JP4331180B2 - Recording / playback device - Google Patents
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Description
本発明は、記録再生装置に係り、特に記録媒体にスピン偏極した電子を用いて情報の記録が可能な記録再生装置に関する。 The present invention relates to a recording / reproducing apparatus, and more particularly to a recording / reproducing apparatus capable of recording information using spin-polarized electrons on a recording medium.
現在、低ビットコストのファイルメモリの代表例はハードディスクであるが、さらなる大容量化、すなわちさらなる面記録密度の向上が求められている。 At present, a typical example of a low bit cost file memory is a hard disk, but there is a demand for further increase in capacity, that is, further improvement in surface recording density.
しかし、単純にビットセルを微細化していった場合、熱揺らぎの問題で情報が消失する可能性が指摘されている。これを防ぐためには記録媒体の磁気異方性を高めて磁化の安定性を高めなければならないが、そうすると微小な部分により大きな磁界を印加することが必要になる。よって、ヘッド(プローブ)から磁界を印加して記録媒体の磁化方向を書き換える方法では、上記のような観点から限界が来ることが予想される。 However, it has been pointed out that when a bit cell is simply miniaturized, information may be lost due to the problem of thermal fluctuation. In order to prevent this, it is necessary to increase the magnetic anisotropy of the recording medium to enhance the stability of the magnetization. In this case, it is necessary to apply a large magnetic field to a minute portion. Therefore, the method of rewriting the magnetization direction of the recording medium by applying a magnetic field from the head (probe) is expected to have a limit from the above viewpoint.
一方、次世代のMRAM(Magnetic Random Access Memory)への適用が期待されるスピン注入磁気記録方式では、スピン偏極させた電子によって磁気抵抗効果(magnetoresistive effect)素子に含まれる磁化記録層の磁化方向を高速に反転させることで情報の記録を行う。そして、素子サイズを縮小すると記録電流も減少するため、記録密度の向上に有利な記録方式である。 On the other hand, in the spin-injection magnetic recording method that is expected to be applied to the next generation MRAM (Magnetic Random Access Memory), the magnetization direction of the magnetization recording layer included in the magnetoresistive effect element by spin-polarized electrons Information is recorded by reversing at a high speed. Since the recording current is reduced when the element size is reduced, the recording method is advantageous for improving the recording density.
通常のMRAMで予定されている記録方式としては、電子の流れる向きによって磁化記録層の磁化方向が決定される。記録情報の再生は、磁化記録層の記録磁化の向きに応じた磁気抵抗効果素子の抵抗変化を例えば電圧変化として検出することにより行われる。 As a recording method planned for a normal MRAM, the magnetization direction of the magnetization recording layer is determined by the direction in which electrons flow. Reproduction of recorded information is performed by detecting a change in resistance of the magnetoresistive element according to the direction of recording magnetization of the magnetization recording layer, for example, as a voltage change.
この記録原理を、MRAMのような配線を用いる半導体メモリではなく、平面媒体の情報を探針(プローブ)によって読み出すいわゆるプローブメモリもしくはMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)メモリと呼ばれる記録装置に応用した例が開示されている(特許文献1参照)。 An example in which this recording principle is applied to a recording device called a so-called probe memory or MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) memory that reads information on a flat medium by a probe instead of a semiconductor memory using wiring such as MRAM. It is disclosed (see Patent Document 1).
しかしながら、ここではプローブ電極を記録媒体にオーミック接触させて導電電流を流す方法を採用しているため、接触抵抗が読出すべき抵抗にノイズとして乗るという問題、さらにはプローブもしくは記録媒体の磨耗の問題がある。 However, since a method in which the probe electrode is brought into ohmic contact with the recording medium and a conductive current flows is employed here, the problem that the contact resistance rides on the resistance to be read as noise, and further the problem of wear of the probe or the recording medium There is.
これに対して、電界放出型の電子線は、プローブ電極から記録媒体に向けて非接触で電流を供給できる有望な手段と考えられる(特許文献2参照)。その電子放出領域は約10nmまたはそれ以下と極微細であることを特徴とし、その極微細領域を選択的に加熱昇温したり、またはその微細領域に選択的に導電電流を流すことで情報の記録または再生をすることが可能である。 On the other hand, the field emission type electron beam is considered as a promising means capable of supplying a current in a non-contact manner from the probe electrode toward the recording medium (see Patent Document 2). The electron emission region is extremely fine, about 10 nm or less, and the temperature of the ultrafine region is selectively heated or heated, or a conductive current is selectively passed through the fine region to allow information Recording or playback is possible.
しかしながら、この原理とスピン注入記録原理との組み合わせは容易ではない。なぜなら、電界放出型の電子線を記録媒体側からプローブ側に向けて供給することが困難であるため、前述したように電流の向きによって情報を書き換えようとする素子に応用しようとしても情報の書き換えができない。
本発明は、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができ、かつ大容量化及び低消費電力化が可能な記録再生装置を提供する。 The present invention provides a recording / reproducing apparatus that can eliminate the contact resistance between a head and a recording medium, and that can have a large capacity and low power consumption.
