(57)【要約】【課題】安定したスピントルク発振が実現でき、信頼性が高いスピントルク発振器を提供する。【解決手段】主磁極と、トレーリングシールド、およびスピントルク発振器を有する磁気記録ヘッドにおいて、スピントルク発振器の発振層と接する層に、スピンポンピング制御層を有することにより、スピントルク発振に必要な電流密度を低減する。さらに、スピントルク発振器を駆動するための駆動電流の電流密度は、発振層内の多数のスピンが同じ周波数で面内回転できる最適電流密度に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主磁極と、トレーリングシールド、およびスピントルク発振器を有する磁気記録ヘッドにおいて、スピントルク発振器の発振層と接する層に、スピンポンピング制御層を有するマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のスピンポンピング制御層として、Ｔｉ、  Ｖ、  Ｃｒ、  Ｃｕ、  Ａｇ、  Ａｕ、Ｔａから選ばれる少なくとも一つの材料を有するマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。  
【請求項３】
請求項１から２に記載のスピンポンピング制御層が、積層順に、主磁極、スピンポンピング制御層、発振層、スピン伝導層、スピン注入層、キャップ層、トレーリングシールドの順で積層されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１から２に記載のスピンポンピング制御層が、積層順に、主磁極、下地層、スピン注入層、スピン伝導層、発振層、スピンポンピング制御層、トレーリングシールドの順で積層されていることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドにおいて、トレーリングシールドのスピンポンピング制御層と接する界面側に、Ｔｉ、  Ｖ、  Ｃｒ、  Ｃｕ、  Ａｇ、  Ａｕ、Ｔａから選ばれる少なくとも一つの材料を下地層として用いることを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項６】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所望トラックに位置付けるヘッド駆動部を有する磁気記録装置において、
前記磁気ヘッドは、請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドを備えることを特徴とする磁気記録装置。
【請求項７】
主磁極と、トレーリングシールド、およびスピントルク発振器を有する磁気記録ヘッドにおいて、前記スピントルク発振器は、
前記主磁極と前記トレーリングシールドとの間に、前記主磁極側より、
スピン緩和が小さく、スピンが減少しない材料で構成されたスピンポンピング制御層、
マイクロ波アシスト記録用の大きな高周波磁界強度を発生させるための発振層、
前記スピンポンピング制御層と同様の機能を有するスピン伝導層、
高い垂直磁気異方性を有する材料で構成されたスピン注入層、及び
前記トレーリングシールドとの磁気的な結合を遮断するためのギャップ層
を積層した構造を有することを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項８】
主磁極と、トレーリングシールド、およびスピントルク発振器を有する磁気記録ヘッドにおいて、前記スピントルク発振器は、
前記主磁極と前記トレーリングシールドとの間に、前記トレーリングシールド側より、
スピン緩和が小さく、スピンが減少しない材料で構成されたスピンポンピング制御層、
マイクロ波アシスト記録用の大きな高周波磁界強度を発生させるための発振層、
前記スピンポンピング制御層と同様の機能を有するスピン伝導層、
高い垂直磁気異方性を有する材料で構成されたスピン注入層、及び
前記スピン注入層の垂直磁気異方性を発現させる材料で構成された下地層
を積層した構造を有することを特徴とするマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項９】
前記トレーリングシールドの表面に、前記スピンポンピング制御層と同じ機能を有し、かつ、前記トレーリングシールドとの密着性のよい材料で構成されたシード層を設けたことを特徴とする請求項８記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【請求項１０】
前記スピントルク発振器を駆動するための駆動電流の電流密度は、
