磁界センサ
【課題】 調整可能なグラフェンを用いた磁界センサを提供する。
【解決手段】 グラフェンセンス層を採用する磁界センサであって、センス層内を移動する電荷キャリアに作用するローレンツ力が、グラフェン層内を移動する電荷キャリアの経路に変化をもたらす。磁界の存在を示すこの経路の変化を検出することができる。センサは、非磁性の電気的絶縁材料によってグラフェン層から分離される１つまたは複数のゲート電極を含む。ゲート電極へのゲート電圧の印加により、グラフェン層の電気抵抗が変化し、このゲート電圧の印加を用いて、センサの感度および速度を制御することができる。
【解決手段】 グラフェンセンス層を採用する磁界センサであって、センス層内を移動する電荷キャリアに作用するローレンツ力が、グラフェン層内を移動する電荷キャリアの経路に変化をもたらす。磁界の存在を示すこの経路の変化を検出することができる。センサは、非磁性の電気的絶縁材料によってグラフェン層から分離される１つまたは複数のゲート電極を含む。ゲート電極へのゲート電圧の印加により、グラフェン層の電気抵抗が変化し、このゲート電圧の印加を用いて、センサの感度および速度を制御することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して磁界センサに関し、特に、グラフェン層を採用する調整可能な磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗センサは、磁気ディスクドライブシステム等のデータ記録システムでの使用を含む、種々の応用で使用されてきた。従来、磁気ディスクドライブ等の応用で磁界を検出するために、巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲ）、異方磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）およびトンネル接合センサ（ＴＭＲ）等のセンサが使用されてきた。しかしながら、こうしたセンサには、磁気ディスクドライブシステムにおいてナノスケールの高密度ビットを読み取るため等、極めて小さいサイズでそれらを使用することを妨げる、固有の限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＡＭＲ、ＧＭＲまたはＴＭＲ磁気抵抗センサに基づく現行の技術では、強磁性センス層における磁化方向の熱ゆらぎと、センササイズが低減するに従って増大するスピン・トルクの不安定性とが起こりやすく、その結果、信号対雑音比が低下する。さらに、測定されるべき磁気ビットのサイズが低減するに従い、高感度を維持するために、センサの厚さを低減し磁石から離れることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、磁界センサ層としてグラフェン層を採用する調整可能な磁界センサを提供する。センス電流をグラフェン層内に注入し、外部磁界励起に応答して電圧の変化を検出することができるように、グラフェン層に複数の電極が接続される。ゲート電極が、グラフェン層から非磁性の電気的絶縁材料によって分離される。
【０００５】
センサはローレンツ磁気抵抗センサであり、磁界の存在が、ローレンツ力を介してグラフェン層内を移動する電荷キャリアの経路を変化させる。ゲート電極にゲート電圧を印加することにより、グラフェン層の抵抗が変化し、センサが製造された後であっても、センサの速度および感度を調整することができる。これにより、有利に、製造偏差および変動によって、センサが所望の設計仕様外になった場合であっても、センサを設計パラメータ内に適合させることができる。
【０００６】
センサは１つのゲート電極を有することができ、それは、グラフェン層の上部（すなわち、グラフェン層とセンサ表面との間）であってもよく、またはグラフェン層の下部（グラフェン層がゲート電極とセンサ表面との間であるように）であってもよい。センサはまた、一対のゲート電極を有することも可能であり、グラフェン層はそれらゲート電極の間にある。
【０００７】
ゲート電極の存在は、有利な調整機構を提供するだけでなく、グラフェン層に対する静電遮蔽も提供する。この遮蔽は、特に、外部電界がセンサの応答に影響を与えないようにするために有益であり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による磁界センサを使用することができる磁気データ記録装置の概略図である。
【図２】センス層がセンサ面の０〜３０ｎｍ下に位置する場合に、磁界が磁気抵抗デバイスの本体内でいかに低減するかと、いくつかの異なるセンス層における磁界とを示す図である。
【図３】本発明の実施形態による磁界センサを示す側断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による磁界センサを示す平面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態による磁界センサを示す平面図である。
【図６】輸送が、電子によって支配されるか、正孔によって支配されるか、または両方が存在するディラックポイント近くの領域であるように、デバイスがゲート制御される場合の、本発明によるセンサの磁界に対する応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下は、本発明を実施するために目下考えられる最良の実施形態の説明である。この説明は、本発明の概略的な原理を説明することを目的とするものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の概念を限定するように意図されてはいない。
【００１０】
ここで図１を参照すると、本発明を具現化するディスクドライブ１００が示されている。図１に示すように、少なくとも１つの回転可能な磁気ディスク１１２がスピンドル１１４の上に支持されており、ドライブモータ１１８によって回転する。各ディスクへの磁気記録は、磁気ディスク１１２上の同心データトラック（図示せず）の環状パターンの形態である。
【００１１】
磁気ディスク１１２の近くに少なくとも１つのスライダ１１３が配置されており、各スライダ１１３は、１つまたは複数の磁気ヘッドアセンブリ１２１を支持している。磁気ディスク１１２が回転すると、スライダ１１３は、ディスク表面１２２の上で半径方向を内外に移動し、それにより、磁気ヘッドアセンブリ１２１が、所望のデータが書き込まれている磁気ディスク１１２の種々のトラックにアクセスすることができる。各スライダ１１３は、サスペンション１１５によってアクチュエータアーム１１９に取り付けられている。サスペンション１１５は、スライダ１１３をディスク表面１２２に付勢するわずかなばね力を提供する。各アクチュエータアーム１１９は、アクチュエータ手段１２７に取り付けられている。図１に示すアクチュエータ手段１２７は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってもよい。ＶＣＭは、固定磁界内で移動可能なコイルを備えており、コイル移動の方向および速度は、制御ユニット１２９によって提供されるモータ電流信号によって制御される。
【００１２】
ディスク記憶システムの動作中、磁気ディスク１１２の回転により、スライダ１１３とディスク表面１２２との間に空気軸受が発生し、それはスライダ１１３に対して上方の力または揚力を加える。したがって、空気軸受は、サスペンション１１５のわずかなばね力と平衡し、通常動作中、スライダ１１３を、わずかな実質的に一定の間隔でディスク表面１２２から離れるようにかつわずか上方に支持する。
【００１３】
ディスク記憶システムのさまざまな構成部品は、動作時、アクセス制御信号および内部クロック信号等、制御ユニット１２９が生成する制御信号によって制御される。通常、制御ユニット１２９は、論理制御回路、記憶手段およびマイクロプロセッサを備えている。制御ユニット１２９は、ライン１２３上のドライブモータ制御信号およびライン１２８上のヘッド位置およびシーク制御信号等、さまざまなシステム動作を制御する制御信号を生成する。ライン１２８上の制御信号は、スライダ１１３を磁気ディスク１１２上の所望のデータトラックに最適に移動させかつ位置決めするための所望の電流プロファイルを提供する。記録チャネル１２５により、書込み信号および読取り信号が、磁気ヘッドアセンブリ１２１にかつ磁気ヘッドアセンブリ１２１から通信される。
【００１４】
上述した磁気データ記録システムは、本発明による磁界センサを採用することができる環境の実例を提供する。しかしながら、これは単に例としてのものであり、本発明による磁界センサを、種々の他の応用および環境のいずれにおいても同様に使用することができることは明らかなはずである。
