JP5157891B2

JP5157891B2 - 磁気検出素子および磁気再生装置

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Publication number: JP5157891B2
Application number: JP2008333446A
Authority: JP
Inventors: 浩康川野; 敬二庄野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010157533A

Description

本発明は、例えば磁気記録媒体からの漏れ磁界などの磁界について検出することが可能な磁気検出素子、および、そのような磁気検出素子を備える磁気再生装置に関する。

磁気検出素子として、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用して磁界について検出する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子が知られている。ＭＴＪ素子については、例えば下記の特許文献１〜３に記載されている。

特開２００８−１０３７２８号公報特開２００８−２１８６４１号公報特開２００８−２７７６９３号公報

図６は、従来の磁気検出素子の一例たるＭＴＪ素子Ｘ２の断面図である。ＭＴＪ素子Ｘ２は、ピン層２１、フリー層２２、およびトンネル伝導層２３よりなる積層構造を有する。ピン層２１は、所定の強磁性材料よりなり、磁化方向が固定されており、一方の電極をなす。フリー層２２は、所定の強磁性材料よりなり、外部磁界の作用を受けて磁化方向が反転可能に設けられており、他方の電極をなす。トンネル伝導層２３は、所定の絶縁材料よりなり、ピン層２１およびフリー層２２の間に介在する。ＭＴＪ素子Ｘ２では、ピン層２１およびフリー層２２の間に所定電圧を印加すると、電子スピン依存性を有するトンネル電流が、トンネル伝導層２３の膜厚方向に流れる。図７（ａ）に示すようにピン層２１とフリー層２２の磁化方向が同じ（平行）であるとき、ピン層２１とフリー層２２の間の抵抗は相対的に小さく、図７（ｂ）に示すようにピン層２１とフリー層２２の磁化方向が反対（反平行）であるとき、当該抵抗値は大きい。このような抵抗変化を利用して、磁気ディスクからの信号磁界に対応した再生信号を発生させるための再生ヘッドとしてＭＴＪ素子Ｘ２を用いることができる。

ＭＴＪ素子Ｘ２においては、上述の低抵抗状態にあるときの抵抗値をＲ１とし且つ上述の高抵抗状態にあるときの抵抗値をＲ２とすると、いわゆる磁気抵抗（ＭＲ）比〔＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１〕は大きい方がよい。ＭＲ比が大きいほど、低抵抗状態にあるときの抵抗値Ｒ１と高抵抗状態にあるときの抵抗値Ｒ２とに対応して得られる２値の信号について、差異が明確であり、区別しやすい。

一方、ＭＴＪ素子Ｘ２においては、高周波信号を充分に通過させるために素子抵抗を低減するという観点から、トンネル伝導層２３を薄く設ける必要性が高い。トンネル伝導層２３が薄いほど、ＭＴＪ素子Ｘ２の素子抵抗は小さくなる。

しかしながら、ＭＴＪ素子Ｘ２では、トンネル伝導層２３の極薄化により、トンネル電流（電子スピン依存性を有する）に対するフィルタリング性（ないしコヒーレント性）が低下し、ＭＲ比が低下してしまう場合がある。このようにフィルタリング性が低下するのは、トンネル伝導層２３の極薄化により、ピン層２１とトンネル伝導層２３の接合界面付近のバンド構造およびフリー層２２とトンネル伝導層２３の接合界面付近のバンド構造が、変化するためであると考えられる。

以上のように、ＭＴＪ素子Ｘ２は、小さな素子抵抗を実現しつつ大きなＭＲ比を実現するのに、困難性を有する。

本発明は、以上のような事情の下で考え出されたものであり、素子抵抗を低減するのに適し且つ大きなＭＲ比を得るのに適した磁気検出素子、および、そのような磁気検出素子を備える磁気再生装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面によると磁気検出素子が提供される。この磁気検出素子は、ハーフメタルよりなり且つ相互に離隔する一対の電極と、強磁性ハーフメタルよりなり且つ磁化反転可能な第１層と、一対の電極および第１層の間に位置し且つ導体よりなって第１層よりも高抵抗である第２層とを備え、前記一対の電極は、前記第２層の一面に接して設けられ、前記一対の電極の一方から流入したスピン偏極電流は前記第２層を厚さ方向に通過して前記第１層に流入する。

本素子の各電極は、ハーフメタルよりなるため、一方向のスピン（第１方向スピン）を伴う電子の通過を、導体金属が許容するように許容する（即ち、金属的に許容する）。そのため、本素子において一対の電極間に所定電圧を印加すると、第１方向スピンの電子のみが電極の通過を許される（即ち、電極通過の際に電流がフィルタリングされてスピン偏極電流が第２層に流入する）。