前記発振層内の多数のスピンが同じ周波数で面内回転できる最適電流密度に設定することを特徴とする請求項７及び８のいずれかに記載のマイクロ波アシスト磁気記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、安定して高周波発振するスピントルク発振器、及び、高い磁気記録密度に対応した、マイクロ波アシスト記録用スピントルク発振器を有した磁気記録ヘッド、並びに磁気記録装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ  Ｄｉｓｋ  Ｄｒｉｖｅ）の再生ヘッドに用いられているＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）ヘッドや、スピン注入ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）など、スピンエレクトロニクス素子が情報技術の発展に大きな貢献をしている。このような、スピンエレクトロニクス素子の開発過程で、スピントルクを用いて磁性体を発振させ、マイクロ波を発生させるスピントルク発振器や、高周波電流を整流するスピントルクダイオード効果などが発見され、高周波の生成、検波、変調、増幅など、その応用の可能性は更なる広がりを見せている。特に、ＨＤＤへのスピントルク発振器の応用に関しては、将来の高記録密度を達成する手段として、大きな注目を浴びている。以下に、ＨＤＤの高記録密度化が直面する問題及び、それを解決し高記録密度を達成するための方法に関して、より詳細に背景を説明する。
【０００３】
ＨＤＤはその記録密度向上に伴い、年々、記録媒体のビットサイズは微細化が進んでいる。しかしながら、ビットサイズの微細化が進むにつれ、熱揺らぎによる記録状態の消失が懸念される。このような問題を解決し、将来の高密度記録での記録ビットを安定に維持するためには保磁力の大きな（すなわち磁気異方性の大きな）記録媒体を使用する必要があるが、保磁力の大きな記録媒体に記録を行うためには強い記録磁界が必要である。しかし実際には、記録ヘッドの狭小化及び、利用可能な磁性材料の制限により、記録磁界強度にも上限がある。このような理由により、記録媒体の保磁力は、記録ヘッドで発生可能な記録磁界の大きさによって制約される。このように、媒体の高い熱安定性と、記録しやすい保磁力という、相反する要求に応えるため、各種の補助手段を使って記録媒体の保磁力を記録時にのみ実効的に低くする記録手法が考案されており、磁気ヘッドとレーザなどの加熱手段を併用して記録を行う熱アシスト記録などがその代表である。
【０００４】
一方、記録ヘッドからの記録磁界に高周波磁界を併用することにより記録媒体の保磁力を局所的に低減させて記録を行うアイディアも存在する。例えば、特許文献１には、高周波磁界により磁気記録媒体をジュール加熱あるいは磁気共鳴加熱し、媒体保磁力を局所的に低減することにより情報を記録する技術が開示されている。このような高周波磁界と磁気ヘッド磁界との磁気共鳴を利用する記録手法（以降、マイクロ波アシスト記録という）では、磁気共鳴を利用するため、反転磁界の低減効果を得るには、媒体の異方性磁界に比例する、大きな高周波磁界を印加することが必要である。
【０００５】
近年になり、スピントルク発振器のように、スピントルクを用いた高周波磁界の発生原理が提案され、マイクロ波アシスト記録の可能性が現実的なものとなってきた。たとえば、非特許文献１には、外部からのバイアス磁界なしに発振するスピントルク発振器に関する計算結果が開示されている。また、非特許文献２には、垂直磁気ヘッドの主磁極に隣接した磁気記録媒体近傍に、スピントルクによって磁化が高速回転する磁化高速回転体（Ｆｉｅｌｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ＦＧＬ）を配置してマイクロ波（高周波磁界）を発生させ、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する技術が開示されている。さらに、非特許文献３には、ＦＧＬに近接する主磁極の磁界を利用してＦＧＬの回転方向を制御するスピントルク発振器が提示され、これにより、効率的に、媒体のマイクロ波アシスト磁化反転が実現できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４３５２７号公報
