JP5977988B2

JP5977988B2 - スピントルク発振器を有するマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド及び磁気記録装置

Info

Publication number: JP5977988B2
Application number: JP2012093802A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　陽; 陽佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: US20130271866A1; JP2013222485A; US9030777B2

Description

本発明は、安定して高周波発振するスピントルク発振器、及び、高い磁気記録密度に対応した、マイクロ波アシスト記録用スピントルク発振器を有した磁気記録ヘッド、並びに磁気記録装置に関するものである。

近年、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の再生ヘッドに用いられているＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）ヘッドや、スピン注入ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）など、スピンエレクトロニクス素子が情報技術の発展に大きな貢献をしている。このような、スピンエレクトロニクス素子の開発過程で、スピントルクを用いて磁性体を発振させ、マイクロ波を発生させるスピントルク発振器や、高周波電流を整流するスピントルクダイオード効果などが発見され、高周波の生成、検波、変調、増幅など、その応用の可能性は更なる広がりを見せている。特に、ＨＤＤへのスピントルク発振器の応用に関しては、将来の高記録密度を達成する手段として、大きな注目を浴びている。以下に、ＨＤＤの高記録密度化が直面する問題及び、それを解決し高記録密度を達成するための方法に関して、より詳細に背景を説明する。

ＨＤＤはその記録密度向上に伴い、年々、記録媒体のビットサイズは微細化が進んでいる。しかしながら、ビットサイズの微細化が進むにつれ、熱揺らぎによる記録状態の消失が懸念される。このような問題を解決し、将来の高密度記録での記録ビットを安定に維持するためには保磁力の大きな、すなわち磁気異方性の大きな、記録媒体を使用する必要があるが、保磁力の大きな記録媒体に記録を行うためには強い記録磁界が必要である。しかし実際には、記録ヘッドの狭小化及び、利用可能な磁性材料の制限により、記録磁界強度にも上限がある。このような理由により、記録媒体の保磁力は、記録ヘッドで発生可能な記録磁界の大きさによって制約される。このように、媒体の高い熱安定性と、記録しやすい保磁力という、相反する要求に応えるため、各種の補助手段を使って記録媒体の保磁力を記録時にのみ実効的に低くする記録手法が考案されており、磁気ヘッドとレーザなどの加熱手段を併用して記録を行う熱アシスト記録などがその代表である。

一方、記録ヘッドからの記録磁界に高周波磁界を併用することにより記録媒体の保磁力を局所的に低減させて記録を行うアイディアも存在する。例えば、特許文献１には、高周波磁界により磁気記録媒体をジュール加熱あるいは磁気共鳴加熱し、媒体保磁力を局所的に低減することにより情報を記録する技術が開示されている。このような高周波磁界と磁気ヘッド磁界との磁気共鳴を利用する記録手法（以降、マイクロ波アシスト記録という）では、磁気共鳴を利用するため、反転磁界の低減効果を得るには、媒体の異方性磁界に比例する、大きな高周波磁界を印加することが必要である。

近年になり、スピントルク発振器のように、スピントルクを用いた高周波磁界の発生原理が提案され、マイクロ波アシスト記録の可能性が現実的なものとなってきた。たとえば、非特許文献１には、外部からのバイアス磁界なしに発振するスピントルク発振器に関する計算結果が開示されている。また、非特許文献２には、垂直磁気記録ヘッドの主磁極に隣接した磁気記録媒体近傍に、スピントルクによって磁化が高速回転する磁化高速回転体（Field Generation Layer：ＦＧＬ）を配置してマイクロ波（高周波磁界）を発生させ、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する技術が開示されている。さらに、非特許文献３には、ＦＧＬに近接する主磁極の磁界を利用してＦＧＬの回転方向を制御するスピントルク発振器が提示され、これにより、効率的に、媒体のマイクロ波アシスト磁化反転が実現できるとされている。

