JP2017191626A - 磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間分解能の高い磁気センサを提供することを目的とする。【解決手段】本発明の磁気センサは、チャネル層と、前記チャネル層の第１の部分に設けられ、外部磁場を検出する磁化自由層と、前記チャネル層の第１の部分とは異なる第２の部分に設けられ、前記チャネル層にスピンを注入する第１磁化固定層と、前記チャネル層の前記第２の部分を挟み、前記第１の部分と反対側に位置する第３の部分に設けられた参照電極と、前記磁化自由層と前記参照電極に電気的に接続され、前記チャネル層の磁化と前記磁化自由層の磁化の相対角に依存した電位差を測定する電圧計と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録装置に関する。

薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる磁気センサとして、磁気抵抗素子が知られている。一般的に磁気抵抗素子では、磁化固定層と磁化自由層との間に電流を流すため、高出力が得られる。しかしながら、磁気抵抗素子を用いた磁気センサでは、電流が与えるスピントルクによる磁壁の移動などに起因する不必要な信号が得られてしまう。

一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面（スピンを蓄積するためのチャネル層）上に形成するスピン蓄積型（ＳＡ：Ｓｐｉｎ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）磁気センサが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。

薄膜磁気記録再生ヘッドにスピン蓄積型磁気センサを用いた場合、磁気記録媒体などの外部磁場を感知する磁化自由層に電流を流す必要がない。すなわち、スピン蓄積型磁気センサでは、純スピン流のみを利用して、磁気状態を出力電圧として検出することが可能である。従って、磁気抵抗素子で観測されてしまう不必要な信号が、スピン蓄積型磁気センサでは観測される恐れは少ない。

またスピン蓄積型磁気センサは、磁化固定層を設置する位置が限定されない。そのため、磁化固定層を外部磁場の影響を受けにくい位置に設置することができる。磁化固定層への外部磁場の影響を抑えることで、ノイズが低減され、空間分解能を高めることが可能である。

特許第５３３８２６４号公報 特開２０１５−２６７４１号公報

例えば、特許文献１には、チャネル層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角に依存した抵抗値変化を、チャネル層と磁化自由層に接続された電圧計で読み取るスピン蓄積型磁気センサが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の磁気センサにおける電圧計は、チャネル層及び磁化自由層と近接した位置でそれぞれに接続されている。そのため、電位差の基準となる部分（チャネル層における電圧計と接続された部分）が、外部磁場の影響を受ける位置に存在する。電位差の基準が外部磁場の影響を受けると、充分に空間分解能を高めることができない。

また例えば、特許文献２には、３端子構造のスピン蓄積型磁気センサが記載されている。３端子構造とすることで、磁気センサの小型化と外部磁場の影響を低減できることが記載されている。

しかしながら、特許文献２に記載の磁気センサは、純スピン流を電圧として検出する経路と、チャネル層にスピンを注入する経路が一部で共通している。そのため、スピンを注入経路における電圧降下が、純スピン流の出力電圧のバックグラウンドとなってしまう。そのため、充分なバックグラウンドと出力の比が得られず、高い空間分解能を示すことができない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、空間分解能の高い磁気センサを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）本発明の一態様にかかる磁気センサは、チャネル層と、前記チャネル層の第１の部分に設けられ、外部磁場を検出する磁化自由層と、前記チャネル層の第１の部分とは異なる第２の部分に設けられ、前記チャネル層にスピンを注入する第１磁化固定層と、前記チャネル層にスピン流を注入するための電流を前記第１磁化固定層に流す電流源と、前記チャネル層の前記第２の部分を挟み、前記第１の部分と反対側に位置する第３の部分に設けられた参照電極と、前記磁化自由層と前記参照電極との間の電圧を測定する電圧計と、を備える。

（２）上記（１）に記載の磁気センサにおいて、前記電流は、前記チャネル層において前記チャネル層の延在面に対して交差する方向に流れる構成とされ、前記チャネル層が等電位である構成でもよい。

（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気センサにおいて、前記チャネル層の前記第１磁化固定層が形成された面と反対側の面に設けられ、前記第１磁化固定層から注入されるスピンの向きと同一の向きのスピンを前記チャネル層に注入する第２磁化固定層をさらに備えてもよい。

（４）上記（３）に記載の磁気センサにおいて、前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層の少なくとも一部が、前記チャネル層の延在方向の重なる位置に設けられていてもよい。

（５）上記（４）に記載の磁気センサにおいて、前記電流源が、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層と電気的に接続され、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層の積層方向に電流を流す構成でもよい。

（６）上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第１磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える構成でもよい。

（７）上記（３）〜（６）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第２磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える構成でもよい。

（８）上記（３）〜（７）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記参照電極が、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層から、前記チャネル層のスピン拡散長よりも離れた位置にあってもよい。

