JP5734772B2

JP5734772B2 - スピン蓄積素子、磁気ヘッド及び磁気記録装置

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Publication number: JP5734772B2
Application number: JP2011148513A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　大祐; 大祐佐藤; 将貴山田; 晋小川; 伊藤　顕知; 顕知伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-07-04
Filing date: 2011-07-04
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2031-07-04
Also published as: JP2013016229A

Description

本発明は、スピン蓄積素子を用いた磁気再生ヘッド及びそれを備えた磁気記録装置に関する。

近年、磁気記録装置の記録密度は急速に向上しており、それに伴い磁気記録装置に用いられる磁気再生ヘッドには高出力・高分解能の磁気センサが必要とされている。現行の磁気記録装置にはＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子が磁気センサとして用いられている。しかし、ＴＭＲ素子は積層膜で構成されているためある程度の膜厚が必要であり、シールド間のギャップ長低減には限度がある。そのため、２Ｔｂ／ｉｎ²以上の次世代機種の磁気センサは、従来技術では対応することが難しい。そこで従来技術に替わる磁気再生ヘッドとしてスピン蓄積効果（非特許文献１）を応用した磁気センサの採用が提案されている（特許文献１）。スピン蓄積効果とは、強磁性体から非磁性導電体に電流を流した際に、スピン拡散長λの範囲内で、非磁性導電体にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。スピン拡散長λ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。

ここで、非磁性導電体として非磁性金属細線を用い、この非磁性金属細線上に２つの強磁性体を積層した基本素子（スピン蓄積素子）構造に関して説明する。２つの強磁性体の内、片方の第一の強磁性体をスピン蓄積効果による出力電圧の検出部分とし、もう片方の第二の強磁性体はスピン注入源とし、非磁性導電体へと電流を流す。強磁性体は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、第二の磁性体から非磁性金属細線へと電流を流すことで、非磁性金属細線中では、スピン密度に差が誘起される。この蓄積されたスピン偏極した電子のため、非磁性金属細線はスピン拡散長の範囲内で、強磁性的な振る舞いをすることが知られている（非特許文献１）。この効果を用いると、第一の強磁性体と第二の強磁性体の磁化の向きに依存して、検出部分に電圧差ΔＶが生じる。この電圧差のことをスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶと呼んでいる。なお、出力電圧の測定方法として、電圧検出部分には電流が流れない非局所電圧測定が一般的に用いられている（非特許文献１）。ΔＶの増大のためには、スピン拡散長λを長くすること、２つの強磁性体間の距離ｄ１を減少させること等が有効である（特許文献２）。

特開２００４−３４２２４１号公報特開２００４−１８６２７４号公報

F. J. Jedema et al., "Spin injection and spin accumulation in all-metal mesoscopic spin valves", Phys. Rev. B, vol.67, (2003), pp.85319-85319(16) Klaas B. Klaassen et al., "Broad-Band Noise Spectroscopy of Giant Magnetoresistive Read Heads", IEEE Trans Magn, vol.41, NO.7, (2005), pp.2307-2317

磁気再生ヘッドに使用される磁気センサは高ＳＮ比化のためノイズの低減が要求されている。磁気センサで発生する主なノイズとして、ジョンソンノイズ、ショットノイズ、マグノイズがある。上記ノイズ中ではマグノイズが最も大きいこと、ジョンソンノイズ、ショットノイズは低抵抗化により低減できることから、ノイズ低減に関してマグノイズの低減が重要となっている。マグノイズは自由層の磁化が熱的に揺らぐことで発生するノイズで、次式で与えられることが知られている（非特許文献２）。

ここで、ΔＶは出力電圧、Ｈ_stiffは実効的な異方性磁界、αはダンピング定数、ｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、γはジャイロ磁気定数、μ₀は真空の透磁率、Ｍ_sは磁性体の飽和磁化、Ｖは磁性体の体積である。

この式からマグノイズは磁性体体積の平方根に逆比例するため、記録密度の向上に伴う自由層の体積低下により、マグノイズは増大する傾向にある。ＳＮ比を向上するため、マグノイズを低減しなくてはならない。

