東北大、5Tビット/平方インチの記録が可能となるHDD用磁気抵抗素子を開発

　

　東北大学(東北大)大学院工学研究科の大兼幹彦准教授、安藤康夫教授らの研究グループは、高密度HDDの情報読み出し用ヘッドとして期待される「面直通電型巨大磁気抵抗素子(CPP-GMR素子)」の性能向上に成功し、1平方インチあたり5Tビット級の記録密度を実現するめどが立ったことを明らかにした。同成果は9月30日に名古屋で開かれた国際会議「2011SSDM」にて注目論文として発表された。

　スピントロニクスの重要デバイスの1つとして活用されてきたHDDは、磁石でできた記録媒体と磁気ヘッドで構成されており、それぞれの磁石の向きを書き込みヘッドから出る磁界で制御することにより、情報の書き込みと行い、また、磁石から漏れ出る磁界をヘッドで検出することで情報を読み出している。HDDの記録密度の向上のためには、記録媒体中の磁石の大きさを小さくするとともに、併せて小さくなる磁界を読み取ることが可能なヘッドを開発する必要がある。

　読み出しヘッドとしては、1988年、P.Grunberg 博士とA. Fert博士により発明された強磁性薄膜と磁性を持たない非磁性金属薄膜の積層構造を有した「巨大磁気抵抗(GMR)」素子が2007年ノーベル物理学賞を受賞しているほか、、1994年には、東北大学の宮﨑照宣教授らにより、強磁性薄膜2枚で薄い絶縁体薄膜をサンドウィッチした構造によりGMR素子よりも大きな磁気抵抗効果を示す、強磁性トンネル接合(MTJ)素子が開発され、これが磁気ヘッドとして応用されたことで、HDDの記録密度はさらに向上してきた。

　HDDの情報読み出しの原理模式図

　しかし。記録密度の向上とともに、ヘッドの微小化も進み、MTJ素子では素子抵抗値を小さくできないという課題が出てきた。磁気ヘッドの抵抗値は転送速度を向上させるためには小さくする必要があるが、MTJ素子では絶縁体を用いているため、抵抗値を小さくすることが原理的に難しいかった(素子抵抗値は素子の断面積に反比例する)。

　(a)巨大磁気抵抗素子、(b)強磁性トンネル接合素子、(c)面直通電型巨大磁気抵抗素子の模式図

　現在、次世代のHDD用ヘッドとして面直通電型巨大磁気抵抗(CPP-GMR)素子への期待が高まっている。CPP-GMRは、従来のGMR素子と同様に、強磁性薄膜と非磁性金属薄膜の積層構造を持っており、素子の膜面直方向に電流を流すことが特徴で、素子の横方向に電流を流すGMR素子に比べて磁気抵抗効果が原理的に大きくなり、また、すべての層が金属膜のため、低抵抗化に対して大きなアドバンテージを有している。しかし、これまでのCPP-GMR素子は、MTJ素子に比べて磁気抵抗効果が小さく、また、次世代ヘッドに要求される値にも到達していなかった。

　HDDの面記録密度の年推移

　今回の研究では、これらの問題を解決するために、強磁性層にハーフメタルホイスラー合金を用いたCPP-GMR素子を開発した。ハーフメタルは、流れる電流を担う電子が、上向き、または、下向きのスピンのみを有する材料で、磁気抵抗効果は、強磁性層のスピンの偏極率(上向きスピンと下向きスピンの割合)が大きいほど大きくなるため、ハーフメタル材料はスピン偏極率が100%の、いわば理想的な強磁性体材料といえる。

　ハーフメタル材料にもいくつか種類があるが、今回の研究では、ホイスラー合金と呼ばれる規則合金に着目し実験が行われた。ホイスラー合金は、X2YZの組成で、L21構造と呼ばれる、原子が規則正しく配列した構造を有しており、室温でも高いスピン偏極率を実現可能な材料。

　ホイスラー合金の結晶構造

　研究グループは、Co2(Fe0.4Mn0.6)Siホイスラー合金/Ag非磁性金属/Co2(Fe0.4Mn0.6)Siホイスラー合金の三層CPP-GMR構造において、室温で70%を超える大きな磁気抵抗比を実現した。

　開発したCPP-GMR素子の磁気抵抗曲線(磁界に対する素子抵抗の変化率を示したもの)から得られた磁気抵抗比は、他グループから報告されているCPP-GMR素子のそれに比べて大きな値を示しており、その原因について研究グループは、薄膜の成膜条件、熱処理条件などの最適化によって、高いスピン分極率をCo2(Fe0.4Mn0.6)Siホイスラー合金で実現したこと、および、Co2(Fe0.4Mn0.6)Si/Ag界面が原子層レベルで平滑で、かつ、清浄であることによるとしている。

　今回開発された素子の磁気抵抗曲線(外部磁界に対する抵抗変化)。左軸が面積×抵抗値、右軸が磁気抵抗比

　今回の研究で得られた磁気抵抗比および素子抵抗値は、1平方インチ当たりに5Tビットの大容量情報記憶が可能な、HDDヘッドのターゲットエリアに到達しており、これにより、今後の次世代磁気ヘッドの開発は、ハーフメタルホイスラー合金を用いたCPP-GMR素子を中心に展開されていくものと考えられると研究グループでは説明している。

　次世代磁気ヘッド素子候補の磁気抵抗比と素子抵抗値の関係図。今回の研究成果は1平方インチ当たり5Tビット容量のターゲットエリアに到達している

　なお、今回の研究は、総務省SCOPE「数Tbit/inch2磁気記録密度実現のためのオールホイスラー合金磁気抵抗素子の開発」、およびWestern Digitalの支援を受けて実施されたものとなっている。