JP2010245419A - Microwave oscillation element and microwave oscillation device - Google Patents

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    • H03B15/00Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a microwave oscillation element and a microwave oscillation device, which oscillate microwaves with a simple element structure, without requiring a complicated film formation process and a microfabrication. <P>SOLUTION: The microwave oscillation element includes a laminated structure with a ferromagnetic layer 11 and a metal layer 12 having spin track interaction, wherein a current is flowed to the metal layer 12 by applying a voltage between terminals 13<SB>1</SB>and 13<SB>2</SB>at both ends of the metal layer from a power source 14 to implant a pure spin flow from the metal layer 12 to the ferromagnetic layer 11 through spin hole effect, thereby microwave oscillation is excited. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、マイクロ波発振素子及びマイクロ波発振装置に関するものであり、簡単な素子構成で且つ低電流密度でマイクロ波発振するための構成に関するものである。   The present invention relates to a microwave oscillating element and a microwave oscillating device, and relates to a structure for oscillating microwaves with a simple element configuration and a low current density.

現在の半導体装置等のエレトロニクス分野においては、電子の有する電荷の自由度を利用しているが、電子は電荷以外にスピンという自由度を有している。近年、このスピンの自由度を利用したスピントロニクスが次世代の情報技術の担い手として注目を集めている。このスピントロニクスでは電子の電荷とスピンの自由度を同時に利用することによって、従来にない機能や特性を得ることを目指している。   In the field of estronics such as current semiconductor devices, the degree of freedom of charge of electrons is used, but electrons have the degree of freedom of spin in addition to charges. In recent years, spintronics using this degree of freedom of spin has been attracting attention as a leader of next-generation information technology. This spintronics aims to obtain unprecedented functions and characteristics by simultaneously using the charge of electrons and the degree of freedom of spin.

この様なスピントロニクスの初期的デバイスとしてはGMR(巨大磁気抵抗)素子が挙げられ、GMR素子を流れるセンス電流の担い手となる電子のスピン、即ち、アップスピンかダウンスピンかにより、フリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向との違いの影響を受けて抵抗の大きさが変化する現象を利用したものである。   An example of such an initial device of spintronics is a GMR (giant magnetoresistive) element. The magnetization direction of the free layer depends on the spin of the electron that plays a role in the sense current flowing through the GMR element, that is, whether it is upspin or downspin. And the phenomenon in which the magnitude of the resistance changes under the influence of the difference between the magnetization direction of the pinned layer.

近年このようなGMR素子やTMR(トンネル磁気抵抗)素子をメモリセルとしたMRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)において、従来、配線層に電流を流すことによって発生した磁界によりフリー層の磁化方向を制御していたものを、GMR素子或いはTMR素子に直接電流を流して電流の担い手となる電子のスピンによりフリー層の磁化方向を制御するスピンRAMが提案されている(例えば、特許文献1或いは特許文献2参照)。   In recent years, in MRAM (Magnetic Random Access Memory) using such a GMR element or TMR (Tunnel Magnetoresistive) element as a memory cell, the magnetization direction of the free layer is controlled by a magnetic field generated by passing a current through a wiring layer. A spin RAM has been proposed in which a current is directly applied to a GMR element or a TMR element, and the magnetization direction of the free layer is controlled by the spin of electrons serving as a current carrier (for example, Patent Document 1 or Patent Document 2). reference).

このようなスピントロニクスにおいては、スピン緩和という概念が非常に重要になり、スピン緩和はスピン或いは磁気モーメントの運動の減衰を意味するものである。スピンは磁気モーメントを持ち、強磁性体中で巨視的な秩序が磁化 vMとなって現れる。この磁化 vMを磁場 vH中に置くと、磁場 vHとの相互作用が磁化にトルクとして作用し、磁化は磁場によって決まる周波数で歳差運動する。なお、ここでは、明細書作成の都合上、MやHのベクトル記号の表記に、「 vM」或いは「 vH」を用いる。 In such spintronics, the concept of spin relaxation is very important, and spin relaxation means attenuation of the motion of a spin or magnetic moment. The spin has a magnetic moment, and a macroscopic order appears as magnetization v M in the ferromagnet. Placing this magnetization v M in a magnetic field v H, interaction between the magnetic field v H acts as a torque on the magnetization, the magnetization will precess at a frequency determined by the magnetic field. In this case, for the purpose of preparing the specification, “ vM ” or “ vH ” is used for the notation of the vector symbols M and H.

この歳差運動は緩和により角運動量が散逸して減衰し、最終的には磁化は磁場の方向を向くことになる。このような磁化の運動は、磁場方向を回転軸とする歳差運動の基本方程式に減衰項を加えた下記に示すLandau−Lifshitz−Gilbert(LLG)方程式で表される。
vM/dt=−γ vM× vH+(α/MvM×(d vM/dt)
但し、γは磁気回転比、Mは飽和磁化、αはGilbertの緩和定数である。
This precession is attenuated by the relaxation of angular momentum due to relaxation, and eventually the magnetization is directed in the direction of the magnetic field. Such magnetization motion is represented by the following Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation in which a damping term is added to the basic equation of precession motion with the magnetic field direction as the rotation axis.
d v M / dt = −γ v M × v H + (α / M s ) v M × (d v M / dt)
Where γ is the magnetorotation ratio, M s is the saturation magnetization, and α is the Gilbert relaxation constant.

