磁性発振素子、磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置
【課題】エネルギー効率が良好で高い磁気発振出力が得られる磁性発振素子を提供する。
【解決手段】第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることを特徴とする磁性発振素子。
【解決手段】第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることを特徴とする磁性発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性発振素子、ならびに磁性発振素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブの磁気ヘッドには、スピンバルブ（spin-valve）膜を含むＧＭＲ素子（Giant MagnetoResistive element）を用いることが一般化している。スピンバルブ膜は、磁化自由層（フリー層）、非磁性層（スペーサ層）、磁化固着層（ピン層）および反強磁性層を積層した構造を有する。スピンバルブ膜では、反強磁性層との交換バイアスによりピン層の磁化を固着させ、外部磁場によってフリー層の磁化のみを回転させ、ピン層とフリー層の磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果（ＭＲ変化率）を得ることができる。このため、磁気記録媒体に記録されている磁気信号を高感度に検出できる。
【０００３】
しかし、磁気記録媒体の高密度化に伴って記録ビットのサイズが小さくなり、記録ビットからの漏れ磁束すなわち信号磁界の量がますます減少している。また、いわゆる熱雑音によるＳ／Ｎ比の低下が顕著に現れるようになってきている。このため、より低磁界でも高感度かつ高Ｓ／Ｎ比で信号磁界を検出できる新たな素子を開発することが大きな技術課題となっている。
【０００４】
一方、スピンバルブ膜と同様の構造を有する多層人工格子膜において、その膜面に垂直に電流を流したときの磁化の運動を利用するスピン波発振器が提案されている（非特許文献１参照）。このスピン波発振器は、第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の３層構造を含んでいる。第１の強磁性層はある方向に固着された磁化を有する。第２の強磁性層の磁化は自由に回転できる。上記３層構造の膜面に垂直に電流を流すと、電子が第１の強磁性層内を通過する際にスピン偏極し、その偏極電流が第２の強磁性層に注入され、電子のスピンと第２の強磁性層内の磁化とが相互作用してスピン波を励起する。このようなスピン波発振器が発生するスピン波の外部磁場依存性を利用すれば、新たな原理による高感度な磁気センサを開発できる可能性がある。
【０００５】
しかし、上記従来技術では、２層の強磁性層のうち第１の強磁性層の磁化が固着されており、スピン波発振に寄与するのは第２の強磁性層のみであるため出力が小さい。また、従来技術では、第１および第２の強磁性層が有する磁化の相対角度が磁気発振の際に時々刻々変化するため、２つの磁化間に働く磁気双極子相互作用によるエネルギー損失が避けられず、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【非特許文献１】Physical Review B. Volume 54, 9353 (1996)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、エネルギー効率が良好で高い磁気発振出力が得られる磁性発振素子、ならびにこのような磁性発振素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気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】
【０００７】
本発明の一態様に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の態様に係る磁気センサは、上述した磁性発振素子と、通電により励起される、前記第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動に基づく発振出力の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明のさらに他の態様に係る磁気ヘッドは、上述した磁性発振素子と、前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明のさらに他の態様に係る磁気再生装置は、上述した磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エネルギー効率が良好で高い磁気発振出力が得られる磁性発振素子を提供することができ、さらにこのような磁性発振素子を用いた高感度な磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、２層の磁気共鳴層と、これらの２層の磁気共鳴層間に挟まれた１層の非磁性層との積層膜を含み、膜面に垂直に通電することにより磁気発振する。２層の磁気共鳴層はいずれも磁化が固着されていない磁化自由層である。本発明の実施形態に係る磁性発振素子では、発振の際に２つの磁気共鳴層の磁化が位相を揃えて歳差運動する。以下、この位相を揃えた歳差運動現象について詳述する。
【００１３】
まず、磁化の歳差運動現象に関わる重要な物理量である磁気共鳴周波数について説明する。磁性体の動的特性を調べる手段として、マイクロ波による強磁性共鳴吸収現象が知られている。これは、磁性体にマイクロ波（振動磁場）を印加することによって、磁化の歳差運動が励起される現象である。この現象は、マイクロ波のエネルギーが、どの程度まで磁化の運動に吸収されるかを調べることで観測できる。
【００１４】
図１は、互いに異なる２つの磁性体が有する磁化の磁気共鳴吸収ピークを模式的に示したものである。磁化固有の周波数とマイクロ波の周波数が一致するときに、歳差運動が最も強く励起され、共鳴吸収ピークを生じる。図１では、２つの磁性体が有するそれぞれの共鳴吸収ピークＰ１、Ｐ２を示している。共鳴吸収ピークを与える周波数が、磁気共鳴周波数ｆR（図１ではｆ1、ｆ2と表示している）である。共鳴吸収ピークの代表的な特性として半値幅である共鳴線幅ΔｆR（図１ではΔｆ1、Δｆ2と表示している）がある。これは、磁化のエネルギー損失に関わる量である。ｆRおよびΔｆRは、磁化が感じる磁場に関係している。本発明の実施形態における磁気共鳴層のような薄膜状の強磁性体の場合、ｆRおよびΔｆRはほぼ次式で見積もることができる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
ここで、γ（≒１．７６×１０7ｒａｄ／（Ｏｅ・ｓｅｃ））は磁気回転比、αはギルバート減衰係数で磁化のエネルギー損失に関わる量である。また、４πＭs（Ｍs：飽和磁化）は膜面垂直方向の反磁場、ＨKは異方性磁場、Ｈは反磁場および異方性磁場以外のバイアス磁場や記録媒体からの磁場などの外部磁場を表す。これらの諸量は磁性材料、膜厚、外的磁場に依存するため、ｆRおよびΔｆRも磁性材料、膜厚、外部磁場に依存して変化する。
【００１７】
図２に模式的に示すように、本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴層１、非磁性層２、および第２の磁気共鳴層３の積層膜を含む。第１の磁気共鳴層１が有する磁化をＭ1、第２の磁気共鳴層２が有する磁化をＭ2とする。磁気共鳴層１固有の磁気共鳴周波数をｆ1、磁気共鳴層２固有の磁気共鳴周波数をｆ2とする。上述したように、磁気共鳴周波数は磁性材料、膜厚、外的磁場に依存するので、第１および第２の磁気共鳴層１、３におけるこれらの要素が異なればｆ1≠ｆ2である。ここでは、ｆ1＜ｆ2とする。また、膜面垂直方向への通電による電流密度をＪとする。図２のように第１の磁気共鳴層１から第２の磁気共鳴層３へ電流を流す場合をＪ＞０とする。図２に示した積層膜に対して膜面垂直方向に通電すると、２つの磁化Ｍ1、Ｍ2は下記（３）式の形のトルクを互いに及ぼし合って相互作用する。
【００１８】
【数２】
【００１９】
（３）式はベクトル積を表している。ａはＪに比例し、その相互作用トルクの大きさを定める。Ｊ＝０であればａ＝０である。また、ｉ＝１，２であり、Γ1はＭ2がＭ1に及ぼすトルク、Γ2はＭ1がＭ2に及ぼすトルクである。（３）式のトルクは、スピントランスファートルクと呼ばれ、スピン偏極電流と角運動量保存則を起源としており、 Slonczewski によって見出されたものである（J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996)）。
【００２０】
多くの場合、磁化の運動はランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（以下、ＬＬＧ方程式）によって記述できる。そこで、本発明者らは、下記（４）式に示すスピントランスファートルク項を付加したＬＬＧ方程式を用いて、図２の２つの磁化Ｍ1、Ｍ2の運動を調べた。
【００２１】
【数３】
【００２２】
ここで、Ｈeffは磁化に作用する有効磁場であり、外部磁場、異方性磁場、反磁場などを含んでいる。（４）式は非線形連立微分方程式であり、厳密に解析解を導くことは困難であるので、数値計算により解いた。計算の結果、適当な条件下で２つの磁化Ｍ1、Ｍ2が位相を揃えて定常な歳差運動をすることがわかった。例として、図３に、第１および第２の磁気共鳴層１、３が共に矢印Ａの方向に磁気異方性を有している場合の磁化の定常な歳差運動の様子を模式的に示す。図３において、φは磁化Ｍ1およびＭ2の、Ａ方向に垂直な面への射影成分のなす角である。位相を揃えた歳差運動とは、φを一定に保ちながらＡ軸周りに歳差運動するという意味である。すなわち、磁化Ｍ1とＭ2が共に同一の周波数でＡ軸周りを周回することを意味している。
【００２３】
本発明者らの研究の結果、上記の周波数は、下記の（５）式またはそれと同一の値を得ることができる（６）式でほぼ見積もれることがわかった。
【００２４】
【数４】
【００２５】
ここで、θ1およびθ2は、図３に示したように、それぞれ磁化Ｍ1およびＭ2とＡ方向とのなす角である。上述したように、ａは電流密度Ｊに関係する量である。
【００２６】
（５）式または（６）式は、磁化Ｍ1およびＭ2に固有の周波数ｆ1およびｆ2間のずれが通電によって補償され、磁化Ｍ1とＭ2の歳差運動の周波数が一致し、積層膜から単一周波数の磁気発振が得られることを意味している。このように、２つの磁化Ｍ1およびＭ2が周波数を揃えて歳差運動するためには、２つの磁気共鳴周波数ｆ1とｆ2の間にずれがなくてはならない。このずれがどの程度あれば有意な歳差運動が実現するのかも含めて、位相を揃えた歳差運動が発現する条件を以下においてさらに詳しく説明する。
【００２７】
図４は、２つの磁化Ｍ1およびＭ2が有する磁気共鳴周波数ｆ1およびｆ2の相対的差異（ｆ2−ｆ1）／ｆ1および電流密度Ｊについて、どのような値域で上述した歳差運動が生じるかを例示した図である。この図では、角度θ1を（ｆ2−ｆ1）／ｆ1とＪとに対して等高線プロットしている。
【００２８】
図４に示した等高線プロットの計算条件は以下の通りである。第１および第２の磁気共鳴層１、３が共に矢印Ａの方向に磁気異方性を有し、磁気異方性定数Ｋ＝５×１０5ｅｒｇ／ｃｍ3による異方性磁場ＨKが磁化に作用している。磁気共鳴層１にはＨKと同程度の大きさのバイアス磁場が作用している。磁気共鳴層２にはＨK以上の大きさのバイアス磁場が作用している。第１および第２の磁気共鳴層１、３の膜厚は２ｎｍ、αは０．０１である。図４では低電流領域を主に描いている。
【００２９】
図４は上述した特定のパラメタ値での結果であるが、本発明の実施形態に係る磁性発振素子における磁化の運動の一般的な傾向を表している。図の諸数値において、パラメタ値によって変化を受けるのは、主に電流密度の絶対値である。図４で、角度θ1＝０°の場合には、２つの磁化が歳差運動せずに、磁化の安定方向（矢印Ａ方向）に留まっていることを示している。一方、θ1＞０°の領域では、（５）式を満たす２つの磁化の歳差運動が生じる。図４から、２つの磁化の歳差運動が生じるには、ある程度の大きさの電流密度Ｊが必要である。
【００３０】
図４より、２つの磁化の歳差運動が生じるためには（ｆ2−ｆ1）／ｆ1≦０．６であることが必要であることがわかる。つまり、２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることが必要である。なお、図４の計算に用いたパラメタ値以外に、適用できる様々なパラメタ値を用いて計算した結果、２つの磁化の歳差運動が生じる（ｆ2−ｆ1）／ｆ1の上限値は０．４〜０．６であることが判明した。すなわち、図４の例は（ｆ2−ｆ1）／ｆ1の上限値が最も大きい場合を示している。（ｆ2−ｆ1）／ｆ1≦０．４、つまりｆ2／ｆ1が１．４以下であれば、比較的広いＪの値域で２つの磁化の歳差運動が生じるといえる。
【００３１】
また、有意な歳差運動を実現するには、２つの磁気共鳴周波数ｆ1とｆ2の間のずれに関して、ｆ1とｆ2が下記（７）式を満たす必要がある。有意な歳差運動とは、２つの磁化がその安定方向から十分離れているということである。
【００３２】
【数５】
【００３３】
（７）式は、２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、第１の磁気共鳴層１の共鳴線幅Δｆ1の半分よりも大きい必要があることを意味している。Δｆ1は既述した（２）式から見積もることができる。図４においても（７）式が満たされている。本発明の実施形態に係る磁性発振素子のような微小な素子においては、熱的な磁化の揺らぎが必ず存在している。具体的に想定している素子サイズでは、Ｊ＝０であってもθ1，θ2≒５°程度の磁化の揺らぎが必ず生じる。そのため、磁化の運動が熱的な起源によるものではなく、純粋に電流Ｊによって生じるようにするためには、θ1，θ2＞５°であることが好ましい。一般に熱的な揺らぎの大きさは、ギルバート減衰係数αの大きさに関係している。また、（２）式よりΔｆ1はαに依存している。つまり、（７）式は、歳差運動が熱的な運動に埋もれることなく、電流Ｊの通電によって生じる磁化Ｍ1とＭ2との間の（３）式による相互作用を介した歳差運動が実現するための条件である。
【００３４】
以上で説明したように、本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、第１の磁気共鳴層と第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、第１および第２の磁気共鳴層ならびに非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有している。そして、２つの磁気共鳴層が有するそれぞれの磁化Ｍ1およびＭ2に位相を揃えた歳差運動をさせて単一周波数の磁気発振を取り出せるように、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅Δｆ1の半分よりも大きく、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下、より好ましくは１．４以下という条件を満たしている。
