(57)【要約】【課題】ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくし、かつ大容量化及び低消費電力化を行なう。【解決手段】記録再生装置は、磁化方向が変化する磁化記録層１７を含みかつ情報が記録される磁気セル１４を複数個含む記録媒体１０と、記録媒体１０の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第１の磁化固着層２２を含む第１のヘッド２０とを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が変化する磁化記録層を含みかつ情報が記録される磁気セルを複数個含む記録媒体と、
前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第１の磁化固着層を含む第１のヘッドと
を具備することを特徴とする記録再生装置。
【請求項２】
前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第２の磁化固着層を含む第２のヘッドをさらに具備し、
前記第１の磁化固着層の磁化方向は、前記第２の磁化固着層の磁化方向と反対であることを特徴とする請求項１に記載の記録再生装置。
【請求項３】
前記第１のヘッドは、前記磁気セルに２進情報の一方を書き込み、
前記第２のヘッドは、前記磁気セルに２進情報の他方を書き込むことを特徴とする請求項２に記載の記録再生装置。
【請求項４】
前記磁気セルは、磁化方向が固定された第３の磁化固着層と、この第３の磁化固着層と前記磁化記録層との間に設けられた第１の非磁性層とを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項５】
前記ヘッドは、前記記録媒体に対してスピン偏極した電子を供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項６】
前記磁化記録層の磁化方向は、前記スピン偏極した電子により決定されることを特徴とする請求項５に記載の記録再生装置。
【請求項７】
前記記録媒体と前記ヘッドとの距離は、５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項８】
前記ヘッドと前記記録媒体との間に負電圧を供給するバイアス回路をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項９】
前記磁化固着層と前記磁化記録層との磁化方向はそれぞれ、膜面に垂直方向であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項１０】
前記ヘッドは、情報の再生時に、前記磁化記録層の磁化方向が変化する臨界電流より低い読み出し電流を前記記録媒体に供給することを特徴とする請求項４に記載の記録再生装置。
【請求項１１】
前記記録媒体の上方に空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ前記磁化記録層から発生する磁界を検知して前記磁気セルの情報を再生する再生ヘッドをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の記録再生装置。
【請求項１２】
前記再生ヘッドは、磁化方向が固定された第４の磁化固着層と、磁化方向が変化する磁化自由層と、前記第４の磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた第２の非磁性層とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録再生装置に係り、特に記録媒体にスピン偏極した電子を用いて情報の記録が可能な記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、低ビットコストのファイルメモリの代表例はハードディスクであるが、さらなる大容量化、すなわちさらなる面記録密度の向上が求められている。
【０００３】
しかし、単純にビットセルを微細化していった場合、熱揺らぎの問題で情報が消失する可能性が指摘されている。これを防ぐためには記録媒体の磁気異方性を高めて磁化の安定性を高めなければならないが、そうすると微小な部分により大きな磁界を印加することが必要になる。よって、ヘッド（プローブ）から磁界を印加して記録媒体の磁化方向を書き換える方法では、上記のような観点から限界が来ることが予想される。
【０００４】
一方、次世代のＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）への適用が期待されるスピン注入磁気記録方式では、スピン偏極させた電子によって磁気抵抗効果（magnetoresistive effect）素子に含まれる磁化記録層の磁化方向を高速に反転させることで情報の記録を行う。そして、素子サイズを縮小すると記録電流も減少するため、記録密度の向上に有利な記録方式である。
【０００５】
通常のＭＲＡＭで予定されている記録方式としては、電子の流れる向きによって磁化記録層の磁化方向が決定される。記録情報の再生は、磁化記録層の記録磁化の向きに応じた磁気抵抗効果素子の抵抗変化を例えば電圧変化として検出することにより行われる。
【０００６】
