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特開2025-3937スピン軌道トルク層とハイブリッドした非局在スピンバルブ読み取りセンサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025003937
(43)【公開日】2025-01-14
(54)【発明の名称】スピン軌道トルク層とハイブリッドした非局在スピンバルブ読み取りセンサ
(51)【国際特許分類】
G11B 5/31 20060101AFI20250106BHJP
G11B 5/39 20060101ALI20250106BHJP
G11B 5/02 20060101ALI20250106BHJP
G11B 5/09 20060101ALI20250106BHJP
【ＦＩ】
G11B5/31 A
G11B5/31 E
G11B5/31 Q
G11B5/39
G11B5/02 R
G11B5/09 321Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】30
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024097247
(22)【出願日】2024-06-17
(31)【優先権主張番号】63/521,819
(32)【優先日】2023-06-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】18/367,877
(32)【優先日】2023-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京科学大学
(71)【出願人】
【識別番号】504056130
【氏名又は名称】ウェスタン デジタル テクノロジーズ インコーポレーテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(74)【代理人】
【識別番号】100109047
【弁理士】
【氏名又は名称】村田 雄祐
(74)【代理人】
【識別番号】100109081
【弁理士】
【氏名又は名称】三木 友由
(74)【代理人】
【識別番号】100133215
【弁理士】
【氏名又は名称】真家 大樹
(72)【発明者】
【氏名】ファム ナム ハイ
(72)【発明者】
【氏名】クアン レイ
(72)【発明者】
【氏名】リウ シャオユン
(72)【発明者】
【氏名】ブライアン アール ヨーク
(72)【発明者】
【氏名】チャーニー ファン
(72)【発明者】
【氏名】ソン ティー レイ
(72)【発明者】
【氏名】高野 公史
(72)【発明者】
【氏名】トゥオ ファン
(72)【発明者】
【氏名】ハッサン オスマン
(57)【要約】 （修正有）
【課題】磁気記録装置で使用するための高信号出力を有する読み取りヘッドを含む磁気記録ヘッドを提供する。
【解決手段】読み取りヘッド５００は、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置されたセンサ５４０と、センサから離れて配置され、ＭＦＳから後退したスピン発生器５５０と、を備える。センサ及びスピン発生器は、非磁性層４０６の上に配置されている。センサは自由層を含み、スピン発生器は少なくとも１つのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層５１０を含む。ＳＯＴ層は、ＢｉＳｂのようなトポロジカル材料で構成される。センサは、第１の電圧リード線Ｖ＋および第２の電圧リード線Ｖ－を用いて読み取り信号を検出する。スピン発生器は、第１の電流リードＩ＋および第２の電流リード線Ｉ－を用いて、非磁性層を介してセンサにスピン流を注入するリード線。非磁性層の形状は、スピン流をさらに集中させるために三角形または台形である。
【選択図】図５Ａ－５Ｂ
【解決手段】読み取りヘッド５００は、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置されたセンサ５４０と、センサから離れて配置され、ＭＦＳから後退したスピン発生器５５０と、を備える。センサ及びスピン発生器は、非磁性層４０６の上に配置されている。センサは自由層を含み、スピン発生器は少なくとも１つのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層５１０を含む。ＳＯＴ層は、ＢｉＳｂのようなトポロジカル材料で構成される。センサは、第１の電圧リード線Ｖ＋および第２の電圧リード線Ｖ－を用いて読み取り信号を検出する。スピン発生器は、第１の電流リードＩ＋および第２の電流リード線Ｉ－を用いて、非磁性層を介してセンサにスピン流を注入するリード線。非磁性層の形状は、スピン流をさらに集中させるために三角形または台形である。
【選択図】図５Ａ－５Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１のシールドと、
第２のシールドと、
前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、
前記非磁性層に隣接して配置され、前記ＭＦＳから第１の距離後退したスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記センサから離れており、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層を含み、
前記第１の距離は、前記ＭＦＳから測定される前記自由層の高さよりも大きい、
読み取りヘッド。
第２のシールドと、
前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、
前記非磁性層に隣接して配置され、前記ＭＦＳから第１の距離後退したスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記センサから離れており、スピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層を含み、
前記第１の距離は、前記ＭＦＳから測定される前記自由層の高さよりも大きい、
読み取りヘッド。
【請求項2】
前記スピン発生器は、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置されている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項3】
前記第１のシールドに接続された負電圧リード線と、
前記第２のシールドに接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電流リード線と、をさらに備え、
前記正電流リード線および前記負電流リード線は、クロストラック方向に前記ＳＯＴ層を貫通する電流経路を提供するように位置合わせされている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記第２のシールドに接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電流リード線と、をさらに備え、
前記正電流リード線および前記負電流リード線は、クロストラック方向に前記ＳＯＴ層を貫通する電流経路を提供するように位置合わせされている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項4】
前記非磁性層に接続された負電圧リード線と、
前記第２のシールドに接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電流リード線と、をさらに備え、
前記正電流リード線および前記負電流リード線は、クロストラック方向に前記ＳＯＴ層を貫通する電流経路を提供するように位置合わせされている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記第２のシールドに接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電流リード線と、をさらに備え、
前記正電流リード線および前記負電流リード線は、クロストラック方向に前記ＳＯＴ層を貫通する電流経路を提供するように位置合わせされている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項5】
前記第１のシールドに接続された負電流リード線と、
前記第２のシールドに接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記第２のシールドに接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項6】
前記非磁性層に接続された負電流リード線と、
前記第２のシールドに接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記第２のシールドに接続された正電流リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、
前記ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項7】
前記ＳＯＴ層は、トポロジカル絶縁材料を含む、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項8】
前記トポロジカル絶縁材料は、ＢｉＳｂである、
請求項７に記載の読み取りヘッド。
請求項７に記載の読み取りヘッド。
【請求項9】
前記非磁性層は、第１の部分および第２の部分を含み、
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも大きい幅を有し、
前記第１の部分は、前記スピン発生器に隣接して配置され、
前記第２の部分は、前記センサに隣接して配置される、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも大きい幅を有し、
前記第１の部分は、前記スピン発生器に隣接して配置され、
前記第２の部分は、前記センサに隣接して配置される、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項10】
前記スピン発生器は、前記非磁性層の上に配置されたシード層と、前記ＳＯＴ層の上に配置されたキャップ層とをさらに含み、
前記センサは、前記非磁性層の上に配置された第１のトンネルバリア層と、前記自由層の上に配置されたキャップ層とをさらに含む、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
前記センサは、前記非磁性層の上に配置された第１のトンネルバリア層と、前記自由層の上に配置されたキャップ層とをさらに含む、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項11】
前記スピン発生器は、前記非磁性層と前記第１のシールドとの間に配置されている、
請求項１に記載の読み取りヘッド。
請求項１に記載の読み取りヘッド。
【請求項12】
請求項１に記載の読み取りヘッドを備える、
磁気記録ヘッド。
磁気記録ヘッド。
【請求項13】
