JP2798122B2

JP2798122B2 - コルビーノ構造を用いた非磁性磁気抵抗効果型再生ヘッド

Info

Publication number: JP2798122B2
Application number: JP7287606A
Authority: JP
Inventors: エイ．ソーリンスチュワート; エス．ウィングリーンネド
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2015-11-06
Also published as: US5699215A; JPH08241505A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は磁気抵抗素子に関し、より詳しく
は磁気ディスクまたはこれに相当する磁気記憶装置に記
憶された磁気パターンを読み取るヘッドに関する。

【０００２】磁気記憶装置はより多くの情報を記憶する
ように製造されるため、このようにして記憶された情報
の密度は益々高くなる。このため、記憶情報を構成する
整列された磁気モーメントの領域寸法もより小さくしな
ければならなかった。読み出される記憶パターンは、整
列された磁気モーメントの方向変化により生ずる外部磁
界であり、この磁界は磁気モーメントの領域が小さくな
るにしたがって小さくなる。この結果、記憶パターンの
再生ヘッドに対してより大きな感度が要求されていた。

【０００３】最近一般に用いられている再生ヘッドに
は、誘導型及び磁気抵抗型の２つのタイプが存在する。
磁性及び非磁性材料はいずれも磁気抵抗を示すが、ヘッ
ドは現在においては一般にＮｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏある
いはＦｅ₃Ｏ₄のような磁性材料から作られる。このよ
うな材料の抵抗は、ヘッド内の感知電流の方向に対する
ヘッド材料内の磁気モーメントの整列に依存する。磁気
パターンが記憶されたトラックを再生ヘッドが走査する
にしたがって、このパターンから生ずる磁界変化はヘッ
ド内の磁気モーメントを再整列させる。この再整列はヘ
ッドの抵抗に感知可能な変化を生ずる。磁性磁気抵抗セ
ンサにおいては、感知材料は適当な支持材料の上に、そ
の面が磁気記録媒体の面に対して垂直となるように層と
して形成されてきた。その間の抵抗変化が測定される一
対の電極が、それらの間に維持される電圧により薄膜内
に形成される電界が名目上前記層の面内にあり、かつ、
変化する磁界の方向に対して垂直となるように配置され
ている。これらの層は典型的なものは金属のような導電
性材料であるため、電極間の抵抗は小さくなる傾向があ
り、十分な効率を得るためには重要である、関連する検
出回路とのインピーダンスマッチングが比較的困難にな
る。

【０００４】磁気抵抗型の再生ヘッドは磁束の時間微分
よりはむしろ磁束を感知する。磁束の時間微分は誘導型
ヘッドにとっては、磁気抵抗応答を媒体の速度あるいは
測定すべき磁界変化の速度に対して無関係にできるた
め、好ましい。しかし、薄膜堆積技術の制約により、磁
性磁気抵抗ヘッドの最小高を４ミクロンに制限する。こ
の最小高はヘッド（シールドされていない）の解像度を
その約１／２に制限する。解像度は磁気シールドにより
改善できるが、これはヘッドの設計を著しく複雑化し、
あるいは感度を低下させる。磁性磁気抵抗ヘッドはま
た、ヘッドの設計に更に複雑さをもたらすバイアスを要
求する。磁界センサにおける磁気抵抗感知素子としての
利用のために、また、アンチモン化インジウムのような
高電子移動度化合物半導体が、早い時期において提案さ
れた。かかる材料の磁気抵抗は、磁界により誘導された
変化に関連する磁性磁気抵抗材料内の永久磁気モーメン
トの間接的な擾乱とは対称的に、印加された磁界により
直接に誘導される荷電担体の交番電界から生ずる。非磁
性磁気抵抗材料は、測定機器との良好なインピーダンス
マッチングを実現する高抵抗Ｒ及び高磁気抵抗値ΔＲ／
Ｒの両方を持たせることが可能である。１９８６年７／
８月発行のＪ．Ｍａｔ．Ｒｅｓ．１（４）掲載の論文
「高感度磁気抵抗素子用薄膜ＩｎＳｂの準備及び結晶特
性」を参照。しかし、この種の非磁性磁気抵抗センサ
は、おそらくそれらは金属磁性材料と同じ形状で用いら
れる場合には十分な感度が得られないため、広く受け入
れられなかったように見える。

【０００５】上述したように、記憶されたパターンの読
み出しのためにヘッドがトラックを走査する際の再生ヘ
ッドの磁性磁気抵抗層の磁気抵抗変化は、一般に構造の
単純化のために、活性層の両端に配置された一対の電極
により測定される。しかしながら、他の形状としてコル
ビーノ構造が非磁性磁気抵抗素子の抵抗変化の測定用と
して長い間知られてきた。コルビーノ構造においては、
電極構造として必須ではないが典型的にはディスク状の
点とリング形状からなる、中央電極とこれを取り囲む環
状電極とを含んでいる。しかしながら、かかる形状は特
に磁気パターンのトラックが非常に接近して配置される
磁気領域を含む場合、磁気パターンの再生用のヘッドに
は提案されなかったように見える。