【特許文献２】特開２００９−４９１０１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｘ．  Ｚｈｕ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｇ．  Ｚｈｕ、  “Ｂｉａｓ−Ｆｉｅｌｄ−Ｆｒｅｅ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  Ｄｒｉｖｅｎ  ｂｙ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒｌｙ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｓｐｉｎ  Ｃｕｒｒｅｎｔ”  ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＭＡＧＮＥＴＩＣＳ、  Ｐ２６７０  ＶＯＬ．４２、  ＮＯ．１０  （２００６）
【非特許文献２】Ｊ．  Ｇ．  Ｚｈｕ  ａｎｄ  Ｘ．  Ｚｈｕ、  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ、’  Ｔｈｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  （ＴＭＲＣ）  ２００７  Ｐａｐｅｒ  Ｂ６  （２００７）
【非特許文献３】Ｊ．  Ｚｈｕ  ａｎｄ  Ｙ．  Ｗａｎｇ、  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｃｉｒｃｕｌａｒ  ＡＣ  Ｆｉｅｌｄ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｂｙ  Ｓｐｉｎ  Ｔｏｒｑｕｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ、’  ＭＭＭ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ２００８  Ｐａｐｅｒ  ＧＡ−０２（２００８）
【非特許文献４】Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、ＪＭＭＭ  １５０、１３−２４  （１９９５）
【非特許文献５】Ｍｉｚｕｋａｍｉ  ｅｔ  ａｌ．Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．Ｂ  ６６、１０４４１３（２００２）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マイクロ波アシスト記録用のスピントルク発振器に求められる特性は、大きな高周波磁界強度・高い発振周波数・大きなスピントルク効率・安定した発振特性であると考えられる。
【０００９】
とくに大きなアシスト効果を得るためには、大きな高周波磁界強度が必要で、そのためにはＦＧＬの飽和磁束密度Ｂｓおよび膜厚を厚くする必要がある。一方で、Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉの理論（非特許文献４）によると、Ｂｓおよび磁性層の膜厚が増加するにつれて、発振に必要な電流密度は増加する。しかしながら、一般的には１０８Ａ／ｃｍ２の電流密度を超えるオーダーの電流を流した場合には、発熱や、エレクトロマイグレーションによって、信頼性に問題が発生すると考えられている。したがって、大きな高周波磁界強度を得るためにＢｓおよび膜厚を厚くした場合には、大きなスピントルク効率と両立するためには、電流密度を増加させる以外の方法の検討が必要である。
【００１０】
その主たる方法として、磁性層のスピン偏極率（スピンの向きが揃っている度合い）を大きくする方法と、ダンピング（damping、スピンの制動(減衰)）を低減させる方法がある。磁性層のスピン偏極率を向上させるためには、ハーフメタル（上向き又は下向きのスピンを有するそれぞれの電子のエネルギーバンドのずれが大きくなり、エネルギーギャップを持つ物質（強磁性体））を用いることが考えられる。しかしながら、室温で強磁性を示すハーフメタルとして代表的なホイスラー合金（Ｃｏ，Ｆｅなどのそれぞれの元素が規則性を持って並ぶことで強磁性となる合金）は、非磁性金属を含む組成を基本としているため、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのみからなる高Ｂｓ材料に比べ、Ｂｓが小さくなるという問題点がある。そこで、磁性層のダンピングを低減させる方法を考える。
【００１１】
