JP5202450B2 - Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head - Google Patents
Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head Download PDFInfo
- Publication number
- JP5202450B2 JP5202450B2 JP2009147390A JP2009147390A JP5202450B2 JP 5202450 B2 JP5202450 B2 JP 5202450B2 JP 2009147390 A JP2009147390 A JP 2009147390A JP 2009147390 A JP2009147390 A JP 2009147390A JP 5202450 B2 JP5202450 B2 JP 5202450B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic field
- hall effect
- spin hall
- layer
- spin
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Description
本発明は、スピンホール効果を用いた局所磁界発生デバイス、磁気センサ、及び磁気ヘッドに関するものである。 The present invention relates to a local magnetic field generation device using a spin Hall effect, a magnetic sensor, and a magnetic head.
電子は、電気伝導を荷う電荷に加え、磁性を荷うスピン、さらに電子の空間的広がりを意味する軌道の3つの内部自由度をもち、それらの相互作用が物質に新たな特性をもたらすことが明らかになってきた。近年、電子が持っている電荷を活用した半導体デバイスに替わり、従来のエレクトロニクスでは考慮されてこなかった電子の持つ内部自由度を制御して新しい機能を発現させるために、磁性と伝導の相関から得られる電子スピンの性質を積極的に利用したスピントロニクス材料及び素子の開発に注目が集まっている(非特許文献1)。電子スピンやスピン軌道の情報は、空間的には、距離Lとスピンの拡散長λの比に依存し、exp(−L/λ)に従って指数関数的に減衰する。従って、電子スピンやスピン軌道の性質が発揮される空間スケールはスピン拡散長と同程度である制約があるが、微細加工技術の発展に伴い、スピンの拡散長λ程度の磁性ナノ構造系において、スピン注入を用いたトンネル磁気抵抗素子として、スピン注入素子が提案されている(非特許文献2)。また、非磁性金属や半導体に電荷電流を流すと、スピン・軌道相互作用によってスピンが上向きの電子と下向きの電子が非磁性体中で逆方向に曲げられるスピンホール効果が生じる。この結果、スピンの向きと電流方向のなす平面の法線方向にスピン流が発生し、試料端にスピン蓄積をもたらす(電荷電流誘起スピンホール効果)。さらに、この効果の逆過程として、強磁性体から非磁性体中に注入されたスピン電流がスピンの向きとスピン電流方向のなす平面の法線方向に電荷流を誘起する逆のスピンホール効果をもたらす(スピン電流誘起スピンホール効果)。 Electrons have three internal degrees of freedom in addition to the charge that charges electrical conduction, the spin that loads magnetism, and the orbit that means the spatial spread of electrons, and their interaction brings new properties to matter. Has become clear. In recent years, instead of semiconductor devices that utilize the charge of electrons, it has been obtained from the correlation between magnetism and conduction in order to control the internal degrees of freedom of electrons that have not been considered in conventional electronics and to develop new functions. Attention has been focused on the development of spintronic materials and devices that actively utilize the properties of electron spin (Non-Patent Document 1). The information on the electron spin and the spin orbit spatially depends on the ratio of the distance L and the spin diffusion length λ, and decays exponentially according to exp (−L / λ). Therefore, the spatial scale that exhibits the properties of electron spin and spin orbit has the restriction that it is about the same as the spin diffusion length, but with the development of microfabrication technology, in the magnetic nanostructure system of about the spin diffusion length λ, As a tunnel magnetoresistive element using spin injection, a spin injection element has been proposed (Non-Patent Document 2). In addition, when a charge current is passed through a nonmagnetic metal or semiconductor, a spin Hall effect is generated, in which spin-up orbit interaction causes spin-up electrons and spin-down electrons to be bent in opposite directions in the non-magnetic material. As a result, a spin current is generated in the normal direction of the plane formed by the direction of the spin and the current direction, causing spin accumulation at the sample edge (charge current induced spin Hall effect). Furthermore, the reverse process of this effect is the reverse spin Hall effect in which the spin current injected from the ferromagnetic material into the nonmagnetic material induces a charge flow in the normal direction of the plane formed by the spin direction and the spin current direction. Bring (spin current induced spin Hall effect).
スピン流を用いたデバイスにおいては、出力信号強度が低いことが実用に際しての困難となっている。また、媒体の高密度化に伴い、磁気記録ヘッド及び磁気再生ヘッドには分解能の高度化が求められている。 In a device using a spin current, a low output signal intensity is difficult in practical use. Further, as the density of media increases, the resolution of magnetic recording heads and magnetic reproducing heads is required to be increased.
上述の非特許文献2に記載されている素子は、スピン蓄積による磁化検出効果やスピン流注入磁化反転を用いたメモリ、及び、センサに関するものである。また、非特許文献1には、強磁性層から半導体に注入されるスピン分極電子によるホール電圧検出方法について記載されているが、スピン偏極電流を用いた磁界発生方法についての開示や、外部磁場により強磁性層が磁化された向きを検出するための構成あるいは方法についての開示はない。
The element described in Non-Patent
本発明の目的は、スピンホール効果によるスピン蓄積を利用した局所磁界発生デバイスを提供することである。本発明の他の目的は、スピンホール効果を用いた局所磁界発生デバイスを用いて媒体の磁化方向を反転させる作用を持つ磁気記録ヘッドを提供することである。本発明の他の目的は、スピンホール効果による電荷蓄積を利用した局所磁界検知デバイスを提供することである。本発明の他の目的は、スピンホール効果を用いた磁界検知デバイスを用いて高密度化媒体からの漏れ磁場の方向を信号として検出する磁気再生ヘッドを提供することである。本発明のさらなる目的は、スピンホール効果を用いた局所磁界発生デバイスと磁界検知デバイスを用いて、磁気記録と読み出しに対して一体型の磁気ヘッドを提供することである。 An object of the present invention is to provide a local magnetic field generating device using spin accumulation by the spin Hall effect. Another object of the present invention is to provide a magnetic recording head having an effect of reversing the magnetization direction of a medium using a local magnetic field generating device using a spin Hall effect. Another object of the present invention is to provide a local magnetic field sensing device using charge accumulation by the spin Hall effect. Another object of the present invention is to provide a magnetic reproducing head that detects the direction of a leakage magnetic field from a densified medium as a signal by using a magnetic field detection device using a spin Hall effect. A further object of the present invention is to provide an integrated magnetic head for magnetic recording and reading using a local magnetic field generation device and a magnetic field detection device using the spin Hall effect.
本発明では、湾曲した電流経路を有するスピンホール効果素子を用いることにより、偏極スピン電子を湾曲形状の湾曲内側の微小領域に蓄積させて実効的に有用な強度の局所磁界を発生させる。環状形状のスピンホール効果素子を用いて微小領域に効率的にスピン蓄積させることで、強い局所磁界を発生させる素子が得られる。本発明は、スピンホール効果をもたらすスピン・軌道相互作用の強い非磁性材料からなるスピンホール効果層を用い、かつ、スピンホール効果による電子の蓄積地点を1点にする幾何学形状を組むことで、効率的な微小領域へのスピン蓄積による磁界発生を実現するものである。 In the present invention, by using a spin Hall effect element having a curved current path, polarized spin electrons are accumulated in a minute region inside the curved curve, and a local magnetic field having an effective useful intensity is generated. An element that generates a strong local magnetic field can be obtained by efficiently accumulating spin in a minute region using an annular spin Hall effect element. The present invention uses a spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material having a strong spin-orbit interaction that brings about a spin Hall effect, and forms a geometric shape with one electron accumulation point due to the spin Hall effect as one point. This realizes the generation of a magnetic field by efficient spin accumulation in a minute region.
本発明の局所磁界発生デバイスは、非磁性体からなるスピンホール効果層を備え湾曲部を有するスピンホール効果素子と、スピンホール効果素子に電流を流す一対の電極端子と、一対の電極端子に接続された電源とを有し、湾曲部の湾曲内側領域に蓄積される偏極スピン電子により磁界を発生させる。スピンホール効果層の平面形状は、典型的には一部を切欠いた部分環、あるいはその部分環が複数連なった形状である。 The local magnetic field generation device of the present invention includes a spin Hall effect element having a spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material and having a curved portion, a pair of electrode terminals for passing a current to the spin Hall effect element, and a pair of electrode terminals And a magnetic field is generated by polarized spin electrons accumulated in the curved inner region of the bending portion. The planar shape of the spin Hall effect layer is typically a partial ring with a part cut away, or a shape in which a plurality of partial rings are connected.
一例として、スピンホール効果素子が一部を切欠いた1つの部分環の形状を有するとき、局所磁界発生デバイスは、スピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を発生させることができる。他の例として、スピンホール効果素子の形状が一部を切欠いた部分環が2つ連なった形状のとき、局所磁界発生デバイスは、スピンホール効果素子の膜面に平行な方向の磁界を発生させることができる。また、スピンホール効果素子の湾曲部に非磁性絶縁層を介して強磁性層を配置すると、発生する磁界強度を増大することができる。 As an example, when the spin Hall effect element has a shape of one partial ring with a part cut away, the local magnetic field generating device can generate a magnetic field in a direction perpendicular to the film surface of the spin Hall effect element. As another example, the local magnetic field generating device generates a magnetic field in a direction parallel to the film surface of the spin Hall effect element when the shape of the spin Hall effect element is a shape in which two partial rings are cut out. be able to. In addition, when a ferromagnetic layer is disposed on the curved portion of the spin Hall effect element via a nonmagnetic insulating layer, the generated magnetic field strength can be increased.
本発明の磁気記録ヘッドは、磁界発生部として上記局所磁界発生デバイスを用い、スピンホール効果素子の湾曲部の湾曲内側領域に蓄積される偏極スピン電子により発生される磁界を磁気記録媒体に印加するための開口を有する。 The magnetic recording head of the present invention uses the above-mentioned local magnetic field generating device as a magnetic field generating unit, and applies a magnetic field generated by polarized spin electrons accumulated in the curved inner region of the curved part of the spin Hall effect element to the magnetic recording medium. Has an opening for
スピンホール効果素子が一部を切欠いた1つの部分環からなる形状を有するとき、この磁気ヘッドは垂直磁気記録用の記録ヘッドとして用いることができる。また、スピンホール効果素子が一部を切欠いた部分環が2つ連なった形状を有するとき、この磁気ヘッドは面内磁気記録用の記録ヘッドとして用いることができる。 When the spin Hall effect element has a shape consisting of one partial ring with a part cut away, this magnetic head can be used as a recording head for perpendicular magnetic recording. Further, when the spin Hall effect element has a shape in which two partial rings with a part cut away are connected, this magnetic head can be used as a recording head for in-plane magnetic recording.
本発明では、中心部に強磁性体芯を持つ湾曲した電流経路を有するスピンホール効果素子を用いることにより、外部磁界により磁化した湾曲中心の強磁性体芯より偏極スピン電子を湾曲形状の動径方向に注入させて湾曲両端に電圧を発生させる。環状形状のスピンホール効果素子を用いることで微小領域の磁界を検知する素子が得られる。本発明は、スピンホール効果をもたらすスピン・軌道相互作用の強い非磁性材料からなるスピンホール効果層を用い、かつ、スピンホール層へのスピン偏極電子の沁み出し地点を1点にする幾何学形状を組むことで、微小領域からの効率的な磁界検知を実現するものである。 In the present invention, by using a spin Hall effect element having a curved current path having a ferromagnetic core at the center, polarized spin electrons are moved in a curved shape from a curved center ferromagnetic core magnetized by an external magnetic field. A voltage is generated at both ends of the curve by injecting in the radial direction. An element that detects a magnetic field in a minute region can be obtained by using an annular spin Hall effect element. The present invention employs a spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material having a strong spin-orbit interaction that brings about a spin Hall effect, and has a geometry in which a spin-polarized electron squeezes into the spin hole layer as one point. By assembling the shape, efficient magnetic field detection from a minute region is realized.
本発明の局所磁界検知デバイスは、非磁性体からなるスピンホール効果層と、非磁性伝導層と、前記非磁性体スピンホール効果層と非磁性伝導層との間に配置された非磁性絶縁体層とを有する積層膜を備えた湾曲部を有するスピンホール効果素子と、湾曲部の湾曲内側微小領域に位置する強磁性体芯と、スピンホール効果層に誘起された電圧を検出する一対の電極端子とを有する。そして、非磁性伝導層から強磁性体芯に電流を印加する手段を備え、磁化された強磁性体芯からスピンホール効果層への偏極スピン電子注入により、スピンホール効果層の両端に電圧を発生させる。スピンホール効果層の平面形状は、典型的には一部を切欠いた部分環、あるいはその部分環が複数連なった形状である。 A local magnetic field detection device according to the present invention includes a non-magnetic spin Hall effect layer, a non-magnetic conductive layer, and a non-magnetic insulator disposed between the non-magnetic spin Hall effect layer and the non-magnetic conductive layer. A spin Hall effect element having a curved portion provided with a laminated film having a layer, a ferromagnetic core positioned in a curved inner minute region of the curved portion, and a pair of electrodes for detecting a voltage induced in the spin Hall effect layer Terminal. A means for applying a current from the nonmagnetic conductive layer to the ferromagnetic core is provided, and a voltage is applied across the spin Hall effect layer by polarized spin electron injection from the magnetized ferromagnetic core to the spin Hall effect layer. generate. The planar shape of the spin Hall effect layer is typically a partial ring with a part cut away, or a shape in which a plurality of partial rings are connected.
