CN101067933A - 电流垂直平面磁致电阻传感器 - Google Patents

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杰弗里·R·奇尔德雷斯
斯蒂芬·马特
尼尔·史密斯
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Abstract

电流垂直平面CPP磁致电阻传感器具有反平行自由APF结构作为自由层和用于所施加的偏置或检测电流的特定方向。APF结构具有第一自由铁磁层FL1、第二自由铁磁层FL2和反平行AP耦合APC层，APC层使FL1和FL2反铁磁耦合在一起从而FL1和FL2具有基本反平行的磁化方向并在存在磁场时一起转动。选择FL1和FL2的厚度以获得用于传感器的所需净自由层磁矩/面积，优选选择FL1的厚度大于FL1材料中电子的自旋扩散长度，以最大化电子的体自旋相关散射并因而最大化传感器信号。CPP传感器特别地利用从被钉扎铁磁层到APF结构指向的传统检测电流操作，引起对电流诱导噪声的抑制。

Description

电流垂直平面磁致电阻传感器
技术领域
本发明总地涉及电流垂直平面(CPP)磁致电阻传感器，其利用垂直于构成传感器堆叠的层的平面引导的检测电流工作，尤其涉及具有低的电流诱导噪声的CPP传感器。
背景技术
用作磁记录盘驱动器中的读头的一类传统磁致电阻传感器是“自旋阀”(SV)传感器。SV磁致电阻传感器具有层的堆叠，其包括通过非磁导电间隔层分隔开的两个铁磁层，该间隔层一般是铜(Cu)。一个铁磁层磁化方向被固定，例如通过与相邻反铁磁层交换耦合而被钉扎，另一铁磁层的磁化方向在存在外磁场时“自由”旋转。利用施加到传感器的检测电流，自由层磁化相对于被固定层磁化的旋转可检测为电阻改变。
在磁记录盘驱动器的SV读传感器或头中，层的堆叠位于磁屏蔽件之间读“间隙”中。被固定或被钉扎层的磁化基本垂直于盘平面，自由层的磁化在没有外磁场时基本平行于盘平面。当暴露于来自盘上记录数据的外磁场时，自由层磁化将转动，引起电阻变化。如果流经SV的检测电流平行于传感器堆叠中层的平面引导，则传感器被称为面内电流(CIP)传感器，而如果检测电流垂直于传感器堆叠中层的平面引导，则它被称为电流垂直平面(CPP)传感器。
CPP-SV读头由A.Tanaka等人在“Spin-valve heads in thecurrent-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording”(IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，第38卷，第1期，2002年1月，第一部分，第84-88页)中进行了描述。另一类型的CPP传感器是磁隧道结(MTJ)传感器，其中非磁间隔层是非常薄的非磁隧道势垒层。在MTJ磁致电阻读头中间隔层是电绝缘的并且通常是氧化铝(Al2O3)；在CPP-SV磁致电阻读头中间隔层是导电的并且通常是铜。
CPP传感器易受电流诱导噪声和不稳定性的影响。自旋极化电流垂直流过铁磁层并对局部磁化产生自旋转移矩(spin transfer torque)。如果检测电流高于特定水平，这可产生磁化的连续旋转，导致显著的低频磁噪声。该效应由J.-G.Zhu等人在“Spin transfer induced noise in CPP read heads”(IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，Vol.40，pp.182-88，JAN 2004)中做了描述。相关文章中提出但未证实的是，自由层对自旋转移矩诱导的不稳定性的敏感性可以通过使用双自旋阀而减小(J.-G.Zhu等人的“Current induced noisein CPP spin valves”(IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，Vol.40，No.4，pp.2323-2325，JUL 2004))。然而，双自旋阀需要自由层上的第二间隔层和第二间隔层上的第二被钉扎层，因而导致较大的屏蔽件至屏蔽件读间隙距离，这降低了传感器分辨率。