磁性層のダンピングは、磁性層の材料そのもののもつ磁気緩和機構によるものと、磁性層に隣接する材料からのスピンポンピング（磁性層から非磁性層へのスピンカレントの流出）に支配される。特に、磁性材料そのものの磁気緩和機構を考えた場合、フェルミ面の状態密度が低く、スピン軌道相互作用に起因するスピン緩和時間が大きい場合にダンピングが小さくなると考えられている。ここで、フェルミ面の状態密度が小さい磁性金属としては、主としてホイスラー合金が考えられるが、前述のとおり、Ｂｓが小さくなるため、ＦＧＬとして用いるには、Ｂｓの観点から十分ではないと考えられる。また、スピン緩和時間が長く、スピン軌道相互作用の小さい材料を選択することを考えた場合も、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉのみからなる高Ｂｓ材料と比較して、大きくＢｓを低下させずに、十分にダンピングを低減させるような材料構成に関する報告はない。
【００１２】
最後に、スピンポンピングを用いる方法に関しては、Ｍｉｚｕｋａｍｉらによる原理実験に関する報告（非特許文献５）がある。彼らの実験によると、４ｄや５ｄ軌道を有する元素などスピン軌道相互作用の大きな材料のひとつとしてＰｔをパーマロイ上に積層した構造では、Ｐｔによるスピンポンピングにより、パーマロイのダンピングが増加しているが、Ｐｔからのスピンポンピングの影響を断つために、パーマロイ、Ｃｕ、Ｐｔをこの順に積層し、Ｃｕの厚さを増加させることでＰｔからのスピンポンピングを断ち切り、パーマロイのダンピングを低減させることが可能である。
このように、Ｍｉｚｕｋａｍｉらは、パーマロイのダンピング低減にＣｕが有効であることを示したが、スピントルク発振器の発振層として用いられるＣｏＦｅを主とする高Ｂｓ材料に対して、実際にダンピングを低減可能な具体的な構成に関しては記載がない。
【００１３】
また、別の形態として、特許文献２に示されるように、ＭＲＡＭにおいて、磁化自由層の上部にキャップ層としてスピン拡散長の長い材料を用い、その上に引き出し導電層を有し、さらにその上に、スピン拡散長の短いスピンシンク層と、スピントルクフリー層を積層することで、スピン偏極電流（スピンの方向が一方に偏った電子集団からなる電流）を選択的に磁化自由層に流しつつ、磁化自由層とスピントルクフリー層の磁気結合を用いて磁化自由層の反転の際に生じる磁化方法の変動を抑制する構造に関する発明はあるものの、ＭＡＭＲ用のスピントルク発信器を実現可能な、具体的な材料構成に関して、過去に報告された例はない。
【００１４】
本発明の目的は、安定した発振が実現でき、信頼性が高いスピントルク発振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記問題を解決するための本発明の一形態は、主磁極上に、スピンポンピング制御層を有し、その上に発振層、スピン伝導層、スピン偏極層、キャップ層、トレーリングシールドを有することを特徴とするスピントルク発振器である。
【００１６】
スピンポンピング制御層は、スピン緩和の小さい材料で構成されているので、スピンが減少しない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、安定した発振が実現でき、信頼性が高いスピントルク発振器を提供することができる。
【００１８】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の具体的な構成である。
【図２】本発明の実施例１に記載の構造で観測された発振スペクトラムである。
【図３】最適電流密度の定義と発振スペクトラムの半値幅の関係である。
【図４】本発明の別の形態の具体的な構成である。
【図５】スピントルク発振器を搭載した磁気ヘッドの例を示す概略図である。
【図６】磁気ディスク装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の実施例を挙げ、図表を参照しながらさらに具体的に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の具体的な構成例の一つを図１に示す。図１に示される主磁極６の材料としては、高い記録磁界強度を確保するため、Ｂｓが２．４  ＴのＣｏＦｅＮｉを用いた。
【００２２】
次に、スピンポンピング制御層１からキャップ層５までの積層膜は、真空中で一括してスパッタ成膜した。以下、積層順に用いた材料の説明を進める。
【００２３】
スピンポンピング制御層１としては、できる限りスピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンの状態を維持したまま移動する距離）の長い材料を用いることがよく、実施例の一つとして、Ｃｒ（１０）を用いる。なお、（）内の数値は、膜厚をｎｍ単位で示したものである。スピンポンピング制御層１では、スピン緩和が小さく、スピンが減少しない。
【００２４】