請求項１２に記載の磁気記録ヘッドを備える、
磁気記録装置。
磁気記録装置。
【請求項14】
読み取りヘッドを備え、
前記読み取りヘッドは、
シールドノッチを含む第１のシールドと、
第２のシールドと、
前記シールドノッチと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、
前記ＭＦＳから後退して配置されており、前記センサから離れているスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層と、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層と、を含む、
磁気記録ヘッド。
前記読み取りヘッドは、
シールドノッチを含む第１のシールドと、
第２のシールドと、
前記シールドノッチと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、
前記ＭＦＳから後退して配置されており、前記センサから離れているスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層と、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層と、を含む、
磁気記録ヘッド。
【請求項15】
前記第１のＳＯＴ層は、前記シールドノッチと隣り合って配置され、
前記第２のＳＯＴ層は、前記自由層と隣り合って配置される、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
前記第２のＳＯＴ層は、前記自由層と隣り合って配置される、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項16】
前記非磁性層は、前記センサと前記スピン発生器との間において延在し、１００ｎｍ～３００ｎｍの高さを有する、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項17】
前記読み取りヘッドは、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、をさらに備える、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、をさらに備える、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項18】
前記読み取りヘッドは、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項19】
前記読み取りヘッドは、前記シールドノッチと前記非磁性層との間に配置された非磁性ノッチをさらに備える、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項20】
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置されている、
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
請求項１４に記載の磁気記録ヘッド。
【請求項21】
請求項１４に記載の磁気記録ヘッドを備える、
磁気記録装置。
磁気記録装置。
【請求項22】
読み取りヘッドを備え、
前記読み取りヘッドは、
第１のシールドと、
第２のシールドと、
前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された、第１の自由層および第２の自由層を含むセンサと、
前記ＭＦＳから後退して配置されており、前記センサから離れているスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層と、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層と、を含む、
磁気記録装置。
前記読み取りヘッドは、
第１のシールドと、
第２のシールドと、
前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、
媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）において前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置された、第１の自由層および第２の自由層を含むセンサと、
前記ＭＦＳから後退して配置されており、前記センサから離れているスピン発生器と、を備え、
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層と、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層と、を含む、
磁気記録装置。
【請求項23】
前記読み取りヘッドは、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項24】
前記読み取りヘッドは、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、
前記第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、
前記第２のＳＯＴ層に接続され、前記第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項25】
前記第１の自由層は、前記第１のシールドと前記非磁性層との間に配置され、
前記第２の自由層は、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記第２の自由層は、前記非磁性層と前記第２のシールドとの間に配置される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項26】
前記読み取りヘッドは、
前記ＭＦＳにおいて前記第１の自由層と隣り合って配置された第１のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第１の自由層と隣り合って配置された第２のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第２の自由層と隣り合って配置された第３のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第２の自由層と隣り合って配置された第４のソフトバイアス側シールドと、
前記第１のソフトバイアス側シールドと前記第３のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第１のＲｕ層と、
前記第２のソフトバイアス側シールドと前記第４のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第２のＲｕ層と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記ＭＦＳにおいて前記第１の自由層と隣り合って配置された第１のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第１の自由層と隣り合って配置された第２のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第２の自由層と隣り合って配置された第３のソフトバイアス側シールドと、
前記ＭＦＳにおいて前記第２の自由層と隣り合って配置された第４のソフトバイアス側シールドと、
前記第１のソフトバイアス側シールドと前記第３のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第１のＲｕ層と、
前記第２のソフトバイアス側シールドと前記第４のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第２のＲｕ層と、をさらに備える、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項27】
前記第１の自由層は、第１の絶縁層によって前記第１のＳＯＴ層から離され、
前記第２の自由層は、第２の絶縁層によって前記第２のＳＯＴ層から離される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記第２の自由層は、第２の絶縁層によって前記第２のＳＯＴ層から離される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項28】
前記第１のＳＯＴ層および前記第２のＳＯＴ層は、それぞれ個別に、５ｎｍ～２０ｎｍの厚さ、１００ｎｍ～１μｍの高さ、および１００ｎｍ未満の幅を有する、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項29】
前記非磁性層は、前記センサと前記スピン発生器との間において延在し、１００ｎｍ～３００ｎｍの高さを有し、第１の部分および第２の部分を含み、
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも大きい幅を有し、前記スピン発生器に隣接して配置され、
前記第２の部分は、前記センサに隣接して配置される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも大きい幅を有し、前記スピン発生器に隣接して配置され、
前記第２の部分は、前記センサに隣接して配置される、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【請求項30】
前記スピン発生器は、前記第１のシールドと前記第２のシールドとの間に配置されている、
請求項２２に記載の磁気記録装置。
請求項２２に記載の磁気記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願との相互参照
本出願は、２０２３年６月１９日に出願された米国仮特許出願６３／５２１，８１９の利益を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２３年６月１９日に出願された米国仮特許出願６３／５２１，８１９の利益を主張するものであり、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
開示の背景
本開示の実施形態は、一般に、磁気媒体ドライブまたはハードディスクドライブなどの読み取りヘッドを含む磁気記録ヘッドに関する。
本開示の実施形態は、一般に、磁気媒体ドライブまたはハードディスクドライブなどの読み取りヘッドを含む磁気記録ヘッドに関する。
【背景技術】
【0003】
関連技術の説明
コンピュータの心臓部はハードディスクドライブである。ディスクの磁気面に非常に接近して配置された読み取りヘッドおよび書き込みヘッドを通過してディスクが回転すると、ディスクへの情報の書き込みおよびディスクからの情報の読み出しが行われる。トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive）効果、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果、異常磁気抵抗（ＥＭＲ：Extraordinary Magneto-Resistive）効果、スピントルク発振器（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）効果、非局在スピンバルブ（ＮＬＳＶ：Mon-Localize Spin Valve）など、様々な物理的メカニズムに基づき、線形密度を高めるために様々な読み取りヘッド設計が提案されてきた。
