JP5416781B2 - スピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリ - Google Patents

スピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリ Download PDF

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Description

スピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリに関する。
磁気記録再生装置市場においては、年率４０％超の記録密度向上が要求されており、現在の成長率に従うと２０１１年頃にはＴｂｉｔ（テラビット）／ｉｎ２（平方インチ）に到達すると推測される。テラビット級の磁気記録装置に対し、磁気記録再生ヘッドは、高出力化・高分解能化を余儀なくされている。
現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ （Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドやＴＭＲ （Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドが提案されている。これらスピンバルブタイプの再生装置は、媒体からの漏洩磁界の検出方法として磁性体（自由層）を用いており、磁気的に一方向に固着した磁性体（固定層）との相対的な磁化の向きに関して、抵抗変化を示す。
現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドに関して、分解能を高める為には構成膜を薄くする必要性がある。特にビット長が小さくなってくると、高い分解能を得る為にはギャップ幅Ｇｗを狭小化しなくてはならない。例えば、２Ｔｂｉｔ／ｉｎ２の媒体に対する再生ヘッドはＧｗ＝１８ｎｍとなり、素子の構成膜の合計が１８ｎｍ以下にする必要性がある。
そこで、テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに関しては、高分解能かつ高出力を特徴とする外部磁界センサが必要となっている。高分解能かつ低ノイズを特徴とする外部磁界センサとして、スピン蓄積効果を応用した再生ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１）。
スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性金属に電流を流した際に、スピン拡散長の範囲内で、非磁性金属中にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。但し、スピン拡散長とは、スピンの情報が消失する（スピンが反転する）距離を表しており、物質固有の値である。
この効果は、強磁性体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）をもつため、強磁性体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極した電子（スピン電子）が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因している。この蓄積されたスピン電子の為、非磁性導電体は、スピン拡散長の範囲内で、強磁性的な振る舞いをする事が知られている（例えば、非特許文献１、２）。
本効果を利用した再生ヘッドは、スピン電流を注入する磁性体を固定層、他方の磁性体を記録媒体に対向する自由層として利用する。スピン蓄積効果によって、固定層と自由層とをスピン拡散長（スピン情報を伝達可能な距離）の範囲内で離れた位置に配置することが出来る為、記録媒体に対向するシールド間距離（ギャップ長）を狭小化することが可能となる。また、自由層のセンシング部分には直接電流が流れない為、ジョンソンノイズなどを低減できる可能性がある。
さて、磁気トンネル伝導を用いたスピン蓄積効果による出力電圧差ΔＶは、次式で表される（非特許文献３）。
Figure 0005416781
本表式に従うと、出力電圧の向上の為には、１．スピン分極率の向上、２．スピン拡散長の増大、３．素子の微細化が、重要なファクタとなる。その中でもとりわけ、スピン分極率の向上は、出力電圧差の増大に関して、重要な要素となっている。
特許第４０８２２７４号公報
Ｆ． Ｊ． Ｊｅｄｅｍａ 他４名， "Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅ"， Ｎａｔｕｒｅ， ｖｏｌ． ４１６ （２００２）， ｐｐ．７１３−７１６． Ｆ． Ｊ． Ｊｅｄｅｍａ他３名， "Ｓｐｉｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｉｎ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ａｌｌ−ｍｅｔａｌ ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ ｓｐｉｎ ｖａｌｖｅｓ"， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ， ｖｏｌ．６７， （２００３）， ｐｐ．８５３１９−８５３１９（１６）． Ｓ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ ａｎｄ Ｓ． Ｍａｅｋａｗａ， "Ｓｐｉｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ， ｖｏｌ．６７， （２００３）， ｐｐ．５２４０９（１） −５２４０９（４）．
一般的にスピン電子の注入効率を示すスピン分極率は、障壁層内のトンネル伝導に大きく依存しており、磁性体内のバンド電子がそのコヒーレンシーを保ったままトンネル伝導を起こす場合、大きなスピン分極率を示す。
例えば、ＭｇＯ障壁層を介したＦｅ／ＭｇＯ／Ｆｅのトンネル現象は、ＦｅのΔ１バンド内の電子が、ＭｇＯのバンド内でコヒーレンシーを保ったままトンネリングする為に、スピン分極率が０．８と非常に大きな値が得られている。しかしながら、Ｆｅのスピン拡散長は小さく、磁界センサ他への応用が困難である。一方、拡散長の大きなＣｕでは、大きなスピン分極率がえられない。
本発明の目的は、スピン注入効率が高いスピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリを提供することにある。
