JP6663817B2 - 磁気記録媒体、磁気再生装置及び磁気再生方法 - Google Patents
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Description
<磁気再生装置200>
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気再生装置の概略構成図である。本実施形態の磁気再生装置200は、磁気記録媒体100を構成する磁性細線5(トラック)に対して、その再生領域5cから記録領域5aに向かうパルス電流を供給することで、磁性細線5の内部における磁壁DW及び該磁壁DWで区切られる磁区D(最小データ領域)を記録領域5aから再生領域5cへと断続的に移動させることで、データの再生や記録を高速で行うものである。
また、磁気再生装置200において、磁気記録媒体100は磁気再生装置200に対して脱着可能(交換可能)としてもよく、従来のHDD装置のように脱着不可能(交換不可能)としてもよい。
すなわち、磁性細線5中において磁区が移動するのに必要な電流のしきい値であるしきい電流(jc)は、以下の数式で表されることが知られている(「スピントロニクスの基礎と材料・応用技術の最前線」、シーエムシー出版、G.Tanaka等、Phy.Rev.Lett.,92,086601(2004))
そこで、本実施形態の磁気再生装置200では、圧電素子40による応力の付加により、磁性細線5に可逆的な磁区トラップサイトを形成するものである。
磁気記録媒体100は、基板7(図1では省略、後述の図2〜4参照)と、磁性細線5と、を備える。磁性細線5は、基板7上に磁性体を細線状に成形することで形成される。本実施形態では、複数の磁性細線5が並列配置されている。
磁性細線5は、後述の記録部20において、2値のデータ(「0」又は「1」のデータ)を異なる2方向の磁化のいずれかとして、磁性細線5の延びる方向に連続して記録されるものである。磁化の方向としては、磁性細線5の膜面内方向と垂直方向のいずれも可能であるが、磁区Dをより高密度化でき、印加するパルス電流の大きさを抑制できる観点から、本実施形態のように膜面に対して垂直方向(膜厚方向)の磁化とすることが好ましい。
磁性細線5において、データ「0」が記録された領域(磁区D)とデータ「1」を記録された領域(磁区D)との間に、磁壁DWが形成される。磁壁DW内では、隣接する磁区Dの磁化方向(上向き)から磁化方向(下向き)へと磁化が徐々に変化して回転している。
図2に示すように、データシフト領域5bにおける磁気記録媒体100は、例えば、磁性細線5と、絶縁層6と、基板7と、を備える。磁性細線5は、平坦性の観点から、基板7上の絶縁層6中に埋設されていることが好ましい。磁性細線5は、例えば、配向制御層1と、記録層2と、がこの順に積層された構造を有する。これら各層については後段で詳述する。
図3に示すように、記録領域5aにおける磁気記録媒体100は、上述のデータシフト領域5bと比べて、磁性細線5に後述の記録部20を構成する記録素子20aを備える。記録素子20aは、下部電極21と、中間層22と、上部電極23と、書込回路24と、を備える。この記録素子20aは、磁気記録媒体100の表面から突出していてもよい。この記録素子20aについては後段で詳述する。
図4に示すように、再生領域5cにおける磁気記録媒体100は、上述のデータシフト領域5bと比べて、磁性細線5に後述の再生部30を構成する再生素子30aを備える。再生素子30aは、下部電極31と、磁化反転層32と、中間層33と、磁化固定層34と、上部電極35と、読取回路36と、を備える。この再生素子30aは、磁気記録媒体100の表面から突出していてもよい。この再生素子30aについては後段で詳述する。
磁性細線5の膜厚は5〜100nm、幅は10〜200nm、隣接する磁性細線5同士の間隔は40〜200nmであるのが好ましい。幅及び間隔が短いほど、すなわちトラックピッチが狭いほど、磁気記録媒体100の記録容量を大きくできる。
磁性細線5の長さ(トラック長)は、特に限定されない。磁気記録媒体100における全ての磁性細線5が同じ長さでなくてもよいが、同時にデータを再生する隣接する磁性細線5同士の長さは揃えるのが好ましい。
磁気記録媒体100は、例えば磁性細線5をダマシン法にて形成することで製造される。
