JP2012253344A - ３端子スピントルク発振素子（ｓｔｏ） - Google Patents

Abstract

【課題】３端子スピントルク発振素子（ＳＴＯ）を提供する。
【解決手段】スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、非磁性導電スペーサ層を有する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）構造とトンネルバリア層を有するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）構造の両方の一部を形成する単一の自由強磁性層を有する。ＳＴＯは、導電スペーサ層を通じてスピントルク励起電流を、そして、トンネルバリア層を通じて相対的に小さな検知電流を供給する電気回路に接続する３つの電気端子を有する。ＳＴＯが磁界センサとして使用される際には、励起電流は、外部磁界が存在しない状態において自由層の磁化を固定された基底周波数において発振させる。検知電流に結合された検出器は、外部磁界に応答して基底周波数からの自由層磁化発振周波数のシフトを検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、一般に、スピントルク発振素子（Ｓｐｉｎ−Ｔｏｒｑｕｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＳＴＯ）に関し、且つ、更に詳しくは、ＳＴＯセンサを使用する磁界センサ及び検知システムに関する。

磁気記録ディスクドライブ内において読取りヘッドとして使用される従来のタイプの磁気抵抗（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）センサの１つが、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）効果に基づいた「スピンバルブ」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、非磁性導電スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む層の積層体を有し、非磁性導電スペーサ層は、通常、銅（Ｃｕ）である。スペーサ層に隣接した１つの強磁性層は、その磁化方向が、隣接する反強磁性層との間の交換結合による固定などによって固定されており、基準層と呼ばれる。スペーサ層と隣接するもう１つの強磁性層は、その磁化方向が、外部磁界が存在する状態において回転するべく自由であり、自由層と呼ばれる。検知電流がセンサに印加された場合に、ディスク上の記録されている磁気ビットからのものなどの外部磁界の存在に起因した基準層の磁化との関係における自由層の磁化の回転を、電気抵抗の変化として検出することができる。検知電流がセンサ積層体内の層の平面を通じて垂直方向に印加される場合に、このセンサは、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）センサと呼ばれる。

ＣＰＰ−ＧＭＲ読取りヘッド以外の別のタイプのＣＰＰセンサが、トンネルＭＲ又はＴＭＲセンサとも呼ばれる磁気トンネル接合センサであり、この場合には、非磁性スペーサ層が、非常に薄い非磁性トンネルバリア層である。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサにおいては、層を通じた垂直方向におけるトンネル電流は、２つの強磁性層内における磁化の相対的な向きによって左右される。ＣＰＰ−ＧＭＲ読取りヘッドにおいては、非磁性スペーサ層は、導電材料から形成され、これは、通常は、Ｃｕ又はＡｇなどの金属である。ＣＰＰ−ＴＭＲ読取りヘッドにおいては、非磁性スペーサ層は、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、又はＡｌ_２Ｏ_３などの電気絶縁材料から形成されている。

ＣＰＰ−ＭＲセンサにおいては、信号と、信号対ノイズ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）と、を最大にするべく、センサを高バイアス又は検知電流密度において動作させることが望ましい。しかしながら、ＣＰＰ−ＭＲセンサは、電流によって誘発されるノイズ及び不安定性の影響を受け易いことが知られている。スピン偏極バイアス電流が、強磁性層を通じて垂直方向に流れ、且つ、局所的磁化に対してスピントルク（Ｓｐｉｎ−Ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴ）効果を生成する。この結果、磁化の変動が生じ、検知電流が大きい場合に、かなりの低周波磁気ノイズが結果的に生成される可能性がある。

スピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサと呼ばれるＣＰＰ−ＧＭＲ又はＣＰＰ−ＴＭＲセンサ構造に基づいた代替センサは、スピントルク効果によって磁化の持続的な歳差運動が生成されるように、設計される。臨界電流と呼ばれるＩ_ｃを上回る固定された直流がＳＴＯセンサを通じて印加された際に、自由層の磁化は、ＳＴ効果によって歳差運動又は発振する。適切に設計された構造においては、この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加に伴ってシフトし、且つ、これらの周波数シフトを使用することにより、外部磁界の変化を検出することができる。従って、例えば、本出願と同一の譲受人に対して譲渡された（特許文献１）、並びに、（特許文献２）に記述されているように、磁気記録ディスクドライブ内において、従来のＣＰＰ−ＧＭＲ及びＣＰＰ−ＴＭＲ読取りヘッドの代わりに、ＳＴＯセンサを読取りヘッドとして使用することが提案されている。

ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、基準層と自由層の間のその非磁性導電スペーサ層に起因して、非常に高い電流密度において動作することができるが、その低磁気抵抗（ΔＲ／Ｒ）の結果として、その出力信号が非常に小さい。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、格段に大きな磁気抵抗を有するが、高電流密度においてトンネルバリアの絶縁破壊の影響を受け易い。

米国特許出願公開第２０１００３２８７９９Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００９０２０１６１４Ａ１号明細書 米国特許第７，６３３，６９９号明細書 米国特許出願第１２／１８８，１８３号明細書

Ｂ Ｒａｚａｖｉら著、「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｏｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｐｕｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ、３９、１４１５（２００４） Ｋ． Ｍｉｚｕｓｈｉｍａら著、「Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｓｉｇｎａｌ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｒａｔｅ ｒｅａｄ ｈｅａｄｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．、１０７、０６３９０４、２０１０ Ｂｏｎｅｔｔｉら著、「ＳＴＯ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｓ． ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ： Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ６５ ＧＨｚ」、ＡＰＬ ９４ １０２５０７（２００９） Ｊ． Ｇ． Ｚｈｕら著、「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、第４４巻、第１号、２００８年１月、１２５〜１３１頁

トンネルバリアの絶縁破壊の影響を受けにくく、高出力信号を有する、磁界検知システムのようなシステム内において使用されるＳＴＯが必要とされている。

本発明は、非磁性導電スペーサ層を有するＧＭＲ構造と、トンネルバリア層を有するＴＭＲ構造の両方の一部を形成する単一の自由層を有するスピントルク発振素子（ＳＴＯ）である。このＳＴＯは、導電スペーサ層を通じたスピントルク励起電流と、トンネルバリア層を通じた相対的に小さな検知電流と、を供給する電気回路に接続する３つの電気端子を有する。ＳＴＯは、ミキサ、ラジオ、携帯電話機、及びレーダー（車両レーダーを含む）内における発振素子として、且つ、マイクロ波アシスト磁気記録（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ：ＭＡＭＲ）における発振素子として、使用される用途を有する。