上記目的を達成するための一形態として、非磁性導電体層と、前記非磁性導電体層上に積層された障壁層と、前記障壁層の上に積層された磁性導電体層と、前記磁性導電体と前記非磁性体との間に電流を流す回路を備え、前記非磁性導電体層と前記障壁層の界面、および、前記磁性導電体層と前記障壁層との界面は、結晶対称性をもつ面でそれぞれ接する構造を有し、前記非磁性導電体層および前記障壁層は、体心立方格子構造、または、ＮａＣｌ型の結晶構造を含み、前記非磁性導電体層は、互いに隣接する第一の非磁性導電体層と第二の非磁性導電体層とを有し、前記障壁層に隣接する前記第一の非磁性導電体層は体心立方格子構造、または、ＮａＣｌ型の結晶構造を有し、その厚さは前記第一の非磁性導電体層中に於けるスピン拡散長よりも薄く、かつ、前記第二の非磁性導電体層中のスピン拡散長は前記第一の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも長いことを特徴とするスピン注入素子とする。
また、第一の非磁性導電体層と、前記第一の非磁性導電体層の上に積層された第二の非磁性導電体層と、前記第二の非磁性導電体の上に積層された体心立方格子構造を有する障壁層と、前記障壁層の上に積層された第三の非磁性導電体層と、前記第三の非磁性導電体層の上に積層された第四の非磁性導電体層と、前記第四の非磁性導電体の膜面方向に電流を流す回路を備え、前記第二の非磁性導電体層は、前記第二の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも薄い厚さの体心立方格子構造を有し、前記第三の非磁性導電体層は、前記第三の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも薄い体心立方格子構造を有し、前記第四の非磁性導電体層は、ＰｔやＰｄを含むことを特徴とするスピン注入素子とする。
また、第一の非磁性導電体層と、前記第一の非磁性導電体層の第１の領域上に、体心立方格子構造を有する第二の非磁性導電体層、体心立方格子構造を有する第一の障壁層、および、磁気的に一方向へ固着された第一の磁性導電体層の順で積層された構成の固定層と、前記第一の非磁性導電体層の第２の領域上に、体心立方格子構造を有する第三の非磁性導電体層、体心立方格子構造を有する第二の障壁層、および、外部磁界によって磁化の向きが変動する第二の磁性導電体層の順で積層された構成の自由層と、前記第一の磁性導電体層と前記第一の非磁性導電体層との間に電流が流れる電流印加回路と、前記第一の非磁性導電体と該第二の磁性導電体との電位差を検出する電気回路と、を有し、前記第１の領域と前記第２の領域とは、前記第一の非磁性導電体層中のスピン拡散長の範囲内に配置されていることを特徴とする磁界センサとする。
また、体心立方構造をもつ非磁性導電体層と、前記非磁性導電体層の上に積層された体心立方格子構造をもつ第一の障壁層、前記第一の障壁層の上に積層された体心立方構造をもつ第一の磁性導電体層、前記第一の磁性導電体層の上に積層された体心立方構造をもつ第二の障壁層、および、前記第二の障壁層の上に積層された体心立方構造をもつ第二の磁性導電体を含む積層膜と、前記非磁性導電体層と前記第二の磁性導電体層との間に電流を流す電流印加回路と、を有し、前記非磁性導電体層の厚さは、前記非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも薄く、前記第二の磁性導電体の磁化は磁気的に一方向へ固着された構造を持ち、前記第一の障壁層と前記第一の磁性導電体層との界面に注入されたスピン電子は、前記第一の磁性導電体の磁化反転をアシストすることを特徴とする磁気記録メモリとする。
また、第一の非磁性導電体層と、前記第一の非磁性導電体層の第１領域上に、体心立方格子構造を有する第二の非磁性導電体、体心立方格子構造を有する第一の障壁層、磁気的に一方向へ固着された第一の磁性体の順で積層された積層膜と、前記第一の磁性導電体層と前記第一の非磁性導電体層との間に電流を流すためにそれぞれの層に設けられた電極端子とを含む初期化機構部と、前記第一の非磁性体層中のスピン拡散長の範囲内で、前記第一の非磁性体層の第２の領域上に配置された複数のメモリセルと、を有することを特徴とする磁気記録メモリとする。
スピン注入効率が高いスピン注入素子およびそれを用いた磁界センサ並びに磁気記録メモリを提供することができる。
第１の実施例に係る第一のスピン注入素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第二のスピン注入素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第三のスピン注入素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第四のスピン注入素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第一のスピン注入素子を応用した第一のスピン蓄積素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第二のスピン注入素子を応用した第二のスピン蓄積素子の概略断面図である。 第１の実施例に係る第四のスピン注入素子を応用した第三のスピン蓄積素子の概略断面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子（図６）を用いた磁界センサの概略断面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第２の実施例に係る、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子（図７）を用いた磁界センサの概略断面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第３の実施例に係る、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサの製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。 第１の実施例や第２の実施例に係る磁界センサを応用した磁気記録再生ヘッドの概略斜視図である。 図１２に示した磁気記録再生ヘッドを備えた磁気記録装置の概略斜視図である。 第１の実施例に係るスピン素子を応用した磁化反転アシスト機構を備えた磁気記録メモリの概略断面図である。 図１４で示した磁化反転アシスト機構を備えた磁気記録メモリの動作原理を説明するための図である。 第１の実施例に係るスピン素子を応用した初期化機構を備えた磁気記録メモリの概略断面図である。 図１６で示した初期化機構を備えた磁気記録メモリの消去動作を説明するための概略斜視図であり、（ａ）は記録時、（ｂ）は消去時を示す。 第１の実施例に係るスピン素子を応用した初期化機構を備えた磁気記録メモリアレイの概略斜視図である。
本発明者等は、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ構造ではスピン分極率が大きく、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｃｕでは大きな値が得られない理由について検討を行なった。その結果、スピン電子の注入効率を示すスピン分極率は、非磁性導電体（ＦｅやＣｕ）と障壁層（ＭｇＯ）の結晶構造の対称性が高い程大きくなることが分かった。