コンピュータの心臓部はハードディスクドライブである。ディスクの磁気面に非常に接近して配置された読み取りヘッドおよび書き込みヘッドを通過してディスクが回転すると、ディスクへの情報の書き込みおよびディスクからの情報の読み出しが行われる。トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive）効果、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive）効果、異常磁気抵抗（ＥＭＲ：Extraordinary Magneto-Resistive）効果、スピントルク発振器（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）効果、非局在スピンバルブ（ＮＬＳＶ：Mon-Localize Spin Valve）など、様々な物理的メカニズムに基づき、線形密度を高めるために様々な読み取りヘッド設計が提案されてきた。
【0004】
ＮＬＳＶ設計では、リードヘッドは空間的に分離した２つのトンネル接合構造を含むことがあり、一方のトンネル接合構造は媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）から後退しており、他方のトンネル接合構造はＭＦＳに配置されている。後退した構造は、多くの場合、スピン注入用の固定磁化を有するピン止め層および強磁性層を含む。しかしながら、このような読み取りヘッドにおける読み取り信号出力は、１未満のスピン分極を有するピン止め層からのスピン注入効率によって制限される。このように、スピン流注入効率が比較的低いため、信号出力が悪くなり、データを正確に読み取る読み取りヘッドの能力に悪影響を及ぼす。
【0005】
したがって、磁気記録装置で使用するための高信号出力を有する改良型の読み取りヘッドに対するニーズが当技術分野において存在する。
【発明の概要】
【0006】
本開示は、一般に、読み取りヘッドを含む磁気記録ヘッドに関する。読み取りヘッドは、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置されたセンサと、センサから離れており、ＭＦＳから後退したスピン発生器とを備える。センサおよびスピン発生器は、非磁性層の上に配置されている。センサは自由層を含み、スピン発生器は少なくとも１つのスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin Orbit Torque）層を含む。ＳＯＴ層は、ＢｉＳｂで構成されてもよい。センサは、第１の電圧リード線および第２の電圧リード線を用いて読み取り信号を検出するように構成されている。スピン発生器は、第１の電流リード線および第２の電流リード線を用いて、非磁性層を介してセンサにスピン流を注入するように構成される。非磁性層の形状は、スピン流をさらに集中させるために三角形または台形である。
【0007】
一実施形態では、読み取りヘッドは、第１のシールドと、第２のシールドと、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において非磁性層と第２のシールドとの間に配置された自由層とを含むセンサと、非磁性層に隣接しており、ＭＦＳから第１の距離後退したスピン発生器とを備える。スピン発生器は、センサから離れており、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層を含む。また、第１の距離は、ＭＦＳから測定される自由層の高さよりも大きい。
【0008】
別の実施形態では、磁気記録装置の読み取りヘッドは、シールドノッチを含む第１のシールドと、第２のシールドと、シールドノッチと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において非磁性層と第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、ＭＦＳから後退したスピン発生器とを備える。スピン発生器は、第１のシールドと非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と、非磁性層と第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層とを備える。
【0009】
さらに別の実施形態では、磁気記録装置の読み取りヘッドは、第１のシールドと、第２のシールドと、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された、第１の自由層および第２の自由層を含むセンサと、ＭＦＳから離れたスピン発生器とを備える。スピン発生器は、第１のシールドと非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層、および非磁性層と第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層を備える。
【図面の簡単な説明】
【0010】
本開示の上述の特徴が詳細に理解され得るように、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明は、添付図面にその一部が例示される実施形態を参照することによって有することができる。しかしながら、添付図面は、本開示の典型的な実施形態のみを図示しており、したがって、本開示は、他の同様に有効な実施形態を認めることができるため、その範囲を限定するものとみなされないことに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【0011】
理解を容易にするために、図に共通する同一の要素を指定するために、可能な限り同一の参照数字が使用されている。ある実施形態に開示された要素は、具体的に説明することなく、他の実施形態に有益に利用され得ることとする。
【0012】
詳細説明
以下では、本開示の実施形態について言及する。しかしながら、本開示は、特定の記載された実施形態に限定されないことが理解されるべきである。その代わりに、異なる実施形態に関連するか否かにかかわらず、以下の特徴および要素の任意の組み合わせが、本開示を実施および実践するためとする。さらに、本開示の実施形態は、他の可能な解決策に対する、および／または従来技術に対する利点を達成し得るが、特定の利点が所与の実施形態によって達成されるか否かは、本開示を限定するものではない。したがって、以下の態様、特徴、実施形態および利点は、単に例示であり、請求項（複数可）に明示的に記載されている場合を除き、添付の請求項の要素または限定とはみなされない。同様に、「本開示」への言及は、本明細書において開示される任意の発明的主題の一般化として解釈されず、請求項において明示的に記載される場合を除き、添付の請求項の要素または限定とはみなされない。
以下では、本開示の実施形態について言及する。しかしながら、本開示は、特定の記載された実施形態に限定されないことが理解されるべきである。その代わりに、異なる実施形態に関連するか否かにかかわらず、以下の特徴および要素の任意の組み合わせが、本開示を実施および実践するためとする。さらに、本開示の実施形態は、他の可能な解決策に対する、および／または従来技術に対する利点を達成し得るが、特定の利点が所与の実施形態によって達成されるか否かは、本開示を限定するものではない。したがって、以下の態様、特徴、実施形態および利点は、単に例示であり、請求項（複数可）に明示的に記載されている場合を除き、添付の請求項の要素または限定とはみなされない。同様に、「本開示」への言及は、本明細書において開示される任意の発明的主題の一般化として解釈されず、請求項において明示的に記載される場合を除き、添付の請求項の要素または限定とはみなされない。
【0013】
本開示は、一般に、読み取りヘッドを含む磁気記録ヘッドに関する。読み取りヘッドは、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置されたセンサと、センサから間隔をあけて配置され、ＭＦＳから離れたスピン発生器とを備える。センサとスピン発生器は非磁性層上に配置されている。センサは自由層からなり、スピン発生器は少なくとも１つのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層からなる。ＳＯＴ層はＢｉＳｂから構成されてもよい。センサは、第１の電圧リードと第２の電圧リードを用いて読み取り信号を検出するように構成されている。スピン発生器は、第１の電流リードおよび第２の電流リードを用いて、非磁性層を介してセンサにスピン流を注入するように構成される。非磁性層の形状は、スピン流をさらに集中させるために三角形または台形である。
【0014】
図１は、一実施形態による磁気記録装置１００の概略図である。磁気記録装置１００は、書き込みヘッドなどの磁気記録ヘッドを含む。磁気記録装置１００は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）などの磁気媒体ドライブである。このような磁気媒体ドライブは、単一のドライブ／デバイスであってもよいし、複数のドライブ／デバイスを含んでもよい。図示を容易にするために、図１に示される実施態様では、単一のディスクドライブが磁気記録装置１００として示されている。磁気記録装置１００（例えば、ディスクドライブ）は、スピンドル１１４上に支持され、駆動モータ１１８によって回転される少なくとも１つの回転可能な磁気ディスク１１２を含む。各回転可能磁気ディスク１１２上の磁気記録は、回転可能磁気ディスク１１２上の同心データトラックの環状パターンなど、データトラックの任意の適切なパターンの形態である。
【0015】
少なくとも１つのスライダ１１３が回転可能な磁気ディスク１１２の近傍に配置されている。各スライダ１１３はヘッドアセンブリ１２１を支持する。ヘッドアセンブリ１２１は、スピントロニクス装置を含む書き込みヘッドなどの１つ以上の磁気記録ヘッド（読み取り／書き込みヘッドなど）を含む。回転可能磁気ディスク１１２が回転すると、ヘッドアセンブリ１２１が、所望のデータが書き込まれる回転可能磁気ディスク１１２の異なるトラックにアクセスできるように、スライダ１１３がディスク表面１２２上を半径方向に出入りする。各スライダ１１３は、サスペンション１１５を介し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に向かって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１２７に取り付けられている。図１に示すアクチュエータ１２７は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ：Voice Coil Motor）であってもよい。ＶＣＭは、固定磁界内で移動可能なコイルを含み、コイル移動の方向および速度は、制御ユニット１２９から供給されるモータ電流信号によって制御される。