【００１５】
本発明によれば、ローレンツ力に基づく磁気センサにおいて、グラフェンの単一または複数のシートを伝導チャネルとして用いる。グラフェンの使用により、半導体に基づく量子井戸構造を採用するもの等、他の先に提案されているローレンツ磁界センサと比較して、明確な利点が提供される。これら従来技術による量子井戸構造では、デバイスが適切に動作するために必要な輸送特性を生成するために、磁気活性層（量子井戸）が、デバイスの表面からかなりの距離に配置されることが必要である。通常、従来技術によるデバイスは、分子線エピタキシー法により、エピタキシャル成長を採用する半導体へテロ構造で形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）に基づく。必要な高度なエピタキシーをもたらすためには、２ＤＥＧの下に絶縁材料からなる厚いバッファ層を形成する必要がある。これにより、２ＤＥＧの下のゲートの挿入が妨げられ、デバイスの制御がより困難になり、ゲートをデバイスの上方に配置することが必要になる。対照的に、後述するように、グラフェンセンス層の下方では、金属または他の導電層を容易に配置することができる。
【００１６】
磁気走査および磁気記録の応用では、センサの横方向分解能が低下しないように、センス層を表面に十分に近接して配置しなければならない。解析されるべき磁気的特徴が横方向間隔ｄだけ離隔している場合、センス層は、特徴の位置を適切に解析するために約ｄ／２を超えることはできない。したがって、ビットの横方向の間隔が約２０ｎｍである、１Ｔｂ／ｉｎ２を上回る将来の磁気記録応用では、センス層の表面からの距離は１０ｎｍ以下である必要がある。図２において分かるように、通常の２ＤＥＧ構造は、およそ＞１５ｎｍのバリア層およびキャップ層を必要とし、したがって、約３０ｎｍより近い磁気的特徴を解析するのには適していない。
【００１７】
局所的な磁界の検出に対するさらなる制約は、磁気媒体の表面上の磁界の低減であり、それをスペーシングロスと呼ぶ。磁気記録媒体上に書き込まれているビットからの磁界は、ｈ＝ｄ／π（ｄは隣接するビットの間隔である）という固有長さでおよそ指数関数的に減衰する。したがって、媒体の表面における磁界の３６％でも維持するためには、センサを表面からｄ／π以下、ｄ＝２０ｎｍである場合は表面から約７ｎｍ以下に配置する可能性がある。
【００１８】
さらに、ｄ／πの磁界の減衰が非常に急速であるため、チャネルが１０〜１２ｎｍ厚さであるために、典型的な２ＤＥＧ自体の中で、磁界は著しく低減する。これにより、平均磁界が、２ＤＥＧの表面における磁界よりはるかに小さいため、デバイスの感度がさらに低下する。
【００１９】
図２は、特定の例として、従来技術によるデバイスを使用する欠点と、代りにグラフェンを使用する利点とを示す。グラフは、２０ｎｍ離隔したビットのアレイによってもたらされる磁界がセンサの表面からいかに減衰するかを示している。磁界強度は急速に減衰し、１０ｎｍの深さにおける磁界は、センサの表面の磁界のわずかに約２０％である。また、３つの異なるセンス層を配置することができる深さと、各センス層に対するセンス層厚さ内の磁界および磁界の範囲とを示す、３つの矩形も示している。２ＤＥＧ構造の場合、深さを確定するためにキャップ層、バリアおよびライナを含めなければならない。さらに、この例では、後述するように、各センサに対し２ｎｍのトップゲートも含まれている。典型的な２ＤＥＧ深さ（Ｎｇｕｙｅｎ，Ｃら、ＡＰＬ、６０、１８５４、１９９２）である表面から２０ｎｍに位置するＩｎＡｓ２ＤＥＧセンス層の場合、センス層の頂部における磁界は、センサの表面の磁界のわずかに約３％まで低減し、センス層の底部では約１％まで低下する（図２のセンス層Ａを参照）。これにより、センス層が表面により近いセンサと比較して性能が不十分であることが明らかである。２ＤＥＧの頂部を表面から８ｎｍまで移動することにより、センス層の頂部の磁界が表面の約３０％であるように状況が改善されるが、２ＤＥＧ層が厚いため、底部における磁界は５％未満であり、そのため平均で磁界が、表面の値のわずか２２％のままである（図２のセンス層Ｂを参照）。必要なのは、薄く、かつデバイス表面にまたはその近くに配置することができるセンス層である。第３センス層、すなわち図２において層Ｃとして示すグラフェンは、これら条件を満足させる。この所定の例では、３つのグラフェン層に対応する１ｎｍの厚さがセンス層を構成する。ここではまた、センス層は、その頂面が表面から４ｎｍであるように、センス層はトップゲートの２ｎｍ下であり絶縁体の２ｎｍ下であるものと仮定する。その頂部における磁界強度は表面の５６％であり、その厚さにわたる変化は８％未満である。厚さがわずかに約０．３ｎｍである単一グラフェンシートにわたり、磁界はごくわずかな量しか変化しない。さらに、センス層を表面により近接して、場合によっては表面に配置することができる。全体として、グラフェンの使用により、ナノスケールで変化する磁界の測定に必要な領域の多くにおいて、大幅な改善が可能となる。
【００２０】
図３は、本発明のあり得る実施形態による断面図を示す。センサ２００は、第１電極２０２および第２電極２０４と、ｎグラフェン層を形成し電極２０２、２０４の間にわたるグラフェンの１つまたは複数のシート２０６とを有している。ｎグラフェン層とは、単層グラフェンのｎ枚のシートを含む層を意味する。電極２０２、２０４およびｎグラフェン層２０６を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮断するために絶縁層２０８、好ましくは高ｋ誘電体の中に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。センサ２００は、ボトムゲート電極２１０およびトップゲート電極２１２の一方または両方も含むことができ、それらの機能については後により詳細に説明する。センサ２００を、基板２１４の上に形成することができ、基板２１４は、たとえば、図１を参照して説明したスライダ１１３のスライダ本体であってもよく、または他の応用によっては他の何らかの基板であってもよい。さらに、センサ２００の層を損傷および腐食から保護するために、センサ２００の頂部の上にアルミナまたは炭素等の保護層２１６を設けることができる。保護層２１６の上面は、磁界センサの上面であり、磁気データ記録システムで用いられるセンサの場合、磁気ディスク１１２（図１）に面する面である。第１電極および第２電極、ならびにトップゲート電極およびボトムゲート電極を、限定されないがＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができる。
【００２１】
上述したように、保護層２０６はｎグラフェンから構成される。グラフェンは、ハニカム格子に配置されるグラファイト炭素原子の単一原子シートである。それを、巨大な２次元フラーレン原子、展開された単層カーボンナノチューブ、または単に単層の層状グラファイト結晶として見ることができる。室温で２００，０００ｃｍ２／Ｖｓほどに高い電荷キャリア移動度値が達成可能である（Ｍｏｒｏｚｏｖら、ＰＲＬ１０、０１６６０２、２００８）。グラフェンはまた、電気抵抗（または電荷キャリアの移動度）を、ゲート電極２１０、２１２の一方または両方からの電圧等、ゲート電圧の印加によって制御することができるという有利な特性も有している。この特徴については、図４〜図６を参照して説明する磁界センサのさまざまなあり得る実施形態の概略的な動作をさらに説明した後に、より詳細に後述する。
【００２２】
ここで図４を参照すると、本発明を、ホールクロス（Ｈａｌｌ ｃｒｏｓｓ）構造として形成された磁界センサ５００で具現化することも可能である。したがって、このセンサ５００は、磁気活性層として作用する、中心に配置されたｎグラフェン層５０２を含む。ｎグラフェン層５０２を、図示するようにクロスとして形成することができるが、読み出される磁気ビットまたは磁界の形状に応じて、円形、楕円形等、他の形状でもあり得る。構造はまた、第１電流リード電極５０４、第２電流リード電極５０６も含み、それらは、ｎグラフェン層の対向する縁に接続されかつそこから延在している。したがって、電流リード電極５０４、５０６は、ｎグラフェン層５０２を横切って互いに対向している。センサ５００はまた、第１電圧リード電極５１２および第２電圧リード電極５１４も含み、それらは、ｎグラフェン層５０２の電流リード電極５０４および５０６の間に接続されかつそこから延在しており、互いに対向する位置にある。層５０２、５０４、５０６、５１４、５１２を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮蔽するために、高ｋ誘電体等の非磁性の電気的絶縁材料５２０に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。