所需要的是一种CPP传感器，其产生最小的电流诱导噪声而没有磁致电阻或传感器分辨率的损失。
发明内容
在本发明涉及CPP磁致电阻传感器，具有反平行自由(APF)结构和用于所施加的偏置或检测电流的特定方向，从而得到增加的磁致电阻以及更重要的是减小的对电流诱导的不稳定性和噪声的敏感性。(APF)结构具有第一自由铁磁层(FL1)、第二自由铁磁层(FL2)、以及反平行(AP)耦合(APC)层，APC层使FL1和FL2反铁磁耦合在一起从而FL1和FL2具有基本反平行的磁化方向。反铁磁耦合的FL1和FL2在存在磁场例如来自磁记录介质中记录的数据的磁场时一起转动。选择FL1和FL2的厚度来获得用于传感器的所需净自由层磁矩/面积，对于高级CPP读头其不大于约100 NiFe的等效磁矩/面积。该传感器基于这样的发现，即对于具有合适的APF结构的CPP传感器，当所施加的检测电流从被钉扎层引导到APF结构时，临界电流显著较高，高于临界电流时发生电流诱导噪声。因此，传感器利用从参考铁磁层引导向APF结构的检测电流Is(其为传统电流且与电子电流Ie方向相反)操作，使得自旋转矩效应及因此的电流诱导噪声受到抑制。这允许使用高得多的检测电流，得到更高的传感器输出电压。另外，为了最大化传感器信号，FL1的厚度可以选择为大于FL1材料中电子的自旋扩散长度，这使FL1中的体(bulk)自旋相关散射最大化。
为了更充分理解本发明的本质和优点，应当参照下面结合附图的详细说明。
附图说明
图1是罩被移除的传统磁记录硬盘驱动器的示意性顶视图；
图2是沿图1中的方向2-2取得的滑块和一部分盘的放大端视图；
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出了从盘观察时读/写头的端部；
图4是CPP-SV读头的横截面示意图，示出了位于磁屏蔽层之间的层的堆叠；
图5根据本发明的CPP-SV读头的横截面示意图；
图6是对于根据现有技术的具有单自由层的对照样品在所施加的正和负磁场下作为电子电流Ie的函数的噪声功率谱密度(PSD)的曲线，其中正电子电流Ie对应于从被钉扎层朝向自由层的电子流；
图7是对于根据本发明的具有反平行自由结构的样品在所施加的正和负磁场下作为电子电流Ie的函数的噪声功率谱密度(PSD)的曲线，其中正电子电流Ie对应于从被钉扎层朝向自由层的电子流；
图8是作为FL2厚度的函数的自旋转矩诱导噪声的正和负临界电子电流Ie crit的曲线图。
具体实施方式
CPP-SV读头可应用于磁记录盘驱动器，其操作将参考图1-3简要描述。图1是传统磁记录硬盘驱动器的简图。该盘驱动器包括支承在盘驱动器外壳或基座16上的磁记录盘12和旋转音圈马达(VCM)致动器14。盘12具有旋转中心13，且通过安装于基座16的主轴马达(未示出)在方向15上旋转。致动器14绕轴17枢转并包括刚性致动器臂18。基本柔性的悬臂20包括挠曲元件23并连接在臂18的末端。头载体或气垫滑块22连接到挠曲件23。磁记录读/写头24形成在滑块22的尾表面25上。挠曲元件23和悬臂20使滑块能够在旋转盘12产生的气垫上“俯仰(pitch)”和“横转(roll)”。一般地，在通过主轴马达旋转的毂上堆叠有多个盘，单独的滑块和读/写头与每个盘表面相关联。
图2沿图1的方向2-2取得的滑块22和一部分盘12的放大端视图。滑块22被连接到挠曲件23上，且具有面向盘12的气垫面(ABS)27和基本垂直于ABS的尾表面(trailing surface)25。ABS 27使源于旋转盘12的气流产生气垫，该气垫支承滑块22非常接近或几乎接触盘12表面。读/写头24形成在尾表面25上并通过与尾表面25上的端子焊盘29的电连接而连接到盘驱动读/写电路。