このLLG方程式における右辺の第2項が減衰を表し、これがスピン或いは磁気モーメントの角運動量の散逸を表す。スピン或いは磁気モーメントは物質毎に決まる緩和時間の後に vHの方向に整列するとともに、その際にスピン或いは磁気モーメントの角運動量の散逸が生じる。この角運動量の散逸はスピン流として外部に取り出すことが可能であり、この現象はスピンポンピングとして知られている。 The second term on the right side of the LLG equation represents attenuation, which represents the dissipation of the angular momentum of the spin or magnetic moment. The spin or magnetic moment is aligned in the direction of v H after a relaxation time determined for each material, and at that time, the angular momentum of the spin or magnetic moment is dissipated. This dissipation of angular momentum can be extracted outside as a spin current, and this phenomenon is known as spin pumping.

近年、CPP(Current Perpendiclar to Plane)型のGMR素子やTMR(トンネル磁気抵抗)素子にスピン偏極電流を流すことによりマイクロ波発振することが報告されている(例えば、非特許文献1、特許文献3乃至特許文献6参照)。   In recent years, it has been reported that microwave oscillation is caused by passing a spin-polarized current through a CPP (Current Perpendicular to Plane) type GMR element or a TMR (tunnel magnetoresistive) element (for example, Non-patent Document 1, Patent Document). 3 to Patent Document 6).

図10は、従来のCPP型マイクロ波発振器の概念的構成図であり、下部電極51上に強磁性体からなるピンド層52、非磁性中間層53、強磁性体からなるフリー層54、キャップ層55及び上部電極56を設けたものである。このCPP型マイクロ波発振器に電流を流すとピンド層52のフィルタ作用によってフリー層54にスピン偏極電流が流れ、このスピン偏極電流のスピンがフリー層54の磁化に作用して磁化が歳差運動を始め、マイクロ波発振が生じる。   FIG. 10 is a conceptual configuration diagram of a conventional CPP type microwave oscillator. A pinned layer 52 made of a ferromagnetic material, a nonmagnetic intermediate layer 53, a free layer 54 made of a ferromagnetic material, and a cap layer on the lower electrode 51. 55 and the upper electrode 56 are provided. When a current is passed through the CPP-type microwave oscillator, a spin-polarized current flows through the free layer 54 due to the filter action of the pinned layer 52, and the spin of this spin-polarized current acts on the magnetization of the free layer 54, causing the magnetization to precess. Microwave oscillation occurs, starting movement.

図11は、スピントルクによるマイクロ波発振原理の説明図であり、磁性体にスピン偏極電流或いは純スピン流を流すと、局在スピンにスピントルクがかかる。このスピントルクは上記のLLG方程式の第2項で表される緩和トルクと反対方向に作用して緩和トルクを減ずる。その結果、
スピントルク>緩和トルク
の条件を満たす量のスピン偏極電流或いは純スピン流を磁性体に注入した場合に、緩和トルクを表すLLG方程式の第2項が実効的に0或いは負になり、局在スピンは歳差運動を開始し、マイクロ波の発振を行う。
FIG. 11 is an explanatory diagram of the principle of microwave oscillation by spin torque. When a spin-polarized current or pure spin current is passed through a magnetic material, spin torque is applied to localized spins. This spin torque acts in the opposite direction to the relaxation torque represented by the second term of the above LLG equation to reduce the relaxation torque. as a result,
When a spin-polarized current or pure spin current in an amount satisfying the condition of spin torque> relaxation torque is injected into the magnetic material, the second term of the LLG equation representing the relaxation torque is effectively zero or negative, Spin begins precession and oscillates microwaves.

特開2002−305337号公報JP 2002-305337 A 特開2007−059879号公報JP 2007-059879 A 特開2008−053915号公報JP 2008-053915 A 特開2007−124340号公報JP 2007-124340 A 特開2008−071720号公報JP 2008-071720 A 特開2007−184923号公報JP 2007-184923 A

S.I.Kiselev et al.,Nature,Vol.425,pp.380−383,2003S. I. Kiselev et al. , Nature, Vol. 425, pp. 380-383, 2003

しかし、従来のCPP型のGMR素子やTMR素子は、多層の成膜工程が必要になるとともに、緩和係数αの大きな強磁性金属を利用している。したがって、強磁性金属に非常に大きな電流を流す必要があり、このために強磁性体層の面直方向の微小面積に電流を流すための微細加工が必要になるという問題がある。また、強磁性体層の面直方向の微小面積に電流を流す結果、充分なマイクロ波出力を得ることができないという問題もある。   However, conventional CPP type GMR elements and TMR elements require a multilayer film forming process and use a ferromagnetic metal having a large relaxation coefficient α. Therefore, it is necessary to flow a very large current through the ferromagnetic metal, and there is a problem that fine processing for flowing a current through a small area in the direction perpendicular to the surface of the ferromagnetic layer is required. There is also a problem that a sufficient microwave output cannot be obtained as a result of current flowing through a small area in the direction perpendicular to the plane of the ferromagnetic layer.