【００２３】
電流リード電極５０４、５０６を用いて、ｎグラフェン層５０２に電荷キャリアを注入することができる。上述したように、これら電荷キャリアは電子または正孔であり得る。磁界がない場合、電荷キャリアは、ｎグラフェン層５０２を通って、一方の電流リード電極５０４から他方の電流リード電極５０６まで主に直線状に移動する。しかしながら、層５０２、５０４、５０６、５１２、５１４の面に対して垂直に向いた磁界Ｈがある場合、電荷キャリアは、上述したようなローレンツ力によって偏向される。電荷キャリアは、概して、電圧リード電極の一方５１２に向かってかつ対向する電圧リード電極５１４から離れる方向に偏向される。電荷キャリアのすべてが一方の電圧リード電極５１２に偏向されるとは限らないが、磁界の存在により、電圧リード電極の一方５１２に他方５１４より正味より大量の電荷キャリアが入る。これにより、電圧リード電極５１２、５１４の相対的な電位に正味の差があることになる。この正味の電圧差を検出することにより、磁界Ｈの存在を確定することができる。
【００２４】
ここで図５を参照して、異常磁気抵抗センサ（Ｔ．Ｄ．Ｂｏｏｎｅら、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔ．３０、１１７（２００９）参照）と呼ばれる磁界センサ６００のさらに別の実施形態について説明する。磁界センサ６００は、対向する第１縁６０４および第２縁６０６を有するｎグラフェン層６０２を含む。第１電流リード６０８および第２電流リード６１０が、ｎグラフェン層６０２の第１縁６０４に接続されている。さらに、第１電圧リード６１２および第２電圧リード６１４もまた、ｎグラフェン層６０２の第１側に接続されている。第１電流リード６０８および第２電流リード６１０と第１電圧リード６１２および第２電圧リード６１４を、ＡｕまたはＣｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、導電性材料から構成することができる。図５に示す実施形態では、リード６０８、６１２、６１０および６１４は、ＩＶＩＶ配置で配置されており、電圧リードが電流リードの一方のいずれかの側に位置している。しかしながら、リードの他の配置および数が同様に可能であり、本発明は、図示するリードの数および配置に限定される必要はない。
【００２５】
導電性分路構造６１６が、ｎグラフェン層６０２の第２縁６０６に接している。分路構造を、ＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができ、そのページの面に入る厚さは、必要に応じて、ｎグラフェン層６０２（上述したように１個または数個の原子分の厚さでしかない）の厚さよりはるかに大きいことが可能である。したがって、分路構造６１６は、グラフェン層６０２より電気抵抗がはるかに低い。層６０２、６１６およびリード６０８、６１０、６１２、６１４を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮断するために、高ｋ誘電体等の非磁性の電気的絶縁層６１８の中に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。
【００２６】
動作中、電流は、電流リード６０８、６１０によってグラフェン層６０２内に注入される。磁界がない場合、電荷キャリア（電子または正孔）の大部分は、破線６２０によって示す経路を辿って、ｎグラフェン層６０２を通ってより抵抗の低い分路構造６１６に入る。しかしながら、層６０２、６１６の面に対して垂直に向いた磁界Ｈが存在する場合、電荷の多くが、ローレンツ力の結果としてｎグラフェン層６０２内にかつ分路から離れる方向に偏向される。そして、電荷キャリアの一部が、線６２２によって表される経路を辿る。
【００２７】
分路構造６１６と比較してｎグラフェン層６０２の抵抗が高いため、電荷キャリアが経路６２２を辿る場合、電荷キャリアが経路６２０を辿る場合の抵抗に比較して、電荷キャリアの経路の電荷により、電圧リード６１２、６１４における電気抵抗が高くなる。リード６１４および６１２によって確定される領域内の外部磁界励起の存在を確定するために、電圧リード６１２、６１４においてこの電気抵抗の変化を測定することができる。米国特許第７，２９５，４０６号明細書に記載されているように、前記間隔が磁気センサデバイスの分解能を確定する。
【００２８】
センサの磁気活性層としてｎグラフェン層を使用して磁界抵抗器を構成するさまざまな構造について、図４〜図６を参照して上述した。再び図３を参照して、図４〜図６を参照して説明したもののような構造において磁気活性層としてグラフェン層を使用して、センサの性能を最適化する、新規な制御機能について説明する。図３を参照すると、センサ２００が、下部すなわちボトムゲート電極２１０および上部すなわちトップゲート電極２１２を有することが分かり、それらを各々、上述したようにＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができる。センサ２００を、ゲート電極２１０、２１２の両方を有するように構成することができるが、ボトムゲート電極２１０のみ、またはトップゲート電極２１２のみを有するように構成することも可能であることが指摘されるべきである。
【００２９】
ボトムゲート電極２１０のみを含むべきか、トップゲート電極２１２のみを含むべきか、または両ゲート電極を含むべきかの選択は、性能係数の平衡化を含む設計選択の問題である。たとえば、トップゲート電極２１２の存在により、グラフェン層と検出されるべき磁界源（データ記録システムの磁気媒体等）との間の間隔が増大する。一方で、トップゲート電極２１２の存在は、迷走電界（磁気媒体の表面から等）がｎグラフェン層２０６に影響を与えないようにする遮蔽として作用することができる。
【００３０】
ゲート電極２１０、２１２の１つまたは複数の使用を用いることにより、磁界センサ２００の感度および抵抗を調整することができる。上述した磁界センサ実施形態等の極めて小さいナノスケールセンサでは、製造変動および偏差により、製造されたセンサの性能および抵抗が変動する。このセンサの調整機能により、製造されたすべてのセンサが、これら製造変動にも関わらず所望の設計感度および抵抗値を維持することができることが確実になる。
【００３１】
グラフェンは、ゲート電圧を印加することにより、その抵抗または電荷キャリア移動度を制御可能に変更することができるという有利な特性を有している。ゲート電圧は、グラフェン層に接続されていないが、図３の層２０８等の誘電材料によってグラフェン層に隣接しかつグラフェン層から分離されている電極によって印加される。ゲート電極２１０、２１２の一方または両方に電圧を印加することにより、ｎグラフェン層２０６における電荷キャリア面密度の制御が可能になり、それは、検知回路の速度を確定するデバイス抵抗に影響を与える。ゲート電極２１０、２１２を用いることにより、サブミクロンサイズでデバイス毎に再現不可能である可能性のあるデバイス感度の制御も可能になる。
【００３２】
グラフェンには、一意のゲート電圧によるキャリアの制御に関する別の有利な特性がある。ディラックポイントの周囲の電圧範囲において、電子および正孔の両方が同時に存在することができ、それによりローレンツ磁気抵抗器の新規な動作がもたらされる。ディラックポイントは、グラフェンのバンド構造においてバンドコーンが一点でぶつかる位置である。図６に、主に電子キャリアによる、主に正孔キャリアによる、および主に両方が存在する領域での伝導に対応する、種々の印加ゲート電圧の影響下での、ＥＭＲデバイスの磁界に対する応答を示す。このデバイスにおいて電子が伝導を支配する場合、外部磁界に対する応答は線形である。伝導が主に正孔による場合、磁界への応答は、電子伝導で得られる勾配と反対の勾配で線形である。したがって、磁界に対する応答を確認する一方法は、その磁界を正孔で測定しかつ電子で再び測定し、その差を比較するというものである。重要なのは、ディアック点の近くでは、正孔および電子両方が同時に存在し得る、ということである。この領域では、磁界への応答は、磁界に対して二次である。この二次応答を、非線形応答を必要とするかまたは磁界の絶対値のみを必要とするセンサに使用することができる。さらに、それを、周波数逓倍器として使用することができる。周波数ｆでの交流磁界は、デバイスから周波数２ｆで信号を発生し、それは信号検出および処理において有利である。
