JP6614002B2 - Magnetic sensor, magnetic head, and magnetic recording apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録装置に関する。 The present invention relates to a magnetic sensor, a magnetic head, and a magnetic recording apparatus.
薄膜磁気記録再生ヘッド等に用いられる磁気センサとして、磁気抵抗素子が知られている。一般的に磁気抵抗素子では、磁化固定層と磁化自由層との間に電流を流すため、高出力が得られる。しかしながら、磁気抵抗素子を用いた磁気センサでは、電流が与えるスピントルクによる磁壁の移動などに起因する不必要な信号が得られてしまう。 A magnetoresistive element is known as a magnetic sensor used in a thin film magnetic recording / reproducing head. In general, in a magnetoresistive element, a high output is obtained because a current flows between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. However, in the magnetic sensor using the magnetoresistive element, an unnecessary signal resulting from the movement of the domain wall due to the spin torque given by the current is obtained.
一方、磁化自由層及び磁化固定層を同一水平面(スピンを蓄積するためのチャネル層)上に形成するスピン蓄積型(SA:Spin Accumulation)磁気センサが知られている(例えば、特許文献1、特許文献2)。 On the other hand, there is known a spin accumulation (SA) magnetic sensor in which a magnetization free layer and a magnetization fixed layer are formed on the same horizontal plane (channel layer for accumulating spin) (for example, Patent Document 1, Patent) Reference 2).
薄膜磁気記録再生ヘッドにスピン蓄積型磁気センサを用いた場合、磁気記録媒体などの外部磁場を感知する磁化自由層に電流を流す必要がない。すなわち、スピン蓄積型磁気センサでは、純スピン流のみを利用して、磁気状態を出力電圧として検出することが可能である。従って、磁気抵抗素子で観測されてしまう不必要な信号が、スピン蓄積型磁気センサでは観測される恐れは少ない。 When a spin accumulation type magnetic sensor is used for a thin film magnetic recording / reproducing head, it is not necessary to pass a current through a magnetization free layer for sensing an external magnetic field such as a magnetic recording medium. That is, in the spin accumulation type magnetic sensor, it is possible to detect the magnetic state as the output voltage by using only the pure spin current. Therefore, an unnecessary signal that is observed by the magnetoresistive element is less likely to be observed by the spin accumulation type magnetic sensor.
またスピン蓄積型磁気センサは、磁化固定層を設置する位置が限定されない。そのため、磁化固定層を外部磁場の影響を受けにくい位置に設置することができる。磁化固定層への外部磁場の影響を抑えることで、ノイズが低減され、空間分解能を高めることが可能である。 In the spin accumulation type magnetic sensor, the position where the magnetization fixed layer is installed is not limited. Therefore, the magnetization fixed layer can be installed at a position that is not easily affected by the external magnetic field. By suppressing the influence of an external magnetic field on the magnetization fixed layer, noise can be reduced and spatial resolution can be increased.
例えば、特許文献1には、チャネル層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角に依存した抵抗値変化を、チャネル層と磁化自由層に接続された電圧計で読み取るスピン蓄積型磁気センサが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a spin accumulation type magnetic sensor that reads a change in resistance value depending on the relative angle between the magnetization of a channel layer and the magnetization of a magnetization free layer with a voltmeter connected to the channel layer and the magnetization free layer. Has been.
しかしながら、特許文献1に記載の磁気センサにおける電圧計は、チャネル層及び磁化自由層と近接した位置でそれぞれに接続されている。そのため、電位差の基準となる部分(チャネル層における電圧計と接続された部分)が、外部磁場の影響を受ける位置に存在する。電位差の基準が外部磁場の影響を受けると、充分に空間分解能を高めることができない。 However, the voltmeter in the magnetic sensor described in Patent Document 1 is connected to the channel layer and the magnetization free layer at positions close to each other. Therefore, a portion serving as a reference for the potential difference (portion connected to the voltmeter in the channel layer) exists at a position affected by the external magnetic field. If the potential difference reference is affected by an external magnetic field, the spatial resolution cannot be sufficiently increased.
また例えば、特許文献2には、3端子構造のスピン蓄積型磁気センサが記載されている。3端子構造とすることで、磁気センサの小型化と外部磁場の影響を低減できることが記載されている。 For example, Patent Document 2 describes a spin accumulation type magnetic sensor having a three-terminal structure. It is described that the three-terminal structure can reduce the size of the magnetic sensor and the influence of an external magnetic field.
しかしながら、特許文献2に記載の磁気センサは、純スピン流を電圧として検出する経路と、チャネル層にスピンを注入する経路が一部で共通している。そのため、スピンを注入経路における電圧降下が、純スピン流の出力電圧のバックグラウンドとなってしまう。そのため、充分なバックグラウンドと出力の比が得られず、高い空間分解能を示すことができない。 However, in the magnetic sensor described in Patent Document 2, a path for detecting a pure spin current as a voltage and a path for injecting a spin into the channel layer are partially common. Therefore, the voltage drop in the spin injection path becomes the background of the output voltage of the pure spin current. Therefore, a sufficient background / output ratio cannot be obtained, and high spatial resolution cannot be exhibited.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、空間分解能の高い磁気センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a magnetic sensor with high spatial resolution.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1)本発明の一態様にかかる磁気センサは、チャネル層と、前記チャネル層の第1の部分に設けられ、外部磁場を検出する磁化自由層と、前記チャネル層の第1の部分とは異なる第2の部分に設けられ、前記チャネル層にスピンを注入する第1磁化固定層と、前記チャネル層にスピン流を注入するための電流を前記第1磁化固定層に流す電流源と、前記チャネル層の前記第2の部分を挟み、前記第1の部分と反対側に位置する第3の部分に設けられた参照電極と、前記磁化自由層と前記参照電極との間の電圧を測定する電圧計と、を備える。 (1) A magnetic sensor according to one aspect of the present invention includes a channel layer, a magnetization free layer that is provided in a first portion of the channel layer, and detects an external magnetic field, and the first portion of the channel layer. A first magnetization fixed layer that is provided in a different second portion and injects spins into the channel layer; a current source that supplies a current for injecting spin current into the channel layer to the first magnetization fixed layer; A voltage is measured between a reference electrode provided on a third portion located on the opposite side of the first portion across the second portion of the channel layer, and the magnetization free layer and the reference electrode. A voltmeter.