特開平６−２４３５２７号公報特開２００９−４９１０１号公報

X. Zhu and J. G. Zhu, "Bias-Field-Free Microwave Oscillator Driven by Perpendicularly Polarized Spin Current", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, P2670, VOL.42, NO.10 (2006) J. G. Zhu and X. Zhu, "Microwave Assisted Magnetic Recording", The Magnetic Recording Conference (TMRC) 2007 Paper B6 (2007) J. Zhu and Y. Wang, "Microwave Assisted Magnetic Recording with Circular AC Field Generated by Spin Torque Transfer", MMM Conference 2008 Paper GA-02(2008) J. C. Slonczewski, JMMM 150, 13-24 (1995) Mizukami et al., Phy. Rev., B 66, 104413 (2002)

マイクロ波アシスト記録用のスピントルク発振器に求められる特性は、大きな高周波磁界強度・高い発振周波数・大きなスピントルク効率・安定した発振特性であると考えられる。

とくに大きなアシスト効果を得るためには、大きな高周波磁界強度が必要で、そのためにはＦＧＬの飽和磁束密度Ｂｓ及び膜厚を厚くする必要がある。一方で、Slonczewskiの理論（非特許文献４）によると、Ｂｓ及び磁性層の膜厚が増加するにつれて、発振に必要な電流密度は増加する。しかしながら、一般的には１０⁸Ａ／ｃｍ²の電流密度を超えるオーダーの電流を流した場合には、発熱や、エレクトロマイグレーションによって、信頼性に問題が発生すると考えられている。したがって、大きな高周波磁界強度を得るためにＢｓ及び膜厚を厚くした場合には、大きなスピントルク効率と両立するためには、電流密度を増加させる以外の方法の検討が必要である。

そのためには、材料の観点からは、磁性層のスピン偏極率（スピンの向きが揃っている度合い）を大きくする方法と、ダンピング（スピンの制動（減衰））を低減させる方法がある。磁性層のスピン偏極率を向上させるためには、ハーフメタル（上向き又は下向きのスピンを有するそれぞれの電子のエネルギーバンドのずれが大きくなり、エネルギーギャップを持つ物質（強磁性体））を用いることが考えられる。しかしながら、室温で強磁性を示すハーフメタルとして代表的なホイスラー合金（Ｃｏ，Ｆｅなどのそれぞれの元素が規則性を持って並ぶことで強磁性となる合金）は、非磁性金属を含む組成を基本としているため、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉのみからなる高Ｂｓ材料に比べ、Ｂｓが小さくなるという問題点がある。

また、磁性体のダンピングを低減させる方法としては、磁性層の材料そのもののもつ磁気緩和機構によるものと、磁性層に隣接する材料からのスピンポンピング（磁性層から非磁性層へのスピンカレントの流出）を用いたものが考えられる。しかしながら、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉなど、３ｄ遷移元素からなる高Ｂｓ材料については、そもそもダンピングが比較的小さいと考えられるため、スピンポンピングによるダンピング低減効果は小さい。また、スピントルク発振器の構造によっては、高周波磁界発生層に大きな磁気異方性を発現させるために、５ｄ遷移元素を添加する必要がある場合もあり、このような場合は、一般的には大きなスピン軌道相互作用の影響でダンピングが増大する。このように材料の観点から高周波磁界強度を増加させることは非常に難しい。

さらなる問題点として、非特許文献１に記されたように、記録磁界を発生させる主磁極と、磁界勾配を向上させるためのトレーリングシールドの間にスピントルク発振器を配置した構造では、スピントルク発振器に、大きな膜面垂直磁界が印加されるため、高周波磁界発生層の磁化が膜面垂直に向いてしまい、磁化が膜面垂直方向に傾いた状態で発振する。非特許文献１に示されるような垂直磁化膜を高周波磁界発生層と強磁性的に結合させた構造では、膜面垂直磁界と垂直磁化膜からの結合磁界がどちらも高周波磁界発生層の磁化を膜面垂直に傾けるため、アシスト記録に必要な大きな面内方向の高周波磁界を得ることが難しい。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、安定して大きな高周波磁界を発生し、信頼性が高いスピントルク発振器を提供することにある。