【００３３】
ホールセンサおよびＥＭＲセンサに加えて、いわゆる幾何学的磁気抵抗器（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒ）（Ｊ．Ｈｅｒｅｍａｎｓ、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２６、１１４９（１９９３））等、ｎグラフェンを有する他のローレンツ磁気抵抗器を作成することができる。これらデバイスでは、ホール効果は、電流が流れる幅をデバイスの長さよりはるかに小さくすることにより最小化され、それにより、誘発される電界が最小化する。磁界において、キャリアは、電界に対するホール角で流れ、したがってセンサを通してより長い距離を移動し、その抵抗が増大する。表面に近接して配置される薄いセンサ層の使用を含む、グラフェンが提供する利点は、幾何学的磁気抵抗デバイスを改善する。
【００３４】
したがって、本発明は、従来技術による構造と比較していくつかの利点を提供する。第１に、検知層（ｎグラフェン層２０６）を、優れた電荷キャリア移動度を有する一方で、極めて薄く（単一炭素原子ほどに小さく）することができる。第２に、検知層を、表面に極めて近接して配置することができる。第３に、センサの抵抗および速度を、ゲート電極（たとえば２１２または２１０）を使用することによって調整することができる。第４に、ゲート電極２１０、２１４は、検知層（ｎグラフェン層２０６）に対して電磁遮蔽を提供することができる。第５に、ボトムゲートの実装は、製造の簡単な部分であり、センサ成長の一部である必要はない。第６に、グラフェンを使用するセンス層を、電子キャリアおよび正孔キャリアの両方が存在するようにゲート制御することができ、応答を磁界における線形から磁界における二次に変更することができる。
【００３５】
さまざまな実施形態について上述したが、それらは単に例として提示されたものであって、限定するものとして提示されていないことが理解されるべきである。本発明の範囲内にある他の実施形態もまた、当業者には明らかとなり得る。したがって、本発明の広さおよび範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物にのみ従って定義されるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１００ ディスクドライブ
１１２ 磁気ディスク
１１３ スライダ
１１４ スピンドル
１１５ サスペンション
１１８ ドライブモータ
１１９ アクチュエータアーム
１２１ 磁気ヘッドアセンブリ
１２２ ディスク表面
１２３ ライン
１２５ 記録チャネル
１２７ アクチュエータ手段
１２８ ライン
１２９ 制御ユニット
２００ センサ
２０２ 第１電極
２０４ 第２電極
２０６ ｎグラフェン層
２０８ 絶縁層
２１０ ボトムゲート電極
２１２ トップゲート電極
２１４ 基板
２１６ 保護層
５００ 磁界センサ
５０２ ｎグラフェン層
５０４ 第１電流リード電極
５０６ 第２電流リード電極
５１２ 第１電圧リード電極
５１４ 第２電圧リード電極
５２０ 非磁性の電気的絶縁材料
６００ 磁界センサ
６０２ ｎグラフェン層
６０４ 第１縁
６０６ 第２縁
６０８ 第１電流リード
６１０ 第２電流リード
６１２ 第１電圧リード
６１４ 第２電圧リード
６１６ 分路構造
６１８ 非磁性の電気的絶縁層
６２０ 経路
６２２ 経路
Ｈ 磁界
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して磁界センサに関し、特に、グラフェン層を採用する調整可能な磁界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗センサは、磁気ディスクドライブシステム等のデータ記録システムでの使用を含む、種々の応用で使用されてきた。従来、磁気ディスクドライブ等の応用で磁界を検出するために、巨大磁気抵抗センサ（ＧＭＲ）、異方磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）およびトンネル接合センサ（ＴＭＲ）等のセンサが使用されてきた。しかしながら、こうしたセンサには、磁気ディスクドライブシステムにおいてナノスケールの高密度ビットを読み取るため等、極めて小さいサイズでそれらを使用することを妨げる、固有の限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＡＭＲ、ＧＭＲまたはＴＭＲ磁気抵抗センサに基づく現行の技術では、強磁性センス層における磁化方向の熱ゆらぎと、センササイズが低減するに従って増大するスピン・トルクの不安定性とが起こりやすく、その結果、信号対雑音比が低下する。さらに、測定されるべき磁気ビットのサイズが低減するに従い、高感度を維持するために、センサの厚さを低減し磁石から離れることが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、磁界センサ層としてグラフェン層を採用する調整可能な磁界センサを提供する。センス電流をグラフェン層内に注入し、外部磁界励起に応答して電圧の変化を検出することができるように、グラフェン層に複数の電極が接続される。ゲート電極が、グラフェン層から非磁性の電気的絶縁材料によって分離される。
【０００５】
センサはローレンツ磁気抵抗センサであり、磁界の存在が、ローレンツ力を介してグラフェン層内を移動する電荷キャリアの経路を変化させる。ゲート電極にゲート電圧を印加することにより、グラフェン層の抵抗が変化し、センサが製造された後であっても、センサの速度および感度を調整することができる。これにより、有利に、製造偏差および変動によって、センサが所望の設計仕様外になった場合であっても、センサを設計パラメータ内に適合させることができる。
【０００６】
センサは１つのゲート電極を有することができ、それは、グラフェン層の上部（すなわち、グラフェン層とセンサ表面との間）であってもよく、またはグラフェン層の下部（グラフェン層がゲート電極とセンサ表面との間であるように）であってもよい。センサはまた、一対のゲート電極を有することも可能であり、グラフェン層はそれらゲート電極の間にある。
【０００７】
ゲート電極の存在は、有利な調整機構を提供するだけでなく、グラフェン層に対する静電遮蔽も提供する。この遮蔽は、特に、外部電界がセンサの応答に影響を与えないようにするために有益であり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明による磁界センサを使用することができる磁気データ記録装置の概略図である。
【図２】センス層がセンサ面の０〜３０ｎｍ下に位置する場合に、磁界が磁気抵抗デバイスの本体内でいかに低減するかと、いくつかの異なるセンス層における磁界とを示す図である。
【図３】本発明の実施形態による磁界センサを示す側断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態による磁界センサを示す平面図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態による磁界センサを示す平面図である。
【図６】輸送が、電子によって支配されるか、正孔によって支配されるか、または両方が存在するディラックポイント近くの領域であるように、デバイスがゲート制御される場合の、本発明によるセンサの磁界に対する応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下は、本発明を実施するために目下考えられる最良の実施形態の説明である。この説明は、本発明の概略的な原理を説明することを目的とするものであり、特許請求の範囲に記載されている発明の概念を限定するように意図されてはいない。
【００１０】
ここで図１を参照すると、本発明を具現化するディスクドライブ１００が示されている。図１に示すように、少なくとも１つの回転可能な磁気ディスク１１２がスピンドル１１４の上に支持されており、ドライブモータ１１８によって回転する。各ディスクへの磁気記録は、磁気ディスク１１２上の同心データトラック（図示せず）の環状パターンの形態である。
【００１１】