この記録原理を、ＭＲＡＭのような配線を用いる半導体メモリではなく、平面媒体の情報を探針（プローブ）によって読み出すいわゆるプローブメモリもしくはＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）メモリと呼ばれる記録装置に応用した例が開示されている（特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、ここではプローブ電極を記録媒体にオーミック接触させて導電電流を流す方法を採用しているため、接触抵抗が読出すべき抵抗にノイズとして乗るという問題、さらにはプローブもしくは記録媒体の磨耗の問題がある。
【０００８】
これに対して、電界放出型の電子線は、プローブ電極から記録媒体に向けて非接触で電流を供給できる有望な手段と考えられる（特許文献２参照）。その電子放出領域は約１０ｎｍまたはそれ以下と極微細であることを特徴とし、その極微細領域を選択的に加熱昇温したり、またはその微細領域に選択的に導電電流を流すことで情報の記録または再生をすることが可能である。
【０００９】
しかしながら、この原理とスピン注入記録原理との組み合わせは容易ではない。なぜなら、電界放出型の電子線を記録媒体側からプローブ側に向けて供給することが困難であるため、前述したように電流の向きによって情報を書き換えようとする素子に応用しようとしても情報の書き換えができない。
【特許文献１】特開２００４−１９３５９５号公報
【特許文献２】特開２００１−２５０２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができ、かつ大容量化及び低消費電力化が可能な記録再生装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一視点に係る記録再生装置は、磁化方向が変化する磁化記録層を含みかつ情報が記録される磁気セルを複数個含む記録媒体と、前記記録媒体の上方に、空間もしくは絶縁層を介して配置され、かつ磁化方向が固定された第１の磁化固着層を含む第１のヘッドとを具備する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができ、かつ大容量化及び低消費電力化が可能な記録再生装置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】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１４】
（第１の実施形態）
本発明の例では、ＨＤＤ（ハードディスク）のように回転する記録媒体の上方に１つ或いは２つのヘッド（プローブ）を配置する場合、もしくは１チップに１０００本以上のカンチレバーを設置して、これらを同時にパラレル処理する場合のように、ヘッドが記録媒体の上方を移動して情報を記録及び再生するタイプのメモリ（ストレージ）を想定している。これにより、１つの記録セルに必ず配線がつながるいわゆる半導体メモリに比べ、（トランジスタの）短チャンネル効果などの微細化に対する障害を考慮しなくてもよい。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体１０と、情報を記録媒体１０に記録するヘッド２０（本実施形態では、２つのヘッド２０−１、２０−２）とを備えている。
【００１６】
記録媒体１０は、基板１１上に設けられた導電層１８と、この導電層１８上に設けられた絶縁層１２と、導電層１８上で絶縁層１２内に設けられた複数の磁気セル１４とを備えている。これら複数の磁気セル１４は、絶縁層１２を介して規則的に配置されている。すなわち、複数の磁気セル１４は、絶縁層１２によって電気的に絶縁されている。また、各磁気セル１４は、導電層１８に電気的に接続され、この導電体層１８は接地される。
【００１７】
基板１１としては、例えばシリコンが用いられる。平坦性が確保できれば安価なガラスを用いてもよい。絶縁層１２としては、例えば高抵抗の絶縁体（アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコン酸化膜等）が用いられる。
【００１８】
ヘッド２０に含まれる磁性層と記録媒体１０に含まれる磁性層とは、物理的に接触しないように配置される。このために、記録媒体１０の上面（ヘッド２０に対向する面）に、保護膜１３を設けるようにしてもよい。また、ヘッド２０の底面（記録媒体１０に対向する面）に、保護膜を設けるようにしてもよい。保護膜１３は、薄い絶縁膜が好適である。例えば、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）は、耐摩耗性も得られるので好適である。
【００１９】
磁気セル１４は、磁化記録層（フリー層）１７により構成される。記録層１７は、強磁性体からなり、かつ磁化方向が変化（反転）する。記録層１７としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいはＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金やＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物、窒化物が挙げられる。
【００２０】