TMR素子の場合にはトンネル絶縁膜を介して電流を流しているため高抵抗となり、流す電流に限界があるとともに、高抵抗に起因してジュール熱の発生量が多くなり、温度変化により発振周波数が不安定になるという問題がある。   In the case of a TMR element, the current flows through the tunnel insulating film, resulting in a high resistance. There is a limit to the flowing current, and the amount of Joule heat generated due to the high resistance increases. There is a problem that becomes unstable.

また、CPP型のGMR素子の場合には、スピン偏極電流によるフリー層の磁化反転を防止するために、出力を大きくしようとすると、強磁性体層の面直方向に複数の微小電流通路を形成する必要があり、より精度の高い微細加工が必要になる。   Further, in the case of a CPP type GMR element, in order to prevent the magnetization reversal of the free layer due to the spin-polarized current, when trying to increase the output, a plurality of minute current paths are formed in the perpendicular direction of the ferromagnetic layer. Therefore, it is necessary to form fine processing with higher accuracy.

したがって、本発明は、複雑な成膜工程や微細加工の必要がない簡単な素子構造によりマイクロ波発振を可能にすることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to enable microwave oscillation with a simple element structure that does not require a complicated film forming process or fine processing.

上記課題を解決するために、本発明は、マイクロ波発振素子であって、スピン軌道相互作用を有する金属層との接合界面を有し、前記金属層から前記強磁性体層へ純スピン流を注入してマイクロ波発振を励起する。   In order to solve the above problems, the present invention is a microwave oscillation device having a junction interface with a metal layer having a spin orbit interaction, and generating a pure spin current from the metal layer to the ferromagnetic layer. Inject to excite microwave oscillation.

このように、金属層に電流を流しスピンホール効果により純スピン流を生成し、生成した純スピン流を強磁性体層へ注入し、強磁性体層において緩和トルクを純スピン流の注入によるスピントルクにより打ち消すことによってマイクロ波発振が可能になる。この場合、金属層と強磁性体層の簡単な積層構造であるので、複雑な成膜工程や微細加工が不要になる。   In this way, a current is passed through the metal layer to generate a pure spin current by the spin Hall effect, the generated pure spin current is injected into the ferromagnetic layer, and a relaxation torque is generated in the ferromagnetic layer by the injection of the pure spin current. Microwave oscillation is possible by canceling with torque. In this case, since it has a simple laminated structure of a metal layer and a ferromagnetic layer, a complicated film forming process and fine processing are not required.

また、電流は面内方向に流すので、素子サイズは自由に大きくすることが可能であり、マイクロ波発振の大出力化が容易になる。さらに、電流は面内方向に流れるため低抵抗となり且つ金属層から強磁性体層へ注入するのは、スピン偏極電流と異なり電流を伴わない純スピン流であるので、純スピン流の注入に伴って発熱が生ずることがないので、発振周波数が安定になる。   In addition, since the current flows in the in-plane direction, the element size can be freely increased, and the output of microwave oscillation can be easily increased. Furthermore, since the current flows in the in-plane direction, the resistance becomes low, and the injection from the metal layer to the ferromagnetic layer is a pure spin current that does not involve a current unlike the spin-polarized current. Accordingly, no heat is generated, so that the oscillation frequency becomes stable.

このような強磁性体層としては、緩和係数αが金属強磁性体より小さな、YIG、フェライト酸化物、或いは、ペロブスカイトMn酸化物等の強磁性誘電体層を用いることが望ましい。緩和係数αが小さいので、小さな電流密度でLLG方程式の第2項で表されるαに比例する緩和トルクを相殺することが可能になる。   As such a ferromagnetic layer, it is desirable to use a ferromagnetic dielectric layer such as YIG, ferrite oxide, or perovskite Mn oxide having a relaxation coefficient α smaller than that of the metal ferromagnetic material. Since the relaxation coefficient α is small, it is possible to cancel the relaxation torque proportional to α expressed by the second term of the LLG equation with a small current density.

また、強磁性誘電体層には電流が流れない結果、電流による加熱、化学変化、或いは、エレクトロマイグレーションなどが発生しないので、素子劣化を大幅に低減することができる。また、強磁性誘電体層でジュール熱は発生しないので発振周波数が安定になる。   Further, since no current flows through the ferromagnetic dielectric layer, no heating, chemical change, electromigration, or the like due to the current occurs, so that element degradation can be greatly reduced. In addition, since no Joule heat is generated in the ferromagnetic dielectric layer, the oscillation frequency becomes stable.