その上に、発振層２としてＣｏ５０Ｆｅ５０（７）を形成した。なお、材料の添え字は、その材料の組成をａｔ％で表記したものである。発振層２は、マイクロ波アシスト記録用の大きな高周波磁界強度を発生させるためには、高Ｂｓでかつ厚膜である方がよいが、膜厚が厚くなるほど発振に必要な電流密度が増加する。代表的な膜厚として７ｎｍを用いたが、発振層の膜厚にかかわらず、本発明によるスピンポンピング制御層の発振電流密度の低減効果が観測可能である。
【００２５】
発振層２の材料としては、Ｃｏ５０Ｆｅ５０の他にも、その他の組成や材料を用いて比較的高Ｂｓな層を形成することも可能で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金や、スピン注入効率の高い材料としてＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉなどのホイスラー合金とＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金を積層させることで高Ｂｓと高いスピン偏極率を両立させたような構造にしてもよい。更にＣｏ／ＦｅやＣｏ／Ｉｒなどの負の垂直異方性を示す材料でも良い。
【００２６】
その上に積層されるスピン伝導層３としては、スピン拡散長の長い材料を用いることが可能で、本実施例ではＣｕ（３）を用いたが、そのほかにも、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属材料を用いることができる。また、ＴＭＲを利用したスピントルク発振器を構成することも可能で、その場合には、スピン伝導層３として、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯなど、大きなスピン依存トンネリング現象の期待できる絶縁層を形成することが望ましい。このスピン伝導層３は、スピンポンピング制御層１と同様の機能を有する。
【００２７】
その上に積層されるスピン注入層４は、高い垂直磁気異方性を有する材料を用いることが必要で、Ｃｏ（０．２）とＮｉ（０．４）を交互に１５回積層した人工格子薄膜を、垂直磁化膜を用いた。このほかにも、スピン注入層４としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜に第三元素としてＰｔやＰｄを添加した垂直磁気異方性を有する合金、もしくはＣｏ／Ｎｉ多層膜とＰｔ又はＰｄとの複合多層膜を用いた構造も用いることが可能である。作成した垂直磁化膜は、膜面に対して垂直方向に１４  ｋＯｅの磁気異方性を有し、スピントルクによる磁気擾乱に耐える、十分大きな異方性を有する。
【００２８】
主磁極６から、スピンポンピング制御層１、発振層２、そしてスピン伝導層３を通って注入された電子は、スピン伝導層３とスピン注入層４との界面で反射され、その反射された電子が発振層２にスピントルクを与える。この界面での反射では、スピン注入層４における図１の矢印で示した磁化とのスピン相互作用により、主磁極６から、スピンポンピング制御層１、発振層２、そしてスピン伝導層３を通って注入された電子のスピンの向きが、スピン注入層４の磁化の方向に揃えられる反作用のトルクとして発振層２に供給される。
【００２９】
その上に積層したキャップ層５としては、Ｒｕ（３）を用いた。キャップ層５は、その上部に位置するトレーリングシールド７との磁気的な結合を遮断するために必要であり、プロセス中のミリングダメージを防ぐ効果もある。このような目的が満たされる材料として、Ｒｕ（３）の他にも、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｔａなどを用いることが可能である。トレーリングシールド７は、主磁極６の磁界勾配を急峻にするために必要であるが、スピントルク発振器の高周波磁界強度が十分高い場合は、必ずしも必要ではない。
【００３０】
このようにして形成されたスピントルク発振器に対して、駆動電流がトレーリングシールド７から主磁極６の方向へ流れるように電流を流し、磁気抵抗振動の周波数成分をスペクトラムアナライザで観測することで、発振特性を評価した。このような発振評価方法を、以下ではＦＭＲ（Ｆｅｒｒｏ−Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）測定と呼ぶ。スピントルク発振は、外部磁界、異方性磁界、ダンピングトルク、スピントルクのバランスが釣り合った状態で発生する。
【００３１】
図２に、実際に観測されたＦＭＲスペクトラムの一例を示す。図に示すような鋭いピークは、スピントルク発振器が発振していることを意味している。このスペクトラムのピークの半値幅をＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）と定義する。このＦＷＨＭが小さいほど、高周波磁界の周波数成分の分散が少なく、周波数が揃っていることを示す。