【００３５】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子では、２つの磁化が関与して磁気発振が生じるため高い出力が得られる。この磁気発振は、２つの磁化が位相を揃えて運動することにより生じるので、エネルギー損失が少ない。しかも、このような位相が揃った磁気発振は、特定の周波数を有し、発振周波数の広がりが小さい。発振周波数を与える（６）式からわかるように、発振周波数はａを介して電流密度Ｊに依存しているので、電流によって発振周波数を容易に調節することができる。また、発振出力は歳差運動の振幅で決まり、磁気共鳴周波数の差が大きいほど出力が大きくなる（図４参照）。
【００３６】
次に、本発明の実施形態に係る磁気センサについて説明する。この磁気センサは、上述した磁性発振素子に含まれる第１および第２の磁気共鳴層の２つの磁化の歳差運動における、２つの磁化のなす角に起因する素子抵抗を利用して外部磁場を検出する。
【００３７】
図３に模式的に示したように、２つの磁化が歳差運動しているとき、２つの磁化Ｍ1とＭ2の間には有限のある角度θが形成される。この角度θは下記（８）式で表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
（８）式の角度θは、記録媒体からの信号磁場のように時間変化する外部磁場に伴って変化する。図５に２つの磁化がなす角度θの時間変化の一例を示す。この図は、（ｆ2−ｆ1）／ｆ1＝０．４である２つの磁気共鳴層の磁化が、電流密度Ｊ＝１．５×１０7Ａ／ｃｍ2でθ≒３８°を保って歳差運動している状態のときに、大きさ４０Ｏｅ、幅約２ｎｓｅｃのパルス磁場をＡ方向に印加するという条件で計算した結果を図示している。パルス磁場の印加に伴って、角度θはΔθ≒４．５°だけ大きくなる方向に変化している。パルス磁場の印加を停止する（０Ｏｅ）と、２つの磁化はθ≒３８°を保った歳差運動に戻る。磁気抵抗効果の理論からも明らかなように、磁化のなす角が大きいほど素子抵抗が大きくなる。したがって、電流密度一定の下で、電圧を観測すると角度変化Δθ≒４．５°に相当する素子電圧の変化を観測することができる。このように、本発明の実施形態に係る磁気センサでは、磁性発振素子に電流を垂直通電して、素子抵抗の変化を電圧変化として観測することにより、外部磁場を検知することができる。
【００４０】
したがって、本発明の実施形態に係る磁気センサは、上述した磁性発振素子と、通電により励起される、磁性発振素子の第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動における、２つの磁化のなす角の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段とを有する。
【００４１】
本発明によれば、上述した磁性発振素子を用いた磁気ヘッドを提供することができる。本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、上述した磁性発振素子と、前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層とを有する。
【００４２】
また、このような磁気ヘッドをユニット磁気ヘッドとし、絶縁層を介して複数のユニット磁気ヘッドをマトリックス状に配列してマトリックス状磁気ヘッドを提供することもできる。
【００４３】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによって磁気記録媒体に記録された信号磁界を読み出すには、磁気ヘッドを磁気記録媒体に対向させて配置し、磁性発振素子に電流を垂直通電して、その電圧変化を観測する。
【００４４】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、従来のＧＭＲヘッドと比較して、熱雑音によるＳ／Ｎ比低減が小さいという利点がある。従来のＧＭＲヘッドは、フリー層の磁化による安定点周りの微小振動を利用して信号磁界を読み出している。しかし、安定点周りでは熱雑音の効果が最も大きく現れるので、従来のＧＭＲヘッドでは熱雑音の影響が大きい。これに対して、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子に含まれる２つの磁気共鳴層の磁化の歳差運動を利用している。この歳差運動は、安定点周りの微小振動とは異なり、電流によって本来の安定点から大きく離された磁化の運動であるため、熱揺らぎに埋もれることなく鋭敏に観測することができる。
【００４５】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子にバイアス磁界を印加して第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層を設けている。このため、第１および第２の磁気発振層が単磁区化され、磁壁が移動することによって生じるバルクハウゼンノイズを低減して、非常に優れた出力安定性が得られる。
【００４６】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子の周囲に高抵抗の非磁性材料からなる絶縁層を設けて、磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電され、磁性発振素子以外への電流の分流を回避しているので、分流に起因するノイズも避けることができる。
【００４７】
したがって、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、熱雑音によるＳ／Ｎ比低減が少なく、しかもバルクハウゼンノイズに代表されるノイズも低減できるので、微弱な信号磁界に対しても高ＭＲ比が得られ、高密度磁気記録媒体の記録情報を読み出すことができる。
【００４８】
なお、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによって、信号磁界を読み出すには２つの磁化が共鳴的な歳差運動をする必要があるが、この歳差運動の励起には通電後ある程度の待ち時間を要する。典型的な磁性体の固有振動数は約１０ＧＨｚであり、これを基準にすると、歳差運動励起のための待ち時間は約０．１ｎｓｅｃ〜５ｎｓｅｃとなる。すなわち、磁性体固有の歳差運動の１周から５０周程度に要する時間に相当する待ち時間の後に、２つの磁化が共鳴的な歳差運動を起こすようになる。したがって、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによる読み出し動作は、この程度の待ち時間の後に実施する。
【００４９】
次に、本発明の実施形態に係る磁性発振素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置の具体的な構成を説明する。
【００５０】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子に含まれる第１および第２の磁気共鳴層は、磁気共鳴周波数の差に関して上述した所定の条件を満たしていればよく、様々な構成が考えられる。
【００５１】
図６に、本発明の第１の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図６に示すように、下部電極４、第１の磁気共鳴層１、非磁性層２、第２の磁気共鳴層３、および上部電極５が積層されている。第１の磁気共鳴層１は第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有し、第２の磁気共鳴層３は第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する。
【００５２】
第１および第２の磁気共鳴層１、３を形成する強磁性材料は特に限定されず、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉおよびそれらを含む合金、パーマロイ合金、ホイスラー合金など種々の強磁性材料を用いることができる。非磁性層２には、たとえばＲｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性金属材料を用いることが望ましい。これらの強磁性材料および非磁性金属材料は、他の実施形態においても共通して用いられる。
【００５３】
図６の磁性発振素子では、第１および第２の磁気共鳴層１、３は共に面内磁気異方性を有する強磁性層からなる。発振の出力を大きく取るためには、両者の面内磁気異方性が同一の向きであることが望ましい。
【００５４】
各々の磁気共鳴層の磁気共鳴周波数は、材料固有の磁気異方性や飽和磁化に依存する。また、強磁性層の膜厚や膜面の平面形状を変えたり、合金の組成比をわずかに変えたりすることで、磁気共鳴周波数を変化させることができる。２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層１が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であるという関係を満たしていれば、第１および第２の磁気共鳴層１、３の材料、膜厚、形状の組み合わせは任意でよい。
【００５５】
本発明の他の実施形態においては、少なくとも一方の磁気共鳴層の両端部にバイアス磁場を印加するバイアス磁性膜を設けてもよい。バイアス磁性膜を設けることにより、磁気共鳴層の磁気共鳴周波数を変化させることができる。これは、バイアス磁場によって、実効的な磁気異方性磁場が変化するためである。したがって、適切なバイアス磁性膜を設けることによって、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層１１２が有する共鳴線幅の半分よりも大きくなり、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下となるように調整することもできる。バイアス磁性膜には、たとえばＣｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希土類合金などの硬磁性膜を用いることができる。
【００５６】
本発明の他の実施形態においては、少なくとも一方の磁気共鳴層を強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜としてもよい。この場合、反強磁性層から強磁性層へ交換バイアス磁場を印加することにより、強磁性層の面内磁気異方性の方向や大きさを制御して、交換結合膜（磁気共鳴層）が有する磁気共鳴周波数を変化させることができる。反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどを用いることができる。
【００５７】
図７に、本発明の第２の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図７の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１は単層の強磁性層で形成されているが、第２の磁気共鳴層３は強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。第２の磁気共鳴層３を、強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した構造にすることによって、強磁性層３１に交換バイアス磁場を作用させ、第２の磁気共鳴層３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００５８】
図８に、本発明の第３の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図８の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１が反強磁性層１３と強磁性層１１を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。第１および第２の磁気共鳴層１、３の両者を、強磁性層と反強磁性層を積層した構造にすることによって、各磁気共鳴層１、３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００５９】
なお、ＧＭＲヘッドなどに応用されている従来のスピンバルブ膜においても、強磁性層（ピン層）／反強磁性層からなる交換結合膜が用いられている。しかし、従来のスピンバルブ膜では、反強磁性層は強磁性層（ピン層）の磁化を固着するために設けられている。一方、本発明の実施形態に係る磁気共鳴層としての交換結合膜においては、反強磁性層は交換バイアス磁場によって強磁性層内の磁化に働く磁場を制御し、磁化の磁気共鳴周波数を変えるために用いられており、磁化をピン止めするほどに強力な交換バイアス磁場は必要ない。交換バイアス磁場の大きさは、交換結合膜における強磁性層または反強磁性層の膜厚によって制御できる。たとえば、強磁性層の膜厚を大きくすると、交換バイアス磁場を実効的に小さくすることができる。
【００６０】
さらに、交換バイアス磁場の大きさを制御するために、強磁性層と反強磁性層との間にＣｕ，Ｒｕなどの非磁性中間層を挟んだ交換結合膜を用いてもよい。非磁性中間層によって、強磁性層／反強磁性層の界面を乱したり、強磁性層を反強磁性層から離したりすることができ、強磁性層内の磁化に働く交換バイアス磁場の大きさを調節できる。
【００６１】
図９に、本発明の第４の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図９の磁性発振素子では、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と非磁性中間層３２と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。非磁性中間層３２によって反強磁性層３３と強磁性層３１との間の交換結合の大きさを調節することができ、第２の磁気共鳴層３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００６２】
図１０に、本発明の第５の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図１０の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１が反強磁性層１３と非磁性中間層１２と強磁性層１１を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と非磁性中間層３２と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。
【００６３】
図６〜図１０に示したいずれの磁性発振素子でも、垂直通電することにより第１および第２の磁気共鳴層１、３の磁化が共に位相を揃えて運動するためエネルギー効率が良好で、出力および周波数安定性に優れた磁気発振が可能である。いずれの磁性発振素子でも、発振出力を大きく取るためには、２つの磁気共鳴層１、３が同一向きの面内磁気異方性を有することが望ましい。これらの磁性発振素子による磁気発振は、２層の磁気共鳴層１、３の面内における磁化運動を利用しており、膜面に垂直方向の反磁場の影響で楕円偏極する。
