(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体層と、絶縁層と、ＧａＡｓ系化合物半導体層とが積層された積層体と、
前記積層体の前記ＧａＡｓ系化合物半導体層に円偏光を照射する照射手段とを有し、
前記積層体の前記強磁性体層と前記ＧａＡｓ系化合物半導体層との間のトンネル抵抗により外部磁界を検出することを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】
請求項１記載の磁気センサにおいて、
前記積層体の前記強磁性体層は、
前記絶縁層に接する第１の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層に接し、前記第１の強磁性体層よりも保磁力が小さい第２の強磁性体層と
を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁気センサにおいて、
前記積層体の前記絶縁層の少なくとも一方の面に導電層が挿入されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項４】
請求項２記載の磁気センサにおいて、
前記第２の強磁性体層は、パーマロイ合金又はゼロ磁歪ＮｉＦｅＣｏ合金により形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項５】
請求項２記載の磁気センサにおいて、
前記第１の強磁性体層は、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ合金又は窒化鉄により形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項６】
請求項３記載の磁気センサにおいて、
前記導電層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気センサにおいて、
前記絶縁層は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＮｉＯ又はＣｏＯにより形成されていることを特徴とする磁気センサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気センサを有し、磁気記録媒体に記録された磁気状態を読み取ることを特徴とする磁気読取ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁界を検出する磁気センサ、特に、磁気記録装置の磁気読取ヘッドに用いるのに好適な磁気センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の磁気記録技術の高密度化にともない、磁気記録媒体と読取ヘッドとの相対的速度が非常に低下してきている。このため、従来の誘電型ヘッドでは十分な読取出力を得ることが困難になってきている。
そこで、相対的速度が低下しても高い読取出力を得ることができるように、磁界自身を検出する異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果型磁気ヘッドが開発されている。異方性磁気抵抗効果とは、測定する磁性体の磁化状態によって電気抵抗が数％程度変化する現象である。異方性磁気抵抗効果型磁気ヘッド（ＡＭＲ型磁気ヘッド）の材料としては主としてＮｉＦｅ合金（パーマロイ合金）が用いられている。
【０００３】
しかし、ＡＭＲ型磁気ヘッドでは読取出力に数％程度の変化しか期待できないため、読取出力の変化率のより大きな磁気センサが求められている。このような磁気センサとして、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅ）効果を利用したＧＭＲ型磁気センサや、強磁性トンネル接合を利用した強磁性トンネル接合型磁気センサ等が提案されている。
【０００４】
強磁性トンネル接合型磁気センサとは、強磁性体層により絶縁体層を挟んだ強磁性体層／絶縁体層／強磁性体層の積層体を有している。強磁性体層間に電圧を印加し、電子をトンネリングさせたとき、両強磁性体層の磁化方向の相対角度に基づいて、電子のトンネリング確率が変化する。これは、電子を供給する一方の強磁性体層の電子スピンが分極しており、この分極状態を保ったまま電子がトンネルするためである。
【０００５】
トンネリング確率の変化は、両強磁性体層の分極率の積で与えられる。すなわち、一方の強磁性体層の分極率をＰ１、他方の強磁性体層の分極率をＰ２とすると、全抵抗Ｒに対する抵抗の最大値と最小値の差ΔＲは、次式であらわされる。
ΔＲ／Ｒ＝２×Ｐ１×Ｐ２