本発明のスピン蓄積素子は、検出部において自由層となる磁性導電体に反強磁性導電体を積層させる。自由層の磁性導電体は反強磁性導電体との交換結合により、磁性導電体単体のときよりも異方性磁界が増加するため、スピン蓄積素子のマグノイズは低下する。

すなわち、本発明によるスピン蓄積素子は、第一の非磁性導電体と、第一の非磁性導電体に第一の絶縁障壁層を介して第一の磁性導電体、第一の反強磁性導電体の順で、又は第一の反強磁性導電体、第一の磁性導電体の順で形成された第一の積層体と、第一の積層体から離れた第一の非磁性導電体の位置に、第二の絶縁障壁層を介して第二の磁性導電体、第二の反強磁性導電体の順で形成された第二の積層体と、第一の非磁性導電体と第一の磁性導電体との間の電圧を測定するための回路と、第二の絶縁障壁層を介して第一の非磁性導電体と前記第二の積層体の間に電流を流すための回路とを有する。

第一の反強磁性体の膜厚は３ｎｍ以下が望ましい。また、第一の磁性導電体の磁化方向は外部磁場が印加されるとその外部磁場の方向に変化する。

本発明によると、従来に比較して、高ＳＮ比のスピン蓄積素子が得られる。
これ以外の、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。

本発明の第一の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図。本発明の第一の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図。本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図。本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図。図１Ａに示したスピン蓄積素子のノイズを示す図。本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の出力を示す図。本発明による磁気センサを備える磁気記録再生ヘッドの概略図。磁気記録装置の概略図。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１Ａ及び図１Ｂに、本発明の第一の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図を示す。スピンを蓄積する第一の非磁性導電体３に出力電圧を検出する検出部１、偏極したスピンを注入する注入部２が形成されている。第二の磁性導電体２１の磁化は、第二の反強磁性導電体２２により磁気的に固定されている。ただし、第二の磁性導電体２１の磁化の固定は、この方法に限らず、積層フェリ構造などによっても可能である。第一の非磁性導電体３にスピン蓄積して誘起される電圧は電圧検出器４で検出する。検出部１は、図１Ａに示すように第一の絶縁障壁層１３を介して自由層となる第一の磁性導電体１１、第一の反強磁性導電体１２の順で積層した構造、又は、図１Ｂに示すように第一の絶縁障壁層１３を介して第一の反強磁性導電体１２、第一の磁性導電体１１の順で積層した構造をとる。磁性導電体と反強磁性導電体の積層膜は、磁性導電体と反強磁性導電体間の交換結合により、磁性導電体単体時よりも異方性磁界は大きくなる。その結果、マグノイズを表す式（１）において分母が大きくなることから出力電圧のマグノイズは低下する。

第一の非磁性導電体３は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ａｌ，Ｐｄ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｒｈ等から選択される非磁性導電性金属、又は、ＧａＡｓ，Ｓｉ，ＴｉＮ，ＴｉＯ，ＲｅＯ₃を主成分とする導電性の化合物を用いることができる。第一の磁性導電体１１、第二の磁性導電体２１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、あるいはＭｎを主成分として含有している合金あるいは化合物を用いることができる。さらに、ハーフメタルＦｅ₃Ｏ₄に代表されるＡＢ₂Ｏ₄（ＡはＦｅ，Ｃｏ，Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｚｎの一つ）なる構造を持つ酸化物、ＣｒＯ₂，ＣｒＡｓ，ＣｒＳｂあるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ₂ＭｎＧｅ，Ｃｏ₂ＭｎＳｂ，Ｃｏ₂Ｃｒ_0.6Ｆｅ_0.4Ａｌなどに代表されるＣ₂Ｄ×Ｅ×Ｆ型（ＣはＣｏ，ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類、ＤとＥはそれぞれＭｎ，Ｆｅ，Ｃｒの１種、ＦはＡｌ，Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有する材料）のホイスラー合金を、これら磁性層が含有していてもよい。第一の絶縁障壁層１３、第二の絶縁障壁層２３は、ＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＺｎＯ，ＡｌＮ，ＳｉＯ₂，ＨｆＯ₂，Ｚｒ₂Ｏ₃，Ｃｒ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＳｒＴｉＯ₃の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜を用いることができる。第一の反強磁性導電体１２、第二の反強磁性導電体２２は、ＭｎＩｒ，ＭｎＰｔ，ＭｎＲｈ等を用いることができる。

