(57)【要約】【課題】  高い信号出力を有するスピン蓄積型磁気再生ヘッドおよび高密度の磁気記録再生装置を提供する。【解決手段】  第１の電極層の一端上に、第１の絶縁層を介して積層された第１の強磁性体層と、第１の電極層の他端上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層を介して積層された第２の強磁性体層と、第１の強磁性体層に接続されている検出電極と、第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層とを備え、第１の電極層の幅lbが、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなり、かつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている。【選択図】  図１
2013020672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層の一端上に、第１の絶縁層を介して積層された第１の強磁性体層と、
前記第１の電極層の他端上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層を介して積層された第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極と、
前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層とを備え、
前記第１と第２の絶縁層の重心を結ぶ直線と層厚方向とに共に直交する方向の第１の電極層の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなりかつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分を備え、
前記第２の電極層から、前記第２の絶縁層を通って前記第２の強磁性体層と第１の電極層との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極との間に生じる電圧を検出することを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
請求項１の磁界センサにおいて、
第１の絶縁層から第２の絶縁層との間の第１の電極層の幅が一定の部分の長さが、第１の絶縁層から第２の絶縁層との間の距離に対して5%以上95%以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
請求項１の磁界センサにおいて、
第２の電極層から、前記第２の絶縁層を通って前記第２の強磁性体層と第１の電極層との間にトンネル電流が流れる時、
第２の絶縁層の重心から第１の絶縁層の重心方向を結ぶ方向とは異なる方向に広がる第１の電極層に上記トンネル電流が流れ、
上記の方向に広がる第１の電極層が第１の絶縁層に接触している部分における第１の電極層の幅が、第１の絶縁層に接触している第１の電極層の幅よりも狭いことを特徴とする磁界センサ。
【請求項４】
請求項１の磁界センサにおいて、
第２の絶縁層の重心から第１の絶縁層の重心方向を結ぶ方向の幅が一定である第１の電極層の部分の幅が、第１の絶縁層の幅と同じか広いことを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】
下部磁気シールドと、
上部磁気シールドと、
前記下部磁気シールド上に絶縁層を挟んで形成された第１の電極層と、
第１の電極層の一端上に、第１の絶縁層を介して積層された第１の強磁性体層と、
前記第１の電極層の他端上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層を介して積層された第２の強磁性体層と、
前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極と、
前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層とを備え、
前記第１と第２の絶縁層の重心を結ぶ直線と層厚方向とに共に直交する方向の第１の電極層の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなりかつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分を備え、
前記第２の電極層から、前記第２の絶縁層を通って前記第２の強磁性体層と第１の電極層との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極との間に生じる電圧を検出することを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項６】
請求項５の磁気ヘッドにおいて、
第１の絶縁層から第２の絶縁層との間の第１の電極層の幅が一定の部分の長さが、第１の絶縁層から第２の絶縁層との間の距離に対して5%以上95%以下であることを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項７】
請求項５の磁気ヘッドにおいて、
第２の電極層から、前記第２の絶縁層を通って前記第２の強磁性体層と第１の電極層との間にトンネル電流が流れる時、
第２の絶縁層の重心から第１の絶縁層の重心方向を結ぶ方向とは異なる方向に広がる第１の電極層に上記トンネル電流が流れ、
上記の方向に広がる第１の電極層が第１の絶縁層に接触している部分における第１の電極層の幅が、第１の絶縁層に接触している第１の電極層の幅よりも狭いことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項８】
請求項５の磁気ヘッドにおいて、
第２の絶縁層の重心から第１の絶縁層の重心方向を結ぶ方向の幅が一定である第１の電極層の部分の幅が、第１の絶縁層の幅と同じか広いことを特徴とする磁気再生ヘッド。
