(57)【要約】【課題】常温下においてＡＢ効果又はＡＣ効果を利用して電磁界を検出することが可能な電磁界検出素子を有する電磁界検出回路と、この電磁界検出回路に含まれると共に、電磁界検出素子の電磁界検出効率を挙げることができる位相制御回路及びその制御方法を提供することにある。【解決手段】電磁界検出回路１００は、２つの電流経路を有する電磁界検出素子４０を備えた電磁界検出センサ１０１と、位相制御回路１０２とを有している。位相制御回路１０２は、ロックイン検出器１０７と、出力端子１０８と、変調信号用発信器１０９、１１０と、Ｖ／Ｉ変換器１１１、１１２と、スイッチ１１３と、ホールド回路１１４と、スイッチ回路１１５と、抵抗１１６とを備えている。位相制御回路１０２は、前記２つの電流経路の少なくともいずれか一方を通過するキャリアの位相をシフトする。【選択図】図６
2007157325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数ｆ０の信号を発生する第１の変調用信号発信器と、
外部電磁界を２つの電流経路を流れるキャリアの位相変化として検出する電磁界検出素子からの出力信号及び前記周波数ｆ０の信号が接続されるロックイン検出器と、
前記ロックイン検出器からの出力信号が接続され、前記電磁界検出素子からの出力信号をモニタリングできるとともに、前記電磁界検出素子からの出力信号の最大値を保持するホールド信号を発生できるホールド回路と、
前記ホールド回路に周波数ｆ１の信号を発生する第２の変調用信号発信器と、
前記ホールド回路からのホールド信号が接続され、前記第２の変調用信号発信器における信号発生のオン・オフを制御できるスイッチ回路と、
前記ホールド回路からのホールド信号を、電流又は／及び電圧に変換し、前記電磁界検出素子における前記２つの電流経路の少なくともいずれか一方を通過するキャリアの位相をシフトする位相シフト手段に入力し、前記位相を制御する変換手段とを備えていることを特徴とする位相制御回路。
【請求項２】
前記変換手段が、前記ホールド信号を電流に変換する電圧電流変換器であり、
前記位相シフト手段が磁界発生源であるとともに、前記電流が前記位相シフト手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の位相制御回路。
【請求項３】
前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧に変換する電圧発生回路であり、
前記位相シフト手段が電界発生源であるとともに、前記電圧が前記位相シフト手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の位相制御回路。
【請求項４】
前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧に変換する電圧発生回路であり、
前記位相シフト手段が電磁波発生源であるとともに、前記電圧が前記位相シフト手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の位相制御回路。
【請求項５】
前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧又は／及び電流に変換する電圧又は／及び電流発生回路であり、
前記位相シフト手段が近接場発生源であるとともに、前記電圧又は／及び電流が前記位相シフト手段に入力されることを特徴とする請求項１に記載の位相制御回路。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項の位相制御回路の制御方法であって、
前記第１及び前記第２の変調用信号発信器より前記周波数ｆ１の信号及び前記周波数ｆ０の信号を発して、前記周波数ｆ１の信号及び前記周波数ｆ０の信号からなる重畳信号を、前記位相シフト手段に入力する工程と、
前記位相シフト手段によって変化した前記電磁界検出素子からの出力信号を前記ロックイン検出器に入力して増幅させた後、前記ホールド回路に入力する工程と、
前記ホールド回路において、前記ホールド回路に入力した信号のうち前記周波数ｆ０成分の信号が最大になる前記周波数ｆ１の位相を検出するとともに、この検出された前記周波数ｆ１の位相をホールドさせる工程とを有していることを特徴とする位相制御回路の制御方法。
【請求項７】
前記ロックイン検出器の出力信号が接続され、前記電磁界検出素子からの出力信号を外部に出力できる出力端子をさらに備えた位相制御回路を有し、
前記出力端子からの信号を検出することを特徴とする電磁界検出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度磁気記録における極小磁気ビットの検出に用いられる、電磁界検出素子と、電磁界検出センサと、電磁界検出回路と、電磁界情報の記録・再生を行うのに用いられる、情報記録再生ヘッドと、情報記録再生装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータの演算能力の向上、情報通信能力の向上によって、外部情報記憶装置に求められる性能も飛躍的に高くなってきている。特に、ハードディスクドライブに対しては、１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２を超えた高密度記録の要請がなされ始めている。しかし、記録面密度１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２となると、１つのビットサイズが約２５ｎｍ平方となるなど、記録ビットのサイズが極めて小さくなり、従来のスピンバルブ方式のＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子やＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistance）素子などでは、記録情報の検出が困難になると予想される。そこで、１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２の要求水準を達成すべく、従来法とは異なる検出原理に基づいた素子の出現が待たれている。
【０００３】
従来方法とは異なる新しい検出原理として、下記非特許文献１に記載のアハラノフ・ボーム（ＡＢ）効果がある。後段で再度詳述するが、この効果は、電子波が可干渉性を維持したまま伝播するとき、二つの電子波の進路に挟まれる空間を貫通する磁束が形成するベクトルポテンシャルによって、その二つの電子波の位相差が変化を受けるというものである。また、下記特許文献１には、ＡＢ効果を用いた電子の可干渉性を利用した磁界検出器が開示されている。また、下記非特許文献２において、磁界が無い場合でも、物質中のスピン軌道相互作用により物質内部に印加した電界によって電子波の位相が変化すると報告されている（アハラノフ・キャシャー（ＡＣ）効果（この効果の詳細な原理は下記非特許文献３参照））。公知の磁気検出素子においては磁界を一旦軟磁性層に転写してから磁気抵抗変化を検出する必要があるのに対して、ＡＢ効果又はＡＣ効果を検出原理として利用した電磁界検出素子は、検出対象を電磁界ではなくベクトルポテンシャルとしているので、上記のような転写が不要であり、そのため転写に伴う減衰や遅延を生じることがない。したがって、効率のよい電磁界検出が可能となるため、極小磁気ビットの再生ができるという利点がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平２−３０６４１２号公報
【非特許文献１】福山秀敏編  「シリーズ物性物理の新展開  メゾスコピック系の物理」  Ｐ．５５〜５７  丸善（株）出版事業部  １９９６年
【非特許文献２】「NATURE VOL427」  Ｐ．５０〜５３  ２００４年１月
【非特許文献３】「Physical Review Letters Vol.53」  Ｐ．３１９〜３２１  １９８４年７月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の磁界検出器では、電子の電流経路として半導体が用いられており、磁界中での電子の可干渉効果（ＡＢ効果）を実現するためには、電流経路である半導体を低温で維持し、電子のコヒーレント性を保つ必要がある。従って、常温下においては、半導体内での電子のコヒーレント性が保てず、ＡＢ効果による磁界検出が不可能である。また、特許文献１の磁界検出器では、常温下において電界中での電子の可干渉効果であるＡＣ効果を実現することはできない。なお、ＡＣ効果については後段で詳述する。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、常温下においてＡＢ効果又はＡＣ効果を利用して電磁界を検出することが可能な電磁界検出素子を有する電磁界検出回路と、この電磁界検出回路に含まれると共に、電磁界検出素子の電磁界検出効率を挙げることができる位相制御回路及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００７】
（１）  本発明の位相制御回路は、周波数ｆ０の信号を発生する第１の変調用信号発信器と、外部電磁界を２つの電流経路を流れるキャリアの位相変化として検出する電磁界検出素子からの出力信号及び前記周波数ｆ０の信号が接続されるロックイン検出器と、前記ロックイン検出器からの出力信号が接続され、前記電磁界検出素子からの出力信号をモニタリングできるとともに、前記電磁界検出素子からの出力信号の最大値を保持するホールド信号を発生できるホールド回路と、前記ホールド回路に周波数ｆ１の信号を発生する第２の変調用信号発信器と、前記ホールド回路からのホールド信号が接続され、前記第２の変調用信号発信器における信号発生のオン・オフを制御できるスイッチ回路と、前記ホールド回路からのホールド信号を、電流又は／及び電圧に変換し、前記電磁界検出素子における前記２つの電流経路の少なくともいずれか一方を通過するキャリアの位相をシフトする位相シフト手段に入力し、前記位相を制御する変換手段とを備えている。
【０００８】
（２）  本発明の位相制御回路においては、前記変換手段が、前記ホールド信号を電流に変換する電圧電流変換器であり、前記位相シフト手段が磁界発生源であるとともに、前記電流が前記位相シフト手段に入力されるものであることが好ましい。
【０００９】
（３）  上記（２）の別の観点として、本発明の位相制御回路においては、前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧に変換する電圧発生回路であり、前記位相シフト手段が電界発生源であるとともに、前記電圧が前記位相シフト手段に入力されるものであってもよい。
【００１０】
（４）  上記（２）、（３）の別の観点として、本発明の位相制御回路においては、前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧に変換する電圧発生回路であり、前記位相シフト手段が電磁波発生源であるとともに、前記電圧が前記位相シフト手段に入力されるものであってもよい。