【００３２】
ＦＷＨＭの電流密度依存性を測定した結果を、図３に示す。図３において、ＦＷＨＭの最も小さくなる電流密度は、発振層２内のスピンが最も安定して面内回転していること（発振層２内の多数のスピンが同じ周波数で面内回転している）と対応する。したがってスピントルク発振器を駆動する際は、ＦＷＨＭの最も小さくなる電流密度で用いることが望ましい。以下、材料ごとの駆動電流の電流密度を、ＦＷＨＭの最も小さくなる点で定義する。このときの電流密度を「最適電流密度」と定義する。
【００３３】
スピンポンピング制御層の材料と最適電流密度の関係を表１にまとめる。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
表１によると、スピンポンピング制御層１として、Ｐｔ（１０）やＩｒ（１０）を用いた場合には、５．０×１０８  Ａ／ｃｍ２を超える電流密度が必要なのに対し、Ｃｒ（１０）、Ｔｉ（１０）、Ｖ（１０）、Ａｕ（１０）、Ａｇ（１０）、Ｃｕ（１０）、Ｔａ（１０）を用いた場合には、すべて４．０×１０８  Ａ／ｃｍ２以下の電流密度での発振が確認された。スピン制御層１の膜厚は、必ずしも１０ｎｍ必要なわけではなく、１ｎｍ程度以上あればスピンポンピング効果を得ることが可能である。
【００３６】
また、素子の耐圧評価を行った結果、６．０×１０８  Ａ／ｃｍ２を超える電流を流した場合に非可逆な抵抗上昇がみられ、ＦＭＲも観測されなくなったため、少なくとも、これ以下の電流密度でスピントルク発振器を駆動させる必要がある。さらに、長期信頼性も考慮すると、４．０×１０８  Ａ／ｃｍ２程度以下の電流密度で駆動させる必要があると考えられる。
【００３７】
本発明で用いた、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａは、いずれの材料の場合でも、上記クライテリアを満たす低い電流密度で安定発振させることが可能である。
【実施例２】
【００３８】
本発明の別の実施形態を、図４に示す。図４に示される主磁極６の材料としては、高い記録磁界強度を確保するため、Ｂｓが２．４ＴのＣｏＦｅＮｉを用いた。
【００３９】
本実施例では、実施例１の図１に示した、主磁極６とトレーリングシールド７との間に設けた積層構造とは積層の順序を逆にした構造を有する。図４に示すように、積層の順序を逆にすることにより、主磁極６と発振層２との距離が広がって、距離の調節が容易になる。一般に、記録媒体の性質や使用条件によって、主磁極６と発振層２との距離の最適値が存在する。
【００４０】
次に、下地層８からスピンポンピング層５までの積層膜は、真空中で一括してスパッタ成膜した。以下、積層順に用いた材料の説明を進める。
【００４１】
下地層８としては、スピン注入層４の垂直磁気異方性を発現させる材料であればよく、本実施例ではＴａ（１０）を用いた。このほかにも、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｐｔなどを用いることができる。
【００４２】
その上に積層されるスピン注入層４は、高い垂直磁気異方性を有する材料を用いることが必要で、Ｃｏ（０．２）とＮｉ（０．４）を交互に１５回積層した人工格子薄膜を用いた。このほかにも、スピン注入層４としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜に第三元素としてＰｔやＰｄを添加した垂直磁気異方性を有する合金、もしくはＣｏ／Ｎｉ多層膜とＰｔ又はＰｄとの複合多層膜を用いた構造も用いることが可能である。作成した垂直磁化膜は、膜面に対して垂直方向に１６  ｋＯｅの磁気異方性を有し、スピントルクによる磁気擾乱に耐える、十分大きな異方性を有する。
【００４３】
その上に積層されるスピン伝導層３としては、スピン拡散長の長い材料を用いることが可能で、本実施例ではＣｕ（３）を用いたが、そのほかにも、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの金属材料を用いることができる。また、ＴＭＲを利用したスピントルク発振器を構成することも可能で、その場合には、スピン伝導層３として、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｎＯなど、大きなスピン依存トンネリング現象の期待できる絶縁層を形成することが望ましい。
【００４４】