磁気ディスク１１２の近くに少なくとも１つのスライダ１１３が配置されており、各スライダ１１３は、１つまたは複数の磁気ヘッドアセンブリ１２１を支持している。磁気ディスク１１２が回転すると、スライダ１１３は、ディスク表面１２２の上で半径方向を内外に移動し、それにより、磁気ヘッドアセンブリ１２１が、所望のデータが書き込まれている磁気ディスク１１２の種々のトラックにアクセスすることができる。各スライダ１１３は、サスペンション１１５によってアクチュエータアーム１１９に取り付けられている。サスペンション１１５は、スライダ１１３をディスク表面１２２に付勢するわずかなばね力を提供する。各アクチュエータアーム１１９は、アクチュエータ手段１２７に取り付けられている。図１に示すアクチュエータ手段１２７は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってもよい。ＶＣＭは、固定磁界内で移動可能なコイルを備えており、コイル移動の方向および速度は、制御ユニット１２９によって提供されるモータ電流信号によって制御される。
【００１２】
ディスク記憶システムの動作中、磁気ディスク１１２の回転により、スライダ１１３とディスク表面１２２との間に空気軸受が発生し、それはスライダ１１３に対して上方の力または揚力を加える。したがって、空気軸受は、サスペンション１１５のわずかなばね力と平衡し、通常動作中、スライダ１１３を、わずかな実質的に一定の間隔でディスク表面１２２から離れるようにかつわずか上方に支持する。
【００１３】
ディスク記憶システムのさまざまな構成部品は、動作時、アクセス制御信号および内部クロック信号等、制御ユニット１２９が生成する制御信号によって制御される。通常、制御ユニット１２９は、論理制御回路、記憶手段およびマイクロプロセッサを備えている。制御ユニット１２９は、ライン１２３上のドライブモータ制御信号およびライン１２８上のヘッド位置およびシーク制御信号等、さまざまなシステム動作を制御する制御信号を生成する。ライン１２８上の制御信号は、スライダ１１３を磁気ディスク１１２上の所望のデータトラックに最適に移動させかつ位置決めするための所望の電流プロファイルを提供する。記録チャネル１２５により、書込み信号および読取り信号が、磁気ヘッドアセンブリ１２１にかつ磁気ヘッドアセンブリ１２１から通信される。
【００１４】
上述した磁気データ記録システムは、本発明による磁界センサを採用することができる環境の実例を提供する。しかしながら、これは単に例としてのものであり、本発明による磁界センサを、種々の他の応用および環境のいずれにおいても同様に使用することができることは明らかなはずである。
【００１５】
本発明によれば、ローレンツ力に基づく磁気センサにおいて、グラフェンの単一または複数のシートを伝導チャネルとして用いる。グラフェンの使用により、半導体に基づく量子井戸構造を採用するもの等、他の先に提案されているローレンツ磁界センサと比較して、明確な利点が提供される。これら従来技術による量子井戸構造では、デバイスが適切に動作するために必要な輸送特性を生成するために、磁気活性層（量子井戸）が、デバイスの表面からかなりの距離に配置されることが必要である。通常、従来技術によるデバイスは、分子線エピタキシー法により、エピタキシャル成長を採用する半導体へテロ構造で形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）に基づく。必要な高度なエピタキシーをもたらすためには、２ＤＥＧの下に絶縁材料からなる厚いバッファ層を形成する必要がある。これにより、２ＤＥＧの下のゲートの挿入が妨げられ、デバイスの制御がより困難になり、ゲートをデバイスの上方に配置することが必要になる。対照的に、後述するように、グラフェンセンス層の下方では、金属または他の導電層を容易に配置することができる。
【００１６】
磁気走査および磁気記録の応用では、センサの横方向分解能が低下しないように、センス層を表面に十分に近接して配置しなければならない。解析されるべき磁気的特徴が横方向間隔ｄだけ離隔している場合、センス層は、特徴の位置を適切に解析するために約ｄ／２を超えることはできない。したがって、ビットの横方向の間隔が約２０ｎｍである、１Ｔｂ／ｉｎ２を上回る将来の磁気記録応用では、センス層の表面からの距離は１０ｎｍ以下である必要がある。図２において分かるように、通常の２ＤＥＧ構造は、およそ＞１５ｎｍのバリア層およびキャップ層を必要とし、したがって、約３０ｎｍより近い磁気的特徴を解析するのには適していない。
【００１７】
局所的な磁界の検出に対するさらなる制約は、磁気媒体の表面上の磁界の低減であり、それをスペーシングロスと呼ぶ。磁気記録媒体上に書き込まれているビットからの磁界は、ｈ＝ｄ／π（ｄは隣接するビットの間隔である）という固有長さでおよそ指数関数的に減衰する。したがって、媒体の表面における磁界の３６％でも維持するためには、センサを表面からｄ／π以下、ｄ＝２０ｎｍである場合は表面から約７ｎｍ以下に配置する可能性がある。
【００１８】
さらに、ｄ／πの磁界の減衰が非常に急速であるため、チャネルが１０〜１２ｎｍ厚さであるために、典型的な２ＤＥＧ自体の中で、磁界は著しく低減する。これにより、平均磁界が、２ＤＥＧの表面における磁界よりはるかに小さいため、デバイスの感度がさらに低下する。
【００１９】
図２は、特定の例として、従来技術によるデバイスを使用する欠点と、代りにグラフェンを使用する利点とを示す。グラフは、２０ｎｍ離隔したビットのアレイによってもたらされる磁界がセンサの表面からいかに減衰するかを示している。磁界強度は急速に減衰し、１０ｎｍの深さにおける磁界は、センサの表面の磁界のわずかに約２０％である。また、３つの異なるセンス層を配置することができる深さと、各センス層に対するセンス層厚さ内の磁界および磁界の範囲とを示す、３つの矩形も示している。２ＤＥＧ構造の場合、深さを確定するためにキャップ層、バリアおよびライナを含めなければならない。さらに、この例では、後述するように、各センサに対し２ｎｍのトップゲートも含まれている。典型的な２ＤＥＧ深さ（Ｎｇｕｙｅｎ，Ｃら、ＡＰＬ、６０、１８５４、１９９２）である表面から２０ｎｍに位置するＩｎＡｓ２ＤＥＧセンス層の場合、センス層の頂部における磁界は、センサの表面の磁界のわずかに約３％まで低減し、センス層の底部では約１％まで低下する（図２のセンス層Ａを参照）。これにより、センス層が表面により近いセンサと比較して性能が不十分であることが明らかである。２ＤＥＧの頂部を表面から８ｎｍまで移動することにより、センス層の頂部の磁界が表面の約３０％であるように状況が改善されるが、２ＤＥＧ層が厚いため、底部における磁界は５％未満であり、そのため平均で磁界が、表面の値のわずか２２％のままである（図２のセンス層Ｂを参照）。必要なのは、薄く、かつデバイス表面にまたはその近くに配置することができるセンス層である。第３センス層、すなわち図２において層Ｃとして示すグラフェンは、これら条件を満足させる。この所定の例では、３つのグラフェン層に対応する１ｎｍの厚さがセンス層を構成する。ここではまた、センス層は、その頂面が表面から４ｎｍであるように、センス層はトップゲートの２ｎｍ下であり絶縁体の２ｎｍ下であるものと仮定する。その頂部における磁界強度は表面の５６％であり、その厚さにわたる変化は８％未満である。厚さがわずかに約０．３ｎｍである単一グラフェンシートにわたり、磁界はごくわずかな量しか変化しない。さらに、センス層を表面により近接して、場合によっては表面に配置することができる。全体として、グラフェンの使用により、ナノスケールで変化する磁界の測定に必要な領域の多くにおいて、大幅な改善が可能となる。
【００２０】
図３は、本発明のあり得る実施形態による断面図を示す。センサ２００は、第１電極２０２および第２電極２０４と、ｎグラフェン層を形成し電極２０２、２０４の間にわたるグラフェンの１つまたは複数のシート２０６とを有している。ｎグラフェン層とは、単層グラフェンのｎ枚のシートを含む層を意味する。電極２０２、２０４およびｎグラフェン層２０６を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮断するために絶縁層２０８、好ましくは高ｋ誘電体の中に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。センサ２００は、ボトムゲート電極２１０およびトップゲート電極２１２の一方または両方も含むことができ、それらの機能については後により詳細に説明する。センサ２００を、基板２１４の上に形成することができ、基板２１４は、たとえば、図１を参照して説明したスライダ１１３のスライダ本体であってもよく、または他の応用によっては他の何らかの基板であってもよい。さらに、センサ２００の層を損傷および腐食から保護するために、センサ２００の頂部の上にアルミナまたは炭素等の保護層２１６を設けることができる。保護層２１６の上面は、磁界センサの上面であり、磁気データ記録システムで用いられるセンサの場合、磁気ディスク１１２（図１）に面する面である。第１電極および第２電極、ならびにトップゲート電極およびボトムゲート電極を、限定されないがＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができる。
