(57)【要約】    【課題】非常に狭くて短い磁気ビットを読み取ることのできる最適な磁気感度を有する異常磁気抵抗センサを得る。    【解決手段】このセンサ３００は半導体層３０４および高導電性材料層３０２からなる層を含む。第一、第二電流リード３１４，３１６が半導体材料の縁部３０８に電気的に接続され、リードの一方３１６がセンサ端部３１０から内側のある距離のところに設置される。センサは第一、第二電圧リード３１８，３２０も含み、これらは電流リードの一方３１６の両側に、これに近づけて設置される。【選択図】図３
2006041515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料層と、
前記導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ前記第二導電性電流リードからＬ／２０を超えない距離だけ離間していることを特徴とする磁気抵抗センサ。
【請求項２】
前記第一および第二導電性電圧リードが、解像あるいはイメージングすべき磁区あるいは磁気ビットの寸法程度の距離だけ前記第二導電性電流リードからそれぞれ離間していることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方から２Ｌ／３の距離に設置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方からＬ／３より長く、５Ｌ／６より短い距離に設置されることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記半導体材料層が長さ部分（Ｌ）に対して垂直な方向に幅（Ｗ）を有し、Ｗ／Ｌの比率がＬ／１０〜Ｌ／３０の間であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
前記半導体材料層が長さ部分（Ｌ）に対して垂直な方向に幅（Ｗ）を有し、Ｗ／Ｌの比率が１／５〜１／６０の間であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
非磁性の高導電性材料層と、
前記非磁性の高導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記非磁性の高導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ相互からＬ／５未満の距離だけ離間していることを特徴とする磁気抵抗センサ。
【請求項８】
前記第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方からＬ／３より長く、５Ｌ／６より短い距離に設置されることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項９】
前記第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方から約２Ｌ／３の距離に設置されることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１０】
前記半導体材料層が長さ部分（Ｌ）に対して垂直な方向に幅（Ｗ）を有し、Ｗ／Ｌの比率が１／５〜１／６０の間であることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１１】
前記半導体材料層が長さ部分（Ｌ）に対して垂直な方向に幅（Ｗ）を有し、Ｗ／Ｌの比率がＬ／１０〜Ｌ／３０の間であることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１２】
前記半導体材料層および前記非磁性の高導電性材料層付近に配置された磁気シールドをさらに含むことを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１３】
前記センサが磁気シールドを含まないことを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１４】
前記半導体材料層が、高移動度の小型バンドギャップ材料であることを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１５】
前記半導体材料層が２ＤＥＧの量子井戸を伴う変調ドープ半導体であり、前記非磁性の高導電性材料層が金属を含むことを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１６】
前記半導体材料層と前記非磁性の高導電性材料層とがそれらの間にオーミック界面を形成することを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１７】
前記半導体材料層と前記非磁性の高導電性材料層との間に介在される材料層をさらに含み、前記半導体材料層と前記非磁性の高導電性材料層との間にオーミック接触を形成することを特徴とする請求項７記載のセンサ。
【請求項１８】
導電性材料層と、