一例として、スピンホール効果素子が一部を切欠いた1つの部分環の形状を有するとき、局所磁界検知デバイスは、スピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を検知することができる。他の例として、スピンホール効果素子の形状が一部を切欠いた部分環が2つ連なった形状のとき、局所磁界検知デバイスは、スピンホール効果素子の膜面に平行な方向の磁界を検知することができる。 As an example, when the spin Hall effect element has a partial ring shape with a part cut away, the local magnetic field detection device can detect a magnetic field in a direction perpendicular to the film surface of the spin Hall effect element. As another example, the local magnetic field detection device detects a magnetic field in a direction parallel to the film surface of the spin Hall effect element when the shape of the spin Hall effect element is a shape in which two partial rings are cut out. be able to.
本発明の磁気再生ヘッドは、磁界検知部として上記局所磁界検知デバイスを用い、スピンホール効果素子の湾曲部の湾曲内側領域の強磁性体芯を磁化する磁気記録媒体からの漏れ磁場を検知するための開口を備えた磁気シールドとを有する。 The magnetic read head of the present invention uses the above-mentioned local magnetic field detection device as a magnetic field detection unit, and detects a leakage magnetic field from a magnetic recording medium that magnetizes a ferromagnetic core in the curved inner region of the curved part of the spin Hall effect element. And a magnetic shield having a plurality of openings.
スピンホール効果素子が一部を切欠いた1つの部分環からなる形状を有するとき、この磁気ヘッドは垂直磁気記録用の記録ヘッドとして用いることができる。また、スピンホール効果素子が一部を切欠いた部分環が2つ連なった形状を有するとき、この磁気ヘッドは面内磁気記録用の記録ヘッドとして用いることができる。 When the spin Hall effect element has a shape consisting of one partial ring with a part cut away, this magnetic head can be used as a recording head for perpendicular magnetic recording. Further, when the spin Hall effect element has a shape in which two partial rings with a part cut away are connected, this magnetic head can be used as a recording head for in-plane magnetic recording.
本発明の一体型磁気ヘッドは、磁界検知部として上記局所磁界検知デバイスを、磁界発生部として上記局所磁界発生デバイスを用い、上記局所磁界検知デバイスと上記局所磁界発生デバイスとの間の非磁性絶縁体層と、湾曲内側領域に発生される磁界を磁気記録媒体に印加する、又は、磁気記録媒体からの漏れ磁場を検知するための開口を有する。 The integrated magnetic head of the present invention uses the local magnetic field detection device as a magnetic field detection unit, the local magnetic field generation device as a magnetic field generation unit, and nonmagnetic insulation between the local magnetic field detection device and the local magnetic field generation device. The body layer has an opening for applying a magnetic field generated in the curved inner region to the magnetic recording medium or detecting a leakage magnetic field from the magnetic recording medium.
本発明によれば、微小領域への効率的なスピン蓄積によって強い磁界を局所的に発生することができる。また、本発明によれば、高密度記録媒体からの磁界を高分解能で検知することができる。 According to the present invention, a strong magnetic field can be locally generated by efficient spin accumulation in a minute region. Further, according to the present invention, the magnetic field from the high-density recording medium can be detected with high resolution.
まず、本発明における局所磁界発生デバイスの構成及び作用を説明する。
図2は、本発明による局所磁界発生デバイスの基本的な構成例を示す図である。図2(a)に示した局所磁界発生デバイス110は、非磁性体スピンホール効果層11が、環の一部を切欠いた単一の環状形状を有する。スピンホール効果層の内径r0は、内径近傍に発生させる磁界H、スピンホール効果層におけるスピン拡散長λ、キャリア濃度N、スピンホール効果の係数αH、ボーア磁子μBとすると、r0=λ(1−H/(H+NαHμB))1/2を満たす。非磁性体スピンホール効果層11は、その切欠部分の2端面で非磁性の電極端子21,22と接する。図2(a)に示したスピンホール効果層における湾曲部は円環の一部を切欠いたC字形状であるが、湾曲部は必ずしも円環の一部である必要はなく、図2(a−1)に示したように角張った環状体の一部を切欠いた形状でもよい。また、図2(a−2)に示したような円環の半分の形状、図2(a−3)に示したような多角形の環状体の半分の形状など、全体として電流経路を湾曲させるような形状であればよい。電極端子21,22は、図2(a−1)の構造例では向き合って設けられ、図2(a−2)及び図2(a−3)の構造例では同方向を向いて設けられる。
First, the configuration and operation of the local magnetic field generating device in the present invention will be described.
FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration example of a local magnetic field generating device according to the present invention. In the local magnetic
図2(b)に示した局所磁界発生デバイス210は、一部に切欠部分を持った複数の環が連なった形状の非磁性体スピンホール効果層11を備え、両端の自由端面に電極端子21,22を備える。図2(b)に示したスピンホール効果層の湾曲部は部分円環を逆向きに2つ結合したS字形状をしているが、必ずしも部分円環を組み合わせたものである必要はなく、図2(b−1)に示すように角張った形状の環をS字状に結合してもよい。また、図2(b−2)に示すように図2(a−2)に示した部分円環を2つ接合した形状、あるいは図2(b−3)に示すように角張った環の組み合わせ形状で湾曲部を構成してもよい。電極端子21,22が設けられるスピンホール効果層の端面は、図2(b)及び図2(b−1)では互いに軸ずれして対向しており、図2(b−2)及び図2(b−2)の場合には互いに軸ずれして逆方向を向いている。
The local magnetic
図3は、本発明による局所磁界発生デバイスのスピンホール効果層の電流経路を含んだ構造例を示す図であり、図2に点線で示したABに沿った断面図に相当する。図3(a)〜(c)は積層膜の基本構造を示す模式図、図3(d)〜(g)はその基本構造を多層に積層した多層膜の例を示す模式図である。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the structure including the current path of the spin Hall effect layer of the local magnetic field generating device according to the present invention, and corresponds to a cross-sectional view along AB shown by a dotted line in FIG. 3A to 3C are schematic views showing the basic structure of the laminated film, and FIGS. 3D to 3G are schematic views showing examples of the multilayer film in which the basic structure is laminated in multiple layers.
図3(a)は、単層からなる非磁性体スピンホール効果層11の例を示す。図3(b)は非磁性体スピンホール効果層11と強磁性体層12とを積層した積層膜の構造例を示し、図3(c)は非磁性体スピンホール効果層11と強磁性体層12の間に非磁性絶縁体層13を配置した積層膜の例を示す図である。図3(d),(e),(f),(g)のようにこれらの多層膜を用いても良い。また図3(d)に示した多層膜の場合、各スピンホール効果層の端面に接合された電極21はそれぞれ分離しているが、図3(e)のように複数のスピンホール効果層の端面に接合された電極が繋がっていてもよい。
FIG. 3A shows an example of a nonmagnetic spin
強磁性体層12を障壁層となる薄い非磁性絶縁体層13を介してスピンホール効果素子にトンネル接合させることで、強磁性体層12から非磁性体スピンホール効果層11へのスピン流の沁み出しが起こり、非磁性体スピンホール効果層11でのスピン流が増大されるため、スピンホール効果によるスピン蓄積に起因する磁界発生効果を増大できる。また、多層膜を用いることで、スピン蓄積による磁界発生を層数倍に増大することが可能となる。
The spin current from the
図4は、本発明に係る局所磁界発生デバイスの他の例を示す平面摸式図と斜視摸式図である。図4(a)に示した局所磁界発生デバイス120は、図2(a)に示した内径2r0の局所磁界発生デバイス110を構成する非磁性体スピンホール効果層11の片側に、非磁性絶縁体層13を介してピラー状の強磁性層30を配置したものである。図4(b)は、その斜視図である。本実施例の局所磁界発生デバイスは、スピンホール効果素子によりC字状をした部分円環の内径近傍に発生する磁界が強磁性層30を磁化させるため、強磁性層30内部での磁束密度B=μ0H+Ms(Hは印加磁場、Msは飽和磁化)が局所磁界発生デバイスから発生する局所磁界となる。従って、強磁性層30を連結することにより、発生磁界の強度を増大できるメリットがある。
FIG. 4 is a schematic plan view and a perspective schematic view showing another example of the local magnetic field generating device according to the present invention. The local magnetic field generating device 120 shown in FIG. 4A has a nonmagnetic insulating layer formed on one side of the nonmagnetic spin
また、図4(c)に示す局所磁界発生デバイス220は、図2(b)に示した内径2r0の局所磁界発生デバイス210を構成する非磁性体スピンホール効果層11の片側に、非磁性絶縁体層13を介してピラー状の強磁性層31,32を配置したものである。図4(d)はその斜視図である。本実施例の局所磁界発生デバイスにおいても、スピンホール効果素子により内径近傍に発生する磁界が強磁性層31,32を磁化させるため、発生磁界の強度を増大できるメリットがある。
Further, the local magnetic field generating device 220 shown in FIG. 4C is nonmagnetic on one side of the nonmagnetic spin
また、スピン流は、距離Lとスピンの拡散長λに関してexp(−L/λ)に従って指数関数的に減衰するため、λの2倍より長い距離では、スピン流は1/5、λの3倍以上では1/20より小さくなる。また、実際のデバイスにおいては不純物や双晶欠陥を排除することは難しく、スピン流はさらに減少すると考えられ、実効的に働くスピン流はλの3倍以上ではほとんどゼロになる。従って、偏極スピン電子を湾曲形状の湾曲内側の微小領域に蓄積させ、かつ、逆偏極スピン電子との分離を完全にするには、スピンホール効果層の幅は、スピン拡散長λの3倍以上であれば良い。さらに、強磁性体層12の連結によるスピン流の沁み出し効果が、スピンホール効果層の中央でも70%以下に減衰しない厚みはスピン拡散長λの2倍より小さくなる。本発明における局所磁界発生デバイス110,120,210,220においては、スピンホール効果層となる非磁性体11の幅は、非磁性体スピンホール効果層を構成する材料のスピン拡散長の3倍よりも広いのが好ましい。また、スピンホール効果層11と強磁性体層12とが積層された積層膜を含むスピンホール効果素子においては、スピンホール効果層となる非磁性体11の厚みは、非磁性体11を構成する材料のスピン拡散長λの2倍以下であるのが好ましい。
In addition, since the spin current exponentially decays according to exp (−L / λ) with respect to the distance L and the spin diffusion length λ, the spin current is 1/5, 3 of λ at a distance longer than λ. If it is twice or more, it becomes smaller than 1/20. In an actual device, it is difficult to eliminate impurities and twin defects, and it is considered that the spin current is further reduced, and the effective spin current becomes almost zero at 3 times or more of λ. Therefore, in order to accumulate the polarized spin electrons in the minute region inside the curved curved shape and complete the separation from the reverse polarized spin electrons, the width of the spin Hall effect layer is 3 of the spin diffusion length λ. If it is more than double. Further, the thickness at which the spin current spilling effect due to the connection of the
本発明における局所磁界発生デバイスにおいて、強磁性体層12は、Co,Ni,Feあるいは、これらの元素の少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる材料によって構成される。また、非磁性絶縁体中間層13は、Al2O3,AlN,SiO2,HfO2,Zr2O3,Cr2O3,MgO,TiO2,SrTiO3の少なくとも一種類を含む材料からなる単層膜あるいは積層膜で構成される。好ましくは、強磁性層11にCoFeBを、非磁性絶縁体中間層13にMgOを用いる。
In the local magnetic field generating device of the present invention, the
金属においては、スピンホール効果を引き起こすスピン軌道相互作用ハミルトニアンは、原子番号Z、軌道角運動量ベクトルΙ、スピンsを用いて、次の式(1)で表される。 In metals, the spin-orbit interaction Hamiltonian causing the spin Hall effect is expressed by the following equation (1) using the atomic number Z, the orbital angular momentum vector Ι, and the spin s.
