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JP5320009B2 - スピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置 - Google Patents

スピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置 Download PDF

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Description

本発明は、スピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置に関する。
１９９０年代においては、ＭＲ（Magneto-Resistive effect）ヘッドとＧＭＲ（Giant Magneto-Resistive effect）ヘッドの実用化が引き金となって、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の記録密度と記録容量が飛躍的な増加を示した。しかし、２０００年代に入ってから磁気記録媒体の熱揺らぎの問題が顕在化してきたために、記録密度増加のスピードが一時的に鈍化した。それでも、面内磁気記録よりも原理的に高密度記録に有利である垂直磁気記録が２００５年に実用化されたことが牽引力となって、昨今、ＨＤＤの記録密度は年率約４０％の伸びを示している。
また、最新の記録密度実証実験では４００Ｇｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ２を超えるレベルが達成されており、このまま堅調に進展すれば、２０１２年頃には記録密度１Ｔｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ２が実現されると予想されている。しかしながら、このような高い記録密度の実現は、垂直磁気記録方式を用いても、再び熱揺らぎの問題が顕在化するために容易ではないと考えられる。
この問題を解消し得る記録方式として「高周波磁界アシスト記録方式」が提案されている（例えば特許文献１）。高周波磁界アシスト記録方式では、記録信号周波数よりも十分に高い、磁気記録媒体の共鳴周波数付近の高周波磁界を、媒体に局所的に印加する。この結果、媒体が共鳴し、高周波磁界が印加された部分の媒体の保磁力（Ｈｃ）がもとの保磁力の半分以下となる。この効果を利用して、記録磁界に高周波磁界を重畳することにより、より高保磁力（Ｈｃ）かつ高磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）の媒体への磁気記録が可能となる。しかし、この特許文献１に開示された手法では、コイルにより高周波磁界を発生させているので、媒体に高周波磁界を効率的に印加することが困難であった。
そこで高周波磁界の発生手段として、スピントルク発振子を利用する手法が提案されている（例えば、特許文献２〜４、及び、非特許文献１）。これらにより開示された技術においては、スピントルク発振子は、スピン注入層と、非磁性層と、磁性体層と、電極とからなる。電極を通じてスピントルク発振子に直流電流を通電すると、スピン注入層によって生じたスピントルクにより、磁性体層の磁化が強磁性共鳴を生じる。その結果、スピントルク発振子から高周波磁界が発生する。
スピントルク発振子のサイズは数十ナノメートル程度であるため、発生する高周波磁界はスピントルク発振子の近傍の数十ナノメートル程度の領域に局在する。さらに高周波磁界の面内成分により、垂直磁化した媒体を効率的に共鳴すること可能となり、媒体の保磁力を大幅に低下させることが可能となる。この結果、主磁極による記録磁界と、スピントルク発振子による高周波磁界とが重畳した部分のみで高密度磁気記録が行われ、高保磁力（Ｈｃ）かつ高磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）の媒体を利用することが可能となる。このため、高密度記録時の熱揺らぎの問題を回避できる。
高周波磁界アシスト記録ヘッドを実現するためには、低駆動電流で安定して発振が可能であり、かつ、媒体磁化を十分に共鳴させる面内高周波磁界の発生が可能な、スピントルク発振子を設計・作製することが重要になる。
スピントルク発振子に通電可能な最大電流密度は、例えば素子サイズが７０ｎｍ程度のとき、２×１０８Ａ／ｃｍ２である。これ以上の電流密度では、例えばスピントルク発振子の発熱及びマイグレーションにより、特性が劣化する。このため、なるべく低電流密度で発振可能なスピントルク発振子を設計することが重要となる。
一方、媒体磁化を十分に共鳴させるためには、面内高周波磁界の強度を、媒体の異方性磁界（Ｈｋ）の１０％以上にすることが望ましいことが報告されている（例えば非特許文献２）。面内高周波磁界の強度を高める手段としては、発振層の飽和磁化の増加、発振層の層厚の増加、及び、発振層の磁化の回転角度の増加、が挙げられるが、これらのいずれの手段も、駆動電流を増加させてしまう。
このように、駆動電流の低電流密度化と、面内高周波磁界の強度の増加とは、二律背反の関係にあり、これらを同時に実現するスピントルク発振子の実現が望まれる。
なお、特許文献５には、ＴＭＲを利用した面内磁化型メモリ応用におけるフリー層にＦｅＣｏＡｌ合金を用いる例が開示されている。また、特許文献６には、ホイッスラー合金の利用する例が公開されている。また、非特許文献３には、面内磁化膜ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド応用にて、ＦｅＣｏＡｌを用いる例が公開されている。
さらに特許文献７ではスピン注入層、発振層にＣｏＦｅＢを用いる例が開示されている。
米国特許第６０１１６６４号明細書 米国特許出願公開第２００５／００２３９３８号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２１９７７１号明細書 米国特許出願公開第２００８／００１９０４０Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１１０００４号明細書 米国特許出願公開第２００７／００６３２３７号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１３７２２４号明細書 IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS, VOL. 42, NO. 10, PP. 2670, "Bias-Field-Free Microwave Oscillator Driven by Perpendicularly Polarized Spin Current" by Xiaochun Zhu and Jian-Gang Zhu TMRC B6(2007), "Microwave Assisted Magnetic Recording (MAMR)"by Jian-Gang (Jimmy) Zhu and Xiaochun Zhu JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 101 093905 (2007)
本発明は、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置を提供する。
