(57)【要約】【課題】出力が高く高記録密度磁気記録再生に最適な磁気抵抗効果素子を備える磁気ヘッドを提供する。【解決手段】第１の磁性膜と、第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、電圧によって抵抗が非線形に変化する材料を含有する抵抗変化増幅膜と、該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることにより、出力の大きな磁界センサを実現できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性膜と、
第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、
該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、
第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、
電圧によって抵抗が非線形に変化する材料を含有する抵抗変化増幅膜と、
該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
第１の磁性膜と、
第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、
該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、
第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、
該電圧変化信号を電気抵抗変化に変換し、かつ電気抵抗変化の信号強度を増幅する抵抗変化増幅膜と、
該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
該電極は、該抵抗変化増幅膜に電流を流すことを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項４】
該電極は、該抵抗変化増幅膜に電流を流すことを特徴とする請求項２に記載の磁界センサ。
【請求項５】
該導電体は、上記電流回路の電流方向とは略反対方向に伸びた形状を有することを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項６】
該導電体は、上記電流回路の電流方向とは略反対方向に伸びた形状を有することを特徴とする請求項２記載の磁界センサ。
【請求項７】
該抵抗変化増幅膜は、該第２の磁性膜の導電体と接していない面側に形成されていることを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項８】
該抵抗変化増幅膜は、該第２の磁性膜の導電体と接していない面側に形成されていることを特徴とする請求項２記載の磁界センサ。
【請求項９】
該第１の磁性膜が、その全部あるいは少なくとも該第１の磁性膜と導電体が接している部分において、該第２の磁性膜よりも保磁力が大きい材料からなるか、又は、膜厚、形状が異なることで同一材料でも保磁力の大きい構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１０】
該第１の磁性膜が、その全部あるいは少なくとも該第１の磁性膜と導電体が接している部分において、該第２の磁性膜よりも保磁力が大きい材料からなるか、又は、膜厚、形状が異なることで同一材料でも保磁力の大きい構造であることを特徴とする請求項２に記載の磁界センサ。
【請求項１１】
該第１の磁性膜の磁化の向きは、反強磁性材料からなる膜により固定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１２】
該第１の磁性膜の磁化の向きは、反強磁性材料からなる膜により固定されていることを特徴とする請求項２に記載の磁界センサ。
【請求項１３】
該抵抗変化増幅膜は、室温において、ＲＢＭｎＯ３（Ｒ：希土類元素、Ｂ：アルカリ元素）なる組成をもつペロブスカイト結晶構造の材料を含有することを特徴とする請求項１記載の磁界センサ。
【請求項１４】
該抵抗変化増幅膜は、室温において、ＲＢＭｎＯ３（Ｒ：希土類元素、Ｂ：アルカリ元素）なる組成をもつペロブスカイト結晶構造の材料を含有することを特徴とする請求項２記載の磁界センサ。
【請求項１５】
再生素子を有する磁気ヘッドにおいて、
前記再生素子は、第１の磁性膜と、第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、電圧によって抵抗が非線形に変化する材料を含有する抵抗変化増幅膜と、該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることを特徴とする磁界ヘッド。
【請求項１６】
再生素子を有する磁気ヘッドにおいて、
前記再生素子は、第１の磁性膜と、第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、該電圧変化信号を電気抵抗変化に変換し且つ電気抵抗変化の信号強度を増幅する抵抗変化増幅膜と、該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることを特徴とする磁界ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサ、磁気ヘッド及び磁気記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気記録再生装置の分野においては、年率１００％近い記録密度向上が要求されている。この磁気記録再生装置に備えられる磁気記録再生ヘッドにおいても、記録、再生の両特性に関し、高性能化が要求されている。
【０００３】
磁気再生ヘッドに関しては、（１）高感度化技術の向上、（２）トラック幅の狭小化技術の向上、（３）再生ギャップ間隔の狭小化技術の向上という３点の技術課題を満足させることが重要である。
【０００４】
（１）については、１―１０（Ｇｂ／ｉｎ２）の記録密度では、異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ）、１０〜３０（Ｇｂ／ｉｎ２）の高記録密度になると、より高感度の得られる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）、２０〜７０（Ｇｂ／ｉｎ２）記録密度の候補としては、電子の反射率の高い（鏡面反射）絶縁性酸化物層等をＧＭＲ構造の界面に挟み、電子のスピンの多重反射効果により出力の増大をねらったスペキュラーＧＭＲや、ＮＯＬ−ＧＭＲと呼ばれるアドバンスＧＭＲ効果によって、この高記録密度に対応してきた。
【０００５】
ＧＭＲを用いた磁気ヘッドについては、特開平４−３５８３１０号公報（文献１）で、スピンバルブと呼ばれる構造が開示されている。この磁気ヘッドは、反強磁性層によって磁化が特定の方向に固定された磁性体からなる固定層と、この固定層に積層した非磁性薄膜と、この非磁性薄膜を介して積層した磁性膜からなる自由層で構成されており、固定層と自由層の磁化の相対的な角度で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果素子を備えている。