さらには、ＦｅＰｔ合金など通常はハード磁性体として分類されるものも使用できる。すなわち、これらの材料のうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい（ハード磁性体も含め、保磁力にかかわらず磁化反転させることができるのがスピン注入原理の特徴の１つである）。
【００２１】
スピン注入磁化反転（磁気セルに直接電流を流して電子が持っているスピンの作用によって磁化を反転させる）が起こる電流値（臨界電流値）を下げるなどの目的で、記録層１７をＲｕ層で区切るような多層膜で構成してもよい。図１には、最も単純な構成を示している。
【００２２】
なお、記録層１７は、熱揺らぎに耐えられるだけの保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。記録層１７に要求される保磁力は、書き込まれる記録ビットの大きさに依存し、記録ビットが小さくなるほど大きな保磁力が必要となる。
【００２３】
記録層１７の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。図１に示した太い矢印は、磁化方向を示している。しかし、これに限定されず、記録層１７の磁化方向は、膜面内方向であってもよい。ただし、磁気セルの微細化が進めば、おのずと垂直磁化が有利となるであろう。
【００２４】
ヘッド２０−１は、電子が供給される導電層２１−１と、この導電層２１−１の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層（ピン層）２２−１とを備えている。すなわち、固着層２２−１は、記録媒体１０に面する側に配置される。なお、固着層２２−１の導電性が十分であればヘッド全体を、該固着層のみで構成してもよい。
【００２５】
固着層２２−１は、強磁性体からなり、磁化方向が固定されている。例えば、固着層２２−１の膜厚は、磁化方向を固定するために、記録層１７の膜厚より厚くなっている。或いは、強磁性層に反強磁性層を付加することで、交換結合により磁化方向を固定してもよい。強磁性層としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。反強磁性層としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、或いはＦｅ２Ｏ３などが用いられる。また、固着層２２−１をＲｕ層で区切るような多層膜で構成してもよい。
【００２６】
ヘッド２０−１は、例えば、記録媒体１０と所定距離を空けて配置され、物理的に接触しないように配置される。記録媒体とヘッドとの距離は、電子の平均自由行程程度以下であることが必要である。この条件を満足する距離では、電子の持つスピン偏極がおおむね維持される。ここで、電子の平均自由行程は、ガスの種類及びガス圧と電子のエネルギーに依存するが、空気の主要構成成分の１つである窒素の場合、大気圧中での平均自由行程が少なくとも１５０ｎｍである（減圧すればもっと長くなる）。好ましくは、この距離は５０ｎｍ以下である。
【００２７】
また、記録媒体とヘッドとの距離があまり小さいと、ヘッドが記録媒体に接触してしまう。この結果、記録媒体およびヘッドが磨耗してしまう（いわゆるヘッドクラッシュ）。したがって、記録媒体とヘッドとの距離は、接触しない程度に設定される。
【００２８】
固着層２２−１の磁化方向は、記録層１７と同様に、膜面に垂直な方向である。すなわち、記録層１７の磁化容易軸が膜面垂直方向の場合は、固着層２２−１の磁化容易軸も記録媒体１０の上面に対して垂直方向であることが求められる。
【００２９】
しかし、ヘッド側の固着層２２−１の磁化方向が例えば完璧な膜面垂直方向から仮に２０°程度ずれているとしても、記録層１７が膜面垂直方向の磁気異方性を有していれば、記録層１７の磁化方向を略上向きか下向きに揃えることができる。すなわち、記録層１７と固着層２２−１との磁化方向は、完全に同一方向でなくてもよく、多少のずれは許容される。
【００３０】
これは逆に、ヘッド側の固着層２２−１の磁化方向が膜面垂直方向で記録層１７の磁化方向が２０°程度ずれた場合なども同様のことが言える。すなわち、多少の磁化方向のずれを許容できるので、これを許容することで歩留まりが向上する場合があれば磁化方向のずれはある程度許容する。
【００３１】
ヘッド２０−１及び記録媒体１０には、ヘッド２０−１から電界放出をさせるためのバイアス回路３０が接続されている。電界放出とは、ヘッド２０−１の電子放出面において高い電位勾配（電界）を形成することにより、ヘッド２０−１から記録媒体１０へ向かって直接電子を放出させることをいう。
【００３２】
バイアス回路３０は、ヘッド２０−１に負電位を供給し、記録媒体１０（具体的には、導電層１８）に接地電位を供給する。すなわち、バイアス回路３０は、ヘッド２０−１と記録媒体１０との間に負電圧を印加する。このバイアス回路３０の作用により、ヘッド２０−１から記録媒体１０に電子を流すことが可能となる。
【００３３】
同様に、ヘッド２０−２は、電子が供給される導電層２１−２と、この導電層２１−２の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層２２−２とを備えている。ヘッド２０−２は、固着層２２−２の磁化方向が固着層２２−１のそれと反対向きである点以外は、ヘッド２０−１と同じ構成である。もちろん、ヘッド２０−２にも、バイアス回路３０が接続されている。
