物理システム工学科3年次
「物性工学概論」
第14回 スピンエレクトロニクス(2)
磁気記録
物理システム工学科量子機能工学分野
佐藤勝昭
第13回に学んだこと
磁性入門
•
•
•
•
磁性の基礎を学んだ。
磁性体はどこに使われているか
どのような物質が磁性体になるのか
磁性体の特徴はなにか
磁性体の物理
強磁性の特徴1
• 低温では、自発磁化をもち磁気モーメントの向き
がそろっているが、キュリー温度Tc以上に加熱す
ると、自発磁化を失う。
強磁性体の特徴2
• 磁化が外部磁界に対しヒステリシスを示す。
•
•
•
•
O→B→C:初磁化曲線
C→D: 残留磁化
D→E: 保磁力
C→D→E→F→G→C:
ヒステリシスループ
(高梨:初等磁気工学講座テキスト)
強磁性体の特徴3
• 保磁力のちがいで用途が違う
• Hc小:軟質磁性体
– 磁気ヘッド、変圧器鉄
心、磁気シールド
• Hc中:半硬質磁性体
– 磁気記録媒体
• Hc大:硬質磁性体
– 永久磁石
第13回の問題
磁性体で興味をもったものを1つ上げ、
その応用に用いられている物理現象について述べよ。
• 半数が直流モーターについて書き、
• 半数が磁気記録について書いていました。
第14回で学ぶこと
磁気記録と光磁気記録
•
•
•
•
•
•
•
磁気記録の歴史
磁気テープと磁気ディスク
記録媒体と磁気記録ヘッド
高密度化を支えるMR素子
光磁気記録
ハイブリッド磁気記録
固体磁気メモリ(MRAM)
磁気記録の歴史
• 1898年V.Poulsen(デンマーク):発明:磁性体の
磁化状態を制御することによる情報記憶技術。
• 1900年磁気録音機としてパリ万国博に出品さ
れ、「最近の発明のなかで最も興味あるもの」とし
て賞賛される。
• 1921年L.De Forest(米国)の真空管による増幅
器の発明、1930年代リング型磁気ヘッドと微粉末
塗布型テープの開発→磁気記録技術の実用化
磁気テープ創生期
• 1928 - Dr. Fritz Pfleumer patent in Germany for application of
magnetic powders to strip of paper or film.
• 1931 - 1932 - BASF of I.G. Farben joined with AEG of
Telefunken to develop magnetic tape recording using
Pfleumer patent; by 1934, BASF is able to manufacture reels
of plastic-based tape.
• 1935 - first public demonstration of BASF/AEG
"Magnetophone" at Berlin Radio Fair.
• 1939 - independent invention of the wire recorder in U.S. by
Marvin Camras at Armour Research Foundation and sold to
military during World War II; wire recorders such as the
Webster pictured at right were popular with amateurs until the
late 1950s.
http://inventors.about.com/gi/dynamic/offsite.htm?site=http://ac.ac
usd.edu/History/recording/notes.html
磁気記録過程
佐藤勝昭編著「応用物性」
(オーム社, 1991)図5.18
記録波長
• 媒体に近接して配置した磁気ヘッドのコイルに信号電流
を流し、信号に対応した強さと向きをもつ磁束を発生し、
媒体に加える。
• 媒体は、ヘッドからの磁束を受けて磁化され、信号に対
応する残留磁化の向きと強度をもつ磁区が形成される。
• 記録波長(信号1周期に対応する媒体上の長さ)
• =v/f (v:媒体と磁気ヘッドの相対速度, f:信号周波数)
• 記録減磁:高周波信号になると、媒体が十分に動かない
うちに磁界の向きが反対になり、十分に記録できなくなる
現象
磁気記録の再生原理(1)
誘導型ヘッド
• 電磁誘導現象
コイルを通る磁束が変
化するとき、磁束の時間
微分に比例した電圧E
がコイルに発生する。
• 出力は微分波形となる
• 再生電圧は、記録波長
(媒体上の信号1周期に
対応する長さ)と媒体・
ヘッドの相対速度の積
に比例
佐藤勝昭編著「応用物性」
(オーム社, 1991)図5.19, 5.20
電磁誘導 E   
t
再生の原理
スペーシングロス
磁気記録の再生原理(2)
MR(磁気抵抗)ヘッド
• 媒体から洩れ出す磁束により磁
性体の電気抵抗が変化する現象
(MR:磁気抵抗効果)を用いて、電
圧に変えて読み出す。
• 当初AMR(異方性磁気抵抗効果)
が用いられたが90年代半ばから
GMR(巨大磁気抵抗効果)が用い
られるようになった。
MRヘッド
NS NS
NS
NS
漏れ磁界
磁気ヘッド拡大図
IODataのHPより
磁気ヘッド
IBMのHPより
ハードディスクの高密度化はなぜ可
能になったか?