【請求項９】
垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体のうち少なくとも１個の磁気記録層を有する磁気記録媒体と、前記記録媒体を駆動する駆動部と、請求項５〜８に記載の磁気再生ヘッドと磁気記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータと、前記磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段とを備えたことを特徴とする磁気記録再生装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
磁気再生ヘッド及びそれを備えた磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録再生装置においては年々高密度化が要求されており、それに伴い磁気記録再生ヘッドは、高出力化・高分解能化が必須とされている。
【０００３】
現行の磁気記録再生装置に関しては、その要素技術として、センス電流を積層面に垂直に流すＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ  Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドやＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドが提案されている。これらスピンバルブタイプの再生装置は、媒体からの漏洩磁界の検出方法として磁性導電体（自由層）を用いており、磁気的に一方向に固着した磁性導電体（固定層）との相対的な磁化の向きに関して、抵抗変化を示すことを利用している。
【０００４】
一方、スピン蓄積効果を応用した素子を再生ヘッドに用いた磁気装置が提案されている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）なお、非磁性導電体の中でのスピン電子の作用については非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４２２４１号公報
【特許文献２】特開２００４−１８６２７４号公報
【特許文献３】特開２０１０−１１３７８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｊｅｄｅｍａ他４名、“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｐｉｎ  ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ  ｓｐｉｎ  ｖａｌｖｅ”、Ｎａｔｕｒｅ、ｖｏｌ．４１６（２００２）、ｐ７１３−７１６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドに関して、分解能を高める為には構成膜を薄くする必要性がある。特にビット長が小さくなってくると、高い分解能を得る為にはギャップ幅を狭小化しなくてはならない。例えば、１平方インチ当たり２テラビット（２Ｔｂｉｔ／ｉｎ２）の媒体に対する再生ヘッドはギャップ幅が１８ｎｍとなり、素子の構成膜の合計が１８ｎｍ以下にする必要性がある。その為、現行のＣＰＰ−ＧＭＲヘッドやＴＭＲヘッドの構成では、室温においても磁性導電体の磁化が不安定となる。
【０００８】
磁性導電体の体積が減少すると、磁化の不安定化が起こり、磁気的なノイズが増大する事が予想される。その為、再生ヘッドのＳ／Ｎ比が悪くなり、超高密度ハードディスクの読み出しが困難となる。
【０００９】
そこで、テラビット級の面記録密度を持つハードディスクに関しては、高分解能かつ低ノイズを特徴とする外部磁界センサが必要となっている。
【００１０】
特許文献１や特許文献２に記載のスピン蓄積効果を応用した再生ヘッドは、高分解能かつ低ノイズを実現できる可能性がある。スピン蓄積効果とは、強磁性導電体から非磁性金属に電流を流した際に、非磁性金属中にスピン偏極した電子が蓄積される現象である。この非磁性金属中に蓄積されたスピン偏極した電子は、スピン拡散長の範囲内で、拡散により非磁性金属中を伝播する。なお、スピン拡散長とは、スピンの情報が消失する（スピンが反転する）距離を表しており、物質固有の値である。スピン蓄積効果は、強磁性導電体が一般にフェルミ準位において異なるスピン密度（アップスピン電子とダウンスピン電子の数が異なる）をもつため、強磁性導電体から非磁性金属に電流を流すとスピン偏極した電子（スピン電子）が注入され、アップスピン電子とダウンスピン電子のケミカルポテンシャルが異なることに起因している。
【００１１】
本効果を利用した再生ヘッドは、スピン電流を注入する磁性導電体を固定層、他方の磁性導電体を記録媒体に対向する自由層として利用する。スピン蓄積効果によって、固定層と自由層とをスピン拡散長の範囲内で離れた位置に配置することが出来る為、記録媒体に対向するシールド間距離（ギャップ長）を狭小化することが可能となる。また、自由層のセンシング部分には直接電流が流れない為、ジョンソンノイズなどを低減できる可能性がある。
【００１２】
一方、特許文献３には、スピン偏極した電子が蓄積される非磁性金属層の形状を、スピン電流を注入する磁化固定層から自由層に向かってその幅を狭くすることにより、出力を増大させることができることが述べられている。しかし、磁化固定層から自由層に向かって非磁性金属層の幅を単に狭くするだけでは、自由層近傍の非磁性金属層のスピン電子密度を増加させ、出力を増大させるためには十分ではない。
【００１３】