【００３４】
図２は、ヘッド２０−１、２０−２を駆動するための駆動部４０−１、４０−２を説明するための概略図である。２つのヘッド２０−１、２０−２の配置は、例えば図２のような配置が考えられる。すなわち、記録媒体１０の上方に全く独立な動きをする２つのヘッド（１組のヘッド）を配置し、それぞれのヘッドが、一般的なハードディスクの仕組みと同様、サーボをし、アドレスを読み、所望の特定位置に“０”もしくは“１”を記録する。
【００３５】
ただし、２つのヘッドはあまり近づけることが困難であるので、隣接ビットに異なるデータを書き込む場合、何らかのデータバッファが必要になる。なお、ヘッドは２つに限定されるものではなく、一般的なハードディスクと同様、何枚かのディスクを組み合わせ、１枚ごとに２つのヘッド（１組のヘッド）を配置してもよい。
【００３６】
以下、ヘッドを駆動するための駆動部の一例について説明する。記録再生装置は、ヘッド２０−１と記録媒体１０の上面との相対的な位置関係を制御するための駆動部４０−１を備えている。駆動部４０−１は、記録媒体１０の上面を移動するスライダ４１−１と、このスライダ４１−１の動作を制御する駆動回路４２−１とを備えている。
【００３７】
スライダ４１−１の先端には、ヘッド２０−１が設けられている。ヘッド２０−１は、スライダ４１−１によって記録媒体１０と所定距離を空けて配置され、物理的に接触しないように配置される。また、記録再生装置は、記録媒体１０を回転させるためのモータ４３を備えている。
【００３８】
同様に、記録再生装置は、ヘッド２０−２と記録媒体１０の上面との相対的位置関係を制御するための駆動部４０−２を備えており、この駆動部４０−２は、記録媒体１０の上面を移動するスライダ４１−２と、このスライダ４１−２を制御する駆動回路４２−２とを備えている。
【００３９】
そして、モータ４３を用いてディスク状の記録媒体１０を回転させる。また、スライダをディスクの半径方向に移動させる。これにより、ヘッドを所望の特定位置に移動させることが可能となる。
【００４０】
次に、このように構成された記録再生装置の動作について説明する。情報の記録時には、ヘッド２０−１が目的の磁気セル１４の上方に移動し、そこでヘッド２０−１にはバイアス回路３０から負電位が供給される。また、記録媒体１０には、バイアス回路３０から接地電位が供給される。これにより、ヘッド２０−１と記録媒体１０との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子（電子流ｅ−）が非接触でヘッド２０−１から記録媒体１０に向かって流れる。
【００４１】
この電子は、磁化方向が固定された固着層２２−１を通過する際に、固着層２２−１の磁化方向と同じ向きのスピンを持つようになる（スピン偏極される）。すなわち、固着層２２−１の磁化方向と反対向きのスピンを持つ電子は、固着層２２−１の上面で反射される。一方、固着層２２−１の磁化方向と同じ向きのスピンを持つ電子は、固着層２２−１を通過する。
【００４２】
この固着層２２−１の磁化方向（例えば、下向き）と同じ向きのスピンを持つ電子が記録層１７に流れると、このスピンのもつ角運動量が記録層１７に伝達される。その結果、記録層１７の磁化方向は、固着層２２−１の磁化方向と同じ向きに揃う。
【００４３】
記録層１７を反対方向に磁化するときには（上記動作が“０”書き込み動作と仮定すると、“１”書き込み動作の場合）、固着層２２−１と反対方向（上向き）に磁化された固着層２２−２を有するヘッド２０−２を用いる。そして、同様に、ヘッド２０−２から記録媒体１０に電子を流すことで、“１”書き込み動作を実現することができる。
【００４４】
以上詳述したように本実施形態によれば、ヘッドから記録媒体に向けて非接触で電子を供給することができるため、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができる。これにより、ヘッド及び記録媒体の磨耗を削減することができる。
【００４５】
また、スピン注入磁化反転方式を用いて記録層１７の磁化方向を反転させている。この場合、磁気セル１４のサイズを縮小すると記録電流も減少する。これにより、記録媒体１０の記録密度を向上させることができ、ひいては記録媒体１０の微細化が可能となる。さらに、記録電流を削減することができるため、消費電力の低減が可能となる。
【００４６】
なお、本実施形態では、主に記録媒体と１組のヘッド（プローブ）という構成を述べたが、プローブを何百本、何千本と並べ、記録媒体をＸ−Ｙアクチュエータで動かして動作させるタイプのストレージにも適用することが可能である。
【００４７】
具体的には、記録媒体がＸ−Ｙアクチュエータ上に載置され、Ｘ−Ｙアクチュエータがプローブに対して記録媒体の位置を制御する。そして、直線状に複数本のトラックを有する記録媒体をトラック方向とその垂直方向とに精密に送り、記録及び再生の位置を決定する。
【００４８】
このようなＸ−Ｙアクチュエータ方式においては、各プローブがそれぞれの媒体領域を受け持つことになるので、この媒体領域を各プローブのブロックとして考えれば、１組のヘッドの場合と同様の動作を実現することができる。例えば、それぞれのブロックごとに逆向きの磁化を持つプローブ２本を１組として配置すれば、同様の動作が実現できる。