【０００６】
さらに、特開２０００−１３７９０６（文献２）、特開２００１−１６８４１４（文献３）、および特開２００１−２３０４７１（文献４）には酸化物層を自由層側か固定層側の少なくとも片方に挿入し、酸化物の鏡面反射を利用して電子の多重反射を生じ、抵抗変化率を向上させるＣＩＰ−ＧＭＲにおけるＭＲ向上構造が記載されている。また特開２００２−１９０６３０（文献５）では、自由層と中間層の間あるいは、中間層と固定層の間にハーフメタル層を介在させるＣＩＰ−ＧＭＲ構造も示されている。
【０００７】
現在、さらなる高感度化の進展により、より高感度な再生方式が必要とされている。７０〜１５０（Ｇｂ／ｉｎ２）では、ＭＲ比が非常に高いトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が、感度向上の面から有利である。そして、１５０（Ｇｂ／ｉｎ２）を超える超高記録密度に対しては膜面に垂直な方向に検出電流を流す方式のＧＭＲ（ＣＰＰ−ＧＭＲ）等が素子インピーダンスが小さい利点を生かし主流になるものと考えられる。ＴＭＲは基本技術としては特開平３−１５４２１７（文献６）にて公開されているほか、特開平１０−９１９２５（文献７）等に公開されている。
【０００８】
ＣＩＰ−ＧＭＲの場合は、高線記録密度化に対応するためにシールド間距離を縮めたときの素子とシールド間との絶縁が問題となる。これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲの場合、絶縁特性は重要な問題ではなく、静電圧電流による熱素子破壊や磁界による非線形化の影響も少ないと考えられる。ＣＰＰ−ＧＭＲは多数報告されているが、代表的なものして特表平１１−５０９９５６（文献７）や、特開平７−２２１３６３（文献８）に記述がある。
【０００９】
【文献１】
特開平４−３５８３１０号公報
【文献２】
特開２０００−１３７９０６号公報
【文献３】
特開２００１−１６８４１４号公報
【文献４】
特開２００１−２３０４７１号公報
【文献５】
特開２００２−１９０６３０号公報
【文献６】
特開平３−１５４２１７
【文献７】
特表平１１−５０９９５６号公報
【文献８】
特開平７−２２１３６３号公報
【文献９】
Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｐｉｎ  ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ，  Ｆ．  Ｊ．  Ｊｅｄｅｍａら、ＮＡＴＵＲＥ，  ＶＯＬ  ４１６，ｐｐ７１３−７１６，  １８  Ａｐｒｉｌ  ２００２
【文献１０】
Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ＢのＶＯＬＵＭＥ５９、ＮＵＭＢＥＲ１のＰ９３からＰ９７
【文献１１】
Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ誌のＶＯＬＵＭＥ６５の０５４４０１のＰ１からＰ１７
【文献１２】
ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬＵＭＥ７６、ＮＵＭＢＥＲ１９（２０００）のＰ２７４９からＰ２７５１に（Ｓ．Ｑ．Ｌｉｕら）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
将来の磁気再生素子の構造を考えた場合、電流を流す方向が膜厚方向であるＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  ｐｌａｎｅ  ＧＭＲ）やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）等の高感度な磁気抵抗センサーが有力である。これら磁気抵抗センサーの基本的構造は、膜面に垂直なセンス電流を流す構造を利用した磁界センサーであることから、ＣＰＰ方式にセンス電流を流す構造に移行すると考えられる。
【００１１】
ＴＭＲ素子は、絶縁体障壁を挟む一対の磁性体からなる素子で、これの膜厚方向にセンス電流を流す構造である。絶縁障壁層を介した電気伝導のため、抵抗が高く、再生ヘッドや磁界センサーにした場合には、さまざまなノイズが発生し、信号対雑音特性（Ｓ／Ｎ）が低下する。これの対策として、低抵抗化の研究が盛んである。現在最も一般に用いられているＡｌ２Ｏ３を用いた障壁層では、低抵抗化を目指した薄膜化に伴う出力の低下が否めず、低抵抗化が進まない。新しい材料の探索は進んではいるが、素子面積が小さくなると、素子抵抗が素子面積に比例して大きくなるという大きな課題を克服する解は得られていないのが現状である。
【００１２】
これに対し、ＣＰＰ−ＧＭＲでは、センサー部分はＧＭＲ構造であり、薄膜の膜厚方向の伝導である。ＣＩＰ−ＧＭＲと比べて電流パスが短いため、従来のＧＭＲ膜を適用した場合の抵抗は、０．２５μｍ２の面積の素子について０．４〜２．０ｍΩ程度で、ΔＲ／Ｒが高々２０％なので、ΔＲは０．３〜１．２ｍΩであるから、磁気再生素子に適用するのに必要な出力値である２Ω以上と比べて小さすぎるという特徴がある。
【００１３】
さらに、従来のＧＭＲ膜では、ＣＰＰ方向の抵抗変化率は数％程度である。素子を小さくすれば抵抗Ｒを高くし、ΔＲを大きくできるが、現状０．１μｍ２程度の素子面積の作成が限界である。素子を小さくする技術としては、原子間力顕微鏡の技術を応用したリソグラフ法や、電子線描画法等が考えられるが、０．１×０．１μｍ２未満の素子を作製することは困難な技術の一つである。
【００１４】
５００Ｇｂ／ｉｎ２以上の再生ヘッドを考えると、素子面積は小さくなることが考えられるため、ある程度小さい比抵抗を持った材料からなり、且つＧＭＲ出力が大きくなるような材料が求められている。このような材料として、ハーフメタルを磁性層に直接用いることが考えられているが、材料的な発展には時間を要するため時間的要求に応えられないことが危惧される。素子構造的に新しい構造を導入し、これらを解決するような手法が必要とされている。
【００１５】
近年、スピンが偏極した電流の相互作用に関する研究やデバイス開発が、盛んになりつつある。
【００１６】
例えば，ネーチャー誌（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｐｉｎ  ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ，  Ｆ．  Ｊ．  Ｊｅｄｅｍａら、ＮＡＴＵＲＥ，  ＶＯＬ  ４１６，ｐｐ７１３−７１６，  １８  Ａｐｒｉｌ  ２００２）（文献９）に掲載されているように、スピン分極率が偏極したスピン電流が１００ｎｍ以上の長距離にわたって伝導し、磁気相互作用を生じる現象が実際に確認されている。
【００１７】