【００１１】
（５）  上記（２）〜（４）の別の観点として、本発明の位相制御回路においては、前記変換手段が、前記ホールド信号を電圧又は／及び電流に変換する電圧又は／及び電流発生回路であり、前記位相シフト手段が近接場発生源であるとともに、前記電圧又は／及び電流が前記位相シフト手段に入力されるものであってもよい。
【００１２】
上記（１）〜（５）の構成によると、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせる際に、電磁界検出素子の検出感度を最大化することができる位相制御回路を提供できる。
【００１３】
（６）  また、本発明は、上記（１）〜（５）のいずれか１つの位相制御回路の制御方法であって、前記第１及び前記第２の変調用信号発信器より前記周波数ｆ１の信号及び前記周波数ｆ０の信号を発して、前記周波数ｆ１の信号及び前記周波数ｆ０の信号からなる重畳信号を、前記位相シフト手段に入力する工程と、前記位相シフト手段によって変化した前記電磁界検出素子からの出力信号を前記ロックイン検出器に入力して増幅させた後、前記ホールド回路に入力する工程と、前記ホールド回路において、前記ホールド回路に入力した信号のうち前記周波数ｆ０成分の信号が最大になる前記周波数ｆ１の位相を検出するとともに、この検出された前記周波数ｆ１の位相をホールドさせる工程とを有しているものである。
【００１４】
上記（６）の構成によると、確実に、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせる際に、電磁界検出素子の検出感度を最大化することができる。
【００１５】
（７）  また、本発明の電磁界検出回路は、前記ロックイン検出器の出力信号が接続され、前記電磁界検出素子からの出力信号を外部に出力できる出力端子をさらに備えた位相制御回路を有し、前記出力端子からの信号を検出するものである。
【００１６】
上記（７）の構成によると、電磁界検出素子の検出信号を確実に出力でき、外部装置などに接続できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路における電磁界検出素子について説明した後、本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路を説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路における電磁界検出素子の斜視構成図である。図２は、図１の電磁界検出素子１０をＹ軸方向から見た場合の構成図である。
【００１８】
本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路は、電磁界検出素子１０（図１参照）と、後述する位相制御回路１０２（図６参照）とを有している。図１に示すように、本実施形態に係る電磁界検出素子１０において、微小な領域で電磁界検出をするために、基板１上に絶縁層２、３、４が順に互いに平行な表面を有するように積層されており、これら絶縁層２、３、４の間隔Ｌ方向の各端面及び基板１表面と接するように電極５、６が形成されている。
【００１９】
絶縁層２、３、４からなる積層部分は、電極５、６の対向面５ａ、６ａの間に収まるように形成されている。特に、絶縁層２、４において絶縁破壊を確実に起こさせるために、絶縁層３は、Ｚ軸方向に関する対向面５ａ、６ａの重複範囲の両端に形成された境界面７、８からそれぞれ離隔しつつ、上記対向面５ａ、６ａの重複範囲内に収まるように電極５と電極６との間に挟まれている。絶縁層２の下面は境界面８と、絶縁層４の上面は境界面７とそれぞれ一致している。電極５、６の対向面５ａ、６ａは、絶縁層２、３、４の表面と直交するように形成されている。これにより、電極に到達したバリスティックなキャリアの干渉性を高めることができる。
【００２０】
また、基板１と絶縁層２及び電極５、６との間には、絶縁破壊電界の高い絶縁体又は半導体（図示せず）が形成されている。これにより、電極５、６に電界が印加された場合、絶縁破壊によるバリスティック電子が基板１内で生成されるのを抑制することができる。この絶縁体又は半導体は、基板１又は絶縁層２、３、４と同じ材料からなる。
【００２１】
絶縁層３は、絶縁層２、４よりも絶縁破壊電界が高い材料で構成されている。これにより、絶縁層２、４を絶縁破壊させ且つ絶縁層３を絶縁破壊させない大きさの電圧を対向している電極５、６間に印加した場合、電極５、６の対向面間に形成された絶縁破壊電界の大きな絶縁体３と周囲の絶縁層２、４との界面に沿って、選択的に絶縁破壊が起こり、高電圧で加速されたバリスティックなキャリア（ここでは、電子）が形成される。したがって、対向する電極５、６間において少なくとも２つのバリスティックな電流経路が形成されることになる。基板１及び絶縁層２、３、４は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＣ等のＩＶ属半導体、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＮに代表されるＩＩＩ−Ｖ属化合物半導体、ＺｎＴｅ、ＺｅＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＯ等のＩＩ−ＶＩ属化合物半導体、ＺｎＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｒＯ２、ＣｅＯ２等の酸化物絶縁体、または、ＳｉＮなどの窒化物絶縁体からなる。
【００２２】
絶縁層３は、フェライトやガーネットなどの３以上の透磁率を有する物質で形成されている。そのため、絶縁層３が生じさせる磁界シフトが電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせるので、外部電磁界の検出効率を改善できる。なお、絶縁層３の代わりに、絶縁層２又は絶縁層４が３以上の透磁率を有する物質で形成されていてもよい。
【００２３】
また、一変形例として、絶縁層３が４以上の誘電率を有する物質で形成されていてもよい。これによると、絶縁層３が生じさせる電界シフトが電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせるので、外部電磁界の検出効率を改善できる。なお、絶縁層３の代わりに、絶縁層２又は絶縁層４が４以上の誘電率を有する物質で形成されていてもよい。
【００２４】
上述のように、絶縁層３は、絶縁層２、４よりも高い絶縁破壊電界を有する材料で構成されている。例えば、絶縁破壊電界が１ＭＶ/ｃｍのＺｎＯを絶縁層２、４に形成した場合、絶縁破壊に必要な電圧は７Ｖとなる。ＺｎＯは成膜条件（材質の組成や欠陥の数、不純物の量など）を変えることで物質中に容易に酸素欠損や空孔を形成でき、絶縁破壊電界を制御（減少させる）することができる。これは、他の酸化物絶縁体や窒化物絶縁体にも適応できる（窒化物絶縁体の場合は窒素欠損の形成）。
【００２５】
なお、基板１及び絶縁層２、３、４は、すべてが半導体であることが好ましい。半導体は望ましい結晶成長をするため、原子レベルで平坦な絶縁層界面が得られ、直線的な電流経路が得られるからである。酸化物絶縁体又は窒化物絶縁体を使用する場合には、同じ製造過程で成膜することができ、製造コストをおさえることができるので、絶縁層２、３、４すべてに酸化物絶縁体若しくは窒化物絶縁体を用いるのが望ましい。このとき、基板１は、上述の例示材料のものであれば、どれでもかまわない。また、絶縁層２、４は同材料である必要はない。
【００２６】
次に、絶縁層２、３、４の層厚について説明する。図２に示すように、絶縁層２、３、４のそれぞれの層厚は、ｔ１、ｔ２、ｔ３で表されている。基板１上に多層構造として、絶縁層２、３、４と対向電極５、６とを形成することで、各層の層厚制御によってバリスティック電子の２つの貫通経路間距離でもある層厚ｔ２及び貫通経路幅でもある層厚ｔ１、ｔ３の制御を行うことができる。これによって、２つのバリスティックな電流経路に挟まれた領域を数百ｎｍ２のサイズに制限でき、ナノサイズの微小な領域での電磁界検出が可能となる。絶縁層３の層厚ｔ２は、電極５、６を構成する金属の電子の平均自由行程（３０ｎｍ）の２倍以下（６０ｎｍ）となるように形成されている。これにより、２つの経路から貫通してきたバリスティック電子の干渉性が高まり、電磁界の検出感度が向上する。なお、さらに電磁界の検出感度を向上させるために、絶縁層３の層厚ｔ２を、電極５、６を構成する金属の電子の平均自由行程（３０ｎｍ）以下としてもよい。また、絶縁層２、４の層厚ｔ１、ｔ３は、電極５、６を構成する金属の電子の平均自由行程以下となるように形成されており、電極５、６を構成する金属の電子の平均自由行程より層厚が厚い場合に比べ、バリスティック電子のコヒーレント性が改善されている。
【００２７】
電極５、６は、対向面５ａ、５ｂを内側にそれぞれ有するように配置されている。電極５、６の材質は通常の金属であってもよいが、電気伝導度の高い物質がよいため、金属中の電子の平均自由行程が約３０〜４０ｎｍのＡｕ、Ａｇ、又はＣｕを用いる。これにより、電極５、６に到達したバリスティックな電子の干渉性を高めることができる。また、図示しないが、電極５、６の密着性を高めるために、絶縁層２、３、４と電極５、６との間、及び、基板１と電極５、６との間には、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどから構成される密着層が形成されている。密着層の膜厚は、電子の干渉性を維持するためにも密着層を構成する金属中電子の平均自由行程（約１０ｎｍ）以下となっている。また、対向した電極５、６間での２つのバリスティックな電流経路での電子の干渉性を高めるために、電極５、６の幅Ｗは、電極５、６に用いられる金属での電子の平均自由行程以下となっている。
【００２８】
電極５、６の間隔Ｌは、最短部で１００ｎｍ以下に形成されている。このように対向した電極５、６間の距離が短くなることで、低電圧でも絶縁層３において絶縁破壊を起こしてバリスティックな電子を生成できる。具体的に説明すると、間隔Ｌが７０ｎｍであって、絶縁破壊電界が０．０６ＭＶ/ｃｍのＧａＡｓで絶縁層２、４を形成した場合、絶縁破壊に必要な電圧＝間隔Ｌ（７０ｎｍ）×絶縁破壊電圧（０．０６ＭＶ/ｃｍ）＝０．４２Ｖとなる。なお、１ＭＶ/ｃｍのＺｎＯで絶縁層２、４を形成した場合は、絶縁破壊に必要な電圧＝間隔Ｌ（７０ｎｍ）×絶縁破壊電圧（１ＭＶ/ｃｍ）＝７Ｖとなる。絶縁破壊後の電圧電流特性は、空間電荷制限伝導に基づいた電流が得られるとすると、チャイルド則からｉ∝Ｖ２/Ｌ３となる。絶縁層２、４における電子の移動度が３０ｃｍ２／Ｖ・ｓである場合、間隔Ｌを１００ｎｍ、印加電圧を１０Ｖとし、絶縁層２、４における電子の緩和時間を１ｐｓとすると、電子の速度＝電子の移動度×電界、電界＝印加電圧／間隔Ｌの式より、電子の速度＝（３０ｃｍ２／Ｖ・ｓ）×（１０Ｖ／１００ｎｍ）＝３×１０７ｍ／ｓとなる。平均自由行程＝電子の速度×電子の緩和時間であるので、平均自由行程＝（３×１０７ｍ／ｓ）×１ｐｓ＝３００ｎｍとなる。絶縁層２、４における絶縁体の欠陥などによる緩和時間の減少や電極５、６間での電界分布などによっては、平均自由行程は多少減少するが、１００ｎｍの間隔Ｌでは干渉性を保ったまま電子が電極間を貫通することができる。
