熱マグノンによるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）
【課題】 熱マグノンによるスピントルク発振素子を提供する。
【解決手段】 「熱マグノンによる」スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、熱流のみを用いて、スピントルク（ＳＴ）効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させる。熱マグノンによるＳＴＯは、従来型の自由層および基準層に加えて、さらに、固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、その磁性酸化物層の１つの表面上の強磁性金属層と、自由層および金属層間の非磁性導電層と、磁性酸化物層のもう一方の表面上の電気抵抗性ヒータとを含む。熱マグノン効果のために、金属層と伝導層と自由層とを通る磁性酸化物層からの熱流によって、最終的に、自由層に対するスピン移行トルク（ＳＴＴ）が生じる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。
【解決手段】 「熱マグノンによる」スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、熱流のみを用いて、スピントルク（ＳＴ）効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させる。熱マグノンによるＳＴＯは、従来型の自由層および基準層に加えて、さらに、固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、その磁性酸化物層の１つの表面上の強磁性金属層と、自由層および金属層間の非磁性導電層と、磁性酸化物層のもう一方の表面上の電気抵抗性ヒータとを含む。熱マグノン効果のために、金属層と伝導層と自由層とを通る磁性酸化物層からの熱流によって、最終的に、自由層に対するスピン移行トルク（ＳＴＴ）が生じる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にはスピントルク発振素子（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＳＴＯ）に関し、さらに具体的には、磁界センサ、およびＳＴＯセンサを用いる感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして用いられる従来型の磁気抵抗型（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）センサの１つのタイプは、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）効果に基づく「スピンバルブ（ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅ）」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、典型的には銅（Ｃｕ）である非磁性の導電スペーサ層によって分離される２つの強磁性層を含む積層体（層スタック）を有する。スペーサ層に隣接する１つの強磁性層は、例えば、隣接する反強磁性層との交換結合によってピン止めされることによって、自身の磁化の方向が固定されており、基準層と呼称される。スペーサ層に隣接するもう一方の強磁性層は、外部磁界の存在によって自身の磁化の方向が自由に回転し、自由層と呼称される。センサにセンス電流が印加されると、例えばディスク上の記録磁気ビットからの外部磁界の存在によって、基準層の磁化に対して自由層の磁化が回転し、それを、電気抵抗における変化として検出できる。センス電流がセンサ積層体における層の平面を貫通するように垂直に導かれる場合は、そのセンサは、面直電流（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）センサと呼称される。
【０００３】
ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドに加えて、もう１つのタイプのＣＰＰセンサがあり、それは、トンネルＭＲまたはＴＭＲセンサとも呼称される磁気トンネル接合センサである。このセンサにおいては、非磁性のスペーサ層が、非常に薄い非磁性のトンネル障壁層である。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサにおいては、層を垂直に貫通するトンネル電流は、２つの強磁性層における磁化の相対的な配向（orientation）によって変化する。ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドにおいては、非磁性のスペーサ層は、通常ＣｕまたはＡｇのような金属である導電材料から形成されるが、ＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドにおいては、非磁性のスペーサ層は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁性の材料から形成される。
【０００４】
ＣＰＰ−ＭＲセンサにおいては、信号および信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を最大化するために、センサを高いセンス電流密度で操作することが望ましい。しかし、ＣＰＰ−ＭＲセンサは、電流によって誘起されたノイズに非常に敏感でありかつ不安定であることが知られている。スピン偏極されたセンス電流は強磁性層を垂直に貫通して流れ、局在的な磁化に対するスピントルク（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴ）効果を生成する。これは、自由層の磁化のゆらぎをもたらす可能性があり、センス電流が大きい場合には、相当程度の低周波磁気ノイズを生じさせる。比較的最近には、ＳＴ効果が熱勾配によって惹起されることが可能であり、その場合、絶縁性のフェライト内に生成されるマグノン（magnon）が、強磁性層内において電子スピン流に転化されることが示されている（非特許文献１）。
【０００５】
スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、自由層に対して作用するＳＴ誘導力を利用するために、Ｉｃよりも大きい電流において操作されるデバイスである。Ｉｃよりも高い固定された直流電流がＳＴＯを通るように導かれると、ＳＴ効果のために、自由層の磁化の持続的な振動が生起する。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサが提案されてきた。ＳＴＯ磁界センサにおいては、自由層磁化の振動周波数が外部磁界の印加によって偏移し、この周波数の偏移を、外部磁界の変化の検出に用いることができる。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサにおいては、センサを通る電流が、自由層の磁化の持続的な振動を駆動すると共に、外部磁界による自由層磁化の振動における周波数の偏移を感知するのにも用いられる。しかし、ＳＴＯセンサにおいては、センス電流が、自由層の磁化の持続的な振動を惹起するのに必要な電流値である閾値電流より大幅に高くなるべきではないので、出力信号の振幅出力が制限される。本願と同じ譲受人に譲渡される（特許文献１）と、（特許文献２）とは、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するためのＳＴＯセンサを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２８７９９Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２０１６１４Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、「Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｂｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆｒｏｍ ｍａｇｎｏｎｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ８２．０５４４０３（２０１０）
【非特許文献２】Ｋ．Ｍｉｚｕｓｈｉｍａら、「Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｓｉｇｎａｌ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｒａｔｅ ｒｅａｄ ｈｅａｄｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０７、０６３９０４ ２０１０
【非特許文献３】Ｂｏｎｅｔｔｉら、「ＳＴＯ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｓ．ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ：Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ６５ ＧＨｚ」、ＡＰＬ ９４ １０２５０７（２００９）
【非特許文献４】Ｊ．Ｇ．Ｚｈｕら、「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．１、２００８年１月、ｐ１２５−１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
必要であるのは、自由層磁化の振動周波数の監視を可能にするＳＴＯであり、自由層磁化の振動周波数における偏移を感知するＳＴＯセンサであって、閾値電流によって制限されない高い出力信号振幅を有するＳＴＯおよびＳＴＯセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるＳＴＯは、熱流のみを用いてＳＴ効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させる「熱マグノンによる」ＳＴＯである。熱マグノンによるＳＴＯは、例えば、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドのようなＳＴＯ磁界センサとしても機能し得る。熱マグノンによるＳＴＯは、従来型の自由層および基準層に加えて、さらに、固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、その磁性酸化物層の１つの表面上の強磁性金属層と、自由層および金属層間の非磁性導電層と、磁性酸化物層のもう一方の表面上の電気抵抗性ヒータとを含む。熱マグノン効果のために、金属層と伝導層と自由層とを通る磁性酸化物層からの熱流によって、最終的に、自由層に対するスピン移行トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）が生じる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。センス電流の電子の流れは熱流と同じ方向であるので、電子の流れが、自由層に相当程度のスピントルクを加えることはない。この方式において、熱流は、自由層にＳＴを発生させる手段であって振動の感知に用いられる電荷電流とは無関係な手段を提供する。これによって、大きな電荷電流を印加できるようになり、大きなＳＴＯ出力、すなわち、振動の発生に電荷電流に付随するスピン流のみが用いられる場合より遥かに大きなＳＴＯ出力が得られる。
【００１０】
本発明の特性および利点をさらに完全に理解するためには、添付の図面を参照してなされる以下の詳細説明を参照するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来型の磁気記録ハードディスクドライブの、カバーが取り外された状態の概略的な上面図である。
【図２】図１の２−２の方向から見たスライダの拡大端面図およびディスクの断面図である。
【図３】図２の３−３の方向から見た図であり、読み取り／書き込みヘッドの端部を含むスライダの空気ベアリング表面（ＡＢＳ）を示す。
【図４】膜面垂直方向電流磁気抵抗型（ＣＰＰ−ＭＲ）読み取りヘッドのＡＢＳの断面模式図であり、先行技術による磁気シールド層の間に配置される積層体を示している。
【図５】磁気記録ディスクドライブとして実施した場合の本発明の一実施形態に基づく熱マグノンによるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）感知システムの模式図である。
【図６】ＳＴＯセンサ積層体における特定の層が実質的に自由層の膜面内に配置される図５の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によるＳＴＯは、磁界センサとしての用途以外の応用分野を有するが、以下においては、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドとして詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図４は、従来型のＣＰＰ磁気抵抗型（ＭＲ）磁界感知センサおよびシステムを表している。図１は、従来型の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。このディスクドライブは、磁気記録ディスク１２と、ディスクドライブのハウジングまたはベース１６の上に支持される回転ボイスコイルモータ（ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）アクチュエータ１４とを含む。ディスク１２は、回転中心１３を有し、ベース１６に装着されるスピンドルモータ（図示されていない）によって１５の方向に回転される。アクチュエータ１４は、軸１７の回りに旋回すると共に、剛性のアクチュエータアーム１８を含んでいる。一般的に可撓性のサスペンション２０は、フレクシャー要素（flexure）２３を含み、アーム１８の末端に取り付けられる。ヘッドキャリヤまたは空気ベアリングスライダ２２はフレクシャー要素２３に取り付けられる。磁気記録読み取り／書き込みヘッド２４は、スライダ２２のトレーリング表面２５に形成される。フレクシャー２３およびサスペンション２０は、スライダが、回転ディスク１２によって生成される空気ベアリング上で「ピッチング（前後方向での傾斜）」および「ローリング（左右方向での傾斜）」することを可能にする。通常、スピンドルモータによって回転されるハブ上には複数のディスクが積み重ねられ、別個のスライダおよび読み取り／書き込みヘッドが各ディスク表面に付属している。
【００１４】