• 磁性媒体のグレーンの微細化
• →磁区の微細化
• →高い線密度(>300kbpi)と高いト
ラック密度(>30ktpi)
• 磁束の局所化
– ヘッド浮上量の低減を要求
– ヘッドの磁界感度向上を要求
• →MR(磁気抵抗)ヘッド:
AMR→GMR(SV)→TMR
• 弱い信号→PRMLなど信号処理
Cr
CoCr
磁化曲線とGMR
GMR(SV)ヘッドの原理
M
H
R
H
• F1とF2の保磁力が異なれば反平
行スピンの時に抵抗が高くなる。
層間 結合系の巨大磁気抵抗効果
( GMR )
• スピン依存散乱
MR ratio
R(H)/R(0)
Fe
Cr
Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472
H (kOe)
GMR 振動と層間結合
Co/Cu superlattice
Cu thickness (Å)
Mosca et al.: JMMM94 (91) L1
非結合系のGMR
• ソフト磁性体とハード磁
性体との3層構造
M
自由
NiFe
Cu
固定
Co
Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061
MR
H (Oe)
GMR(巨大磁気抵抗効果)とは?
• 強磁性体(F1)/非磁性金属(N)/強磁性(F2)多層膜
• F1, F2平行なら抵抗小。反平行なら抵抗大。
フリー層
ピン層
スピンバルブ
• NiFe(free)/Cu/NiF
e(pinned)/AF(FeM
n)の非結合型サン
ドイッチ構造
NiFe free
Cu
NiFe pinned
AF layer
(e.g. FeMn)
最近はSAFに置き換え
交換バイアス
記録密度とヘッド浮上量
HDの記録密度の状況
• HDの記録密度は、1992年にMRヘッドの導入に
よりそれまでの年率25%の増加率(10年で10倍)
から年率60%(10年で100倍)の増加率に転じ、
1997年からは、GMRヘッドの登場によって年率
100%(10年で1000倍)の増加率となっている。
• 超常磁性限界は、40Gb/in2とされていたが、
AFC(反強磁性結合)媒体の登場で、これをクリア
し、実験室レベルの面記録密度は2003年時点で
すでに150 Gb/in2に達し、2004年には200
Gb/in2に達すると見込まれる。
ハードディスクのトラック密度、面記録密度、線記録密度の変遷
超常磁性限界
GMRヘッド
MR ヘッド
超常磁性限界
• 現在使われているハードディスク媒体は Cr CoCr
CoCrPtBなどCoCr系の多結晶媒体である。強磁
性のCoCr合金の結晶粒が偏析したCr粒に囲ま
れ、互いに分離した膜構造になっている。
• 磁気ヘッドによって記録された直後は、磁化が記
録磁界の方向に向いているが、微粒子のサイズ
が小さくその異方性磁気エネルギーKuV (Kuは単
位体積あたりの磁気異方性エネルギー、Vは粒
子の体積)が小さくなると、磁化が熱揺らぎkTに
よってランダムに配向しようとして減磁するという
現象が起きる。これを超常磁性限界と呼んでい
る。
減磁現象
• 実際、20 Gb/in2の記録媒体で
は、その平均の粒径は10 nm
程度となり、各結晶粒は磁気
的に独立に挙動し、記録された
情報が保てない。
• 一例として16 Gb/in2の記録媒
体において信号強度がt=104 s
で96%に低下することが報告さ
れている[1] 。
[1] 鈴木孝雄:「Data Storage高密度化への模索」日本
応用磁気学会第113回研究会「リムーバブル記録
の現状と将来展望」 (2000.12.1) 資料集p.11.