【００２９】
図示していないが、電磁界検出素子１０の表面全体は、電極５、６の間の絶縁層２、４以外の短絡を防ぐために、絶縁層２、４よりも高い絶縁破壊電界を有する絶縁体で覆われている。
【００３０】
ここで、ＡＢ効果及びＡＣ効果とともに電磁界検出素子１０の動作について説明する。図３は、ＡＢ効果の原理説明を行うために使用する図である。
【００３１】
（ＡＢ効果と電磁界検出素子１０の動作）
図３の上図に示すように、電子線源１１から電子線ｅ１、ｅ２が放出され，磁界ＢによるベクトルポテンシャルＡが発生しているゲージ場中を電子線ｅ１、ｅ２が通過し、電子線検出器１２で検出される。この場合磁界Ｂに対して、電子線の検出量（伝導度）Ｆは、周期的に振動する。これは、電子線ｅ１、ｅ２がベクトルポテンシャルＡにより、位相が変化し、それぞれの位相が異なる電子線ｅ１、ｅ２が電子線検出器１２で干渉することで、図３の下図のように検出量Ｆの周期的振動が表れる。振動周期（磁界［Ｔ］）はＢ0＝Φ0/Ｓとなっている。磁束量子Φ0＝ｈ／２ｅは、２．０７×１０−１５[Ｗｂ]の普遍定数であり、Ｓは電子線ｅ１、ｅ２の経路が囲む面積である。ここでＬ＝７０ｎｍ、ｔ２＝３０ｎｍとし、バリスティック電子の経路が絶縁層３の界面付近の数ｎｍ範囲で貫通する場合、Ｓ＝（３０×７０）ｎｍ２となり、記録面密度３００Ｇｂ/ｉｎｃｈ２のビットサイズに対応しており、このときの振動周期Ｂ0［Ｔ］は０．９８［Ｔ］となる。また、記録面密度１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２に対応したビットサイズＳ＝（２５×２５）ｎｍ２の場合、振動周期Ｂ0［Ｔ］は３．３［Ｔ］となる。この電磁界検出素子１０からの検出信号を一般的な信号処理を施すことにより、振動周期Ｂ0の１／１０００まで磁界分解能を高めることが出来る。従って、記録面密度１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２に対応した場合は、振動周期Ｂ0＝３．３［Ｔ］であるため、磁界分解能は約３［ｍＴ］となる。一般的なハードディスクの磁気記録媒体の磁化２００ｅｍｕ/ｃｃを例にとると、磁気記録媒体から発生する磁界は、約２５０［ｍＴ］であり十分検出が可能になる。従って、この電磁界検出素子１０は、記録面密度１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２超えた磁気記録媒体についても、磁気記録媒体からの漏洩磁界を十分検出することが可能となる。
【００３２】
ここで、一例として、実際に図１に示す電磁界検出素子１０とほぼ同構成の電磁界検出素子を作製し、この電磁界検出素子の磁気抵抗効果を測定した。まず、本例における電磁界検出素子の製造方法について説明する。ＳｉＯ２からなる熱酸化膜が表面に形成されたＳｉ基板上にＺｎＯ層（厚さ３０ｎｍ） 、ＳｉＯ２層（厚さ４０ｎｍ）、ＺｎＯ層（厚さ３０ｎｍ）、更にＺｎＯ層上に保護層としてＳｉＯ２層（厚さ１００ｎｍ）を順にスパッタリング成膜して多層構造を形成した。多層構造形成後にレジストによるパターンニングを行い、ドライエッチングによりレジストに覆われた部分以外の部位を深さ２５０ｎｍまで削り、絶縁層２、３、４に相当する層を形成する。その後、電子線蒸着法により絶縁層２、３、４に相当する層の上から密着層としてＴｉ層（厚さ５０ｎｍ）、電極としてＡｕ層（厚さ２００ｎｍ）を順に形成し、レジストと、レジストの上のＴｉ層及びＡｕ層をエッチングで除去し、電磁界発生素子１０とほぼ同構成の電磁界検出素子を作製した。なお、電極間の間隔Ｌは１μｍ、電極の幅Ｗも１μｍの構成になっている。
【００３３】
上述の実際に作製した電磁界検出素子では、電極間でＩＶ曲線を測定したところ図２１に示すように良好なオーミック特性が得られ、低電圧下でもバリスティック電子を生成することができた。すなわち、実験結果に示した電磁界検出素子はオーミック特性を示しているので、電磁界検出素子の低抵抗化が実現でき、インピーダンスが低くなるので電磁界検出素子の高周波検出特性の改善や低消費電力化が実現できる。
【００３４】
図２２、２３に電極間の印加電圧が１０Ｖと０．５Ｖの場合における、上述の実際に作製した電磁界検出素子の磁気抵抗効果の測定結果を示す。図２２、２３の縦軸は電流値、横軸は磁場を示している。なお、測定は室温（常温）で行い、外部磁界発生機及びホールセンサにより半導体パラメータアナライザで測定した。
【００３５】
図２２および図２３に示すように、磁場の大きさが０．２Ｔ（２ｋＯｅ）と０．２５Ｔ（２．５ｋＯｅ）付近で少なくとも１０７（７桁）の磁気抵抗変化が生じており、磁気抵抗変化が非常に巨大な電磁界検出素子が得られていることがわかる。急激な磁気抵抗変化が生じる外部印加磁場の大きさは、電極の形状・電極間の距離・絶縁層の多層構造変化によって変化する。これは、バリスティック電子のコヒーレント性に強く依存するためである。したがって、電極間の間隔Ｌや電極の幅Ｗが１００ｎｍの上記電磁界検出素子と同構成の電磁界検出素子も、原理上上記電磁界検出素子と同様の効果が得られると考えられるので、電極間の距離Ｌや電極幅Ｗを１００ｎｍのサイズにすることでバリスティック電子の干渉性が向上し、より高感度な電磁界検出が可能な電磁界検出素子を実現できることがわかる。
【００３６】
（ＡＣ効果と電磁界検出素子１０の動作）
電磁界検出素子１０は、電子干渉効果により電子経路中のスピン軌道相互作用を検出でき、外部電界をこのスピン軌道相互作用を介して検出できるため、静的な外部電界も検出することができる。これはＡＣ効果を利用したものであるが、具体的にＡＢ効果と比較しながらこのＡＣ効果について説明する。ＡＢ効果では、磁界Ｂが下記式（１）のシュレーディンガー方程式中のベクトルポテンシャルＡとして導入される。
【数１】
2007157325.tif 000003
電界Ｅを用いた場合、シュレーディンガー方程式は下記式（２）となる。
【数２】
2007157325.tif 000004
ここでのμは、電子の磁気モーメントのことである。電子の磁気モーメントはパウリ行列σにより、下記（３）式となる。なお、μＢは、ボーア磁子である。
【数３】
2007157325.tif 000005
ここで、電界Ｅと電子の磁気モーメント（スピン）によるスピン軌道相互作用をベクトルポテンシャルＡＳＯの形式にみなせば、下記式（４）のようになる。
【数４】
2007157325.tif 000006
これは、電界Ｅによる位相変化について、形式的にＡＢ効果と同様に取り扱えることを意味する。つまり、電界Ｅと電子の磁気モーメントμからのベクトルポテンシャルＡＳＯによって、電子の位相変化とその干渉効果とが生じることを示している。この効果をＡＣ効果と呼ぶ。この効果が発生すると、電子の２つの経路で印加される電界Ｅが異なることで、位相変化が現れる。この点がＡＢ効果と異なる点ではあるが、電気伝導度との関連は、ＡＢ効果の場合と同様である。
【００３７】
また、２つの電子線経路に挟まれた領域である絶縁層３に、外部電磁波（近接場も含む）を吸収してキャリアを励起し、続いて電子・ホール対を生成するような材料（上述した基板１の材料と同様のものなど）を形成すると、外部電磁波を絶縁層３に照射した場合に、電子・ホール対生成により絶縁層３の誘電率が変化し内部電界変化が生じる。このような電磁界検出素子１０は、この内部電界変化をベクトルポテンシャルの変化として検出できるため、静的な電磁界のみならず、動的な外部電磁波も検出が可能となる。
【００３８】
上記構成の電磁界検出素子１０によると、絶縁層２、３、４からなる絶縁領域のうち電極５、６の間に挟まれた部分を絶縁破壊させつつ絶縁層３を絶縁破壊させない大きさの電界を電極５、６間に印加すると、電極５、６間に絶縁層３を挟む２つのバリスティック（弾道的）な電流経路が形成される。つまり、常温下において絶縁層３を挟む２つのバリスティックな電流経路が形成される。これら２つの電流経路に挟まれた領域又はその近傍に電磁界が存在する場合、その電磁界に由来するベクトルポテンシャルによって、２つの電流経路を通過するバリスティックな（つまり、コヒーレント性（可干渉性）を有する）キャリアに位相変化が生じる。その結果、２つの電流経路を通過したキャリアは相互の位相ずれに起因した干渉（ＡＢ効果やＡＣ効果）を起こす。つまり、外部電磁界に係るベクトルポテンシャルによって電極５、６間の電気伝導度が変化するため、電磁界検出素子１０の電気特性を常温下において測定すれば、電磁波、近接場を含む静的な外部電磁界を検出することができる。また、２つの電流経路に挟まれた領域又はその近傍での電磁界変化を電極５、６間の電気伝導度の変化として検出することで、常温下における動的な外部電磁界検出も可能となる。このように本実施形態の電磁界検出素子１０は、ＡＢ効果又はＡＣ効果を利用した高効率の電磁界検出を、常温下において行うことを可能とする。しかも、電磁界検出素子１０は、素子構造が比較的単純で製造も容易であるという利点を有している。
【００３９】
また、絶縁層３をこれと接触する２つの絶縁層２，４で挟んでいるので、電磁界検出素子１０の電気特性が安定し、より高い精度での外部電磁界検出が可能となる。
【００４０】
また、絶縁層２、４が、電極５、６の対向面５ａ、６ａの両方と接触しているので、電極に到達したバリスティックなキャリアの干渉性を高めることができる。
【００４１】
なお、絶縁層２、３、４の間隔Ｌ方向の両端面が電極５、６の対向面５ａ、６ａと物理的に接触していなくとも、絶縁破壊された際、上述の２つの電流経路が形成されるように接近していればよい。ただし、絶縁層２、３、４の間隔Ｌ方向の両端面が電極５、６の対向面５ａ、６ａと接触している方が、電極に到達したバリスティックなキャリアの干渉性は高くなる。また、絶縁層３の絶縁破壊電界が空気よりも大きい場合には、絶縁層２、４を除去してもよい。その場合、絶縁層３の両側の空気層が絶縁層２、４と同等の機能を果たすことになる。
【００４２】
（上記電磁界検出素子１０の変形例１）
次に、上記電磁界検出素子１０の変形例１について説明する。なお、上記電磁界検出素子１０と同様の部分には一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。図４は、上記電磁界検出素子１０の変形例１の電磁界検出素子を示す図であって、（ａ）は斜視構成図、（ｂ）は上視図である。図４（ｂ）に示すように、電極２５、２６は、絶縁層２２、２３、２４と幅Ｗ１の部分にわたって接続され、中心から遠ざかるにつれて幅が広くなるように基板２１上に形成されている。これらの点が電磁界検出素子１０と異なっている。なお、ここでは、電極２５、２６と絶縁層２２、２３、２４との接続部分の幅が同じ距離である場合を示したが、それぞれ同じ幅でなくともよい。