強磁性ハーフメタルよりなる第１層が所定方向に磁化されて第１方向スピン電子の通過を金属的に許容する状態（第１状態）にある場合、一方の電極（第１電極）から第２層に流入したスピン偏極電流は、第２層をその厚さ方向に通過して第１層に流入し得る。第１層に流入したスピン偏極電流は、一対の電極により素子内に形成される電界に沿って、第１層内をその面内方向に流れ、第２層に流入して当該第２層をその厚さ方向に通過し、そして他方の電極（第２電極）を通過する。第２層を第１層よりも充分に高抵抗に設定することにより、第１層が上述の第１状態にある場合において、スピン偏極電流が第２層をその面内方向に流れることを実質的に遮断して、スピン偏極電流を第１層にて面内方向に流れさせることが可能である。このように、第１層を所定方向に磁化させて、第２層よりも低抵抗な第１層にて面内方向にスピン偏極電流を流れさせることにより、本素子の低抵抗状態を実現することができる。

例えば外部磁界の作用を受けて第１層の磁化方向が反転すると、第１層は、第１方向スピンとは反対のスピン（第２方向スピン）を伴う電子の通過を金属的に許容する状態（第２状態）となる。第１層が当該第２状態にある場合、上述の第１電極から第２層に流入したスピン偏極電流は、第１層に流入することができず、一対の電極により素子内に形成される電界に沿って、第２層をその面内方向に流れて第２電極に至り、当該第２電極を通過する。このように、第１層を所定方向（第１状態における磁化方向とは反対の方向）に磁化させて、第１層よりも高抵抗な第２層にて面内方向にスピン偏極電流を流れさせることにより、本素子の高抵抗状態を実現することができる。このような高抵抗状態にある本素子は、第１層が磁化反転して上述の第１状態に復帰することにより、再び低抵抗状態に切替わることができる。

本磁気検出素子においては、素子内における一方の電極から他方の電極までの電流経路において、絶縁材料よりなる部位を設ける必要はない。そのため、本素子は、素子抵抗を低減するのに適する。

また、本素子においては、第１層における上述の第１状態と第２状態との切替わりにより、スピン偏極電流が第１層（低抵抗）にて面内方向に流れる低抵抗状態と、スピン偏極電流が第１層を通らずに第２層（高抵抗）にて面内方向に流れる高抵抗状態とが切替わる。すなわち、本素子は、磁気抵抗効果を利用して抵抗の切替えを実現するうえで、単一の層の抵抗変化に依存するものではない。本素子における低抵抗状態の抵抗値Ｒ１には第１層の抵抗値が反映され、高抵抗状態の抵抗値Ｒ２には第２層（第１層よりも高抵抗）の抵抗値が反映される。第１層の抵抗値と第２層の抵抗値の差が大きいほど、抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２の差は大きくなる。このような本素子では、大きなＭＲ比〔＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１〕を実現しやすい。

以上のように、本発明の第１の側面に係る磁気検出素子は、素子抵抗を低減するのに適し、且つ、大きなＭＲ比を得るのに適する。このような磁気検出素子によると、低抵抗状態の抵抗値Ｒ１と高抵抗状態の抵抗値Ｒ２との差を利用して、例えば、外部磁界の方向を検出することが可能である。

本発明の第２の側面によると磁気再生装置が提供される。この磁気再生装置は、磁気記録媒体と、当該磁気記録媒体からの信号磁界を読み取るための、第１の側面に係る磁気検出素子とを備える。本磁気再生装置においては、磁気検出素子について、素子抵抗を低減するのに適し且つ大きなＭＲ比を得るのに適する。また、素子抵抗を低減するのに適した磁気検出素子を具備する本磁気再生装置は、磁気検出素子から検出電流を得るために当該磁気検出素子に印加すべき電圧を低減するのに適する。すなわち、本磁気再生装置は、低駆動電圧化を実現しやすい。

図１は、本発明に係る磁気検出素子Ｘ１の断面図である。磁気検出素子Ｘ１は、一対の電極１Ａ，１Ｂと、低抵抗層２と、高抵抗層３とを備えた、磁界について検出可能な素子である。