すなわち、Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅの場合には、スピン注入部の磁性導電体と結晶性障壁層の結晶構造の対称性が高く、その為、バンド間のトンネルが起きた結果であると解釈される。しかし、スピンが注入される磁性導電体と障壁層との結晶の対称性が悪くなると、このスピン分極率が低下する。
一方、スピン蓄積効果に代表されるＣｕ等の非磁性導電体へのスピン注入を想定した場合、スピン電子が注入される非磁性導電体と障壁層との結晶構造のミスマッチ（結晶構造の対称性が低い）により、スピン分極率が減少する。
一般的なスピン拡散長の長い材料（例えば、Ｃｕ，Ａｌなど）の結晶構造は、面心立方構造をとることが知られており、ＭｇＯ障壁層が持つ体心立方構造と異なっている為、非磁性導電体と障壁層の界面でトンネル電子の散乱が大きくなり、トンネル電子の透過確率が下がってしまう。その結果、実効的なスピン分極率は減少し、出力電圧差も低下する。
本発明は上記知見に基づき生まれたものであり、磁性導電体から非磁性導電体へのスピン注入の場合、最適な接合面を形成結晶構造の対称性を向上させ、スピン分極率向上を図るものである。
本構成の例として、体心立方格子構造の磁性導電体から、ＭｇＯ障壁を介して、体心立方格子構造の非磁性体へとスピン電子を注入し、体心立方格子構造の非磁性体中にスピン電子を蓄積させる構造となる。
すなわち、ＭｇＯ障壁層を用いた長スピン拡散長の非磁性導電体へのスピン注入素子は、結晶の対称性のミスマッチ（結晶構造の対称性が低い）から、スピン分極率が低下する。しかし、上記構造を導入すると、ＭｇＯ障壁層と体心立方格子構造における格子整合が向上するために、Δ１バンド内のトンネル電子の界面散乱を抑制でき、スピン分極率が増加する。その為、非磁性体へのスピン注入の効率が向上し、スピン電子を用いたデバイスの高出力化など特性向上へと繋がる。
以下、実施例により、スピン注入素子、および、それを利用した磁気再生センサ、磁気記録装置、磁気記録メモリについて、詳細に説明する。
第１の実施例について、図１〜図７、図１４〜図１８を用いて説明する。
図１は、本実施例に係る第一のスピン注入素子の概略断面図である。第一の非磁性体へのスピン注入素子は、図１に示されるような磁性導電体１０１と第一のスピン蓄積部１０３が障壁層１０２を介して接している。磁性導電体１０１は、ＦｅやＣｏＦｅＢ合金に代表される様な体心立方格子構造を持ち、障壁層１０２はＭｇＯなどに代表される体心立方格子構造を持つ。
また、第一のスピン蓄積部１０３は体心立方格子構造を持つ非磁性導電体であり、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，または、Ｗからなる単元素やＡＢ２型構造、ＡＢ５型構造、Ｆｅ３Ｓｉ型構造、または、ＤＯ３型構造の結晶対称性を有するＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素を含む非磁性金属間化合物などがあげられる。また、前記非磁性導電体は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ、ＧａＩｎ、ＴｉＮ，ＴｉＯ、または、これらを主成分とする非磁性伝導性化合物でもよい。
今、磁気的に一方向へ固着された磁化を持つ磁性導電体１０１から障壁層１０２を介して、第一のスピン蓄積部１０３へとスピン電子（電流Ｉｃ）を流した場合、磁性導電体１０１の磁化情報を持ったスピン電子Ｉｓが、第一のスピン蓄積部１０３へと注入される。
この時、磁性導電体１０１、障壁層１０２、および第一のスピン蓄積部１０３の結晶構造が共に体心立方格子構造であるため、障壁層１０２と第一のスピン蓄積部１０３との界面においても、トンネル電子が散乱されることなく、第一のスピン蓄積部１０３へと注入される。
例えば、磁性導電体１０１として体心立方格子構造の純Ｆｅ、障壁層１０２としてｂｃｃ（００１）配向したＭｇＯ、第一のスピン蓄積部１０３として体心立方格子構造の純Ｖを用いた場合、ＦｅのΔ１バンドに存在する電子は、薄いＭｇＯ内をコヒーレントな状態で、トンネル伝導する。
また、Δ１バンドのスピン電子は、結晶の対称性が高い為から、Ｖへと散乱される事無く、コヒーレンシーを保ったまま注入される。この注入されたスピン電子は、スピン拡散長の範囲内で、Ｖに蓄積される。
この様に、結晶の対称性を向上させることで、スピン注入効率が上昇し、結果としてスピン分極率が向上される。従って、本構成をスピン蓄積効果に適用すれば、出力の増大が期待される。
図２は第二のスピン注入素子の概略断面図である。本素子の構造は、磁性導電体２０１、障壁層２０２、第一のスピン蓄積部２０３、第二のスピン蓄積部２０４で構成されている。磁性導電体２０１および障壁層２０２は図１と同様で、第一のスピン蓄積部２０３は、Ｖ，Ｍｏ，Ｗ等で代表されるｂｃｃの結晶構造を持つ非磁性導電体、第二のスピン蓄積部２０４は、Ａｌ，Ｃｕ，Ａｇ等で代表される面心立方構造を持つ非磁性導電体とする。ただし、第一のスピン蓄積部２０３の厚さは、体心立方構造の結晶対称性を持つ非磁性導電体のスピン拡散長よりも小さい。
本構成において、磁性導電体２０１から、第二のスピン蓄積部２０４へと各層を貫く方向へスピン電子（電流Ｉｃ）を流した場合、図１と同等にスピン電子が第一のスピン蓄積部２０３へと注入される。
この注入されたスピン電子は、更に、第一のスピン蓄積部２０３の厚さがｂｃｃの結晶構造を持つ非磁性導電体のスピン拡散長よりも小さい為に、スピン電子Ｉｓはコヒーレントなまま（スピンの情報が失われないまま）、第二のスピン蓄積部２０４へ注入され、スピン情報が蓄積される。
一般的に、第一のスピン蓄積部２０３よりも第二のスピン蓄積部２０４の非磁性導電体材料の方が、スピン拡散長が長いために、第一のスピン注入素子に比べ、第二のスピン注入素子の方が、スピン情報をより広い範囲で伝達できるという利点がある。
なお、第一のスピン蓄積部はｂｃｃの結晶構造を有し、第二のスピン蓄積部はｆｃｃであるが、両者とも導電体材料のため、その界面における電子散乱は無視することができる。
図３は、第三のスピン注入素子の概略断面図を示す。本素子の構造は、スピン注入用非磁性導電体３０１、障壁層３０２、第一のスピン蓄積部３０３、第二のスピン蓄積部３０４で構成されている。
スピン注入用非磁性導電体３０１は、Ｐｔ，Ｐｄなどで代表されるスピン相互作用の大きな非磁性導電体である。障壁層３０２は体心立方格子構造を持つ絶縁体薄膜、また、第一のスピン蓄積部３０３、第二のスピン蓄積部３０４は、共にｂｃｃの結晶構造を持つ非磁性導電体で、それぞれ図１で示した材料が主である。また、第一のスピン蓄積部３０３の厚さは、体心立方格子構造の非磁性導電体材料が持つスピン拡散長よりも短いものとする。
