JP5305547B2 - 磁気ヘッド及び磁気記憶装置 - Google Patents
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Description
また、別の技術として、電子伝導性を有する磁性体からなるナノ構造体中での磁壁の移動を利用するメモリデバイスが特許文献2に開示されている。
本発明の磁気ヘッドに用いられる再生素子は、磁化が固定された磁化固定部と、磁化固定部に接合され外部磁界によって磁化が変化する磁化自由部と、磁化固定部と磁化自由部にそれぞれ接続された一対の出力端子を備える。磁化固定部と磁化自由部の接合部は磁壁トラップを構成する。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図1は、本発明の一実施例による磁気ヘッドの断面図である。磁気ヘッドは、記録ヘッド10と再生ヘッド20を備える。記録ヘッド10は、主磁極11と補助磁極12の間に、磁性体からなるピラー13と絶縁体14が配置されている。主磁極11、補助磁極12、ピラー13はパーマロイ、CoFe合金などの軟磁性材料からなる。絶縁体14は、主磁極11、補助磁極12、ピラー13が磁気的につながる程度に薄く形成されている。主磁極11には、ヨーク部15に接してポール部16が設けられている。ポール部16は、端面がヘッド浮上面に現れている。ポール部16のトレーリング側には、磁界勾配を急峻にするためのトレーリングシールド17が設けられている。再生ヘッド20は、再生素子21と、これを挟み込む一対の磁気シールド22,23を有する。再生素子の詳細については、後述する。なお、図中の矢印LDはリーディング方向を指し、矢印TRはトレーリング方向を指す。
ここでは垂直磁気記録媒体用の磁気ヘッドに搭載される再生素子について説明する。磁化自由部は媒体に面する磁気ヘッドの浮上面側に配置され、磁化固定部は磁化自由部より浮上面から遠い位置に配置される。上述のように、磁化自由部52の磁化の変化は、磁化自由部52内での磁壁の移動である。このとき、磁化自由部52内の各位置におけるスピンは回転するが、媒体からの磁場や熱揺らぎによる歳差運動を伴う。このスピンの運動を単位球面上にマップしたとき、例えばスピン回転の始状態を北極、終状態を南極に対応させれば、単位球面上におけるスピンの運動は北極から南極へ至る測地線を描くものではなく、有限の立体角をなす。この立体角がスピンの持つBerry位相であり、スピン起電力として観測にかかる物理量となる。
スピンBerry位相は、(スピン)波動関数の持つトポロジカルな性質によるのであるが、直観的には次のようなエネルギー保存則の見方ができる。磁化自由部52の磁化は媒体の磁場により、エネルギーの低い安定な方向を向く。つまり安定な方向を向く以前は、エネルギーの高い状態にあったことになる。この磁気的なエネルギー差が起電力として電気エネルギーとして放出されることになる。媒体の磁化状態に変化がない場合、当然のことながら磁化自由部52の磁化状態も変化せず、起電力も検出されない。この場合は、隣接したビットに同じシグナルが記録されていることを意味する。
磁気ヘッドが矢印方向に移動するとき、再生素子の磁化自由部の磁化は、磁気記録媒体に記録された記録磁化からの漏洩磁束の影響を受けて、再生素子の直下の記録磁化の向きと同じ向きに変化する。そのとき、図4により説明した原理によって電気出力が得られる。こうして、本発明の再生素子の場合、垂直磁気記録媒体の記録磁化が上向きから下向きあるいは下向きから上向きに変化する磁化遷移領域の上を走行するとき出力が得られる。記録磁化が上向きから下向きに変化するときと、下向きから上向きに変化するときとでは、図示するように出力信号の符号が逆になる。この出力信号と記録磁化の関係は、従来の誘導型再生ヘッドの出力と同じであるため、誘導型再生ヘッドの信号処理に用いられる回路と同等の回路を用いることによって記録信号を再生することができる。
本実施例の再生素子は、磁化固定部51と磁化自由部52の接合部53を幅の最も狭い狭窄部とする構造によって、接合部53を磁壁トラップとしたものである。本実施例では、磁化固定部51と磁化自由部52は、平らなシリコン基板54上に磁性膜55としてパーマロイを20nm成膜することで形成した。磁性膜55には、パーマロイ以外にFe、Co、Ni、およびそれらの合金を用いてもよい。磁化自由部52は、底部のX方向の長さを25nm、Z方向の長さを100nmとした。磁化固定部51は、上部のX方向の長さを60nm、Z方向の長さを300nmとした。接合部53はX方向の長さを20nmとした。図3の構造における記載と同様、デバイス幅の最も狭い部分は、接合部53のX方向の長さで、微細加工技術の寸法限界で決まる。また、図6の構造では、磁化固定部51と磁化自由部52は同一の厚さであり、磁化の面内異方性を有する厚さとした。
本実施例の再生素子は、磁化固定部51と磁化自由部52の磁性膜に膜厚差を設け、接合部53に段差を形成することにより、接合部53を磁壁トラップとしたものである。本実施例では、磁化固定部51と磁化自由部52は、段差を形成したシリコン基板54上に磁性膜55としてパーマロイを成膜することで形成した。磁性膜55には、パーマロイ以外にFe、Co、Ni、およびそれらの合金を用いてもよい。磁化自由部52は、膜厚を20nm、X方向の長さを20nm、Z方向の長さを100nmとした。磁化固定部51は、膜厚を40nm、X方向の長さを20nm、Z方向の長さを300nmとした。図7の構造においてはデバイスの幅(X方向の長さ)は同一であり、図3の構造における記載と同様、微細加工技術の寸法限界で決まる。