【００４９】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、記録媒体１０に含まれる磁気セル１４の他の構成例であり、さらに上記第１の実施形態で示したヘッドを用いて磁気セル１４の記録情報を再生するように構成したものである。
【００５０】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。磁気セル１４は、磁化固着層（ピン層）１５、磁化記録層（フリー層）１７、及びこれら固着層１５と記録層１７との間に設けられた非磁性層１６で構成された積層構造である。記録層１７の構成は、上記第１の実施形態と同じである。
【００５１】
非磁性層１６としては、絶縁層、金属層、あるいはそれらの混晶を用いることができる。絶縁層としては、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯなどが用いられる。金属層としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕなどの非磁性金属元素のいずれかあるいは、これらの合金を用いることができる。非磁性層１６に絶縁層を用いた場合は、トンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子となり、金属層を用いた場合は、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistive）素子となる。これらを総称してＭＲ（Magnetoresistive）素子と呼ぶ。
【００５２】
固着層１５は、強磁性体からなり、磁化方向が固定されている。例えば、固着層１５の膜厚は、磁化方向を固定するために、記録層１７の膜厚より厚くなっている。或いは、強磁性層に反強磁性層を付加することで、交換結合により磁化方向を固定してもよい。
【００５３】
スピン注入磁化反転が起こる臨界電流値を下げるなどの目的で、固着層１５ならびに記録層１７をＲｕ層で区切るような多層膜で構成してもよいし、複数の固着層と複数の記録層とを交互に積層して構成してもよい。図３には、最も単純な構成を示している。
【００５４】
図４は、固着層１５の他の例を示す断面図である。固着層１５は、強磁性層１５−２と反強磁性層１５−１とが積層されて構成されている。強磁性層１５−２としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。反強磁性層１５−１としては、ＦｅＭｎ合金、ＰｔＭｎ合金、ＰｔＣｒＭｎ合金、ＮｉＭｎ合金、ＩｒＭｎ合金、ＮｉＯ、或いはＦｅ２Ｏ３などが用いられる。このように、反強磁性層１５−１と強磁性層１５−２との交換結合を利用して、固着層１５の磁化方向が一方向に固定されている。
【００５５】
また、強磁性層１５−２の磁化をこれらに隣接して設けられたハード磁性層により固定してもよい。或いは、固着層１５自身にハード磁性層を用いてもよい。この場合のハード磁性層としては、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＳｍＣｏ合金、ＮｄＦｅＢ合金などの磁性材料を用いることができる。
【００５６】
図５は、固着層１５の他の例を示す断面図である。固着層１５は、強磁性層１５−４／非磁性層１５−３／強磁性層１５−２／反強磁性層１５−１が積層されたＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnet）構造を有している。強磁性層１５−４としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒ等の金属或いはそれらの合金などが用いられる。非磁性層１５−３としては、Ｒｕなどが用いられる。
【００５７】
このように構成された磁気セル１４は、強磁性トンネル接合を有し、非磁性層１６をトンネルして電流が流れる。また、磁気セル１４は、固着層１５と記録層１７との磁化方向が平行になった場合と反平行になった場合とでトンネル電流の大きさが変化するトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magnetoresistive Effect）を有する。すなわち、磁気セル１４の抵抗値は、固着層１５と記録層１７との磁化方向が平行のときに極小値、反平行のときに極大値をとる。これにより、磁気セル１４は、抵抗値が小さい場合を“１”、抵抗値が大きい場合を“０”として２進情報を記憶することができる。
【００５８】
なお、記録層１７は、熱揺らぎに耐えられるだけの保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。記録層１７に要求される保磁力は、書き込まれる記録ビットの大きさに依存し、記録ビットが小さくなるほど大きな保磁力が必要となる。固着層１５には、記録層１７よりも大きな保磁力、もしくは磁気異方性が要求される。
【００５９】
記録層１７及び固着層１５の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。図３の各磁性層に示した太い矢印は、磁化方向を示している。しかし、これに限定されず、記録層１７及び固着層１５の磁化方向は、膜面内方向であってもよい。各層の磁化方向が膜面内方向である構成については、後述する。
