(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一方向に伸びた主チャンネル層上において、前記第一方向の片側から順に第一領域、第二領域、第三領域、第四領域、及び、第五領域を有し、
前記主チャンネル層上の前記第三領域において、
前記第一方向と同一面上であり、かつ、前記第一方向と異なる方向である第二方向に伸びる第二チャンネル層を有し、
前記第二方向上に第六領域を有し、
前記第一領域上に積層された第一電極と、
前記第二領域上に積層された第二電極と、
前記第三領域上に積層された第三電極と、
前記第四領域上に積層された第四電極と、
前記第五領域上に積層された第五電極と、
前記第六領域上に積層された第六電極を有し、
前記第二電極は強磁性体からなる第二強磁性層を有し、
前記第三電極は強磁性体からなる第三強磁性層を有し、
前記第四電極は強磁性体からなる第四強磁性層を有し、
前記第二強磁性層と前記第三強磁性層と前記第四強磁性層の磁化の向きは同一であり、
前記第二電極から前記第一電極に電流が印加され、
前記第四電極から前記第五電極に電流が印加され、
前記第六電極と前記第三電極の間の電圧が測定されることを特徴とするスピン伝導素子。
【請求項２】
前記第一電極、及び、前記第五電極は強磁性体からなる第一強磁性層、及び、第五強磁性層であり、
前記第一強磁性層、及び、前記第五強磁性層の磁化の向きは同一であり、
前記第一強磁性層、及び、前記第五強磁性層の磁化の向きは、前記第二強磁性層と前記第三強磁性層と前記第四強磁性層の磁化の向きと逆方向であることを特徴とする請求項１に記載のスピン伝導素子。
【請求項３】
前記主チャンネル層における、前記第三領域の側面から前記主チャンネル層の厚み方向と垂直な方向である前記第二方向の前記第六領域と逆方向に突出する第三チャンネル層を有し、
前記第三チャンネル層の厚み方向の両側、及び、前記第三チャンネル層の前記第一方向の両側を覆い、かつ、前記第三チャンネル層の前記突出方向の端面を露出させる磁気シールドを備えることを特徴とした請求項１または２に記載のスピン伝導素子。
【請求項４】
前記第二強磁性層、前記第三強磁性層及び前記第四強磁性層の磁化の方向は、前記第三チャンネル層が突出する方向に垂直な方向である、請求項３に記載のスピン伝導素子。
【請求項５】
前記第二強磁性層、前記第三強磁性層及び前記第四強磁性層の磁化方向は、前記第二強磁性層、前記第三強磁性層及び前記第四強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項６】
前記第二強磁性層、前記第三強磁性層及び前記第四強磁性層の少なくとも一つと、前記主チャンネル層との間に、障壁が形成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のスピン伝導素子。
【請求項７】
前記障壁は、絶縁膜からなるトンネル障壁である、請求項６に記載のスピン伝導素子。
【請求項８】
前記障壁は、ショットキー障壁である、請求項６に記載のスピン伝導素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のスピン伝導素子からなる磁気センサ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部とを備える、磁気ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン伝導素子、及びスピン伝導を用いた磁気センサ及び磁気ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、外部磁場を検出する種々の素子が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。例えばＨＤＤなどに用いられる磁気ヘッドや磁気センサには、微小領域からの磁場の検出や高出力特性が望まれている。従来のＴＭＲ素子はスピンバルブ型構造を有し、比較的大きな出力特性を有する。微小領域から磁場を検出するには素子を微細化するという方法が取られるが、素子を微細化することによって素子抵抗が増大してしまう。例えば１Ｔｂｉｔ／ｉｎｃｈ以上の記録密度領域では特性向上に限界が見え始め、別の構造や方式が必要とされている。これを解決する方法として、Ｈａｎｌｅ効果と呼ばれるスピン流の伝導現象における外部磁場によってスピンが回転する成分を検出する方法により、より微小領域の磁場を高感度で検出する方法も提案されている（例えば、下記特許文献２及び３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９９４６７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７６０１２号公報
【特許文献３】特願２０１０−２１３９１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
提案されている先行技術文献のスピン流を用いた場合、最適条件の場合においてバックグラウンドの電圧をゼロにすることが可能であるため、原理的に高い信号比を得ることが可能である。しかしながら、スピン流に伴う信号が弱いため、必要に応じて信号を増幅する必要がある。また、実際にはバックグラウンドの電圧をゼロにすることが困難であり、高い出力電圧を得ることによって必要な信号比を得る方法を取っている。したがって、スピン流を利用した素子においても高い出力電圧を得ることが重要であるが、より高出力を得る方法が求められている。
【０００５】
この課題を解決するためにはいつくかの方法がある。原理的にはスピン流の量を増やす方法であり、そのためにスピンの注入・検出の効率を上げる方法や電流量や構造を検討することによる方法がある。本発明は構造によって検出電極におけるスピン流を増大させて、高出力を得る方法を提案する。
【０００６】
本発明のスピン伝導素子は図１のような構造である。この構造は一般的にスピン伝導素子における非局所構造と呼ばれる構造である。スピンが伝導するチャンネル７Aが設置されており、このチャンネル７Ａ上に第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂと、第一参照電極２０Ａ及び第二参照電極２０Ｂとが積層されている。この構造において、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１１及び第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ１２を同一軸方向にする。第一強磁性層１２Ａと第一参照電極２０Ａの間にチャンネル７Ａにスピンを注入するために電流を印加し、第二強磁性層１２Ｂと第二参照電極２０Ｂの間の電圧を測定することによるチャンネル７Ａに注入されたスピン流が作る電位を検出することができる。なお、磁化方向Ｇ１１及び磁化方向Ｇ１２は、特許文献１及び２ではＹ方向、特許文献３ではＸ方向あるいはＺ方向である。
【０００７】