このため、強磁性トンネル接合型磁気センサでは、一方の強磁性体層に保磁力が大きい材料を用い、他方の強磁性体層に保磁力の小さな材料を用いるようにしている。外部磁界が変化すると、保磁力が大きな強磁性体層の磁化の向きは変化しないが、保磁力の小さな強磁性体層の磁化の向きは外部磁界の向きに揃うように変化する。このため、外部磁界の磁化の向きが変化すると、両強磁性体層の磁化方向の相対角度が変化するので、トンネル電流が変化し、外部磁界を検出することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上述した強磁性トンネル接合型磁気センサでは、一方の強磁性体層に、外部磁界が変化しても磁化の向きが変化しないような保磁力の大きな材料を用いなければならない。このため、磁気読取ヘッドとして用いるためには、情報記憶媒体の磁化方向が変化しても、磁化方向が変化しないような、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の材料に限られてしまう。ところが、これら材料の分極率は１０〜４０％程度であるため、原理的にトンネリング確率の変化に上限がある。また、これらの材料の保磁力は、数十〜数百Ｏｅであるために、何らかの原因でこれ以上の磁界が印加されると、特性が変化してしまう。
【０００７】
本発明の目的は、上述した課題を克服し、抵抗変化率が大きく、外乱磁界に強い磁気センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、強磁性体層と、絶縁層と、ＧａＡｓ系化合物半導体層とが積層された積層体と、前記積層体の前記ＧａＡｓ系化合物半導体層に円偏光を照射する照射手段とを有し、前記積層体の前記強磁性体層と前記ＧａＡｓ系化合物半導体層との間のトンネル抵抗により外部磁界を検出することを特徴とする磁気センサによって達成される。
【０００９】
上述した磁気センサにおいて、前記積層体の前記強磁性体層は、前記絶縁層に接する第１の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層に接し、前記第１の強磁性体層よりも保磁力が小さい第２の強磁性体層とを有することが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記積層体の前記絶縁層の少なくとも一方の面に導電層が挿入されていてもよい。
【００１０】
上述した磁気センサにおいて、前記第２の強磁性体層は、パーマロイ合金又はゼロ磁歪ＮｉＦｅＣｏ合金により形成されていることが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記第１の強磁性体層は、Ｆｅ、Ｃｏ、ＦｅＣｏ合金又は窒化鉄により形成されていることが望ましい。
上述した磁気センサにおいて、前記導電層は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ又はＡｕにより形成されていることが望ましい。
【００１１】
上述した磁気センサにおいて、前記絶縁層は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＮｉＯ又はＣｏＯにより形成されていることが望ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の第１実施形態による磁気センサを図１乃至図３を用いて説明する。
図１は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図であり、図２は磁気抵抗の磁場依存性の計算結果を示すグラフであり、図３は本実施形態の磁気センサを示す図である。
【００１３】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図１に示すように、ＦｅＣｏ合金からなる強磁性体層１２と、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁層１４と、ＧａＡｓからなる化合物半導体層１６とが積層された積層体１０である。
強磁性体層１２は、保磁力が１０Ｏｅと比較的低いＦｅＣｏ合金からなる約１０ｎｍ厚のＦｅＣｏ合金層である。このＦｅＣｏ合金層の分極率は約４６％である。外部磁界が変化すると、保磁力の小さな強磁性体層１２の磁化の向きは外部磁界の向きに揃うように変化する。
【００１４】
絶縁層１４は、強磁性体層１２と化合物半導体層１６とを絶縁する約５ｎｍ厚のＡｌ2Ｏ3層である。
化合物半導体層１６は、約１０ｎｍ厚のＧａＡｓ層である。このＧａＡｓ層に円偏光を照射すると、従来の強磁性体層と同様に分極した電子が生成される。円偏光を照射したときのＧａＡｓ層の分極率は約５０％である。
【００１５】