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出从盘12观察的读/写头24的端部。读/写头24是在滑块22的尾表面25上沉积和光刻构图的一系列薄膜。写头包括由写间隙30间隔开的磁写极P1/S2和P2。CPP-SV磁致电阻传感器或读头100位于两个磁屏蔽件S1和P1/S2之间，P1/S2也用作写头的第一写极。屏蔽件S1、S2由导磁材料形成并且是导电的，从而它们可以作为到读头100的电引线。也可以采用单独的电引线，在这种情况下与导电引线材料例如钽、金或铜的层接触地形成读头100，导电引线材料的层与屏蔽件S1、S2接触。
图4是放大剖视图，示出从传感器的气垫面(ABS)看到的构成传感器100的层。传感器100是CPP-SV读头，包括在两个磁屏蔽层S1、S2之间形成的层堆叠，两个磁屏蔽层通常是电镀的NiFe合金膜。一般通过化学机械抛光(CMP)对下屏蔽S1进行抛光，以提供光滑的基底用于传感器堆叠的生长。这可能残留氧化物涂层，其可以恰好在传感器沉积之前用适度的蚀刻来去除。传感器层包括具有基本垂直于ABS(进入纸面)取向的固定磁矩或磁化方向121的被钉扎铁磁层120、具有基本平行于ABS取向并可以响应于来自盘12的横向外磁场在层110的平面中旋转的磁矩或磁化方向111的自由铁磁层110、以及在被钉扎层120和自由层110之间的通常是铜(Cu)的导电间隔层130。
CPP-SV传感器中的被钉扎铁磁层可以是单被钉扎层或反平行(AP)被钉扎结构。AP被钉扎结构具有第一(AP1)和第二(AP2)铁磁层，它们通过非磁反平行耦合(APC)层分隔开，两个AP被钉扎铁磁层的磁化方向基本反平行取向。在一侧与非磁APC层接触且在另一侧与传感器的导电间隔层接触的AP2层通常被称为参考层。通常在一侧与反铁磁或硬磁体钉扎层接触且在另一侧与非磁APC层接触的AP1层通常被称为被钉扎层。AP被钉扎结构最小化参考/被钉扎层与CPP-SV自由铁磁层之间的净静磁耦合。AP被钉扎结构也称为“层叠”被钉扎层，并且有时称为合成反铁磁体(SAF)，在美国专利5,465,185中做了描述。
图4中CPP-SV传感器中的被钉扎层是AP被钉扎结构，具有跨AP耦合(APC)层123反铁磁耦合的参考铁磁层120(AP2)和下铁磁层122(AP1)。APC层123通常为Ru、Ir、Rh、Cr、或其合金。自由铁磁层110、间隔层130和AP2层120一起构成传感器的所谓“有源区”。AP1和AP2铁磁层使其各自的磁化方向127、121反平行取向。AP1层122可使其磁化方向通过与反铁磁(AF)层124交换耦合而被钉扎，如图4所示。供选地，AP被钉扎结构可以“自钉扎”，或者它可以被硬磁层如Co100-xPtx或Co100-x-yPtxCry(其中x为约8和30之间的原子百分比)钉扎。在“自钉扎”传感器中，AP1和AP2层的磁化方向127、121通过磁致伸缩和所制造的传感器内存在的残余应力通常设定为基本垂直于盘表面。期望的是AP1和AP2层具有类似的磁矩。这确保了AP被钉扎结构的净磁矩小从而与自由层的静磁耦合最小化且AF层124的有效钉扎场保持为高，该有效钉扎场大致反比于AP被钉扎结构的净磁化。在硬磁体钉扎层的情况下，当平衡AP1和AP2的磁矩来最小化与自由层的静磁耦合时需要考虑硬磁体钉扎层的磁矩。
位于下屏蔽层S1与AP被钉扎结构之间的是底部电引线126和籽层125。籽层125可以是单层，或者也可以是不同材料的多层。位于自由铁磁层110与上屏蔽层S2之间的是帽盖层112和顶部电引线113。帽盖层112可以是单层或者不同材料的多层，例如Cu/Ru/Ta三层。