図２Ａ及び図２Ｂに、本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の断面模式図を示す。第二の実施形態は第一の実施形態と注入部２が同じ構成であるが、検出部１が異なる構成をしている。第二の実施形態のスピン蓄積素子は、検出部１において、第一の非磁性導電体３と第一の絶縁障壁層１３の間に、スピン軌道相互作用の大きい第二の非磁性導電体１４を積層している。

検出部１に第二の非磁性導電体１４が積層されていないスピン蓄積素子では、第一の非磁性導電体３に蓄積されたスピンは注入部２から対称に拡散していくため、検出部１に流入するスピンは注入されたスピンの半分程度であり、逆方向に拡散したスピンは出力電圧に寄与しない。だが、スピン流はスピン抵抗の小さい部分を流れる性質があることから、非磁性細線の片側に低スピン抵抗の層を形成すると、スピン抵抗の低い側へ拡散するスピンの量が大きくなり、対称に拡散しなくなる。そこで第二の実施形態では、検出部１にスピン抵抗が小さい層として第二の非磁性導電体１４を形成している。第二の非磁性導電体１４により、第一の非磁性導電体３で注入されたスピンはスピン抵抗の低い第二の非磁性導電体１４側へ流れやすくなる。その結果、第二の非磁性導電体１４が形成されていない場合より検出部１へ流れこむスピン流Ｉ_sは数十％程度増大し、スピン蓄積素子の出力電圧は増加する。

スピン軌道相互作用が大きい材料はスピン抵抗が小さいため、第二の非磁性導電体１４はスピン軌道相互作用の大きいＰｔ，Ａｕ，Ｐｄ等に代表される金属、又はそれを主成分とする化合物が用いられる。ただし、第二の非磁性導電体１４は必ずしも上記の材料に限られず、第一の非磁性導電体３よりもスピン軌道相互作用の大きい材料を用いればよい。

また、図２Ｂに示したスピン蓄積素子の検出部１は、第二の非磁性導電体１４、第一の絶縁障壁層１３、第一の反強磁性導電体１２、第一の磁性導電体１１の順で積層している。これはＴＡＭＲ（Tunneling Anisotropy Magneto Resistance）の効果が高くなる構造になっている。ＴＡＭＲとは、磁性導電体と絶縁障壁層の積層膜へ垂直に電流を流したとき、その積層膜の抵抗が外部磁場の方向と大きさによって変化する現象であり、上記の積層順で構成された積層膜では抵抗の変化率が高くなる。図１Ｂに示したスピン蓄積素子の検出部１の積層構造も、ＴＡＭＲの効果が高くなる構造である。図２Ｂに示したスピン蓄積素子は、第二の非磁性導電体１４によるスピン流増大の効果と、ＴＡＭＲの効果を得ることができるため、第一の磁性導電体１１と第一の絶縁障壁層１３のみで構成されたスピン蓄積素子に比べて出力電圧は増加する。

図３に、図１Ａに示した第一の実施形態のスピン蓄積素子において、第一の反強磁性導電体１２としてＭｎＩｒを使用した場合の、出力電圧に含まれるノイズとＭｎＩｒ膜厚の関係を示す。ＭｎＩｒの膜厚増加に伴い、ノイズが低下する傾向にある。これは第一の磁性導電体１１の異方性磁界がＭｎＩｒの膜厚が大きくなるほど高くなるためで、ＭｎＩｒが存在しない（膜厚０ｎｍ）従来の場合より出力電圧に含まれるノイズを低くすることができる。しかし、ＭｎＩｒが厚くなるとノイズは低下するが、第一の磁性導電体１１の異方性磁界が高くなるため磁化方向が変化しにくくなり、５ｎｍ以上では磁化方向が固定されるため望ましくない。また、ＭｎＩｒ膜厚が３ｎｍを超えると、外部磁束密度が５ｍＴの場合、ＴＡＭＲの効果が得られないため望ましくない。また、磁気記録装置の磁気センサは磁気シールド間のギャップ長を小さくするため積層膜は薄いほど望ましい。これらのことから、第一の反強磁性導電体１２の膜厚は３ｎｍ以下が望ましい。また、本発明の効果は第一の反強磁性導電体１２が第一の磁性導電体１１と磁気的に結合することから得られるため、第一の反強磁性導電体１２の膜厚は０．２ｎｍ以上であることが望ましい。