なお、化合物半導体層１６での分極は、照射する円偏光の進行方向に対して生ずるので、化合物半導体層１６に大きな分極を発生させるためには、出来るだけ小さな照射角で入射させることが望ましい。
外部磁界を検出する場合には、図１に示すように、化合物半導体層１６に円偏光を照射しながら、直流電源２０により強磁性体層１２と化合物半導体層１６に直流電圧を印加する。電圧計２２により強磁性体層１２と化合物半導体層１６間の電圧を測定する。外部磁界の磁化方向が変化すると、それに応じて、強磁性体層１２の磁化方向が変化して、強磁性体層１２と化合物半導体層１６間の磁気抵抗が変化する。この磁気抵抗の変化を電圧計２２により測定する。
【００１６】
図２に、外部磁界Ｈが変化した場合の、磁気抵抗の変化率ΔＲ／Ｒの変化を示す。図２から明らかなように、磁気抵抗の変化率ΔＲ／Ｒは、外部磁界Ｈが−４０Ｏｅ以下では０％であるが、外部磁界Ｈが−４０Ｏｅから＋４０Ｏｅに変化すると急激に増大し、外部磁界Ｈが４０Ｏｅ以上では４６％になる。
なお、外部磁界Ｈの変化に対する磁気抵抗の変化率ΔＲ／Ｒは、図２に示すように、わずかにヒステリシス曲線を描く。
【００１７】
図３に、図１の基本構造を用いた磁気センサの具体的構造を示す。
例えば、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣからなる支持基板３０の表面の一部に、図１に示す積層体１０が埋め込まれている。化合物半導体層１６が表面に露出するように埋め込まれている。
支持基板３０の表面には光導波路３２が形成されている。光導波路３２の一端部が積層体１０に臨むように形成されている。光導波路３２から射出された光が積層体１０の化合物半導体層１６の表面に照射するように、光導波路３２の一端部が斜めに切断されている。この一端部には、直線偏光を円偏光にするために１／４波長板３４が設けられている。
【００１８】
磁気センサにより外部磁界を検出する場合には、光導波路３２の他端から直線偏光を入射し、１／４波長板３４を介して化合物半導体層１６に円偏光を照射しながら、積層体１０の化合物半導体層１６と強磁性体層１２間の電気抵抗を測定する。
なお、図３に示す磁気センサにおける積層体１０の強磁性体層１２が、磁気記録媒体の近傍を通過するような構造にすれば、磁気記録媒体に記録された磁気状態を読み取る磁気読取ヘッドを実現することができる。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、化合物半導体層から、通常の強磁性体よりも分極率の高い電子が供給できるために、従来の磁気センサより検出感度のよい磁気センサを実現することができる。また、保磁力を有する強磁性体を使用する必要がないために、外乱に強い磁気センサを実現することができる。
本発明の第２実施形態による磁気センサを図４を用いて説明する。図４は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図である。図１に示す磁気センサと同一又は同種の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【００２０】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図４に示すように、強磁性体層１２を約２ｎｍ厚のＦｅＣｏ合金層１２ａと約８ｎｍ厚のＮｉＦｅ合金層１２ｂの二層構造としている点に特徴がある。絶縁層１４側にＦｅＣｏ合金層１２ａが位置するようにしている。
ＦｅＣｏ合金は、分極率が約４６％と大きく、保磁力が１０Ｏｅと比較的低いものの、小さな外部磁界に対して十分な感度があるとは言えない。一方、ＮｉＦｅ合金は、分極率が約１８％と小さいものの、保磁力が０．１Ｏｅと非常に小さく、小さな外部磁界に対しても十分な感度を有している。
【００２１】
そこで、本実施形態では、磁気抵抗の変化率に大きく影響する絶縁層１４に接する側には分極率の大きなＦｅＣｏ合金層１２ａを設けることにより、大きな磁気抵抗の変化率を得られるようにし、一方、ＦｅＣｏ合金層１２ａに保磁力の小さなＮｉＦｅ合金層１２ｂを設けることにより、小さな外部磁界に対しても十分な感度を得られるようにしている。
【００２２】
このように、本実施形態によれば、大きな磁気抵抗の変化率を有し、しかも、外部磁界に対して十分な感度を有する磁気センサを実現することができる。
本発明の第３実施形態による磁気センサを図５を用いて説明する。図５は本実施形態の磁気センサの基本構造を示す図である。図４に示す磁気センサと同一又は同種の構成要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【００２３】