（９）上記（３）〜（８）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記磁化自由層が、前記第１磁化固定層または前記第２磁化固定層と、前記チャネル層のスピン拡散長より近い位置にあってもよい。

（１０）上記（３）〜（９）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層は、それぞれ前記チャネル層と反対側の面に、非磁性層と、強磁性体層とを順に有し、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層の磁化の向きは、それぞれに積層された前記強磁性体層によってそれぞれ固定されている構成でもよい。

（１１）上記（１）〜（１０）のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記磁化自由層の少なくとも一部が磁気シールドされていてもよい。

（１２）本発明の一態様にかかる磁気ヘッドは、上記（１）〜（１１）のいずれか一つに記載の磁気センサを備える。

（１３）本発明の一態様にかかる磁気記録装置は、磁化によりデータを記録する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の記録層に、前記磁化自由層を対向させて配置された上記（１２）に記載の磁気ヘッドと、を備える。

本発明によれば、空間分解能の高い磁気センサを提供することができる。

本発明の第１実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる磁気記録装置の検出部を模式的に示した断面模式図である。 本発明の第１実施形態にかかる磁気記録装置の動作を説明するための断面模式図である。 比較例にかかるにかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。 本発明の第２実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。 本発明の第３実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。 本発明の第４実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。

以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第１実施形態にかかる磁気記録装置は、磁気ヘッド２００と、磁気記録媒体Ｗとを有する。

ここで、方向について図１に示すように定義する。磁気記録媒体Ｗが延在する一方向をｘ方向とし、ｘ方向と垂直な方向をｙ方向として、ｘｙ面が磁気記録媒体Ｗの主面に平行になるようにとる。また磁気記録媒体Ｗと磁気ヘッド２００とを結ぶ方向であって、ｘｙ平面に対して垂直な方向をｚ方向とする。

磁気記録媒体Ｗは、磁気情報を磁化の向きとして記録する。磁気記録媒体Ｗは、記録層Ｗ１と裏打ち層Ｗ２とを有する。記録層Ｗ１は磁気記録を行う部分であり、裏打ち層Ｗ２は磁気ヘッド２００からの書込み用の磁束を再び磁気ヘッド２００に還流させる磁路（磁束の通路）である。裏打ち層Ｗ２により、記録層Ｗ１の垂直記録が可能となる。

磁気ヘッド２００は、磁気記録媒体Ｗの磁気情報の記録及び読み取りを行う。磁気ヘッド２００は、エアベアリング面（Ａｉｒ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）Ｓを磁気記録媒体Ｗと対向させ、磁気記録媒体Ｗからｚ方向に一定の距離離れた位置を飛行する。図１においては、磁気ヘッド２００は、ｙ方向に磁気記録媒体Ｗに対して相対的に移動する。

磁気ヘッド２００は、磁気記録部１１０と磁気センサ１００とを有する。
磁気記録部１１０は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に磁場を印加し、記録層Ｗ１の磁化の向きを決定する。すなわち、磁気記録部１１０は、磁気記録媒体Ｗの磁気記録を行う。
磁気センサ１００は、磁気記録部１１０によって書き込まれた記録層Ｗ１の磁化の情報を読み取る。

＜磁気記録部＞
磁気記録部１１０は、主磁極１１１と、コンタクト部１１２と、リターンヨーク１１３と、コイル１１４とを有する。主磁極１１１は、リターンヨーク１１３上に、コンタクト部１１２を挟んで設けられている。コンタクト部１１２の周りには、コンタクト部１１２を取り囲むように、コイル１１４が配設されている。

コイル１１４に書き込み電流を流すと、主磁極１１１のｚ方向下端から磁束が放出される。放出された磁束は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１を通過し、裏打ち層Ｗ２の磁路に沿って、磁気ヘッド２００側に還流する。磁気ヘッド２００側に還流した磁束は、リターンヨーク１１３に回収される。磁束が記録層Ｗ１を通過する際に、記録層Ｗ１の磁化の向きを決定し、書込み動作が行われる。

＜磁気センサ＞
磁気センサ１００は、図１に示すようにスピン蓄積型磁気センサである。
磁気センサ１００は、チャネル層１０と、外部磁場を検出する検出部２０と、チャネル層１０にスピンを注入する第１スピン注入部３０と、電位の基準となる参照電極４０と、参照電極４０に対する電位差を測定する電圧計５０と、を備える。また図１では、第１スピン注入部３０に電流を流す電流源６０が設けられている。

（チャネル層）
チャネル層１０は、第１スピン注入部３０から注入されたスピンを蓄積する層であり、注入されたスピンによる純スピン流の流路である。チャネル層１０は、磁気ヘッド２００のエアベアリング面Ｓからｚ方向に延在している。