１つの具体的な用途においては、ＳＴＯは、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）ディスクドライブ読取りヘッドなどの磁界センサである。この用途においては、ＳＴＯセンサは、ディスク上の磁化された「ビット」又は領域などの検知対象である外部磁界が存在する場合に発振するべく実質的に自由である面内磁化を有する単一の自由強磁性層を有する。この自由層は、トンネルバリア層及び固定された面内磁化を有する第１基準層を有するＴＭＲ構造と、非磁性導電スペーサ層及び固定された面内磁化を有する第２基準層を有するＧＭＲ構造の両方の一部を形成する。ＳＴＯセンサは、電気回路に対する接続のための３つの電気接点又は端子を有する。第１端子は、第１基準層に対して電気的に結合され、第２端子は、第２基準層に対して電気的に結合され、且つ、第３端子は、導電スペーサ層又は自由層に対して電気的に結合される。ＳＴＯ端子に接続される電気回路は、励起電流源と、検知電流源と、を含む。励起電流は、ＧＭＲ構造の臨界電流を上回っており、且つ、外部磁界が存在しない状態において自由層の磁化を固定された基底周波数において発振させるための十分な電流密度を提供するべく十分に大きい。検知電流は、ＴＭＲ構造の臨界電流を下回っている。検知電流に結合された検出器は、ディスクの磁化された領域からの外部磁界に応答して基底周波数からの自由層磁化発振周波数のシフトを検出する。

本発明の特性及び利点について更に十分に理解するべく、添付図面との関連において以下の詳細な説明を参照されたい。

カバーが取り除かれた状態の従来の磁気記録ハードディスクドライブの概略的な平面図である。 スライダの拡大端面図及び図１の方向２−２において取得されたディスクの断面図である。 図２の方向３−３における図であり、且つ、読取り／書込みヘッドの端部を有するスライダのエアベアリング表面（Ａｉｒ−Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）を示す。 先行技術による磁気遮蔽体層の間に配置された層の積層体を示すＣＰＰ−ＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）読取りヘッドのＡＢＳの概略的な断面図である。 磁気記録ディスクドライブ実装における本発明の一実施形態による磁界スピントルク発振素子（ＳＴＯ）検知システムの概略図である。 ＳＴＯセンサが反射モードにある状態の図５の実施形態の概略図であるが、第２基準層が、積層体内に存在してはおらず、ＡＢＳから引っ込んでいる。 ＳＴＯセンサが透過モードにある状態の一実施形態の概略図であるが、第２基準層及び非磁性導電スペーサ層が、いずれも、積層体内に存在してはおらず、ＡＢＳから引っ込んでいる。 ＳＴＯセンサが透過モードにある状態の一実施形態の概略図であるが、第１基準層及びトンネルバリア層が、いずれも、積層体内に存在してはおらず、ＡＢＳから引っ込んでいる。

本発明による３端子ＳＴＯは、磁界センサ以外の用途を有しているが、以下においては、磁気記録ディスクドライブ読取りヘッドであるものとして詳細に説明することとする。

図１〜図４は、従来のＣＰＰ磁気抵抗（ｍａｇｎｅｔｒｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）磁界検知センサ及びシステムを示している。図１は、従来の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。ディスクドライブは、磁気記録ディスク１２と、ディスクドライブのハウジング又は基部１６上において支持されたロータリーボイスコイルモーター（Ｖｏｉｃｅ Ｃｏｉｌ Ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）アクチュエータ１４と、を含む。ディスク１２は、回転の中心１３を有しており、且つ、基部１６に取り付けられたスピンドルモーター（図示せず）によって方向１５に回転する。アクチュエータ１４は、軸１７を中心として回動し、且つ、剛性のアクチュエータアーム１８を含む。全体的に曲がりやすいサスペンション２０は、フレキシャ要素２３を含み、且つ、アーム１８の端部に装着されている。ヘッドキャリア又はエアベアリングスライダ２２がフレキシャ２３に装着されている。磁気読取りヘッド／書込みヘッド２４がスライダ２２のトレーリング表面２５上に形成されている。フレキシャ２３及びサスペンション２０により、スライダは、回転するディスク１２によって生成されるエアベアリング上において「ピッチング」及び「ローリング」することができる。通常、スピンドルモーターによって回転するハブ上に積層された複数のディスクが存在しており、別個のスライダ及び読取り／書込みヘッドがそれぞれのディスク表面と関連付けられている。

図２は、スライダ２２の拡大端面図及び図１の方向２−２において取得されたディスク１２の断面図である。スライダ２２は、フレキシャ２３に装着されており、且つ、ディスク１２と対向するエアベアリング表面（Ａｉｒ−Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）２７と、ＡＢＳに対して略垂直であるトレーリング表面２５と、を有している。ＡＢＳ２７により、回転するディスク１２からの空気流が、ディスク１２の表面に非常に接近したところに、即ち、これとほとんど接触するような状態において、スライダ２０を支持する空気のベアリングを生成する。読取り／書込みヘッド２４は、トレーリング表面２５上に形成され、且つ、トレーリング表面２５上の端子パッド２９に対する電気的接続により、ディスクドライブ読取り／書込み電子回路に接続されている。図２の断面図に示されているように、ディスク１２は、トラックを横断する方向において離隔した個々のデータトラック５０を有するパターン化媒体ディスクであり、これらのトラックのうちの１つが、読取り／書込みヘッド２４とアライメントされた状態において示されている。個々のデータトラック５０は、トラックを横断する方向にトラック幅ＴＷを有し、且つ、周方向において連続した磁化可能な材料から形成してもよく、この場合には、パターン化媒体ディスク１２は、ＤＴＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ−Ｔｒａｃｋ−Ｍｅｄｉａ）ディスクと呼ばれる。この代わりに、データトラック５０は、トラックに沿って離隔した個々のデータアイランドを含んでもよく、この場合には、パターン化媒体ディスク１２は、ＢＰＭ（Ｂｉｔ−Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ−Ｍｅｄｉａ）ディスクと呼ばれる。又、ディスク１２は、従来のＣＭ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｍｅｄｉａ）ディスクであってもよく、この場合には、記録層は、パターン化されておらず、記録材料の連続した層である。ＣＭディスクの場合には、書込みヘッドが連続した記録層上に書き込んだ際に、トラック幅ＴＷを有する同心のデータトラックが生成される。