【００４３】
本変形例によると、電磁界検出素子１０と同様の作用・効果を得ることができる。また、幅Ｗ１を電極２５、２６の電子の平均自由行程よりも小さくすることが容易にできるので、電極２５、２６に到達したバリスティックなキャリアの干渉性を高めることができる。
【００４４】
（上記電磁界検出素子１０の変形例２）
次に、上記電磁界検出素子１０の変形例２について説明する。なお、上記電磁界検出素子１０と同様の部分には一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。図５は、上記電磁界検出素子１０の変形例２の電磁界検出素子を図２と同様Ｙ軸方向から見た場合の構成図である。電磁界検出素子３０は、絶縁層３２、３４と絶縁層３３との電極３５、３６間方向の長さが異なっており、絶縁層３２、３４の長さが絶縁層３３よりも短くなるように形成されている。言い換えれば、電極３５、３６の対向面にそれぞれ１つの凹部（図面においては、凹部とその外側との境界角部に符号Ｐ１、Ｑ１：Ｐ２、Ｑ２を付している）が形成されており、間隔Ｐ１−Ｐ２と、Ｑ１−Ｑ２とが電極３５、３６間の最短部となっている。これらの点が電磁界検出素子１０と異なっている。
【００４５】
本変形例によると、電磁界検出素子１０と同様の作用・効果を得ることができるだけでなく、電極２５、２６間に電界を印加した場合に、選択的にこの最短部に電界及び電流が集中し、バリスティック電子の生成が効率よく行われるという効果も奏する。
【００４６】
（電磁界検出回路）
次に、本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路について説明する。なお、電磁界検出素子１０と同様の部分には十の位が４であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。
【００４７】
図６は、本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。図７は、図６の電磁界検出回路の電磁界検出素子と磁界発生源との関係を具体的に示す斜視構成図である。図６に示すように、本実施形態に係る電磁界検出回路１００は、電磁界検出センサ１０１と、位相制御回路１０２とを備えている。
【００４８】
電磁界検出センサ１０１は、上述の電磁界検出素子１０と同構成の電磁界検出素子４０と、電磁界検出素子４０の近傍に設けられている磁界発生源としての金属細線１０３と、電磁界検出素子４０に直列接続されている基準抵抗１０４と、基準抵抗１０４に直列接続されている定電圧電源回路１０５と、基準抵抗１０４と並列接続されている信号増幅器１０６とを備えている。
【００４９】
図７に示すように、電磁界検出素子４０の絶縁層４４上部（図５中のＺ方向）に、磁界Ｂを発生させる金属細線１０３が配設されている。尚、図示していないが、金属細線１０３と電極４５、４６とは絶縁体を介して絶縁されている。この金属細線１０３は、電気伝導度の高い物質（Ａｕ、Ａｇ、又はＣｕ）からなる。また、位相制御回路１０２によって、金属細線１０３に流す電流ｉを制御できるようになっている。ここでは磁界発生源として、金属細線１０３を用いたが、他の磁界発生源として、例えば磁気コイルや磁性体などを配置しても良い。
【００５０】
図７に示すように、絶縁層４４の上部に金属細線１０３を配置した場合、金属細線１０３に電流ｉを流すことで磁界Ｂが、金属細線１０３の周囲に発生し、絶縁層４２、４３、４４に図７中のＹ軸方向に略並行に磁界Ｂが印加される。このように構成する理由は以下の通りである。通常、所望の測定すべき電磁界以外に、電磁界検出素子４０の絶縁層４２、４３、４４や、電極４５，４６それぞれの界面で発生する電界の影響や、外因的な漏洩電磁界の影響によりバリスティック電子に位相変化が生じる。したがって、この位相変化をキャンセルするために、新たに磁界発生源としての金属細線１０３を設け、印加された磁界Ｂにより、２つの絶縁層４２、４４を貫通する電子の位相に変化を与え、外因的な要因からの位相シフトを制御することによって、外部電磁界の検出効率を改善するものである。
【００５１】
ここで示した位相シフト制御用の金属細線１０３は、外因的な要因からの位相シフトに応じて、２つの電子位相差を制御できるように配置される。
【００５２】
基準抵抗１０４は、電磁界検出素子４０の検出信号を電圧として検出するものである。定電圧電源回路１０５は、電磁界検出素子４０に所望する定電圧を印加することができるものである。信号増幅器１０６は、検出信号を増幅するのに用いられるものである。
【００５３】
位相制御回路１０２は、ロックイン検出器１０７と、出力端子１０８と、変調信号用発信器１０９、１１０と、Ｖ／Ｉ変換器１１１、１１２と、スイッチ１１３と、ホールド回路１１４と、スイッチ回路１１５と、抵抗１１６とを備えている。
【００５４】
ロックイン検出器１０７は、信号を選択的に検出できるものであり、電磁界検出センサ１０１における信号増幅器１０６と直列接続されている。出力端子１０８は、検出信号を出力するためのものであり、ロックイン検出器１０７に接続されている。
【００５５】
変調信号用発信器１０９は、ロックイン検出器１０７に接続され、周波数ｆ０の信号を発するものである。Ｖ／Ｉ変換器１１１は、変調信号用発信器１０９から発せられる変調信号用発信器１１０から発せられる信号を電流に変換するものである。同様に、Ｖ／Ｉ変換器１１２は、抵抗１１６を介して信号を電流に変換するものである。また、これらＶ／Ｉ変換器１１１、１１２は、電磁界検出センサ１０１における金属細線１０３と接続されている。スイッチ１１３は、変調信号用発信器１０９とＶ／Ｉ変換器１１１との電気接続のオン・オフを行うためのものである。
【００５６】
変調信号用発信器１１０は、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の三角波の信号をホールド回路１１４に向けて発することができるものである。ホールド回路１１４は、ホールド信号をスイッチ回路１１５に発することができるものである。スイッチ回路１１５は、変調信号用発信器１１０の制御を行うものである。
【００５７】
次に、電磁界検出回路１００の動作について説明する。まず、電磁界検出素子４０に基準抵抗１０４を介して定電圧電源回路１０５から所望の定電圧を印加する。このとき、電磁界検出素子４０からの検出信号は、基準抵抗１０４の電圧として検出される。この検出信号は信号増幅器１０６により増幅され、ロックイン検出器１０７を介して出力端子１０８に出力される。位相シフト制御を行う場合には、位相制御回路１０２が用いられる。具体的には、スイッチ１１３がオンになり、周波数ｆ０の変調信号用発信器１０９の信号がＶ／Ｉ変換器１１１により電流ｉに変換され、電流ｉが金属細線１０３に流れ、変調磁界Ｂを発生する。発生した磁界Ｂを電磁界検出素子４０が検出し、ロックイン検出器１０７によって電磁界検出素子４０から発せられた検出信号の周波数ｆ０成分の信号増幅を行う。増幅された検出信号は、ホールド回路１１４に入力され、検出信号の最大値がモニタリングされる。次に、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の変調信号用発信器１１０から三角波の信号がホールド回路１１４に入力され、この入力された三角波信号は、抵抗１１６を介してＶ／Ｉ変換器１１２により電流ｉに変換される。金属細線１０３には、ロックイン検出器１０７からの信号による電流とＶ／Ｉ変換器１１２からの三角波信号に対応した電流とが重畳して流れる。これにより、金属細線１０３から磁界Ｂｃが発生する。そして、ホールド回路１１４は、周期１／ｆ１内でロックイン検出器１０７からの検出信号が最大になる三角波の位相を検出し、その位相の電圧値をホールドする。スイッチ回路１１５は、ホールド回路１１４からのホールド信号により、変調信号用発信器１１０をオフ状態にする。ホールド回路１１４からのホールド信号は、Ｖ／Ｉ変換器１１２により電流ｉに変換され、ホールド信号に対応した位相シフト磁界Ｂｐ（位相制御が完了したときの磁界）が金属細線１０３から発生する。これにより、外部電磁界検出を行う場合に、電磁界発生素子４０の検出感度が最大になる。
【００５８】
本実施形態の電磁界検出回路１００によれば、磁界発生源１０３が発生した磁界がベクトルポテンシャルを変化させるので、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせることができる。その結果として、電磁界検出素子４０における外部電磁界の検出効率を改善することができる。さらに、位相制御回路１０２を用いることによって、電磁界検出素子４０の検出感度を最大化することができる。この点については、図１９において詳細に説明する。
【００５９】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る電磁界検出回路について説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には十の位が５であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。また、本実施形態における符号２０１、２０２、２０４〜２１０、２１３〜２１６が付されている部位は、第１実施形態の符号１０１、１０２、１０４〜１１０、１１３〜１１６の部位と同様の部位であるため、これらについてもその説明を省略することがある。
【００６０】
図８は、本発明の第２実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。図９は、図８の電磁界検出回路の電磁界検出素子と電界発生源との関係を具体的に示す斜視構成図である。図８に示すように、本実施形態に係る電磁界検出回路２００は、電磁界検出センサ２０１と、位相制御回路２０２とを備えている。
【００６１】
電磁界検出センサ２０１は、第１実施形態における電磁界検出センサ１０１とほぼ同構成であるが、磁界発生源の代わりに電界発生源としての金属板２０３を用いている点が異なっている。具体的には、図９に示すように、電磁界検出素子５０の絶縁層５４上部（図９中のＺ方向）に、電界Ｅを発生させる電界発生源である金属板２０３が配設されている。尚、図示していないが、金属板２０３と電極５５、５６とは絶縁体を介して絶縁されている。金属板２０３は、電気伝導度の高い物質（Ａｕ、Ａｇ、又はＣｕ）からなる。また、位相制御回路２０２によって、金属板２０３に印加される電圧Ｖを制御できるようになっている。
【００６２】