具体的には、先ず、表面を熱酸化したSi基板やガラス基板等の公知の基板材料からなる基板7上に、SiO2やAl2O3等の絶縁膜をスパッタリング法等により成膜させる。次いで、成膜した絶縁膜に対して、電子線リソグラフィー及びイオンミリングや反応性イオンエッチング(RIE)等のエッチングにより、磁性細線5の細線形状の溝を形成して絶縁層6とする。
より詳しくは、磁性細線5は、配向制御層1をスパッタ等により堆積させた後、同一真空中で記録層2も堆積させることで形成する。配向制御層1は、磁性細線5の原子配列をうまく調整し、磁気特性を最適な状態に保つ機能を有する。配向制御層1の材料としては、例えば、Ta、W、Si、Cu、Ru、Cr、Pt、Au等が用いられる。
以上により、磁気記録媒体100が製造される。
図1に戻って、パルス電流供給部10は、磁気記録媒体100の磁性細線5の両端に接続される。パルス電流供給部10は、磁性細線5の再生領域5cから記録領域5aに向かうパルス電流を供給し、記録領域5aから再生領域5cに向かう電子を注入する。これにより、磁性細線5中の磁壁DW及び磁区Dは、記録領域5aから再生領域5cに向かって移動する。
記録部20は、各磁性細線5に予め形成された記録領域5aに接続される。記録部20は、パルス電流供給部10が供給するパルス電流に同期して、記録領域5aにデータを記録する。すなわち、磁性細線5の記録領域5aにおいて、パルス電流供給部10が供給するパルス電流に同期して、磁壁DW及び磁区Dの断続的な移動が静止した時に、磁性細線5の記録領域5aに到達しているデータ領域(磁区D)にデータを記録する。
記録部20では、スピン注入磁化反転を用いて、磁性細線5の磁区状態を変化させることで、データの書き込みが実行される。これにより、磁性細線5にデータが記録され、磁性細線5は磁気記録媒体100の記録領域となる。
上述したように、磁気記録媒体100を脱着可能とする場合には、例えば書込回路24を配線で接続せずに、磁気記録媒体100の電極パッドと、書込回路24の電極コンタクト部との接触により、外部と信号のやり取りをするように構成する。
なお、記録部20としては、データの記録(書き込み)ができるものであればよく、従来公知の磁気ヘッドを用いてもよい。
図1に戻って、再生部30は、磁性細線5に予め形成された再生領域5cに接続される。再生部30は、パルス電流に同期して、再生領域5cに記録されているデータを再生する。すなわち、磁性細線5の再生領域5cにおいて、パルス電流供給部10が供給するパルス電流に同期して、磁性細線5において磁壁DWの断続的な移動における静止時に、磁性細線5の再生領域5cに到達しているデータ領域(磁区D)に記録されているデータを再生する。再生部30は、CPP−GMR素子やTMR素子を用いて、磁性細線5の磁区状態を検出することで、データの読み出しを実行する。
上述したように、磁気記録媒体100を脱着可能とする場合には、例えば読取回路36を配線で接続せずに、磁気記録媒体100の電極パッドと、読取回路36の電極コンタクト部との接触により、外部と信号のやり取りをするように構成する。また、下部電極31と磁化反転層32は区別せずに一体構造として作製してもよく、同様に上部電極35と磁化固定層34は区別せずに一体構造として作製してもよい。
また、下部電極31及び上部電極35は、それぞれ、スピン注入磁化反転素子を駆動するための一対の電極の一方及び他方であり、例えば、Ta,Cr,Au,Pt,Al,Cu等の一般的な電極用金属材料で構成することができる。
なお、再生部30は、データの再生(読み出し)ができるものであれば、従来公知の磁気ヘッドを用いてもよい。
従って、再生を行いたい磁区Dを移動させた後、下部電極31と上部電極35との間に、電流を流し、電気抵抗の変化を検出する。これにより、再生を行いたい磁区Dに記録されている磁化方向を検出(識別)することができ、データを再生することが可能となる。
図1に戻って、圧電素子40は、データシフト領域5bにおける磁性細線5に対して、細線の延びる方向に複数並んで配置される。この圧電素子40には、電圧供給線51を介して電圧印加部50が接続される。圧電素子40は、電圧印加部50により電圧が印加されると、磁性細線5に対して引張り応力又は圧縮応力を付加する。電圧印加部50は、複数の圧電素子40に対して、同一の時期に同一の電圧を印加する。
本実施形態では、圧電素子40は、データシフト領域5bにおける磁性細線5上、すなわち膜面上に配置されている。ただしこれに限定されず、磁性細線5に対して応力を付加してその磁性を変化させることができる配置であればよい。