当在感兴趣的范围内的外磁场即来自盘12上记录的数据的磁场存在时，自由层110的磁化方向111将旋转，同时参考层120的磁化方向121将保持基本固定而不旋转。自由层磁化111相对于参考层磁化121的旋转导致电阻改变。因此，当在顶部引线113和底部引线126之间施加检测电流Is时，电阻改变被检测为电压信号，其与来自盘上记录数据的磁信号场的强度成比例。
引线126、113一般为Ta或Rh。然而，也可以使用任何低电阻材料。它们是可选的，且用来调节屏蔽件到屏蔽件的间隔。如果不存在引线126和113，可以使用底部和顶部屏蔽S1和S2作为引线。籽层125一般为NiFeCr、NiFe、Ta、Cu或Ru的一个或更多层。AF层124一般是Mn合金，例如PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、IrMnCr、PdMn、PtPdMn或RhMn。如果使用硬磁层代替AF层，该硬磁层一般是Copt或FePt合金，例如CoPtCr。帽盖层112提供防腐蚀保护，一般由Ru或Ta形成。
铁磁层122(AP1)、120(AP2)和110(自由层)一般由晶体CoFe或NiFe合金形成，或由这些材料的多层例如CoFe/NiFe双层形成。这些合金具有足够高的磁矩M和体电子散射参数β，但较低的电阻率ρ。AP2层也可以是叠层结构从而获得高度的自旋相关界面散射。例如，AP2层可以是FM/XX/FM/..../XX/FM叠层，其中铁磁(FM)层由Co、Fe或Ni、它们的合金中的一种、或这些材料的多层例如CoFe-NiFe-CoFe三层形成；并且XX层是非磁层，通常是Cu、Ag或Au或它们的合金，且足够薄从而相邻的FM层强地铁磁耦合。
例如，AP2层120可以是CoFe合金，一般为10～30厚；自由铁磁层110可以是CoFe合金的双层，一般为10～15厚且形成在间隔层130上，一般10～30厚的NiFe合金形成在所述双层的CoFe层上。AP被钉扎结构中的APC层一般为厚度在约4～10之间的Ru或Ir。
如果AP被钉扎结构是“自钉扎”型，则不需要反铁磁钉扎层。在不存在反铁磁体或硬磁体钉扎层的自钉扎结构中，AP1层与传感器衬底上的籽层接触。
在传感器堆叠外靠近自由铁磁层110的侧边缘或在堆叠内也可以包括硬磁偏置层(未示出)，例如CoPt或CoCrPt层，用于自由铁磁层110的磁稳定或纵向偏置。
自由层110、AP2层120、帽盖层112和导电非磁间隔层130中的一层或更多还可以包括纳米氧化物层(NOL)，从而局部限制电流路径和增大有源区的有效电阻。例如，通过在自由层、AP2层、帽盖层或导电间隔层中的某些地方已经沉积一些CoFe之后中断该沉积，且在0.1～10托(Torr)下在O2或O2/Ar气体中氧化其表面数分钟，可以形成CoFe NOL。NOL也可以通过氧化其它材料例如Cu/Al或Cu/Ti合金或多层来形成。
尽管图4示出的读头100是“底被钉扎”读头，因为AP被钉扎结构位于自由层110下方，但自由层110可以位于AP被钉扎结构下方。在这样的布置中，AP被钉扎结构的层颠倒，AP2层120位于间隔层130顶部并与之接触。
在本发明中CPP传感器类似于上述的CPP传感器，但具有反平行自由(APF)结构作为自由层、以及用于所施加的偏置或检测电流的特定方向，从而得到增加的磁致电阻和减小的对电流诱导不稳定性和噪声的敏感性。尽管本发明将参照CPP-SV读头描述，但本发明可以应用于其它类型的CPP磁致电阻传感器例如MTJ传感器以及应用于具有NOL的CPP传感器。
本发明的CPP-SV传感器在图5中示为传感器200。自由层是反平行自由(APF)结构，包括第一自由铁磁层201(FL1)、第二自由铁磁层202(FL2)、以及反平行(AP)耦合(APC)层203。APC层203例如薄的(在大约4和10之间)Ru膜将FL1和FL2反铁磁耦合在一起，结果FL1和FL2保持基本反平行的磁化方向，分别如箭头211、212所示。反铁磁耦合的FL1和FL2在存在磁场例如来自磁记录介质中记录的数据的磁场时一起旋转。PF结构的净磁矩/面积(通过箭头211、212大小的差表示)为(M1*t1-M2*t2)，其中M1和t1分别为FL1的饱和磁化和厚度，M2和t2分别为FL2的饱和磁化和厚度。因此，选择FL1和FL2的厚度从而获得用于传感器的所需净自由层磁矩。在高级CPP读头中，期望的是自由层的净磁矩/面积(M1*t1-M2*t2)不大于约100 NiFe的等效磁矩/面积。