本発明の一視点に係る記録再生装置は、磁化方向が変化する磁化記録層を含みかつ情報が記録される磁気セルを複数個含む記録媒体と、前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第1の磁化固着層を含み、かつ前記磁気セルにスピン偏極した電子を供給することにより2進情報の一方を書き込む第1のヘッドと、前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第2の磁化固着層を含み、かつ前記磁気セルにスピン偏極した電子を供給することにより2進情報の他方を書き込む第2のヘッドとを具備し、前記第1の磁化固着層の磁化方向は、前記第2の磁化固着層の磁化方向と反対であることを特徴とする。 A recording / reproducing apparatus according to one aspect of the present invention includes a recording medium including a magnetic recording layer in which a magnetization direction changes and a plurality of magnetic cells in which information is recorded, and a space or an insulating layer above the recording medium. is disposed over, and comprises a first magnetization pinned layer whose magnetization direction is fixed, and a first head for writing one of the binary information by supplying electrons spin-polarized in the magnetic cell, wherein Binary information is provided by supplying spin-polarized electrons to the magnetic cell, which includes a second magnetization pinned layer which is disposed above the recording medium via a space or an insulating layer and whose magnetization direction is fixed. And a magnetization direction of the first magnetization pinned layer is opposite to the magnetization direction of the second magnetization pinned layer .
本発明によれば、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができ、かつ大容量化及び低消費電力化が可能な記録再生装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a recording / reproducing apparatus capable of eliminating the contact resistance between the head and the recording medium, and capable of increasing the capacity and reducing the power consumption.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, elements having the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be given only when necessary.
(第1の実施形態)
本発明の例では、HDD(ハードディスク)のように回転する記録媒体の上方に1つ或いは2つのヘッド(プローブ)を配置する場合、もしくは1チップに1000本以上のカンチレバーを設置して、これらを同時にパラレル処理する場合のように、ヘッドが記録媒体の上方を移動して情報を記録及び再生するタイプのメモリ(ストレージ)を想定している。これにより、1つの記録セルに必ず配線がつながるいわゆる半導体メモリに比べ、(トランジスタの)短チャンネル効果などの微細化に対する障害を考慮しなくてもよい。
(First embodiment)
In the example of the present invention, when one or two heads (probes) are arranged above a rotating recording medium such as an HDD (hard disk), or more than 1000 cantilevers are installed in one chip, As in the case of parallel processing at the same time, a type of memory (storage) in which the head moves above the recording medium and records and reproduces information is assumed. Thus, as compared with a so-called semiconductor memory in which wiring is always connected to one recording cell, it is not necessary to consider an obstacle to miniaturization such as a short channel effect (of a transistor).
図1は、本発明の第1の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体10と、情報を記録媒体10に記録するヘッド20(本実施形態では、2つのヘッド20−1、20−2)とを備えている。
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a recording / reproducing apparatus according to the first embodiment of the present invention. The recording / reproducing apparatus includes a
記録媒体10は、基板11上に設けられた導電層18と、この導電層18上に設けられた絶縁層12と、導電層18上で絶縁層12内に設けられた複数の磁気セル14とを備えている。これら複数の磁気セル14は、絶縁層12を介して規則的に配置されている。すなわち、複数の磁気セル14は、絶縁層12によって電気的に絶縁されている。また、各磁気セル14は、導電層18に電気的に接続され、この導電体層18は接地される。
The
基板11としては、例えばシリコンが用いられる。平坦性が確保できれば安価なガラスを用いてもよい。絶縁層12としては、例えば高抵抗の絶縁体(アルミナ(Al2O3)、シリコン酸化膜等)が用いられる。
For example, silicon is used as the
ヘッド20に含まれる磁性層と記録媒体10に含まれる磁性層とは、物理的に接触しないように配置される。このために、記録媒体10の上面(ヘッド20に対向する面)に、保護膜13を設けるようにしてもよい。また、ヘッド20の底面(記録媒体10に対向する面)に、保護膜を設けるようにしてもよい。保護膜13は、薄い絶縁膜が好適である。例えば、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)は、耐摩耗性も得られるので好適である。
The magnetic layer included in the
磁気セル14は、磁化記録層(フリー層)17により構成される。記録層17は、強磁性体からなり、かつ磁化方向が変化(反転)する。記録層17としては、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)及びクロム(Cr)よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるNiFe系合金、あるいはCoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やCrO2、Fe3O4、La1―XSrXMnO3などのハーフメタル磁性体酸化物、窒化物が挙げられる。
The
さらには、FePt合金など通常はハード磁性体として分類されるものも使用できる。すなわち、これらの材料のうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい(ハード磁性体も含め、保磁力にかかわらず磁化反転させることができるのがスピン注入原理の特徴の1つである)。 Furthermore, those normally classified as hard magnetic materials such as FePt alloys can also be used. That is, it is only necessary to appropriately select and use one of these materials having magnetic properties according to the application (including the hard magnetic material, the magnetization reversal is possible regardless of the coercive force, which is a feature of the spin injection principle. One of these).