本発明のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドは、主磁極とスピントルク発振器とを有し、スピントルク発振器の高周波磁界発生層（発振層）と接する界面に、非磁性結合層を介して磁化制御層を反強磁性的に結合させた。

本発明によれば、高周波磁界発生層から発生する高周波磁界強度が増加し、かつ安定した発振を実現することができる。
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。

本発明によるマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドの一例を示す概略図であり、スピントルク発振器の部分を拡大して示した図である。実施例１の構造で得られる発振層磁化の面内成分割合を示す図である。本発明によるマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドの他の例を示す概略図であり、スピントルク発振器の部分を拡大して示した図である。実施例２の構造で得られる発振層磁化の面内成分割合を示す図である。スピントルク発振器を搭載した磁気ヘッドの例を示す概略図である。磁気記録再生装置の全体構成例を示す上面模式図である。図６ＡのＡ−Ａ′での断面図である。

以下に本発明の実施例を挙げ、図表を参照しながらさらに具体的に説明する。

［実施例１］
図１は、本発明によるマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドの一例を示す概略図であり、スピントルク発振器の部分を拡大して示した図である。

主磁極１の材料としては、高い記録磁界強度を確保するため、Ｂｓが２．４ＴのＣｏＦｅＮｉを用いた。下地層２からキャップ層８までの積層膜は、真空中で一括してスパッタ成膜した。以下、積層順に、用いた材料の説明を進める。

下地層２としては、スピン注入層３の垂直磁気異方性を発現させる材料であればよく、本実施例ではＴａ（１０）を用いた。なお、（）内の数値は膜厚を表し、単位はナノメートルである。このほかにも、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｐｔなどを用いることができる。下地層２の厚さは、主磁極１の結晶の連続性をリセットする、主磁極１とスピン注入層３の磁気的な結合を抑制することが可能な厚さが必要で、少なくとも０．５ｎｍ以上必要である。また、下地層２の厚さを変化させることで、主磁極１と高周波磁界発生層（以下、発振層という）５の距離を調整することも可能で、その際は、発振層５からの高周波磁界と、主磁極１からの記録磁界を重ね合わせた磁界強度や勾配が最も効率的に媒体の磁化反転を促すように配置する。重ね合わせた磁界強度や勾配が効率的にマイクロ波アシスト効果を発現させるためには、主磁極１と発振層５の距離が遠すぎる場合は効率が落ちるため、下地層２の厚さは２０ｎｍ以下に設定することが望ましい。

スピン注入層３は、高い垂直磁気異方性を有する材料を用いることが必要で、本実施例では、Ｃｏ（０．２）とＮｉ（０．４）を交互に１５回積層した人工格子薄膜を用いた。作製した垂直磁化膜は、膜面に対して垂直方向に１６ｋＯｅの磁気異方性を有し、スピントルクによる磁気擾乱に耐える、十分大きな異方性を有する。このほかにも、スピン注入層３としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜に第三元素としてＰｔやＰｄを添加した垂直磁気異方性を有する合金、Ｃｏ／ＰｔやＣｏ／Ｐｄなどの多層積層膜など、垂直磁気異方性を有する材料を用いることが可能である。