在CIP传感器中作为自由层的APF结构首先描述于美国专利5408377中。CPP传感器中作为自由层的特定类型的基于Fe的APF结构在受让给与本申请相同受让人的US 2005/0243477 A1中进行了描述。在该申请描述的传感器中，目的是高磁致电阻，因此靠近间隔层的自由层材料是Fe并且因而要求间隔层是Cr，因为Fe/Cr多层是公知的表现出高磁致电阻的系统。在靠近间隔层的自由层中使用纯Fe要求使用远离间隔层的第二自由层来降低基于Fe的APF的矫顽力并且要求第二自由层与氮(N)形成合金以进一步降低矫顽力。然而，在CPP传感器的自由层或任何其它有源磁层中使用纯元素例如Fe不是优选的。相反，优选使用合金例如FeCo合金来提高电子散射并因而缩短自旋扩散长度。这对于利用薄磁层实现高磁致电阻并得到高分辨率的薄传感器是重要的。另外，纯Fe易腐蚀并且由于可靠性原因而应该避免使用。
在本发明中，间隔层230不是由Cr形成，而优选地是与CoxFe1-x(50＜x＜100at.％)和NixFe1-x(50＜x＜100at.％)磁层接触产生较高CPP磁致电阻的Cu、Au或Ag。另外，本发明中由于Fe或FeN在气垫面处对腐蚀的敏感性，FL1和FL2不由Fe或FeN形成，而是可由晶体CoFe或NiFe合金、或这些材料的多层如CoFe/NiFe双层形成。FL1和FL2还可以由较高电阻的非晶合金形成，例如选自Co、Fe和Ni的一种或更多元素与至少一种非磁元素的合金，该非磁元素以一量存在使得否则是晶体的合金表现为非晶。用于FL1和FL2的非晶合金的例子包括Co(100-x-y)FexXy和Ni(100-x-y)FexXy，其中X为B、Si或Tb，y在约5和40原子百分比(at.％)之间。FL1和FL2还可以由铁磁休斯勒(Heusler)合金形成，即具有休斯勒合金晶体结构的金属性化合物。用于FL1和FL2的休斯勒合金的例子包括Co2MnX(其中X是Al、Sb、Si或Ge)、NiMnSb、PMnSb、和Co2FexCr(1-x)Al(其中x在0和1之间)。FL1和FL2还可以由基于CoFe或NiFe合金的高电阻铁磁晶体合金形成，其具有短的自旋扩散长度(＜100)并导致显著的CPP磁致电阻，且含有Cu、Mg、Al、Si、Au、Ag或B的一种或更多添加物。另外，在本发明中，APC层203不是由Cr形成，而优选是Ru、Ir、Rh、或它们的合金形成。
在本发明中，有利的是选择FL1的成分和厚度大于FL1材料中电子的自旋扩散长度从而最大化电子的体自旋相关散射并因而最大化传感器信号。如果FL1厚度显著小于自旋扩散长度，(对于NiFe其为约40)，则信号由于FL1而没有被最大化。另外，FL2可参与自旋阀效应，并由于其磁化在方向上与FL1相反而可导致对磁致电阻的负贡献。如果FL1显著厚(显著在自旋扩散长度之上或至少自旋扩散长度的约110％)，则来自FL1的信号接近最大，并且没有来自FL2的显著的负自旋阀贡献。自旋扩散长度取决于磁材料且对于NiFe为约40，对于Co为约500，对于Co90Fe10为约120。如果具有高自旋扩散长度的材料用于FL1，如果期望最优信号幅度，则APF结构可以制得较厚，但这将增加传感器的屏蔽件到屏蔽件的总间距。任何材料中的自旋扩散长度可以通过一系列实验确定，所述实验测量CPP自旋阀效应对感兴趣材料的厚度的相关性。感兴趣的材料可包括在间隔层中或代替铁磁层之一。见例如A.C.Reilly等人的J.Mag.Mag.Mat.195，L269-L274(1999)。这些实验在某种程度上难且冗长乏味，因此对于大量材料来说自旋扩散长度仍然未知。一个基本趋势是自旋扩散长度与电阻率相反地变化，即具有大电阻率的材料表现出短的自旋扩散长度。一般地，合金比纯金属即非合金单质金属表现出更高电阻率、及因此更短的自旋扩散长度。因此，一般地，合金倾向于比纯金属具有更短的自旋扩散长度，因为它们由于增强的电子散射而比构成它们的元素表现出更大的电阻率。