特許文献１及び３の場合は外部磁場をＹ軸方向から印加する。特許文献１の場合は第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの磁化の向きの相対角を電圧で検出する。特許文献３の場合は第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの間に流れるスピンが外部磁場によって回転し、その外部磁場の強さによって回転した成分あるいは減衰した成分を電圧で検出する。特許文献２の場合は外部磁場をＺ軸方向から印加する。検出する電圧は特許文献３と同様な成分を検出する方法である。
【０００８】
上記、特許文献においても、一般的な非局所測定法においても一次元の構造であり、一方からスピンを注入して、他方でスピンを検出する方法である。これは単純な構造であり、スピン流の効果がわかりやすい構造である。  
【０００９】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、外部磁場が検出可能な構造において、出力を向上することが可能なスピン伝導素子及びスピン伝導を用いた磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明のスピン伝導素子は、図２のように第一領域７１、第二領域７２、第三領域７３、第四領域７４、及び第五領域７５を有し、第一方向に延びる主チャンネル層７Ａ、第一領域７１上に積層された第一電極２０Ａ、第二領域７２上に積層された第二電極２０Ｂ、第三領域７３上に積層された第三電極２０Ｃ、第四領域７４上に積層された第四電極２０Ｄ、及び、第五領域７５上に積層された第五電極２０Ｅを有する。第二電極２０Ｂ、第三電極２０Ｃ、及び、第四電極２０Ｄは強磁性体であり、第二領域７２上に積層された第二強磁性層１２Ｂ、第三領域７３上に積層された第三強磁性層１２Ｃ、第四領域７４上に積層された第四強磁性層１２Ｄが設置され、第二強磁性層の磁化の向きＧ２、第三強磁性層の磁化の向きＧ３、第四強磁性層の磁化の向きＧ４が同じ方向であることを特徴とする。Ｇ２、Ｇ３、及びＧ４が同じ磁化の向きであるということは、外部磁場の印加や形状異方性などによって容易に調整可能であり、素子の自由度の拡大やコストダウンの効果がある。
【００１１】
図３のように第三領域７３において、第一方向に伸びる主チャンネル層７Ａと同一面上であり、かつ、前期第一方向と異なる方向である第二方向のチャンネル層７Ｂを有しており、第二方向上の第六領域７６上に積層された第六電極２０Fを有する。
【００１２】
第一電極２０Ａ、及び、第五電極２０Eは非磁性体からなる。あるいは、第一電極２０Ａ、及び、第五電極２０Eが強磁性体からなる場合は第一領域７１上に積層された第一強磁性層１２Ａ、及び、第五領域７５上に積層された第五強磁性層１２Ｅの磁化の向きＧ１、Ｇ５は同じ向きであり、Ｇ１及びＧ５はＧ２、Ｇ３、及びＧ４と逆向きである。この場合を図４に記した。
【００１３】
出力を得る際には、第二電極２０Ｂから第一電極２０Ａに電流を印加し、第四電極２０Ｄから第五電極２０Ｅに電流を印加し、第三電極２０Ｃと第六電極２０Ｆの間の電圧を測定する。この場合、第二電極２０Ｂの強磁性層１２Ｂ及び第四電極２０Ｄの強磁性層１２Ｄの両方の電極からチャンネル層にスピンが注入されることになり、第三電極２０Ｃの強磁性層１２Ｃで検出することができる。従来は一つの電極からのスピン注入に対して、一つの電極による検出であったが、本発明の方法は二つの電極からのスピン注入であり、従来課題であった低出力を構造によって高出力化させる方法を示している。
【００１４】
主チャンネル層７Ａにおける、第三領域７３の側面から前記主チャンネル層の厚み方向と垂直な面の方向に突出する第一突出チャンネル層を形成し、第一突出チャンネル層の厚み方向の両側、及び、第一突出チャンネル層の第一方向の両側を覆い、かつ、第一突出チャンネル層の前記突出方向の端面を露出させると、露出させて端面から磁束がチャンネル層に進入することを利用した磁気センサとなる。
【００１５】
第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ及び前記第四強磁性層１２Ｄの磁化の方向は、第一突出チャンネル層が突出する方向に垂直な方向である。これによって第二強磁性層及び第四強磁性層から注入されたスピンが突出する方向から進入した磁束によって回転し、第三強磁性層で回転に伴って出力変化を観測できる。
【００１６】
第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ及び第四強磁性層１２Ｄの磁化方向は、第二強磁性層、第三強磁性層及び第四強磁性層の上にそれぞれ配置された反強磁性層によって固定されていることが好ましい。この場合、露出させた端面から進入する磁束よりも高い保磁力を持っているため、突出方向からの磁場によって、第二強磁性層、第三強磁性層及び第四強磁性層の磁化の方向が揺らぎにくくなり、ノイズ低減の効果がある。
【００１７】
第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ及び第四強磁性層１２Ｄの少なくとも一方と、主チャンネル層７Ａとの間に、障壁が形成されている。この障壁は、絶縁膜からなるトンネル障壁であることが好ましい。これによって効率的にスピンをチャンネル層に注入することができる。あるいは、この障壁はショットキー障壁であることが好ましい。これによって低抵抗でスピンをチャンネル層に注入することができ、発熱やノイズの低減につながる。
【００１８】
これらを利用した磁気センサを読み込み部として、別に書き込み部を設置すると磁気ヘッドとして利用可能である。
【００１９】
本発明の磁気センサでは、チャンネルが、主チャンネル層と、第一突出チャンネル層とを有し、磁気シールドが、第一突出チャンネル層の端面を露出させるように、第一突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。従って、外部からの磁界を露出した端面から選択的にチャンネルに供給させることができる。チャンネル内を伝導するスピンの向きは、印加磁場の軸周りに回転し、スピンはこの回転を伴いながら拡散していく（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。
【００２０】
一方、チャンネルに外部磁場を印加しない場合、チャンネル内のスピンの向きは変化せず、そのまま拡散する。よって、受け取り電極として機能する第一強磁性層１２Ａまたは第二強磁性層１２Ｂにおいて外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力を読み取ると、外部磁場の有無によって生じるスピンの回転の度合いに応じた値を検出することができる。従って、チャンネルの露出した端面の大きさに対応する微小領域からの磁束を検出することができる。
【００２１】