チャネル層１０は、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料からなることが好ましい。またチャネル層１０は非強磁性材料からなることが好ましい。
例えば、チャネル層１０に用いる材料として、Ｂ、Ｃ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ及びＺｎからなる群から選択される１以上の元素を含む材料を用いることができる。Ｃｕ及びＡｌは、スピン拡散長が長く、これらの材料種の中でも特に好ましい。

またチャネル層１０に用いる材料として、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ等の半導体化合物を用いることもできる。これらの半導体化合物は、スピン拡散長が上述の材料よりさらに長く、導電率が比較的小さい。そのため、純スピン流のみを伝えるスピン蓄積層としてより好適である。また金属や合金を用いた場合と比較しても、電位出力を高くすることが可能となる。

（検出部）
検出部２０は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された情報を読み出す部分である。検出部２０は、チャネル層１０の磁気ヘッド２００のエアベアリング面Ｓ側の端部である第１の部分に設けられている。

図２は、検出部を図１のＡ−Ａ’面に沿って切断した断面模式図である。すなわち、図２は、検出部２０をエアベアリング面Ｓ側から見た図に対応する。

図１及び図２に示すように、検出部２０は、磁化自由層２１と、第１絶縁層２２と、第２絶縁層２３と、第１磁気シールド２４と、第２磁気シールド２５と、永久磁石２６とを有する。

磁化自由層２１は、チャネル層１０の第１の部分の一面に設けられている。第１絶縁層２２は、チャネル層１０及び磁化自由層２１の側面に設けられ、磁化自由層２１及びチャネル層１０に被覆する。第２絶縁層２３は、チャネル層１０の磁化自由層２１と反対の面に設けられ、チャネル層１０を被覆する。第１磁気シールド２４及び第２磁気シールド２５は、第１絶縁層２２及び第２絶縁層２３を介して、磁化自由層２１を挟む位置に設けられている。永久磁石２６は、第１絶縁層２２を介して、磁化自由層２１のｘ方向両側に配置されている。

磁化自由層２１は、検出対象となる外部磁場を検出する部分である。磁化自由層２１の一面は、エアベアリング面Ｓに露出している。具体的な動作は後述するが、磁化自由層２１が露出するエアベアリング面Ｓを磁気記録媒体Ｗと対向させることで、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された磁化の向きを鋭敏に検出する。

磁化自由層２１に用いる材料としては強磁性材料があり、特に軟磁性材料が好ましい。例えば、磁化自由層２１に用いる材料として、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される１種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。より具体的には、例えば、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ等を用いることができる。

第１絶縁層２２及び第２絶縁層２３は、チャネル層１０内の純スピン流が磁化自由層２１以外の部分に流出することを防ぐための層である。具体的には、第１磁気シールド２４、第２磁気シールド２５及び永久磁石２６とチャネル層１０が直接接触することを防ぐ層である。第１絶縁層２２及び第２絶縁層２３には、例えばＳｉＯ_２等を用いることができる。

第１磁気シールド２４及び第２磁気シールド２５は、磁化自由層２１に不要な磁場が侵入することを防ぐ層である。磁化自由層２１への不要な磁場の侵入を防ぐと、磁化自由層２１が磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１の磁気情報を読み取る際のノイズが低減される。すなわち、磁化自由層２１の空間分解能が高まり、必要な磁気情報の検出感度が高まる。

図２では、第１磁気シールド２４及び第２磁気シールド２５は、磁化自由層２１を挟むように配置されているが、磁化自由層２１を覆うように磁気シールドを設けてもよい。

第１磁気シールド２４及び第２磁気シールド２５に用いる材料は、磁気遮断性の高い公知の材料を用いることができる。例えば、Ｎｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、ＦｅＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金との軟磁性体材料を用いることができる。

永久磁石２６は、磁化自由層２１の磁区構造を安定化（一軸化）する。永久磁石２６からの漏洩磁束は、磁化自由層２１にバイアス磁界を印加する。このバイアス磁界により、磁化自由層２１の磁区構造が安定化する。磁区構造が安定化することで、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できる。

（第１スピン注入部）
第１スピン注入部３０は、上述のように、チャネル層１０にスピンを注入する部分である。第１スピン注入部３０は、チャネル層１０の第１の部分とは異なる第２の部分に、ｙ方向に積層されている。

第１スピン注入部３０と検出部２０との距離Ｌ１は、チャネル層１０のスピン拡散長以下である。ここで、第１スピン注入部３０と検出部２０との距離とは、磁化自由層２１のｚ方向に第１スピン注入部３０側の端部と、第１磁化固定層３１のｚ方向に検出部２０側の端部との距離である。またスピン拡散長は、物質固有の定数であり、スピン流の大きさが１／ｅになる距離である。スピン流の大きさは、距離ｄとスピン拡散長λの比に依存して、ｅｘｐ（−ｄ／λ）に従って指数関数的に減衰する。材料のスピン拡散長は様々な手法によって見積もることができる。例えば、非局所的方法、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法などが知られている。