今、電流Ｉｃをスピン注入用非磁性導電体３０１の膜面方向に流すと、スピン軌道相互作用の影響の為に、スピン電子Ｉｃが、膜面と垂直方向へ流れ込む。一般的に、スピン注入用非磁性導電体３０１は、面心立方構造の結晶対称性を持つのが知られており、体心立方格子構造を持つ障壁層３０２を用いた場合、結晶のミスマッチ（結晶構造の対称性が低い）の為、スピン注入効率が下がってしまう。その為、スピン注入用非磁性導電体３０１と障壁層３０２の間に、体心立方格子構造を持つ第一のスピン蓄積部３０３を設けることで、結晶の対称性を向上させる。
また、体心立方格子構造の第二のスピン蓄積部３０４を、直接、障壁層３０２に接合することで、障壁層３０２と第二のスピン蓄積部３０４との界面の散乱も低減できる。この様に、スピン注入源が、非磁性導電体の場合においても、スピン分極率を向上させる事が可能となる。
図４は、第四のスピン注入素子の概略断面図を示す。本素子の構造は、スピン注入用非磁性導電体４０１、障壁層４０２、第一のスピン蓄積部４０３、第二のスピン蓄積部４０４、第三のスピン蓄積部４０５で構成されている。
各部を構成する材料として、図１で示した材料が主である。また、第一および第二のスピン蓄積部の厚さは、それぞれの体心立方格子構造の非磁性導電体材料が持つスピン拡散長よりも短いものとする。また、第一および第二のスピン蓄積部の材料と比較し、第三のスピン蓄積部の材料が持つスピン拡散長は、十分、長いものとする。
本構成においては、図３に示したスピン注入素子と同様に、非磁性導電体をスピン注入源とする素子であるが、スピン注入用非磁性導電体４０１、および、第三のスピン蓄積部４０５の結晶構造がｆｃｃ構造を取るために、体心立方格子構造の第一および第二のスピン蓄積部によって、障壁層とそれぞれの界面との結晶の対称性の低下を防いでいる。
また、第三のスピン蓄積部４０５のスピン拡散長が長いために、スピン情報を広い範囲で伝達できるばかりではなく、本素子を応用した磁気再生センサの出力を向上させることが可能となる。
図５は、第一のスピン注入素子を応用した第一のスピン蓄積素子（磁界センサ）の概略断面図である。符号５０１が磁性導電体、符号５０２が障壁層、符号５０３が非磁性導電体、符号５０４が反強磁性導電体を示す。符号５０１，５０２，５０３は図１の符号１０１，１０２，１０３で示したそれぞれの材料とし、符号５０４の反強磁性導電体材料として、ＭｎＩｒやＭｎＰｔなどの材料とする。
図左側の積層膜を固定部、図右側の積層膜を自由部とすると、固定部の磁性導電体５０１の磁化の方向は、反強磁性導電体５０４によって、磁気的に一方向へ固着されており、障壁層５０２を介して非磁性導電体５０３と接している。
また、自由部の磁性導電体５０１は、固定部の磁性導電体５０１と非磁性導電体５０３の持つスピン拡散長の範囲内に、自由部の障壁層５０２を介して、接合された構造である。
今、反強磁性導電体５０４から、非磁性導電体５０３へとスピン電子（電流Ｉｃ）を流した場合、第一のスピン注入素子の効果によって、非磁性導電体５０３には、固定部の磁性導電体５０１の磁化の方向を向いたスピン電子Ｉｓが蓄積される。
その為に、固定部の磁性導電体５０１と自由部の磁性導電体５０１の磁化の方向に依存して、自由部の磁性導電体５０１と非磁性導電体５０３との間に電圧差が生じる。その為、固定部の磁性導電体５０１と自由部の磁性導電体５０１を、それぞれ、固定層、自由層として用いた場合、第一のスピン蓄積素子は、外部磁場に対する磁界（再生）センサとして機能する。
図６は、第二のスピン注入素子を応用した第二のスピン蓄積素子（磁界センサ）である。符号６０１が磁性導電体、符号６０２が障壁層、符号６０３が第一のスピン蓄積部、符号６０４が第二のスピン蓄積部、符号６０５が反強磁性導電体である。
第一のスピン蓄積素子との差異は、スピン電子を蓄積する部分として、ｆｃｃ構造を持つ非磁性導電体（第二のスピン蓄積部）を用いた点である。第一のスピン蓄積素子と同様に外部磁場に対する磁界センサとして機能するが、第二のスピン蓄積部６０４のスピン拡散長が長い為に、出力電圧が向上する。また、第一のスピン蓄積部６０３が無い場合と比べて、その出力電圧が４倍以上、向上する事が確認できている。
図７は、第四のスピン注入素子を応用した第三のスピン蓄積素子（磁界センサ）である。符号７０１がスピン注入用非磁性導電体、符号７０２が障壁層、符号７０３が第一のスピン蓄積部、符号７０４が第二のスピン蓄積部、符号７０５が磁性導電体とする。それぞれの材料に関しては、前記の通りとし、スピン注入用非磁性導電体７０１と磁性導電体７０５の距離は、第二のスピン蓄積部７０４のスピン拡散長よりも短いものとする。
今、電流Ｉｃをスピン注入用非磁性導電体７０１に流した場合、スピン電子Ｉｓが第二のスピン蓄積部７０４に蓄積される。また、磁性導電体７０５が障壁層７０２を介して、第二のスピン蓄積部７０４に接合されているため、蓄積されたスピン電子Ｉｓの磁気的な偏極方向と、磁性導電体７０５の磁化の方向に依存した電圧差が、磁性導電体７０５と第二のスピン蓄積部７０４の間に生じる。
この為、電流Ｉｃを一方向に流し続けた場合、スピン注入用非磁性導電体７０１と磁性導電体７０５とが、それぞれ、固定層と自由層との役割を担い、本素子は外部磁界センサとして機能する。その外部センサの出力信号は、第四のスピン注入素子を適用しない場合と比較すると、２倍以上、大きな値となる。
図１４は、スピン注入素子を用いた磁化反転アシスト機構を備えた磁気記録メモリを示す。符号１４０１は磁気的に一方向に固着され磁性導電体からなる固定層、符号１４０２は第一の障壁層、符号１４０３は磁性導電体で構成された記録層、符号１４０４、および符号１４０５は第二の障壁層および非磁性導電体を示す。
固定層１４０１、および、記録層１４０３の材料としては、ＦｅやＣｏＦｅＢ合金に代表される様な体心立方格子構造を持つ磁性導電体、第一の障壁層１４０２と第二の障壁層１４０４の材料として、ＭｇＯなどに代表される体心立方格子構造を持つ。
また、非磁性導電体１４０５は体心立方構造をもつ非磁性導電体であり、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，または、Ｗからなる単元素やＡＢ２型構造、ＡＢ５型構造、Ｆｅ３Ｓｉ型構造、または、ＤＯ３型構造の結晶対称性を有するＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素を含む非磁性金属間化合物などが挙げられる。また、前記非磁性導電体１４０５は、（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓ、ＧａＩｎ、ＴｉＮ，ＴｉＯ、または、これらを主成分とする非磁性伝導性化合物でもよい。
図１５は、図１４で示した磁化反転アシスト機構を備えた磁気記録メモリの動作原理図を示す。符号１５０１は磁気的に一方向に固着され磁性導電体からなる固定層、符号１５０２は第一の障壁層、符号１５０３は磁性導電体で構成された記録層、符号１５０４、および符号１５０５は第二の障壁層および非磁性導電体を示す。