在本发明中，如图5所示，检测电流Is的方向(其为传统电流并与电子电流方向相反)特别地选择为从AP被钉扎结构到APF结构(从底引线126到顶引线113)，使得自旋转矩效应及因此的电流诱导噪声被抑止，这将在下面说明。另外，在选择FL1和FL2的厚度以获得传感器的所需净自由层磁矩/面积的同时，本发明中也选择FL2的厚度为高于特定阈值。根据下面描述的实验数据，FL2的厚度应该大于一阈值，即FL1的厚度的约25％或对于NiFe为15。
本发明的具有APF结构的CPP测试样品(类似于图5)与具有单自由层(类似于图4)的CPP对照样品比较。用于自由层的材料是具有2at.％Tb的NiFe合金(Ni83Fe15Tb2)，其中下标表示原子百分比。对照样品具有40的自由层厚度，约0.75mOhm-μm2的ΔRA，以及约2.35％的ΔR/R。在CPP测试样品中，如果APF结构具有FL1＝50和FL2＝10，则与对照样品相比ΔR A没有显著区别。这可能是由于较厚的FL1(50相比于40的对照样品)的正效应通过FL2层的负效应被补偿。然而，如果FL2较厚(FL2＝20和FL1＝60；或FL2＝30和FL1＝70)，则ΔR A信号高于对照样品(对于FL1＝60和FL1＝70分别为0.87mOhm-μm2和0.90mOhm-μm2)。尽管FL2厚度增加，但是它并没有导致ΔRA的任何明显下降，因为FL1显著大于NiFe或NiFeTb中的自旋扩散长度(其最大约40-50)，且Ru APC层(图5中的层203)进一步混合了电子自旋，从而FL2变得与FL1参考层(图5中的层120)“断开”并且不能显著参与自旋阀效应。对于FL1＝50和FL2＝10的测试样品，ΔR/R从2.35％的对照值下降到2.15％，但对于FL1＝60和FL2＝20的测试样品，则ΔR/R增加到约2.5％。随着FL1制得更厚(保持FL2-FL1厚度差在约40)，出于以上考虑预期ΔR A将饱和至接近常数值，同时ΔR/R也将饱和但最终由于RA随额外的层厚度增加而下降。这样，具有较厚的FL1层的CPP传感器(FL1＝60或FL1＝70)针对磁致电阻响应被优化。
在另一组测试样品中，由三层FL1＝CoFe(6)/NiFe(t1)/CoFe(2)和双层FL2＝CoFe(2)/NiFe(t2)构成APF层结构，并且选择厚度t1和t2使得APF结构的净磁矩/面积(M1*t1-M2*t2)恒定为约45 NiFe的等效磁矩/面积。具有简单自由层的对照样品(没有FL2，并且FL1＝6 CoFe/38 NiFe/2CoFe)具有约2.13％的ΔR/R。对于具有APF结构和t2的值从5到45(t1值为从45到85)的测试样品，ΔR/R增大至约2.7％到2.8％。ΔR A从具有简单自由层结构的样品的0.68mOhm-μm2增加到具有t2＝15 NiFe的APF结构的样品的0.93mOhm-μm2。
除了改善的磁致电阻之外，本发明的一个重要特征在于当偏置或检测电流Is沿从被钉扎层到APF结构(图5中从引线126到引线113)的方向时，CPP传感器表现出对电流诱导噪声的显著免疫性。对于图6-7来说，该实际检测电流方向对应于“负”电子电流Ie(即电子从APF结构流向被钉扎层)。