第１スピン注入部３０は、第１磁化固定層３１と、第１磁化結合層（非磁性層）３２と、第１磁化対向層（強磁性体層）３３と、第１反強磁性層３４と、第１緩衝層３５とを有する。第１スピン注入部３０は、いわゆるシンセティクピンド構造をしている。

第１磁化固定層３１は、チャネル層１０の第１の部分よりエアベアリング面Ｓからｚ方向離れた第２の部分の一面に設けられている。図１では、チャネル層１０において第１磁化固定層３１が設けられている面と、磁化自由層２１が設けられている面は同じであるが、異なる面でもよい。第１磁化固定層３１のチャネル層１０と反対側の面には、第１磁化結合層３２、第１磁化対向層３３、第１反強磁性層３４、第１緩衝層３５が順に積層されている。

第１磁化固定層３１は、チャネル層１０にスピンを注入する層である。第１磁化固定層３１の磁化の向きは、一方向に固定されている。

第１磁化対向層３３は、第１磁化結合層３２を介して、第１磁化対向層３３に対向して設けられている。第１磁化対向層３３は、第１磁化固定層３１に対して反平行の磁化を有する。第１磁化対向層３３により、第１磁化固定層３１の磁化が安定する。図１においては、第１磁化固定層３１の磁化の向きは−ｚ方向であり、第１磁化対向層３３の磁化の向きは＋ｚ方向である。

第１磁化固定層３１と第１磁化対向層３３の磁化の向きは、第１磁化結合層３２の厚みによって制御される。第１磁化結合層３２の厚みが変わるとＲＫＫＹ相互作用により、第１磁化固定層３１と第１磁化対向層３３の磁化の向きは、平行又は反平行となる。

第１磁化固定層３１及び第１磁化対向層３３には、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される一種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。またこれらの元素に加えて、Ｂ、Ｃ、Ｎからなる群から選択される１種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等を用いることができる。
第１磁化結合層３２には、Ｒｕ等の材料を用いることができる。

第１反強磁性層３４は、第１磁化固定層３１の磁化固定機能をより高めるための層である。第１反強磁性層３４は、第１磁化対向層３３と接触し、第１磁化対向層３３の磁化の向きと反平行の磁化を有する。例えば、図１に示すように、第１反強磁性層３４と第１磁化対向層３３が接触することで、第１磁化対向層３３の磁化の向きが＋ｚ方向に固定され、第１磁化対向層３３に対して対向する第１磁化固定層３１の磁化の向きが−ｚ方向に固定される。第１反強磁性層３４、第１磁化対向層３３及び第１磁化固定層３１の磁化の向きが、順に互いに反平行となることで、第１磁化固定層３１の磁化の向きがより強く固定される。

第１反強磁性層３４には、反強磁性を示す合金等を用いることができる。例えば、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｉｒ及びＦｅからなる群から選択される１種以上の金属との合金等を用いることができる。具体的には、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等を用いることができる。

第１緩衝層３５は、結晶配向性や磁性の安定性を高める層である。第１緩衝層３５には、例えば、Ｒｕ、Ｔａなどの金属材料を用いることができる。第１反強磁性層３４が無い場合には、第１緩衝層３５は、第１磁化対向層３３と接触する。

また第１スピン注入部３０のｙ方向両端には、第１上部電極３６と、第１下部電極３８が設けられている。第１上部電極３６及び第１下部電極３８は、第１スピン注入部３０へ電流を流す電極として機能し、少なくとも第１上部電極３６は第１スピン注入部３０へ外部磁場が侵入することを防ぐ機能も果たす。

第１上部電極３６及び第１下部電極３８には、上述の第１磁気シールド２４及び第２磁気シールド２５と同様の材料を用いることができる。またこれらの材料の他、非磁性金属を用いることができる。スピン伝導を考慮すると、第１下部電極３８は非磁性金属であることが好ましい。一方で、第１上部電極３６は、第１磁化固定層３１より外側に配設されているため、磁気シールド効果を有することが好ましい。
また第１下部電極３８とチャネル層１０の間には、チャネル層１０内の純スピン流が磁化自由層２１以外の部分に流出することを防ぐための第１トンネル層３７が設けられている。第１トンネル層３７は、第２絶縁層２３と連結し、一つの層となっていてもよい。