また、上述のように、本発明の磁気センサでは、磁気シールドが、第一突出チャンネル層の端面を露出させるように、第一突出チャンネル層の突出方向の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドの一部を形成しておき、その上に、主チャンネル層及び第一突出チャンネル層を含むチャンネルを形成し、さらに、その後、第一突出チャンネル層の横及び上に磁気シールドの他の一部を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。
【００２２】
また、例えば、本発明の磁気センサを磁気ヘッドに適用する場合には、ＡＢＳ面と垂直に積層できるので、同様にＡＢＳ面と垂直に積層して形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。
【００２３】
さらに、本発明の磁気センサでは、磁気シールドに、磁界供給用の貫通穴を開けるプロセスが必要ないので、第一突出チャンネル層の端面の厚みを、主チャンネル層の厚みと同じにすることが容易である。従って、第一突出チャンネル層の端面から印可される外部磁界の侵入領域の厚みを、スピンの流れる主チャンネル層の厚みと同等とすることができるので、出力も高めることができる。
【００２４】
また、第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C及び第四強磁性層１２Dの磁化の方向は互いに同一であることが好ましい。この場合、第二強磁性層、第三強磁性層及び第四強磁性層の磁化固定を容易に行える。
【００２５】
また、第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C及び第四強磁性層１２Dの磁化方向は、主チャンネル層７Ａに対する第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C及び第四強磁性層１２Dの積層方向と同じであることが好ましい。この場合、強磁性層から注入されチャンネル内を伝導するスピンの磁化方向が、第一突出チャンネル層の端面から印可される外部磁界によって回転することとなる。よって、上述のような磁束の検出を好適にできる。
【００２６】
また、第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C及び第四強磁性層１２Dの磁化方向は、第一方向であることが好ましい。この場合においても、強磁性層から注入されチャンネル内を伝導するスピンの磁化方向が、第一突出チャンネル層の端面から印可される外部磁界によって回転することとなる。よって、上述のような磁束の検出を好適にできる。
【００２７】
また、第一突出チャンネル層の突出方向の端面の形状は、矩形、三角形、台形、又は円形であることが好ましい。いずれの形状においても、外部磁場を好適に検出できる。
【００２８】
また、第一強磁性層１２Ａ及び第五強磁性層１２E間において、主チャンネル層及び第一突出チャンネル層の表面は絶縁層に覆われていることが好ましい。これにより、主チャンネル層及び第一突出チャンネル層からの磁気シールドへのスピン流の流出を防ぎ、外部磁場による出力の測定を的確に行うことができる。
【００２９】
第三強磁性層１２Ｃは、第二強磁性層１２B及び第四強磁性層１２D間距離の中心部分であることが好ましい。これにより、第二強磁性層１２B及び第四強磁性層１２Dから伝導してくるスピン流の影響が等価となり、最大のスピン出力を得ることが出来る。
【００３０】
また、第一突出チャンネル層の端面を介して主チャンネル層に磁界を供給する永久磁石をさらに備えることが好ましい。永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加しない場合、検出対象の外部磁場がゼロのときに出力のピークが現れるが、永久磁石を用いて磁場をチャンネルに印加することにより、出力のピーク位置をシフトすることができ、外部磁場がゼロでないときに出力のピークを発生させることが可能となる。
【００３１】
第二強磁性層、第三強磁性層及び第四強磁性層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物であることが好ましい。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。
【００３２】
また、第一強磁性層及び第五強磁性層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物であることが好ましい。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。
【００３３】
また、チャンネル層７A及び第一突出チャンネル層の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル内に好適にスピンを蓄積できる。
【００３４】
また、本発明の磁気ヘッドは、上述の磁気センサからなる読取ヘッド部と、書き込み用の記録ヘッド部と、を備えることを特徴とする。これにより、いわゆるＨａｎｌｅ効果を利用した新規な磁気ヘッドを提供できる。
【００３５】
本発明によれば、微小領域からの磁束が検出可能な構造において、量産に適し、なおかつ出力を向上することが可能な磁気センサ及び磁気ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】一般的な非局所測定の概略斜視図である。
【図２】本発明の最も基本的な概略斜視図である。
【図３】スピンを検出するための参照電極が設置された図である。
【図４】第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、及び、第五電極が強磁性層で形成された場合の概略斜視図である。
【図５】チャンネル層に突出部が設置された模式図である。
【図６】磁気センサ用としてチャンネル層に突出した部分が形成された模式図である。
【図７】実施例１の比較例１であり、第四強磁性層及び第五電極が設置されていない模式図である。
【図８】図５の場合の非局所Ｈａｎｌｅ測定の結果である。
【図９】磁気センサを示す模式図である。
【図１０】薄膜磁気記録再生ヘッド（磁気ヘッド）を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照しながら、本発明に係るスピン伝導素子の好適な実施形態について詳細に説明する。図中には、ＸＹＺ直交座標軸系が示されている。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３８】
図１は、一般的なスピン伝導素子の概略斜視図である。スピン伝導素子は、基板２１と、チャンネル７Ａと、強磁性層１１Ａと、強磁性層１１Ｂとを主として備え、Ｙ軸方向からの外部磁場Ｂを検出するものである。基板２１は、例えばＡｌＴｉＣ基板である。
【００３９】
さらに、参照電極１９Ａが強磁性層の外側に設置され、参照電極１９Ｂが強磁性層の外側に設置されている。
【００４０】
強磁性層１１Ａから参照電極１９Ａへ電流が印加され、強磁性層１２Ｂと参照電極２０Ｂの間の電圧を測定することにより外部磁場Ｂを検出することが可能である。
【００４１】