先ず、図5の(a)に示すように初期状態においては、圧電素子40に電圧が印加されていないため、圧電素子40に応力は生じず、磁性細線5に変化は見られない。
次いで、図5の(b)に示すように電圧印加部50により圧電素子40に電圧が印加されると、圧電素子40自体が収縮又は膨張することで、引張り応力又は圧縮応力が磁性細線5に付加される。
次いで、図5の(a)の状態に戻って圧電素子40への電圧の印加が停止されると、圧電素子40からの応力の付加が無くなるため、磁性細線5の磁性が元の状態に戻って周囲と同様となる結果、磁区トラップサイトが消失する。
図6は、圧電素子40の構造例1及びその製造方法を説明するための図である。
図6に示すように、本構造例1の圧電素子41は、磁性細線5の上側に配置され、ピエゾ薄膜41aと、中間層41bと、を含んで構成される。本構造例1では、ビット長ごとに小さな穴41cが複数形成された非磁性・非導電性の中間層41bを作製した後、該中間層41b上にピエゾ薄膜41aを堆積させて成膜する。これにより、穴41c内にもピエゾ薄膜41aが充填される結果、ビット長ごとに圧電素子41が磁性細線5側に露出した構造とすることができる。
なお、ピエゾ薄膜を作製するためには、通常600℃程度の加熱が必要であるところ、磁性細線5の形成に加熱が必要な場合には、本構造例1は好ましく採用される。
図7に示すように、本構造例2の圧電素子42は、磁性細線5の下側に配置され、ピエゾ薄膜42aと、中間層42bと、を含んで構成される。中間層42bは、相対的に柔らかい素材42cに対してビット長ごとに穴を形成した後、該穴に相対的に硬い素材42dを充填したものである。
本構造例2では、先ず最下層にピエゾ薄膜42aを堆積して成膜し、熱処理した後、中間層42bを積層する。そして、ビット長ごとに並んだ硬い素材42d上に、磁性細線5を配置する。これにより、ピエゾ薄膜42aで生じた応力は、柔らかい素材42cでは吸収される一方で、硬い素材42dでは磁性細線5の下側から応力が付加されるようになっている。
図8に示すように、本構造例3の圧電素子43は、磁性細線5の上側に配置され、ピエゾ薄膜43aと、中間層43bと、を含んで構成される。中間層43bは、構造例2の中間層42bと同様の構成である。
本構造例3では、先ず、ピエゾ薄膜43a上に中間層43bを作製し、表面を研磨する。そして、これを、磁性細線5を並列配置した基板7と貼り合わせる。これにより、構造例2と同様の圧電素子を形成できる。
図9に示すように、本構造例4の圧電素子44は、磁性細線5の上側に配置され、ピエゾ薄膜44aと、中間層44bと、基材層44dと、を含んで構成される。中間層44bは、構造例1の中間層41bと同様の構成である。
本構造例4では、先ず、基材層44d上に中間層44bを成形し、中間層44b上にスパッタ等でピエゾ薄膜44aを成膜し、熱処理(あるいはスパッタ中に加熱)する。その後、ピエゾ薄膜44a側の表面を中間層44bが露出するまで研磨した後、磁性細線5を並列配置した基板7と貼り合わせる。これにより、ビット長ごとに圧電素子40を配置できる。
図10に示すように、本構造例5の圧電素子45は、磁性細線5の上側に配置され、ピエゾ薄膜45aと、基板45bと、を含んで構成される。基板45bは、所定の厚みを有し、磁性細線5の細線が延びる方向に直交する方向に延びる溝45cが所定間隔で複数形成されている。
本構造例5では、先ず、基板45bに上記複数の溝45cを形成した後、かかる基板45b上にピエゾ薄膜45aを堆積させて成膜する。その後、基板45bが露出するまでピエゾ薄膜45a側の表面を研磨する。そして、これを、溝45c内に充填されたピエゾ薄膜45aと磁性細線5とが互いに直交するようにして、磁性細線5を並列配置した基板7と貼り合わせる。これにより、ビット長ごとに圧電素子40を配置できる。
本実施形態の磁気再生方法は、上述の磁気再生装置200を用いて実行される。
本実施形態の磁気再生方法は、電流供給工程と、電圧印加工程と、再生工程と、を有する。
電流供給工程は、上述のパルス電流供給部10により実行される。電流供給工程では、再生領域5cから記録領域5aに向かうパルス電流を供給する。
電圧印加工程は、上述の電圧印加部50により実行される。電圧印加工程では、パルス電流のパルス周期の周期付近で、圧電素子40に電圧を印加する。
再生工程は、上述の再生部30により実行される。再生工程では、パルス電流に同期して磁気記録媒体100に記録されたデータを再生する。