例えば、電子が、固定層１５０１から非磁性導電体１５０５に移動する場合、固定層１５０１の磁化と同じ方向のスピン電子のみが記録層１５０３へ流れ込む。このスピン電子は記録層１５０３の磁化にトルクを与え、磁化反転を起こそうとする。
一方、記録層１５０３から非磁性導電体１５０５へは、記録層１５０３の磁化と同じ方向のスピン電子が流れ込む。その結果、記録層１５０３と第二の障壁層１５０４の界面には、記録層１５０３の磁化と反対方向のスピン電子が蓄積させる。このスピン電子のアシストによって、磁化反転の為の閾電流は低減する。
以上、本実施例によれば、スピン注入効率が高いスピン注入素子およびそれを用いた高出力磁界センサ並びに磁気記録メモリを提供することができる。
第２の実施例について図８、図９Ａ〜図９Ｆを用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。
図８は、本実施例に係る、第二のスピン蓄積素子（図６）を用いた磁界センサの概略断面図であり、第一のスピン蓄積型再生ヘッドに応用した例である。符号８０１は反強磁性導電体を示し、本実施例ではＭｎ３Ｉｒ合金を用いており、そのサイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×８（ｔ）ｎｍ３とする。
固定層８１０の構成として、磁性導電体８０２はＣｏ４Ｆｅ４Ｂ２で、サイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×３（ｔ）ｎｍ３、障壁層８０３はＭｇＯで、サイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×０．８（ｔ）ｎｍ３、第一のスピン蓄積層８０４はＶ（バナジウム）で、２０（ｗ）×１００（ｈ）×０．５（ｔ）ｎｍ３とする。
自由層８１１の構成として、磁性導電体８０２はＣｏ４Ｆｅ４Ｂ２で、サイズは２０（ｗ）×４０（ｈ）×３（ｔ）ｎｍ３、障壁層８０３はＭｇＯで、サイズは２０（ｗ）×４０（ｈ）×０．８（ｔ）ｎｍ３、第一のスピン蓄積層８０４はＶ（バナジウム）で、サイズは２０（ｗ）×４０（ｈ）×０．５（ｔ）ｎｍ３とする。また、固定層８１０と自由層８１１との距離は５０ｎｍとする。
第二のスピン蓄積層８０５としてＣｕを用い、サイズは２０（ｗ）×５００（ｈ）×１０（ｔ）ｎｍ３とし、磁気シールド８０７として、それぞれＮｉＦｅを用いた。自由層８１１は記録媒体に面しており、自由層８１１と磁気シールド８０７との電圧差を検出する電気回路が備わっている。
また、固定層８１０側には、磁気シールド８０７から第二のスピン蓄積層８０５へと電流を印加できる端子を備えている。なお、符号８０６はコンタクト部（非磁性導電体）である。
次に、第一のスピン蓄積型再生ヘッドの製造方法について説明する。図９Ａ〜図９Ｆは、第二のスピン蓄積素子を用いた磁界センサ（第一のスピン蓄積型再生ヘッド）の製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。第一のスピン蓄積型再生ヘッドの作製工程について、その詳細を以下に示す。
第一工程：磁気シールドおよびコンタクトホールの作製（図９Ａ）
磁気シールド９０７にはＮｉＦｅ（厚さ１００ｎｍ）、層間絶縁膜９０８にはＡｌ２Ｏ３膜（厚さ２０ｎｍ）を用い、それぞれスパッタ法にて形成する。コンタクトホールは、電子線描画とミリングによって形成する。
第二工程：非磁性層・障壁層・磁性層の形成（図９Ｂ）
第一工程で作製した磁気シールドの上に、Ｔａ（３ｎｍ）を積層し、面心立方構造をもつ第二のスピン蓄積層９０５であるＣｕ（１０ｎｍ）、体心立方構造を有する第一のスピン蓄積層９０４であるＶ（０．５ｎｍ）、体心立方構造を有する障壁層９０３であるＭｇＯ（０．８ｎｍ）、磁性導電体９０２であるＣｏ４Ｆｅ４Ｂ２（３ｎｍ）の薄膜をスパッタ法により、高真空中（ベース圧力１．０×１０−６Ｐａ以下）で順番に積層する。
尚、第一のスピン蓄積層９０４であるＶをＣｕ上に積層する場合は、面心立方構造上に良質な体心立方構造を成長させる為に、その形成速度を高めにし、本実施例では室温にて１ｎｍ／ｓｅｃのレートにて形成している。
第三工程：細線の微細加工（図９Ｃ）
細線の微細加工は、電子線描画とミリングを用い行う。本実施例では、線幅が２０ｎｍの細線パターンを描画し、ミリングによって磁気シールドまで削り取る。その後、層間絶縁膜９０８であるＡｌ２Ｏ３にて細線の両脇を保護し、リフトオフ法によって、上面のパターンを露出させる。
第四工程：反強磁性膜の形成（図９Ｄ）
第三工程で作製された細線パターン上に反強磁性導電体９０１であるＭｎ３Ｉｒをスパッタ法により積層する。尚、Ｍｎ３Ｉｒを形成する前に、真空中で細線の表面をクリーニングしている。
第五工程：自由層および固定層の加工（図９Ｅ）
自由層および固定層のパターンを、電子線描画法およびミリングによって加工する。本実施例では、自由層として、２０×４０ｎｍ２，固定層として、２０×１００ｎｍ２のパターンを加工した。尚、自由層と固定層の間の距離が５０ｎｍとなるよう設計している。また、本工程において、各種延長電極のパターンも作製を行う。
第六工程：磁気シールドおよびコンタクトホールの作製（図９Ｆ）
第五工程によって作製された素子の上に層間絶縁膜９０８であるＡｌ２Ｏ３を積層する。その後、各種延長電極上にコンタクトホールを形成し、その後、磁気シールド９０７として、ＮｉＦｅを厚さ１００ｎｍで形成する。
以上の工程により、第一のスピン蓄積型再生ヘッドの基本構造が完成する。上記方法により形成した各層の結晶性は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）により評価することができる。
本構成において、第一のスピン蓄積層８０４の有無による出力電圧の差異を検証した。第一のスピン蓄積層８０４のＶが無い従来構成では、その出力電圧は、Ｖｐｐ／Ｉ＝０．１２ｍＶ／０．１ｍＡ程度であった。また、出力電圧の電極間距離依存性より、スピン分極率Ｐを求めると、Ｐ＝０．２５程度である。
この値は、ＭｇＯを用いたＴＭＲ素子のそれと比較すると半分以下の値となった。これは、ＭｇＯとＣｕの界面の結晶配向性の違いによって生じているものと推測され、その結果、分極率が下がったと予想される。
一方、本発明による高スピン分極率スピン注入素子を適応した結果、その出力電圧は、約５倍のＶｐｐ／Ｉ＝０．６０ｍＶ／０．１ｍＡとなった。また、この時のスピン分極率を導出するとＰ＝０．５５となり、スピン分極率が向上した結果、出力電圧が増大したと推測される。
図１２は、本実施例による第一のスピン蓄積型再生ヘッドを搭載した磁気記録再生ヘッドの模式図である。符号１２０１はスライダ、符号１２０２は記録ヘッド、符号１２０３は本実施例による再生ヘッド（図８）である。