图6示出了具有单自由层的对照样品(FL2＝没有；t1＝38 NiFe)的噪声功率谱密度(PSD)。正应用的磁场(曲线300)对应于被钉扎和自由层净磁化为反平行，负应用的磁场(曲线310)对应于被钉扎和自由层净磁化为平行。可以看出，对于“正”电子电流Ie(实际检测电流Is从自由层到被钉扎层或在图4中从顶向底)，反平行曲线300示出在约0.6 mA的“临界电流”之上噪声功率的很大增加，而对于负电子电流对于反平行取向(曲线310)噪声增加是在约1.5mA的临界电流之上。在对于自旋阀结构中的电流诱导噪声的当前理解中可预期该行为。通过与图6比较，图7示出了如本发明的具有APF结构的样品的PSD，t1＝65 NiFe且t2＝25 NiFe。正应用的磁场(曲线400)对应于被钉扎和自由层净磁化为反平行，负应用的磁场(曲线410)对应于被钉扎和自由层净磁化为平行。
图6和7的比较显示，虽然正电子电流的行为性质上相类似(即约0.6mA的临界电流之上噪声功率的大的增加)，但是负电子电流的行为是意料不到的并且独特的。特别地，在图7中，对于平行和反平行取向，直到大的电子电流值(比约6.5mA的临界电流“更负”，尽管由于测量方法的限制不知道精确值)噪声功率都保持非常低。
图8是作为FL2厚度的函数的自旋转矩诱导噪声的正和负临界电子电流的曲线图。(负电子电流对应于从APF结构流向被钉扎层的电子，其对应于从被钉扎层到APF结构的偏置或检测电流)。当FL2比等效NiFe厚度的最小值厚时，图7所示的行为对于这里所述的结构被良好优化。例如，如图8所示，具有较薄FL2的其它样品(NiFe＝5和NiFe＝15)没有显示出该效应或者示出对电流诱导噪声小得多的免疫性，而具有较厚FL2的样品(NiFe＝25及以上)显示出该行为。如图8所示，tNiFe(FL2)≥15的传感器对于自旋转矩噪声表现出高的负临界电流。因此，存在APF结构的一个范围(具有合适的FL1和FL2等效NiFe厚度)，除了改善的磁致电阻响应以外，还表现出对负电子电流(沿从被钉扎层到APF结构方向的偏置或检测电流Is)的该电流诱导噪声免疫性。
因此，根据本发明的CPP传感器允许在发生电流诱导噪声之前施加大得多的偏置或检测电流，只要检测电流Is沿从被钉扎层到APF结构的方向施加(电子电流Ie从APF结构到被钉扎层)。电流诱导噪声的临界电流增加三或更多倍可提供传感器输出电压的相应增加。
在本发明中，临界电流增加导致的对传感器操作的影响比源自APF结构的磁致电阻增加(增加10-30％)导致的输出电压的增加潜在地大得多。因此，如果期望尽可能最薄的传感器(或小得多的自由层磁化)，则利用APF结构中较薄的FL1和FL2层(及相应的较小的磁致电阻)仍然可以实现临界电流的增加、及传感器输出电压的相应增加，只要FL2如上所述在临界厚度以上。
虽然参照优选实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。因此，所公开的发明认为仅是示例性的并且仅限制在权利要求所确定的范围内。

Claims (24)

1.一种磁致电阻传感器，具有用于连接到检测电流源的电引线，且包括：
具有面内磁化方向的被钉扎铁磁层；
反平行自由APF结构，包括具有面内磁化方向的第一自由铁磁层FL1、具有基本反平行于FL1的磁化方向的面内磁化方向和比FL1的磁矩小的磁矩的第二自由铁磁层FL2、以及位于FL1和FL2之间并与之接触且基本由选自Ru、Ir、Rh、及其合金构成的组的材料构成的反平行耦合APC层；及
导电间隔层，在所述被钉扎铁磁层和FL1之间并基本由选自Cu、Ag和Au构成的组的元素构成，
其中当检测电流沿从所述被钉扎铁磁层到所述APF结构的方向垂直于所述传感器中的层平面施加时，所述传感器能够检测外磁场。
2.如权利要求1的传感器，还包括衬底、所述衬底上的第一电引线层、及第二电引线层。
3.如权利要求2的传感器，其中所述被钉扎铁磁层位于所述第一引线层上，所述间隔层位于所述被钉扎铁磁层上，FL1位于所述间隔层上，所述第二引线层位于所述APF结构上，且施加到所述传感器的检测电流的方向在从所述第一引线层到所述第二引线层的方向上。
4.如权利要求1的传感器，其中FL1包括Fe与Ni和Co的至少一种的晶体合金。