【００６０】
次に、このように構成された記録再生装置の動作について説明する。情報の記録時には、ヘッド２０−１が目的の磁気セルの上方に移動し、そこでバイアス回路３０から負電位が供給される。また、記録媒体１０には、バイアス回路３０から接地電位が供給される。これにより、ヘッド２０−１と記録媒体１０との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子（電子流ｅ−）が非接触でヘッド２０−１から記録媒体１０に向かって流れる。
【００６１】
この電子は、磁化方向が固定された固着層２２−１を通過する際に、固着層２２−１の磁化方向と同じ向きのスピンを持つようになる。この固着層２２−１の磁化方向と同じ向きのスピンを持つ電子が記録層１７に流れると、このスピンのもつ角運動量が記録層１７に伝達される。その結果、記録層１７の磁化方向は、固着層２２−１の磁化方向と同じ向きに揃う。
【００６２】
記録層１７を反対方向に磁化するときには（上記動作が“０”書き込み動作と仮定すると、“１”書き込み動作の場合）、固着層２２−１と反対方向に磁化された固着層２２−２を有するヘッド２０−２を用いる。そして、同様に、ヘッド２０−２から記録媒体１０に電子を流すことで、“１”書き込み動作を実現することができる。
【００６３】
記録情報の再生時には、ヘッドから磁気セル１４に向けて臨界電流値（電子が持っているスピンの作用によって記録層１７の磁化方向が変化する電流値）以下になるように電子を流す。これは、例えばバイアス回路３０により制御される。
【００６４】
磁気セル１４は記録層１７の下側に非磁性層１６を挟んで固着層１５が設けられているので、記録層１７と固着層１５との磁化方向が同一（平行）であれば磁気セル１４の抵抗値は小さく、記録層１７と固着層１５との磁化方向が逆向き（反平行）であれば磁気セル１４の抵抗値は大きくなる。
【００６５】
この抵抗値の差による電圧値の変化（或いは、電流値の変化）を、例えばヘッドとバイアス回路３０との間に設置されたセンスアンプ等（図示せず）によって検出する。再生用のヘッドは専用のものでもよいが、ヘッド２０−１（“０”書き込み）もしくはヘッド２０−２（“１”書き込み）がこれを兼ねるようにしてもよい。
【００６６】
以上詳述したように本実施形態によれば、ヘッドから記録媒体に向けて非接触で電子を供給することができるため、ヘッドと記録媒体との接触抵抗をなくすことができる。これにより、接触抵抗が読み出すべき抵抗値にノイズとして乗るという問題を回避でき、さらにはヘッド及び記録媒体の磨耗を削減することができる。その他の効果は、上記第１の実施形態と同様である。
【００６７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、基本原理は上記第２の実施形態と同じであるが、ヘッドを１つのみ用いることで情報の記録を行うように構成している。
【００６８】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体１０と、情報を記録媒体１０に記録する１つのヘッド２０とを備えている。
【００６９】
記録媒体１０の構成は、例えば、キュリー温度が２７２℃（５４５Ｋ）程度のＰｔｘＦｅ（１００−ｘ）合金（Ｘ＝３０at％）などからなる磁化記録層１７、ＭｇＯなどからなる非磁性層１６、およびキュリー温度が９００℃（１１９０Ｋ）超のＳｍ２Ｃｏ１７合金などからなる磁化固着層１５という構成である。記録層１７及び固着層１５の磁化方向は、例えば、膜面に略垂直な方向である。また、上記第２の実施形態と同様、記録層１７及び固着層１５を多層膜で構成してもよいのは言うまでもない。
【００７０】
工場出荷時には、記録層１７の磁化方向は、固着層１５の磁化方向と揃っているものとする。すなわち、全ての磁気セル１４には、“１”が記録されている。
【００７１】
ヘッド２０は、電子が供給される導電層２１と、この導電層２１の先端に設けられかつ磁化方向が固定された磁化固着層２２とを備えている。固着層２２の磁化方向は、磁気セル１４に“０”を書き込むのに必要な方向に磁化されている。すなわち、本実施形態では、固着層２２の磁化方向は、固着層１５のそれと反対方向である。
【００７２】
固着層２２の磁化方向は、磁気セル１４と同様に、膜面に垂直な方向である。すなわち、記録媒体１０（磁気セル１４）の磁化容易軸が膜面垂直方向の場合は、ヘッド側の固着層２２の磁化容易軸も記録媒体１０の上面に対して垂直方向に設定される。
【００７３】
ヘッド２０及び記録媒体１０には、ヘッド２０から電界放出をさせるためのバイアス回路３０が接続されている。
【００７４】
図７は、ヘッド２０を駆動するための駆動部４０及び加熱回路４４を説明するための概略図である。駆動部４０は、記録媒体１０の上面を移動するスライダ４１と、このスライダ４１の動作を制御する駆動回路４２とを備えている。図７に示すように、本実施形態では、ヘッドが１つであり、このヘッドを駆動する駆動部も１つである。ヘッドを所望の特定位置に移動させる動作は、上記第１の実施形態と同じである。さらに、記録再生装置は、記録媒体１０を加熱するための加熱回路４４を備えている。
【００７５】