また、強磁性誘電体層としては、入手が容易で且つ緩和定数αの小さなYIG(イットリウム鉄ガーネット)やイットリウムガリウム鉄ガーネット、即ち、一般式で表記するとYFe5−xGa12(但し、0≦x<5)を用いることが望ましい。 Moreover, as a ferromagnetic dielectric layer, YIG (yttrium iron garnet) and yttrium gallium iron garnet which are easily available and have a small relaxation constant α, that is, Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 ( However, it is desirable to use 0 ≦ x <5).

また、金属層としては、スピン軌道相互作用の大きなPt、Au、Pd、Ag、Bi、或いは、f軌道を有する元素のいずれかを用いることが望ましい。これらの元素はスピン軌道相互作用が大きいので、スピンホール効果による純スピン流の生成を高効率に行い、強磁性体層により多くの純スピン流を注入することができ、それによって、より低しきい値電流密度でのマイクロ波発振が可能になる。   As the metal layer, it is desirable to use any of Pt, Au, Pd, Ag, Bi, or an element having an f orbital having a large spin orbit interaction. Since these elements have a large spin-orbit interaction, it is possible to generate a pure spin current by the spin Hall effect with high efficiency and to inject more pure spin current into the ferromagnetic layer. Enables microwave oscillation at threshold current density.

マイクロ波発振は強磁性体層が有する自己の磁化だけでも起こるので磁界の印加は必須ではないが、強磁性体層の前記金属層との接合界面の反対側の面に、前記強磁性体層に磁場方向をバイアスするバイアス層を設けても良い。発振周波数は磁界強度依存性を有するので、バイアス磁界によって発振周波数を制御することができる。   Since microwave oscillation occurs only by the self-magnetization of the ferromagnetic layer, application of a magnetic field is not indispensable, but the ferromagnetic layer is disposed on the surface of the ferromagnetic layer opposite to the junction interface with the metal layer. A bias layer for biasing the magnetic field direction may be provided. Since the oscillation frequency has a magnetic field strength dependency, the oscillation frequency can be controlled by a bias magnetic field.

さらに、強磁性体層に可変外部磁界印加する外部磁界印加手段、例えば、バイアス磁化を発生させるための配線や、電磁石等を設けても良い。このような配線や、電磁石等により発生させる外部磁界を変化させることによって、発振周波数を任意に制御することが可能になる。   Furthermore, an external magnetic field applying means for applying a variable external magnetic field to the ferromagnetic layer, for example, a wiring for generating bias magnetization, an electromagnet, or the like may be provided. The oscillation frequency can be arbitrarily controlled by changing the external magnetic field generated by such wiring, an electromagnet, or the like.

また、上述のマイクロ波発振素子と、マイクロ波発振素子からのマイクロ波出力を増幅する増幅器を備えることによって高出力・高性能のマイクロ波発振装置を構成することが可能になる。   Further, a high-output / high-performance microwave oscillation device can be configured by including the above-described microwave oscillation element and an amplifier that amplifies the microwave output from the microwave oscillation element.

本発明によれば、金属層と強磁性体層の簡単な積層構造だけであるので、複雑な成膜工程や微細加工の必要がなく、大出力化が可能になる。   According to the present invention, since only a simple laminated structure of a metal layer and a ferromagnetic layer is required, there is no need for a complicated film forming process and fine processing, and a large output can be achieved.

特に、強磁性体層として緩和係数αの小さな強磁性誘電体層を用いた場合には、低しきい値電流密度での発振が可能になるとともに、さらなる大出力化が容易になる。   In particular, when a ferromagnetic dielectric layer having a small relaxation coefficient α is used as the ferromagnetic layer, it is possible to oscillate at a low threshold current density and to further increase the output.

本発明の実施の形態のマイクロ波発振素子の概念的構成図である。It is a notional block diagram of the microwave oscillation element of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態のマイクロ波発振素子におけるスピン注入現象の説明図である。It is explanatory drawing of the spin injection phenomenon in the microwave oscillation element of embodiment of this invention. 本発明の実施例1のマイクロ波発振素子の概念的斜視図である。It is a notional perspective view of the microwave oscillation element of Example 1 of the present invention. マイクロ波発振強度の磁場強度依存性、電流依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the magnetic field strength dependence of microwave oscillation intensity | strength, and current dependence. マイクロ波発振しきい値電流特性の説明図である。It is explanatory drawing of a microwave oscillation threshold current characteristic. マイクロ波発振周波数の磁場強度依存性の説明図である。It is explanatory drawing of the magnetic field strength dependence of a microwave oscillation frequency. 本発明の実施例2のマイクロ波発振素子の概念的構成説明図である。It is a conceptual structure explanatory drawing of the microwave oscillation element of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3のマイクロ波発振素子の概念的構成説明図である。It is a conceptual structure explanatory drawing of the microwave oscillation element of Example 3 of this invention. 本発明の実施例4のマイクロ波発振装置の概念的構成説明図である。It is conceptual structure explanatory drawing of the microwave oscillation apparatus of Example 4 of this invention. 従来のCPP型マイクロ波発振器の概念的構成図である。It is a conceptual block diagram of the conventional CPP type | mold microwave oscillator. スピントルクによるマイクロ波発振原理の説明図である。It is explanatory drawing of the microwave oscillation principle by a spin torque.

ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態のマイクロ波発振素子を説明する。図1は、本発明の実施の形態のマイクロ波発振素子の概念的構成図であり、強磁性体層11とスピン軌道相互作用を有する金属層12との積層構造からなる。この金属層12の両端に端子13,13を設けて、電源14により電圧を印加して金属層12に電流を流すことによってマイクロ波発振が得られる。 Here, with reference to FIG.1 and FIG.2, the microwave oscillation element of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a conceptual configuration diagram of a microwave oscillating device according to an embodiment of the present invention, and includes a laminated structure of a ferromagnetic layer 11 and a metal layer 12 having a spin orbit interaction. The both ends of the metal layer 12 provided terminals 13 1, 13 2, the microwave oscillation can be obtained by applying a voltage a current flows in the metal layer 12 by the power source 14.

この場合の強磁性体層11としては、緩和係数αの小さなYIG、即ち、YFe5−xGa12(0≦x<5)、フェライト酸化物、或いは、ペロブスカイトMn酸化物等の強磁性誘電体が望ましいが、CoFeやCoFeB等の金属強磁性体でも良い。 As the ferromagnetic layer 11 in this case, YIG having a small relaxation coefficient α, that is, Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 (0 ≦ x <5), ferrite oxide, perovskite Mn oxide, etc. A ferromagnetic dielectric is desirable, but a metal ferromagnetic such as CoFe or CoFeB may also be used.

また、スピン軌道相互作用を有する金属層12としては、Pt、Au、Pd、Ag、Bi、或いは、f軌道を有する元素等のスピン軌道相互作用が大きな元素からなる単体でも、これらの合金でも良く、さらには、これらの単体或いは合金に不純物をドープしたものでも良い。   Further, the metal layer 12 having a spin orbit interaction may be a single element made of an element having a large spin orbit interaction such as Pt, Au, Pd, Ag, Bi, or an element having an f orbital, or an alloy thereof. Furthermore, these simple substance or alloy may be doped with impurities.

また、強磁性体層11の厚さは、厚さが薄いほどマイクロ波発振しきい値電流密度が低くなるので、強磁性体層11が強磁性体としての特性を発現するための厚さがあれば良く、そのためには、約5nm程度の膜厚が必要になる。また、強磁性体層11の厚さを厚くするとマイクロ波発振しきい値電流密度は高くなるが、マイクロ波の発振出力は大きくなる。   The thickness of the ferromagnetic layer 11 is such that the thinner the thickness is, the lower the microwave oscillation threshold current density is. Therefore, the thickness for the ferromagnetic layer 11 to exhibit characteristics as a ferromagnetic material is small. For that purpose, a film thickness of about 5 nm is required. Further, when the thickness of the ferromagnetic layer 11 is increased, the microwave oscillation threshold current density is increased, but the microwave oscillation output is increased.

また、金属層12の厚さは任意であるが、スピンホール効果による純スピン流の生成効率には物質毎に最適値が存在し、厚くしすぎるとバックフロー電流により効率が悪くなる。また、あまり薄すぎると高抵抗になり、金属層12側でのジュール熱の発生量が増大するので、例えば、Ptを用いる場合には5〜20nm程度の厚さが望ましい。   Moreover, although the thickness of the metal layer 12 is arbitrary, there is an optimum value for each substance for the generation efficiency of the pure spin current by the spin Hall effect, and if it is too thick, the efficiency is deteriorated by the backflow current. Further, if the thickness is too thin, the resistance becomes high, and the amount of Joule heat generated on the metal layer 12 side increases. For example, when Pt is used, a thickness of about 5 to 20 nm is desirable.

また、強磁性体層11の成膜方法としては、金属強磁性体であればめっき法或いはスパッタ法を用いれば良い。また、強磁性誘電体を用いる場合には、液相成長法、スパッタ法、MOD法(Metal−organic decomposition Method:有機金属塗布熱分解法)、或いは、ゾル−ゲル法のいずれを用いても良い。また、強磁性体層11の結晶性としては単結晶でも良いし或いは多結晶でも良い。   As a method for forming the ferromagnetic layer 11, a plating method or a sputtering method may be used for a metal ferromagnetic material. When a ferromagnetic dielectric is used, any of a liquid phase growth method, a sputtering method, a MOD method (Metal-organic decomposition method), or a sol-gel method may be used. . The crystallinity of the ferromagnetic layer 11 may be single crystal or polycrystal.