(2)上記(1)に記載の磁気センサにおいて、前記電流は、前記チャネル層において前記チャネル層の延在面に対して交差する方向に流れる構成とされ、前記チャネル層が等電位である構成でもよい。 (2) In the magnetic sensor according to (1), the current is configured to flow in a direction intersecting the extending surface of the channel layer in the channel layer, and the channel layer is equipotential. But you can.
(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載の磁気センサにおいて、前記チャネル層の前記第1磁化固定層が形成された面と反対側の面に設けられ、前記第1磁化固定層から注入されるスピンの向きと同一の向きのスピンを前記チャネル層に注入する第2磁化固定層をさらに備えてもよい。 (3) In the magnetic sensor according to any one of (1) and (2), the channel layer is provided on a surface opposite to the surface on which the first magnetization fixed layer is formed, and the first magnetization fixed A second magnetization fixed layer that injects spins in the same direction as spins injected from the layer into the channel layer may be further provided.
(4)上記(3)に記載の磁気センサにおいて、前記第1磁化固定層と前記第2磁化固定層の少なくとも一部が、前記チャネル層の延在方向の重なる位置に設けられていてもよい。 (4) In the magnetic sensor according to (3), at least a part of the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer may be provided at a position overlapping in the extending direction of the channel layer. .
(5)上記(4)に記載の磁気センサにおいて、前記電流源が、前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層と電気的に接続され、前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層の積層方向に電流を流す構成でもよい。 (5) In the magnetic sensor according to (4), the current source is electrically connected to the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer, and the first magnetization fixed layer and the second magnetization are A configuration in which a current flows in the stacking direction of the fixed layer may be used.
(6)上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第1磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える構成でもよい。 (6) The magnetic sensor according to any one of (1) to (5) may further include a barrier layer between the first magnetization fixed layer and the channel layer.
(7)上記(3)〜(6)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第2磁化固定層と前記チャネル層の間に障壁層をさらに備える構成でもよい。 (7) In the magnetic sensor according to any one of (3) to (6), the barrier layer may be further provided between the second magnetization fixed layer and the channel layer.
(8)上記(3)〜(7)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記参照電極が、前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層から、前記チャネル層のスピン拡散長よりも離れた位置にあってもよい。 (8) In the magnetic sensor according to any one of the above (3) to (7), the reference electrode has a spin diffusion length of the channel layer from the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer. It may be in a position farther away.
(9)上記(3)〜(8)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記磁化自由層が、前記第1磁化固定層または前記第2磁化固定層と、前記チャネル層のスピン拡散長より近い位置にあってもよい。 (9) In the magnetic sensor according to any one of (3) to (8), the magnetization free layer includes spin diffusion of the first magnetization fixed layer or the second magnetization fixed layer and the channel layer. It may be in a position closer than the length.
(10)上記(3)〜(9)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層は、それぞれ前記チャネル層と反対側の面に、非磁性層と、強磁性体層とを順に有し、前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層の磁化の向きは、それぞれに積層された前記強磁性体層によってそれぞれ固定されている構成でもよい。 (10) In the magnetic sensor according to any one of the above (3) to (9), the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer are respectively formed on a surface opposite to the channel layer. A configuration in which a magnetic layer and a ferromagnetic layer are sequentially provided, and the magnetization directions of the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer are fixed by the laminated ferromagnetic layers, respectively. But you can.
(11)上記(1)〜(10)のいずれか一つに記載の磁気センサにおいて、前記磁化自由層の少なくとも一部が磁気シールドされていてもよい。 (11) In the magnetic sensor according to any one of (1) to (10), at least a part of the magnetization free layer may be magnetically shielded.
(12)本発明の一態様にかかる磁気ヘッドは、上記(1)〜(11)のいずれか一つに記載の磁気センサを備える。 (12) A magnetic head according to an aspect of the present invention includes the magnetic sensor according to any one of (1) to (11).
(13)本発明の一態様にかかる磁気記録装置は、磁化によりデータを記録する磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の記録層に、前記磁化自由層を対向させて配置された上記(12)に記載の磁気ヘッドと、を備える。 (13) A magnetic recording apparatus according to one aspect of the present invention is a magnetic recording medium for recording data by magnetization, and the above-mentioned (12), wherein the magnetization free layer is disposed facing a recording layer of the magnetic recording medium. And a magnetic head described in 1. above.
本発明によれば、空間分解能の高い磁気センサを提供することができる。 According to the present invention, a magnetic sensor with high spatial resolution can be provided.
以下、本発明について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with appropriate reference to the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to these, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the effects of the present invention.
