磁気記録ヘッド及び磁気記録装置
【課題】１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2を超える磁気記録装置に適用されるマイクロ波アシスト記録において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現する。
【解決手段】マイクロ波アシスト記録用スピントルク発振素子として、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する垂直自由層１と実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層２とを備えた構造にて、面内自由層側から垂直自由層側に電流を流して両自由層間でスピン情報を交換せしめることにより、両自由層の磁化が互いに略反平行で境界面に沿って高速磁化回転する状態となるものを用いる。垂直自由層は、面内自由層より薄くするのが好ましい。また、垂直自由層の材料に起因する磁気異方性磁界は、垂直方向の実効反磁界と逆方向でほぼ拮抗させるのが良い。さらに、垂直自由層は、主磁極側に設置するとなお好ましい。
【解決手段】マイクロ波アシスト記録用スピントルク発振素子として、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する垂直自由層１と実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層２とを備えた構造にて、面内自由層側から垂直自由層側に電流を流して両自由層間でスピン情報を交換せしめることにより、両自由層の磁化が互いに略反平行で境界面に沿って高速磁化回転する状態となるものを用いる。垂直自由層は、面内自由層より薄くするのが好ましい。また、垂直自由層の材料に起因する磁気異方性磁界は、垂直方向の実効反磁界と逆方向でほぼ拮抗させるのが良い。さらに、垂直自由層は、主磁極側に設置するとなお好ましい。
【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て高周波磁界を照射して磁気共鳴を駆動し、記録媒体の磁化反転を誘導して情報を記録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装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータの能力向上及びネットワークの高速化、大容量化にともない、ディジタル・データの形で流通する情報の量は飛躍的に増加してきている。こうした大容量の情報を効率的に受配信・抽出するためには、大容量の情報を高速に入出力できるストレージ・デバイスが必要である。磁気ディスクでは、高記録密度化にともなって、一旦記録した信号が熱揺らぎによって徐々に減少していくという問題が顕在化している。これは磁気記録媒体が磁性体微結晶の集合であり、この微結晶の体積が減少してきていることが原因である。十分な耐熱揺らぎ安定性を得るには、よく用いられる熱揺らぎ指標Ｋβ（＝ＫuＶ／ｋＴ；Ｋu：磁気異方性、Ｖ：粒子体積、Ｔ：絶対温度、ｋ：Boltzmann定数）が７０以上ある必要があると考えられている。Ｋu，Ｔ（材料、環境）を一定とすれば、Ｖの小さな粒子ほど熱揺らぎによる磁化反転が起こりやすい。高記録密度化が進み１ビットの占める記録膜体積が減少するにつれて、Ｖを低下させなければならず、熱揺らぎが無視できない。この熱揺らぎを抑えるためにＫuを高めると、磁気記録に必要な磁化反転磁界が記録ヘッドで発生できる記録磁界を越えることになり、記録不能となる。
【０００３】
この問題を回避するために、特許文献１には、マイクロ波アシスト記録技術（Microwave Assisted Magnetic Recording：ＭＡＭＲ）がＣＭＵのZhuらによって開示されている。ＭＡＭＲは、図１Ａに示すように、垂直磁気記録ヘッドの主磁極からの書き込み磁界に加えて、主磁極に隣接して配置されたスピントルク発振素子（Spin Torque Oscillator：ＳＴＯ）からのマイクロ波磁界を磁気異方性の大きな磁気記録媒体７に印加することにより、記録対象領域を磁気共鳴状態として磁化を揺さぶり、磁化反転磁界を低下させて記録を行うものである。従来の磁気ヘッドでは記録磁界が不足して記録が困難であった１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2を超える高記録密度対応の磁気記録媒体に対し、マイクロ波照射領域への記録が可能となる。ＳＴＯは、固定層３１からのスピントルクをＣｕを介して隣接する高周波磁界発生層（Field Generation Layer：ＦＧＬ）３２に伝え、面内自由層であるＦＧＬ３２の磁化を面内で高速回転させることによってマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめている。
【０００４】
ＭＡＭＲは磁気共鳴現象を利用するため、有効なマイクロ波磁界成分は、記録媒体磁化の歳差運動と同じ回転方向となる、反時計回りの回転磁界成分である。一方、図１Ｂに示すように、ＳＴＯのマイクロ波磁界発生源であるＦＧＬ３２からのマイクロ波磁界は、回転方向がＦＧＬの磁化回転方向に依存する楕円回転磁界であり、ヘッド移動方向にみてＦＧＬ３２の前後で逆回りである。したがって、ＭＡＭＲに有効な反時計回り回転磁界は、ＦＧＬ３２の前後片側だけに創生されることになる。このため、主磁極極性が反転する度にＦＧＬ３２の磁化の回転方向を反転させる必要がある。特許文献２及び特許文献３に開示さているように、ＳＴＯ駆動電流を一定のままスピントルク源となる固定層の磁化を主磁極磁界Ｈextに従って反転させる方法が現実的である（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。
【０００５】
この場合、固定層の磁化反転中はＦＧＬ駆動に必要なスピントルクが得られないと考えられるため、固定層磁化反転を高速化する必要がある。特許文献２には、特許文献１に開示されたＳＴＯの固定層の保磁力を低下させて主磁極磁界によって固定層磁化を反転させる技術、及び、固定層に近接して磁束密度の高い磁性体を設置し反転速度を高める技術が開示されている。また、特許文献２には、主磁極又は補助磁極の一部を実質的に固定層とする技術が開示されている。主磁極に突起（リップ）部を設け、スピン散乱層を介して高周波磁界発生器が配置され、さらに、ＦＧＬへの主磁極からの磁界の影響を抑制する向きにスピントルクが働くように電流を流す構成とする。この構成により、主磁極から高周波磁界発生器への流入磁界が膜面に垂直に入るようにすることが可能となり、主磁極をスピン源として用いるため、主磁極の極性に依存せずに最大高周波磁界が得られる高周波磁界発生器駆動電流が所望の周波数に応じて設定可能である。
【０００６】
また、互いに磁化が反平行を保ったまま高速回転する等価なＦＧＬの対を構成し、その端面より生じる記録媒体面に平行な一方向高周波磁界を印加することにより、ＦＧＬ回転方向にかかわらず効率よく媒体磁化を反転させる技術が、特許文献４及び特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】US 2008/0019040 A1
【特許文献２】特開２００９−０７０５４１号公報
【特許文献３】特願２０１０−５１００８２号公報
【特許文献４】特開２００８−２７７５８６号公報
【特許文献５】特開２００８−３０５４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度を有するマイクロ波アシスト記録（ＭＡＭＲ）では、主磁極からの書き込み磁界が印加されているナノメートルオーダーの領域に、強力な高周波磁界を照射して磁気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。磁気共鳴を原理とするため、記録領域の磁化の歳差運動の回転方向と一致する高周波回転磁界成分のみが媒体磁化反転に有効である。従って、反転効率の高い高周波磁界を得るには、主磁極極性が反転する際にＦＧＬの磁化の回転方向を反転させる必要がある。主磁極極性が反転する度、ＦＧＬの磁化の回転方向が反転しない場合、媒体磁化の反転位置がＦＧＬの前後でずれることになり、線記録密度を高めることができない。
【０００９】
特許文献１では、ＳＴＯの固定層に（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの高磁気異方性（かつ比較的、飽和磁束密度低い）多層膜を用いているため、安定なスピントルクがＦＧＬに供給されると考えられる。しかし、主磁極極性の反転に伴って固定層磁化が反転しないので、ＦＧＬ磁化の回転方向を反転させるには、ＳＴＯ駆動電流を反転させることになる。この場合、ａ）電流の正負でスピントルクの効率が変化する、ｂ）ＦＧＬに印加される外部磁界が等しくない、ｃ）ＦＧＬ磁化の立ち上がり角度が異なる、ｄ）ＳＴＯ駆動電流を主磁極磁界に同期させる必要がある、といった問題を解決する必要があり、実現が極めて困難である。
【００１０】
特許文献２では、スピントルク源となる固定層に主磁極からの磁界より保磁力を低くした（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの多層膜を用いており、ＳＴＯ駆動電流一定のまま、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転させ、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転させている。保磁力を低くした（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの多層膜は、飽和磁束密度Ｂsが更に低くなる傾向があり、高Ｂs材料を積層しても、十分な固定層の磁化反転速度が得られない。また、固定層の保磁力が低いため、電流を強くして大きなスピントルクをＦＧＬに供給しようとすると、その反作用で固定層磁化が不安定になるといった問題がある。さらに、これらの多層膜は磁化運動のダンピング定数αが０．１−０．３と大きいため、スピンポンピング作用によってスピンが消費されるので、同じ周波数の高周波磁界を得るための電流を多く流す必要があることも問題である。
【００１１】
特許文献３では、主磁極に設けた突起（リップ）部を固定層とすることにより、ＳＴＯ駆動電流を一定のまま、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転させ、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転させている。主磁極又は補助磁極の一部を実質的に固定層とするため、磁化反転速度は十分速いと考えられる。しかし、固定層の磁化が主磁極の磁化状態の影響やＦＧＬからのスピントルクの反作用の影響で変動しやすく、大きなＳＴＯ駆動電流を流し、発振周波数を増大させることが困難である。これら特許文献２，３では、主磁極極性反転時に、スピントルク源となる磁性体の磁化を主磁極極性に同期して反転させている。従って、主磁極極性反転時、安定な発振状態となるまでに、主磁極極性反転時間と固定層反転時間とＦＧＬ安定化時間の合計値が必要であり、記録媒体への十分な書込み時間が得られない懸念がある。
【００１２】
特許文献４，５では、ヘッド中心においては面内直線振動磁界が発生し、ＦＧＬの回転方向によって記録特性の差はない。しかし、トラック端部においては、ＦＧＬ端部からの位相遅れの高周波磁界の影響が避けがたく、回転磁界成分の影響が顕著となるため、高トラック密度化すると、ＦＧＬの回転方向によって記録特性が変化してしまう。このため、特許文献２，３と同様に、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転する必要がある。特許文献４，５の技術はまた、原理的にＦＧＬ磁化と等量の固定層磁化を高速回転させる必要があるため、必要な電流が２倍になるといった問題もある。
【００１３】
ＨＤＤでは、面記録密度の増加に伴って、トラック方向のビット長を短くしている。１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2を超える磁気記録においては、トラック方向のビット長が１０ｎｍ以下となることが予想される。この場合、現在のＨＤＤに標準的に用いられているヘッド−媒体相対速度である２０ｍ／ｓを適用すると、１ビット当たり１０／２０＝０．５ｎ秒以下で記録を行うことになる。この場合、情報転送速度は、２Ｇｂｉｔ／ｓとなる。特許文献２〜５の技術では、主磁極極性に同期して固定層磁化を反転する必要がある。このため、固定層の反転時間を０．２ｎ秒以下としても、この反転時間の間に伝わる固定層からのスピントルクによってＦＧＬ磁化が安定発振状態から離れてしまう可能性がある。回復には同等の時間がかかると考えられるため、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現するのは困難である。
【００１４】
本発明の目的は、主磁極極性反転開始から定常発振状態までの時間を０．３ｎ秒以下とすることにより、信頼性が高く、結果としてコストを低減する超高密度磁気記録に好適な磁気記録ヘッド及び磁気記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の磁気記録ヘッドは、主磁極と、主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、主磁極から磁化反転磁界を発生させると共にスピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドであり、スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する面内自由層とを備え、面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すものである。垂直自由層は、面内自由層より膜厚が薄いのが好ましい。また、垂直自由層は、材料に起因する磁気異方性磁界と前記垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界とが逆方向でほぼ拮抗するのが好ましい。更に、垂直自由層は、面内自由層より主磁極側に設置されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスピントルク発振素子は、垂直自由層の磁化が磁化回転面内にほぼ留まっているため、主磁極の極性反転前後で、磁気異方性軸との角度がほとんど変化しない。面内自由層磁化もほぼ回転面内に留まるため、主磁極極性反転後、直ちに記録媒体への書込み可能状態となる。本発明のスピントルク発振素子を適用することにより、印加磁界に対して迅速に回転状態を変化させることができる。その結果、記録密度が１平方インチあたり１Ｔビットを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した磁気記録において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能となる。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１Ａ】ＭＡＭＲの原理を示す図。
【図１Ｂ】ＦＧＬから創生される磁界を示す図。
【図２Ａ】従来のＳＴＯにおける外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図。
【図２Ｂ】従来のＳＴＯにおける外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図。
【図３】ＳＴＯの計算モデルを示す図。
【図４Ａ】従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｚ成分とＦＧＬ磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図４Ｂ−Ｃ】図４Ｂは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｘ成分の時間変化を示す図。図４Ｃは従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図４Ｄ】従来ＳＴＯにおける固定層磁化とＦＧＬ磁化の回転方向を示す図。
【図５】図５Ａは計算に用いた外部磁界反転の時間変化を示す図。図５Ｂは従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図５Ｃは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図５Ｄは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図６Ａ】本発明のＳＴＯの外部磁界反転時における垂直自由層磁化ｚ成分と面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図６Ｂ−Ｃ】図６Ｂは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。図６Ｃは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図６Ｄ】本発明のＳＴＯの面内自由層磁化と垂直自由層磁化の回転方向を示す図。
【図７Ａ】ＳＴＯのＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示す図。
【図７Ｂ】垂直自由層の磁化、厚さの組み合わせに対して、垂直磁気異方性磁界を変えてＡＦモード発振の状態を調べた結果を示す図。
【図７Ｃ】電流量をパラメータとしたＳＴＯ発振周波数の外部磁界依存性を示す図。
【図７Ｄ】種々条件における、材料に起因する磁気異方性磁界から実効反磁界を引いた値に対する面内自由層の面内磁化成分の依存性を示す図。
【図８】図８Ａは計算に用いた外部磁界反転の時間変化を示す図。図８Ｂは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図８Ｃは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図８Ｄは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図９】図９Ａは計算に用いた外部磁界高速反転の時間変化を示す図。図９Ｂは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図９Ｃは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図１０Ａ−Ｃ】図１０Ａは図９Ａの時間拡大図。図１０Ｂは図９Ｂの時間拡大図。図１０Ｃは図９Ｃの時間拡大図。
【図１０Ｄ】図１０Ｂ及び図１０Ｃの２．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示した図。
【図１０Ｅ】図１０Ｂ及び図１０Ｃの３．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示した図。
【図１１】磁化反転に有効な高周波磁界成分の求め方を示す図。