図３は、図２の方向３−３における図であり、且つ、ディスク１２から観察した際の読取り／書込みヘッド２４の端部を示している。読取り／書込みヘッド２４は、スライダ２２のトレーリング表面２５上に堆積され且つリソグラフによってパターン化された一連の薄膜である。書込みヘッドは、垂直磁気書込み極（Ｗｒｉｔｅ Ｐｏｌｅ：ＷＰ）を含み、且つ、トレーリング遮蔽体及び／又は側部遮蔽体（図示せず）を含んでもよい。ＣＰＰ−ＭＲセンサ又は書込みヘッド１００は、２つの磁気遮蔽体Ｓ１とＳ２の間に配置されている。遮蔽体Ｓ１、Ｓ２は、通常はＮｉＦｅ合金である透磁性材料から形成されており、且つ、読取りヘッド１００に対する電気リードとして機能できるように導電性を有してもよい。これらの遮蔽体は、読取り対象であるデータビットに隣接した記録データビットから読取りヘッド１００を遮蔽するべく機能する。別個の電気リードを使用してもよく、この場合には、読取りヘッド１００は、遮蔽体Ｓ１、Ｓ２との接触状態にあるタンタル、金、又は銅などの導電性リード材料の層との接触状態において形成される。図３は、非常に小さな寸法を図示することが難しいため、縮尺通りではない。トラックに沿った方向における読取りヘッド１００の合計厚さが２０〜４０ｎｍの範囲であってよいのに対して、通常、それぞれの遮蔽体Ｓ１、Ｓ２は、トラックに沿った方向において数マイクロメートルの厚さを有する。

図４は、ディスクから観察した際のＣＰＰ−ＭＲセンサ構造を構成する層を示すＡＢＳの図である。センサ１００は、２つの磁気遮蔽体層Ｓ１、Ｓ２の間に形成された層の積層体を有するＣＰＰ−ＭＲ読取りヘッドである。センサ１００は、ＡＢＳにおける前部エッジと、トラック幅（ＴＷ）を規定する離隔した側部エッジ１０２、１０４と、を有する。遮蔽体Ｓ１、Ｓ２は、導電性材料から形成されており、且つ、従って、センサ積層体内の層を通じて略垂直方向に印加されるバイアス又は検知電流Ｉ_ｓ用の電気リードとして機能してもよい。或いは、別個の電気リード層を遮蔽体Ｓ１、Ｓ２とセンサ積層体の間に形成してもよい。下部遮蔽体Ｓ１は、通常、センサ積層体の成長のための滑らかな基材を提供するべく、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって研磨される。相対的に厚いＳ２の電気鍍金を円滑に実行するべく、薄いＲｕ／ＮｉＦｅ二重層などのシード層１０１が、通常は、スパッタリングにより、Ｓ２の下方に堆積される。

センサ１００の層は、横断方向に（頁に入ってゆく方向に）方向付けられた固定された磁気モーメント又は磁化方向１２１を有する基準強磁性層１２０と、ディスク１２からの横断方向の外部磁界に応答して層１１０の平面内において回転することができる磁気モーメント又は磁化方向１１１を有する自由強磁性層１１０と、基準層１２０と自由層１１０の間の非磁性スペーサ層１３０と、を含む。ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサであってもよく、この場合には、非磁性スペーサ層１３０は、通常はＣｕ、Ａｕ、又はＡｇなどの金属である導電性材料から形成されることになろう。或いは、ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰトンネルＭＲ（ＣＰＰ−ＴＭＲ）センサであってもよく、この場合には、非磁性スペーサ層１３０は、ＴｉＯ_２、ＭｇＯ、又はＡｌ_２Ｏ_３のような電気絶縁材料から形成されたトンネルバリアとなろう。

ＣＰＰ−ＭＲセンサ内の固定された強磁性層は、単一の固定層であるか、又は図４に示されているもののような反平行（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ：ＡＰ）固定構造であってよい。ＡＰ固定構造は、非磁性反平行結合（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）層１２３によって分離された第１（ＡＰ１）強磁性層１２２及び第２（ＡＰ２）強磁性層１２０を有しており、２つのＡＰ固定強磁性層の磁化方向は、実質的に反平行に方向付けされている。一方の面上において非磁性ＡＰＣ層１２０との接触状態あり、且つ、他方の面上においてセンサの非磁性スペーサ層１３０との接触状態にあるＡＰ２層１２０は、通常、基準層と呼ばれる。通常、一方の面上において反強磁性層１２４又は硬磁性固定層との接触状態にあり、且つ、他方の面上において非磁性ＡＰＣ層１２３との接触状態にあるＡＰ１層１２２は、通常、固定層と呼ばれる。ＡＰ固定構造は、基準層／固定層とＣＰＰ−ＭＲ自由強磁性層の間における正味の静磁気結合を最小となるようにする。ＡＰ固定構造は、しばしば、「ラミネート」固定層又はＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）とも呼ばれる。

図４のＣＰＰ−ＧＭＲセンサ内の固定層は、ＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３全体に反強磁性的に結合された基準強磁性層１２０（ＡＰ２）と下部強磁性層１２２（ＡＰ１）を有する周知のＡＰ固定構造である。ＡＰＣ層１２３は、通常、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒ、又はこれらの合金である。ＡＰ１及びＡＰ２層、並びに、自由強磁性層１１０は、通常、結晶質のＣｏＦｅ又はＮｉＦｅ合金、又はＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層などのこれらの材料の多重層から形成される。ＡＰ１及びＡＰ２強磁性層は、反平行に方向付けされたそれぞれの個別の磁化方向１２７、１２１を有する。ＡＰ１層１２２は、図４に示されているように、その磁化方向が、反強磁性（ＡＦ）層１２４に交換結合されることによって固定されていてもよい。ＡＦ層１２４は、通常、例えば、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、又はＲｈＭｎなどのＭｎ合金である。或いは、ＡＰ固定構造は、「自己固定型（ｓｅｌｆ−ｐｉｎｎｅｄ）」であってもよい。「自己固定型」センサにおいては、ＡＰ１及びＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、通常、磁気歪と、製造されたセンサ内に存在する残留応力と、により、ディスク表面に対して略垂直に設定される。ＡＰ１及びＡＰ２層は、類似のモーメントを有していることが望ましい。この結果、ＡＰ固定構造の正味の磁気モーメントが小さくなることが保証され、これにより、自由層１１０に対する静磁気結合が最小にされると共に、ＡＰ固定構造の正味のモーメントに略反比例するＡＦ層１２４の有効固定磁界が大きな状態に留まる。

シード層１２５を下部遮蔽体層Ｓ１とＡＰ固定構造の間に配置してもよい。ＡＦ層１２４を使用する場合には、シード層１２５によってＡＦ層１２４の成長が改善される。シード層１２５は、通常、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｔａ、Ｃｕ、又はＲｕの１つ又は複数の層である。キャップ層１１２が自由強磁性層１１０と上部遮蔽体層Ｓ２の間に配置されている。キャップ層１１２は、腐食保護を提供し、且つ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、或いは、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔｉ／Ｒｕ、又はＣｕ／Ｒｕ／Ｔａ三重層などの単一の層又は異なる材料の複数の層であってよい。