【０００６】本発明によれば、一般には室温である動作
温度において磁界変化に対して高感度を示し、ウェハに
関連する電極形状がコルビーノ構造であるインジウムア
ンチモンあるいは水銀カドミウムテルルのような単結晶
非磁性磁気抵抗化合物半導体ウェハにより活性層が有効
に形成され、微細で、近接して配置された磁気パターン
を読み出すことができるヘッドが得られる。特に、電極
構造は望ましくは細長いストライプ形状の内部電極と、
この内部電極を囲み、望ましくは細長いストライプから
均等に分離するための矩形の外部電極からなっている。
再生ヘッドの活性幅を本質的に区画する矩形外部電極の
短い方の内部寸法は、より典型的には１０００オングス
トロームであるが、５００オングストロームと小さく、
これによって走査される記憶パターンを形成する磁気領
域に基づく磁界変化を解像するに十分に構成されてい
る。更に、ウェハは、その面が記憶媒体の面に平行で、
走査される領域パターンの逆転から生ずる外部磁界に垂
直となるように再生ヘッドに支持される。この構造は、
活性層の全幅が磁界変化が最大になる記憶パターンに均
等に接近することを可能とするため、再生動作の効率を
高めることができる。更に、このようなヘッド設計は磁
性磁気抵抗ヘッドに比較して感度を高めるばかりでな
く、磁気シールドやバイアスの必要性をなくすことがで
きる。

【０００７】図１を参照すると、従来の再生ヘッド１０
の動作部分が示されている。この再生ヘッド１０はディ
スク１１の上に配置され、そのトラック１２内に記憶さ
れた磁気パターンを読み出す。再生ヘッド１０は適当な
基板（図示せず）上に配置された感知素子として磁性磁
気抵抗材料からなる層１４を含んでいる。トラック１２
は典型的にはディスク１１上で複数の同心円を形成して
いる。再生ヘッド１０は活性感知素子である層１４が、
検索されるべき特定の情報が記憶されているトラック上
に配置されるようにヘッドを移動する手段を含む、支持
手段（図示せず）により支持されている。情報は転移領
域１３上における外部磁界Ｈの変化、すなわち、磁気媒
体のトラック１２に沿って延長される整列磁気モーメン
ト１５の方向変化として記憶されている。

【０００８】このような構造において、異なる高さの活
性層１４が読み出されるべき磁気パターンの表面から異
なる距離で配置される。このことは、磁気パターンから
の距離が増加するとともに、かかる磁界は急速に減少す
るため、活性層により感知される平均外部磁界Ｈの強度
を減少する傾向がある。活性層１４にはその両端に適当
な導体からなる一対の電極１６Ａ、１６Ｂが設けられ
る。これらの電極により電界Ｅ及び対応する感知電流が
外部磁界Ｈに垂直な活性層の面内に生成される。ここ
で、外部磁界Ｈは記憶パターンの領域反転によりトラッ
クに沿って生成される。これらの電界Ｅ及び磁界Ｈは活
性層の面内に存在する。磁界Ｈの変化に応答する電極１
６Ａ、１６Ｂ間の抵抗変化は、パターン内に記憶された
情報を読み出すために、感知され増幅される。

【０００９】図２は本発明の好ましい実施例による磁気
センサ装置を示している。活性磁気抵抗素子が適当な支
持体２０の底面に設けられた薄いウェハ（図示せず）と
前記ウェハの底面に設けられた電極２６Ａ、２６Ｂを含
むコルビーノ構造として設けられている。このセンサに
おいてウェハは強い磁気抵抗効果を奏する高い電子移動
度により特徴付けられる非磁性結晶化合物半導体により
構成されている。ウェハ及び付着された電極２６Ａ、２
６Ｂはトラック２４内の一連の磁化領域として記憶され
たパターンを含むディスク２２の上方に配置されてい
る。しかしながら、このような構成においては、活性磁
気抵抗素子は、転移領域２３上で読み出される外部磁界
Ｈがこの素子を十分にその面に垂直に通過するように向
けられている。

【００１０】ディスク２２に間隔をおいて隣接配置され
るウェハの表面に固定された電極の構造は、適当な導体
からなる内部電極２６Ａと、これを取り囲む矩形電極２
６Ｂからなっている。これらの２つの電極間には適当な
電圧が印加され、これによって電極間には電界及び感知
電流が生成される。これらの電界及び感知電流はウェハ
の面内に存在し、ウェハはこれを横切る磁界に十分に垂
直となっている。測定されるべき電極間の抵抗変化は記
憶情報を表す信号として増幅される。