図２は、図１の２−２の方向から見たスライダ２２の拡大端面図およびディスク１２の断面図である。スライダ２２は、フレクシャー要素２３に取り付けられると共に、ディスク１２に面する空気ベアリング表面（ａｉｒ−ｂｅａｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）２７と、ＡＢＳに略垂直なトレーリング表面２５とを有する。ＡＢＳ２７によって、回転ディスク１２からの空気流が、スライダ２２をディスク１２の表面に非常に近接して、あるいはそれにほぼ接触するように支持する空気ベアリングを生成する。読み取り／書き込みヘッド２４は、トレーリング表面２５の上に形成される。また、読み取り／書き込みヘッド２４は、トレーリング表面２５上の端子パッド２９への電気接続によって、ディスクドライブの読み取り／書き込み電子装置に接続される。図２の断面図に示すように、ディスク１２は、クロストラック方向に間隔をおいて配置される離散的なデータトラック５０を含むパターン化媒体ディスクであり、そのデータトラック５０の１つが読み取り／書き込みヘッド２４と位置合わせされて示されている。離散的なデータトラック５０は、クロストラック方向におけるトラック幅（ｔｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ）ＴＷを有し、円周方向において連続的な磁化可能材料から形成することができる。この場合、パターン化媒体ディスク１２は、離散トラック媒体（ｄｉｓｃｒｅｔｅ−ｔｒａｃｋ−ｍｅｄｉａ：ＤＴＭ）ディスクと呼称される。代替方式として、データトラック５０が、トラックに沿って間隔をおいて配置される離散的なデータアイランドを含むことができる。この場合は、パターン化媒体ディスク１２は、ビットパターン化媒体（ｂｉｔ−ｐａｔｔｅｒｎｅｄ−ｍｅｄｉａ：ＢＰＭ）ディスクと呼称される。ディスク１２は、記録層がパターン化されずに、記録材料の連続的な層である従来型の連続媒体（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｍｅｄｉａ：ＣＭ）ディスクとすることもできる。ＣＭディスクにおいては、書き込みヘッドが連続記録層の上に書き込む際に、トラック幅ＴＷの同心のデータトラックが作成される。
【００１５】
図３は、図２の３−３の方向から見た図であり、ディスク１２から見た読み取り／書き込みヘッド２４の端部を示す。読み取り／書き込みヘッド２４は、スライダ２２のトレーリング表面２５の上に堆積され、かつリソグラフィーによってパターン化された一連の薄膜である。書き込みヘッドは、垂直の書き込み磁極（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗｒｉｔｅ ｐｏｌｅ：ＷＰ）を含み、トレーリングシールドおよび側部シールド（図示されていない）の両方またはいずれか一方を含むことができる。ＣＰＰ−ＭＲセンサまたは読み取りヘッド１００は、２つの磁気シールドＳ１およびＳ２の間に配置される。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、透磁性の材料、典型的にはＮｉＦｅ合金から形成され、また導電性とすることもできるので、それは、読み取りヘッド１００に対する電気的リードとして機能することが可能である。この磁気シールドは、読み取りヘッド１００を、読み取られているデータビットに隣接する記録データビットからシールドするように機能する。別個の電気的リードを用いてもよいが、この場合は、読み取りヘッド１００は、例えば、タンタル、金または銅のような導電性のリード材料の層であって磁気シールドＳ１、Ｓ２と接触している層と接触するように形成される。図３は、非常に小さい寸法を示すことが困難なので、縮尺どおりではない。典型的には、各磁気シールドＳ１、Ｓ２は、トラックに沿う方向において数ミクロンであり、これに対して、トラックに沿う方向における読み取りヘッド１００の全厚さは２０〜４０ｎｍの範囲とすることができる。
【００１６】
図４は、ディスクから見たＡＢＳの図であって、ＣＰＰ−ＭＲセンサ構造を構成する層を示す図である。センサ１００は、２つの磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２の間に形成される積層体を含むＣＰＰ−ＭＲ読み取りヘッドである。センサ１００は、ＡＢＳにおける前端部と、トラック幅（ＴＷ）を画定する離隔配置される側端部１０２、１０４とを有する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、導電性の材料から形成され、従って、センス電流ＩＳのための電気的リードとしても機能することができる。このセンス電流ＩＳは、一般的にセンサ積層体の各層を垂直に貫通して導かれる。代替方式として、別個の電気的リード層を、シールドＳ１、Ｓ２とセンサ積層体との間に形成してもよい。下部の磁気シールドＳ１は、通常、センサ積層体の成長用の平滑な基板とするために、化学的機械的研摩（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって研摩される。例えば薄いＲｕ／ＮｉＦｅ二重層であるシード層１０１が、通常スパッタリングによって磁気シールドＳ２の下に堆積され、相対的に厚い磁気シールドＳ２の電気メッキを容易にする。
【００１７】
センサ１００の層は、横方向（ページの中に）に向けられた固定された磁気モーメントまたは磁化の方向１２１を有する基準強磁性層１２０と、ディスク１２からの横方向の外部磁界に応じて層１１０の面内に回転できる磁気モーメントまたは磁化の方向１１１を有する自由強磁性層１１０と、基準層１２０および自由層１１０の間の非磁性スペーサ層１３０とを含む。ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサとすることもできる。この場合は、非磁性スペーサ層１３０を、通常Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇのような金属の導電材料から形成することになるであろう。代わりの方式として、ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００をＣＰＰトンネルＭＲ（ＣＰＰ−ＴＭＲ）センサとすることもできる。この場合は、非磁性スペーサ層１３０は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁性の材料から形成されるトンネル障壁になるであろう。
【００１８】
ＣＰＰ−ＭＲセンサにおけるピン止め（pinned）される強磁性層は、単一のピン止め層、あるいは、図４に示すような逆平行の（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ：ＡＰ）ピン止め構造とすることができる。ＡＰピン止め構造は、非磁性の逆平行結合（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）層１２３によって分離される第１（ＡＰ１）強磁性層１２２および第２（ＡＰ２）強磁性層１２０を有するが、その場合、２つのＡＰピン止め強磁性層の磁化の方向は実質的に逆平行に向けられている。ＡＰ２層１２０は、一方の側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接触し、もう一方の側でセンサの電気的非磁性スペーサ層１３０に接触しており、このＡＰ２層１２０は、通常、基準層と呼称される。ＡＰ１層１２２は、通常、一方の側で反強磁性層１２４または硬質マグネットピンニング層（hard magnet pinning layer）に接触し、もう一方の側で非磁性のＡＰＣ層１２３に接触しており、このＡＰ１層１２２は、通常、ピン止め層と呼称される。ＡＰピン止め構造は、基準／ピン止め層とＣＰＰ−ＭＲ自由強磁性層との間の純静磁気結合を最小化する。ＡＰピン止め構造は、時に、「層状化（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）」ピン止め層、または合成反強磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ：ＳＡＦ）とも呼称される。
【００１９】
図４のＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおけるピン止め層は、ＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３を挟んで反強磁性的に結合された、基準強磁性層１２０（ＡＰ２）と下部の強磁性層１２２（ＡＰ１）とを有する周知のＡＰピン止め構造である。ＡＰＣ層１２３は、通常Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒまたはこれらの合金である。ＡＰ１およびＡＰ２層並びに自由強磁性層１１０は、通常、結晶性のＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金、あるいはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層のような多層のこれらの材料から形成される。ＡＰ１およびＡＰ２強磁性層は、逆平行に向けられたそれぞれの磁化方向１２７、１２１を有する。ＡＰ１層１２２は、図４に示すように、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＡＦ）層１２４に対して交換結合することによってその磁化方向をピン止めすることができる。ＡＦ層１２４は、通常、Ｍｎ合金、例えば、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎまたはＲｈＭｎである。代替的に、ＡＰピン止め構造を「自己ピン止め（ｓｅｌｆ−ｐｉｎｎｅｄ）」とすることができる。「自己ピン止め」センサにおいては、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、通常、製作されたセンサ内に存在する磁気ひずみおよび残留応力によって、一般的にディスク表面に垂直に設定される。ＡＰ１およびＡＰ２層は同様のモーメントを有することが望ましい。これによって、ＡＰピン止め構造の純磁気モーメントが小さくなることが保証され、その結果、自由層１１０に対する静磁気結合が最小化されると共に、ＡＰピン止め構造の純モーメントにほぼ反比例するＡＦ層１２４の有効ピンニング磁界が高いままで維持される。
【００２０】
シード層１２５を下部のシールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に配置することができる。ＡＦ層１２４を用いる場合は、シード層１２５は、ＡＦ層１２４の成長を促進する。シード層１２５は、通常、１層または多層のＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｔａ、ＣｕまたはＲｕである。キャッピング層１１２は、自由強磁性層１１０と上部のシールド層Ｓ２との間に配置される。キャッピング層１１２は、腐食を防止し、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉのような、あるいは、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔｉ／ＲｕまたはＣｕ／Ｒｕ／Ｔａの三重層のような、単層または異なる材料の多層とすることができる。
【００２１】
また、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔ硬質磁気バイアス層のような強磁性バイアス層１１５も、通常、センサ１００の側端部１０２、１０４近傍のセンサ積層体の外側に形成される。バイアス層１１５は、絶縁層１１６によって、センサ１００の側端部１０２、１０４から電気的に絶縁される。場合によっては、特にバイアス層がＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒ層である場合には、バイアス層１１５の成長を容易にするため、例えばＣｒＭｏまたはＣｒＴｉのＣｒ合金のようなシード層１１４を絶縁層１１６の上に堆積することができる。バイアス層１１５の頂部には、例えばＣｒの層または多層のＴａ／Ｃｒのようなキャッピング層１１８を堆積する。キャッピング層１１８の上層部、例えばＣｒは、センサ製作の間の化学的機械的研摩（ＣＭＰ）の停止層としての役目を果たす。バイアス層１１５は、一般的にＡＢＳに平行な磁化１１７を有し、従って、自由層１１０の磁化１１１を面内にバイアスをかける。このため、外部磁界が存在しない場合には、その磁化１１７は自由層１１０の磁化１１１に平行である。強磁性バイアス層１１５は、反強磁性層に交換結合される硬質磁気バイアス層または強磁性層とすることができる。シールド層Ｓ２のための、例えばＮｉＦｅ層のようなシード層１０１を、センサ１００およびキャッピング層１１８の上部に配置することができる。
【００２２】
対象の範囲となる外部磁界、すなわちディスク１２に記録されたデータからの磁界が存在する場合には、自由層１１０の磁化の方向１１１は回転し、一方、基準層１２０の磁化の方向１２１は実質的に固定されたままで回転しないであろう。自由層の磁化１１１が基準層の磁化１２１に対して回転する結果、電気抵抗に変化が生じる。従って、センス直流電流Ｉｓがセンサ１００内の積層体を通って導かれると、この抵抗変化が、ディスク上の記録データからの信号磁界の強さに比例する電圧信号として検出される。センス電流は強磁性層を貫通して垂直に流れ、局在する磁化に対するスピントルク（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴ）効果を作出する。Ｉｓがある臨界電流（Ｉｃ）よりも大きいと、このＳＴ効果は自由層の磁化の旋回またはゆらぎを生成する。比較的最近、ＳＴ効果が熱勾配によって惹起される可能性があり、その場合、絶縁性のフェライト内に生成されるマグノンが、強磁性層内において電子スピン流に転化されることが示されている（非特許文献１）。
【００２３】
スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、自由層に対して作用するＳＴ誘導力を利用するために、Ｉｃよりも大きい電流において操作されるデバイスである。Ｉｃよりも高い固定された直流電流が、適正に選択された層を含むＳＴＯを通るように導かれると、ＳＴ効果のために、自由層の磁化の持続的な振動が生起する。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサが提案されてきた。ＳＴＯ磁界センサにおいては、自由層磁化の振動周波数が外部磁界の印加によって偏移し、この周波数の偏移を、外部磁界の変化の検出に用いることができる。従って、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するためのＳＴＯ磁界センサが、従来型のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに代わるものとして提案されてきた。これは、例えば、本願と同じ譲受人に譲渡される（特許文献１）と、（特許文献２）とに記載されているとおりである。商業的に入手できる磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドにおいて使用されるＣＰＰ−ＴＭＲまたはＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおいては、センサを通る電流は、電気抵抗の変化、従ってディスクからの磁界の変化を感知するために用いられるので、通常、センス電流と呼称される。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサにおいては、センサを通る電流を電荷電流とも呼称することができる。それは、その電流が、自由層の振動周波数の偏移、すなわち外部磁界を感知するために用いられることに加えて、ＳＴ効果を惹起する電子の流れをも発生させるからである。