図４は、スピン蓄積素子の出力電圧ΔＶと第一の磁性導電体１１と第二の磁性導電体２１の磁性体間距離ｄの関係を示す図である。図には、図２Ａ及び図２Ｂに示した本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の特性と、検出部１が第一の絶縁障壁層１３と第一の磁性導電体１１のみの積層によって構成された従来のスピン蓄積素子の特性を比較して示している。

出力電圧ΔＶは磁性体間距離ｄが大きくなるほど低下するが、図２Ａ及び図２Ｂに示した本発明の第二の実施形態のスピン蓄積素子の出力電圧ΔＶは、磁性体間距離ｄが６００ｎｍのとき従来比で２０％及び５０％増加する結果が得られた。図２Ａに示したスピン蓄積素子の出力電圧増加は、第二の非磁性導電体１４による検出部１へ流入するスピン流の増大で説明することができる。また、図２Ｂに示したスピン蓄積素子の出力電圧増加は、第二の非磁性導電体１４により流入するスピン流の増大と、ＴＡＭＲの効果により説明できる。

図５に、本発明のスピン蓄積素子を磁気センサとして用いた磁気記録再生ヘッドの概略図を示す。磁気記録再生ヘッド３００の磁気記録再生ヘッド素子部１００に、磁気センサ３０、記録部４０、下部シールド５０、上部シールド６０が設置されている。磁気センサ３０は下部シールド５０、上部シールド６０間に設置されており、検出部を磁気記録媒体４００に対向した面へ設置し、磁気記録媒体４００からの外部磁場を検出する。下部シールド５０、上部シールド６０は、磁気シールドとして機能すると共に磁気センサ３０への電極としても機能する。記録部４０の磁極から記録磁界を発生させて、磁気記録媒体４００へ磁気情報を記録する。磁気記録再生ヘッド素子部１００は、磁気記録ヘッドセラミック基板部２００に、積層工程を実施することで形成される。

図６は、図５に示した磁気記録再生ヘッドを搭載したスライダが先端に設置されたアーム５００と磁気記録媒体４００を搭載した磁気記録装置を示した概略図である。磁気記録媒体４００はスピンドルモータに接続された軸８００に取り付けられており、スピンドルモータにより回転する。アーム５００は可動機構６００により、記録媒体４００の半径方向にスライダを移動させ、所望の情報トラックへのアクセス、トラッキング動作を行う。磁気記録装置は、コネクタ７００に接続されたケーブルを介して電気の供給、装置に対する記録再生命令、記録情報の入力、再生情報の出力等が行われる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１検出部
２注入部
３第一の非磁性導電体
４電圧検出器
５直流電流源
１１第一の磁性導電体
１２第一の反強磁性導電体
１３第一の絶縁障壁層
１４第二の非磁性導電体
２１第二の磁性導電体
２２第二の反強磁性導電体
２３第二の絶縁障壁層
３０磁気センサ
４０記録部
５０下部シールド
６０上部シールド
１００磁気記録再生ヘッド素子部
２００磁気記録再生ヘッドセラミック基板部
３００磁気記録再生ヘッド
４００磁気記録媒体
５００アーム
６００可動機構
７００コネクタ
８００軸