本発明の一態様によれば、第１の電極と、前記第１の電極上に設けられた非晶質軟磁性層と、該非晶質軟磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有する非磁性層と、該非磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する硬磁性層と、前記硬磁性層上に設けられた第２の電極と、を備え、前記第１の電極から前記第２の電極間で通電することにより前記非晶質軟磁性層の磁化が発振するスピントルク発振子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、結晶質軟磁性層と、該結晶質軟磁性層上に設けられた非晶質層と、該非晶質層上に設けられ、最密結晶構造を有する非磁性層と、該非磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する硬磁性層と、を備えたことを特徴とするスピントルク発振子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記のいずれか１つに記載のスピントルク発振子と、前記スピントルク発振子に併置された主磁極と、を備えたことを特徴とする磁気記録ヘッドが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、上記の磁気記録ヘッドと、前記磁気記録ヘッドが搭載されたヘッドスライダーと、前記ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、前記サスペンションの他端に接続されたアームと、を備えたことを特徴とする磁気ヘッドアセンブリが提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、磁気記録媒体と、上記の磁気ヘッドアセンブリと、前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気記録ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備えたことを特徴とする磁気記録装置が提供される。
本発明によれば、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置が提供される。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子の構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子１０は、発振層（非晶質軟磁性層）１０ａと、スピン注入層（硬磁性層）３０と、発振層１０ａとスピン注入層３０との間に設けられた非磁性層２２を有する積層構造体２５を有する。
そして、スピントルク発振子１０は、積層構造体２５の積層方向に通電可能な１対の電極、すなわち、第１電極４１及び第２電極４２を有することができる。すなわち、第１電極４１及び第２電極４２によって、駆動電流Ｉが積層構造体２５に通電される。
ただし、これらの第１及び第２の電極４１、４２の少なくともいずれかは、例えば、後述する磁気記録ヘッドの例えば主磁極及びリターンパス（シールド）等と兼用されても良く、この場合は、スピントルク発振子１０の上記の第１及び第２の電極４１、４２の少なくともいずれかは省略可能である。以下では、スピントルク発振子１０が、第１及び第２の電極４１、４２を有する場合として説明する。
なお、図１に表したように、積層構造体２５には外部磁界Ｈｅｘが印加される。
本実施形態に係るスピントルク発振子１０においては、発振層１０ａは、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金を含む。すなわち、本実施形態に係るスピントルク発振子１０は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂを含む非晶質軟磁性層１０ａと、該非晶質軟磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有する非磁性層２２と、該非磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する硬磁性層３０と、を備える。なお、本実施形態に係るスピントルク発振子１０において、発振層１０ａ（非晶質軟磁性層１０ａ）が１層の磁性体層からなり、その磁性体層がＦｅ−Ｃｏ−Ｂ合金を含んでも良い。また、発振層１０ａ（非晶質軟磁性層１０ａ）が、複数の層からなり、その複数の層の少なくとも１つの層が、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金を含んでも良い。なお、本願明細書において、「Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ合金」は、「ＦｅＣｏＢ合金」と省略して記述されることがある。
スピントルク発振子１０は、図示しない適切な基板の上や下地の上に形成され、図示しないアルミナやＳｉＯ２等の絶縁体により、他の回路と分離される。
第１及び第２の電極４１、４２には、Ｔｉ、Ｃｕなどの電気抵抗が低く、酸化されにくい材料を用いることができる。また、第１の電極４１のうち、非晶質軟磁性層１０ａとの界面はＣｕにすることが望ましい。これは、界面をＣｕとすることで、非晶質軟磁性層１０ａを構成するＢ原子の拡散防止層として働き、Ｂ原子が第１の電極４１へ拡散することを防ぐことが可能となるためである。
本実施形態に係るスピントルク発振子１０においては、発振層１０ａにはＦｅ−Ｃｏ−Ｂ合金が用いられており、Ｂの組成比率が１０原子パーセント以上であれば、ＦｅとＣｏの組成比に関係なく非晶質構造が得られるが、以下の組成比率が用いられている。すなわち、ＦｅとＣｏとの比率（Ｆｅ：Ｃｏ）が、５０原子パーセント（原子百分率）：５０原子パーセントであり、そのＦｅとＣｏの混合部物と、Ｂと、の比率（ＦｅＣｏ：Ｂ）が、７５原子パーセント：２５原子パーセントである。以下の比率を、「（Ｆｅ５０ａｔ％Ｃｏ５０ａｔ％）７５ａｔ％Ｂ２５ａｔ％」と記述する。なお、この材料の飽和磁化Ｍｓは、１０００ｅｍｕ／ｃｃである。また、この発振層１０ａの層厚は、１２ｎｍである。
そして、非磁性層２２には、層厚が３ｎｍのＣｕが用いられている。
また、一方、スピン注入層３０には、層厚が２０ｎｍの、ＣｏとＰｔとの比率（Ｃｏ：Ｐｔ）が、８０原子パーセント：２０原子パーセントの合金（Ｃｏ８０ａｔ％Ｐｔ２０ａｔ％合金）が用いられている。
このＣｏ８０ａｔ％Ｐｔ２０ａｔ％合金は、六方最密構造を持ち、ＣｏＰｔ合金の中では最も大きな結晶磁気異方性が得られる。最密面である（００．１）面を膜面と平行に形成すると膜面垂直方向が磁化容易軸となり、垂直磁気異方性が得られる。一般的にＣｏＰｔ合金は、Ｐｔの比率が０〜２０原子パーセントでは六方最密構造を有し、大きな一軸結晶磁気異方性や異方性磁界が得られることが知られており、スピントルク発振子のスピン注入層として好適である。
また、２０原子パーセントより大きくなると面心立方構造を取りやすくなり、一軸結晶磁気異方性や異方性磁界は減少傾向となる。本実施形態の場合、Ｐｔの比率は１０〜３０原子パーセントが好ましく、１５〜２０原子パーセントがさらに好ましい。なお、スピントルク発振子１０の素子のサイズは、７０ｎｍ四方である。
ただし、本実施形態に係るスピントルク発振子１０は、上記の材料及び層厚だけでなく、各種の材料と層厚を有することができる。
例えば、非磁性層２２には、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどのスピン透過率の高く、面心立方構造を持つ材料を用いることができる。非磁性層２２の層厚は、発振層１０ａとスピン注入層３０の磁気的な相互作用の観点からは、１原子層から３ｎｍとすることが望ましい。しかしながら、非磁性層２２の層厚を薄くすると、非磁性層２２の結晶性が低下し、その上の硬磁性層３０の結晶性も低下して、硬磁性層３０の垂直磁気異方性も低下してしまう。この観点からは、非磁性層２２の層厚はより厚い方が望ましく、層厚の最適値は総合的な特性から決めるのが好ましい。
また、スピン注入層３０には、ＣｏＰｔ系合金の他に例えば、同じく六方最密構造を持つＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＰｔＢ等のＣｏＣｒ系合金、最密構造を持つＣｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ等を原子層オーダーで交互に積層したＣｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ等の人工格子も適宜用いることができる。さらに、複数の上記材料を積層したものを用いてもよい。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図（ａ）は、スピントルク発振子１０を流れる電流の電流密度が低い場合、すなわち、駆動電流Ｉの電流密度Ｊが０．２×１０８Ａ／ｃｍ２の時のＲＨ曲線であり、同図（ｂ）は、スピントルク発振子１０を流れる電流の電流密度が高い場合、すなわち、駆動電流Ｉの電流密度Ｊが１．５×１０８Ａ／ｃｍ２の時のＲＨ曲線である。これらの図において、横軸は、スピントルク発振子１０に印加される外部磁界Ｈｅｘを表し、縦軸は、積層構造体２５を流れる電流における抵抗変化（第１電極４１と第２電極４２との間の抵抗の変化）を表す。なお同図（ｂ）では、Ｈｅｘ＝０での値が、同図（ａ）と等しくなるよう、値をずらしている。