【0016】
ヘッドアセンブリ１２１の書き込みヘッドなどのヘッドアセンブリ１２１は、ディスク表面１２２に面する空気軸受面（ＡＢＳ：Air Bearing Surface）などの媒体対向面（ＭＦＳ:：Media Facing Surface）を含む。磁気記録装置１００の動作中、回転可能な磁気ディスク１１２の回転により、スライダ１１３とディスク表面１２２との間に空気または気体の軸受が発生し、この軸受がスライダ１１３に上向きの力または揚力を及ぼす。このようにして、空気または気体軸受は、サスペンション１１５のわずかなばね力に対抗し、動作中、スライダ１１３を、実質的に一定の小さな間隔だけ、ディスク表面１２２から外れてわずかに上方に支持する。
【0017】
磁気記録装置１００の各構成要素は、アクセス制御信号および内部クロック信号など、制御ユニット１２９が生成する制御信号によって動作制御される。制御ユニット１２９は、論理制御回路、記憶手段、マイクロプロセッサを含む。制御ユニット１２９は、ライン１２３上の駆動モータ制御信号、ライン１２８上のヘッド位置およびシーク制御信号など、様々なシステム動作を制御するための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を回転可能磁気ディスク１１２上の所望のデータトラックに最適に移動および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。書き込み信号および読み出し信号は、記録チャネル１２５によってヘッドアセンブリ１２１との間で通信される。一実施形態は他の実施形態と組み合わせることができ、磁気記録装置１００は、複数の媒体、またはディスク、複数のアクチュエータ、および／または複数のスライダをさらに含むことができる。
【0018】
図２は、一実施態様による、図１に示す回転可能磁気ディスク１１２または他の磁気記憶媒体に面するヘッドアセンブリ２００の断面側面図の概略図である。ヘッドアセンブリ２００は、図１で説明したヘッドアセンブリ１２１に対応できる。ヘッドアセンブリ２００は、回転可能磁気ディスク１１２に面するＡＢＳなどのＭＦＳ２１２を含む。図２に示すように、回転可能磁気ディスク１１２は矢印２３２で示す方向に相対的に移動し、ヘッドアセンブリ２００は矢印２３４で示す方向に相対的に移動する。
【0019】
一実施形態は他の実施形態と組み合わせることができ、ヘッドアセンブリ２００は磁気読み取りヘッド２１１を含む。磁気読み取りヘッド２１１は、シールドＳ１およびＳ２の間に配置された検知素子２０４を含むことができる。検知素子２０４および関連構造は、本開示に示される様々な実施形態に関してさらに説明される。垂直記録ビットまたは長手記録ビットのような、回転可能磁気ディスク１１２内の磁化された領域の磁界は、記録ビットとして検知素子２０４によって検出可能である。
【0020】
ヘッドアセンブリ２００は、書き込みヘッド２１０を含む。一実施形態は他の実施形態と組み合わせることができ、書き込みヘッド２１０は、主磁極２２０と、リーディングシールド２０６と、トレーリングシールド（ＴＳ：Trailing Shield）２４０と、主磁極２２０とＴＳ２４０との間に配置されたスピントロニクスデバイス２５０とを含む。主磁極２２０、スピントロニクスデバイス２５０、リーディングシールド２０６、およびＴＳ２４０の各々は、ＭＦＳにおいて前部を有する。
【0021】
主磁極２２０は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＮｉ、ＮｉＦｅまたはＦｅＮｉＲｅなどの磁性材料、他の適切な磁性材料を含む。一実施形態は、他の実施形態と組み合わせることができ、主磁極２２０は、ランダムなテクスチャで形成された体心立方（ＢＣＣ：Body-Centered Cubic）材料などのランダムなテクスチャの磁性材料の小さい粒子を含む。一例では、主磁極２２０のランダムなテクスチャは、メッキによって形成される。書き込みヘッド２１０は、回転可能磁気ディスク１１２の磁気記録媒体に影響を与えるための書き込み磁界を生成するために主磁極２２０を励起するコイル２１８を主磁極２２０の周囲に含む。コイル２１８は、らせん構造であってもよいし、１組以上のパンケーキ構造であってもよい。
【0022】
一実施形態は他の実施形態と組み合わせることができ、主磁極２２０は、トレーリングテーパ２４２およびリーディングテーパ２４４を含む。トレーリングテーパ２４２は、ＭＦＳ２１２から後退した位置からＭＦＳ２１２に向かって延びている。リーディングテーパ２４４は、ＭＦＳ２１２から後退した位置からＭＦＳ２１２に向かって延びている。トレーリングテーパ２４２およびリーディングテーパ２４４は、主磁極２２０の長手方向軸２６０に対して同じ程度のテーパを有していてもよいし、異なる程度のテーパを有していてもよい。一実施形態は他の実施形態と組み合わせることができ、主磁極２２０は、トレーリングテーパ２４２およびリーディングテーパ２４４を含まない。このような実施形態では、主磁極２２０は、トレーリング側とリーディング側とが実質的に平行であるトレーリング側とリーディング側とを含む。
【0023】
ＴＳ２４０は、ＦｅＮｉなどの磁性材料または他の適切な磁性材料を含み、第２の電極および主磁極２２０の戻り極として機能する。リーディングシールド２０６は、電磁シールド機能を提供することができ、リーディングギャップ２５４によって主磁極２２０から分離されている。
【0024】
図３は、ＮＬＳＶを用いた従来技術に基づく読み取りヘッド３００を示す。読み取りヘッド３００は、媒体３０１に隣接するＭＦＳに配置された読み取りセンサ３４０と、ＭＦＳから後退したスピン発生器３５０とを備える。読み取りセンサ３４０およびスピン発生器３５０は、それぞれ個別に、第１のシールド（図示せず）と第２のシールド（図示せず）との間に配置され、分離されており、読み取りセンサ３４０はＭＦＳに露出し、スピン発生器３５０はＭＦＳから後退している。また、読み取りセンサ３４０およびスピン発生器３５０は、ある有限の距離互いに離れている。非磁性層３０６は、センサ３４０およびスピン発生器３５０のそれぞれに隣接して配置される。非磁性層３０６は、例えばＡｌで構成されてよい。
【0025】
読み取りセンサ３４０は、第１の自由層３４４と、第１の自由層３４４と非磁性層３０６との間に配置された第１のトンネルバリア層３４２とを含む。電圧リード線は、読み取りセンサ３４０を通して読み取り信号を検出するために、非磁性層３０６および第１の自由層３４４に接続されている。
【0026】
スピン発生器３５０は、参照層３３６と、参照層３３６上に配置されたキャップ層３３２と、非磁性層３０６と第２のトンネル障壁層３３２との間に配置された第２の磁性層（ＦＭ）層３３４とを備える。スピン発生器３５０は、読み取りセンサ３４０から非磁性層３０６のスピン拡散長までの距離だけ離間している。例えば、非磁性層３０６がＣｕ製である場合、その距離は約１００ｎｍ～約３００ｎｍまでとすることができる。電流リード線は、非磁性層３０６および参照層３３６に接続されている。動作中、電流が印加され、スピン発生器３５０を通して印加されると、スピン流がスピン発生器３５０から非磁性層３０６を通って読み取りセンサ３４０まで移動する。スピン注入により、スピン流が読み取りセンサ３４０に流れ、データ読み取り時に第１の自由層３４４の磁化変化からの信号検出が可能になる。
【0027】
しかしながら、スピン発生器３５０は、固定された磁化方向を有する参照層３３６を含むため、スピン注入効率は、参照層３３６のスピン分極率（約１未満）によって制限され、そのようなものとして、読み取りヘッド３００の読み取り信号出力は制限される。
【0028】
図４Ａ～４Ｂは、一実施形態による読み取りヘッド４００を示す。図４Ａは、読み取りヘッド４００の断面図を示し、図４Ｂは、読み取りヘッド４００の上面図を示す。読み取りヘッド４００は、図２の読み取りヘッド２１１の内にあってもよい。読み取りヘッド４００は、図１の磁気記録装置１００の一部であってもよい。図４Ｂの上面図において、第１のシールド（Ｓ１）４０２および第２のシールド（Ｓ２）４０４は、明瞭にするために図示されていない。第１のシールド４０２は図２のＳ１であってもよく、第２のシールド４０４は図２のＳ２であってもよい。
【0029】
読み取りヘッド４００は、ＭＦＳに配置された読み取りセンサ４４０と、ＭＦＳから後退したスピン発生器４５０とを備える。読み取りセンサ４４０は、第１のシールド４０２と第２のシールド４０４との間に配置されている。非磁性スピン輸送層４０６は、第２のシールド４０４の間、および読み取りセンサ４４０とスピン発生器４５０との間に配置される。非磁性層４０６は、ＭＦＳからスピン発生器４５０の後端まで延びており、ＭＦＳから第１および第２のシールド４０２、４０４と同じ高さを有することができる。
【0030】
いくつかの実施形態では、非磁性層４０６は、第１および第２のシールド４０２、４０４よりも大きい高さ、または第１および第２のシールド４０２、４０４よりも小さい高さを有することができる（図４Ａに示す構成）。非磁性層４０６は、非磁性層４０６に使用される材料にもよるが、一般に約１００ｎｍ～約３００ｎｍの、非磁性層４０６のスピン拡散長よりも小さい、またはそれに近い高さ４５２を有する。非磁性層４０６は、Ｃｕ、Ａｌ、またはグラフェンなどの他の２Ｄ材料、およびＭｏＳ２、ＨｆＳ２などの他のファンデルワールス材料のような、長いスピン拡散長を有する材料で構成されてもよい。読み取りセンサ４４０は、スピン発生器４５０から約１００ｎｍから約３００ｎｍの距離４４４離れている。さらに、第１および第２のシールド４０２および４０４は、異なる寸法（ＭＦＳからの高さが異なる）を有していてもよい。
【0031】
（１）第１のシールド４０２および第２のシールド４０４のそれぞれの高さ、および（２）非磁性層４０６のスピン拡散特性（スピン発生器４５０の後退した距離に影響する）に応じて、スピン発生器４５０は、２つのシールドの間にあってもなくてもよい。図４Ａ～９Ｂは、シールドの間に１つ以上のスピン発生器を示し、シールドは比較的類似しているか、または同じ寸法であるが、本開示はそれほど限定されず、スピン発生器４５０が２つのシールドの間になくてもよい他の実施形態が存在する。それらの実施形態では、センサと重なる非磁性層４０６の一部は、２つのシールドの間にあり得るが、スピン発生器４５０と重なる非磁性層４０６の別の部分は、そうでなくてもよい。
【0032】
読み取りセンサ４４０は、第１のシールド４０２に隣接して配置された自由層４１８と、自由層４１８と非磁性層４０６との間に配置されたトンネルバリア層４４２を備える。自由層４１８は、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｐｔ、またはホイスラー合金の１つまたは複数の層のような磁性材料で構成されてよい。トンネルバリア層４４２は、例えば、ＭｇＯまたはＡｌＯｘ（ｘは、１より大きい数字である。）で構成されてよい。電圧リード線は、読み取りセンサ４４０を介して読み取り信号を検出するために、第１および第２のシールド４０２、４０４に接続される。
【0033】