対象の範囲の外部磁界、即ち、ディスク上の記録されたデータからの磁界が存在する状態において、自由層１１０の磁化方向１１１は、基準層１２０の磁化方向１２１が固定状態に留まって回転しない状態において、回転することになる。従って、検知電流Ｉ_Ｓがセンサ積層体を通じて垂直方向に上部遮蔽体Ｓ２から下部遮蔽体Ｓ１に（又は、Ｓ１からＳ２に）印加される際に、ディスク上の記録されたデータからの磁界が、基準層の磁化１２１との関係における自由層の磁化１１１の回転を生成することになり、これを電気抵抗の変化として検出することができる。

通常は、ＣｏＰｔ又はＣｏＣｒＰｔ硬磁性バイアス層などの強磁性バイアス層１１５も、センサ積層体の外部のセンサ１００の側部エッジ１０２、１０４の近傍に形成される。このバイアス層１１５は、絶縁層１１６により、センサ１００の側部エッジ１０２、１０４から電気的に絶縁されている。特に、バイアス層がＣｏＰｔ又はＣｏＰｔＣｒ層である場合には、バイアス層１１５の成長を促進するべく、ＣｒＭｏ又はＣｒＴｉのようなＣｒ合金などの任意選択のシード層１１４を絶縁層１１６上に堆積してもよい。バイアス層１１５の上部には、Ｃｒの層又はＴａ／Ｃｒの多重層などのキャップ層１１８を堆積させる。例えば、Ｃｒなどのキャップ層１１８の上部層も、センサの製造の際に化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）停止層としての目的に寄与する。バイアス層１１５は、ＡＢＳに対して略平行な磁化１１７を有しており、且つ、従って、自由層１１０の磁化１１１を長手方向においてバイアスする。従って、外部磁界が存在しない状態において、その磁化１１７は、自由層１１０の磁化１１１に対して平行である。強磁性バイアス層１１５は、反強磁性層に対して交換結合した硬磁性バイアス層又は強磁性層であってよい。遮蔽体層Ｓ２用のＮｉＦｅ層などのシード層１０１をセンサ１００及びキャップ層１１８の上部に配置してもよい。

対象の範囲の外部磁界、即ち、ディスク１２上の記録されたデータからの磁界が存在する状態において、自由層１１０の磁化方向１１１は回転する一方、基準層１２０の磁化方向１２１は実質的に固定された状態に留まって回転しない。基準層の磁化１２１との関係における自由層の磁化１１１の回転は、電気抵抗の変化を結果的にもたらす。従って、検知直流Ｉ_Ｓをセンサ１００内の層の積層体を通じて印加した際に、抵抗の変化が、ディスク上の記録されたデータからの磁界信号の強度に比例した電圧信号として検出される。Ｉ_ｓが特定の臨界電流（Ｉ_ｃ）を上回る場合には、スピントルク（ＳＴ）効果によって自由層の磁化の旋回又は変動が発生し、この結果、センサの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を望ましくないレベルに低下させるかなりの低周波磁気ノイズが生じる可能性がある。

スピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサと呼ばれるＣＰＰ−ＧＭＲ又はＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいた代替センサは、自由層に対して作用するＳＴによって誘発された力を活用するべく、Ｉ_ｃを上回る検知電流において動作する。Ｉ_ｃを上回る固定された直流をこのタイプのＳＴＯセンサを通じて印加した際に、自由層の磁化は、ＳＴ効果により、歳差運動又は発振する。この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加に伴ってシフトし、且つ、これらの周波数シフトを使用することにより、外部磁界の変化を検出することができる。従って、例えば、本出願の本譲受人に譲渡された（特許文献１）、並びに、（特許文献２）に記述されているように、従来のＣＰＰ−ＧＭＲ及びＣＰＰ−ＴＭＲ読取りヘッドの代わりに、磁気記録ディスクドライブ内において読取りヘッドとしてＳＴＯセンサを使用することが提案されている。

ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、基準層と自由層の間のその導電スペーサ層に起因し、非常に高い電流密度において動作することができるが、その低い磁気抵抗（ΔＲ）の結果として、その出力信号が非常に小さい。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、格段に大きな磁気抵抗を有するが、高電流密度においてトンネルバリアの絶縁破壊の影響を受け易い。

本発明によるＳＴＯセンサは、ＣＰＰ−ＧＭＲ及びＣＰＰ−ＴＭＲセンサの両方の有利な側面を使用することにより、高電流密度において動作すると共に大きな出力信号を供給する。図５は、本発明の一実施形態によるＳＴＯセンサ２００を使用する磁界検知システムの概略図である。このシステムは、そのＡＢＳがディスク２５０と対向する状態においてＳＴＯセンサ２００を有する磁気記録ディスクドライブとして示されている。センサ２００は、ＣＰＰセンサ１００との関係において前述したＣＰＰ−ＧＭＲセンサとＣＰＰ−ＴＭＲセンサの両方の一連の個別の層及び特徴を含む。ディスク２５０は、基材２５２と、磁気記録媒体として機能する記録層２５４と、を有し、磁化された領域は、ＡＢＳに向かう又はこれから離れる方向に方向付けされた矢印によって示されている。ディスクが回転するのに伴って、磁化された領域は、矢印２１５の方向にセンサ２００を通過する。記録層２５４は、領域が記録層２５４の平面に対して垂直に磁化される垂直磁気記録媒体として示されているが、この代わりに、これは、領域が記録層２５４の平面内において磁化される水平磁気記録媒体であってもよい。ＳＴＯセンサ２００は、層の組を堆積させるための基材として機能してもよい第１遮蔽体層Ｓ１と、第２遮蔽体層Ｓ２と、検知対象の外部磁界が存在する状態において発振するべく実質的に自由である面内磁化２１１を有する単一の自由強磁性層２１０と、を有する。自由層２１０は、トンネルバリア層２３０及び固定された面内磁化２２１を有する第１基準層２２０を有するＴＭＲ構造と、非磁性導電スペーサ層２７０及び固定された面内磁化２６１を有する第２基準層２６０を有するＧＭＲ構造との両方の一部を形成している。基準層２２０、２６０のそれぞれは、単一の固定層であるか又はＡＰ固定構造のＡＰ２層であってよい。非強磁性導電金属層２２５が、電気の伝導を許容しつつ、Ｓ１と第１基準層２２０の間又はセンサ積層体内のその他の強磁性層の間のあらゆる磁気交換相互作用を遮断するべく、Ｓ１と第１基準層２２０の間に配置されている。同様に、非強磁性導電金属層２６５が、Ｓ２と第２基準層２６０の間に配置されている。層２２５、２６５用の代表的な材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔａ、及びＲｕである。積層体内におけるセンサの層の順序は、図５に示されているものと逆転させ、Ｓ１上の層２６５の上に、まず、第２基準層２６０を堆積させ、この後に、導電スペーサ層２７０、自由層２１０、トンネルバリア層２３０、第１基準層２２０、及び層２２５を配置し、層２２５の上にＳ２を配置することもできよう。