スピン注入磁化反転(磁気セルに直接電流を流して電子が持っているスピンの作用によって磁化を反転させる)が起こる電流値(臨界電流値)を下げるなどの目的で、記録層17をRu層で区切るような多層膜で構成してもよい。図1には、最も単純な構成を示している。
For the purpose of lowering the current value (critical current value) at which spin injection magnetization reversal (current is passed directly through the magnetic cell and the magnetization is reversed by the action of the spin of the electrons), the
なお、記録層17は、熱揺らぎに耐えられるだけの保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。記録層17に要求される保磁力は、書き込まれる記録ビットの大きさに依存し、記録ビットが小さくなるほど大きな保磁力が必要となる。
The
記録層17の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。図1に示した太い矢印は、磁化方向を示している。しかし、これに限定されず、記録層17の磁化方向は、膜面内方向であってもよい。ただし、磁気セルの微細化が進めば、おのずと垂直磁化が有利となるであろう。
The magnetization direction of the
ヘッド20−1は、電子が供給される導電層21−1と、この導電層21−1の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層(ピン層)22−1とを備えている。すなわち、固着層22−1は、記録媒体10に面する側に配置される。なお、固着層22−1の導電性が十分であればヘッド全体を、該固着層のみで構成してもよい。
The head 20-1 includes a conductive layer 21-1 to which electrons are supplied, and a magnetization fixed layer (pinned layer) 22-1 provided at the tip of the conductive layer 21-1 and having a fixed magnetization direction. Yes. That is, the fixed layer 22-1 is disposed on the side facing the
固着層22−1は、強磁性体からなり、磁化方向が固定されている。例えば、固着層22−1の膜厚は、磁化方向を固定するために、記録層17の膜厚より厚くなっている。或いは、強磁性層に反強磁性層を付加することで、交換結合により磁化方向を固定してもよい。強磁性層としては、Fe、Co、Ni、Mn及びCr等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。反強磁性層としては、FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、或いはFe2O3などが用いられる。また、固着層22−1をRu層で区切るような多層膜で構成してもよい。
The pinned layer 22-1 is made of a ferromagnetic material, and the magnetization direction is fixed. For example, the film thickness of the pinned layer 22-1 is thicker than the film thickness of the
ヘッド20−1は、例えば、記録媒体10と所定距離を空けて配置され、物理的に接触しないように配置される。記録媒体とヘッドとの距離は、電子の平均自由行程程度以下であることが必要である。この条件を満足する距離では、電子の持つスピン偏極がおおむね維持される。ここで、電子の平均自由行程は、ガスの種類及びガス圧と電子のエネルギーに依存するが、空気の主要構成成分の1つである窒素の場合、大気圧中での平均自由行程が少なくとも150nmである(減圧すればもっと長くなる)。好ましくは、この距離は50nm以下である。
For example, the head 20-1 is disposed at a predetermined distance from the
また、記録媒体とヘッドとの距離があまり小さいと、ヘッドが記録媒体に接触してしまう。この結果、記録媒体およびヘッドが磨耗してしまう(いわゆるヘッドクラッシュ)。したがって、記録媒体とヘッドとの距離は、接触しない程度に設定される。 In addition, if the distance between the recording medium and the head is too small, the head contacts the recording medium. As a result, the recording medium and the head are worn out (so-called head crash). Therefore, the distance between the recording medium and the head is set so as not to contact.
固着層22−1の磁化方向は、記録層17と同様に、膜面に垂直な方向である。すなわち、記録層17の磁化容易軸が膜面垂直方向の場合は、固着層22−1の磁化容易軸も記録媒体10の上面に対して垂直方向であることが求められる。
The magnetization direction of the pinned layer 22-1 is a direction perpendicular to the film surface, like the
しかし、ヘッド側の固着層22−1の磁化方向が例えば完璧な膜面垂直方向から仮に20°程度ずれているとしても、記録層17が膜面垂直方向の磁気異方性を有していれば、記録層17の磁化方向を略上向きか下向きに揃えることができる。すなわち、記録層17と固着層22−1との磁化方向は、完全に同一方向でなくてもよく、多少のずれは許容される。
However, even if the magnetization direction of the pinned layer 22-1 on the head side is deviated by about 20 ° from the perfect perpendicular direction to the film surface, for example, the
これは逆に、ヘッド側の固着層22−1の磁化方向が膜面垂直方向で記録層17の磁化方向が20°程度ずれた場合なども同様のことが言える。すなわち、多少の磁化方向のずれを許容できるので、これを許容することで歩留まりが向上する場合があれば磁化方向のずれはある程度許容する。
Conversely, the same applies to the case where the magnetization direction of the fixed layer 22-1 on the head side is perpendicular to the film surface and the magnetization direction of the
ヘッド20−1及び記録媒体10には、ヘッド20−1から電界放出をさせるためのバイアス回路30が接続されている。電界放出とは、ヘッド20−1の電子放出面において高い電位勾配(電界)を形成することにより、ヘッド20−1から記録媒体10へ向かって直接電子を放出させることをいう。
A
バイアス回路30は、ヘッド20−1に負電位を供給し、記録媒体10(具体的には、導電層18)に接地電位を供給する。すなわち、バイアス回路30は、ヘッド20−1と記録媒体10との間に負電圧を印加する。このバイアス回路30の作用により、ヘッド20−1から記録媒体10に電子を流すことが可能となる。
The
同様に、ヘッド20−2は、電子が供給される導電層21−2と、この導電層21−2の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層22−2とを備えている。ヘッド20−2は、固着層22−2の磁化方向が固着層22−1のそれと反対向きである点以外は、ヘッド20−1と同じ構成である。もちろん、ヘッド20−2にも、バイアス回路30が接続されている。
Similarly, the head 20-2 includes a conductive layer 21-2 to which electrons are supplied and a magnetization fixed layer 22-2 provided at the tip of the conductive layer 21-2 and having a fixed magnetization direction. . The head 20-2 has the same configuration as the head 20-1, except that the magnetization direction of the pinned layer 22-2 is opposite to that of the pinned layer 22-1. Of course, the
図2は、ヘッド20−1、20−2を駆動するための駆動部40−1、40−2を説明するための概略図である。2つのヘッド20−1、20−2の配置は、例えば図2のような配置が考えられる。すなわち、記録媒体10の上方に全く独立な動きをする2つのヘッド(1組のヘッド)を配置し、それぞれのヘッドが、一般的なハードディスクの仕組みと同様、サーボをし、アドレスを読み、所望の特定位置に“0”もしくは“1”を記録する。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the drive units 40-1 and 40-2 for driving the heads 20-1 and 20-2. For example, the arrangement of the two heads 20-1 and 20-2 is as shown in FIG. That is, two heads (one set of heads) that move completely independently are arranged above the
ただし、2つのヘッドはあまり近づけることが困難であるので、隣接ビットに異なるデータを書き込む場合、何らかのデータバッファが必要になる。なお、ヘッドは2つに限定されるものではなく、一般的なハードディスクと同様、何枚かのディスクを組み合わせ、1枚ごとに2つのヘッド(1組のヘッド)を配置してもよい。 However, since it is difficult to bring the two heads close to each other, some data buffer is required when writing different data to adjacent bits. Note that the number of heads is not limited to two, and as with a general hard disk, several disks may be combined and two heads (one set of heads) may be arranged for each disk.