式(1)が示すように、スピン軌道相互作用は原子番号に比例する。従って、強いスピン軌道相互作用による顕著なスピン蓄積効果を実現するためには、原子番号の大きな非磁性体を材料に用いることが必要となる。また、金属のスピン拡散長が0.1〜0.01μmであるのに対し、半導体においては、スピン拡散長λが1μm程度にもなり、スピン偏極がマクロスケールにわたって保たれることが知られている。このことは、スピンホール効果層の厚みに関して許容範囲を広げられるメリットがある。さらに、不純物のない半導体におけるスピンホール効果においては、普遍的なスピンホール伝導度が存在することが理論的に示されており、しかも、ゼロギャップ半導体(HgTe,HgSe等)、ナローギャップ半導体(PbTe,PbSe,PbS等)においては、ドープしない縦方向の電気伝導度がゼロでもスピンホール効果が現れることが報告されている。従って、クリーンな半導体においては、スピンホール係数が著しく増大する。 As shown in Equation (1), the spin orbit interaction is proportional to the atomic number. Therefore, in order to realize a remarkable spin accumulation effect due to strong spin-orbit interaction, it is necessary to use a nonmagnetic material having a large atomic number as a material. In addition, while the spin diffusion length of metal is 0.1 to 0.01 μm, in semiconductors, the spin diffusion length λ is as high as about 1 μm, and it is known that the spin polarization is maintained over the macro scale. ing. This has an advantage that the allowable range can be widened with respect to the thickness of the spin Hall effect layer. Furthermore, it has been theoretically shown that there is a universal spin Hall conductivity in the spin Hall effect in an impurity-free semiconductor, and furthermore, a zero gap semiconductor (HgTe, HgSe, etc.), a narrow gap semiconductor (PbTe). , PbSe, PbS, etc.), it has been reported that the spin Hall effect appears even when the electrical conductivity in the longitudinal direction not doped is zero. Therefore, in a clean semiconductor, the spin Hall coefficient is remarkably increased.
また、スピンホール効果によって新たに誘起されるスピンホール電流js Hは、スピンの量子化軸の向きsハット、電流密度jqと材料によって決まる係数αHを用いて次式(2)で表される。 The spin Hall current j s H newly induced by the spin Hall effect is expressed by the following equation (2) using the spin quantization axis direction s hat, the current density j q and the coefficient α H determined by the material. Is done.
このスピンホール電流js Hがスピン蓄積に寄与するため、材料が決まると、電流密度jqの増大に伴い、スピン蓄積効果も増大する。 Since the spin Hall current j s H contributes to the spin accumulation, if the material is determined, the spin accumulation effect increases as the current density j q increases.
本発明のスピンホール効果素子の電極間に一定電圧を与えると、非磁性体スピンホール効果層11の面内で環状に電流が流れる。図5(a)は、スピンホール効果素子の形状を示す図であり、図5(b)はその断面模式図と環状電流の動径方向の電流密度分布を示す図である。
When a constant voltage is applied between the electrodes of the spin Hall effect element of the present invention, a current flows in a ring shape in the plane of the nonmagnetic spin
図5(a)に示すような構造、すなわち厚さ100nm、幅300nm、高さ300nmの半導体GaAs層11の角を切り落とした内径100nm(r0=50nm)の環状の切欠構造について、両端にアルミニウムの電極21,22を接合したスピンホール効果素子について、電極間に0.1Vの電圧をかけた。環状の矢印が示すように電流が流れる。中心側ほど電流経路が短くなるため電流密度が高い。円電流の場合、抵抗率ρ、円電流の半径r、及び電極間印加電圧Vとの間に式(3)の関係があるので、図5(b)に示したように、スピンホール効果素子の断面で電流密度の環中心からの距離依存性は距離に反比例する。ここで、40は断面を流れる電流の向きを示す。従って、環状構造においては誘起されるスピンホール電流は中心ほど強いことになる。これにより、高いスピン蓄積効果が期待できる。
5A, that is, an annular notch structure having an inner diameter of 100 nm (r 0 = 50 nm) obtained by cutting off corners of a
本発明の局所磁界発生デバイスにおいて、スピンホール効果層となる非磁性体11には、配線に用いられるCuより大きな原子番号を有するAu,Ptなどのスピンホール効果の大きい非磁性体、又は、以下のスピンホール効果の大きい化合物半導体、すなわちガリウム砒素(GaAs)、インジウム砒素(InAs)、アルミニウム砒素(AlAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、インジウムガリウム窒素−ガリウム窒素超格子(InGaN/GaN)、テルル化水銀(HgTe)、セレン化水銀(HgSe)、β−硫化水素(β−HgS)、α−スズ(α−Sn)、テルル化鉛(PbTe)、セレン化鉛(PbSe)、硫化鉛(PbS)、又は、ガリウム砒素系半導体(GaAs-based semiconductor)が用いられる。また、非磁性体スピンホール効果層11の厚みは、金属を用いた場合は、金属のスピン拡散長である0.1〜0.01μmの2倍(0.2〜0.02μm)よりも薄く、半導体を用いた場合は、半導体のスピン拡散長である約1μmの2倍(約2μm)よりも薄く形成される。
In the local magnetic field generating device of the present invention, the
次に、本発明における局所磁界検知デバイスの構成及び作用を説明する。
図6は、本発明によるC字型局所磁界検知デバイスの基本的な構成例を示す図である。図6(a)に示した局所磁界検知デバイス310は、非磁性伝導層14と非磁性絶縁体層13を介して接する非磁性体スピンホール効果層11が、環の一部を切欠いた単一のC字型の環状形状を有する。C字型環状形状の中心部分には、下方に突出した強磁性体芯30が設けられている。また、非磁性体スピンホール効果層11は、その切欠部分の2端面で非磁性の電極端子21,22と接する。電極端子21,22と強磁性体芯30とは絶縁されている。また、強磁性体芯30から非磁性体スピンホール効果層11へのスピン流の沁み出しが起こるが、非磁性伝導層14から強磁性体芯30に電流を流すと、非磁性体スピンホール効果層11へのスピン偏極電流の注入が増大されるため、スピンホール効果による磁界検知効果を増大できる。
Next, the configuration and operation of the local magnetic field detection device according to the present invention will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a basic configuration example of a C-shaped local magnetic field detection device according to the present invention. In the local magnetic
図6(a)に示したスピンホール効果層における湾曲部は円環の一部を切欠いたC字形状であるが、湾曲部は必ずしも円環の一部である必要はなく、図6(b)に示したように角張った環状体の一部を切欠いた形状でもよい。また、図6(c)に示したような円環の半分の形状、図6(d)に示したような多角形の環状体の半分の形状など、全体として電流経路を湾曲させるような形状であればよい。電極端子21,22は、図6(a)及び図6(b)の構造例では向き合って設けられ、図6(c)及び図6(d)の構造例では同方向を向いて設けられる。
Although the curved portion in the spin Hall effect layer shown in FIG. 6A has a C shape with a part of the ring cut out, the curved portion does not necessarily have to be a part of the ring. As shown in (), a shape obtained by cutting out a part of an angular annular body may be used. Moreover, the shape which curves the current path as a whole, such as a half shape of an annular shape as shown in FIG. 6C and a half shape of a polygonal annular body as shown in FIG. If it is. The
図7は、本発明によるS字型局所磁界検知デバイスの基本的な構成例を示す図である。図7(a)に示した局所磁界検知デバイス410は、一部に切欠部分を持ったC字型環形状の2つの非磁性伝導層14,15と、非磁性絶縁体層13を介して接するC字型環が2つ連なったS字形状の非磁性体スピンホール効果層11を備え、両端の自由端面に電極端子21,22を備える。2つのC字型環の中心部分には、それぞれ下方に突出した強磁性体芯31,32が設けられている。電極端子21,22と強磁性体芯31,32とは絶縁されている。また、強磁性体芯31,32から非磁性体スピンホール効果層11へのスピン流の沁み出しが起こるが、非磁性伝導層14,15から強磁性体芯31,32に電流を流すと、非磁性体スピンホール効果層11へのスピン偏極電流の注入が増大されるため、スピンホール効果による磁界検知効果を増大できる。このとき、非磁性伝導層14から強磁性体芯31に流す電流の向きと、非磁性伝導層15から強磁性体芯32に流す電流の向きを逆にする必要があるため、2つの非磁性伝導層14,15は位置Cに設けられた絶縁層を挟んで形成され、互いに電気的に絶縁されている。
FIG. 7 is a diagram showing a basic configuration example of an S-shaped local magnetic field detection device according to the present invention. The local magnetic
図7(a)に示したスピンホール効果層11の湾曲部は部分円環を逆向きに2つ結合したS字形状をしているが、必ずしも部分円環を組み合わせたものである必要はなく、図7(b)に示すように、角張った形状の環をS字状に結合してもよい。また、図7(c)に示すように、図6(c)に示した部分円環を2つ接合した形状、あるいは図7(d)に示すように、角張った環の組み合わせ形状で湾曲部を構成してもよい。電極端子21,22が設けられるスピンホール効果層の端面は、図7(a)及び図7(b)では互いに軸ずれして対向しており、図7(c)及び図7(d)の場合には互いに軸ずれして逆方向を向いている。
Although the curved portion of the spin
図8は、本発明によるC字型局所磁界検知デバイスのスピンホール効果層の電流経路を含んだ構造例を示す図であり、図6に点線で示したABに沿った断面図に相当する。図8(a)は、デバイス310の単層からなる非磁性体スピンホール効果層11の例を示す。図8(b),(c),(d)はデバイス310のスピンホール効果層11と非磁性体絶縁体層13とを積層した多層膜の構造例を示す。図8(b)は、各スピンホール効果層11の端面に接合された電極端子21,22が非磁性体絶縁体層13を介してそれぞれ分離している場合の図である。図8(c)のように複数のスピンホール効果層11の端面に接合された電極21,22が繋がっていてもよい。また、図8(d)はデバイス310の非磁性体スピンホール効果層11と非磁性の電極端子21,22の間に非磁性高抵抗層16を配置した例を示す図である。非磁性高抵抗層16を用いたトンネル接合を介して接触させる構造を備えることで、最終的な出力を高めることが可能となる。また、多層膜を用いることで磁界検知信号を層数倍に増大することが可能となる。
FIG. 8 is a view showing a structural example including the current path of the spin Hall effect layer of the C-shaped local magnetic field detection device according to the present invention, and corresponds to a cross-sectional view taken along AB shown by a dotted line in FIG. FIG. 8A shows an example of the nonmagnetic spin
図9は、本発明によるS字型局所磁界検知デバイスのスピンホール効果層の電流経路を含んだ構造例を示す図であり、図7に点線で示したACBに沿った断面図に相当する。図9(a)は、デバイス410の単層からなる非磁性体スピンホール効果層11の例を示す。図9(b),(c),(d)はデバイス410のスピンホール効果層11と非磁性体絶縁体層13とを積層した多層膜の構造例を示す。図9(b)は、各スピンホール効果層11の端面に接合された電極端子21,22が絶縁層を介してそれぞれ分離している場合の図である。図9(c)のように複数のスピンホール効果層11の端面に接合された電極が繋がっていてもよい。図9(d)はデバイス410の非磁性体スピンホール効果層11と非磁性の電極端子21,22の間に非磁性高抵抗層16を配置した例を示す図である。多層膜を用いることで磁界検知信号を層数倍に増大することが可能となる。いずれの例の場合にも、スピンホール効果層11は電極端子21,22の間に連続して形成されている。しかし、2つの非磁性伝導層14,15は、図示したように、C点で不連続に形成され、互いに電気的に絶縁されている。その理由は、前述したように、非磁性伝導層14から強磁性体芯31に流す電流の向きと、非磁性伝導層15から強磁性体芯32に流す電流の向きを逆にする必要があるためである。
FIG. 9 is a view showing a structural example including the current path of the spin Hall effect layer of the S-shaped local magnetic field detection device according to the present invention, and corresponds to a cross-sectional view along the ACB indicated by a dotted line in FIG. FIG. 9A shows an example of the nonmagnetic spin
スピン偏極電流の逆スピンホール効果によって誘起されるスピンホール電流jq Hは、スピンの量子化軸の向きsハット、スピン偏極電流密度jsと材料によって決まる係数αHを用いて次式(4)で表される。 The spin Hall current j q H induced by the inverse spin Hall effect of the spin-polarized current is expressed by the following equation using the spin quantization direction s hat, the spin-polarized current density j s and the coefficient α H determined by the material. It is represented by (4).
このスピンホール電流js Hがスピン蓄積に寄与するため、材料が決まると、電流密度jqの増大に伴い、スピン蓄積効果も増大する。 Since the spin Hall current j s H contributes to the spin accumulation, if the material is determined, the spin accumulation effect increases as the current density j q increases.