Claims

第一の非磁性導電体と、
前記第一の非磁性導電体に第一の絶縁障壁層を介して第一の磁性導電体、第一の反強磁性導電体の順で、又は第一の反強磁性導電体、第一の磁性導電体の順で形成された第一の積層体と、
前記第一の積層体から離れた前記第一の非磁性導電体の位置に、第二の絶縁障壁層を介して第二の磁性導電体、第二の反強磁性導電体の順で形成された第二の積層体と、
前記第一の非磁性導電体と前記第一の磁性導電体との間の電圧を測定するための回路と、
前記第二の絶縁障壁層を介して前記第一の非磁性導電体と前記第二の積層体の間に電流を流すための回路とを有し、
前記第一の非磁性導電体と前記第一の絶縁障壁層の間に第二の非磁性導電体が積層されており、前記第一の非磁性導電体と前記第二の絶縁障壁層の間には前記第二の非磁性導電体が積層されておらず、前記第二の非磁性導電体は前記第一の非磁性導電体よりもスピン軌道相互作用の大きい材料からなることを特徴とするスピン蓄積素子。
請求項１記載のスピン蓄積素子において、前記第一の反強磁性体の膜厚は３ｎｍ以下であることを特徴とするスピン蓄積素子。
請求項１記載のスピン蓄積素子において、前記第一の磁性導電体の磁化方向は外部磁場が印加されるとその外部磁場の方向に変化することを特徴とするスピン蓄積素子。
請求項１記載のスピン蓄積素子において、第一の反強磁性導電体、第一の磁性導電体の順で積層していることを特徴とするスピン蓄積素子。
記録部と再生部を備える磁気ヘッドにおいて、
前記再生部は一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シールド間に配置された磁気センサを有し、
前記磁気センサは、第一の非磁性導電体と、前記第一の非磁性導電体に第一の絶縁障壁層を介して第一の磁性導電体、第一の反強磁性導電体の順で、又は第一の反強磁性導電体、第一の磁性導電体の順で形成された第一の積層体と、前記第一の積層体から離れた前記第一の非磁性導電体の位置に、第二の絶縁障壁層を介して第二の磁性導電体、第二の反強磁性導電体の順で形成された第二の積層体と、前記第一の非磁性導電体と前記第一の磁性導電体との間の電圧を測定するための回路と、前記第二の絶縁障壁層を介して前記第一の非磁性導電体と前記第二の積層体の間に電流を流すための回路とを有し、前記第一の非磁性導電体と前記第一の絶縁障壁層の間に第二の非磁性導電体が積層されており、前記第一の非磁性導電体と前記第二の絶縁障壁層の間には前記第二の非磁性導電体が積層されておらず、前記第二の非磁性導電体は前記第一の非磁性導電体よりもスピン軌道相互作用の大きい材料からなり、前記第一の積層体が媒体対向面側に配置されていることを特徴とする磁気ヘッド。
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して情報の記録及び再生を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記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録装置において、
前記磁気ヘッドは、記録部と再生部を備え、前記再生部は一対の磁気シールドと、前記一対の磁気シールド間に配置された磁気センサを有し、
前記磁気センサは、第一の非磁性導電体と、前記第一の非磁性導電体に第一の絶縁障壁層を介して第一の磁性導電体、第一の反強磁性導電体の順で、又は第一の反強磁性導電体、第一の磁性導電体の順で形成された第一の積層体と、前記第一の積層体から離れた前記第一の非磁性導電体の位置に、第二の絶縁障壁層を介して第二の磁性導電体、第二の反強磁性導電体の順で形成された第二の積層体と、前記第一の非磁性導電体と前記第一の磁性導電体との間の電圧を測定するための回路と、前記第二の絶縁障壁層を介して前記第一の非磁性導電体と前記第二の積層体の間に電流を流すための回路とを有し、前記第一の非磁性導電体と前記第一の絶縁障壁層の間に第二の非磁性導電体が積層されており、前記第一の非磁性導電体と前記第二の絶縁障壁層の間には前記第二の非磁性導電体が積層されておらず、前記第二の非磁性導電体は前記第一の非磁性導電体よりもスピン軌道相互作用の大きい材料からなり、前記第一の積層体が媒体対向面側に配置されていることを特徴とする磁気記録装置。