なお、これら各工程の詳細については、上述した通りである。
本実施形態に係る磁気記録媒体100は、2値のデータを異なる2方向の磁化のいずれかとして記録される記録領域5aと、記録領域5aで記録されたデータが再生される再生領域5cと、これら記録領域5aと再生領域5cとの間に配置され、再生領域5cから記録領域5aに向かうパルス電流が供給されることで、2値のデータの一方が記録されて形成された磁区Dと2値のデータの他方が記録されて形成された磁区Dとの間に形成された磁壁DWが記録領域5aから再生領域5cへと断続的に移動するデータシフト領域5bと、を有する磁性細線5を備える磁気記録媒体100とした。
また、データシフト領域5bにおける磁性細線5上に細線の延びる方向に複数並んで配置され、電圧が印加されると磁性細線5に対して応力を付加することで磁性細線5の磁性を変化させる圧電素子40を設けた。
従って本実施形態によれば、駆動電流と圧電素子制御電圧の印加タイミングを調整することで、磁区駆動に必要な電流を維持したままビット長を正確に制御できる。
また、本実施形態の磁気記録媒体100によれば、可動部が無いため無限の書換え耐性を有し、データの信頼性も高い。そのため、シーケンシャルデータの記録や特殊映像の再生に好適であり、映像用途として適したデバイスである。
また、複数の圧電素子40を、磁性細線5の並列方向に並んで配置することにより、上記効果がより高められ、よりビット長を正確に制御できる。
また、電圧印加部50により、複数の圧電素子40に対して同時に電圧を印加することにより、上記効果がより確実に得られる。
また、電圧印加部50により、パルス電流のパルス周期の終期付近で電圧を印加することにより、上記効果がより高められる。
例えば、磁気記録媒体100や磁性細線5の形状は限定されない。各磁性細線5は並列に配置すればよく、磁性細線5の本数は特に限定されない。上記実施形態では磁性細線5の構造として配向制御層を用いたものを例示したが、配向制御層を用いなくてもよい。また、記録部20や再生部30の構成は、上記実施形態に限定されず、他の構成のCPP−GMR素子やTMR素子の形態を用いてもよい。
5a 記録領域
5b データシフト領域
5c 再生領域
10 パルス電流供給部(電流供給手段)
20 記録部
30 再生部(再生手段)
40 圧電素子
50 電圧印加部(電圧印加手段)
100 磁気記録媒体
200 磁気再生装置
Claims (5)
- 2値のデータを異なる2方向の磁化のいずれかとして記録される記録領域と、
前記記録領域で記録されたデータが再生される再生領域と、
前記記録領域と前記再生領域との間に配置され、前記再生領域から前記記録領域に向かうパルス電流が供給されることで、前記2値のデータの一方が記録されて形成された磁区と前記2値のデータの他方が記録されて形成された磁区との間に形成された磁壁が前記記録領域から前記再生領域へと断続的に移動するデータシフト領域と、を有する磁性細線を備える磁気記録媒体であって、
前記データシフト領域における前記磁性細線に対して細線の延びる方向に複数並んで配置され、電圧が印加されると前記磁性細線に対して応力を付加することで前記磁性細線の磁性を変化させる圧電素子を備える磁気記録媒体。 - 前記圧電素子は、前記磁性細線の磁区の長さであるビット長ごとに配置される請求項1に記載の磁気記録媒体。
- 請求項1又は2に記載の磁気記録媒体に記録されたデータを再生する再生手段を備える磁気再生装置であって、
前記再生領域から前記記録領域に向かうパルス電流を供給する電流供給手段と、
前記複数の圧電素子に電圧を印加する電圧印加手段と、を備える磁気再生装置。 - 前記電圧印加手段は、前記電流供給手段により供給されるパルス電流のパルス周期の終期付近で電圧を印加する請求項3に記載の磁気再生装置。
- 請求項3又は4に記載の磁気再生装置により前記磁気記録媒体に記録されたデータを再生する磁気再生方法であって、
前記電流供給手段により、前記再生領域から前記記録領域に向かうパルス電流を供給する電流供給工程と、
前記電圧印加手段により、前記パルス電流のパルス周期の終期付近で前記圧電素子に電圧を印加する電圧印加工程と、
前記再生手段により、前記パルス電流に同期して前記磁気記録媒体に記録されたデータを再生する再生工程と、を有する磁気再生方法。
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