本発明の非磁性体伝導層から強磁性体芯の方向に電流を流すと、強磁性体芯においては上向きスピンによる電流I↑と下向きスピンによる電流I↓が芯中心に向かって流れる。このとき、強磁性体芯では式(5−1)のようにI↑とI↓の間に偏りがある一方、スピンホール効果層内部では式(5−2)のように偏りはなく、電流は流れないので、I↑=−I↓となる。この結果、強磁性体芯との接合近傍のスピンホール効果層では、上向きスピンと下向きスピンの電気化学ポテンシャル(ECP)μ↑とμ↓がΔμ=μ↑−μ↓だけスピン偏極し、接合近傍のスピンホール効果層において非平衡磁化が誘起される。これにより非磁性体スピンホール効果層内に動径方向へのスピン偏極電流が注入される。 When a current is passed from the non-magnetic conductive layer of the present invention in the direction of the ferromagnetic core, the current I ↑ due to the upward spin and the current I ↓ due to the downward spin flow toward the core center in the ferromagnetic core. At this time, in the ferromagnetic core, there is a bias between I ↑ and I ↓ as in the equation (5-1), while there is no bias in the spin Hall effect layer as in the equation (5-2). Does not flow, so I ↑ = -I ↓ . As a result, in the spin Hall effect layer near the junction with the ferromagnetic core, the electrochemical potential (ECP) μ ↑ and μ ↓ of the upward spin and downward spin is spin-polarized by Δμ = μ ↑ −μ ↓ Non-equilibrium magnetization is induced in the nearby spin Hall effect layer. Thereby, a spin-polarized current in the radial direction is injected into the nonmagnetic spin Hall effect layer.
後述する図15(c)のように強磁性体芯がデバイス面に垂直に上向きに磁化されている場合、デバイス面に垂直上向きに偏極されたスピン偏極電流が非磁性体スピンホール効果層内動径方向へ注入される。このとき注入されたスピン偏極電流は非磁性体スピンホール効果層内でスピンホール効果により上向き、下向きのスピンをもつ電子がともに同方向に曲げられ、電極22に蓄積する。この結果、電極22が負に帯電し電極間に電位差が生じる。強磁性体芯が逆向きに磁化された場合、電子は電極21に蓄積し、電位差の極性は反転する。
When the ferromagnetic core is magnetized upward in the direction perpendicular to the device surface as shown in FIG. 15C described later, the spin-polarized current polarized in the upward direction perpendicular to the device surface becomes a non-magnetic spin Hall effect layer. Injected in the radial direction. The spin-polarized current injected at this time is accumulated in the
図10(a)は、図15(a)に示したスピンホール効果素子311のABで切った断面模式図である。図10(b)は、スピンホール効果素子311のPtからなるスピンホール効果層11における、上向きスピンと下向きスピンのECPμ↑とμ↓のx方向分布を示すシミュレーション結果を示す図である。
FIG. 10A is a schematic cross-sectional view taken along AB of the spin
スピンホール効果素子は、図10(a)に示すように、Cu(20nm)/Al2O3(5nm)/Pt(10nm)積層膜からなり、内径30nmのパーマロイ層(強磁性体芯)30を持った環状の切欠構造のスピンホール効果Pt層11の切欠端両端にアルミニウムの電極21,22を接合した構造を有するものとする。図10(a)に示すようにパーマロイ層30中心より動径方向にx座標を設定したときに、Cu伝導層14から強磁性体パーマロイ層30に100μAの電流41を印加する。このとき、図10(b)に示すように、スピンホール効果Pt層11において、上向きスピンと下向きスピンの電気化学ポテンシャルの差(ΔECP)にx方向分布が見られる。ΔECPの傾きはPt層11に流入するスピン流の大きさに比例する。強磁性体パーマロイ層30からPt層11に、平均して1.12×105A/cm2 のスピン流が注入されることを示している。パーマロイ層30からスピン非磁性スピンホール効果Pt層11へのスピン注入が起こることがわかる。
As shown in FIG. 10A, the spin Hall effect element is made of a Cu (20 nm) / Al 2 O 3 (5 nm) / Pt (10 nm) laminated film, and a permalloy layer (ferromagnetic core) 30 having an inner diameter of 30 nm. It has a structure in which
本発明の局所磁界検知デバイスにおいて、スピンホール効果層となる非磁性体11には、配線に用いられるCuより大きな原子番号を有するAu,Ptなどのスピンホール効果の大きい非磁性体、又は、以下のスピンホール効果の大きい化合物半導体、すなわちガリウム砒素(GaAs)、インジウム砒素(InAs)、アルミニウム砒素(AlAs)、インジウムガリウム砒素(InGaAs)、インジウムガリウム窒素−ガリウム窒素超格子(InGaN/GaN)、テルル化水銀(HgTe)、セレン化水銀(HgSe)、β−硫化水素(β−HgS)、α−スズ(α−Sn)、テルル化鉛(PbTe)、セレン化鉛(PbSe)、硫化鉛(PbS)、又は、ガリウム砒素系半導体(GaAs-based semiconductor)が用いられる。また、非磁性体スピンホール効果層11の厚みは、金属を用いた場合は、金属のスピン拡散長である0.1〜0.01μmの2倍(0.2〜0.02μm)よりも薄く、半導体を用いた場合は、半導体のスピン拡散長である約1μmの2倍(約2μm)よりも薄く形成される。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。
In the local magnetic field detection device of the present invention, the
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[実施例1]
図1は、スピンホール効果を利用した本発明の局所磁界発生デバイスの構成例を示す図である。図1(a)及び図1(c)は局所磁界発生デバイスの構成例を示す平面摸式図、図1(b)及び図1(d)は外部回路との接続によるスピン流の振る舞いを示す模式図である。
[Example 1]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a local magnetic field generation device of the present invention using the spin Hall effect. 1 (a) and 1 (c) are schematic plan views showing examples of the configuration of the local magnetic field generating device, and FIGS. 1 (b) and 1 (d) show the behavior of spin current by connection to an external circuit. It is a schematic diagram.
図1(a)に示す局所磁界発生デバイス1000は、厚さd=100nm、環の幅w=4μm、環の内径40nmの各スピンホール効果層が10nmのMgO膜を介して10層積層された構造を有するスピンホール効果素子113を用いた。スピンホール効果層となる非磁性体11には、スピン拡散長1μmのGaASを用いた。図11(a)は、スピンホール効果素子113の斜視模式図である。
In the local magnetic
スパッタ装置を用いて、MgO(001)単結晶基板上に(GaAs(100nm)/MgO(10nm))10の10層の積層多層膜を成膜した。その積層多層膜を電子線リソグラフィー技術により外径8040nm、内径40nmのC字型環状に成型し、幅4000nm、長さ100nm、厚さ200nmのCu電極21,22を該積層多層膜の側面に接続する。このとき、d<2λ、5μ>3λを満たす。この、局所磁界発生デバイス1000は、非磁性体スピンホール効果層11に印加された電荷流に環状内側へのスピン蓄積機能を有する。
A laminated multilayer film of 10 layers of (GaAs (100 nm) / MgO (10 nm)) 10 was formed on a MgO (001) single crystal substrate using a sputtering apparatus. The laminated multilayer film is formed into a C-shaped annular shape having an outer diameter of 8040 nm and an inner diameter of 40 nm by an electron beam lithography technique, and
図1(a)に示すように、スピンホール効果素子113の積層膜に、膜面方向に電流を印加する電源70を接続し、非磁性体からなる電極端子21及び22間に定電圧を印加することにより、非磁性体スピンホール効果層11へと電流を流す。図1(b)は図1(a)で示した外部回路との接続によって流れる電流とスピン流の振る舞いを示す。点線の矢印は白丸で示す上向きスピン電子52、及び、下向きスピン電子53の流れる向きをそれぞれ表し、また、太い2重丸50は環状非磁性体スピンホール効果層11の内側の磁化の向きを表す。膜面方向に環状に電流が流れることにより、非磁性体スピンホール効果層11の電子がスピンホール効果により、量子化軸の向きと流入方向で構成される平面の法線方向に曲げられる。このとき、スピンの量子化軸が非磁性体スピンホール効果層の膜面に上向き垂直な電子52は、環の動径方向の環中心に向かって曲げられる一方、スピンの量子化軸が膜面に下向き垂直な電子53は外縁方向に曲げられる。この結果、上向き垂直なスピン電子52はスピンホール効果素子113の内縁に蓄積し、内縁近傍に膜面に上向き垂直な磁界を発生させる。
As shown in FIG. 1A, a
電極端子21,22間に印加される電圧が逆になると、非磁性体スピンホール効果層11中でスピン電子は逆向きに曲げられる。その結果、スピンホール効果素子113の内縁近傍に発生する磁界の極性も逆になる。これにより、スピンホール効果素子113の内縁に局所的な磁界を発生させることができる。
When the voltage applied between the
また、図1(c)に示す局所磁界発生デバイス2000ように、部分環が2つ連なったタイプのスピンホール効果素子215を用いると、図1(d)に示すように、湾曲した非磁性スピンホール効果層11の2箇所のカーブ内側領域において極性の異なるスピン電子52と53が別々に蓄積される。これにより膜面に平行な局所磁界を発生できる。
Further, when a spin
内径近傍に発生する磁界Hは、スピンホール効果素子113の内径r0、スピンホール効果の係数αH、半導体のスピン拡散長λ、キャリア濃度N、ボーア磁子μB、及び、真空の透磁率μ0を用いて次の式(6)で表される。
The magnetic field H generated in the vicinity of the inner diameter includes the inner diameter r 0 of the spin
一例として、r0を20nm、αHを0.01、λを1μm、Nを1019cm-3とすると、μ0H〜1.82テスラとなる。 As an example, if r 0 is 20 nm, α H is 0.01, λ is 1 μm, and N is 10 19 cm −3 , μ 0 H to 1.82 Tesla.