図２は、本発明のスピン伝導素子の概略斜視図である。基板２１の上に主チャンネル層７Ａが形成されている。基板２１は、例えばＡｌＴｉＣ基板である。本実施例ではＡｌＴｉＣ基板上にＳｉＯｘが１００ｎｍが形成されている基盤を用いた。主チャンネル層７ＡはＣＺ法によって形成されたＳｉを用いており、ＣＺ法によるＳｉを切り出して基板２１上に貼り付けた。第一領域７１、第二領域７２、第三領域７３、第四領域７４、及び第五領域７５を有し、第一方向に延びる主チャンネル層７Ａ、第一領域７１上に積層された第一電極２０Ａ、第二領域７２上に積層された第二電極２０Ｂ、第三領域７３上に積層された第三電極２０Ｃ、第四領域７４上に積層された第四電極２０Ｄ、及び、第五領域７５上に積層された第五電極２０Ｅを有する。第二電極２０Ｂ、第三電極２０Ｃ、及び、第四電極２０Ｄは強磁性体であり、第二領域７２上に積層された第二強磁性層１２Ｂ、第三領域７３上に積層された第三強磁性層１２Ｃ、第四領域７４上に積層された第四強磁性層１２Ｄが設置され、第二強磁性層の磁化の向きＧ２、第三強磁性層の磁化の向きＧ３、第四強磁性層の磁化の向きＧ４が同じ方向であることを特徴とする。
【００４２】
チャンネル７は、Ｘ軸方向（第一方向）に延びる主チャンネル層７Ａと、Ｙ軸方向に伸びたチャンネル層７Ｂとを含む。図３に示されるように領域３においてＹ軸方向にチャンネル層７Ｂが伸びている。
【００４３】
チャンネル７には、導電性を付与するためのイオンが添加されていてもよい。イオン濃度は、例えば１．０×１０１５〜１．０×１０２２ｃｍ−３とすることができ、イオン種はリンとする。チャンネル７は、スピン寿命の長い材料であることが好ましく、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体とすることができる。
【００４４】
また、チャンネル７における第二強磁性層１２Ｂから第三強磁性層１２Ｃまでの距離、及び、第三強磁性層１２Ｃから第四強磁性層１２Ｄまでの距離は、チャンネル７に用いる材料のスピン拡散長以下であることが好ましい。
【００４５】
第二強磁性層１２Ｂ及び第四強磁性層１２Ｄは、チャンネル７へスピンを注入するための注入電極であり、第三強磁性層１２Ｃはチャンネル７を伝導してきたスピンを検出するための受け取り電極として機能する。
【００４６】
第二強磁性層１２Ｂは、チャンネル７の第二領域７２上に積層されている。第三強磁性層１２Ｃは、チャンネル７の第三領域７３上に積層されている。第四強磁性層１２Ｄは、チャンネル７の第三領域７４上に積層されている。
【００４７】
第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、及び第四強磁性層１２Ｄは、それぞれＹ軸方向を長軸とした直方体形状を有している。
【００４８】
また、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２ＢのＸ軸方向における幅は、同一とすることができる。
【００４９】
図２及び図４に示すように、第二強磁性層１２Bの磁化方向Ｇ２、第三強磁性層１２Cの磁化方向Ｇ３、及び第四強磁性層１２Dの磁化方向Ｇ４は、例えば第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２と同一にすることができる。この場合、第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C、及び第四強磁性層１２Dの磁化固定を容易に行える。第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C、及び第四強磁性層１２Dは、強磁性材料からなる。第二強磁性層１２B、第三強磁性層１２C、及び第四強磁性層１２Dの材料は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、前記群の元素を１以上含む合金、又は、前記群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物とすることができる。
【００５０】
図２、図３、図4に示すように、更に、第一電極２０Ａと第五電極２０Ｅとを備えている。第一電極２０Ａは、チャンネル７Ａの第一領域７１上に積層されている。第五電極２０Ｄは、チャンネル７の第五領域７５上に設けられている。チャンネル７Ａ上には、第一電極２０Ａ、第二電極２０Ｂである第二強磁性層１２Ｂ、第三電極２０Ｃである第三強磁性層１２Ｃ、第四電極２０Ｄである第四強磁性層１２Ｄ、及び第五電極２０Ｅが、Ｘ軸方向に所定の間隔を置いて、この順に配置されている。第一電極２０Ａ及び第五電極２０Ｅは、例えばＡｌなどの導電性材料からなる。
【００５１】
強磁性層とチャンネル層の間には更に障壁を備えていることが好ましい。障壁は、主チャンネル層７Ａと、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、及び第四強磁性層１２Ｄの少なくとも一方との間に設けられている。これにより、第二強磁性層１２Ｂ、及び第四強磁性層１２Ｄの少なくとも一方から主チャンネル層７Ａへスピン偏極した電子を多く注入することが可能となり、磁気センサの電位出力を高めることが可能となる。
【００５２】
図に示す例では、障壁は、絶縁膜８１からなるトンネル障壁である。例えば、図４では、絶縁膜８１Ｂは、主チャンネル層７Ａの第二領域７２と第二強磁性層１２Ｂとの間に設けられている。この例では、絶縁膜８１Ｂが単層からなる場合を示すが、絶縁膜８１Ｂは複数の層からなる積層構造としてもよい。これはいずれの強磁性層でも同様である。絶縁膜８１の材料として、例えば酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化スピネル、または酸化亜鉛などを用いることができる。抵抗の増大を抑制し、トンネル絶縁層として機能させる観点から、絶縁膜８１の膜厚は、３ｎｍ以下であることが好ましい。また、絶縁膜８１の膜厚は、１原子層の厚みを考慮して、０．４ｎｍ以上であることが好ましい。
【００５３】
図４は、図２の第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極のいずれも強磁性体からなる場合のスピン伝導素子の概略斜視図である。第一電極２０Ａは第一強磁性層１２Ａと絶縁膜８１Ａから成る。第五電極２０Ｅは第五強磁性層１２Ｅと絶縁膜８１Ｅから成る。
【００５４】
前述のように、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、及び第四強磁性層１２Ｄの磁化の向き、Ｇ２、Ｇ３、及びＧ４は同じ向きである。さらに、第一強磁性層１２Ａの磁化の向きＧ１と第五強磁性層１２Ｅの磁化の向きＧ５は同じ向きであり、Ｇ１、及びＧ５はＧ２、Ｇ３、及びＧ４と逆向きであることが好ましい。この場合、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの間にスピンを注入するための電流を流すと、第一強磁性層１２Ａ及び第二強磁性層１２Ｂの両方から主チャンネル層７Ａに同じ向きのスピンが注入される。同様に、第四強磁性層１２Ｄと第五強磁性層１２Ｅの間にスピンを注入するための電流を流すと、第四強磁性層１２Ｄ及び第五強磁性層１２Ｅの両方から主チャンネル層７Ａに同じ向きのスピンが注入される。