また、スピン注入層３の膜厚は、スピントルクによる磁気擾乱に耐えられる範囲で膜厚を設定することが可能で、１６ｋＯｅの垂直磁気異方性を有する場合には、３ｎｍまで薄膜化しても発振特性に影響はなかった。また、Ｃｏ／Ｐｔを用いた場合は、２０ｋＯｅを超える垂直磁気異方性を発現できるため、より薄膜化することが可能で、その場合は、１ｎｍ以上の膜厚での発振を確認した。また、スピン注入層３は、膜厚を厚くするほどスピントルク耐性が高いと考えられるが、主磁極１からの記録磁界と発振層５からの高周波磁界を重ね合わせた磁界強度や勾配が最も効率的に媒体の磁化反転を促すように配置する必要があることを考えると、主磁極１と発振層５の距離が遠すぎる場合は効率が落ちるため、スピン注入層３の厚さは２０ｎｍ以下に設定することが望ましい。

その上に積層されるスピン伝導層４としては、スピン拡散長の長い材料を用いることが可能で、本実施例ではＣｕ（２）を用いたが、そのほかにも、Ａｕ，Ａｇなどの金属材料を用いることができる。金属材料を用いた場合には、スピン注入層３と発振層５が強磁性的に結合し一体の磁化挙動にならない範囲で薄膜化することが可能で、０．５ｎｍ以上あれば、磁気的な結合を十分小さくすることが可能である。また、各材料におけるスピン拡散長の範囲内で厚くすることも可能であるが、スピン注入効率を最も高めるには、出来る限り薄膜化した方が効率がよく、５ｎｍ以下に抑えることが望ましい。

また、ＴＭＲを利用したスピントルク発振器を構成することも可能であり、その場合には、スピン伝導層４として、Ａｌ−Ｏ，Ｍｇ−Ｏ，Ｚｎ−Ｏなど、大きなスピン依存トンネリング現象の期待できる絶縁層を形成することが望ましい。スピン伝導層４として絶縁層を用いた場合には、膜厚の増加に伴い指数関数的に素子抵抗が増加するため、大きな電流密度でスピン注入効率を高めようとする観点からは薄いほうが良く、絶縁層として機能する最低限の膜厚である０．４ｎｍから２ｎｍの間の範囲の膜厚を用いることが望ましい。

その上に、発振層５としてＣｏ₅₀Ｆｅ₅₀（１２）を形成した。なお、材料の添え字は、その材料の組成をａｔ％で表記したものである。発振層５の材料としては、Ｃｏ₅₀Ｆｅ₅₀の他にも、その他の組成や材料を用いて比較的高Ｂｓな層を形成することも可能で、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ又はこれらを含む合金や、スピン注入効率の高い材料としてＣｏ−Ｆｅ−Ｇｅ，Ｃｏ−Ｍｎ−Ｇｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ａｌ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ，Ｃｏ−Ｍｎ−Ｓｉ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉなどのホイスラー合金とＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ又はこれらを含む合金を積層させることで高Ｂｓと高いスピン偏極率を両立させたような構造にしてもよい。更にＣｏ／ＦｅやＣｏ／Ｉｒなどの負の垂直異方性を示す材料でも良い。発振層５の膜厚は、高周波磁界強度を増加させるためには、高Ｂｓかつ厚膜である方がよいが、膜厚が厚くなるほど発振に必要な電流密度が増加し、また、膜厚方向の反磁界も低下するために、発振層磁化が膜面垂直方向を向きやすくなる。したがって、最大の高周波磁界強度を得るためには、スピン注入効率、反磁界、主磁極１からトレーリングシールド９へと貫く磁界強度のバランスが大切で、これらのバランスを考えた場合には、発振層５の膜厚は、３ｎｍから２０ｎｍの間の膜厚を使うことが望ましい。

その上に積層される非磁性結合層６として、本実施例ではＲｕ（０．４）を用いた。Ｒｕを用いた場合は、最も大きな反平行結合強度が０．４ｎｍの膜厚の場合に得られ、その結合強度は４erg／ｃｍ²であった。非磁性結合層６には、Ｒｕのほかにも、Ｒｕ−Ｆｅ合金など、発振層５と磁化制御層７の間に反強磁性結合を生じさせる材料を用いることが可能である。Ｒｕ−Ｆｅを用いた場合には、反平行結合が得られる最適膜厚がＲｕの場合と比べると０．１〜０．２ｎｍ程度厚膜側にずれることがわかっている。