以上では、第１磁化固定層３１の磁化を、第１磁化対向層３３によって固定する場合を示した。この他の磁化固定方法として、第１磁化固定層３１の形状異方性によって磁化を固定する方法や、第１磁化固定層３１の成膜時における外部磁場によって磁化を固定する方法を用いても良く、これらの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。これらの方法により磁化固定することで、第１磁化固定層３１の磁化の向きが外部磁界に反応し難くなる。

また第１磁化固定層３１に形状異方性を持たせて磁化を固定する方法を採用する場合には、第１反強磁性層３４を省略することが可能である。たとえば、第１磁化固定層３１を、ｙ方向から見てｘ方向が長軸となる矩形形状にすればよい。

（参照電極）
参照電極４０は、後述する電圧計５０で測定する電位差の基準電位となる部分である。
参照電極４０は、チャネル層１０の第２の部分を挟み、第１の部分と反対側に位置する第３の部分に設けられている。すなわち、参照電極４０と検出部２０とで、第１スピン注入部３０をｚ方向に挟んでいる。

参照電極４０と第１スピン注入部３０との距離Ｌ２は、チャネル層１０のスピン拡散長以上であることが好ましい。この構成により、参照電極４０にスピンが吸収され、出力が低下することを抑制できるからである。ここで、参照電極４０と第１スピン注入部３０との距離Ｌ２とは、第１磁化固定層３１のｚ方向における参照電極４０側の端部と、参照電極４０のｚ方向における第１スピン注入部３０側の端部との距離である。

参照電極４０に用いられる材料は特に限定されないが、非磁性の金属材料を用いることが好ましい。非磁性であることにより、参照電極４０が磁場の影響を受けることを避けることができる。

（電圧計、電流源）
電圧計５０は、公知の電圧計を用いることができる。図１において、電圧計５０は、一端側が検出部２０の第１磁気シールド２４を介して磁化自由層２１に電気的に接続され、他端側が参照電極４０に接続されている。すなわち、電圧計５０は、参照電極４０に対する磁化自由層２１の電位差を測定する。電圧計５０には、電位差を測定するための電圧源が含まれる。

電流源６０は、公知の電流源を用いることができる。図１において、電流源６０は、一端側が第１スピン注入部３０に接続された第１上部電極３６に接続され、他端側が第１スピン注入部３０に接続された第１下部電極３８に接続されている。すなわち、電流源６０は、第１スピン注入部３０の積層方向（ｙ方向）に電流を流す。

（磁気センサの動作）
磁気センサ１００の動作について説明する。図３は、本発明の第１実施形態にかかる磁気記録装置の動作を説明するための断面模式図である。

磁気センサ１００は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１とエアベアリング面Ｓを対向させて飛行する。この際、磁気センサ１００のエアベアリング面Ｓに露出した磁化自由層２１の磁化の向きは、磁化自由層２１と対向する磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された磁化の影響を受ける。例えば、図３においては、記録層Ｗ１の＋ｚ方向に向いた磁化の影響を受けて、磁化自由層２１の磁化の向きが＋ｚ方向を向く。

一方で、電流源６０から検出電流Ｉを第１スピン注入部３０に印加すると、第１スピン注入部３０の第１磁化固定層３１からチャネル層１０にスピンが注入される。このとき注入されるスピンの向きは、第１磁化固定層３１における磁化の向きと同一であり、−ｚ方向である。

チャネル層１０にスピンが注入されると、チャネル層１０内に純スピン流が流れる。純スピン流は、電流を伴わないスピン流である。具体的には、上向きスピンＳ^＋の電子の流れをＪ_↑、下向きスピンＳ⁻の電子の流れをＪ_↓、スピン流をＪ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑−Ｊ_↓で定義される。図３においては、純スピン流は、第１スピン注入部３０を基準として＋ｚ方向及び−ｚ方向にそれぞれ流れる。ここで、Ｊ_Ｓは分極率が１００％の電子の流れである。

上述のように、第１スピン注入部３０と検出部２０との距離Ｌ１はスピン拡散長以下であり、第１スピン注入部３０と参照電極４０との距離Ｌ２はスピン拡散長以上である。そのため、第１スピン注入部３０から注入されたスピンは、ほとんど参照電極４０まで届かないが、磁化自由層２１には到達する。その結果、磁化自由層２１近傍のチャネル層１０には、純スピン流として拡散してきたスピンが蓄積される。この際、磁化自由層２１近傍のチャネル層１０に蓄積されるスピンの向きは、第１磁化固定層３１の磁化の向きと同一である。そのため、磁化自由層２１の磁化の向きと、磁化自由層２１近傍のチャネル層１０に蓄積されたスピンの向きとは、反平行となる。