「第1実施形態」
図1は、本発明の第1実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第1実施形態にかかる磁気記録装置は、磁気ヘッド200と、磁気記録媒体Wとを有する。
“First Embodiment”
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing the magnetic recording apparatus according to the first embodiment of the present invention. The magnetic recording apparatus according to the first embodiment includes a
ここで、方向について図1に示すように定義する。磁気記録媒体Wが延在する一方向をx方向とし、x方向と垂直な方向をy方向として、xy面が磁気記録媒体Wの主面に平行になるようにとる。また磁気記録媒体Wと磁気ヘッド200とを結ぶ方向であって、xy平面に対して垂直な方向をz方向とする。
Here, the direction is defined as shown in FIG. A direction in which the magnetic recording medium W extends is defined as an x direction, a direction perpendicular to the x direction is defined as a y direction, and the xy plane is parallel to the main surface of the magnetic recording medium W. A direction connecting the magnetic recording medium W and the
磁気記録媒体Wは、磁気情報を磁化の向きとして記録する。磁気記録媒体Wは、記録層W1と裏打ち層W2とを有する。記録層W1は磁気記録を行う部分であり、裏打ち層W2は磁気ヘッド200からの書込み用の磁束を再び磁気ヘッド200に還流させる磁路(磁束の通路)である。裏打ち層W2により、記録層W1の垂直記録が可能となる。
The magnetic recording medium W records magnetic information as the direction of magnetization. The magnetic recording medium W has a recording layer W1 and a backing layer W2. The recording layer W1 is a portion for performing magnetic recording, and the backing layer W2 is a magnetic path (flux path) for returning the magnetic flux for writing from the
磁気ヘッド200は、磁気記録媒体Wの磁気情報の記録及び読み取りを行う。磁気ヘッド200は、エアベアリング面(Air Bearing Surface:媒体対向面)Sを磁気記録媒体Wと対向させ、磁気記録媒体Wからz方向に一定の距離離れた位置を飛行する。図1においては、磁気ヘッド200は、y方向に磁気記録媒体Wに対して相対的に移動する。
The
磁気ヘッド200は、磁気記録部110と磁気センサ100とを有する。
磁気記録部110は、磁気記録媒体Wの記録層W1に磁場を印加し、記録層W1の磁化の向きを決定する。すなわち、磁気記録部110は、磁気記録媒体Wの磁気記録を行う。
磁気センサ100は、磁気記録部110によって書き込まれた記録層W1の磁化の情報を読み取る。
The
The
The
<磁気記録部>
磁気記録部110は、主磁極111と、コンタクト部112と、リターンヨーク113と、コイル114とを有する。主磁極111は、リターンヨーク113上に、コンタクト部112を挟んで設けられている。コンタクト部112の周りには、コンタクト部112を取り囲むように、コイル114が配設されている。
<Magnetic recording part>
The
コイル114に書き込み電流を流すと、主磁極111のz方向下端から磁束が放出される。放出された磁束は、磁気記録媒体Wの記録層W1を通過し、裏打ち層W2の磁路に沿って、磁気ヘッド200側に還流する。磁気ヘッド200側に還流した磁束は、リターンヨーク113に回収される。磁束が記録層W1を通過する際に、記録層W1の磁化の向きを決定し、書込み動作が行われる。
When a write current is passed through the
<磁気センサ>
磁気センサ100は、図1に示すようにスピン蓄積型磁気センサである。
磁気センサ100は、チャネル層10と、外部磁場を検出する検出部20と、チャネル層10にスピンを注入する第1スピン注入部30と、電位の基準となる参照電極40と、参照電極40に対する電位差を測定する電圧計50と、を備える。また図1では、第1スピン注入部30に電流を流す電流源60が設けられている。
<Magnetic sensor>
The
The
(チャネル層)
チャネル層10は、第1スピン注入部30から注入されたスピンを蓄積する層であり、注入されたスピンによる純スピン流の流路である。チャネル層10は、磁気ヘッド200のエアベアリング面Sからz方向に延在している。
(Channel layer)
The
チャネル層10は、スピン拡散長が長く、導電率が比較的小さい材料からなることが好ましい。またチャネル層10は非強磁性材料からなることが好ましい。
例えば、チャネル層10に用いる材料として、B、C、Mg、Ag、Al、Cu及びZnからなる群から選択される1以上の元素を含む材料を用いることができる。Cu及びAlは、スピン拡散長が長く、これらの材料種の中でも特に好ましい。
The
For example, as the material used for the
またチャネル層10に用いる材料として、Si、ZnO、GaAs等の半導体化合物を用いることもできる。これらの半導体化合物は、スピン拡散長が上述の材料よりさらに長く、導電率が比較的小さい。そのため、純スピン流のみを伝えるスピン蓄積層としてより好適である。また金属や合金を用いた場合と比較しても、電位出力を高くすることが可能となる。
Further, as a material used for the
(検出部)
検出部20は、磁気記録媒体Wの記録層W1に記録された情報を読み出す部分である。検出部20は、チャネル層10の磁気ヘッド200のエアベアリング面S側の端部である第1の部分に設けられている。
(Detection unit)
The
図2は、検出部を図1のA−A’面に沿って切断した断面模式図である。すなわち、図2は、検出部20をエアベアリング面S側から見た図に対応する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the detection unit cut along the A-A ′ plane of FIG. 1. That is, FIG. 2 corresponds to a view of the