その上に、発振層２としてＣｏ５０Ｆｅ５０（７）を形成した。発振層２は、大きな高周波磁界強度を得るために、高Ｂｓでかつ厚膜である方がよいが、膜厚が厚くなるほど発振に必要な電流密度が増加する。代表的な膜厚として７ｎｍを用いたが、発振層の膜厚にかかわらず、本発明によるスピンポンピング制御層１の発振電流密度の低減効果が観測可能である。発振層２の材料としては、Ｃｏ５０Ｆｅ５０の他にも、その他の組成や材料を用いて比較的高Ｂｓな層を形成することも可能で、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金や、スピン注入効率の高い材料としてＣｏＦｅＧｅ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＦｅＡｌ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉなどのホイスラー合金とＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉまたはこれらを含む合金を積層させることで高Ｂｓと高いスピン偏極率を両立させたような構造にしてもよい。更にＣｏ／ＦｅやＣｏ／Ｉｒなどの負の垂直異方性を示す材料でも良い。
【００４５】
その上に形成されるスピンポンピング制御層１としては、できる限りスピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長の長い材料を用いることがよく、本実施例では、Ｔｉ（１０）を用いた。
【００４６】
本実施例の構成では、スピンポンピング制御層１は、その上部に位置するトレーリングシールド７との磁気的な結合を切るためにも必要であり、プロセス中のミリングダメージを防ぐ効果も兼ねている。また、このような目的が満たされる材料として、Ｔｉ（１０）の他にも、Ｃｒ、Ｖ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａなどを用いることが可能である。トレーリングシールド７は、主磁極６の磁界勾配を急峻にするために必要であるが、スピントルク発振器の高周波磁界強度が十分高い場合は、必ずしも必要ではない。
【００４７】
このようにして形成されたスピントルク発振器に対して、駆動電流が主磁極６からトレーリングシールド７の方向へ流れるように電流を流し、磁気抵抗振動の周波数成分をスペクトラムアナライザで観測することで、発振特性を評価した。
【００４８】
その結果として、スピンポンピング制御層１の材料と最適電流密度の関係を表２にまとめる。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
表２によると、スピンポンピング制御層１として、Ｐｔ（１０）やＩｒ（１０）を用いた場合には、５．０×１０８  Ａ／ｃｍ２を超える電流密度が必要なのに対し、Ｃｒ（１０）、Ｔｉ（１０）、Ｖ（１０）、Ａｕ（１０）、Ａｇ（１０）、Ｃｕ（１０）、Ｔａ（１０）を用いた場合には、すべて４．０×１０８  Ａ／ｃｍ２以下の電流密度での発振が確認された。スピン制御層１の膜厚は、必ずしも１０ｎｍ必要なわけではなく、１ｎｍ程度以上あればスピンポンピング効果を得ることが可能である。また、素子の耐圧評価を行った結果、６×１０８  Ａ／ｃｍ２を超える電流を流した場合に非可逆な抵抗上昇がみられ、ＦＭＲも観測されなくなったため、少なくとも、これ以下の電流密度でスピントルク発振器を駆動させる必要がある。さらに、長期信頼性も考慮すると、４．０×１０８  Ａ／ｃｍ２程度以下の電流密度で駆動させる必要があると考えられる。
【００５１】
本発明の第二の形態で用いた、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａは、いずれの材料の場合でも、上記クライテリアを満たす低い電流密度で安定発振させることが可能である。
【実施例３】
【００５２】
実施例２に記載の構成において、トレーリングシールド７を形成する場合は、主磁極６の磁界勾配を急峻にするために、透磁率の高い軟磁性材料を使うことが望ましい。具体的には、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉなどを用いることが可能である。トレーリングシールド７は、一般的にはスピントルク発振器を成膜したのち、ミリングや絶縁膜の成膜など、複数のプロセス工程を経た後に形成される。その場合は、スピントルク発振器やその周囲の絶縁膜との密着性を高めるために、シード層を用いることが望ましい。
【００５３】