図１３は、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体といった磁気記録層を有する磁気記録媒体１３０４と、前記記録媒体を駆動する駆動部１３０６と、図１２で示した磁気ヘッド１３０３と、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ１３０１およびスライダ１３０２と、磁気ヘッドやアクチュエータ、スライダ、駆動部を制御する制御手段１３２１と、前記磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段１３２０とを備えた磁気記録装置を表す。
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、高出力のスピン蓄積型再生ヘッドを提供することができる。更に、磁界センサ（第一のスピン蓄積型再生ヘッド）の製造方法（スピン注入素子の製造方法を含む）を提供することができる。
第３の実施例について図１０、図１１Ａ〜図１１Ｇを用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項はそれらと同様である。
図１０は、本実施例に係る、第三のスピン蓄積素子（図７）を用いた磁界センサの概略断面図であり、第二のスピン蓄積型再生ヘッドに応用した例である。符号１００１は非磁性導電体によるスピン注入源を示し、本実施例ではＰｔを用いており、そのサイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×５（ｔ）ｎｍ３とする。
固定層１０１０の構成として、第一のスピン蓄積層１００４はそれぞれＶ（バナジウム），サイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×０．５（ｔ）ｎｍ３、障壁層１００３の材料はＭｇＯ，サイズは２０（ｗ）×１００（ｈ）×０．８（ｔ）ｎｍ３とする。
自由層１０１１の構成として、磁性導電体１００２はＣｏ４Ｆｅ４Ｂ２で、サイズは２０（ｗ）×４０（ｈ）×３（ｔ）ｎｍ３、障壁層１００３はＭｇＯで、サイズは２０（ｗ）×４０（ｈ）×０．８（ｔ）ｎｍ３、第一のスピン蓄積層１００４はＶ（バナジウム）で、２０（ｗ）×４０（ｈ）×０．５（ｔ）ｎｍ３とする。また、固定層１０１０と自由層１０１１との距離は５０ｎｍとする。
第二のスピン蓄積層１００５としてＣｕを用い、サイズは２０（ｗ）×５００（ｈ）×１０（ｔ）ｎｍ３とし、磁気シールド１００７として、それぞれＮｉＦｅを用いた。自由層１０１１は記録媒体に面しており、自由層１０１１と磁気シールド１００７との電圧差を検出する電気回路が備わっている。また、スピン注入用非磁性電極１００１には、細線方向へ電流を印加できる端子を備えている。なお、符号１００６はコンタクト部（非磁性導電体）である。
次に、第二のスピン蓄積型再生ヘッドの製造方法について説明する。図１１Ａ〜図１１Ｇは、第三のスピン蓄積素子を用いた磁界センサ（第二のスピン蓄積型再生ヘッド）の製造工程を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図のＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は右側面図である。第二のスピン蓄積型再生ヘッドの作製工程について、その詳細を以下に示す。本工程は、実施例２で示した工程と異なり、自由層および固定層を別々に作製することが特徴である。
第一工程：磁気シールドおよびコンタクトホールの作製（図１１Ａ）
磁気シールド１１０７にはＮｉＦｅ（厚さ１００ｎｍ）、層間絶縁膜１１０８にはＡｌ２Ｏ３膜（厚さ２０ｎｍ）を用い、それぞれスパッタ法にて形成する。コンタクトホールは、電子線描画とミリングによって形成する。
第二工程：自由層用多層膜の形成（図１１Ｂ）
第一工程で作製した磁気シールドの上に、Ｔａ（３ｎｍ）を積層し、面心立方構造をもつ第二のスピン蓄積層１１０５であるＣｕ（１０ｎｍ）、体心立方構造を有する第一のスピン蓄積層１１０４であるＶ（０．５ｎｍ）、体心立方構造を有する障壁層１１０３であるＭｇＯ（０．８ｎｍ）、磁性導電体１１０２であるＣｏ４Ｆｅ４Ｂ２（３ｎｍ）の薄膜をスパッタ法により積層する。尚、実施例１と同様、第一のスピン蓄積層１１０４であるＶは１ｎｍ／ｓｅｃのレートにて形成している。
第三工程：細線の微細加工（図１１Ｃ）
細線の微細加工は、電子線描画とミリングを用い行う。本実施例では、線幅が２０ｎｍの細線パターンを描画し、ミリングによって磁気シールドまで削り取る。その後、層間絶縁膜１１０８であるＡｌ２Ｏ３にて細線の両脇を保護する。
第四工程：固定層の加工（図１１Ｄ）
自由層のパターンを、電子線描画法およびミリングによって加工する。本実施例では、自由層として、２０×４０ｎｍ２のパターンを加工した。また、本工程において、各種延長電極のパターンも作製を行う。
第五工程：固定層用膜の形成（図１１Ｅ）
予め、第三工程で形成された層間絶縁膜Ａｌ２Ｏ３上に、自由層の端部から５０ｎｍの場所に、固定層形成用のコンタクトホールを形成する。その後、固定層が接合する細線部を真空中でクリーニングし、体心立方構造を有する第一のスピン蓄積層１１０４であるＶ（０．５ｎｍ）、体心立方構造を有する障壁層１１０３であるＭｇＯ（０．８ｎｍ）、体心立方構造を有する第一のスピン蓄積層１１０４であるＶ（０．５ｎｍ）、非磁性導電体によるスピン注入源１１０１であるＰｔ（５ｎｍ）の薄膜をスパッタ法により積層する。
第六工程：固定層の加工（図１１Ｆ）
固定層のパターンを、電子線描画法およびミリングによって加工する。本実施例では、固定層として、２０×１００ｎｍ２のパターンを加工した。尚、自由層と固定層の間の距離が５０ｎｍとなるよう設計している。また、本工程において、各種延長電極のパターンも作製を行う。
第七工程：磁気シールドおよびコンタクトホールの作製（図１１Ｇ）
第六工程によって作製された素子の上に層間絶縁膜１１０８であるＡｌ２Ｏ３を積層する。その後、各種延長電極上にコンタクトホールを形成し、その後、磁気シールド１１０７として、ＮｉＦｅを厚さ１００ｎｍで形成する。
以上の工程により、第二のスピン蓄積型再生ヘッドの基本構造が完成する。
本構成において、第一のスピン蓄積層１００４の有無による出力電圧の差異を検証した。第一のスピン蓄積層１００４のＶが無い従来構成では、その出力電圧は、Ｖｐｐ／Ｉ＝０．０１２ｍＶ／０．１ｍＡ程度であった。また、出力電圧の電極間距離依存性より、スピン分極率Ｐを求めると、Ｐ＝０．２５程度である。
一方、本発明による高スピン分極率スピン注入素子を適応した結果、その出力電圧は、約２倍のＶｐｐ／Ｉ＝０．０２６ｍＶ／０．１ｍＡとなった。また、この時のスピン分極率を導出するとＰ＝０．５５となり、実施例１と同様にスピン分極率が向上した結果、出力電圧が増大したと推測される。
図１２は、本実施例による第二のスピン蓄積型再生ヘッドを搭載した磁気記録再生ヘッドの模式図である。符号１２０１はスライダ、符号１２０２は記録ヘッド、符号１２０３は本実施例による再生ヘッド（図１０）である。