図1及び図2に示すように、検出部20は、磁化自由層21と、第1絶縁層22と、第2絶縁層23と、第1磁気シールド24と、第2磁気シールド25と、永久磁石26とを有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
磁化自由層21は、チャネル層10の第1の部分の一面に設けられている。第1絶縁層22は、チャネル層10及び磁化自由層21の側面に設けられ、磁化自由層21及びチャネル層10に被覆する。第2絶縁層23は、チャネル層10の磁化自由層21と反対の面に設けられ、チャネル層10を被覆する。第1磁気シールド24及び第2磁気シールド25は、第1絶縁層22及び第2絶縁層23を介して、磁化自由層21を挟む位置に設けられている。永久磁石26は、第1絶縁層22を介して、磁化自由層21のx方向両側に配置されている。
The magnetization
磁化自由層21は、検出対象となる外部磁場を検出する部分である。磁化自由層21の一面は、エアベアリング面Sに露出している。具体的な動作は後述するが、磁化自由層21が露出するエアベアリング面Sを磁気記録媒体Wと対向させることで、磁気記録媒体Wの記録層W1に記録された磁化の向きを鋭敏に検出する。
The magnetization
磁化自由層21に用いる材料としては強磁性材料があり、特に軟磁性材料が好ましい。例えば、磁化自由層21に用いる材料として、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される1種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。より具体的には、例えば、CoFeB、NiFe等を用いることができる。
The material used for the magnetization
第1絶縁層22及び第2絶縁層23は、チャネル層10内の純スピン流が磁化自由層21以外の部分に流出することを防ぐための層である。具体的には、第1磁気シールド24、第2磁気シールド25及び永久磁石26とチャネル層10が直接接触することを防ぐ層である。第1絶縁層22及び第2絶縁層23には、例えばSiO2等を用いることができる。
The first insulating
第1磁気シールド24及び第2磁気シールド25は、磁化自由層21に不要な磁場が侵入することを防ぐ層である。磁化自由層21への不要な磁場の侵入を防ぐと、磁化自由層21が磁気記録媒体Wの記録層W1の磁気情報を読み取る際のノイズが低減される。すなわち、磁化自由層21の空間分解能が高まり、必要な磁気情報の検出感度が高まる。
The first
図2では、第1磁気シールド24及び第2磁気シールド25は、磁化自由層21を挟むように配置されているが、磁化自由層21を覆うように磁気シールドを設けてもよい。
In FIG. 2, the first
第1磁気シールド24及び第2磁気シールド25に用いる材料は、磁気遮断性の高い公知の材料を用いることができる。例えば、Ni及びFeを含む合金、センダスト、FeCoを含む合金、Fe、Co、及びNiを含む合金との軟磁性体材料を用いることができる。
As a material used for the first
永久磁石26は、磁化自由層21の磁区構造を安定化(一軸化)する。永久磁石26からの漏洩磁束は、磁化自由層21にバイアス磁界を印加する。このバイアス磁界により、磁化自由層21の磁区構造が安定化する。磁区構造が安定化することで、磁壁の移動に起因するバルクハウゼンノイズを抑制することができる。
The
(第1スピン注入部)
第1スピン注入部30は、上述のように、チャネル層10にスピンを注入する部分である。第1スピン注入部30は、チャネル層10の第1の部分とは異なる第2の部分に、y方向に積層されている。
(First spin injection part)
The first
第1スピン注入部30と検出部20との距離L1は、チャネル層10のスピン拡散長以下である。ここで、第1スピン注入部30と検出部20との距離とは、磁化自由層21のz方向に第1スピン注入部30側の端部と、第1磁化固定層31のz方向に検出部20側の端部との距離である。またスピン拡散長は、物質固有の定数であり、スピン流の大きさが1/eになる距離である。スピン流の大きさは、距離dとスピン拡散長λの比に依存して、exp(−d/λ)に従って指数関数的に減衰する。材料のスピン拡散長は様々な手法によって見積もることができる。例えば、非局所的方法、スピンポンピング効果を利用する方法、ハンル効果を利用する方法などが知られている。
A distance L1 between the first
第1スピン注入部30は、第1磁化固定層31と、第1磁化結合層(非磁性層)32と、第1磁化対向層(強磁性体層)33と、第1反強磁性層34と、第1緩衝層35とを有する。第1スピン注入部30は、いわゆるシンセティクピンド構造をしている。
The first
第1磁化固定層31は、チャネル層10の第1の部分よりエアベアリング面Sからz方向離れた第2の部分の一面に設けられている。図1では、チャネル層10において第1磁化固定層31が設けられている面と、磁化自由層21が設けられている面は同じであるが、異なる面でもよい。第1磁化固定層31のチャネル層10と反対側の面には、第1磁化結合層32、第1磁化対向層33、第1反強磁性層34、第1緩衝層35が順に積層されている。
The first magnetization fixed
第1磁化固定層31は、チャネル層10にスピンを注入する層である。第1磁化固定層31の磁化の向きは、一方向に固定されている。
The first magnetization fixed
第1磁化対向層33は、第1磁化結合層32を介して、第1磁化対向層33に対向して設けられている。第1磁化対向層33は、第1磁化固定層31に対して反平行の磁化を有する。第1磁化対向層33により、第1磁化固定層31の磁化が安定する。図1においては、第1磁化固定層31の磁化の向きは−z方向であり、第1磁化対向層33の磁化の向きは+z方向である。
The first
第1磁化固定層31と第1磁化対向層33の磁化の向きは、第1磁化結合層32の厚みによって制御される。第1磁化結合層32の厚みが変わるとRKKY相互作用により、第1磁化固定層31と第1磁化対向層33の磁化の向きは、平行又は反平行となる。
The magnetization directions of the first magnetization fixed
第1磁化固定層31及び第1磁化対向層33には、スピン分極率の大きい強磁性金属材料を用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される一種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。またこれらの元素に加えて、B、C、Nからなる群から選択される1種以上の元素を含む金属又は合金を用いることができる。例えば、CoFe、CoFeB等を用いることができる。
第1磁化結合層32には、Ru等の材料を用いることができる。
For the first magnetization fixed
A material such as Ru can be used for the first