【００２４】
本発明によるＳＴＯは、ＳＴ効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させるために熱流のみを用いる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。この「熱マグノンによる（thermagnonic）」ＳＴＯは、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドのようなＳＴＯ磁界センサとしても機能することが可能である。ＳＴを発生させるスピン流は、絶縁性のフェライト内のマグノンから生じ、センス電流によって生成されるスピン流から切り離されている。従来型のＳＴＯにおいては、ＳＴＯを、閾値電流を僅かに超えた電荷電流レベル、すなわち自由層磁化の持続的な振動を惹起するだけの電流において操作することが望ましい。従って、本発明のＳＴＯにおいては、熱流のみによってＳＴ効果を惹起するので、ＳＴＯを通るセンス電流をこの閾値電流よりもかなり高くすることができ、従ってより高い出力信号が生成される。
【００２５】
図５は、本発明の一実施形態に基づく熱マグノンによるＳＴＯセンサ２００を用いた磁界感知システムの模式図である。このシステムは、ＳＴＯセンサ２００を備えた磁気記録ディスクドライブであって、そのＡＢＳがディスク２５０に面する磁気記録ディスクドライブとして表現されている。センサ２００は、個々の層のセットを含み、かつ、ＣＰＰセンサ１００に関して上に述べたＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサの特徴を有する。
【００２６】
ディスク２５０は、基板２５２と、磁気記録媒体として機能する記録層２５４であって、ＡＢＳの方を向くまたはそれと反対側を向く矢印によって表現される磁化領域を備えた記録層２５４とを有する。ディスクが回転すると、磁化領域は、センサ２００を通過して矢印２１５の方向に動く。記録層２５４は、記録層２５４の平面に垂直に磁化される領域を含む垂直磁気記録媒体として表現されているが、代わりの方式として、その領域が記録層２５４の面内において磁化される面内磁気記録媒体（longitudinal magnetic recording medium）とすることもできる。
【００２７】
ＳＴＯセンサ２００は、層のセットを堆積するための基板として機能し得る第１シールド層Ｓ１と、第２シールド層Ｓ２と、感知されるべき外部磁界が存在すると自由に振動する実質的に面内の磁化２１１を有する自由強磁性層２１０とを有する。自由層２１０は、非磁性のスペーサ層２３０および固定された面内磁化２２１を有する基準層２２０を含むＣＰＰ構造の一部分である。ＣＰＰ構造は、スペーサ層２３０が絶縁性のトンネル障壁層であるＣＰＰ−ＴＭＲ構造であってもよいし、あるいは、スペーサ層２３０が非磁性の伝導スペーサ層であるＣＰＰ−ＧＭＲ構造であってもよい。基準層２２０は、単一のピン止め層、あるいはＡＰピン止め構造のＡＰ２層とすることができる。従って、基準層２２０、スペーサ層２３０および自由層２１０の組成および厚さは、ＣＰＰ−ＴＭＲおよびＣＰＰ−ＧＭＲ構造用として前記に述べたものと同様にすることができる。Ｓ１および基準層２２０の間に非強磁性の伝導金属層２２５を配置して、Ｓ１と、基準層２２０またはセンサ積層体における他の強磁性層との間のいかなる磁気交換相互作用をも破棄すると共に、一方では導電性を許容するようにする。層２２５用の典型的な材料として、Ｃｕ、Ａｇ、ＴａおよびＲｕが含まれる。熱マグノンによるＳＴＯセンサ２００は、さらに、固定された面内磁化２６１を有する磁性酸化物層２６０と、磁性酸化物層２６０の１つの表面上の強磁性金属層２６５と、自由層２１０および金属層２６５の間の非磁性導電層２７０とを含む。外部磁界が存在しない場合は、自由層２１０の磁化２１１は、基準層２２０の磁化２２１に実質的に逆平行で、磁性酸化物層２６０の磁化２６１に平行であり、かつＡＢＳに実質的に垂直であるべきである。自由層２１０の磁化２１１は、記録層２５４に向かう方向またはそれから離れる方向を指すことができる。
【００２８】
磁性酸化物層２６０と第２シールドＳ２との間において、磁性酸化物層２６０のもう一方の表面上に電気抵抗性のヒータ層２８０が配置される。電気抵抗性ヒータ層２８０として用いる材料には、グラファイトライクカーボン、クロム（Ｃｒ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、タンタル（Ｔａ）およびチタン（Ｔｉ）が含まれる。この電気抵抗性ヒータ層２８０は、ヒータ回路３１０に接続され、このヒータ回路３１０は、磁性酸化物層２６０をシールドＳ１の温度Ｔ０より高い温度Ｔ１に加熱するヒータ電流ＩＨを発生する。これによって、磁性酸化物層２６０から、金属層２６５、伝導層２７０および自由層２１０を通る熱流を惹起する熱勾配が生成される。
【００２９】
センス電流回路３２０は、端子３０１を介してＳ１に、かつ、端子３０２を介して伝導層２７０に接続されており、Ｓ１から自由層２１０を通って伝導層２７０に至るセンス電流ＩＳを発生させる。センス電流の方向は、熱流の方向と反対向きである。従って、センス電流の電子の流れは熱流と同じ方向であり、その結果、電子の流れが自由層に相当程度のスピントルクを加えることはない。この方式において、熱流は、自由層に対してスピントルクを発生させる手段であって、振動の感知に用いられる電荷の流れとは無関係な手段を提供する。これによって、大きな電荷電流の印加が可能になり、大きな発振素子出力、すなわち、振動の発生に電荷電流に付随するスピン流のみが用いられる場合より遥かに大きな出力が得られるであろう。また、電荷電流を反対方向に流すことも可能であるが、通常、これは、熱によって発生するスピン流が振動を発生するのを補助するためには低い電荷電流が必要になると見られるために、低い発振素子出力しかもたらさないであろう。検出器３５０は、センス電流ＩＳ用の回路３２０に結合される。検出器３５０は、記録層２５４の磁化領域からの外部磁界に応じた自由層磁化２１１の振動周波数の基礎周波数からの偏移を検出する。
【００３０】
ＳＴＯセンサ２００は、ＡＢＳから後退した背面領域に、Ｓ１、伝導層２７０およびＳ２を相互に電気絶縁するための絶縁材料２９０を含む。積層体におけるセンサ層の順序は、図５に示すものから逆転させることができる。この場合は、抵抗性ヒータ層２８０を最初にＳ１上に堆積し、続いて、磁性酸化物層２６０、金属層２６５、伝導層２７０、自由層２１０、非磁性スペーサ層２３０、基準層２２０および層２２５を順次堆積し、Ｓ２は層２２５の上に配置する。
【００３１】
磁性酸化物層２６０は、１〜２０ｎｍの範囲の厚さを有する実質的に絶縁性の強磁性フェライトである。従って、磁性酸化物層２６０は、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択することができる。金属層２６５は、磁性酸化物層２６０および伝導層２７０の間にその両者に直接接触するように配置され、かつ、強磁性の金属または合金である。好ましい材料として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅおよびそれらの合金、並びにＭｎを含むホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、例えば、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉおよびＣｏＭｎＡｌ、の１つ以上が含まれる。金属層２６５は、磁性酸化物層２６０の全表面をカバーするような連続膜であるべきであり、従って少なくとも０．５ｎｍの厚さであるべきであるが、そのスピン拡散長さより大きくないことが望ましい。このスピン拡散長さは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびその合金の場合２〜５ｎｍである。層２６５の厚さは通常約２ｎｍになるであろう。スピン拡散長さは、スピン流が散乱からその振幅の１／ｅを失う距離である。金属層２６５および自由層２１０の間の非磁性伝導層２７０は、好ましくはＣｕであるが、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌ、あるいはそれらの合金とすることもできる。非磁性伝導層２７０は、ＡｌおよびＣｕの場合数１００ｎｍの大きさになり得るスピン拡散長さよりも薄い厚さを有することができる。狭い読み取り間隙を維持する記録ヘッドの場合は、層２７０の厚さは、大幅に小さく、好ましくは約１〜５ｎｍとするべきである。
【００３２】
本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯの操作においては、ヒータ層２８０が磁性酸化物層２６０の片面を温度Ｔ１＞Ｔ０に加熱し、その結果、熱が、磁性酸化物層の片面からもう一方の面に、そしてさらに自由層２１０に流れる。温度勾配は、酸化物内部に局在するスピンの熱的なゆらぎを発生させ、これは、隣接スピン間の交換相互作用のために、スピン波として知られる空間的相関波を形成する。光が波であり、かつ同時に個々の光子（それぞれ角運動量量子
【数１】
を有する。但し、
【数２】
で、ｈはＰｌａｎｃｋ定数）から構成されるのと全く同様に、スピン波は個々のマグノン（それぞれ同様に角運動量量子を有する）から構成される。「スピン」が意味するのは、電子のような荷電粒子におけるこの角運動量の結果である磁気モーメントである。すなわち、電子から構成される各マグノンはスピンモーメントの１つの量子（Ｂｏｈｒ磁子と呼称され、
【数３】
である。但し、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質量である）を伴っている。酸化物中のマグノンは、酸化物自体の磁化とは反対向きのスピンを有する。デバイス２００において、マグノンが、磁性酸化物層２６０の強磁性金属層２６５との界面に達すると、強磁性金属は、１つの伝導電子のスピンを（スピン軌道の相互作用を介して）反転させることによって、磁化の１量子単位（磁子）をマグノンから強磁性金属の伝導電子の中に移行するように作用する。この電子は、続いて、非磁性伝導層２７０に流入し、さらに引き続いて強磁性の自由層２１０と相互作用する。磁性酸化物層２６０の強磁性金属層２６５との界面の磁化に反対向きのスピンを有する電子の正味の発生があるために、そしてまたその電子が高温で、従って高速であるために、磁性酸化物層２６０から自由層２１０への正味のスピン流が存在し、このスピン流は、自由磁化および酸化物磁化が実質的に平行に向けられる場合には、名目上の自由層磁化の方向に実質的に反対向きになるであろう。熱的に駆動されるスピン流に加えて、スピンの濃度勾配（concentration gradient）もスピン流に寄与することが可能である。スピンが強磁性金属に注入される場所（高スピン濃度）と自由層（スピンの散乱によって低スピン濃度が生成される場所）との間の濃度差によって、スピンの流動、すなわちスピン流が生じる。自由層２１０において生起するスピン流の消散によって、結果的に自由層２１０に対するスピン移行トルク（ＳＴＴ）が生じる。磁性酸化物層２６０および自由層２１０の磁化２６１、２１１は、それぞれ平行に向いており、その結果、熱流によって発生するＳＴＴが、自由層２１０の磁化２１１の持続的な振動を誘起するのである。
【００３３】
ＳＴＴを発生させるためのマグノンからの熱輸送の概念は、前記に引用した（非特許文献１）にさらに詳細に記述されている。著者のＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉは、熱マグノンによるＳＴＴの効率を、電荷電流によるＳＴＴよりも６０〜８０倍まで高くし得ることを推定している。従って、磁性酸化物層２６０／金属層２６５の界面と自由層２１０との間の１０〜１００℃の温度差によって、自由層磁化２１１の持続的な振動を惹起するのに十分なＳＴＴがもたらされるであろう。本発明の熱マグノンによるＳＴＯにおいては、センス電流の方向が、電荷電流のみによる自由層磁化の持続的な振動の惹起が望ましい場合に選択されるであろう方向と反対向きである。電荷電流のみによって駆動される従来型のＳＴＯにおける電荷電流の好ましい操作点は、閾値電流のすぐ上であり、３０ｎｍ×３０ｎｍのデバイスの場合、約０．２〜１ｍＡである。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイスとして操作される同じサイズの同様のデバイスの場合には、センス電流の限界は約３ｍＡ以上である。従って、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイスに用いられるものに関するセンス電流の３〜１０倍に及ぶ改善、すなわち出力信号の振幅における同様の改善は、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯによって達成可能になる。
【００３４】
本発明によるディスクドライブＳＴＯセンサの一例として、自由層磁化の持続的な振動が電荷電流のみによって駆動される場合には、閾値電流密度は約１〜２×１０７Ａ／ｃｍ２になるであろう。外部磁界が存在しない場合、約４〜８ＧＨｚの共振または基礎周波数（使用する強磁性材料の飽和磁化に応じて変化する）における自由層磁化の持続的な振動を発生させるために、磁性酸化物層／金属層の界面から自由層に至る約２０℃の熱勾配を発生させる電気抵抗性ヒータで十分であろう。記録層２５４における正および負の磁化は、センサが媒体上部を通過する高さにおいて１００〜５００Ｏｅの磁界を発生することができ、かつ、２ＧＨｚまでの周波数で自由層２１０を通過することができる。この磁界は、自由層２１０の磁化２１１の振動の基礎振動周波数における約±１ＧＨｚの偏移を惹起するであろう。センス電流密度は、閾値電流密度を大きく超える約２×１０８Ａ／ｃｍ２までにすることができる。検出器３５０は、電気抵抗の変化を測定することによって自由層磁化の振動周波数を測定できる。１つの検出技術においては、自由層の磁化の振動からの周波数変調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＦＭ）信号が電圧パルス列（デジタル信号）に変換され、ＦＭ検出用の遅延検波法が用いられる（非特許文献２）。
【００３５】