【００１１】隣接するトラックとのクロストークを避け
るために、コルビーノ構造のトラックを横切る動作部分
の長手方向の寸法はトラックの幅より大きくしないこと
が望ましい。結晶化合物半導体は、磁気抵抗特性を呈す
る必要があるにも拘らず、非磁性であることが望まし
い。当業者には周知のように、磁界がコルビーノ構造に
対して垂直な場合には、この特性は印加された磁界強度
の２乗に比例し、また、電子移動度の２乗に比例する。
したがって、選定される非磁性半導体は企図される応用
における動作温度、すなわち典型的には室温で高い電子
移動度を有するものであることが望ましい。インジウム
アンチモン単結晶、好ましくは最大の室温電子移動度を
得るためにはドープされない単結晶が適当な材料であ
る。電子移動度としては適当な下限である５×１０⁴ｃ
ｍ²／Ｖｓｅｃを少なくとも有する種々の化合物半導体
が知られている。

【００１２】検出回路との良好なインピーダンスマッチ
ングのためには、また、半導体ウェハは動作温度におい
て、その電極間に適当な直列抵抗を有することが重要で
ある。典型的には約２０オームの抵抗が望ましいと考え
られる。所望の電極間直列抵抗はウェハと電極構造を選
択することにより容易に測定可能である。外部電極によ
り囲まれた部分のウェハを薄くすることは抵抗を増加す
る一つの手段であり、ウェハをより導電性にするために
ドーピングすることは抵抗を減少させる手段である。

【００１３】特に、電極構造として細長い内部電極とこ
の電極の全長に沿って２つの電極間の間隔が相対的に均
一な矩形の外部電極を含む場合には、所望の抵抗を実現
することが望ましい。特に、内部電極はディスクが回転
するときトラックの走行方向を横切って延長されるよう
に配置される。矩形電極の長手方向の寸法は典型的には
トラック幅、すなわち、ほぼ５ミクロンであり、他方、
狭いほうの寸法は好ましくは５００オングストロームと
１０００オングストロームの間の値とすべきである。内
部電極の幅は製造上の便宜が許す限り薄くすべきであ
る。

【００１４】場合によっては容易に取り扱いでき、ウェ
ハの動作領域を外部電極の形状寸法により所望の寸法に
限定するために、必要な大きさと機械的強度を有する十
分な大きさのウェハから始めてウェハの背面から材料を
除去することにより、ウェハの動作領域を薄くして抵抗
を所望の値に整えることも望ましい。

【００１５】種々の磁気抵抗材料を比較するための評価
値としては次の値が適当と考えられる。

【００１６】 ΔＲ／Ｒ＝［（Ｒ（Ｈ）−Ｒ₀）／Ｒ₀］Ｈ_R ここで、Ｒ（Ｈ）は強度Ｈの磁界の存在下での抵抗、Ｒ
₀はゼロ磁界下での抵抗、そしてＨ_Rは、評価値が適用
可能な応用下での磁界強度である。印加された磁界から
生ずる抵抗の部分変化ΔＲ／Ｒは典型的なケースにおい
て実際に感知される値である。

【００１７】図１の装置に示された活性層の垂直方向の
寸法は、横方向の適当な空間的な解像度を維持しつつ、
適当な信号を得るために十分な体積の磁気材料の露出が
要求されるものと考えられる。このことは磁気材料のデ
ィスク表面上からの平均高さを増加することになり、こ
の結果、磁界はディスクからの距離とともにその強度が
減少するため、活性層により受け止められる平均磁界強
度は減少する。

【００１８】この結果、図２に示される装置において許
容される水平平坦面の寸法は、ディスクからより小さく
分離すればよく、また、図１の装置に関連する垂直平坦
面よりも高い磁界強度の領域に配置することができると
いう利点がある。

【００１９】評価値がΔＲ／Ｒである点に注目すると、
抵抗が磁界強度によりどのように変化するかを知ること
は重要である。

【００２０】図３は図１に示す磁性磁気抵抗材料及び図
２の非磁性磁気抵抗材料の抵抗を磁界強度の関数として
示した典型的なプロット曲線である。曲線３０で示され
る磁性磁気抵抗材料の抵抗は、徐々に減少して飽和値に
達し、この結果高い磁界においては評価値ΔＲ／Ｒは飽
和することに注目すべきである。バイアスによりこの評
価値の減少を最小化することは原理的には可能である
が、ハードウェア上の制約により、ヘッドと媒体との最
小平均距離が必然的に制限されるため、実際にはこのよ
うな目的のバイアスは有効ではない。他方、本発明の実
施のために提案された非磁性磁気抵抗半導体センサの場
合、曲線３１に見られるように、抵抗は磁界強度に対し
て２次方程式的に増加し、この結果、磁界強度変化が活
性層によりより強く感知されるとΔＲ／Ｒはより高くな
る。したがって、図２の平坦な水平構成によれば、より
高い磁界強度の領域内にそれ自身を置くことができるた
め、より小さな分離により、より高い評価値を得ること
ができる。