【００２１】
上述したように、保護層２０６はｎグラフェンから構成される。グラフェンは、ハニカム格子に配置されるグラファイト炭素原子の単一原子シートである。それを、巨大な２次元フラーレン原子、展開された単層カーボンナノチューブ、または単に単層の層状グラファイト結晶として見ることができる。室温で２００，０００ｃｍ２／Ｖｓほどに高い電荷キャリア移動度値が達成可能である（Ｍｏｒｏｚｏｖら、ＰＲＬ１０、０１６６０２、２００８）。グラフェンはまた、電気抵抗（または電荷キャリアの移動度）を、ゲート電極２１０、２１２の一方または両方からの電圧等、ゲート電圧の印加によって制御することができるという有利な特性も有している。この特徴については、図４〜図６を参照して説明する磁界センサのさまざまなあり得る実施形態の概略的な動作をさらに説明した後に、より詳細に後述する。
【００２２】
ここで図４を参照すると、本発明を、ホールクロス（Ｈａｌｌ ｃｒｏｓｓ）構造として形成された磁界センサ５００で具現化することも可能である。したがって、このセンサ５００は、磁気活性層として作用する、中心に配置されたｎグラフェン層５０２を含む。ｎグラフェン層５０２を、図示するようにクロスとして形成することができるが、読み出される磁気ビットまたは磁界の形状に応じて、円形、楕円形等、他の形状でもあり得る。構造はまた、第１電流リード電極５０４、第２電流リード電極５０６も含み、それらは、ｎグラフェン層の対向する縁に接続されかつそこから延在している。したがって、電流リード電極５０４、５０６は、ｎグラフェン層５０２を横切って互いに対向している。センサ５００はまた、第１電圧リード電極５１２および第２電圧リード電極５１４も含み、それらは、ｎグラフェン層５０２の電流リード電極５０４および５０６の間に接続されかつそこから延在しており、互いに対向する位置にある。層５０２、５０４、５０６、５１４、５１２を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮蔽するために、高ｋ誘電体等の非磁性の電気的絶縁材料５２０に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。
【００２３】
電流リード電極５０４、５０６を用いて、ｎグラフェン層５０２に電荷キャリアを注入することができる。上述したように、これら電荷キャリアは電子または正孔であり得る。磁界がない場合、電荷キャリアは、ｎグラフェン層５０２を通って、一方の電流リード電極５０４から他方の電流リード電極５０６まで主に直線状に移動する。しかしながら、層５０２、５０４、５０６、５１２、５１４の面に対して垂直に向いた磁界Ｈがある場合、電荷キャリアは、上述したようなローレンツ力によって偏向される。電荷キャリアは、概して、電圧リード電極の一方５１２に向かってかつ対向する電圧リード電極５１４から離れる方向に偏向される。電荷キャリアのすべてが一方の電圧リード電極５１２に偏向されるとは限らないが、磁界の存在により、電圧リード電極の一方５１２に他方５１４より正味より大量の電荷キャリアが入る。これにより、電圧リード電極５１２、５１４の相対的な電位に正味の差があることになる。この正味の電圧差を検出することにより、磁界Ｈの存在を確定することができる。
【００２４】
ここで図５を参照して、異常磁気抵抗センサ（Ｔ．Ｄ．Ｂｏｏｎｅら、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔ．３０、１１７（２００９）参照）と呼ばれる磁界センサ６００のさらに別の実施形態について説明する。磁界センサ６００は、対向する第１縁６０４および第２縁６０６を有するｎグラフェン層６０２を含む。第１電流リード６０８および第２電流リード６１０が、ｎグラフェン層６０２の第１縁６０４に接続されている。さらに、第１電圧リード６１２および第２電圧リード６１４もまた、ｎグラフェン層６０２の第１側に接続されている。第１電流リード６０８および第２電流リード６１０と第１電圧リード６１２および第２電圧リード６１４を、ＡｕまたはＣｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、導電性材料から構成することができる。図５に示す実施形態では、リード６０８、６１２、６１０および６１４は、ＩＶＩＶ配置で配置されており、電圧リードが電流リードの一方のいずれかの側に位置している。しかしながら、リードの他の配置および数が同様に可能であり、本発明は、図示するリードの数および配置に限定される必要はない。
【００２５】
導電性分路構造６１６が、ｎグラフェン層６０２の第２縁６０６に接している。分路構造を、ＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができ、そのページの面に入る厚さは、必要に応じて、ｎグラフェン層６０２（上述したように１個または数個の原子分の厚さでしかない）の厚さよりはるかに大きいことが可能である。したがって、分路構造６１６は、グラフェン層６０２より電気抵抗がはるかに低い。層６０２、６１６およびリード６０８、６１０、６１２、６１４を、輸送に有害な荷電不純物の影響を遮断するために、高ｋ誘電体等の非磁性の電気的絶縁層６１８の中に埋め込むことができる。これらには、限定されないが、ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、Ｙ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｉＣ、Ｔａ２Ｏ５、ＳｒＴｉＯ３、ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３、ＰｂｘＺｒ１−ｘＴｉＯ３がある。
【００２６】
動作中、電流は、電流リード６０８、６１０によってグラフェン層６０２内に注入される。磁界がない場合、電荷キャリア（電子または正孔）の大部分は、破線６２０によって示す経路を辿って、ｎグラフェン層６０２を通ってより抵抗の低い分路構造６１６に入る。しかしながら、層６０２、６１６の面に対して垂直に向いた磁界Ｈが存在する場合、電荷の多くが、ローレンツ力の結果としてｎグラフェン層６０２内にかつ分路から離れる方向に偏向される。そして、電荷キャリアの一部が、線６２２によって表される経路を辿る。
【００２７】
分路構造６１６と比較してｎグラフェン層６０２の抵抗が高いため、電荷キャリアが経路６２２を辿る場合、電荷キャリアが経路６２０を辿る場合の抵抗に比較して、電荷キャリアの経路の電荷により、電圧リード６１２、６１４における電気抵抗が高くなる。リード６１４および６１２によって確定される領域内の外部磁界励起の存在を確定するために、電圧リード６１２、６１４においてこの電気抵抗の変化を測定することができる。米国特許第７，２９５，４０６号明細書に記載されているように、前記間隔が磁気センサデバイスの分解能を確定する。
【００２８】
センサの磁気活性層としてｎグラフェン層を使用して磁界抵抗器を構成するさまざまな構造について、図４〜図６を参照して上述した。再び図３を参照して、図４〜図６を参照して説明したもののような構造において磁気活性層としてグラフェン層を使用して、センサの性能を最適化する、新規な制御機能について説明する。図３を参照すると、センサ２００が、下部すなわちボトムゲート電極２１０および上部すなわちトップゲート電極２１２を有することが分かり、それらを各々、上述したようにＣｕまたはＡｕまたはＰｄ、およびマイクロエレクトロニクス業界で採用される多層かつ合金コンタクト等、非磁性の導電性材料から構成することができる。センサ２００を、ゲート電極２１０、２１２の両方を有するように構成することができるが、ボトムゲート電極２１０のみ、またはトップゲート電極２１２のみを有するように構成することも可能であることが指摘されるべきである。
【００２９】
ボトムゲート電極２１０のみを含むべきか、トップゲート電極２１２のみを含むべきか、または両ゲート電極を含むべきかの選択は、性能係数の平衡化を含む設計選択の問題である。たとえば、トップゲート電極２１２の存在により、グラフェン層と検出されるべき磁界源（データ記録システムの磁気媒体等）との間の間隔が増大する。一方で、トップゲート電極２１２の存在は、迷走電界（磁気媒体の表面から等）がｎグラフェン層２０６に影響を与えないようにする遮蔽として作用することができる。
【００３０】