【図１２Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１２Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１３Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１３Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１４Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１４Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１５Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１５Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１６Ａ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１６Ｂ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１６Ｃ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１７】本発明の一実施例の磁気記録ヘッドの概略断面図。
【図１８】ＳＴＯのみの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１９】スライダ及びそれに搭載された記録再生部の拡大断面図。
【図２０】磁気ヘッド部の拡大図。
【図２１Ａ】磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２１Ｂ】磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２２Ａ】磁気記録装置の上面模式図。
【図２２Ｂ】図２２ＡのＡ−Ａ′断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ＭＡＭＲ用ＳＴＯの試作ヘッドの発振試験中に、従来と逆方向のＳＴＯ駆動電流を通電したところ、主磁極極性の高速切り替えが可能と考えられる挙動が観測された。従来、考えられていない新たな発振状態を解析する目的で、固定層磁化がＦＧＬ磁化に引きずられて動く（垂直自由層と呼ぶ）ことを前提に、以下のＬＬＧ（Landau Lifschitz Gilbert）方程式（１）に基づく計算機シミュレーションで磁化反転挙動を解析した。ここで、固定層あるいは垂直自由層は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなり、ＦＧＬあるいは面内自由層は、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる。図３は、ＳＴＯの計算モデルを示す図である。
【００２０】
【数１】
ここで、γ，Ｉ，μB，ｅ，Ｐ は、それぞれ、ジャイロ磁気定数、膜面垂直方向の電流（Jは電流密度）、ボーア磁子、素電荷、分極率である。ｍh，Ｈh-eff，αh，Ｖh，Ｍsh は、それぞれ、面内自由層２（又はＦＧＬ３２）の単位ベクトル、有効磁界、ダンピング定数、体積、飽和磁化である。また、ｍp，Ｈp-eff，αp，Ｖp，Ｍsp は、それぞれ、垂直自由層１（又は固定層３１）の単位ベクトル、有効磁界、ダンピング定数、体積、飽和磁化である。面内自由層２の有効磁界Ｈh-effは、磁気異方性磁界Ｈah（＝Ｈkh×cosθmh、θmhは面内自由層磁化とｚ軸のなす角）、静磁界Ｈsh、反磁界Ｈdh、及び外部磁界Ｈextの３成分の和で構成される。また、垂直自由層１の有効磁界Ｈp-effは、磁気異方性磁界Ｈap（＝Ｈkp×cosθmp、θmpは垂直自由層磁化とｚ軸のなす角）、静磁界Ｈsp、反磁界Ｈdp、及び外部磁界Ｈextの３成分の和で構成される。静磁界Ｈsh，Ｈspは、図３の空間配置に示すように、面内自由層２と垂直自由層１とが平行で３ｎｍ離れている場合について、互いの磁化の影響を算出した。面内自由層２と垂直自由層１との間隙は、交換相互作用を伝えずに電流にてスピン情報を伝達すＣｕなどの非磁性スピン伝導層のためのものであり、層厚は３ｎｍに限定されるものではない。
【００２１】
まず、従来のＳＴＯについて、発振状態の計算結果を示す。計算モデルは、固定層３１として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１０ｎｍで飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）の磁性体、ＦＧＬ３２として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を想定した。図４Ａ〜４Ｄは、従来のＳＴＯのように、固定層３１側からＦＧＬ３２側に電流を流した場合における固定層磁化とＦＧＬ磁化の時間変化を示す図である。外部磁界Ｈextは、＋ｚ方向に４８０ｋＡ／ｍの強度で印加されており、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2 とした。なお、本明細書で示す電流密値は、種々の条件で変わるものであるため、本発明の効果が記載の電流密値に限定されるものではない。図４Ａは固定層磁化Ｍ固定とＦＧＬ磁化ＭFGLのｚ成分、図４ＢはＦＧＬ磁化のｘ成分ＭFGL-x、図４Ｃは固定層磁化のｘ成分Ｍ固定-xをそれぞれの磁性層の飽和磁化（ＭsFGL、Ｍs固定）で規格化した値を示している。また、図４Ｄは、固定層磁化とＦＧＬ磁化の回転方向を示している。
【００２２】
図４Ａにおいて、固定層磁化、ＦＧＬ磁化とも、１．３ｎ秒以降１０ｎ秒まで磁化のｚ成分が変化していないことから、＋ｚ軸方向（磁界印加方向）と一定の角度を保っていることがわかる。なお、図４Ａで、磁化が一度低下してから上昇している理由は、本シミュレーションに用いた初期条件が比較的高いエネルギー状態にあり、最初にこのエネルギーを放出する必要があったためである。
【００２３】
図４Ｂにより、ｚ軸と直交するＦＧＬ磁化のｘ成分がサイン波にて規則正しく振動していることから、ＦＧＬ磁化はｚ軸から約９０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。回転（振動）数は、０．２ｎ秒間に４．６回転していることから、約２３ＧＨｚである。ＭＡＭＲでは、ＦＧＬ側面に現れる磁化が高速に入れ替わることによって生じる高周波磁界を利用するため、ＦＧＬ磁化は、なるべくｘ−ｙ面内で回転することが好ましい。ＦＧＬ磁化の＋ｚ軸方向からの角度や磁化回転数は、ＳＴＯの固定層側からＦＧＬ側に流す電流が大きくなるほど大きくなる。したがって、従来ＳＴＯでは、記録媒体の磁化反転に最適な回転（振動）数が得られる電流値とＦＧＬ磁化がｘ−ｙ面内で回転する電流値とが必ずしも一致させられない可能性がある。
【００２４】
次に、図４Ｃを見ると、固定層磁化もＦＧＬ磁化と同様にサイン波にて規則正しく振動している。これから、固定層磁化が極わずかではあるが、ｚ軸から傾いて振動していることが推察される。固定層磁化がＦＧＬ磁化に引きずられて揺らいでいるものと考えられるが、固定層磁化が十分固定されず揺らぎが大きくなるとＦＧＬ磁化の安定した面内回転が得られない。
【００２５】
固定層３１の磁化がほぼ＋ｚ軸方向を向き、ＦＧＬ３２の磁化が面内で回転している従来型の発振モードを、以下、Ｔモード発振と呼ぶことにする。Ｔモード発振では、固定層３１側からＦＧＬ３２側に電流を流す際、ＦＧＬ磁化を固定層磁化と反平行にしようとする電子（スピン）が固定層から反射され、スピントルク作用でＦＧＬ磁化を回転する。安定した発振（磁化回転）状態を得るためには固定層磁化が十分固定されている必要がある。Ｔモード発振を利用する従来ＳＴＯでは、外部磁界が弱い場合、固定層の垂直磁気異方性が弱い場合、固定層の厚さが薄い場合に、発振が乱れる傾向がある。これは、固定層が十分に固定されていないためと考えられる。
【００２６】
図４Ｄは、それぞれの磁化の回転方向を調べるため、０．０１ｎ秒程度の微小時間の間に磁化がどのように動くかを示したものである。ここで、θは各磁化の＋ｚ軸方向からの角度、φは各磁化をｘ−ｙ面に投影したときの＋ｘ軸方向からの角度とした。ＦＧＬ磁化、固定層磁化ともφが大きくなる方向に動いており、外部磁界を印加している＋ｚ軸方向を向いて右周りの回転となっていることが分かる。この回転方向は、ＭＡＭＲの際、主磁極近傍にＳＴＯを配置し、主磁極からの磁界をＳＴＯへの印加磁界として利用する場合、記録媒体の磁化反転効率が高い高周波回転磁界が主磁極とＳＴＯとの間に生成される好ましい回転方向である。
【００２７】
図５Ａ〜５Ｄは、Ｔモード（従来ＳＴＯ）の外部磁界反転時における固定層磁化とＦＧＬ磁化の時間変化を示したものである。図５Ａは、ｔ＝５ｎ秒にて極性がマイナスｚ方向からプラスｚ方向に反転する外部磁界の時間プロファイルを示したもので、反転開始から反転完了まで約０．２ｎ秒となる双曲線正割関数（tanh）を用いた。図５Ｂは固定層の磁化反転（ｚ成分）、図５ＣはＦＧＬ磁化の反転（ｚ成分）、図５Ｄはｚ方向を軸とするＦＧＬ磁化の回転（ｘ成分）を示した。外部磁界Ｈextは４８０ｋＡ／ｍ、固定層の垂直磁気異方性Ｈkpは９６０ｋＡ／ｍ、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2とした。
【００２８】
図５Ａ、図５Ｂより、固定層磁化は、外部磁界の反転が完了した後、回転が始まり、反転が完了するまでに０．２５ｎ秒を要している。図５Ｂ、図５Ｃより、ＦＧＬ磁化は、固定層磁化の反転初期に出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）から大きく外れてしまっている。固定層磁化の反転中もＳＴＯ駆動（直流）電流を流し続けているため、固定層からのスピントルクはＦＧＬ磁化を安定発振位置から遠ざけるように作用したものと考えられる。ＦＧＬ磁化の安定発振位置への復帰には更に０．２ｎ秒程度要している。したがって、外部磁界の反転開始から安定発振状態に至るまでに０．７ｎ秒程度を必要としていることになる。図５Ｄによれば、この間、ＦＧＬは不規則な発振状態になっており、十分なアシスト記録が行えないと推察される。
【００２９】
図６Ａ〜６Ｄは、本発明のＳＴＯを構成する垂直自由層１の磁化と面内自由層２の磁化の時間変化を示す図である。計算モデルは、図４と同様に、垂直自由層１（図４では固定層）として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１０ｎｍで、飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）の磁性体、面内自由層２（図４ではＦＧＬ３２）として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を想定し、電流を図４の場合とは逆に、面内自由層２側から垂直自由層１側に流すようにした。外部磁界Ｈextは、＋ｚ方向に４８０ｋＡ／ｍの強度で印加されており、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2とした。図６Ａは面内自由層磁化Ｍhと垂直自由層磁化Ｍpのｚ成分、図６Ｂは面内自由層磁化のｘ成分Ｍh-x、図６Ｃは垂直自由層磁化のｘ成分Ｍp-xをそれぞれの磁性層の飽和磁化（Ｍsh、Ｍsp）で規格化した値を示している。また、図６Ｄは磁化の回転方向を示している。
【００３０】
図６Ａにおいて、垂直自由層磁化、面内自由層磁化とも、１．３ｎ秒以降１０ｎ秒まで磁化のｚ成分が変化していないことから、＋ｚ軸方向（磁界印加方向）と一定の角度を保っていることがわかる。図６Ｂより、ｚ軸と直交する面内自由層磁化のｘ成分がサイン波にて規則正しく振動していることから、面内自由層磁化はｚ軸から約９０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。また、図６Ｃを見ると、垂直自由層磁化も同様にサイン波にて規則正しく振動しており、垂直自由層磁化はｚ軸から約８０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。さらに、図６Ｂ、図６Ｃを比較すると、互いに位相が約１８０度ずれていることから、垂直自由層磁化と面内自由層磁化が互いにほぼ逆方向を向き、面内近くで回転していることが分かる。回転（振動）数は、０．２ｎ秒間に３．１回転していることから約１６ＧＨｚである。なお、図６Ａで、両方の自由層磁化のｚ成分が一旦、大きくなってから面内付近（Ｍｚ＝０）に収束している理由は、本シミュレーションに用いた初期条件が比較的高いエネルギー状態にあり、最初にこのエネルギーを放出する必要があったためである。一旦、安定発振状態に入ると、外部磁界の極性を変えても直ちには、高いエネルギー状態とならない。
【００３１】
図６Ｄは、それぞれの磁化の回転方向を調べるため、０．０１ｎ秒程度の微小時間の間に磁化がどのように動くかを示したものである。角度θ及びφの定義は、図４Ｄと同じである。面内自由層磁化、垂直自由層磁化ともφが大きくなる方向に動いており、外部磁界を印加している＋ｚ軸方向を向いて右周りの回転となっていることが分かる。この回転方向は、ＭＡＭＲの際、主磁極近傍にＳＴＯを配置し、主磁極からの磁界をＳＴＯへの印加磁界として利用する場合、記録媒体の磁化反転効率が高い高周波回転磁界が主磁極とＳＴＯとの間に生成される好ましい回転方向である。
【００３２】
垂直自由層磁化と面内自由層磁化とが反平行でほぼｘ−ｙ面内で回転している、この新たに発見された本発明の発振モードを、以下、ＡＦモード発振と呼ぶことにする。ＡＦモード発振では、面内自由層側から垂直自由層側に電流を流すことにより生じるスピントルクによって、面内自由層磁化が垂直自由層磁化を追いかける作用と垂直自由層磁化が面内自由層磁化から逃れる作用とが自律的にバランスをとっている。また、面内自由層磁化は概ねｘ−ｙ面内で回転するのに対して、垂直自由層磁化はｘ−ｙ面内から僅かに外部磁界方向に傾いている。このため、外部磁界方向が反転しても、垂直自由層磁化のｚ軸からの傾きのずれは僅かとなり、速やかな切り替えが可能となることが期待される。
【００３３】
図７Ａは、面内自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を用い、垂直自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ（ｔp）３ｎｍで飽和磁束密度Ｂspが１．５Ｔ、材料に起因する垂直磁気異方性Ｈkpが０．４８ＭＡ／ｍ（６ｋＯｅ）、０．８０ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）、１．１２ＭＡ／ｍ（１４ｋＯｅ）、１．４４ＭＡ／ｍ（１８ｋＯｅ）の磁性体を用いた時のＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示したものである。垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界Ｈdp-eff（＝４πＭsp×（Ｎpz−Ｎpx）、Ｍspは垂直自由層の飽和磁化、ＮpzとＮpxはそれぞれｚ方向及びｘ方向の反磁界係数）は、１．０９ＭＡ／ｍである。ＳＴＯ駆動電流は、面内自由層側から垂直自由層側に流す。
【００３４】
図７Ａを見ると、各垂直磁気異方性の条件で、外部磁界Ｈextを強く印加するほど発振周波数が大きくなっている。しかし、Ｈext＋Ｈkpの値が電流値と垂直自由層の垂直方向の実効反磁界の値とで定まる一定値（ここでは約２０００ｋＡ／ｍ）に達すると、垂直自由層の磁化が面内に留まりきれず、磁界印加方向を向くため、ＡＦモード発振が維持できない。垂直自由層の垂直磁気異方性磁界Ｈkpが小さいほど、より高い発振周波数が得られているように見えるが、外部磁界Ｈextが一定の条件ではＳＴＯが発振する限りＨkpは大きいほうが高い発振周波数が得られる。ＭＡＭＲにおいて、より高い記録密度対応の媒体に記録するため、ＳＴＯの発振周波数を高めていく必要がある。ＳＴＯへ印加する外部（ギャップ）磁界を高め、これに相応して発振するようなできるだけＨkpが大きな垂直自由層を用いるのが有効である。
【００３５】
ＡＦモードにて安定した発振（磁化回転）状態を得ることによりＭＡＭＲを実現するためには、垂直磁気異方性の設定がキーポイントとなる。図７Ｂは、垂直自由層の飽和磁束密度Ｂsp、厚さｔpの各種組み合わせに対して、垂直自由層の材料に起因する垂直磁気異方性磁界Ｈkpを変えてＡＦモード発振の状態を調べた結果である。各組み合わせに対して、Ｈkpから垂直方向の実効反磁界Ｈdp-effを引いた値が−２５０ｋＡ／ｍより小さい場合には、発振が安定しない場合が発生する。図７Ａにおいて垂直磁気異方性が４８０ｋＡ／ｍ、８００ｋＡ／ｍの場合、Ｈextが２５０ｋＡ／ｍの低磁界領域で発振が不安定となっているのは、ＨkpからＨdp-effを引いた値が、それぞれ−６１０（＝４８０−１０９０）ｋＡ／ｍ、−２９０（＝８００−１０９０）ｋＡ／ｍと小さすぎるためと考えられる。ＨkpからＨdp-effを引いた値が４００ｋＡ／ｍより大きな場合にはＡＦモード発振が励起できない。垂直自由層の磁化が垂直磁気異方性軸の方向を向き、ＡＦモードとならないと考えられる従って、ＡＦモードの安定した発振を得るには、垂直自由層において、材料に起因する磁気異方性磁界と膜面垂直方向の実効反磁界が逆方向で、ほぼ拮抗する必要がある。ＨkpからＨdp-effを引いた値は、−２５０ｋＡ／ｍから４００ｋＡ／ｍの間に入っている必要がある。前記範囲内で、Ｈkp＞Ｈdp-effの場合、より高い発振周波数がえられる。ただし、ＳＴＯ駆動電流投入後、書き込み状態に入る前に、垂直自由層磁化が面直方向から面内に倒れるまでの１〜２ｎ秒間程度の慣らし発振が必要である。Ｈkp＜Ｈdp-effの場合、ＳＴＯ駆動電流投入後、速やかに書き込み状態に入ることができる。
【００３６】
図７Ｃは、垂直自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ３ｎｍで飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが１．１２ＭＡ／ｍのＳＴＯについて、図７Ａ、図７Ｂの電流量を０．４ＴＡ/ｍ2として電流量が０．１と１．６の場合の発振周波数の外部磁界依存性を示したものである。
【００３７】
各電流条件で、外部磁界Ｈextを強く印加するほど発振周波数が大きくなっている。外部磁界Ｈextが一定の条件ではＳＴＯが発振する限り電流値は小さいほうが高い発振周波数が得られるが、電流値は大きいほどより高い発振周波数が得られる。ＳＴＯへ流せる電流を多くし、ＳＴＯへ印加する外部（ギャップ）磁界を高め、これらに相応して発振するようなできるだけ大きな垂直磁気異方性Ｈkpを持つ垂直自由層を用いることにより、最も高い発振周波数が得られる。ＡＦモード発振を利用する本発明のＳＴＯでは、面内自由層磁化がほぼ面内にあるため、外部（ギャップ）磁界と電流値の組み合わせに対して、適当な垂直自由層磁化と垂直磁気異方性を設定することにより、記録媒体の磁化反転に最適な回転（振動）数で高周波出力（磁界）を最大にすることが可能性である。本発明のＳＴＯは、主磁極と補助磁極の間に設置することを想定しており、外部（ギャップ）磁界を強めるには、主磁極と補助磁極の間の距離を縮めるのが有効である。
【００３８】
図７Ｄは、種々条件における、ＡＦモード発振状態での面内自由層の面内磁化成分Ｍh-xyを材料に起因する垂直磁気異方性磁界Ｈkhから実効反磁界Ｈdh-effを引いた値の関数として示したものである。図は、Ｈhkを変えており、(Ｃｏ/Ｆｅ)ｎ多層膜のような負の磁気異方性材料を用いる場合を想定して、負値のＨhkがとれるものとした。垂直磁気異方性のＨhkが負値ということは、磁化容易面型の磁気異方性となっていることを意味する。図では、Ｍh-xyを面内自由層の飽和磁化Ｍshで規格化しており、Ｍh-xy/Ｍshでの値が１．０であれば、面内自由層磁化が面内にあることを意味し、高周波磁界強度が最大となっていることを示している。
【００３９】