また、非磁性結合層６の膜厚は、非磁性結合層６を介して、発振層５と磁化制御層７が反強磁性的な結合をする範囲で任意の膜厚を選択することができる。反強磁性的な結合強度は、非磁性結合層６の膜厚とＲＫＫＹ相互作用（金属中の伝導電子のスピンを介して行われる局在スピン同士の相互作用）により決まるため、本実施例で用いたＲｕの０．４ｎｍという膜厚以外に、０．８ｎｍなど、より厚い厚膜でも反平行結合が得られる膜厚を用いることが可能である。但し、２ｎｍを超えるような厚膜では十分に強い反平行結合強度を得ることが難しいため、０．２ｎｍから２．０ｎｍの範囲内の膜厚でＲｕやＲｕ−Ｆｅ膜を積層することが望ましい。

その上に積層される磁化制御層７は、垂直磁気異方性を有する材料を用いることが望ましく、本実施例では、Ｃｏ（０．２）とＮｉ（０．４）を交互に１０回積層した人工格子薄膜を用いた。本実施例で作製した磁化制御層７の磁気異方性は１４ｋＯｅで、外部磁界がない場合も磁化が膜面垂直に向いている。但し、垂直磁気異方性が反磁界よりも弱く、磁化が膜面方向に向いた磁化制御層７を用いても本実施例の効果には変わりがない。このほかにも、磁化制御層７としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜に第三元素としてＰｔやＰｄを添加した垂直磁気異方性を有する合金、Ｃｏ／ＰｔやＣｏ／Ｐｄ多層積層膜など、垂直磁気異方性を有する材料を用いることが可能である。

その上に積層したキャップ層８として、本実施例ではＲｕ（３）を用いた。キャップ層８は、その上部に位置するトレーリングシールド９との磁気的な結合を遮断し、プロセス中のミリングダメージを防ぐために必要である。このような目的が満たされる材料として、Ｒｕ（３）の他にも、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｔａなどを用いることが可能である。

トレーリングシールド９は、主磁極１の磁界勾配を急峻にするために必要であるが、スピントルク発振器の高周波磁界強度が十分高い場合は、必ずしも必要ではない。

トレーシングシールド９から、キャップ層８、磁化制御層７、非磁性結合層６、発振層５、スピン伝導層４、スピン注入層３、下地層２、そして主磁極１を通って注入された電子は、スピン伝導層４とスピン注入層３との界面で反射され、その反射された電子が発振層５にスピントルクを与える。この界面での反射では、スピン注入層３における図１の矢印で示した磁化とのスピン相互作用により、スピン注入層３の磁化と反平行にそろえるトルクとして、発振層５に供給される。このスピントルクと、ダンピングトルクがつり合った状態で発振が起こる。ダンピングトルクの大きさは、発振層５の膜面垂直方向の磁気異方性、非磁性結合層６を介して磁気的に結合した磁化制御層７からの結合磁界、主磁極１からトレーリングシールド９へと抜けるギャップ磁界の和で決定される。

図２に、本実施例で作製した材料パラメータを用いて、発振特性のマイクロマグシミュレーションを行った結果を示す。シミュレーションモデルは、幅４０ｎｍ、高さ４０ｎｍの正方形の素子に、実際に作製した各層膜厚と、飽和磁束密度、磁気異方性を設定し、電子を発振層５から、スピン注入層３へと流すモデルとした。この時、膜面垂直方向に傾いて発振している発振層の磁化の面内方向への斜影の時間平均を、発振磁化の面内成分割合とした。図２によると、磁化制御層７と発振層５の間に磁気的な結合がない場合に比べて、非磁性結合層６を介して反強磁性的な結合がある場合は（−の結合強度は反強磁性的な結合を意味する）発振層磁化の面内成分割合が増加することが分かる。