ＳＴＯセンサ２００は、電気回路３００に接続するための３つの電気接点又は端子を有している。端子３０１は、Ｓ１を介して第１基準層２２０に電気的に結合されており、端子３０２は、Ｓ２を介して第２基準層２６０に電気的に結合されており、且つ、端子３０３は、導電スペーサ層２７０又は自由層２１０に電気的に結合される。図５の実施形態においては、端子３０３は、導電スペーサ層２７０に接続されているが、これは、導電スペーサ層２７０又は自由層２１０に接続されてよい。端子３０１、３０２、３０３は、図５には、例示を容易にするべく、それぞれの個別の層に直接接続されるものとして示されているが、これらは、恐らくは、スライダ２２のトレーリング表面２５上の端子パッド２９により、図２に示されているように、スライダのトレーリング表面上に配置されることになろう。センサは、Ｓ１、導電スペーサ層２７０、及びＳ２を相互に電気的に絶縁するべく、ＡＢＳから引っ込んだ後部領域内に絶縁材料２９０を含む。

ＳＴＯセンサ２００に接続される回路は、導電スペーサ層２７０を通じて端子３０２、３０３の間において直流（ＤＣ）励起電流Ｉ_ｅを供給する定電流源３１０と、トンネルバリア層２３０を通じて端子３０１、３０３の間において直流ＤＣ検知電流Ｉ_ｓを供給する定電流源３２０と、を含む。励起電流は、ＧＭＲ構造の臨界電流Ｉ_ｃを上回っており、且つ、外部磁界が存在しない状態において自由層２１０の磁化２１１を固定された基底周波数において発振させるための十分な電流密度を供給するべく十分に大きい。検知電流Ｉ_ｓは、ＴＭＲ構造の臨界電流Ｉ_ｃを下回っている。検出器３５０が、検知電流Ｉ_ｓ用の回路に結合されている。検出器３５０は、記録層２５４の磁化された領域からの外部磁界に応答して、基底周波数からの自由層の磁化２１１の発振周波数のシフトを検出する。この代わりに、電流源３１０は、交流（ＡＣ）励起電流又はＣＤバイアスを有するＡＣ励起電流を印加してもよい。これにより、例えば、（非特許文献１）及び（特許文献３）などの文献に開示されているように、位相検出による磁界の関連する引寄せ及び検出と共に、固定された駆動周波数に対する発振素子の周波数ロックを実現することができる。

単一の自由層２１０は、ＧＭＲ構造とＴＭＲ構造によって共有される共通自由層であり、且つ、回路に対する３端子接続により、Ｉ_ｅがＩ_ｓから分離される。ＧＭＲ構造を通じたＩ_ｅによって生成される自由層の磁化２１１の発振を検知するべく、ＳＴ発振を励起するための大きなＩ_ｅは、導電スペーサ層２７０を通過し、小さなＩ_ｓは、トンネルバリア層２３０を通過する。小さなＩ_ｓは、ＴＭＲ構造の格段に大きな磁気抵抗信号の利点を依然として活用しつつ、トンネルバリア層２３０に跨る電圧を低く維持して絶縁破壊を回避する。

好適な実施形態においては、それぞれ、２つの基準層２２０、２６０の磁化２２１、２６１は、それぞれ、最大の臨界電流を得るべく、互いに実質的に平行であるべきである。外部磁界が存在しない状態において、自由層２１０の磁化２１１は、それぞれ、２つの基準層２２０、２６０の磁化２２１、２６１に対しては、実質的に反平行であるべきであり、且つ、ＡＢＳに対しては、実質的に垂直であるべきである。自由層２１０の磁化２１１は、記録層２５４に向かう又はこれら離れる方向を指すことができる。代替実施形態においては、２つの基準層２２０、２６０の磁化２２１、２６１は、それぞれ、実質的に反平行であってよい。この結果、閾値電流が低下することになるが、これは、基準層２２０、２６０からの静磁気相互作用を通じた自由層２１０上における有効磁界を制御するのに有用である。

ＧＭＲ構造に対する励起電流源３１０の接続の方式により、ＳＴが自由層２１０内に付与される方式が規定される。図５の実施形態においては、第３端子３０３は、導電スペーサ層２７０に接続されている。これは、大部分の電子が自由層２１０を通じて流れず、むしろ、ＳＴを自由層２１０に付与する導電スペーサ層２７０内におけるスピンの蓄積によってスピン電流が生成されるため、「反射」モードである。ＳＴＯセンサ２００の代替実施形態は、端子３０３が、導電スペーサ層２７０の代わりに、自由層２１０に対して接続されている点を除いて、図５と同一のものとなろう。これは、電子が自由層２１０に流入し、且つ、自由層２１０に対して直接的にＳＴを付与するため、「透過」モードである。透過モードは、ＳＴの付与においてより効率的であり、従って、反射モードの場合において必要とされるものよりも、小さな励起電流しか必要としない。

反射モードにおいて動作する本発明によるディスクドライブＳＴＯセンサの一例として、臨界電流Ｉ_ｃの密度は、約１０^７〜１０^８Ａ／ｃｍ^２のレベルであってよい。３〜５×１０^７Ａ／ｃｍ^２（透過）又は１〜５×１０^８Ａ／ｃｍ^２（反射）の電流密度を有する励起電流Ｉ_ｅにより、外部磁界が存在しない状態において、自由層２１０の磁化２１１は、（使用される強磁性材料の飽和磁化に応じて）約４〜８ＧＨｚの共振又は基底周波数において歳差運動又は発振することになろう。記録層２５４内における正及び負の磁化は、センサが媒体の上方を通過する高さにおいて１００〜５００Ｏｅの磁界を生成し、且つ、最大で２ＧＨｚの周波数において自由層２１０を通過するであろう。この磁界は、約±１ＧＨｚという自由層２１０の磁化２１１の発振の基底周波数のシフトを生成することになろう。検知電流Ｉ_ｓは、約１０^７Ａ／ｃｍ^２の電流密度を有することになろう。検出器３５０は、トンネルバリア層２３０に跨る電気抵抗の変化を計測することにより、自由層の磁化の発振周波数を計測することができる。１つの検出法においては、自由層の磁化の発振からの周波数変調（ＦＭ）信号を電圧パルスの列（デジタル信号）に変換し、且つ、ＦＭ検出のために遅延検出法を利用している（非特許文献２）。