磁気記録用途の場合には、トラックに沿う方向（図５における矢印２１５に平行な方向）における記録磁気ビットの最高度の空間分解能（spatial resolution）を達成するために、ＳＴＯセンサ層を、積層体として、磁気シールド間のできるだけ狭い空間内に適合させることが望ましい。図６は、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯセンサの一実施形態を示す。このセンサにおいては、磁性酸化物層２６０ａと、金属層２６５ａと、非磁性の伝導層２７０ａとが積層体内にあるのではなく、全体として自由層２１０と同じ面内に形成されている。磁性酸化物層２６０ａと、金属層２６５ａと、非磁性伝導層２７０ａとは、図６においてＡＢＳから後退した位置に示されており、さらに、電気抵抗性のヒータ層２８０ａは磁性酸化物層２６０ａよりもＡＢＳからなお一層後退しているが、磁性酸化物層２６０ａの１つの表面と接触している。絶縁体２９０と同様の絶縁体２９１が、Ｓ１を、層２６０ａ、２６５ａおよび２７０ａと、抵抗性ヒータ層２８０ａとから分離する。いかなる磁気交換相互作用をも破棄するために、層２２５のような非強磁性の伝導金属層２６７がＳ２と自由層２１０との間に配置される。層２６０ａ、２６５ａおよび２７０ａは、ＡＢＳから後退する位置に配置する代わりに、自由層２１０のどちらかの側面（クロストラック方向）に配置することができる。この場合は、それらの端部が、自由層２１０の端部と同様に実質的にＡＢＳの位置にあり、しかも全体として自由層２１０と同じ面内に形成される。いずれの場合においても、Ｓ１−Ｓ２間のシールド対シールド間隔は図５の実施形態よりも縮減される。この実施形態においては、センス電流用の電気回路３２０ａは、それぞれＳ１およびＳ２上の端子３０１、３０３間に接続され、自由層２１０を通る電流の方向は熱流の方向に反対向きとなるであろう。
【００３６】
前記のように、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯを、磁界センサ、特に磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドとしての用途に関して詳細に記述したが、本発明は他の用途をも有する。熱マグノンによるＳＴＯの他の用途はすべて、自由層の振動の周波数または位相の検出にセンス電流を利用し得るという利点を享受できるが、この用途分野としては、ミクサー、無線、携帯電話およびレーダ（車両レーダを含む）が含まれる。例えば（非特許文献３）を参照されたい。
【００３７】
さらに別の用途は、磁気記録ディスクドライブのような磁気記録における高周波アシスト書き込み用である。マイクロ波アシスト磁気記録（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ：ＭＡＭＲ）とも呼称されるこの技術においては、ＳＴＯは、高周波の振動磁界を、従来型の書き込みヘッドからの書き込み磁界に対する補助的な磁界として記録層の磁気粒子に印加する。この補助磁界は、記録層における磁気粒子の共振周波数に近い周波数を有することができるので、アシスト記録なしの場合に可能であるよりは低い従来型の書き込みヘッドからの書き込み磁界において、粒子の磁化の切り換えを可能にする。ＭＡＭＲシステムの１つのタイプにおいては、ＧＭＲまたはＴＭＲのいずれかに基づくＳＴＯが、外部磁界が存在しない場合に、層の面に垂直に向けられた基準層の磁化および自由層の磁化によって操作される。例えば（非特許文献４）を参照されたい。従って、図５に示すような本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯを、ＭＡＭＲ用のＳＴＯとして用いる場合には、基準層２２０および磁性酸化物層２６０の磁化２２１、２６１は、それぞれ、層の面に垂直に向けられ、自由層２１０の磁化２１１も、熱流がない場合には層の面に垂直に向けられるであろう。その場合、センス電流ＩＳが、自由層の磁化２１１の振動周波数の監視用として用いられる。
【００３８】
本発明を、好ましい実施形態を参照して具体的に示しかつ説明したが、当業者は、形式および詳細における種々の変更が、本発明の本質および範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。従って、開示された発明は、単に例示的なものと見做されるべきであり、添付の特許請求の範囲に規定される範囲においてのみ限定される。
【符号の説明】
【００３９】
１２ 磁気記録ディスク
１３ 回転中心
１４ アクチュエータ
１５ 回転方向
１６ ベース
１７ 軸
１８ アーム
２０ サスペンション
２２ スライダ
２３ フレクシャー
２４ ヘッド
２５ トレーリング表面
２７ 空気ベアリング表面
２９ 端末パッド
５０ データトラック
１００ 読み取りヘッド
１０１ シード層
１０２ 側端部
１０４ 側端部
１１０ 自由層
１１１ 磁化方向
１１２ キャッピング層
１１４ シード層
１１５ バイアス層
１１６ 絶縁層
１１７ 磁化方向
１１８ キャッピング層
１２０ 第２強磁性層、基準層
１２１ 磁化方向
１２２ 第１強磁性層、ピン止め層
１２３ 逆平行結合層
１２４ 反強磁性層
１２５ シード層
１２７ 磁化方向
１３０ スペーサ層
２００ ＳＴＯセンサ
２１０ 自由層
２１１ 磁化方向
２１５ 移動方向
２２０ 基準層
２２１ 磁化方向
２２５ 伝導金属層
２３０ スペーサ層
２５０ ディスク
２５２ 基板
２５４ 記録層
２６０、２６０ａ 磁性酸化物層
２６１、２６１ａ 磁化方向
２６５、２６５ａ 金属層
２６７ 伝導金属層
２７０、２７０ａ 伝導層
２８０ ヒータ層
２９０ 絶縁体
２９１ 絶縁体
３０１ 端子
３０２ 端子
３０３ 端子
３１０ ヒータ回路
３２０、３２０ａ センス電流回路
３５０ 検出器
ＡＢＳ 空気ベアリング表面
ＡＰ１ 第１強磁性層
ＡＰ２ 第２強磁性層
ＡＰＣ 逆平行結合層
ＩＨ ヒータ電流
ＩＳ センス電流
Ｓ１ 第１シールド層
Ｓ２ 第２シールド層
Ｔ０、Ｔ１、ＴＷ 温度
ＷＰ 書き込み磁極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にはスピントルク発振素子（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ：ＳＴＯ）に関し、さらに具体的には、磁界センサ、およびＳＴＯセンサを用いる感知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして用いられる従来型の磁気抵抗型（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ：ＭＲ）センサの１つのタイプは、巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）効果に基づく「スピンバルブ（ｓｐｉｎ−ｖａｌｖｅ）」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、典型的には銅（Ｃｕ）である非磁性の導電スペーサ層によって分離される２つの強磁性層を含む積層体（層スタック）を有する。スペーサ層に隣接する１つの強磁性層は、例えば、隣接する反強磁性層との交換結合によってピン止めされることによって、自身の磁化の方向が固定されており、基準層と呼称される。スペーサ層に隣接するもう一方の強磁性層は、外部磁界の存在によって自身の磁化の方向が自由に回転し、自由層と呼称される。センサにセンス電流が印加されると、例えばディスク上の記録磁気ビットからの外部磁界の存在によって、基準層の磁化に対して自由層の磁化が回転し、それを、電気抵抗における変化として検出できる。センス電流がセンサ積層体における層の平面を貫通するように垂直に導かれる場合は、そのセンサは、面直電流（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−ｐｌａｎｅ：ＣＰＰ）センサと呼称される。
【０００３】
ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドに加えて、もう１つのタイプのＣＰＰセンサがあり、それは、トンネルＭＲまたはＴＭＲセンサとも呼称される磁気トンネル接合センサである。このセンサにおいては、非磁性のスペーサ層が、非常に薄い非磁性のトンネル障壁層である。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサにおいては、層を垂直に貫通するトンネル電流は、２つの強磁性層における磁化の相対的な配向（orientation）によって変化する。ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドにおいては、非磁性のスペーサ層は、通常ＣｕまたはＡｇのような金属である導電材料から形成されるが、ＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドにおいては、非磁性のスペーサ層は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁性の材料から形成される。
【０００４】
ＣＰＰ−ＭＲセンサにおいては、信号および信号対ノイズ比（ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）を最大化するために、センサを高いセンス電流密度で操作することが望ましい。しかし、ＣＰＰ−ＭＲセンサは、電流によって誘起されたノイズに非常に敏感でありかつ不安定であることが知られている。スピン偏極されたセンス電流は強磁性層を垂直に貫通して流れ、局在的な磁化に対するスピントルク（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴ）効果を生成する。これは、自由層の磁化のゆらぎをもたらす可能性があり、センス電流が大きい場合には、相当程度の低周波磁気ノイズを生じさせる。比較的最近には、ＳＴ効果が熱勾配によって惹起されることが可能であり、その場合、絶縁性のフェライト内に生成されるマグノン（magnon）が、強磁性層内において電子スピン流に転化されることが示されている（非特許文献１）。
【０００５】
スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、自由層に対して作用するＳＴ誘導力を利用するために、Ｉｃよりも大きい電流において操作されるデバイスである。Ｉｃよりも高い固定された直流電流がＳＴＯを通るように導かれると、ＳＴ効果のために、自由層の磁化の持続的な振動が生起する。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサが提案されてきた。ＳＴＯ磁界センサにおいては、自由層磁化の振動周波数が外部磁界の印加によって偏移し、この周波数の偏移を、外部磁界の変化の検出に用いることができる。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサにおいては、センサを通る電流が、自由層の磁化の持続的な振動を駆動すると共に、外部磁界による自由層磁化の振動における周波数の偏移を感知するのにも用いられる。しかし、ＳＴＯセンサにおいては、センス電流が、自由層の磁化の持続的な振動を惹起するのに必要な電流値である閾値電流より大幅に高くなるべきではないので、出力信号の振幅出力が制限される。本願と同じ譲受人に譲渡される（特許文献１）と、（特許文献２）とは、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するためのＳＴＯセンサを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２８７９９Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２０１６１４Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、「Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ ｂｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｆｒｏｍ ｍａｇｎｏｎｓ」、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ８２．０５４４０３（２０１０）
【非特許文献２】Ｋ．Ｍｉｚｕｓｈｉｍａら、「Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏｓ ｉｎ ｈｉｇｈ−ｓｉｇｎａｌ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｒａｔｅ ｒｅａｄ ｈｅａｄｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１０７、０６３９０４ ２０１０
【非特許文献３】Ｂｏｎｅｔｔｉら、「ＳＴＯ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｓ．ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ：Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ６５ ＧＨｚ」、ＡＰＬ ９４ １０２５０７（２００９）
【非特許文献４】Ｊ．Ｇ．Ｚｈｕら、「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．１、２００８年１月、ｐ１２５−１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
必要であるのは、自由層磁化の振動周波数の監視を可能にするＳＴＯであり、自由層磁化の振動周波数における偏移を感知するＳＴＯセンサであって、閾値電流によって制限されない高い出力信号振幅を有するＳＴＯおよびＳＴＯセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるＳＴＯは、熱流のみを用いてＳＴ効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させる「熱マグノンによる」ＳＴＯである。熱マグノンによるＳＴＯは、例えば、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドのようなＳＴＯ磁界センサとしても機能し得る。熱マグノンによるＳＴＯは、従来型の自由層および基準層に加えて、さらに、固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、その磁性酸化物層の１つの表面上の強磁性金属層と、自由層および金属層間の非磁性導電層と、磁性酸化物層のもう一方の表面上の電気抵抗性ヒータとを含む。熱マグノン効果のために、金属層と伝導層と自由層とを通る磁性酸化物層からの熱流によって、最終的に、自由層に対するスピン移行トルク（ｓｐｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴＴ）が生じる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。センス電流の電子の流れは熱流と同じ方向であるので、電子の流れが、自由層に相当程度のスピントルクを加えることはない。この方式において、熱流は、自由層にＳＴを発生させる手段であって振動の感知に用いられる電荷電流とは無関係な手段を提供する。これによって、大きな電荷電流を印加できるようになり、大きなＳＴＯ出力、すなわち、振動の発生に電荷電流に付随するスピン流のみが用いられる場合より遥かに大きなＳＴＯ出力が得られる。