図７Ｄより、種々条件においてもＨkh-Ｈdh-effの値が−２００ｋＡ／ｍより小さければ、最大の高周波磁界強度が得られることが分かった。このことから、磁化容易面を有する負の垂直磁気異方性材料ＣｏＩｒ合金、ＣｏＦｅＩｒ合金、(Ｃｏ/Ｆｅ)ｎ多層膜の面内自由層への適用は、トラック幅が狭くて実効反磁界が小さくなる高トラック密度対応ヘッドにおいて特に有効である。以上より、面内自由層は、膜面に垂直方向の材料に起因する磁気異方性磁界に比べて実効反磁界が優勢、すなわち、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜とする必要があることが判明した。
【００４０】
図８Ａ〜８Ｄは、ＡＦモード（本発明のＳＴＯ）の外部磁界反転時における垂直自由層磁化と面内自由層磁化の時間変化を示したものである。図７Ｂ最上段の条件のうち垂直自由層の垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（Ｈkp−Ｈdp-eff＝−１３０ｋＡ／ｍ）を用いた。外部磁界Ｈextの大きさは４８０ｋＡ／ｍ、ＳＴＯ駆動電流は０．３ＴＡ/ｍ2である。図８Ａは、ｔ＝５ｎ秒にて極性がマイナスｚ方向からプラスｚ方向に反転する外部磁界の時間プロファイルを示したもので、反転開始から反転完了まで約０．２ｎ秒となる双曲線正割関数（tanh）を用いた。図８Ｂは垂直自由層の磁化反転（ｚ成分）、図８Ｃは面内自由層磁化の反転（ｚ成分）、図８Ｄはｚ方向を軸とする面内自由層磁化の回転（ｘ成分）を示した。
【００４１】
図８Ａ、図８Ｂより、垂直自由層磁化は、外部磁界の反転開始と同時に回転が始まり、外部磁界の反転完了と同時に回転が完了している。図８Ｂ、図８Ｃより、垂直自由層磁化が反転する間、面内自由層磁化は出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）からほとんどずれていない。したがって、外部磁界の反転開始から安定発振状態に至るまでに必要な時間は、外部磁界の反転に要した約０．２ｎ秒だけである。このように、垂直自由層磁化と面内自由層磁化がほぼ反平行保ったまま、状態が切り替わっており、高速切り替えが可能であることがわかった。図８Ｄに見られるこの間のＭvxの挙動は、面内自由層磁化の面内回転速度が遅くなり回転方向が入れ替わっている状況を反映しているものと考えられる。これは、図７Ａ、図７Ｃの外部磁界に対する発振周波数の挙動と矛盾しない。磁気記録媒体の磁化反転時には反転途中の磁性粒子の磁気共鳴周波数は低下するので、本発明のＳＴＯを用いることにより、外部（書込み）磁界の反転時に磁化反転途中の磁性粒子の反転を効率よくマイクロ波アシストすることが可能となる。
【００４２】
ＡＦモードの高周波応答特性ポテンシャルを、詳しく調べるため、図８と同じ条件にて、図９Ａに示す外部磁界の反転時間が０．１ｎ秒以下の高速反転の時間変化を与えた。外部磁界の印加方向はｚ方向である。図９Ｂは、これに対する垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示したものであり、図９Ｃは面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示したものである。
【００４３】
図９Ｂから、垂直自由層磁化は、１ｎ秒以降、完全に外部磁界に追従して磁化が反転していることがわかる。また、図９Ｃに示されているように、面内自由層磁化も、１ｎ秒以降、出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）からほとんどずれていない。なお、１ｎ秒以前の垂直自由層磁化と面内自由層磁化の挙動は、良好なＡＦ発振状態から大きく外れた状態を計算の初期状態としたためであり、いったんＡＦモード発振状態になれば十分な高速反転特性が得られると考えられる。長時間の休止後、ＡＦモード発振状態にてアシスト記録を行う場合には、１−２ｎ秒程度の慣らし駆動が必要と考えられる。
【００４４】
図１０Ａ〜１０Ｃは、図９Ａ〜９Ｃの３ｎ秒近くの外部磁界の切り替え時の磁化挙動の様子を、更に拡大してみたものである。図１０Ａは図９Ａに、図１０Ｂは図９Ｂに、図１０Ｃは図９Ｃにそれぞれ対応する。図１０Ｂに示すように、垂直自由層磁化は、外部磁界の反転後、直ちに反転を開始し、０．１ｎ秒程度で反転を完了している。この間、図１０Ｃに示すように、面内自由層磁化は、安定発振位置からのずれが僅かにみられている。
【００４５】
図１０Ｄは、図１０Ｂ及び図１０Ｃの２．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示したものである。また、図１０Ｅは、図１０Ｂ及び図１０Ｃの３．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示したものである。角度θとφの定義は、図４Ｄと同じである。２．５ｎ秒の時点と３．５ｎ秒の時点では、回転方向が逆向きになっており、垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向が外部磁界に応じて確実に切り替わっていることが確認できる。
【００４６】
ＡＦモード発振状態のＳＴＯから発生する高周波磁界によるマイクロ波アシスト磁化反転の効果を検討するため、有効高周波磁界成分Ｈhf-effを求める。高周波磁界は、垂直自由層と面内自由層の底面（上底面も含む）及び側面からの磁界を足し合わせることになる。底面からの磁界と側面からの磁界とは、トラックセンター上を除き、一般には直交しない。この点を考慮して、ＦＧＬから発生されるマイクロ波アシスト反転に有効な高周波磁界成分Ｈhf-effを求める必要がある。高周波磁界Ｈhfは、図１１に示すように、位相が互いに９０度ずれている底面からの磁界Ｈbと側面からの磁界Ｈsとの合成磁界と考えられるので、次式(1)のように表される。
【００４７】
【数２】
【００４８】
ここで、アシストに有効な磁界成分は、媒体面内に平行と近似して、式(3)を得る。
【数３】
【００４９】
式(3)を式(2)に代入すると、次式(4)が得られる。
【数４】
【００５０】
さらに、マイクロ波アシスト磁化反転に作用する反時計まわり成分のみを考慮し、exp(−ｉωｔ)項を無視すると、式(5)のようになる。Ｈの添え字ｈ，ｐは、それぞれ、面内自由層、垂直自由層を意味するものとする。
【００５１】
【数５】
【００５２】
図１２Ａ、図１２Ｂから図１５Ａ、図１５Ｂは、ＡＦモードによる有効高周波磁界成分Ｈhf-effが書込み特性に与える影響を調べたものである。いずれの場合にも、ＳＴＯ駆動電流は面内自由層２側から垂直自由層１側に流される。本検討では、主磁極５から、一例として２０ｎｍ離して面内自由層２又は垂直自由層１を設置したが、本発明の効果は、この値にとらわれることなく得られるものである。同様に、面内自由層２と垂直自由層１と間の非磁性スピン伝導体用の間隙を３ｎｍとしているが、この値を用いなくても本発明の効果が期待できる。図のグラフは、記録媒体に書込み磁界が印加される際、まず主磁極５からの磁界、続いてＳＴＯからの高周波磁界が媒体に印加されることを想定し、ＳＴＯ側のＨhf-effの変化をＳＴＯ側の主磁極端からの距離に対して示している。書込み点は、Ｈhf-effの最も高いピークの半値点のうち、主磁極から離れている方とした。主磁極極性が反転する際、書込み点に磁化遷移領域が形成される。
【００５３】
図１２Ａは、主磁極５と反対側に面内自由層２と同じ厚さの垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１と面内自由層２の厚さは、いずれも１５ｎｍとした。面内自由層の飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と面内自由層２の間の距離は２０ｎｍである。図１２Ｂは、図１２Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。比較のために、面内自由層単独（従来ＳＴＯのＦＧＬ）によるＨhf-effをＢsp＝０として破線で示した。
【００５４】
Ｈhf-effのピークを、主磁極側から第１ピーク、第２ピークのように名付けるものとする。垂直自由層の飽和磁束密度Ｂspの増加に従って、第２ピークは、第１ピークより大きくなるので書込み点が主磁極から離れる（２５ｎｍ⇒５０ｎｍ）問題があるが、実効高周波磁界ピーク値は、Ｂsp＝２．４Ｔの場合、従来ＳＴＯの１．３倍になる。従って、本実施例のＳＴＯは、主磁極から離れた位置にも磁界の影響を及ぼすことができるヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５５】
図１３Ａは、主磁極５と反対側に面内自由層より薄い垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１の厚さは５ｎｍとした。面内自由層２の厚さは１５ｎｍ、飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と面内自由層２の間の距離は２０ｎｍである。図１３Ｂは、図１３Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。垂直自由層のＢs増加に従って、第２ピークが大きくなって主磁極側に寄るため、分離特性の悪化（第２ピークによる磁化の再反転）が懸念されるが、第１ピークの書込み点が主磁極に近くなる利点がある。従って、本実施例のＳＴＯは、磁界勾配の高いヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５６】
図１４Ａは、主磁極５と面内自由層２との間に、面内自由層と同じ厚さの垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１と面内自由層２の厚さは、ともに１５ｎｍとした。面内自由層２の飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と垂直自由層１の間の距離は２０ｎｍである。図１４Ｂは、図１４Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。書込み点が主磁極から離れるが、書込み磁界ピークを押し上げ（Ｂsp＝２．４Ｔの場合、従来ＳＴＯの１．３倍）、第３ピークを小さくする効果がある。従って、本実施例のＳＴＯは、主磁極から離れた位置にも磁界の影響を及ぼすことができるヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５７】
図１５Ａは、主磁極５と面内自由層２との間に、面内自由層２より薄い垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。面内自由層２の厚さは１５ｎｍ、飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。垂直自由層１の厚さは５ｎｍとした。主磁極５と垂直自由層１間の距離は２０ｎｍである。図１５Ｂは、図１５Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。主磁極側の垂直自由層が薄い場合、書込み磁界ピークを押し上げる効果は大きくないが、書込み点のずれは垂直自由層の磁化にほとんど依存しない。従って、本実施例のＳＴＯは、従来ＳＴＯと同等の書込み特性で、高速なデータ伝送が可能となる。
【００５８】
図１６Ａ〜１６Ｃは、電流を面内自由層側から垂直自由層側に流した時のＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示した図である。面内自由層には幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を用い、垂直自由層には飽和磁束密度Ｂspが１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが０．９６ＭＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）、幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍで、厚さを６ｎｍ，３ｎｍ，１．５ｎｍと変えた磁性体を用いた。垂直自由層の膜厚によって発振特性が大きく変わらないように電流値を変えたところ、膜厚にほぼ反比例して、電流値が小さくなることが分かった。このことから、ＡＦモード発振に必要な電流値は、Ｔモード発振する従来ＳＴＯと異なり、主に垂直自由層の膜厚によって決定されていると考えられる。従って、ＡＦモード発振するＳＴＯでは、必要な駆動電流値を大きく増やさずに、強い高周波磁界が得られる厚い面内自由層が適用可能となる。
【００５９】
図１３Ａ、図１５Ａに示したＳＴＯ構造と組み合わせることにより、省電力化、発振周波数の向上が期待できる。面内自由層として負の磁気異方性を有する磁性体を用いると、さらに安定な発振特性が得られる。また、主磁極と面内自由層との間に垂直自由層を配置した場合は、垂直自由層の磁化や厚さによって書込み点が大きく変化しないため設計の自由度が高くなる利点がある。
【００６０】
以上より、磁化反転磁界を発生させる主磁極近傍にスピントルク発振素子を配置し、スピントルク発振素子より高周波磁界を発生させて記録媒体を磁気共鳴状態・磁化反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、スピントルク発振素子に膜面垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層を備え、面内自由層側から垂直自由層側にほぼ一定の電流を流すことにより、高速の磁化反転特性が得られることが分かった。さらに、垂直自由層を、面内自由層より薄くすることにより、省電力化、発振周波数の向上が期待でき、高記録密度化できることが分かった。また、垂直自由層を面内自由層より主磁極側に設置することにより、設計の自由度が高くなることが分かった。本発明のＳＴＯは、従来ＳＴＯのように発振時に垂直自由層が強く固定されている必要が無いため、比較的小さな垂直磁気異方性を有する材料を用いることが可能となる。この場合、ダンピング定数の小さな磁性体を用いることにより、発振に必要な電流を小さくすることができ、エレクトロンマイグレーション等による材料磁性変化・素子特性劣化を抑制することができる。一方、面内自由層磁化がほぼ面内で回転するため、強くて安定した高周波磁界が得られる。これらのことから、記録密度が１平方インチあたり１Ｔビットを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した情報記録装置がおいて、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現できることが分かった。
【００６１】
なお、特開２００８−２７７５８６号公報及び特開２００８−３０５４８６号公報に示された、非磁性層で分けられた等価な２層の自由層の磁化を略反平行に結合させた状態で回転させ、ＡＢＳ端面に出る、等量の正負の磁化間の磁界が媒体面内で高周波直線振動する技術は、１）スピン偏極層（固定層）が必要、２）固定層側からＦＧＬ側に通電（本発明のＳＴＯとは電流方向が逆）３）対となる自由回転層の厚さがほぼ等しい、４）自由回転層に垂直磁気異方性を付与していない等の点で本発明とは異なり、本発明とは無関係である。
【００６２】
以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
図１７は、本発明の一実施例の磁気記録ヘッドを記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左又は右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した断面模式図である。図には、媒体の断面も示した。
【００６３】
記録ヘッド２００は、主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成している。ただし、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。また、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、磁気回路を形成してもよい。この場合には、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。更に、磁気記録ヘッド２００には、これらの磁気回路を励磁するためのコイル、銅線等が具備されているものとする。主磁極５と対向磁極６の間には、本発明のＳＴＯ２０１が形成されている。主磁極５と対向磁極６には、電極又は電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆のＳＴＯ駆動電流が面内自由層２を通して流せるように構成されている。主磁極５と対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体７には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として磁気異方性磁界が１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）、膜厚１０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ層を用いた。
【００６４】
主磁極５に隣接して層状に、非磁性スピン散乱層８、垂直自由層１、非磁性スピン伝導層３、面内自由層２、第２の非磁性スピン散乱層９からなるＳＴＯ２０１が形成され、対向磁極６にいたる。なお、非磁性スピン散乱層８から第２の非磁性スピン散乱層９までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形をしている。当該長方形形状とすることにより、トラック幅方向に形状異方性が生じるため、主磁極からの漏れ磁界の面内自由層２の面内成分があっても面内自由層２の面内磁化回転を円滑に行わせることが可能となり、主磁極５と面内自由層２を近づけることができる。ただし、主磁極からの漏れ磁界が少ない場合には、当該断面形状が正方形であってもなんら問題はない。これらの断面形状のＡＢＳ面に沿った辺の長さｗは、記録トラック幅を決定する重要な因子であり、本実施例では４０ｎｍとした。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界と垂直自由層１、面内自由層２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになるため、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅８０ｍ、厚さ１００ｎｍとすることで、約０．９ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。
【００６５】
垂直自由層１には、５ｎｍ−（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜を用いた。本実施例のＳＴＯに印加される磁界は、主磁極５端面から対向磁極６端面までの長さが４０ｎｍ、面内自由層２の高さが３８ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）である。面内自由層２は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどない厚さ１５ｎｍのＣｏＦｅ合金とした。面内自由層２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面及び、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。面内自由層２に（Ｃｏ／Ｆｅ）n多層膜等の負の垂直磁気異方性を有する飽和磁化が大きな材料を用いてもよい。この場合、面内自由層磁化の面内回転が安定化する。
【００６６】