用途が磁気記録である場合には、トラックに沿った方向（図５の矢印２１５の方向に対して平行な方向）における記録された磁気ビットの最大の空間分解能を実現するべく、磁気遮蔽体間における可能な限り狭い空間内にＳＴＯセンサ層を嵌め込むことが望ましい。図５において、層の組は、層の積層体の形態を有しており、それぞれの層が、例えば、Ｓ１などの基材上に順番に堆積されており、トンネルバリア層２３０が自由層２１０の１つの表面との接触状態にあり、且つ、導電スペーサ層２７０が自由層２１０の反対側の表面との接触状態にある。図６は、図５の実施形態の変形例を示しており、このＳＴＯセンサは、反射モードにあるが、第２基準層２６０ａが、積層体内に存在してはおらず、導電スペーサ層２７０ａと略同一の平面内に形成されている。第２基準層２６０ａは、図６においては、ＡＢＳから引っ込んだ状態において示されているが、これは、この代わりに、導電スペーサ層２７０ａの（トラックを横断する方向において）側部に対して配置し、且つ、依然として導電スペーサ層２７０ａと略同一の平面内に形成することもできるであろう。いずれの場合にも、Ｓ１−Ｓ２の遮蔽体間の間隔は、図５の実施形態から低減される。この反射モードの実施形態において、端子３０３は、導電スペーサ層２７０ａに対するその接続を、第２基準層２６０ａを通じて実現しており、従って、励起電流は、引っ込んだ第２基準層２６０ａ及び導電スペーサ層２７０ａを通過する。

図７は、透過モードにおけるＳＴＯセンサを有する一実施形態を示しており、この場合には、第２基準層２６０ｂ及び非磁性導電スペーサ層２７０ｂが、積層体内に存在しておらず、いずれもが、自由層２１０と略同一の平面内に形成されている。第２基準層２６０ｂ及び導電スペーサ層２７０ｂは、図７においては、ＡＢＳから引っ込んだ状態において示されているが、これらは、この代わりに、自由層２１０の（トラックを横断する方向において）側部に配置し、且つ、依然として自由層２１０と略同一の平面内に形成することもできるであろう。いずれの場合にも、Ｓ１−Ｓ２の遮蔽体間の間隔は、図５の実施形態から低減される。この透過モードの実施形態においては、励起電流は、引っ込んでいる第２基準層２６０ｂ、導電スペーサ層２７０ｂ、及び自由層２１０を通過する。

図８は、透過モードにおけるＳＴＯセンサを有する一実施形態を示しており、この場合には、第１基準層２２０ａとトンネルバリア層２３０ａの両方が積層体内に存在しておらず、いずれもが、自由層２１０と略同一の平面内に形成されている。第１基準層２２０ａ及びトンネルバリア層２３０ａは、図８においては、ＡＢＳから引っ込んだ状態において示されているが、これらは、この代わりに、自由層２１０の（トラックを横断する方向において）側部に対して配置し、且つ、依然として自由層２１０と略同一の平面内に形成することができよう。いずれの場合にも、Ｓ１−Ｓ２の遮蔽体間の間隔は、図５の実施形態から低減される。この透過モードの実施形態においては、励起電流は、Ｓ１から非磁性スペーサ層２７０及び自由層２１０を通じてＳ２に通過する。

本発明においては、自由層２１０内にスピントルク効果を誘発するべく、ＳＴＯセンサ２００が、Ｉ_ｃを上回る電流レベルにおいて動作することが必要であるため、ＣＣＰセンサ内の自由層に使用される材料の特性は、Ｉ_ｃを低減又は増大させ、且つ、これにより、供給を要する励起電流Ｉ_ｅのレベルを変化させるように、選択することができる。例えば、自由層の発振の生成の際に浪費される電力を制限するべく、相対的に低いＩ_ｃが望ましいであろう。ＳＴＯセンサ内の励起電流を変化させるための自由層用の特定タイプの材料の使用法については、２００８年８月７日付けで出願され、且つ、本出願と同一の譲受人に譲渡された（特許文献４）に記述されている。

臨界電流は、一般に、次式によって付与される。
Ｉ_Ｃ＝（α／ｇ）Ｍ_ｓｔ（Ｈ_ｋ＋２πＭ_ｓ）
ここで、αは、減衰パラメータであり、ｇは、強磁性材料のスピン偏極によって左右されるパラメータであり、Ｍ_ｓは、飽和磁化であり、ｔは、自由層の厚さであり、且つ、Ｈ_ｋは、自由層の異方性磁界である。積Ｍ_ｓ＊ｔは、ディスク上の記録されたビットからの磁束によって決定され、且つ、通常は、例えば、４０Åのパーマロイに相当（約８００ｅｍｕ／ｃｍ^３）などのように、等価なＮｉＦｅ合金の厚さの観点において付与される。従って、パラメータα、Ｍ_ｓ、及びＨ_ｋの望ましい値を有する自由層材料を選択することにより、Ｉ_ｃを変化させることができる。例えば、Ｎｉ_８１Ｆｅ_１９は、約０．０１〜０．０２という小さなα、約８００ｅｍｕ／ｃｍ^３という小さなＭ_ｓ＊ｔ、及び約１Ｏｅという小さな固有異方性磁界Ｈ_ｋを有する。

又、高スピン偏極材料は、強磁性材料のスピン偏極によって左右されるパラメータｇの値を増大させることにより、Ｉ_Ｃを大幅に減少させることになる。従って、自由強磁性層２１０は、いくつかのものがバルクの形態において高スピン偏極を有することが知られている強磁性ホイスラー合金から形成してもよく、或いは、これを有してもよい。フル及びハーフホイスラー合金は、特定の組成及び結晶構造を有する合金（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｓ）である。ホイスラー合金の例は、限定はしないが、フルホイスラー合金Ｃｏ_２ＭｎＸ（ここで、Ｘは、Ａｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇａ、又はＧｅのうちの１つ以上のものである）、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、及びＣｏ_２Ｆｅ_ｘＣｒ_{（１−ｘ）}Ａｌ（ここで、ｘは、０と１の間である）を含む。又、例は、限定はしないが、ハーフホイスラー合金ＮｉＭｎＳｂ及びＰｔＭｎＳｂをも含む。完全なホイスラー合金は、１００％のスピン偏極を有することになる。しかしながら、薄膜の形態において、且つ、有限な温度において、ホイスラー合金のバンド構造は、その理想的な半金属構造から逸脱し、且つ、スピン偏極が減少する可能性がある。例えば、いくつかの合金は、化学的なサイト無秩序性（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｉｔｅ ｄｉｓｏｒｄｅｒ）を示し、且つ、Ｌ２_１ホイスラー構造の代わりに、Ｂ２構造において結晶化する場合がある。しかしながら、その場合にも、スピン偏極は、従来の強磁性合金のものを上回るであろう。従って、本明細書において使用されている「ホイスラー合金」は、既知のホイスラー合金のものと実質的に同一の組成を有し、且つ、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅ合金などの従来の強磁性材料と比べて改善されたスピン偏極を結果的にもたらす合金を意味することになる。