【００１０】
本発明の特性および利点をさらに完全に理解するためには、添付の図面を参照してなされる以下の詳細説明を参照するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来型の磁気記録ハードディスクドライブの、カバーが取り外された状態の概略的な上面図である。
【図２】図１の２−２の方向から見たスライダの拡大端面図およびディスクの断面図である。
【図３】図２の３−３の方向から見た図であり、読み取り／書き込みヘッドの端部を含むスライダの空気ベアリング表面（ＡＢＳ）を示す。
【図４】膜面垂直方向電流磁気抵抗型（ＣＰＰ−ＭＲ）読み取りヘッドのＡＢＳの断面模式図であり、先行技術による磁気シールド層の間に配置される積層体を示している。
【図５】磁気記録ディスクドライブとして実施した場合の本発明の一実施形態に基づく熱マグノンによるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）感知システムの模式図である。
【図６】ＳＴＯセンサ積層体における特定の層が実質的に自由層の膜面内に配置される図５の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明によるＳＴＯは、磁界センサとしての用途以外の応用分野を有するが、以下においては、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドとして詳細に説明する。
【００１３】
図１〜図４は、従来型のＣＰＰ磁気抵抗型（ＭＲ）磁界感知センサおよびシステムを表している。図１は、従来型の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。このディスクドライブは、磁気記録ディスク１２と、ディスクドライブのハウジングまたはベース１６の上に支持される回転ボイスコイルモータ（ｖｏｉｃｅ ｃｏｉｌ ｍｏｔｏｒ：ＶＣＭ）アクチュエータ１４とを含む。ディスク１２は、回転中心１３を有し、ベース１６に装着されるスピンドルモータ（図示されていない）によって１５の方向に回転される。アクチュエータ１４は、軸１７の回りに旋回すると共に、剛性のアクチュエータアーム１８を含んでいる。一般的に可撓性のサスペンション２０は、フレクシャー要素（flexure）２３を含み、アーム１８の末端に取り付けられる。ヘッドキャリヤまたは空気ベアリングスライダ２２はフレクシャー要素２３に取り付けられる。磁気記録読み取り／書き込みヘッド２４は、スライダ２２のトレーリング表面２５に形成される。フレクシャー２３およびサスペンション２０は、スライダが、回転ディスク１２によって生成される空気ベアリング上で「ピッチング（前後方向での傾斜）」および「ローリング（左右方向での傾斜）」することを可能にする。通常、スピンドルモータによって回転されるハブ上には複数のディスクが積み重ねられ、別個のスライダおよび読み取り／書き込みヘッドが各ディスク表面に付属している。
【００１４】
図２は、図１の２−２の方向から見たスライダ２２の拡大端面図およびディスク１２の断面図である。スライダ２２は、フレクシャー要素２３に取り付けられると共に、ディスク１２に面する空気ベアリング表面（ａｉｒ−ｂｅａｒｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ：ＡＢＳ）２７と、ＡＢＳに略垂直なトレーリング表面２５とを有する。ＡＢＳ２７によって、回転ディスク１２からの空気流が、スライダ２２をディスク１２の表面に非常に近接して、あるいはそれにほぼ接触するように支持する空気ベアリングを生成する。読み取り／書き込みヘッド２４は、トレーリング表面２５の上に形成される。また、読み取り／書き込みヘッド２４は、トレーリング表面２５上の端子パッド２９への電気接続によって、ディスクドライブの読み取り／書き込み電子装置に接続される。図２の断面図に示すように、ディスク１２は、クロストラック方向に間隔をおいて配置される離散的なデータトラック５０を含むパターン化媒体ディスクであり、そのデータトラック５０の１つが読み取り／書き込みヘッド２４と位置合わせされて示されている。離散的なデータトラック５０は、クロストラック方向におけるトラック幅（ｔｒａｃｋ ｗｉｄｔｈ）ＴＷを有し、円周方向において連続的な磁化可能材料から形成することができる。この場合、パターン化媒体ディスク１２は、離散トラック媒体（ｄｉｓｃｒｅｔｅ−ｔｒａｃｋ−ｍｅｄｉａ：ＤＴＭ）ディスクと呼称される。代替方式として、データトラック５０が、トラックに沿って間隔をおいて配置される離散的なデータアイランドを含むことができる。この場合は、パターン化媒体ディスク１２は、ビットパターン化媒体（ｂｉｔ−ｐａｔｔｅｒｎｅｄ−ｍｅｄｉａ：ＢＰＭ）ディスクと呼称される。ディスク１２は、記録層がパターン化されずに、記録材料の連続的な層である従来型の連続媒体（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｍｅｄｉａ：ＣＭ）ディスクとすることもできる。ＣＭディスクにおいては、書き込みヘッドが連続記録層の上に書き込む際に、トラック幅ＴＷの同心のデータトラックが作成される。
【００１５】
図３は、図２の３−３の方向から見た図であり、ディスク１２から見た読み取り／書き込みヘッド２４の端部を示す。読み取り／書き込みヘッド２４は、スライダ２２のトレーリング表面２５の上に堆積され、かつリソグラフィーによってパターン化された一連の薄膜である。書き込みヘッドは、垂直の書き込み磁極（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｗｒｉｔｅ ｐｏｌｅ：ＷＰ）を含み、トレーリングシールドおよび側部シールド（図示されていない）の両方またはいずれか一方を含むことができる。ＣＰＰ−ＭＲセンサまたは読み取りヘッド１００は、２つの磁気シールドＳ１およびＳ２の間に配置される。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、透磁性の材料、典型的にはＮｉＦｅ合金から形成され、また導電性とすることもできるので、それは、読み取りヘッド１００に対する電気的リードとして機能することが可能である。この磁気シールドは、読み取りヘッド１００を、読み取られているデータビットに隣接する記録データビットからシールドするように機能する。別個の電気的リードを用いてもよいが、この場合は、読み取りヘッド１００は、例えば、タンタル、金または銅のような導電性のリード材料の層であって磁気シールドＳ１、Ｓ２と接触している層と接触するように形成される。図３は、非常に小さい寸法を示すことが困難なので、縮尺どおりではない。典型的には、各磁気シールドＳ１、Ｓ２は、トラックに沿う方向において数ミクロンであり、これに対して、トラックに沿う方向における読み取りヘッド１００の全厚さは２０〜４０ｎｍの範囲とすることができる。
【００１６】
図４は、ディスクから見たＡＢＳの図であって、ＣＰＰ−ＭＲセンサ構造を構成する層を示す図である。センサ１００は、２つの磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２の間に形成される積層体を含むＣＰＰ−ＭＲ読み取りヘッドである。センサ１００は、ＡＢＳにおける前端部と、トラック幅（ＴＷ）を画定する離隔配置される側端部１０２、１０４とを有する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、導電性の材料から形成され、従って、センス電流ＩＳのための電気的リードとしても機能することができる。このセンス電流ＩＳは、一般的にセンサ積層体の各層を垂直に貫通して導かれる。代替方式として、別個の電気的リード層を、シールドＳ１、Ｓ２とセンサ積層体との間に形成してもよい。下部の磁気シールドＳ１は、通常、センサ積層体の成長用の平滑な基板とするために、化学的機械的研摩（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって研摩される。例えば薄いＲｕ／ＮｉＦｅ二重層であるシード層１０１が、通常スパッタリングによって磁気シールドＳ２の下に堆積され、相対的に厚い磁気シールドＳ２の電気メッキを容易にする。
【００１７】
センサ１００の層は、横方向（ページの中に）に向けられた固定された磁気モーメントまたは磁化の方向１２１を有する基準強磁性層１２０と、ディスク１２からの横方向の外部磁界に応じて層１１０の面内に回転できる磁気モーメントまたは磁化の方向１１１を有する自由強磁性層１１０と、基準層１２０および自由層１１０の間の非磁性スペーサ層１３０とを含む。ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサとすることもできる。この場合は、非磁性スペーサ層１３０を、通常Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇのような金属の導電材料から形成することになるであろう。代わりの方式として、ＣＰＰ−ＭＲセンサ１００をＣＰＰトンネルＭＲ（ＣＰＰ−ＴＭＲ）センサとすることもできる。この場合は、非磁性スペーサ層１３０は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁性の材料から形成されるトンネル障壁になるであろう。
【００１８】
ＣＰＰ−ＭＲセンサにおけるピン止め（pinned）される強磁性層は、単一のピン止め層、あるいは、図４に示すような逆平行の（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ：ＡＰ）ピン止め構造とすることができる。ＡＰピン止め構造は、非磁性の逆平行結合（ａｎｔｉｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ：ＡＰＣ）層１２３によって分離される第１（ＡＰ１）強磁性層１２２および第２（ＡＰ２）強磁性層１２０を有するが、その場合、２つのＡＰピン止め強磁性層の磁化の方向は実質的に逆平行に向けられている。ＡＰ２層１２０は、一方の側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接触し、もう一方の側でセンサの電気的非磁性スペーサ層１３０に接触しており、このＡＰ２層１２０は、通常、基準層と呼称される。ＡＰ１層１２２は、通常、一方の側で反強磁性層１２４または硬質マグネットピンニング層（hard magnet pinning layer）に接触し、もう一方の側で非磁性のＡＰＣ層１２３に接触しており、このＡＰ１層１２２は、通常、ピン止め層と呼称される。ＡＰピン止め構造は、基準／ピン止め層とＣＰＰ−ＭＲ自由強磁性層との間の純静磁気結合を最小化する。ＡＰピン止め構造は、時に、「層状化（ｌａｍｉｎａｔｅｄ）」ピン止め層、または合成反強磁性体（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ：ＳＡＦ）とも呼称される。
【００１９】
図４のＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおけるピン止め層は、ＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３を挟んで反強磁性的に結合された、基準強磁性層１２０（ＡＰ２）と下部の強磁性層１２２（ＡＰ１）とを有する周知のＡＰピン止め構造である。ＡＰＣ層１２３は、通常Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒまたはこれらの合金である。ＡＰ１およびＡＰ２層並びに自由強磁性層１１０は、通常、結晶性のＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金、あるいはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層のような多層のこれらの材料から形成される。ＡＰ１およびＡＰ２強磁性層は、逆平行に向けられたそれぞれの磁化方向１２７、１２１を有する。ＡＰ１層１２２は、図４に示すように、反強磁性（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＡＦ）層１２４に対して交換結合することによってその磁化方向をピン止めすることができる。ＡＦ層１２４は、通常、Ｍｎ合金、例えば、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎまたはＲｈＭｎである。代替的に、ＡＰピン止め構造を「自己ピン止め（ｓｅｌｆ−ｐｉｎｎｅｄ）」とすることができる。「自己ピン止め」センサにおいては、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、通常、製作されたセンサ内に存在する磁気ひずみおよび残留応力によって、一般的にディスク表面に垂直に設定される。ＡＰ１およびＡＰ２層は同様のモーメントを有することが望ましい。これによって、ＡＰピン止め構造の純磁気モーメントが小さくなることが保証され、その結果、自由層１１０に対する静磁気結合が最小化されると共に、ＡＰピン止め構造の純モーメントにほぼ反比例するＡＦ層１２４の有効ピンニング磁界が高いままで維持される。
【００２０】
シード層１２５を下部のシールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に配置することができる。ＡＦ層１２４を用いる場合は、シード層１２５は、ＡＦ層１２４の成長を促進する。シード層１２５は、通常、１層または多層のＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｔａ、ＣｕまたはＲｕである。キャッピング層１１２は、自由強磁性層１１０と上部のシールド層Ｓ２との間に配置される。キャッピング層１１２は、腐食を防止し、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉのような、あるいは、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔｉ／ＲｕまたはＣｕ／Ｒｕ／Ｔａの三重層のような、単層または異なる材料の多層とすることができる。
【００２１】
また、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔ硬質磁気バイアス層のような強磁性バイアス層１１５も、通常、センサ１００の側端部１０２、１０４近傍のセンサ積層体の外側に形成される。バイアス層１１５は、絶縁層１１６によって、センサ１００の側端部１０２、１０４から電気的に絶縁される。場合によっては、特にバイアス層がＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒ層である場合には、バイアス層１１５の成長を容易にするため、例えばＣｒＭｏまたはＣｒＴｉのＣｒ合金のようなシード層１１４を絶縁層１１６の上に堆積することができる。バイアス層１１５の頂部には、例えばＣｒの層または多層のＴａ／Ｃｒのようなキャッピング層１１８を堆積する。キャッピング層１１８の上層部、例えばＣｒは、センサ製作の間の化学的機械的研摩（ＣＭＰ）の停止層としての役目を果たす。バイアス層１１５は、一般的にＡＢＳに平行な磁化１１７を有し、従って、自由層１１０の磁化１１１を面内にバイアスをかける。このため、外部磁界が存在しない場合には、その磁化１１７は自由層１１０の磁化１１１に平行である。強磁性バイアス層１１５は、反強磁性層に交換結合される硬質磁気バイアス層または強磁性層とすることができる。シールド層Ｓ２のための、例えばＮｉＦｅ層のようなシード層１０１を、センサ１００およびキャッピング層１１８の上部に配置することができる。