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、高出力のスピン蓄積型再生ヘッドを提供することができる。更に、磁界センサ（第二のスピン蓄積型再生ヘッド）の製造方法（スピン注入素子の製造方法を含む）を提供することができる。
第４の実施例について図１６〜図１８を用いて説明する。なお、実施例１、２又は３に記載され、本実施例に未記載の事項はそれらと同様である。
図１６は、スピン注入素子を用いた記録情報の初期化機構を備えた磁気記録メモリを示す。符号１６０１が反強磁性導電体、符号１６０２が磁性導電体、符号１６０３が障壁層、符号１６０４が第一のスピン蓄積部、符号１６０５が第二のスピン蓄積部、符号１６０６が記録層、符号１６０７が固定層とする。
反強磁性導電体１６０１、磁性導電体１６０２、障壁層１６０３、第一のスピン蓄積部１６０４、第二のスピン蓄積部１６０５は前記材料を選択し、記録層１６０６および固定層１６０７の材料としては、ＦｅやＣｏＦｅＢなどの体心立方格子構造を持つ磁性導電体やそれらを用いた積層フェリ構造とする。
図左側の積層膜１６０１、１６０２、１６０３、１６０４からなる第一のスピン注入素子構造を初期化機構１６１０と称し、図右側の積層膜１６０１、１６０７、１６０３、１６０６の構造はＴＭＲセル１６２０と呼ぶ。
符号１６０１は反強磁性導電体を表し、本実施例ではＭｎ３Ｉｒ合金を用いており、そのサイズは４５（ｗ）×１５０（ｄ）×８（ｔ）ｎｍ３とする。
初期化機構１６１０の構成として、磁性導電体１６０２はＣｏ２Ｆｅ６Ｂ２で、サイズは４５（ｗ）×１５０（ｄ）×３（ｔ）ｎｍ３、障壁層１６０３はＭｇＯで、サイズは４５（ｗ）×１５０（ｄ）×０．８（ｔ）ｎｍ３、第一のスピン蓄積層１６０４はＶ（バナジウム）で、サイズは４５（ｗ）×１５０（ｄ）×０．５（ｔ）ｎｍ３とする。
ＴＭＲセル１６２０の構成として、反強磁性導電体１６０１はＭｎ３Ｉｒ合金で、サイズは４５（ｗ）×９０（ｄ）×８（ｔ）ｎｍ３、磁性導電体１６０２はＣｏ２Ｆｅ６Ｂ２で、サイズは４５（ｗ）×９０（ｄ）×３（ｔ）ｎｍ３、障壁層１６０３はＭｇＯで、サイズは４５（ｗ）×９０（ｄ）×０．８（ｔ）ｎｍ３、第一のスピン蓄積層１６０４はＶ（バナジウム）で、サイズは４５（ｗ）×９０（ｄ）×０．５（ｔ）ｎｍ３とする。また、初期化機構１６１０とＴＭＲセル１６２０との距離は５０ｎｍとする。
第二のスピン蓄積層１６０５としてＣｕを用い、サイズは４５（ｗ）×３００（ｄ）×１０（ｔ）ｎｍ３とし、初期化機構１６１０側には、反強磁性層１６０１から第二のスピン蓄積層１６０５へと電流を印加できる端子を備えている。
初期化機構の固定層１６０１およびＴＭＲセルの１６０１の磁化の方向は同じとする。またＴＭＲセル１６２０の部位は、第二のスピン蓄積部に第三の障壁層１６０３を介して接合されており、記録層１６０６の磁化は蓄積されたスピン電子によって、磁化反転を起こさせる。
通常、磁気記録メモリの初期化は、各ＴＭＲ素子に電流を印加し、磁化反転を起こし、記録層１６０６の磁化方向を一定に揃える。しかし、磁気記録メモリの集積度が増加し、ＴＭＲセルのサイズが小さくなると、磁化反転を起こさせる閾電流が増大する。一方、スピン電子による磁化反転機構を付加すると、スピン電子による磁化反転が起き、その結果、閾電流値以下での初期化が可能となる。
本構成において、初期化機構１６１０の有無による磁気情報の消去の為の閾電流の大きさを検証した。初期化機構１６１０が無い従来構成では、閾電流密度がＪｃ＝１×１０６Ａ／ｍ２程度であったのに対し、初期化機構１６１０を備えた場合は、Ｊｃ＝８×１０５Ａ／ｍ２まで低減できた。これは、スピン電子による磁化反転のアシストが要因であると推測される。
以上、本実施例によるスピン注入素子を用いることにより、初期化の閾電流を低減することができる。
また、同時に多数のＴＭＲセルの記録情報を初期化できるため、初期化の工程を簡便化することが可能となる。そこで、動作原理に関して、次の図で説明を行う。
図１７（ａ）、（ｂ）は、磁気記録メモリの消去機構を示す。まず、記録時（図１７（ａ））には、各ＴＭＲセル１７０２に閾電流Ｊｃ以上の電流Ｊ（Ｊ＞Ｊｃ）を流すことで、記録層の磁気情報を書き換える。その後、ＴＭＲセルの抵抗を検出することで、各セルに書き込まれた情報を読むことができる。
次に、初期化（消去時）の工程（図１７（ｂ））だが、各セルに電流を磁化反転が起きる閾電流以下（Ｊ＜Ｊｃ）で同一方向へ通電する。その際に、初期化機構１７０１側にも通電した場合、スピン電子が第二のスピン蓄積部へ蓄積される。この蓄積されたスピン電子が、記録層の磁化反転の手助けをする為に、結果として、初期化の為の閾電流が低減する。
図１８は、本実施例による初期化機構を備えた磁気記録素子の模式図を示す。初期化機構１８０１は、それぞれのＴＭＲセルとスピン蓄積部を介して繋がっており、電流を印加できる端子を備えている。また、セルアレイ１８０２は、それぞれＣＭＯＳトランジスタで電流の制御が可能となっている。本構成にする事で、初期化の閾電流を低減できるばかりでなく、一度にセル全体を初期化可能となる。
なお、初期化機構は複数のＴＭＲセル列毎に配置することができる。初期化機構間の距離は、第二のスピン蓄積層におけるスピン電子の拡散長に依存する。例えば、拡散長が１μｍの場合、ＴＭＲセルの幅を５０ｎｍ、ＴＭＲセルの間隔を５０ｎｍとした場合、ＴＭＲセル１０列毎に初期化機構を設けることにより、初期化機構を有効に機能させることができる。
本実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られる。また、スピン注入効率が高いスピン注入素子を用いた初期化機構を備えることにより、初期化の閾電流が小さい磁気記録メモリを提供することができる。
以上、上記実施例で示した非磁性体への高分極率スピン注入素子を用いることで、高出力スピン蓄積型磁界センサや磁化反転閾電流の低減可能な磁気記録メモリが実現できる。
１０１…磁性導電体、１０２…障壁層、１０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、２０１…磁性導電体、２０２…障壁層、２０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、２０４…第２のスピン蓄積部（非磁性導電体）、３０１…スピン注入用非磁性導電体、３０２…障壁層、３０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、３０４…第２のスピン蓄積部（非磁性導電体）、４０１…スピン注入用非磁性導電体、４０２…障壁層、４０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、４０４…第２のスピン蓄積部（非磁性導電体）、４０５…第３のスピン蓄積部（非磁性導電体）、５０１…磁性導電体、５０２…障壁層、５０３…非磁性導電体（スピン蓄積部）、５０４…反強磁性導電体、６０１…磁性導電体、６０２…障壁層、６０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