彼らは、太さの異なるＣｏ細線と、これと直交するＡｌ細線を作成し，Ｃｏ細線とＡｌ細線の交叉した場所にアルミナの障壁層を設けた構造を作製した。このとき、太いＣｏ線からＡｌ線へ電流を流し、膜に磁界を印加したところ電流の流れていない他方のＣｏ線とＡｌ線との間に磁界依存する電位差が生じるというもので，細線の間隔が５００ｎｍを超えるにもかかわらず、磁気相互作用が確認されたというものである。
【００１８】
これは、スピンアキュミュレーションといわれるスピン偏極電子がＡｌ細線の界面部分に蓄積された効果で、蓄積されたスピン偏極電子が細線中の広い領域に分布することによって生じることが、例えばＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ＢのＶＯＬＵＭＥ５９、ＮＵＭＢＥＲ１のＰ９３からＰ９７にかけて（Ｇ．Ｅ．Ｗ．Ｂａｕｅｒら）（文献１０）や、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ誌のＶＯＬＵＭＥ６５の０５４４０１のＰ１からＰ１７にかけて（Ｃ．Ｈｅｉｄｅ）（文献１１）に代表されるような形で理論的に理解されている。
【００１９】
総じて、この素子では，外部磁場に対して保磁力の異なる２つの磁性体があれば，一方の磁性体の導電体に対する電位の変化が出力として生じる特徴があり、この電位は２つの磁性体の磁化が平行なときと反平行なときとで、それぞれ極性が異なるという特徴がある。上記の構造では，磁性体は単純なＣｏであり、これをＡｌで繋いだ構造である。この構造でも、室温で磁界変化に伴う出力が得られている。しかしながら、この構造では出力のΔＶ／Ｖはたかだか１％程度で小さい。
【００２０】
そこで、本発明は、このような従来の技術に鑑みて提案されたものであり、磁気抵抗変化率が極めて高く、高分解能化に有効で出力の大きい磁気センサー、磁気ヘッドを提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る磁界センサ及び磁気ヘッドは、第１の磁性膜と、第１の中間層を介して該第１の磁性膜と交叉する導電体と、該第１の磁性膜から該導電体へと電流を流すよう接続された電流回路構造と、第２の中間層を介して該導電体上に交叉するように形成され、外部磁界の変化により電圧変化信号を発生する第２の磁性膜と、抵抗変化増幅膜と、該抵抗変化増幅膜に接続された電極とを備えることを主な特徴とする。上記抵抗変化増幅膜は、電圧によって抵抗が非線形に変化する材料を含有するものであり、電圧変化信号を電気抵抗変化に変換し且つ電気抵抗変化の信号強度を増幅するものである。
【００２２】
高い出力の再生センサとするためには、（１）材料構成的な観点からの電位変化増大および、（２）素子構造でこれらの電位変化を増幅させることが有力と考えられる。
【００２３】
（１）については、（Ａ）磁性体の材料にスピン分極率の高い材料を適用すること。（Ｂ）導電体の材料について、ＡｌやＣｕをはじめさらにこれよりもスピン電子の平均自由行程の長い材料あるいは、ｄ電子伝導体としての機能を持つ材料を用いることが重要である。
【００２４】
（２）については、例えば上述の構造から得られる電位変化ΔＶを何らかの方法で大きな物理量の変化に変換するような構造が重要である。本発明者等は、このような方式として、材料に電場あるいは電圧を印加することで非線型に電気抵抗が変化する材料を用いて上記素子の出力を大きな抵抗変化信号に変換する機構が有効であることを見出した。
【００２５】
先の、スピン電子を利用した磁界センサによる出力信号は、電圧の極性が磁性体の磁化の向きによって反転するバイポーラ的な出力であることから、この出力を上述したような電圧を抵抗変化に変化させる素子に入力することによって、大きな抵抗変化を信号として得ることが可能となる。
【００２６】
このような手段により，従来よりも出力の大きな新規構造の磁気センサおよび磁気再生ヘッドを提供することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用するのに好ましい磁気ヘッドについて、詳細に説明する。
【００２８】
本発明を適用した磁気ヘッドは、図１に示されるような線状の導電体１０１と、第一の磁性体１０２とが、この導電体上に形成した第一の中間層１０３において接しており、かつ、この導電体１０１の他の場所で第二の磁性体１０４が中間層１０５を介して導電体１０１と接している構造を持ち，さらに、該第二の磁性体１０４が、抵抗変化増幅膜１０６と接しており、該抵抗変化増幅膜１０６の両端には電極１０７が配置されている構造を備えるものである。
【００２９】
該第一の磁性体１０２と導電体１０１には、電流を流す電流源が接続されており、１０９の方向から１１０の方向へと電流を流すようになっている。また、導電体の１１２方向へ伸びた端部は電気的に接地されている。
【００３０】
また、常温において、電圧によって抵抗が非線形に変化する機能を持つ膜（以下、抵抗変化増幅膜と呼ぶ）１０６は、１０７の電極を介して出力信号を検知するための電流を例えば１０８の方向に流すような機構をもつ。
【００３１】
１０７の電極は、回路的にはニ端子接続に記載されているが，４端子法を用いた測定，２端子法的な測定のどちらの回路構成も装置構成は可能である。また、抵抗変化増幅膜１０６膜の他主面側に電気的に接地される膜を直接、あるいは高抵抗膜を介して接触させることで最終的な出力を高めることが可能である。
【００３２】
この導電体１０１はＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる非磁性導電性金属か、または、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＴｉＮ、ＴｉＯ、ＲｅＯ３を主成分とする伝導性の化合物からなる。
【００３３】
また、第一、第二の磁性膜１０２、１０４を構成する材料は、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ、Ｍｎあるいは、これらの元素を少なくとも一種類を主成分として含有している合金あるいは化合物からなる材料によってなる。さらに、ハーフメタルＦｅ３Ｏ４に代表されるＡＢ２Ｏ４なる構造を持つ酸化物で、ＡはＦｅ，Ｃｏ、Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ、Ｚｎ  の一つからなるような酸化物、ＣｒＯ２、ＣｒＡｓ、ＣｒＳｂ、あるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｂ，Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌなどに代表されるＣ２ＤｘＥ１−ｘＦ型のホイスラー合金で，ＣはＣｏ、Ｃｕ，あるいはＮｉのすくなくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ、Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、かつＦはＡｌ、Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有する材料を、これら磁性層が含有している場合も本発明に該当する。