本実施例のＳＴＯ２０１は、垂直自由層１が主磁極５と面内自由層２の間にあるため、ＡＦモードのスピントルク発振を得るために対向磁極６側から主磁極５側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、面内自由層２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、面内自由層２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、面内自由層２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性によってスピントルクの向きが変わらない特許文献１の高周波磁界発生器では得られない。
【００６７】
スピントルク作用は、ＳＴＯ駆動電流が大きくなるほど大きくなり、また、非磁性スピン伝導層３と隣接する層との間に分極率の大きなＣｏやＣｏＦｅＢ層を１ｎｍ程度挿入すると大きくなる。非磁性スピン伝導層３には、２ｎｍ−Ｃｕを用いた。非磁性スピン散乱層８，９には、３ｎｍ−Ｒｕを用いた。ＰｄやＰｔを用いても同様な作用がある。非磁性スピン散乱層８，９は、スピン情報を散乱させることにより、ＳＴＯと主磁極５や対向磁極６とのスピントルクを介した相互作用が発生しないようにする作用がある。非磁性スピン散乱層８，９がない場合には、ＳＴＯの発振が安定しないことがある。なお、これまでのシミュレーションや図１２〜１５の実施例では、非磁性スピン伝導層３や非磁性スピン散乱層８，９を考慮していないが、非磁性なのでＳＴＯとは磁気的に相互作用せず、ナノメートルオーダーの構造物であるので発生する高周波磁界への影響もほとんどないと考えられる。
【００６８】
図１８は、図１７に示した試作ヘッドのうち、主磁極５、非磁性スピン散乱層８、９と対向磁極６を取り除き、ＳＴＯのみの発振周波数と外部磁界との関係を測定した結果を示す図である。垂直自由層には４０ｎｍ×４０ｎｍ×５ｎｍ、Ｈkp＝１２８０ｋＡ／ｍ（１６ｋＯｅ）、Ｂs＝１．２Ｔ、（Ｃｏ／Ｐｔ）n多層膜用いた（Ｈkp-Ｈdp-eff＝２８０ｋＡ／ｍ）。ＡＦモードでは、発振周波数は、ほぼ印加した外部磁界に比例して増加していることがわかる。垂直自由層の膜厚を１０ｎｍ（Ｈkp-Ｈdp-eff＝４７０ｋＡ／ｍ）、１５ｎｍ（Ｈkp-Ｈdp-eff＝６５０ｋＡ／ｍ）とした場合、あるいは、大きな垂直磁気異方性Ｈkp＝１４４０ｋＡ／ｍ（１８ｋＯｅ、Ｈkp-Ｈdp-eff＝４４０ｋＡ／ｍ）とした場合には発振しなかった。十分な反磁界が得られなかったためと考えられる。また、（Ｃｏ／Ｐｄ）n多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）n多層膜を垂直自由層に用いた場合には、厚さｔpを５ｎｍから１５ｎｍの範囲で変えても発振しなかった。垂直磁気異方性が飽和磁化に比べて大き過ぎ、薄くしても十分な反磁界が得られなかったためと考えられる。本実施例のように、本発明のスピントルクオシレータ（ＳＴＯ）に磁性体を近接させることなく、外部より磁界を印加してＡＦモード発振するＳＴＯを用いる場合には、主磁極５、非磁性スピン散乱層８，９と対向磁極６は不要となる。
【００６９】
図１９の概略図に示すように、本発明のＳＴＯ２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載の磁気ヘッドスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。
【００７０】
記録再生部１０９は、記録ヘッド部と再生ヘッド部により構成されている。図中の拡大図に示すように、記録ヘッド部は、補助磁極２０６、主磁極５と対向磁極６との間に配置されたＳＴＯ２０１、主磁極を励磁するコイル２０５等により構成される。再生ヘッド部は、下部シールド２０８と上部シールド２１０の間に配置された再生センサ２０７等により構成される。補助磁極２０６と上部シールド２１０は兼用される場合もある。記録再生部１０９の各構成要素の駆動電流は配線１０８によって給電され、端子１１０によって各構成要素に供給される。拡大図には、ＳＴＯ２０１に電流を流すための電源２０２を模式的に示したが、実際には電源２０２はスライダ１０２の外部に設置され、電源２０２によるＳＴＯ駆動電流は配線１０８を介してＳＴＯ２０１に供給される。
【００７１】
ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ５０ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１５ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。ＳＴＯ駆動電圧を変化させて、５１２ＭＨｚで１３００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、ＳＴＯ駆動電圧１５０ｍＶのときに、最大１３．１ｄＢが得られた。また、１０２４ＭＨｚで２６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、最大８．０ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、３０ＧＨｚであった。同程度のＦＧＬ（面内自由層）厚さと発振周波数とが得られるＴモード発振の従来構造ＳＴＯを用いた場合には、ヘッド媒体相対速度が１０ｍ／ｓの時はほぼ同等の結果が得られたが、２０ｍ／ｓでは、２６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比が、最大３．０ｄＢと大きく劣化した。Ｔモード発振に最適化した従来構造ＳＴＯは、ＳＴＯ駆動電流を逆転させても、固定層（垂直自由層）が厚いので反磁界が不十分で垂直磁気異方性磁界に拮抗させることができず、ＡＦモード発振とならない。
【００７２】
図２０は、本発明の一実施例のＳＴＯから後退する主磁極５を有する磁気記録ヘッドを記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左又は右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した断面模式図である。図には、媒体の断面も示した。主磁極５をＳＴＯから後退させることにより、主磁極５よりＳＴＯ積層面に入る磁界成分を低減することができ、ＳＴＯの確実な動作が見込まれる。
【００７３】
記録ヘッド２００は、主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成している。ただし、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。また、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、磁気回路を形成してもよい。この場合には、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。更に、磁気記録ヘッド２００には、これらの磁気回路を励磁するためのコイル、銅線等が具備されているものとする。主磁極５と対向磁極６の間には、主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３を介して本発明のＳＴＯ２０１が形成されている。主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３は、ＳＴＯ２０１の積層面にできるだけ強い磁界が垂直に入るように設計されている。特に対向磁極磁界整流層１３は、絞込み（ＳＴＯ２０１側の断面に比べて対向磁極６側の断面が広い）構造を有するのが良い。主磁極５と対向磁極６には、電極又は電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆のＳＴＯ駆動電流が面内自由層２を通して流せるように構成されている。主磁極５、主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３、対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体７には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として、７ｎｍ−記録保持層２４、５ｎｍ−伝達層２３、３ｎｍ−共鳴層２２を有する１平方インチあたり５Ｔビット相当（トラックピッチ１５ｎｍ、ビットピッチ７ｎｍ）のパタン媒体を用いた。記録保持層２４はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝２．４ＭＡ／ｍ）、伝達層２３はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝２．０ＭＡ／ｍ）、共鳴層２２はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝１．６ＭＡ／ｍ）、ビット間隙２１にはＳｉＯｘを埋めた。
【００７４】
主磁極５、主磁極側磁界整流層１２に隣接して層状に、非磁性スピン散乱層８、面内自由層２、非磁性スピン伝導層３、垂直自由層１、第２の非磁性スピン散乱層９からなるＳＴＯ２０１が形成され、対向磁極磁界整流層１３を経て対向磁極６にいたる。なお、非磁性スピン散乱層８から第２の非磁性スピン散乱層９までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面が一辺１５ｎｍの正方形をしている。断面形状がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形正方形であってもよい。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界と垂直自由層１、面内自由層２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになるため、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅４０ｍ、厚さ７０ｎｍとすることで、約０．７ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。
【００７５】
面内自由層２には、飽和磁化が大きく、負の垂直磁気異方性を有する磁化容易面型の（Ｃｏ/Ｆｅ）ｎ多層膜を１５ｎｍ積層した。垂直自由層１には、１．５ｎｍのＣｏＣｒ合金（Ｈkp＝４８０ｋＡ／ｍ，Ｂs＝０．７５Ｔ）を用いた。垂直自由層１にＣｏＣｒＰｔ合金を用いてもよい。ＣｏＣｒ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金は、（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜に比べてダンピング定数が半分程度のため、発振に必要な電流を小さくすることができ、エレクトロンマイグレーション等による材料磁性変化・素子特性劣化を抑制することができる。面内自由層２と非磁性スピン伝導層３の間に薄いＣｏ層を入れると、さらに、発振に必要な電流を低減できる。本実施例のＳＴＯに印加される磁界は、主磁極側磁界整流層１２端面から対向磁極磁界整流層１３端面までの長さが２５ｎｍ、面内自由層２の高さが１５ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）である。面内自由層２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面及び、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。
【００７６】
本実施例のＳＴＯ２０１は、面内自由層２が主磁極５と垂直自由層１の間にあるため、ＡＦモードのスピントルク発振を得るために主磁極５側から対向磁極６側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、面内自由層２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、面内自由層２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、面内自由層２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性によってスピントルクの向きが変わらない特許文献１の高周波磁界発生器では得られない。
【００７７】
図１９の概略図に示すように、本発明のＳＴＯ２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載の磁気ヘッドスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング６ｎｍ、トラックピッチ１５ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１３ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。ＳＴＯ駆動電圧を変化させて、７１４ＭＨｚで１８１５ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、ＳＴＯ駆動電圧８０ｍＶのときに、最大１４．２ｄＢが得られた。また、１４２８ＭＨｚで３６３０ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、最大８．５ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり５Ｔビットを超える記録密度において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、４０ＧＨｚであった。面内自由層２にＣｏＦｅ合金を用いた場合には、十分な信号／ノイズ比が得られなかった。本実施例の面内自由層２は立方体であるため、面内磁化回転を誘導するための負の垂直磁気異方性の導入が必要であった。
【００７８】
図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて、磁気ヘッド走行方向と記録媒体との配置関係について説明する。磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態は２種類あり、１つは図２１Ａに示すトレーリング側への配置、もう１つは図２１Ｂに示すリーディング側への配置である。ここで、トレーリング側、リーディング側は、記録媒体に対する磁気ヘッドスライダの相対的な移動方向によって決まり、記録媒体の回転方向が図示した向きとは逆であれば、図２１Ａがリーディング側への載置、図２１Ｂがトレーリング側への載置となる。なお原理的には、スピンドルモータの極性を逆にして記録媒体を逆向きに回転させれば、トレーリング側とリーディング側の関係を逆にすることが可能であるが、回転数を正確に制御する必要上、スピンドルモータの極性を変えるのは非現実的である。本発明の垂直自由層に（Ｃｏ／Ｎｉ）nを用いたマイクロ波アシスト記録用ヘッドを用いた場合には、図２１Ａ、図２１Ｂのどちらの配置を用いても、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度の記録再生に十分な信号／ノイズ比とオーバーライト特性が得られた。
【００７９】
図２２Ａ及び図２２Ｂは、本発明による磁気記録装置の全体構成を示す模式図であり、図２２Ａは上面図、図２２ＢはそのＡ−Ａ′断面図である。記録媒体１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図２２Ｂには、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。記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向に移動し、先端部に記録再生部を有する。記録再生部は、例えば図１９に示したような構造を有し、記録部には主磁極と本発明のＳＴＯが設けられている。
【００８０】
サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、図２２Ｂに示されたリードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、磁気記録装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１５とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。
【００８１】
以上説明した記録ヘッドと記録媒体（（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜垂直自由層ＳＴＯとＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ媒体、及び、ＣｏＣｒ合金垂直自由層ＳＴＯとビットパタン媒体）を図２２に示す磁気ディスク装置（２枚の２．５インチ磁気ディスクの各面に記録）に組み込んで性能評価を行ったところ、それぞれ、記録容量２Ｔバイト（１平方インチあたり１Ｔビット）で情報転送速度２．０Ｇｂｉｔ／ｓ、及び、記録容量１０Ｔバイト（１平方インチあたり５Ｔビット）で情報転送速度２．８Ｇｂｉｔ／ｓの高周波回転磁界を利用した情報記録再生装置が得られた。記録ヘッドと記録媒体の組み合わせは、本実施例に限るものではなく、本発明の記録ヘッドを他の記録媒体と組み合わせてもよい。シングルドライと（瓦書き）記録方式を併用すれば、さらに大容量の情報記録再生装置が得られる。また、ＣｏＣｒ合金垂直自由層ＳＴＯ搭載の記録ヘッドは、消費電力の低減ができる。
【００８２】
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】
【００８３】
ｌ 垂直自由層
２ 面内自由層
３ 非磁性スピン伝導層
５ 主磁極
６ 対向磁極
７ 磁気記録媒体
８ 非磁性スピン散乱層
９ 非磁性スピン散乱層
１２ 主磁極側磁界整流層
１３ 対向磁極磁界整流層
１６ 記録層
１９ 基板
２０ 下地層
２１ ビット間隙
２２ 共鳴層
２３ 伝達層
２４ 記録保持層
３１ 固定層
３２ ＦＧＬ
１００ モータ
１０１ 記録媒体
１０２ 磁気ヘッドスライダ
１０３ ロータリアクチユエータ
１０４ 回転軸受け
１０５ アーム
１０６ サスペンション
１０８ 配線
１０９ 記録再生部
１１０ 端子
１１１ メモリ
１１２ チャネルＩＣ
１１３ ＩＣアンプ
１１５ プロセッサ
２００ 記録ヘッド
２０１ ＳＴＯ
２０２ 電源
２０５ コイル
２０６ 補助磁極
２０７ 再生センサ
２０８ 下部シールド
２１０ 上部シールド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記録媒体に対して高周波磁界を照射して磁気共鳴を駆動し、記録媒体の磁化反転を誘導して情報を記録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装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年のコンピュータの能力向上及びネットワークの高速化、大容量化にともない、ディジタル・データの形で流通する情報の量は飛躍的に増加してきている。こうした大容量の情報を効率的に受配信・抽出するためには、大容量の情報を高速に入出力できるストレージ・デバイスが必要である。磁気ディスクでは、高記録密度化にともなって、一旦記録した信号が熱揺らぎによって徐々に減少していくという問題が顕在化している。これは磁気記録媒体が磁性体微結晶の集合であり、この微結晶の体積が減少してきていることが原因である。十分な耐熱揺らぎ安定性を得るには、よく用いられる熱揺らぎ指標Ｋβ（＝ＫuＶ／ｋＴ；Ｋu：磁気異方性、Ｖ：粒子体積、Ｔ：絶対温度、ｋ：Boltzmann定数）が７０以上ある必要があると考えられている。Ｋu，Ｔ（材料、環境）を一定とすれば、Ｖの小さな粒子ほど熱揺らぎによる磁化反転が起こりやすい。高記録密度化が進み１ビットの占める記録膜体積が減少するにつれて、Ｖを低下させなければならず、熱揺らぎが無視できない。この熱揺らぎを抑えるためにＫuを高めると、磁気記録に必要な磁化反転磁界が記録ヘッドで発生できる記録磁界を越えることになり、記録不能となる。