図２より、少なくとも、発振層５と磁化制御層７の間に反強磁性結合があれば、発振層５の面内磁化成分の割合は、結合がない場合に比べて増加するので、本実施例の効果はどのような反強磁性結合強度でも有効であるが、特に、本実施例で作製した−４erg／ｃｍ²のような強い反強磁性結合強度が得られる場合は、さらに効果が高く、結合がない場合に比べて発振層磁化の面内成分割合を２５％増加させることができる。

また、発振層５が、非磁性結合層６を介して、磁化制御層７と反強磁性結合がある場合は、結合がない場合に比べ、外部磁界が斜めに印加された時に、発振停止に至るまでの斜め磁界耐性が向上するというメリットがある。図１において、主磁極１からトレーリングシールドに向けて印加される磁界は、主磁極１やトレーリングシールド９の三次元形状、媒体との相互作用により、紙面からみて膜面垂直方向に磁界が傾いた方向に印加されやすい。そこで、紙面から膜面垂直方向に傾いた磁界角度をθとし、θが０度から４０度まで傾いたときに、スピントルク発振器が発振したかどうかについて、表１にまとめる。

表１からわかるように、発振層５と磁化制御層７の間に反強磁性結合がない場合（表１で結合強度０erg／ｃｍ²）の場合は、θ＝２０度以上では発振しないのに対して、結合強度−２erg／ｃｍ²では、θ＝３０度まで、結合強度が−４erg／ｃｍ²の場合は、θ＝４０度まで傾いても発振が継続する。これにより、実際のヘッドの発振歩留まりを考慮した場合には、発振層５を磁化制御層７と反強磁性結合させることで、主磁極１やトレーリングシールド９の形状、形状ばらつきに対してロバストなスピントルク発振器を形成可能になる。

上記では、シミュレーションモデルとして、幅４０ｎｍ、高さ４０ｎｍの素子に関する計算を行ったが、本実施例の効果はこのサイズ・形状に限定されるものではなく、幅や高さが１００ｎｍ程度に大きくなった場合や、幅と高さが異なる長方形型の素子についても、スピントルク発振がおこる素子であれば、非磁性結合層６を介して磁化制御層７が反平行に結合していることにより、発振層５の高周波磁界強度を大きくすることが可能である。

［実施例２］
図３は、本発明によるマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドの別の例を示す概略図であり、スピントルク発振器の部分を拡大して示した図である。本実施例のスピントルク発振器は、実施例１の図１に示した、主磁極１とトレーリングシールド９との間に設けた積層構造とは積層の順序を逆にした構造を有する。図３に示すように、積層の順序を逆にすることにより、主磁極１と発振層５との距離の調節が容易になる。一般に、記録媒体の性質や使用条件によって、主磁極１と発振層５との距離の最適値が存在する。

本実施例の構成では、下地層２からキャップ層８までの積層膜は、真空中で一括してスパッタ成膜した。以下、積層順に用いた材料の説明を進める。

下地層２は、磁化制御層７の垂直磁気異方性を発現させる材料であればよく、本実施例ではＴａ（１０）を用いた。このほかにも、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ｃｕ，Ｐｔなどを用いることができる。下地層２の膜厚は、引き続いて成膜される磁化制御層７に垂直磁気異方性を誘起するための下地として機能し、かつ、主磁極１と磁化制御層７の間の磁気的な結合を切る程度の膜厚が必要である。また、主磁極１からの記録磁界と発振層５からの高周波磁界の重ね合わせ磁界強度や勾配が最も効率的に媒体の磁化反転を促すように配置する必要があることを考えると、主磁極１と発振層５の距離が遠すぎる場合は効率が落ちるため、下地層２の厚さは２０ｎｍ以下に設定することが望ましい。下地層２の上に積層される磁化制御層７からキャップ層８までの材料、膜厚、構成は、実施例１に記載の内容と同一であるため、詳細な説明を省略する。

