[发明专利]使用逆自旋霍尔效应的磁传感器

说明书

本发明公开了一种磁传感器，所述磁传感器基于逆自旋霍尔效应产生信号。所述传感器包括磁性自由层和定位在相邻于所述磁性自由层的非磁性导电自旋霍尔层。电路被配置成供应电流，所述电流在大体垂直于所述层的平面或垂直于由在所述磁性自由层和所述自旋霍尔层之间的界面限定的平面的方向上穿过所述磁性自由层和所述自旋霍尔层。所述逆自旋霍尔效应由于所述电流引起所述自旋霍尔层中的电压，并且所述电压相对于所述磁性自由层的磁化的取向而改变。提供了用于测量在大体垂直于所述电流的方向的方向上所述自旋霍尔层中的所述电压的电路。

相关申请的交叉引用

本发明要求2016年12月20日提交的美国申请15/385595的优先权，其全部内容以引用方式并入。

技术领域

本发明涉及磁数据记录，并且更特别地涉及利用逆自旋霍尔效应检测磁场的存在的磁读取传感器。

背景技术

在许多计算机系统的核心处是一个被称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、由相邻于旋转磁盘的表面的悬架臂悬挂的读取头和写入头以及摆动悬架臂以将读取头和写入头放置在旋转磁盘上的所选择的轨道上的致动器。读取头和写入头直接定位在具有空气轴承表面(ABS)的滑块上。当磁盘不旋转时，悬架臂偏置滑块与磁盘的表面接触，但是当磁盘旋转时，空气被旋转的磁盘旋动。当滑块漂浮在空气轴承上时，读取头和写入头用于向旋转磁盘写入磁印痕和从旋转磁盘读取磁印痕。读取头和写入头连接到处理电路，处理电路根据计算机程序操作，以实现读取和写入功能。

写入头包括至少一个线圈、写入极和一个或多个返回极。当电流流过线圈时，产生的磁场引起磁通量流过写入极，这导致从写入极的尖端发出的磁写入场。该磁场足够强，使得它局部磁化相邻磁介质的一部分，从而记录数据位。然后，写入场穿过磁介质的软磁下层，返回到写入头的返回极。

磁阻传感器诸如巨磁阻(GMR)传感器、隧道结磁阻(TMR)传感器或剪刀型磁阻传感器已经被用来从磁介质读取磁信号。这种磁阻传感器具有响应于外部磁场而改变的电阻。电阻的这种改变可以由处理电路检测，以便从磁介质读取磁数据。传感器定位在第一磁屏蔽和第二磁屏蔽之间，在屏蔽之间的间距影响数据密度。在屏蔽之间的较小间距通过增加在给定长度的数据轨道上可记录和检测的位而导致数据密度的增加。

发明内容

本发明的一个实施方案提供了磁传感器，其包括磁性自由层和相邻于磁性自由层形成的由导电非磁性材料形成的自旋霍尔层。提供了电路，该电路被配置成引起电流在垂直于层的平面的方向上流过磁性自由层和自旋霍尔层。还提供了用于测量沿着自旋霍尔层的平面并在基本上垂直于电流方向的方向上自旋霍尔层两端的电压的电路。

本发明的一个实施方案可以包括磁性自由层、相邻于磁性自由层形成的非磁性导电层以及用于在非磁性层中由于逆自旋霍尔效应而产生电压的装置，其中电压受磁性自由层的磁化方向的影响。这可以通过上述电路来提供，该电路提供用于引起电流在垂直于由磁性自由层限定的平面的方向上流过磁性自由层的装置。

流过磁性自由层的电流变得自旋极化，并且由于自旋累积，将在横向方向上将自旋电流注入自旋霍尔层中。由于逆自旋霍尔效应，自旋电流将在自旋霍尔层中产生充电电流，因此产生电压差。该电压根据自旋电流的自旋极化而变化，自旋极化与磁性自由层的磁化的取向相同。因此，因为磁性自由层的磁化可以响应于外部磁场而改变，所以可以通过测量自旋霍尔层两端的该电压来检测外部磁场。

自旋霍尔层可以由具有强自旋轨道耦合和较大自旋霍尔效率的重金属形成。自旋霍尔层可以由Ta、W、Pt、Hf和Bi中的一种或多种形成。

虽然磁性自由层可以从面向介质的表面延伸到限定条高度的第一距离，但是自旋霍尔层可以进一步延伸到比第一距离更长的第二距离。例如，自旋霍尔层可以延伸超过第一距离到第二距离，并且在第一距离和第二距离之间的差可以约等于自旋扩散层的材料的自旋扩散长度。例如，在第一距离和第二距离之间的差可以等于自旋扩散层的材料的自旋扩散长度加上或减去10％。