[実施例2]
図12(a)は、垂直磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行うための磁気記録ヘッド3000の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。図12(b)はその斜視模式図である。この実施例は、図11(c)に示したC字型局所磁界発生デバイス123を垂直磁気記録用の記録ヘッドに適用した例である。
[Example 2]
FIG. 12A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a
磁気記録ヘッド3000は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、内径4nm,外径4000nm,厚さ10nmの非磁性絶縁体SiO2層13が形成され、その上に内径4nm,外径4000nm,厚さ100nmの非磁性半導体GaAs層11が交互に積層した多層膜が形成されている。また、多層膜の上には直径1000nm、厚さ8nmの非磁性絶縁体SiO2層13を介して、直径12nm、厚さ20nmの強磁性パーマロイ層30を材料とするピラーが環中心と同心円の位置に形成されている。GaAS層11の切欠端面には、幅1498nm,長さ50nm,厚さ100nmの銅電極端子21,22が形成されている。
In the
強磁性パーマロイ層30は、図12(a)の断面図、及び図12(b)の斜視模式図に示すように、垂直磁気記録媒体60の表面に近い位置に積層膜上面に対面するように配置される。ここで、図12(a)の断面図は、図12(b)の斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。磁気シールド61は、GaAs/SiO2多層膜の側面に形成された局所磁界発生デバイス123の周囲を環状に取り囲む部分と、パーマロイ層30と媒体60の間に設けられて媒体60とパーマロイ層30を遮蔽する平板とで構成される。遮蔽平板には、局所磁界発生デバイス123の環中心線上に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口から、局所磁界発生デバイス123で発生され、パーマロイ層30で増幅された局所磁界を、媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 12A and the perspective schematic view of FIG. 12B, the
図12(b)では、図を見やすくするために、基体63及び磁気シールド61は省いてある。図12(a)中の記号40は、局所磁界発生デバイス123中を流れる電流の向きを示す。図12(a)及び(b)中の矢印55は、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、図12(a)及び(b)中の白矢印50は、局所磁界発生デバイス123を用いて発生させた局所磁界の向きを示す。局所磁界発生デバイス123の環内径近傍に発生する磁界Hが、飽和磁化Msが1.08テスラのパーマロイ層30を磁化させるため、パーマロイ層30内部での磁束密度B=μ0H+Msが磁気記録ヘッド3000から発生する局所磁界50となる。このように、強磁性層30を連結することにより、発生磁界の強度が増大する。また、媒体60の下にある軟磁性層62のために磁力線の広がりが抑えられる。磁気ヘッド3000から発生した局所磁界50により、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転させる。
In FIG. 12B, the
[実施例3]
図13(a)は、面内磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行うための磁気記録ヘッド3001の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。図13(b)はその斜視模式図である。本実施例は、図11(b)に示した部分円環が2つ連なった形状を有する局所磁界発生デバイスを面内磁気記録用の記録ヘッドに適用した例である。ここで、図13(a)の断面図は、図13(b)に示した局所磁界発生デバイスの斜視模式図に点線で示したACBに沿った断面図である。
[Example 3]
FIG. 13A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a
基板及び下地材料等からなる基体63上に、内径2.5nm,外径20nm,厚さ5nmのS字型非磁性Au層11が形成され、その上に同様に環状の連なった内径2.5nm,外径20nm,厚さ2nmのS字型非磁性絶縁体Al2O3層13を介して、内径2.5nm,外径20nm,厚さ5nmmのS字型強磁性FePt層12と非磁性Au層11が交互に積層した多層膜が形成されている。Au層11のS字両端に対応する切欠端側面には、幅8,75nm,長さ10nm,厚さ5nmのCu電極端子21,22が形成されている。磁気シールド61は、FePt/Al2O3/Au積層膜の側面に形成されて局所磁界発生デバイスの周囲を環状に取り囲む部分と、局所磁界発生デバイスと媒体60の間に設けられ、媒体60と局所磁界発生デバイスを遮蔽する平板とで構成されている。磁気シールド61の遮蔽平板部分には、局所磁界発生デバイスの位置Cから垂直に媒体60へ伸ばした直線上の部分に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口を介して、局所磁界発生デバイスで発生された局所磁界を、媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。
An S-shaped
図13(a)及び図13(b)に示すように、面内磁気記録媒体60の表面に近い位置で、局所磁界発生デバイスの積層膜上面が媒体60と対面するよう配置される。図13(b)では見やすくするために、基体63及び磁気シールド61は省いてある。図13(a)中の記号40は局所磁界発生デバイス中を流れる電流の向きを示す。図13(a)及び(b)中の矢印55は、面内磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、図13(a)及び(b)中の白矢印50は、局所磁界発生デバイスを用いて発生させた局所磁界の向きを示す。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the laminated film upper surface of the local magnetic field generating device is disposed so as to face the medium 60 at a position close to the surface of the in-plane
局所磁界発生デバイスを構成するS字型非磁性スピンホール効果層の2箇所のカーブ内側に、極性の異なるスピン電子が別々に蓄積される。非磁性Au層11の伝導電子密度を1023cm-3、αHを0.01とすると、局所磁界50をHとしてμ0H〜0.74テスラとなり、この局所磁界50により面内磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転できる。また、図11(b)に示した局所磁界発生デバイスの代わりに、図11(d)に示す強磁性層のピラー31,32が環中心と同心円配置で形成されている局所磁界発生デバイス224を用いても良い。このとき、局所磁界発生デバイス224の2箇所の内径近傍に発生する磁界Hが飽和磁化Msの強磁性層31,32を逆方向に磁化させるため、強磁性層31,32内部での極性の違う磁束密度B=±(μ0H+Ms)が、媒体表面に平行な局所磁界50を発生させる。スピンホール効果素子に強磁性層を連結することにより、発生磁界の強度は増大する。
Spin electrons having different polarities are separately accumulated inside two curves of the S-shaped nonmagnetic spin Hall effect layer constituting the local magnetic field generating device. Assuming that the conduction electron density of the
[実施例4]
図14(a)は、垂直磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行うための別の磁気記録ヘッド3002の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。図14(b)は、その斜視模式図である。本実施例は、図11(c)に示したC字型局所磁界発生デバイス123を垂直磁気記録用の磁気ヘッドに適用した例である。
[Example 4]
FIG. 14A is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of another
基板及び下地材料等からなる基体63上に、内径4nm,外径30nm,厚さ4nmのPt層11が形成され、その上に内径4nm,外径30nm,厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層13と非磁性Pt層11が交互に積層した10層の多層膜が形成されている。さらに、多層膜の上には直径30nm、厚さ4nm非磁性絶縁体Al2O3層13を介して、直径12nm、厚さ30nmの強磁性パーマロイ層30を材料とするピラーが環中心と同心円配置で形成されている。非磁性Pt層11のC字の両端に対応する切欠側面端には、幅13nm,長さ10nm,厚さ140nmのCu電極21及び22が形成されている。
A
また、局所磁界発生デバイス123は、図14(a)及び図14(b)に示すように、Pt/Al2O3積層膜の側面が垂直磁気記録媒体60表面に平行となるように配置される。図14(a)の断面図は、図14(b)の局所磁界発生デバイスの斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。磁気シールド61は、Pt/Al2O3積層膜の側面に形成された局所磁界発生デバイス123の周囲を環状に取り囲む部分と、それに蓋をする平板とで構成されている。Pt/Al2O3積層膜の側面に形成された磁気シールド上の強磁性パーマロイ層30と遮蔽平板の間の垂直磁気媒体60表面に近い位置には、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61に設けられた開口を介して、局所磁界発生デバイス123で発生され、パーマロイ層30で増幅された局所磁界を、垂直磁気記録媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。
Further, as shown in FIGS. 14A and 14B, the local magnetic
図14(b)では図を見やすくするために、基体63及び磁気シールド61は省いてある。図14(a)中の記号40は局所磁界発生デバイス123中を流れる電流の向きを示す。図14(a)及び(b)中の矢印55は垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、図14(a)及び(b)中の白矢印50は、局所磁界発生デバイス123を用いて発生させた局所磁界の向きを示す。局所磁界発生デバイス123の環内径近傍に発生する磁界Hが飽和磁化Ms1.08テスラのパーマロイ層30を磁化させるため、パーマロイ層内部での磁束密度B=±(μ0H+Ms)が、媒体60の下にある軟磁性層62へ向かって媒体60に垂直方向の局所磁界50を発生させる。スピンホール効果素子に強磁性層30を連結することにより、発生磁界の強度は増大する。また、媒体60の下にある軟磁性層62のために磁力線の広がりが抑えられ、媒体60の磁化を局所磁界50が反転させる。
In FIG. 14B, the
[実施例5]
図15は、スピンホール効果を利用した本発明のC字型局所磁界検知デバイスの構成例を示す図である。図15(a),(b)は局所磁界検知デバイスの構成例を示す平面摸式図、図15(d)は図15(a)に示す経路ABで切った断面図である。図15(c)は外部回路との接続によるスピン流の振る舞いを示す模式図である。
[Example 5]
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of the C-shaped local magnetic field detection device of the present invention using the spin Hall effect. 15A and 15B are schematic plan views showing a configuration example of the local magnetic field detection device, and FIG. 15D is a cross-sectional view taken along a path AB shown in FIG. FIG. 15C is a schematic diagram showing the behavior of the spin current due to connection with an external circuit.
図15(a),(b),(d)に示す局所磁界検知デバイス1100は、厚さd=100nm、環の幅w=4μm、環の内径30nmの各スピンホール効果層が10nmのAl2O3非磁性絶縁体膜を介して10層積層された構造を有するスピンホール効果素子311を用いた。スピンホール効果層となる非磁性体11には、スピン拡散長1μmのGaASを用いた。図16(a)は、スピンホール効果素子311の斜視模式図である。
A local magnetic
スパッタ装置を用いて、MgO(001)単結晶基板上に厚さ20nmのCu膜からなる非磁性体伝導層と厚さ5nmのMgO膜からなる非磁性絶縁体層と(GaAs(100nm)/MgO(5nm))10の10層からなるスピンホール効果層の積層多層膜を成膜し、この積層多層膜に厚さ20nmのレジストを用いたミリング法によるパターニングにより内径30nmの穴を成型する。さらに、スパッタリング装置を用いてFeを成膜し、リフトオフ法による剥離工程を経てパターニングを行い、積層多層膜上に高さ20nm、直径30nmのFeのピラーを形成する。この直径30nmのFe芯を伴ったCu(20nm)/MgO(5nm)/(GaAs(100nm)/MgO(5nm))10/MgO(5nm)膜を、電子線リソグラフィー技術を用いて切欠構造を持つC字型環状にパターニング成形し、そのC字両端に対応する切欠端側面には、幅15nm,長さ10nm,厚さ1050nmのCu電極端子21,22を、高抵抗膜16を介して接続する。この局所磁界検知デバイス1100は、外部磁場に依存して偏極するスピン偏極電流が、強磁性体芯30より非磁性体スピンホール効果層11に注入されることよって切欠両端側面間での電圧を誘起する機能を有する。高抵抗膜16を用いたトンネル接合を介して接触させる構造を備えることで、切欠両端側面間で誘起される電圧の最終的な出力を高めることが可能となる。ここで、強磁性体芯30は、スピンホール効果層より突出したピラー領域の外径がスピンホール効果層11の内径と同じでなくともよい。図16(b),(c)に示したように、検知すべき局所外部磁場領域に合わせて、ピラー領域の外径をスピンホール効果層11の内径より太くしても、細くしてもよい。
Using a sputtering apparatus, a nonmagnetic conductive layer made of a 20 nm thick Cu film and a nonmagnetic insulator layer made of a 5 nm thick MgO film on a MgO (001) single crystal substrate and (GaAs (100 nm) / MgO (5 nm)) was deposited laminated multilayer film 10 spin Hall layer consisting of 10 layers of molding the hole having an inner diameter of 30nm by patterning by resist milling method using the thickness of 20nm on the laminated multilayer film. Further, Fe is formed using a sputtering apparatus and patterned through a lift-off peeling process to form an Fe pillar having a height of 20 nm and a diameter of 30 nm on the multilayer multilayer film. This Cu (20 nm) / MgO (5 nm) / (GaAs (100 nm) / MgO (5 nm)) 10 / MgO (5 nm) film with an Fe core with a diameter of 30 nm has a notch structure using an electron beam lithography technique. Patterned and formed into a C-shaped annular shape,
図15(a)に示すように、スピンホール効果層11の切欠両端側面間に電圧計71を接続し、図15(b)に示すように、非磁性体伝導層14から強磁性体芯30へ動径方向に電流を印加する電源70を接続し、非磁性体伝導層14から強磁性体芯30へと電流を流す。図15(b)において点線の輪郭は絶縁体層13を介して接続しているスピンホール効果層を示す。図15(d)は図15(a)の経路ABに沿った断面図で、非磁性伝導層14とスピンホール効果層11が非磁性絶縁体層13を介した積層膜を成し、強磁性体芯30と接触していることを示す。図15(c)は、図15(a),(b),(d)で示した外部回路との接続によって流れる電流とスピン流の振る舞いを示す。実線と点線の矢印は白丸で示す上向きスピン電子52、及び、下向きスピン電子53の流れる向きをそれぞれ表し、また、太い2重丸50は強磁性体芯30の磁化の向きを表す。
As shown in FIG. 15A, a
非磁性体伝導層14から強磁性体芯30へ動径方向に電流が流れることにより、強磁性体芯30より非磁性体スピンホール効果層11の動径方向へのスピン偏極電流の注入が起こる。電子はスピンホール効果により、量子化軸の向きと流入方向で構成される平面の法線方向に曲げられる。このときスピンの量子化軸が非磁性体スピンホール効果層11の膜面に上向き垂直な電子52はスピンホール効果層11へ注入され、スピンの量子化軸が膜面に下向き垂直な電子53は強磁性体芯30に吸い込まれる、動径方向に沿った逆向きの流れを生じる。この結果、上向き電子52と下向き電子53はともに同方向に曲げられるため、破線40で示す電流が発生し、上向き電子52と下向き電子53の両者がスピンホール効果素子311の1つの切欠片端側面に蓄積し、電極端子21,22間に電圧を発生させる。
When a current flows in the radial direction from the nonmagnetic
外部磁場の向きが逆になると、非磁性体スピンホール効果層11中に注入されるスピン偏極電流の極性が逆転し、スピン電子は逆向きに曲げられる。その結果、スピンホール効果素子311の切欠両端側面間に発生する電圧の極性も逆になる。これにより、スピンホール効果素子311は局所的な磁界を検知することができる。
When the direction of the external magnetic field is reversed, the polarity of the spin-polarized current injected into the nonmagnetic spin
[実施例6]
図17は、スピンホール効果を利用した本発明のS字型局所磁界検知デバイスの構成例を示す図である。図17(a),(b)は局所磁界検知デバイスの構成例を示す平面摸式図である。図17(d)は図17(a)の経路ABで切った断面図である。図17(c)は外部回路との接続によるスピン流の振る舞いを示す模式図である。
[Example 6]
FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of the S-shaped local magnetic field detection device of the present invention using the spin Hall effect. 17A and 17B are schematic plan views showing a configuration example of the local magnetic field detection device. FIG. 17D is a cross-sectional view taken along the path AB in FIG. FIG. 17C is a schematic diagram showing the behavior of the spin current due to connection with an external circuit.