【００６４】
本発明の他の実施形態に係る磁性発振素子では、必要に応じて、円偏極の磁気発振を得ることもできる。たとえば２つの磁気共鳴層を共に垂直磁化膜とすることによって、円偏極した磁気発振を得ることができる。垂直磁化膜では、膜面垂直方向の磁気異方性と、膜面垂直方向の反磁場とが平行になるため、磁気発振が円偏極する。
【００６５】
図１１に、本発明の第６の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図１１の磁性発振素子では、下部電極４、第１の垂直磁化膜（第１の磁気共鳴層）１０、非磁性層２、第２の垂直磁化膜（第２の磁気共鳴層）３０、および上部電極５が積層されている。第１および第２の垂直磁化膜１０、３０の材料としては、たとえばＲｈ／Ｃｏ，Ｒｕ／Ｃｏや、Ｐｔ／Ｃｏ，Ａｕ／Ｃｏ，Ａｇ／Ｃｏ，Ｐｄ／Ｃｏ，Ａｇ／Ｆｅ，Ｐｄ／Ｎｉなどの貴金属／遷移金属系を用いることができる。垂直磁化膜が有する垂直磁気異方性は膜厚によって制御できる。したがって、垂直磁化膜の膜厚によって、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きくなり、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下となるように調整することができる。
【００６６】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子においては、第１および第２の磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の比が１．６に近いほど発振出力が大きく、その発振出力は外部磁場によって制御可能である。特に、２つの磁気共鳴層が同一の向きに磁気異方性を有していれば、外部磁場による出力の変化が顕著になる。
【００６７】
なお、本発明の実施形態に係る磁性発振素子に用いられる強磁性層、非磁性層、反強磁性層などは、それぞれ単層である必要はなく、２以上の層を積層したものであってもよい。２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数を意図的にずらし、通電によって磁気発振が得られる構造であればすべて本発明の範囲に属する。
【００６８】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッド、マトリクス状磁気ヘッド、および磁気再生装置について説明する。
【００６９】
図１２に本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図を示す。説明を容易にするために、図中に互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を表示する。ｘ軸は記録媒体上のトラックに沿う方向を示し、ｙ軸は記録媒体に向かう方向を示し、ｚ軸はトラック幅方向を示す。これらの軸の方向は、後述する各図においても共通である。図１３は図１２の磁気ヘッドにおける磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１４は、図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１５および図１６はそれぞれ図１４の変形例である。
【００７０】
図１２に示すように、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、非磁性基板４０上に形成された、磁気検出素子５１を含む再生ヘッド５０と記録ヘッド６０とを有する。図１２および図１３に示すように、再生ヘッド５０は、下地層５２、下部磁気シールド層５３、下部金属層５４、磁性発振素子５１、絶縁層５５、上部金属層５６、上部磁気シールド層５７を含んでいる。記録ヘッド６０は上部磁気シールド層５７によって再生ヘッド５０と磁気的に隔てられている。このため、再生ヘッド５０と記録ヘッド６０は独立に扱うことができる。本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、記録ヘッド６０は、面内磁気記録用であってもよいし、垂直磁気記録用であってもよい。なお、読み取り専用磁気ヘッドの場合には記録ヘッド６０を設ける必要はない。さらに、磁気ヘッドの媒体対向面には保護膜７０が設けられている。
【００７１】
非磁性基板４０の材料としては、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣまたはＳｉＣなどが挙げられる。基板４０上の下地層５２の材料として、たとえばＡｌ2Ｏ3からなる絶縁膜が挙げられる。基板４０の材料と下部磁気シールド層５３の材料との間で整合性がよい場合には、下地層５２を設けなくてもよい。下地層１６上の下部磁気シールド層５３の材料としては、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＮｉ、センダストなどの軟磁性材料が挙げられる。下部磁気シールド層５３は電極としても機能する。下部磁気シールド層５３上の下部金属層５４の材料としては、Ｔａなどの導電性の非磁性金属材料が挙げられる。下部金属層５４上には、媒体に対向するように磁性発振素子５１が形成され、媒体対向面から見て磁性発振素子５１よりも奥側の領域に絶縁層５５が形成される。磁性発振素子５１および絶縁層５５上の上部金属層５６の材料には、下部金属層５４と同様の材料が用いられる。下部金属層５４上の上部磁気シールド層５７の材料には、下部磁気シールド層５３と同様の材料が用いられる。上部磁気シールド層５７は電極としても機能する。
【００７２】
図１２および図１３に示されるように、下部金属層５４および上部金属層５６は、磁気記録媒体に記録される記録ビットのサイズに合うように、１対の磁気シールド層に所望の間隔を保つ役割も果たしている。なお、下部金属層５４および上部金属層５６は、必ずしも設ける必要はない。また、下部磁気シールド層５３および上部磁気シールド層５７の代わりに、電極としてのみ機能する電極層と磁気シールドとしてのみ機能する磁気シールド層を設けてもよい。
【００７３】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、磁性発振素子５１内の２つの磁気共鳴層に対してバイアス磁界を印加する磁区制御層が設けられる。このバイアス磁界による磁気異方性の制御によって磁気共鳴層を単磁区化することができ、バルクハウゼンノイズを抑制することができる。磁区制御層には硬磁性膜または強磁性層と反強磁性層を積層した交換結合膜が用いられる。硬磁性膜としては、たとえばＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、ＮｂＦｅＢなどが挙げられる。
【００７４】
図１４は図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１４はいわゆるハード・アバッテッド（ｈａｒｄ ａｂｕｔｔｅｄ）構造の磁気ヘッドを示している。この図に示されるように、トラック幅方向に沿って磁性発振素子５１の両側の側面に、磁区制御層５８と絶縁膜５９とが積層して設けられている。絶縁膜５９には高抵抗の非磁性材料が用いられる。絶縁層５９は２層以上の絶縁層を含む複合膜であってもよい。絶縁層５９を設けたことにより、磁性発振素子５１へ通電される電流が、磁区制御層５８へ分流するのを防止できる。
【００７５】
図１５は図１４の変形例である。図１５では、磁性発振素子５１の側面の大部分を覆うように絶縁層５９が形成され、この絶縁層５９上に磁区制御層５８が積層されている。このように、図１５では絶縁層５９と磁区制御層５８の積層順序が図１４と逆になっている。図１５では絶縁層５９が磁性発振素子５１の側面の大部分を覆っているため、磁性発振素子５１へ通電される電流が、磁区制御層５８へ分流するのをほぼ完全に回避することができる。この構造における磁区制御層５８による磁性発振素子５１へのバイアス磁界印加は、強磁性結合や反強磁性結合といった磁性的な結合によってなされるのではなく、磁区制御層５８から磁性発振素子５１へ磁場が回り込むことによってなされる。
【００７６】
図１６は図１４の他の変形例を示す断面図である。図１６では、磁区制御層が、磁性発振素子５１の側面ではなく、磁性発振素子５１の上下に配置された一対の磁気シールド層内に設けられている。すなわち、下部磁気シールド層５３内に磁区制御層５８ａが、上部磁気シールド層５７内に磁区制御層５８ｂがそれぞれ設けられている。磁区制御層５８ａ，５８ｂは、磁気シールド５３、５７内の通電の妨げにならないように、導電性の高い硬磁性層または強磁性層と反強磁性層を積層した交換結合膜で形成することが望ましい。図１６では、磁性発振素子５１の両側の側面を覆うように絶縁層５９のみが形成されている。この絶縁層５９により、分流を招くことなく、磁性発振素子５１にのみ電流を通電することができる。
【００７７】
図１４〜図１６に示したいずれの磁気ヘッドにおいても、磁区制御層によりバルクハウゼンノイズを抑制し、絶縁層によって分流を回避することで余分なノイズを除去しているため、磁性発振素子５１の感度劣化を最小限に止めることができる。
【００７８】
このように本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによれば、磁性発振素子内の２つの磁気共鳴層が有する２つの磁化の共鳴的な歳差運動を用いることで熱雑音の影響を受けにくく、しかもバルクハウゼンノイズなどのノイズを抑制しているので、微小領域からの微小磁界を検知でき、高感度の磁気再生を実現できる。
【００７９】
次に、本発明の実施形態に係る磁気再生装置について説明する。
【００８０】
図１７に本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置１５０の斜視図を示す。磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘッドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、図１２〜図１６を参照して説明した磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。
【００８１】
磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ１５６は磁気ディスク１５１と接触するいわゆる接触走行型のものであってもよい。この状態で、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。
【００８２】
図１８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側から見た拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０はアクチュエータアーム１５５を含み、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかの磁気ヘッドを有するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４が配線され、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００８３】
本発明の実施形態に係る磁気再生装置によれば、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク１５１に磁気的に記録された情報を、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかの磁気ヘッドによって、高感度で読みとることができる。
【００８４】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドを配列したマトリクス状磁気ヘッドについて説明する。
【００８５】
図１９は、マトリクス状磁気ヘッドの製造過程において、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかのユニット磁気ヘッドを基板上に複数形成した様子を表す斜視図である。図２０は図１９の状態から切り出した一次元アレイを媒体対向面から見た断面図である。
【００８６】
図１９に示すように、非磁性基板４０上に、ｚ軸方向（トラック幅方向）に沿って、絶縁層９０を介して複数のユニット磁気ヘッド８０を等間隔に配列して形成する。この基板をｙ軸方向に沿って等間隔に切断面Ｓで切り出すことにより、図２０に示すように、ユニット磁気ヘッド８０が一次元的に配列した一次元アレイ１００を作製する。このように各々のユニット磁気ヘッド８０は、中間に介在している絶縁層９０によって磁気的、電気的に分断されている。
【００８７】
図２０に示すように、一次元アレイ１００に含まれる個々のユニット磁気ヘッド８０はたとえば図１４に示したような構造を有する。すなわち、非磁性基板４０上に、下部磁気シールド層５３が形成され、その上に磁性発振素子５１ならびにその両側の側面に隣接する磁区制御層５８および絶縁層５９の積層体が形成され、これらの上に上部磁気シールド層５７が形成されている。なお、磁区制御層５８および絶縁層５９については、図１４に示した構造に限らず、図１５に示した構造を採用してもよいし、図１６に示した構造を採用してもよい。このように、各ユニット磁気ヘッドは既述した磁気ヘッドとほぼ同一の構造を備えている。一次元アレイ１００を一次元のマトリクス状磁気ヘッドとして用いることもできる。
【００８８】
なお、たとえば図２０において、各ユニット磁気ヘッドの上部磁気シールド層５７の上に記録ヘッドを設けることによって、本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを再生ヘッドとしてだけでなく、再生記録ヘッドとして用いることができる。
【００８９】
図２１に、一次元アレイ１００を並列して形成された長方形のマトリクス状磁気ヘッド１１０の斜視図を示す。図２１では、上面が媒体対向面である。図２１の裏側の面には、各ユニット磁気ヘッドの下部磁気シールド層５３と上部磁気シールド層５７との間に通電できるように図示しない配線が形成されている。
【００９０】
マトリクス状磁気ヘッドの形状は特に限定されず、図２１のような長方形以外の形状でもよい。図２２に、一次元アレイ１００を並列して形成された扇型のマトリクス状磁気ヘッド１２０を媒体対向面から見た平面図を示す。その他、円形のマトリクス状磁気ヘッドを作製することもできる。
【００９１】
本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドにおいては、各々のユニット磁気ヘッドを独立に動作させることができるので、記録媒体に磁気的に記録された情報を並列的に読み出すのに適している。上述したように各々のユニット磁気ヘッドに記録ヘッドを設ければ、並列書き込みも可能となる。
【００９２】
図２３に、本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを搭載した磁気再生装置の斜視図を示す。図２３においては、磁気ディスク１５１の内周部および外周部に２本ずつポール１３０を設け、これらのポール１３０の上に図２２に示した扇型のマトリクス状磁気ヘッド１２０を固定している。図２３の磁気再生装置は、図１７におけるアクチュエータアーム、サスペンション、ヘッドスライダおよび磁気ヘッドの代わりに、ポール１３０およびマトリクス状磁気ヘッド１２０を設けたものである。なお、マトリクス状磁気ヘッド１２０を可動式にしてもよいことはもちろんである。
【００９３】
図２３のマトリクス状磁気ヘッド１２０に含まれる各々のユニット磁気ヘッドは独立に動作させることができるので、各々のユニット磁気ヘッドを協同的に動作するような適切なアルゴリズムを用いることにより、磁気ディスク１５１に記録された複数のビット情報を同時に読み出すことができる。したがって、従来よりも高い記録密度で磁気的に記録された情報を高感度かつ高速に読みとることができる。
【００９４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。たとえば、シールド層、磁区制御層、絶縁層などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。また、本発明の実施形態に係る磁気再生装置は、磁気記録媒体が固定式のものでもよいし、磁気記録媒体が差し替え可能ないわゆるリムーバブル方式のものでもよい。その他、上述した磁気ヘッドおよび磁気再生装置を基にして当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気ヘッドおよび磁気再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【実施例】
【００９５】
以下、いくつかの具体的な磁性発振素子について説明する。
（実施例１）
本実施例の磁性発振素子は図６に示す構造を有する。第１および第２の磁気共鳴層１、３にはＣｏを用いた。Ｃｏ薄膜の一軸異方性磁場の大きさは、膜厚によって変化することが知られている。そこで、第１および第２の磁気共鳴層１、３に膜厚の異なるＣｏ層を用い、第１および第２の磁気共鳴層１、３に固有の磁気共鳴周波数に差が生じるようにした。２層のＣｏ層の磁気異方性の方向を一致させて成膜した。非磁性層にはＣｕを用いた。成膜はスパッタリングにより行った。
【００９６】
まず、熱酸化シリコン膜を形成したシリコン基板上に、下部電極４としてＣｕ１００ｎｍ／Ｔａ５ｎｍを成膜し、その表面を研磨して平坦性を向上させた。下部電極４上に、第１の磁気共鳴層１として約１.５ｎｍのＣｏ層、非磁性層２として約２ｎｍのＣｕ層、第２の磁気共鳴層３として約２ｎｍのＣｏ層、その上に上部電極５としてＣｕ１０ｎｍ／Ａｕ１０ｎｍを成膜した。電子線ビームリソグラフィーとＡｒイオンビームスパッタを用いて微細加工を行い、接合面積約１００ｎｍ×８０ｎｍの素子を作製した。
【００９７】
この素子を中心導体幅５０μｍのコプレナガイドの一端に接続し、素子からのマイクロ波出力をスペクトラムアナライザーで検知した。素子の膜面に垂直な方向に振動磁場をかけて、素子の強磁性共鳴吸収スペクトルを調べた。第１の磁気共鳴層１（膜厚約１．５ｎｍのＣｏ層）の磁化が有する磁気共鳴周波数に対応するピークが約１７．５ＧＨｚに、第２の磁気共鳴層３（膜厚約２ｎｍのＣｏ層）の磁化が有する磁気共鳴周波数に対応するピークが約１９ＧＨｚに認められた。約１７．５ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．５ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を２×１０7Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約１９．５ＧＨｚのマイクロ波の発振が確認された。発振強度は電流密度と共に増大した。
【００９８】
（実施例２）
本実施例の磁性発振素子は図７に示す構造を有し、第１の磁気共鳴層１は単層の強磁性層で形成されているが、第２の磁気共鳴層３は強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【００９９】
図７に示すように、下部電極４として１０ｎｍのＣｕ、第１の磁気共鳴層１として膜厚５ｎｍのＣｏ、非磁性層２として膜厚３ｎｍのＣｕ、第２の磁気共鳴層３の強磁性層３１として膜厚５ｎｍのＣｏ、第２の磁気共鳴層３の反強磁性層３３として膜厚約８ｎｍのＩｒＭｎ、上部電極５として１０ｎｍのＣｕを用い、接合面積を約１００×１００ｎｍ2とした。
【０１００】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、２つのピークが約１４．４ＧＨｚと約１５．５ＧＨｚに認められた。第１の磁気共鳴層１の磁化の共鳴周波数が約１４．４ＧＨｚに対応し、交換結合膜からなる第２の磁気共鳴層３の磁化の共鳴周波数が約１５．５ＧＨｚに対応するものと考えられる。約１４．４ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．３ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を９×１０6Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約１６ＧＨｚのマイクロ波の発振が確認された。発振強度は電流密度と共に増大した。
【０１０１】
（実施例３）
本実施例の磁性発振素子は図８に示す構造を有し、第１の磁気共鳴層１が強磁性層１１と反強磁性層１３を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。反強磁性層としてはＩｒＭｎ、強磁性層としてはＣｏを用いた。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【０１０２】
具体的には、Ｃｕ層（約１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約１０ｎｍ）／Ｃｏ層（約３ｎｍ）／Ｃｕ層（約５ｎｍ）／Ｃｏ層（約３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約７ｎｍ）／Ｃｕ層（約２０ｎｍ）を積層し、接合面積を約５０×１００ｎｍ2とした。
【０１０３】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、Ｃｏ層（約３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約７ｎｍ）およびＣｕ層（約１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約１０ｎｍ）のそれぞれの交換結合膜に対応するピークが約２７．２ＧＨｚと約２９．１ＧＨｚに見られた。約２７．２ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．８ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を約４．６×１０7Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約３２ＧＨｚの発振が確認された。
【０１０４】
（実施例４）
本実施例の磁性発振素子は図１１に示す構造を有し、２つの磁気共鳴層が共に垂直磁化膜で形成されている。垂直磁化膜としてはＣｏ／Ｒｕを用いた。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【０１０５】
具体的には、Ｃｕ層（約２０ｎｍ）／Ｃｏ層（約０．８ｎｍ）／Ｒｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｏ層（約０．６ｎｍ）／Ｒｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｕ層（約４０ｎｍ）を積層し、接合面積を約１００×１００ｎｍ2とした。垂直磁化膜の有効垂直磁気異方性が強磁性層の膜厚に依存することを考慮し、２つの垂直磁化膜を構成するＣｏ強磁性層の膜厚にわずかに差をつけている。
【０１０６】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、２つのピークが約１２ＧＨｚと約１６ＧＨｚに認められた。垂直磁気異方性の起源は格子の歪みであると一般に考えられており、上記２つのピークが２つの垂直磁化膜のいずれの磁化の共鳴周波数であるのかを判断するのは困難である。ただし、上部電極５から下部電極４の方向へ、電流密度２×１０7Ａ／ｃｍ2以上の直流電流を流したときに周波数約１７ＧＨｚの発振が確認されたことから、下部の垂直磁化膜の磁化の共鳴周波数が約１６ＧＨｚに対応し、上部の垂直磁化膜の共鳴周波数が約１２ＧＨｚに対応するものであると解釈された。約１２ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．２ＧＨｚであった。共鳴周波数の比は約１．３である。発振強度は電流密度と共に増大した。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】２つの磁性体が有する磁化の磁気共鳴吸収ピークを模式的に示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る磁性発振素子を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施形態に係る磁性発振素子における磁化の定常な歳差運動の様子を模式的に示す図。
【図４】２つの磁気共鳴周波数ｆ1およびｆ2の相対的差異（ｆ2−ｆ1）／ｆ1および電流密度Ｊについて、どのような値域で歳差運動が生じるかを例示した図。
【図５】２つの磁化がなす角度θの時間変化の一例を示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１２】本発明の実施形態に係る磁性ヘッドの断面図。
【図１３】図１２の磁気ヘッドにおける磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図。
【図１４】図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図。
【図１５】図１４の変形例を示す断面図。
【図１６】図１４の他の変形例を示す断面図。
【図１７】本発明の実施形態に係る磁気再生装置の斜視図。
【図１８】本発明の実施形態に係る磁気再生装置の磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側から見た斜視図。
【図１９】本発明の実施形態に係るユニット磁気ヘッドを基板上に複数形成した様子を表す斜視図。
【図２０】図１９から切り出した一次元アレイを媒体対向面から見た断面図。
【図２１】本発明の実施形態に係る長方形のマトリクス状磁気ヘッドの斜視図。
【図２２】本発明の他の実施形態に係る扇型のマトリクス状磁気ヘッドの平面図。
【図２３】本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを搭載した磁気再生装置の斜視図。
【符号の説明】
【０１０８】
１…第１の磁気共鳴層、２…非磁性層、３…第２の磁気共鳴層、４…下部電極、５…上部電極、１１…強磁性層、１２…非磁性中間層、１３…反強磁性層、３１…強磁性層、３２…非磁性中間層、３３…反強磁性層、４０…非磁性基板、５０…再生ヘッド、５１…磁気検出素子、５２…下地層、５３…下部磁気シールド層、５４…下部金属層、５５…絶縁層、５６…上部金属層、５７…上部磁気シールド層、５８…磁区制御層、５９…絶縁層、６０…記録ヘッド、７０…保護膜、８０…ユニット磁気ヘッド、９０…絶縁層、１００…一次元アレイ、１１０、１２０…マトリクス状磁気ヘッド、１３０…ポール、１５０…磁気再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性発振素子、ならびに磁性発振素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブの磁気ヘッドには、スピンバルブ（spin-valve）膜を含むＧＭＲ素子（Giant MagnetoResistive element）を用いることが一般化している。スピンバルブ膜は、磁化自由層（フリー層）、非磁性層（スペーサ層）、磁化固着層（ピン層）および反強磁性層を積層した構造を有する。スピンバルブ膜では、反強磁性層との交換バイアスによりピン層の磁化を固着させ、外部磁場によってフリー層の磁化のみを回転させ、ピン層とフリー層の磁化方向の相対的な角度を変化させ、大きな磁気抵抗効果（ＭＲ変化率）を得ることができる。このため、磁気記録媒体に記録されている磁気信号を高感度に検出できる。
【０００３】
しかし、磁気記録媒体の高密度化に伴って記録ビットのサイズが小さくなり、記録ビットからの漏れ磁束すなわち信号磁界の量がますます減少している。また、いわゆる熱雑音によるＳ／Ｎ比の低下が顕著に現れるようになってきている。このため、より低磁界でも高感度かつ高Ｓ／Ｎ比で信号磁界を検出できる新たな素子を開発することが大きな技術課題となっている。
【０００４】
一方、スピンバルブ膜と同様の構造を有する多層人工格子膜において、その膜面に垂直に電流を流したときの磁化の運動を利用するスピン波発振器が提案されている（非特許文献１参照）。このスピン波発振器は、第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の３層構造を含んでいる。第１の強磁性層はある方向に固着された磁化を有する。第２の強磁性層の磁化は自由に回転できる。上記３層構造の膜面に垂直に電流を流すと、電子が第１の強磁性層内を通過する際にスピン偏極し、その偏極電流が第２の強磁性層に注入され、電子のスピンと第２の強磁性層内の磁化とが相互作用してスピン波を励起する。このようなスピン波発振器が発生するスピン波の外部磁場依存性を利用すれば、新たな原理による高感度な磁気センサを開発できる可能性がある。
【０００５】
しかし、上記従来技術では、２層の強磁性層のうち第１の強磁性層の磁化が固着されており、スピン波発振に寄与するのは第２の強磁性層のみであるため出力が小さい。また、従来技術では、第１および第２の強磁性層が有する磁化の相対角度が磁気発振の際に時々刻々変化するため、２つの磁化間に働く磁気双極子相互作用によるエネルギー損失が避けられず、エネルギー効率が悪いという問題がある。
【非特許文献１】Physical Review B. Volume 54, 9353 (1996)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、エネルギー効率が良好で高い磁気発振出力が得られる磁性発振素子、ならびにこのような磁性発振素子を用いた磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気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】
【０００７】
本発明の一態様に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の態様に係る磁気センサは、上述した磁性発振素子と、通電により励起される、前記第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動に基づく発振出力の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明のさらに他の態様に係る磁気ヘッドは、上述した磁性発振素子と、前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層とを有することを特徴とする。
【００１０】
本発明のさらに他の態様に係る磁気再生装置は、上述した磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、エネルギー効率が良好で高い磁気発振出力が得られる磁性発振素子を提供することができ、さらにこのような磁性発振素子を用いた高感度な磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、２層の磁気共鳴層と、これらの２層の磁気共鳴層間に挟まれた１層の非磁性層との積層膜を含み、膜面に垂直に通電することにより磁気発振する。２層の磁気共鳴層はいずれも磁化が固着されていない磁化自由層である。本発明の実施形態に係る磁性発振素子では、発振の際に２つの磁気共鳴層の磁化が位相を揃えて歳差運動する。以下、この位相を揃えた歳差運動現象について詳述する。
【００１３】
まず、磁化の歳差運動現象に関わる重要な物理量である磁気共鳴周波数について説明する。磁性体の動的特性を調べる手段として、マイクロ波による強磁性共鳴吸収現象が知られている。これは、磁性体にマイクロ波（振動磁場）を印加することによって、磁化の歳差運動が励起される現象である。この現象は、マイクロ波のエネルギーが、どの程度まで磁化の運動に吸収されるかを調べることで観測できる。
【００１４】
図１は、互いに異なる２つの磁性体が有する磁化の磁気共鳴吸収ピークを模式的に示したものである。磁化固有の周波数とマイクロ波の周波数が一致するときに、歳差運動が最も強く励起され、共鳴吸収ピークを生じる。図１では、２つの磁性体が有するそれぞれの共鳴吸収ピークＰ１、Ｐ２を示している。共鳴吸収ピークを与える周波数が、磁気共鳴周波数ｆR（図１ではｆ1、ｆ2と表示している）である。共鳴吸収ピークの代表的な特性として半値幅である共鳴線幅ΔｆR（図１ではΔｆ1、Δｆ2と表示している）がある。これは、磁化のエネルギー損失に関わる量である。ｆRおよびΔｆRは、磁化が感じる磁場に関係している。本発明の実施形態における磁気共鳴層のような薄膜状の強磁性体の場合、ｆRおよびΔｆRはほぼ次式で見積もることができる。
【００１５】
【数１】
【００１６】
ここで、γ（≒１．７６×１０7ｒａｄ／（Ｏｅ・ｓｅｃ））は磁気回転比、αはギルバート減衰係数で磁化のエネルギー損失に関わる量である。また、４πＭs（Ｍs：飽和磁化）は膜面垂直方向の反磁場、ＨKは異方性磁場、Ｈは反磁場および異方性磁場以外のバイアス磁場や記録媒体からの磁場などの外部磁場を表す。これらの諸量は磁性材料、膜厚、外的磁場に依存するため、ｆRおよびΔｆRも磁性材料、膜厚、外部磁場に依存して変化する。
【００１７】
図２に模式的に示すように、本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴層１、非磁性層２、および第２の磁気共鳴層３の積層膜を含む。第１の磁気共鳴層１が有する磁化をＭ1、第２の磁気共鳴層２が有する磁化をＭ2とする。磁気共鳴層１固有の磁気共鳴周波数をｆ1、磁気共鳴層２固有の磁気共鳴周波数をｆ2とする。上述したように、磁気共鳴周波数は磁性材料、膜厚、外的磁場に依存するので、第１および第２の磁気共鳴層１、３におけるこれらの要素が異なればｆ1≠ｆ2である。ここでは、ｆ1＜ｆ2とする。また、膜面垂直方向への通電による電流密度をＪとする。図２のように第１の磁気共鳴層１から第２の磁気共鳴層３へ電流を流す場合をＪ＞０とする。図２に示した積層膜に対して膜面垂直方向に通電すると、２つの磁化Ｍ1、Ｍ2は下記（３）式の形のトルクを互いに及ぼし合って相互作用する。
【００１８】
【数２】
【００１９】
（３）式はベクトル積を表している。ａはＪに比例し、その相互作用トルクの大きさを定める。Ｊ＝０であればａ＝０である。また、ｉ＝１，２であり、Γ1はＭ2がＭ1に及ぼすトルク、Γ2はＭ1がＭ2に及ぼすトルクである。（３）式のトルクは、スピントランスファートルクと呼ばれ、スピン偏極電流と角運動量保存則を起源としており、 Slonczewski によって見出されたものである（J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996)）。
【００２０】
多くの場合、磁化の運動はランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（以下、ＬＬＧ方程式）によって記述できる。そこで、本発明者らは、下記（４）式に示すスピントランスファートルク項を付加したＬＬＧ方程式を用いて、図２の２つの磁化Ｍ1、Ｍ2の運動を調べた。
【００２１】
【数３】
【００２２】
ここで、Ｈeffは磁化に作用する有効磁場であり、外部磁場、異方性磁場、反磁場などを含んでいる。（４）式は非線形連立微分方程式であり、厳密に解析解を導くことは困難であるので、数値計算により解いた。計算の結果、適当な条件下で２つの磁化Ｍ1、Ｍ2が位相を揃えて定常な歳差運動をすることがわかった。例として、図３に、第１および第２の磁気共鳴層１、３が共に矢印Ａの方向に磁気異方性を有している場合の磁化の定常な歳差運動の様子を模式的に示す。図３において、φは磁化Ｍ1およびＭ2の、Ａ方向に垂直な面への射影成分のなす角である。位相を揃えた歳差運動とは、φを一定に保ちながらＡ軸周りに歳差運動するという意味である。すなわち、磁化Ｍ1とＭ2が共に同一の周波数でＡ軸周りを周回することを意味している。
【００２３】
本発明者らの研究の結果、上記の周波数は、下記の（５）式またはそれと同一の値を得ることができる（６）式でほぼ見積もれることがわかった。
【００２４】
【数４】
【００２５】
ここで、θ1およびθ2は、図３に示したように、それぞれ磁化Ｍ1およびＭ2とＡ方向とのなす角である。上述したように、ａは電流密度Ｊに関係する量である。
【００２６】
（５）式または（６）式は、磁化Ｍ1およびＭ2に固有の周波数ｆ1およびｆ2間のずれが通電によって補償され、磁化Ｍ1とＭ2の歳差運動の周波数が一致し、積層膜から単一周波数の磁気発振が得られることを意味している。このように、２つの磁化Ｍ1およびＭ2が周波数を揃えて歳差運動するためには、２つの磁気共鳴周波数ｆ1とｆ2の間にずれがなくてはならない。このずれがどの程度あれば有意な歳差運動が実現するのかも含めて、位相を揃えた歳差運動が発現する条件を以下においてさらに詳しく説明する。
【００２７】
図４は、２つの磁化Ｍ1およびＭ2が有する磁気共鳴周波数ｆ1およびｆ2の相対的差異（ｆ2−ｆ1）／ｆ1および電流密度Ｊについて、どのような値域で上述した歳差運動が生じるかを例示した図である。この図では、角度θ1を（ｆ2−ｆ1）／ｆ1とＪとに対して等高線プロットしている。
【００２８】
図４に示した等高線プロットの計算条件は以下の通りである。第１および第２の磁気共鳴層１、３が共に矢印Ａの方向に磁気異方性を有し、磁気異方性定数Ｋ＝５×１０5ｅｒｇ／ｃｍ3による異方性磁場ＨKが磁化に作用している。磁気共鳴層１にはＨKと同程度の大きさのバイアス磁場が作用している。磁気共鳴層２にはＨK以上の大きさのバイアス磁場が作用している。第１および第２の磁気共鳴層１、３の膜厚は２ｎｍ、αは０．０１である。図４では低電流領域を主に描いている。
【００２９】
図４は上述した特定のパラメタ値での結果であるが、本発明の実施形態に係る磁性発振素子における磁化の運動の一般的な傾向を表している。図の諸数値において、パラメタ値によって変化を受けるのは、主に電流密度の絶対値である。図４で、角度θ1＝０°の場合には、２つの磁化が歳差運動せずに、磁化の安定方向（矢印Ａ方向）に留まっていることを示している。一方、θ1＞０°の領域では、（５）式を満たす２つの磁化の歳差運動が生じる。図４から、２つの磁化の歳差運動が生じるには、ある程度の大きさの電流密度Ｊが必要である。
【００３０】
図４より、２つの磁化の歳差運動が生じるためには（ｆ2−ｆ1）／ｆ1≦０．６であることが必要であることがわかる。つまり、２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であることが必要である。なお、図４の計算に用いたパラメタ値以外に、適用できる様々なパラメタ値を用いて計算した結果、２つの磁化の歳差運動が生じる（ｆ2−ｆ1）／ｆ1の上限値は０．４〜０．６であることが判明した。すなわち、図４の例は（ｆ2−ｆ1）／ｆ1の上限値が最も大きい場合を示している。（ｆ2−ｆ1）／ｆ1≦０．４、つまりｆ2／ｆ1が１．４以下であれば、比較的広いＪの値域で２つの磁化の歳差運動が生じるといえる。
【００３１】
また、有意な歳差運動を実現するには、２つの磁気共鳴周波数ｆ1とｆ2の間のずれに関して、ｆ1とｆ2が下記（７）式を満たす必要がある。有意な歳差運動とは、２つの磁化がその安定方向から十分離れているということである。
【００３２】
【数５】
【００３３】
（７）式は、２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、第１の磁気共鳴層１の共鳴線幅Δｆ1の半分よりも大きい必要があることを意味している。Δｆ1は既述した（２）式から見積もることができる。図４においても（７）式が満たされている。本発明の実施形態に係る磁性発振素子のような微小な素子においては、熱的な磁化の揺らぎが必ず存在している。具体的に想定している素子サイズでは、Ｊ＝０であってもθ1，θ2≒５°程度の磁化の揺らぎが必ず生じる。そのため、磁化の運動が熱的な起源によるものではなく、純粋に電流Ｊによって生じるようにするためには、θ1，θ2＞５°であることが好ましい。一般に熱的な揺らぎの大きさは、ギルバート減衰係数αの大きさに関係している。また、（２）式よりΔｆ1はαに依存している。つまり、（７）式は、歳差運動が熱的な運動に埋もれることなく、電流Ｊの通電によって生じる磁化Ｍ1とＭ2との間の（３）式による相互作用を介した歳差運動が実現するための条件である。
【００３４】
以上で説明したように、本発明の実施形態に係る磁性発振素子は、第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、第１の磁気共鳴層と第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、第１および第２の磁気共鳴層ならびに非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有している。そして、２つの磁気共鳴層が有するそれぞれの磁化Ｍ1およびＭ2に位相を揃えた歳差運動をさせて単一周波数の磁気発振を取り出せるように、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が、第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅Δｆ1の半分よりも大きく、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下、より好ましくは１．４以下という条件を満たしている。
【００３５】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子では、２つの磁化が関与して磁気発振が生じるため高い出力が得られる。この磁気発振は、２つの磁化が位相を揃えて運動することにより生じるので、エネルギー損失が少ない。しかも、このような位相が揃った磁気発振は、特定の周波数を有し、発振周波数の広がりが小さい。発振周波数を与える（６）式からわかるように、発振周波数はａを介して電流密度Ｊに依存しているので、電流によって発振周波数を容易に調節することができる。また、発振出力は歳差運動の振幅で決まり、磁気共鳴周波数の差が大きいほど出力が大きくなる（図４参照）。
【００３６】
次に、本発明の実施形態に係る磁気センサについて説明する。この磁気センサは、上述した磁性発振素子に含まれる第１および第２の磁気共鳴層の２つの磁化の歳差運動における、２つの磁化のなす角に起因する素子抵抗を利用して外部磁場を検出する。
【００３７】
図３に模式的に示したように、２つの磁化が歳差運動しているとき、２つの磁化Ｍ1とＭ2の間には有限のある角度θが形成される。この角度θは下記（８）式で表される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
（８）式の角度θは、記録媒体からの信号磁場のように時間変化する外部磁場に伴って変化する。図５に２つの磁化がなす角度θの時間変化の一例を示す。この図は、（ｆ2−ｆ1）／ｆ1＝０．４である２つの磁気共鳴層の磁化が、電流密度Ｊ＝１．５×１０7Ａ／ｃｍ2でθ≒３８°を保って歳差運動している状態のときに、大きさ４０Ｏｅ、幅約２ｎｓｅｃのパルス磁場をＡ方向に印加するという条件で計算した結果を図示している。パルス磁場の印加に伴って、角度θはΔθ≒４．５°だけ大きくなる方向に変化している。パルス磁場の印加を停止する（０Ｏｅ）と、２つの磁化はθ≒３８°を保った歳差運動に戻る。磁気抵抗効果の理論からも明らかなように、磁化のなす角が大きいほど素子抵抗が大きくなる。したがって、電流密度一定の下で、電圧を観測すると角度変化Δθ≒４．５°に相当する素子電圧の変化を観測することができる。このように、本発明の実施形態に係る磁気センサでは、磁性発振素子に電流を垂直通電して、素子抵抗の変化を電圧変化として観測することにより、外部磁場を検知することができる。
【００４０】
したがって、本発明の実施形態に係る磁気センサは、上述した磁性発振素子と、通電により励起される、磁性発振素子の第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動における、２つの磁化のなす角の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段とを有する。
【００４１】
本発明によれば、上述した磁性発振素子を用いた磁気ヘッドを提供することができる。本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、上述した磁性発振素子と、前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層とを有する。
【００４２】
また、このような磁気ヘッドをユニット磁気ヘッドとし、絶縁層を介して複数のユニット磁気ヘッドをマトリックス状に配列してマトリックス状磁気ヘッドを提供することもできる。
【００４３】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによって磁気記録媒体に記録された信号磁界を読み出すには、磁気ヘッドを磁気記録媒体に対向させて配置し、磁性発振素子に電流を垂直通電して、その電圧変化を観測する。
【００４４】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、従来のＧＭＲヘッドと比較して、熱雑音によるＳ／Ｎ比低減が小さいという利点がある。従来のＧＭＲヘッドは、フリー層の磁化による安定点周りの微小振動を利用して信号磁界を読み出している。しかし、安定点周りでは熱雑音の効果が最も大きく現れるので、従来のＧＭＲヘッドでは熱雑音の影響が大きい。これに対して、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子に含まれる２つの磁気共鳴層の磁化の歳差運動を利用している。この歳差運動は、安定点周りの微小振動とは異なり、電流によって本来の安定点から大きく離された磁化の運動であるため、熱揺らぎに埋もれることなく鋭敏に観測することができる。
【００４５】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子にバイアス磁界を印加して第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層を設けている。このため、第１および第２の磁気発振層が単磁区化され、磁壁が移動することによって生じるバルクハウゼンノイズを低減して、非常に優れた出力安定性が得られる。
【００４６】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、磁性発振素子の周囲に高抵抗の非磁性材料からなる絶縁層を設けて、磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電され、磁性発振素子以外への電流の分流を回避しているので、分流に起因するノイズも避けることができる。
【００４７】
したがって、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドでは、熱雑音によるＳ／Ｎ比低減が少なく、しかもバルクハウゼンノイズに代表されるノイズも低減できるので、微弱な信号磁界に対しても高ＭＲ比が得られ、高密度磁気記録媒体の記録情報を読み出すことができる。
【００４８】
なお、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによって、信号磁界を読み出すには２つの磁化が共鳴的な歳差運動をする必要があるが、この歳差運動の励起には通電後ある程度の待ち時間を要する。典型的な磁性体の固有振動数は約１０ＧＨｚであり、これを基準にすると、歳差運動励起のための待ち時間は約０．１ｎｓｅｃ〜５ｎｓｅｃとなる。すなわち、磁性体固有の歳差運動の１周から５０周程度に要する時間に相当する待ち時間の後に、２つの磁化が共鳴的な歳差運動を起こすようになる。したがって、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによる読み出し動作は、この程度の待ち時間の後に実施する。
【００４９】
次に、本発明の実施形態に係る磁性発振素子、磁気ヘッドおよび磁気再生装置の具体的な構成を説明する。
【００５０】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子に含まれる第１および第２の磁気共鳴層は、磁気共鳴周波数の差に関して上述した所定の条件を満たしていればよく、様々な構成が考えられる。
【００５１】
図６に、本発明の第１の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図６に示すように、下部電極４、第１の磁気共鳴層１、非磁性層２、第２の磁気共鳴層３、および上部電極５が積層されている。第１の磁気共鳴層１は第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有し、第２の磁気共鳴層３は第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する。
【００５２】
第１および第２の磁気共鳴層１、３を形成する強磁性材料は特に限定されず、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉおよびそれらを含む合金、パーマロイ合金、ホイスラー合金など種々の強磁性材料を用いることができる。非磁性層２には、たとえばＲｕ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕなどの非磁性金属材料を用いることが望ましい。これらの強磁性材料および非磁性金属材料は、他の実施形態においても共通して用いられる。
【００５３】
図６の磁性発振素子では、第１および第２の磁気共鳴層１、３は共に面内磁気異方性を有する強磁性層からなる。発振の出力を大きく取るためには、両者の面内磁気異方性が同一の向きであることが望ましい。
【００５４】
各々の磁気共鳴層の磁気共鳴周波数は、材料固有の磁気異方性や飽和磁化に依存する。また、強磁性層の膜厚や膜面の平面形状を変えたり、合金の組成比をわずかに変えたりすることで、磁気共鳴周波数を変化させることができる。２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層１が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下であるという関係を満たしていれば、第１および第２の磁気共鳴層１、３の材料、膜厚、形状の組み合わせは任意でよい。
【００５５】
本発明の他の実施形態においては、少なくとも一方の磁気共鳴層の両端部にバイアス磁場を印加するバイアス磁性膜を設けてもよい。バイアス磁性膜を設けることにより、磁気共鳴層の磁気共鳴周波数を変化させることができる。これは、バイアス磁場によって、実効的な磁気異方性磁場が変化するためである。したがって、適切なバイアス磁性膜を設けることによって、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層１１２が有する共鳴線幅の半分よりも大きくなり、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下となるように調整することもできる。バイアス磁性膜には、たとえばＣｏ−Ｐｔ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、遷移金属−希土類合金などの硬磁性膜を用いることができる。
【００５６】
本発明の他の実施形態においては、少なくとも一方の磁気共鳴層を強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜としてもよい。この場合、反強磁性層から強磁性層へ交換バイアス磁場を印加することにより、強磁性層の面内磁気異方性の方向や大きさを制御して、交換結合膜（磁気共鳴層）が有する磁気共鳴周波数を変化させることができる。反強磁性層の材料としては、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｄＰｔＭｎなどを用いることができる。
【００５７】
図７に、本発明の第２の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図７の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１は単層の強磁性層で形成されているが、第２の磁気共鳴層３は強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。第２の磁気共鳴層３を、強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した構造にすることによって、強磁性層３１に交換バイアス磁場を作用させ、第２の磁気共鳴層３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００５８】
図８に、本発明の第３の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図８の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１が反強磁性層１３と強磁性層１１を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。第１および第２の磁気共鳴層１、３の両者を、強磁性層と反強磁性層を積層した構造にすることによって、各磁気共鳴層１、３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００５９】
なお、ＧＭＲヘッドなどに応用されている従来のスピンバルブ膜においても、強磁性層（ピン層）／反強磁性層からなる交換結合膜が用いられている。しかし、従来のスピンバルブ膜では、反強磁性層は強磁性層（ピン層）の磁化を固着するために設けられている。一方、本発明の実施形態に係る磁気共鳴層としての交換結合膜においては、反強磁性層は交換バイアス磁場によって強磁性層内の磁化に働く磁場を制御し、磁化の磁気共鳴周波数を変えるために用いられており、磁化をピン止めするほどに強力な交換バイアス磁場は必要ない。交換バイアス磁場の大きさは、交換結合膜における強磁性層または反強磁性層の膜厚によって制御できる。たとえば、強磁性層の膜厚を大きくすると、交換バイアス磁場を実効的に小さくすることができる。
【００６０】
さらに、交換バイアス磁場の大きさを制御するために、強磁性層と反強磁性層との間にＣｕ，Ｒｕなどの非磁性中間層を挟んだ交換結合膜を用いてもよい。非磁性中間層によって、強磁性層／反強磁性層の界面を乱したり、強磁性層を反強磁性層から離したりすることができ、強磁性層内の磁化に働く交換バイアス磁場の大きさを調節できる。
【００６１】
図９に、本発明の第４の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図９の磁性発振素子では、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と非磁性中間層３２と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。非磁性中間層３２によって反強磁性層３３と強磁性層３１との間の交換結合の大きさを調節することができ、第２の磁気共鳴層３の磁気共鳴周波数を変化させることができる。
【００６２】
図１０に、本発明の第５の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図１０の磁性発振素子では、第１の磁気共鳴層１が反強磁性層１３と非磁性中間層１２と強磁性層１１を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と非磁性中間層３２と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。
【００６３】
図６〜図１０に示したいずれの磁性発振素子でも、垂直通電することにより第１および第２の磁気共鳴層１、３の磁化が共に位相を揃えて運動するためエネルギー効率が良好で、出力および周波数安定性に優れた磁気発振が可能である。いずれの磁性発振素子でも、発振出力を大きく取るためには、２つの磁気共鳴層１、３が同一向きの面内磁気異方性を有することが望ましい。これらの磁性発振素子による磁気発振は、２層の磁気共鳴層１、３の面内における磁化運動を利用しており、膜面に垂直方向の反磁場の影響で楕円偏極する。
【００６４】
本発明の他の実施形態に係る磁性発振素子では、必要に応じて、円偏極の磁気発振を得ることもできる。たとえば２つの磁気共鳴層を共に垂直磁化膜とすることによって、円偏極した磁気発振を得ることができる。垂直磁化膜では、膜面垂直方向の磁気異方性と、膜面垂直方向の反磁場とが平行になるため、磁気発振が円偏極する。
【００６５】
図１１に、本発明の第６の実施形態に係る磁性発振素子の断面図を示す。図１１の磁性発振素子では、下部電極４、第１の垂直磁化膜（第１の磁気共鳴層）１０、非磁性層２、第２の垂直磁化膜（第２の磁気共鳴層）３０、および上部電極５が積層されている。第１および第２の垂直磁化膜１０、３０の材料としては、たとえばＲｈ／Ｃｏ，Ｒｕ／Ｃｏや、Ｐｔ／Ｃｏ，Ａｕ／Ｃｏ，Ａｇ／Ｃｏ，Ｐｄ／Ｃｏ，Ａｇ／Ｆｅ，Ｐｄ／Ｎｉなどの貴金属／遷移金属系を用いることができる。垂直磁化膜が有する垂直磁気異方性は膜厚によって制御できる。したがって、垂直磁化膜の膜厚によって、２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きくなり、かつ２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下となるように調整することができる。
【００６６】
本発明の実施形態に係る磁性発振素子においては、第１および第２の磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数の比が１．６に近いほど発振出力が大きく、その発振出力は外部磁場によって制御可能である。特に、２つの磁気共鳴層が同一の向きに磁気異方性を有していれば、外部磁場による出力の変化が顕著になる。
【００６７】
なお、本発明の実施形態に係る磁性発振素子に用いられる強磁性層、非磁性層、反強磁性層などは、それぞれ単層である必要はなく、２以上の層を積層したものであってもよい。２つの磁気共鳴層が有する磁気共鳴周波数を意図的にずらし、通電によって磁気発振が得られる構造であればすべて本発明の範囲に属する。
【００６８】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッド、マトリクス状磁気ヘッド、および磁気再生装置について説明する。
【００６９】
図１２に本発明の実施形態に係る磁気ヘッドの断面図を示す。説明を容易にするために、図中に互いに直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を表示する。ｘ軸は記録媒体上のトラックに沿う方向を示し、ｙ軸は記録媒体に向かう方向を示し、ｚ軸はトラック幅方向を示す。これらの軸の方向は、後述する各図においても共通である。図１３は図１２の磁気ヘッドにおける磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１４は、図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１５および図１６はそれぞれ図１４の変形例である。
【００７０】
図１２に示すように、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドは、非磁性基板４０上に形成された、磁気検出素子５１を含む再生ヘッド５０と記録ヘッド６０とを有する。図１２および図１３に示すように、再生ヘッド５０は、下地層５２、下部磁気シールド層５３、下部金属層５４、磁性発振素子５１、絶縁層５５、上部金属層５６、上部磁気シールド層５７を含んでいる。記録ヘッド６０は上部磁気シールド層５７によって再生ヘッド５０と磁気的に隔てられている。このため、再生ヘッド５０と記録ヘッド６０は独立に扱うことができる。本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、記録ヘッド６０は、面内磁気記録用であってもよいし、垂直磁気記録用であってもよい。なお、読み取り専用磁気ヘッドの場合には記録ヘッド６０を設ける必要はない。さらに、磁気ヘッドの媒体対向面には保護膜７０が設けられている。
【００７１】
非磁性基板４０の材料としては、Ａｌ2Ｏ3−ＴｉＣまたはＳｉＣなどが挙げられる。基板４０上の下地層５２の材料として、たとえばＡｌ2Ｏ3からなる絶縁膜が挙げられる。基板４０の材料と下部磁気シールド層５３の材料との間で整合性がよい場合には、下地層５２を設けなくてもよい。下地層１６上の下部磁気シールド層５３の材料としては、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏ、ＦｅＣｏＮｉ、センダストなどの軟磁性材料が挙げられる。下部磁気シールド層５３は電極としても機能する。下部磁気シールド層５３上の下部金属層５４の材料としては、Ｔａなどの導電性の非磁性金属材料が挙げられる。下部金属層５４上には、媒体に対向するように磁性発振素子５１が形成され、媒体対向面から見て磁性発振素子５１よりも奥側の領域に絶縁層５５が形成される。磁性発振素子５１および絶縁層５５上の上部金属層５６の材料には、下部金属層５４と同様の材料が用いられる。下部金属層５４上の上部磁気シールド層５７の材料には、下部磁気シールド層５３と同様の材料が用いられる。上部磁気シールド層５７は電極としても機能する。
【００７２】
図１２および図１３に示されるように、下部金属層５４および上部金属層５６は、磁気記録媒体に記録される記録ビットのサイズに合うように、１対の磁気シールド層に所望の間隔を保つ役割も果たしている。なお、下部金属層５４および上部金属層５６は、必ずしも設ける必要はない。また、下部磁気シールド層５３および上部磁気シールド層５７の代わりに、電極としてのみ機能する電極層と磁気シールドとしてのみ機能する磁気シールド層を設けてもよい。
【００７３】
本発明の実施形態に係る磁気ヘッドにおいては、磁性発振素子５１内の２つの磁気共鳴層に対してバイアス磁界を印加する磁区制御層が設けられる。このバイアス磁界による磁気異方性の制御によって磁気共鳴層を単磁区化することができ、バルクハウゼンノイズを抑制することができる。磁区制御層には硬磁性膜または強磁性層と反強磁性層を積層した交換結合膜が用いられる。硬磁性膜としては、たとえばＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、ＮｂＦｅＢなどが挙げられる。
【００７４】
図１４は図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図である。図１４はいわゆるハード・アバッテッド（ｈａｒｄ ａｂｕｔｔｅｄ）構造の磁気ヘッドを示している。この図に示されるように、トラック幅方向に沿って磁性発振素子５１の両側の側面に、磁区制御層５８と絶縁膜５９とが積層して設けられている。絶縁膜５９には高抵抗の非磁性材料が用いられる。絶縁層５９は２層以上の絶縁層を含む複合膜であってもよい。絶縁層５９を設けたことにより、磁性発振素子５１へ通電される電流が、磁区制御層５８へ分流するのを防止できる。
【００７５】
図１５は図１４の変形例である。図１５では、磁性発振素子５１の側面の大部分を覆うように絶縁層５９が形成され、この絶縁層５９上に磁区制御層５８が積層されている。このように、図１５では絶縁層５９と磁区制御層５８の積層順序が図１４と逆になっている。図１５では絶縁層５９が磁性発振素子５１の側面の大部分を覆っているため、磁性発振素子５１へ通電される電流が、磁区制御層５８へ分流するのをほぼ完全に回避することができる。この構造における磁区制御層５８による磁性発振素子５１へのバイアス磁界印加は、強磁性結合や反強磁性結合といった磁性的な結合によってなされるのではなく、磁区制御層５８から磁性発振素子５１へ磁場が回り込むことによってなされる。
【００７６】
図１６は図１４の他の変形例を示す断面図である。図１６では、磁区制御層が、磁性発振素子５１の側面ではなく、磁性発振素子５１の上下に配置された一対の磁気シールド層内に設けられている。すなわち、下部磁気シールド層５３内に磁区制御層５８ａが、上部磁気シールド層５７内に磁区制御層５８ｂがそれぞれ設けられている。磁区制御層５８ａ，５８ｂは、磁気シールド５３、５７内の通電の妨げにならないように、導電性の高い硬磁性層または強磁性層と反強磁性層を積層した交換結合膜で形成することが望ましい。図１６では、磁性発振素子５１の両側の側面を覆うように絶縁層５９のみが形成されている。この絶縁層５９により、分流を招くことなく、磁性発振素子５１にのみ電流を通電することができる。
【００７７】
図１４〜図１６に示したいずれの磁気ヘッドにおいても、磁区制御層によりバルクハウゼンノイズを抑制し、絶縁層によって分流を回避することで余分なノイズを除去しているため、磁性発振素子５１の感度劣化を最小限に止めることができる。
【００７８】
このように本発明の実施形態に係る磁気ヘッドによれば、磁性発振素子内の２つの磁気共鳴層が有する２つの磁化の共鳴的な歳差運動を用いることで熱雑音の影響を受けにくく、しかもバルクハウゼンノイズなどのノイズを抑制しているので、微小領域からの微小磁界を検知でき、高感度の磁気再生を実現できる。
【００７９】
次に、本発明の実施形態に係る磁気再生装置について説明する。
【００８０】
図１７に本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置１５０の斜視図を示す。磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘッドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、図１２〜図１６を参照して説明した磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。
【００８１】
磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダ１５６は磁気ディスク１５１と接触するいわゆる接触走行型のものであってもよい。この状態で、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。
【００８２】
図１８は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側から見た拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０はアクチュエータアーム１５５を含み、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかの磁気ヘッドを有するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４が配線され、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【００８３】
本発明の実施形態に係る磁気再生装置によれば、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク１５１に磁気的に記録された情報を、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかの磁気ヘッドによって、高感度で読みとることができる。
【００８４】
次に、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドを配列したマトリクス状磁気ヘッドについて説明する。
【００８５】
図１９は、マトリクス状磁気ヘッドの製造過程において、図１２〜図１６を参照して説明したいずれかのユニット磁気ヘッドを基板上に複数形成した様子を表す斜視図である。図２０は図１９の状態から切り出した一次元アレイを媒体対向面から見た断面図である。
【００８６】
図１９に示すように、非磁性基板４０上に、ｚ軸方向（トラック幅方向）に沿って、絶縁層９０を介して複数のユニット磁気ヘッド８０を等間隔に配列して形成する。この基板をｙ軸方向に沿って等間隔に切断面Ｓで切り出すことにより、図２０に示すように、ユニット磁気ヘッド８０が一次元的に配列した一次元アレイ１００を作製する。このように各々のユニット磁気ヘッド８０は、中間に介在している絶縁層９０によって磁気的、電気的に分断されている。
【００８７】
図２０に示すように、一次元アレイ１００に含まれる個々のユニット磁気ヘッド８０はたとえば図１４に示したような構造を有する。すなわち、非磁性基板４０上に、下部磁気シールド層５３が形成され、その上に磁性発振素子５１ならびにその両側の側面に隣接する磁区制御層５８および絶縁層５９の積層体が形成され、これらの上に上部磁気シールド層５７が形成されている。なお、磁区制御層５８および絶縁層５９については、図１４に示した構造に限らず、図１５に示した構造を採用してもよいし、図１６に示した構造を採用してもよい。このように、各ユニット磁気ヘッドは既述した磁気ヘッドとほぼ同一の構造を備えている。一次元アレイ１００を一次元のマトリクス状磁気ヘッドとして用いることもできる。
【００８８】
なお、たとえば図２０において、各ユニット磁気ヘッドの上部磁気シールド層５７の上に記録ヘッドを設けることによって、本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを再生ヘッドとしてだけでなく、再生記録ヘッドとして用いることができる。
【００８９】
図２１に、一次元アレイ１００を並列して形成された長方形のマトリクス状磁気ヘッド１１０の斜視図を示す。図２１では、上面が媒体対向面である。図２１の裏側の面には、各ユニット磁気ヘッドの下部磁気シールド層５３と上部磁気シールド層５７との間に通電できるように図示しない配線が形成されている。
【００９０】
マトリクス状磁気ヘッドの形状は特に限定されず、図２１のような長方形以外の形状でもよい。図２２に、一次元アレイ１００を並列して形成された扇型のマトリクス状磁気ヘッド１２０を媒体対向面から見た平面図を示す。その他、円形のマトリクス状磁気ヘッドを作製することもできる。
【００９１】
本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドにおいては、各々のユニット磁気ヘッドを独立に動作させることができるので、記録媒体に磁気的に記録された情報を並列的に読み出すのに適している。上述したように各々のユニット磁気ヘッドに記録ヘッドを設ければ、並列書き込みも可能となる。
【００９２】
図２３に、本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを搭載した磁気再生装置の斜視図を示す。図２３においては、磁気ディスク１５１の内周部および外周部に２本ずつポール１３０を設け、これらのポール１３０の上に図２２に示した扇型のマトリクス状磁気ヘッド１２０を固定している。図２３の磁気再生装置は、図１７におけるアクチュエータアーム、サスペンション、ヘッドスライダおよび磁気ヘッドの代わりに、ポール１３０およびマトリクス状磁気ヘッド１２０を設けたものである。なお、マトリクス状磁気ヘッド１２０を可動式にしてもよいことはもちろんである。
【００９３】
図２３のマトリクス状磁気ヘッド１２０に含まれる各々のユニット磁気ヘッドは独立に動作させることができるので、各々のユニット磁気ヘッドを協同的に動作するような適切なアルゴリズムを用いることにより、磁気ディスク１５１に記録された複数のビット情報を同時に読み出すことができる。したがって、従来よりも高い記録密度で磁気的に記録された情報を高感度かつ高速に読みとることができる。
【００９４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。たとえば、シールド層、磁区制御層、絶縁層などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。また、本発明の実施形態に係る磁気再生装置は、磁気記録媒体が固定式のものでもよいし、磁気記録媒体が差し替え可能ないわゆるリムーバブル方式のものでもよい。その他、上述した磁気ヘッドおよび磁気再生装置を基にして当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気ヘッドおよび磁気再生装置も同様に本発明の範囲に属する。
【実施例】
【００９５】
以下、いくつかの具体的な磁性発振素子について説明する。
（実施例１）
本実施例の磁性発振素子は図６に示す構造を有する。第１および第２の磁気共鳴層１、３にはＣｏを用いた。Ｃｏ薄膜の一軸異方性磁場の大きさは、膜厚によって変化することが知られている。そこで、第１および第２の磁気共鳴層１、３に膜厚の異なるＣｏ層を用い、第１および第２の磁気共鳴層１、３に固有の磁気共鳴周波数に差が生じるようにした。２層のＣｏ層の磁気異方性の方向を一致させて成膜した。非磁性層にはＣｕを用いた。成膜はスパッタリングにより行った。
【００９６】
まず、熱酸化シリコン膜を形成したシリコン基板上に、下部電極４としてＣｕ１００ｎｍ／Ｔａ５ｎｍを成膜し、その表面を研磨して平坦性を向上させた。下部電極４上に、第１の磁気共鳴層１として約１.５ｎｍのＣｏ層、非磁性層２として約２ｎｍのＣｕ層、第２の磁気共鳴層３として約２ｎｍのＣｏ層、その上に上部電極５としてＣｕ１０ｎｍ／Ａｕ１０ｎｍを成膜した。電子線ビームリソグラフィーとＡｒイオンビームスパッタを用いて微細加工を行い、接合面積約１００ｎｍ×８０ｎｍの素子を作製した。
【００９７】
この素子を中心導体幅５０μｍのコプレナガイドの一端に接続し、素子からのマイクロ波出力をスペクトラムアナライザーで検知した。素子の膜面に垂直な方向に振動磁場をかけて、素子の強磁性共鳴吸収スペクトルを調べた。第１の磁気共鳴層１（膜厚約１．５ｎｍのＣｏ層）の磁化が有する磁気共鳴周波数に対応するピークが約１７．５ＧＨｚに、第２の磁気共鳴層３（膜厚約２ｎｍのＣｏ層）の磁化が有する磁気共鳴周波数に対応するピークが約１９ＧＨｚに認められた。約１７．５ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．５ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を２×１０7Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約１９．５ＧＨｚのマイクロ波の発振が確認された。発振強度は電流密度と共に増大した。
【００９８】
（実施例２）
本実施例の磁性発振素子は図７に示す構造を有し、第１の磁気共鳴層１は単層の強磁性層で形成されているが、第２の磁気共鳴層３は強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【００９９】
図７に示すように、下部電極４として１０ｎｍのＣｕ、第１の磁気共鳴層１として膜厚５ｎｍのＣｏ、非磁性層２として膜厚３ｎｍのＣｕ、第２の磁気共鳴層３の強磁性層３１として膜厚５ｎｍのＣｏ、第２の磁気共鳴層３の反強磁性層３３として膜厚約８ｎｍのＩｒＭｎ、上部電極５として１０ｎｍのＣｕを用い、接合面積を約１００×１００ｎｍ2とした。
【０１００】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、２つのピークが約１４．４ＧＨｚと約１５．５ＧＨｚに認められた。第１の磁気共鳴層１の磁化の共鳴周波数が約１４．４ＧＨｚに対応し、交換結合膜からなる第２の磁気共鳴層３の磁化の共鳴周波数が約１５．５ＧＨｚに対応するものと考えられる。約１４．４ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．３ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を９×１０6Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約１６ＧＨｚのマイクロ波の発振が確認された。発振強度は電流密度と共に増大した。
【０１０１】
（実施例３）
本実施例の磁性発振素子は図８に示す構造を有し、第１の磁気共鳴層１が強磁性層１１と反強磁性層１３を積層した交換結合膜で形成され、第２の磁気共鳴層３が強磁性層３１と反強磁性層３３を積層した交換結合膜で形成されている。反強磁性層としてはＩｒＭｎ、強磁性層としてはＣｏを用いた。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【０１０２】
具体的には、Ｃｕ層（約１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約１０ｎｍ）／Ｃｏ層（約３ｎｍ）／Ｃｕ層（約５ｎｍ）／Ｃｏ層（約３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約７ｎｍ）／Ｃｕ層（約２０ｎｍ）を積層し、接合面積を約５０×１００ｎｍ2とした。
【０１０３】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、Ｃｏ層（約３ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約７ｎｍ）およびＣｕ層（約１０ｎｍ）／ＩｒＭｎ層（約１０ｎｍ）のそれぞれの交換結合膜に対応するピークが約２７．２ＧＨｚと約２９．１ＧＨｚに見られた。約２７．２ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．８ＧＨｚであった。下部電極４から上部電極５の方向に直流電流を流し、その電流密度を約４．６×１０7Ａ／ｃｍ2以上にすると、周波数約３２ＧＨｚの発振が確認された。
【０１０４】
（実施例４）
本実施例の磁性発振素子は図１１に示す構造を有し、２つの磁気共鳴層が共に垂直磁化膜で形成されている。垂直磁化膜としてはＣｏ／Ｒｕを用いた。素子の製造方法は、実施例１と同様である。
【０１０５】
具体的には、Ｃｕ層（約２０ｎｍ）／Ｃｏ層（約０．８ｎｍ）／Ｒｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｏ層（約０．６ｎｍ）／Ｒｕ層（約２ｎｍ）／Ｃｕ層（約４０ｎｍ）を積層し、接合面積を約１００×１００ｎｍ2とした。垂直磁化膜の有効垂直磁気異方性が強磁性層の膜厚に依存することを考慮し、２つの垂直磁化膜を構成するＣｏ強磁性層の膜厚にわずかに差をつけている。
【０１０６】
強磁性共鳴による共鳴スペクトルで、２つのピークが約１２ＧＨｚと約１６ＧＨｚに認められた。垂直磁気異方性の起源は格子の歪みであると一般に考えられており、上記２つのピークが２つの垂直磁化膜のいずれの磁化の共鳴周波数であるのかを判断するのは困難である。ただし、上部電極５から下部電極４の方向へ、電流密度２×１０7Ａ／ｃｍ2以上の直流電流を流したときに周波数約１７ＧＨｚの発振が確認されたことから、下部の垂直磁化膜の磁化の共鳴周波数が約１６ＧＨｚに対応し、上部の垂直磁化膜の共鳴周波数が約１２ＧＨｚに対応するものであると解釈された。約１２ＧＨｚのピークの共鳴線幅は約０．２ＧＨｚであった。共鳴周波数の比は約１．３である。発振強度は電流密度と共に増大した。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】２つの磁性体が有する磁化の磁気共鳴吸収ピークを模式的に示す図。
【図２】本発明の実施形態に係る磁性発振素子を模式的に示す図。
【図３】本発明の実施形態に係る磁性発振素子における磁化の定常な歳差運動の様子を模式的に示す図。
【図４】２つの磁気共鳴周波数ｆ1およびｆ2の相対的差異（ｆ2−ｆ1）／ｆ1および電流密度Ｊについて、どのような値域で歳差運動が生じるかを例示した図。
【図５】２つの磁化がなす角度θの時間変化の一例を示す図。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１０】本発明の第５の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１１】本発明の第６の実施形態に係る磁性発振素子の断面図。
【図１２】本発明の実施形態に係る磁性ヘッドの断面図。
【図１３】図１２の磁気ヘッドにおける磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図。
【図１４】図１２の磁気ヘッドを媒体対向面から見た場合の磁性発振素子の近傍を拡大して示す断面図。
【図１５】図１４の変形例を示す断面図。
【図１６】図１４の他の変形例を示す断面図。
【図１７】本発明の実施形態に係る磁気再生装置の斜視図。
【図１８】本発明の実施形態に係る磁気再生装置の磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側から見た斜視図。
【図１９】本発明の実施形態に係るユニット磁気ヘッドを基板上に複数形成した様子を表す斜視図。
【図２０】図１９から切り出した一次元アレイを媒体対向面から見た断面図。
【図２１】本発明の実施形態に係る長方形のマトリクス状磁気ヘッドの斜視図。
【図２２】本発明の他の実施形態に係る扇型のマトリクス状磁気ヘッドの平面図。
【図２３】本発明の実施形態に係るマトリクス状磁気ヘッドを搭載した磁気再生装置の斜視図。
【符号の説明】
【０１０８】
１…第１の磁気共鳴層、２…非磁性層、３…第２の磁気共鳴層、４…下部電極、５…上部電極、１１…強磁性層、１２…非磁性中間層、１３…反強磁性層、３１…強磁性層、３２…非磁性中間層、３３…反強磁性層、４０…非磁性基板、５０…再生ヘッド、５１…磁気検出素子、５２…下地層、５３…下部磁気シールド層、５４…下部金属層、５５…絶縁層、５６…上部金属層、５７…上部磁気シールド層、５８…磁区制御層、５９…絶縁層、６０…記録ヘッド、７０…保護膜、８０…ユニット磁気ヘッド、９０…絶縁層、１００…一次元アレイ、１１０、１２０…マトリクス状磁気ヘッド、１３０…ポール、１５０…磁気再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、
前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、
前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、
前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、
前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項２】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項３】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、少なくとも一方の強磁性層の両端部に一対のバイアス磁性膜を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項４】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項５】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、一方が面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、他方が面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項６】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層、交換バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層および反強磁性層を積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項７】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、一方が面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、他方が面内磁気異方性を有する強磁性層、交換バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層および反強磁性層を積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項８】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、少なくとも一方が垂直磁化膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁性発振素子と、
通電により励起される、前記第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動における、２つの磁化のなす角の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段と
を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁性発振素子と、
前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、
前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、
前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層と
を有することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気ヘッドをユニット磁気ヘッドとし、絶縁層を介して複数のユニット磁気ヘッドをマトリックス状に配列したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする磁気再生装置。
【請求項１】
第１の磁気共鳴周波数ｆ1を有する第１の磁気共鳴層と、
前記第１の磁気共鳴周波数ｆ1よりも大きい第２の磁気共鳴周波数ｆ2を有する第２の磁気共鳴層と、
前記第１の磁気共鳴層と前記第２の磁気共鳴層との間に挟まれた非磁性層と、
前記第１および第２の磁気共鳴層ならびに前記非磁性層の膜面に対して垂直に電流を通電する一対の電極を有し、
前記２つの磁気共鳴周波数の差（ｆ2−ｆ1）が前記第１の磁気共鳴層が有する共鳴線幅の半分よりも大きく、かつ前記２つの磁気共鳴周波数の比ｆ2／ｆ1が１．６以下である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項２】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項３】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、少なくとも一方の強磁性層の両端部に一対のバイアス磁性膜を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項４】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項５】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、一方が面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、他方が面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項６】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、面内磁気異方性を有する強磁性層、交換バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層および反強磁性層を積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項７】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、一方が面内磁気異方性を有する強磁性層で形成され、他方が面内磁気異方性を有する強磁性層、交換バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層および反強磁性層を積層した交換結合膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項８】
前記第１および第２の磁気共鳴層は、少なくとも一方が垂直磁化膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁性発振素子と、
通電により励起される、前記第１および第２の磁気共鳴層が有する磁化による共鳴周波数の揃った歳差運動における、２つの磁化のなす角の外部磁場に依存した変化を抵抗変化として検出する手段と
を有することを特徴とする磁気センサ。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の磁性発振素子と、
前記磁性発振素子にバイアス磁界を印加して前記第１および第２の磁気発振層の磁区を制御する磁区制御層と、
前記磁性発振素子の膜面に対して垂直に電流が通電されるように設けられた絶縁層と、
前記磁性発振素子を挟む１対の磁気シールド層と
を有することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載の磁気ヘッドをユニット磁気ヘッドとし、絶縁層を介して複数のユニット磁気ヘッドをマトリックス状に配列したことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の磁気ヘッドと、磁気記録媒体とを有することを特徴とする磁気再生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
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【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００６−２８６８５５（Ｐ２００６−２８６８５５Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０３６０７（Ｐ２００５−１０３６０７）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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