本発明の目的は、スピン偏極した電子が蓄積される非磁性金属層の最適な形状を提供することにより、高い信号出力を有するスピン蓄積型磁気再生ヘッドおよび高密度の磁気記録再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するための一形態として、第１の電極層の一端上に、第１の絶縁層を介して積層された第１の強磁性体層と、前記第１の電極層の他端上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層を介して積層された第２の強磁性体層と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層とを備え、前記第１と第２の絶縁層の重心を結ぶ直線と層厚方向とに共に直交する方向の第１の電極層の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなりかつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分を備え、前記第２の電極層から、前記第２の絶縁層を通って前記第２の強磁性体層と第１の電極層との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極との間の電圧を検出することを特徴とする磁気再生ヘッドとする。
【００１５】
また、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体のうち少なくとも１個の磁気記録層を有する磁気記録媒体と、前記記録媒体を駆動する駆動部と、上記磁気再生ヘッドと磁気記録ヘッドとを組み合わせた磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータと、前記磁気ヘッドからの出力信号を処理する手段とを備えたことを特徴とする磁気記録再生装置とする。
【発明の効果】
【００１６】
スピン偏極した電子が蓄積される非磁性金属層において、固定層と自由層の間の非磁性金属層の幅が一定の部分と狭くなる部分の両方を持つことで、自由層近傍の非磁性層中のスピン電子密度を増大させることが可能となり、高い出力を持つ磁気再生ヘッド及びそれを用いた磁気記録再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第一のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図２】各電極層形状におけるスピン電子密度を示す上面図。
【図３】各電極層形状におけるｙ方向のスピン電子密度。
【図４】スピン電子密度のla/lb依存性。
【図５】再生ヘッド構造。
【図６】スライダ部分。
【図７】磁気ディスク装置。
【図８】第二のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図
【図９】各電極層形状におけるスピン電子密度を示す上面図。
【図１０】各非磁性体形状におけるｙ方向のスピン電子密度。
【図１１】第三のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１２】第四のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１３】第五のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１４】第五のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１５】第六のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１６】第七のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【図１７】第七のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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、実施例を用いて詳細に説明
する。
【実施例１】
【００１９】
第１の実施例について図１を用いて説明する。図１は本実施例に係る第一のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、第１の電極層の幅wbが、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなり、かつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている。前記第２の電極層１７につながれている電流源１９から、前記第２の絶縁層１３を通って前記第２の強磁性体層１４と第１の電極層１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することを特徴としている。
【００２０】
図１で示したスピン蓄積素子の動作原理は以下の通りである。電流源１９から、絶縁層１３を通って強磁性体層１４から電極層１０との間にトンネル電流が流れると、強磁性層１４の磁化の向きに偏極したスピンを持つ電子がより多く電極層１０に注入される。引き出し電極２０は、トンネル電流が流れる領域２より左側に設けてあるため、注入されたトンネル電流は領域２およびその左側を流れることになる。一方、注入された偏極スピン電子は、その濃度勾配による拡散により輸送されるため、領域２の右側すなわち領域１方向にも流れていき、領域１近傍の電極層１０には、強磁性層１４の磁化の向きに偏極したスピンがより多く存在することになる。ちなみに、強磁性層１４の磁化の向きに偏極したスピンを持つ電子が領域２から領域１方向に流れていくのに対し、逆向きに偏極した電子が領域１から領域２方向に流れていくため、領域２の右側ではトータルの電荷の移動、すなわち電流は発生しない。これは、領域１においても同様で、絶縁層１１を介した正味の電荷によるトンネル電流は発生しない。
【００２１】