本実施例では、トレーリングシールド７のシード層として、Ｃｒ（１０）を用いた。本構成では、積層順に、発振層２の上に位置するスピンポンピング制御層１および、トレーリングシールド７を構成するすべての層が、実質的にスピンポンピング制御層として機能する。この時形成したトレーリングシールド７のシード層膜厚は、必ずしも１０ｎｍ必要なわけではなく、１ｎｍ程度以上あればスピンポンピング効果と密着性を向上させる効果を両立することが可能である。トレーリングシールド７の表面（スピンポンピング制御層１が接する側）に設けたシード層は、スピンポンピング制御層１と同じ機能を有し、かつ、トレーリングシールド７との密着性のよい材料で構成すればよい。
【実施例４】
【００５４】
図５は、実施例１〜３に記載されたスピントルク発振器を搭載した磁気ヘッドの断面拡大図である。磁気ヘッドは、記録ヘッド部と再生ヘッド部により構成されており、記録ヘッド部は、補助磁極２０６、主磁極６とトレーリングシールド７との間に配置されたスピントルク発振器２０１、主磁極を励磁するコイル２０５等により構成される。記録磁界は主磁極６から発生される。再生ヘッド部は、下部シールド２０８と上部シールド２１０の間に配置された再生センサ２０７等により構成される。図示されてはいないが、コイルの励磁電流や再生センサの駆動電流及び高周波磁界発生素子への印加電流は、各々の構成要素毎に設けられた電流供給端子により供給される。
【００５５】
図５に示すように、トレーリングシールド７は素子高さ方向上方にて主磁極６の方へ延び、互いに磁気的な回路を構成している。ただし、素子高さ方向上方においては電気的には絶縁されているものとする。その結果、主磁極６からスピントルク発振器２０１を介してトレーリングシールド７へ、直列の電気回路が形成されるため、主磁極６及びトレーリングシールド７に電極を接続することで、スピントルク発振器２０１へスピントルク発振に必要な電流を流すことが可能である。
【実施例５】
【００５６】
実施例４に示した磁気ヘッド、及び磁気記録媒体を組み込んで磁気記録再生装置を構成した。図６は本実施例の磁気記録再生装置の全体構成を示す模式図であり、図６（Ａ）は上面図、図６（Ｂ）はそのＡ−Ａ′での断面図である。磁気記録媒体（磁気ディスク）１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図６では３枚の磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あれば良い。磁気記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向移動し、先端部に磁気ヘッドを有する。サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を磁気記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。ロータリアクチュエータ１０３によってアーム１０５を駆動することにより、スライダ１０２に搭載された磁気ヘッドは、磁気記録媒体１０１上の所望トラックに位置付けられる。
【００５７】
磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、リードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、磁気記録再生装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１０とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。
【００５８】
上述したような構成について、本発明の磁気ヘッド及びこれを搭載した磁気記録再生装置を試験した結果、充分な出力と、高い記録密度を示し、また動作の信頼性も良好であった。
【００５９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【符号の説明】
【００６０】
１  スピンポンピング制御層  
２  発振層  
３  スピン伝導層  
４  スピン注入層  
５  キャップ層  
６  主磁極  
７  トレーリングシールド  
８  下地層
１００  モータ
１０１  記録媒体
１０２  スライダ
１０３  ロータリアクチユエータ
１０４  回転軸受け
１０５  アーム
１０６  サスペンション
１０８  配線
１１０  プロセッサ
１１１  メモリ
１１２  チャネルＩＣ
１１３  ＩＣアンプ
２０１  スピントルク発振器
２０５  コイル
２０６  補助磁極
２０７  再生センサ
２０８  下部シールド
２１０  上部シールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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