ここで、磁化自由層２１の磁化の向きは、磁化自由層２１と対向する記録層Ｗ１の磁化の向きが変化するに従い変化する。そのため、記録層Ｗ１の磁化の向きに応じて、磁化自由層２１の磁化の向きと磁化自由層２１近傍のチャネル層１０に蓄積されたスピンの向きの相対角は変化する。互いの磁化の相対角によって抵抗値が変化することは磁気抵抗効果として知られており、磁化方向が互いに平行の場合は抵抗値が小さく、反平行の場合は抵抗値が大きくなる。すなわち、参照電極４０と磁化自由層２１の間の電位差を測定することで、記録層Ｗ１の磁化の情報が抵抗値変化として読み出される。

上述のように、本実施形態にかかる磁気センサ１００によれば、磁気記録媒体Ｗに記録された情報を抵抗値変化として読み出すことができる。ここで、抵抗値変化として読み出しているのは、磁化自由層２１に対するチャネル層１０を流れる純スピン流の化学ポテンシャルの変化である。そのため、参照電極４０を、純スピン流の影響を受けない位置に設けることで、基準電位が安定化する。すなわち、基準電位が変動することに伴うノイズの影響を受けることなく、純スピン流の化学ポテンシャルの変化を読み取ることができる。すなわち、磁気センサ１００の空間分解能を高めることができる。

また参照電極４０を、磁気記録媒体Ｗと対向するエアベアリング面Ｓから離すことにより、磁気ヘッド２００の磁場解像度の縮小化を図ることができる。磁気ヘッド２００を磁場解像度の縮小化するためには、磁気ヘッド２００のエアベアリング面Ｓ近傍の構造体を減らす必要がある。そのため、参照電極４０をエアベアリング面Ｓから離した位置に設けることで、磁気ヘッド２００を磁場解像度の縮小化できる。またエアベアリング面Ｓ近傍では、外部磁場の影響を避けて高い空間分解能を維持するために、参照電極４０の周囲に磁気シールドを設ける必要である。一方で、参照電極４０をエアベアリング面Ｓから離すことで、この磁気シールドが不要になる。すなわち、参照電極以外の構造体の量も低減され、より磁場解像度の縮小化が図られる。

また第１実施形態にかかる磁気センサ１００は、電流源６０によって流される電流の方向と、チャネル層１０の延在面が交差している。構造的にいうと、第１スピン注入部３０における積層体の積層方向は、チャネル層１０の延在面に対して交差している。つまり、電流源６０から供給された検出電流Ｉは、第１上部電極３６から第１下部電極３８に向かって積層方向に流れ、電流源６０に戻っていく。その結果、スピン注入のための電流がチャネル層１０に沿って流れることは無く、チャネル層１０は等電位となる。すなわち、スピン注入のための電流がノイズとなることを避けることができ、空間分解能の高い磁気センサ１００が得られる。

なお、磁化自由層２１と参照電極４０の距離を離すという観点のみを考慮すると、図４の配置でもよいように思えるが、図４の構成では空間分解能を高めることができない。図４は、比較例にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。

図４に示す比較例に係る磁気ヘッド２００’における磁気センサ１００’は、検出部２０と第１スピン注入部３０の間に参照電極４０が配設されている点が、第１実施例に係る磁気センサ１００と異なる。磁化自由層２１と参照電極４０は、スピン拡散長以上離れており、磁化自由層２１の影響を充分に遮断できる。しかしながら、比較例にかかる磁気センサ１００’の場合、第１スピン注入部３０と検出部２０との距離Ｌ１’が遠くなり、磁化自由層２１近傍のチャネル層１０に十分にスピンを蓄積することができない。また純スピン流の一部が、電圧計５０側に流れることも想定され、十分な出力が得られず、充分な空間分解能を得ることはできない。

「第２実施形態」
図５は、本発明の第２実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第２実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド２０１は、磁気センサ１０１が第２スピン注入部７０を有する点が、第１実施形態にかかる磁気ヘッド２００と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図１〜図４と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

第２スピン注入部７０は、第１スピン注入部３０とｚ方向重なる位置に、チャネル層１０を介して第１スピン注入部３０と対向して設けられている。第２スピン注入部７０は、に第１スピン注入部３０から注入されるスピンの向きと同一の向きのスピンをチャネル層１０に注入する。

第２スピン注入部７０は、第２磁化固定層７１と、第２磁化結合層（非磁性層）７２と、第２磁化対向層（強磁性体層）７３と、第２反強磁性層７４と、第２緩衝層７５とを有する。第２磁化固定層７１は、チャネル層１０の第１磁化固定層３１が設けられた面と反対側に設けられている。第２磁化固定層７１のチャネル層１０と反対側の面には、第２磁化結合層７２、第２磁化対向層７３、第２反強磁性層７４、第２緩衝層７５が順に積層されている。