電極１Ａ，１Ｂは、ハーフメタルよりなり、且つ、相互に離隔して高抵抗層３と接合している。ハーフメタルは、一方向のスピンを伴う電子の通過を、導体金属が許容するように許容する（即ち、金属的に許容する）導体材料である。電極１Ａ，１Ｂは、好ましくは、強磁性体でもあるハーフメタルよりなり、且つ、低抵抗層２よりも大きな保磁力を有する。電極１Ａ，１Ｂが保磁力を有する場合、電極１Ａ，１Ｂの保磁力は、例えば１〜２ｋＯｅである。電極１Ａ，１Ｂをなすためのハーフメタルとしては、具体的には、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、結晶性ＮｉＭｎＳｂ、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃、または結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄を採用することができる。このうち、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、および結晶性ＮｉＭｎＳｂは、いわゆるホイスラー合金である。電極１Ａ，１Ｂをなすためのハーフメタルとしては、ホイスラー合金を採用するのがより好ましい。磁気検出素子Ｘ１の稼働時には、電極１Ａ，１Ｂ間に所定のＤＣ電圧が印加され続ける。このような電極１Ａ，１Ｂの厚さ（即ち、図１に示す矢印Ｈ方向の長さ）は、例えば５０〜２００ｎｍである。また、電極１Ａ，１Ｂの離隔距離は、例えば１００〜１０００ｎｍである。

低抵抗層２は、強磁性ハーフメタルよりなり、且つ、外部磁界の作用によって磁化反転可能に設けられている。低抵抗層２の保磁力は、例えば１００〜５００Ｏｅである。低抵抗層２をなすための強磁性ハーフメタルとしては、具体的には、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、結晶性ＮｉＭｎＳｂ、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃、結晶性Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃、または結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄を採用することができる。このうち、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ、および結晶性ＮｉＭｎＳｂは、ホイスラー合金である。低抵抗層２をなすためのハーフメタルとしては、ホイスラー合金を採用するのがより好ましい。このような低抵抗層２の厚さ（即ち、図１に示す矢印Ｈ方向の長さ）は、例えば２０〜５０ｎｍである。

高抵抗層３は、電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２の間に位置し、導体よりなり、低抵抗層２よりも高抵抗である。高抵抗層３は、好ましくは、ハーフメタルよりなる。この場合、より好ましくは、高抵抗層３は実質的に非磁性のハーフメタルよりなる。高抵抗層３をなすための導体材料としては、具体的には、結晶性Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃、結晶性Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃、結晶性Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃、結晶性Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃、非晶質Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃、非晶質Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃、非晶質Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃、非晶質Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃、結晶性Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃、結晶性Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃、非晶質Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃、非晶質Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃、または非晶質Ｆｅ₃Ｏ₄を採用することができる。このような高抵抗層３の厚さ（即ち、図１に示す矢印Ｈ方向の長さ）は、例えば１０〜２０ｎｍである。

以上のような電極１Ａ，１Ｂ、低抵抗層２、および高抵抗層３を含む磁気検出素子Ｘ１の積層構造中には、必要に応じて他の層が含まれてもよい。

磁気検出素子Ｘ１は、所定の基材（図示略）上に低抵抗層２、高抵抗層３、および電極１Ａ，１Ｂを順次積層形成することによって作製することができる。或は、磁気検出素子Ｘ１は、所定の基材（図示略）上に電極１Ａ，１Ｂ、高抵抗層３、および低抵抗層２を順次積層形成することによって作製することができる。

上述の基材としては、例えば、熱酸化膜付きシリコン基板、石英基板、ＭｇＯ基板、Ａｌ₂Ｏ₃基板、ＴｉＯ₂基板、およびＡｌ₂Ｏ₃―ＴｉＯ₂基板が挙げられる。

電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌを採用する場合には、例えば、スパッタリング装置を使用して行うスパッタリング法において、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ膜を形成することができる。電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２に同一組成材料を採用する場合、低抵抗層２のための材料成膜時のスパッタガス圧力よりも電極１Ａ，１Ｂのための材料成膜時のスパッタガス圧力を高く設定することにより、低抵抗層２よりも高保磁力の電極１Ａ，１Ｂを形成できる。電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉを採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ膜を形成することができる。電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性ＮｉＭｎＳｂを採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性ＮｉＭｎＳｂターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性ＮｉＭｎＳｂ膜を形成することができる。電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を６００〜７００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃膜を形成することができる。電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を６００〜７００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃膜を形成することができる。電極１Ａ，１Ｂをなす材料として結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄ターゲットを用い、温度条件を４００〜５００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を１.０〜３.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄膜を形成することができる。