第1反強磁性層34は、第1磁化固定層31の磁化固定機能をより高めるための層である。第1反強磁性層34は、第1磁化対向層33と接触し、第1磁化対向層33の磁化の向きと反平行の磁化を有する。例えば、図1に示すように、第1反強磁性層34と第1磁化対向層33が接触することで、第1磁化対向層33の磁化の向きが+z方向に固定され、第1磁化対向層33に対して対向する第1磁化固定層31の磁化の向きが−z方向に固定される。第1反強磁性層34、第1磁化対向層33及び第1磁化固定層31の磁化の向きが、順に互いに反平行となることで、第1磁化固定層31の磁化の向きがより強く固定される。
The first
第1反強磁性層34には、反強磁性を示す合金等を用いることができる。例えば、Mn、Pt、Ir及びFeからなる群から選択される1種以上の金属との合金等を用いることができる。具体的には、IrMn、PtMn等を用いることができる。
For the first
第1緩衝層35は、結晶配向性や磁性の安定性を高める層である。第1緩衝層35には、例えば、Ru、Taなどの金属材料を用いることができる。第1反強磁性層34が無い場合には、第1緩衝層35は、第1磁化対向層33と接触する。
The
また第1スピン注入部30のy方向両端には、第1上部電極36と、第1下部電極38が設けられている。第1上部電極36及び第1下部電極38は、第1スピン注入部30へ電流を流す電極として機能し、少なくとも第1上部電極36は第1スピン注入部30へ外部磁場が侵入することを防ぐ機能も果たす。
A first
第1上部電極36及び第1下部電極38には、上述の第1磁気シールド24及び第2磁気シールド25と同様の材料を用いることができる。またこれらの材料の他、非磁性金属を用いることができる。スピン伝導を考慮すると、第1下部電極38は非磁性金属であることが好ましい。一方で、第1上部電極36は、第1磁化固定層31より外側に配設されているため、磁気シールド効果を有することが好ましい。
また第1下部電極38とチャネル層10の間には、チャネル層10内の純スピン流が磁化自由層21以外の部分に流出することを防ぐための第1トンネル層37が設けられている。第1トンネル層37は、第2絶縁層23と連結し、一つの層となっていてもよい。
The first
A
以上では、第1磁化固定層31の磁化を、第1磁化対向層33によって固定する場合を示した。この他の磁化固定方法として、第1磁化固定層31の形状異方性によって磁化を固定する方法や、第1磁化固定層31の成膜時における外部磁場によって磁化を固定する方法を用いても良く、これらの磁化固定方法のうち少なくともいずれか一の磁化固定方法によって固定されていることが好ましい。これらの方法により磁化固定することで、第1磁化固定層31の磁化の向きが外部磁界に反応し難くなる。
The case where the magnetization of the first magnetization fixed
また第1磁化固定層31に形状異方性を持たせて磁化を固定する方法を採用する場合には、第1反強磁性層34を省略することが可能である。たとえば、第1磁化固定層31を、y方向から見てx方向が長軸となる矩形形状にすればよい。
Further, when adopting a method of fixing the magnetization by giving the first magnetization fixed
(参照電極)
参照電極40は、後述する電圧計50で測定する電位差の基準電位となる部分である。
参照電極40は、チャネル層10の第2の部分を挟み、第1の部分と反対側に位置する第3の部分に設けられている。すなわち、参照電極40と検出部20とで、第1スピン注入部30をz方向に挟んでいる。
(Reference electrode)
The
The
参照電極40と第1スピン注入部30との距離L2は、チャネル層10のスピン拡散長以上であることが好ましい。この構成により、参照電極40にスピンが吸収され、出力が低下することを抑制できるからである。ここで、参照電極40と第1スピン注入部30との距離L2とは、第1磁化固定層31のz方向における参照電極40側の端部と、参照電極40のz方向における第1スピン注入部30側の端部との距離である。
The distance L2 between the
参照電極40に用いられる材料は特に限定されないが、非磁性の金属材料を用いることが好ましい。非磁性であることにより、参照電極40が磁場の影響を受けることを避けることができる。
The material used for the
(電圧計、電流源)
電圧計50は、公知の電圧計を用いることができる。図1において、電圧計50は、一端側が検出部20の第1磁気シールド24を介して磁化自由層21に電気的に接続され、他端側が参照電極40に接続されている。すなわち、電圧計50は、参照電極40に対する磁化自由層21の電位差を測定する。電圧計50には、電位差を測定するための電圧源が含まれる。
(Voltmeter, current source)
As the
電流源60は、公知の電流源を用いることができる。図1において、電流源60は、一端側が第1スピン注入部30に接続された第1上部電極36に接続され、他端側が第1スピン注入部30に接続された第1下部電極38に接続されている。すなわち、電流源60は、第1スピン注入部30の積層方向(y方向)に電流を流す。
A known current source can be used as the
(磁気センサの動作)
磁気センサ100の動作について説明する。図3は、本発明の第1実施形態にかかる磁気記録装置の動作を説明するための断面模式図である。
(Operation of magnetic sensor)
The operation of the
磁気センサ100は、磁気記録媒体Wの記録層W1とエアベアリング面Sを対向させて飛行する。この際、磁気センサ100のエアベアリング面Sに露出した磁化自由層21の磁化の向きは、磁化自由層21と対向する磁気記録媒体Wの記録層W1に記録された磁化の影響を受ける。例えば、図3においては、記録層W1の+z方向に向いた磁化の影響を受けて、磁化自由層21の磁化の向きが+z方向を向く。
The
一方で、電流源60から検出電流Iを第1スピン注入部30に印加すると、第1スピン注入部30の第1磁化固定層31からチャネル層10にスピンが注入される。このとき注入されるスピンの向きは、第1磁化固定層31における磁化の向きと同一であり、−z方向である。
On the other hand, when the detection current I is applied from the
チャネル層10にスピンが注入されると、チャネル層10内に純スピン流が流れる。純スピン流は、電流を伴わないスピン流である。具体的には、上向きスピンS+の電子の流れをJ↑、下向きスピンS−の電子の流れをJ↓、スピン流をJSと表すと、JS=J↑−J↓で定義される。図3においては、純スピン流は、第1スピン注入部30を基準として+z方向及び−z方向にそれぞれ流れる。ここで、JSは分極率が100%の電子の流れである。
When spin is injected into the
上述のように、第1スピン注入部30と検出部20との距離L1はスピン拡散長以下であり、第1スピン注入部30と参照電極40との距離L2はスピン拡散長以上である。そのため、第1スピン注入部30から注入されたスピンは、ほとんど参照電極40まで届かないが、磁化自由層21には到達する。その結果、磁化自由層21近傍のチャネル層10には、純スピン流として拡散してきたスピンが蓄積される。この際、磁化自由層21近傍のチャネル層10に蓄積されるスピンの向きは、第1磁化固定層31の磁化の向きと同一である。そのため、磁化自由層21の磁化の向きと、磁化自由層21近傍のチャネル層10に蓄積されたスピンの向きとは、反平行となる。