また、図９に示すように、絶縁層５４の上部に金属板２０３を配置した場合、金属板２０３に印加する電圧Ｖによって電界Ｅが、金属板２０３の周囲に発生し、絶縁層５２、５３、５４に図９中のＺ軸方向に略並行に磁界Ｅが印加される。印加された電界Ｅは絶縁層５２、５３、５４中でのスピン軌道相互作用を通じて、絶縁層５２、５３、５４中のバンド構造に変化を与え、それがベクトルポテンシャル変化を与える。このように構成する理由は以下の通りである。通常、所望の測定すべき電磁界以外に、電磁界検出素子５０の絶縁層５２、５３、５４や、電極５５，５６それぞれの界面で発生する電界の影響や、外因的な漏洩電磁界の影響によりバリスティック電子に位相変化が生じる。したがって、この位相変化をキャンセルするために、新たに金属板２０３を設け、印加された電界Ｅにより、２つの絶縁層５２、５４を貫通する電子の位相に変化を与え、外因的な要因からの位相シフトを制御することによって、外部電磁界の検出効率を改善するものである。
【００６３】
ここで示した位相シフト制御用の金属板２０３は、外因的な要因からの位相シフトに応じて、２つの電子位相差を制御できるように配置される。
【００６４】
位相制御回路２０２は、第１実施形態における位相制御回路１０２とほぼ同構成であるが、Ｖ／Ｉ変換器１１１、１１２の代わりに、金属板２０３に電圧Ｖを印加する電圧発生回路２１１を用いている点が異なっている。
【００６５】
次に、電磁界検出回路２００の動作について説明する。まず、電磁界検出素子５０に基準抵抗２０４を介して定電圧電源回路２０５から所望の定電圧を印加する。このとき、電磁界検出素子５０からの検出信号は、基準抵抗２０４の電圧として検出される。この検出信号は信号増幅器２０６により増幅され、ロックイン検出器２０７を介して出力端子２０８に出力される。位相シフト制御を行う場合には、位相制御回路２０２が用いられる。具体的には、スイッチ２１３がオンになり、周波数ｆ０の変調信号用発信器２０９の信号が電圧発生回路２１１により電圧Ｖに変換され、電圧Ｖが電界発生源２０３に印加されることにより、変調電界Ｅを発生する。発生した電界Ｅを電磁界検出素子５０が検出し、ロックイン検出器２０７によって電磁界検出素子４０から発せられた検出信号の周波数ｆ０成分の信号増幅を行う。増幅された検出信号は、ホールド回路２１４に入力され、検出信号の最大値がモニタリングされる。次に、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の変調信号用発信器２１０から三角波の信号がホールド回路２１４に入力され、この入力された三角波信号は、抵抗２１６を介して電圧発生回路２１１により電圧Ｖに変換される。金属板２０３には、ロックイン検出器２０７からの信号とホールド回路２１４からの三角波信号とを重畳した信号に対応した電圧Ｖが発生する。これにより、金属板２０３から電界Ｅｃが発生する。そして、ホールド回路２１４は、周期１／ｆ１内でロックイン検出器２０７からの検出信号が最大になる三角波の位相を検出し、その位相の電圧値をホールドする。スイッチ回路２１５は、ホールド回路２１４からのホールド信号により、変調信号用発信器２１０をオフ状態にする。ホールド回路２１４からのホールド信号は、電圧発生回路２１１により電圧Ｖに変換され、ホールド信号に対応した位相シフト電界Ｅｐが金属板２０３から発生する。これにより、外部電磁界検出を行う場合に、電磁界発生素子５０の検出感度が最大になる。
【００６６】
本実施形態の電磁界検出回路２００によれば、金属板２０３が発生した電界が絶縁層５３や絶縁領域における物質中でのスピン軌道相互作用を通じて物質中のバンド構造に変化を与え、ベクトルポテンシャルを変化させるので、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせることができる。その結果として、電磁界検出素子５０における外部電磁界の検出効率を改善することができる。さらに、位相制御回路２０２を用いることによって、電磁界検出素子５０の検出感度を最大化することができる。
【００６７】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る電磁界検出回路について説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には十の位が６であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。また、本実施形態における符号３０１、３０２、３０４〜３０６が付されている部位は、第１実施形態の符号１０１、１０２、１０４〜１０６の部位と同様の部位であるため、これらについてもその説明を省略することがある。
【００６８】
図１０は、本発明の第３実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。図１１は、図１０の電磁界検出回路の電磁界検出素子と半導体レーザー素子との関係を具体的に示す斜視構成図である。図１０に示すように、本実施形態に係る電磁界検出回路３００は、電磁界検出センサ３０１と、位相制御回路３０２とを備えている。
【００６９】
電磁界検出センサ３０１は、第１実施形態における電磁界検出センサ１０１とほぼ同構成であるが、磁界発生源の代わりに、電磁波発生源である半導体レーザー素子３０３と、光検出素子３１７と、レーザー駆動回路３１８と、レーザー駆動電流出力回路３１９とを用いている点が異なっている。
【００７０】
半導体レーザー素子３０３は、駆動電源からの入力端子３２０と接続されており、レーザー光発振を実現するための分布型ブラッグ反射器３０３ａ、３０３ｂをレーザー光発振方向（図１１におけるＹ軸方向）の両端部付近に有するレーザー光発振部３０３ｃと、レーザー光発振部３０３ｃに電流を注入するための電極３０３ｄ、３０３ｅとを備えている。図１１に示すように、レーザー光発振部３０３ｃは、半導体レーザー素子３０３の活性領域３０３ｆから発振されるレーザー光が電磁界検出素子６０の絶縁層６２、６３、６４に伝播するように、また、基板６１上において２つの電極６５、６６によって挟まれた位置に形成されている。電極３０３ｄは、レーザー光発振部３０３ｃの側面付近において、レーザー光発振部３０３ｃに沿って基板６１上に形成され、電極３０３ｅは、レーザー光発振部３０３ｃの上面に形成されている。ここで、図示していないが、電磁界検出素子６０と半導体レーザー素子３０３との間は、電極６５、６６や電極３０３ｄ、３０３ｅと絶縁状態を維持するために絶縁体でコーティングされている。なお、分布型ブラッグ反射器３０３ａ、３０３ｂの代わりに切り出し端面（図１１中のＹ軸方向から見たときの半導体レーザー素子３０３の端面）側に反射膜が形成されていてもよい。
【００７１】
このような半導体レーザー素子３０３から発振されるレーザー光が、絶縁層６２、６３、６４の全体又は一部においてキャリアを励起し、電子・正孔対が生成される。これによって、電子・正孔対が電界を発生するため、絶縁層６２、６４を絶縁破壊させるために電極６５、６６に印加すべき電界を低減できる。また、半導体レーザー素子３０３から発振されたレーザー光が発生させるキャリア励起により、絶縁層６２、６３、６４の全体又は一部において誘電率変化が引き起こされ、絶縁層６２、６３、６４内部の電界が変化するので、バリスティック電子の位相がレーザー光の強度に応じて変化し、電気移動度の変化として現れる。従って、半導体レーザー素子３０３から発生するレーザー光のパワーをモニタリングすることができる。レーザー光の強弱により、電子位相の制御も可能となる。
【００７２】
電磁界検出センサ３０１の符号３０７〜３１１、３１３〜３１６の各部位は、第１実施形態における電磁界検出センサ２０１の符号２０７〜２１１、２１３〜２１６の各部位と同構成であるので、その説明を省略する。
【００７３】
次に、電磁界検出回路３００の動作について説明する。まず、電磁界検出素子６０に基準抵抗３０４を介して定電圧電源回路３０５から所望の定電圧を印加する。このとき、電磁界検出素子６０からの検出信号は、基準抵抗３０４の電圧として検出される。この検出信号は信号増幅器３０６により増幅され、ロックイン検出器３０７を介して出力端子３０８に出力される。位相シフト制御を行う場合には、位相制御回路３０２が用いられる。具体的には、スイッチ３１３がオンになり、周波数ｆ０の変調信号用発信器３０９の信号が電圧発生回路３１１により電圧Ｖに変換され、この電圧Ｖがレーザー駆動回路３１８に入力される。入力された電圧Ｖにしたがって、レーザー駆動電流出力回路３１９が半導体レーザー素子３０３に電流を流す。半導体レーザー素子３０３からの発光は、光検出素子３１７によって検出され、レーザーパワーが電流として変換され、レーザー駆動回路３１８に入力される。レーザー駆動回路３１８は光検出素子３１７からの電流から、電圧発生回路３１１からの電位Ｖに対応した所望のレーザーパワーになるようにフィードバック制御される。レーザーパワーの安定化が行われる時間ｔｓの場合、周波数ｆ０は１／ｔｓよりも十分低くなるように調整する。半導体レーザー素子３０３からの発光を電磁界検出素子６０が検出し、検出信号はロックイン検出器３０７によって周波数ｆ0成分の信号増幅を行う。増幅された検出信号は、ホールド回路３１４に入力され、検出信号の最大値がモニタリングされる。次に、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の変調信号用発信器３１０から三角波の信号がホールド回路３１４に入力され、この入力された三角波信号は、抵抗３１６を介して電圧発生回路３１１により電圧Ｖに変換される。したがって、半導体レーザー素子３０３には、ロックイン検出器３０７からの信号とホールド回路３１４からの三角波信号とを重畳した信号に対応した電圧Ｖが印加される。これにより、半導体レーザー素子３０３からレーザー光が発生する。そして、ホールド回路３１４は、周期１／ｆ１内でロックイン検出器３０７からの検出信号が最大になる三角波の位相を検出し、その位相の電圧値をホールドする。スイッチ回路３１５は、ホールド回路３１４からのホールド信号により、変調信号用発信器３１０をオフ状態にする。ホールド回路３１４からのホールド信号は、電圧発生回路３１１により電圧Ｖに変換され、ホールド信号に対応した位相シフトレーザー光が半導体レーザー素子３０３から発生する。これにより、外部電磁界検出を行う場合に、電磁界発生素子６０の検出感度が最大になる。
【００７４】
本実施形態の電磁界検出回路３００によれば、半導体レーザー素子３０３から発せられるレーザー光がベクトルポテンシャルを変化させるので、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせることができる。これを利用すると、半導体レーザー素子３０３から発生するレーザー光のパワーをモニタリングすることができる。また、半導体レーザー素子３０３が発生したレーザー光が絶縁領域中のキャリアを励起し、電子正孔対が生成されると、絶縁領域を低電圧で絶縁破壊させることが可能となる。その結果として、電磁界検出素子６０における外部電磁界の検出効率を改善することができる。さらに、位相制御回路３０２を用いることによって、電磁界検出素子６０の検出感度を最大化することができる。
【００７５】
＜第３実施形態の変形例１＞