低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌを採用する場合には、例えば、スパッタリング装置を使用して行うスパッタリング法において、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＡｌ膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉを採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性Ｃｏ₂ＭｎＳｉ膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性ＮｉＭｎＳｂを採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性ＮｉＭｎＳｂターゲットを用い、温度条件を７００〜８００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＤＣ放電とすることにより、結晶性ＮｉＭｎＳｂ膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を６００〜７００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を６００〜７００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.6Ｓｒ_0.4ＭｎＯ₃膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を６００〜７００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.5Ｓｒ_0.5ＭｎＯ₃膜を形成することができる。低抵抗層２をなす材料として結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄ターゲットを用い、温度条件を４００〜５００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を０.２〜０.５Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄膜を形成することができる。

高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング装置を使用して行うスパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｐｒ_0.6Ｃａ_0.4ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｐｒ_0.7Ｃａ_0.3ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｐｒ_0.8Ｃａ_0.2ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｐｒ_0.9Ｃａ_0.1ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として結晶性Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を５００〜６００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、結晶性Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃ターゲットを用い、温度条件を室温〜２００℃とし、スパッタガスとしてＡｒおよびＯ₂の混合ガスを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1ＭｎＯ₃膜を形成することができる。高抵抗層３をなす材料として非晶質Ｆｅ₃Ｏ₄を採用する場合には、例えば、スパッタリング法において、結晶性Ｆｅ₃Ｏ₄ターゲットを用い、温度条件を室温〜１００℃とし、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガス圧力を０.５〜１.０Ｐａとし、且つ、放電電力０.８ｋＷ／φ６inchのＲＦ放電とすることにより、非晶質Ｆｅ₃Ｏ₄膜を形成することができる。

以上のような磁気検出素子Ｘ１において、電極１Ａ，１Ｂは、ハーフメタルよりなるため、一方向のスピン（第１方向スピン）を伴う電子の通過を金属的に許容する。そのため、磁気検出素子Ｘ１において電極１Ａ，１Ｂ間に所定電圧を印加すると、第１方向スピンの電子のみが電極１Ａ，１Ｂの通過を許される（即ち、電極１Ａまたは電極１Ｂを通過する際に電流がフィルタリングされてスピン偏極電流が高抵抗層３に流入する）。電極１Ａ，１Ｂ間の電圧印加方向はいずれでもよい。

強磁性ハーフメタルよりなる低抵抗層２が所定方向に磁化されて第１方向スピン電子の通過を金属的に許容する状態（第１状態）にある場合、スピン偏極電流（黒ベタ太矢印で表す）は、例えば図２（ａ）に示すように素子内を流れる。具体的には次のとおりである。一方の電極たる電極１Ａから高抵抗層３に流入したスピン偏極電流は、高抵抗層３をその厚さ方向に通過して低抵抗層２に流入し得る。低抵抗層２に流入したスピン偏極電流は、一対の電極１Ａ，１Ｂにより磁気検出素子Ｘ１内に形成される電界に沿って、低抵抗層２内をその面内方向に流れ、高抵抗層３に流入して当該高抵抗層３をその厚さ方向に通過し、そして電極１Ｂを通過する。高抵抗層３を低抵抗層２よりも充分に高抵抗に設定することにより、低抵抗層２が上述の第１状態にある場合において、スピン偏極電流が高抵抗層３をその面内方向に流れることを実質的に遮断して、スピン偏極電流を低抵抗層２にて面内方向に流れさせることが可能である。このように、低抵抗層２を所定方向に磁化させて、高抵抗層３よりも低抵抗な低抵抗層２にて面内方向にスピン偏極電流を流れさせることにより、磁気検出素子Ｘ１の低抵抗状態を実現することができる。

例えば外部磁界の作用を受けて低抵抗層２の磁化方向が反転すると、低抵抗層２は、第１方向スピンとは反対のスピン（第２方向スピン）を伴う電子の通過を金属的に許容する状態（第２状態）となる。低抵抗層２がこのような第２状態にある場合、スピン偏極電流は、例えば図２（ｂ）に示すように素子内を流れる。具体的には、一方の電極たる電極１Ａから高抵抗層３に流入したスピン偏極電流は、低抵抗層２に流入することができず、一対の電極１Ａ，１Ｂにより素子内に形成される電界に沿って、高抵抗層３をその面内方向に流れて電極１Ｂに至り、当該電極１Ｂを通過する。このように、低抵抗層２を所定方向（第１状態における磁化方向とは反対の方向）に磁化させて、低抵抗層２よりも高抵抗な高抵抗層３にて面内方向にスピン偏極電流を流れさせることにより、磁気検出素子Ｘ１の高抵抗状態を実現することができる。このような高抵抗状態にある磁気検出素子Ｘ１は、低抵抗層２が磁化反転して上述の第１状態に復帰することにより、再び低抵抗状態に切替わることができる。