また、同図（ｃ）、（ｄ）は、同図（ａ）の点Ａ、点Ｂの状態における磁化の状態をそれぞれ示す模式的断面図である。また、同図（ｅ）は、同図（ｂ）の点Ｃの状態における磁化の状態を示す模式的断面図である。
図２（ａ）に表したように、低電流密度の時は、典型的な保磁力差型のＲＨ曲線となっており、スピントルクの影響はない。すなわち、同図（ａ）における点Ａの状態、すなわち、外部磁界が零の時は、発振層１０ａの形状異方性により、同図（ｃ）に表したように、発振層１０ａの磁化の方向は、層面に対して平行方向となっている。そして、同図（ａ）における点Ｂの状態、すなわち、外部磁界が大きい時は、同図（ｄ）に表したように、発振層１０ａの磁化の方向は、外部磁界の方向と略同一方向となっている。
一方、図２（ｂ）に表したように、電流密度Ｊが大きいと、ＲＨ曲線は谷型となる。このことは、発振層１０ａが発振していることを表している。すなわち、すなわち、同図（ｂ）における点Ｃの状態、すなわち、外部磁界が大きい時、同図（ｅ）に表したように、発振層１０ａの磁化の方向は、スピントルクによって、外部磁界と逆向きとなり、磁化が回転している。すなわち、スピントルク発振子１０の駆動電流によるスピントルクにより、発振層１０ａの磁化が発振している。
このように、本実施形態に係るスピントルク発振子１０は、例えば、低電流密度Ｊが０．２×１０８Ａ／ｃｍ２の時は発振しないが、電流密度Ｊが１．５×１０８Ａ／ｃｍ２の時には、適正な発振を示す。
本実施形態に係るスピントルク発振子１０では、スピン注入層３０として垂直磁化膜を用いており、これにより、スピントルクの伝達効率が向上したものと考えられる。
すなわち、垂直磁化膜をスピン注入層３０に用いた場合、発振層１０ａの磁化の軌跡が通る平面と、スピン注入層３０の磁化方向は略垂直となり、発振層１０ａの磁化方向とスピン注入層３０の磁化方向とがなす角は、常に略垂直となる。このため、常に安定したスピントルク伝達が行われる。
一方、スピン注入層３０が面内磁化膜の場合、発振層１０ａの磁化の軌跡が通る平面と、スピン注入層３０の磁化方向は略平行となる。このため、発振層１０ａの磁化方向とスピン注入層３０の磁化方向がなす角は、瞬間瞬間によって変動する。その結果、ある瞬間はスピントルク伝達効率が高いが、ある瞬間は小さくなり、時間平均をとると、スピントルク伝達効率は大きく低下することになる。
従って、スピン注入層３０に垂直磁化膜を利用した方が、スピントルク伝達効率が高く、低電流密度での安定した発振が可能となる。
従って、本実施形態のスピントルク発振子１０において、スピン注入層３０は、垂直磁化膜を含むことが望ましい。
ここで、図１に表したスピントルク発振子１０を、下地層を介して基板上に形成し、磁気特性の評価を行った。すなわち、基板上に、層厚５ｎｍのＴａ、層厚５ｎｍのＣｕまたはＲｕ（下地層）、層厚５ｎｍのＦｅＣｏＢ軟磁性層（発振層１０ａ）、層厚５ｎｍのＣｕ（非磁性層２２）、及び層厚２０ｎｍのＣｏＰｔ硬磁性層（スピン注入層３０）を順次形成した薄膜について、 極Ｋｅｒｒ効果評価装置（ネオアーク社製）により磁化曲線の測定を行った。
極Ｋｅｒｒ効果評価装置は、膜面垂直方向の磁気光学効果を評価する装置であり、膜表面での反射光を利用しているため、膜表面に近いスピン注入層３０を優先的に測定することができる。さらに、軟磁性の発振層１０ａの磁化曲線は、膜面垂直方向では直線的であるため、その分の傾きを補正することにより、ほぼスピン注入層３０のみの特性を測定することができる。また、反射光の偏光面の回転角θＫ（Ｔｈｅｔａ Ｋ）は、それぞれの薄膜の測定中は磁化の垂直成分に比例するため、膜面垂直方向に磁界Ｈを印加した時のθＫの変化は基本的に磁化曲線と同じになる。
図３（ａ）は、スピントルク発振子１０と同様の積層構成の薄膜における極Ｋｅｒｒ効果の測定結果を例示するグラフ図であり、下地層がＴａ／Ｃｕの場合を点線で、Ｔａ／Ｒｕの場合を実線で示してある。
反射率が異なるためか、θＫの大きさは異なるが、保磁力Ｈｃや飽和磁界Ｈｓは同じであり、磁化曲線としてはほぼ同じ特性と考えられる。Ｘ線回折測定によりＦｅＣｏＢはＢが１０ａｔ．％以上入っている場合には、結晶面からの反射が見られず非晶質となっているが、ＣｏＰｔ硬磁性層（スピン注入層３０）の磁化曲線が下地層に依存していないことも、ＦｅＣｏＢが非晶質構造であることを裏付けている。
このＣｏＰｔ硬磁性層の飽和磁化Ｍｓは、１１００ｅｍｕ／ｃｃであるので、垂直方向の反磁界の大きさは４πＭｓ≒１３．８ｋＯｅとなる。垂直磁気異方性がなければ、磁化曲線の傾きＨｓ−Ｈｃは４πＭｓとほぼ同じ値になるが、図３（ａ）における磁化曲線の傾きは約５ｋＯｅであり、垂直磁気異方性が得られていることが分かる。
このＣｏＰｔ硬磁性層の異方性磁界を測定したところ、Ｈｋ≒１２ｋＯｅという大きな値が得られており、７０ｎｍ四方の素子サイズに加工して反磁界が低下した場合には、十分な垂直磁化膜となっていることが分かる。
（第１の比較例）
図３（ｂ）は、第１の比較例のスピントルク発振子と同様の積層構成の薄膜における極Ｋｅｒｒ効果の測定結果を例示するグラフ図である。
第１の比較例のスピントルク発振子は、発振層１０ａとして、ＦｅまたはＦｅＣｏ軟磁性層を用いたものである。これ以外は、本実施形態に係るスピントルク発振子１０と同様なので説明を省略する。実線、破線、点線はそれぞれ、発振層１０ａが、Ｆｅのみ、Ｆｅ−５０ａｔ．％Ｃｏ、Ｆｅ−７５ａｔ．％Ｃｏの場合を示しており、破線と点線はほとんど重なっている。
横軸は図３（ａ）と異なり、２０ｋＯｅの磁界を印加しているが、それでも磁化が垂直方向に飽和しているとは言えず、本実施形態に係るスピントルク発振子と比較して、明らかに垂直磁気異方性が低下していることが分かる。なお、トルク磁力計により一軸磁気異方性定数を測定し、異方性磁界の大きさを求めたところ、Ｈｋ≒３ｋＯｅであった。
ＣｏＰｔ硬磁性層（スピン注入層３０）の垂直磁気異方性の大きさは、六方最密構造（hexagonal close packed structure：ｈｃｐ）における積層欠陥の少なさ、（００．１）結晶配向の多さや、＜００．１＞結晶軸の分散の少なさなど、結晶性の程度に依存している。
すなわち、本実施形態におけるＣｏＰｔ硬磁性層は結晶配向が良好であり、第１の比較例においては、ＦｅＣｏＢ軟磁性層をＦｅＣｏ軟磁性層に変えたことにより、ＣｏＰｔ硬磁性層の結晶配向が悪化したことになる。
本実施形態におけるＦｅＣｏＢ軟磁性層は非晶質であるため、Ｃｕ非磁性層を連続して製膜した場合、清浄で均一な表面上でｆｃｃ−Ｃｕ（１１１）最密面の良好な結晶配向が得られ、これによりｈｃｐ−ＣｏＰｔ（００．１）最密面が良好に配向したものと考えられる。
これに対して、第１の比較例における軟磁性層の結晶構造は、ＦｅおよびＦｅ−５０ａｔ．％Ｃｏが体心立方（body centered cubic）構造、Ｆｅ−７５ａｔ．％Ｃｏが面心立方（face centered cubic structure：ｆｃｃ）構造であり、いずれも多結晶である。垂直方向の結晶配向が揃っていたとしても面内方向の結晶軸は結晶粒ごとに様々な方向を向いており、下地層によっては必ずしも垂直方向の結晶配向も揃っていないなど、軟磁性層が結晶質の場合にはその表面は非晶質に比べ不均一であり、それが結晶質のＣｕ非磁性層の配向を乱し、ＣｏＰｔ硬磁性層の結晶配向を悪化させたものと考えられる。
上記のメカニズムから、非晶質軟磁性層１０ａ上に、最密結晶構造を有する非磁性層２２と硬磁性層３０を順次積層することにより、高い垂直磁気異方性を有するスピン注入層３０を得ることができる。したがって、本実施形態に係るスピントルク発振子１０は、第１の比較例のスピントルク発振子に比べてより高いスピントルク伝達効率を得られるため、低電流密度での安定した発振が可能である。
このように、本実施形態に係るスピントルク発振子１０によれば、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子が提供できる。
また、発振層１０ａには、非晶質軟磁性層と非磁性層との間に、ＦｅＣｏＡｌ合金やＦｅＣｏＳｉ合金などの軟磁性層を積層したものを用いても良い。これは、発振層１０ａとスピン注入層３０との飽和磁束密度（Ｂｓ）、異方性磁界（Ｈｋ）、及び、スピントルク伝達効率を調整するためである。