本実施形態の磁気センサの基本構造は、図５に示すように、ＧａＡｓからなる化合物半導体層１６と、Ａｌ2Ｏ3からなる絶縁層１４との間に、約３ｎｍ厚のＡｌ層からなる導電層１８が挿入されている。
導電層１８を設けたのは、磁気センサの製造方法を考慮したためである。
磁気センサの積層体を製造する場合には、化合物半導体層１６としてＧａＡｓ基板を用い、その上に絶縁層１４、強磁性体層１２（１２ａ，１２ｂ）を順次積層する。しかしながら、ＧａＡｓ基板上に、絶縁層１４であるＡｌ2Ｏ3層を直接形成することは非常に難しい。したがって、本実施形態では、ＧａＡｓ基板に導電層１８であるＡｌ層を形成し、その後、Ａｌ層の表面を酸化して絶縁層１４であるＡｌ2Ｏ3層を形成する。このようにすることにより、容易に良質のＡｌ2Ｏ3層を形成することができる。
【００２４】
しかも、導電層１８を挿入しても、磁気センサの特性が劣化することはない。化合物半導体層１６で生成された分極した電子は、導電層１８をそのまま通過して、分極状態が変化することがない。このため、磁気センサの磁気抵抗が変動せして特性が劣化することはない。
このように本実施例によれば、特性に影響を与えることなく、磁気センサを簡単に製造することができる。
【００２５】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、化合物半導体層の材料としてＧａＡｓ層を用いたが、円偏光を照射することにより分極した電子が生成されるものであれば、他の材料でもよい。例えば、ＧａＡｓ層の代わりに、歪ませたＧａＡｓ層や、ＧａＡｓ薄層とＡｌＧａＡｓ薄層を交互に積層した超格子構造を用いてもよい。歪ませたＧａＡｓ層の分極率は約８０％、上記超格子構造の分極率は約７５％と、ＧａＡｓ層よりも大きい。
【００２６】
また、上記実施形態では、絶縁層に接する強磁性体層として、分極率の大きなＦｅＣｏ合金を用いたが、他の強磁性体、例えば、Ｆｅ（分極率：４４％）、Ｃｏ（分極率：３４％）、窒化鉄（分極率：５０％以上）を用いてもよい。
また、上記実施形態では、絶縁層に接しない側の強磁性体層として、保磁力の小さなＮｉＦｅ合金を用いたが、他の強磁性体、例えば、ゼロ磁歪ＮｉＦｅＣｏ合金（保磁力：１Ｏｅ程度）を用いてもよい。ゼロ磁歪ＮｉＦｅＣｏ合金とは、図６のグラフ中のλｓ＝０の線上の組成比の合金のことである。
【００２７】
また、上記実施形態では、絶縁層としてＡｌ2Ｏ3を用いたが、他の材料、例えば、ＳｉＯ2、ＡｌＮ、ＮｉＯ、ＣｏＯを用いてもよい。
また、上記実施形態では、絶縁層の化合物半導体層側に導電層を設けたが、強磁性体側に導電層を設けてもよい。
また、上記実施形態では、導電層としてＡｌ金属を用いたが、他の材料、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕを用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、化合物半導体層から分極した電子を供給するようにしたので、検出感度のよい磁気センサを実現することができる。また、保磁力を有する強磁性体を使用する必要がないために、外乱に強い磁気センサを実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、磁気抵抗の変化率に大きく影響する絶縁層に接する側には分極率の大きな第１の強磁性体層を設けるようにしたので、大きな磁気抵抗の変化率を得ることができる。一方、第１の強磁性体層に保磁力の小さな第２の強磁性体層を設けるようにしたので、小さな外部磁界に対しても十分な感度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態による磁気センサの磁気抵抗の磁場依存性の計算結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態による磁気センサを示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態による磁気センサの基本構造を示す図である。
【図６】ＮｉＦｅＣｏ三元合金の磁歪ゼロの組成を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…積層体
１２…強磁性体層
１２ａ…ＦｅＣｏ合金層
１２ｂ…ＮｉＦｅ合金層
１４…絶縁層
１６…化合物半導体層
１８…導電層
２０…直流電源
２２…電圧計
３０…支持基板
３２…光導波路
３４…１／４波長板
【図１】
0003540083.tif 000002
【図２】
0003540083.tif 000003
【図３】
0003540083.tif 000004
【図４】
0003540083.tif 000005
【図５】
0003540083.tif 000006
【図６】
0003540083.tif 000007