スピン発生器４５０は、多層構造である。スピン発生器４５０、または離れた読み取りセンサ４５０は、図５Ａ～９Ｂで後述する読み取りセンサ５００～９００のいずれかを指す。電流リード線は、スピン注入のためにスピン発生器４５０に接続される。動作中、電流が読み取りヘッド４００内部のスピン発生器４５０面内に印加されると、スピンホール効果により、スピン発生器４５０を横切って非磁性層４０６に流れるスピン流が発生する。このスピン流は、スピン発生器４５０から非磁性層４０６を通って読み取りセンサ４４０まで流れる。読み取りセンサ４４０を流れるこのスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８が磁化方向を回転させると、センサ４４０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0034】
図４Ｂに示すように、非磁性層４０６は、非磁性層４０６がＭＦＳから離れるほど広くなり、非磁性層４０６がＭＦＳに近づくほど狭くなるような三角形または台形の形状を有することができる。このような実施形態では、非磁性層４０６の広い部分は約１００ｎｍ以下の幅４５４を有し、非磁性層４０６の狭い部分は約１０ｎｍ～約２０ｎｍの幅４５６を有し、これは読み取りセンサ４４０のトラック幅（ＴＷ：Track Width）に近い。センサ４４０の自由層４１８は、非磁性層４０６の狭い部分と同じ幅４５６を有してもよい。スピン発生器４５０は、非磁性層４０６の幅が変化する場合、非磁性層４０６のより広い部分に配置される。サイドシールド４４８は、自由層４１８の適切なバイアスのために、ＭＦＳにおいて読み取りセンサ４４０の両側に配置される。
【0035】
図４Ｃ～４Ｄは、一実施形態による読み取りヘッド４０１を示す。図４Ｃは、読み取りヘッド４０１の断面図を示し、図４Ｄは、読み取りヘッド４０１の上面図を示す。読み取りヘッド４０１は、図２の読み取りヘッド２１１内にあってもよい。読み取りヘッド４０１は、図１の磁気記録装置１００の一部であってもよい。図４Ｄの上面図において、第１のシールド（Ｓ１）４０２および第２のシールド（Ｓ２）４０４は、明瞭にするために図示されていない。
【0036】
図４Ｃ～４Ｄの読み取りヘッド４０１は、図４Ａ～４Ｂの読み取りヘッド４００と類似しているが、スピン発生器４５０はスピン検出の機能を果たし、本明細書ではスピン検出器４５０またはスピン検出層４５０と呼ばれ、電流リード線と電圧リード線とが逆になっており、その結果、生成されたスピン流が非磁性層４０６を通って流れる方向が逆になる。読み取りヘッド４０１では、入力電流リード線（Ｉ）が第１のシールド４０２および第２のシールド４０４に接続され、電圧リード線（Ｖ）がスピン検出器４５０に接続される。動作中、電流が読み取りヘッド４０１に印加されると、ＦＬ４１８からのスピン流（Ｉｓ）が発生し、読み取りセンサ４４０を横切って非磁性層４０６に流れ込む。スピン流は、読み取りセンサ４４０から非磁性層４０６を通ってスピン検出器４５０まで流れる。スピン検出器４５０を流れる垂直スピン流は、逆スピンホール効果により、スピン検出器４５０の側面（クロストラック方向）を横切る電気信号／電圧の発生を可能にする。データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させると、スピン流のスピン分極（Ｉｓ）が変化し、その結果、スピン検出器４５０を横切る出力電圧（Ｖｏｕｔ）が記録トラック上の磁気ビット情報を反映する。
【0037】
さらに、電流リード線（Ｉ）が第１のシールド４０２および第２のシールド４０４に接続され、電圧リード線（Ｖ）がスピン検出器４５０に接続される場合、非磁性層４０６は長方形の形状を有する。このような実施形態では、非磁性層４０６は、約１０ｎｍ～約２０ｎｍの一貫した狭い幅４５６を有し、これは読み取りセンサ４４０のトラック幅（ＴＷ）に近い。
【0038】
図５Ａ～９Ｂは、様々な実施形態による、それぞれ読み取りヘッド５００、５０１、６００、６０１、７００、７０１、８００、８０１、９００の様々な実施形態を示す。各読み取りヘッド５００、６００、７００、８００、９００は、個別に、図４Ａ～４Ｂの読み取りヘッド４００であってもよい。各読み取りヘッド５０１、６０１、７０１、８０１は、個別に、図４Ｃ～４Ｄの読み取りヘッド４０１であってもよい。各読み取りヘッド５００、５０１、６００、６０１、７００、７０１、８００、８０１、９００は、個別に、図２の読み取りヘッド２１１内であってもよい。各読み取りヘッド５００、５０１、６００、６０１、７００、７０１、８００、８０１、９００は、個別に、図１の磁気記録装置１００の一部であってもよい。図５Ａ～９Ｂの側面は、Ｘ方向における第１および第２のシールド４０２、４０４の高さなど、縮尺通りに示されていない場合がある。さらに、各読み取りヘッド５００、５０１、６００、６０１、７００、７０１、８００、８０１、９００の側面は、互いに組み合わせて、および／または図４Ａ～４Ｂの読み取りヘッド４００および／または図４Ｃ～４Ｄの読み取りヘッド４０１と組み合わせて使用できる。このように、読み取りヘッド４００、４０１、５００、５０１、６００、６０１、７００、７０１、８００、８０１、９００の様々な層および／または態様は、一貫した参照数字を有することができる。
【0039】
【0040】
読み取りヘッド５００は、第１のシールド４０２、第２のシールド４０４、非磁性層４０６、ＭＦＳに配置された読み取りセンサ５４０、およびＭＦＳから後退したスピン発生器またはスピン発生構造５５０を備える。ノッチ５１６は、ＭＦＳから後退した第１のシールド４０２と非磁性層４０６との間に配置される。ノッチ５１６は、ＭＦＳから約０ｎｍ～約２０ｎｍの距離後退してよい。ノッチ５１６は、Ｙ方向の厚さが約５ｎｍ～約２０ｎｍ、Ｘ方向の高さが約５ｎｍ～約２０ｎｍである。誘電体層５１５は、ＭＦＳにおけるノッチ５１６の前方およびＭＦＳから後退しており、ノッチ５１６の後方に配置されている。誘電体層５１５は、非磁性層４０６から第１のシールド４０２を離す。誘電体層５１５は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＡｌＮ、またはそれらの組み合わせで構成され得る。読み取りセンサ５４０は、非磁性層４０６の上に配置された第１のトンネルバリア層５２０と、第１のトンネルバリア層５２０の上に配置された自由層４１８と、自由層４１８の上に配置され、第２のシールド４０４と接触している、導電性材料で構成され得るキャップ層５２２とを備える。図５Ｂに示すように、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層５１０は、Ｘ方向およびＺ方向に沿って、自由層４１８よりも大きな全体サイズを有する。自由層４１８の磁化（Ｍ）方向は動作中－Ｚ方向であり、これはソフトバイアス（ＳＢ：Soft Bias）側シールド５２６の磁化方向と同じ方向である。
【0041】
図５Ａに示すように、絶縁層５１４は、センサ５４０の背後にＭＦＳから後退して配置されている。スピン発生器５５０は、絶縁層５１４に隣接して配置される。スピン発生器５５０は、非磁性層４０６の上に配置されたシード層５０８と、シード層５０８の上に配置されたＳＯＴ層５１０（ＳＯＴ層がＢｉＳｂで構成される特定の実施形態では、本明細書ではＢｉＳｂ層５１０と呼ぶことがある。）と、ＳＯＴ層５１０の上に配置されたキャップ層５１２とを備える。キャップ層５１２は、例えば、Ｒｕ、ＮｉＦｅＧｅ、またはいくつかの酸化物材料などの非磁性、高抵抗率材料で構成され得る。いくつかの実施形態では、絶縁層５１４は、図５Ａに示されるように、キャップ層５１２の上およびスピン発生器５５０の後方に延在する。絶縁層５１４は、ＳｉＮ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＡＬＮ、またはそれらの組み合わせで構成されてもよい。上述したように、第１の電圧リード線（Ｖ－）は第１のシールド４０２に接続され、第２の電圧リード線（Ｖ＋）は、第１の読み取りセンサ５４０を横切る読み取り信号検出のために第２のシールド４０４に接続される。第１のシールド４０２、第２のシールド４０４、およびノッチ５１６は、それぞれ個別に、例えば、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ積層体、ＮｉＦｅ／ＮｉＦｅＣｒ積層体、またはＮｉＦｅ／Ｗ積層体などの、ソフトバイアス材料と同様の磁性材料で構成されてもよい（ここで使用される「／」は、多層スタック内の各層を示す）。
【0042】
図５ＢのＭＦＳ図に示すように、読み取りヘッド５００は、センサ５４０に隣接する第１のソフトバイアス（ＳＢ）側シールド５２４および第２のＳＢ側シールド５２６をそれぞれさらに備える。第１および第２のＳＢ側シールド５２４、５２６はそれぞれ、トラック（すなわち、図５ＢのＺ方向）を横切る適切な自由層バイアスのために、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、および他の磁性材料から個別に構成され得る。第１の電流リード線（Ｉ＋）および第２の電流リード線（Ｉ－）は、スピン注入のためにＳＯＴ層５１０に接続される。図４Ａから、電流はＳＯＴ層５１０を通ってページに、すなわちＺ方向に流れる。動作中、この面内（ＳＯＴ層５１０の面内）電流が読み取りヘッド５００に印加されると、スピン蓄積が発生し、その結果、スピンホール効果により非磁性層４０６にスピン流が発生する。このスピン流は、スピン発生器５５０から非磁性層４０６を通って読み取りセンサ５４０に流れる。読み取りセンサ５４０に流れるこのスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させると、センサ５４０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0043】
ＳＯＴ層５１０は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｈｆなどのスピン軌道結合の強い重金属で構成される。ＳＯＴ層５１０は、ＢｉＳｅ、ＷＴｅ、ＹＢｉＰｔ、またはＢｉＳｂなどのトポロジカル絶縁材料で構成され得る。ＳＯＴ層５１０は、（０１２）配向のＢｉＳｂで構成され得る。ＳＯＴ層５１０は、アンドープＢｉＳｂまたはドープされたＢｉＳｂＸで構成されてもよく、ここで、ドーパントは約ａｔ．１０％未満であり、Ｘは、Ｂｉと容易に反応しない元素、例えば、Ｂ、Ｎ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、またはＩｒから抽出されるか、またはＣｕＡｇ、ＣｕＮｉ、ＲｕＧｅなどのような前述の元素の１つ以上との合金の組み合わせである。より一般的には、列挙したドーパントのいくつかは、ＢｉＳｂ以外の他のトポロジカル絶縁材料と共に使用できる。ＳＯＴ層５１０は、約５ｎｍ～約２０ｎｍのＹ方向（例えば、ダウントラック方向）の厚さ５５８、約１００ｎｍ～約１μｍのＸ方向の高さ５６０（例えば、ストライプ高さ）、および約１００ｎｍ未満のＺ方向の幅５６２（例えば、クロストラック方向）を有する。
【0044】
