JP3540083B2 - 磁気センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界を検出する磁気センサ、特に、磁気記録装置の磁気読取ヘッドに用いるのに好適な磁気センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年の磁気記録技術の高密度化にともない、磁気記録媒体と読取ヘッドとの相対的速度が非常に低下してきている。このため、従来の誘電型ヘッドでは十分な読取出力を得ることが困難になってきている。
そこで、相対的速度が低下しても高い読取出力を得ることができるように、磁界自身を検出する異方性磁気抵抗(AMR:Anisotropic MagnetoResistive)効果型磁気ヘッドが開発されている。異方性磁気抵抗効果とは、測定する磁性体の磁化状態によって電気抵抗が数%程度変化する現象である。異方性磁気抵抗効果型磁気ヘッド(AMR型磁気ヘッド)の材料としては主としてNiFe合金(パーマロイ合金)が用いられている。
【0003】
しかし、AMR型磁気ヘッドでは読取出力に数%程度の変化しか期待できないため、読取出力の変化率のより大きな磁気センサが求められている。このような磁気センサとして、巨大磁気抵抗(GMR:Giant MagnetoResistive)効果を利用したGMR型磁気センサや、強磁性トンネル接合を利用した強磁性トンネル接合型磁気センサ等が提案されている。
【0004】
強磁性トンネル接合型磁気センサとは、強磁性体層により絶縁体層を挟んだ強磁性体層/絶縁体層/強磁性体層の積層体を有している。強磁性体層間に電圧を印加し、電子をトンネリングさせたとき、両強磁性体層の磁化方向の相対角度に基づいて、電子のトンネリング確率が変化する。これは、電子を供給する一方の強磁性体層の電子スピンが分極しており、この分極状態を保ったまま電子がトンネルするためである。
【0005】
トンネリング確率の変化は、両強磁性体層の分極率の積で与えられる。すなわち、一方の強磁性体層の分極率をP1、他方の強磁性体層の分極率をP2とすると、全抵抗Rに対する抵抗の最大値と最小値の差ΔRは、次式であらわされる。
ΔR/R=2×P1×P2
このため、強磁性トンネル接合型磁気センサでは、一方の強磁性体層に保磁力が大きい材料を用い、他方の強磁性体層に保磁力の小さな材料を用いるようにしている。外部磁界が変化すると、保磁力が大きな強磁性体層の磁化の向きは変化しないが、保磁力の小さな強磁性体層の磁化の向きは外部磁界の向きに揃うように変化する。このため、外部磁界の磁化の向きが変化すると、両強磁性体層の磁化方向の相対角度が変化するので、トンネル電流が変化し、外部磁界を検出することができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上述した強磁性トンネル接合型磁気センサでは、一方の強磁性体層に、外部磁界が変化しても磁化の向きが変化しないような保磁力の大きな材料を用いなければならない。このため、磁気読取ヘッドとして用いるためには、情報記憶媒体の磁化方向が変化しても、磁化方向が変化しないような、Fe、Co、Ni等の材料に限られてしまう。ところが、これら材料の分極率は10〜40%程度であるため、原理的にトンネリング確率の変化に上限がある。また、これらの材料の保磁力は、数十〜数百Oeであるために、何らかの原因でこれ以上の磁界が印加されると、特性が変化してしまう。
【0007】
本発明の目的は、上述した課題を克服し、抵抗変化率が大きく、外乱磁界に強い磁気センサを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、強磁性体層と、絶縁層と、GaAs系化合物半導体層とが積層された積層体と、前記積層体の前記GaAs系化合物半導体層に円偏光を照射する照射手段とを有し、前記積層体の前記強磁性体層と前記GaAs系化合物半導体層との間のトンネル抵抗により外部磁界を検出することを特徴とする磁気センサによって達成される。
【0009】
上述した磁気センサにおいて、前記積層体の前記強磁性体層は、前記絶縁層に接する第1の強磁性体層と、前記第1の強磁性体層に接し、前記第1の強磁性体層よりも保磁力が小さい第2の強磁性体層とを有することが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記積層体の前記絶縁層の少なくとも一方の面に導電層が挿入されていてもよい。
【0010】
上述した磁気センサにおいて、前記第2の強磁性体層は、パーマロイ合金又はゼロ磁歪NiFeCo合金により形成されていることが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記第1の強磁性体層は、Fe、Co、FeCo合金又は窒化鉄により形成されていることが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記導電層は、Al、Cu、Ag又はAuにより形成されていることが望ましい。
【0011】
上述した磁気センサにおいて、前記絶縁層は、Al2O3、SiO2、AlN、NiO又はCoOにより形成されていることが望ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の第1実施形態による磁気センサを図1乃至図3を用いて説明する。
図1は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図であり、図2は磁気抵抗の磁場依存性の計算結果を示すグラフであり、図3は本実施形態の磁気センサを示す図である。
【0013】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図1に示すように、FeCo合金からなる強磁性体層12と、Al2O3からなる絶縁層14と、GaAsからなる化合物半導体層16とが積層された積層体10である。