強磁性層１２の磁化の向きが強磁性層１４の磁化の向きと平行な場合、電極層１０に蓄積されたスピン偏極した電子は絶縁層１１を介して電極層１０と強磁性層１２との間のトンネル電流が流れやすくなるため、強磁性層１４の磁化の向きと反平行なスピン偏極電子による逆方向に流れるトンネル電流とつりあい、正味のトンネル電流が発生しないために、強磁性層１２は電極層１０に対して＋ΔＶの電位が発生する。一方、強磁性層１２の磁化の向きが強磁性層１４の磁化の向きと反平行な場合、電極層１０に蓄積されたスピン偏極した電子は絶縁層１１を介して電極層１０と強磁性層１２との間のトンネル電流が流れにくくなるため、強磁性層１４の磁化の向きと反平行なスピン偏極電子による逆方向に流れるトンネル電流とつりあい、正味のトンネル電流が発生しないために、強磁性層１２は電極層１０に対して-ΔＶの電位が発生する。これは、領域２における電流注入部と領域１における電圧測定部が異なる、いわゆるノンローカルな効果によるものである。
【００２２】
上記出力の絶対値ΔＶは、絶縁層１１直下の電極層１０におけるスピン偏極した電子の密度に比例している。このスピン偏極した電子は、領域２において、絶縁層１３の直下に強磁性層１４から注入されたスピン偏極電子が拡散により輸送されてきたものであり、絶縁層１１直下の電極層１０におけるスピン偏極した電子の密度は、電極層１０の形状に依存する。
【００２３】
図２は、領域２に注入されたスピン偏極電子が電極層１０を拡散していく時、その密度の場所依存性を、電極層１０の種々の形状に対して示したものである。ここで、図２(a)はwa=wb、図２(b)はwa=5wb、la=0、図２(c)はwa=5wb、la=0.2lb、図２(d)はwa=5wb、la=0.8lbの場合の様子をそれぞれ示している。ここで、wa,wbは図中の位置ｙ＝０,lbにおける電極層１０の幅である。-0.2lb≦y≦0が領域２、y=lbが領域１の左端に相当する。領域２のスピン偏極電子の密度は一定とし、-lb≦y≦-0.8lbおよび2.8lb≦y≦3lbに領域２より小さな一定密度のスピン偏極電子がある条件で、種々の電極層１０の形状において、拡散方程式を解いたものである。
【００２４】
図３に、図２(a)(b)(c)(d)におけるデバイス中央部分（x=0）のスピン電子密度を、ｙの関数として示す。まず、図２(a)と図２(b)を比べると、y=lbにおいて、図２(b)の場合の方が図２(a)の場合に比べて、-0.2lb≦y≦0と2.8lb≦y≦3lbの領域間のスピン偏極電子密度差の１６％程度相当のスピン偏極電子密度が大きくなる。
【００２５】
、図２(ｂ)(ｃ)(ｄ)は、laが異なる構造に対応する。そこで、図４にy=lbにおけるスピン偏極電子密度を、la/lbの関数として示す。スピン偏極電子密度はla/lbの関数として極大値をとり、la/lb =0の時に比べてla/lb =0.7近傍ではさらに１２％程度スピン偏極電子密度が増大する。すなわち、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている場合（0.05≦la/lb ≦0.95）の方が、la=0の場合に比べてより効率的にスピン偏極電子を拡散させていくことができ、出力ΔＶを増大させることができる。
【００２６】
本実施例の第一のスピン蓄積素子を構成する各要素の材料として以下のものを用いることができる。
【００２７】
電極層１０としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈを含む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か、もしくはグラフェンのようなＣから構成される物質である。これらの非磁性導電性金属は、スピン拡散長が長い為、スピン電子を効率的に蓄積できるのが特徴である。
【００２８】
強磁性層１２、１４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で構成される。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Ｃ２Ｄ×Ｅ１×Ｆ型のホイスラー合金で、ＣはＣｏ、ＣｕあるいはＮｉの少なくとも一種類からなり、ＤとＥはそれぞれＭｎ、Ｆｅ、Ｃｒの一種であり、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でも用いることができる。
【００２９】
絶縁層１１，１３としては、Ａｌ２Ｏ３のようなＡｌを含む酸化物，ＭｇＯ，ＭｇＺｎＯのようなＭｇを含む酸化物、ＳｉＯ２のようなＳｉを含む酸化物を用いることができる。
【００３０】
本実施例に示した第一のスピン蓄積素子の製造方法の概要を説明する。素子を作製する基板として、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）を用いることができる。また、第一のスピン蓄積素子を構成する要素を形成するための各膜は、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形成することができる。例えばＲＦスパッタリング法の場合、Ａｒ雰囲気中で、約０．１〜０．００１Ｐａの圧力、１００Ｗ〜５００Ｗのパワーで、所定の膜を成長させた。素子形成する基板は、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。
【００３１】
まず、熱酸化膜が形成されたＳｉ基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置で、下地層、電極層１０、絶縁層１１、１３、強磁性層１２，１４および保護膜を積層した。ここで、絶縁層１１，１３および強磁性層１２，１４はまだ分離しておらず、膜の状態である。強磁性層に用いた磁性材料はＣｏＦｅＢであり、その他、上述した材料が候補である。
【００３２】