【００２２】
対象の範囲となる外部磁界、すなわちディスク１２に記録されたデータからの磁界が存在する場合には、自由層１１０の磁化の方向１１１は回転し、一方、基準層１２０の磁化の方向１２１は実質的に固定されたままで回転しないであろう。自由層の磁化１１１が基準層の磁化１２１に対して回転する結果、電気抵抗に変化が生じる。従って、センス直流電流Ｉｓがセンサ１００内の積層体を通って導かれると、この抵抗変化が、ディスク上の記録データからの信号磁界の強さに比例する電圧信号として検出される。センス電流は強磁性層を貫通して垂直に流れ、局在する磁化に対するスピントルク（ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ：ＳＴ）効果を作出する。Ｉｓがある臨界電流（Ｉｃ）よりも大きいと、このＳＴ効果は自由層の磁化の旋回またはゆらぎを生成する。比較的最近、ＳＴ効果が熱勾配によって惹起される可能性があり、その場合、絶縁性のフェライト内に生成されるマグノンが、強磁性層内において電子スピン流に転化されることが示されている（非特許文献１）。
【００２３】
スピントルク発振素子（ＳＴＯ）は、自由層に対して作用するＳＴ誘導力を利用するために、Ｉｃよりも大きい電流において操作されるデバイスである。Ｉｃよりも高い固定された直流電流が、適正に選択された層を含むＳＴＯを通るように導かれると、ＳＴ効果のために、自由層の磁化の持続的な振動が生起する。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサが提案されてきた。ＳＴＯ磁界センサにおいては、自由層磁化の振動周波数が外部磁界の印加によって偏移し、この周波数の偏移を、外部磁界の変化の検出に用いることができる。従って、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するためのＳＴＯ磁界センサが、従来型のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに代わるものとして提案されてきた。これは、例えば、本願と同じ譲受人に譲渡される（特許文献１）と、（特許文献２）とに記載されているとおりである。商業的に入手できる磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドにおいて使用されるＣＰＰ−ＴＭＲまたはＣＰＰ−ＧＭＲセンサにおいては、センサを通る電流は、電気抵抗の変化、従ってディスクからの磁界の変化を感知するために用いられるので、通常、センス電流と呼称される。ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づくＳＴＯセンサにおいては、センサを通る電流を電荷電流とも呼称することができる。それは、その電流が、自由層の振動周波数の偏移、すなわち外部磁界を感知するために用いられることに加えて、ＳＴ効果を惹起する電子の流れをも発生させるからである。
【００２４】
本発明によるＳＴＯは、ＳＴ効果を惹起しかつ自由層磁化の持続的な振動を発生させるために熱流のみを用いる。熱流と反対方向に流れるセンス電流が、自由層磁化の振動周波数を監視するために用いられる。この「熱マグノンによる（thermagnonic）」ＳＴＯは、磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドのようなＳＴＯ磁界センサとしても機能することが可能である。ＳＴを発生させるスピン流は、絶縁性のフェライト内のマグノンから生じ、センス電流によって生成されるスピン流から切り離されている。従来型のＳＴＯにおいては、ＳＴＯを、閾値電流を僅かに超えた電荷電流レベル、すなわち自由層磁化の持続的な振動を惹起するだけの電流において操作することが望ましい。従って、本発明のＳＴＯにおいては、熱流のみによってＳＴ効果を惹起するので、ＳＴＯを通るセンス電流をこの閾値電流よりもかなり高くすることができ、従ってより高い出力信号が生成される。
【００２５】
図５は、本発明の一実施形態に基づく熱マグノンによるＳＴＯセンサ２００を用いた磁界感知システムの模式図である。このシステムは、ＳＴＯセンサ２００を備えた磁気記録ディスクドライブであって、そのＡＢＳがディスク２５０に面する磁気記録ディスクドライブとして表現されている。センサ２００は、個々の層のセットを含み、かつ、ＣＰＰセンサ１００に関して上に述べたＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサの特徴を有する。
【００２６】
ディスク２５０は、基板２５２と、磁気記録媒体として機能する記録層２５４であって、ＡＢＳの方を向くまたはそれと反対側を向く矢印によって表現される磁化領域を備えた記録層２５４とを有する。ディスクが回転すると、磁化領域は、センサ２００を通過して矢印２１５の方向に動く。記録層２５４は、記録層２５４の平面に垂直に磁化される領域を含む垂直磁気記録媒体として表現されているが、代わりの方式として、その領域が記録層２５４の面内において磁化される面内磁気記録媒体（longitudinal magnetic recording medium）とすることもできる。
【００２７】
ＳＴＯセンサ２００は、層のセットを堆積するための基板として機能し得る第１シールド層Ｓ１と、第２シールド層Ｓ２と、感知されるべき外部磁界が存在すると自由に振動する実質的に面内の磁化２１１を有する自由強磁性層２１０とを有する。自由層２１０は、非磁性のスペーサ層２３０および固定された面内磁化２２１を有する基準層２２０を含むＣＰＰ構造の一部分である。ＣＰＰ構造は、スペーサ層２３０が絶縁性のトンネル障壁層であるＣＰＰ−ＴＭＲ構造であってもよいし、あるいは、スペーサ層２３０が非磁性の伝導スペーサ層であるＣＰＰ−ＧＭＲ構造であってもよい。基準層２２０は、単一のピン止め層、あるいはＡＰピン止め構造のＡＰ２層とすることができる。従って、基準層２２０、スペーサ層２３０および自由層２１０の組成および厚さは、ＣＰＰ−ＴＭＲおよびＣＰＰ−ＧＭＲ構造用として前記に述べたものと同様にすることができる。Ｓ１および基準層２２０の間に非強磁性の伝導金属層２２５を配置して、Ｓ１と、基準層２２０またはセンサ積層体における他の強磁性層との間のいかなる磁気交換相互作用をも破棄すると共に、一方では導電性を許容するようにする。層２２５用の典型的な材料として、Ｃｕ、Ａｇ、ＴａおよびＲｕが含まれる。熱マグノンによるＳＴＯセンサ２００は、さらに、固定された面内磁化２６１を有する磁性酸化物層２６０と、磁性酸化物層２６０の１つの表面上の強磁性金属層２６５と、自由層２１０および金属層２６５の間の非磁性導電層２７０とを含む。外部磁界が存在しない場合は、自由層２１０の磁化２１１は、基準層２２０の磁化２２１に実質的に逆平行で、磁性酸化物層２６０の磁化２６１に平行であり、かつＡＢＳに実質的に垂直であるべきである。自由層２１０の磁化２１１は、記録層２５４に向かう方向またはそれから離れる方向を指すことができる。
【００２８】
磁性酸化物層２６０と第２シールドＳ２との間において、磁性酸化物層２６０のもう一方の表面上に電気抵抗性のヒータ層２８０が配置される。電気抵抗性ヒータ層２８０として用いる材料には、グラファイトライクカーボン、クロム（Ｃｒ）、ニクロム（ＮｉＣｒ）、タンタル（Ｔａ）およびチタン（Ｔｉ）が含まれる。この電気抵抗性ヒータ層２８０は、ヒータ回路３１０に接続され、このヒータ回路３１０は、磁性酸化物層２６０をシールドＳ１の温度Ｔ０より高い温度Ｔ１に加熱するヒータ電流ＩＨを発生する。これによって、磁性酸化物層２６０から、金属層２６５、伝導層２７０および自由層２１０を通る熱流を惹起する熱勾配が生成される。
【００２９】
センス電流回路３２０は、端子３０１を介してＳ１に、かつ、端子３０２を介して伝導層２７０に接続されており、Ｓ１から自由層２１０を通って伝導層２７０に至るセンス電流ＩＳを発生させる。センス電流の方向は、熱流の方向と反対向きである。従って、センス電流の電子の流れは熱流と同じ方向であり、その結果、電子の流れが自由層に相当程度のスピントルクを加えることはない。この方式において、熱流は、自由層に対してスピントルクを発生させる手段であって、振動の感知に用いられる電荷の流れとは無関係な手段を提供する。これによって、大きな電荷電流の印加が可能になり、大きな発振素子出力、すなわち、振動の発生に電荷電流に付随するスピン流のみが用いられる場合より遥かに大きな出力が得られるであろう。また、電荷電流を反対方向に流すことも可能であるが、通常、これは、熱によって発生するスピン流が振動を発生するのを補助するためには低い電荷電流が必要になると見られるために、低い発振素子出力しかもたらさないであろう。検出器３５０は、センス電流ＩＳ用の回路３２０に結合される。検出器３５０は、記録層２５４の磁化領域からの外部磁界に応じた自由層磁化２１１の振動周波数の基礎周波数からの偏移を検出する。
【００３０】
ＳＴＯセンサ２００は、ＡＢＳから後退した背面領域に、Ｓ１、伝導層２７０およびＳ２を相互に電気絶縁するための絶縁材料２９０を含む。積層体におけるセンサ層の順序は、図５に示すものから逆転させることができる。この場合は、抵抗性ヒータ層２８０を最初にＳ１上に堆積し、続いて、磁性酸化物層２６０、金属層２６５、伝導層２７０、自由層２１０、非磁性スペーサ層２３０、基準層２２０および層２２５を順次堆積し、Ｓ２は層２２５の上に配置する。
【００３１】
磁性酸化物層２６０は、１〜２０ｎｍの範囲の厚さを有する実質的に絶縁性の強磁性フェライトである。従って、磁性酸化物層２６０は、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択することができる。金属層２６５は、磁性酸化物層２６０および伝導層２７０の間にその両者に直接接触するように配置され、かつ、強磁性の金属または合金である。好ましい材料として、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅおよびそれらの合金、並びにＭｎを含むホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金、例えば、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉおよびＣｏＭｎＡｌ、の１つ以上が含まれる。金属層２６５は、磁性酸化物層２６０の全表面をカバーするような連続膜であるべきであり、従って少なくとも０．５ｎｍの厚さであるべきであるが、そのスピン拡散長さより大きくないことが望ましい。このスピン拡散長さは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉおよびその合金の場合２〜５ｎｍである。層２６５の厚さは通常約２ｎｍになるであろう。スピン拡散長さは、スピン流が散乱からその振幅の１／ｅを失う距離である。金属層２６５および自由層２１０の間の非磁性伝導層２７０は、好ましくはＣｕであるが、Ａｇ、ＡｕまたはＡｌ、あるいはそれらの合金とすることもできる。非磁性伝導層２７０は、ＡｌおよびＣｕの場合数１００ｎｍの大きさになり得るスピン拡散長さよりも薄い厚さを有することができる。狭い読み取り間隙を維持する記録ヘッドの場合は、層２７０の厚さは、大幅に小さく、好ましくは約１〜５ｎｍとするべきである。
【００３２】
本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯの操作においては、ヒータ層２８０が磁性酸化物層２６０の片面を温度Ｔ１＞Ｔ０に加熱し、その結果、熱が、磁性酸化物層の片面からもう一方の面に、そしてさらに自由層２１０に流れる。温度勾配は、酸化物内部に局在するスピンの熱的なゆらぎを発生させ、これは、隣接スピン間の交換相互作用のために、スピン波として知られる空間的相関波を形成する。光が波であり、かつ同時に個々の光子（それぞれ角運動量量子
【数１】
を有する。但し、
【数２】
で、ｈはＰｌａｎｃｋ定数）から構成されるのと全く同様に、スピン波は個々のマグノン（それぞれ同様に角運動量量子を有する）から構成される。「スピン」が意味するのは、電子のような荷電粒子におけるこの角運動量の結果である磁気モーメントである。すなわち、電子から構成される各マグノンはスピンモーメントの１つの量子（Ｂｏｈｒ磁子と呼称され、
【数３】
である。但し、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質量である）を伴っている。酸化物中のマグノンは、酸化物自体の磁化とは反対向きのスピンを有する。デバイス２００において、マグノンが、磁性酸化物層２６０の強磁性金属層２６５との界面に達すると、強磁性金属は、１つの伝導電子のスピンを（スピン軌道の相互作用を介して）反転させることによって、磁化の１量子単位（磁子）をマグノンから強磁性金属の伝導電子の中に移行するように作用する。この電子は、続いて、非磁性伝導層２７０に流入し、さらに引き続いて強磁性の自由層２１０と相互作用する。磁性酸化物層２６０の強磁性金属層２６５との界面の磁化に反対向きのスピンを有する電子の正味の発生があるために、そしてまたその電子が高温で、従って高速であるために、磁性酸化物層２６０から自由層２１０への正味のスピン流が存在し、このスピン流は、自由磁化および酸化物磁化が実質的に平行に向けられる場合には、名目上の自由層磁化の方向に実質的に反対向きになるであろう。熱的に駆動されるスピン流に加えて、スピンの濃度勾配（concentration gradient）もスピン流に寄与することが可能である。スピンが強磁性金属に注入される場所（高スピン濃度）と自由層（スピンの散乱によって低スピン濃度が生成される場所）との間の濃度差によって、スピンの流動、すなわちスピン流が生じる。自由層２１０において生起するスピン流の消散によって、結果的に自由層２１０に対するスピン移行トルク（ＳＴＴ）が生じる。磁性酸化物層２６０および自由層２１０の磁化２６１、２１１は、それぞれ平行に向いており、その結果、熱流によって発生するＳＴＴが、自由層２１０の磁化２１１の持続的な振動を誘起するのである。
【００３３】