ここで、第３実施形態の変形例１について説明する。ここでは、光検出素子を用いずに、電磁界検出素子の検出信号を用いて、半導体レーザー素子のレーザーパワー制御及びレーザー光検出に伴う位相制御を行う場合について説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には十の位が７であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。また、本実施形態における符号４０１、４０２、４０４〜４０６が付されている部位は、第１実施形態の符号１０１、１０２、１０４〜１０６の部位と同様の部位であるため、これらについてもその説明を省略することがある。図１２は、本発明の第３実施形態の変形例に係る電磁界検出回路の概略図である。本変形例に係る電磁界検出回路４００は、電磁界検出センサ４０１と、位相制御回路４０２とを備えている。
【００７６】
電磁界検出センサ４０１は、第３実施形態における電磁界検出センサ３０１とほぼ同構成であるが、光検出素子３１７を用いていない点で異なる。
【００７７】
位相制御回路４０２は、第３実施形態における位相制御回路３０２とほぼ同構成であるが、ホールド回路４１４とレーザー駆動回路３１８とが直接接続されている点が異なる。また、図示していないが、第１又は第２実施形態で述べた位相制御回路が存在し、レーザー光の検出の前に、第１又は第２実施形態で述べた位相制御回路により、電磁界発生素子７０の検出感度が最大になるようにすでに位相制御がなされている点が異なる。なお、電磁界検出センサ４０１の符号４０７〜４１１、４１３〜４１６の各部位は、第１実施形態における電磁界検出センサ２０１の符号２０７〜２１１、２１３〜２１６の各部位と同構成であるので、その説明を省略する。
【００７８】
次に、半導体レーザー素子４０３のレーザーパワー制御について説明する。まず、電磁界検出素子７０に基準抵抗４０４を介して定電圧電源回路４０５から所望の定電圧を印加する。このとき、電磁界検出素子７０からの検出信号は、基準抵抗４０４の電圧として検出される。この検出信号は信号増幅器４０６により増幅され、ロックイン検出器４０７を介して出力端子４０８に出力される。入力端子４２１から、所望のレーザーパワーに対応した電圧Ｖがレーザー駆動回路４１８に入力される。入力された電圧Ｖにしたがって、レーザー駆動電流出力回路４１９が、駆動電源の入力端子４２０と接続されている半導体レーザー素子４０３に電流を流す。半導体レーザー素子４０３からの発光は、電磁界検出素子７０によって検出され、検出信号が、ホールド回路４１４を経由して、電圧発生回路４１１により所望の電圧Ｖに変換され、電圧Ｖがレーザー駆動回路４１８に入力される。このとき、レーザー駆動回路４１８は、信号により電磁界検出素子７０からの検出信号をそのままレーザー駆動回路４１８に流すようにホールド回路４１４へ信号を出している。レーザー駆動回路４１８において、入力端子４２１からの信号と電磁界検出素子７０からの検出信号とから、偏差を示す信号が演算され、偏差信号が増幅された後、この増幅信号がレーザー駆動電流出力回路４１９に入力され、入力端子４２１からの信号に対応する設定レーザーパワーになるようにフィードバックが行われる。レーザーパワーの制御が完了した後は、レーザー駆動回路４１８は、ホールド回路４１４への信号を停止する。以上の手順により、電磁界検出素子７０を用いて、所望するレーザーパワーを出力できるレーザーパワー制御が実現する。
【００７９】
レーザーパワー制御の後に、位相シフト制御を行う場合には、位相制御回路４０２が用いられる。具体的には、スイッチ４１３がオンになり、周波数ｆ０の変調信号用発信器４０９の信号が電圧発生回路４１１により所望の電圧Ｖに変換され、この電圧Ｖがレーザー駆動回路４１８に入力される。入力された電圧Ｖにしたがって、レーザー駆動電流出力回路４１９が半導体レーザー素子４０３に電流を流す。ここでは、半導体レーザー素子４０３に、半導体レーザー素子４０３の闘値電流よりも大きな値に変調した電流を流してレーザー光発振させる。半導体レーザー素子４０３からの発光は、電磁界検出素子７０によって検出され、レーザーパワーが電流として変換され、レーザー駆動回路４１８に入力される。レーザー駆動回路４１８は光検出素子４１７からの信号から、所望のレーザーパワーになるようにフィードバック制御される。レーザーパワーの安定化が行われる時間ｔｓの場合、周波数ｆ０は１／ｔｓよりも十分低くなるように調整する。半導体レーザー素子４０３からの発光を電磁界検出素子７０が検出し、検出信号はロックイン検出器４０７によって周波数ｆ0成分の信号増幅を行う。増幅された検出信号は、ホールド回路４１４に入力され、検出信号の最大値がモニタリングされる。次に、周波数ｆ０よりも低い周波数ｆ１の変調信号用発信器４１０から三角波の信号がホールド回路４１４に入力され、この入力された三角波信号は、抵抗４１６を介して電圧発生回路４１１により電圧Ｖに変換される。したがって、半導体レーザー素子４０３には、ロックイン検出器４０７からの信号とホールド回路４１４からの三角波信号とを重畳した信号に対応した電圧Ｖが印加される。これにより、半導体レーザー素子４０３からレーザー光が発生する。そして、ホールド回路４１４は、周期１／ｆ１内でロックイン検出器４０７からの検出信号が最大になる三角波の位相を検出し、その位相の電圧値をホールドする。スイッチ回路４１５は、ホールド回路４１４からのホールド信号により、変調信号用発信器４１０をオフ状態にする。ホールド回路４１４からのホールド信号は、電圧発生回路４１１により電圧Ｖに変換され、ホールド信号に対応した位相シフトレーザー光が半導体レーザー素子４０３から発生する。これにより、外部電磁界検出を行う場合に、電磁界発生素子７０の検出感度が最大になる。
【００８０】
本変形例によれば、半導体レーザー素子４０３から発せられるレーザー光がベクトルポテンシャルを変化させるので、電流経路を通過するキャリアの位相をシフトさせることができる。その結果として、電磁界検出素子７０における外部電磁界の検出効率を改善することができる。また、位相制御回路４０２を用いることによって、電磁界検出素子７０の検出感度を最大化することができる。さらに、光検出素子を用いないので、第３実施形態の電磁界検出回路３００に比べ、簡易な構成とできる。
【００８１】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る電磁界検出回路（図示せず）と、この電磁界検出回路と接続されている磁気記録再生ヘッドについて説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には十の位が８であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。
【００８２】
図１３は、本発明の第４実施形態に係る電磁界検出回路と接続されている磁気記録再生ヘッドを示す正面構成図である。図１３に示すように、磁気記録再生ヘッド５００は、基板８１上に形成されている電磁界発生素子５０１と、絶縁層５０２を介して電磁界発生素子５０１上に形成されている電磁界検出素子８０とを備えている。
【００８３】
電磁界発生素子５０１は、絶縁体５０３を挟み込むように形成された一対の電極５０４、５０５と、電極５０４、５０５に跨るように形成された薄肉の導体層５０６と、基板８１上においてＹ軸方向に第３実施形態と同じように配置され、かつ、同構成の半導体レーザー素子（図１３においては各素子の裏側になるので図示せず）とを備えている。電磁界検出素子８０は、絶縁層８２、８３、８４と、電極８５、８６とを備えている。
【００８４】
電極５０４、５０５と導体層５０６は、電気伝導率が高い金属またはカーボンナノチューブで構成されている。特に、高周波応答性を考える上で非磁性金属であるＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｄなどが用いられる。また、図示しないが、電極５０４、５０５と導体層５０６との界面及び電極５０４、５０５、導体層５０６と他の絶縁体部位との界面には、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌなどから構成される密着層が形成されている。
【００８５】
図１３中のＡｗ、Ａｈは、半導体レーザー素子（図示せず）の活性領域の幅と高さを示しており、点線で囲まれる領域にレーザー光が伝播するように構成されている。電極５０４、５０５の間にはギャップＧがあいており、ギャップＧは透明な絶縁体５０３で埋め込まれている。Ｇは２００ｎｍ以下であり、導体層５０６の幅（図１３中のＹ軸方向長さ）は４００ｎｍ以下である。また、導体層５０６がＡｕからなる場合、導体層５０６の断面積（Ｘ軸に垂直な切断面）は６４００ｎｍ２程度より大きく形成される。断面積が、６４００ｎｍ２より小さくなると、電流ｉが流れた時に発生するジュール熱で導体層５０６が発熱融解してしまうからである。なお、他の導電材料では、Ａｕの断面積と同等か、さらに大きい断面積とする。
【００８６】
次に、図１４を用いて、電磁界発生素子５０１による電磁界の発生原理を説明し、併せて電磁界検出素子８０の動作についても説明する。電極５０５から導体層５０６を介して電極５０４に電流ｉを流した場合、導体層５０６のギャップＧに対応する部位で磁界Ｂが発生する。また、導体層５０６に電位Ｖを印加した場合には、導体層５０６の周辺に電界が発生する。また、半導体レーザー素子からレーザー光が照射された場合、導体層５０６のギャップＧに対応する部位で近接場ＮＦが発生する。ここで、近接場の発生原理について説明する。金属（ここでは導電層５０６）と誘電体物質（ここでは絶縁層５０２、５０３）との界面に電磁波（近赤外から可視光領域のもの）が照射されると、その界面に金属中の電荷による疎密波が発生し、照射した電磁波とカップリングする。この状態では、上記界面に電磁波が閉じ込められ、界面に対して垂直方向には伝播できなくなる。このような状態を近接場が発生している状態という。ここでの近接場とはエバネッセント波、表面プラズモン、表面プラズモンポラリトン、局所表面プラズモンポラリトンなどを総称している。従って、電磁界発生素子５０１からの、磁界Ｂ、電界Ｅ、近接場ＮＦによって、電磁界検出素子８０内の２つのバリスティック電子の位相差を制御することができる。また、電磁界検出素子８０において、レーザー光による絶縁層８２、８３、８４でのキャリア励起と同様に、近接場ＮＦによってもキャリア励起に伴う電子・正孔対生成により絶縁層８２、８３、８４の全体又は一部の誘電率の変化を引き起こし、絶縁層８２、８３、８４内部の電界が変化することで、バリスティック電子の位相が変化し電気伝導度の変化として現れる。従って、電磁界検出素子８０によって、電磁界発生素子５０１から発生する近接場ＮＦのパワーをモニタリングすることができる。なお、レーザー光を照射するのは、絶縁層８２、８３、８４のうちのいずれか１つであってもよい。また、絶縁層５０３が透明な材料からなるものであれば、絶縁層５０３と金属材料からなる導電層５０６との界面での近接場の減衰が抑えることができる。
【００８７】