【００５５】
図５は、図３と同様であるが、第一電極、第二電極、第三電極、第四電極、第五電極のいずれも強磁性体からなる場合のスピン伝導素子の概略斜視図である。第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅから注入されたスピンを第三強磁性層１２Ｃと第六電極２０Ｆの間の電圧を測定することで検出することが可能である。
【００５６】
図６は、磁気ヘッドや磁気センサに利用する場合の概略斜視図である。第三チャンネル層７Ｃは、主チャンネル層７Ａにおける、第三領域７３の側面から主チャンネル層７Ａの厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直な方向（Ｙ軸方向）に突出する。より具体的には、第三チャンネル層７Ｃは、第一方向（Ｘ軸方向）に垂直な方向、かつチャンネル７に対する電極の積層方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｙ軸方向）に、突出する。
【００５７】
図７は、図５の第四電極２０Dの第四強磁性層１２Ｄと第五電極２０Eの第五強磁性層１２Ｅが設置されておらず、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂの間に電流を流すことでスピンは第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂから主チャンネル層７Ａに注入される。
【００５８】
図８は、図５の場合の非局所Ｈａｎｌｅ測定の結果である。但し、電流は第一強磁性層と第二強磁性層の間、及び第四強磁性層と第五強磁性層の間に印加されており、第三強磁性層と第六電極の間で電圧を検出している。
【００５９】
図９は、図６に磁気シールドＳを設置した概略斜視図である。磁気シールドＳは、チャンネル７、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅへ外部磁場が侵入することを遮蔽するものである。磁気シールドＳは、第三チャンネル層７Ｃの厚み方向（Ｚ軸方向）の両側、及び、第三チャンネル層７Ｃの第一方向（Ｘ軸方向）の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、第三チャンネル層７Ｃの突出方向の端面を露出させる。このような磁気シールドＳは、第一磁気シールド層Ｓ１及び第二磁気シールド層Ｓ２によって構成される。第一磁気シールド層Ｓ１は、基板２１の第三チャンネル層７Ｃの上方に配置されている。第二磁気シールド層Ｓ２は、基板２１上に設けられている。磁気シールドＳ（第一磁気シールド層Ｓ１及び第二磁気シールド層Ｓ２）の材料として、例えばＮｉ及びＦｅを含む合金、センダスト、Ｆｅ及びＣｏを含む合金、Ｆｅ、Ｃｏ、及びＮｉを含む合金等の軟磁性体材料が挙げられる。第一磁気シールド層のＳ１の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、主チャンネル層７Ａ及び第三チャンネル層７Ｂの厚み（Ｚ軸方向の長さ）よりも大きく、例えば０．０２μｍ〜１μｍである。また、第二磁気シールド層のＳ２の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．０２μｍ〜１μｍである。
【００６０】
磁気シールドＳは、第三チャンネル層７Ｃの突出方向（Ｙ軸方向）の端面を露出させる貫通穴Ｈを有する。貫通穴Ｈは、第三チャンネル層７Ｃを介して主チャンネル層７Ａへ外部磁場Ｂを印加するためのものである。外部磁場Ｂは、貫通穴Ｈにおいて露出した第三チャンネル層７Ｃの端面から侵入することとなる。
【００６１】
貫通穴Ｈで露出する端面は平坦面であり、また端面の形状は矩形状である。貫通穴Ｈの形状は、端面の形状に対応しており、貫通穴Ｈの軸方向（−Ｙ軸方向）から見て種々の形状をとることが可能であり、この例では矩形状をなしている。貫通穴Ｈの一辺の長さ（Ｘ軸方向の長さ）Ｄ１を例えば０．０１μｍ〜０．１μｍとし、他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ２を例えば０．００１μｍ〜０．１μｍとすることができる。この貫通穴Ｈの他辺の長さ（Ｚ軸方向の長さ）Ｄ２は、主チャンネル層７Ａ及び第三チャンネル層７Ｃの厚みと同じとなっている。
【００６２】
磁気センサ１は、更に、下部絶縁層２２及び中間絶縁層２３を備えている。下部絶縁層２２や中間絶縁層２３はチャンネル７の下地として機能する。下部絶縁層２２は基板２１の第一部分２５Ａ上に設けられている。中間絶縁層２３は、下部絶縁層２２及び第二磁気シールド層Ｓ２上に設けられている。すなわち中間絶縁層２３は、図９において基板２１の第一部分２５Ａ及び第二部分２５Ｂの上方に配置されている。よって、主チャンネル層７Ａは、基板２１の第一部分２５Ａの上方に配置された中間絶縁層２３上に積層されている。また、第三チャンネル層７Ｃは、基板２１の第二部分２５Ｂの上方に配置された中間絶縁層２３上に積層されている。
【００６３】
下部絶縁層２２及び中間絶縁層２３は絶縁材料からなり、例えばアルミナ等の酸化膜である。下部絶縁層２２の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．０２μｍ〜１μｍである。また、中間絶縁層２３の厚み（Ｚ軸方向の長さ）は例えば０．００３μｍ〜０．０３μｍである。このようにチャンネル７の下地である下部絶縁層２２や中間絶縁層２３を比較的厚くすることにより、チャンネル７からスピン流や電流がリークすることを抑制できる。
【００６４】
磁気センサ１は、更に、チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４を備えている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４は、チャンネル７（主チャンネル層７A及び第三チャンネル層７C）と第一磁気シールド層Ｓ１との間に設けられている。第三チャンネル層７Cの下面に設けられた中間絶縁層２３と、第三チャンネル層７Cの上面及び側面さらには主チャンネル層７AのＹ軸方向側の一側面に設けられたチャンネル−磁気シールド間絶縁層２４とによって、チャンネル７は、第一磁気シールド層Ｓ１及び第二磁気シールド層Ｓ２から絶縁されている。チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４は絶縁性材料からなる。上記の下部絶縁層２２、中間絶縁層２３、及びチャンネル−磁気シールド間絶縁層２４は、例えば、ＨｆＯ２、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＣなどが挙げられる。
【実施例】
【００６５】