本実施例の再生素子は、磁化固定部51の磁性膜55aの保磁力を磁化自由部52の磁性膜55bの保磁力より大きく設定することにより、2つの磁性膜の境界部である接合部53を磁壁トラップとしたものである。本実施例では、磁化固定部51を構成する磁性膜55aの材料としてCoを用い、磁化自由部52を構成する磁性膜55bの材料としてパーマロイを用い、平らなシリコン基板の上にそれぞれ膜厚が20nmとなるように形成した。磁性膜55aの保磁力の目安となる結晶磁気異方性エネルギー(密度)は50KJ/m3、磁性膜55bの結晶磁気異方性エネルギー(密度)はほぼゼロである。磁性膜55aと磁性膜55bは、50Oe程度以上の保磁力差を生じるものであれば他の材料の組み合わせでもよく、例えばFeとパーマロイ、FePtとパーマロイを組み合わせてもよい。磁化自由部52は、X方向の長さを20nm、Z方向の長さを100nmとした。磁化固定部51は、X方向の長さを20nm、Z方向の長さを200nmとした。。
本実施例の再生素子は、磁化固定部51と磁化自由部52を直線的にではなく、角度を持たせて接合することにより、屈曲した接合部53を磁壁トラップとしたものである。本実施例では、磁化固定部51と磁化自由部52は、平らなシリコン基板54上に磁性膜55としてパーマロイを20nm成膜することで形成した。磁性膜55には、パーマロイ以外にFe、Co、Ni、およびそれらの合金を用いてもよい。磁化自由部52は、X方向の長さを20nm、中心軸のZ方向の長さを100nmとした。磁化固定部51は、X方向の中心軸の長さを200nm、Z方向の長さを20nmとした。本実施例では、磁化固定部51の中心軸と磁化自由部52の中心軸のなす屈折角度θは90度とした。屈折角度θは、60〜120度の範囲が好ましい。
本実施例の再生素子は、磁化固定部51と磁化自由部52を構成する磁性膜55の下地膜として反強磁性膜を形成したものである。磁化自由部52は体積が小さいため熱的に不安定になり、磁化方向が乱れランダムな方向を向いてしまう可能性がある。本実施例では、基板54上に反強磁性膜からなる下地膜58を形成し、その上に磁化固定部51と磁化自由部52を構成する磁性膜55を形成することで、磁性膜55、特に磁化自由部52を構成する磁性膜に一軸異方性を付与し、磁化自由部52の磁化方向が熱的に不安定になることを抑制する。反強磁性膜としては、MnIr,MnPtなどを、10nm程度の膜厚に形成して用いればよい。
11 主磁極
12 補助磁極
13 ピラー
14 絶縁体
15 ヨーク部
16 ポール部
17 トレーリングシールド
19 コイル
20 再生ヘッド
21 再生素子
22,23 磁気シールド
30 マイクロ波発生器
31 垂直磁気異方性体
32 磁化高速回転体
33 スピン伝導層
34 スピン注入層
35 スピン伝導層
40 磁気記録媒体
41 磁気記録層
42 中間層
43 軟磁性裏打ち層
51 磁化固定部
52 磁化自由部
53 接合部
54 シリコン基板
55 磁性膜
56,57 端子
58 下地膜
Claims (9)
- 一対の磁気シールドと、その間に配置された再生素子とを備える磁気ヘッドにおいて、
前記再生素子は、磁化が固定された磁化固定部と、前記磁化固定部に接合され外部磁界によって磁化が変化する磁化自由部と、前記磁化固定部と前記磁化自由部にそれぞれ接続された一対の出力端子を備え、
前記磁化固定部と前記磁化自由部の接合部は磁壁トラップを構成しており、
前記磁化自由部内の磁壁移動に伴うスピン起電力を出力することを特徴とする磁気ヘッド。 - 請求項1に記載の磁気ヘッドにおいて、前記接合部は幅の狭まった狭窄部であることを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁化固定部を構成する磁性膜の膜厚は前記磁化自由部を構成する磁性膜の膜厚より厚く、前記接合部で前記磁化固定部の磁性膜と前記磁化自由部の磁性膜に段差が形成されていることを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁化固定部を構成する磁性膜の保磁力は前記磁化自由部を構成する磁性膜の保磁力より大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁化固定部と前記磁化自由部は前記接合部で、前記磁化固定部の中心軸と前記磁化自由部の中心軸が直線的にではなく屈折角度を有して接合されていることを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁化固定部を構成する磁性膜及び前記磁化自由部を構成する磁性膜は、反強磁性膜の上に形成されていることを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の磁気ヘッドにおいて、前記磁化固定部の体積は前記磁化自由部の体積より大きいことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の磁気ヘッドにおいて、記録磁界を発生する磁極とマイクロ波を照射するマイクロ波発生器を有する記録ヘッドを備えることを特徴とする磁気ヘッド。
- 垂直磁気記録媒体と、前記垂直磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記垂直磁気記録媒体に対して情報の書き込み及び読み出しを行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記垂直磁気記録媒体の所望トラックに位置決めするヘッド駆動部とを有する磁気記憶装置において、
前記磁気ヘッドとして請求項8に記載の磁気ヘッドを用いることを特徴とする磁気記憶装置。
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