本実施形態によれば、電磁界発生素子５０１によって情報記録媒体上に記録した電磁界情報を、電磁界検出素子８０によって高感度で検出できる。したがって、例えば１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２を超えた高記録面密度に対応した電磁界情報の記録及び再生が可能な磁気記録再生ヘッド５００が得られる。また、電磁界発生素子５０１を用いることで、電磁界発生素子５０１から発生する電界Ｅ・磁界Ｂ・近接場ＮＦにより、電磁界検出素子８０の位相の制御が可能となり、電磁界検出素子８０による電界Ｅ・磁界Ｂ・近接場ＮＦの検出感度が改善される。
【００８８】
なお、本実施形態での電磁界検出回路について、位相制御回路以外は、第１実施形態と同様である。本実施形態での位相制御回路については、前述の第１実施形態から第３実施形態で挙げた位相制御回路を用いたり、組み合わせたりすることで実現できる。
【００８９】
＜第４実施形態の変形例＞
次に、第４実施形態の磁気記録再生ヘッドの変形例について説明する。なお、第１実施形態と同様の部分には十の位が９であり且つ一の位が同じ符号を付け、その説明を省略することがある。
【００９０】
図１５は、本発明の第４実施形態の磁気記録再生ヘッドの変形例を示す正面構成図である。図１５に示すように、磁気記録再生ヘッド６００は、基板９１上に形成されている電磁界検出素子９０と、絶縁層６０２を介して電磁界検出素子９０上に形成されている電磁界発生素子６０１とを備えている。
【００９１】
電磁界検出素子９０は、基板９１上に形成されている絶縁層９２、８３、８４と、電極８５、８６とを備えている。電磁界発生素子６０１は、絶縁層６０２の上に形成された導体層６０６と、導体層６０６及び絶縁層６０２の上において、絶縁体６０３を挟み込むように形成された電極６０４、６０５と、基板９１上においてＹ軸方向に第３実施形態と同じように配置され、かつ、同構成の半導体レーザー素子（図１５においては各素子の裏側になるので図示せず）とを備えている。
【００９２】
上記構成であれば、第４実施形態と同様の作用・効果を得ることができるとともに、基板９１に結晶基板を用いて、電磁界検出素子９０を形成することができるため、絶縁層９２、９３、９４の各層が結晶性の物質で構成される場合、結晶性が改善され絶縁破壊電界の増加や、電子の伝導度が改善されるといった効果をも奏することができる。
【００９３】
＜第１参考実施形態＞
次に、本発明の第１参考実施形態に係る情報記録再生装置について説明する。図１６は、本発明の第１参考実施形態に係る情報記録再生装置の主要部の構成を示す斜視図である。図１７は、図１６に示す情報記録再生装置の情報記録再生ヘッド付近の拡大斜視図である。図１８は、図１６に示す情報記録再生装置の情報記録再生ヘッドが情報記録媒体に対して行う電磁界情報の記録・再生の動作を説明するための図である。
【００９４】
情報記録再生装置７００は、移動手段であるアクチュエータ７０１によって移動するアーム７０２と、アーム７０２によって支持されているスライダ７０３と、スライダ７０３に取りつけられている情報記録再生ヘッド８００と、情報記録再生ヘッド８００によって、電磁界情報の記録・再生がなされる情報記録媒体７０４とを備えている。
【００９５】
情報記録再生ヘッド８００は、図１７、図１８に示すように、第４実施形態で説明した情報記録再生ヘッド５００と同構成のものであり、基板８０６の上に形成された半導体レーザー素子８０２及び電磁界発生素子８０３と、電磁界発生素子８０３の上に絶縁層８０５を介して形成されている電磁界検出素子８０４とを備えている。導電層８０３ｃを介して電気的に接続されている電磁界発生素子８０３の電極８０３ａ、８０３ｂと、半導体レーザー素子８０２の電極８０２ａ、８０２ｂと、電磁界検出素子８０４の電極８０４ａ、８０４ｂとがそれぞれフレキシブルケーブルの細線が接続されている。電磁界検出素子８０４は、第４実施形態で説明した情報記録再生ヘッド５００と同構成の絶縁層８０４ｃ、８０４ｄ、８０４ｅを有している。
【００９６】
図１７に示すように、スライダ７０３の下部には、エアーベアリング構造８０１が形成されており、回転する情報記録媒体７０４の記録面７０４ａを滑走する。情報記録再生ヘッド８００と記録面７０４ａとの距離（フライングハイト）は、１００ｎｍ以下に設定されている。また、スライダ７０３は、移動手段であるアクチュエータ７０１によって情報記録媒体７０４の記録トラックを走査する。
【００９７】
情報記録媒体７０４は、ハードディスクドライブに用いられている一般的な磁気記録媒体であり、例えば、ＣｏＣｒＰｔ系磁気記録媒体、希土類遷移金属磁気記録媒体あるいはＦｅＰｔ系磁気記録媒体などである。または、ＲｈＦｅ系などの反強磁性物質で構成された磁気記録媒体でも良い。または、熱による相変化を生じる媒体であっても良い。
【００９８】
次に、本実施の形態の情報記録再生ヘッド８００が情報記録媒体７０４に対して、記録または再生する動作原理について、図１８を用いて説明する。
【００９９】
まず、記録時の動作原理について説明する。第４実施形態でも説明したように、情報記録再生ヘッド８００の半導体レーザー素子８０２からレーザー光が電磁界発生素子８０３の導体層８０３ｃに照射されギャップ周辺に近接場を発生する。発生した近接場によって、情報記録媒体７０４が局所的に加熱される。情報記録媒体７０４が保磁力の大きな磁性体で構成される場合、局所加熱した情報記録媒体７０４の部位では保磁力が減少する。同時に導体層８０３ｃに電流ｉを流すことにより、情報記録媒体７０４の保磁力以上の磁界Ｂを印加することで、近接場アシスト磁気記録が行われる。また、図１８において、電磁界発生素子８０３に対して、情報記録媒体７０４が紙面左に向かって移動する場合、近接場アシスト垂直磁気記録が行われる。逆に、電磁界発生素子８０３に対して、情報記録媒体７０４が紙面右に向かって移動する場合、近接場アシスト斜め磁気記録が行われる。また、常温で情報記録媒体７０４の保磁力よりも、発生磁界が強い場合は、通常の磁気記録を行っても良い。情報記録媒体７０４が相変化媒体で構成される場合、近接場の発生による情報記録媒体７０４の局所加熱によって、相変化記録を行う。以上のように、電磁界発生素子８０３により、情報記録媒体７０４に記録が実現される。
【０１００】
次に、再生時の動作原理について説明する。電磁界検出素子８０４に所望の高電界が印加され、２つのバリスティック電子の経路が生成される。図１９は、図１８に示す情報記録媒体７０４の情報記録トラック７０４ｂ上に記録された磁気記録ビット７０４ｃが、電磁界検出素子８０４付近を通過した場合の電磁界検出の様子を説明するための図である。図１９では、垂直磁気記録媒体を例に用いて説明する。情報記録トラック７０４ｂには、図１９紙面に対し垂直であって、磁化の向きが反平行の磁気記録ビット７０４ｃが交互に並んでいる。また、この磁気記録ビット７０４ｃによるベクトルポテンシャルが点線矢印で示されている。最も上の磁気記録ビット７０４ｃにおいては、紙面表面に向けて磁化が向き、左回りのベクトルポテンシャルが形成されている。図１９（Ａ）左図のようにバリスティック電子の経路ｅ１の進行方向がベクトルポテンシャルと反対向きで経路ｅ２の進行方向がベクトルポテンシャルと同じ向きである場合、２つのバリスティック電子間で位相変化が生じる。２つのバリスティック電子間の位相差は２πΔΦ/Φ0となる。ここで、Φ0は磁束量子、ΔΦは２つのバリスティック電子の経路に挟まれる領域での磁束量である。このとき電磁界検出素子８００の電気伝導度Ｆは位相差分だけ減少する（図１９（Ａ）の中央図）。
【０１０１】
図１９（Ｂ）左図のようにバリスティック電子の経路ｅ１、ｅ２の進行方向のいずれもベクトルポテンシャルと直交している場合、２つのバリスティック電子間で位相変化が生じない。したがって、電磁界検出素子８００の電気伝導度Ｆは減少しない（図１９（Ｂ）の中央図）。
【０１０２】
図１９（Ｃ）左図のようにバリスティック電子の経路ｅ１の進行方向がベクトルポテンシャルと同じ向きで経路ｅ２の進行方向がベクトルポテンシャルと反対向きである場合、２つのバリスティック電子間で位相変化が生じる。２つのバリスティック電子間の位相差は、図１９（Ａ）の場合とは逆に−２πΔΦ/Φ0となる。２つのバリスティック電子の経路に挟まれる領域での磁束量は−ΔΦとなる。このとき電磁界検出素子８００の電気伝導度Ｆは、図１９（Ａ）の場合と同じ量だけ減少する（図１９（Ｃ）の中央）。ただし、両者間で磁束量Φすなわち位相差の正負が互いに異なるので、図１９（Ａ）の中央図と図１９（Ｃ）の中央図とでは変化の方向が逆となっている。
【０１０３】
ここで、外部の磁界Ｂ、電界Ｅ、絶縁層８０４ｄの透磁率μ、誘電率εを変化させ、２つのバリスティック電子間に同じ位相シフトを導入することで、磁束量をΦ+θとする。θ（Ｂ、Ｅ、μ、ε）は、磁界Ｂ、電界Ｅ、透磁率μ、誘電率εの関数となっている。例えば図６、図８、図１０又は図１２に示したような位相制御回路を用いて位相制御を行うことで、電磁界検出素子８０４の電磁界検出感度を最大にすることができる。位相制御前においては、図１９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各中央図を見比べると分かるように、これらの間での電気伝導度Ｆ同士の差異は比較的小さく、図１９（Ａ）の中央図と図１９（Ｃ）の中央図とを比べると分かるように、これら２つの電気伝導度Ｆは同じである。これに対して、磁束量がΦ+θとなると、θ＞０の場合は、磁気記録ビットと逆位相の再生（磁気記録ビットの信号の極性（正負）が反転した極性（負正）で再生）が行われ、θ＝π／２の時に検出感度が最大になる。つまり、図１９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の各右図を見比べると分かるように、これらの間での電気伝導度Ｆ同士の差異は比較的大きく、図１９（Ａ）の右図と図１９（Ｃ）の右図とを比べると分かるように、これら２つの電気伝導度Ｆの差は最大値となっている。したがって、このときの電気伝導度をモニタリングすることで、磁気記録ビットの情報を検出すれば高精度の検出が可能である。同様に、θ＜０の場合は、磁気記録ビットと同位相の再生が行われ、θ＝−π／２の時に検出感度が最大になる。
【０１０４】
ここでは、磁気記録について取り上げたが、電磁界検出素子８０４は原理的にはベクトルポテンシャルを直接検出するため、磁界以外の電界や近接場も検出できる。従って、情報記録媒体７０４が相変化記録媒体で構成される場合、相変化記録媒体の磁気記録ビット７０４ｃの電界Ｅの検出や、電磁界発生素子８０３から発生した近接場が磁気記録ビット７０４ｃで反射した近接場を電磁界検出素子８０４により検出できる。電磁界検出素子８０４と情報記録トラック７０４ｂとの配置に関しては、任意の角度で配置されても検出が可能である。以上のことから、２つのバリスティック電子の経路に挟まれる領域のサイズを２５ｎｍ平方のサイズにすれば、１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２を超えた記録面密度に対応した電磁界情報を検出することができる記録または再生を行う情報記録再生ヘッドを提供することができる。