以下、本実施形態に係るスピン伝導素子の製造方法の一例を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００６６】
（実施例１）
実施例１として図３の構成のスピン伝導素子を作成した。まず、予め準備した基板２１に、アライメントマークを形成する。続いて、下部絶縁層２２となる絶縁膜を基板２１の全面に形成する。下部絶縁層２２として、酸化シリコンを形成した。厚さは、5ｎｍとした。
【００６７】
その後、ＭＢＥ法によって、絶縁層上にチャンネル７となる半導体層を形成する。この半導体層として例えば５０ｎｍのＳｉ層が挙げられる。この半導体層をレーザーアニールにより結晶化する。あるいは、単結晶のＳｉを切り出して中間絶縁層２３となる絶縁層上に張り付ける。その後、イオン注入技術によってリンをＳｉに打ち込み、不純物濃度を調整した。このときの不純物濃度は、５×１０１９／ｃｍ３であり、不純物を活性化するためにＲＴＡ法によってアニールを行った。
【００６８】
半導体層の結晶化後、ＲＣＡ洗浄及びフッ酸により半導体層の表面を洗浄する。続いて、ＭＢＥ法により半導体層上に障壁として例えばＭｇＯ層を１ｎｍ、強磁性層として例えばＦｅ層を５ｎｍ、保護膜としてＴｉ層を３ｎｍ形成する。さらに、スパッタ法により、ＣｏＦｅ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、ＩｒＭｎ、Ｒｕ、Ｔａの順からなるシンセティック複合膜を形成する。この構造により、Ｆｅ層が反強磁性層で固定される。
【００６９】
続いて、磁場下でのアニールを行うことにより、反強磁性層により強磁性積層膜の磁化方向を固定される。
【００７０】
次に、ＥＢ法により、第一電極２０Ａ、第二電極２０Ｂ、第三電極２０Ｃ、第四電極２０Ｄ、及び第五電極２０Ｅを例えば矩形状に加工するためのマスクを形成する。このマスクを用いて、イオンミリング法により、チャンネル７上の不要な障壁層及び強磁性層及びチャンネル７の一部を除去する。これにより、第一電極２０Ａ、第二電極２０Ｂ、第三電極２０Ｃ、第四電極２０Ｄ、及び第五電極２０Ｅを形成する。
【００７１】
さらに、基板２１上に複数の電極用パッドを形成し、複数の電極用パッドを用いて、第一電極２０Ａと第二電極２０Ｂとの間や、第三電極２０Ｃと第六電極２０Ｆとの間や、第四電極２０Ｄと第五電極２０Ｅの間を配線する。このようにして実施例1のスピン伝導素子を得た。
【００７２】
第一電極２０Ａ及び第二電極２０Ｂを電流源に接続し、さらに、第四電極２０Ｄ及び第五電極２０Ｅを別の電流源に接続する。それぞれの電流源からチャンネル７へ電流を流すことによりスピンがチャンネル７へ注入される。第三電極２０Ｃ及び第六電極２０Ｆに電圧計を設置することによって、チャンネル７に流れるスピンを電圧として検出する。外部磁場ＢをY方向あるいは、Ｚ方向から印加することによりチャンネル７のスピンの状態が変化し、外部磁場に対応した電圧が観測される。外部磁場に対する電圧の変化を図８に示す。また、外部磁場ＢをＹ方向から十分大きく印加すると、チャンネル７に注入されたスピンは回転・減衰を起こす。ゼロ磁場と十分大きな磁場が印加された状態の出力は７．０μＶであった。
【００７３】
（実施例２）
次に、実施例１と同様の方法で作製し、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅを形成した後、フォトリソグラフィにて第一強磁性層１２Ａ及び第五強磁性層１２Ｅのみを露出させ、その後、第一強磁性層１２Ａ及び第五強磁性層１２ＥのＲｕ、ＣｏＦｅ、ＩｒＭｎ、Ｒｕ、Ｔaをイオンミリングにて除去し、ＣｏＦｅ層を露出させた。さらに、ＣｏＦｅ層の上にＴａ層を形成した。これにより、第一強磁性層１２Ａ及び第五強磁性層１２Ｅの保磁力を、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、及び、第四強磁性層１２Ｄの保磁力よりも弱くすることができる。
【００７４】
このようにして第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、及び、第四強磁性層１２Ｄの保磁力と第一強磁性層１２Ａ及び第五強磁性層１２Ｅの保磁力に差をつけた図５の構成のスピン伝導素子を得た。実施例１と同様に外部磁場に対する電圧の変化を測定し、出力は、１３．４μＶであった。
【００７５】
（比較例１）
比較例１は、第四電極２０Ｄ及び第五電極２０Ｅを設けない図７の構成とした以外は、実施例１と同様の製造方法で作製し、スピン伝導素子を得た。実施例１と同様に外部磁場に対する電圧の変化を測定し、出力は３．２μＶであった。
【００７６】
これらの結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
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【００７８】
実施例１と比較例１の得られる出力を比較すると、実施例１の方が比較例１の約２倍の出力が得られていることがわかる。さらに、実施例１と実施例を比較すると、実施例２の方が2倍の出力が得られており、実施例１の構造において第一電極２０Ａと第五電極２０Ｅを強磁性層として、第二電極２０Ｂ、第三電極２０Ｃ及び第四電極２０Ｄの強磁性層の保磁力が第一電極２０Ａと第五電極２０Ｅの保磁力よりも高い方がより高出力が得られることがわかる。
【００７９】
（磁気センサの例）
実施例１及び実施例２の構造は磁気センサとして機能させることができる。以下、磁気センサの例を説明する。
【００８０】
磁気センサの実施例は実施例１及び実施例２に以下の工程を追加する。
【００８１】
チャンネル７の露出した表面、絶縁膜８１の側面や強磁性層１２の側面に、絶縁層を例えば２０ｎｍ形成する。続いて、フォトリソグラフィ法により、基板２１の第一部分２５Ａの上方をレジストマスクで覆い、第一磁気シールド層Ｓ１を基板２１の第二部分２５Ｂの上方に形成する。これにより、第三チャンネル層７Ｃが絶縁層（チャンネル−磁気シールド間絶縁層２４）を介して第一磁気シールド層Ｓ１で覆われる。また、第一磁気シールド層Ｓ１が中間絶縁層２３を介して第二磁気シールド層Ｓ２上に形成される。このようにして、磁気シールドＳが、第三チャンネル層７Ｃの厚み方向（Ｚ軸方向）の両側、及び、第三チャンネル層７Ｃの第一方向（Ｘ軸方向）の両側を絶縁層を介して覆い、かつ、第三チャンネル層７Ｃの突出方向の端面を露出させる。
【００８２】
以下、本実施形態に係る磁気センサ１の作用効果を説明する。磁気センサ１を動作させる前に、強磁性層の磁化方向を固定する。図４、図５、図６や図９に示す例では、第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１は、第五強磁性層１２Ｅの磁化方向Ｇ５と同一方向に、第一方向（Ｘ軸方向）に固定している。同時に、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２、第三強磁性層１２Ｃの磁化方向Ｇ３、及び第四強磁性層１２Ｄの磁化方向Ｇ４は反強磁性層によって磁化方向が固定されており、第一方向（Ｘ軸方向）に固定している。第一強磁性層１２Ａの磁化方向Ｇ１と第五強磁性層の磁化方向Ｇ５は、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２、第三強磁性層１２Ｃの磁化方向Ｇ３、及び第四強磁性層１２Ｄの磁化方向Ｇ４と逆向きになるようにする。