例えば、MOD法を用いる場合には、例えば、(株)高純度化学研究所製のMOD溶液を用い、150℃に加熱したホットプレート上で5分間乾燥させて、MOD溶液に含まれる余分な有機溶媒を蒸発させたのち、電気炉中において、例えば、550℃で5分間加熱する仮焼成によって酸化物層とする。次いで、電気炉中において、750℃で1〜2時間加熱する本焼成において酸化物層の結晶化を進めてYIG層とすれば良い。   For example, when the MOD method is used, for example, an MOD solution manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd. is used and dried on a hot plate heated to 150 ° C. for 5 minutes, so that the excess organic contained in the MOD solution. After evaporating the solvent, the oxide layer is formed by pre-baking in an electric furnace, for example, by heating at 550 ° C. for 5 minutes. Next, in an electric furnace, crystallization of the oxide layer may be advanced in the main firing in which heating is performed at 750 ° C. for 1 to 2 hours to form a YIG layer.

図2は本発明の実施の形態のマイクロ波発振素子におけるスピン注入現象の説明図である。図に示すように、金属層12に電流Jを流した場合、スピンホール効果により電流Jと垂直方向にアップスピンとダウンスピンの逆向きの流れが生じ、電流Jと垂直方向に純スピン流Jが誘起されて強磁性体層11中に注入される。この時、純スピン流Jのスピンの向きσは電流Jと純スピン流Jの両方に対して垂直になる。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the spin injection phenomenon in the microwave oscillation device according to the embodiment of the present invention. As shown in the figure, when a current flows J c in the metal layer 12, it occurs reverse flow spin-up and spin-down current J c perpendicular direction by the spin Hall effect, current J c and the direction perpendicular to the net A spin current J s is induced and injected into the ferromagnetic layer 11. At this time, the direction of the spin σ of pure spin current J s is perpendicular to both the current J c and pure spin current J c.

強磁性体層11に注入された純スピン流J によるスピントルクが、LLG方程式の第2項の緩和トルクを上回った時点から強磁性体層11の磁化Mは面直方向に立ち上がって自発的歳差運動を始めて強磁性体層11からマイクロ波を発振することになる。発生したマイクロ波は電流Jと直交する方向に放出される。 Spin torque by pure spin current J s injected into the ferromagnetic layer 11, the spontaneous magnetization M of the ferromagnetic layer 11 from the time that exceeds the relaxation torque of the second term of the LLG equation stand up the orthogonal direction The precession starts and microwaves are oscillated from the ferromagnetic layer 11. Generating microwave is emitted in a direction perpendicular to the current J c.

発生したマイクロ波は、素子形状を考慮することによってそのまま空間に放出することもできるし、或いは、マイクロ波回路を伝播して最終的にはアンテナから放出するようにしても良い。   The generated microwave can be emitted as it is in consideration of the element shape, or can be propagated through the microwave circuit and finally emitted from the antenna.

この場合、強磁性体層11は固有の磁化Mを持っているので外部磁界Hを印加しなくてもマイクロ波発振は可能である。マイクロ波発振の周波数は、強磁性体層11を構成する物質の飽和磁化Mに依存しており、金属強磁性体のCoを用いた場合には数10GHzの発振が得られ、一方、強磁性誘電体であるYIGを用いた場合には数GHzの発振が得られる。 In this case, since the ferromagnetic layer 11 has a specific magnetization M, microwave oscillation is possible without applying an external magnetic field H. The frequency of the microwave oscillation depends on the saturation magnetization M s of the material constituting the ferromagnetic layer 11, and when a metallic ferromagnetic material Co is used, an oscillation of several tens of GHz is obtained. When YIG which is a magnetic dielectric is used, oscillation of several GHz can be obtained.

なお、一般にマイクロ波発振の周波数を小さくしたい場合には飽和磁化Mの小さい物質を、一方、マイクロ波発振の周波数を大きくしたい場合には飽和磁化Mの大きな物質を選択すれば良い。例えば、YIG〔YFe5−xGa12(0≦x<5)〕の場合に、Feの量が少なくなると飽和磁化Mは小さくなるので、YFe12の代わりにYFe5−xGa12(0<x<5)を用いることで発振周波数を小さくすることができる。 In general, a material having a low saturation magnetization M s may be selected to reduce the frequency of microwave oscillation, and a material having a large saturation magnetization M s may be selected to increase the frequency of microwave oscillation. For example, in the case of YIG [Y 3 Fe 5−x Ga x O 12 (0 ≦ x <5)], the saturation magnetization M s decreases as the amount of Fe decreases, so instead of Y 3 Fe 5 O 12 By using Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 (0 <x <5), the oscillation frequency can be reduced.

また、マイクロ波発振しきい値電流密度は、LLG方程式の第2項から明らかなように緩和係数αに依存するので、緩和係数αが小さいほど発振しきい値電流密度は小さくなり、この点からは緩和係数αの小さな強磁性誘電体が好適となる。   Further, as apparent from the second term of the LLG equation, the microwave oscillation threshold current density depends on the relaxation coefficient α. Therefore, the smaller the relaxation coefficient α is, the smaller the oscillation threshold current density is. Is preferably a ferromagnetic dielectric having a small relaxation coefficient α.