以下、ヘッドを駆動するための駆動部の一例について説明する。記録再生装置は、ヘッド20−1と記録媒体10の上面との相対的な位置関係を制御するための駆動部40−1を備えている。駆動部40−1は、記録媒体10の上面を移動するスライダ41−1と、このスライダ41−1の動作を制御する駆動回路42−1とを備えている。
Hereinafter, an example of a drive unit for driving the head will be described. The recording / reproducing apparatus includes a drive unit 40-1 for controlling the relative positional relationship between the head 20-1 and the upper surface of the
スライダ41−1の先端には、ヘッド20−1が設けられている。ヘッド20−1は、スライダ41−1によって記録媒体10と所定距離を空けて配置され、物理的に接触しないように配置される。また、記録再生装置は、記録媒体10を回転させるためのモータ43を備えている。
A head 20-1 is provided at the tip of the slider 41-1. The head 20-1 is disposed at a predetermined distance from the
同様に、記録再生装置は、ヘッド20−2と記録媒体10の上面との相対的位置関係を制御するための駆動部40−2を備えており、この駆動部40−2は、記録媒体10の上面を移動するスライダ41−2と、このスライダ41−2を制御する駆動回路42−2とを備えている。
Similarly, the recording / reproducing apparatus includes a driving unit 40-2 for controlling the relative positional relationship between the head 20-2 and the upper surface of the
そして、モータ43を用いてディスク状の記録媒体10を回転させる。また、スライダをディスクの半径方向に移動させる。これにより、ヘッドを所望の特定位置に移動させることが可能となる。
Then, the disk-shaped
次に、このように構成された記録再生装置の動作について説明する。情報の記録時には、ヘッド20−1が目的の磁気セル14の上方に移動し、そこでヘッド20−1にはバイアス回路30から負電位が供給される。また、記録媒体10には、バイアス回路30から接地電位が供給される。これにより、ヘッド20−1と記録媒体10との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子(電子流e−)が非接触でヘッド20−1から記録媒体10に向かって流れる。
Next, the operation of the thus configured recording / reproducing apparatus will be described. When recording information, the head 20-1 moves above the target
この電子は、磁化方向が固定された固着層22−1を通過する際に、固着層22−1の磁化方向と同じ向きのスピンを持つようになる(スピン偏極される)。すなわち、固着層22−1の磁化方向と反対向きのスピンを持つ電子は、固着層22−1の上面で反射される。一方、固着層22−1の磁化方向と同じ向きのスピンを持つ電子は、固着層22−1を通過する。 When the electrons pass through the pinned layer 22-1 whose magnetization direction is fixed, the electrons have a spin in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 22-1 (spin polarization). That is, electrons having a spin opposite to the magnetization direction of the pinned layer 22-1 are reflected from the upper surface of the pinned layer 22-1. On the other hand, electrons having spins in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 22-1 pass through the pinned layer 22-1.
この固着層22−1の磁化方向(例えば、下向き)と同じ向きのスピンを持つ電子が記録層17に流れると、このスピンのもつ角運動量が記録層17に伝達される。その結果、記録層17の磁化方向は、固着層22−1の磁化方向と同じ向きに揃う。
When electrons having a spin in the same direction as the magnetization direction (for example, downward) of the pinned layer 22-1 flow to the
記録層17を反対方向に磁化するときには(上記動作が“0”書き込み動作と仮定すると、“1”書き込み動作の場合)、固着層22−1と反対方向(上向き)に磁化された固着層22−2を有するヘッド20−2を用いる。そして、同様に、ヘッド20−2から記録媒体10に電子を流すことで、“1”書き込み動作を実現することができる。
When the
以上詳述したように本実施形態によれば、ヘッドから記録媒体に向けて非接触で電子を供給することができるため、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができる。これにより、ヘッド及び記録媒体の磨耗を削減することができる。 As described above in detail, according to the present embodiment, electrons can be supplied from the head toward the recording medium in a non-contact manner, so that the contact resistance between the head and the recording medium can be eliminated. Thereby, wear of the head and the recording medium can be reduced.
また、スピン注入磁化反転方式を用いて記録層17の磁化方向を反転させている。この場合、磁気セル14のサイズを縮小すると記録電流も減少する。これにより、記録媒体10の記録密度を向上させることができ、ひいては記録媒体10の微細化が可能となる。さらに、記録電流を削減することができるため、消費電力の低減が可能となる。
Further, the magnetization direction of the
なお、本実施形態では、主に記録媒体と1組のヘッド(プローブ)という構成を述べたが、プローブを何百本、何千本と並べ、記録媒体をX−Yアクチュエータで動かして動作させるタイプのストレージにも適用することが可能である。 In this embodiment, the configuration of a recording medium and a pair of heads (probes) is mainly described. However, the type is one in which hundreds and thousands of probes are arranged and the recording medium is moved by an XY actuator. It can be applied to other storages.
具体的には、記録媒体がX−Yアクチュエータ上に載置され、X−Yアクチュエータがプローブに対して記録媒体の位置を制御する。そして、直線状に複数本のトラックを有する記録媒体をトラック方向とその垂直方向とに精密に送り、記録及び再生の位置を決定する。 Specifically, the recording medium is placed on an XY actuator, and the XY actuator controls the position of the recording medium with respect to the probe. Then, a recording medium having a plurality of tracks in a straight line is precisely sent in the track direction and the vertical direction to determine the recording and reproduction positions.