これらの軟磁性層が結晶質である場合、上記のようなメカニズムでスピン注入層３０の結晶配向が悪化する可能性があるが、層厚が２ｎｍ以下であれば、非晶質軟磁性層上では十分な結晶性が得られず、スピン注入層３０の結晶配向は大きくは低下しない。一方、０．５ｎｍ以上であれば、スピントルク伝達効率を改善することができるため、層厚は０．５〜２ｎｍとするのが望ましい。
なお、「Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ、Ｓｉ）合金」は、Ｆｅと、Ｃｏと、Ａｌ、Ｓｉの少なくともいずれかと、を含む合金である。
また、発振層１０ａの層厚は、５ｎｍから２０ｎｍとすることが望ましく、スピン注入層３０の層厚は、２ｎｍから６０ｎｍとすることが望ましい。また、スピントルク発振子１０の素子のサイズは１０ｎｍ四方から１００ｎｍ四方にすることが望ましく、素子形状も直方体だけでなく、円柱状や六角柱状としてもよい。
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るスピントルク発振子の構成を例示する模式的断面図である。
図４に表したように、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂにおいては、発振層１０ｃは、Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ，Ｓｉ）合金を含む。すなわち、第２の実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂは、Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ，Ｓｉ）を含む結晶質軟磁性層１０ｃと、該結晶質軟磁性層上に設けられた非晶質層１６と、該非晶質層上に設けられ、最密結晶構造を有する非磁性層２２と、該非磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する硬磁性層３０と、を備える。なお、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂにおいて、発振層１０ｃ（結晶質軟磁性層１０ｃ）が１層の磁性体層からなり、その磁性体層がＦｅ−Ｃｏ−（Ａｌ，Ｓｉ）合金を含んでも良い。また、発振層１０ｃ（結晶質軟磁性層１０ｃ）が、複数の層からなり、その複数の層の少なくとも１つの層が、Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ，Ｓｉ）合金を含んでも良い。
これ以外は、第１の実施形態に係るスピントルク発振子１０と同様である。すなわち、非磁性層２２には、層厚が３ｎｍのＣｕが用いられている。なお、スピントルク発振子１０の素子のサイズは、７０ｎｍ四方である。
非晶質層１６には、ＦｅＣｏＢ合金またはＣｕＢ合金を用いた。ともに、Ｂを１０ａｔ．％以上添加することにより非晶質となる。非晶質層上に最密結晶構造を有する非磁性層と硬磁性層を順次積層した場合には、第１の実施形態におけるメカニズムと同様に、高い垂直磁気異方性を有するスピン注入層３０を得ることができる。したがって、本実施形態に係るスピントルク発振子１０は、第１の比較例のスピントルク発振子に比べてより高いスピントルク伝達効率を得られるため、低電流密度での安定した発振が可能である。
このような構成を有する本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂは、６ｋＯｅの外部磁界の印加の状態において、電流密度Ｊが１．４×１０８Ａ／ｃｍ２の場合に、良好に発振する。すなわち、スピントルク発振子１０ｂの発振層１０ａは、磁化の回転の開き角が１８０度となる大きな回転を示す。
図５は、本発明の第２の実施形態に係るスピントルク発振子における特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、発振層１０ｃの磁化の回転の開き角が１８０度となる時の臨界電流密度Ｊｃと、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓ及び層厚ｔとの関係の実験結果を例示するグラフである。同図（ａ）の横軸は、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓを表し、同図（ｂ）の横軸は発振層１０ｃの層厚ｔを表す。そして、同図（ａ）、（ｂ）の縦軸は、発振層１０ｃの層厚方向の全ての領域において均一に、磁化の回転の開き角が１８０度となる時の臨界電流密度の平均値Ｊｃの絶対値を表す。
図５（ａ）、（ｂ）に表したように、臨界電流密度Ｊｃの飽和磁化層Ｍｓ依存性は、層厚ｔ依存性よりも大きい。すなわち、臨界電流密度Ｊｃの飽和磁化Ｍｓに対する傾きは、臨界電流密度Ｊｃの層厚ｔに対する傾きの約２倍となっている。すなわち、臨界電流密度Ｊｃは、発振層１０ｃの層厚ｔに比例し、飽和密度Ｍｓの２乗に比例する。すなわち、臨界電流密度Ｊｃは、ｔＭｓ２に比例する。
スピントルク発振子１０ｂにおいて、発振層１０ｃの媒体対向面に発生する磁荷量によって高周波磁界Ｈａｃが作られる。このため、発振層１０ａが均一に大きな角度で回転する場合（磁化の回転の開き角が１８０度となる場合）、高周波磁界の強度Ｈａｃは、発振層１０ｃの層厚ｔと飽和磁化Ｍｓとの積（ｔＭｓ)に比例すると考えられる。
その結果、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓが小さい場合は、層厚ｔを厚くしないと、高周波磁界アシスト記録に必要な高い強度の、高周波磁界の強度Ｈａｃが得られない。
従って、本実施形態に係る発振層１０ｃでは、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓの低い材料を用いることで臨界電流密度Ｊｃの低減を図り、そして、発振層１０ｃの層厚ｔを実用的に可能な範囲で増大することで高周波磁界の強度Ｈａｃの増加を図る必要がある。
図６は、本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子に用いられるＦｅＣｏＡｌ合金の特性を例示するグラフ図である。
すなわち、同図は、第１の実施形態に用いることができるＦｅＣｏＡｌ合金におけるＡｌ組成比率と、飽和磁化Ｍｓと、の関係を例示している。同図において、横軸はＦｅＣｏＡｌ合金におけるＡｌ組成比を表し、縦軸は飽和磁化Ｍｓを表す。
なお、同図には、比較例である、ＦｅＣｏの飽和磁化の値と、ＮｉＦｅの飽和磁化の値とを破線で示している。
図６に表したように、ＦｅＣｏＡｌ合金において、Ａｌ組成比の増加により、飽和磁化Ｍｓは減少し、Ａｌ組成比率が２４原子パーセント以上では、ＮｉＦｅの飽和磁化の値以下となる。
スピントルクは、非磁性層２２と発振層１０ｃとの界面で受け渡されるため、発振層１０ｃの層厚ｔが過度に厚い場合、界面付近では、磁化の回転の開き角が１８０度となる大きな回転を示すが、界面から離れた領域では大きな回転ができないことが生じる。このため、層厚ｔを厚くしても、高周波磁界の強度Ｈａｃは大きくは増加しないことが発生し得る。
このため、発振層１０ｃの層厚方向の全ての領域において、均一に、大きな角度で回転する（磁化の回転の開き角が１８０度となる）には、発振層１０ｃの層厚ｔは、３０ｎｍ以下にする必要がある。
このため、発振層１０ｃに飽和磁化Ｍｓが低い材料を用いたときに、必要な高周波磁界の強度Ｈａｃを必要な強度とするために、その材料の飽和磁化Ｍｓは、５００ｅｍｕ以上とする必要がある。従って、図６に例示した飽和磁化ＭｓのＡｌ組成比率依存性の実験結果から、Ａｌ組成比率は、４０原子パーセント以下とすることが望ましい。
一方、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓは、７００ｅｍｕ／ｃｃ〜１０００ｅｍｕ／ｃｃが最適である。この時、発振層１０ｃの層厚ｔは、１０ｎｍ〜２５ｎｍとなり、発振層１０ｃの層厚方向の全ての領域において、大きな角度で回転する（磁化の回転の開き角が１８０度となる）ことが可能である。すなわち、このとき、高周波磁界の強度Ｈａｃを最も効率的に大きくすることができる。
このため、Ａｌ組成比率は、２０原子パーセント〜３０原子パーセントであることがより望ましい。