【０１０５】
次に、情報記録再生装置７００の動作について説明する。図２０は、情報記録再生装置７００の記録・再生の動作を説明するための概略ブロック図である。
【０１０６】
情報記録再生装置７００は、さらに上位装置から記録または再生を制御する記録再生制御端子９０１と、上位装置から記録データが入力される入力端子９０２と、上位装置へ再生データを出力する出力端子９０３とを有している。また、記録再生制御端子９０１に接続され、記録または再生を制御する記録再生制御部９０４と、入力端子９０２に接続され、記録データを記録信号化するデータ記録部９０５と、出力端子９０３に接続され、再生信号を符号化するデータ再生部９０６とを有している。さらに、半導体レーザー素子８０２を備えているレーザー発光部９０７と、レーザー駆動部９０８と、電磁界発生素子８０３を備えている電磁界発生部９０９と、電流・電圧制御部９１０と、電磁界検出素子８０４を備えている電磁界検出部９１１とを有している。
【０１０７】
記録再生制御部９０４は、データ記録部９０５、データ再生部９０６、レーザー発光部９０７のレーザー駆動電流を制御するレーザー駆動部９０８、データ記録部９０５からの記録信号に従って記録磁界を発生させる電磁界発生部９０９へ流す電流を制御する電流・電圧制御部９１０に接続されている。電磁界検出部９１１は、記録再生制御部９０４からの指示により、レーザー発光部９０７からのレーザー光、あるいは電磁界発生部９０９から発生する近接場を受光し、記録再生制御部９０４へレーザー光強度の検出信号を記録再生制御部９０４に出力し、記録再生制御部９０４はレーザー光強度または電磁界発生部９０９から発生する近接場を一定にするようにレーザー駆動部９０８を制御する。また、電磁界検出部９１１は、情報記録媒体７０４と電磁界発生部９０９から発生する近接場との相互作用による強度変化を検出し、検出結果をデータ再生部９０６に出力する。
【０１０８】
通常の磁気記録の場合は、電流・電圧制御部９１０は、データ記録部９０５からの記録信号および記録再生制御部９０４からの指示により、電磁界発生部９０９に対して記録データに応じた電流を発生させる。これにより、情報記録媒体７０４に情報記録を行う。近接場アシスト磁気記録の場合は、通常磁気記録の場合の手順に加え、記録再生制御部９０４からの指示により、レーザー駆動部９０８が制御され、レーザー発光部９０７が所望の強度のレーザー光が発生し、電磁界発生部９０９に近接場が発生することで、情報記録媒体７０４が局所的に加熱され、過熱された領域でのみ近接場アシスト磁気記録が実現され情報記録を行われる。また、近接場ＮＦによる相変化記録の場合、データ記録部９０５からの記録信号から記録再生制御部９０４が、レーザー駆動部９０８に指示を出し、レーザー発光部９０７が所望の強度のレーザー光が発生し、電磁界発生部９０９に近接場が発生することで、情報記録媒体７０４が局所的に加熱され、過熱された領域でのみ相変化記録が行われる。
【０１０９】
再生の前段階として、電磁界の検出感度を最大にするために、前述の位相制御回路を用いて電磁界検出部９１１でのバリスティック電子に対して所望の位相シフトを行う。再生時は、記録再生制御部９０４からの指示で、電磁界発生部９０９から所望の磁界もしくは電界、あるいは、近接場が発生する。情報記録媒体７０４の記録マークのからの電磁界情報を電磁界検出部９１１が検出し、データ再生部９０６に再生信号を出力する。データ再生部９０６は、記録再生制御部９０４からの指示で、再生信号より、再生データに変換し出力端子９０３に再生データ出力させる。
【０１１０】
本実施形態によれば、基板８０６に形成された情報記録再生ヘッド８００がスライダ７０３と一体化されており、従来の磁気ヘッドと類似のプロセスが利用できるため生産性が向上する。さらに、それぞれの素子の端子が、スライダ７０３と一体化した基板８０６上に形成されるので、外部への端子のアクセスが容易になり生産性が向上する。また、情報記録媒体７０４の所望の位置に情報記録再生ヘッド８００を移動することができ、１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２を超えた記録面密度に対応したナノサイズの領域での電磁界情報を記録、再生できるので、１Ｔｂ/ｉｎｃｈ２を超えた高密度情報記録再生装置を提供することができる。
【０１１１】
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電磁界検出素子１０の変形例１、２の電磁界検出素子のいずれかを第１〜第３実施形態の各電磁界検出素子の代わりに用いてもよい。また、第１〜第３を組み合わせた電磁界検出回路としてもよい。また、上述した実施形態では一対の電極の対向面が３つの絶縁層の表面と直交しているが、一対の電極の対向面が３つの絶縁層の表面と平行であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路における電磁界検出素子の斜視構成図である。
【図２】図１の電磁界検出素子１０をＹ軸方向から見た場合の構成図である。
【図３】ＡＢ効果の原理説明を行うために使用する図である。
【図４】図１における素子の変形例１の電磁界検出素子を示す図であって、（ａ）は斜視構成図、（ｂ）は上視図である。
【図５】図１における素子の変形例２の電磁界検出素子をＹ軸方向から見た場合の構成図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。
【図７】図６の電磁界検出回路の電磁界検出素子と磁界発生源との関係を具体的に示す斜視構成図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。
【図９】図８の電磁界検出回路の電磁界検出素子と電界発生源との関係を具体的に示す斜視構成図である。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る電磁界検出回路の概略図である。
【図１１】図１０の電磁界検出回路の電磁界検出素子と半導体レーザー素子との関係を具体的に示す斜視構成図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の変形例に係る電磁界検出回路の概略図である。
【図１３】第４実施形態に係る電磁界検出回路を有する磁気記録再生ヘッドを示す正面構成図である。
【図１４】図１３に示す磁気記録再生ヘッドにおける電磁界発生素子による電磁界の発生原理を説明するための図である。
【図１５】第４実施形態の磁気記録再生ヘッドの変形例を示す正面構成図である。
【図１６】第１参考実施形態に係る情報記録再生装置の主要部の構成を示す斜視図である。
【図１７】図１６に示す情報記録再生装置の情報記録再生ヘッド付近の拡大斜視図である。
【図１８】図１６に示す情報記録再生装置の情報記録再生ヘッドが情報記録媒体に対して行う電磁界情報の記録・再生の動作を説明するための図である。
【図１９】図１８に示す情報記録媒体の情報記録トラック上に記録された磁気記録ビットが、電磁界検出素子付近を通過した場合の電磁界検出の様子を説明するための図である。
【図２０】情報記録再生装置７００の記録・再生の動作を説明するための概略ブロック図である。
【図２１】図１の電磁界検出素子１０とほぼ同構成の電磁界検出素子の電流−電圧特性を示した図である。
【図２２】図２１で用いた電磁界検出素子に１０Ｖ電圧印加した場合の電流−磁場特性を示した図である。
【図２３】図２１で用いた電磁界検出素子に０．５Ｖ電圧印加した場合の電流−磁場特性を示した図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１、２１、３１、４１、５１、６１、８１、９１、８０６    基板
２、３、４、２２、２３、２４、３２、３３、３４、４２、４３、４４、５２、５３、５４、６２、６３、６４、８２、８３、８４、９２、９３、９４、５０２、６０２、８０４ｃ、８０４ｄ、８０４ｅ、８０５    絶縁層
５、６、２５、２６、３５、３６、４５、４６、５５、５６、６５、６６、８５、８６、３０３ｄ、３０３ｅ、５０４、５０５、６０４、６０５、８０２ａ、８０３a、８０３ｂ、８０４a、８０４ｂ    電極
５ａ、６ａ    対向面
７、８    境界面
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、８０４    電磁界検出素子
１１   電子線源
１２   電子線検出器
１００、２００、３００、４００     電磁界検出回路
１０１、２０１、３０１、４０１     電磁界検出センサ
１０２、２０２、３０２、４０１     位相制御回路
１０３   磁界発生源
１０３ａ      金属細線
１０４、２０４、３０４、４０４     基準抵抗
１０５、２０５、３０５、４０５     定電圧電源回路
１０６、２０６、３０６、４０６     信号増幅器
１０７、２０７、３０７、４０７     ロックイン検出器
１０８、２０８、３０８、４０８、９０３      出力端子
１０９、１１０、２０９、２１０、３０９、３１０、４０９、４１０   変調信号用発信器
１１１、１１２    Ｖ／Ｉ変換器
１１３、２１３、３１３、４１３    スイッチ
１１４、２１４、３１４、４１４    ホールド回路
１１５、２１５、３１５、４１５    スイッチ回路
１１６、２１６、３１６、４１６    抵抗
２０３    電界発生源
２１１、３１１、４１１      電圧発生回路
３０３、４０３、８０２      半導体レーザー素子
３０３ａ      分布型ブラッグ反射器
３０３ｃ      レーザー光発振部
３０３ｆ      活性領域
３１７、４１７       光検出素子
３１８、４１８       レーザー駆動回路
３１９、４１９       レーザー駆動電流出力回路
３２０、４２０、４２１、９０２     入力端子
５００、６００、８００    情報記録再生ヘッド
５０１、６０１、８０３    電磁界発生素子
５０３、６０３    絶縁体
５０６、６０６、８０３ｃ    導体層
７００    情報記録再生装置
７０１    アクチュエータ
７０２    アーム
７０３    スライダ
７０４    情報記録媒体
７０４ａ    記録面
７０４ｂ    情報記録トラック
７０４ｃ    磁気記録ビット
８０１    エアーベアリング構造
９０１    記録再生制御端子
９０４    記録再生制御部
９０５    データ記録部
９０６    データ再生部
９０７    レーザー発光部
９０８    レーザー駆動部
９０９    電磁界発生部
９１０    電流・電圧制御部
９１１    電磁界検出部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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