次に、電子線描画法とドライエッチングによって、図１下図の上面図に示すような形状に多層膜全体を切り出した。さらに電子線描画法とドライエッチングによって、絶縁層１１、１３、強磁性層１２，１４を分離成型した。強磁性層１２上には、磁化を固定するための反強磁性層を作製する必要があるため、再び電子線描画法により、強磁性層１２上はレジストでマスクし、強磁性層１４上のみ穴がパターンを作製し、反強磁性層１５を積層し、リフトオフにより強磁性層１４上以外の反強磁性層部分を除去した。反強磁性層としてＭｎＩｒを用いたが、ＮｉＯ等の反強磁性体を用いても良い。その後、層間絶縁用膜を積層し、電極層１０と強磁性層１２，反強磁性層１５とに電極を作製するためのコンタクトホールを形成した。層間絶縁膜としては、Ａｌ２Ｏ３を用いたが、ＳｉＯ２、ＭｇＯなどの酸化物を用いてもよい。電極用配線膜を積層し、さらにフォトリソグラフィー法とイオンミリングにより電極パッドや配線の形状を形成した。以上の工程を経て、第一差動型スピン蓄積素子が完成する。本実施例では、領域１および領域２のそれぞれの強磁性層のｘ方向の幅は、wa＝100nm,wb＝20nmとし、y方向の幅はともに20nmとなる様に微細加工した。また、電極層１０として4nm厚のＣｕを用いた。
【００３３】
本実施例における第一のスピン蓄積素子において、la/lbを変化させた素子において、出力電圧ΔＶを測定したところ、図４に示すスピン電子密度と同様に、la/lb〜0.7で極大を示し、la/lb =0の場合に比べて１０％程度の出力増大を示した。0.1≦la/lb≦0.9の範囲で出力増大の効果があった。
【００３４】
次に、本実施例に係る第一のスピン蓄積素子用いた再生ヘッドの構成について説明する。
図５は、スピン蓄積再生ヘッドの模式図である。電極層５１０の一端上に、第１の絶縁層５１１を介して積層された強磁性体層５１２と、電極層５１０の他端上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層５１３を介して積層された第２の強磁性体層５１４と、強磁性層５１４の磁化を固定するための反強磁性層５１５、反強磁性層５１５に接続されている第２の電極層５１７があり、電極層５１０および５１７は絶縁層５３０および５３１を介して、磁気シールド５４０および５４１に接触している。強磁性層５１２は絶縁層を介さずに磁気シールド５４１に接触しており、磁気シールド５４１が電極として動作する。電流源５１９により、絶縁層５１３を通って強磁性体層５１４と電極層５１０との間にトンネル電流が流れ、記録媒体からの外部磁界により強磁性体層５１２の磁化の向きが変化する。強磁性層５１２と５１４との間の相対的な磁化の向きに依存して発生する電圧を、電極層５１０と、強磁性体層５１２に接続されている磁気シールド５４１との間に生じる電圧を電圧計５１８により検出する。図５の再生ヘッド構造の場合、図１におけるlfに相当する部分はないため、上述したように、電極層５１０と強磁性体層５１２に接続されている磁気シールド５４１との間に生じる電圧を検出する。尚、強磁性層５１２の磁区制御として、バイアス磁界を図５中のx方向に印加しても良い。
【００３５】
図６は、記録・再生磁気ヘッドの模式図を示す。６０１はスライダアーム、６０２は磁気ヘッド、６０３は本実施例に係る再生ヘッド部位、６０４は垂直記録方式やエネルギーアシストによる記録ヘッド部位をそれぞれ示す。
【００３６】
図７は、長手記録連続媒体、垂直記録連続媒体、ディスクリート媒体、パターン媒体
といった磁気記録層を有する磁気記録媒体７０１と、前記記録媒体を駆動する駆動部７０２と、図６で示した磁気ヘッド６０２と、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所定の位置へ移動させるアクチュエータ７０３およびスライダアーム６０１と、前記磁気ヘッドからの出力信号を処理する信号処理部７１０と、駆動部７０２及びアクュエータ７０３を制御する制御部７２０とを備えた磁気記録再生装置を表す。
【００３７】
本磁気記録再生装置は、スピンドルモータ等の駆動部７０２によって、磁気記録媒体７０１を回転させ、磁気ヘッド６０２による記録再生を行う。磁気ヘッド６０２から出力された電圧は、適切な信号処理によって、磁気記録媒体７０１の磁気情報を読み取ることが可能となる。
【実施例２】
【００３８】
第２の実施例について図８を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１と同様である。
【００３９】
図８は本実施例に係る第２のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層８１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で、第１の電極層の幅が、laとlbの異なる幅を備えている。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層８１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層８１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００４０】
電極層８１０、および、磁性導電体１２，１４の材料は、実施例１で示した材料とし、反強磁性導電体１５としてＭｎＩｒ、ＭｎＰｔ、ＭｎＲｈ等、絶縁層１１，１３としてＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、Ｚｒ２Ｏ３、Ｃｒ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＭｇＺｎＯ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を用いた。
【００４１】
図９は、領域２に注入されたスピン偏極電子が電極層８１０を拡散していく時、その密度の場所依存性を、電極層８１０の種々の形状に対して示したものである。ここで、図８(a)はla=0、wa=wb、(b)はwa=5wb、la=0.2lb、(c)はwa=5wb、la=0.4lb、 (d)はwa=5wb、la=lbの場合の様子をそれぞれ示している。-0.2lb≦y≦0が領域２、y=lbが領域１の左端に相当する。領域２のスピン偏極電子の密度は一定とし、-lb≦y≦-0.8lbおよび2.8lb≦y≦3lbに領域２より小さな一定密度のスピン偏極電子がある条件で、種々の電極層８１０の形状において、拡散方程式を解いたものである。