As described above, the distance L1 between the first
ここで、磁化自由層21の磁化の向きは、磁化自由層21と対向する記録層W1の磁化の向きが変化するに従い変化する。そのため、記録層W1の磁化の向きに応じて、磁化自由層21の磁化の向きと磁化自由層21近傍のチャネル層10に蓄積されたスピンの向きの相対角は変化する。互いの磁化の相対角によって抵抗値が変化することは磁気抵抗効果として知られており、磁化方向が互いに平行の場合は抵抗値が小さく、反平行の場合は抵抗値が大きくなる。すなわち、参照電極40と磁化自由層21の間の電位差を測定することで、記録層W1の磁化の情報が抵抗値変化として読み出される。
Here, the magnetization direction of the magnetization
上述のように、本実施形態にかかる磁気センサ100によれば、磁気記録媒体Wに記録された情報を抵抗値変化として読み出すことができる。ここで、抵抗値変化として読み出しているのは、磁化自由層21に対するチャネル層10を流れる純スピン流の化学ポテンシャルの変化である。そのため、参照電極40を、純スピン流の影響を受けない位置に設けることで、基準電位が安定化する。すなわち、基準電位が変動することに伴うノイズの影響を受けることなく、純スピン流の化学ポテンシャルの変化を読み取ることができる。すなわち、磁気センサ100の空間分解能を高めることができる。
As described above, according to the
また参照電極40を、磁気記録媒体Wと対向するエアベアリング面Sから離すことにより、磁気ヘッド200の磁場解像度の縮小化を図ることができる。磁気ヘッド200を磁場解像度の縮小化するためには、磁気ヘッド200のエアベアリング面S近傍の構造体を減らす必要がある。そのため、参照電極40をエアベアリング面Sから離した位置に設けることで、磁気ヘッド200を磁場解像度の縮小化できる。またエアベアリング面S近傍では、外部磁場の影響を避けて高い空間分解能を維持するために、参照電極40の周囲に磁気シールドを設ける必要である。一方で、参照電極40をエアベアリング面Sから離すことで、この磁気シールドが不要になる。すなわち、参照電極以外の構造体の量も低減され、より磁場解像度の縮小化が図られる。
Further, by separating the
また第1実施形態にかかる磁気センサ100は、電流源60によって流される電流の方向と、チャネル層10の延在面が交差している。構造的にいうと、第1スピン注入部30における積層体の積層方向は、チャネル層10の延在面に対して交差している。つまり、電流源60から供給された検出電流Iは、第1上部電極36から第1下部電極38に向かって積層方向に流れ、電流源60に戻っていく。その結果、スピン注入のための電流がチャネル層10に沿って流れることは無く、チャネル層10は等電位となる。すなわち、スピン注入のための電流がノイズとなることを避けることができ、空間分解能の高い磁気センサ100が得られる。
In the
なお、磁化自由層21と参照電極40の距離を離すという観点のみを考慮すると、図4の配置でもよいように思えるが、図4の構成では空間分解能を高めることができない。図4は、比較例にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。
If only the viewpoint of increasing the distance between the magnetization
図4に示す比較例に係る磁気ヘッド200’における磁気センサ100’は、検出部20と第1スピン注入部30の間に参照電極40が配設されている点が、第1実施例に係る磁気センサ100と異なる。磁化自由層21と参照電極40は、スピン拡散長以上離れており、磁化自由層21の影響を充分に遮断できる。しかしながら、比較例にかかる磁気センサ100’の場合、第1スピン注入部30と検出部20との距離L1’が遠くなり、磁化自由層21近傍のチャネル層10に十分にスピンを蓄積することができない。また純スピン流の一部が、電圧計50側に流れることも想定され、十分な出力が得られず、充分な空間分解能を得ることはできない。
The
「第2実施形態」
図5は、本発明の第2実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第2実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド201は、磁気センサ101が第2スピン注入部70を有する点が、第1実施形態にかかる磁気ヘッド200と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図1〜図4と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。
“Second Embodiment”
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view schematically showing a magnetic recording apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
第2スピン注入部70は、第1スピン注入部30とz方向重なる位置に、チャネル層10を介して第1スピン注入部30と対向して設けられている。第2スピン注入部70は、に第1スピン注入部30から注入されるスピンの向きと同一の向きのスピンをチャネル層10に注入する。
The second
第2スピン注入部70は、第2磁化固定層71と、第2磁化結合層(非磁性層)72と、第2磁化対向層(強磁性体層)73と、第2反強磁性層74と、第2緩衝層75とを有する。第2磁化固定層71は、チャネル層10の第1磁化固定層31が設けられた面と反対側に設けられている。第2磁化固定層71のチャネル層10と反対側の面には、第2磁化結合層72、第2磁化対向層73、第2反強磁性層74、第2緩衝層75が順に積層されている。
The second
第2スピン注入部70における第2磁化固定層71、第2磁化結合層72、第2磁化対向層73、第2反強磁性層74、第2緩衝層75のそれぞれは、第1スピン注入部30における第1磁化固定層31、第1磁化結合層32、第1磁化対向層33、第1反強磁性層34、第1緩衝層35のそれぞれと対応し、同様の材料を用いることができる。第2スピン注入部70の第1スピン注入部30と反対側には、第2下部電極76が設けられている。
Each of the second magnetization fixed
第2磁化固定層71の磁化の向きは、第1磁化固定層31の磁化の向きと反平行である。図5においては、第1磁化固定層31の磁化の向きが−z方向であり、第2磁化固定層71の磁化の向きが+z方向である。
The magnetization direction of the second magnetization fixed
第2実施形態にかかる磁気センサ101の動作は、第1実施形態にかかる磁気センサ100とほとんど同じであるが、チャネル層10にスピンが第1スピン注入部30及び第2スピン注入部70から注入される点が異なる。