第２スピン注入部７０における第２磁化固定層７１、第２磁化結合層７２、第２磁化対向層７３、第２反強磁性層７４、第２緩衝層７５のそれぞれは、第１スピン注入部３０における第１磁化固定層３１、第１磁化結合層３２、第１磁化対向層３３、第１反強磁性層３４、第１緩衝層３５のそれぞれと対応し、同様の材料を用いることができる。第２スピン注入部７０の第１スピン注入部３０と反対側には、第２下部電極７６が設けられている。

第２磁化固定層７１の磁化の向きは、第１磁化固定層３１の磁化の向きと反平行である。図５においては、第１磁化固定層３１の磁化の向きが−ｚ方向であり、第２磁化固定層７１の磁化の向きが＋ｚ方向である。

第２実施形態にかかる磁気センサ１０１の動作は、第１実施形態にかかる磁気センサ１００とほとんど同じであるが、チャネル層１０にスピンが第１スピン注入部３０及び第２スピン注入部７０から注入される点が異なる。

電流源６０は、第１スピン注入部３０に積層された第１上部電極３６と、第２スピン注入部７０に積層された第２下部電極７６に接続されている。そのため、電流源６０から印加された検出電流Ｉは、第１スピン注入部３０及び第２スピン注入部７０の積層方向に流れる。第１スピン注入部３０から−ｚ方向のスピンが注入される過程は、第１実施形態と同じである。

一方で、第１スピン注入部３０から注入された−ｚ方向のスピンの一部は、チャネル層１０を介して第２磁化固定層７１にも注入される。ここで、チャネル層１０と第２磁化固定層７１は、スピン抵抗が異なる。スピン抵抗とは、スピン流の流れやすさ（スピン緩和のし難さ）を定量的に示す量である。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射（戻り）が生じる。

また−ｚ方向のスピンが、＋ｚ方向に磁化が向く第２磁化固定層７１に注入されると、コンダクティビティミスマッチにより、第２磁化固定層７１から第２磁化固定層７１の磁化の向きと反対の向きのスピンが、チャネル層１０に注入される。すなわち、第１スピン注入部３０及び第２スピン注入部７０から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入される。

本実施形態によれば、第１スピン注入部３０及び第２スピン注入部７０から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入することで、磁化自由層２１近傍に蓄積されるスピンの量を多くすることができる。そのため、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。

なお、検出電流Ｉの方向は、第１スピン注入部３０から第２スピン注入部７０に向けた方向に限られず、反対向きでもよい。

「第３実施形態」
図６は、本発明の第３実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第３実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド２０２は、磁気センサ１０２が障壁層８０を有する点が、第２実施形態にかかる磁気ヘッド２０１と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図５と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

上述のように、スピン抵抗が異なる物質の界面では、純スピン流の反射（戻り）が生じる。すなわち、障壁層８０が無い場合、第１スピン注入部３０の第１磁化固定層３１からチャネル層１０に注入したスピンの一部は、第１磁化固定層３１に戻ってしまう。また第２スピン注入部７０においても同様に、第２スピン注入部７０の第２磁化固定層７１からチャネル層１０に注入したスピンの一部は、第２磁化固定層７１に戻ってしまう。

これに対し、障壁層８０を設けることで、注入したスピンが第１磁化固定層３１及び第２磁化固定層７１戻ることを抑制できる。障壁層８０は高いエネルギーバリアを有するため、検出電流Ｉによる外力を受けている注入時のスピンは通過することができるが、注入されたスピンは第１磁化固定層３１又は第２磁化固定層７１に戻ることができない。その結果、効率的にスピンを注入することができ、注入されたスピンを効率的に磁化自由層２１近傍のチャネル層１０に蓄積することができる。すなわち、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。

障壁層８０は電気抵抗の原因となる。しかしながら、障壁層８０はチャネル層１０の延在方向に対して交差する方向に設けられている。すなわち、参照電極４０、延在するチャネル層１０、磁化自由層２１、電圧計５０を結ぶ検出回路に影響を及ぼすものではなく、ノイズの原因となることもない。

なお、障壁層８０を有する場合、第１スピン注入部３０と検出部２０との距離Ｌ１及び参照電極４０と第１スピン注入部３０との距離Ｌ２の定義は、第１実施形態における定義と異なる。

障壁層８０を有する場合の第１スピン注入部３０と検出部２０との距離Ｌ１は、第１スピン注入部３０における第１磁化固定層３１のｚ方向中心と検出部２０における磁化自由層２１のｚ方向中心との距離を意味する。また障壁層８０を有する場合の第１スピン注入部３０と参照電極４０との距離Ｌ２は、第１スピン注入部３０における第１磁化固定層３１のｚ方向中心と参照電極４０のｚ方向中心との距離を意味する。

「第４実施形態」
図７は、本発明の第４実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第４実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド２０３は、第１スピン注入部３０と、第２スピン注入部７０がｙ軸方向重なる位置にない点が、第３実施形態にかかる磁気ヘッド２０２と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図６と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。