磁気検出素子Ｘ１においては、素子内における電極１Ａ，１Ｂ間の電流経路において、絶縁材料よりなる部位を設ける必要はない。そのため、磁気検出素子Ｘ１は、素子抵抗を低減するのに適する。

また、磁気検出素子Ｘ１においては、低抵抗層２の第１状態と第２状態との切替わりにより、スピン偏極電流が低抵抗層２にて面内方向に流れる低抵抗状態と、スピン偏極電流が低抵抗層２を通らずに高抵抗層３にて面内方向に流れる高抵抗状態とが切替わる。すなわち、磁気検出素子Ｘ１は、磁気抵抗効果を利用して抵抗の切替えを実現するうえで、単一の層の抵抗変化に依存するものではない。磁気検出素子Ｘ１における低抵抗状態の抵抗値Ｒ１には低抵抗層２の抵抗値が反映され、高抵抗状態の抵抗値Ｒ２には高抵抗層３（低抵抗層２よりも高抵抗）の抵抗値が反映される。低抵抗層２の抵抗値と高抵抗層３の抵抗値の差が大きいほど、抵抗値Ｒ１と抵抗値Ｒ２の差は大きくなる。このような磁気検出素子Ｘ１では、大きなＭＲ比〔＝（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１〕を実現しやすい。

以上のように、磁気検出素子Ｘ１は、素子抵抗を低減するのに適し、且つ、大きなＭＲ比を得るのに適する。このような磁気検出素子Ｘ１によると、低抵抗状態の抵抗値Ｒ１と高抵抗状態の抵抗値Ｒ２との差を利用して、外部磁界の方向を検出することが可能である。例えば、磁気検出素子Ｘ１によると、抵抗値Ｒ１，Ｒ２の差を利用して、例えば図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように、磁気ディスク４の記録磁性層４ａのトラックＴに形成されている磁区の磁化方向を、トラックＴに沿って順次に読み取ることが可能である。当該読み取り動作において、磁気検出素子Ｘ１は、磁気ディスク４の記録磁性層４ａに対向配置されつつ、磁気ディスク４の周方向Ｄに延びるトラックＴに沿って磁気ディスク４に対して相対移動させられる。

磁気検出素子Ｘ１において、電極１Ａ，１Ｂは、上述のように、強磁性ハーフメタルよりなり且つ低抵抗層２よりも大きな保磁力を有するのが好ましい。このような構成は、電極１Ａ，１Ｂについて、一方向のスピン（第１方向スピン）を伴う電子の通過を金属的に許容する状態を確保するうえで好適である。電極１Ａ，１Ｂが強磁性ハーフメタルよりなる場合、電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２の磁化方向が同じ（平行）であるときに、電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２の通過許容電子のスピン方向が一致し、図２（ａ）に示すように磁気検出素子Ｘ１は低抵抗状態となる。電極１Ａ，１Ｂが強磁性ハーフメタルよりなる場合、電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２の磁化方向が反対（反平行）であるときに、電極１Ａ，１Ｂと低抵抗層２の通過許容電子のスピン方向が不一致となり、図２（ｂ）に示すように磁気検出素子Ｘ１は高抵抗状態となる。

磁気検出素子Ｘ１において、電極１Ａ，１Ｂおよび低抵抗層２は、上述のように、ホイスラー合金よりなるのが好ましい。ホイスラー合金は、酸化物系ハーフメタルよりも低抵抗な傾向がある。そのため、ホイスラー合金によると、電極１Ａ，１Ｂや低抵抗層２について低抵抗化を図りやすい。

磁気検出素子Ｘ１において、高抵抗層３は、上述のようにハーフメタルよりなるのが好ましい。このような構成は、高抵抗層３について、一方向のスピン（第１方向スピン）を伴う電子の通過を金属的に許容する状態を確保して、電極１Ａまたは電極１Ｂから高抵抗層３に流入するスピン偏極電流に係るスピン方向が散乱するのを抑制するのに好適である。高抵抗層３においてスピン方向の散乱を抑制することは、磁気検出素子Ｘ１において高いＭＲ比を実現するうえで好適である。