一方、既に図５に関して説明したように、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓが増加すると、臨界電流密度Ｊｃ（駆動電流Ｉ）は、Ｍｓの２乗に比例して増加する。さらに、スピントルク発振子１０ｂの素子のジュール熱による発熱は、駆動電流Ｉの２乗に比例して増加する。このため、素子のジュール熱による発熱は、飽和磁化Ｍｓの４乗に比例して増加することになる。この時、飽和磁化Ｍｓが１３００ｅｍｕ／ｃｃよりも大きいとき、素子の発熱により素子特性が劣化するため、利用することが難しい。
従って、発振層１０ｃの飽和磁化Ｍｓは、１３００ｅｍｕ／ｃｃ以下とすることが望ましい。従って、図６に例示した飽和磁化ＭｓのＡｌ組成比率依存性の実験結果から、Ａｌ組成比率は、１２原子パーセント以上とすることが望ましい。
スピントルク発振子におけるスピントルク効果の原理と、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to Plane - Giant Magneto-Resistive）効果の原理と、は、同一の起源により発生していると考えられている。すなわち、反平行状態に磁化した２枚の磁性体層とその間に設けられた非磁性層からなる積層構造体２５において、最初の磁性層の磁化方向にスピン分極した伝導電子が、非磁性層を経由して、もう一方の磁性層に流入する現象を考える。このとき、最初の磁性層の磁化方向にスピン分極した伝導電子は、もう一方の磁性層に流入する際にスピン散乱し、抵抗が増加すると同時に、スピン角運動量をスピントルクとして受け渡すことになる。このため、ＭＲ比の増加が、スピントルク伝達効率の増加に直結する。
このため、ＧＭＲ効果が大きい材料を発振層およびスピン注入層界面に用いることが望ましい。このため、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂの発振層１０ｃに用いるＦｅＣｏ−（Ａｌ、Ｓｉ）合金におけるＦｅＣｏの組成は、結晶構造がｂｃｃ構造となる組成、すなわち、Ｆｅ組成が２０原子パーセント以上であることが望ましい。
以上のように、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂにおいて、発振層１０ｃに用いるＦｅＣｏＡｌ合金において、Ａｌ組成比を１０原子パーセント〜４０原子パーセントとすることで、良好な高周波磁界の強度が達成可能かつ、低駆動電流で発振可能な、スピントルク発振素子を製作することが可能となる。
なお、特許文献５においては、フリー層にＦｅＣｏＡｌ合金を利用している。しかし、特許文献５に開示された技術は、ＴＭＲを利用した面内磁化型メモリ応用であり、ＧＭＲを利用したスピントルク発振子への応用を目的とした本発明とは、異なる。また、特許文献６では、ホイッスラー合金の利用を想定し、組成もＣｏ２ＦｅＡｌに限定しており、本実施形態にスピントルク発振子１０ｂとは、ＦｅＣｏの組成が大きく異なっている。また、非特許文献３では、面内磁化膜ＣＰＰ−ＧＭＲヘッド応用において、ＦｅＣｏＡｌによるＪｃの低減について記載されているが、この効果はＪｃ∝ｔＭｓ２で説明可能であり、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂでは、垂直磁化膜を用いたスピントルク発振素子であり、Ｊｃ∝ｔＭｓ２で説明不可能な新たに見いだされた効果により、Ｊｃの低減が可能となっている。
このように、発振層１０ｃとしてＦｅＣｏＡｌ合金を用いることにより、従来のＣｏＦｅ／ＮｉＦｅを用いた発振層やＣｏＰｔを用いたスピン注入層よりも、スピントルク伝達効率の向上が可能となる。しかしながら、上述の通り、結晶質の発振層１０ｃ上に直接結晶質の非磁性層を形成するのは、結晶配向の観点からは、スピン注入層３０の垂直磁気異方性を低下させるため、好ましくない。
そこで、結晶質の発振層１０ｃと結晶質の非磁性層２２との間に、非晶質層１６としてＦｅＣｏＢ合金またはＣｕ−Ｂ合金（以下、「ＣｕＢ」と称する。）を形成することにより、スピン注入層３０の垂直磁気異方性を改善することで、スピントルク伝達効率を向上させることができる。
なお、ＦｅＣｏＢは軟磁性材料であるため、発振層１０ｃとスピン注入層３０との飽和磁束密度（Ｂｓ）、異方性磁界（Ｈｋ）、及び、スピントルク伝達効率の調整に用いることができる。一方、ＣｕＢは非磁性材料であるため、スピントルク伝達効率などにあまり影響を与えることなく、スピン注入層３０の結晶配向を改善することができる。
これにより、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂによれば、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子が提供できる。
ただし、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂにおいても、上記の材料及び層厚だけでなく、各種の材料と層厚を有することができる。
例えば、非磁性層２２には、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇなどのスピン透過率の高く、面心立方構造を持つ材料を用いることができる。非磁性層２２の層厚は、発振層１０ｃとスピン注入層３０の磁気的な相互作用の観点からは、１原子層から３ｎｍとすることが望ましい。しかしながら、非磁性層２２の層厚を薄くすると、非磁性層２２の結晶性が低下し、その上の硬磁性層３０の結晶性も低下して、硬磁性層３０の垂直磁気異方性も低下してしまう。この観点からは、非磁性層２２の層厚はより厚い方が望ましく、層厚の最適値は総合的な特性から決めるのが好ましい。
また、スピン注入層３０には、ＣｏＰｔ系合金の他に例えば、同じく六方最密構造を持つＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＣｒＰｔＴａ、ＣｏＣｒＰｔＢ等のＣｏＣｒ系合金、最密構造を持つＣｏ，Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔ等を原子層オーダーで交互に積層したＣｏ／Ｎｉ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ等の人工格子も適宜用いることができる。さらに、複数の上記材料を積層したものを用いてもよい。
また、発振層１０ｃには、ＦｅＣｏＡｌ合金に、さらに、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｎの少なくともいずれか１つ以上を添加した用いた材料を用いても良い。さらに、発振層１０ｃには、ＦｅＣｏＡｌ合金におけるＡｌの替わりに、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｎのいずれか１つ以上を用いた、ＦｅＣｏＳｉ、ＦｅＣｏＧｅ、ＦｅＣｏＭｎ合金を用いても良い。これは、発振層１０ｃとスピン注入層３０との飽和磁束密度（Ｂｓ）、異方性磁界（Ｈｋ）、及び、スピントルク伝達効率を調整するためである。
すなわち、本実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂにおいては、発振層１０ｃは、Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｍｎ）合金を含み、非磁性層２２との間には非晶質層１６としてＦｅＣｏＢ合金またはＣｕＢ合金を含む。
なお、発振層１０ｃの層厚は、５ｎｍから２０ｎｍとすることが望ましく、スピン注入層３０の層厚は、２ｎｍから６０ｎｍとすることが望ましい。また、Ｓｉは、アニールする際にＦｅＣｏ合金母相から拡散しにくい、という特徴がある。このため、素子プロセス次第では拡散を抑制する必要がある場合には、ＦｅＣｏＳｉ合金を用いることが有効である。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る磁気記録ヘッドについて、多粒子系の垂直磁気記録媒体に記録する場合を想定して、説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドの構成を例示する模式的斜視図である。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドが搭載されるヘッドスライダーの構成を例示する模式的斜視図である。