テクスチャ（１００）またはアモルファス・シード層を使用してテクスチャＳＯＴ層５１０（０１２）を成長させるために、多数の材料をシード層５０８として利用できる。材料群の１つであるグループＡには、Ｖ、Ｖ３Ａｌ、Ｍｎ３Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＷＴｉ５０、ＮｉＡｌ、ＲｈＡｌなどの体心立方（ＢＣＣ）、または類似の格子定数を有するこれらの材料の合金組み合わせ、あるいはＣｒ（約２５０℃以上で加熱）、ＲｕＡｌ、ＩｒＡｌ、ＣｏＡｌ、Ｂ２相、ＮｉＡｌ－Ｂ２相、ＣｒＭｏ（Ｍｏが、約２０～５０ａｔ．％）またはＢ２相、Ａ２ＣｒＸ（Ｘは、約１０ａｔ．％であり、約２５０℃以上で加熱され、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｗ、およびＭｏから選択される。）。
【0045】
グループＡの材料は、後続の層にテクスチャリングを提供し、ＭｇＯ（１００）テクスチャリング層スタックと呼ばれることがある。一般的に言えば、タンタル、タングステン、チタンの合金のようなホウ素親和性の高い元素または合金を蒸着し、次にホウ素を含む磁性層を蒸着すると、コバルト鉄ホウ素またはコバルトホウ素のような非晶質磁性層材料が形成されるが、ホウ素は磁性コバルト鉄またはコバルト層を残して引き抜かれる。その層の上に、（１００）テクスチャを持つＭｇＯを形成することができる。ＭｇＯ（１００）を作る他の方法としては、加熱したクロムまたはルテニウムアルミニウムをテクスチャ状に成長させることが挙げられる。ＭｇＯ（１００）テクスチャ層スタックは、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、またはこれらの元素を含む合金の薄い高Ｂゲッタリング合金シード層の上にＣｏＦｅＢまたはＣｏＢの磁性ボロン合金を堆積させ、さらにその上にＣｏあるいはＣｏＦｅの磁性二重層と薄いＭｇＯを堆積させることによっても製造できる。
【0046】
別の材料グループＢは、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＺｒＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｎＯなどの面心立方（ＦＣＣ：Face Centered Cubic）酸化物材料を含む。別のグループＣは、ＳｃＮ、ＴｉＮ、ＮｂＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＴａＮ、ＶＮ、ＣｒＮ、ＳｃＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＨｆＣ、ＴａＣ、ＷＣ、ＶＣ、Ｗ０．８Ｚｒ０．２ＣなどのＦＣＣ窒化物および炭化物を含む。グループＣの材料は、成膜条件によってはアモルファスからナノ結晶の薄膜として成膜できる。グループＣの材料の抵抗率は、１００～２００μΩ・ｃｍである。
【0047】
別のグループＤは、Ｆｅ２ＶＡｌ、Ｃｒ２ＣｏＡｌ、ＣｏＴｉＳｂ、Ｍｎ２ＶＳｉ、Ｖ２Ａｌ、［Ｍｎ０．５Ｃｏ０．５］２ＶＡｌ、［Ｍｎ０．７５Ｃｏ０．２５］２ＶＳｉ、ＣｏＭｎＮｂＡｌ、ＣｏＺｒＦｅＡｌ、Ｔｉ２ＭｎＡｌなどの非磁性ホイスラー材料を含む。別の一つのグループＥは、Ｃｏ２ＭｎＳｂ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ、（Ｘは、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｇｅのうちの１つ以上である。）ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｎ、Ｃｏ２ＭｎＦｅＧｅを含む、スピン分極が大きく、スピンホール層と混ざりにくい磁性合金またはホイスラー合金を用いた結晶性の高分極層である。もう一つのグループＦは、強い（０１２）ＢｉＳｂＸテクスチャまたは成長を促進しないアモルファスの非磁性の高抵抗の電気的シャントブロック層を含む。これらは、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣｒＯｘ、ＮｉＸ、ＦｅＸ、およびＣｏＸを含み、Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ、Ｒｕ、Ｇｅ、および／またはＢを含むこれらの元素の１つまたは複数であり得る。
【0048】
もう一つのグループＧは、２．１９Å～２．０２Åのｄ間隔の範囲に最近接Ｘ線回折ピークを有する金属アモルファスまたはセラミックアモルファス材料を含む。このような材料は、グループＡ、Ｄ、またはＥの非磁性材料および磁性材料を含み、これらの材料は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、またはＢの１つ以上の元素と積層または合金化される。これらは効果的に非磁性のアモルファス層を形成し、アモルファス材料を生成するか、またはａ－Ｇｅ、ａ－ＮｉＰＸ合金（Ｘは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｐｔ、またはＩｒの１つである。）などのアモルファス材料から出発する。グループＧはまた、ａ－Ｇｅ、ａ－ＮｉＰおよびＣｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、またはＢの１つ以上の元素を有する、強いＢｉＳｂ（０１２）テクスチャを促進するアモルファス／ナノ結晶の合金を含む。
【0049】
さらにもう一つのグループＨは、アモルファスまたは結晶材料である高垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）材料である。ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＢ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｂのような高いＰＭＡを有するアモルファスの希土類遷移金属（ＲＥ－ＴＭ：Rare Earth Transition Metals）またはＣｏＺｒＴａＢのような重金属を使用できる。このＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｔｂ、またはＣｏＦｅ／Ｔｂ（「／」は、層分離を示す。）の多層多結晶スタック、または高いＫｕを有するＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ、およびＦｅＰｔのような単層ＰＭＡ材料は、（０１２）テクスチャ成長のためにスピンホール層の隣りにアモルファスの高スピン分極層と共に使用できる。
【0050】
図５Ｃ～５Ｄは、一実施形態による磁気記録ヘッドの読み取りヘッド５０１を示す。図５Ｃは、読み取りヘッド５０１の断面図を示し、図５Ｄは、読み取りヘッド５０１のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド５０１において、非磁性層４０６は、図４Ａ～４Ｄに示され上述されたような矩形状であってもよい。
【0051】
読み取りヘッド５０１は、図５Ａ～５Ｂの読み取りヘッド５００と同様であるが、電流リード線と電圧リード線とが逆になっている。読み取りヘッド５０１では、スピン注入のために、第１の電流リード線（Ｉ＋）が第２のシールド４０４に接続され、第２の電流リード線（Ｉ－）が第１のシールド４０２に接続される。第１の電圧リード（Ｖ－）および第２の電圧リード線（Ｖ＋）は、スピン検出器５５０を介した読み取り信号検出のためにＳＯＴ層５１０に接続される。
【0052】
図５Ｃから、電流は読み取りセンサ５４０および非磁性層４０６をＸ方向に流れる。動作中、電流が読み取りヘッド５０１に印加されると、スピン蓄積が発生するため、自由層４１８から非磁性層４０６にスピン流が注入され、非磁性層４０６に沿ってスピン流が発生する。スピン流は、非磁性層４０６を通って読み取りセンサ５４０を横切ってスピン検出器５５０に移動し、スピン流はＳＯＴ層５１０を通って面外（すなわちＹ方向）に流れる。スピン検出器５５０に流れるスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させると、Ｚ方向に沿ってＳＯＴ層５１０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0053】
【0054】
読み取りヘッド６００は、図５Ａ～５Ｂの読み取りヘッド５００に類似しているが、読み取りヘッド６００は、ノッチ５１６を備えない。むしろ、誘電体層５１５は、第１のシールド４０２と非磁性層４０６との間に延在している。さらに、第１の電圧リード線（Ｖ－）は、第１のシールド４０２の代わりに非磁性層４０６の背面に接続される。
【0055】
図６Ｃ～６Ｄは、一実施形態による磁気記録ヘッドの読み取りヘッド６０１を示す。図６Ｃは、読み取りヘッド６０１の断面図を示し、図６Ｄは、読み取りヘッド６０１のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド６０１において、非磁性層４０６は、図４Ａ～４Ｄに示され上述されたような矩形状であってもよい。
【0056】
読み取りヘッド６０１は、図６Ａ～６Ｂの読み取りヘッド６００と同様であるが、電流リード線と電圧リード線とが逆になっている。読み取りヘッド６０１では、第１の電流リード線（Ｉ＋）が第２のシールド４０４に接続され、第２の電流リード線（Ｉ－）がスピン注入用非磁性層４０６に接続される。第１の電圧リード線（Ｖ－）および第２の電圧リード線（Ｖ＋）は、スピン検出器６５０を介した読み取り信号検出のためにＳＯＴ層５１０に接続される。
【0057】
動作中、電流が読み取りヘッド６０１に印加されると、スピン蓄積が発生するため、スピン流が発生し、センサ６４０から非磁性層４０６に流れ込む。スピン流は、非磁性層４０６を通って読み取りセンサ６４０を横切ってスピン検出器６５０に移動し、スピン流はＳＯＴ層５１０を通って面外（すなわちＹ方向）に流れる。スピン検出器６５０に流れるスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させる際の逆スピンホール効果により、ＳＯＴ層５１０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0058】
図７Ａ～７Ｂは、さらに別の実施形態による、磁気記録ヘッドの読み取りヘッド７００を示す図である。図７Ａは、読み取りヘッド７００の断面図を示し、図７Ｂは、読み取りヘッド７００のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド７００は、図５Ａ～５Ｂの読み取りヘッド５００と同様であるが、読み取りヘッド７００のセンサ７４０およびスピン発生器７５０は、Ｘ方向およびＹ方向の両方において位置合わせされていない。
【0059】
読み取りヘッド７００では、スピン発生器７５０が第１のシールド４０２の上に配置されている。スピン発生器７５０は、シールドノッチ７０２によってＭＦＳから後退している。シールドノッチ７０２は、第１のシールド４０２の一部と見なすことができる。シールドノッチ７０２は、第１のシールド４０２および／またはノッチ５１６と同じ材料で構成されてもよい。第１の絶縁層７１５は、シールドノッチ７０２とスピン発生器７５０との間に配置される。第１の絶縁層７１５は、第１のシールド４０２とシード層５０８との間にも延在してもよい。ノッチ５１６は、シールドノッチ７０２の上に配置される。非磁性層４０６は、ノッチ５１６、スピン発生器７５０、および第１の絶縁層７１５の上に配置される。センサ７４０は、ＭＦＳにおいて非磁性層４０６の上に配置されている。第２の絶縁層７１４は、センサ７４０の背後で非磁性層４０６の上に配置されている。第１および第２の絶縁層７１５、７１４の一部は、図７Ｂに示すように、ＭＦＳにおいて露出していてもよく、それぞれ個別に絶縁層５１４と同じ材料で構成されていてもよい。第１のＳＢ側シールド５２４および第２のＳＢ側シールド５２６は、ＭＦＳにおいてセンサ７４０に隣接して配置される。