上述の実施形態における電極１Ａ，１Ｂは、例えば図２に示すように、低抵抗層２の磁化方向に離隔して設けられているが、磁気検出素子Ｘ１においては、図４に示すように、低抵抗層２の磁化方向に直交する方向に離隔する電極１Ａ，１Ｂを設けてもよい。このような構成によっても、磁気検出素子Ｘ１は、上述のように高抵抗状態および低抵抗状態を切替ることが可能である。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記録再生装置１００を表す。磁気記録再生装置１００は、複数の磁気ディスク１０１と、磁気ヘッド１０２と、スピンドルモータ１０３と、スイングアーム１０４と、アクチュエータ１０５と、ディスクコントローラ１０６とを備える。

複数の磁気ディスク１０１は、所定の間隔を空けて配されている。各磁気ディスク１０１は、表裏両面に記録磁性層を有する。磁気ヘッド１０２は、磁気ディスク１０１に対してデータを読み書きするためのものであり、磁気ディスク１０１の記録面と対向するように各スイングアーム１０４の先端に設けられている。このような磁気ヘッド１０２には、書き込み用ないし記録用のヘッド部（図示略）と読み取り用ないし再生用のヘッド部（図示略）とが磁気ディスク１０１の周方向に離隔して設けられている。再生用のヘッド部は、上述の磁気検出素子Ｘ１よりなる。スピンドルモータ１０３は、磁気ディスク１０１を高速回転させる回転駆動手段である。スイングアーム１０４は、磁気ディスク１０１の径方向において磁気ヘッド１０２を移動させるためのものであり、アクチュエータ１０５によって動作させられる。アクチュエータ１０５は、ボイスコイルモータなどからなる。ディスクコントローラ１０６は、磁気ヘッド１０２、スピンドルモータ１０３、およびアクチュエータ１０５を駆動制御するためのものである。このようなディスクコントローラ１０６は、例えば、ＣＰＵやメモリなどを備えたマイクロコンピュータよりなる。

このような磁気記録再生装置１００における情報記録時には、磁気記録再生装置１００の各部が協働して、磁気ヘッド１０２の記録用ヘッド部によって磁気ディスク１０１の記録層のユーザデータ領域にデータが書き込まれる。また、磁気記録再生装置１００における情報再生時には、磁気記録再生装置１００の各部が協働して、磁気ヘッド１０２の再生用ヘッド部（磁気検出素子Ｘ１）によって磁気ディスク１０１の記録磁性層のユーザデータ領域からデータが読み取られる。情報再生時には、磁気検出素子Ｘ１は、磁気ディスク１０１の記録磁性層に対向配置されつつ、ディスク周方向に延びるトラックに沿って磁気ディスク１０１に対して相対移動させられ、当該トラックに形成されている磁区からの信号磁界の方向を順次検出する。

本発明の第１の実施形態に係る磁気検出素子の断面図である。図１に示す磁気検出素子の低抵抗状態および高抵抗状態を表す。図１に示す磁気検出素子を使用して磁気ディスクについて信号読み取りを実行する場合を表す。図１に示す磁気検出素子の変形例の斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図である。従来の磁気検出素子の断面図である。図６に示す磁気検出素子の低抵抗状態および高抵抗状態を表す。

符号の説明

Ｘ１磁気検出素子
１Ａ，１Ｂ電極
２低抵抗層
３高抵抗層
４磁気ディスク
４ａ記録磁性層
１００磁気記録再生装置
１０１磁気ディスク
１０２磁気ヘッド
Ｘ２ＭＴＪ素子
２１ピン層
２２フリー層
２３トンネル伝導層

Claims

ハーフメタルよりなり且つ相互に離隔する一対の電極と、
強磁性ハーフメタルよりなり且つ磁化反転可能な第１層と、
前記一対の電極および前記第１層の間に位置し、且つ、導体よりなって前記第１層よりも高抵抗である、第２層と、を備え、
前記一対の電極は、前記第２層の一面に接して設けられ、
前記一対の電極の一方から流入したスピン偏極電流は前記第２層を厚さ方向に通過して前記第１層に流入する磁気検出素子。
前記電極は、強磁性ハーフメタルよりなり、且つ、前記第１層よりも大きな保磁力を有する、請求項１に記載の磁気検出素子。
前記電極および／または前記第１層は、ホイスラー合金よりなる、請求項１または２に記載の磁気検出素子。
磁気記録媒体と、
前記磁気記録媒体からの信号磁界を読み取るための、請求項１から３のいずれか一つに記載の磁気検出素子と、を備える磁気再生装置。