G.J. Tarnopolsky et al. TMRC, SanDiego, Aug. 1999
熱的安定条件
• ハードディスクの寿命の範囲でデータが安定であるための最低条
件は、=KuV/kT>60とされている。
• 面記録密度Dとすると、粒径dはD-1/2に比例するが、記録される粒
子の体積Vはほぼd3に比例するのでVはDの増大とともにD-3/2に比
例して減少する。
• この減少を補うだけ、磁気異方性Kuを増大できれば、超常磁性限
界を伸ばすことができる。単磁区の微粒子を仮定し、磁化反転が
磁化回転によるとすると、保磁力HcはHc=2Ku/Msと書かれるから
D3/2以上の伸びで保磁力を増大すれば救済できるはずである[1]。
• しかし、Hcが 大きすぎると、通常の磁気ヘッドでは記録できなく
なってしまう。これを救うのがハイブリッド記録である。
[1] T.W. McDaniel and W.A. Challener: Proc. MORIS2002, Trans Magn. Soc.
Jpn. 2 (2002) 316.
AFC(反強磁性結合)媒体
• AFC媒体(antiferromagnetically coupled media)という
のは、Ruの超薄膜を介して反強磁性的に結合させた媒
体のことで、交換結合によって見掛けのVを増大させて、
安定化を図るものである。
• 富士通ではSF(synthetic ferromagnet)媒体と称する強
磁性結合媒体を用いて超常磁性限界の延伸を図ってい
る。
AFC媒体の模式図
AFC媒体、SF媒体では、交換結合で見かけのVを増大
(旧IBMのホームページより)
超常磁性限界はどこまで伸びるか
• このような方法によって超常磁性限界の到来を多
少遅らせることはできても、せいぜい
500Gbits/in2迄であろうと考えられている。
• 保磁力を大きくすれば安定性が向上することは確
実であるが、磁気ヘッドで書き込めなくなってしま
う。ヘッドの飽和磁束密度には限界があるし、ヘッ
ドの寸法の縮小にも限界がある。現行の磁気ヘッ
ドは理論限界の1/2程度のところにまで到達して
おり、改善の余地はほとんど残されていない。
超常磁性の克服
• 保磁力の大きな媒体にどのようにして記録するの
かという課題への1つの回答が、パターンドメディ
アを用いた垂直磁気記録技術であるが、もう1つ
の回答が熱磁気記録である。
• パターンド・メディア
– 物理的に孤立した粒子が規則的に配列
• 熱アシスト記録(光・磁気ハイブリッド記録)
– 記録時に温度を上昇させてHcを下げ記録。室温では
Hcが増大して熱的に安定になる。
垂直磁気記録
• 従来の磁気記録は記録された磁化が媒体の面
内にあるので、面内磁気記録と呼ばれる。長手記
録とも呼ばれる。高密度になると、1つの磁区の
磁化が隣り合う磁区の磁化を減磁するように働く。
• これに対し、垂直磁気記録では、隣り合う反平行
の磁化は互いに強めあうので、記録が安定。
微粒子集合体からパターンドメディアへ
中村:日本応用磁気学会128回研究会テキストp.9
早稲田大学朝日研究室のHPより
熱アシスト記録材料
• 熱磁気記録に用いられる媒体としては、従来から
HDDに用いられてきたCoCr系のグラニュラー媒
体を利用する方法と、MO媒体として使われてき
たアモルファス希土類遷移金属合金媒体を用い
る方法が考えられる。また、短波長MO材料として
検討されたPt/Co多層膜媒体を用いることも検討
されている。いずれにせよ、室温付近で大きなHc
を示し、温度上昇とともに通常の磁気ヘッドで記
録できる程度にHcが減少する媒体が望ましい。
光磁気記録
• 記録: 熱磁気(キュリー温度)記録
– 光を用いてアクセスする磁気記録
• 再生: 磁気光学効果
– 磁化に応じた偏光の回転を電気信号に変換
•
•
•
•
•
MO, MDに利用
互換性が高い
書き替え耐性高い:1000万回以上
ドライブが複雑(偏光光学系と磁気系が必要)
MSR, MAMMOSなど新現象の有効利用可能
光磁気ディスク
–記録: 熱磁気(キュリー温度)記録
–再生: 磁気光学効果
–MO: 3.5”
128→230→650→1.3G→2.3G
–MD(6cm)
–iD-Photo, Canon-Panasonic(5cm)
光磁気記録の歴史
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1962 Conger,Tomlinson