前記導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードであって、第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方からＬ／３〜５Ｌ／６の距離に設置される電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、
を有することを特徴とする磁気抵抗センサ。
【請求項１９】
導電性材料層と、
前記導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードであって、第二導電性電流リードが、前記半導体材料層の前記第一および第二端部の一方から約２Ｌ／３の距離に設置される電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、
を有することを特徴とする磁気抵抗センサ。
【請求項２０】
磁気媒体と、
アクチュエータと、
前記アクチュエータに接続されたスライダであって、前記アクチュエータが前記磁気媒体付近の所望する位置上でスライダを動かすよう操作可能であるスライダと、
前記スライダに接続された磁気抵抗センサであって、
非磁性の導電性材料層と、
前記非磁性の導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記非磁性の導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を含む磁気抵抗センサと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ相互からＬ／５未満の距離だけ離間していることを特徴とする磁気データ記録システム。
【請求項２１】
加工物を保持するためのチャックと、
アクチュエータと、
前記チャック上で動かすための前記アクチュエータに接続された磁気抵抗センサであって、
非磁性の導電性材料層と、
前記非磁性の導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記非磁性の導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を含む磁気抵抗センサと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ相互からＬ／５未満の距離だけ離間していることを特徴とする走査型磁力計。
【請求項２２】
加工物を保持するためのチャックと、
アクチュエータと、
前記チャック上で動かすための前記アクチュエータに接続された磁気抵抗センサであって、
非磁性の導電性材料層と、
前記非磁性の導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記非磁性の導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を含む磁気抵抗センサと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ相互からＬ／５未満の距離だけ離間していることを特徴とする走査型磁気撮像装置。
【請求項２３】
導電性材料層と、
前記導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ前記第二導電性電流リードから３０ｎｍを超えない距離だけ離間していることを特徴とする磁気抵抗センサ。
【請求項２４】
導電性材料層と、
前記導電性材料層付近に形成され、これに接触する半導体材料層であって、この半導体材料層が、前記導電性材料層の反対側に端面を有し、かつ第一および第二端部が長さ部分（Ｌ）だけ離間する半導体材料層と、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電流リードと、
前記半導体材料層と電気通信する第一および第二導電性電圧リードであって、これらの第一および第二導電性電圧リード間に前記第二導電性電流リードが設置される電圧リードと、を有し、
前記第一および第二導電性電圧リードがそれぞれ前記第二導電性電流リードから２０ｎｍを超えない距離だけ離間していることを特徴とする磁気抵抗センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗センサに関し、より詳細には、磁気抵抗（ｄＲｖｖ／Ｒｉｉ）が最大であり、トラック幅の極めて狭い異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータの長期記憶の心臓部は磁気ディスクドライブと呼ばれる組立体である。磁気ディスクドライブは、回転式磁気ディスクと、この回転式磁気ディスクの表面付近でサスペンションアームにより吊り下げられる書込み・読取りヘッドと、サスペンションアームを振幅運動させて書込み・読取りヘッドを回転ディスク上の選択された円形トラック上に配置するアクチュエータとを含む。書込み・読取りヘッドは空気軸受面（ＡＢＳ）を有するスライダ上に直接設置される。ディスクが回転していない時はサスペンションアームがスライダを付勢してこれをディスク表面に接触させるが、ディスクの回転時にはディスクが回転することにより空気が渦巻く。スライダが空気軸受に乗ると、書込み・読取りヘッドが働いて磁気ビットが回転ディスクへ書き込まれ、また磁気ビットが回転ディスクから読み取られる。書込み・読取りヘッドは処理回路に接続されており、この回路はコンピュータプログラムにより作動して、書込み機能と読取り機能とを実行する。