図９は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドに用いられるスピントルク発振子の構成を例示する模式的斜視図である。
図７に表したように、本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッド５１は、主磁極６１と、上記の本発明の実施形態に係るスピントルク発振子１０と、を備える。
なお、本具体例では、スピントルク発振子として、第１の実施形態に係るスピントルク発振子１０が用いられているが、本発明はこれに限らず、第２の実施形態に係るスピントルク発振子１０ｂ、及び、それらを変形した各種のスピントルク発振子を用いることができる。以下に説明する具体例では、スピントルク発振子として第１の実施形態に係るスピントルク発振子１０を用いる例として説明する。
図７に表したように、発振層１０ａは、主磁極６１とスピン注入層３０との間に配置することができる。
上記の主磁極６１と、スピントルク発振子１０と、は、書き込みヘッド部６０に含まれる。
さらに、書き込みヘッド部６０は、リターンパス（シールド）６２をさらに含むことができる。
なお、主磁極６１と第１の電極４２は共用されており、リターンパス（シールド）６２と第２の電極４１は共用されている。
なお、図７に表したように、本実施形態に係る磁気記録ヘッド５１には、さらに、再生ヘッド部７０を設けることができる。
再生ヘッド部７０は、第１磁気シールド層７２ａと、第２磁気シールド層７２ｂと、第１磁気シールド層７２ａと第２磁気シールド層７２ｂとの間に設けられた磁気再生素子７１と、を含む。
上記の再生ヘッド部７０の各要素、及び、上記の書き込みヘッド部６０の各要素は、図示しないアルミナ等の絶縁体により分離される。
磁気再生素子７１としては、ＧＭＲ素子やＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistive effect）素子などを利用することが可能である。なお、再生分解能をあげるために、磁気再生素子７１は、２枚の磁気シールド層、すなわち、第１及び第２磁気シールド層７２ａ、７２ｂの間に設置される。
そして、図７に表したように、磁気記録ヘッド５１の媒体対向面６１ｓに対向して磁気記録媒体８０が設置される。そして、主磁極６１は、磁気記録媒体８０に記録磁界を印加する。なお、磁気記録ヘッド５１の媒体対向面６１ｓは、磁気記録ヘッド５１に対して設置される磁気記録媒体８０に対向した主磁極６１の主面とすることができる。
また、例えば、図８に表したように、磁気記録ヘッド５１は、ヘッドスライダー３に搭載される。ヘッドスライダー３は、Ａｌ２Ｏ３／ＴｉＣなどからなり、磁気ディスクなどの磁気記録媒体８０の上を、浮上または接触しながら相対的に運動できるように設計され、製作される。
ヘッドスライダー３は、空気流入側３Ａと空気流出側３Ｂとを有し、磁気記録ヘッド５１は、空気流出側３Ｂの側面などに配置される。これにより、ヘッドスライダー３に搭載された磁気記録ヘッド５１は、磁気記録媒体８０の上を浮上または接触しながら相対的に運動する。
図７に表したように、磁気記録媒体８０は、媒体基板８２と、その上に設けられた磁気記録層８１と、を有する。書き込みヘッド部６０から印加される磁界により、磁気記録層８１の磁化８３が所定の方向に制御され、書き込みがなされる。なお、この時、磁気記録媒体８０は、媒体移動方向８５の方向に、磁気記録ヘッド５１に対して相対的に移動する。
一方、再生ヘッド部７０は、磁気記録層８１の磁化の方向を読み取る。
図９に表したように、本実施形態に用いられるスピントルク発振子１０は、発振層１０ａと、スピン透過率の高い非磁性層２２と、スピン注入層３０がこの順に積層された積層構造体２５を有し、積層構造体２５に接続された第１電極４１及び第２電極４２を通じて駆動電子流を流すことにより、発振層１０ａから高周波磁界を発生させることができる。駆動電流密度は、所望の発振状態になるよう適宜調整する。なお、記録トラックピッチが縮小し、スピントルク発振子の素子サイズがより小さくなった場合、熱の放散が改善されるため、駆動電流密度をより改善することが可能である。
スピントルク発振子１０の各構成要素に関しては、既に第１の実施形態に関して説明したので省略する。
主磁極６１及びリターンパス６２は、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉ、ＦｅＡｌＳｉ等の、比較的、飽和磁束密度の大きい軟磁性層で構成されている。
また、主磁極６１は、媒体対向面６１ｓの側の部分と、それ以外の部分の材料を別々の材料としても良い。すなわち、例えば、磁気記録媒体８０やスピントルク発振子１０に発生する磁界を大きくするため、媒体対向面６１ｓの側の部分の材料を、飽和磁束密度の特に大きいＦｅＣｏ、ＣｏＮｉＦｅ、ＦｅＮ等とし、それ以外の部分は、特に透磁率が高いＮｉＦｅ等にしても良い。また、磁気記録媒体８０やスピントルク発振子１０に発生する磁界を大きくするため、主磁極６１の媒体対向面６１ｓの側の形状を、バックギャップ部より小さくしても良い。これにより、磁束が媒体対向面６１ｓの側の部分に集中し、高強度の磁界を発生することが可能となる。
主磁極６１のコイルには、Ｔｉ、Ｃｕなどの電気抵抗が低く、酸化されにくい材料を用いることができる。
このような構成を有する本実施形態に係る磁気記録ヘッド５１によれば、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子による安定した高周波磁界が得られ、高密度の磁気記録を実現できる磁気記録ヘッドが提供できる。
なお、スピントルク発振子１０の高周波磁界の強度Ｈａｃの最大領域は、発振層１０ａのリーディング側及びトレーリング側にある。主磁極６１からの記録磁界の最大領域と、トレーリング側の高周波磁界の強度Ｈａｃの最大領域と、が重畳するように、スピントルク発振子１０と、主磁極６１と、シールド６２の位置を調整することにより、良好な記録が可能である。
本実施形態に係る磁気記録ヘッド５１において、スピントルク発振子として第２の実施形態で説明したスピントルク発振子１０ｂを用いることができる。
すなわち、結晶質の発振層１０ｃ、非晶質層１６、最密結晶構造を有する非磁性層２２、及び、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有するスピン注入層３０を設ける。これにより、スピントルク伝達効率がさらに向上する。
従って、低電流密度でさらに安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子によるさらに安定した高周波磁界が得られ、高密度の磁気記録を実現できる磁気記録ヘッドが提供できる。
なお、この場合も、スピントルク発振子１０の高周波磁界の強度Ｈａｃの最大領域は、発振層１０ａのリーディング側及びトレーリング側にある。主磁極６１からの記録磁界の最大領域と、トレーリング側の高周波磁界の強度Ｈａｃの最大領域と、が重畳するように、スピントルク発振子１０と、主磁極６１と、シールド６２の位置を調整することにより、良好な記録が可能である。
また、主磁極６１の発振層１０ａとの界面をＣｕとすることができる。これにより、ＦｅＣｏＡｌ合金からなる発振層１０ａのＡｌ原子の拡散を防止することが可能となる。その結果、良好なスピントルク発振子を作製することが可能となる。
従って、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子による安定した高周波磁界が得られ、高密度の磁気記録を実現できる磁気記録ヘッドが提供できる。
（第４の実施の形態）
以下、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記録装置及び磁気ヘッドアセンブリについて説明する。
上記で説明した本発明の実施形態に係る磁気記録ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録装置に搭載することができる。なお、本実施形態に係る磁気記録装置は、記録機能のみを有することもできるし、記録機能と再生機能の両方を有することもできる。
図１０は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