【００３４】
また、第一および第二の中間層１０３、１０５は、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ，ＳｉＯ２，ＨｆＯ２、Ｚｒ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３の少なくとも一種類を含む材料からなる単膜あるいは積層膜であることを特徴とする。
【００３５】
ここで、本発明の構造の挙動と、効果発現のメカニズムについて説明する。本発明は、スピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子と抵抗変化増幅膜によって構成される。
【００３６】
スピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子は、記録媒体から発せられる磁界変化信号に伴って電圧変化信号を出力する。
【００３７】
抵抗変化増幅膜は、その抵抗が電圧及び電界によって非常に大きく変わる材料からなる。そして、この抵抗変化増幅膜は、磁気抵抗効果素子の電圧変化信号が印加されると、その電圧変化信号を抵抗変化に変換して出力するというメカニズムを有する。
【００３８】
このような材料の一つとしてペロブスカイト構造を持つ酸化物の一部の材料が注目されている。従来，この材料系においてはＣＭＲや超伝導の性質を示す材料が一般に良く知られているが、同一の材料で組成比率が異なる材料に付いては全く異なる特性が知られている。
【００３９】
例えば，ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬＵＭＥ７６、ＮＵＭＢＥＲ１９（２０００）のＰ２７４９からＰ２７５１に（Ｓ．Ｑ．Ｌｉｕら）（文献１２）記載されているように、Ｐｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３なる材料では、極性のことなるパルス電界を印加する事で室温での抵抗が１７００％以上変化することが報告されている。
【００４０】
また、特性の変化が生じにくい点、塗布などの比較的容易な作製技術で作製可能なことから産業上重要な機能であると考えられる。このような材料として、ＹＢａＣｕＯ系の材料や、ＬａＣａＭｎＯ３，ＬａＢａＭｎＯ３系の材料も知られている。この現象は、材料中のフェルミ準位に電界誘起したキャリア電子がドープされ伝導性を高めることが重要な働きを担っていると考えられる。
【００４１】
本発明では，このような非線型な抵抗変化を生じるような膜を抵抗変化増幅膜と呼ぶことにする。
【００４２】
前者のスピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子は図２に示すような基本的構成である。２本の線幅の異なるＣｏ細線２０１、２０２が平行に位置し、これと交叉するＣｕ細線２０３が、夫々のＣｏ細線と２０４、２０５のエリアで接合しているもので、両者の接合は、例えば膜厚１．２ｎｍのＡｌ２Ｏ３薄膜によって構成されている。
【００４３】
この一方のＣｏ細線２０１からＣｕ細線２０３へと電流を流し、この素子全体に磁界Ｈを印加する。このとき、Ｃｏ細線は太さの違いのために保磁力が異なり、図３の３−１に示すように、磁性体１（２０１）、磁性体２（２０２）はそれぞれ異なる磁化曲線の形状となる。
【００４４】
２０５の接合部分でＣｏ細線２０２とＣｕ細線２０３との間に発生する電位差ΔＶを測定すると、図３の３−２に示すように電位差Ｖは、保磁力差によって生じた磁化の反平行状態のときに極性を反転させる。この変化は、２０１と２０２のＣｏ細線間の距離が５００ｎｍ程度に離れていても，室温で確認することができる。この変化率の大きさΔＶ／Ｖは、室温で約１％程度である。
【００４５】
従来の技術では、金属中を流れる電流のもつスピン情報はたかだか１００ｎｍでほぼゼロに減衰するというものである。
【００４６】
しかしながら、本発明では、スピン情報が５００ｎｍを超える離れたところで磁気抵抗的な相互作用を生じている。これは、磁性体と非磁性体との界面を通じて電流を流すときに、界面付近を境にスピン偏極電流が滞留を生じて非磁性体内の広い範囲にわたって蓄積するスピンアキュミュレーションのためである。したがって，上記２０１と２０２のＣｏ細線にはそれぞれ通常のスピンバルブ膜の固定層と自由層のような磁気的動作をさせることで、磁界センサーを構成することが可能である。
【００４７】
即ち、２つの磁性体のうちの片側の磁性体の磁化を特定の方向に固定し、外部磁界によってもう一方の磁性体の磁化が反転し、両者の磁化方向が平行な場合と反平行な場合とが実現するような構成にすることで、磁化が固定された側の磁性膜はスピンバルブ構造における固定層として，また、もう一方の磁性膜は自由層としての働きをすることになる。
【００４８】
実際、上記構造において磁化固定された側の磁性膜は、反強磁性体の一方向異方性による交換結合を用いて磁化を固定したり、膜厚や材質を自由層側磁性体よりも保磁力が大きくなるように調整することで実現することが可能である。
【００４９】
図４に示すように、反強磁性材料は第一の磁性体４０１の上に４−１に示すように全面を覆うように配されるか、あるいは、４−２に示すように、接合面（例えば図２の２０４）だけを覆うように配された構造をとる。また、第一の磁性体４０１と反強磁性体膜４０２との間に１−５ｎｍ程度のＮｉＦｅ系あるいはＣｏ系の軟磁性金属膜４０３が挟まれる構造については特に有効であるが、ない場合でも有効である。この反強磁性膜４０２を構成する膜は、ＰｔＭｎ、ＣｒＭｎＰｔ、ＭｎＩｒ、ＮｉＯ、ＰｄＰｔＭｎなどは、数ｎｍから数１０ｎｍの各組成に定められた臨界膜厚以上で、かつ、適正な条件下での磁界中熱処理によって一方向異方性が十分大きく発現し、接合部分の第一の磁性膜４０１の磁化を固定するのには有効である。
【００５０】
また、磁性体にハーフメタルのようなスピン偏極率の高い材料を適用することで、スピン偏極電流の分極率を高め，磁気相互作用を更に強めることが可能である。ここで、ハーフメタルとは、その材料のフェルミ面における電子構造が、上下スピンのどちらか一方のスピンだけでほぼ１００％構成されるような物質のことである。また、分極率Ｐとはこのスピンの偏りのことで、フェルミ面における上向きスピン電子数をｎ↑、下向きスピン電子数をｎ↓として下記数１で定義される。
【００５１】
【数１】
2004348850.tif 000003
ハーフメタルに電子を流すと、ハーフメタルのフェルミ面における電子スピンの向きと同じスピン成分の電子は保存しハーフメタル中を伝導するが、逆向きのスピンをもつ電子は反発力が働くため伝導できないという特徴がある。
【００５２】