、６０４…第２のスピン蓄積部（非磁性導電体）、６０５…反強磁性導電体、７０１…スピン注入用非磁性導電体、７０２…障壁層、７０３…第１のスピン蓄積部（非磁性導電体）、７０４…第２のスピン蓄積部（非磁性導電体）、８０１…反強磁性導電体、８０２…磁性導電体、８０３…障壁層、８０４…第１のスピン蓄積層（非磁性導電体）、８０５…第２のスピン蓄積層（非磁性導電体）、８０６…コンタクト部（非磁性導電体）、８０７…磁気シールド、８１０…固定層、８１１…自由層、９０１…反強磁性導電体、９０２…磁性導電体、９０３…障壁層、９０４…第１のスピン蓄積層（非磁性導電体）、９０５…第２のスピン蓄積層（非磁性導電体）、９０７…磁気シールド、９０８…層間絶縁層、１００１…スピン注入源（非磁性導電体）、１００２…磁性導電体、１００３…障壁層、１００４…第１のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１００５…第２のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１００６…コンタクト部（非磁性導電体）、１００７…磁気シールド、１０１０…固定層、１０１１…自由層、１１０１…スピン注入源（非磁性導電体）、１１０２…磁性導電体、１１０３…障壁層、１１０４…第１のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１１０５…第２のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１１０７…磁気シールド、１１０８…層間絶縁層、１２０１…スライダ、１２０２…記録ヘッド、１２０３…再生ヘッド、１３０１…アクチュエータ、１３０２…スライダ、１３０３…磁気ヘッド、１３０４…磁気記録媒体、１３０５…駆動伝達軸、１３０６…駆動部、１３２０…磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段、１３２１…磁気ヘッドやアクチュエータ、スライダ、駆動部を制御する制御手段、１４０１…固定層、１４０２…第１の障壁層、１４０３…記録層（磁性導電体）、１４０４…第２の障壁層、１４０５…非磁性導電体、１５０１…固定層、１５０２…第１の障壁層、１５０３…記録層（磁性導電体）、１５０４…第２の障壁層、１５０５…非磁性導電体、１６０１…反強磁性導電体、１６０２…磁性導電体、１６０３…障壁層、１６０４…第１のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１６０５…第２のスピン蓄積層（非磁性導電体）、１６０６…記録層（磁性導電体）、１６０７…固定層、１６１０…初期化機構、１６２０…ＴＭＲセル、１７０１…初期化機構、１７０２…ＴＭＲセル、１８０１…初期化機構、１８０２…セルアレイ。

Claims (6)

  1. 非磁性導電体層と、
    前記非磁性導電体層上に積層された障壁層と、
    前記障壁層の上に積層された磁性導電体層と、
    前記磁性導電体と前記非磁性体との間に電流を流す回路を備え、
    前記非磁性導電体層と前記障壁層の界面、および、前記磁性導電体層と前記障壁層との界面は、結晶対称性をもつ面でそれぞれ接する構造を有し、
    前記非磁性導電体層および前記障壁層は、体心立方格子構造、または、ＮａＣｌ型の結晶構造を含み、
    前記非磁性導電体層は、互いに隣接する第一の非磁性導電体層と第二の非磁性導電体層とを有し、
    前記障壁層に隣接する前記第一の非磁性導電体層は体心立方格子構造、または、ＮａＣｌ型の結晶構造を有し、その厚さは前記第一の非磁性導電体層中に於けるスピン拡散長よりも薄く、かつ、前記第二の非磁性導電体層中のスピン拡散長は前記第一の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも長いことを特徴とするスピン注入素子。
  2. 第一の非磁性導電体層と、
    前記第一の非磁性導電体層の上に積層された第二の非磁性導電体層と、
    前記第二の非磁性導電体の上に積層された体心立方格子構造を有する障壁層と、
    前記障壁層の上に積層された第三の非磁性導電体層と、
    前記第三の非磁性導電体層の上に積層された第四の非磁性導電体層と、
    前記第四の非磁性導電体の膜面方向に電流を流す回路を備え、
    前記第二の非磁性導電体層は、前記第二の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも薄い厚さの体心立方格子構造を有し、
    前記第三の非磁性導電体層は、前記第三の非磁性導電体層中のスピン拡散長よりも薄い体心立方格子構造を有し、
    前記第四の非磁性導電体層は、ＰｔやＰｄを含むことを特徴とするスピン注入素子。
  3. 第一の非磁性導電体層と、
    前記第一の非磁性導電体層の第１の領域上に、体心立方格子構造を有する第二の非磁性導電体層、体心立方格子構造を有する第一の障壁層、および、磁気的に一方向へ固着された第一の磁性導電体層の順で積層された構成の固定層と、
    前記第一の非磁性導電体層の第２の領域上に、体心立方格子構造を有する第三の非磁性導電体層、体心立方格子構造を有する第二の障壁層、および、外部磁界によって磁化の向きが変動する第二の磁性導電体層の順で積層された構成の自由層と、
    前記第一の磁性導電体層と前記第一の非磁性導電体層との間に電流が流れる電流印加回路と、
    前記第一の非磁性導電体と該第二の磁性導電体との電位差を検出する電気回路と、を有し、
    前記第１の領域と前記第２の領域とは、前記第一の非磁性導電体層中のスピン拡散長の範囲内に配置されていることを特徴とする磁界センサ。
  4. 第一の非磁性導電体層と、
    前記第一の非磁性導電体層の第１領域上に、体心立方格子構造を有する第二の非磁性導電体、体心立方格子構造を有する第一の障壁層、磁気的に一方向へ固着された第一の磁性体の順で積層された積層膜と、前記第一の磁性導電体層と前記第一の非磁性導電体層との間に電流を流すためにそれぞれの層に設けられた電極端子とを含む初期化機構部と、
    前記第一の非磁性体層中のスピン拡散長の範囲内で、前記第一の非磁性体層の第２の領域上に配置された複数のメモリセルと、を有することを特徴とする磁気記録メモリ。
  5. 請求項４記載の磁気記録メモリにおいて、
    前記メモリセルは、第二の体心立方構造を有する障壁層上に配置され、
    前記障壁層は、前記第一の非磁性導電体層の第２の領域上に積層された体心立方格子構造を有する第三の非磁性導電体層の上に積層されていることを特徴とする磁気記録メモリ。
  6. 請求項４記載の磁気記録メモリにおいて、
    前記初期化機構部は、複数配置されることを特徴とする磁気記録メモリ。
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