図１０に表したように、本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク１８０は、スピンドルモータ４に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本実施形態に係る磁気記録装置１５０は、複数の記録用媒体ディスク１８０を備えたものとしても良い。
記録用媒体ディスク１８０に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダー３は、既に説明したような構成を有し、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダー３は、例えば、前述した実施の形態に係る磁気記録ヘッドをその先端付近に搭載している。
記録用媒体ディスク１８０が回転すると、サスペンション１５４による押付け圧力とヘッドスライダー３の媒体対向面（ＡＢＳ）で発生する圧力とがつりあい、ヘッドスライダー３の媒体対向面は、記録用媒体ディスク１８０の表面から所定の浮上量をもって保持される。なお、ヘッドスライダー３が記録用媒体ディスク１８０と接触するいわゆる「接触走行型」としても良い。
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石及び対向ヨークからなる磁気回路とから構成することができる。
アクチュエータアーム１５５は、軸受部１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。その結果、磁気記録ヘッドを記録用媒体ディスク１８０の任意の位置に移動可能となる。
図１１（ａ）は、本実施形態に係る磁気記録装置の一部の構成を例示しており、ヘッドスタックアセンブリ１６０の拡大斜視図である。また、図１１（ｂ）は、ヘッドスタックアセンブリ１６０の一部となる磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）１５８を例示する斜視図である。
図１１（ａ）に表したように、ヘッドスタックアセンブリ１６０は、軸受部１５７と、この軸受部１５７から延出したヘッドジンバルアセンブリ１５８と、軸受部１５７からＨＧＡと反対方向に延出しているとともにボイスコイルモータのコイル１６２を支持した支持フレーム１６１を有している。
また、図１１（ｂ）に表したように、ヘッドジンバルアセンブリ１５８は、軸受部１５７から延出したアクチュエータアーム１５５と、アクチュエータアーム１５５から延出したサスペンション１５４と、を有している。
サスペンション１５４の先端には、既に説明した本発明の実施形態に係る磁気記録ヘッドを具備するヘッドスライダー３が取り付けられている。そして、既に説明したように、ヘッドスライダー３には、本発明の実施形態に係る磁気記録ヘッドが搭載される。
すなわち、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリ（ヘッドジンバルアセンブリ）１５８は、本発明の実施形態に係る磁気記録ヘッドと、前記磁気記録ヘッドが搭載されたヘッドスライダー３と、前記ヘッドスライダー３を一端に搭載するサスペンション１５４と、前記サスペンション１５４の他端に接続されたアクチュエータアーム１５５と、を備える。
サスペンション１５４は、信号の書き込み及び読み取り用、浮上量調整のためのヒーター用、スピントルク発振子用のリード線（図示しない）を有し、このリード線とヘッドスライダー３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続される。また、図示しない電極パッドが、ヘッドジンバルアセンブリ１５８に設けられる。本具体例においては、電極パッドは８個設けられる。すなわち、主磁極６１のコイル用の電極パッドが２つ、磁気再生素子７１用の電極パッドが２つ、ＤＦＨ（ダイナミックフライングハイト）用の電極パッドが２つ、スピントルク発振子１０用の電極パッドが２つ、設けられている。
そして、磁気記録ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う、図示しない信号処理部１９０が設けられる。信号処理部１９０は、例えば、図１０に例示した磁気記録装置１５０の図面中の背面側に設けられる。信号処理部１９０の入出力線は、ヘッドジンバルアセンブリ１５８の電極パッドに接続され、磁気記録ヘッドと電気的に結合される。
このように、本実施形態に係る磁気記録装置１５０は、磁気記録媒体と、上記の実施形態に係る磁気記録ヘッドと、磁気記録媒体と磁気記録ヘッドとを離間させ、または、接触させた状態で対峙させながら相対的に移動可能とした可動部と、磁気記録ヘッドを磁気記録媒体の所定記録位置に位置合せする位置制御部と、磁気記録ヘッドを用いて磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。
すなわち、上記の磁気記録媒体として、記録用媒体ディスク１８０が用いられる。
上記の可動部は、ヘッドスライダー３を含むことができる。
また、上記の位置制御部は、ヘッドジンバルアセンブリ１５８を含むことができる。
すなわち、本実施形態に係る磁気記録装置１５０は、磁気記録媒体と、本発明の実施形態に係る磁気ヘッドアセンブリと、前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気記録ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、を備える。
本実施形態に係る磁気記録装置１５０によれば、上記の実施形態のスピントルク発振子及び上記の実施形態に係る磁気記録ヘッドを用いることで、低電流密度で安定して発振が可能であり、かつ、面内高周波磁界の強度の高いスピントルク発振子による安定した高周波磁界が得られ、高密度の磁気記録を実現できる磁気記録装置が提供できる。
なお、本発明の実施形態に係る磁気記録装置において、スピントルク発振子１０は、主磁極６１のトレーリング側に設けることができる。この場合は、磁気記録媒体８０の磁気記録層８１は、まず、スピントルク発振子１０に対向し、その後で主磁極６１に対向する。
また、本発明の実施形態に係る磁気記録装置において、スピントルク発振子１０は、主磁極６１のリーディング側に設けることができる。この場合は、磁気記録媒体８０の磁気記録層８１は、まず、主磁極６１に対向し、その後でスピントルク発振子１０に対向する。
以下、上記の実施形態の磁気記録装置に用いることができる磁気記録媒体について説明する。
図１２は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置の磁気記録媒体の構成を例示する模式的斜視図である。
図１２に表したように、本発明の実施形態に係る磁気記録装置に用いられる磁気記録媒体８０は、非磁性体（あるいは空気）８７により互いに分離された垂直配向した多粒子系の磁性ディスクリートトラック（記録トラック）８６を有する。この磁気記録媒体８０がスピンドルモータ４により回転され、媒体移動方向８５に向けて移動する際に、上記の実施形態に係る磁気記録ヘッドのいずれかが設けられ、これにより、記録磁化８４を形成することができる。
このように、本発明の実施形態に係る磁気記録装置においては、磁気記録媒体８０は、隣接し合う記録トラック同士が非磁性部材を介して形成されたディスクリートトラック媒体とすることができる。
スピントルク発振子１０の記録トラック幅方向の幅（ＴＳ）を記録トラック８６の幅（ＴＷ）以上で、かつ記録トラックピッチ（ＴＰ）以下とすることによって、スピントルク発振子１０から発生する漏れ高周波磁界による隣接記録トラックの保磁力低下を大幅に抑制することができる。このため、本具体例の磁気記録媒体８０では、記録したい記録トラック８６のみを効果的に高周波磁界アシスト記録することができる。
本具体例によれば、いわゆる「べた膜状」の多粒子系垂直媒体を用いるよりも、狭トラックすなわち高トラック密度の高周波アシスト記録装置を実現することが容易になる。また、高周波磁界アシスト記録方式を利用し、さらに従来の磁気記録ヘッドでは書き込み不可能なＦｅＰｔやＳｍＣｏ等の高磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）の媒体磁性材料を用いることによって、媒体磁性粒子をナノメートルのサイズまでさらに微細化することが可能となり、記録トラック方向（ビット方向）においても、従来よりも遥かに線記録密度の高い磁気記録装置を実現することができる。