本実施例の局所磁界検知デバイス2100のように、部分環が2つ連なったタイプのスピンホール効果素子411を用いると、図17(c)に示すように、湾曲した非磁性スピンホール効果層11の2箇所のカーブ内側領域から極性の異なるスピン電子52と53が注入される。実線及び点線の矢印は白丸で示す上向きスピン電子52及び下向きスピン電子53の流れる向きをそれぞれ表し、また、太い2重丸50及び丸十字51は、強磁性体芯30及び31の磁化の向きを表す。非磁性体伝導層14から強磁性体芯30,31へ動径方向に電流が流れることにより、強磁性体芯30,31より非磁性体スピンホール効果層11の動径方向へのスピン偏極電流の注入が起こる。電子はスピンホール効果により、量子化軸の向きと流入方向で構成される平面の法線方向に曲げられる。このとき、図17(b)に示すように、絶縁層を介してスピンホール効果層に接続される伝導層14及び15は電気的に相互に分離され、各強磁性体芯30,31に各々独立に接続される。そして、非磁性体伝導層14から強磁性体芯30へ動径方向に電流を印加する電源と、非磁性体伝導層15から強磁性体芯31へ動径方向に電流を印加する電源とは、極性を逆にして接続される。例えば、図17(b)に示すように、一方の強磁性体芯30の電位に対してそれに接続された非磁性体伝導層14の電位を高く設定する場合には、他方の強磁性体芯31の電位に対してそれに接続された非磁性体伝導層15の電位を低く設定する。図17(b)において、点線で示した輪郭は、非磁性体伝導層14,15に絶縁体層13を介して接続しているスピンホール効果層を示す。本実施例のS字型局所磁界検知デバイスは、C字型素子が直列した構造となるため、信号強度がC字型素子のほぼ2倍になる。
When a spin
[実施例7]
図18は、垂直磁気記録媒体からの漏れ磁場を検知するための磁気再生ヘッド3003の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。この実施例は、図16(a)に示したC字型局所磁界検知デバイス311を垂直磁気記録媒体用の再生ヘッドに適用した例である。
[Example 7]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a magnetic reproducing
磁気再生ヘッド3003は、基板及び下地材料等からなる基体63上に非磁性絶縁体SiO2層13が形成され、その上に、強磁性体パーマロイ層30を伴った内径4nm,外径30nmで、厚さ10nmの非磁性伝導Cu層14、厚さ10nmの非磁性絶縁体SiO2層13と、厚さ100nmの非磁性半導体GaAs層11と厚さ30nmの非磁性絶縁体SiO2層13が交互に積層した多層膜からなるスピンホール効果層が切欠端面を伴ったC字型に形成されている。また、多層膜の上には強磁性体パーマロイ層30が直径12nm、厚さ20nmのピラーとして環中心と同軸の位置に形成されている。GaAS層11の切欠端面には、幅1498nm,長さ50nm,厚さ100nmの銅電極端子21,22が形成されている。
In the magnetic reproducing
強磁性パーマロイ層30は、図18の断面図に示すように、垂直磁気記録媒体60の表面に近い位置に対面するように配置される。ここで、図18の断面図は、図16(a)の斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。磁気シールド61は、GaAs/SiO2多層膜の側面に形成された局所磁界検知デバイス311の周囲を環状に取り囲む部分と、パーマロイ層30と媒体60の間に設けられて媒体60とパーマロイ層30を遮蔽する平板とで構成される。遮蔽平板には、局所磁界検知デバイス311の環中心線上に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口を介して、媒体60の微小読み出し磁区の近傍でパーマロイ層30は磁化される。このパーマロイ層30の磁化方向を局所磁界検知デバイス311で検知することにより、媒体60の読み出し磁区のみに絞って検知することができる。図中の記号40は、局所磁界検知デバイス311中に誘起される電流の向きを示す。矢印55は、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、局所磁界検知デバイス311を用いて検知する媒体からの漏れ磁場による局所磁界の向きを示す。
The
[実施例8]
図19は、垂直磁気記録媒体からの漏れ磁場を検知するための磁気再生ヘッド3004の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。この実施例は、図16(a)に示したC字型局所磁界検知デバイス311を垂直磁気記録媒体用の再生ヘッドに適用した例である。
[Example 8]
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a magnetic reproducing
磁気再生ヘッド3004は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、非磁性絶縁体Al2O3層13が形成され、その上に、強磁性体パーマロイ層30を中心に、内径4nm,外径30nmで、厚さ10nmの非磁性伝導Cu層14、厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層13と、厚さ4nmのPt層11と、厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層13が交互に積層した多層膜が切欠端面を伴ったC字型に形成されている。さらに、多層膜の上には強磁性体パーマロイ層30が直径5nm、厚さ20nmのピラーとして環中心と同軸に形成されている。非磁性Pt層11のC字の両端に対応する切欠側面端には、幅13nm,長さ10nm,厚さ140nmのCu電極21及び22が形成されている。
In the magnetic reproducing
局所磁界検知デバイス311は、図19に示すように、(Pt(4nm)/Al2O3(10nm))10 積層膜の側面が垂直磁気記録媒体60表面に平行となるように配置される。図19の断面図は、図16(a)の局所磁界検知デバイスの斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。
As shown in FIG. 19, the local magnetic
磁気シールド61は、Pt/Al2O3積層膜の側面に形成された局所磁界検知デバイス311の周囲を環状に取り囲む部分と、それに蓋をする平板とで構成されている。Pt/Al2O3積層膜の側面に形成された磁気シールド上の強磁性パーマロイ層30と遮蔽平板の間の垂直磁気媒体60表面に近い位置には、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61に設けられた開口を介して侵入する垂直磁気記録媒体60の磁区からの漏れ磁場によって強磁性体パーマロイ層30が磁化され、その磁化を、局所磁界検知デバイス311で検知する。こうして、垂直磁気記録媒体60の記録磁化からの漏れ磁場を検知することができる。
The
図中の記号40は、局所磁界検知デバイス311中に誘起される電流の向きを示す。矢印55は、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、局所磁界検知デバイス311を用いて検知する媒体からの漏れ磁場による局所磁界の向きを示す。
The
[実施例9]
図20は、面内磁気記録媒体からの漏れ磁場を検知するための磁気再生ヘッド3005の構成例を、磁気記録媒体とともに示した断面模式図である。この実施例は、図21に示した部分円環が2つ連なったS字型の形状を有する局所磁界検知デバイス411を面内磁気媒体用60の再生ヘッドに適用した例である。ここで、図20の断面図は、図21に示した局所磁界検知デバイスの斜視模式図に点線で示したACBに沿った断面図である。
[Example 9]
FIG. 20 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a magnetic reproducing
磁気再生ヘッド3005は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、非磁性絶縁体Al2O3層13が形成され、その上に、強磁性体パーマロイ層31,32を中心に、内径2.5nm,外径20nmで、厚さ10nmの互いに絶縁された2つのC字型非磁性伝導Cu層14,15、厚さ10nmのS字型非磁性絶縁体Al2O3層13と、厚さ5nmのAu層11と厚さ5nmの非磁性絶縁体Al2O3層13が交互に積層したS字型多層膜からなるスピンホール効果層が形成されている。強磁性体パーマロイ層31,32のスピンホール効果層から突出した部分は、直径2nm、厚さ20nmの針状で環中心と同軸の位置に形成されている。非磁性Au層11のS字両端に対応する切欠端側面には、幅17.5nm,長さ10nm,厚さ5nmのCu電極端子21,22が形成されている。強磁性体パーマロイ層31,32の突出部分は、面内磁気記録媒体60に記録された磁区からの漏れ磁場によって互いに逆向きに磁化されるような距離だけ離して配置されている。
In the magnetic reproducing
また、局所磁界検知デバイス411は、図20に示すように、面内磁気記録媒体60の表面に近い位置で、局所磁界検知デバイス411の積層膜上面が媒体60と対面するよう配置される。磁気シールド61は、Al2O3/Au多層膜の側面に形成されて局所磁界検知デバイス411の周囲を環状に取り囲む部分と、局所磁界検知デバイスと媒体60の間に設けられ、媒体60と局所磁界検知デバイスを遮蔽する平板とで構成されている。磁気シールド61の遮蔽平板部分には、局所磁界検知デバイス411の位置Cから垂直に媒体60へ伸ばした直線上の部分に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口を介して、媒体60の読み出し磁区からの漏れ磁場による局所磁界を、局所磁界検知デバイスで媒体60の読み出し磁区のみに絞って検知する。
Further, as shown in FIG. 20, the local magnetic
図20中の記号40は、局所磁界検知デバイス411中に誘起される電流の向きを示す。矢印55は、面内磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、局所磁界検知デバイス411を用いて検知する媒体からの漏れ磁場による局所磁界の向きを示す。
A
[実施例10]
図22は、垂直磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行い、かつ、媒体微小磁区からの漏れ磁場を検知して磁気記録を読み出すための一体型磁気ヘッド3006の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。この実施例は、図23に示した磁界発生部80と磁界検知部81が絶縁体を介して接続されたC字型局所磁界発生検知デバイス511を、垂直磁気媒体用の一体型磁気記録再生ヘッドに適用した例である。
[Example 10]
FIG. 22 shows an example of the configuration of an integrated
磁気記録ヘッド3006は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、内径8nm,外径3000nm,厚さ10nmの非磁性絶縁体MgO層1300が形成され、その上に内径8nm,外径3000nm,厚さ100nmの非磁性半導体GaAs層11wと内径8nm,外径3000nm,厚さ10nmの非磁性絶縁体MgO層1300が交互に10層積層した(GaAs(100nm)/MgO(10nm))10多層膜からなるスピンホール効果層80が形成されている。スピンホール効果層80の切欠端面には、幅1496nm,長さ50nm,厚さ1100nmの銅電極端子21,22が形成されている。また、多層膜の上には直径3000nm、厚さ10nmの非磁性絶縁体MgO層1301を介して、強磁性体パーマロイ層30を伴った内径20nm,外径3000nmで、厚さ10nmの非磁性伝導Cu層14、内径20nm,外径3000nmで、厚さ10nmの非磁性絶縁体MgO層13rと、内径20nm,外径3000nmで、厚さ100nmの非磁性半導体GaAs層11rと内径20nm,外径3000nmで、厚さ5nmの非磁性絶縁体MgO層1302が交互に10層積層した(GaAs(100nm)/MgO(5nm))10多層膜からなるスピンホール効果層81が切欠端面を伴ったC字型に形成されている。また、多層膜の上には強磁性体パーマロイ層30が直径20nm、厚さ20nmのピラーとして環中心と同軸の位置に形成されている。強磁性体パーマロイ層30を持つスピンホール効果層の切欠端面には、幅1490nm,長さ50nm,厚さ1050nmの銅電極端子23,24が形成されている。
In the
強磁性パーマロイ層30は、図22の断面図に示すように、垂直磁気記録媒体60の表面に近い位置に対面するように配置される。ここで、図22の断面図は、図23の斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。磁気シールド61は、スピンホール効果層80,81の多層膜の側面に形成された局所磁界発生検知デバイス511の周囲を環状に取り囲む部分と、パーマロイ層30と媒体60の間に設けられて媒体60とパーマロイ層30を遮蔽する平板とで構成される。遮蔽平板には、局所磁界発生検知デバイス511の環中心線上に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口から、局所磁界発生検知デバイス511の磁界発生スピンホール効果層80で発生され、パーマロイ層30で増幅された局所磁界を、媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。また、磁気シールド61の開口を介し、媒体60の微小読み出し磁区の近傍でパーマロイ層30は磁化される。このパーマロイ層30の磁化方向を磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより、媒体60を微小な読み出し磁区のみに絞って検知することができる。
The
図22中の記号42は、磁区書き換え時に局所磁界発生スピンホール効果層80中を流れる電流の向きを示し、記号43は磁区読み出し時に局所磁界検知スピンホール効果層81中で誘起される電流の向きを示す。矢印55は、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、磁区書き換え時には、局所磁界発生スピンホール効果層80で発生させた局所磁界の向きを、磁区読み出し時には、局所磁界検知スピンホール効果層81で検知する媒体からの漏れ磁場が作る局所磁界の向きを示す。また、磁区書き換え時には、局所磁界発生スピンホール効果層80の環内径近傍に発生する磁界Hは、飽和磁化Msが1.08テスラのパーマロイ層30を磁化させるため、パーマロイ層30内部での磁束密度B=μ0H+Msが磁気記録ヘッド3006から発生する局所磁界50となる。このように、強磁性体パーマロイ層30が連結されることにより、発生磁界の強度は増大する。また、媒体60の下にある軟磁性層62のために磁力線の広がりが抑えられる。磁気ヘッド3006の磁界発生スピンホール効果層80から発生した局所磁界50により、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転させ、また、媒体60の微小磁区の漏れ磁場を局所磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより微小磁区の磁化の向きを読み出す。
The
[実施例11]
図24は、垂直磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行い、かつ、媒体の漏れ磁場を検知して磁区の読み出しを行うための別の磁気記録ヘッド3007の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。本実施例は、図23に示したC字型局所磁界発生検知デバイス511を垂直磁気記録用の磁気ヘッドに適用した別の例である。
[Example 11]
FIG. 24 shows an example of the configuration of another