ゲート電極２１０、２１２の１つまたは複数の使用を用いることにより、磁界センサ２００の感度および抵抗を調整することができる。上述した磁界センサ実施形態等の極めて小さいナノスケールセンサでは、製造変動および偏差により、製造されたセンサの性能および抵抗が変動する。このセンサの調整機能により、製造されたすべてのセンサが、これら製造変動にも関わらず所望の設計感度および抵抗値を維持することができることが確実になる。
【００３１】
グラフェンは、ゲート電圧を印加することにより、その抵抗または電荷キャリア移動度を制御可能に変更することができるという有利な特性を有している。ゲート電圧は、グラフェン層に接続されていないが、図３の層２０８等の誘電材料によってグラフェン層に隣接しかつグラフェン層から分離されている電極によって印加される。ゲート電極２１０、２１２の一方または両方に電圧を印加することにより、ｎグラフェン層２０６における電荷キャリア面密度の制御が可能になり、それは、検知回路の速度を確定するデバイス抵抗に影響を与える。ゲート電極２１０、２１２を用いることにより、サブミクロンサイズでデバイス毎に再現不可能である可能性のあるデバイス感度の制御も可能になる。
【００３２】
グラフェンには、一意のゲート電圧によるキャリアの制御に関する別の有利な特性がある。ディラックポイントの周囲の電圧範囲において、電子および正孔の両方が同時に存在することができ、それによりローレンツ磁気抵抗器の新規な動作がもたらされる。ディラックポイントは、グラフェンのバンド構造においてバンドコーンが一点でぶつかる位置である。図６に、主に電子キャリアによる、主に正孔キャリアによる、および主に両方が存在する領域での伝導に対応する、種々の印加ゲート電圧の影響下での、ＥＭＲデバイスの磁界に対する応答を示す。このデバイスにおいて電子が伝導を支配する場合、外部磁界に対する応答は線形である。伝導が主に正孔による場合、磁界への応答は、電子伝導で得られる勾配と反対の勾配で線形である。したがって、磁界に対する応答を確認する一方法は、その磁界を正孔で測定しかつ電子で再び測定し、その差を比較するというものである。重要なのは、ディアック点の近くでは、正孔および電子両方が同時に存在し得る、ということである。この領域では、磁界への応答は、磁界に対して二次である。この二次応答を、非線形応答を必要とするかまたは磁界の絶対値のみを必要とするセンサに使用することができる。さらに、それを、周波数逓倍器として使用することができる。周波数ｆでの交流磁界は、デバイスから周波数２ｆで信号を発生し、それは信号検出および処理において有利である。
【００３３】
ホールセンサおよびＥＭＲセンサに加えて、いわゆる幾何学的磁気抵抗器（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｏｒ）（Ｊ．Ｈｅｒｅｍａｎｓ、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２６、１１４９（１９９３））等、ｎグラフェンを有する他のローレンツ磁気抵抗器を作成することができる。これらデバイスでは、ホール効果は、電流が流れる幅をデバイスの長さよりはるかに小さくすることにより最小化され、それにより、誘発される電界が最小化する。磁界において、キャリアは、電界に対するホール角で流れ、したがってセンサを通してより長い距離を移動し、その抵抗が増大する。表面に近接して配置される薄いセンサ層の使用を含む、グラフェンが提供する利点は、幾何学的磁気抵抗デバイスを改善する。
【００３４】
したがって、本発明は、従来技術による構造と比較していくつかの利点を提供する。第１に、検知層（ｎグラフェン層２０６）を、優れた電荷キャリア移動度を有する一方で、極めて薄く（単一炭素原子ほどに小さく）することができる。第２に、検知層を、表面に極めて近接して配置することができる。第３に、センサの抵抗および速度を、ゲート電極（たとえば２１２または２１０）を使用することによって調整することができる。第４に、ゲート電極２１０、２１４は、検知層（ｎグラフェン層２０６）に対して電磁遮蔽を提供することができる。第５に、ボトムゲートの実装は、製造の簡単な部分であり、センサ成長の一部である必要はない。第６に、グラフェンを使用するセンス層を、電子キャリアおよび正孔キャリアの両方が存在するようにゲート制御することができ、応答を磁界における線形から磁界における二次に変更することができる。
【００３５】
さまざまな実施形態について上述したが、それらは単に例として提示されたものであって、限定するものとして提示されていないことが理解されるべきである。本発明の範囲内にある他の実施形態もまた、当業者には明らかとなり得る。したがって、本発明の広さおよび範囲は、上述した例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物にのみ従って定義されるべきである。
【符号の説明】
【００３６】
１００ ディスクドライブ
１１２ 磁気ディスク
１１３ スライダ
１１４ スピンドル
１１５ サスペンション
１１８ ドライブモータ
１１９ アクチュエータアーム
１２１ 磁気ヘッドアセンブリ
１２２ ディスク表面
１２３ ライン
１２５ 記録チャネル
１２７ アクチュエータ手段
１２８ ライン
１２９ 制御ユニット
２００ センサ
２０２ 第１電極
２０４ 第２電極
２０６ ｎグラフェン層
２０８ 絶縁層
２１０ ボトムゲート電極
２１２ トップゲート電極
２１４ 基板
２１６ 保護層
５００ 磁界センサ
５０２ ｎグラフェン層
５０４ 第１電流リード電極
５０６ 第２電流リード電極
５１２ 第１電圧リード電極
５１４ 第２電圧リード電極
５２０ 非磁性の電気的絶縁材料
６００ 磁界センサ
６０２ ｎグラフェン層
６０４ 第１縁
６０６ 第２縁
６０８ 第１電流リード
６１０ 第２電流リード
６１２ 第１電圧リード
６１４ 第２電圧リード
６１６ 分路構造
６１８ 非磁性の電気的絶縁層
６２０ 経路
６２２ 経路
Ｈ 磁界
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１または複数のグラフェンのシートを含むｎグラフェン層と、
前記ｎグラフェン層に接続され、前記ｎグラフェン層に電流を供給し、かつ磁界の存在に応じた電圧変化の測定に使用される複数の電極と、
前記ｎグラフェン層から非磁性の電気的絶縁材料によって分離されたゲート電極と、
を備える磁界センサ。
【請求項２】
表面を有し、
前記ゲート電極は、前記ｎグラフェン層と前記表面との間に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項３】
表面を有し、
前記ゲート電極は、前記ｎグラフェン層が前記ゲート電極と前記表面との間に配置されるように配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項４】
前記ゲート電極は第１ゲート電極であり、
第２ゲート電極をさらに備え、
前記第１ゲート電極および前記第２ゲート電極は、前記ｎグラフェン層の両側に、前記ｎグラフェン層を挟むように配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項５】
前記ｎグラフェン層は、単一のグラフェン層からなる請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項６】
前記ｎグラフェン層は、複数のグラフェン層を含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項７】
前記ｎグラフェン層は、１〜５層のグラフェン層を含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項８】
前記電圧変化は、前記ｎグラフェン層の電荷キャリアに働くローレンツ力により起こる請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項９】
前記ｎグラフェン層は、電気的絶縁性の非磁性材料の層の間に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１０】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続された第１コンタクト電極と、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続された第２コンタクト電極と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１１】
前記第１コンタクト電極および前記第２コンタクト電極は、前記ｎグラフェン層に電流を注入し、前記ｎグラフェン層における電圧変化の測定に使用される請求項１０に記載の磁界センサ。