【０００３】
この問題を回避するために、特許文献１には、マイクロ波アシスト記録技術（Microwave Assisted Magnetic Recording：ＭＡＭＲ）がＣＭＵのZhuらによって開示されている。ＭＡＭＲは、図１Ａに示すように、垂直磁気記録ヘッドの主磁極からの書き込み磁界に加えて、主磁極に隣接して配置されたスピントルク発振素子（Spin Torque Oscillator：ＳＴＯ）からのマイクロ波磁界を磁気異方性の大きな磁気記録媒体７に印加することにより、記録対象領域を磁気共鳴状態として磁化を揺さぶり、磁化反転磁界を低下させて記録を行うものである。従来の磁気ヘッドでは記録磁界が不足して記録が困難であった１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2を超える高記録密度対応の磁気記録媒体に対し、マイクロ波照射領域への記録が可能となる。ＳＴＯは、固定層３１からのスピントルクをＣｕを介して隣接する高周波磁界発生層（Field Generation Layer：ＦＧＬ）３２に伝え、面内自由層であるＦＧＬ３２の磁化を面内で高速回転させることによってマイクロ波（高周波磁界）を発生せしめている。
【０００４】
ＭＡＭＲは磁気共鳴現象を利用するため、有効なマイクロ波磁界成分は、記録媒体磁化の歳差運動と同じ回転方向となる、反時計回りの回転磁界成分である。一方、図１Ｂに示すように、ＳＴＯのマイクロ波磁界発生源であるＦＧＬ３２からのマイクロ波磁界は、回転方向がＦＧＬの磁化回転方向に依存する楕円回転磁界であり、ヘッド移動方向にみてＦＧＬ３２の前後で逆回りである。したがって、ＭＡＭＲに有効な反時計回り回転磁界は、ＦＧＬ３２の前後片側だけに創生されることになる。このため、主磁極極性が反転する度にＦＧＬ３２の磁化の回転方向を反転させる必要がある。特許文献２及び特許文献３に開示さているように、ＳＴＯ駆動電流を一定のままスピントルク源となる固定層の磁化を主磁極磁界Ｈextに従って反転させる方法が現実的である（図２Ａ及び図２Ｂ参照）。
【０００５】
この場合、固定層の磁化反転中はＦＧＬ駆動に必要なスピントルクが得られないと考えられるため、固定層磁化反転を高速化する必要がある。特許文献２には、特許文献１に開示されたＳＴＯの固定層の保磁力を低下させて主磁極磁界によって固定層磁化を反転させる技術、及び、固定層に近接して磁束密度の高い磁性体を設置し反転速度を高める技術が開示されている。また、特許文献２には、主磁極又は補助磁極の一部を実質的に固定層とする技術が開示されている。主磁極に突起（リップ）部を設け、スピン散乱層を介して高周波磁界発生器が配置され、さらに、ＦＧＬへの主磁極からの磁界の影響を抑制する向きにスピントルクが働くように電流を流す構成とする。この構成により、主磁極から高周波磁界発生器への流入磁界が膜面に垂直に入るようにすることが可能となり、主磁極をスピン源として用いるため、主磁極の極性に依存せずに最大高周波磁界が得られる高周波磁界発生器駆動電流が所望の周波数に応じて設定可能である。
【０００６】
また、互いに磁化が反平行を保ったまま高速回転する等価なＦＧＬの対を構成し、その端面より生じる記録媒体面に平行な一方向高周波磁界を印加することにより、ＦＧＬ回転方向にかかわらず効率よく媒体磁化を反転させる技術が、特許文献４及び特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】US 2008/0019040 A1
【特許文献２】特開２００９−０７０５４１号公報
【特許文献３】特願２０１０−５１００８２号公報
【特許文献４】特開２００８−２７７５８６号公報
【特許文献５】特開２００８−３０５４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度を有するマイクロ波アシスト記録（ＭＡＭＲ）では、主磁極からの書き込み磁界が印加されているナノメートルオーダーの領域に、強力な高周波磁界を照射して磁気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。磁気共鳴を原理とするため、記録領域の磁化の歳差運動の回転方向と一致する高周波回転磁界成分のみが媒体磁化反転に有効である。従って、反転効率の高い高周波磁界を得るには、主磁極極性が反転する際にＦＧＬの磁化の回転方向を反転させる必要がある。主磁極極性が反転する度、ＦＧＬの磁化の回転方向が反転しない場合、媒体磁化の反転位置がＦＧＬの前後でずれることになり、線記録密度を高めることができない。
【０００９】
特許文献１では、ＳＴＯの固定層に（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの高磁気異方性（かつ比較的、飽和磁束密度低い）多層膜を用いているため、安定なスピントルクがＦＧＬに供給されると考えられる。しかし、主磁極極性の反転に伴って固定層磁化が反転しないので、ＦＧＬ磁化の回転方向を反転させるには、ＳＴＯ駆動電流を反転させることになる。この場合、ａ）電流の正負でスピントルクの効率が変化する、ｂ）ＦＧＬに印加される外部磁界が等しくない、ｃ）ＦＧＬ磁化の立ち上がり角度が異なる、ｄ）ＳＴＯ駆動電流を主磁極磁界に同期させる必要がある、といった問題を解決する必要があり、実現が極めて困難である。
【００１０】
特許文献２では、スピントルク源となる固定層に主磁極からの磁界より保磁力を低くした（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの多層膜を用いており、ＳＴＯ駆動電流一定のまま、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転させ、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転させている。保磁力を低くした（Ｃｏ／Ｐｄ）n，（Ｃｏ／Ｐｔ）nなどの多層膜は、飽和磁束密度Ｂsが更に低くなる傾向があり、高Ｂs材料を積層しても、十分な固定層の磁化反転速度が得られない。また、固定層の保磁力が低いため、電流を強くして大きなスピントルクをＦＧＬに供給しようとすると、その反作用で固定層磁化が不安定になるといった問題がある。さらに、これらの多層膜は磁化運動のダンピング定数αが０．１−０．３と大きいため、スピンポンピング作用によってスピンが消費されるので、同じ周波数の高周波磁界を得るための電流を多く流す必要があることも問題である。
【００１１】
特許文献３では、主磁極に設けた突起（リップ）部を固定層とすることにより、ＳＴＯ駆動電流を一定のまま、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転させ、続いてＦＧＬの磁化の回転方向を反転させている。主磁極又は補助磁極の一部を実質的に固定層とするため、磁化反転速度は十分速いと考えられる。しかし、固定層の磁化が主磁極の磁化状態の影響やＦＧＬからのスピントルクの反作用の影響で変動しやすく、大きなＳＴＯ駆動電流を流し、発振周波数を増大させることが困難である。これら特許文献２，３では、主磁極極性反転時に、スピントルク源となる磁性体の磁化を主磁極極性に同期して反転させている。従って、主磁極極性反転時、安定な発振状態となるまでに、主磁極極性反転時間と固定層反転時間とＦＧＬ安定化時間の合計値が必要であり、記録媒体への十分な書込み時間が得られない懸念がある。
【００１２】
特許文献４，５では、ヘッド中心においては面内直線振動磁界が発生し、ＦＧＬの回転方向によって記録特性の差はない。しかし、トラック端部においては、ＦＧＬ端部からの位相遅れの高周波磁界の影響が避けがたく、回転磁界成分の影響が顕著となるため、高トラック密度化すると、ＦＧＬの回転方向によって記録特性が変化してしまう。このため、特許文献２，３と同様に、主磁極極性に同期して固定層の磁化を反転する必要がある。特許文献４，５の技術はまた、原理的にＦＧＬ磁化と等量の固定層磁化を高速回転させる必要があるため、必要な電流が２倍になるといった問題もある。
【００１３】
ＨＤＤでは、面記録密度の増加に伴って、トラック方向のビット長を短くしている。１Ｔｂｉｔ／ｉｎ2を超える磁気記録においては、トラック方向のビット長が１０ｎｍ以下となることが予想される。この場合、現在のＨＤＤに標準的に用いられているヘッド−媒体相対速度である２０ｍ／ｓを適用すると、１ビット当たり１０／２０＝０．５ｎ秒以下で記録を行うことになる。この場合、情報転送速度は、２Ｇｂｉｔ／ｓとなる。特許文献２〜５の技術では、主磁極極性に同期して固定層磁化を反転する必要がある。このため、固定層の反転時間を０．２ｎ秒以下としても、この反転時間の間に伝わる固定層からのスピントルクによってＦＧＬ磁化が安定発振状態から離れてしまう可能性がある。回復には同等の時間がかかると考えられるため、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現するのは困難である。
【００１４】
本発明の目的は、主磁極極性反転開始から定常発振状態までの時間を０．３ｎ秒以下とすることにより、信頼性が高く、結果としてコストを低減する超高密度磁気記録に好適な磁気記録ヘッド及び磁気記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の磁気記録ヘッドは、主磁極と、主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、主磁極から磁化反転磁界を発生させると共にスピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドであり、スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する面内自由層とを備え、面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すものである。垂直自由層は、面内自由層より膜厚が薄いのが好ましい。また、垂直自由層は、材料に起因する磁気異方性磁界と前記垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界とが逆方向でほぼ拮抗するのが好ましい。更に、垂直自由層は、面内自由層より主磁極側に設置されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスピントルク発振素子は、垂直自由層の磁化が磁化回転面内にほぼ留まっているため、主磁極の極性反転前後で、磁気異方性軸との角度がほとんど変化しない。面内自由層磁化もほぼ回転面内に留まるため、主磁極極性反転後、直ちに記録媒体への書込み可能状態となる。本発明のスピントルク発振素子を適用することにより、印加磁界に対して迅速に回転状態を変化させることができる。その結果、記録密度が１平方インチあたり１Ｔビットを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した磁気記録において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能となる。
【００１７】
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】
【００１８】
【図１Ａ】ＭＡＭＲの原理を示す図。
【図１Ｂ】ＦＧＬから創生される磁界を示す図。
【図２Ａ】従来のＳＴＯにおける外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図。
【図２Ｂ】従来のＳＴＯにおける外部磁界とＳＴＯ駆動電流の方向の関係を示す図。
【図３】ＳＴＯの計算モデルを示す図。
【図４Ａ】従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｚ成分とＦＧＬ磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図４Ｂ−Ｃ】図４Ｂは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｘ成分の時間変化を示す図。図４Ｃは従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図４Ｄ】従来ＳＴＯにおける固定層磁化とＦＧＬ磁化の回転方向を示す図。
【図５】図５Ａは計算に用いた外部磁界反転の時間変化を示す図。図５Ｂは従来ＳＴＯにおける固定層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図５Ｃは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図５Ｄは従来ＳＴＯにおけるＦＧＬ磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図６Ａ】本発明のＳＴＯの外部磁界反転時における垂直自由層磁化ｚ成分と面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図６Ｂ−Ｃ】図６Ｂは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。図６Ｃは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図６Ｄ】本発明のＳＴＯの面内自由層磁化と垂直自由層磁化の回転方向を示す図。
【図７Ａ】ＳＴＯのＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示す図。
【図７Ｂ】垂直自由層の磁化、厚さの組み合わせに対して、垂直磁気異方性磁界を変えてＡＦモード発振の状態を調べた結果を示す図。
【図７Ｃ】電流量をパラメータとしたＳＴＯ発振周波数の外部磁界依存性を示す図。
【図７Ｄ】種々条件における、材料に起因する磁気異方性磁界から実効反磁界を引いた値に対する面内自由層の面内磁化成分の依存性を示す図。
【図８】図８Ａは計算に用いた外部磁界反転の時間変化を示す図。図８Ｂは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図８Ｃは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図８Ｄは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｘ成分の時間変化を示す図。
【図９】図９Ａは計算に用いた外部磁界高速反転の時間変化を示す図。図９Ｂは本発明のＳＴＯの垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。図９Ｃは本発明のＳＴＯの面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示す図。
【図１０Ａ−Ｃ】図１０Ａは図９Ａの時間拡大図。図１０Ｂは図９Ｂの時間拡大図。図１０Ｃは図９Ｃの時間拡大図。
【図１０Ｄ】図１０Ｂ及び図１０Ｃの２．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示した図。
【図１０Ｅ】図１０Ｂ及び図１０Ｃの３．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示した図。
【図１１】磁化反転に有効な高周波磁界成分の求め方を示す図。
【図１２Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１２Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１３Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１３Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１４Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１４Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１５Ａ】ＳＴＯの構成を示す概略構成図。
【図１５Ｂ】有効高周波磁界成分の主磁極からの距離依存性を示す図。
【図１６Ａ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１６Ｂ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１６Ｃ】本発明のＳＴＯの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１７】本発明の一実施例の磁気記録ヘッドの概略断面図。
【図１８】ＳＴＯのみの発振周波数と外部磁界との関係を示す図。
【図１９】スライダ及びそれに搭載された記録再生部の拡大断面図。
【図２０】磁気ヘッド部の拡大図。
【図２１Ａ】磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２１Ｂ】磁気ヘッドスライダ及び磁気ヘッドの構成例を示す図。
【図２２Ａ】磁気記録装置の上面模式図。
【図２２Ｂ】図２２ＡのＡ−Ａ′断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
ＭＡＭＲ用ＳＴＯの試作ヘッドの発振試験中に、従来と逆方向のＳＴＯ駆動電流を通電したところ、主磁極極性の高速切り替えが可能と考えられる挙動が観測された。従来、考えられていない新たな発振状態を解析する目的で、固定層磁化がＦＧＬ磁化に引きずられて動く（垂直自由層と呼ぶ）ことを前提に、以下のＬＬＧ（Landau Lifschitz Gilbert）方程式（１）に基づく計算機シミュレーションで磁化反転挙動を解析した。ここで、固定層あるいは垂直自由層は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなり、ＦＧＬあるいは面内自由層は、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる。図３は、ＳＴＯの計算モデルを示す図である。
【００２０】
【数１】
ここで、γ，Ｉ，μB，ｅ，Ｐ は、それぞれ、ジャイロ磁気定数、膜面垂直方向の電流（Jは電流密度）、ボーア磁子、素電荷、分極率である。ｍh，Ｈh-eff，αh，Ｖh，Ｍsh は、それぞれ、面内自由層２（又はＦＧＬ３２）の単位ベクトル、有効磁界、ダンピング定数、体積、飽和磁化である。また、ｍp，Ｈp-eff，αp，Ｖp，Ｍsp は、それぞれ、垂直自由層１（又は固定層３１）の単位ベクトル、有効磁界、ダンピング定数、体積、飽和磁化である。面内自由層２の有効磁界Ｈh-effは、磁気異方性磁界Ｈah（＝Ｈkh×cosθmh、θmhは面内自由層磁化とｚ軸のなす角）、静磁界Ｈsh、反磁界Ｈdh、及び外部磁界Ｈextの３成分の和で構成される。また、垂直自由層１の有効磁界Ｈp-effは、磁気異方性磁界Ｈap（＝Ｈkp×cosθmp、θmpは垂直自由層磁化とｚ軸のなす角）、静磁界Ｈsp、反磁界Ｈdp、及び外部磁界Ｈextの３成分の和で構成される。静磁界Ｈsh，Ｈspは、図３の空間配置に示すように、面内自由層２と垂直自由層１とが平行で３ｎｍ離れている場合について、互いの磁化の影響を算出した。面内自由層２と垂直自由層１との間隙は、交換相互作用を伝えずに電流にてスピン情報を伝達すＣｕなどの非磁性スピン伝導層のためのものであり、層厚は３ｎｍに限定されるものではない。
【００２１】