このようなX−Yアクチュエータ方式においては、各プローブがそれぞれの媒体領域を受け持つことになるので、この媒体領域を各プローブのブロックとして考えれば、1組のヘッドの場合と同様の動作を実現することができる。例えば、それぞれのブロックごとに逆向きの磁化を持つプローブ2本を1組として配置すれば、同様の動作が実現できる。 In such an XY actuator system, each probe is responsible for each medium area. Therefore, if this medium area is considered as a block of each probe, the same operation as in the case of one set of heads is realized. be able to. For example, the same operation can be realized if two probes having opposite magnetizations are arranged as one set for each block.
(第2の実施形態)
第2の実施形態は、記録媒体10に含まれる磁気セル14の他の構成例であり、さらに上記第1の実施形態で示したヘッドを用いて磁気セル14の記録情報を再生するように構成したものである。
(Second Embodiment)
The second embodiment is another configuration example of the
図3は、本発明の第2の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。磁気セル14は、磁化固着層(ピン層)15、磁化記録層(フリー層)17、及びこれら固着層15と記録層17との間に設けられた非磁性層16で構成された積層構造である。記録層17の構成は、上記第1の実施形態と同じである。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a recording / reproducing apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
非磁性層16としては、絶縁層、金属層、あるいはそれらの混晶を用いることができる。絶縁層としては、Al2O3、MgOなどが用いられる。金属層としては、Cu、Ag、Auなどの非磁性金属元素のいずれかあるいは、これらの合金を用いることができる。非磁性層16に絶縁層を用いた場合は、トンネル磁気抵抗効果を利用したTMR(Tunneling Magnetoresistive)素子となり、金属層を用いた場合は、GMR(Giant Magnetoresistive)素子となる。これらを総称してMR(Magnetoresistive)素子と呼ぶ。
As the
固着層15は、強磁性体からなり、磁化方向が固定されている。例えば、固着層15の膜厚は、磁化方向を固定するために、記録層17の膜厚より厚くなっている。或いは、強磁性層に反強磁性層を付加することで、交換結合により磁化方向を固定してもよい。
The pinned
スピン注入磁化反転が起こる臨界電流値を下げるなどの目的で、固着層15ならびに記録層17をRu層で区切るような多層膜で構成してもよいし、複数の固着層と複数の記録層とを交互に積層して構成してもよい。図3には、最も単純な構成を示している。
For the purpose of, for example, reducing the critical current value at which spin injection magnetization reversal occurs, the pinned
図4は、固着層15の他の例を示す断面図である。固着層15は、強磁性層15−2と反強磁性層15−1とが積層されて構成されている。強磁性層15−2としては、Fe、Co、Ni、Mn及びCr等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。反強磁性層15−1としては、FeMn合金、PtMn合金、PtCrMn合金、NiMn合金、IrMn合金、NiO、或いはFe2O3などが用いられる。このように、反強磁性層15−1と強磁性層15−2との交換結合を利用して、固着層15の磁化方向が一方向に固定されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of the
また、強磁性層15−2の磁化をこれらに隣接して設けられたハード磁性層により固定してもよい。或いは、固着層15自身にハード磁性層を用いてもよい。この場合のハード磁性層としては、CoPt合金、FePt合金、CoCrPt合金、SmCo合金、NdFeB合金などの磁性材料を用いることができる。
Further, the magnetization of the ferromagnetic layer 15-2 may be fixed by a hard magnetic layer provided adjacent thereto. Alternatively, a hard magnetic layer may be used for the pinned
図5は、固着層15の他の例を示す断面図である。固着層15は、強磁性層15−4/非磁性層15−3/強磁性層15−2/反強磁性層15−1が積層されたSAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構造を有している。強磁性層15−4としては、Fe、Co、Ni、Mn及びCr等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。非磁性層15−3としては、Ruなどが用いられる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the
このように構成された磁気セル14は、強磁性トンネル接合を有し、非磁性層16をトンネルして電流が流れる。また、磁気セル14は、固着層15と記録層17との磁化方向が平行になった場合と反平行になった場合とでトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magnetoresistive Effect)を有する。すなわち、磁気セル14の抵抗値は、固着層15と記録層17との磁化方向が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これにより、磁気セル14は、抵抗値が小さい場合を“1”、抵抗値が大きい場合を“0”として2進情報を記憶することができる。
The
なお、記録層17は、熱揺らぎに耐えられるだけの保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。記録層17に要求される保磁力は、書き込まれる記録ビットの大きさに依存し、記録ビットが小さくなるほど大きな保磁力が必要となる。固着層15には、記録層17よりも大きな保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。
The
記録層17及び固着層15の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。図3の各磁性層に示した太い矢印は、磁化方向を示している。しかし、これに限定されず、記録層17及び固着層15の磁化方向は、膜面内方向であってもよい。各層の磁化方向が膜面内方向である構成については、後述する。
For example, the magnetization directions of the
次に、このように構成された記録再生装置の動作について説明する。情報の記録時には、ヘッド20−1が目的の磁気セルの上方に移動し、そこでバイアス回路30から負電位が供給される。また、記録媒体10には、バイアス回路30から接地電位が供給される。これにより、ヘッド20−1と記録媒体10との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子(電子流e−)が非接触でヘッド20−1から記録媒体10に向かって流れる。
Next, the operation of the thus configured recording / reproducing apparatus will be described. When recording information, the head 20-1 moves above the target magnetic cell, and a negative potential is supplied from the
この電子は、磁化方向が固定された固着層22−1を通過する際に、固着層22−1の磁化方向と同じ向きのスピンを持つようになる。この固着層22−1の磁化方向と同じ向きのスピンを持つ電子が記録層17に流れると、このスピンのもつ角運動量が記録層17に伝達される。その結果、記録層17の磁化方向は、固着層22−1の磁化方向と同じ向きに揃う。