The operation of the
電流源60は、第1スピン注入部30に積層された第1上部電極36と、第2スピン注入部70に積層された第2下部電極76に接続されている。そのため、電流源60から印加された検出電流Iは、第1スピン注入部30及び第2スピン注入部70の積層方向に流れる。第1スピン注入部30から−z方向のスピンが注入される過程は、第1実施形態と同じである。
The
一方で、第1スピン注入部30から注入された−z方向のスピンの一部は、チャネル層10を介して第2磁化固定層71にも注入される。ここで、チャネル層10と第2磁化固定層71は、スピン抵抗が異なる。スピン抵抗とは、スピン流の流れやすさ(スピン緩和のし難さ)を定量的に示す量である。スピン抵抗が異なる物質の界面では、スピン流の反射(戻り)が生じる。
On the other hand, some of the spins in the −z direction injected from the first
また−z方向のスピンが、+z方向に磁化が向く第2磁化固定層71に注入されると、コンダクティビティミスマッチにより、第2磁化固定層71から第2磁化固定層71の磁化の向きと反対の向きのスピンが、チャネル層10に注入される。すなわち、第1スピン注入部30及び第2スピン注入部70から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入される。
Further, when spin in the −z direction is injected into the second magnetization fixed
本実施形態によれば、第1スピン注入部30及び第2スピン注入部70から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入することで、磁化自由層21近傍に蓄積されるスピンの量を多くすることができる。そのため、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。
According to this embodiment, the amount of spin accumulated in the vicinity of the magnetization
なお、検出電流Iの方向は、第1スピン注入部30から第2スピン注入部70に向けた方向に限られず、反対向きでもよい。
The direction of the detection current I is not limited to the direction from the first
「第3実施形態」
図6は、本発明の第3実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第3実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド202は、磁気センサ102が障壁層80を有する点が、第2実施形態にかかる磁気ヘッド201と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図5と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。
“Third Embodiment”
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view schematically showing a magnetic recording apparatus according to the third embodiment of the present invention. The
上述のように、スピン抵抗が異なる物質の界面では、純スピン流の反射(戻り)が生じる。すなわち、障壁層80が無い場合、第1スピン注入部30の第1磁化固定層31からチャネル層10に注入したスピンの一部は、第1磁化固定層31に戻ってしまう。また第2スピン注入部70においても同様に、第2スピン注入部70の第2磁化固定層71からチャネル層10に注入したスピンの一部は、第2磁化固定層71に戻ってしまう。
As described above, the reflection (return) of the pure spin current occurs at the interface between substances having different spin resistances. That is, when there is no
これに対し、障壁層80を設けることで、注入したスピンが第1磁化固定層31及び第2磁化固定層71戻ることを抑制できる。障壁層80は高いエネルギーバリアを有するため、検出電流Iによる外力を受けている注入時のスピンは通過することができるが、注入されたスピンは第1磁化固定層31又は第2磁化固定層71に戻ることができない。その結果、効率的にスピンを注入することができ、注入されたスピンを効率的に磁化自由層21近傍のチャネル層10に蓄積することができる。すなわち、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。
On the other hand, by providing the
障壁層80は電気抵抗の原因となる。しかしながら、障壁層80はチャネル層10の延在方向に対して交差する方向に設けられている。すなわち、参照電極40、延在するチャネル層10、磁化自由層21、電圧計50を結ぶ検出回路に影響を及ぼすものではなく、ノイズの原因となることもない。
The
なお、障壁層80を有する場合、第1スピン注入部30と検出部20との距離L1及び参照電極40と第1スピン注入部30との距離L2の定義は、第1実施形態における定義と異なる。
When the
障壁層80を有する場合の第1スピン注入部30と検出部20との距離L1は、第1スピン注入部30における第1磁化固定層31のz方向中心と検出部20における磁化自由層21のz方向中心との距離を意味する。また障壁層80を有する場合の第1スピン注入部30と参照電極40との距離L2は、第1スピン注入部30における第1磁化固定層31のz方向中心と参照電極40のz方向中心との距離を意味する。
When the
「第4実施形態」
図7は、本発明の第4実施形態にかかる磁気記録装置を模式的に示した断面模式図である。第4実施形態にかかる磁気記録装置を構成する磁気ヘッド203は、第1スピン注入部30と、第2スピン注入部70がy軸方向重なる位置にない点が、第3実施形態にかかる磁気ヘッド202と異なる。以下の説明では、共通な箇所の説明は省略する。また、説明に用いる各図面において、図6と共通の構成要素には同一の符号を付すものとする。
“Fourth Embodiment”
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view schematically showing a magnetic recording apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The
磁気ヘッド203における磁気センサ103は、第1スピン注入部30と、第2スピン注入部70がz軸方向重なる位置にない。そのため、第1スピン注入部30に検出電流を印加する電流源60と、第2スピン注入部70に検出電流を印加する第2電流源90が設けられている。
The