まず、従来のＳＴＯについて、発振状態の計算結果を示す。計算モデルは、固定層３１として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１０ｎｍで飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）の磁性体、ＦＧＬ３２として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を想定した。図４Ａ〜４Ｄは、従来のＳＴＯのように、固定層３１側からＦＧＬ３２側に電流を流した場合における固定層磁化とＦＧＬ磁化の時間変化を示す図である。外部磁界Ｈextは、＋ｚ方向に４８０ｋＡ／ｍの強度で印加されており、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2 とした。なお、本明細書で示す電流密値は、種々の条件で変わるものであるため、本発明の効果が記載の電流密値に限定されるものではない。図４Ａは固定層磁化Ｍ固定とＦＧＬ磁化ＭFGLのｚ成分、図４ＢはＦＧＬ磁化のｘ成分ＭFGL-x、図４Ｃは固定層磁化のｘ成分Ｍ固定-xをそれぞれの磁性層の飽和磁化（ＭsFGL、Ｍs固定）で規格化した値を示している。また、図４Ｄは、固定層磁化とＦＧＬ磁化の回転方向を示している。
【００２２】
図４Ａにおいて、固定層磁化、ＦＧＬ磁化とも、１．３ｎ秒以降１０ｎ秒まで磁化のｚ成分が変化していないことから、＋ｚ軸方向（磁界印加方向）と一定の角度を保っていることがわかる。なお、図４Ａで、磁化が一度低下してから上昇している理由は、本シミュレーションに用いた初期条件が比較的高いエネルギー状態にあり、最初にこのエネルギーを放出する必要があったためである。
【００２３】
図４Ｂにより、ｚ軸と直交するＦＧＬ磁化のｘ成分がサイン波にて規則正しく振動していることから、ＦＧＬ磁化はｚ軸から約９０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。回転（振動）数は、０．２ｎ秒間に４．６回転していることから、約２３ＧＨｚである。ＭＡＭＲでは、ＦＧＬ側面に現れる磁化が高速に入れ替わることによって生じる高周波磁界を利用するため、ＦＧＬ磁化は、なるべくｘ−ｙ面内で回転することが好ましい。ＦＧＬ磁化の＋ｚ軸方向からの角度や磁化回転数は、ＳＴＯの固定層側からＦＧＬ側に流す電流が大きくなるほど大きくなる。したがって、従来ＳＴＯでは、記録媒体の磁化反転に最適な回転（振動）数が得られる電流値とＦＧＬ磁化がｘ−ｙ面内で回転する電流値とが必ずしも一致させられない可能性がある。
【００２４】
次に、図４Ｃを見ると、固定層磁化もＦＧＬ磁化と同様にサイン波にて規則正しく振動している。これから、固定層磁化が極わずかではあるが、ｚ軸から傾いて振動していることが推察される。固定層磁化がＦＧＬ磁化に引きずられて揺らいでいるものと考えられるが、固定層磁化が十分固定されず揺らぎが大きくなるとＦＧＬ磁化の安定した面内回転が得られない。
【００２５】
固定層３１の磁化がほぼ＋ｚ軸方向を向き、ＦＧＬ３２の磁化が面内で回転している従来型の発振モードを、以下、Ｔモード発振と呼ぶことにする。Ｔモード発振では、固定層３１側からＦＧＬ３２側に電流を流す際、ＦＧＬ磁化を固定層磁化と反平行にしようとする電子（スピン）が固定層から反射され、スピントルク作用でＦＧＬ磁化を回転する。安定した発振（磁化回転）状態を得るためには固定層磁化が十分固定されている必要がある。Ｔモード発振を利用する従来ＳＴＯでは、外部磁界が弱い場合、固定層の垂直磁気異方性が弱い場合、固定層の厚さが薄い場合に、発振が乱れる傾向がある。これは、固定層が十分に固定されていないためと考えられる。
【００２６】
図４Ｄは、それぞれの磁化の回転方向を調べるため、０．０１ｎ秒程度の微小時間の間に磁化がどのように動くかを示したものである。ここで、θは各磁化の＋ｚ軸方向からの角度、φは各磁化をｘ−ｙ面に投影したときの＋ｘ軸方向からの角度とした。ＦＧＬ磁化、固定層磁化ともφが大きくなる方向に動いており、外部磁界を印加している＋ｚ軸方向を向いて右周りの回転となっていることが分かる。この回転方向は、ＭＡＭＲの際、主磁極近傍にＳＴＯを配置し、主磁極からの磁界をＳＴＯへの印加磁界として利用する場合、記録媒体の磁化反転効率が高い高周波回転磁界が主磁極とＳＴＯとの間に生成される好ましい回転方向である。
【００２７】
図５Ａ〜５Ｄは、Ｔモード（従来ＳＴＯ）の外部磁界反転時における固定層磁化とＦＧＬ磁化の時間変化を示したものである。図５Ａは、ｔ＝５ｎ秒にて極性がマイナスｚ方向からプラスｚ方向に反転する外部磁界の時間プロファイルを示したもので、反転開始から反転完了まで約０．２ｎ秒となる双曲線正割関数（tanh）を用いた。図５Ｂは固定層の磁化反転（ｚ成分）、図５ＣはＦＧＬ磁化の反転（ｚ成分）、図５Ｄはｚ方向を軸とするＦＧＬ磁化の回転（ｘ成分）を示した。外部磁界Ｈextは４８０ｋＡ／ｍ、固定層の垂直磁気異方性Ｈkpは９６０ｋＡ／ｍ、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2とした。
【００２８】
図５Ａ、図５Ｂより、固定層磁化は、外部磁界の反転が完了した後、回転が始まり、反転が完了するまでに０．２５ｎ秒を要している。図５Ｂ、図５Ｃより、ＦＧＬ磁化は、固定層磁化の反転初期に出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）から大きく外れてしまっている。固定層磁化の反転中もＳＴＯ駆動（直流）電流を流し続けているため、固定層からのスピントルクはＦＧＬ磁化を安定発振位置から遠ざけるように作用したものと考えられる。ＦＧＬ磁化の安定発振位置への復帰には更に０．２ｎ秒程度要している。したがって、外部磁界の反転開始から安定発振状態に至るまでに０．７ｎ秒程度を必要としていることになる。図５Ｄによれば、この間、ＦＧＬは不規則な発振状態になっており、十分なアシスト記録が行えないと推察される。
【００２９】
図６Ａ〜６Ｄは、本発明のＳＴＯを構成する垂直自由層１の磁化と面内自由層２の磁化の時間変化を示す図である。計算モデルは、図４と同様に、垂直自由層１（図４では固定層）として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１０ｎｍで、飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）の磁性体、面内自由層２（図４ではＦＧＬ３２）として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を想定し、電流を図４の場合とは逆に、面内自由層２側から垂直自由層１側に流すようにした。外部磁界Ｈextは、＋ｚ方向に４８０ｋＡ／ｍの強度で印加されており、ＳＴＯ駆動電流の大きさは０．１ＴＡ/ｍ2とした。図６Ａは面内自由層磁化Ｍhと垂直自由層磁化Ｍpのｚ成分、図６Ｂは面内自由層磁化のｘ成分Ｍh-x、図６Ｃは垂直自由層磁化のｘ成分Ｍp-xをそれぞれの磁性層の飽和磁化（Ｍsh、Ｍsp）で規格化した値を示している。また、図６Ｄは磁化の回転方向を示している。
【００３０】
図６Ａにおいて、垂直自由層磁化、面内自由層磁化とも、１．３ｎ秒以降１０ｎ秒まで磁化のｚ成分が変化していないことから、＋ｚ軸方向（磁界印加方向）と一定の角度を保っていることがわかる。図６Ｂより、ｚ軸と直交する面内自由層磁化のｘ成分がサイン波にて規則正しく振動していることから、面内自由層磁化はｚ軸から約９０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。また、図６Ｃを見ると、垂直自由層磁化も同様にサイン波にて規則正しく振動しており、垂直自由層磁化はｚ軸から約８０度傾いた状態（ｘ−ｙ面）で、ｚ方向を軸として回転しているものと推察される。さらに、図６Ｂ、図６Ｃを比較すると、互いに位相が約１８０度ずれていることから、垂直自由層磁化と面内自由層磁化が互いにほぼ逆方向を向き、面内近くで回転していることが分かる。回転（振動）数は、０．２ｎ秒間に３．１回転していることから約１６ＧＨｚである。なお、図６Ａで、両方の自由層磁化のｚ成分が一旦、大きくなってから面内付近（Ｍｚ＝０）に収束している理由は、本シミュレーションに用いた初期条件が比較的高いエネルギー状態にあり、最初にこのエネルギーを放出する必要があったためである。一旦、安定発振状態に入ると、外部磁界の極性を変えても直ちには、高いエネルギー状態とならない。
【００３１】
図６Ｄは、それぞれの磁化の回転方向を調べるため、０．０１ｎ秒程度の微小時間の間に磁化がどのように動くかを示したものである。角度θ及びφの定義は、図４Ｄと同じである。面内自由層磁化、垂直自由層磁化ともφが大きくなる方向に動いており、外部磁界を印加している＋ｚ軸方向を向いて右周りの回転となっていることが分かる。この回転方向は、ＭＡＭＲの際、主磁極近傍にＳＴＯを配置し、主磁極からの磁界をＳＴＯへの印加磁界として利用する場合、記録媒体の磁化反転効率が高い高周波回転磁界が主磁極とＳＴＯとの間に生成される好ましい回転方向である。
【００３２】
垂直自由層磁化と面内自由層磁化とが反平行でほぼｘ−ｙ面内で回転している、この新たに発見された本発明の発振モードを、以下、ＡＦモード発振と呼ぶことにする。ＡＦモード発振では、面内自由層側から垂直自由層側に電流を流すことにより生じるスピントルクによって、面内自由層磁化が垂直自由層磁化を追いかける作用と垂直自由層磁化が面内自由層磁化から逃れる作用とが自律的にバランスをとっている。また、面内自由層磁化は概ねｘ−ｙ面内で回転するのに対して、垂直自由層磁化はｘ−ｙ面内から僅かに外部磁界方向に傾いている。このため、外部磁界方向が反転しても、垂直自由層磁化のｚ軸からの傾きのずれは僅かとなり、速やかな切り替えが可能となることが期待される。
【００３３】
図７Ａは、面内自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を用い、垂直自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ（ｔp）３ｎｍで飽和磁束密度Ｂspが１．５Ｔ、材料に起因する垂直磁気異方性Ｈkpが０．４８ＭＡ／ｍ（６ｋＯｅ）、０．８０ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）、１．１２ＭＡ／ｍ（１４ｋＯｅ）、１．４４ＭＡ／ｍ（１８ｋＯｅ）の磁性体を用いた時のＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示したものである。垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界Ｈdp-eff（＝４πＭsp×（Ｎpz−Ｎpx）、Ｍspは垂直自由層の飽和磁化、ＮpzとＮpxはそれぞれｚ方向及びｘ方向の反磁界係数）は、１．０９ＭＡ／ｍである。ＳＴＯ駆動電流は、面内自由層側から垂直自由層側に流す。
【００３４】
図７Ａを見ると、各垂直磁気異方性の条件で、外部磁界Ｈextを強く印加するほど発振周波数が大きくなっている。しかし、Ｈext＋Ｈkpの値が電流値と垂直自由層の垂直方向の実効反磁界の値とで定まる一定値（ここでは約２０００ｋＡ／ｍ）に達すると、垂直自由層の磁化が面内に留まりきれず、磁界印加方向を向くため、ＡＦモード発振が維持できない。垂直自由層の垂直磁気異方性磁界Ｈkpが小さいほど、より高い発振周波数が得られているように見えるが、外部磁界Ｈextが一定の条件ではＳＴＯが発振する限りＨkpは大きいほうが高い発振周波数が得られる。ＭＡＭＲにおいて、より高い記録密度対応の媒体に記録するため、ＳＴＯの発振周波数を高めていく必要がある。ＳＴＯへ印加する外部（ギャップ）磁界を高め、これに相応して発振するようなできるだけＨkpが大きな垂直自由層を用いるのが有効である。
【００３５】
ＡＦモードにて安定した発振（磁化回転）状態を得ることによりＭＡＭＲを実現するためには、垂直磁気異方性の設定がキーポイントとなる。図７Ｂは、垂直自由層の飽和磁束密度Ｂsp、厚さｔpの各種組み合わせに対して、垂直自由層の材料に起因する垂直磁気異方性磁界Ｈkpを変えてＡＦモード発振の状態を調べた結果である。各組み合わせに対して、Ｈkpから垂直方向の実効反磁界Ｈdp-effを引いた値が−２５０ｋＡ／ｍより小さい場合には、発振が安定しない場合が発生する。図７Ａにおいて垂直磁気異方性が４８０ｋＡ／ｍ、８００ｋＡ／ｍの場合、Ｈextが２５０ｋＡ／ｍの低磁界領域で発振が不安定となっているのは、ＨkpからＨdp-effを引いた値が、それぞれ−６１０（＝４８０−１０９０）ｋＡ／ｍ、−２９０（＝８００−１０９０）ｋＡ／ｍと小さすぎるためと考えられる。ＨkpからＨdp-effを引いた値が４００ｋＡ／ｍより大きな場合にはＡＦモード発振が励起できない。垂直自由層の磁化が垂直磁気異方性軸の方向を向き、ＡＦモードとならないと考えられる従って、ＡＦモードの安定した発振を得るには、垂直自由層において、材料に起因する磁気異方性磁界と膜面垂直方向の実効反磁界が逆方向で、ほぼ拮抗する必要がある。ＨkpからＨdp-effを引いた値は、−２５０ｋＡ／ｍから４００ｋＡ／ｍの間に入っている必要がある。前記範囲内で、Ｈkp＞Ｈdp-effの場合、より高い発振周波数がえられる。ただし、ＳＴＯ駆動電流投入後、書き込み状態に入る前に、垂直自由層磁化が面直方向から面内に倒れるまでの１〜２ｎ秒間程度の慣らし発振が必要である。Ｈkp＜Ｈdp-effの場合、ＳＴＯ駆動電流投入後、速やかに書き込み状態に入ることができる。
【００３６】
図７Ｃは、垂直自由層として幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ３ｎｍで飽和磁束密度が１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが１．１２ＭＡ／ｍのＳＴＯについて、図７Ａ、図７Ｂの電流量を０．４ＴＡ/ｍ2として電流量が０．１と１．６の場合の発振周波数の外部磁界依存性を示したものである。
【００３７】
各電流条件で、外部磁界Ｈextを強く印加するほど発振周波数が大きくなっている。外部磁界Ｈextが一定の条件ではＳＴＯが発振する限り電流値は小さいほうが高い発振周波数が得られるが、電流値は大きいほどより高い発振周波数が得られる。ＳＴＯへ流せる電流を多くし、ＳＴＯへ印加する外部（ギャップ）磁界を高め、これらに相応して発振するようなできるだけ大きな垂直磁気異方性Ｈkpを持つ垂直自由層を用いることにより、最も高い発振周波数が得られる。ＡＦモード発振を利用する本発明のＳＴＯでは、面内自由層磁化がほぼ面内にあるため、外部（ギャップ）磁界と電流値の組み合わせに対して、適当な垂直自由層磁化と垂直磁気異方性を設定することにより、記録媒体の磁化反転に最適な回転（振動）数で高周波出力（磁界）を最大にすることが可能性である。本発明のＳＴＯは、主磁極と補助磁極の間に設置することを想定しており、外部（ギャップ）磁界を強めるには、主磁極と補助磁極の間の距離を縮めるのが有効である。
【００３８】
図７Ｄは、種々条件における、ＡＦモード発振状態での面内自由層の面内磁化成分Ｍh-xyを材料に起因する垂直磁気異方性磁界Ｈkhから実効反磁界Ｈdh-effを引いた値の関数として示したものである。図は、Ｈhkを変えており、(Ｃｏ/Ｆｅ)ｎ多層膜のような負の磁気異方性材料を用いる場合を想定して、負値のＨhkがとれるものとした。垂直磁気異方性のＨhkが負値ということは、磁化容易面型の磁気異方性となっていることを意味する。図では、Ｍh-xyを面内自由層の飽和磁化Ｍshで規格化しており、Ｍh-xy/Ｍshでの値が１．０であれば、面内自由層磁化が面内にあることを意味し、高周波磁界強度が最大となっていることを示している。
【００３９】
図７Ｄより、種々条件においてもＨkh-Ｈdh-effの値が−２００ｋＡ／ｍより小さければ、最大の高周波磁界強度が得られることが分かった。このことから、磁化容易面を有する負の垂直磁気異方性材料ＣｏＩｒ合金、ＣｏＦｅＩｒ合金、(Ｃｏ/Ｆｅ)ｎ多層膜の面内自由層への適用は、トラック幅が狭くて実効反磁界が小さくなる高トラック密度対応ヘッドにおいて特に有効である。以上より、面内自由層は、膜面に垂直方向の材料に起因する磁気異方性磁界に比べて実効反磁界が優勢、すなわち、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜とする必要があることが判明した。
【００４０】
図８Ａ〜８Ｄは、ＡＦモード（本発明のＳＴＯ）の外部磁界反転時における垂直自由層磁化と面内自由層磁化の時間変化を示したものである。図７Ｂ最上段の条件のうち垂直自由層の垂直磁気異方性Ｈkpが９６０ｋＡ／ｍ（Ｈkp−Ｈdp-eff＝−１３０ｋＡ／ｍ）を用いた。外部磁界Ｈextの大きさは４８０ｋＡ／ｍ、ＳＴＯ駆動電流は０．３ＴＡ/ｍ2である。図８Ａは、ｔ＝５ｎ秒にて極性がマイナスｚ方向からプラスｚ方向に反転する外部磁界の時間プロファイルを示したもので、反転開始から反転完了まで約０．２ｎ秒となる双曲線正割関数（tanh）を用いた。図８Ｂは垂直自由層の磁化反転（ｚ成分）、図８Ｃは面内自由層磁化の反転（ｚ成分）、図８Ｄはｚ方向を軸とする面内自由層磁化の回転（ｘ成分）を示した。
【００４１】
図８Ａ、図８Ｂより、垂直自由層磁化は、外部磁界の反転開始と同時に回転が始まり、外部磁界の反転完了と同時に回転が完了している。図８Ｂ、図８Ｃより、垂直自由層磁化が反転する間、面内自由層磁化は出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）からほとんどずれていない。したがって、外部磁界の反転開始から安定発振状態に至るまでに必要な時間は、外部磁界の反転に要した約０．２ｎ秒だけである。このように、垂直自由層磁化と面内自由層磁化がほぼ反平行保ったまま、状態が切り替わっており、高速切り替えが可能であることがわかった。図８Ｄに見られるこの間のＭvxの挙動は、面内自由層磁化の面内回転速度が遅くなり回転方向が入れ替わっている状況を反映しているものと考えられる。これは、図７Ａ、図７Ｃの外部磁界に対する発振周波数の挙動と矛盾しない。磁気記録媒体の磁化反転時には反転途中の磁性粒子の磁気共鳴周波数は低下するので、本発明のＳＴＯを用いることにより、外部（書込み）磁界の反転時に磁化反転途中の磁性粒子の反転を効率よくマイクロ波アシストすることが可能となる。
【００４２】
ＡＦモードの高周波応答特性ポテンシャルを、詳しく調べるため、図８と同じ条件にて、図９Ａに示す外部磁界の反転時間が０．１ｎ秒以下の高速反転の時間変化を与えた。外部磁界の印加方向はｚ方向である。図９Ｂは、これに対する垂直自由層磁化ｚ成分の時間変化を示したものであり、図９Ｃは面内自由層磁化ｚ成分の時間変化を示したものである。
【００４３】
図９Ｂから、垂直自由層磁化は、１ｎ秒以降、完全に外部磁界に追従して磁化が反転していることがわかる。また、図９Ｃに示されているように、面内自由層磁化も、１ｎ秒以降、出力磁界が最大となる安定発振位置（Ｍvz＝０）からほとんどずれていない。なお、１ｎ秒以前の垂直自由層磁化と面内自由層磁化の挙動は、良好なＡＦ発振状態から大きく外れた状態を計算の初期状態としたためであり、いったんＡＦモード発振状態になれば十分な高速反転特性が得られると考えられる。長時間の休止後、ＡＦモード発振状態にてアシスト記録を行う場合には、１−２ｎ秒程度の慣らし駆動が必要と考えられる。
【００４４】
図１０Ａ〜１０Ｃは、図９Ａ〜９Ｃの３ｎ秒近くの外部磁界の切り替え時の磁化挙動の様子を、更に拡大してみたものである。図１０Ａは図９Ａに、図１０Ｂは図９Ｂに、図１０Ｃは図９Ｃにそれぞれ対応する。図１０Ｂに示すように、垂直自由層磁化は、外部磁界の反転後、直ちに反転を開始し、０．１ｎ秒程度で反転を完了している。この間、図１０Ｃに示すように、面内自由層磁化は、安定発振位置からのずれが僅かにみられている。
【００４５】