因に、従来のCPP型GMR素子における発振しきい値電流密度が試料サイズが130nm×70nmで2.2×1011A/m2 であったものが、YIGを用いた場合には、4.4×108 A/m2 となり従来の0.2%になった。なお、強磁性誘電体を用いた場合には、強磁性体層11には電流が流れないので、電流による加熱、化学変化、或いは、エレクトロマイグレーションなどが発生せず、素子劣化を大幅に低減することができる。 Incidentally, the oscillation threshold current density in the conventional CPP type GMR element is 2.2 × 10 11 A / m 2 when the sample size is 130 nm × 70 nm. It became 4 × 10 8 A / m 2 , which was 0.2% of the conventional value. Note that when a ferromagnetic dielectric is used, no current flows through the ferromagnetic layer 11, so that heating, chemical change, electromigration, or the like due to current does not occur, and element degradation is greatly reduced. be able to.

また、このマイクロ波発振素子に外部磁界Hを印加した場合には、マイクロ波発振周波数は、印加した外部磁界Hの強度にほぼ比例した関係を有することになる。したがって、外部磁界Hを印加することによってマイクロ波発振周波数を制御することが可能になる。   When an external magnetic field H is applied to the microwave oscillating element, the microwave oscillation frequency has a relationship that is substantially proportional to the intensity of the applied external magnetic field H. Therefore, the microwave oscillation frequency can be controlled by applying the external magnetic field H.

外部磁界Hを印加する手段としては、強磁性体層11の金属層12との接合面と反対側の面に反強磁性層や強磁性体層からなるバイアス層を設けても良く、それによって、バイアス層による磁界に依存した周波数のマイクロ波が得られる。   As a means for applying the external magnetic field H, a bias layer made of an antiferromagnetic layer or a ferromagnetic layer may be provided on the surface of the ferromagnetic layer 11 opposite to the joint surface with the metal layer 12, thereby A microwave having a frequency depending on the magnetic field by the bias layer can be obtained.

したがって、複数のマイクロ波発振素子を設けておき、バイアス層から印加される磁界が互いに異なるようにバイアス層の磁化を設定し、所定のマイクロ波発振素子をスイッチング素子により任意に選択することによって所望の周波数のマイクロ波が得られることになる。   Therefore, a plurality of microwave oscillation elements are provided, the magnetization of the bias layer is set so that the magnetic fields applied from the bias layers are different from each other, and a desired microwave oscillation element is arbitrarily selected by the switching element. Thus, a microwave having a frequency of 1 is obtained.

あるいは、従来の磁場書込型のMRAMと同様に強磁性体層11に平行に外部磁場印加のための配線を設け、電流に伴って発生する磁界を印加しても良く、この場合には配線に流す電流によってマイクロ波発振周波数を可変にすることができる。   Alternatively, as in the conventional magnetic field writing type MRAM, a wiring for applying an external magnetic field may be provided in parallel to the ferromagnetic layer 11, and a magnetic field generated with a current may be applied. The microwave oscillation frequency can be made variable by the current flowing through the capacitor.

さらには、個々のマイクロ波発振素子或いはマイクロ波発振素子装置の両端に、永久磁石や電磁石を配置することによっても外部磁場の印加は可能であり、電磁石の場合にはマイクロ波発振周波数を可変にすることができる。   Furthermore, it is possible to apply an external magnetic field by arranging permanent magnets or electromagnets at both ends of each microwave oscillating element or microwave oscillating element device. In the case of an electromagnet, the microwave oscillating frequency can be varied. can do.

以上を前提として、次に、図3乃至図6を参照して、本発明の実施例1のマイクロ波発振素子を説明する。図3は本発明の実施例1のマイクロ波発振素子の概念的斜視図であり、GGG単結晶基板21上に液相成長法により、厚さが、例えば、1.5μmのYFe12組成のYIG層22を形成し、その上に厚さが、例えば、10nmのPt膜をスパッタ法で堆積してPt層23とする。なお、この実施例1に使用したYIG結晶は、FDK株式会社製のものを用いた。 Based on the above, the microwave oscillating device according to the first embodiment of the present invention will be described next with reference to FIGS. FIG. 3 is a conceptual perspective view of the microwave oscillating device according to the first embodiment of the present invention. Y 3 Fe 5 O having a thickness of, for example, 1.5 μm is formed on the GGG single crystal substrate 21 by a liquid phase growth method. A 12-component YIG layer 22 is formed, and a Pt film having a thickness of, for example, 10 nm is deposited thereon by sputtering to form a Pt layer 23. The YIG crystal used in Example 1 was manufactured by FDK Corporation.