光磁気メモリを提案
1967 Mee Fan
ビームアドレス方式の光磁気記録の提案
1971 Argard (Honeywel)
MnBi薄膜を媒体としたMOディスクを発表
1972 Suits(IBM)
EuO薄膜を利用したMOディスクを試作
1973 Chaudhari(IBM)
アモルファスGdCo薄膜に熱磁気記録(補償
温度記録)
1976 Sakurai(阪大) アモルファスTbFe薄膜にキュリー温度記録
1980 Imamura(KDD) TbFe系薄膜を利用したMOディスクを発表
1981 Togami(NHK) GdCo系薄膜MOディスクにTV動画像を記録
1988 各社
5”MOディスク(両面650MB)発売開始
1889 各社
3.5 ”MOディスク(片面128MB)発売開始
1991 Aratani(Sony) MSR(磁気誘起超解像)を発表
1992 Sony
MD(ミニディスク)を商品化
1997 Sanyo他
ASMO(5”片面6GB:L/G, MFM/MSR)規格発表
1998 Fujitsu他
GIGAMO(3.5”片面1.3GB)発売開始
2001 Sanyo
ディジカメ用iD-Photo(2”, 780MB)発売
2002 Canon-松下 ハンディカメラ用2“3GBディスク発表
光磁気媒体
• MOディスクの構造
ポリカーボネート基板
窒化珪素保護膜・
(MOエンハンス
メント膜を兼ねる)
Al反射層
groove
land
樹脂
MO記録膜
(アモルファスTbFeCo)
光磁気記録 (1)情報の記録
• レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 M
• キュリー温度以上になると磁化を消失
• 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録
Tc
温度
Tc
コイル
外部磁界
光磁気記録媒体
光スポット
光磁気記録 (2)ビットの安定性
• 補償温度(Tcomp)の利用 Hc
• アモルファスTbFeCoは
一種のフェリ磁性体なので
補償温度Tcompが存在
• TcompでHc最大:
– 記録磁区安定
Fe,Co
Tb
M
Tb
FeCo
Mtotal
Tcomp Tc T
室温
アモルファスR-TM合金
光磁気記録 (3)情報の読み出し
• 磁化に応じた偏光の回転を検出し電気に変換
D1
LD
+
D2
N
S
S
N
N
S
偏光ビーム
スプリッタ
MOドライブ
MOドライブの光ヘッド
Bias field coil
Recorded marks
Track pitch
Focusing lens
MO film
Rotation of
polarization
Beam splitter
lens
PBS
(polarizing beam splitter)
mirror
Laser diode
Half
wave-plate
Photo-detector
2種類の記録方式
• 光強度変調(LIM):現行のMOディスク
– 電気信号で光を変調
– 磁界は一定
– ビット形状は長円形
• 磁界変調(MFM):現行MD, iD-Photo
– 電気信号で磁界を変調
– 光強度は一定
– ビット形状は矢羽形
記録ビットの形状
(a)
(b)
超高密度光ディスクへの展開
1. 超解像
1. MSR/MAMMOS
2. Super-RENS (Sb)
2. 短波長化
3. 近接場
MSR(磁気誘起超解像)
• 解像度は光の回折限界から決まる
– d=0.6λ/NA (ここにNA=n sinα)
– 波長以下のビットは分解しない
• 記録層と再生層を分離
α
d
• 読み出し時のレーザの強度分布を利用
– ある温度を超えた部分のみを再生層に転写する
MSR方式の図解
MSRの分類
• 高温部が光スポットのやや後方に偏ることを利用
– FAD (front aperture detection) 読み出し層の記録
マークの後ろの部分をマスクして、開口を小さくする。
– RAD (rear aperture detection) 読み出し層を磁界に
よって消去しておき、高温部で記録層から転写する。
• CAD (center aperture detection) 記録層の上に面内磁
気異方性をもつ読み出し膜を重ねておき、レーザ光で加
熱すると中心部のみの異方性が変化し、交換結合により
記録層から読み出し層に転写
MAMMOS