ＳＴＴを発生させるためのマグノンからの熱輸送の概念は、前記に引用した（非特許文献１）にさらに詳細に記述されている。著者のＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉは、熱マグノンによるＳＴＴの効率を、電荷電流によるＳＴＴよりも６０〜８０倍まで高くし得ることを推定している。従って、磁性酸化物層２６０／金属層２６５の界面と自由層２１０との間の１０〜１００℃の温度差によって、自由層磁化２１１の持続的な振動を惹起するのに十分なＳＴＴがもたらされるであろう。本発明の熱マグノンによるＳＴＯにおいては、センス電流の方向が、電荷電流のみによる自由層磁化の持続的な振動の惹起が望ましい場合に選択されるであろう方向と反対向きである。電荷電流のみによって駆動される従来型のＳＴＯにおける電荷電流の好ましい操作点は、閾値電流のすぐ上であり、３０ｎｍ×３０ｎｍのデバイスの場合、約０．２〜１ｍＡである。しかし、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイスとして操作される同じサイズの同様のデバイスの場合には、センス電流の限界は約３ｍＡ以上である。従って、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイスに用いられるものに関するセンス電流の３〜１０倍に及ぶ改善、すなわち出力信号の振幅における同様の改善は、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯによって達成可能になる。
【００３４】
本発明によるディスクドライブＳＴＯセンサの一例として、自由層磁化の持続的な振動が電荷電流のみによって駆動される場合には、閾値電流密度は約１〜２×１０７Ａ／ｃｍ２になるであろう。外部磁界が存在しない場合、約４〜８ＧＨｚの共振または基礎周波数（使用する強磁性材料の飽和磁化に応じて変化する）における自由層磁化の持続的な振動を発生させるために、磁性酸化物層／金属層の界面から自由層に至る約２０℃の熱勾配を発生させる電気抵抗性ヒータで十分であろう。記録層２５４における正および負の磁化は、センサが媒体上部を通過する高さにおいて１００〜５００Ｏｅの磁界を発生することができ、かつ、２ＧＨｚまでの周波数で自由層２１０を通過することができる。この磁界は、自由層２１０の磁化２１１の振動の基礎振動周波数における約±１ＧＨｚの偏移を惹起するであろう。センス電流密度は、閾値電流密度を大きく超える約２×１０８Ａ／ｃｍ２までにすることができる。検出器３５０は、電気抵抗の変化を測定することによって自由層磁化の振動周波数を測定できる。１つの検出技術においては、自由層の磁化の振動からの周波数変調（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＦＭ）信号が電圧パルス列（デジタル信号）に変換され、ＦＭ検出用の遅延検波法が用いられる（非特許文献２）。
【００３５】
磁気記録用途の場合には、トラックに沿う方向（図５における矢印２１５に平行な方向）における記録磁気ビットの最高度の空間分解能（spatial resolution）を達成するために、ＳＴＯセンサ層を、積層体として、磁気シールド間のできるだけ狭い空間内に適合させることが望ましい。図６は、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯセンサの一実施形態を示す。このセンサにおいては、磁性酸化物層２６０ａと、金属層２６５ａと、非磁性の伝導層２７０ａとが積層体内にあるのではなく、全体として自由層２１０と同じ面内に形成されている。磁性酸化物層２６０ａと、金属層２６５ａと、非磁性伝導層２７０ａとは、図６においてＡＢＳから後退した位置に示されており、さらに、電気抵抗性のヒータ層２８０ａは磁性酸化物層２６０ａよりもＡＢＳからなお一層後退しているが、磁性酸化物層２６０ａの１つの表面と接触している。絶縁体２９０と同様の絶縁体２９１が、Ｓ１を、層２６０ａ、２６５ａおよび２７０ａと、抵抗性ヒータ層２８０ａとから分離する。いかなる磁気交換相互作用をも破棄するために、層２２５のような非強磁性の伝導金属層２６７がＳ２と自由層２１０との間に配置される。層２６０ａ、２６５ａおよび２７０ａは、ＡＢＳから後退する位置に配置する代わりに、自由層２１０のどちらかの側面（クロストラック方向）に配置することができる。この場合は、それらの端部が、自由層２１０の端部と同様に実質的にＡＢＳの位置にあり、しかも全体として自由層２１０と同じ面内に形成される。いずれの場合においても、Ｓ１−Ｓ２間のシールド対シールド間隔は図５の実施形態よりも縮減される。この実施形態においては、センス電流用の電気回路３２０ａは、それぞれＳ１およびＳ２上の端子３０１、３０３間に接続され、自由層２１０を通る電流の方向は熱流の方向に反対向きとなるであろう。
【００３６】
前記のように、本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯを、磁界センサ、特に磁気記録ディスクドライブの読み取りヘッドとしての用途に関して詳細に記述したが、本発明は他の用途をも有する。熱マグノンによるＳＴＯの他の用途はすべて、自由層の振動の周波数または位相の検出にセンス電流を利用し得るという利点を享受できるが、この用途分野としては、ミクサー、無線、携帯電話およびレーダ（車両レーダを含む）が含まれる。例えば（非特許文献３）を参照されたい。
【００３７】
さらに別の用途は、磁気記録ディスクドライブのような磁気記録における高周波アシスト書き込み用である。マイクロ波アシスト磁気記録（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ａｓｓｉｓｔｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ：ＭＡＭＲ）とも呼称されるこの技術においては、ＳＴＯは、高周波の振動磁界を、従来型の書き込みヘッドからの書き込み磁界に対する補助的な磁界として記録層の磁気粒子に印加する。この補助磁界は、記録層における磁気粒子の共振周波数に近い周波数を有することができるので、アシスト記録なしの場合に可能であるよりは低い従来型の書き込みヘッドからの書き込み磁界において、粒子の磁化の切り換えを可能にする。ＭＡＭＲシステムの１つのタイプにおいては、ＧＭＲまたはＴＭＲのいずれかに基づくＳＴＯが、外部磁界が存在しない場合に、層の面に垂直に向けられた基準層の磁化および自由層の磁化によって操作される。例えば（非特許文献４）を参照されたい。従って、図５に示すような本発明に基づく熱マグノンによるＳＴＯを、ＭＡＭＲ用のＳＴＯとして用いる場合には、基準層２２０および磁性酸化物層２６０の磁化２２１、２６１は、それぞれ、層の面に垂直に向けられ、自由層２１０の磁化２１１も、熱流がない場合には層の面に垂直に向けられるであろう。その場合、センス電流ＩＳが、自由層の磁化２１１の振動周波数の監視用として用いられる。
【００３８】
本発明を、好ましい実施形態を参照して具体的に示しかつ説明したが、当業者は、形式および詳細における種々の変更が、本発明の本質および範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解するであろう。従って、開示された発明は、単に例示的なものと見做されるべきであり、添付の特許請求の範囲に規定される範囲においてのみ限定される。
【符号の説明】
【００３９】
１２ 磁気記録ディスク
１３ 回転中心
１４ アクチュエータ
１５ 回転方向
１６ ベース
１７ 軸
１８ アーム
２０ サスペンション
２２ スライダ
２３ フレクシャー
２４ ヘッド
２５ トレーリング表面
２７ 空気ベアリング表面
２９ 端末パッド
５０ データトラック
１００ 読み取りヘッド
１０１ シード層
１０２ 側端部
１０４ 側端部
１１０ 自由層
１１１ 磁化方向
１１２ キャッピング層
１１４ シード層
１１５ バイアス層
１１６ 絶縁層
１１７ 磁化方向
１１８ キャッピング層
１２０ 第２強磁性層、基準層
１２１ 磁化方向
１２２ 第１強磁性層、ピン止め層
１２３ 逆平行結合層
１２４ 反強磁性層
１２５ シード層
１２７ 磁化方向
１３０ スペーサ層
２００ ＳＴＯセンサ
２１０ 自由層
２１１ 磁化方向
２１５ 移動方向
２２０ 基準層
２２１ 磁化方向
２２５ 伝導金属層
２３０ スペーサ層
２５０ ディスク
２５２ 基板
２５４ 記録層
２６０、２６０ａ 磁性酸化物層
２６１、２６１ａ 磁化方向
２６５、２６５ａ 金属層
２６７ 伝導金属層
２７０、２７０ａ 伝導層
２８０ ヒータ層
２９０ 絶縁体
２９１ 絶縁体
３０１ 端子
３０２ 端子
３０３ 端子
３１０ ヒータ回路
３２０、３２０ａ センス電流回路
３５０ 検出器
ＡＢＳ 空気ベアリング表面
ＡＰ１ 第１強磁性層
ＡＰ２ 第２強磁性層
ＡＰＣ 逆平行結合層
ＩＨ ヒータ電流
ＩＳ センス電流
Ｓ１ 第１シールド層
Ｓ２ 第２シールド層
Ｔ０、Ｔ１、ＴＷ 温度
ＷＰ 書き込み磁極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の層のセットと、
熱源と、
電気端子と、
を備え、
前記層のセットが、
固定された磁化を有する強磁性の基準層と、
振動可能な磁化を有する強磁性の自由層と、
前記基準層と前記自由層との間の非磁性スペーサ層と、
固定された磁化を有する磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性金属層と、
前記金属層と前記自由層との間の非磁性導電層と、
を含み、
前記熱源は、前記磁性酸化物層の他方の表面に結合されており、前記熱源は、前記磁性酸化物層の他方の表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に至る熱勾配を生成し、
前記電気端子は、前記基準層から前記自由層にセンス電流を供給する電気回路に接続している、熱マグノンによるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項２】
前記磁性酸化物層の磁化が、前記自由層の磁化に実質的に平行に向けられ、かつ、前記基準層の磁化に実質的に逆平行に向けられる、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項３】
前記熱源は、電気抵抗性の材料の層であり、かつ、前記熱源を電気回路に接続するための電気端子をさらに含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項４】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項５】
前記強磁性金属層が、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、あるいはＭｎを含むホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金の１つ以上から選択され、かつ少なくとも０．５ｎｍの厚さを有する金属または合金を含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項６】
前記電気端子に接続される電気回路であって、前記基準層から前記自由層を通って前記非磁性導電層に電荷電流を供給するための電気回路をさらに含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項７】
前記非磁性スペーサ層が導電性スペーサ層である、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項８】
前記非磁性スペーサ層が電気絶縁性のトンネル障壁層である、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項９】
外部磁界を感知するためのスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサであって、
基板と、
前記基板上の層のセットと、
電気端子と、
を備え、
前記層のセットが、
面内に固定された磁化を有する強磁性の基準層と、
振動可能な磁化を有する強磁性の自由層と、
前記基準層と前記自由層との間の非磁性スペーサ層と、
面内に固定された磁化を有する磁性酸化物層であって、前記自由層および磁性酸化物層の磁化は前記基準層の磁化に実質的に逆平行である、磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性金属層と、
前記金属層と前記自由層との間の非磁性導電層と、
前記磁性酸化物層の他方の表面に結合される電気抵抗性のヒータ層であって、熱を、前記他方の磁性酸化物層表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に流れるように導くための電気抵抗性ヒータ層と、
を含み、
前記電気端子が、電気回路と接続しており、前記電気回路が、前記基準層から前記自由層を通って前記非磁性導電層に、前記熱流の方向と反対向きの方向においてセンス電流を供給する、スピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１０】
前記基板が、透磁性材料の第１シールド層であり、かつ、透磁性材料の第２シールド層をさらに含み、前記層のセットは、前記第１シールド層と第２シールド層との間に配置される、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１１】
前記層のセットが積層体である、請求項１０に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１２】
前記自由層が、前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１３】
前記磁性金属層および磁性酸化物層が、前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項１２に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１４】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１５】
前記強磁性金属層が、少なくとも０．５ｎｍの厚さを有する金属または合金であって、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、並びにＭｎを含むホイスラー合金の１つ以上から選択される金属または合金を含む、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１６】
請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサと、
前記抵抗性ヒータ層を加熱するために前記抵抗性ヒータ層に接続される第１電気回路であって、前記抵抗性ヒータ層からの熱が、外部磁界が存在せずかつセンス電流が存在しない場合に、前記自由層の磁化に基礎周波数における振動を生じさせる、第１電気回路と、
前記自由層に連結接続される第２電気回路であって、前記自由層を通るセンス電流を、前記自由層を通る熱流と反対向きの方向に供給するための第２電気回路と、
前記電流回路に連結される検出器であって、外部磁界に応答した前記自由層の磁化の振動周波数における前記基礎周波数からの偏移を検出するための検出器と、
を備えた磁界感知システム。
【請求項１７】
磁気記録ディスクと、前記ディスクから記録されたデータを読み取るための読み取りセンサとを有するディスクドライブであって、
磁界を供給する磁化領域を有し、磁化領域間の遷移が記録されたデータを表している回転磁気記録ディスクと、
前記回転磁気記録ディスクの近傍に読み取りセンサを支持し、ディスクに面する表面を有するキャリヤと、