【００８３】
磁気センサ１では、チャンネル７が、主チャンネル層７Ａと第三チャンネル層７Ｃとを有し、磁気シールドＳが、主チャンネル層７Ａの端面を露出させるように、第三チャンネル層７Ｃの突出方向の周りを取り囲んでいる。従って、外部からの磁場Ｂを、露出した端面から選択的にチャンネル７に供給させることができる。
【００８４】
図９に示すように、例えば第一電極２０Ａ及び第二電極２０Ｂを電流源７０に接続することにより、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂに電流を流す。強磁性体である第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂから、絶縁膜８１を介して、非磁性の主チャンネル層７Ａへ電流が流れることにより、第一強磁性層１２Ａと第二強磁性層１２Ｂから同じ向きのスピンを有する電子がチャンネル７へ注入される。注入されたスピンは第三強磁性層１２Ｃ側へ拡散していく。このように、チャンネル７に流れる電流及びスピン流が、主に第一方向（Ｘ軸方向）に流れる構造とすることができる。同様に、例えば第四電極２０Ｄ及び第五電極２０Ｅを電流源７１に接続することにより、第四強磁性層１２Ｄと第五強磁性層１２Ｅに電流を流す。強磁性体である第四強磁性層１２Ｄと第五強磁性層１２Ｅから、絶縁膜８１を介して、非磁性の主チャンネル層７Ａへ電流が流れることにより、第四強磁性層１２Ｄと第五強磁性層１２Ｅから同じ向きのスピンを有する電子がチャンネル７へ注入される。注入されたスピンは第三強磁性層１２Ｃ側へ拡散していく。このように、チャンネル７に流れる電流及びスピン流が、主に第一方向（Ｘ軸方向）に流れる構造とすることができる。
【００８５】
ここで、チャンネル７に外部磁場Ｂを印加しないとき、すなわち外部磁場Ｂがゼロのとき、図６を例とすると、チャンネル７の第三領域７３を拡散するスピンの向きは回転しない。よって、予め設定された第三強磁性層１２Ｃの磁化の向きＧ３と同一方向のスピンが第三領域７３まで拡散してくることとなる。従って、外部磁場Ｂがゼロのとき、抵抗出力あるいは電圧出力が極値となる。なお、電流や磁化の向きで極大値あるいは極小値をとりうる。出力は、例えば第三強磁性層１２Ｃ及び第六電極２０Ｆに接続した電圧測定器８０などの出力測定器により評価することができる。
【００８６】
対して、チャンネル７へ外部磁場Ｂを印加する場合を考える。外部磁場Ｂは、貫通穴Ｈで露出する第三チャンネル層７Ｃの端面からチャンネル７に印加される。図９の例では、外部磁場Ｂを、第二強磁性層１２Ｂの磁化方向Ｇ２（Ｘ軸方向）及び第四強磁性層１２Ｄの磁化方向Ｇ４（Ｘ軸方向）に対して垂直な方向（−Ｙ軸方向）から印加する。外部磁場Ｂを印加すると、チャンネル７内であって貫通穴Ｈに対応する領域を拡散してきたスピンの向きは、外部磁場Ｂの軸方向（−Ｙ軸方向）を中心として回転する（いわゆるＨａｎｌｅ効果）。このスピンがチャンネル７の第三領域７３まで拡散してきたときの回転の向きと、予め設定された第三強磁性層１２Ｃの磁化の向きＧ３、すなわちスピンとの相対角により、チャンネル７と第三強磁性層１２Ｃの界面の電圧出力や抵抗出力が決定される。外部磁場Ｂを印加する場合、チャンネル７を拡散するスピンの向きは回転するので、第三強磁性層１２Ｃの磁化の向きＧ３と向きが必ずしも揃わない。よって、抵抗出力あるいは電圧出力は、外部磁場Ｂがゼロのときに極大値をとる場合、外部磁場Ｂを印加するときには極大値以下となり、外部磁場Ｂがゼロのときに極小値をとる場合、外部磁場Ｂを印加すると極小値以上となる。
【００８７】
従って、磁気センサ１では、外部磁場Ｂがゼロのときに出力のピークが現れ、外部磁場Ｂを増加または減少させると、出力が減少していく。つまり、外部磁場Ｂの有無によって出力が変化するので、本実施形態に係る磁気センサ１を磁気検出素子として使用できる。なお、スピンを利用した従来の磁気センサでは、磁化自由層と磁化固定層の磁化方向が平行や反平行のときの相対角で出力のピークが出ていたが、本実施形態に係る磁気センサ１では、上述のように外部磁場Ｂがゼロで出力のピークが出る。よって、例えば磁気ヘッドなどに本実施形態に係る磁気センサ１を適用して、外部磁場の正負のタイミングを読み取る場合、磁壁の磁場がキャンセルするゼロのところで出力ピークがでるので、ここで反転したと判断することができる。また、この磁気センサ１では、ヒステリシスがない。
【００８８】
このように、磁気シールドＳから露出させた第三チャンネル層７Ｃの端面を用いることにより、端面の大きさに対応する微小な磁束が検出可能となる。この際、外部磁場の検出の解像度は端面の大きさで決定されるので、強磁性層のサイズ（例えばＸＹ平面の面積）を微細化することなく、微小領域から磁束を検出できる。よって、強磁性層を微細化することによる素子抵抗の増大を抑制することも可能となる。
【００８９】
また、磁気センサ１では上述のように、磁気シールドＳが、第三チャンネル層７Ｃの端面を露出させるように、第三チャンネル層７Ｃの突出方向（Ｙ軸方向）の周りを取り囲んでいる。このような構造は、予め磁気シールドＳの一部（第二磁気シールド層Ｓ２）を基板２１上に形成しておき、その上に、主チャンネル層７Ａ及び第三チャンネル層７Ｃを含むチャンネル７を形成し、さらに、その後、第三チャンネル層７Ｃの横及び上に磁気シールドＳの他の一部（第一磁気シールド層Ｓ１）を形成することにより、容易に形成でき、量産性が高い。また、例えば、磁気センサ１を磁気ヘッドに適用する場合には、ＡＢＳ面と垂直に積層することができるので、同様にＡＢＳ面と垂直に積層されて形成される記録ヘッド部の製造方法との適合性が高く好ましい。
【００９０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。第三チャンネル層７Ｃの突出方向の端面の形状は上述した矩形に限定されず、例えば三角形、台形、又は円形であってもよい。いずれの形状においても、外部磁場Ｂを好適に検出できる。
【００９１】
また、上記実施形態では、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの磁化の方向がＸ軸方向である場合を示したが、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの磁化の方向は、第三チャンネル層７Ｃが突出する方向（Ｙ軸方向）に垂直な方向であればよい。上述のように、外部磁場Ｂをチャンネル７に印加すると、チャンネル７内のスピンの向きは、印加磁場Ｂの軸周り（Ｙ軸周り）に回転する。仮に、強磁性層の磁化の方向が、第三チャンネル層７Ｃの突出する方向に平行な場合、どちらの強磁性層からスピンを注入しても、外部磁場Ｂの印加によるスピンの向きに回転は生じず、磁束の検出が困難である。よって、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの磁化の方向が、第一突出チャンネル層７ｂが突出する方向に垂直な方向であれば、上述のような磁束の検出を好適にできる。