【００４２】
図１０に、図９(a)(b)(c)(d)におけるデバイス中央部分（x=0）のスピン電子密度を、ｙの関数として示す。y=lbにおいて、laが０から大きくなるにつれ、-0.2lb≦y≦0と2.8lb≦y≦3lbの領域間のスピン偏極電子密度差の最大で２３％程度相当のスピン偏極電子密度が大きくなる。すなわち、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間でlbより大きな一定の幅を持つ部分laを備えている場合の方が、la=0の場合に比べてより効率的にスピン偏極電子を拡散させていくことができ、実施例１と同様、出力ΔＶを増大させることができる。
【実施例３】
【００４３】
第３の実施例について図１１を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１、２と同様である。
【００４４】
図１１は本実施例に係る第３のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１１１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で、第１の電極層の幅が、laとlbの異なる幅を備えている。ここで、電極層１１１０のla部分の幅waが、lc部分の幅wcおよび領域２の幅wpよりも大きくなっている。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層１１１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１１１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００４５】
本実施例の場合、wc&#60;waであるため、領域２に注入されたスピン偏極電子は、領域２の左側よりも多く右側に流れ出す。さらに、実施例２と同様、y=lbにおいて、laが０から大きくなるにつれ、-0.2lb≦y≦0と2.8lb≦y≦3lbの領域間のスピン偏極電子密度差の２３％程度のスピン偏極電子密度が大きくなる。すなわち、電極層１１１０の形状を本実施例のようにすることで、出力ΔＶを増大させることができる。
【実施例４】
【００４６】
第４の実施例について図１２を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１、２と同様である。
【００４７】
図１２は本実施例に係る第４のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１２１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で、第１の電極層の幅が、laとlbの異なる幅を備えている。ここで、電極層１２１０のla部分の幅waが、lc部分の幅wcおよび領域２の幅wpよりも大きくなっており、さらに領域２の幅wpよりも大きな幅を持つla2部分を備えている。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層１２１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１２１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００４８】
本実施例の場合、wc&#60;waかつla2部分を持つため、領域２に注入されたスピン偏極電子は、領域２の左側よりも多く右側に流れ出す。さらに、実施例２と同様、y=lbにおいて、laが０から大きくなるにつれ、-0.2lb≦y≦0と2.8lb≦y≦3lbの領域間のスピン偏極電子密度差の２３％程度のスピン偏極電子密度が大きくなる。すなわち、電極層１２１０の形状を本実施例のようにすることで、出力ΔＶを増大させることができる。
【実施例５】
【００４９】
第５の実施例について図１３および図１４を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１、２と同様である。
【００５０】
図１３は本実施例に係る第５のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１３１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、電極層１３１０の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなり、かつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている。ここで、電極層１３１０のla部分の幅waが、lc部分の幅wcおよび領域２の幅wpよりも大きくなっている。図１４に示すように、さらに領域２の幅wpよりも大きな幅を持つla2部分を備えていてもよい。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層１３１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１３１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００５１】
本実施例の場合、wc&#60;waもしくはla2部分を持つため、領域２に注入されたスピン偏極電子は、領域２の左側よりも多く右側に流れ出す。また、実施例１と同様、y=lbにおいて、la/lb =0の時に比べてla/lb =0.7近傍ではさらに１２％程度スピン偏極電子密度が増大する。すなわち、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている場合の方が、la=0の場合に比べてより効率的にスピン偏極電子を拡散させていくことができ、出力ΔＶを増大させることができる。