強磁性体層12は、保磁力が10Oeと比較的低いFeCo合金からなる約10nm厚のFeCo合金層である。このFeCo合金層の分極率は約46%である。外部磁界が変化すると、保磁力の小さな強磁性体層12の磁化の向きは外部磁界の向きに揃うように変化する。
【0014】
絶縁層14は、強磁性体層12と化合物半導体層16とを絶縁する約5nm厚のAl2O3層である。
化合物半導体層16は、約10nm厚のGaAs層である。このGaAs層に円偏光を照射すると、従来の強磁性体層と同様に分極した電子が生成される。円偏光を照射したときのGaAs層の分極率は約50%である。
【0015】
なお、化合物半導体層16での分極は、照射する円偏光の進行方向に対して生ずるので、化合物半導体層16に大きな分極を発生させるためには、出来るだけ小さな照射角で入射させることが望ましい。
外部磁界を検出する場合には、図1に示すように、化合物半導体層16に円偏光を照射しながら、直流電源20により強磁性体層12と化合物半導体層16に直流電圧を印加する。電圧計22により強磁性体層12と化合物半導体層16間の電圧を測定する。外部磁界の磁化方向が変化すると、それに応じて、強磁性体層12の磁化方向が変化して、強磁性体層12と化合物半導体層16間の磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗の変化を電圧計22により測定する。
【0016】
図2に、外部磁界Hが変化した場合の、磁気抵抗の変化率ΔR/Rの変化を示す。図2から明らかなように、磁気抵抗の変化率ΔR/Rは、外部磁界Hが−40Oe以下では0%であるが、外部磁界Hが−40Oeから+40Oeに変化すると急激に増大し、外部磁界Hが40Oe以上では46%になる。
なお、外部磁界Hの変化に対する磁気抵抗の変化率ΔR/Rは、図2に示すように、わずかにヒステリシス曲線を描く。
【0017】
図3に、図1の基本構造を用いた磁気センサの具体的構造を示す。
例えば、Al2O3−TiCからなる支持基板30の表面の一部に、図1に示す積層体10が埋め込まれている。化合物半導体層16が表面に露出するように埋め込まれている。
支持基板30の表面には光導波路32が形成されている。光導波路32の一端部が積層体10に臨むように形成されている。光導波路32から射出された光が積層体10の化合物半導体層16の表面に照射するように、光導波路32の一端部が斜めに切断されている。この一端部には、直線偏光を円偏光にするために1/4波長板34が設けられている。
【0018】
磁気センサにより外部磁界を検出する場合には、光導波路32の他端から直線偏光を入射し、1/4波長板34を介して化合物半導体層16に円偏光を照射しながら、積層体10の化合物半導体層16と強磁性体層12間の電気抵抗を測定する。
なお、図3に示す磁気センサにおける積層体10の強磁性体層12が、磁気記録媒体の近傍を通過するような構造にすれば、磁気記録媒体に記録された磁気状態を読み取る磁気読取ヘッドを実現することができる。
【0019】
このように、本実施形態によれば、化合物半導体層から、通常の強磁性体よりも分極率の高い電子が供給できるために、従来の磁気センサより検出感度のよい磁気センサを実現することができる。また、保磁力を有する強磁性体を使用する必要がないために、外乱に強い磁気センサを実現することができる。
本発明の第2実施形態による磁気センサを図4を用いて説明する。図4は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図である。図1に示す磁気センサと同一又は同種の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【0020】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図4に示すように、強磁性体層12を約2nm厚のFeCo合金層12aと約8nm厚のNiFe合金層12bの二層構造としている点に特徴がある。絶縁層14側にFeCo合金層12aが位置するようにしている。
FeCo合金は、分極率が約46%と大きく、保磁力が10Oeと比較的低いものの、小さな外部磁界に対して十分な感度があるとは言えない。一方、NiFe合金は、分極率が約18%と小さいものの、保磁力が0.1Oeと非常に小さく、小さな外部磁界に対しても十分な感度を有している。
【0021】
そこで、本実施形態では、磁気抵抗の変化率に大きく影響する絶縁層14に接する側には分極率の大きなFeCo合金層12aを設けることにより、大きな磁気抵抗の変化率を得られるようにし、一方、FeCo合金層12aに保磁力の小さなNiFe合金層12bを設けることにより、小さな外部磁界に対しても十分な感度を得られるようにしている。
【0022】
このように、本実施形態によれば、大きな磁気抵抗の変化率を有し、しかも、外部磁界に対して十分な感度を有する磁気センサを実現することができる。
本発明の第3実施形態による磁気センサを図5を用いて説明する。図5は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図である。図4に示す磁気センサと同一又は同種の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【0023】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図5に示すように、GaAsからなる化合物半導体層16と、Al2O3からなる絶縁層14との間に、約3nm厚のAl層からなる導電層18が挿入されている。
導電層18を設けたのは、磁気センサの製造方法を考慮したためである。