本実施例で形成した磁化制御層７の垂直磁気異方性は１７ｋＯｅあり、実施例１に記載の磁化制御層７よりも大きな値を得た。これは、実施例１と比べて、Ｔａ（１０）上の磁化制御層７が、より垂直磁気異方性を発現しやすい状態にあるということを意味している。このように、本実施例の構成では、下地層２の材料・膜厚の選択自由度が高いため、磁化制御層７の垂直磁気異方性をより大きくすることもできる。

本実施例では、実施例１の構成と電流の方向を反対にして動作させる。主磁極１から、下地層２、磁化制御層７、非磁性結合層６、発振層５、スピン伝導層４、スピン注入層３、キャップ層８、そしてトレーシングシールド９を通って注入された電子は、スピン伝導層４とスピン注入層３との界面で反射され、その反射された電子が発振層５にスピントルクを与える。この界面での反射では、スピン注入層３における図３の矢印で示した磁化とのスピン相互作用により、スピン注入層３の磁化と反平行にそろえるトルクとして、発振層５に供給される。このスピントルクと、ダンピングトルクがつり合った状態で発振が起こる。ダンピングトルクの大きさは、発振層５の膜面垂直方向の磁気異方性、非磁性結合層６を介して磁気的に結合した磁化制御層７からの結合磁界、主磁極１からトレーリングシールド９へと抜けるギャップ磁界の和で決定される。

図４に、本実施例で作製した材料パラメータを用いて、発振特性のマイクロマグシミュレーションを行った結果を示す。シミュレーションモデルは、幅４０ｎｍ、高さ４０ｎｍの正方形の素子に、実際に作製した各層膜厚と、飽和磁束密度、磁気異方性を設定し、電子を発振層５から、スピン注入層３へと流すモデルとした。この時、膜面垂直方向に傾いて発振している発振層５の磁化の面内方向への斜影の時間平均を、発振磁化の面内成分割合とした。

図４によると、磁化制御層７と発振層５の間に磁気的な結合がない場合に比べて、非磁性結合層６を介して反強磁性的な結合がある場合には（−の結合強度は反強磁性的な結合を意味する）発振層磁化の面内成分割合が増加することが分かる。図４より、少なくとも、発振層５と磁化制御層７の間に反強磁性結合があれば、発振層５の面内磁化成分の割合は、結合がない場合に比べて増加するので、本実施例の効果はどのような反強磁性結合強度でも有効である。実施例１の構成と比べると、磁化制御層７の磁気異方性が１４ｋＯｅから１７ｋＯｅに増大した影響で、非磁性結合層６の結合強度が大きいときに、実施例１と比べてさらに、発振層５磁化の面内成分割合が高くなる。

本実施例の構造でも、発振層５が、非磁性結合層６を介して、磁化制御層７と反強磁性結合がある場合には、結合がない場合に比べ、外部磁界が斜めに印加された時に、発振停止に至るまでの斜め磁界耐性が向上するというメリットがある。斜め磁界に対する発振耐性を計算した結果、本実施例の構成でも、実施例１で説明した表１に示す結果と同じ結果を得た。

ここでは、シミュレーションモデルとして、幅４０ｎｍ、高さ４０ｎｍの素子に関する計算を行ったが、本実施例の効果はこのサイズ・形状に限定されるものではなく、幅や高さが１００ｎｍ程度に大きくなった場合や、幅と高さが異なる長方形型の素子についても、スピントルク発振がおこる素子であれば、非磁性結合層６を介して磁化制御層７が反平行に結合していることにより、発振層５の高周波磁界強度を大きくすることが可能である。