図１０Ｄは、図１０Ｂ及び図１０Ｃの２．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示したものである。また、図１０Ｅは、図１０Ｂ及び図１０Ｃの３．５ｎ秒における垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向を示したものである。角度θとφの定義は、図４Ｄと同じである。２．５ｎ秒の時点と３．５ｎ秒の時点では、回転方向が逆向きになっており、垂直自由層磁化及び面内自由層磁化の回転方向が外部磁界に応じて確実に切り替わっていることが確認できる。
【００４６】
ＡＦモード発振状態のＳＴＯから発生する高周波磁界によるマイクロ波アシスト磁化反転の効果を検討するため、有効高周波磁界成分Ｈhf-effを求める。高周波磁界は、垂直自由層と面内自由層の底面（上底面も含む）及び側面からの磁界を足し合わせることになる。底面からの磁界と側面からの磁界とは、トラックセンター上を除き、一般には直交しない。この点を考慮して、ＦＧＬから発生されるマイクロ波アシスト反転に有効な高周波磁界成分Ｈhf-effを求める必要がある。高周波磁界Ｈhfは、図１１に示すように、位相が互いに９０度ずれている底面からの磁界Ｈbと側面からの磁界Ｈsとの合成磁界と考えられるので、次式(1)のように表される。
【００４７】
【数２】
【００４８】
ここで、アシストに有効な磁界成分は、媒体面内に平行と近似して、式(3)を得る。
【数３】
【００４９】
式(3)を式(2)に代入すると、次式(4)が得られる。
【数４】
【００５０】
さらに、マイクロ波アシスト磁化反転に作用する反時計まわり成分のみを考慮し、exp(−ｉωｔ)項を無視すると、式(5)のようになる。Ｈの添え字ｈ，ｐは、それぞれ、面内自由層、垂直自由層を意味するものとする。
【００５１】
【数５】
【００５２】
図１２Ａ、図１２Ｂから図１５Ａ、図１５Ｂは、ＡＦモードによる有効高周波磁界成分Ｈhf-effが書込み特性に与える影響を調べたものである。いずれの場合にも、ＳＴＯ駆動電流は面内自由層２側から垂直自由層１側に流される。本検討では、主磁極５から、一例として２０ｎｍ離して面内自由層２又は垂直自由層１を設置したが、本発明の効果は、この値にとらわれることなく得られるものである。同様に、面内自由層２と垂直自由層１と間の非磁性スピン伝導体用の間隙を３ｎｍとしているが、この値を用いなくても本発明の効果が期待できる。図のグラフは、記録媒体に書込み磁界が印加される際、まず主磁極５からの磁界、続いてＳＴＯからの高周波磁界が媒体に印加されることを想定し、ＳＴＯ側のＨhf-effの変化をＳＴＯ側の主磁極端からの距離に対して示している。書込み点は、Ｈhf-effの最も高いピークの半値点のうち、主磁極から離れている方とした。主磁極極性が反転する際、書込み点に磁化遷移領域が形成される。
【００５３】
図１２Ａは、主磁極５と反対側に面内自由層２と同じ厚さの垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１と面内自由層２の厚さは、いずれも１５ｎｍとした。面内自由層の飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と面内自由層２の間の距離は２０ｎｍである。図１２Ｂは、図１２Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。比較のために、面内自由層単独（従来ＳＴＯのＦＧＬ）によるＨhf-effをＢsp＝０として破線で示した。
【００５４】
Ｈhf-effのピークを、主磁極側から第１ピーク、第２ピークのように名付けるものとする。垂直自由層の飽和磁束密度Ｂspの増加に従って、第２ピークは、第１ピークより大きくなるので書込み点が主磁極から離れる（２５ｎｍ⇒５０ｎｍ）問題があるが、実効高周波磁界ピーク値は、Ｂsp＝２．４Ｔの場合、従来ＳＴＯの１．３倍になる。従って、本実施例のＳＴＯは、主磁極から離れた位置にも磁界の影響を及ぼすことができるヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５５】
図１３Ａは、主磁極５と反対側に面内自由層より薄い垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１の厚さは５ｎｍとした。面内自由層２の厚さは１５ｎｍ、飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と面内自由層２の間の距離は２０ｎｍである。図１３Ｂは、図１３Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。垂直自由層のＢs増加に従って、第２ピークが大きくなって主磁極側に寄るため、分離特性の悪化（第２ピークによる磁化の再反転）が懸念されるが、第１ピークの書込み点が主磁極に近くなる利点がある。従って、本実施例のＳＴＯは、磁界勾配の高いヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５６】
図１４Ａは、主磁極５と面内自由層２との間に、面内自由層と同じ厚さの垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。垂直自由層１と面内自由層２の厚さは、ともに１５ｎｍとした。面内自由層２の飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。主磁極５と垂直自由層１の間の距離は２０ｎｍである。図１４Ｂは、図１４Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。書込み点が主磁極から離れるが、書込み磁界ピークを押し上げ（Ｂsp＝２．４Ｔの場合、従来ＳＴＯの１．３倍）、第３ピークを小さくする効果がある。従って、本実施例のＳＴＯは、主磁極から離れた位置にも磁界の影響を及ぼすことができるヘッド（主磁極）と組み合わせるのがよい。
【００５７】
図１５Ａは、主磁極５と面内自由層２との間に、面内自由層２より薄い垂直自由層１を配置したＳＴＯの実施例を示す概略構成図である。面内自由層２の厚さは１５ｎｍ、飽和磁束密度Ｂsは２．３Ｔとした。垂直自由層１の厚さは５ｎｍとした。主磁極５と垂直自由層１間の距離は２０ｎｍである。図１５Ｂは、図１５Ａに示した配置において、垂直自由層１の飽和磁束密度が１．２Ｔ及び２．４Ｔの場合の、Ｈhf-effの主磁極端からの距離依存性を示している。主磁極側の垂直自由層が薄い場合、書込み磁界ピークを押し上げる効果は大きくないが、書込み点のずれは垂直自由層の磁化にほとんど依存しない。従って、本実施例のＳＴＯは、従来ＳＴＯと同等の書込み特性で、高速なデータ伝送が可能となる。
【００５８】
図１６Ａ〜１６Ｃは、電流を面内自由層側から垂直自由層側に流した時のＡＦモード発振周波数の外部磁界依存性を示した図である。面内自由層には幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍ×厚さ１２ｎｍで飽和磁束密度が２．３Ｔの軟磁性体を用い、垂直自由層には飽和磁束密度Ｂspが１．５Ｔ、垂直磁気異方性Ｈkpが０．９６ＭＡ／ｍ（１２ｋＯｅ）、幅４０ｎｍ×高さ４０ｎｍで、厚さを６ｎｍ，３ｎｍ，１．５ｎｍと変えた磁性体を用いた。垂直自由層の膜厚によって発振特性が大きく変わらないように電流値を変えたところ、膜厚にほぼ反比例して、電流値が小さくなることが分かった。このことから、ＡＦモード発振に必要な電流値は、Ｔモード発振する従来ＳＴＯと異なり、主に垂直自由層の膜厚によって決定されていると考えられる。従って、ＡＦモード発振するＳＴＯでは、必要な駆動電流値を大きく増やさずに、強い高周波磁界が得られる厚い面内自由層が適用可能となる。
【００５９】
図１３Ａ、図１５Ａに示したＳＴＯ構造と組み合わせることにより、省電力化、発振周波数の向上が期待できる。面内自由層として負の磁気異方性を有する磁性体を用いると、さらに安定な発振特性が得られる。また、主磁極と面内自由層との間に垂直自由層を配置した場合は、垂直自由層の磁化や厚さによって書込み点が大きく変化しないため設計の自由度が高くなる利点がある。
【００６０】
以上より、磁化反転磁界を発生させる主磁極近傍にスピントルク発振素子を配置し、スピントルク発振素子より高周波磁界を発生させて記録媒体を磁気共鳴状態・磁化反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、スピントルク発振素子に膜面垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層を備え、面内自由層側から垂直自由層側にほぼ一定の電流を流すことにより、高速の磁化反転特性が得られることが分かった。さらに、垂直自由層を、面内自由層より薄くすることにより、省電力化、発振周波数の向上が期待でき、高記録密度化できることが分かった。また、垂直自由層を面内自由層より主磁極側に設置することにより、設計の自由度が高くなることが分かった。本発明のＳＴＯは、従来ＳＴＯのように発振時に垂直自由層が強く固定されている必要が無いため、比較的小さな垂直磁気異方性を有する材料を用いることが可能となる。この場合、ダンピング定数の小さな磁性体を用いることにより、発振に必要な電流を小さくすることができ、エレクトロンマイグレーション等による材料磁性変化・素子特性劣化を抑制することができる。一方、面内自由層磁化がほぼ面内で回転するため、強くて安定した高周波磁界が得られる。これらのことから、記録密度が１平方インチあたり１Ｔビットを超えるマイクロ波アシスト記録を適用した情報記録装置がおいて、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現できることが分かった。
【００６１】
なお、特開２００８−２７７５８６号公報及び特開２００８−３０５４８６号公報に示された、非磁性層で分けられた等価な２層の自由層の磁化を略反平行に結合させた状態で回転させ、ＡＢＳ端面に出る、等量の正負の磁化間の磁界が媒体面内で高周波直線振動する技術は、１）スピン偏極層（固定層）が必要、２）固定層側からＦＧＬ側に通電（本発明のＳＴＯとは電流方向が逆）３）対となる自由回転層の厚さがほぼ等しい、４）自由回転層に垂直磁気異方性を付与していない等の点で本発明とは異なり、本発明とは無関係である。
【００６２】
以下、本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。
図１７は、本発明の一実施例の磁気記録ヘッドを記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左又は右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した断面模式図である。図には、媒体の断面も示した。
【００６３】
記録ヘッド２００は、主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成している。ただし、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。また、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、磁気回路を形成してもよい。この場合には、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。更に、磁気記録ヘッド２００には、これらの磁気回路を励磁するためのコイル、銅線等が具備されているものとする。主磁極５と対向磁極６の間には、本発明のＳＴＯ２０１が形成されている。主磁極５と対向磁極６には、電極又は電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆のＳＴＯ駆動電流が面内自由層２を通して流せるように構成されている。主磁極５と対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体７には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として磁気異方性磁界が１．６ＭＡ／ｍ（２０ｋＯｅ）、膜厚１０ｎｍのＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ層を用いた。
【００６４】
主磁極５に隣接して層状に、非磁性スピン散乱層８、垂直自由層１、非磁性スピン伝導層３、面内自由層２、第２の非磁性スピン散乱層９からなるＳＴＯ２０１が形成され、対向磁極６にいたる。なお、非磁性スピン散乱層８から第２の非磁性スピン散乱層９までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形をしている。当該長方形形状とすることにより、トラック幅方向に形状異方性が生じるため、主磁極からの漏れ磁界の面内自由層２の面内成分があっても面内自由層２の面内磁化回転を円滑に行わせることが可能となり、主磁極５と面内自由層２を近づけることができる。ただし、主磁極からの漏れ磁界が少ない場合には、当該断面形状が正方形であってもなんら問題はない。これらの断面形状のＡＢＳ面に沿った辺の長さｗは、記録トラック幅を決定する重要な因子であり、本実施例では４０ｎｍとした。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界と垂直自由層１、面内自由層２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになるため、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅８０ｍ、厚さ１００ｎｍとすることで、約０．９ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。
【００６５】
垂直自由層１には、５ｎｍ−（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜を用いた。本実施例のＳＴＯに印加される磁界は、主磁極５端面から対向磁極６端面までの長さが４０ｎｍ、面内自由層２の高さが３８ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約０．８ＭＡ／ｍ（１０ｋＯｅ）である。面内自由層２は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどない厚さ１５ｎｍのＣｏＦｅ合金とした。面内自由層２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面及び、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。面内自由層２に（Ｃｏ／Ｆｅ）n多層膜等の負の垂直磁気異方性を有する飽和磁化が大きな材料を用いてもよい。この場合、面内自由層磁化の面内回転が安定化する。
【００６６】
本実施例のＳＴＯ２０１は、垂直自由層１が主磁極５と面内自由層２の間にあるため、ＡＦモードのスピントルク発振を得るために対向磁極６側から主磁極５側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、面内自由層２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、面内自由層２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、面内自由層２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性によってスピントルクの向きが変わらない特許文献１の高周波磁界発生器では得られない。
【００６７】
スピントルク作用は、ＳＴＯ駆動電流が大きくなるほど大きくなり、また、非磁性スピン伝導層３と隣接する層との間に分極率の大きなＣｏやＣｏＦｅＢ層を１ｎｍ程度挿入すると大きくなる。非磁性スピン伝導層３には、２ｎｍ−Ｃｕを用いた。非磁性スピン散乱層８，９には、３ｎｍ−Ｒｕを用いた。ＰｄやＰｔを用いても同様な作用がある。非磁性スピン散乱層８，９は、スピン情報を散乱させることにより、ＳＴＯと主磁極５や対向磁極６とのスピントルクを介した相互作用が発生しないようにする作用がある。非磁性スピン散乱層８，９がない場合には、ＳＴＯの発振が安定しないことがある。なお、これまでのシミュレーションや図１２〜１５の実施例では、非磁性スピン伝導層３や非磁性スピン散乱層８，９を考慮していないが、非磁性なのでＳＴＯとは磁気的に相互作用せず、ナノメートルオーダーの構造物であるので発生する高周波磁界への影響もほとんどないと考えられる。
【００６８】
図１８は、図１７に示した試作ヘッドのうち、主磁極５、非磁性スピン散乱層８、９と対向磁極６を取り除き、ＳＴＯのみの発振周波数と外部磁界との関係を測定した結果を示す図である。垂直自由層には４０ｎｍ×４０ｎｍ×５ｎｍ、Ｈkp＝１２８０ｋＡ／ｍ（１６ｋＯｅ）、Ｂs＝１．２Ｔ、（Ｃｏ／Ｐｔ）n多層膜用いた（Ｈkp-Ｈdp-eff＝２８０ｋＡ／ｍ）。ＡＦモードでは、発振周波数は、ほぼ印加した外部磁界に比例して増加していることがわかる。垂直自由層の膜厚を１０ｎｍ（Ｈkp-Ｈdp-eff＝４７０ｋＡ／ｍ）、１５ｎｍ（Ｈkp-Ｈdp-eff＝６５０ｋＡ／ｍ）とした場合、あるいは、大きな垂直磁気異方性Ｈkp＝１４４０ｋＡ／ｍ（１８ｋＯｅ、Ｈkp-Ｈdp-eff＝４４０ｋＡ／ｍ）とした場合には発振しなかった。十分な反磁界が得られなかったためと考えられる。また、（Ｃｏ／Ｐｄ）n多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）n多層膜を垂直自由層に用いた場合には、厚さｔpを５ｎｍから１５ｎｍの範囲で変えても発振しなかった。垂直磁気異方性が飽和磁化に比べて大き過ぎ、薄くしても十分な反磁界が得られなかったためと考えられる。本実施例のように、本発明のスピントルクオシレータ（ＳＴＯ）に磁性体を近接させることなく、外部より磁界を印加してＡＦモード発振するＳＴＯを用いる場合には、主磁極５、非磁性スピン散乱層８，９と対向磁極６は不要となる。
【００６９】
図１９の概略図に示すように、本発明のＳＴＯ２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載の磁気ヘッドスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。
【００７０】
記録再生部１０９は、記録ヘッド部と再生ヘッド部により構成されている。図中の拡大図に示すように、記録ヘッド部は、補助磁極２０６、主磁極５と対向磁極６との間に配置されたＳＴＯ２０１、主磁極を励磁するコイル２０５等により構成される。再生ヘッド部は、下部シールド２０８と上部シールド２１０の間に配置された再生センサ２０７等により構成される。補助磁極２０６と上部シールド２１０は兼用される場合もある。記録再生部１０９の各構成要素の駆動電流は配線１０８によって給電され、端子１１０によって各構成要素に供給される。拡大図には、ＳＴＯ２０１に電流を流すための電源２０２を模式的に示したが、実際には電源２０２はスライダ１０２の外部に設置され、電源２０２によるＳＴＯ駆動電流は配線１０８を介してＳＴＯ２０１に供給される。
【００７１】
ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング７ｎｍ、トラックピッチ５０ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１５ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。ＳＴＯ駆動電圧を変化させて、５１２ＭＨｚで１３００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、ＳＴＯ駆動電圧１５０ｍＶのときに、最大１３．１ｄＢが得られた。また、１０２４ＭＨｚで２６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、最大８．０ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、３０ＧＨｚであった。同程度のＦＧＬ（面内自由層）厚さと発振周波数とが得られるＴモード発振の従来構造ＳＴＯを用いた場合には、ヘッド媒体相対速度が１０ｍ／ｓの時はほぼ同等の結果が得られたが、２０ｍ／ｓでは、２６００ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比が、最大３．０ｄＢと大きく劣化した。Ｔモード発振に最適化した従来構造ＳＴＯは、ＳＴＯ駆動電流を逆転させても、固定層（垂直自由層）が厚いので反磁界が不十分で垂直磁気異方性磁界に拮抗させることができず、ＡＦモード発振とならない。
【００７２】
図２０は、本発明の一実施例のＳＴＯから後退する主磁極５を有する磁気記録ヘッドを記録媒体面に垂直（図中の上下方向）かつヘッド走行方向（図中の左又は右方向であるトラック方向）に平行な面で切断した断面模式図である。図には、媒体の断面も示した。主磁極５をＳＴＯから後退させることにより、主磁極５よりＳＴＯ積層面に入る磁界成分を低減することができ、ＳＴＯの確実な動作が見込まれる。
【００７３】
記録ヘッド２００は、主磁極５と対向磁極６との間で、図面上方にて磁気的な回路を構成している。ただし、図面上方においては電気的にはほぼ絶縁されているものとする。磁気的な回路は、磁力線が閉路を形成するものであり、磁性体のみで形成されている必要はない。また、主磁極５の対向磁極６と反対側に補助磁極等を配置し、磁気回路を形成してもよい。この場合には、主磁極５と補助磁極との間は電気的に絶縁されている必要はない。更に、磁気記録ヘッド２００には、これらの磁気回路を励磁するためのコイル、銅線等が具備されているものとする。主磁極５と対向磁極６の間には、主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３を介して本発明のＳＴＯ２０１が形成されている。主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３は、ＳＴＯ２０１の積層面にできるだけ強い磁界が垂直に入るように設計されている。特に対向磁極磁界整流層１３は、絞込み（ＳＴＯ２０１側の断面に比べて対向磁極６側の断面が広い）構造を有するのが良い。主磁極５と対向磁極６には、電極又は電極に電気的に接触する手段が備わっており、主磁極５側から対向磁極６側、あるいはその逆のＳＴＯ駆動電流が面内自由層２を通して流せるように構成されている。主磁極５、主磁極側磁界整流層１２、対向磁極磁界整流層１３、対向磁極６の材料は、飽和磁化が大きく、結晶磁気異方性がほとんどないＣｏＦｅ合金とした。記録媒体７には、基板１９上に、下地層２０として３０ｎｍ−ＣｏＦｅ上に１０ｎｍ−Ｒｕ層を形成した積層膜、記録層１６として、７ｎｍ−記録保持層２４、５ｎｍ−伝達層２３、３ｎｍ−共鳴層２２を有する１平方インチあたり５Ｔビット相当（トラックピッチ１５ｎｍ、ビットピッチ７ｎｍ）のパタン媒体を用いた。記録保持層２４はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝２．４ＭＡ／ｍ）、伝達層２３はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝２．０ＭＡ／ｍ）、共鳴層２２はＣｏＣｒＰｔ（Ｈｋ＝１．６ＭＡ／ｍ）、ビット間隙２１にはＳｉＯｘを埋めた。
【００７４】
主磁極５、主磁極側磁界整流層１２に隣接して層状に、非磁性スピン散乱層８、面内自由層２、非磁性スピン伝導層３、垂直自由層１、第２の非磁性スピン散乱層９からなるＳＴＯ２０１が形成され、対向磁極磁界整流層１３を経て対向磁極６にいたる。なお、非磁性スピン散乱層８から第２の非磁性スピン散乱層９までは、図面左右方向に伸びる柱状構造で、断面が一辺１５ｎｍの正方形をしている。断面形状がＡＢＳ面に沿った方向が長い長方形正方形であってもよい。マイクロ波アシスト記録においては、主磁極５からの記録磁界と垂直自由層１、面内自由層２からの高周波磁界とが揃わないと記録できないような磁気異方性の大きい記録媒体を用いることになるため、主磁極５の幅と厚さ（ヘッド走行方向の長さ）は、記録磁界が大きく取れるよう大きめに設定することが可能である。本実施例では、幅４０ｍ、厚さ７０ｎｍとすることで、約０．７ＭＡ／ｍの記録磁界が得られている。
【００７５】
面内自由層２には、飽和磁化が大きく、負の垂直磁気異方性を有する磁化容易面型の（Ｃｏ/Ｆｅ）ｎ多層膜を１５ｎｍ積層した。垂直自由層１には、１．５ｎｍのＣｏＣｒ合金（Ｈkp＝４８０ｋＡ／ｍ，Ｂs＝０．７５Ｔ）を用いた。垂直自由層１にＣｏＣｒＰｔ合金を用いてもよい。ＣｏＣｒ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金は、（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜に比べてダンピング定数が半分程度のため、発振に必要な電流を小さくすることができ、エレクトロンマイグレーション等による材料磁性変化・素子特性劣化を抑制することができる。面内自由層２と非磁性スピン伝導層３の間に薄いＣｏ層を入れると、さらに、発振に必要な電流を低減できる。本実施例のＳＴＯに印加される磁界は、主磁極側磁界整流層１２端面から対向磁極磁界整流層１３端面までの長さが２５ｎｍ、面内自由層２の高さが１５ｎｍとしたので、３Ｄ磁界解析ソフトを用いて解析したところ、約１．２ＭＡ／ｍ（１５ｋＯｅ）である。面内自由層２では、層に沿った面内で磁化が高速回転し、ＡＢＳ面及び、側面に出現する磁極からの漏れ磁界が、高周波磁界として作用する。
【００７６】
本実施例のＳＴＯ２０１は、面内自由層２が主磁極５と垂直自由層１の間にあるため、ＡＦモードのスピントルク発振を得るために主磁極５側から対向磁極６側へＳＴＯ駆動（直流）電流を流す必要がある。主磁極５側から磁束が流入する場合に、面内自由層２の磁化の回転方向はＳＴＯ駆動（直流）電流の上流側から見て反時計周りとなっており、主磁極５からの磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。主磁極５へ磁界が流入する場合には、面内自由層２の磁化の回転方向は高周波駆動（直流）電流の上流側から見て時計周りとなり、主磁極５への磁界で反転する記録媒体の磁化の歳差運動方向と同じ向きの回転磁界を印加することができる。したがって、面内自由層２から生じる回転高周波磁界は、主磁極５の極性に依らず、主磁極５による磁化反転をアシストする効果がある。本効果は、主磁極５の極性によってスピントルクの向きが変わらない特許文献１の高周波磁界発生器では得られない。
【００７７】
図１９の概略図に示すように、本発明のＳＴＯ２０１を組み込んだ記録再生部１０９搭載の磁気ヘッドスライダ１０２をサスペンション１０６に取り付け、スピンスタンドを用いて記録再生特性を調べた。ヘッド媒体相対速度２０ｍ／ｓ、磁気スペーシング６ｎｍ、トラックピッチ１５ｎｍとして磁気記録を行い、さらにこれをシールド間隔１３ｎｍのＧＭＲヘッドにより再生した。ＳＴＯ駆動電圧を変化させて、７１４ＭＨｚで１８１５ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、ＳＴＯ駆動電圧８０ｍＶのときに、最大１４．２ｄＢが得られた。また、１４２８ＭＨｚで３６３０ｋＦＣＩの信号を記録した場合の信号／ノイズ比は、最大８．５ｄＢであった。このことから、１平方インチあたり５Ｔビットを超える記録密度において、２Ｇｂｉｔ／ｓを超える情報転送速度を実現することが可能であることがわかった。このときの高周波磁界の周波数は、４０ＧＨｚであった。面内自由層２にＣｏＦｅ合金を用いた場合には、十分な信号／ノイズ比が得られなかった。本実施例の面内自由層２は立方体であるため、面内磁化回転を誘導するための負の垂直磁気異方性の導入が必要であった。
【００７８】
図２１Ａ及び図２１Ｂを用いて、磁気ヘッド走行方向と記録媒体との配置関係について説明する。磁気ヘッドの磁気ヘッドスライダへの載置形態は２種類あり、１つは図２１Ａに示すトレーリング側への配置、もう１つは図２１Ｂに示すリーディング側への配置である。ここで、トレーリング側、リーディング側は、記録媒体に対する磁気ヘッドスライダの相対的な移動方向によって決まり、記録媒体の回転方向が図示した向きとは逆であれば、図２１Ａがリーディング側への載置、図２１Ｂがトレーリング側への載置となる。なお原理的には、スピンドルモータの極性を逆にして記録媒体を逆向きに回転させれば、トレーリング側とリーディング側の関係を逆にすることが可能であるが、回転数を正確に制御する必要上、スピンドルモータの極性を変えるのは非現実的である。本発明の垂直自由層に（Ｃｏ／Ｎｉ）nを用いたマイクロ波アシスト記録用ヘッドを用いた場合には、図２１Ａ、図２１Ｂのどちらの配置を用いても、１平方インチあたり１Ｔビットを超える記録密度の記録再生に十分な信号／ノイズ比とオーバーライト特性が得られた。
【００７９】
図２２Ａ及び図２２Ｂは、本発明による磁気記録装置の全体構成を示す模式図であり、図２２Ａは上面図、図２２ＢはそのＡ−Ａ′断面図である。記録媒体１０１は回転軸受け１０４に固定され、モータ１００により回転する。図２２Ｂには、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。記録媒体１０１は、円盤状をしており、その両面に記録層を形成している。スライダ１０２は、回転する記録媒体面上を略半径方向に移動し、先端部に記録再生部を有する。記録再生部は、例えば図１９に示したような構造を有し、記録部には主磁極と本発明のＳＴＯが設けられている。
【００８０】
サスペンション１０６は、アーム１０５を介してロータリアクチユエータ１０３に支持される。サスペンション１０６は、スライダ１０２を記録媒体１０１に所定の荷重で押しつける又は引き離そうとする機能を有する。磁気ヘッドの各構成要素を駆動するための電流はＩＣアンプ１１３から配線１０８を介して供給される。記録ヘッド部に供給される記録信号や再生ヘッド部から検出される再生信号の処理は、図２２Ｂに示されたリードライト用のチャネルＩＣ１１２により実行される。また、磁気記録装置全体の制御動作は、メモリ１１１に格納されたディスクコントロール用プログラムをプロセッサ１１０が実行することにより実現される。従って、本実施例の場合には、プロセッサ１１５とメモリ１１１とがいわゆるディスクコントローラを構成する。
【００８１】
以上説明した記録ヘッドと記録媒体（（Ｃｏ／Ｎｉ）n多層膜垂直自由層ＳＴＯとＣｏＣｒＰｔ−ＳｉＯｘ媒体、及び、ＣｏＣｒ合金垂直自由層ＳＴＯとビットパタン媒体）を図２２に示す磁気ディスク装置（２枚の２．５インチ磁気ディスクの各面に記録）に組み込んで性能評価を行ったところ、それぞれ、記録容量２Ｔバイト（１平方インチあたり１Ｔビット）で情報転送速度２．０Ｇｂｉｔ／ｓ、及び、記録容量１０Ｔバイト（１平方インチあたり５Ｔビット）で情報転送速度２．８Ｇｂｉｔ／ｓの高周波回転磁界を利用した情報記録再生装置が得られた。記録ヘッドと記録媒体の組み合わせは、本実施例に限るものではなく、本発明の記録ヘッドを他の記録媒体と組み合わせてもよい。シングルドライと（瓦書き）記録方式を併用すれば、さらに大容量の情報記録再生装置が得られる。また、ＣｏＣｒ合金垂直自由層ＳＴＯ搭載の記録ヘッドは、消費電力の低減ができる。
【００８２】
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】
【００８３】
ｌ 垂直自由層
２ 面内自由層
３ 非磁性スピン伝導層
５ 主磁極
６ 対向磁極
７ 磁気記録媒体
８ 非磁性スピン散乱層
９ 非磁性スピン散乱層
１２ 主磁極側磁界整流層
１３ 対向磁極磁界整流層
１６ 記録層
１９ 基板
２０ 下地層
２１ ビット間隙
２２ 共鳴層
２３ 伝達層
２４ 記録保持層
３１ 固定層
３２ ＦＧＬ
１００ モータ
１０１ 記録媒体
１０２ 磁気ヘッドスライダ
１０３ ロータリアクチユエータ
１０４ 回転軸受け
１０５ アーム
１０６ サスペンション
１０８ 配線
１０９ 記録再生部
１１０ 端子
１１１ メモリ
１１２ チャネルＩＣ
１１３ ＩＣアンプ
１１５ プロセッサ
２００ 記録ヘッド
２０１ ＳＴＯ
２０２ 電源
２０５ コイル
２０６ 補助磁極
２０７ 再生センサ
２０８ 下部シールド
２１０ 上部シールド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主磁極と、前記主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、前記主磁極から磁化反転磁界を発生させると共に前記スピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層とを備え、前記面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、前記面内自由層より膜厚が薄いことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、材料に起因する磁気異方性磁界の大きさと前記垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界が逆方向でほぼ拮抗することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、前記面内自由層より前記主磁極側に設置されていることを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項５】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録再生動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所望トラックに位置付けるヘッド駆動部とを備える磁気記録装置において、
前記磁気ヘッドは、記録ヘッドと再生ヘッドを備え、前記記録ヘッドは、主磁極と、前記主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、前記主磁極から磁化反転磁界を発生させると共に前記スピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて前記磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層とを備え、前記面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すことを特徴とする磁気記録装置。
【請求項１】
主磁極と、前記主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、前記主磁極から磁化反転磁界を発生させると共に前記スピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層とを備え、前記面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、前記面内自由層より膜厚が薄いことを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、材料に起因する磁気異方性磁界の大きさと前記垂直自由層の膜面垂直方向の実効反磁界が逆方向でほぼ拮抗することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項４】
請求項１に記載の磁気記録ヘッドにおいて、前記垂直自由層は、前記面内自由層より前記主磁極側に設置されていることを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項５】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体を駆動する媒体駆動部と、前記磁気記録媒体に対して記録再生動作を行う磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを前記磁気記録媒体の所望トラックに位置付けるヘッド駆動部とを備える磁気記録装置において、
前記磁気ヘッドは、記録ヘッドと再生ヘッドを備え、前記記録ヘッドは、主磁極と、前記主磁極の近傍に配置されたスピントルク発振素子とを有し、前記主磁極から磁化反転磁界を発生させると共に前記スピントルク発振素子から高周波磁界を発生させて前記磁気記録媒体の磁化を反転せしめることにより情報を記録する磁気記録ヘッドにおいて、
前記スピントルク発振素子は、膜面に垂直方向に磁気異方性軸を有する磁性膜からなる垂直自由層と、実効的に膜面に磁化容易面を有する磁性膜からなる面内自由層とを備え、前記面内自由層側から前記垂直自由層側に電流を流すことを特徴とする磁気記録装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ−Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ−Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ−Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ−Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ−Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図７Ｄ】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ−Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１１】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６Ａ】
【図１６Ｂ】
【図１６Ｃ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【公開番号】特開２０１３−６５３８５（Ｐ２０１３−６５３８５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４８４３（Ｐ２０１１−２０４８４３）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【特許番号】特許第５１７２００４号（Ｐ５１７２００４）
【特許公報発行日】平成２５年３月２７日（２０１３．３．２７）
【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）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） 委託事業、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４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【特許番号】特許第５１７２００４号（Ｐ５１７２００４）
【特許公報発行日】平成２５年３月２７日（２０１３．３．２７）
【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）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） 委託事業、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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