【０００３】
最近の読取りヘッド設計では、回転式磁気ディスクからの磁場を検出するのに巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサとも呼ばれるスピンバルブセンサが使用されている。このセンサは、第一および第二強磁性層（以下、固定層および自由層という）間に挟まれた非磁性導電層（以下、スペーサ層という）を含む。スピンバルブセンサには第一および第二リードが接続されて、それらの間でセンス電流を導通する。固定層は磁化が空気軸受面（ＡＢＳ）に対して垂直に固定されており、自由層は磁気モーメントがＡＢＳに対して平行に設定されるが外部磁場に応答して回転自在である。固定層の磁化は通常、反強磁性層との交換結合により固定される。
【０００４】
スペーサ層の厚さは、センサを通る伝導電子の平均自由行程よりも少なくなるように選択される。この構成により、伝導電子の一部は、スペーサ層の、固定層および自由層それぞれとの界面のそばで散乱する。固定層および自由層の磁化が相互に対して平行の場合、散乱は最小となって抵抗状態が低くなり、固定層および自由層の磁化が逆平行の場合、散乱は最大となって抵抗状態が高くなる。散乱が変化すると、スピンバルブセンサの抵抗はｃｏｓθに比例して変化する（θは固定層および自由層の磁化間の角度）。スピンバルブセンサの抵抗は読み取り状態では回転ディスクからの磁場の規模に比例して変化する。スピンバルブセンサにセンス電流が導通されると、抵抗の変化が電圧の変化を引き起こし、これが検出されて、再生信号として処理される。
【０００５】
技術者や科学者らはデータ転送速度およびデータ容量を増加するために弛まぬ努力を重ね、磁気抵抗センサを一層小さくする方法を絶えず発見してきた。しかし、このようなセンサは寸法をこれ以上さらに低減することができない限界に急速に近づいている。これは一つには、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）あるいは同様のセンサにおける、磁性層の磁化方向のゆらぎ、特に、熱的に生じる自由層の磁化のゆらぎのためである。センサが小さくなり、それに伴って磁性層の容量が減少すると、熱運動は一層深刻になる。層内部の磁化のゆらぎはセンサ雑音の増加を招く。層がＣＰＰ型で作動するＧＭＲ素子には、ある種のセンサが小さい寸法に進歩することを制限する別の種類の雑音が存在し、この雑音はスピントルク雑音と呼ばれて、これもまた雑音の一因となり、このような素子のＳＮ比を低減する。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ヘッドなど、磁性層を使用する別の種類のセンサが研究されてきたが、ＭＴＪヘッドではまさにＧＭＲヘッドのようにマグノイズやスピントルク雑音が現れ、これらはいずれも素子の寸法が小さくなるとともに増大する。ＭＴＪセンサではショットノイズも現れる。寸法が減少すると、最終的にこれらの雑音源は、多くの種類のセンサが使い物にならなくなるほどに増加する。したがって、磁性層の使用を必要としないセンサ、より具体的には、磁性自由層を使用しないセンサが必要性となる。
【０００６】
このような非磁性磁気抵抗センサを発展させるために、異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサと呼ばれるものが研究者らによって研究されてきた。非特許文献１ではＥＭＲを記載している。非特許文献２では、読取りヘッドを応用するためのＥＭＲセンサを記載している。
【０００７】
ＥＭＲセンサは、約１００年前から知られているホール効果に基づいて作動する。電場と磁場とが両方存在する場合に電子などの電荷担体が材料中を移動していると、電子は、電場に従う力ならびにその速度と磁場との外積によって得られる力を受けやすくなる。このように、磁場は、担体の動きをその動作方向から離れるように偏向しようとする。定常状態で動作する幾つかのホール素子では、担体は、電場に対してある角度（ホール角度と呼ばれる）で流動し、この角度はｔａｎ（シータ）＝（Ｍｕ）×（Ｂ）で得られる（Ｍｕは材料の移動度、Ｂは磁場）。半導体の中には、約６０，０００ｃｍ２／Ｖｓ（＝６／テスラ）程度のＭｕで作製できるものもある。１テスラの磁場では、電場と電流フローとの間に８１度のホール角度を達成することができ、その結果、磁場における担体の動作方向が大きく変化する。
【０００８】
半導体付近に形成される金属などの導電性材料として、最も簡単な言い方で表されるＥＭＲ素子を構成することができる。この半導体の両端で一対の電流リードが半導体表面に接続されると、電流はこの半導体を通り、（電流リードの反対側に設置された）より導電性の金属の方へ流れようとする。その場合、電流は直ちにより導電性の材料を通り、次に半導体を通って戻り、他方の電流リードへと進む。素子の面に対して垂直に磁場が印加されるとホール効果が電子を偏向するため、電子の一部は高抵抗になった半導体を通ってより長い距離を進み、こうして素子の全体的抵抗が増大する。この結果、半導体の両端の電圧差として読み取ることのできる抵抗が増加し、この抵抗は、電流リードと同じ表面に設置された電圧リードによって測定される。したがって、素子の磁気抵抗は、電圧リード間の電圧変化（ｄＶｖｖ）を電流リードに印加される電圧（Ｖｉｉ）で割ったものとして、あるいは、