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時には、ヘッド２０が目的の磁気セルの上方に移動し、そこでバイアス回路３０から負電位が供給される。また、記録媒体１０には、バイアス回路３０から接地電位が供給される。そして、書き込み動作が完了した時点では、磁気セル１４の記録層１７の磁化方向がヘッド２０の固着層２２の磁化方向と同じ向きに揃う（“０”書き込み動作）ところまでは上記第２の実施形態と同様である。
【００７６】
次に、磁気セル１４に“１”を書き込む場合について説明する。前述したように、固着層１５及び記録層１７のキュリー温度は、異なる温度に設定されている。すなわち、固着層１５の方が記録層１７よりもキュリー温度が高い。よって、固着層１５のキュリー温度ＴＣ(pin)より低くかつ記録層１７のキュリー温度ＴＣ(free)より高い温度に記録媒体１０を加熱すると、記録層１７の磁化だけがランダムな向きになる。そして、冷却時に、固着層１５の磁化の影響を受けて、記録層１７の磁化方向が固着層１５の磁化方向と略同じ方向に揃う（全面一括“１”書き込み）。
【００７７】
具体的には、記録層１７を反対方向に磁化するとき（磁気セル１４に“１”を書き込む場合）に、記録媒体１０全面もしくはブロック分割された記録媒体１０の一部を３００℃程度に加熱回路４４により加熱する。すると、３００℃未満のキュリー温度をもつ記録層１７はランダムな磁化になる。そして、冷却時には、近傍の固着層１５の磁化の影響を受けて、記録層１７の磁化方向が固着層１５の磁化方向と同じ方向に磁化される。すなわち、記録層１７の磁化方向は、ヘッド２０の固着層２２の磁化方向と反対方向に磁化される。
【００７８】
ここで、ヘッド２０の固着層２２の磁化方向は、記録媒体１０の固着層１５の磁化方向と反対方向である必要がある。或いは、加熱の際、記録層１７に任意の外部磁場を加えることで、記録層１７の磁化方向を揃えるようにしてもよい。この場合には、固着層２２の磁化方向を、固着層１５の磁化方向と反対方向にするという制約はない。
【００７９】
さらに、レーザービームなどを用いて１ビット単位のごく狭い範囲を加熱するようにしてもよい。図８は、第３の実施形態の他の構成例を示す断面図である。記録媒体１０の上方には、レーザー照射装置４５が配置されている。記録層１７を反対方向に磁化する場合（磁気セル１４に“１”を書き込む場合）には、記録層１７に対してレーザー照射装置４５からレーザーが照射される。これにより記録層１７が加熱され、記録層１７はランダムな磁化になる。
【００８０】
そして、冷却時には、近傍の固着層１５の磁化の影響を受けて、記録層１７の磁化方向が固着層１５の磁化方向と同じ方向に磁化される。すなわち、記録層１７の磁化方向は、ヘッド２０の固着層２２の磁化方向と反対方向に磁化される。この方法によれば、“１”書き込み、もしくは消去を１ビット毎に行うことができる。
【００８１】
再生時には、ヘッド２０から磁気セル１４に向けて臨界電流値以下になるように電子を流す。そして、磁気セル１４の抵抗値の差を例えばヘッド２０とバイアス回路３０との間に設置されたセンスアンプ等によって検出することで、情報を再生するこができる。
【００８２】
以上詳述したように本実施形態によれば、２進情報の一方を書き込む１つのヘッドを用意すればよい。これにより、上記第２の実施形態に比べて、ヘッドの構成及びヘッドを駆動する回路を簡略化することができる。その他の効果は、上記第２の実施形態と同じである。
【００８３】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、磁化方向が膜面内方向になるように磁性層を構成する。さらに、上記第３の実施形態と同様に、ヘッドを１つのみ用いることで情報の記録を行うように構成している。
【００８４】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体１０と、情報を記録媒体１０に記録する１つのヘッド２０とを備えている。
【００８５】
ヘッド２０の固着層２２と、磁気セル１４の記録層１７及び固着層１５とはそれぞれ、磁化方向が略膜面内方向になるように構成される。図９の各磁性層に示した太い矢印は、磁化方向を示している。それぞれの材料については、上記第２の実施形態と同じである。
【００８６】
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時には、ヘッド２０を目的の磁気セルの上方に移動する。そして、ヘッド２０は、固着層２２の磁化方向が固着層１５の磁化方向に対して反対向きになるように配置される。
【００８７】
次に、ヘッド２０には、バイアス回路３０から負電位が供給される。また、記録媒体１０には、バイアス回路３０から接地電位が供給される。これにより、ヘッド２０と記録媒体１０との間に電位差が生じ、電界放出等の原理により電子（電子流ｅ−）が非接触でヘッド２０から記録媒体１０に向かって流れる。そして、記録動作が完了した時点では、磁気セル１４の記録層１７の磁化方向がヘッド２０の固着層２２の磁化方向と同じ向きに揃う（“０”書き込み動作）。
【００８８】
一方、記録層１７を反対方向に磁化するときには（“１”を書き込む場合）、まずヘッド２０自体を、膜面内方向において、“０”書き込み動作の場合の位置から１８０度回転させる。これにより、固着層２２の磁化方向が、記録層１７に対して元の磁化方向（“０”書き込み動作の場合の磁化方向）と反対方向に配置される。
【００８９】