【0060】
負電圧リード線（Ｖ－）は第１のシールド４０２に接続され、正電圧リード線（Ｖ＋）は第２のシールド４０４に接続される。負電流リード線（Ｉ－）および正電流リード線（Ｉ＋）は、スピン注入のためにＳＯＴ層５１０に接続される。電流は、ＳＯＴ層５１０を通ってページ内（図５Ａに関して）、すなわちＺ方向に流れる。動作中、この面内（ＳＯＴ層５１０の面内）電流が読み出しヘッド７００に印加されると、スピン蓄積が生じ、したがって、スピンホール効果により非磁性層４０６にスピン流が発生する。このスピン流は、スピン発生器７５０から非磁性層４０６を通って読み取りセンサ７４０に流れる。読み取りセンサ７４０に流れるこのスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させると、センサ７４０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0061】
図７Ｃ～７Ｄは、一実施形態による磁気記録ヘッドの読み取りヘッド７０１を示す図である。図７Ｃは、読み取りヘッド７０１の断面図を示し、図７Ｄは、読み取りヘッド７０１のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド７０１において、非磁性層４０６は、図４Ａ～４Ｄに示され上述されたような矩形状であってもよい。
【0062】
読み取りヘッド７０１は、図７Ａ～７Ｂの読み取りヘッド７００と同様であるが、電流リード線と電圧リード線とが逆になっている。読み取りヘッド７０１では、第１の電流リード線（Ｉ＋）が第２のシールド４０４に接続され、第２の電流リード線（Ｉ－）がスピン注入のために第１のシールド４０２に接続される。第１の電圧リード線（Ｖ－）および第２の電圧リード線（Ｖ＋）は、スピン検出器７５０を介した読み取り信号検出のためにＳＯＴ層５１０に接続される。
【0063】
動作中、電流が読み取りヘッド７０１に印加されると、スピン蓄積が発生するため、スピン流がセンサ７４０から発生し、非磁性層４０６に流れ込む。スピン流は、非磁性層４０６を通って読み取りセンサ７４０を横切ってスピン検出器７５０に移動し、スピン流はＳＯＴ層５１０を通って面外（すなわち、Ｙ方向）に流れる。スピン検出器７５０に流れるスピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させる際の逆スピンホール効果により、ＳＯＴ層５１０を横切る電気信号の発生を可能にする。
【0064】
図８Ａ～８Ｂは、別の実施形態による磁気記録ヘッドの読み取りヘッド８００を示す図である。図８Ａは、読み取りヘッド８００の断面図を示し、図８Ｂは、読み取りヘッド８００のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド８００は、図５Ａ～５Ｂの読み取りヘッド５００と同様であるが、読み取りヘッド８００は、第２のシード層８０８と、第２のＳＯＴ層８１０と、第２のキャップ層８１２とを備える。
【0065】
読み取りヘッド８００において、第１のシールド４０２は、第１のシールド４０２とノッチ５１６との間のＭＦＳに配置されたシールドノッチ８０２をさらに備える。シールドノッチ８０２は、第１のシールド４０２と同じ材料で構成されてもよい。第２のキャップ層８１２がシールドノッチ８０２の後方で第１のシールド４０２の上に配置され、第２のＳＯＴ層８１０が第２のキャップ層８１２の上に配置され、第２のシード層８０８が第２のＳＯＴ層８１０の上に配置される。第２のキャップ層８１２は、キャップ層５１２と同じ材料で構成されてもよい。非磁性層４０６は、第２のシード層８０８の上に配置される。第２の絶縁層８１４は、シールドノッチ８０２と、第２のキャップ層８１２、第２のＳＯＴ層８１０、および第２のシード層８０８との間に配置される。第２の絶縁層８１４は、絶縁層５１４と同様に、第１のシールド４０２と第２のキャップ層８１２との間、および第２のキャップ層８１２、第２のＳＯＴ層８１０、および第２のシード層８０８の背後に配置されてもよい。第２の絶縁層８１４は、第１の絶縁層５１４と同じ材料で構成されてよい。第２のＳＯＴ層８１０は、第１のＳＯＴ層５１０と同じ寸法（すなわち、図５Ａ～７ＢのＳＯＴ層５１０と同じ寸法）を有する。
【0066】
第１のシード層５０８は非磁性層４０６の上に配置され、第１のＳＯＴ層５１０は第１のシード層５０８の上に配置され、第１のキャップ層５１２は第１のＳＯＴ層５１０の上に配置される。第２のシールド４０４は、第１のキャップ層５１２の上に配置される。第１のキャップ層５１２は、第２のキャップ層８１２と同じ材料で構成されてもよく、第１のＳＯＴ層５１０は、第２のＳＯＴ層８１０と同じ材料で構成されてもよく、第１のシード層５０８は、第２のシード層８０８と同じ材料で構成されてもよい。第１のキャップ層５１２、第１のＳＯＴ層５１０、第１のシード層５０８、第１のシード層５０８と接触して配置された非磁性層４０６の一部、第２のシード層８０８、第２のＳＯＴ層８１０、および第２のキャップ層８１２は、集合的にスピン発生器８５０を形成する。
【0067】
第１の信号電圧リード線（Ｖ－）はシールドノッチ８０２に接続され、第２の信号電圧リード線（Ｖ＋）は第２のシールド４０４に接続される。第１の負電流リード線（Ｉ１－）および第１の正電流リード線（Ｉ１＋）が第２のＳＯＴ層８１０に接続され、第２の負電流リード線（Ｉ２－）および第２の正電流リード線（Ｉ２＋）が第１のＳＯＴ層５１０に接続されている。第１の負電流リード線（Ｉ１－）は第２の正電流リード線（Ｉ２＋）と隣り合って配置され、第１の正電流リード線（Ｉ１＋）は第２の負電流リード線（Ｉ２－）と隣り合って配置される。動作中、第１の電流（Ｉ１）が第２のＳＯＴ層８１０を通ってページの外（図８Ａに関して）、すなわちＺ方向に流れ、第２の電流（Ｉ２）が第１のＳＯＴ層５１０を通ってページの中（図８Ａに関して）、すなわち－Ｚ方向に流れる。非磁性層４０６の両側に２つのＳＯＴ層を含むことにより、スピン発生器８５０から発生するスピン流の量、したがって非磁性層４０６へのスピン流は２倍になる。
【0068】
図８Ｃ～８Ｄは、一実施形態による磁気記録ヘッドの読み取りヘッド８０１を示す図である。図８Ｃは、読み取りヘッド８０１の断面図を示し、図８Ｄは、読み取りヘッド８０１のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド８０１において、非磁性層４０６は、図４Ａ～４Ｄに示され上述されたような矩形状であってもよい。
【0069】
読み取りヘッド８０１は、図８Ａ～８Ｂの読み取りヘッド８００と同様であるが、電流リード線と電圧リード線が逆になっている。読み取りヘッド８０１では、第１の入力電流リード線（Ｉ＋）が第２のシールド４０４に接続され、第２の入力電流リード線（Ｉ－）がスピン注入用のシールドノッチ８０２に接続される。第１の負電圧リード線（Ｖ１－）および第１の正電圧リード線（Ｖ１＋）は、第２のＳＯＴ層８１０に接続され、第２の負電圧リード線（Ｖ２－）および第２の正電圧リード線（Ｖ２＋）は、スピン検出器８５０を介した読み取り信号検出のために第１のＳＯＴ層５１０に接続される。第１の正電圧リード線（Ｖ１＋）は第２の負電圧リード線（Ｖ２－）と隣り合って配置され、第１の負電圧リード線（Ｖ１－）は第２の正電圧リード線（Ｖ２＋）と隣り合って配置される。第１の正電圧リード線（Ｖ１＋）および第２の負電圧リード線（Ｖ２－）は、最終的な信号の読み出しが第１の負電圧リード線（Ｖ１－）および第２の正電圧リード線（Ｖ２＋）で行われるように接続されている。
【0070】
動作中、入力電流が読み取りヘッド８０１に印加されると、スピン蓄積が発生するため、センサ８４０からスピン流が発生し、非磁性層４０６に流れ込む。スピン流は、読み取りセンサ８４０を横切って非磁性層４０６を通り、スピン検出器８５０まで移動する。その後、スピン流は、スピン流の半分が第２のＳＯＴ層８１０を通って下に流れ、スピン流の半分が第１のＳＯＴ層５１０を通って上に流れるように分割される（Ｉｓと表示された矢印で示されるように）。スピン流は、各ＳＯＴ層５１０、８１０を通って面外（すなわち、Ｙ方向）に流れる。ＳＯＴ層５１０、８１０に流れる垂直スピン流は、データを読み取る際に自由層４１８がその磁化方向を回転させる際に、逆スピンホール効果を介してＳＯＴ層５１０、８１０を横切る電気信号の生成を可能にする。２つに分割されたスピン流はＹ方向で反対に流れるため、図８Ｄの電圧リード線Ｖ２＋／Ｖ２－およびＶ１＋／Ｖ１－で示されるように、生成される信号極性も反対になる。第１の正電圧リード線（Ｖ１＋）および第２の負電圧リード線（Ｖ２－）は、最終的な信号が第１の負電圧リード線（Ｖ１－）と第２の正電圧リード線（Ｖ２＋）で発生するように、一緒に接続されている。
【0071】
図９Ａ～９Ｂは、さらに別の実施形態による、磁気記録ヘッドの読み取りヘッド９００を示す図である。図９Ａは、読み取りヘッド９００の断面図を示し、図９Ｂは、読み取りヘッド９００のＭＦＳ図を示す。読み取りヘッド９００は、図８Ａ～８Ｂの読み取りヘッド８００と同様であるが、シールドノッチ８０２を備えず、センサ９４０は、二重自由層（ＤＦＬ：Dual Free Layer）構成のための第１の自由層４１８および第２の自由層９１８を備える。さらに、図６Ａ～７Ｂの読み取りヘッド６００および７００と同様に、読み取りヘッド９００はノッチ５１６を備えない。
【0072】
読み取りヘッド９００において、センサ９４０は、第１のシールド４０２の上に配置されたシード層９２０と、シード層９２０の上に配置された第２の自由層９１８と、第２の自由層９１８の上に配置された第２のトンネルバリア層９２２と、非磁性層４０６の上に配置された第１のトンネルバリア層５２０と、第１のトンネルバリア層５２０の上に配置された第１の自由層４１８と、第１の自由層４１８の上に配置されたキャップ層５２２とを備える。第２のトンネルバリア層９２２および第１のトンネルバリア層５２０と接触して配置された非磁性層４０６の一部も、センサ９４０の一部とみなすことができる。第２の自由層９１８は、第１の自由層４１８と同じ材料で構成されてもよい。
【0073】
第２の絶縁層９１４は、非磁性層４０６の下方のセンサ９４０とスピン発生器９５０との間に配置される。第２の絶縁層９１４は、第２のキャップ層８１２と第１のシールド４０２との間、ならびに第２のキャップ層８１２、第２のＳＯＴ層８１０、および第２のシード層８０８の背後に配置されてもよい。第２の絶縁層９１４は、絶縁層５１４と同じ材料で構成できる。第１および第２のトンネルバリア層５２０、９２２は、それぞれ同じ材料から構成されてもよい。シード層９２０およびキャップ層５２２は、同じ材料で構成されてもよい。
【0074】