使用可能な別の種類の材料は、一般的な自由層の厚さに匹敵する短いスピン拡散長を有するものである。高スピン偏極を有する材料と同様に、これらは、短い長さの尺度においてスピンを散乱させる効果を有しており、従って、スピントルクの不安定性を誘発する。このような好適な材料の１つは、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{（１００−ｙ）}Ｍ_ｙという組成を有し、ここで、Ｍは、Ａｌ、Ｇｅ、及びＳｉからなる群から選択される元素であり、且つ、ｘは、略４０と６０の間であり、且つ、ｙは、略２０と４０の間である。これらの材料は、適度に大きなスピン偏極及び小さな磁気減衰という利点を有しており、これは、本発明のセンサにおいては、Ｉ_Ｃを低減するべく望ましい。

以上、磁界センサ、具体的には、磁気記録ディスクドライブの読取りヘッドとしての用途に基づいて、本発明による３端子ＳＴＯについて詳細に説明したが、本発明は、その他の用途を有している。トンネルバリア層を通じた検知電流を使用して自由層の発振の周波数又は位相を検出することができることに伴う利益をそのいずれもが享受するであろう３端子ＳＴＯのその他の用途は、ミキサ、ラジオ、携帯電話機、及びレーダ（車両レーダーを含む）を含む。例えば、（非特許文献３）を参照されたい。

更に別の用途は、磁気記録ディスクドライブなどの磁気記録における高周波数アシスト書込み（ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｗｒｉｔｉｎｇ）用のものである。マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）とも呼ばれるこの技法においては、ＳＴＯは、従来の書込みヘッドからの書込み磁界を補助する磁界として、高周波数の発振磁界を記録層の磁性粒子に対して印加する。この補助磁界は、アシスト記録を伴うことなしに可能なものよりも小さな、従来の書込みヘッドからの書込み磁界において、粒子の磁化のスイッチングを円滑に実行するべく、記録層内の磁性粒子の共振周波数に近い周波数を有してもよい。１つのタイプのＭＡＭＲシステムにおいては、ＧＭＲ又はＴＭＲに基づいた２端子ＳＴＯは、励起電流が存在しない状態において層の平面に対して垂直に方向付けされた基準層の磁化及び自由層の磁化によって動作する。例えば、（非特許文献４）を参照されたい。従って、図５に示されているもののような本発明による３端子ＳＴＯをＭＡＭＲ用のＳＴＯとして使用した際には、それぞれ、基準層２２０、２６０の磁化２２１、２６１は、層の平面に対して垂直に方向付けされることになり、且つ、自由層２１０の磁化２１１も、励起電流Ｉ_ｅが存在しない状態において、層の平面に対して垂直に方向付けされることになろう。これにより、トンネルバリア層２３０を通じた検知電流Ｉ_ｓを使用し、自由層の磁化２１１の発振の周波数を監視する。

以上、好適な実施形態を参照し、本発明について具体的に図示及び説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなしに、形態及び詳細における様々な変更を実施してもよいことを理解するであろう。従って、開示された発明は、例示を目的としたものに過ぎず、且つ、添付の特許請求の範囲に記載されている範囲によってのみ限定されるものと解釈されたい。

２００ ＳＴＯセンサ
２１０ 自由強磁性層
２２０ 第１強磁性基準層
２２０ａ、第１基準層
２２５、２６５ 非強磁性導電金属層
２３０ 非磁性トンネルバリア層
２３０ａ トンネルバリア層
２５０ ディスク
２５２ 基材
２５４ 記録層
２６０ 第２強磁性基準層
２６０ａ、２６０ｂ 第２基準層
２７０、２７０ａ、２７０ｂ 非磁性導電スペーサ層
２９０ 絶縁材料
３００ 電気回路
３０１、３０２、３０３ 電気端子
３１０、３２０ 電流源
３５０ 検出器
Ｓ１ 第１遮蔽体層
Ｓ２ 第２遮蔽体層

Claims (21)