前記キャリヤ上の第１および第２の透磁性シールドと、
前記第１の透磁性シールドと前記第２の透磁性シールドとの間にあり、前記ディスク上の磁化領域からの前記磁界を検出するための読み取りセンサと、
電気抵抗性のヒータ層と、
第１電気回路と、
第２電気回路と、
検出器と、
を備え、
前記読み取りセンサは、
実質的に自由に振動する面内の磁化を有する強磁性自由層であって、前記面内の磁化が、前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記キャリヤのディスクに面する表面に実質的に直交する方向に向けられる、強磁性の自由層と、
前記自由層と接触していない強磁性の基準層であって、前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記自由層の磁化に実質的に逆平行の方向に向けられる固定された面内磁化を有する強磁性の基準層と、
前記自由層および前記基準層の間の非磁性のスペーサ層と、
前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記自由層の磁化に実質的に平行の方向に向けられる固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性の金属層と、
前記金属層および前記自由層の間の非磁性導電層と、
を含み、
前記電気抵抗性のヒータ層は、前記磁性酸化物層の他方の表面に結合されており、前記電気抵抗性のヒータ層は、熱を、前記他方の磁性酸化物層表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に流れるように導き、熱流は、外部磁界が存在しない場合に、前記自由層の磁化の基礎周波数における振動を惹起させるようになっており、
前記第１電気回路は、前記ヒータ層を加熱するために前記ヒータ層に接続されており、
前記第２電気回路は、前記自由層に連結されており、前記自由層を通るセンス電流を、前記自由層を通る熱流と反対向きの方向に供給し、
前記検出器は、前記センス電流に反応して、前記ディスクからの磁界に応じた前記自由層の磁化の振動周波数における前記基礎周波数からの偏移を検出する、ディスクドライブ。
【請求項１８】
前記ディスクの磁化領域が前記ディスクに実質的に垂直な方向に磁化される、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項１９】
前記自由層が前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２０】
前記非磁性導電層と、前記磁性酸化物層と、前記金属層とが、前記キャリヤのディスクに面する表面から後退している、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２１】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２２】
前記強磁性金属層が、少なくとも１ｎｍの厚さを有する金属または合金であって、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、並びにＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉおよびＣｏＭｎＡｌから選択されるホイスラー合金の１つ以上から選択される金属または合金を含む、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２３】
前記非磁性スペーサ層が導電性スペーサ層である、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２４】
前記非磁性スペーサ層が電気絶縁性のトンネル障壁層である、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項１】
基板と、
前記基板上の層のセットと、
熱源と、
電気端子と、
を備え、
前記層のセットが、
固定された磁化を有する強磁性の基準層と、
振動可能な磁化を有する強磁性の自由層と、
前記基準層と前記自由層との間の非磁性スペーサ層と、
固定された磁化を有する磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性金属層と、
前記金属層と前記自由層との間の非磁性導電層と、
を含み、
前記熱源は、前記磁性酸化物層の他方の表面に結合されており、前記熱源は、前記磁性酸化物層の他方の表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に至る熱勾配を生成し、
前記電気端子は、前記基準層から前記自由層にセンス電流を供給する電気回路に接続している、熱マグノンによるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項２】
前記磁性酸化物層の磁化が、前記自由層の磁化に実質的に平行に向けられ、かつ、前記基準層の磁化に実質的に逆平行に向けられる、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項３】
前記熱源は、電気抵抗性の材料の層であり、かつ、前記熱源を電気回路に接続するための電気端子をさらに含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項４】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項５】
前記強磁性金属層が、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、あるいはＭｎを含むホイスラー（Ｈｅｕｓｌｅｒ）合金の１つ以上から選択され、かつ少なくとも０．５ｎｍの厚さを有する金属または合金を含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項６】
前記電気端子に接続される電気回路であって、前記基準層から前記自由層を通って前記非磁性導電層に電荷電流を供給するための電気回路をさらに含む、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項７】
前記非磁性スペーサ層が導電性スペーサ層である、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項８】
前記非磁性スペーサ層が電気絶縁性のトンネル障壁層である、請求項１に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）。
【請求項９】
外部磁界を感知するためのスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサであって、
基板と、
前記基板上の層のセットと、
電気端子と、
を備え、
前記層のセットが、
面内に固定された磁化を有する強磁性の基準層と、
振動可能な磁化を有する強磁性の自由層と、
前記基準層と前記自由層との間の非磁性スペーサ層と、
面内に固定された磁化を有する磁性酸化物層であって、前記自由層および磁性酸化物層の磁化は前記基準層の磁化に実質的に逆平行である、磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性金属層と、
前記金属層と前記自由層との間の非磁性導電層と、
前記磁性酸化物層の他方の表面に結合される電気抵抗性のヒータ層であって、熱を、前記他方の磁性酸化物層表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に流れるように導くための電気抵抗性ヒータ層と、
を含み、
前記電気端子が、電気回路と接続しており、前記電気回路が、前記基準層から前記自由層を通って前記非磁性導電層に、前記熱流の方向と反対向きの方向においてセンス電流を供給する、スピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１０】
前記基板が、透磁性材料の第１シールド層であり、かつ、透磁性材料の第２シールド層をさらに含み、前記層のセットは、前記第１シールド層と第２シールド層との間に配置される、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１１】
前記層のセットが積層体である、請求項１０に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１２】
前記自由層が、前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１３】
前記磁性金属層および磁性酸化物層が、前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項１２に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１４】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１５】
前記強磁性金属層が、少なくとも０．５ｎｍの厚さを有する金属または合金であって、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、並びにＭｎを含むホイスラー合金の１つ以上から選択される金属または合金を含む、請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサ。
【請求項１６】
請求項９に記載のスピントルク発振素子（ＳＴＯ）センサと、
前記抵抗性ヒータ層を加熱するために前記抵抗性ヒータ層に接続される第１電気回路であって、前記抵抗性ヒータ層からの熱が、外部磁界が存在せずかつセンス電流が存在しない場合に、前記自由層の磁化に基礎周波数における振動を生じさせる、第１電気回路と、
前記自由層に連結接続される第２電気回路であって、前記自由層を通るセンス電流を、前記自由層を通る熱流と反対向きの方向に供給するための第２電気回路と、
前記電流回路に連結される検出器であって、外部磁界に応答した前記自由層の磁化の振動周波数における前記基礎周波数からの偏移を検出するための検出器と、
を備えた磁界感知システム。
【請求項１７】
磁気記録ディスクと、前記ディスクから記録されたデータを読み取るための読み取りセンサとを有するディスクドライブであって、
磁界を供給する磁化領域を有し、磁化領域間の遷移が記録されたデータを表している回転磁気記録ディスクと、
前記回転磁気記録ディスクの近傍に読み取りセンサを支持し、ディスクに面する表面を有するキャリヤと、
前記キャリヤ上の第１および第２の透磁性シールドと、
前記第１の透磁性シールドと前記第２の透磁性シールドとの間にあり、前記ディスク上の磁化領域からの前記磁界を検出するための読み取りセンサと、
電気抵抗性のヒータ層と、
第１電気回路と、
第２電気回路と、
検出器と、
を備え、
前記読み取りセンサは、
実質的に自由に振動する面内の磁化を有する強磁性自由層であって、前記面内の磁化が、前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記キャリヤのディスクに面する表面に実質的に直交する方向に向けられる、強磁性の自由層と、
前記自由層と接触していない強磁性の基準層であって、前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記自由層の磁化に実質的に逆平行の方向に向けられる固定された面内磁化を有する強磁性の基準層と、
前記自由層および前記基準層の間の非磁性のスペーサ層と、
前記ディスクからの磁界が存在しない場合には、前記自由層の磁化に実質的に平行の方向に向けられる固定された面内磁化を有する磁性酸化物層と、
前記磁性酸化物層の１つの表面と接触する強磁性の金属層と、
前記金属層および前記自由層の間の非磁性導電層と、
を含み、
前記電気抵抗性のヒータ層は、前記磁性酸化物層の他方の表面に結合されており、前記電気抵抗性のヒータ層は、熱を、前記他方の磁性酸化物層表面から、前記磁性酸化物層を横断しかつ前記金属層および前記非磁性導電層を横断して前記自由層に流れるように導き、熱流は、外部磁界が存在しない場合に、前記自由層の磁化の基礎周波数における振動を惹起させるようになっており、
前記第１電気回路は、前記ヒータ層を加熱するために前記ヒータ層に接続されており、
前記第２電気回路は、前記自由層に連結されており、前記自由層を通るセンス電流を、前記自由層を通る熱流と反対向きの方向に供給し、
前記検出器は、前記センス電流に反応して、前記ディスクからの磁界に応じた前記自由層の磁化の振動周波数における前記基礎周波数からの偏移を検出する、ディスクドライブ。
【請求項１８】
前記ディスクの磁化領域が前記ディスクに実質的に垂直な方向に磁化される、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項１９】
前記自由層が前記非磁性導電層と実質的に同じ面内に配置される、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２０】
前記非磁性導電層と、前記磁性酸化物層と、前記金属層とが、前記キャリヤのディスクに面する表面から後退している、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２１】
前記磁性酸化物層が、バリウムフェライト、鉄フェライト、イットリウムフェライト、コバルトフェライト、ニッケル亜鉛フェライトおよび酸化クロムから選択される実質的に絶縁性の強磁性フェライトを含む、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２２】
前記強磁性金属層が、少なくとも１ｎｍの厚さを有する金属または合金であって、Ｃｏ、ＮｉおよびＦｅ、並びにＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉおよびＣｏＭｎＡｌから選択されるホイスラー合金の１つ以上から選択される金属または合金を含む、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２３】
前記非磁性スペーサ層が導電性スペーサ層である、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【請求項２４】
前記非磁性スペーサ層が電気絶縁性のトンネル障壁層である、請求項１７に記載のディスクドライブ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５８７５６（Ｐ２０１３−５８７５６Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１９６７０３（Ｐ２０１２−１９６７０３）
【出願日】平成２４年９月７日（２０１２．９．７）
【出願人】（５０３１１６２８０）エイチジーエスティーネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月７日（２０１２．９．７）
【出願人】（５０３１１６２８０）エイチジーエスティーネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]