When the electrons pass through the pinned layer 22-1 whose magnetization direction is fixed, the electrons have spins in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 22-1. When electrons having a spin in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 22-1 flow through the
記録層17を反対方向に磁化するときには(上記動作が“0”書き込み動作と仮定すると、“1”書き込み動作の場合)、固着層22−1と反対方向に磁化された固着層22−2を有するヘッド20−2を用いる。そして、同様に、ヘッド20−2から記録媒体10に電子を流すことで、“1”書き込み動作を実現することができる。
When the
記録情報の再生時には、ヘッドから磁気セル14に向けて臨界電流値(電子が持っているスピンの作用によって記録層17の磁化方向が変化する電流値)以下になるように電子を流す。これは、例えばバイアス回路30により制御される。
At the time of reproducing recorded information, electrons are passed from the head toward the
磁気セル14は記録層17の下側に非磁性層16を挟んで固着層15が設けられているので、記録層17と固着層15との磁化方向が同一(平行)であれば磁気セル14の抵抗値は小さく、記録層17と固着層15との磁化方向が逆向き(反平行)であれば磁気セル14の抵抗値は大きくなる。
Since the
この抵抗値の差による電圧値の変化(或いは、電流値の変化)を、例えばヘッドとバイアス回路30との間に設置されたセンスアンプ等(図示せず)によって検出する。再生用のヘッドは専用のものでもよいが、ヘッド20−1(“0”書き込み)もしくはヘッド20−2(“1”書き込み)がこれを兼ねるようにしてもよい。
A change in voltage value (or change in current value) due to the difference in resistance value is detected by, for example, a sense amplifier (not shown) installed between the head and the
以上詳述したように本実施形態によれば、ヘッドから記録媒体に向けて非接触で電子を供給することができるため、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができる。これにより、接触抵抗が読み出すべき抵抗値にノイズとして乗るという問題を回避でき、さらにはヘッド及び記録媒体の磨耗を削減することができる。その他の効果は、上記第1の実施形態と同様である。 As described above in detail, according to the present embodiment, electrons can be supplied from the head toward the recording medium in a non-contact manner, so that the contact resistance between the head and the recording medium can be eliminated. As a result, it is possible to avoid the problem that the contact resistance rides on the resistance value to be read out as noise, and further it is possible to reduce wear of the head and the recording medium. Other effects are the same as those of the first embodiment.
(第3の実施形態)
第3の実施形態は、基本原理は上記第2の実施形態と同じであるが、ヘッドを1つのみ用いることで情報の記録を行うように構成している。
(Third embodiment)
In the third embodiment, the basic principle is the same as that of the second embodiment, but information is recorded by using only one head.
図6は、本発明の第3の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体10と、情報を記録媒体10に記録する1つのヘッド20とを備えている。
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a recording / reproducing apparatus according to the third embodiment of the present invention. The recording / reproducing apparatus includes a
記録媒体10の構成は、例えば、キュリー温度が272℃(545K)程度のPtxFe(100−x)合金(X=30at%)などからなる磁化記録層17、MgOなどからなる非磁性層16、およびキュリー温度が900℃(1190K)超のSm2Co17合金などからなる磁化固着層15という構成である。記録層17及び固着層15の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。また、上記第2の実施形態と同様、記録層17及び固着層15を多層膜で構成してもよいのは言うまでもない。
The configuration of the
工場出荷時には、記録層17の磁化方向は、固着層15の磁化方向と揃っているものとする。すなわち、全ての磁気セル14には、“1”が記録されている。
When shipped from the factory, the magnetization direction of the
ヘッド20は、電子が供給される導電層21と、この導電層21の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層22とを備えている。固着層22の磁化方向は、磁気セル14に“0”を書き込むのに必要な方向に磁化されている。すなわち、本実施形態では、固着層22の磁化方向は、固着層15のそれと反対方向である。
The
固着層22の磁化方向は、磁気セル14と同様に、膜面に垂直な方向である。すなわち、記録媒体10(磁気セル14)の磁化容易軸が膜面垂直方向の場合は、ヘッド側の固着層22の磁化容易軸も記録媒体10の上面に対して垂直方向に設定される。
The magnetization direction of the pinned
ヘッド20及び記録媒体10には、ヘッド20から電界放出をさせるためのバイアス回路30が接続されている。
A
図7は、ヘッド20を駆動するための駆動部40及び加熱回路44を説明するための概略図である。駆動部40は、記録媒体10の上面を移動するスライダ41と、このスライダ41の動作を制御する駆動回路42とを備えている。図7に示すように、本実施形態では、ヘッドが1つであり、このヘッドを駆動する駆動部も1つである。ヘッドを所望の特定位置に移動させる動作は、上記第1の実施形態と同じである。さらに、記録再生装置は、記録媒体10を加熱するための加熱回路44を備えている。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時には、ヘッド20が目的の磁気セルの上方に移動し、そこでバイアス回路30から負電位が供給される。また、記録媒体10には、バイアス回路30から接地電位が供給される。そして、書き込み動作が完了した時点では、磁気セル14の記録層17の磁化方向がヘッド20の固着層22の磁化方向と同じ向きに揃う(“0”書き込み動作)ところまでは上記第2の実施形態と同様である。
The operation of the recording / reproducing apparatus configured as described above will be described. At the time of recording, the
次に、磁気セル14に“1”を書き込む場合について説明する。前述したように、固着層15及び記録層17のキュリー温度は、異なる温度に設定されている。すなわち、固着層15の方が記録層17よりもキュリー温度が高い。よって、固着層15のキュリー温度TC(pin)より低くかつ記録層17のキュリー温度TC(free)より高い温度に記録媒体10を加熱すると、記録層17の磁化だけがランダムな向きになる。そして、冷却時に、固着層15の磁化の影響を受けて、記録層17の磁化方向が固着層15の磁化方向と略同じ方向に揃う(全面一括“1”書き込み)。