【００９２】
例えば、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの磁化方向は、主チャンネル層７Ａに対する第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの積層方向（Ｚ軸方向）と同じであってもよい。この場合においても、強磁性層から注入されチャンネル７内を伝導するスピンの磁化方向が、第三チャンネル層７Ｃの端面から印可される外部磁場Ｂによって回転することとなる。よって、上述のような磁束の検出を好適にできる。
【００９３】
また、主チャンネル層７Ａに対する第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅの積層方向の場合にはそれぞれの膜厚を変える事に保磁力差をつけるほうが好ましい。
【００９４】
また、主チャンネル層７Ａ及び第三チャンネル層７Ｃの表面は絶縁層に覆われていることが好ましい。また、第三チャンネル層７Ｃの端面は磁気シールドＳには覆われておらず、露出している。なお、この端面が磁気記録媒体２０と接触することを抑制するために、第三チャンネル層７Ｃの端面には、保護用の絶縁膜が形成されていてもよく、あるいは端面に潤滑剤が塗布されていてもよい。
【００９５】
また、チャンネル７、第二チャンネル層７Ｂ及び第三チャンネル層７Ｃは磁気シールドＳと電気的に絶縁されていることが好ましい。この場合、チャンネル７、第二チャンネル層７Ｂ及び第三チャンネル層７Ｃから磁気シールドへ電流やスピン流が流出することを抑制できる。
【００９６】
また、第一強磁性層１２Ａ、第二強磁性層１２Ｂ、第三強磁性層１２Ｃ、第四強磁性層１２Ｄ、及び第五強磁性層１２Ｅにおける強磁性層の材料は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択される金属、群の元素を１以上含む合金、又は、群から選択される１以上の元素と、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群から選択される１以上の元素とを含む化合物であることが好ましい。これらの材料はスピン分極率の大きい強磁性材料であるため、スピンの注入電極又はスピンの受け取り電極としての機能を好適に実現することが可能である。
【００９７】
また、チャンネル７（主チャンネル層７Ａ、第二チャンネル層７Ｂ及び第三チャンネル層７Ｃ）の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、Ｃ、ＺｎＯのうちのいずれか１つを含む半導体であることが好ましい。これらの半導体はスピン拡散長が比較的長いため、チャンネル７内に好適にスピンを蓄積できる。また、外部磁場に対する電圧出力や抵抗出力のピークの半値幅は、チャンネル７におけるスピン寿命の逆数に比例するので、スピン寿命が長ければ磁場感度が良くなることとなる。チャンネル７に用いられるスピン寿命の長い材料として、例えばＳｉやＧａＡｓなどが挙げられるが、特にＳｉが好ましい。また、チャンネル７におけるスピン寿命が短い方が磁場感度は悪くなるものの、広い範囲の磁場を検出できる。
【００９８】
また、チャンネル７と、強磁性層との間に設けられる障壁として、絶縁膜からなるトンネル障壁を適用する例を示したが、障壁はショットキー障壁でもよい。このようなショットキー障壁は、例えば、金属からなる強磁性層が、半導体からなるチャンネル７とショットキー接合することで形成される。
【００９９】
図１０は、薄膜磁気記録再生ヘッド（磁気ヘッド）１００Ａを示す模式図である。上述の磁気センサ１を薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａの読取ヘッド部１００ａに適用することができる。具体的に薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、そのエアベアリング面（Air Bearing Surface：媒体対向面）ＡＢＳが磁気記録媒体２０の記録面２０ａに対向配置されるような位置で磁気情報の記録及び読み取り動作を行う。上述の磁気センサ１における貫通穴Ｈから露出した第三チャンネル層７Ｃの端面が、このエアベアリング面ＡＢＳに対応するように配置されることとなる。
【０１００】
磁気記録媒体２０は、記録面２０ａを有する記録層２０ｂと、記録層２０ｂに積層される軟磁性の裏打ち層２０ｃとを含んで構成されており、図１０中Ｚ軸方向で示す方向に、薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａに対して相対的に進行する。薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａは、磁気記録媒体２０から記録を読み取る読取ヘッド部１００ａの他に、磁気記録媒体２０への記録を行う記録ヘッド部１００ｂを備える。読取ヘッド部１００ａ及び記録ヘッド部１００ｂは、基板２１上に設けられており、アルミナ等の非磁性絶縁層により覆われている。
【０１０１】
図１０に示すように、読取ヘッド部１００ａの上に、書き込み用の記録ヘッド部１００ｂが設けられている。記録ヘッド部１００ｂにおいて、リターンヨーク３０上にコンタクト部３２及び主磁極３３が設けられており、これらが磁束のパスを形成している。コンタクト部３２を取り囲むように薄膜コイル３１が設けられており、薄膜コイル３１に記録電流を流すと主磁極３３の先端から磁束が放出され、ハードディスク等の磁気記録媒体２０の記録層２０ｂに情報を記録することができる。以上のように、本発明の磁気センサ１を用いて、記録媒体などの微小な領域から磁束を検出可能な薄膜磁気記録再生ヘッド１００Ａを提供できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１…磁気センサ、７…チャンネル、７Ａ…主チャンネル層、７Ｂ…第二チャンネル層、７Ｃ…第三チャンネル層、１２Ａ…第一強磁性層、１２Ｂ…第二強磁性層、１２Ｃ…第三強磁性層、１２Ｄ…第四強磁性層、１２Ｅ…第五強磁性層、２０Ａ…第一電極、２０Ｂ…第二電極、２０Ｃ…第三電極、２０Ｄ…第四電極、２０Ｅ…第五電極、２１…基板、２２…下部絶縁層、２３…中間絶縁層、２４…チャンネル−磁気シールド間絶縁層、８１Ａ…絶縁膜、８１Ｂ…絶縁膜、８１Ｃ…絶縁膜、８１Ｄ…絶縁膜、８１Ｅ…絶縁膜、Ｓ…磁気シールド、Ｓ１…第一磁気シールド層、Ｓ２…第二磁気シールド層、Ｈ…貫通穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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