その後、電子を非接触でヘッド２０から記録媒体１０に向かって流す。これにより、磁気セル１４に“０”を書き込むことができる。記録情報の再生については、上記第２の実施形態と同様である。
【００９０】
記録動作としては、１ビット毎にヘッド２０を回転させながら書き込んでもよいし、或いは最初に“０”書き込みをまとめて行ってから、その後にまとめて“１”書き込みをするようにしてもよい。これはどの程度の記録速度が要求されるか、及びバッファメモリとしてどの程度の大きさのものが搭載できるか等により左右される。
【００９１】
以上詳述したように本実施形態によれば、１つのヘッドを用いて記録媒体に２進情報を記録することができる。また、記録層１７及び固着層１５のキュリー温度は常温以上であればよく、上記第３の実施形態のようなキュリー温度の制限はない。その他の効果は、上記第２の実施形態と同じである。
【００９２】
（第５の実施形態）
第５の実施形態は、磁気セル１４を磁化記録層１７のみで構成し（上記第１の実施形態を参照）、この磁気セル１４の記録情報を再生するための構成例について示している。
【００９３】
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図である。記録再生装置は、情報が記録される記録媒体１０と、情報を記録媒体１０に記録する２つのヘッド２０−１，２０−２と、再生ヘッド５０とを備えている。なお、図１０には、簡略化のため記録ヘッドとして１つのヘッド２０−１のみを示している。
【００９４】
再生ヘッド５０は、図１０に示すように、ＭＲ（磁気抵抗効果）素子５１を備えている。これは、現行ＨＤＤのＴＭＲもしくはＧＭＲ方式の読み出しヘッドの構造と基本的に同じである。ＭＲ素子５１は、磁化方向が固定された磁化固着層５２、磁化方向が変化する磁化自由層５４、及びこれら固着層５２と自由層５４との間に設けられた非磁性層５３を含んで構成されている。そして、ＭＲ素子５１は、例えば、ＭＲ素子５１の膜面方向が記録媒体１０の上面に対して垂直になるように配置される。
【００９５】
ＭＲ素子５１の材料は、上記第２の実施形態で示した磁気セル１４の材料と同じである。また、記録媒体１０の構成は、上記第１の実施形態と同じである。
【００９６】
このように構成された記録再生装置の動作について説明する。記録時は、上記第１の実施形態に記述の動作と同様である。
【００９７】
再生時には再生ヘッド５０が目的の磁気セル１４の上方に移動する。そして、記録層１７の磁化方向に応じた信号磁界を感知するとヘッド５０内のＭＲ素子５１の抵抗値が変化する。これにより、ＭＲ素子５１を流れる電流値が変化する。この電流値の変化を、再生ヘッド５０に接続されたセンスアンプ等（図示せず）によって検出する。いうまでもなく、これは現行ＨＤＤの読み出し方式と同様である。本実施形態で示した読み出し方式では、微弱な電流を読み出すことが可能である。
【００９８】
本実施形態特有の効果は、現行ＨＤＤで使用されている方式なので、技術的ハードルが低いことである。従来技術で述べたとおり磁界を用いた書き込みは難しくなると予想されるが、磁界を用いた読み出しはこれよりは延命されると予想される。現行ＨＤＤで使用されている読み出し方式が適用可能な限りにおいては、本実施形態で示した読み出し方法は有用である。
【００９９】
なお、本実施形態で説明した再生ヘッド方式が、上記第２乃至第４の実施形態と組み合わせが可能であることは言うまでもない。
【０１００】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【図２】ヘッド２０−１、２０−２を駆動するための駆動部４０−１、４０−２を説明するための概略図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【図４】固着層１５の他の例を示す断面図。
【図５】固着層１５の他の例を示す断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【図７】ヘッド２０を駆動するための駆動部４０及び加熱回路４４を説明するための概略図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る記録再生装置の他の構成例を示す断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る記録再生装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…記録媒体、１１…基板、１２…絶縁層、１３…保護膜、１４…磁気セル、１５…磁化固着層、１５−２，１５−４…強磁性層、１５−１…反強磁性層、１５−３…非磁性層、１６…非磁性層、１７…磁化記録層、１８…導電層、２０，２０−１，２０−２…ヘッド、２１，２１−１，２１−２…導電層、２２，２２−１，２２−２…磁化固着層、３０…バイアス回路、４０，４０−１，４０−２…駆動部、４１，４１−１，４１−２…スライダ、４２，４２−１，４２−２…駆動回路、４３…モータ、４４…加熱回路、４５…レーザー照射装置、５０…再生ヘッド、５１…ＭＲ素子、５２…磁化固着層、５３…非磁性層、５４…磁化自由層。
【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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