1. スピントルク発振素子であって、
   基材と、
   前記基材上の層の組であって、
   自由強磁性層であって、該自由強磁性層の平面を通じて垂直方向に励起電流が存在する場合に発振する磁化を有する自由強磁性層と、
   固定された磁化を有する第１強磁性基準層と、
   前記自由強磁性層と前記第１強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性トンネルバリア層と、
   固定された磁化を有する第２強磁性基準層と、
   前記自由強磁性層と前記第２強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性導電スペーサ層と、
   を有する層の組と、
   前記スピントルク発振素子に電気回路を接続するための３つの電気端子であって、前記３つの電気端子の第１の電気端子は、前記第１強磁性基準層に対して電気的に結合され、前記３つの電気端子の第２の電気端子は、前記第２強磁性基準層に対して電気的に結合され、且つ、前記３つの電気端子の第３の電気端子は、前記非磁性導電スペーサ層と前記自由強磁性層のうちの１つに対して電気的に結合される、３つの電気端子と、
   を有するスピントルク発振素子。
2. 前記第１及び第２強磁性基準層の各層の磁化は、実質的に各層の平面に対して垂直に方向付けられている、
   請求項１に記載のスピントルク発振素子。
3. 前記第１及び第２強磁性基準層の各層の磁化は、実質的に各層の平面内において方向付けられている、
   請求項１に記載のスピントルク発振素子。
4. 前記第１及び第２強磁性基準層の磁化方向は、互いに実質的に平行であり、且つ、前記自由強磁性層の磁化方向は、励起電流が存在しない状態において、前記第１及び第２強磁性基準層の磁化方向に対して実質的に反平行である、
   請求項３に記載のスピントルク発振素子。
5. 前記非磁性導電スペーサ層を通じて励起電流を供給すると共に前記非磁性トンネルバリア層を通じて相対的に小さな検知電流を供給するべく前記層の組に対して接続された電気回路を更に有し、前記励起電流は、直流及び交流から選択され、且つ、前記自由強磁性層の磁化を発振させるべく十分な電流密度を有する、
   請求項１に記載のスピントルク発振素子。
6. 前記自由強磁性層は、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{（１００−ｙ）}Ｍ_ｙという組成を有し、ここで、Ｍは、Ａｌ、Ｇｅ及びＳｉからなる群から選択される元素であり、ｘは約４０と６０の間であり、且つ、ｙは約２０と４０の間である、
   請求項１に記載のスピントルク発振素子。
7. 前記自由強磁性層は、Ｃｏ_２ＭｎＸ（ここで、Ｘは、Ａｌ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｇａ及びＧｅからなる群から選択される）、ＮｉＭｎＳｂ、ＰｔＭｎＳｂ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ及びＣｏ_２Ｆｅ_ｘＣｒ_{（１−ｘ）}Ａｌ（ここで、ｘは０と１の間である）からなる群から選択される強磁性ホイスラー合金を有する、
   請求項１に記載のスピントルク発振素子。
8. 外部磁界を検知するスピントルク発振素子センサであって、
   基材と、
   前記基材上の層の組であって、
   検知対象の外部磁界が存在する状態において発振するべく実質的に自由である面内磁化を有する自由強磁性層と、
   固定された面内磁化を有する第１強磁性基準層と、
   前記自由強磁性層と前記第１強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性トンネルバリア層と、
   固定された面内磁化を有する第２強磁性基準層と、
   前記自由強磁性層と前記第２強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性導電スペーサ層と、
   を有する層の組と、
   前記層の組に電気回路を接続するための３つの電気端子と、
   を有するスピントルク発振素子センサ。
9. 前記３つの電気端子の第１の電気端子は、前記第１強磁性基準層に対して電気的に結合され、前記３つの電気端子の第２の電気端子は、前記第２強磁性基準層に対して電気的に結合され、且つ、前記３つの電気端子の第３の電気端子は、前記非磁性導電スペーサ層と前記自由強磁性層のうちの１つに対して電気的に結合される、
   請求項８に記載のスピントルク発振素子センサ。
10. 前記基材は、透磁性材料の第１遮蔽体層であり、且つ、前記スピントルク発振素子センサは、透磁性材料の第２遮蔽体層を更に有し、前記層の組は、前記第１遮蔽体層と第２遮蔽体層の間に配置され、且つ、前記３つの電気端子の第１の電気端子は、前記第１遮蔽体層に対して電気的に結合され、前記３つの電気端子の第２の電気端子は、前記第２遮蔽体層に対して電気的に結合され、且つ、前記３つの電気端子の第３の電気端子は、前記非磁性導電スペーサ層と前記自由強磁性層のうちの１つに対して電気的に結合される、
    請求項８に記載のスピントルク発振素子センサ。
11. 前記層の組は、層の積層体である、
    請求項１０に記載のスピントルク発振素子センサ。
12. 前記第２強磁性基準層は、前記非磁性導電スペーサ層と実質的に同一の平面内に配置される、
    請求項１０に記載のスピントルク発振素子センサ。
13. 前記第１強磁性基準層と前記第２強磁性基準層のうちの１つは、前記自由強磁性層と実質的に同一の平面内に配置される、
    請求項１０に記載のスピントルク発振素子センサ。
14. 前記第１及び第２強磁性基準層の磁化方向は、互いに実質的に平行であり、且つ、前記自由強磁性層の磁化方向は、外部磁界が存在しない状態において、前記第１及び第２強磁性基準層の磁化方向に対して実質的に反平行である、
    請求項８に記載のスピントルク発振素子センサ。
15. 磁界検知システムであって、
    請求項８に記載のスピントルク発振素子センサと、
    前記非磁性導電スペーサ層を通じて励起電流を供給すると共に前記非磁性トンネルバリア層を通じて相対的に小さな検知電流を供給するべく前記層の組に対して接続された電気回路であって、前記励起電流は、前記自由強磁性層の磁化を外部磁界が存在しない状態において基底周波数において発振させるべく十分な電流密度を有する、電気回路と、
    外部磁界に応答して前記基底周波数からの前記自由強磁性層の磁化の発振周波数のシフトを検出するべく前記電気回路に対して結合された検出器と、
    を有するシステム。
16. ディスクドライブであって、
    磁界を供給する磁化された領域を有する回転可能な磁気記録ディスクであって、前記磁化された領域の間の遷移がデータを表している、回転可能な磁気記録ディスクと、
    磁気記録ディスクと対向する表面を有するキャリアと、
    前記キャリア上の第１及び第２透磁性遮蔽体と、
    前記キャリアにより前記磁気記録ディスクの近傍において支持され、前記磁気記録ディスク上の前記磁化された領域から磁界を検出する、前記第１及び第２透磁性遮蔽体の間の読取りセンサであって、
    前記磁気記録ディスクからの磁界が存在しない状態において前記キャリアの前記磁気記録ディスクに対向する表面に実質的に直交する方向に方向付けされていると共に、前記磁気記録ディスクからの磁界が存在する状態において振動するべく実質的に自由である面内磁化を有する自由強磁性層と、
    前記自由強磁性層と接触状態にはなく、且つ、前記磁気記録ディスクからの磁界が存在しない状態において前記自由強磁性層の磁化に対して実質的に反平行に方向付けされて固定された面内磁化を有する第１強磁性基準層と、
    前記自由強磁性層と前記第１強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性トンネルバリア層と、
    前記自由強磁性層と接触状態にはなく、且つ、前記第１強磁性基準層の磁化に対して実質的に平行に方向付けされて固定された面内磁化を有する第２強磁性基準層と、
    前記非磁性トンネルバリア層と接触状態にはなく、且つ、前記自由強磁性層と前記第２強磁性基準層の間に位置し、且つ、これらと接触状態にある非磁性導電スペーサ層と、
    を有する読取りセンサと、
    前記非磁性導電スペーサ層を通じて励起電流を供給する励起電流供給手段であって、前記励起電流は、前記磁気記録ディスクからの磁界が存在しない状態において前記自由強磁性層の磁化を基底周波数において発振させるべく十分な電流密度を有する、励起電流供給手段と、
    前記励起電流未満の電流密度で、前記非磁性トンネルバリア層を通じて直流検知電流を供給する検知電流供給手段と、
    前記直流検知電流に応答し、前記磁気記録ディスクからの磁界に応答して前記基底周波数からの前記自由強磁性層の磁化の発振周波数のシフトを検出する検出器と、
    を有するディスクドライブ。
17. 前記第１及び第２透磁性遮蔽体のうちの一方に対して接続された第１電気端子と、他方に対して接続された第２電気端子と、前記非磁性導電スペーサ層及び前記自由強磁性層から選択された１つの層に対して接続された第３電気端子と、を更に有し、前記励起電流供給手段は、前記第３電気端子と前記第１及び第２電気端子のうちの１つとの間に接続され、且つ、前記検知電流供給手段は、前記第３電気端子と、前記励起電流供給手段に接続されていない前記第１及び第２電気端子のうちの１つとの間に接続される、
    請求項１６に記載のディスクドライブ。
18. 前記非磁性トンネルバリア層は、前記自由強磁性層の一方の表面と接触状態にあり、且つ、前記非磁性導電スペーサ層は、前記自由強磁性層の他方の表面と接触状態にある、
    請求項１６に記載のディスクドライブ。
19. 前記第１及び第２強磁性基準層は、前記キャリアの前記磁気記録ディスクと対向している表面から引っ込んでいる、
    請求項１６に記載のディスクドライブ。
20. 前記第２強磁性基準層及び前記非磁性導電スペーサ層は、前記キャリアの前記磁気記録ディスクと対向している表面から引っ込んでいる、
    請求項１６に記載のディスクドライブ。
21. 前記磁気記録ディスクの前記磁化された領域は、前記磁気記録ディスクに対して実質的に垂直の方向に磁化される、
    請求項１６に記載のディスクドライブ。

Images