【請求項１２】
前記ｎグラフェン層は、検知されるべき磁気ビットを検出する請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１３】
前記ｎグラフェン層の両側に配置され、各々が前記ｎグラフェン層に接続された第１電流リードおよび第２電流リードと、
前記ｎグラフェン層の両側に配置され、各々が前記ｎグラフェン層の前記第１電流リードと前記第２電流リードとの間の位置に接続された第１電圧リードおよび第２電圧リードと、を備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１４】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続された複数の電極と、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続された導電性分路と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１５】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続される第１電流リードおよび第２電流リードと、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続される第１電圧リードおよび第２電圧リードと、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続される導電性分路と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１６】
前記第１電流リードおよび前記第２電流リードのうちの一方が、前記第１電圧リードと前記第２電圧リードとの間に配置される請求項１５に記載の磁界センサ。
【請求項１７】
表面を有し、
前記ｎグラフェン層が前記表面から２０ｎｍ未満に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１８】
前記電流が正孔キャリアを含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１９】
前記電流が同時に存在する正孔キャリアおよび電子キャリアを含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項２０】
センサ応答の２ｆ成分が磁界振幅および周波数の測定に使用される請求項１９に記載の磁界センサ。
【請求項１】
１または複数のグラフェンのシートを含むｎグラフェン層と、
前記ｎグラフェン層に接続され、前記ｎグラフェン層に電流を供給し、かつ磁界の存在に応じた電圧変化の測定に使用される複数の電極と、
前記ｎグラフェン層から非磁性の電気的絶縁材料によって分離されたゲート電極と、
を備える磁界センサ。
【請求項２】
表面を有し、
前記ゲート電極は、前記ｎグラフェン層と前記表面との間に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項３】
表面を有し、
前記ゲート電極は、前記ｎグラフェン層が前記ゲート電極と前記表面との間に配置されるように配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項４】
前記ゲート電極は第１ゲート電極であり、
第２ゲート電極をさらに備え、
前記第１ゲート電極および前記第２ゲート電極は、前記ｎグラフェン層の両側に、前記ｎグラフェン層を挟むように配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項５】
前記ｎグラフェン層は、単一のグラフェン層からなる請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項６】
前記ｎグラフェン層は、複数のグラフェン層を含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項７】
前記ｎグラフェン層は、１〜５層のグラフェン層を含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項８】
前記電圧変化は、前記ｎグラフェン層の電荷キャリアに働くローレンツ力により起こる請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項９】
前記ｎグラフェン層は、電気的絶縁性の非磁性材料の層の間に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１０】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続された第１コンタクト電極と、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続された第２コンタクト電極と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１１】
前記第１コンタクト電極および前記第２コンタクト電極は、前記ｎグラフェン層に電流を注入し、前記ｎグラフェン層における電圧変化の測定に使用される請求項１０に記載の磁界センサ。
【請求項１２】
前記ｎグラフェン層は、検知されるべき磁気ビットを検出する請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１３】
前記ｎグラフェン層の両側に配置され、各々が前記ｎグラフェン層に接続された第１電流リードおよび第２電流リードと、
前記ｎグラフェン層の両側に配置され、各々が前記ｎグラフェン層の前記第１電流リードと前記第２電流リードとの間の位置に接続された第１電圧リードおよび第２電圧リードと、を備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１４】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続された複数の電極と、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続された導電性分路と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１５】
前記ｎグラフェン層は、第１縁と、前記第１縁とは反対側に設けられた第２縁と、を有し、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続される第１電流リードおよび第２電流リードと、
前記ｎグラフェン層の前記第１縁に接続される第１電圧リードおよび第２電圧リードと、
前記ｎグラフェン層の前記第２縁に接続される導電性分路と、をさらに備える請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１６】
前記第１電流リードおよび前記第２電流リードのうちの一方が、前記第１電圧リードと前記第２電圧リードとの間に配置される請求項１５に記載の磁界センサ。
【請求項１７】
表面を有し、
前記ｎグラフェン層が前記表面から２０ｎｍ未満に配置される請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１８】
前記電流が正孔キャリアを含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項１９】
前記電流が同時に存在する正孔キャリアおよび電子キャリアを含む請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項２０】
センサ応答の２ｆ成分が磁界振幅および周波数の測定に使用される請求項１９に記載の磁界センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−４０７５０（Ｐ２０１１−４０７５０Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７９５７２（Ｐ２０１０−１７９５７２）
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１０日（２０１０．８．１０）
【出願人】（５０３１１６２８０）ヒタチグローバルストレージテクノロジーズネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
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