(magnetic amplification MO system)
• MSRの転写の際に磁界
を印加することによって、
転写された磁区を拡大し、
レーザスポットの有効活
用を図る。
• これにより、0.05mのス
ポットも再生可能に。
DWDD(磁壁移動検出)
• 読み込みの時だけ、磁壁が移動して記録マークを拡大
• 室温状態では、「記録層」の記録マークは、中間の「スイッチング
層」を介し、「移動層」に交換結合力で転写されています。再生光
スポットをディスクの記録トラックに照射することにより昇温し、中
間の「スイッチング層」のキュリー温度以上の領域では磁化が消
滅し、各層間に働いていた交換結合力が解消。移動層に転写され
ていたマークを保持しておく力の一つである交換結合力が解消さ
れることで、記録マークを形成する磁区の周りの磁壁が、磁壁の
エネルギーが小さくなる高い温度領域に移動し、小さな記録マー
クが拡大される・・・それが、DWDDの大まかな原理です。
• まるでゴムで引っぱられるように、移動層に転写されている磁区の
端(磁壁)が移動。磁壁移動検出方式という名称は、ここから発想
されました。読み出しの時だけ、記録メディアの方が、記録層に記
録された微小な記録マークを虫眼鏡で拡大するかのようにふるま
うので、レーザービームスポット径より高密度に記録されていても
読み取ることが可能になるわけです。
キャノンのHPより
DWDD概念図
原理的には再生上の分解能の限界がない。
移動層
スイッチング層
記録層
スピン依存トンネル効果とトンネ
ル磁気抵抗効果(TMR)
current
FM2
insulator
FM1
I
FM2
voltage
current
FM1
• 強磁性体(FM)/絶縁体(I)/強磁性体(FM)構造
• M. Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975)
• S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-18, 707
(1982)
• Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987
(World Scientific, 1987) p.303
• J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989)
• T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995)
TMRデバイス
• 絶縁体の作製技術が
鍵を握っている。→
• 最近大幅に改善
•TMR ratio as large as 45% was
reported. (Parkin: Intermag 99)
•Bias dependence of TMR has
been much improved by double
tunnel junction. (Inomata: JJAP
36, L1380 (1997))
TMRを用いたMRAM
• ビット線とワード線
でアクセス
• 固定層に電流の
作る磁界で記録
• トンネル磁気抵抗
効果で読出し
• 構造がシンプル
MRAMの回路図
• 鹿野他:第126回日本応用磁気学会研究会資料p.3-10
MRAM と他のメモリとの比較
SRAM
DRAM
Flash
FRAM
MRAM
読出速度
高速
中速
中速
中速
中高速
書込速度
高速
中速
低速
中速
中高速
不揮発性
なし
なし
あり
あり
あり
リフレッシュ
不要
要
不要
不要
不要
セルサイズ
大
小
小
中
小
低電圧化
可
限
不可
限
可
期末テストについて
• 7月29日(火)1限
• プレハブ教室
• 問題の1つとして、「物性工学概論で学んだ材料
や物理現象のうち興味を持ったことを1つ選んで、
自分で調べて1000字程度で説明せよ。」という
のを出しますので、あらかじめ準備しておいてくだ
さい。(同一文章の場合、双方とも減点します)
• 持ち込み可能なもの:参考書1冊、電卓、カンペ2
枚(手書きに限る)
テーマの例
•
•
•
•
•
•
•
光電変換:CCDカメラ
ニュートリノを見いだした光電子増倍管
青色発光ダイオード、青紫色レーザー
さまざまな光ディスク:CD-RWの記録の仕組み
ディスプレイ:PDPの仕組み、原理
磁気光学効果とMOディスク
ハードディスクの仕組み
ダウンロード

Power point ファイル(ダウンロード用)