磁気記録ヘッド3007は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、内径4nm,外径30nm,厚さ5nmの非磁性絶縁体Al2O3層が形成され、その上に内径4nm,外径30nm,厚さ4nmのPt層11wと内径4nm,外径30nm,厚さ5nmの非磁性絶縁体Al2O3層1300が交互に10層積層した(Pt(4nm)/Al2O3(5nm))10多層膜からなるスピンホール効果層80が切欠端面を伴ったC字型に形成されている。多層膜の切欠端面には、幅13nm,長さ30nm,厚さ90nmの銅電極端子21,22が形成されている。また、その多層膜の上には、直径30nm、厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層1301を介して、強磁性体パーマロイ層30を伴った内径8nm,外径30nmで、厚さ10nmの非磁性伝導Cu層14、内径8nm,外径30nmで、厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層と、内径8nm,外径30nmで、厚さ4nmのPt層11rと厚さ10nmの非磁性絶縁体Al2O3層1302が交互に積層した(Pt(4nm)/Al2O3(10nm))10多層膜からなるスピンホール効果層81が切欠端面を伴ったC字型に形成されている。強磁性体パーマロイ層30は、直径8nm、厚さ20nmのピラーとして、環中心と同軸の位置に形成されている。強磁性体パーマロイ層30を持つ(Pt(4nm)/Al2O3(10nm))10多層膜からなるスピンホール効果層81の切欠端面には、幅13nm,長さ10nm,厚さ140nmのCu電極23及び24が形成されている。
In the
また、局所磁界発生検知デバイス511は、図24に示すように、Pt/Al2O3積層膜の側面が垂直磁気記録媒体60表面に平行となるように配置される。図24の断面図は、図23の局所磁界発生検知デバイスの斜視模式図に点線で示したABに沿った断面図である。磁気シールド61は、スピンホール効果層80,81の積層膜の側面に形成された局所磁界発生検知デバイス511の周囲を環状に取り囲む部分と、それに蓋をする平板とで構成されている。スピンホール効果層80,81積層膜の側面に形成された磁気シールド上の強磁性パーマロイ層30と遮蔽平板の間の垂直磁気媒体60表面に近い位置には、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口から、局所磁界発生検知デバイス511の磁界発生スピンホール効果層80で発生され、パーマロイ層30で増幅された局所磁界を、媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。さらに、磁気シールド61の開口を介し、媒体60の微小読み出し磁区の近傍から発生する漏れ磁場によってパーマロイ層30は磁化される。このパーマロイ層30の磁化方向を磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより、媒体60を微小な読み出し磁区のみに絞って検知することができる。
Further, as shown in FIG. 24, the local magnetic field
図24中の記号42は、磁区書き換え時に局所磁界発生スピンホール効果層80中を流れる電流の向きを示し、記号41は磁区読み出し時に局所磁界検知スピンホール効果層81中に誘起される電流の向きを示す。矢印55は、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、磁区書き換え時には、局所磁界発生スピンホール効果層80で発生させた局所磁界の向きを、磁区読み出し時には、局所磁界検知スピンホール効果層81で検知する媒体からの漏れ磁場が作る局所磁界の向きを示す。
24 indicates the direction of current flowing in the local magnetic field generating spin
磁区書き換え時には、局所磁界発生スピンホール効果層80の環内径近傍に発生する磁界Hは、飽和磁化Msが1.08テスラのパーマロイ層30を磁化させるため、パーマロイ層30内部での磁束密度B=μ0H+Msが磁気記録ヘッド3007から発生する局所磁界50となる。このように、強磁性体パーマロイ層30が連結されることにより、発生磁界の強度は増大する。また、媒体60の下にある軟磁性層62のために磁力線の広がりが抑えられる。磁気ヘッド3007の磁界発生スピンホール効果層80から発生した局所磁界50により、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転させ、また、媒体60の微小磁区の漏れ磁場を局所磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより微小磁区の磁化の向きを読み出す。
When the magnetic domain is rewritten, the magnetic field H generated in the vicinity of the inner diameter of the local magnetic field generating spin
[実施例12]
図25は、面内磁気記録媒体に対して記録磁界を印加して磁気記録を行い、かつ、媒体微小磁区からの漏れ磁場を検知して磁気記録を読み出すための一体型磁気ヘッド3008の構成例を磁気記録媒体とともに示す断面模式図である。この実施例は、図26に示した部分円環が2つ連なった形状を有する磁界発生部80と磁界検知部81が絶縁体を介して接続されたS字型局所磁界発生検知デバイス611を、面内磁気媒体用の一体型磁気記録再生ヘッドに適用した例である。ここで、図25の断面図は、図26に示した局所磁界発生検知デバイスの斜視模式図に点線で示したACBに沿った断面図である。
[Example 12]
FIG. 25 shows an example of the configuration of an integrated
磁気記録ヘッド3008は、基板及び下地材料等からなる基体63上に、環状の連なった内径3nm,外径20nm,厚さ10nmのS字型非磁性絶縁体Al2O3層が形成され、その上に同様に内径3nm,外径20nm,厚さ5nmのS字型非磁性Au層11wと内径3nm,外径20nm,厚さ10nmmのS字型強磁性FePt層12が交互に10層積層した(Au(5nm)/FePt(10nm))10多層膜からなるスピンホール効果層80が形成されている。スピンホール効果層80の切欠端面には、幅8.5nm,長さ20nm,厚さ150nmの銅電極端子21,22が形成されている。また、スピンホール効果層80の上には、直径20nm、厚さ10nmのS字型非磁性絶縁体Al2O3層1301を介して、強磁性体パーマロイ層31,32を中心に、内径3nm,外径20nmで、互いに絶縁された厚さ10nmの2つのC字型非磁性伝導Cu層14,15と、厚さ10nmのS字型非磁性絶縁体Al2O3層13と、厚さ5nmのAu層11rと厚さ5nmの非磁性絶縁体Al2O3層1302が交互に10層積層した(Au(5nm)/Al2O3(5nm))10多層膜からなるスピンホール効果層81が切欠端面を伴ったS字型に形成されている。また、多層膜の上には強磁性体パーマロイ層31,32が直径20nm、厚さ20nmのピラーとして環中心と同軸の位置に形成されている。強磁性体パーマロイ層31,32を持つスピンホール効果層81の切欠端面には、幅8.5nm,長さ20nm,厚さ50nmの銅電極端子23,24が形成されている。
In the
また、局所磁界発生検知デバイス611は、図25に示すように、面内磁気記録媒体60の表面に近い位置で、局所磁界発生検知デバイスの積層膜上面が媒体60と対面するよう配置される。磁気シールド61は、スピンホール効果層80,81の積層膜の側面に形成されて局所磁界発生検知デバイス611の周囲を環状に取り囲む部分と、局所磁界発生検知デバイス611と媒体60の間に設けられ、媒体60と局所磁界発生検知デバイス611を遮蔽する平板とで構成されている。磁気シールド61の遮蔽平板部分には、発生検知デバイス611の位置Cから垂直に媒体60へ伸ばした直線上の部分に、媒体磁区サイズ以下の開口が設けられている。この磁気シールド61の開口から、局所磁界発生検知デバイス611の磁界発生スピンホール効果層80に接続された銅電極端子21,22に電位差を与えることにより、磁界発生スピンホール効果層80で発生され、パーマロイ層31,32で増幅された局所磁界を、媒体60の書き換え磁区のみに絞って印加する。さらに、磁気シールド61の開口を介し、媒体60の微小読み出し磁区の近傍から発生する漏洩磁界によってパーマロイ層31,32は磁化される。このパーマロイ層31,32の磁化方向を磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより、媒体60を微小な読み出し磁区のみに絞って検知することができる。
Further, as shown in FIG. 25, the local magnetic field
図25中の記号42は、磁区書き換え時に局所磁界発生スピンホール効果層80中を流れる電流の向きを示し、記号43は磁区読み出し時に局所磁界検知スピンホール効果層81中に誘起される電流の向きを示す。矢印55は、面内磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを示す。また、白矢印50は、磁区書き換え時には、局所磁界発生スピンホール効果層80で発生させた局所磁界の向きを、磁区読み出し時には、局所磁界検知スピンホール効果層81で検知する媒体からの漏れ磁場がつくる局所磁界の向きを示す。
In FIG. 25,
磁区書き換え時には、S字型局所磁界発生スピンホール効果層80の2箇所のカーブ内側に、極性の異なるスピン電子が別々に蓄積される。局所磁界発生スピンホール効果層80の非磁性Au層11wの伝導電子密度を1023cm-3、αHを0.01とすると、局所磁界50をHとしてμ0H〜0.74テスラとなる。この局所磁界50により飽和磁化Msが1.08テスラのパーマロイ層31,32を磁化させるため、パーマロイ層30内部での磁束密度B=μ0H+Msが磁気記録ヘッド3008から発生する局所磁界50となり、面内磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転できる。このとき、局局所磁界発生スピンホール効果層80の2箇所の内径近傍に発生する磁界Hが飽和磁化Msの強磁性層31,32を逆方向に磁化させるため、強磁性体層31,32内部での極性の違う磁束密度B=±(μ0H+Ms)が、媒体表面に平行な局所磁界50を発生させる。スピンホール効果素子に強磁性体層を連結することにより、発生磁界の強度は増大する。磁気ヘッド3008の磁界発生スピンホール効果層80から発生した局所磁界50により、垂直磁気記録媒体60の磁区の磁化の向きを反転させ、また、媒体60の微小磁区の漏れ磁場を局所磁界検知スピンホール効果層81で検知することにより微小磁区の磁化の向きを読み出す。本実施例のS字型局所磁界発生検知デバイスの構成は、C字型部分環が2つ連なった構造に限らず、2つ以上の複数個が連なった構造を用いても良い。
At the time of magnetic domain rewriting, spin electrons having different polarities are separately accumulated inside two curves of the S-shaped local magnetic field generating spin
[実施例13]
図27に、本発明による磁気ヘッドを用いた磁気ディスク装置の概略構成を示す。磁気ディスク装置は、同心円状のトラックを有する磁気ディスク1601と、磁気ディスク1601を回転軸1602によって支持し、回転させる駆動用モータ1603と、磁気ディスク1601に対してデータの記録あるいは再生を行う磁気ヘッド1610を搭載するスライダ1606と、スライダ1606を支持し、磁気ヘッド1610を磁気ディスク1601上の所定トラックへ移動させるアクチュエータ手段1611と、磁気ヘッド1610が読み取り/書き込みするデータの送受信を行うデータ再生/復号系1613とアクチェータ手段1611及び駆動用モータ1603を制御する制御手段1614を含む制御部1612とで構成される。磁気ヘッド1610は、これまで説明した本発明の磁気記録ヘッド、磁気再生ヘッド、あるいは記録・再生一体型の磁気ヘッドである。
[Example 13]
FIG. 27 shows a schematic configuration of a magnetic disk apparatus using the magnetic head according to the present invention. The magnetic disk apparatus includes a
磁気ディスク1601が回転すると同時に、スライダ1606がディスク表面を移動することによって、目的とするデータが記録されている所定トラック位置へアクセスされる。スライダ1606は、サスペンション1607によってアーム1608に取り付けられる。サスペンション1607はわずかな弾力性を有し、スライダ1606を磁気ディスク1601に密着させる。アーム1608はアクチュエータ1611に取り付けられている。アクチュエータ1611は、ボイスコイルモータ(VCM)で構成されている。VCM1611は固定された磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり、コイルの移動方向及び移動速度等は、制御手段1614からライン1604を介して与えられる電気信号によって制御される。
Simultaneously with the rotation of the
磁気ディスク装置の動作中、磁気ディスク1601の回転によってスライダ1606とディスク表面の間に空気流によるエアベアリングが生じ、それがスライダ1606を磁気ディスク1601の表面から浮上させる。従って、磁気ディスク装置の動作中、エアベアリングはサスペンション1607のわずかな弾性力とバランスをとり、スライダ1606は磁気ディスク表面にふれずに、かつ磁気ディスク1601と一定間隔を保って浮上するように維持される。通常、制御手段1614はロジック回路、メモリ、及びマイクロプロセッサなどから構成される。そして、制御手段1614は、各ラインを介して制御信号を送受信し、かつ磁気ディスク装置の種々の構成手段を制御する。例えば、モータ1603はライン1605を介し伝達されるモータ駆動信号によって制御される。アクチュエータ1611はライン1604を介したヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって、その関連する磁気ディスク1601上の目的とするデータトラックへ選択されたスライダ1606を最適に移動、位置決めするように制御される。そして、データ再生/複合系1613は、磁気ヘッド1610が磁気ディスク1601のデータを読み取り変換した電気信号を、ライン1609を介して受信し解読する。また、磁気ディスク1601にデータとして書き込むための電気信号を、ライン1609を介して磁気ヘッド1610に送信する。すなわち、データ再生/複合系1613は、磁気ヘッド1610が読み取り又は書き込みする情報の送受信を制御している。
During the operation of the magnetic disk device, rotation of the
なお、上記の読み取り、書き込み信号は、磁気ヘッド1610から直接伝達される手段も可能である。また、制御信号として例えばアクセス制御信号及びクロック信号などがある。更に、磁気ディスク装置は複数の磁気ディスクやアクチュエータ等を有し、アクチュエータが複数の磁気ヘッドを有してもよい。また、媒体は図に示されるように円盤型の磁気媒体が回転し、磁気ヘッドがアクセスするタイプ以外に、固定した媒体上に多数の磁気ヘッドが同時並行にスキャンするような機構のものも同様に有効である。このような複数の機構を兼ね備えることによって、いわゆるディスクアレイ装置を形成することが可能である。
Note that the above-described read and write signals may be transmitted directly from the
この装置を使うと、効率的な微小領域へのスピン蓄積が行え、実効的に有用な強度の磁局所界発生を実現できるとともに、微小領域の磁化を検知できる。 By using this apparatus, spin can be efficiently accumulated in a minute region, and a magnetic local field having an effective useful strength can be realized, and magnetization of the minute region can be detected.