第１および第２のＳＢ側シールド５２４、５２６は、ＭＦＳにおいて第１の自由層４１８と隣り合って配置される。第３のＳＢ側シールド９２４および第４のＳＢ側シールド９２６は、ＭＦＳにおいて第２の自由層９１８と隣り合って配置される。第１、第２、第３および第４のＳＢ側シールド５２４、５２６、９２４、９２６はすべて同じ材料で構成できる。第１のＳＢ側シールド５２４は第３のＳＢ側シールド９２４の上に配置され、第２のＳＢ側シールド５２６は第４のＳＢ側シールド９２６の上に配置される。第１のＲｕ層９２５は、第１のＳＢ側シールド５２４と第３のＳＢ側シールド９２４との間に配置され、第２のＲｕ層９２７は、第２のＳＢ側シールド５２６と第４のＳＢ側シールド９２６との間に配置される。第１のＲｕ層９２５は、第１および第３のＳＢ側シールド５２４、９２４の反強磁性結合を可能にするように調整され、第２のＲｕ層９２７は、第２および第４のＳＢ側シールド５２６、９２６の反強磁性結合を可能にするように調整される。第１および第２のＳＢ側シールド５２４、５２６の磁化に対する第３および第４のＳＢ側シールド９２４、９２６の磁化は、第１の自由層４１８および第２の自由層９１８がクロストラック方向（Ｚ方向に沿って）において反対の磁化配向を有するように反対である。
【0075】
第１の信号電圧リード線（Ｖ－）は第１のシールド４０２に接続され、第２の信号電圧リード線（Ｖ＋）は第２のシールド４０４に接続される。第１の負電流リード線（Ｉ１－）および第１の正電流リード線（Ｉ１＋）が第２のＳＯＴ層８１０に接続され、第２の負電流リード線（Ｉ２－）および第２の正電流リード線（Ｉ２＋）が第１のＳＯＴ層５１０に接続されている。第１の負電流リード線（Ｉ１－）は第２の正電流リード線（Ｉ２＋）と隣り合って配置され、第１の正電流リード線（Ｉ１＋）は第２の負電流リード線（Ｉ２－）と隣り合って配置される。
【0076】
動作中、第１の電流（Ｉ１）が第２のＳＯＴ層８１０を通ってページの外側（図９Ａに関して）、すなわちＺ方向に流れ、第２の電流（Ｉ２）が第１のＳＯＴ層５１０を通ってページの内側（図９Ａに関して）、すなわち－Ｚ方向に流れる。第２の自由層９１８の磁化方向はＺ方向であり、第１の自由層４１８の磁化方向は－Ｚ方向である。このように、第１の自由層４１８および第２の自由層９１８は、反平行な磁化方向を有する。スピン発生器９５０に２つのＳＯＴ層を含めることにより、スピン流は２倍になる。各自由層４１８、９１８から来る信号は、自由層の磁化と非磁性層４０６のスピン偏極（Ｐ）との間の相対角度によって決定される。センサ９４０に２つの自由層４１８、９１８を含めることで、生成される信号は２倍になる。
【0077】
ＭＦＳから離れた読み取りセンサに少なくとも１つのＳＯＴ層を含めることにより、上述の読み取りヘッドは、有効なスピン注入効率を１より大幅に大きくすることにより、より高いスピン流注入／分極を達成することができる。さらに、非磁性輸送層の台形形状により、スピン流がより集中し、ＭＦＳに配置された読み取りセンサでの信号出力が増加する。
【0078】
一実施形態では、読み取りヘッドは、第１のシールドと、第２のシールドと、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において非磁性層と第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、非磁性層に隣接して配置された、ＭＦＳから第１の距離後退したスピン発生器とを備える。スピン発生器は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層を含み、第１の距離は、ＭＦＳから測定される自由層の高さよりも大きい。
【0079】
スピン発生器は、非磁性層と第２のシールドとの間に配置される。読み取りヘッドは、第１のシールドに接続された負電圧リード線と、第２のシールドに接続された正電圧リード線と、ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、ＳＯＴ層に接続された負電流リード線とをさらに備え、正電流リード線および負電流リード線は、クロストラック方向にＳＯＴ層を通る電流経路を提供するように位置合わせされる。読み取りヘッドは、非磁性層に接続された負電圧リード線と、第２のシールドに接続された正電圧リード線と、ＳＯＴ層に接続された正電流リード線と、ＳＯＴ層に接続された負電流リード線とをさらに備え、正および負電流リード線は、クロストラック方向にＳＯＴ層を通る電流経路を提供するように位置合わせされる。
【0080】
読み取りヘッドは、第１のシールドに接続された負電流リード線と、第２のシールドに接続された正電流リード線と、ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線とをさらに備える。読み出しヘッドはさらに、非磁性層に接続された負電流リード線と、第２のシールドに接続された正電流リード線と、ＳＯＴ層に接続された正電圧リード線と、ＳＯＴ層に接続された負電圧リード線とを備える。ＳＯＴ層はトポロジカル絶縁材料を含む。トポロジカル絶縁材料はＢｉＳｂである。非磁性層は、第１の部分および第２の部分を含み、第１の部分は第２の部分よりも大きな幅を有し、第１の部分はスピン発生器に隣接して配置され、第２の部分はセンサに隣接して配置される。スピン発生器は、非磁性層の上に配置されたシード層と、ＳＯＴ層の上に配置されたキャップ層とをさらに備える。センサは、非磁性層の上に配置された第１のトンネルバリア層と、自由層の上に配置されたキャップ層とをさらに備える。スピン発生器は、非磁性層と第１のシールドとの間に配置される。磁気記録ヘッドは、読み取りヘッドを備える。磁気記録装置は、磁気記録ヘッドを備える。
【0081】
別の実施形態では、磁気記録装置は、読み取りヘッドを備え、読み取りヘッドは、シールドノッチを含む第１のシールドと、第２のシールドと、シールドノッチと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において非磁性層と第２のシールドとの間に配置された、自由層を含むセンサと、ＭＦＳから後退したスピン発生器とを備える。スピン発生器は、第１のシールドと非磁性層との間に配置された第１スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と、非磁性層と第２のシールドとの間に配置された第２ＳＯＴ層を含む。
【0082】
第１のＳＯＴ層はシールドノッチに隣接して配置され、第２のＳＯＴ層は自由層に隣接して配置される。非磁性層は、センサとスピン発生器との間に延在し、約１００ｎｍ～約３００ｎｍの高さを有する。読み取りヘッドは、第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、をさらに備える。
【0083】
読み取りヘッドは、第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、をさらに備える。読み取りヘッドは、シールドノッチと非磁性層との間に配置された非磁性ノッチをさらに備える。スピン発生器は、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置される。磁気記録装置は、磁気記録ヘッドを備える。
【0084】
さらに別の実施形態では、磁気記録デバイスは、読み取りヘッドを備え、読み取りヘッドは、第１のシールドと、第２のシールドと、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された非磁性層と、媒体対向面（ＭＦＳ）において第１のシールドと第２のシールドとの間に配置された、第１の自由層および第２の自由層を含むセンサと、ＭＦＳから後退したスピン発生器を備える。スピン発生器は、第１のシールドと非磁性層との間に配置された第１のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層、および非磁性層と第２のシールドとの間に配置された第２のＳＯＴ層を備える。
【0085】
読み取りヘッドはさらに、第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電流リード線と、第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電流リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の負電流リード線と隣り合って配置された第２の正電流リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の正電流リード線と隣り合って配置された第２の負電流リード線と、を備える。読み取りヘッドはさらに、第１のＳＯＴ層に接続された第１の負電圧リード線と、第１のＳＯＴ層に接続された第１の正電圧リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の負電圧リード線と隣り合って配置された第２の正電圧リード線と、第２のＳＯＴ層に接続され、第１の正電圧リード線と隣り合って配置された第２の負電圧リード線と、を備える。
【0086】
第１の自由層は、第１のシールドと非磁性層との間に配置され、第２の自由層は、非磁性層と第２のシールドとの間に配置される。読み取りヘッドは、ＭＦＳにおいて第１の自由層と隣り合って配置された第１のソフトバイアス側シールドと、ＭＦＳにおいて第１の自由層と隣り合って配置された第２のソフトバイアス側シールドと、ＭＦＳにおいて第２の自由層と隣り合って配置された第３のソフトバイアス側シールドと、ＭＦＳにおいて第２の自由層と隣り合って配置された第４のソフトバイアス側シールドと、第１のソフトバイアス側シールドと第３のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第１のＲｕ層と、第２のソフトバイアス側シールドと第４のソフトバイアス側シールドとの間に配置された第２のＲｕ層とをさらに備える。第１の自由層は、第１の絶縁層によって第１のＳＯＴ層から離され、第２の自由層は、第２の絶縁層によって第２のＳＯＴ層から離される。第１のＳＯＴ層および第２のＳＯＴ層は、それぞれ個別に、約５ｎｍ～約２０ｎｍの厚さ、約１００ｎｍ～約１μｍの高さ、および約１００ｎｍ未満の幅を有する。非磁性層は、センサとスピン発生器との間に延在し、非磁性層は、約１００ｎｍ～約３００ｎｍの高さを有し、非磁性は、第１の部分および第２の部分を含み、第１の部分は、第２の部分よりも大きな幅を有し、第１の部分は、スピン発生器に隣接して配置され、第２の部分は、センサに隣接して配置される。スピン発生器は、第１のシールドと第２のシールドとの間に配置される。磁気記録装置は、磁気記録ヘッドを備える。
【0087】
上記は、本開示の実施形態に向けられたものであるが、本開示の他のさらなる実施形態は、その基本的範囲から逸脱することなく考案することができ、その範囲は、後に続く特許請求の範囲によって決定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A-4B】
【図4C-4D】
【図5A-5B】
【図5C-5D】
【図6A-6B】
【図6C-6D】
【図7A-7B】
【図7C-7D】
【図8A-8B】
【図8C-8D】
【図9A-9B】
【外国語明細書】