［実施例３］
図５は、実施例１，２で説明したスピントルク発振器を搭載した磁気ヘッドの断面拡大図である。

磁気ヘッドは、記録ヘッド部と再生ヘッド部により構成されており、記録ヘッド部は、補助磁極２０６、主磁極１とトレーリングシールド９との間に配置されたスピントルク発振器２０１、主磁極を励磁するコイル２０５等により構成される。記録磁界は主磁極１から発生される。再生ヘッド部は、下部シールド２０８と上部シールド２１０の間に配置された再生センサ２０７等により構成される。図示されてはいないが、コイルの励磁電流や再生センサの駆動電流及び高周波磁界発生素子への印加電流は、各々の構成要素毎に設けられた電流供給端子により供給される。

図５に示すように、トレーリングシールド９は素子高さ方向上方にて主磁極１の方へ延び、互いに磁気的な回路を構成している。ただし、素子高さ方向上方において電気的に絶縁されているものとする。その結果、主磁極１からスピントルク発振器２０１を介してトレーリングシールド９へ、直列の電気回路が形成されるため、主磁極１及びトレーリングシールド９に電極を接続することで、スピントルク発振器２０１へスピントルク発振に必要な電流を流すことが可能である。

［実施例４］
実施例３に示した磁気ヘッド、及び磁気記録媒体を組み込んで磁気記録再生装置を構成した。図６Ａは本実施例の磁気記録再生装置の全体構成例を示す上面模式図であり、図６ＢはそのＡ−Ａ′での断面図である。

磁気記録媒体（磁気ディスク）１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図６Ｂには３枚の磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あれば良い。磁気記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層が形成されている。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向に移動し、先端部に磁気ヘッドを有する。サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を磁気記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。ロータリアクチュエータ１０３によってアーム１０５を駆動することにより、スライダ１０２に搭載された磁気ヘッドは、磁気記録媒体１０１上の所望トラックに位置付けられる。

磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、リードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、磁気記録再生装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１０とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。

上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、高い記録密度を示し、また動作の信頼性も良好であった。

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主磁極
２下地層
３スピン注入層
４スピン伝導層
５高周波磁界発生層（発振層）
６非磁性結合層
７磁化制御層
８キャップ層
９トレーリングシールド
１００モータ
１０１記録媒体
１０２スライダ
１０３ロータリアクチユエータ
１０４回転軸受け
１０５アーム
１０６サスペンション
１０８配線
１１０プロセッサ
１１１メモリ
１１２チャネルＩＣ
１１３ＩＣアンプ
２０１スピントルク発振器
２０５コイル
２０６補助磁極
２０７再生センサ
２０８下部シールド
２１０上部シールド

Claims

主磁極と、
前記主磁極上に膜面を前記主磁極の面に平行にして積層されたスピントルク発振器とを有し、
前記スピントルク発振器の高周波磁界発生層が、非磁性結合層を介して、磁化制御層と反強磁性的に結合しており、前記高周波磁界発生層と前記磁化制御層の磁化がほぼ同じ向きであることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記磁化制御層が、膜面垂直方向に磁化容易軸をもつ垂直磁気異方性膜であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記非磁性結合層が、Ｒｕ，Ｒｕ−Ｆｅから選ばれる少なくとも一つの材料を用いていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振器は、前記主磁極上に、下地層、スピン注入層、スピン伝導層、前記高周波磁界発生層、前記非磁性結合層、前記磁化制御層、キャップ層の順で積層されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振器は、前記主磁極上に、下地層、前記磁化制御層、前記非磁性結合層、前記高周波磁界発生層、スピン伝導層、スピン注入層、キャップ層の順で積層されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、
前記磁化制御層が、ＣｏとＮｉの多層膜であることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
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記録動作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付けるヘッド駆動部とを有し、
前記磁気ヘッドは主磁極と前記主磁極上に膜面を前記主磁極の面に平行にして積層されたスピントルク発振器とを備え、
前記スピントルク発振器の高周波磁界発生層が、非磁性結合層を介して、磁化制御層と反強磁性的に結合しており、前記高周波磁界発生層と前記磁化制御層の磁化がほぼ同じ向きである
ことを特徴とする磁気記録装置。