5.如权利要求1的传感器，其中FL1包括非晶铁磁合金，该非晶铁磁合金包括非磁元素X以及Co、Ni和Fe的至少一种。
6.如权利要求1的传感器，其中FL1包括铁磁休斯勒合金。
7.如权利要求1的传感器，其中所述APF结构的净磁矩/面积小于100NiFe的磁矩/面积。
8.如权利要求1的传感器，其中FL1的厚度为形成FL1的材料的自旋扩散长度的至少110％。
9.如权利要求1的传感器，其中FL1基本由NiFe形成且FL1的厚度为至少45。
10.如权利要求1的传感器，其中FL1和FL2由基本相同的材料形成且其中FL2的厚度大于FL1厚度的约25％。
11.如权利要求1的传感器，其中当检测电流沿从所述被钉扎铁磁层到所述APF结构的方向垂直于所述传感器中的层平面施加时，所述传感器的电流诱导噪声显著低于当检测电流在从所述APF结构到所述被钉扎铁磁层的方向上时的电流诱导噪声。
12.如权利要求1的传感器，其中所述被钉扎铁磁层包括反平行AP被钉扎结构，该AP被钉扎结构包括具有面内磁化方向的第一AP被钉扎AP1铁磁层、具有基本反平行于所述AP1层的磁化方向的面内磁化方向的第二AP被钉扎AP2铁磁层、及位于所述AP1和AP2层之间并与之接触的AP耦合APC层，且其中所述导电间隔层在所述AP2层上。
13.如权利要求12的传感器，其中所述AP被钉扎结构是自钉扎结构。
14.如权利要求12的传感器，还包括反铁磁层，其交换耦合到所述AP1层以用于钉扎所述AP1层的磁化方向。
15.如权利要求12的传感器，还包括与所述AP1层接触以用于钉扎所述AP1层的磁化方向的硬磁层。
16.如权利要求1的传感器，其中所述传感器是用于从磁记录介质上的道读取磁记录数据的磁致电阻读头，且其中所述电引线是由导磁材料形成的屏蔽件。
17.一种电流垂直平面磁致电阻读头，用于当沿从第一电引线到第二电引线的方向施加检测电流到所述头时，从磁记录介质上的道读取磁记录数据，所述头包括：
衬底；
所述衬底上的第一电引线层；
被钉扎铁磁层，位于所述第一电引线层上并具有面内磁化方向；
导电间隔层，位于所述被钉扎铁磁层上并基本由选自Cu、Ag和Au构成的组中的元素构成；
反平行自由APF结构，包括(a)第一自由铁磁层FL1，位于所述间隔层上并具有面内磁化方向，(b)第二自由铁磁层FL2，具有基本反平行于FL1的磁化方向的面内磁化方向和比FL1的磁矩小的磁矩，其中FL1和FL2的每个由包括Fe以及Ni和Co中的一种或两种的合金形成，并且FL2具有比FL1厚度的百分之25大的厚度，及(c)AP耦合APC层，位于FL1和FL2之间并与之接触且基本由选自Ru、Ir、Rh、及其合金构成的组中的材料构成；及
FL2上的第二电引线层。
18.如权利要求17的头，其中所述FL1和FL2合金的至少之一是包括非磁元素的非晶铁磁合金。
19.如权利要求17的头，其中FL1包括非晶铁磁合金，该非晶铁磁合金包括非磁元素X以及Co、Ni和Fe中的至少一种。
20.如权利要求17的头，其中所述APF结构的净磁矩/面积小于100NiFe的磁矩/面积。
21.如权利要求17的头，其中FL1的厚度为形成FL1的材料的自旋扩散长度的至少110％。
22.如权利要求17的头，其中FL1基本由NiFe形成并且FL1的厚度为至少45。
23.如权利要求17的头，其中当检测电流沿从所述第一电引线层到所述第二电引线层的方向施加时，所述头的电流诱导噪声显著低于当检测电流沿从所述第二电引线层到所述第一电引线层的方向施加时的电流诱导噪声。
24.如权利要求17的头，其中所述被钉扎铁磁层包括反平行AP被钉扎结构，该AP被钉扎结构包括具有面内磁化方向的第一AP被钉扎AP1铁磁层、具有基本反平行于所述AP1层的磁化方向的面内磁化方向的第二AP被钉扎AP2铁磁层、及位于所述AP1和AP2层之间并与之接触的AP耦合APC层，且其中所述导电间隔层在所述AP2层上。
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