図１あるいは図２に示す磁界センサー構造中の磁性層の少なくとも一方にハーフメタルからなる層２０１を入れた場合、ハーフメタル層２０１を透過する電子はスピン分極率が非常に高い状態となる。理想的なハーフメタルの場合、フェルミ面における電子状態はほぼ１００％スピン分極しているので、これを透過する電流は１００％近いスピン分極率となる。実際知られているハーフメタルの室温における分極率は、５０％〜９０％である。これは、逆向きのスピン成分をもつ電流に対して、ハーフメタルの抵抗がほぼ無限大のため、逆向きスピンの電子が散乱され、片側スピンのみが散乱長が長いまま伝導することに起因している。
【００５３】
このような高いスピン分極電流が前述の磁性層から効果的に導電体に注入されれば導電体中に蓄積されるスピン電子の分極率は上昇し、磁気相互作用が強まるため、自由層側に発生する磁場依存の電位変化ΔＶの大きさは非常に大きくなる。
【００５４】
ハーフメタル膜は金属膜と比べて電気抵抗が高いことが多く、通常の素子で高記録密度化へ向けた適用を考えた場合、低抵抗化が困難になる場合が多い。しかし、本発明はセンサーとして出力を得る構造は、磁気抵抗構造とは異なる部分にあるため、ハーフメタルの適用設計が容易に行えるという材料選択的な優位点も考えられる。
【００５５】
このようなハーフメタル磁性体材料は大別すると（Ａ）磁性半導体、又は（Ｂ）一部の酸化物磁性体である。（Ａ）磁性半導体は、ＣｒＡｓ、ＣｒＳｂのように閃亜鉛型の結晶構造をもつ化合物や、同様の結晶構造を持つＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体にＭｎなどの磁性体をドープした希薄磁性半導体（ＩｎＭｎＡｓ、ＧａＭｎＡｓ）などで、ＭＢＥによる単結晶エピタキシャル成長により作製される。
【００５６】
一般に、これら磁性半導体はハーフメタル的な特性を示す温度は１００Ｋ〜４Ｋ以下の低温度域である。例外的に、ＣｒＳｂ（〜３５０Ｋ）やＣｒＡｓ（Ｔｃ＞１０００Ｋ）のように高温でも特性を示すとされているものがある。ＣｒＡｓは閃亜鉛型結晶構造をもつが、第一原理による計算では前述のようにＴｃが非常に高く、また、実験的にも膜厚１ｎｍ程度の膜について室温で強磁性でかつハーフメタリックな特性が確認されている。また、ＺｎＯやＧａＮに遷移金属をドープした磁性半導体、その他の閃亜鉛型結晶構造をもつ磁性半導体については、室温で強磁性的挙動を示すものがあり、ハーフメタルとされる。
【００５７】
一方、（Ｂ）の酸化物磁性体としてはＦｅ３Ｏ４が特によく知られている。これ以外にもＣｒＯ２がハーフメタル材料の候補である。Ｆｅ３Ｏ４はハーフメタル特性が室温でも得られる点と、磁性体としても磁化が大きくかつ軟磁気特性を得られるので重要である。ただし、一般には単層膜を得るためには５００℃をこえる高温処理あるいは基板温度上の製膜が必要なためにこれまで実用化にはいたっていなかった。
【００５８】
このように酸化物ハーフメタル材料には、作製温度の問題が大きな課題となり、これまで一般に素子化あるいは実際の磁気ヘッドを作製するには至っていなかった。さらにＦｅ３Ｏ４の場合、近い組成に安定相であるが磁化が低く、ハーフメタルではないＦｅ２Ｏ３という相があり、混層化しやすいのと、ＦｅとＦｅ３Ｏ４とも混相になりやすい傾向にある。ＣｒＯ２もＣｒ２Ｏ３という絶縁体と混相化しやすいため、酸素雰囲気中の高温作製など特別な作成法が必要である。
【００５９】
この問題に関して、Ｆｅ３Ｏ４の下地材料を選択することで、成長エネルギーを調整し、単層化することが可能である。このような材料として一部の貴金属であるＰｔ、Ｒｈ，  Ｃｕや、化合物のＴｉＮなどが有効である。ＲＦスパッタリング法で基板上にこれらの膜を形成し、この上にＦｅ３Ｏ４を形成する方法で作製可能である。
【００６０】
この方法では、基板温度３００℃で製膜した場合は、Ｘ線回折パターンの測定から単層のＦｅ３Ｏ４であること、かつ、室温での飽和磁化がＶＳＭを用いた測定から０．５５〜０．６テスラと、バルクのＦｅ３Ｏ４（飽和磁化：０．５〜０．６テスラ＠室温）と同じ値となることが確認された。さらに、Ｆｅ３Ｏ４の特徴である１２０Ｋ付近での飽和磁化の温度依存性異常（フェルベ−点）も単膜の電気抵抗測定によって確認できている。これは、基板温度２５０℃以上ではほぼ同様である。したがって、この方法でＦｅ３Ｏ４単層膜の形成ができていると考える。また、数ｎｍの薄膜化も可能である。
【００６１】
したがって、前記ハーフメタルは、前記ハーフメタルは、Ｆｅ３Ｏ４に代表されるＡＢ２Ｏ４なる構造を持つ酸化物で、ＡはＦｅ，Ｃｏ、Ｚｎの少なくとも一つ、ＢはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ、Ｚｎ  の一つからなるような酸化物、ＣｒＯ２、ＣｒＡｓ、ＣｒＳｂ、あるいはＺｎＯに遷移金属であるＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｎを少なくとも一成分以上添加した化合物、ＧａＮにＭｎを添加した化合物、あるいはＣｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｂ，Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌなどに代表されるＣ２ＤｘＥ１−ｘＦ型のホイスラー合金で，ＣはＣｏ、Ｃｕ，あるいはＮｉのすくなくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ、Ｆｅ，Ｃｒの１種であり、かつＦはＡｌ、Ｓｂ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｇａ，Ｓｎの少なくとも一成分を含有することからなるホイスラー合金、の少なくとも１種である。
【００６２】
図１の中間層１０３、１０５には、ＴＭＲで使用されている絶縁障壁層用の材料であるＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ，ＳｉＯ２，ＨｆＯ２、Ｚｒ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３を用いた単層膜か、あるいはこれらの材料を少なくとも一種類含む膜によって構成された単層あるいは積層膜が適用されていることを特徴とする。これは、トンネル効果による電子伝達がスピン情報の損失が低い点と，電圧変化出力を得やすいためである。
【００６３】
導電体１０１は、電極であり低抵抗でかつ、非磁性であることが必要であるという点からＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる非磁性導電性金属やＧａＡｓ、Ｓｉなどの導電性化合物が有効である。さらに、磁性電子であるｄ電子をフェルミ面にもつＴｉＮ、ＴｉＯ、ＲｅＯ３を主成分とするｄ電子伝導性の化合物では、ｄ電子からｓ電子へエネルギー遷移することにともなうスピン情報の散逸が防がれるため、特に有効と考えられる。
【００６４】
次に、抵抗変化増幅膜１０６の働きと構造について説明する。図５は抵抗変化増幅膜の基本的な動作を示す素子図である。図は、基体５０３上に適当な下地層５０２を介して抵抗変化増幅膜を構成する材料からなる膜５０１が配置され、これに５０４、５０５、５０６の電極が備えられた構造である。電極５０４から膜中を通り電極５０６へ向けて一定電流５０７が流れるようになっており、同様に電極５０４と電極５０６には電圧変化を測定できるように配線されている。電極５０５に電圧が印加する機構５０８を設ける。