Next, a case where “1” is written in the
具体的には、記録層17を反対方向に磁化するとき(磁気セル14に“1”を書き込む場合)に、記録媒体10全面もしくはブロック分割された記録媒体10の一部を300℃程度に加熱回路44により加熱する。すると、300℃未満のキュリー温度をもつ記録層17はランダムな磁化になる。そして、冷却時には、近傍の固着層15の磁化の影響を受けて、記録層17の磁化方向が固着層15の磁化方向と同じ方向に磁化される。すなわち、記録層17の磁化方向は、ヘッド20の固着層22の磁化方向と反対方向に磁化される。
Specifically, when the
ここで、ヘッド20の固着層22の磁化方向は、記録媒体10の固着層15の磁化方向と反対方向である必要がある。或いは、加熱の際、記録層17に任意の外部磁場を加えることで、記録層17の磁化方向を揃えるようにしてもよい。この場合には、固着層22の磁化方向を、固着層15の磁化方向と反対方向にするという制約はない。
Here, the magnetization direction of the pinned
さらに、レーザービームなどを用いて1ビット単位のごく狭い範囲を加熱するようにしてもよい。図8は、第3の実施形態の他の構成例を示す断面図である。記録媒体10の上方には、レーザー照射装置45が配置されている。記録層17を反対方向に磁化する場合(磁気セル14に“1”を書き込む場合)には、記録層17に対してレーザー照射装置45からレーザーが照射される。これにより記録層17が加熱され、記録層17はランダムな磁化になる。
Further, a very narrow range of one bit unit may be heated using a laser beam or the like. FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of the third embodiment. A
そして、冷却時には、近傍の固着層15の磁化の影響を受けて、記録層17の磁化方向が固着層15の磁化方向と同じ方向に磁化される。すなわち、記録層17の磁化方向は、ヘッド20の固着層22の磁化方向と反対方向に磁化される。この方法によれば、“1”書き込み、もしくは消去を1ビット毎に行うことができる。
At the time of cooling, the magnetization direction of the
再生時には、ヘッド20から磁気セル14に向けて臨界電流値以下になるように電子を流す。そして、磁気セル14の抵抗値の差を例えばヘッド20とバイアス回路30との間に設置されたセンスアンプ等によって検出することで、情報を再生するこができる。
At the time of reproduction, electrons are caused to flow from the
以上詳述したように本実施形態によれば、2進情報の一方を書き込む1つのヘッドを用意すればよい。これにより、上記第2の実施形態に比べて、ヘッドの構成及びヘッドを駆動する回路を簡略化することができる。その他の効果は、上記第2の実施形態と同じである。 As described above in detail, according to the present embodiment, one head for writing one of the binary information may be prepared. Thereby, compared with the said 2nd Embodiment, the structure of a head and the circuit which drives a head can be simplified. Other effects are the same as those of the second embodiment.
(第4の実施形態)
第4の実施形態は、磁化方向が膜面内方向になるように磁性層を構成する。さらに、上記第3の実施形態と同様に、ヘッドを1つのみ用いることで情報の記録を行うように構成している。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, the magnetic layer is configured so that the magnetization direction is the in-film direction. Further, similarly to the third embodiment, information is recorded by using only one head.
図9は、本発明の第4の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体10と、情報を記録媒体10に記録する1つのヘッド20とを備えている。
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a recording / reproducing apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The recording / reproducing apparatus includes a
ヘッド20の固着層22と、磁気セル14の記録層17及び固着層15とはそれぞれ、磁化方向が略膜面内方向になるように構成される。図9の各磁性層に示した太い矢印は、磁化方向を示している。それぞれの材料については、上記第2の実施形態と同じである。
The pinned
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時には、ヘッド20を目的の磁気セルの上方に移動する。そして、ヘッド20は、固着層22の磁化方向が固着層15の磁化方向に対して反対向きになるように配置される。
The operation of the recording / reproducing apparatus configured as described above will be described. At the time of recording, the
次に、ヘッド20には、バイアス回路30から負電位が供給される。また、記録媒体10には、バイアス回路30から接地電位が供給される。これにより、ヘッド20と記録媒体10との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子(電子流e−)が非接触でヘッド20から記録媒体10に向かって流れる。そして、記録動作が完了した時点では、磁気セル14の記録層17の磁化方向がヘッド20の固着層22の磁化方向と同じ向きに揃う(“0”書き込み動作)。
Next, a negative potential is supplied to the
一方、記録層17を反対方向に磁化するときには(“1”を書き込む場合)、まずヘッド20自体を、膜面内方向において、“0”書き込み動作の場合の位置から180度回転させる。これにより、固着層22の磁化方向が、記録層17に対して元の磁化方向(“0”書き込み動作の場合の磁化方向)と反対方向に配置される。
On the other hand, when the
その後、電子を非接触でヘッド20から記録媒体10に向かって流す。これにより、磁気セル14に“0”を書き込むことができる。記録情報の再生については、上記第2の実施形態と同様である。
Thereafter, electrons are allowed to flow from the
記録動作としては、1ビット毎にヘッド20を回転させながら書き込んでもよいし、或いは最初に“0”書き込みをまとめて行ってから、その後にまとめて“1”書き込みをするようにしてもよい。これはどの程度の記録速度が要求されるか、及びバッファメモリとしてどの程度の大きさのものが搭載できるか等により左右される。
As the recording operation, writing may be performed while rotating the
以上詳述したように本実施形態によれば、1つのヘッドを用いて記録媒体に2進情報を記録することができる。また、記録層17及び固着層15のキュリー温度は常温以上であればよく、上記第3の実施形態のようなキュリー温度の制限はない。その他の効果は、上記第2の実施形態と同じである。
As described above in detail, according to this embodiment, binary information can be recorded on a recording medium using one head. Further, the Curie temperature of the
(第5の実施形態)
