層８１とのショットキー障壁とすることができる。

また、強磁性層１２の磁化方向は、強磁性層１２上に設けられた反強磁性層によって、固定されていても良い。上述の磁気センサーは、例えば、強磁性層１２上に、磁化の向きを固定するための反強磁性層をさらに備えても良い。この場合、反強磁性層を設けない場合よりも、高い保磁力を一方向に有する強磁性層１２が得られる。

なお、上述したように、貫通穴Ｈから外部磁場Ｂをチャンネル層７に印加すると、チャンネル層７内に注入されたスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転する。仮に、貫通穴の軸方向と、強磁性層の磁化方向とが平行である場合、外部磁場の印加によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、貫通穴Ｈの軸方向と、強磁性層１２の磁化方向と、が非平行であれば、上述のような磁束の検出を好適にできる。

なお、強磁性層１２の磁化の向きは、図３や図８などのようにチャンネル層７との対向面と平行でもよく、図７のようにチャンネル層７との対向面に垂直でもよい。

また、外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力のピークの半値幅は、チャンネル層７におけるスピン寿命の逆数に比例するので、スピン寿命が長ければ磁場感度が良くなることとなる。チャンネル層７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。また、チャンネル層７におけるスピン寿命が短い方が磁場感度は悪くなるものの、広い範囲の磁場を検出できる。

また、上記では、チャンネル層７、強磁性層１２、及び磁気シールド層が、いわゆる「層」である例を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。チャンネル層７、強磁性層１２、及び磁気シールド層の各々は、上述の磁気センサーの構成物として使用できるものであれば、種々の形態のチャンネル、強磁性体、及び磁気シールドとすることができる。この場合、チャンネル、強磁性体、及び磁気シールドの各々は、例えば、球体状、円柱形状などの形態とすることができる。

１，２，３…磁気センサー、７…チャンネル層、７ａ，７ｂ…絶縁膜、８…永久磁石、１２…強磁性層、２０Ａ…第一参照電極、２０Ｂ…第二参照電極、Ｓ１…下部磁気シールド層、Ｓ１０，Ｓ１１…側部磁気シールド層、Ｈ…貫通穴、８１…障壁層、Ｋ…屈曲部。

Claims (12)

1. チャンネルと、
   前記チャンネル上の強磁性体、第一及び第二参照電極と、
   前記チャンネルにおける前記強磁性体と対向する部分を覆う磁気シールドと、
   前記チャンネルと前記磁気シールドの間に設けられた絶縁膜と、を備え、
   前記磁気シールドは、前記チャンネルにおける前記強磁性体と対向する前記部分に向かって延びる貫通穴を有する、磁気センサー。
2. 前記貫通穴の軸方向と、前記強磁性体の磁化方向と、が非平行である、請求項１に記載の磁気センサー。
3. 前記貫通穴の軸方向からみて、前記貫通穴の全断面が、前記チャンネルと対向している、請求項１または請求項２に記載の磁気センサー。
4. 前記貫通穴の底部の径は、前記貫通穴の頂部の径よりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサー。
5. 前記チャンネルは屈曲形状を有し、
   前記貫通穴は、前記チャンネルの屈曲部の外側面に対向して設けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気センサー。
6. 前記強磁性体の磁化方向は、前記強磁性体上に設けられた反強磁性体によって、固定されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサー。
7. 前記貫通穴の軸方向と同じ方向の磁界を前記貫通穴に供給する永久磁石を更に備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気センサー。
8. 前記強磁性体の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、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以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気センサー。
9. 前記チャンネルの材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気センサー。
10. 前記強磁性体と前記チャンネルとの間に、障壁層が形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気センサー。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気センサーを複数備える、磁気検出装置。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気センサーからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部と、を備える、磁気ヘッド。
    
    

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