磁気ヘッド２０３における磁気センサ１０３は、第１スピン注入部３０と、第２スピン注入部７０がｚ軸方向重なる位置にない。そのため、第１スピン注入部３０に検出電流を印加する電流源６０と、第２スピン注入部７０に検出電流を印加する第２電流源９０が設けられている。

また電流源６０及び第２電流源９０がチャネル層１０と直接接触されないように、第１トンネル層３７及び第２トンネル層７７が設けられている。またそれぞれの外側には第１下部電極３８及び第２上部電極７８が設けられている。

第１磁化固定層３１及び第２磁化固定層７１の磁化の向きは、互いに平行である。これらの磁化の向きが互いに平行であることで、チャネル層１０に注入されるスピンの向きが同一となる。

上述のように、本実施形態によれば、第１スピン注入部３０及び第２スピン注入部７０から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入することで、磁化自由層２１近傍に蓄積されるスピンの量を多くすることができる。そのため、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。

１０…チャネル層、２０…検出部、２１…磁化自由層、２２…第１絶縁層、２３…第２絶縁層、２４…第１磁気シールド、２５…第２磁気シールド、２６…永久磁石、３０…第１スピン注入部、３１…第１磁化固定層、３２…第１磁化結合層、３３…第１磁化対向層、３４…第１反強磁性層、３５…第１緩衝層、３６…第１上部電極、３７…第１トンネル層、３８…第１下部電極、４０…参照電極、５０…電圧計、６０…電流源、７０…第２スピン注入部、７１…第２磁化固定層、７２…第２磁化結合層、７３…第２磁化対向層、７４…第２反強磁性層、７５…第２緩衝層、７６…第２下部電極、７７…第２トンネル層、７８…第２上部電極、８０…障壁層、９０…第２電流源、１００，１００’，１０１，１０２，１０３…磁気センサ、１１０…磁気記録部、１１１…主磁極、１１２…コンタクト部、１１３…リターンヨーク、１１４…コイル、２００，２００’，２０１，２０２，２０３…磁気ヘッド、Ｗ…磁気記録媒体、Ｗ１…記録層、Ｗ２…裏打ち層、Ｓ…エアベアリング面

Claims (13)

1. チャネル層と、
   前記チャネル層の第１の部分に設けられ、外部磁場を検出する磁化自由層と、
   前記チャネル層の第１の部分とは異なる第２の部分に設けられ、前記チャネル層にスピンを注入する第１磁化固定層と、
   前記チャネル層にスピン流を注入するための電流を前記第１磁化固定層に流す電流源と、
   前記チャネル層の前記第２の部分を挟み、前記第１の部分と反対側に位置する第３の部分に設けられた参照電極と、
   前記磁化自由層と前記参照電極との間の電圧を測定する電圧計と、
   を備える磁気センサ。
2. 前記電流は、前記チャネル層において前記チャネル層の延在面に対して交差する方向に流れる構成とされ、前記チャネル層が等電位である請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記チャネル層の前記第１磁化固定層が形成された面と反対側の面に設けられ、前記第１磁化固定層から注入されるスピンの向きと同一の向きのスピンを前記チャネル層に注入する第２磁化固定層をさらに備える請求項１または２のいずれかに記載の磁気センサ。
4. 前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層の少なくとも一部が、前記チャネル層の延在方向の重なる位置に設けられている請求項３に記載の磁気センサ。
5. 前記電流源が、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層と電気的に接続され、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層の積層方向に電流を流す請求項４に記載の磁気センサ。
6. 前記第１磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
7. 前記第２磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える請求項３〜６のいずれか一項に記載の磁気センサ。
8. 前記参照電極が、前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層から、前記チャネル層のスピン拡散長よりも離れた位置にある請求項３〜７のいずれか一項に記載の磁気センサ。
9. 前記磁化自由層が、前記第１磁化固定層または前記第２磁化固定層と、前記チャネル層のスピン拡散長より近い位置にある請求項３〜８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
10. 前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層は、それぞれ前記チャネル層と反対側の面に、非磁性層と、強磁性体層とを順に有し、
    前記第１磁化固定層および前記第２磁化固定層の磁化の向きは、それぞれに積層された前記強磁性体層によってそれぞれ固定されている請求項３〜９のいずれか一項に記載の磁気センサ。
11. 前記磁化自由層の少なくとも一部が磁気シールドされている請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気センサ。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気センサを備える磁気ヘッド。
13. 磁化によりデータを記録する磁気記録媒体と、
    前記磁気記録媒体の記録層に、前記磁化自由層を対向させて配置された請求項１２に記載の磁気ヘッドと、を備える磁気記録装置。
    

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