【００６５】
このとき電極５０５に印加される電圧ＶＧの極性によって電極５０４と電極５０６の間の電気抵抗ＲＳＤが、図６に示されるように変化する。例えば５０１を構成する材料がＰｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３なる組成の場合、ＲＳＤの最小値に対する抵抗変化率は１７００％を超える。このような性質を持つ材料は、ＹＢａＣｕＯ系の材料や、ＬａＣａＭｎＯ３，ＬａＢａＭｎＯ３系のようにＲＢＭｎＯ３（Ｒ：希土類元素、Ｂ：アルカリ元素）なる組成をもつペロブスカイト結晶構造の材料である。これらの材料は超伝導特性をもつ材料や強磁性体としてＣＭＲ（Ｃｏｒｏｓｓａｌ  ＭＲ）特性の大きい材料として知られているが，組成によって特性が多様に変化することで知られており、本発明に用いた組成はこれらの材料とは組成の異なるものである。
【００６６】
組成自体は、材料によって多様であるが、本発明に用いる組成の材料は、磁性的には常磁性の材料である。上述した抵抗変化は室温で十分大きい値であり，また、電圧パルスの印加実験でも繰り返しパルス印加による抵抗値の劣化等の変化が生じにくいことが確認されている。また、作製に関しては塗布などの比較的容易な作製技術で作製可能なものである。この現象は、材料中のフェルミ準位に電界誘起したキャリア電子がドープされ伝導性を高めることが重要な働きを担っており、素子状にした膜に電圧あるいは電界を印加する事で所望の抵抗変化をするものと考えられる。
【００６７】
つまり、この膜の電極５０５に、上述のスピン電流の蓄積効果を利用した磁気抵抗素子による電圧変化信号を発する磁極を接触させ、回路的に抵抗増幅膜１０６に電界がかかるようにすれば、磁界変化によって大きく抵抗変化するようなセンサーおよび再生磁気ヘッドを作成することが可能である。
【００６８】
自由層１０４の磁区制御に関しては図７に示すように一般のＧＭＲ再生ヘッドで適用されているハードバイアス方式を適用することを考えた場合、ハードバイアスに用いられる永久磁石７０２を該素子膜１０４のトラック幅方向の両端部に絶縁膜７０１、を介して配することで、永久磁石７０２からの漏洩磁束を用いて素子中の自由層１０４の端部に発生する微細な磁区を減少させ、一方向に整列した磁区構造を形成することが可能である。
【００６９】
さらに、新しい磁区制御の方式として、図８に示すように自由層１０４あるいは、自由層１０３とこれと接する中間層１０６との他主面側に非磁性膜８０１を介して永久磁石８０２をつける。また、８０２の膜の構造として、このほかに、反強磁性膜と接した軟磁性膜からなる多層膜を形成することで、該永久磁石あるいは軟磁性膜８０２の端部から発生する漏洩磁束を用いて自由層１０４の磁区をそろえる方式（ＣＦＳ（Ｃｌｏｓｅｄ  Ｆｌｕｘ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）方式）が有効である。
【００７０】
素子サイズが１μｍ×１μｍを下回る範囲では、前記ハードバイアスの絶縁膜の絶縁性および磁区制御磁界の精度が著しく低下することが予想される。ギャップ間隔が５０ｎｍを下回る領域では、薄膜化が課題となるもののこの方式が将来方式として有望であり、本発明の膜構造に対しても十分有効である。
【００７１】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
【００７２】
［実施例１］
ＳｉＯ２基板やガラス基板などの通常用いられる基板（酸化マグネシウム基板、ＧａＡｓ基板、ＡｌＴｉＣ基板、ＳｉＣ基板、Ａｌ２Ｏ３基板等を含む）上にＲＦスパッタリング法やＤＣスパッタリング法、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）等の膜形成装置を用いて成膜した。例えばＲＦスパッタリング法の場合、３インチターゲットを用いた装置では、Ａｒ雰囲気中で、約１〜０．０５Ｐａの圧力、５０Ｗ〜１５０Ｗのパワーで所定の膜を膜成長させた。素子形成する基体は、上記基板を直接用いるか、または、これら基板上に絶縁膜や、適当な下地金属膜などを形成したものを用いたものである。
【００７３】
素子形成する基体上に、高真空中でＣｕ膜を膜厚５０ｎｍ形成後、この上にＡｌ膜を膜厚１ｎｍ形成した後に、酸素雰囲気中で自然酸化した。Ａｌ膜の酸化には、自然酸化ではなく、プラズマ酸化やオゾン酸化等の酸化プロセスを用いても同様である。酸化処理後、この上にＣｏ膜を膜厚１０ｎｍ形成した。場合によっては，この上にＴａ膜などを保護膜として形成した。この膜にレジストを塗布し、Ｉ線ステッパ−を用いたリソグラフィにより、図９に示すような電極形状１０１を描画した。
【００７４】
描画は、細線の太さが細くなる場合には、Ｉ線ステッパでは限界があるため、電子ビーム描画法により形状を描画した。この膜を、Ａｒイオンのミリング装置を用いミリング処理しパターン形成した。その後、接合部分１０３、１０４、１０５を描画し、接合部を形成する。これは、２段レジスト等を利用したリフトオフ用パターンで、周辺部にＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２からなる絶縁膜９０１、７０１を形成後，リフトオフを行った。
【００７５】
作製には、電子線描画や、ステッパ法、あるいは、プローブ描画法を用いた。また、イオンミリングあるいはドライエッチング後に発生するバリを取るための処理を行った。自由層のハードバイアス膜を作成する場合には、絶縁膜を形成後、永久磁石であるＣｏＣｒＰｔＺｒなどの膜を作製し、更に絶縁膜を形成した。その後，Ｃｏ線１０２を形成するための描画を行い、表面清浄化処理した上にＣｏおよびＮｉＦｅなどの軟磁性膜、ＭｎＩｒなどの反強磁性膜を形成した。
【００７６】
この膜に抵抗変化増幅膜１０６を塗布、あるいは、成膜し、この自由層１０４の上に接合を形成するように描画処理を行い、パターンを形成し、さらにこのパターンの両端に電極を形成した。電極は、２端子の場合と、４端子の場合がある。
【００７７】
［実施例２］
本報告の図１の構造について、実際に作製した素子の上方から見た図を図９に示す。Ｃｕからなる幅０．１〜１０ｎｍ程度の線状の導電体１０１と、Ｃｏからなる第一の磁性体１０２とが、この導電体上に形成したＡｌ２Ｏ３によってなる第一の中間層１０３において接しており、かつ、この導電体１０１から１０〜１０００ｎｍ離れた位置にＣｏＦｅからなる第二の磁性体１０４が中間層１０５を介して導電体１０１と接している構造を持ち，さらに、該第二の磁性体１０４が、Ｐｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３からなる抵抗変化増幅膜１０６と接しており、該抵抗変化増幅膜１０６の両端にはＡｕによってなる電極１０７が配置されている構造を備えるものである。
【００７８】