【実施例６】
【００５２】
第６の実施例について図１５を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１、２と同様である。
【００５３】
図１５は本実施例に係る第６のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１５１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、電極層１５１０の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなり、かつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている。ここで、領域１の幅wfよりも、電極層１５１０の幅は領域１の右端を除いて広くなっている。また、実施例５に示したように、電極層１５１０のla部分の幅waが、lc部分の幅wcおよび領域２の幅wpよりも大きくなっていてもよい。また、領域２の幅wpよりも大きな幅を持つ部分を備えていてもよい。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層１５１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１５１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００５４】
本実施例の場合、実施例１と同様、y=lbにおいて、la/lb =0の時に比べてla/lb =0.7近傍ではさらに１２％程度スピン偏極電子密度が増大する。すなわち、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている場合の方が、la=0の場合に比べてより効率的にスピン偏極電子を拡散させていくことができ、出力ΔＶを増大させることができる。
【実施例７】
【００５５】
第７の実施例について図１６、図１７を用いて説明する。なお、実施例１、２に記載され、本実施例に記載されていない事項は実施例１、２と同様である。
【００５６】
図１６は本実施例に係る第７のスピン蓄積素子を模式的に示す側面図および上面図である。本素子は、第１の電極層１６１０の一端１上に、第１の絶縁層１１を介して積層された第１の強磁性体層１２と、前記第１の電極層の他端２上に、第１の絶縁層よりも大きな接合面積を持つ第２の絶縁層１３を介して積層された第２の強磁性体層１４と、前記第１の強磁性体層に接続されている検出電極１６と、前記第２の強磁性体層に接続されている第２の電極層１７とを備え、電極層１６１０の幅が、第１の絶縁層から第２の絶縁層方向に向かうにつれ大きくなり、かつ第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている。第１の絶縁層と第２の絶縁層の間の電極層１６１０は、複数のスピン拡散経路に分離し、領域１において合流するようになっている。この複数のスピン拡散経路は、図１７に示すように、複数のスピン注入領域２a、２b、２cから構成されていても良い。ここで、電極層１６１０の幅は領域１の右端を除いて領域１の幅wfよりも広くなっている。また、実施例５に示したように、電極層１６１０のla部分の幅waが、lc部分の幅wcおよび領域２の幅wpよりも大きくなっていてもよい。また、領域２の幅wpよりも大きな幅を持つ部分を備えていてもよい。実施例１と同様、電極層１７につながれている電流源１９から、第２の強磁性体層１４と第１の電極層１６１０との間にトンネル電流が流れ、外部磁界が印加されると第１の強磁性体層１２の磁化の向きが変化することで、前記第１の電極層１６１０と、前記第１の強磁性体層１２に接続されている検出電極１６との間に生じる電圧１８を検出することが可能である。
【００５７】
本実施例の場合、実施例１と同様、y=lbにおいて、la/lb =0の時に比べてla/lb =0.7近傍ではさらに１２％程度スピン偏極電子密度が増大する。すなわち、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間で一定の幅を持つ部分laを備えている場合の方が、la=0の場合に比べてより効率的にスピン偏極電子を拡散させていくことができ、出力ΔＶを増大させることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１…領域１、
２…領域２、
１０、５１０、８１０、１１１０、１２１０、１３１０，１４１０，１５１０，１６１０、１７１０…第１の電極層、
１１、５１１…第１の絶縁層、
１２、５１２…第１の強磁性体層、
１３、５１３…第２の絶縁層、
１４、５１４…第２の強磁性体層、
１５、５１５…反強磁性層、
１６…検出電極、
１７、５１７…第２の電極層、
１８、５１８…電圧、
１９、５１９…電流源、
２０…電極、
５３０、５３１…絶縁層、
５４０、５４１…磁気シールド、
６０１…スライダアーム、
６０２…磁気ヘッド、
６０３…記録ヘッド、
６０４…再生ヘッド、
７０１…記録媒体、
７０２…駆動部、
７０３…アクチュエータ、
７１０…信号処理部、
７２０…制御部。
【図１】
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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２】
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【図９】
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