また電流源60及び第2電流源90がチャネル層10と直接接触されないように、第1トンネル層37及び第2トンネル層77が設けられている。またそれぞれの外側には第1下部電極38及び第2上部電極78が設けられている。
The
第1磁化固定層31及び第2磁化固定層71の磁化の向きは、互いに平行である。これらの磁化の向きが互いに平行であることで、チャネル層10に注入されるスピンの向きが同一となる。
The magnetization directions of the first magnetization fixed
上述のように、本実施形態によれば、第1スピン注入部30及び第2スピン注入部70から同じ方向に磁気偏極したスピンをそれぞれ注入することで、磁化自由層21近傍に蓄積されるスピンの量を多くすることができる。そのため、磁気センサの電位出力を高くすることができ、磁気センサの空間分解能を高めることができる。
As described above, according to the present embodiment, spins magnetically polarized in the same direction are injected from the first
10…チャネル層、20…検出部、21…磁化自由層、22…第1絶縁層、23…第2絶縁層、24…第1磁気シールド、25…第2磁気シールド、26…永久磁石、30…第1スピン注入部、31…第1磁化固定層、32…第1磁化結合層、33…第1磁化対向層、34…第1反強磁性層、35…第1緩衝層、36…第1上部電極、37…第1トンネル層、38…第1下部電極、40…参照電極、50…電圧計、60…電流源、70…第2スピン注入部、71…第2磁化固定層、72…第2磁化結合層、73…第2磁化対向層、74…第2反強磁性層、75…第2緩衝層、76…第2下部電極、77…第2トンネル層、78…第2上部電極、80…障壁層、90…第2電流源、100,100’,101,102,103…磁気センサ、110…磁気記録部、111…主磁極、112…コンタクト部、113…リターンヨーク、114…コイル、200,200’,201,202,203…磁気ヘッド、W…磁気記録媒体、W1…記録層、W2…裏打ち層、S…エアベアリング面
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記チャネル層の第1の部分に設けられ、外部磁場を検出する磁化自由層と、
前記チャネル層の第1の部分とは異なる第2の部分に設けられ、前記チャネル層にスピンを注入する第1磁化固定層と、
前記チャネル層の前記第2の部分を挟み、前記第1の部分と反対側に位置する第3の部分に設けられた参照電極と、
前記第2の部分において、前記チャネル層の前記第1磁化固定層が接する面と反対側の面に接続された下部電極と、
前記磁化自由層と前記参照電極との間の電圧を測定する電圧計と、
前記第1磁化固定層と前記下部電極との間に電流を流す電流源と、
を備える磁気センサ。 A channel layer;
A magnetization free layer provided in a first portion of the channel layer and detecting an external magnetic field;
A first magnetization pinned layer provided in a second portion different from the first portion of the channel layer and injecting spin into the channel layer ;
Sandwiching the second portion of the prior SL channel layer, and a reference electrode provided in the third portion located on the opposite side of the first portion,
A lower electrode connected to a surface of the channel layer opposite to a surface with which the first magnetization fixed layer is in contact with the second layer;
A voltmeter for measuring a voltage between the magnetization free layer and the reference electrode;
A current source for passing a current between the first magnetization fixed layer and the lower electrode;
A magnetic sensor comprising:
前記参照電極は、前記第1磁化固定層より前記エアベアリング面から離れた位置にある、請求項1に記載の磁気センサ。2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein the reference electrode is located farther from the air bearing surface than the first magnetization fixed layer.
前記第1磁化固定層および前記第2磁化固定層の磁化の向きは、それぞれに積層された前記強磁性体層によってそれぞれ固定されている請求項4〜9のいずれか一項に記載の磁気センサ。 Each of the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer has a nonmagnetic layer and a ferromagnetic layer in order on the surface opposite to the channel layer,
The magnetic sensor according to any one of claims 4 to 9 , wherein the magnetization directions of the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer are respectively fixed by the ferromagnetic layers stacked on each other. .
前記磁気記録媒体の記録層に、前記磁化自由層を対向させて配置された請求項13に記載の磁気ヘッドと、を備える磁気記録装置。 A magnetic recording medium for recording data by magnetization;
A magnetic recording apparatus comprising: the magnetic head according to claim 13 , wherein the magnetic free layer is disposed so as to face the recording layer of the magnetic recording medium.
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