該第一の磁性体１０２と導電体１０１には電流を流す電流源が接続されており、１０９の方向から１１０の方向へと電流を流すようになっている。また、導電体の１１２方向へ伸びた端部は電気的に接地されている。
【００７９】
また、抵抗変化増幅膜１０６は、１０７の電極を介して出力信号を検知するための電流を例えば１０８の方向に流すような機構をもつ。１０７の電極は、回路的にはニ端子接続に記載されているが，４端子法を用いた測定の回路構成とした。
【００８０】
さらに、これらの素子の基体をなす下部層と、抵抗変化増幅機構をなす１０７、１０６の膜の表面側に、絶縁膜１００１、１００３を介して軟磁性膜による磁気シールド１００２、１００４が配される構造を図１０に示した。
【００８１】
また、抵抗変化増幅膜１０６膜の他主面側に電気的に接地される膜を直接、あるいは高抵抗膜を介して接触させることで最終的な出力を高めることが可能である。この方法として接地されたシールドに導電性膜を介してこの１０６の上面を接続する方法も有効である。この上部シールド１００２の上に、記録用ヘッドが位置する構造で磁気ヘッドは形成される。
【００８２】
素子１０４の面積が１ｎｍ×１ｎｍのときに、磁界の方向によって、この磁気抵抗センサーの自由層部分１０４に発生する電位差Ｖは、実験的には電流１０８が１．０ｍＡならば１０ｍＶであり、抵抗変化増幅膜１０６を駆動可能な電圧である。
【００８３】
また、この電圧は、素子面積を縮小化する、電流を増大する、あるいは、磁性膜にスピン分極の高い材料を適用する等の材料の選択、低温にすること等により高くすることが可能である。この電位差は、正負に極性を変えることが特徴的であり，これを抵抗増幅膜１０６に印加する。このとき、電界、電圧が抵抗変化増幅膜に印加されるように、１０１の電極の、電流回路とは反対の端の電位を接地することが重要である。
【００８４】
抵抗変化増幅膜は、印加される電圧の極性変化によって抵抗値を大きく変える。Ｐｒ０．７Ｃａ０．３ＭｎＯ３の場合は、比抵抗が２０μΩｃｍから約１０００００μΩｃｍまでに大きく変化する。したがって，この材料からなる膜に電流一定のセンス電流を流し、抵抗を測定すると磁気センサーによる磁界検知に伴い、抵抗が大きく変化するため、従来では非常に小さい変化率だったものを１０００倍ほど増幅することが可能である。例えばこの抵抗変化増幅膜が縦２μｍ，長さ５μｍ、膜厚２０ｎｍとすると、抵抗は２５Ω〜２５０００Ωに変化する。
【００８５】
したがって，センス電流が１ｍＡでは、単純計算では２５ｍＶ〜２５０Ｖの信号変化が生じることになる。素子抵抗の値は、膜厚や素子サイズによって調整することは可能である。また、この抵抗変化増幅膜は磁気的には非磁性体〜常磁性体であり、接触している自由層への磁気的な悪影響を無視できる。磁気的な分解能は、磁性自由層のサイズで決定可能で、この抵抗変化増幅膜は自由層部分ほど大きさや形状の制限を受けないため、設計が容易となる。
【００８６】
［実施例３］
本報告にある構造以外に，同様のメカニズムを用いてセンサー構造を形成することが可能である。
【００８７】
図１１には、同様の作用をする類似構造を示す。各構造体の材質等は前述の番号によって対応付けられている。矢印１０８の方向に電流を流しており、第二の磁性層１０４が絶縁層１０５を介して非磁性導電膜１０１中に接しており，反強磁性体によって固定された第一の磁性体が絶縁膜を介して非磁性導電膜１０１に接している接触部分１１０１を有し、接触部分１１０１に接しており電流を流しながら抵抗を測定する機能を備える抵抗変化増幅膜１１０２からなる構造である。
【００８８】
また、図１２に示されるように、磁気抵抗変化の出力発生機構（例えば図１に記載されているもの）と抵抗変化増幅膜との位置関係についても、抵抗変化増幅膜１０６を磁性層１２０１と絶縁障壁膜１０５が挟む形でも同様の出力を得ることが可能である。
【００８９】
この磁性層１２０１は、固定層１０２を成すような反強磁性結合膜を備えたものでも良いし、自由層１０４のような磁区制御構造を備えたものでも同様の出力を得ることが可能である。
【００９０】
［実施例４］
これらの磁性膜としてＦｅ３Ｏ４を形成した場合は、スパッタ室雰囲気のＨ２Ｏ分率を低減し、低レート、低エネルギで膜形成する新規な作成法により、２５０℃以上の基板温度において膜厚５０ｎｍ以下の膜において飽和磁化０．４テスラ以上をもつＦｅ３Ｏ４膜を作製することができた。このＦｅ３Ｏ４がハーフメタリックな特性を持つことが第一原理計算に基づく理論検証および過去の分光分析等から知られている材料である。
【００９１】
形成したＦｅ３Ｏ４膜の飽和磁化Ｂｓは、下地膜がＰｔ，Ｃｕ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ、Ｔａ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅなどの導電性金属、合金膜でも、ＴｉＮなどの導電性化合物膜でも、これら下地膜の表面粗さＲａを０．４ｎｍ以下にすることにより、０．４テスラ以上となりほぼ良好なＦｅ３Ｏ４成長が確認された。また、これら貴金属の下に、Ｃｒ、Ｔａ、ＮｉＦｅＣｒなどの適当な下地膜を数ｎｍから数十ｎｍ挿入することにより、この上に成長した貴金属膜の表面構造が平滑化し、Ｆｅ３Ｏ４膜の成長が促進される。
【００９２】
Ｆｅ３Ｏ４以外の酸化物ハーフメタル材料であるＣｒＯ２、ＺｎＯ、ＧａＮについても、上述のＦｅ３Ｏ４の場合と同様に下地貴金属膜を形成して、その上に成長させたところ基板温度が２５０℃でも単層膜が形成されていることを確認した。ＺｎＯは、Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉの強磁性金属を約２５％ドープすると、強磁性ハーフメタルの状態になる。また、ＧａＮについてもＧａＡｓ下地膜上にＭＢＥを用いてＭｎを２５％ドープして形成すると強磁性ハーフメタルになる。
【００９３】
また、ホイスラー合金とよばれる化合物でＣｏ２ＭｎＧｅ，Ｃｏ２ＭｎＳｂやＣｏ２Ｃｒ０．６Ａｌ０．４Ｍｎなどは組成に該当するターゲットをＡｒ雰囲気中のＲＦスパッタリングにより基板に直接成長させる方法で作製可能である。基板温度は、３００℃以上で、７００℃以上の熱処理を加えることが望ましいが、室温基板上に形成し、２７０℃で長時間熱処理した場合にも規則化した構造を得ることが可能である。また、作製した膜の組成とターゲットの組成との関係がずれやすいため、作製した膜での組成確認をＸＰＳあるいはＩＣＰ分析により同定することが必要である。
【００９４】
これらの膜を磁性層に用いることで、磁気抵抗素子としての出力ΔＶは、数倍程度に増大しており、素子の設計の簡易化には有効である。
【００９５】
［実施例５］
図１３は、記録ヘッドまでを含めた、磁気再生ヘッド構造をあらわす模式図である。これまでに述べた再生ヘッド構造が、上下シールドである１００２、１００４の間に構成されており、媒体と対向するＡＢＳ面には、基本構造となる磁性膜１０４や導電体１０１が出ている。
【００９６】