ＭＲ＝ｄＶｖｖ／Ｖｉｉ
と定義することができる。
【０００９】
さらに、電圧リードＲｖｖおよび電流リードＲｉｉの抵抗は、次式のように、この構造を流れるどんな電流で割ることによっても定義することができる。
【００１０】
ＭＲ＝ｄＶｖｖ／Ｖｉｉ＝ｄＲｖｖ／Ｒｉｉ
＜先行技術の説明＞
図１は先行技術によるＥＭＲセンサ１０の等角図である。ＥＭＲセンサ１０は、ＧａＡｓなどの半導体基板１２上に形成されたＩＩＩ‐Ｖヘテロ構造である構造２０を含む。しかし本発明に記述するＥＭＲセンサはＩＩＩ‐Ｖ半導体材料に限定されるものではない。また、例えばシリコンからなる基板上に形成することもできる。ヘテロ構造２０は、第一バンドギャップを有する半導体材料の第一層２２と、第一層２２の上部に形成されて第一バンドギャップよりも小さい第二バンドギャップを有する半導体材料の第二層３０と、第二層３０の上部に形成されて第二バンドギャップよりも大きい第三バンドギャップを有する半導体材料の第三層２４とを含む。第一層２２および第三層２４の材料は、類似あるいは同一にすることもできる。種々のバンドギャップが種々の材料からできているため、第一、第二、第三の半導体材料層によってエネルギー的ポテンシャル井戸（量子井戸）を作ることができる。したがって、センサ１０内のＥＭＲ活性フィルムと見做される層３０の内部に担体を閉じ込めることができる。
【００１１】
第一層２２は通常、単数または複数の層とすることのできるバッファ層２６の上部に形成される。バッファ層２６は、基板中に存在する不純物が機能層２２、２４、３０へ移動するのを防ぐよう機能する数周期の超格子構造を含む。さらにバッファ層２６は、基板１２とヘテロ構造２０の機能層との通常は異なる格子定数が適応するように選択され、基板と機能層との間の張力緩和層としての機能を果たす。
【００１２】
第一層２２または第三層２４の、あるいは両層２２、２４の半導体材料には単数または複数のドーピング層が組み込まれており、このドーピング層は第二および第三半導体材料の境界から離間している。ドープ層は量子井戸へ、電子（ｎ型ドープの場合）、あるいは正孔（ｐ型ドープの場合）を提供する。電子あるいは正孔は、それぞれ二次元電子ガスあるいは二次元正孔ガスの形態で量子井戸に集められる。
【００１３】
先に言及した参考文献に記載されているように、層２２／３０／２４は、バッファ層２６を間にして半絶縁性ＧａＡｓ基板１２上へと成長させたＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ／ＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂヘテロ構造とすることができる。ＩｎＳｂはバンドギャップの狭い半導体である。バンドギャップの狭い半導体は、有効電子質量が著しく減少するため、一般に電子移動度が高くなる。バンドギャップの狭い一般的な材料はＩｎＳｂおよびＩｎＡｓである。例えばＩｎＳｂおよびＩｎＡｓの室温電子移動度は、それぞれ６０，０００ｃｍ２／Ｖｓおよび３５，０００ｃｍ２／Ｖｓである。
【００１４】
バッファ層２６上に形成されるＡｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ底層２２は約１〜３ミクロンの範囲の厚さを有し、Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ最上層２４は約１０〜１０００ｎｍの範囲、通常５０ｎｍの厚さを有する。層２２あるいは２４に組み込まれたｎ型ドーピング層は、１モノレイヤー（デルタ‐ドープ層）〜最大１０ｎｍの厚さを有する。ｎ型ドーピング層は、第一と第二半導体材料、あるいは第二と第三半導体材料のＩｎＳｂ／Ａｌ０．０９Ｉｎ０．９１Ｓｂ境界から１０〜３００オングストロームの距離で離間している。電子は通常、正孔よりも高い移動度を有するので、Ｎ型ドーピングが好ましい。一般的なＮ型ドーパントは、濃度範囲１〜１０１９／ｃｍ３のシリコンである。ヘテロ構造２０の蒸着方法には分子線エピタキシー法が好ましいが、別のエピタキシャル成長法を使用することもできる。
【００１５】
ヘテロ構造２０の上にはキャッピング層４０が形成されて、素子を腐食から保護する。キャッピング層は、アルミニウムあるいはシリコンの酸化物または窒化物（例えばＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁材料、あるいは非腐食性の半絶縁性半導体から形成される。
【００１６】
ＥＭＲ構造２０の片側に重ねて２つの電流リード５０、５２、および２つの電圧リード６０、６２がパターニングされ、これらが量子井戸と電気的に接触する。ＥＭＲ構造２０の電流・電圧リードの反対側には金属シャント７０がパターニングされ、これが量子井戸と電気的に接触する。印加磁場Ｈ、すなわち検知されるべき磁場を矢印で示す。これはＥＭＲ構造２０のフィルム面に対して垂直である。リードは通常、金属接触部、例えば、Ａｕ、ＡｕＧｅ、あるいはＧｅを含み、これらは素子中に拡散されている。リードは通常はキャッピング層４０形成後に形成されるが、キャッピング層材料の一部を除去した後に形成されることもある。