【００２１】図２の半導体装置の利用において、ドープ
されない単結晶化合物半導体は現在のところ最良の特性
を得ることができると考えられる。III−Ｖ族化合物半
導体のうち、ＩｎＳｂは実用上最も高い温度、これは感
度を主要な関心事とした場合の特性であるが、最高の電
子移動度を有するものと考えられている。更に、室温で
の移動度は、より高い値が要求される場合には、更に増
加することが可能である。一つの方法としては、結晶を
十分に湾曲した表面に設置することにより結晶に曲げ応
力を印加して、バンドギャップを減少させることにより
電子移動度を増加させる方法がある。他の方法として
は、低ノイズ増幅器においてガリウムひ素結晶を冷却す
るように、結晶を例えばマイクロペルチエ冷却チップ上
のような適当な環境に置くことにより冷却する方法であ
る。

【００２２】II−VI族化合物半導体のうち、特に高移動
度の活性層は、３元化合物Ｈｇ_xＣｄ_1-xＴｅにより得
られる。ここでｘは約０．１７という値を有する。この
材料においては、バンドギャップは非常に小さく、ｘを
変えることにより調整可能であり、電子移動度は非常に
高い。

【００２３】上述した特定の実施例は本発明の一般的な
原理の単なる例であることが理解できる。当業者には本
発明の精神及び範囲を逸脱することなく他の材料及び他
の装置が考えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の再生センサの磁性磁気抵抗の構造及びこ
れと記憶パターンとの関係を示す斜視図である。

【図２】本発明の再生センサの非磁性磁気抵抗半導体の
構造及びこれと記憶パターンとの関係を示す斜視図であ
る。

【図３】再生センサの非磁性磁気抵抗半導体構造及び磁
性磁気抵抗構造の磁界強度に対する磁気抵抗応答を比較
する曲線を示す。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】記憶装置内のトラックに沿った一連の磁
気領域として記憶された磁気パターンを読み取るための
非磁性磁気抵抗ヘッドであって、企図される動作温度で高い電子移動度を示し、少なくも
１個の実質的に平坦な面を有する材料からなる非磁性半
導体ウェハと、前記半導体ウェハの平坦な面上に設けられた内部電極及
びこの内部電極を囲む外部電極からなる電極手段と、前記半導体ウェハの平坦な面が記憶媒体の磁気パターン
に間隔をおいて隣接配置されるように前記半導体ウェハ
の平坦な面を支持する手段とを備え、この支持手段は、前記磁気パターンが走査されたとき、
前記磁気パターンの領域の極性方向の反転により生ずる
外部磁界が前記半導体ウェハをその平坦な面に対して実
質的に垂直な方向に横切るように支持することを特徴と
する非磁性磁気抵抗ヘッド。
【請求項２】前記内部電極はストライプ形状をしてお
り、前記外部電極はほぼ矩形状であることを特徴とする
請求項１記載の非磁性磁気抵抗再生ヘッド。
【請求項３】前記外部電極の長手方向の寸法はほぼ、
前記トラックを横切る方向の寸法に合わせていることを
特徴とする請求項２記載の非磁性磁気抵抗再生ヘッド。
【請求項４】前記ウェハ材料の電子移動度は少なくも
５×１０⁴ｃｍ²／Ｖｓｅｃであることを特徴とする請
求項１記載の非磁性磁気抵抗再生ヘッド。
【請求項５】前記ウェハ材料は非ドープインジウムア
ンチモン単結晶であることを特徴とする請求項４記載の
非磁性磁気抵抗再生ヘッド。
【請求項６】前記ウェハ材料はＨｇ_0.17Ｃｄ_0.83Ｔｅ
であることを特徴とする請求項４記載の非磁性磁気抵抗
再生ヘッド。
【請求項７】内部電極及び外部電極間の直列抵抗は約
２０オームであることを特徴とする請求項１記載の非磁
性磁気抵抗再生ヘッド。
【請求項８】前記外部電極の長手方向の寸法は約５ミ
クロンであり、短手方向の寸法は約５００乃至１０００
オングストロームであることを特徴とする請求項７記載
の非磁性磁気抵抗再生ヘッド。