この図において示されるように、素子厚さ方向に磁極１３０１と、これの磁化を誘起するコイル１３０２が示されている。磁極の材質は、従来タイプでは高飽和磁束密度をもつＣｏＦｅ系材料が用いられている。近年、さらに高い飽和磁束密度を持つ材料により、記録を行う方式が進められているが、それらを使用して実現される垂直磁気記録や面内磁気記録に対して本発明の再生方式は有効に作用する。
【００９７】
また、記録方式としてサイズを絞った光を媒体に照射して媒体温度を局所的に上昇させ、媒体の温度上昇に伴う磁化低減の作用を用いて、磁化反転させる機構がついた記録ヘッドにおいても、これらの読み取り方式は有効である。
【００９８】
図１４は本発明によるヘッドを用いた一実施例の磁気デイスク装置を示す図である。図示した磁気デイスク装置は，同心円状のトラックとよばれる記録領域にデータを記録するための，デイスク状に形成された磁気記録媒体としての磁気デイスク１４０１と，磁気トランスデユーサーからなり，上記データの読み取り，書き込みを実施するための本発明による磁気ヘッド１４０６と，該磁気ヘッド１４０６を支え磁気デイスク１４０１上の所定位置へ移動させるアクチュエーター手段１４１１と，磁気ヘッドが読み取り，書き込みするデータの送受信及びアクチェータ手段の移動などを制御する制御手段とを含み構成される。
【００９９】
さらに，構成と動作について以下に説明する。少なくとも一枚の回転可能な磁気デイスク１４０１が回転軸１４０２によって支持され，駆動用モーター１４０３によって回転させられる。少なくとも一個のスライダー１４０６が，磁気デイスク１４０１上に設置され，該スライダー１４０９は，一個以上設けられており，読み取り，書き込みするための本発明による磁気ヘッド１４１０を支持している。
【０１００】
磁気デイスク１４０１が回転すると同時に，スライダー１４０６がデイスク表面を移動することによって，目的とするデータが記録されている所定位置へアクセスされる。スライダ１４０６は，サスペンション１４０７によってアーム１４０８にとりつけられる。サスペンション１４０７はわずかな弾力性を有し，スライダー１４０６を磁気デイスク１４０１に密着させる。アーム１４０８はアクチュエーター１４１１に取り付けられる。
【０１０１】
アクチュエータ１４１１としてはボイスコイルモーター（以下，ＶＣＭと称す。）がある。ＶＣＭは固定された磁界中に置かれた移動可能なコイルからなり，コイルの移動方向および移動速度等は，制御手段１４１２からライン１４０４を介して与えられる電気信号によって制御される。したがって，本実施例によるアクチュエーター手段は，例えば，スライダ１４０６とサスペンション１４０７とアーム１４０８とアクチュエーター１４１１とライン１４０４を含み構成されるものである。
【０１０２】
磁気デイスクの動作中，磁気デイスク１４０１の回転によってスライダー１４０６とデイスク表面の間に空気流によるエアベアリングが生じ，それがスライダー１４０６を磁気デイスク１４０１の表面から浮上させる。したがって，磁気デイスク装置の動作中，本エアベアリングはサスペンション１４０７のわずかな弾性力とバランスをとり，スライダー１４０６は磁気デイスク表面にふれずに，かつ磁気デイスク１４０１と一定間隔を保って浮上するように維持される。
【０１０３】
通常，制御手段１４１２はロジック回路，メモリ，及びマイクロプロセッサなどから構成される。そして，制御手段１４１２は，各ラインを介して制御信号を送受信し，かつ磁気デイスク装置の種々の構成手段を制御する。例えば，モーター１４０３はライン１４０４を介し伝達されるモーター駆動信号によって制御される。
【０１０４】
アクチュエーター１４１１はライン１４０４を介したヘッド位置制御信号及びシーク制御信号等によって，その関連する磁気デイスク１４０１上の目的とするデータートラックへ選択されたスライダー１４０６を最適に移動，位置決めするように制御される。
【０１０５】
そして，制御信号は，磁気ヘッド１４１０が磁気デイスク１４０１のデータを読み取り変換した電気信号を，ライン１４０４を介して受信し解読する。また，磁気デイスク１４０１にデータとして書き込むための電気信号を，ライン１４０４を介して磁気ヘッド１４１０に送信する。すなわち，制御手段１４１２は，磁気ヘッド１４１０が読み取りまたは書き込みする情報の送受信を制御している。
【０１０６】
なお，上記の読み取り，書き込み信号は，磁気ヘッド１４１０から直接伝達される手段も可能である。また，制御信号として例えばアクセス制御信号およびクロック信号などがある。さらに，磁気デイスク装置は複数の磁気デイスクやアクチュエーター等を有し，該アクチュエーターが複数の磁気ヘッドを有してもよい。また、媒体は図にしめされるように円盤型の媒体が回転し、ヘッドがアクセスするタイプ以外に、固定した媒体上に多数のヘッドが同時並行にスキャンするような機構のものも同様に有効である。
【０１０７】
このような複数の機構を兼ね備えることによって、いわゆるデイスクアレイ装置を形成することが可能である。
【０１０８】
本発明の磁気抵抗効果素子を本磁気記録装置に搭載することにより、再生密度が５００Ｇｂ／ｉｎ２を超える領域の磁気記録再生が可能となる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明に係る磁気センサーおよび磁気ヘッドは、従来の磁気抵抗変化型磁気再生ヘッドよりも、素子抵抗の調整が容易で、かつ、磁気抵抗変化率が極めて高く、高分解能化にも有効で出力が大きいものが得られる。また、この磁気抵抗効果素子を備える磁気記録装置は面記録密度が５００（Ｇｂ／ｉｎ２）を越える磁気記録媒体と組み合わせて使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気再生ヘッド素子構造。
【図２】本発明の磁気抵抗素子部分の基本構造。
【図３】本発明の磁気抵抗素子部分の磁気特性と電圧変化信号出力の磁界変化。
【図４】本発明の第一の磁性層の磁化固定方式。
【図５】本発明の磁気抵抗増幅機構の基本構造。
【図６】本発明の磁気抵抗増幅機構の電圧―抵抗変化。
【図７】ハードバイアス方式磁区制御構造を備えた本発明の第二の磁性層周辺の断面図。
【図８】ＣＦＳ方式磁区制御構造を備えた本発明の第二の磁性層周辺の断面図。
【図９】本発明の実施例による素子構造。
【図１０】上下磁気シールドを備えた再生ヘッド構造。
【図１１】図１以外の本発明の構造例１。
【図１２】図１以外の本発明の構造例２。
【図１３】本発明を適用した磁気抵抗効果素子と記録ヘッドとの位置関係を示す模式図である。
【図１４】本発明を適用した磁気記録装置の模式図である。
【符号の説明】
１０１  導電体、１０２  第一の磁性体、１０３  第一の中間層、１０４  第二の磁性体、１０５  中間層、１０６  抵抗変化増幅膜、１０７  電極。
【図１】
2004348850.tif 000004
【図２】
2004348850.tif 000005
【図３】
2004348850.tif 000006
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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