【００１７】
【非特許文献１】T. Zhou et al著「Extraordinary magnetoresistance in externally shunted van der Pauw plates」、 Appl. Phys. Lett., Vol. 78, No.5、２００１年１月２９日、ｐ．６６７‐６６９
【非特許文献２】S. A. Solin et al著「Nonmagnetic semiconductors as read-head sensors for ultra-high-density magnetic recording」、 Appl. Phys. Lett., Vol. 80, No. 21、２００２年５月２７日、ｐ．４０１２‐４０１４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
このようなＥＭＲ素子は自由層などの磁性層を使用することなく磁場を検知するという利点をもたらすが、ＥＭＲ素子はこれまでディスクドライブ装置には使用されていない。これは、ＧＭＲセンサなど他の磁気抵抗センサが、これまで使用されていたビットサイズに十分な感度およびビット解像度を提供してきたからである。しかしビットサイズが狭くなるにつれて、ＧＭＲセンサ並びに他のセンサはＳＮ比が失われるので、これに代わるものが必要となる。
【００１９】
したがって、磁性層（例えば磁気自由層）を使用せずに磁場を素子自体で検知できる素子の強い必要性が依然切迫している。このような素子は、ｄＲｖｖ／Ｒｉｉが非常に高く、感度が非常に良いものである必要があろう。また、このような素子は、非常に狭いトラック幅と非常に短いビット長さとを有しながら磁気信号の読み取りができることが必要となろう。
【００２０】
本発明は、最大となったｄＲｖｖ／Ｒｉｉと、非常に狭いビット幅・ビット長さを読み取る能力とを有する異常磁気抵抗センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
センサは、半導体材料層付近に形成されてこれと接触する導電性材料層を含む。この半導体材料の縁部には第一、第二電流リードが電気的に接続されている。この半導体材料層の縁部には第一、第二電圧リードも接続されており、これらの電圧リードは、電流リードの１つの両側でこれに近接して設置される。換言すれば、電流リードの１つは２つの電圧リードの間に設置される。
【００２２】
第一電流リードはセンサの一端に設置され、２つの電圧リードの間に設置される第二電流リードは、センサの同じ端部から多少離して、例えばセンサの一端から他端までの距離の約２／３のところに設置される。センサの縁部に沿った電圧リード・電流リード・電圧リードの三つ組の設置はセンサのｄＲｖｖ／Ｒｉｉに大いに影響し、この三つ組が一端から他端までの距離の約２／３のところに設置されると、最大ｄＲｖｖ／Ｒｉｉが達成されるということをモデリングは示した。
【００２３】
さらに、電圧リードが第二電流リードの両側に設置されると、センサには極めて高いｄＲｖｖ／Ｒｉｉが現れる。電圧リードがリード間に電気的短絡を引き起こさないよう可能な限り第二電流リードに近づけて設置されると、このｄＲｖｖ／Ｒｉｉは最大となる。
【００２４】
上述のように電圧リードを相互に近づけて設置すると、センサが非常に狭いトラック幅を読み取れるという点で有利である。素子の高感度領域は電圧リードの間隔を多少超えて広がることになるが、センサが読み取る磁気ビットの幅は、基本的にはちょうど電圧リード間の距離となる。
【００２５】
ＥＭＲ素子の感度は、縦方向もトラック幅方向も電圧リード間の領域周辺に限定されるというモデリングの結果が示された。したがって、本発明によるセンサは、信号トラックの１インチあたりに非常に多数のビット数を有するデータ記録装置で使用することができる。また、本発明によるセンサは、垂直磁気記録装置での使用に特に適しており、この装置は将来の磁気データ記憶システムの大部分を構成することが予想される。
【００２６】
本発明によるセンサは、磁気記録装置の他にも、磁気撮像装置、例えば走査型磁力計において有益である。このような磁力計は、加工物とアクチュエータとを保持するためのチャックを含み、このアクチュエータは、加工物上でラスタ化されたパターン内にセンサを動かして加工物の磁気分布を読み取ることができる。また、本発明によるセンサは、高感度・高解像度センサを必要とする別の素子においても有益となる場合がある。詳細な説明を読み進めていけば、本発明のこれらおよびその他の特徴や利点が明らかとなろう。
【００２７】
使用法の好ましい形態だけでなく本発明の性質および利点を完全に理解するために、以下の詳細な説明が参照され、これが添付の図面（一定比率にはなっていない）と合わせて読まれるべきである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、最大となったｄＲｖｖ／Ｒｉｉと、非常に狭いビット幅・ビット長さを読み取る能力とを有する異常磁気抵抗センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下の説明は、本発明を実施するために目下意図された最良の実施態様のうちのものである。この説明は本発明の一般原則を表す目的でなされるものであり、本明細書で請求される発明的概念を限定しようとするものではない。
【００３０】
まず図２を参照すると、本発明を具体化するディスクドライブ１００が示される。図２に示すように、少なくとも１つの回転可能な磁気ディスク１１２がスピンドル１１４上で支持され、ディスクドライブモータ１１８によって回転される。各ディスクへの磁気記録は、磁気ディスク１１２にある同心円データトラック（図示せず）の環状パターンの形態になっている。
【００３１】
磁気ディスク１１２付近には少なくとも１つのスライダ１１３が配置され、各スライダ１１３は単数または複数の磁気ヘッド組立体１２１を支持する。磁気ディスクが回転するとスライダ１１３がディスク表面１２２上で半径方向を内外に移動する結果、磁気ヘッド組立体１２１は所望のデータが書かれている様々な磁気ディスクのトラックへアクセスすることができる。各スライダ１１３はサスペンション１１５を介してアクチュエータアーム１１９に取り付けられている。サスペンション１１５は、スライダ１１３をディスク表面１２２に対して付勢する軽微なばね力をもたらす。各アクチュエータアーム１１９はアクチュエータ手段１２７に取り付けられている。図２に示すように、アクチュエータ手段１２７はボイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってもよい。ＶＣＭは、一定の磁場内を運動可能なコイルを備えており、コイルの動く方向および速度は、コントロールユニット１２９が供給するモータ電流信号によって制御される。
【００３２】
ディスク記憶システムの作動中、磁気ディスク１１２の回転によりスライダ１１３とディスク表面１２２との間には空気軸受が発生し、この空気軸受はスライダに上方への力あるいは揚力を及ぼす。このように空気軸受は正常動作中サスペンション１１５の軽微なばね力と平衡し、スライダ１１３を、実質的に一定の小間隔だけ離してディスク表面の僅か上で支持する。
【００３３】
ディスク記憶システムの様々な構成要素は、動作中に、アクセス制御信号や内部クロック信号など、コントロールユニット１２９によって生成される制御信号により制御される。コントロールユニット１２９は通常、論理制御回路と、記憶手段と、マイクロプロセッサとを含む。コントロールユニット１２９は、制御信号、例えば線１２３でドライブモータ制御信号を、また線１２８でヘッド位置決め・シーク制御信号を生成して、様々なシステム動作を制御する。線１２８の制御信号は所要の電流分布をもたらし、スライダ１１３をディスク１１２上の所要のデータトラックへ最適に移動し位置決めする。読取り・書込み信号は、記録チャネル１２５により書込み・読取りヘッド１２１を往復して伝達される。
【００３４】
次に図３を参照すると、本発明の実施態様による異常磁気抵抗（ＥＭＲ）センサ３００が、導電性材料層３０２を含む。センサ３００は半導体材料層３０４も含み、この層は、界面３０６で導電層３０２に接触する縁部を有し、界面３０６の反対側には端面３０８を有する。半導体層は長さＬを画定しつつ第一端部３１０、第二端部３１２で終結しており、かつ幅Ｗを有する。導電性材料層３０２は、半導体層３０４と同じ長さＬを有し、かつ幅Ｑを有するのが好ましい。
【００３５】
一般に、半導体層３０４は、先行技術に記載されているように、２Ｄ電子ガスあるいは２Ｄ正孔ガスを含む半導体ヘテロ構造であり、より具体的には、高移動度の半導体、例えばＩｎＳｂあるいはＩｎＡｓが使用される。しかし、Ｌが担体のおおよその平均自由行程よりも短い素子であれば、移動度の低い材料が適切な場合もある。導電層３０２は、例として金属であってもよく、半導体とのオーミック接触、またはほぼオーミック接触を実現する任意の導電性金属、例えばＡｕとすることができる。磁気抵抗ｄＲｖｖ／Ｒｉｉを大きくするためには、金属電導度が半導体の電導度を超えていなければならない。
【００３６】
２つの材料のバンド構造の不整合および既に発生している任意の相互拡散により、半導体層３０４と金属層３０２との間には接触抵抗が存在し得る。接触抵抗は１Ｅ−８ｏｈｍ ｃｍ２〜１Ｅ−６ｏｈｍ ｃｍ２の範囲とすることができる。引き続き図３を参照すると、センサ３００は第一電流リード３１４と第二電流リード３１６とを含み、これらの電流リードは界面３０６の反対側にある半導体層３０４の端面３０８に電気的に接続している。第一電流リード３１４が半導体層３０４の端部３１０付近に設置される一方、第二電流リード３１６は同じ端部３１０から約２Ｌ／３のところに設置される。リードの一方、例えば３１４は、センサ３００へ電流を供給する入力リードであるのに対し、他方のリード３１６は電流がセンサから戻るよう導通する出力リードである。ただしリード３１４、３１６の極性は重大ではなく、リード３１４が出力リードとなり、リード３１６が入力リードとなってもよい。
【００３７】
第二電流リード３１６を端部３１２から少し離して設置する結果、磁気抵抗が非常に増加するということを本発明者らは発見した。リード３１６がセンサ３００の反対側の端部３１０から約２／３の距離に設置されると、この増加は最大となる。この構成は、電流リードがそれぞれ素子の両端部あるいはその付近に位置しているところの先行技術の素子で使用される電流リードの構成とは基本的に異なる。図４は、電流リード配置に対する信号強度（任意の装置に示される）の関係を示す。センサの長さ部分が等間隔で６０に分割されていることがわかる。図４から、電流リードの一方が、センサ縁部に沿った距離の約２／３のところ、あるいはグラフのｘ軸に沿った「４０」のところに設置されると最大信号強度が達成されるということがわかる。これらの電流リードの位置は、リードの一方をＩｏｕｔ、他方をＩｉｎとして記しているが、上述したように極性は重大ではなく、逆にすることもできる。
【００３８】
再度図３を参照すると、センサ３００は第一電圧リード３１８と第二電圧リード３２０とをさらに含み、これらの電圧リードは端面３０８と電気的に接続されている。図からわかるように、これらの電圧リードは第二電流リード３１６の両側に設置され、電流リード３１６に非常に接近して設置される。実際に、電圧リード３１８、３２０間の距離は、電圧リード３１８、３２０の一方と電流リード３１６との間に電気的短絡が起きないよう可能な限り相互に接近して設置される。センサ３００のトラック幅を電圧リード３１８、３２０間の距離が画定するが、データ密度を最大にするには狭いトラック幅が望ましいので、電圧リード３１８、３２０間の空間を近接させることにより、優れた信号分解能と非常に小さいトラック幅とが得られる。したがって、電圧リード３１８、３２０間の距離は３０ｎｍを超えないことが好ましく、２０ｎｍを超えないことがより好ましい。当然ながら、電圧リード３１８、３２０は電流リード３１６からの電気絶縁性が維持されねばならないが、リソグラフ工程および他の製造工程がさらに進歩すればリード同士をさらに接近させて構成できる可能性がある。
【００３９】
電圧リードが上述のように位置することにより、優れた信号分解能および狭いトラック幅に加えて、磁気抵抗を大いに増加することができる。上記で議論したように、磁気抵抗センサは、磁場が存在すればこれに応答するセンサの抵抗変化として磁場を検出する。これらの抵抗変化は、第一電圧リードおよび第二電圧リードの両端の電圧変化として検出される。
【００４０】
本発明のリード構成がもたらす、優れたｄＲｖｖ／Ｒｉｉの性能への理解を深めるために、図５Ａおよび図５Ｂを検討されたい。測定の対象としているのが磁場に応答するセンサ上の２点間の電圧差であることを想起すると、図５Ａおよび図５Ｂは、センサの長さ部分にわたる位置での抵抗の変化を示している。位置５０２、５０４は、センサ３００上の第一、第二電流リード３１４、３１６の位置（図３）を示す。先行技術による、電流リードに対する電圧リードの構成を示す図５Ａを参照すると、これらの電圧リードが両方とも第一、第二電流リードの僅かに内側である位置５０６、５０８に設置されていれば、検出される電圧差は実に少ないということがわかる。電流リードの一方の僅かに外側の位置（位置５１０）で、また２つの電流リード間の中間点（位置５１２）で電圧を測定してみれば、僅かに大きめの電圧変化が検出されることになろう。
【００４１】
一方、本発明により可能となる電圧リード・電流リード構成を示す図５Ｂを次に参照すると、電流リードのうち一方のみの両側、例えば位置５１４、５１６で電圧を測定してみれば、極端に大きい電圧差を検出することができる。電圧は、点５０４に設置されたもう一方の電流リードの両側の点５２２、５２４でも測定することができ、ここでも大きな電圧差をもたらす。上記で議論したように、電流リードの一方は、一端から他端まで測定すると素子の縁部に沿った距離の約２／３である位置５０４に設置されているということも指摘すべきである。電圧リードの今回の配置により、信号は最大化され、横方向距離が非常に小さければその距離にわたって最大となるので、この結果高い空間分解能が得られる。したがって、電流リードの一方３１６の両側にあってこれに非常に近接した電圧リード３１８、３２０の配置は、非常に大きい２つの利益をもたらす。第一に、これは非常に大きい磁気抵抗信号を実現する。第二に、トラック幅が電圧リード３１８、３２０間の距離のみであるため、センサ３００のトラック幅を極端に狭くすることができる。
【００４２】
電圧／電流／電圧リード３１８、３１６、３２０の三つ組をセンサの長さ部分（Ｌ）に沿った距離の約２／３のところに設置することにより、上記で議論したような、センサの磁気抵抗をさらに増大することによる第三の利点が得られる。電圧リード３１８、３２０間の距離はリード３１６、３１８、３２０の形成を行うリソグラフィの性能によってのみ限定される。さらに、センサの比率が基本的に同じままである限り、リソグラフ工程およびその他有効な製造工程で可能な程度にセンサを小さく作製することができるという点で、センサはスケーラブルである。
【００４３】
引き続き図５Ｂを参照すると、１つの電流リードの両側へ電圧リードを構成することは優れた信号分解能をもたらすが、このような密な信号分解能が不要あるいは所望されない状況となる場合もある。例えば、センサが磁場の存在を検知する必要のある応用例が数多くある。このような場合には、電圧リードを、２つの異なる電流リードの近傍、例えば位置５２４および位置５１４に、あるいは位置５２２および位置５１６に設置することができる。このリード構成では、既に議論した構成のときの信号分解能はもたらさないが、磁場へ優れた感度をもたらし、製造をはるかに容易かつ安価にするということがわかる。