11…非磁性体スピンホール効果層
12…強磁性層
1300,1301,1302…非磁性絶縁体層
14,15…非磁性伝導層
21,22,23,24…電極端子
30,31,32…強磁性体層
40,42,43…電流
50,51…局所磁界
52…上向きスピン電子
53…下向きスピン電子
60…磁気記録媒体
61…磁気シールド
62…軟磁性層
63…基板
70…電源
71…電圧計
80…局所磁界発生スピンホール効果層
81…局所磁界検知スピンホール効果層
110,113,120,123,210,215,220,224,800,410,311,411,511,611…スピンホール効果素子
1000,2000…局所磁界発生デバイス
310,1100,2100…局所磁界検知デバイス
3000〜3008…磁気記録ヘッド
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記スピンホール効果素子に電流を流す一対の電極端子と、
前記一対の電極端子に接続された電源とを有し、
前記スピンホール効果層は一部を切欠いた部分環、あるいは前記部分環が複数連なった形状を有し、
前記スピンホール効果素子に電流を流しながら前記湾曲部の湾曲内側領域に蓄積される偏極スピン電子により磁界を発生させることを特徴とする局所磁界発生デバイス。 A spin Hall effect element including a spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material and having a curved portion;
A pair of electrode terminals for passing current through the spin Hall effect element;
A power source connected to the pair of electrode terminals,
The spin Hall effect layer has a partial ring with a part cut away, or a shape in which a plurality of the partial rings are connected,
A local magnetic field generating device characterized in that a magnetic field is generated by polarized spin electrons accumulated in a curved inner region of the bending portion while a current is passed through the spin Hall effect element .
前記スピンホール効果素子に電流を流す一対の電極端子と、
前記一対の電極端子に接続された電源と、
前記スピンホール効果素子の前記湾曲部の湾曲内側領域に蓄積される偏極スピン電子により発生される磁界を磁気記録媒体に印加するための開口を有する磁気シールドとを有し、
前記スピンホール効果層は一部を切欠いた1つの部分環からなる形状を有し、
前記スピンホール効果素子に電流を流しながら前記スピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を発生させることを特徴とする磁気記録ヘッド。 A spin Hall effect element including a spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material and having a curved portion;
A pair of electrode terminals for passing current through the spin Hall effect element;
A power source connected to the pair of electrode terminals;
Have a magnetic shield having an opening for applying the curved portion magnetic field generated by the polarized spin electrons accumulated in the curved inner area of the spin Hall effect device a magnetic recording medium,
The spin Hall effect layer has a shape consisting of one partial ring with a part cut away,
A magnetic recording head, wherein a magnetic field in a direction perpendicular to a film surface of the spin Hall effect element is generated while a current is passed through the spin Hall effect element .
前記湾曲部の湾曲内側領域に配置された強磁性体芯と、
前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加する手段と、
前記スピンホール効果層の両端に接続された一対の電極端子とを備え、
前記スピンホール効果層は一部を切欠いた部分環、あるいは前記部分環が複数連なった形状を有し、
前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加しながら、前記強磁性体芯の磁化状態に応じて前記強磁性体芯から前記スピンホール効果層へ注入される偏極スピン電子により前記一対の電極間に発生する電圧を検出することを特徴とする局所磁界検知デバイス。 A spin Hall effect element comprising a non-magnetic spin Hall effect layer, a nonmagnetic insulator layer, and a laminated film in which a nonmagnetic conductive layer is laminated, and having a curved portion;
A ferromagnetic core disposed in a curved inner region of the curved portion;
Means for applying a current from the non-magnetic conductive layer to the ferromagnetic core;
A pair of electrode terminals connected to both ends of the spin Hall effect layer,
The spin Hall effect layer has a partial ring with a part cut away, or a shape in which a plurality of the partial rings are connected,
While applying a current from the nonmagnetic conductive layer to the ferromagnetic core, the polarized spin electrons injected from the ferromagnetic core into the spin Hall effect layer according to the magnetization state of the ferromagnetic core A local magnetic field detection device that detects a voltage generated between a pair of electrodes.
前記湾曲部の湾曲内側領域に配置された強磁性体芯と、
前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加する手段と、
前記スピンホール効果層の両端に接続された一対の電極端子と、
磁気記録媒体からの漏れ磁場を前記強磁性体芯に導入するための開口を有する磁気シールドとを有し、
前記スピンホール効果層は一部を切欠いた1つの部分環からなる形状を有し、前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加しながら、前記スピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を検知することを特徴とする磁気再生ヘッド。 A spin Hall effect element comprising a non-magnetic spin Hall effect layer, a nonmagnetic insulator layer, and a laminated film in which a nonmagnetic conductive layer is laminated, and having a curved portion;
A ferromagnetic core disposed in a curved inner region of the curved portion;
Means for applying a current from the non-magnetic conductive layer to the ferromagnetic core;
A pair of electrode terminals connected to both ends of the spin Hall effect layer;
Have a magnetic shield having an opening for introducing the leakage magnetic field from the magnetic recording medium to the ferromagnetic core,
The spin Hall effect layer has a shape composed of one partial ring with a part cut away, and is perpendicular to the film surface of the spin Hall effect element while applying a current from the nonmagnetic conductive layer to the ferromagnetic core. A magnetic reproducing head characterized by detecting a magnetic field in any direction .
非磁性体からなる第2のスピンホール効果層と非磁性絶縁体層と非磁性伝導層を積層した積層膜を備え、湾曲部を有する第2のスピンホール効果素子と、前記湾曲部の湾曲内側領域に配置された強磁性体芯と、前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加する手段と、前記第2のスピンホール効果層の両端に接続された一対の電極端子とを備え、前記非磁性伝導層から前記強磁性体芯に電流を印加しながら、前記強磁性体芯の磁化状態に応じて前記強磁性体芯から前記スピンホール効果層へ注入される偏極スピン電子により前記一対の電極間に発生する電圧を検出する局所磁界検知デバイスと、
前記局所磁界発生デバイスと前記局所磁界検知デバイスの間に配置された非磁性絶縁体層と、
前記局所磁界発生デバイスから発生される磁界を磁気記録媒体に印加し、磁気記録媒体からの漏れ磁場を前記局所磁界検知デバイスに導入するための開口を有する磁気シールドとを有し、
前記第1及び第2のスピンホール効果層は一部を切欠いた1つの部分環からなる形状を有し、前記局所磁界発生デバイスは前記第1のスピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を発生し、前記局所磁界検知デバイスは前記第2のピンホール効果素子の膜面に垂直な方向の磁界を検知することを特徴とする記録再生一体型磁気ヘッド。 A first spin Hall effect element having a first spin Hall effect layer made of a non-magnetic material and having a curved portion, a pair of electrode terminals for passing a current through the first spin Hall effect element, and the pair of electrode terminals A local magnetic field generating device that generates a magnetic field by polarized spin electrons accumulated in a curved inner region of the bending portion while passing a current through the spin Hall effect element ,
A second spin Hall effect element comprising a second spin Hall effect layer made of a nonmagnetic material, a nonmagnetic insulator layer, and a nonmagnetic conductive layer and having a curved portion, and a curved inner side of the curved portion A ferromagnetic core disposed in a region, means for applying a current from the nonmagnetic conductive layer to the ferromagnetic core, and a pair of electrode terminals connected to both ends of the second spin Hall effect layer Polarized spin electrons injected from the ferromagnetic core into the spin Hall effect layer according to the magnetization state of the ferromagnetic core while applying a current from the nonmagnetic conductive layer to the ferromagnetic core A local magnetic field detection device for detecting a voltage generated between the pair of electrodes by:
A nonmagnetic insulator layer disposed between the local magnetic field generating device and the local magnetic field sensing device;
Wherein the magnetic field generated from the local magnetic field generating device is applied to the magnetic recording medium, have a magnetic shield having an opening for introducing the leakage magnetic field from the magnetic recording medium to the local magnetic field sensing device,
The first and second spin Hall effect layers have a shape made of one partial ring with a part cut away, and the local magnetic field generating device is in a direction perpendicular to the film surface of the first spin Hall effect element. An integrated recording / reproducing magnetic head characterized by generating a magnetic field, wherein the local magnetic field detecting device detects a magnetic field in a direction perpendicular to the film surface of the second pinhole effect element .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009147390A JP5202450B2 (en) | 2008-08-06 | 2009-06-22 | Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008203471 | 2008-08-06 | ||
JP2008203471 | 2008-08-06 | ||
JP2009147390A JP5202450B2 (en) | 2008-08-06 | 2009-06-22 | Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010062531A JP2010062531A (en) | 2010-03-18 |
JP2010062531A5 JP2010062531A5 (en) | 2012-03-29 |
JP5202450B2 true JP5202450B2 (en) | 2013-06-05 |
Family
ID=42188964
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009147390A Expired - Fee Related JP5202450B2 (en) | 2008-08-06 | 2009-06-22 | Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5202450B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9105832B2 (en) | 2011-08-18 | 2015-08-11 | Cornell University | Spin hall effect magnetic apparatus, method and applications |
CN107004440B (en) | 2014-07-17 | 2021-04-16 | 康奈尔大学 | Circuit and apparatus based on enhanced spin Hall effect for effective spin transfer torque |
US10181334B1 (en) * | 2017-06-23 | 2019-01-15 | Western Digital Technologies, Inc. | Spin-orbit torque based magnetic recording |
JP6539008B1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-07-03 | Tdk株式会社 | Spin orbit torque type magnetization rotating element, spin orbit torque type magnetoresistance effect element and magnetic memory |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008071720A (en) * | 2006-09-15 | 2008-03-27 | Institute Of Physical & Chemical Research | Battery, battery system, and microwave transmitter |
ATE492820T1 (en) * | 2006-10-10 | 2011-01-15 | Univ Plymouth | METHOD FOR DETECTING CHARGE CARRIER SPIN POLARIZATION AND DEVICE THEREFOR |
JP4934582B2 (en) * | 2007-12-25 | 2012-05-16 | 株式会社日立製作所 | Magnetic sensor, magnetic head and magnetic memory using spin Hall effect element |
-
2009
- 2009-06-22 JP JP2009147390A patent/JP5202450B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010062531A (en) | 2010-03-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4934582B2 (en) | Magnetic sensor, magnetic head and magnetic memory using spin Hall effect element | |
JP3891540B2 (en) | Magnetoresistive memory, method for recording / reproducing information recorded in magnetoresistive memory, and MRAM | |
JP4487472B2 (en) | Magnetoresistive element, magnetic head including the same, magnetic recording apparatus, and magnetic memory | |
JP3550533B2 (en) | Magnetic field sensor, magnetic head, magnetic recording / reproducing device, and magnetic storage element | |
JP4128938B2 (en) | Magnetic head and magnetic recording / reproducing apparatus | |
JP6486673B2 (en) | High frequency assisted magnetic recording head and magnetic recording apparatus provided with the magnetic recording head | |
CN114730571A (en) | SOT film stack for differential reader | |
JP4076197B2 (en) | Magnetic element, storage device, magnetic reproducing head, three-terminal element, and magnetic disk device | |
JP5712275B2 (en) | Spin accumulation magnetic reading sensor | |
JP2004342241A (en) | Magnetic head and magnetic recording and reproducing device using the same | |
JP4840041B2 (en) | Electric field applied magnetic recording system and recording / reproducing apparatus | |
JP2007012264A (en) | Magnetic head and magnetic recording apparatus | |
JP2004146688A (en) | Magnetoresistance effect element, magnetic memory, and magnetic head | |
JP3675712B2 (en) | Magnetoresistive sensor, magnetoresistive head, and magnetic recording / reproducing apparatus | |
US6934133B2 (en) | Three terminal magnetic head having a magnetic semiconductor and a tunnel magnetoresistive film and magnetic recording apparatus including the head | |
JP2008112841A (en) | Magnetoresistance effect element, thin film magnetic head, base, wafer, head gimbal assembly, and hard disc device | |
JP5202450B2 (en) | Local magnetic field generation device, magnetic field sensor, and magnetic head | |
JP2005209248A (en) | Magnetic head, and magnetic recording/reproducing apparatus | |
JP4469570B2 (en) | Magnetoresistive element, magnetic head, and magnetic recording / reproducing apparatus | |
JP4113041B2 (en) | Magnetization control method and information recording apparatus | |
JP2000113666A (en) | Magnetic thin film memory device and magnetic thin film memory | |
JP3127777B2 (en) | Magnetic transducer and magnetic recording device | |
JP2008090877A (en) | Magnetic head and magnetic recording device | |
JP6219209B2 (en) | Magnetic head, magnetic head assembly, and magnetic recording / reproducing apparatus | |
JP2002092824A (en) | Ferromagnetic tunnel type magneto-resistance effect head having small bias dependency of magnetic resistance ratio |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120210 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120210 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120928 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121023 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20121225 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130122 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130212 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5202450 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160222 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |