磁気記録ヘッド及び磁気記録再生装置
【課題】高周波磁界アシスト記録方式において、低電流でも安定した発振が得られるスピントルク発振器を実現し、高記録密度を可能とする磁気記録ヘッドを提供する。
【解決手段】高周波磁界を発する発振器１１０を備える磁気記録ヘッドにおいて、二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂが反平行方結合した積層構造のスピン注入層構造１１２を用いる。二層の磁性層のうち、高周波磁界発生層１１１に近い第一の磁性層１１２ａの飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積Ｍｓ×ｔは、高周波磁界発生層から遠い第二の磁性層１１２ｂのＭｓ×ｔよりも小さい。
【解決手段】高周波磁界を発する発振器１１０を備える磁気記録ヘッドにおいて、二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂが反平行方結合した積層構造のスピン注入層構造１１２を用いる。二層の磁性層のうち、高周波磁界発生層１１１に近い第一の磁性層１１２ａの飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積Ｍｓ×ｔは、高周波磁界発生層から遠い第二の磁性層１１２ｂのＭｓ×ｔよりも小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録媒体に対し高周波磁界を印加することにより磁化反転を誘導する機能を有する磁気記録ヘッド、及びその磁気記録ヘッドを搭載した磁気記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気記録再生装置においては、年率４０％程度の急速な記録密度の増加が求められており、２０１２年頃には面記録密度は１平方インチあたり１テラビット（Ｔｂ／ｉｎ2）、２０１４年頃には２テラビットに達すると予想されている。面記録密度の向上には、磁気記録ヘッド及び再生ヘッドの微細化と磁気記録媒体の粒径の微細化が必要である。しかし、磁気記録ヘッドの微細化により記録磁界強度は減少するため、記録能力不足の問題化が予測される。また、磁気記録媒体の粒径が微細化すると熱揺らぎの問題が顕在化するため、粒径の微細化と同時に保磁力や異方性エネルギーを増加させる必要があり、結果的に記録が困難になる。したがって、面記録密度の向上には記録能力の向上が鍵である。そこで、熱や高周波磁界の印加により記録時のみ一時的に磁気記録媒体の保磁力を低下させるアシスト記録が提案されている。
【０００３】
高周波磁界印加による方式は、「マイクロ波アシスト記録（ＭＡＭＲ）」という名称のもとに、近年着目されている。ＭＡＭＲでは、強力なマイクロ波帯の高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に印加して記録媒体を局所的に励起、磁化反転磁界を低減して情報を記録する。磁気共鳴を利用するため、記録媒体の異方性磁界に比例する周波数の高い高周波磁界を用いないと、大きな磁化反転磁界の低減効果は得られない。特許文献１には、高周波アシスト磁界を発生させるためのＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）に類似する構造の積層膜を電極で挟んだ構造の高周波発振器が開示されている。この高周波発振器は、ＧＭＲ構造に発生するスピン揺らぎをもつ伝導電子を非磁性体を介して磁性体に注入することにより微小な領域に高周波振動磁界を発生することができる。非特許文献１には、垂直磁気記録ヘッドの主磁極に隣接させて、スピントルクによって高速回転する高周波磁界発生層（Field Generation Layer：以下、ＦＧＬと略）を配置してマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめ、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する技術が開示されている。さらに、非特許文献２には、発振器を磁気記録ヘッドの主磁極と主磁極後方のトレーリングシールドの間に配置し、高周波磁界の回転方向を記録磁界極性に応じて変化させることにより、磁気記録媒体の磁化反転を効率的にアシストする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５-０２５８３１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Microwave Assisted Magnetic Recording: J-G. Zhu et.al, IEEE trans. Magn., Vol.44, No.1, p.125 (2008)
【非特許文献２】Medium damping constant and performance characteristics in microwave assisted magnetic recording with circular as field: Y. Wang, et. al, Jornal of Applied Physics, vol.105, p.07B902 (2009)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、磁気記録において要求される記録密度は１Ｔｂ／ｉｎ2を超える程度になっており、ＭＡＭＲでこの程度の記録密度を実現する場合には、強力な高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に照射して磁性記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録する必要がある。非特許文献１や２に開示された技術を用いれば、１Ｔｂ／ｉｎ２以上の記録密度を実現できる可能性があることが報告されている。このためＭＡＭＲでは、磁気記録ヘッドの発振器から高強度で且つ高周波な磁界を発生させることが重要となる。
【０００７】
先述したスピントルクを利用した発振器（ＳＴＯ）では、発振器に電流を印加することにより磁性体からなるＦＧＬに電子スピンによるトルク、いわゆるスピントルクを与えることで、ＦＧＬの磁化が高周波で発振する現象を用い、これにより発生する高周波磁界を用いる。ＦＧＬにスピントルクを与えるためには電子スピンの向きを揃える必要があり、発振器のＦＧＬの近傍にスピン注入層を設ける。このスピン注入層は磁化の方向が一方向に揃えられているため、ここを通過する電子スピンは一方向に揃えられることになる。このように方向の揃った電子スピンがＦＧＬに流入することにより、ＦＧＬにトルクを与えることが可能となる。更にこのスピントルクが、ＦＧＬの異方性や外部からの磁界等と均衡した状態を実現することによりＦＧＬの磁化が発振するのである。
【０００８】
アシスト効果の向上や高密度での記録を行うためには１０ＧＨｚを超える高い周波数のアシスト磁界が必要となる。ＦＧＬの異方性を高めたり、外部磁界、例えば主磁極から発振器に印加される磁界（ギャップ磁界）を高めることにより発振周波数を高めることが可能になるが、発振を励起するためには、これらの磁界に見合うスピントルクを与えなければならない。しかしながら、スピントルクを高めるために発振器への印加電流を増大させると、素子の発熱やマイグレーション、更には素子破壊などが生じてしまう。そのため、低い電流で如何に効率的にスピントルクを発生させるかが課題である。
【０００９】
また、記録を効率的に行うため、主磁極からの記録磁界の反転に伴い発振器のスピン注入層の磁化方向を反転させて動作させる必要が生じるが、方向や強度が変化する主磁極からの漏洩磁界に対し、スピン注入層の磁化を容易に反転させながら且つ安定した状態を実現する必要がある。
【００１０】
本発明は、高周波磁界を発生する発振器を用いる方式のマイクロ波アシスト記録において、発振器の構成を改良することにより、低い発振電流でも高周波で安定した発振を実現し、且つ記録磁界の高速反転に対し追従性が高く、また安定した発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）方式用磁気記録ヘッドのマイクロ波発振器（ＳＴＯ）として、二層の磁性層の磁化が反平行結合した積層構造のスピン注入層構造を備える。このとき、二層の磁性層のうち、ＦＧＬに近い第一の磁性層の飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積Ｍｓ×ｔを、ＦＧＬから遠い第二の磁性層のＭｓ×ｔよりも小さく設定する。また、第一の磁性層の異方性磁界は、第二の磁性層の異方性磁界よりも大きい。
【００１２】
ＦＧＬに対し、磁化が反平行結合した積層構造の第一のスピン注入層構造とは反対側に、磁化方向が第一の磁性層の磁化とは反対向きの第二のスピン注入層構造を設けてもよい。
【００１３】
第一のスピン注入層構造の磁化方向や、第二のスピン注入層構造の磁化方向は、主磁極からの漏洩磁界により反転する。
電流は、ＦＧＬから第一のスピン注入層構造に向けて流す。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安定した発振を得るための発振器への印加電流を低減することが可能となる。このため、発振器の信頼性向上や長寿命化を実現することができる。また、高速に反転する記録磁界に対し追従性が高く、且つ安定した発振器を提供することができる。これにより、本発明の発振器を用いたマイクロ波アシスト記録方式、及びその方式を用いた磁気記録装置の安定化や高速記録化などの高性能化を実現することが可能となる。
【００１５】
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による磁気記録再生ヘッドの一例を示す断面模式図。
【図２】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図３】従来の発振器の構成を示す模式図。
【図４】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と動作可能磁界範囲との関係図。
【図５】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と磁化反転磁界との関係図。
【図６】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と磁化反転磁界との関係図。
【図７】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の他の構成例を示す模式図。
【図８】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図９】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図１０】磁気記録装置の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。
【００１８】
〔実施例１〕
図１に、本発明の一実施例による磁気記録再生ヘッドの断面模式図を示す。磁気記録再生ヘッドは、記録ヘッド部１００と再生ヘッド部２００から構成される記録再生分離ヘッドである。記録ヘッド部１００は高周波磁界を発生するための発振器１１０、記録ヘッド磁界を発生するための主磁極１２０、主磁極１２０に磁場を励磁するためのコイル１４０、及び副磁極１３０ａを有する。さらに、本実施例では、主磁極１２０のトレーリング方向にトレーリングシールド１３０ｂを設けているが、トレーリングシールドは必ずしも設ける必要はない。ここで、トレーリング方向はヘッドの媒体に対する進行方向と反対の方向であり、リーディング方向はヘッドの媒体に対する進行方向であると定義している。また、図１には示していないが、主磁極１２０のトラック幅方向の外側にサイドシールドを設けてもよい。サイドシールドは主磁極１２０の両側に設けてもよいし、外側と内側のどちらか一方にだけ設けてもよい。再生ヘッド部２００は再生センサ２１０、下部磁気シールド２２０、及び上部磁気シールド２３０から構成される。図１には示していないが、再生センサ２１０のトラック幅方向の外側にサイドシールドを設けてもよい。また、参考のため、磁気記録媒体３００を図中に示している。本実施例では、磁気記録媒体３００に対する磁気記録再生ヘッドの進行方向から見て、再生ヘッド部２００が先頭で記録ヘッド部１００が後方の配置であるが、ヘッドの進行方向から見て記録ヘッド部１００が先頭で再生ヘッド部２００が後方になるように配置を逆転した構成であってもよい。
【００１９】
図２に、記録ヘッド部１００の一部である主磁極１２０と発振器１１０、及びトレーリングシールド１３０ｂの媒体対向面構造を示す。主磁極１２０上に形成されたスピントルク発振器（ＳＴＯ）１１０は、高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１１１とＦＧＬ１１１へのスピントルク付与のための第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）１１２、及びそれらの間に配置された第一の中間層１１３ａからなる。スピントルク発振器１１０と主磁極１２０、又はトレーリングシールド１３０ｂとの間にはスペーサー層１１４ａ，１１４ｂが配置されていてもよい。
【００２０】
ここで、スピントルク発振器の動作原理を説明する。コイル１４０により主磁極１２０を励磁することにより、主磁極１２０から記録媒体３００に向け記録磁界が発生するが、同時に主磁極１２０からトレーリングシールド１３０ｂへ漏洩磁界（ギャップ磁界）が発生する。このギャップ磁界は主磁極１２０とトレーリングシールド１３０ｂとの間に配置された発振器１１０にも印加され、その磁界方向は発振器１１０の層厚方向が主となり、ＦＧＬ１１１の磁化も同方向へ傾斜することになる。ここで発振器１１０に例えば電流源１５１等を用いて電流を印加することにより、スピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１へ入射又は反射のスピンを与え、ギャップ磁界と逆向きのスピントルクを付与することでギャップ磁界と発振電流トルクとの均衡がとれた状態となる。この状態においてＦＧＬ１１１の磁化が発振し、高周波のアシスト磁界を発生することが出来る。この高周波アシスト磁界を利用し、主磁極１２０からの記録磁界と合わせて記録媒体３００に印加することにより、アシスト記録を行うのである。
【００２１】
本実施例では、スピン注入層構造（ＳＩＬ）１１２は二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂとその間に配置された結合中間層１１２ｃからなる積層磁性層構造としている。この二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂの磁化は結合中間層１１２ｃを介して磁気的に反平行の結合状態となっており、互いの磁化が反対方向を向いている。本構成では反平行に結合した二層の磁化はそれぞれ層厚（垂直）方向の異方性を有しているとしているが、層内（面内）方向の異方性を有していても、またそれらの組合せの異方性を有していてもよい。またここで反平行結合とは二層の磁化が完全に反平行な方向に結合しているものが望ましいが、二層の磁化方向の主成分が同一方向ではなく反対方向の関係に結合しているものでもよい。
【００２２】
ここで二層の磁性層のうちＦＧＬ１１１に近い方を第一の磁性層（ＳＩＬ１１）１１２ａ、遠い方を第二の磁性層（ＳＩＬ１２）１１２ｂとし、各磁性層の飽和磁化Ｍｓと層厚ｔとの積Ｍｓ×ｔをそれぞれＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１，Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２とした時、本実施例の反平行に結合した積層磁性層構造のスピン注入層構造１１２は以下の関係を満たすものとする。
【００２３】
Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１＜Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２ …(1)
【００２４】
例えば図３に示す従来例のような単層のスピン注入層構造１１２では、その磁化方向はギャップ磁界の方向と同一方向となる。この場合、ギャップ磁界と均衡するスピントルクを与えるためには、発振電流をスピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１へと印加し、ＦＧＬ１１１からスピン注入層構造１１２に流れた電子スピンがスピン注入層構造１１２にて反射してＦＧＬ１１１に流入する、いわゆる反射スピンを用いることになる。しかしながら反射スピンを利用する場合は、電流印加方向に応じて電子スピンがスピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１に流入する、いわゆる入射スピンに比べ、印加電流に対するスピントルク効率が低く、所望のスピントルクを得るためには大きな発振電流が必要となってしまう。このため大きな発振電流を印加した場合は、発熱やエレクトロマイグレーションにより発振器の特性劣化や素子破壊等が懸念される。
【００２５】
一方、スピン注入層構造１１２に反平行結合した二層の磁性層を用い、且つ式(1)の関係を満たした場合、Ｍｓ×ｔが大きい第二の磁性層１１２ｂの磁化はギャップ磁界と同一方向に向く。また、これと反平行結合した第一の磁性層１１２ａの磁化は、ギャップ磁界と反対方向に向くことになる。ＦＧＬ１１１へのスピントルクは第一の中間層１１３ａを介した第一の磁性層１１２ａが支配的となるため、ＦＧＬ１１１からスピン注入層構造１１２へ電流を印加することにより（電流方向１５０）、ギャップ磁界と反対の磁化方向の第一磁性層１１２ａから入射スピンをＦＧＬ１１１へ印加することが可能になる。これにより、ＦＧＬ１１１へ印加した発振電流に対し効率的にスピントルクを与えることができる。
【００２６】
図４に、第一のスピン注入層構造１１２の層厚方向に磁界を印加した場合の動作可能磁界範囲をエネルギー計算により算出した結果を示す。ここで動作可能磁界範囲とは、第一の磁性層１１２ａ及び第二の磁性層１１２ｂの各磁化が反転し、且つ反平行な結合を維持している状態を実現する外部磁界範囲である。換言すると、動作可能磁界範囲より大きな外部磁界が印加されると、第一の磁性層１１２ａの磁化と第二の磁性層１１２ｂの磁化は同じ向きを向いてしまう。実際の記録ヘッド動作では、記録の効率化のため記録磁界の方向と合わせてスピン注入層構造の磁化方向を変化させることが望ましい。そのためにはスピントルク発振器に印加されるヘッドギャップ磁界よりもスピン注入層構造の磁化反転磁界が小さくなる領域で用いることが望ましい。横軸は、第一の磁性層１１２ａと第二の磁性層１１２ｂの層厚方向の異方性（垂直異方性）Ｈｋの差（ΔＨｋ）である。ここで第一の磁性層１１２ａは飽和磁化Ｍｓ１＝７９６ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ１＝３ｎｍ、第二の磁性層１１２ｂはＭｓ２＝７９６ｅｍｕ／ｃｃ、ｔ２＝６ｎｍとし、それぞれの層厚方向の垂直異方性Ｈｋを１１〜１６ｋＯｅとした。また、第一の中間層１１３ａを介した両磁性層の反平行結合力は−２ｅｒｇ／ｃｍ2とした。
【００２７】
図４（ａ）〜（ｅ）は、スピン注入層構造の第一の磁性層の異方性Ｈｋを１１〜１５ｋＯｅまで変化させた場合の図、図４（ｆ）はそれらを重ねた場合の図である。なお、本計算では外部印加磁界を１ｋＯｅの単位で変化させている。より細かい単位で変化させることでより精細な計算結果が得られるが、本発明の特徴を示す上では十分と判断した。図４（ｆ）に示すように、第一の磁性層１１２ａのＨｋと第二の磁性層１１２ｂのＨｋとの差が大きくなるにつれ、動作可能磁界範囲が増大することがわかる。例えば第一の磁性層のＨｋが第二の磁性層のＨｋよりも大きい条件では、３ｋＯｅ以上もの動作可能磁界範囲が得られる。このように安定したスピン注入層動作を実現するためには、反平行に結合した第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａのＨｋが第二の磁性層１１２ｂのＨｋよりも大きい、つまり以下の関係とすることが望ましい。
【００２８】
Ｈｋ＿ＳＩＬ１１−Ｈｋ＿ＳＩＬ１２＞０（ΔＨｋ＞０） …(2)
【００２９】
図５（ａ）〜（ｅ）及び図６（ａ）〜（ｅ）に、第一のスピン注入層構造１１２に関し、図４と同様のエネルギー計算を行い、第一のスピン注入層構造の層厚方向に磁界を印加した場合に各磁性層磁化が反転する反転磁界を第一、及び第二の磁性層の各Ｈｋに対して算出した結果を示す。図５（ｆ）及び図６（ｆ）は、それらを重ねた場合の図である。
【００３０】
スピン注入層磁化の反転磁界は、図５（ｆ）のように第一の磁性層１１２ａのＨｋを変化させても殆ど変化しないのに対し、図６（ｆ）に示すように第二の磁性層１１２ｂのＨｋに対しては大きく依存することがわかる。第二の磁性層１１２ｂは第一の磁性層１１２ａよりもＭｓ×ｔが大きいため、外部磁界を印加した場合に第二の磁性層１１２ｂの磁化が外部磁界方向に向き、第一の磁性層１１２ａの磁化はそれと反対方向に向くことになる。つまり、第二の磁性層１１２ｂの磁化は磁化方向を決める主要因であり、また磁化の反転磁界を決める支配的要因でもある。そのため、この第二の磁性層１１２ｂのＨｋを小さくすることにより、より小さな外部磁界でも磁化反転を可能にすることができる。例えば５ｋＯｅのヘッド漏洩磁界（ギャップ磁界）では、第二の磁性層１１２ｂの異方性磁界Ｈｋを１２ｋＯｅ以下にすることが望ましい。逆に、第一の磁性層１１２ａはスピントルク注入源であるため、その磁化方向は安定であることが望ましく、そのため大きな異方性磁界Ｈｋが要求される。この観点からも第一と第二の磁性層の異方性磁界Ｈｋは式(2)の関係を満たすことが望ましい。
【００３１】
以上のように反平行結合した積層構造の第一のスピン注入層構造１１２において、式(2)の関係を満たす構成とすることで、動作可能磁界範囲を広げることができ、また低いギャップ磁界におけるスピン注入層磁化の反転が可能となる。これにより、主磁極１２０磁界の反転に対する発振器１１０のスピン注入層磁化の反転の追従性、及び安定性が高まり、より高速で、且つ高密度な記録が可能となる。
【００３２】
次に、発振器の具体的な構成例を示す。第一のスピン注入層構造１１２の磁化方向は、膜面に垂直方向とすることで、より効果的なＦＧＬ１１１の発振が得られる。このため、スピン注入層構造１１２の磁性層１１２ａ，１１２ｂには垂直磁気異方性を有する磁性材料を用いることが有効で、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＣｏＦｅＰｄ，ＴｂＦｅＣｏなどの合金や、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｎｉなどの多層膜などを用いることができる。また、主磁極１２０からトレーリングシールド１３０ｂへのギャップ磁界を用いてスピン注入層の磁性層磁化を膜面垂直方向に固定することも可能であり、その場合には垂直磁気異方性を有する膜の他に、面内磁気異方性膜を用いてもよい。特に、スピン注入効率を向上させる観点からは、第一の磁性層１１２ａとして用いる面内磁化膜としては、ホイスラー合金や、ＣｏＦｅＢなどが好ましい。
【００３３】
第一の磁性層１１２ａと第二の磁性層１１２ｂの間の結合中間層１１２ｃには、２つの磁性層を反平行方向に結合させる非磁性材料としてＲｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ等を用いることができる。特に高い反平行結合力を得るためにはＲｕを用いることが望ましい。なお、これら非磁性の結合中間層１１２ｃにより磁気的に結合した第一と第二の磁性層１１２ａ，１１２ｂの磁化は反平行状態であることが望ましいが、完全に反平行状態ではなくても本発明の効果は得られる。
【００３４】
ＦＧＬ１１１には、高い磁界強度を得るため高飽和磁化磁性材料を用いる。具体的には、Ｃｏ，Ｆｅ又はこれらを含む合金材料がある。また、スピン注入層構造の磁性層と同様にスピン注入効率の高い材料として、ＣｏＦｅＧｅ，ＣｏＭｎＧｅ，ＣｏＦｅＡｌ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＭｎＳｉ，ＣｏＦｅＳｉなどのホイスラー合金が挙げられる。更に、Ｃｏ／ＦｅやＣｏ／Ｉｒなどの負の垂直異方性を示す材料を用いてもよい。
【００３５】
発振器１１０と主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂとの間のスペーサー層１１４ａ，１１４ｂには、それぞれの磁気的結合力の制御や距離の制御のために非磁性材料が用いられる。また、発振器１１０の下側に設けられたスペーサー層１１４ａの材料は、その上の発振器用膜形成のための下地層としての目的でも選択できる。なお、スペーサー層を用いずに、発振器１１０と主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂが直接接合した構成も可能である。
【００３６】
なお、本実施例は図７に示すように、主磁極１２０とトレーリングシールド１３０ｂの間において、ＦＧＬ１１１と第一のスピン注入層構造１１２の層厚方向の位置が反転した構成としても同様の効果が得られる。
【００３７】
以上のように、本実施例によれば、安定した発振を得るための発振器への印加電流を低減することが可能となる。このため、発振器の信頼性向上や長寿命化を実現することができる。また、高速に反転する記録磁界に対し追従性が高く、且つ安定した発振器を提供することができる。これにより、マイクロ波アシスト記録方式、及びその方式を用いた磁気記録装置の安定化や高速記録化などの高性能化を実現することが可能となる。
【００３８】
〔実施例２〕
図８は、本発明の第二の実施例による磁気記録再生ヘッドを示す図であり、媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器構成の模式図である。
【００３９】
本実施例は、図２に示した構成において、ＦＧＬ１１１に対し反平行結合した第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）１１２とは反対の位置に、第二の中間層１１３ｂを介して第二のスピン注入層構造（ＳＩＬ２）１１５が配置された構造である。第二のスピン注入層構造１１５は単層の構造とするのが好ましい。また、第二のスピン注入層構造１１５は積層構造とすることもできるが、その場合には結合等により各層の各磁化が同一方向を向いた構造とする。これによりギャップ磁界が印加された場合、第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａの磁化方向と第二のスピン注入層構造１１５の磁化方向は互いに逆向きの関係となる。
【００４０】
ここで第二のスピン注入層構造１１５から第一のスピン注入層構造１１２の方向に電流を印加することにより、ＦＧＬ１１１に対しては第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａからの入射スピンに加え、第二のスピン注入層構造１１５からの反射スピンが流入することになる。両者はそれぞれ同一方向のスピントルクをＦＧＬ１１１に与えるため、ＦＧＬ１１１の磁化をより効果的に発振させることが可能となる。
【００４１】
第二のスピン注入層構造１１５の材料としては、第一のスピン注入層構造１１２と同様に垂直磁気異方性を有する磁性材料を用いることが有効で、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＣｏＦｅＰｄ，ＴｂＦｅＣｏなどの合金やＣｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｎｉなどの多層膜などが挙げられる。第二のスピン注入層構造１１５は、主磁極１２０からの漏洩磁界よりも小さい反転磁界を有し、主磁極１２０からの漏洩磁界により磁化方向が反転する。
【００４２】
なお、図９に示すように、主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂに対し第一のスピン注入層構造１１２、第二のスピン注入層構造１１５、及びＦＧＬ１１１の配置が反転した構造を用いても同様の効果が得られる。
【００４３】
〔実施例３〕
図１０は、磁気記録装置を示す模式図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）はそのＡ−Ａ′での断面図である。
【００４４】
磁気記録媒体（磁気ディスク）３００は回転軸受け４０４に固定され、モータ４０１により回転する。図１０では３枚の磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あればよい。磁気記録媒体３００は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ４０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向移動し、先端部に実施例１，２に示した磁気記録ヘッドを備える磁気ヘッドを有する。サスペンション４０６は、アーム４０５を介してロータリアクチユエータ４０３に支持される。サスペンション４０６は、スライダ４０２を磁気記録媒体３００に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。ロータリアクチュエータ４０３によってアーム４０５を駆動することにより、スライダ４０２に搭載された磁気ヘッドは、磁気記録媒体３００上の所望トラックに位置付けられる。
【００４５】
磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流は、ＩＣアンプ４１１から配線４０７を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、リードライト用のチャネルＩＣ４１０により実行される。また、磁気記録再生装置全体の制御動作は、メモリ４０９に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ４０８が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ４０８とメモリ４０９とがいわゆるディスクコントローラを構成する。
【００４６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１００：記録ヘッド部
１１０：スピントルク発振器（ＳＴＯ）
１１１：高周波磁界発生層（ＦＧＬ）
１１２：第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）
１１２ａ：第一の磁性層
１１２ｂ：第二の磁性層
１１２ｃ：結合中間層
１１３ａ：第一の中間層
１１３ｂ：第二の中間層
１１４ａ，１１４ｂ：スペーサー層
１１５：第二のスピン注入層構造（ＳＩＬ２）
１２０：主磁極
１３０ａ：副磁極
１３０ｂ：トレーリングシールド
１４０：コイル
１５０：電流方向
１５１：電流源
２００：再生ヘッド部
２１０：再生センサ
２２０：下部磁気シールド
２３０：上部磁気シールド
３００：磁気記録媒体
４０１：モータ
４０２：スライダ
４０３：ロータリアクチユエータ
４０４：回転軸受け
４０５：アーム
４０６：サスペンション
４０７：配線
４０８：プロセッサ
４０９：メモリ
４１０：チャネルＩＣ
４１１：ＩＣアンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録媒体に対し高周波磁界を印加することにより磁化反転を誘導する機能を有する磁気記録ヘッド、及びその磁気記録ヘッドを搭載した磁気記録再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの磁気記録再生装置においては、年率４０％程度の急速な記録密度の増加が求められており、２０１２年頃には面記録密度は１平方インチあたり１テラビット（Ｔｂ／ｉｎ2）、２０１４年頃には２テラビットに達すると予想されている。面記録密度の向上には、磁気記録ヘッド及び再生ヘッドの微細化と磁気記録媒体の粒径の微細化が必要である。しかし、磁気記録ヘッドの微細化により記録磁界強度は減少するため、記録能力不足の問題化が予測される。また、磁気記録媒体の粒径が微細化すると熱揺らぎの問題が顕在化するため、粒径の微細化と同時に保磁力や異方性エネルギーを増加させる必要があり、結果的に記録が困難になる。したがって、面記録密度の向上には記録能力の向上が鍵である。そこで、熱や高周波磁界の印加により記録時のみ一時的に磁気記録媒体の保磁力を低下させるアシスト記録が提案されている。
【０００３】
高周波磁界印加による方式は、「マイクロ波アシスト記録（ＭＡＭＲ）」という名称のもとに、近年着目されている。ＭＡＭＲでは、強力なマイクロ波帯の高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に印加して記録媒体を局所的に励起、磁化反転磁界を低減して情報を記録する。磁気共鳴を利用するため、記録媒体の異方性磁界に比例する周波数の高い高周波磁界を用いないと、大きな磁化反転磁界の低減効果は得られない。特許文献１には、高周波アシスト磁界を発生させるためのＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）に類似する構造の積層膜を電極で挟んだ構造の高周波発振器が開示されている。この高周波発振器は、ＧＭＲ構造に発生するスピン揺らぎをもつ伝導電子を非磁性体を介して磁性体に注入することにより微小な領域に高周波振動磁界を発生することができる。非特許文献１には、垂直磁気記録ヘッドの主磁極に隣接させて、スピントルクによって高速回転する高周波磁界発生層（Field Generation Layer：以下、ＦＧＬと略）を配置してマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめ、磁気異方性の大きな磁気記録媒体に情報を記録する技術が開示されている。さらに、非特許文献２には、発振器を磁気記録ヘッドの主磁極と主磁極後方のトレーリングシールドの間に配置し、高周波磁界の回転方向を記録磁界極性に応じて変化させることにより、磁気記録媒体の磁化反転を効率的にアシストする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５-０２５８３１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Microwave Assisted Magnetic Recording: J-G. Zhu et.al, IEEE trans. Magn., Vol.44, No.1, p.125 (2008)
【非特許文献２】Medium damping constant and performance characteristics in microwave assisted magnetic recording with circular as field: Y. Wang, et. al, Jornal of Applied Physics, vol.105, p.07B902 (2009)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、磁気記録において要求される記録密度は１Ｔｂ／ｉｎ2を超える程度になっており、ＭＡＭＲでこの程度の記録密度を実現する場合には、強力な高周波磁界をナノメートルオーダーの領域に照射して磁性記録媒体を局所的に磁気共鳴状態にし、磁化反転磁界を低減して情報を記録する必要がある。非特許文献１や２に開示された技術を用いれば、１Ｔｂ／ｉｎ２以上の記録密度を実現できる可能性があることが報告されている。このためＭＡＭＲでは、磁気記録ヘッドの発振器から高強度で且つ高周波な磁界を発生させることが重要となる。
【０００７】
先述したスピントルクを利用した発振器（ＳＴＯ）では、発振器に電流を印加することにより磁性体からなるＦＧＬに電子スピンによるトルク、いわゆるスピントルクを与えることで、ＦＧＬの磁化が高周波で発振する現象を用い、これにより発生する高周波磁界を用いる。ＦＧＬにスピントルクを与えるためには電子スピンの向きを揃える必要があり、発振器のＦＧＬの近傍にスピン注入層を設ける。このスピン注入層は磁化の方向が一方向に揃えられているため、ここを通過する電子スピンは一方向に揃えられることになる。このように方向の揃った電子スピンがＦＧＬに流入することにより、ＦＧＬにトルクを与えることが可能となる。更にこのスピントルクが、ＦＧＬの異方性や外部からの磁界等と均衡した状態を実現することによりＦＧＬの磁化が発振するのである。
【０００８】
アシスト効果の向上や高密度での記録を行うためには１０ＧＨｚを超える高い周波数のアシスト磁界が必要となる。ＦＧＬの異方性を高めたり、外部磁界、例えば主磁極から発振器に印加される磁界（ギャップ磁界）を高めることにより発振周波数を高めることが可能になるが、発振を励起するためには、これらの磁界に見合うスピントルクを与えなければならない。しかしながら、スピントルクを高めるために発振器への印加電流を増大させると、素子の発熱やマイグレーション、更には素子破壊などが生じてしまう。そのため、低い電流で如何に効率的にスピントルクを発生させるかが課題である。
【０００９】
また、記録を効率的に行うため、主磁極からの記録磁界の反転に伴い発振器のスピン注入層の磁化方向を反転させて動作させる必要が生じるが、方向や強度が変化する主磁極からの漏洩磁界に対し、スピン注入層の磁化を容易に反転させながら且つ安定した状態を実現する必要がある。
【００１０】
本発明は、高周波磁界を発生する発振器を用いる方式のマイクロ波アシスト記録において、発振器の構成を改良することにより、低い発振電流でも高周波で安定した発振を実現し、且つ記録磁界の高速反転に対し追従性が高く、また安定した発振器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では、マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）方式用磁気記録ヘッドのマイクロ波発振器（ＳＴＯ）として、二層の磁性層の磁化が反平行結合した積層構造のスピン注入層構造を備える。このとき、二層の磁性層のうち、ＦＧＬに近い第一の磁性層の飽和磁化Ｍｓと膜厚ｔとの積Ｍｓ×ｔを、ＦＧＬから遠い第二の磁性層のＭｓ×ｔよりも小さく設定する。また、第一の磁性層の異方性磁界は、第二の磁性層の異方性磁界よりも大きい。
【００１２】
ＦＧＬに対し、磁化が反平行結合した積層構造の第一のスピン注入層構造とは反対側に、磁化方向が第一の磁性層の磁化とは反対向きの第二のスピン注入層構造を設けてもよい。
【００１３】
第一のスピン注入層構造の磁化方向や、第二のスピン注入層構造の磁化方向は、主磁極からの漏洩磁界により反転する。
電流は、ＦＧＬから第一のスピン注入層構造に向けて流す。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、安定した発振を得るための発振器への印加電流を低減することが可能となる。このため、発振器の信頼性向上や長寿命化を実現することができる。また、高速に反転する記録磁界に対し追従性が高く、且つ安定した発振器を提供することができる。これにより、本発明の発振器を用いたマイクロ波アシスト記録方式、及びその方式を用いた磁気記録装置の安定化や高速記録化などの高性能化を実現することが可能となる。
【００１５】
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による磁気記録再生ヘッドの一例を示す断面模式図。
【図２】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図３】従来の発振器の構成を示す模式図。
【図４】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と動作可能磁界範囲との関係図。
【図５】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と磁化反転磁界との関係図。
【図６】スピン注入層構造の磁性層の異方性磁界と磁化反転磁界との関係図。
【図７】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の他の構成例を示す模式図。
【図８】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図９】媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器の構成例を示す模式図。
【図１０】磁気記録装置の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において同じ機能部分には同一の符号を付して説明する。
【００１８】
〔実施例１〕
図１に、本発明の一実施例による磁気記録再生ヘッドの断面模式図を示す。磁気記録再生ヘッドは、記録ヘッド部１００と再生ヘッド部２００から構成される記録再生分離ヘッドである。記録ヘッド部１００は高周波磁界を発生するための発振器１１０、記録ヘッド磁界を発生するための主磁極１２０、主磁極１２０に磁場を励磁するためのコイル１４０、及び副磁極１３０ａを有する。さらに、本実施例では、主磁極１２０のトレーリング方向にトレーリングシールド１３０ｂを設けているが、トレーリングシールドは必ずしも設ける必要はない。ここで、トレーリング方向はヘッドの媒体に対する進行方向と反対の方向であり、リーディング方向はヘッドの媒体に対する進行方向であると定義している。また、図１には示していないが、主磁極１２０のトラック幅方向の外側にサイドシールドを設けてもよい。サイドシールドは主磁極１２０の両側に設けてもよいし、外側と内側のどちらか一方にだけ設けてもよい。再生ヘッド部２００は再生センサ２１０、下部磁気シールド２２０、及び上部磁気シールド２３０から構成される。図１には示していないが、再生センサ２１０のトラック幅方向の外側にサイドシールドを設けてもよい。また、参考のため、磁気記録媒体３００を図中に示している。本実施例では、磁気記録媒体３００に対する磁気記録再生ヘッドの進行方向から見て、再生ヘッド部２００が先頭で記録ヘッド部１００が後方の配置であるが、ヘッドの進行方向から見て記録ヘッド部１００が先頭で再生ヘッド部２００が後方になるように配置を逆転した構成であってもよい。
【００１９】
図２に、記録ヘッド部１００の一部である主磁極１２０と発振器１１０、及びトレーリングシールド１３０ｂの媒体対向面構造を示す。主磁極１２０上に形成されたスピントルク発振器（ＳＴＯ）１１０は、高周波磁界発生層（ＦＧＬ）１１１とＦＧＬ１１１へのスピントルク付与のための第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）１１２、及びそれらの間に配置された第一の中間層１１３ａからなる。スピントルク発振器１１０と主磁極１２０、又はトレーリングシールド１３０ｂとの間にはスペーサー層１１４ａ，１１４ｂが配置されていてもよい。
【００２０】
ここで、スピントルク発振器の動作原理を説明する。コイル１４０により主磁極１２０を励磁することにより、主磁極１２０から記録媒体３００に向け記録磁界が発生するが、同時に主磁極１２０からトレーリングシールド１３０ｂへ漏洩磁界（ギャップ磁界）が発生する。このギャップ磁界は主磁極１２０とトレーリングシールド１３０ｂとの間に配置された発振器１１０にも印加され、その磁界方向は発振器１１０の層厚方向が主となり、ＦＧＬ１１１の磁化も同方向へ傾斜することになる。ここで発振器１１０に例えば電流源１５１等を用いて電流を印加することにより、スピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１へ入射又は反射のスピンを与え、ギャップ磁界と逆向きのスピントルクを付与することでギャップ磁界と発振電流トルクとの均衡がとれた状態となる。この状態においてＦＧＬ１１１の磁化が発振し、高周波のアシスト磁界を発生することが出来る。この高周波アシスト磁界を利用し、主磁極１２０からの記録磁界と合わせて記録媒体３００に印加することにより、アシスト記録を行うのである。
【００２１】
本実施例では、スピン注入層構造（ＳＩＬ）１１２は二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂとその間に配置された結合中間層１１２ｃからなる積層磁性層構造としている。この二層の磁性層１１２ａ，１１２ｂの磁化は結合中間層１１２ｃを介して磁気的に反平行の結合状態となっており、互いの磁化が反対方向を向いている。本構成では反平行に結合した二層の磁化はそれぞれ層厚（垂直）方向の異方性を有しているとしているが、層内（面内）方向の異方性を有していても、またそれらの組合せの異方性を有していてもよい。またここで反平行結合とは二層の磁化が完全に反平行な方向に結合しているものが望ましいが、二層の磁化方向の主成分が同一方向ではなく反対方向の関係に結合しているものでもよい。
【００２２】
ここで二層の磁性層のうちＦＧＬ１１１に近い方を第一の磁性層（ＳＩＬ１１）１１２ａ、遠い方を第二の磁性層（ＳＩＬ１２）１１２ｂとし、各磁性層の飽和磁化Ｍｓと層厚ｔとの積Ｍｓ×ｔをそれぞれＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１，Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２とした時、本実施例の反平行に結合した積層磁性層構造のスピン注入層構造１１２は以下の関係を満たすものとする。
【００２３】
Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１＜Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２ …(1)
【００２４】
例えば図３に示す従来例のような単層のスピン注入層構造１１２では、その磁化方向はギャップ磁界の方向と同一方向となる。この場合、ギャップ磁界と均衡するスピントルクを与えるためには、発振電流をスピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１へと印加し、ＦＧＬ１１１からスピン注入層構造１１２に流れた電子スピンがスピン注入層構造１１２にて反射してＦＧＬ１１１に流入する、いわゆる反射スピンを用いることになる。しかしながら反射スピンを利用する場合は、電流印加方向に応じて電子スピンがスピン注入層構造１１２からＦＧＬ１１１に流入する、いわゆる入射スピンに比べ、印加電流に対するスピントルク効率が低く、所望のスピントルクを得るためには大きな発振電流が必要となってしまう。このため大きな発振電流を印加した場合は、発熱やエレクトロマイグレーションにより発振器の特性劣化や素子破壊等が懸念される。
【００２５】
一方、スピン注入層構造１１２に反平行結合した二層の磁性層を用い、且つ式(1)の関係を満たした場合、Ｍｓ×ｔが大きい第二の磁性層１１２ｂの磁化はギャップ磁界と同一方向に向く。また、これと反平行結合した第一の磁性層１１２ａの磁化は、ギャップ磁界と反対方向に向くことになる。ＦＧＬ１１１へのスピントルクは第一の中間層１１３ａを介した第一の磁性層１１２ａが支配的となるため、ＦＧＬ１１１からスピン注入層構造１１２へ電流を印加することにより（電流方向１５０）、ギャップ磁界と反対の磁化方向の第一磁性層１１２ａから入射スピンをＦＧＬ１１１へ印加することが可能になる。これにより、ＦＧＬ１１１へ印加した発振電流に対し効率的にスピントルクを与えることができる。
【００２６】
図４に、第一のスピン注入層構造１１２の層厚方向に磁界を印加した場合の動作可能磁界範囲をエネルギー計算により算出した結果を示す。ここで動作可能磁界範囲とは、第一の磁性層１１２ａ及び第二の磁性層１１２ｂの各磁化が反転し、且つ反平行な結合を維持している状態を実現する外部磁界範囲である。換言すると、動作可能磁界範囲より大きな外部磁界が印加されると、第一の磁性層１１２ａの磁化と第二の磁性層１１２ｂの磁化は同じ向きを向いてしまう。実際の記録ヘッド動作では、記録の効率化のため記録磁界の方向と合わせてスピン注入層構造の磁化方向を変化させることが望ましい。そのためにはスピントルク発振器に印加されるヘッドギャップ磁界よりもスピン注入層構造の磁化反転磁界が小さくなる領域で用いることが望ましい。横軸は、第一の磁性層１１２ａと第二の磁性層１１２ｂの層厚方向の異方性（垂直異方性）Ｈｋの差（ΔＨｋ）である。ここで第一の磁性層１１２ａは飽和磁化Ｍｓ１＝７９６ｅｍｕ／ｃｃ、膜厚ｔ１＝３ｎｍ、第二の磁性層１１２ｂはＭｓ２＝７９６ｅｍｕ／ｃｃ、ｔ２＝６ｎｍとし、それぞれの層厚方向の垂直異方性Ｈｋを１１〜１６ｋＯｅとした。また、第一の中間層１１３ａを介した両磁性層の反平行結合力は−２ｅｒｇ／ｃｍ2とした。
【００２７】
図４（ａ）〜（ｅ）は、スピン注入層構造の第一の磁性層の異方性Ｈｋを１１〜１５ｋＯｅまで変化させた場合の図、図４（ｆ）はそれらを重ねた場合の図である。なお、本計算では外部印加磁界を１ｋＯｅの単位で変化させている。より細かい単位で変化させることでより精細な計算結果が得られるが、本発明の特徴を示す上では十分と判断した。図４（ｆ）に示すように、第一の磁性層１１２ａのＨｋと第二の磁性層１１２ｂのＨｋとの差が大きくなるにつれ、動作可能磁界範囲が増大することがわかる。例えば第一の磁性層のＨｋが第二の磁性層のＨｋよりも大きい条件では、３ｋＯｅ以上もの動作可能磁界範囲が得られる。このように安定したスピン注入層動作を実現するためには、反平行に結合した第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａのＨｋが第二の磁性層１１２ｂのＨｋよりも大きい、つまり以下の関係とすることが望ましい。
【００２８】
Ｈｋ＿ＳＩＬ１１−Ｈｋ＿ＳＩＬ１２＞０（ΔＨｋ＞０） …(2)
【００２９】
図５（ａ）〜（ｅ）及び図６（ａ）〜（ｅ）に、第一のスピン注入層構造１１２に関し、図４と同様のエネルギー計算を行い、第一のスピン注入層構造の層厚方向に磁界を印加した場合に各磁性層磁化が反転する反転磁界を第一、及び第二の磁性層の各Ｈｋに対して算出した結果を示す。図５（ｆ）及び図６（ｆ）は、それらを重ねた場合の図である。
【００３０】
スピン注入層磁化の反転磁界は、図５（ｆ）のように第一の磁性層１１２ａのＨｋを変化させても殆ど変化しないのに対し、図６（ｆ）に示すように第二の磁性層１１２ｂのＨｋに対しては大きく依存することがわかる。第二の磁性層１１２ｂは第一の磁性層１１２ａよりもＭｓ×ｔが大きいため、外部磁界を印加した場合に第二の磁性層１１２ｂの磁化が外部磁界方向に向き、第一の磁性層１１２ａの磁化はそれと反対方向に向くことになる。つまり、第二の磁性層１１２ｂの磁化は磁化方向を決める主要因であり、また磁化の反転磁界を決める支配的要因でもある。そのため、この第二の磁性層１１２ｂのＨｋを小さくすることにより、より小さな外部磁界でも磁化反転を可能にすることができる。例えば５ｋＯｅのヘッド漏洩磁界（ギャップ磁界）では、第二の磁性層１１２ｂの異方性磁界Ｈｋを１２ｋＯｅ以下にすることが望ましい。逆に、第一の磁性層１１２ａはスピントルク注入源であるため、その磁化方向は安定であることが望ましく、そのため大きな異方性磁界Ｈｋが要求される。この観点からも第一と第二の磁性層の異方性磁界Ｈｋは式(2)の関係を満たすことが望ましい。
【００３１】
以上のように反平行結合した積層構造の第一のスピン注入層構造１１２において、式(2)の関係を満たす構成とすることで、動作可能磁界範囲を広げることができ、また低いギャップ磁界におけるスピン注入層磁化の反転が可能となる。これにより、主磁極１２０磁界の反転に対する発振器１１０のスピン注入層磁化の反転の追従性、及び安定性が高まり、より高速で、且つ高密度な記録が可能となる。
【００３２】
次に、発振器の具体的な構成例を示す。第一のスピン注入層構造１１２の磁化方向は、膜面に垂直方向とすることで、より効果的なＦＧＬ１１１の発振が得られる。このため、スピン注入層構造１１２の磁性層１１２ａ，１１２ｂには垂直磁気異方性を有する磁性材料を用いることが有効で、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＣｏＦｅＰｄ，ＴｂＦｅＣｏなどの合金や、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｎｉなどの多層膜などを用いることができる。また、主磁極１２０からトレーリングシールド１３０ｂへのギャップ磁界を用いてスピン注入層の磁性層磁化を膜面垂直方向に固定することも可能であり、その場合には垂直磁気異方性を有する膜の他に、面内磁気異方性膜を用いてもよい。特に、スピン注入効率を向上させる観点からは、第一の磁性層１１２ａとして用いる面内磁化膜としては、ホイスラー合金や、ＣｏＦｅＢなどが好ましい。
【００３３】
第一の磁性層１１２ａと第二の磁性層１１２ｂの間の結合中間層１１２ｃには、２つの磁性層を反平行方向に結合させる非磁性材料としてＲｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｃｕ等を用いることができる。特に高い反平行結合力を得るためにはＲｕを用いることが望ましい。なお、これら非磁性の結合中間層１１２ｃにより磁気的に結合した第一と第二の磁性層１１２ａ，１１２ｂの磁化は反平行状態であることが望ましいが、完全に反平行状態ではなくても本発明の効果は得られる。
【００３４】
ＦＧＬ１１１には、高い磁界強度を得るため高飽和磁化磁性材料を用いる。具体的には、Ｃｏ，Ｆｅ又はこれらを含む合金材料がある。また、スピン注入層構造の磁性層と同様にスピン注入効率の高い材料として、ＣｏＦｅＧｅ，ＣｏＭｎＧｅ，ＣｏＦｅＡｌ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＭｎＳｉ，ＣｏＦｅＳｉなどのホイスラー合金が挙げられる。更に、Ｃｏ／ＦｅやＣｏ／Ｉｒなどの負の垂直異方性を示す材料を用いてもよい。
【００３５】
発振器１１０と主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂとの間のスペーサー層１１４ａ，１１４ｂには、それぞれの磁気的結合力の制御や距離の制御のために非磁性材料が用いられる。また、発振器１１０の下側に設けられたスペーサー層１１４ａの材料は、その上の発振器用膜形成のための下地層としての目的でも選択できる。なお、スペーサー層を用いずに、発振器１１０と主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂが直接接合した構成も可能である。
【００３６】
なお、本実施例は図７に示すように、主磁極１２０とトレーリングシールド１３０ｂの間において、ＦＧＬ１１１と第一のスピン注入層構造１１２の層厚方向の位置が反転した構成としても同様の効果が得られる。
【００３７】
以上のように、本実施例によれば、安定した発振を得るための発振器への印加電流を低減することが可能となる。このため、発振器の信頼性向上や長寿命化を実現することができる。また、高速に反転する記録磁界に対し追従性が高く、且つ安定した発振器を提供することができる。これにより、マイクロ波アシスト記録方式、及びその方式を用いた磁気記録装置の安定化や高速記録化などの高性能化を実現することが可能となる。
【００３８】
〔実施例２〕
図８は、本発明の第二の実施例による磁気記録再生ヘッドを示す図であり、媒体対向面から見た主磁極、トレーリングシールド及び発振器構成の模式図である。
【００３９】
本実施例は、図２に示した構成において、ＦＧＬ１１１に対し反平行結合した第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）１１２とは反対の位置に、第二の中間層１１３ｂを介して第二のスピン注入層構造（ＳＩＬ２）１１５が配置された構造である。第二のスピン注入層構造１１５は単層の構造とするのが好ましい。また、第二のスピン注入層構造１１５は積層構造とすることもできるが、その場合には結合等により各層の各磁化が同一方向を向いた構造とする。これによりギャップ磁界が印加された場合、第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａの磁化方向と第二のスピン注入層構造１１５の磁化方向は互いに逆向きの関係となる。
【００４０】
ここで第二のスピン注入層構造１１５から第一のスピン注入層構造１１２の方向に電流を印加することにより、ＦＧＬ１１１に対しては第一のスピン注入層構造１１２の第一の磁性層１１２ａからの入射スピンに加え、第二のスピン注入層構造１１５からの反射スピンが流入することになる。両者はそれぞれ同一方向のスピントルクをＦＧＬ１１１に与えるため、ＦＧＬ１１１の磁化をより効果的に発振させることが可能となる。
【００４１】
第二のスピン注入層構造１１５の材料としては、第一のスピン注入層構造１１２と同様に垂直磁気異方性を有する磁性材料を用いることが有効で、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｔ，ＣｏＦｅＰｄ，ＴｂＦｅＣｏなどの合金やＣｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ，Ｃｏ／Ｎｉなどの多層膜などが挙げられる。第二のスピン注入層構造１１５は、主磁極１２０からの漏洩磁界よりも小さい反転磁界を有し、主磁極１２０からの漏洩磁界により磁化方向が反転する。
【００４２】
なお、図９に示すように、主磁極１２０やトレーリングシールド１３０ｂに対し第一のスピン注入層構造１１２、第二のスピン注入層構造１１５、及びＦＧＬ１１１の配置が反転した構造を用いても同様の効果が得られる。
【００４３】
〔実施例３〕
図１０は、磁気記録装置を示す模式図であり、図１０（ａ）は上面図、図１０（ｂ）はそのＡ−Ａ′での断面図である。
【００４４】
磁気記録媒体（磁気ディスク）３００は回転軸受け４０４に固定され、モータ４０１により回転する。図１０では３枚の磁気ディスク、６本の磁気ヘッドを搭載した例について示したが、磁気ディスクは１枚以上、磁気ヘッドは１本以上あればよい。磁気記録媒体３００は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ４０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向移動し、先端部に実施例１，２に示した磁気記録ヘッドを備える磁気ヘッドを有する。サスペンション４０６は、アーム４０５を介してロータリアクチユエータ４０３に支持される。サスペンション４０６は、スライダ４０２を磁気記録媒体３００に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。ロータリアクチュエータ４０３によってアーム４０５を駆動することにより、スライダ４０２に搭載された磁気ヘッドは、磁気記録媒体３００上の所望トラックに位置付けられる。
【００４５】
磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流は、ＩＣアンプ４１１から配線４０７を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、リードライト用のチャネルＩＣ４１０により実行される。また、磁気記録再生装置全体の制御動作は、メモリ４０９に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ４０８が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ４０８とメモリ４０９とがいわゆるディスクコントローラを構成する。
【００４６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１００：記録ヘッド部
１１０：スピントルク発振器（ＳＴＯ）
１１１：高周波磁界発生層（ＦＧＬ）
１１２：第一のスピン注入層構造（ＳＩＬ１）
１１２ａ：第一の磁性層
１１２ｂ：第二の磁性層
１１２ｃ：結合中間層
１１３ａ：第一の中間層
１１３ｂ：第二の中間層
１１４ａ，１１４ｂ：スペーサー層
１１５：第二のスピン注入層構造（ＳＩＬ２）
１２０：主磁極
１３０ａ：副磁極
１３０ｂ：トレーリングシールド
１４０：コイル
１５０：電流方向
１５１：電流源
２００：再生ヘッド部
２１０：再生センサ
２２０：下部磁気シールド
２３０：上部磁気シールド
３００：磁気記録媒体
４０１：モータ
４０２：スライダ
４０３：ロータリアクチユエータ
４０４：回転軸受け
４０５：アーム
４０６：サスペンション
４０７：配線
４０８：プロセッサ
４０９：メモリ
４１０：チャネルＩＣ
４１１：ＩＣアンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録磁界を発生させる主磁極と、前記主磁極に近接して設けられた高周波磁界を発生する発振器とを有する磁気ヘッドにおいて、
前記発振器は第一のスピン注入層構造と高周波磁界発生層とを備え、
前記第一のスピン注入層構造は、前記高周波磁界発生層側から第一の磁性層、結合中間層、及び第二の磁性層を積層した積層構造を有し、前記第一の磁性層の磁化と前記第二の磁性層の磁化が反平行に結合し、前記第一の磁性層の飽和磁化と膜厚との積をＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１とし、前記第二の磁性層の飽和磁化と膜厚との積をＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１＜Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２
【請求項２】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁性層の異方性磁界をＨｋ＿ＳＩＬ１１、前記第二の磁性層の異方性磁界をＨｋ＿ＳＩＬ１２とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
Ｈｋ＿ＳＩＬ１１＞Ｈｋ＿ＳＩＬ１２
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記高周波磁界発生層から前記第一のスピン注入層構造に向けて電流を印加することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項４】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記主磁極からの漏洩磁界により前記第一のスピン注入層構造の磁化方向が反転することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記高周波磁界発生層に対し前記第一のスピン注入層構造とは反対側に第二のスピン注入層構造を有することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項６】
請求項５記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造は単層構造又は磁化が同一の方向を向いた複数の磁性層を備える多層構造であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項７】
請求項６記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造の磁化は前記第一のスピン注入層構造の前記第一の磁性層の磁化と反対方向を向いていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造から前記第一のスピン注入層構造に向けて電流を印加することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項５〜７のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、前記主磁極からの漏洩磁界により前記第一のスピン注入層構造及び前記第二のスピン注入層構造の磁化方向が反転することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、磁気再生ヘッドを備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して情報を記録再生するための磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所望トラックに位置決めするためのヘッド駆動部とを有する磁気記録再生装置において、
前記磁気ヘッドとして請求項１０記載の磁気ヘッドを用いることを特徴とする磁気記録再生装置。
【請求項１】
記録磁界を発生させる主磁極と、前記主磁極に近接して設けられた高周波磁界を発生する発振器とを有する磁気ヘッドにおいて、
前記発振器は第一のスピン注入層構造と高周波磁界発生層とを備え、
前記第一のスピン注入層構造は、前記高周波磁界発生層側から第一の磁性層、結合中間層、及び第二の磁性層を積層した積層構造を有し、前記第一の磁性層の磁化と前記第二の磁性層の磁化が反平行に結合し、前記第一の磁性層の飽和磁化と膜厚との積をＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１とし、前記第二の磁性層の飽和磁化と膜厚との積をＭｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１１＜Ｍｓ×ｔ＿ＳＩＬ１２
【請求項２】
請求項１記載の磁気ヘッドにおいて、前記第一の磁性層の異方性磁界をＨｋ＿ＳＩＬ１１、前記第二の磁性層の異方性磁界をＨｋ＿ＳＩＬ１２とするとき、次の関係を満たすことを特徴とする磁気ヘッド。
Ｈｋ＿ＳＩＬ１１＞Ｈｋ＿ＳＩＬ１２
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記高周波磁界発生層から前記第一のスピン注入層構造に向けて電流を印加することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項４】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記主磁極からの漏洩磁界により前記第一のスピン注入層構造の磁化方向が反転することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項５】
請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記高周波磁界発生層に対し前記第一のスピン注入層構造とは反対側に第二のスピン注入層構造を有することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項６】
請求項５記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造は単層構造又は磁化が同一の方向を向いた複数の磁性層を備える多層構造であることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項７】
請求項６記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造の磁化は前記第一のスピン注入層構造の前記第一の磁性層の磁化と反対方向を向いていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、前記第二のスピン注入層構造から前記第一のスピン注入層構造に向けて電流を印加することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項９】
請求項５〜７のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、前記主磁極からの漏洩磁界により前記第一のスピン注入層構造及び前記第二のスピン注入層構造の磁化方向が反転することを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、磁気再生ヘッドを備えることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１１】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して情報を記録再生するための磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体上の所望トラックに位置決めするためのヘッド駆動部とを有する磁気記録再生装置において、
前記磁気ヘッドとして請求項１０記載の磁気ヘッドを用いることを特徴とする磁気記録再生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４８０００（Ｐ２０１３−４８０００Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８６４１４（Ｐ２０１１−１８６４１４）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【特許番号】特許第５０４８８５９号（Ｐ５０４８８５９）
【特許公報発行日】平成２４年１０月１７日（２０１２．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超高密度ナノビット磁気記録技術の開発（グリーンＩＴプロジェクト）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【特許番号】特許第５０４８８５９号（Ｐ５０４８８５９）
【特許公報発行日】平成２４年１０月１７日（２０１２．１０．１７）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「超高密度ナノビット磁気記録技術の開発（グリーンＩＴプロジェクト）」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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