【００４４】
再度図３を参照すると、動作中、電流は電流リードの一方３１４から他方の電流リード３１６へ流れる。磁場が存在しなければ、その結果生じる電流はリード３１４から半導体材料を真直ぐに通り導電層３０２へと流れることになる。この電流は、比較的非常に簡単に導電層を流れ、次に半導体３０４を通って戻り他方のリード３１６へと流れる。磁場が存在しないときの抵抗は基本的には半導体材料の幅Ｗを通る抵抗の２倍となる。
【００４５】
磁場が存在すると、電荷担体上のホール効果により、導電層３０２を通らず半導体材料３０４を流れる電流が増加する。半導体層は導電層３０２よりもはるかに高い抵抗を有するので、センサを通して抵抗がずっと高くなり、上述したように、これを信号として読み取ることができる。
【００４６】
所望する優れた性能を実現するために、半導体層３０４は、Ｗ／Ｌが１／６０〜１／５の間であり、約１／１０とすることもできるような比率であるのが好ましい。磁気読取りセンサ応用例での電圧リード３１８、３２０間の距離は、データトラック幅とほぼ同じとなるように選択すべきであり、好ましくはＬ／１５である。電圧リード３１８、３２０はそれぞれ、電流リードから約Ｌ／３０以下の距離で離間するのが好ましい。電圧プローブの両端で検出される信号は電圧リード３１８、３２０間の間隔に依存するので、この間隔はトラック幅の３３％（１．３３×Ｌ／１５）を超えないようにすべきである。
【００４７】
一方で、電圧・電流リードの寸法および有限幅をリソグラフで最小にできる結果、電圧リード３１８、３２０は第二電流リード３１６から最短距離のみ離して設置できるのでシャント接続が回避できることになる。現在可能な通常の電圧・電流縁部間の間隔は約３０ｎｍであるが、素子は場合によっては面積６０ｎｍ×６０ｎｍの測定が可能となる。面密度の進歩に伴ってリソグラフィ技術が向上すれば、高感度面積をさらに小さくすることができる。
【００４８】
一方、コストの低下、あるいは、分解能をはるかに低くした他の応用例を考慮する場合、間隔を広げた方が有利となることもある。したがって、縁部間で測定される通常の電圧・電流リード間隔は３０ｎｍ〜３μｍの範囲となるべきである。当然ながら、センサの長さＬもこの間隔によって確定され、これは電圧リード・第二電流リード縁部間の間隔よりも約１０〜３０倍程度大きくなる。センサの長さは通常３００ｎｍ〜９０μｍの範囲となるが、センサ応用例によってはミリメートル程度の大きさにすることもできる。
【００４９】
電流リード３１４、３１６間の電流は主として電子である電荷担体によって流れるように、あるいは、電荷担体が主として正孔となるように、センサを構成する材料を選択できるということが理解されるべきである。さらに、上述したように、電流はリード３１４、３１６間でいずれの方向に流れてもよい。
【００５０】
電流リードに対して電圧リードを適切に配置できる方法とは、半導体層３０４、導電層３０２、リード３１４、３１６、３１８、３２０を単一のマスキングに画定して同一の材料から全特徴を作り出すことである。この方式で、電圧・電流プローブは自動的に位置合わせされる。センサ３００のパターニング後、さらなるリード層をセンサ構造３００に位置合わせすることもできる。またセンサを形成するために別の方法を採用することもできると解釈される。
【００５１】
多種多様な実施態様を上に述べてきたが、これらは例示によってのみ示されたのであり、限定によってではないということが理解されるべきである。本発明の範囲内にある別の実施態様もまた、当業者には明らかとなろう。したがって、本発明の広がりと範囲とは、上述したいかなる例示的実施態様によっても限定されるべきではなく、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ定義されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】先行技術によるＥＭＲセンサの等角図である。
【図２】本発明が実施され得るディスクドライブシステムの概略図である。
【図３】本発明の実施態様によるＥＭＲセンサの等角図である。
【図４】信号強度と電流リードの配置との間の関係を示す図である。
【図５Ａ】先行技術によるセンサの長さ部分に沿ったリード位置と電圧との間の関係を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の実施態様によるセンサの長さ部分に沿ったリード位置と電圧との間の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
３００…ＥＭＲセンサ、
３０２…導電性材料層、
３０４…半導体材料層、
３０６…界面、
３０８…端面、
３１０，３１２…端部、
３１４…第一電流リード、
３１６…第二電流リード、
３１８…第一電圧リード、
３２０…第二電圧リード。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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