磁気センサの積層体を製造する場合には、化合物半導体層16としてGaAs基板を用い、その上に絶縁層14、強磁性体層12(12a,12b)を順次積層する。しかしながら、GaAs基板上に、絶縁層14であるAl2O3層を直接形成することは非常に難しい。したがって、本実施形態では、GaAs基板に導電層18であるAl層を形成し、その後、Al層の表面を酸化して絶縁層14であるAl2O3層を形成する。このようにすることにより、容易に良質のAl2O3層を形成することができる。
【0024】
しかも、導電層18を挿入しても、磁気センサの特性が劣化することはない。化合物半導体層16で生成された分極した電子は、導電層18をそのまま通過して、分極状態が変化することがない。このため、磁気センサの磁気抵抗が変動せして特性が劣化することはない。
このように本実施例によれば、特性に影響を与えることなく、磁気センサを簡単に製造することができる。
【0025】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、化合物半導体層の材料としてGaAs層を用いたが、円偏光を照射することにより分極した電子が生成されるものであれば、他の材料でもよい。例えば、GaAs層の代わりに、歪ませたGaAs層や、GaAs薄層とAlGaAs薄層を交互に積層した超格子構造を用いてもよい。歪ませたGaAs層の分極率は約80%、上記超格子構造の分極率は約75%と、GaAs層よりも大きい。
【0026】
また、上記実施形態では、絶縁層に接する強磁性体層として、分極率の大きなFeCo合金を用いたが、他の強磁性体、例えば、Fe(分極率:44%)、Co(分極率:34%)、窒化鉄(分極率:50%以上)を用いてもよい。
また、上記実施形態では、絶縁層に接しない側の強磁性体層として、保磁力の小さなNiFe合金を用いたが、他の強磁性体、例えば、ゼロ磁歪NiFeCo合金(保磁力:1Oe程度)を用いてもよい。ゼロ磁歪NiFeCo合金とは、図6のグラフ中のλs=0の線上の組成比の合金のことである。
【0027】
また、上記実施形態では、絶縁層としてAl2O3を用いたが、他の材料、例えば、SiO2、AlN、NiO、CoOを用いてもよい。
また、上記実施形態では、絶縁層の化合物半導体層側に導電層を設けたが、強磁性体側に導電層を設けてもよい。
また、上記実施形態では、導電層としてAl金属を用いたが、他の材料、例えば、Cu、Ag、Auを用いてもよい。
【0028】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、化合物半導体層から分極した電子を供給するようにしたので、検出感度のよい磁気センサを実現することができる。また、保磁力を有する強磁性体を使用する必要がないために、外乱に強い磁気センサを実現することができる。
【0029】
また、本発明によれば、磁気抵抗の変化率に大きく影響する絶縁層に接する側には分極率の大きな第1の強磁性体層を設けるようにしたので、大きな磁気抵抗の変化率を得ることができる。一方、第1の強磁性体層に保磁力の小さな第2の強磁性体層を設けるようにしたので、小さな外部磁界に対しても十分な感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図2】本発明の第1実施形態による磁気センサの磁気抵抗の磁場依存性の計算結果を示すグラフである。
【図3】本発明の第1実施形態による磁気センサを示す図である。
【図4】本発明の第2実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図5】本発明の第3実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図6】NiFeCo三元合金の磁歪ゼロの組成を示すグラフである。
【符号の説明】
10…積層体
12…強磁性体層
12a…FeCo合金層
12b…NiFe合金層
14…絶縁層
16…化合物半導体層
18…導電層
20…直流電源
22…電圧計
30…支持基板
32…光導波路
34…1/4波長板
Claims (8)
- 強磁性体層と、絶縁層と、GaAs系化合物半導体層とが積層された積層体と、
前記積層体の前記GaAs系化合物半導体層に円偏光を照射する照射手段とを有し、
前記積層体の前記強磁性体層と前記GaAs系化合物半導体層との間のトンネル抵抗により外部磁界を検出することを特徴とする磁気センサ。 - 請求項1記載の磁気センサにおいて、
前記積層体の前記強磁性体層は、
前記絶縁層に接する第1の強磁性体層と、
前記第1の強磁性体層に接し、前記第1の強磁性体層よりも保磁力が小さい第2の強磁性体層と
を有することを特徴とする磁気センサ。 - 請求項1又は2記載の磁気センサにおいて、
前記積層体の前記絶縁層の少なくとも一方の面に導電層が挿入されていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項2記載の磁気センサにおいて、
前記第2の強磁性体層は、パーマロイ合金又はゼロ磁歪NiFeCo合金により形成されていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項2記載の磁気センサにおいて、
前記第1の強磁性体層は、Fe、Co、FeCo合金又は窒化鉄により形成されていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項3記載の磁気センサにおいて、
前記導電層は、Al、Cu、Ag又はAuにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の磁気センサにおいて、
前記絶縁層は、Al2O3、SiO2、AlN、NiO又はCoOにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。 - 請求項1乃至7のいずれか1項に記載の磁気センサを有し、磁気記録媒体に記録された磁気状態を読み取ることを特徴とする磁気読取ヘッド。
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