本実施形態に係る磁気記録装置によれば、ディスクリート型の磁気記録媒体８０において、高い保磁力を有する磁気記録層に対しても確実に記録することができ、高密度かつ高速の磁気記録が可能となる。
図１３は、本発明の実施形態に係る磁気記録装置の別の磁気記録媒体の構成を例示する模式的斜視図である。
図１３に表したように、本発明の実施形態に係る磁気記録装置に用いることができる別の磁気記録媒体８０は、非磁性体８７により互いに分離された磁性ディスクリートビット８８を有する。この磁気記録媒体８０がスピンドルモータ４により回転され、媒体移動方向８５に向けて移動する際に、本発明の実施形態に係る磁気記録ヘッドにより、記録磁化８４を形成することができる。
このように、本発明の実施形態に係る磁気記録装置においては、磁気記録媒体８０は、非磁性部材を介して孤立した記録磁性ドットが規則的に配列形成されたディスクリートビット媒体とすることができる。
本実施形態に係る磁気記録装置によれば、ディスクリート型の磁気記録媒体８０において、高い保磁力を有する磁気記録層に対しても確実に記録することができ、高密度かつ高速の磁気記録が可能となる。
この具体例においても、スピントルク発振子１０の記録トラック幅方向の幅（ＴＳ）を記録トラック８６の幅（ＴＷ）以上で、かつ記録トラックピッチ（ＴＰ）以下とすることによって、スピントルク発振子１０から発生する漏れ高周波磁界による隣接記録トラックの保磁力低下を大幅に抑制することができるため、記録したい記録トラック８６のみを効果的に高周波磁界アシスト記録することができる。本具体例を用いれば、使用環境下での熱揺らぎ耐性を維持できる限りは、磁性ディスクリートビット８８の高磁気異方性エネルギー（Ｋｕ）化と微細化を進めることで、１０Ｔｂｉｔｓ／ｉｎｃｈ２以上の高い記録密度の高周波磁界アシスト記録装置を実現できる可能性がある。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、スピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置を構成する各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したスピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのスピントルク発振子、磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリ及び磁気記録装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子の構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子の特性を例示するグラフ図である。 第１の比較例のスピントルク発振子の特性を例示するグラフ図である。 本発明の第２の実施形態に係るスピントルク発振子の構成を例示する模式的断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るスピントルク発振子における特性を例示するグラフ図である。 本発明の第１の実施形態に係るスピントルク発振子に用いられるＦｅＣｏＡｌ合金の特性を例示するグラフ図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドの構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドが搭載されるヘッドスライダーの構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気記録ヘッドに用いられるスピントルク発振子の構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る磁気記録装置の一部の構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の実施形態に係る磁気記録装置の磁気記録媒体の構成を例示する模式的斜視図である。 本発明の実施形態に係る磁気記録装置の別の磁気記録媒体の構成を例示する模式的斜視図である。
符号の説明
３ ヘッドスライダー
３Ａ 空気流入側
３Ｂ 空気流出側
４ スピンドルモータ
５ 磁気記録ヘッド、
１０、１０ｂ スピントルク発振子
１０ａ、１０ｃ 発振層
１６ 非晶質層
２２ 非磁性層
２５ 積層構造体
３０ スピン注入層
４１ 第１電極
４２ 第２電極
５１ 磁気記録ヘッド
６０ 書き込みヘッド部
６１ 主磁極
６１ｓ 媒体対向面
６２ シールド（リターンパス）
７０ 再生ヘッド部
７１ 磁気再生素子
７２ａ、７２ｂ 磁気シールド層
８０ 磁気記録媒体
８１ 磁気記録層
８２ 媒体基板
８３ 磁化
８４ 記録磁化
８５ 媒体移動方向
８６ 記録トラック
８７ 非磁性体
８８ 磁気ディスクリートビット
１５０ 磁気記録装置
１５４ サスペンション
１５５ アクチュエータアーム
１５６ ボイスコイルモータ
１５７ 軸受部
１５８ ヘッドジンバルアセンブリ（磁気ヘッドアセンブリ）
１６０ ヘッドスタックアセンブリ
１６１ 支持フレーム
１６２ コイル
１８０ 記録用媒体ディスク
１９０ 信号処理部

Claims (13)

  1. 第１の電極と、
    前記第１の電極上に設けられた非晶質軟磁性層と、
    該非晶質軟磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有する非磁性層と、
    該非磁性層上に設けられ、最密結晶構造を有し、垂直磁気異方性を有する硬磁性層と、
    前記硬磁性層上に設けられた第２の電極と、
    を備え、前記第１の電極から前記第２の電極間で通電することにより前記非晶質軟磁性層の磁化が発振するスピントルク発振子。
  2. 前記非晶質軟磁性層は、Ｆｅ−Ｃｏ合金を主成分とし、１０原子パーセント以上のＢを含む請求項１に記載のスピントルク発振子。
  3. 前記非晶質軟磁性層と前記非磁性層との間に、Ｆｅ−Ｃｏ−（Ａｌ、Ｓｉ）合金を含み、０．５ないし２ｎｍの厚さを有する軟磁性層がさらに設けられた請求項１または２に記載のスピントルク発振子。
  4. 前記硬磁性層は、Ｃｏ、Ｐｔを含有する請求項１〜３のいずれか１つに記載のスピントルク発振子。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載したスピントルク発振子と、
    前記スピントルク発振子に併置された主磁極と、
    を備える磁気記録ヘッド。
  6. 前記非晶質軟磁性層および前記結晶質軟磁性層の保磁力は前記主磁極から印加される磁界より小さく、前記硬磁性層の保磁力は前記主磁極から印加される磁界より小さい請求項５に記載の磁気記録ヘッド。
  7. 前記非晶質軟磁性層および前記結晶質軟磁性層は、前記主磁極と前記硬磁性層との間に配置されている請求項５または６に記載の磁気記録ヘッド。
  8. 請求項５〜７のいずれか１つに記載の磁気記録ヘッドと、
    前記磁気記録ヘッドが搭載されたヘッドスライダーと、
    前記ヘッドスライダーを一端に搭載するサスペンションと、
    前記サスペンションの他端に接続されたアクチュエータアームと、
    を備える磁気ヘッドアセンブリ。
  9. 磁気記録媒体と、
    請求項８記載の磁気ヘッドアセンブリと、
    前記磁気ヘッドアセンブリに搭載された前記磁気記録ヘッドを用いて前記磁気記録媒体への信号の書き込みと読み出しを行う信号処理部と、
    を備える磁気記録装置。
  10. 前記スピントルク発振子は、前記主磁極のトレーリング側に設けられている請求項９記載の磁気記録装置。
  11. 前記スピントルク発振子は、前記主磁極のリーディング側に設けられている請求項９記載の磁気記録装置。
  12. 前記磁気記録媒体は、隣接し合う記録トラック同士が非磁性部材を介して形成されたディスクリートトラック媒体である請求項９〜１１のいずれか１つに記載の磁気記録装置。
  13. 前記磁気記録媒体は、非磁性部材を介して孤立した記録磁性ドットが規則的に配列形成されたディスクリートビット媒体である請求項９〜１１のいずれか１つに記載の磁気記録装置。
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