第5の実施形態は、磁気セル14を磁化記録層17のみで構成し(上記第1の実施形態を参照)、この磁気セル14の記録情報を再生するための構成例について示している。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, a configuration example for reproducing the recorded information of the
図10は、本発明の第5の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体10と、情報を記録媒体10に記録する2つのヘッド20−1,20−2と、再生ヘッド50とを備えている。なお、図10には、簡略化のため記録ヘッドとして1つのヘッド20−1のみを示している。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a configuration of a recording / reproducing apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. The recording / reproducing apparatus includes a
再生ヘッド50は、図10に示すように、MR(磁気抵抗効果)素子51を備えている。これは、現行HDDのTMRもしくはGMR方式の読み出しヘッドの構造と基本的に同じである。MR素子51は、磁化方向が固定された磁化固着層52、磁化方向が変化する磁化自由層54、及びこれら固着層52と自由層54との間に設けられた非磁性層53を含んで構成されている。そして、MR素子51は、例えば、MR素子51の膜面方向が記録媒体10の上面に対して垂直になるように配置される。
As shown in FIG. 10, the reproducing
MR素子51の材料は、上記第2の実施形態で示した磁気セル14の材料と同じである。また、記録媒体10の構成は、上記第1の実施形態と同じである。
The material of the
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時は、上記第1の実施形態に記述の動作と同様である。 The operation of the recording / reproducing apparatus configured as described above will be described. At the time of recording, the operation is the same as that described in the first embodiment.
再生時には再生ヘッド50が目的の磁気セル14の上方に移動する。そして、記録層17の磁化方向に応じた信号磁界を感知するとヘッド50内のMR素子51の抵抗値が変化する。これにより、MR素子51を流れる電流値が変化する。この電流値の変化を、再生ヘッド50に接続されたセンスアンプ等(図示せず)によって検出する。いうまでもなく、これは現行HDDの読み出し方式と同様である。本実施形態で示した読み出し方式では、微弱な電流を読み出すことが可能である。
During reproduction, the
本実施形態特有の効果は、現行HDDで使用されている方式なので、技術的ハードルが低いことである。従来技術で述べたとおり磁界を用いた書き込みは難しくなると予想されるが、磁界を用いた読み出しはこれよりは延命されると予想される。現行HDDで使用されている読み出し方式が適用可能な限りにおいては、本実施形態で示した読み出し方法は有用である。 The effect peculiar to the present embodiment is that the technical hurdle is low because the method is used in the current HDD. As described in the prior art, writing using a magnetic field is expected to be difficult, but reading using a magnetic field is expected to extend the life. As long as the read method used in the current HDD is applicable, the read method shown in this embodiment is useful.
なお、本実施形態で説明した再生ヘッド方式が、上記第2乃至第4の実施形態と組み合わせが可能であることは言うまでもない。 Needless to say, the reproducing head system described in this embodiment can be combined with the second to fourth embodiments.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention. In addition, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.
10…記録媒体、11…基板、12…絶縁層、13…保護膜、14…磁気セル、15…磁化固着層、15−2,15−4…強磁性層、15−1…反強磁性層、15−3…非磁性層、16…非磁性層、17…磁化記録層、18…導電層、20,20−1,20−2…ヘッド、21,21−1,21−2…導電層、22,22−1,22−2…磁化固着層、30…バイアス回路、40,40−1,40−2…駆動部、41,41−1,41−2…スライダ、42,42−1,42−2…駆動回路、43…モータ、44…加熱回路、45…レーザー照射装置、50…再生ヘッド、51…MR素子、52…磁化固着層、53…非磁性層、54…磁化自由層。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第1の磁化固着層を含み、かつ前記磁気セルにスピン偏極した電子を供給することにより2進情報の一方を書き込む第1のヘッドと、
前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第2の磁化固着層を含み、かつ前記磁気セルにスピン偏極した電子を供給することにより2進情報の他方を書き込む第2のヘッドと、
を具備し、
前記第1の磁化固着層の磁化方向は、前記第2の磁化固着層の磁化方向と反対であることを特徴とする記録再生装置。 A recording medium including a plurality of magnetic cells in which information is recorded, including a magnetization recording layer whose magnetization direction changes;
A binary structure is provided by supplying spin-polarized electrons to the magnetic cell , which includes a first magnetization pinned layer disposed above the recording medium via a space or an insulating layer and having a magnetization direction fixed. A first head for writing one of the information ;
A binary layer is provided by supplying spin-polarized electrons to the magnetic cell, which includes a second magnetization pinned layer which is disposed above the recording medium via a space or an insulating layer and whose magnetization direction is fixed. A second head for writing the other of the information;
Comprising
The recording / reproducing apparatus according to claim 1, wherein the magnetization direction of the first magnetization pinned layer is opposite to the magnetization direction of the second magnetization pinned layer .
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