次いで、2mm×5mmのサイズに切り出したのち、Pt層23の長手方向の両端に端子24,24を設けることで、本発明の実施例1のマイクロ波発振素子の基本構成が完成する。このマイクロ波発振素子に端子24,24を介して電流を流すとともに、電流と垂直方向に外部磁界Hを印加することによってマイクロ波発振を観測した。 Next, after cutting out to a size of 2 mm × 5 mm, the terminals 24 1 and 24 2 are provided at both ends in the longitudinal direction of the Pt layer 23, thereby completing the basic configuration of the microwave oscillation element of Example 1 of the present invention. Microwave oscillation was observed by applying current to the microwave oscillating element through terminals 24 1 and 24 2 and applying an external magnetic field H in a direction perpendicular to the current.

図4は、マイクロ波発振強度Iの磁場強度依存性、電流依存性の説明図であり、マイクロ波発振強度Iはバックグラウンドノイズを相殺するために、互いに逆方向に電流を流した場合の強度の差〔I(+J)−I(−J)〕で表している。図における複雑なスパイクはYIG層22の形状等に起因して多数のモードで発振していることを表している。なお、ここでは示していないが、100mAの電流を流した場合に数10pWの出力が得られた。   FIG. 4 is an explanatory diagram of the magnetic field intensity dependence and current dependence of the microwave oscillation intensity I. The microwave oscillation intensity I is an intensity when currents are passed in opposite directions to cancel background noise. Difference [I (+ J) −I (−J)]. Complex spikes in the figure indicate that oscillation occurs in many modes due to the shape of the YIG layer 22 and the like. Although not shown here, an output of several tens of pW was obtained when a current of 100 mA was passed.

図5は、マイクロ波発振しきい値電流特性の説明図であり、図3に示した試料サイズにおいて、マイクロ波発振しきい値電流は約40mAであった。この値は、Pt層23に40mAの電流を流すことによってYIG層22に注入される純スピン流によるスピントルクが緩和トルクより上回ったことを表している。これを電流密度に換算すると、約4.4×108 A/m2 となる。したがって、従来のCPP型GMR素子に比べて3桁以上しきい値電流密度が低下したことが確認された。なお、縦軸のSは、図4における電流波形におけるピーク−ピークの値である。 FIG. 5 is an explanatory diagram of the microwave oscillation threshold current characteristic. In the sample size shown in FIG. 3, the microwave oscillation threshold current was about 40 mA. This value indicates that the spin torque generated by the pure spin current injected into the YIG layer 22 exceeds the relaxation torque by flowing a current of 40 mA through the Pt layer 23. When this is converted into current density, it is about 4.4 × 10 8 A / m 2 . Therefore, it was confirmed that the threshold current density was reduced by 3 digits or more as compared with the conventional CPP type GMR element. In addition, S on the vertical axis is a peak-peak value in the current waveform in FIG.

図6は、マイクロ波発振周波数の磁場強度依存性の説明図であり、100mTの外部磁場を印加することによって約5GHzの周波数でマイクロ波発振が起こっており、発振周波数が、外部印加磁場にほぼ比例することが確認された。   FIG. 6 is an explanatory diagram of the dependence of the microwave oscillation frequency on the magnetic field strength. When an external magnetic field of 100 mT is applied, microwave oscillation occurs at a frequency of about 5 GHz, and the oscillation frequency is almost equal to the externally applied magnetic field. It was confirmed to be proportional.

次に、図7を参照して、本発明の実施例2のマイクロ波発振素子を説明する。図7は本発明の実施例2のマイクロ波発振素子の概念的構成説明図であり、シリコン基板31上に下地絶縁膜32を介して、マスクスパッタ法を用いてTa下地層33、IrMnからなる反強磁性層34、YIG層35、及び、Pt層36を順次成膜して、Pt層36の両端に端子37,37を設けたものである。なお、反強磁性層34を成膜する際に、両方の端子37 ,37を結ぶ線に直交する方向に磁界を印加しながら成膜する。 Next, with reference to FIG. 7, the microwave oscillation element of Example 2 of this invention is demonstrated. FIG. 7 is a conceptual structural explanatory diagram of the microwave oscillating device according to the second embodiment of the present invention. The microwave oscillating device is composed of a Ta underlayer 33 and IrMn on a silicon substrate 31 through a base insulating film 32 using a mask sputtering method. An antiferromagnetic layer 34, a YIG layer 35, and a Pt layer 36 are sequentially formed, and terminals 37 1 and 37 2 are provided at both ends of the Pt layer 36. When the antiferromagnetic layer 34 is formed, the antiferromagnetic layer 34 is formed while applying a magnetic field in a direction perpendicular to a line connecting both terminals 37 1 and 37 2 .

この実施例2のマイクロ波発振素子においては、反強磁性層34を磁界バイアス層としているので、反強磁性層34を予め所定の強度に磁化しておくことによって、マイクロ波発振周波数を所定の値に設定することが可能になる。   In the microwave oscillation element of the second embodiment, since the antiferromagnetic layer 34 is a magnetic field bias layer, the microwave oscillation frequency is set to a predetermined value by magnetizing the antiferromagnetic layer 34 to a predetermined intensity in advance. Can be set to a value.

次に、図8を参照して、本発明の実施例3のマイクロ波発振素子を説明する。図8は本発明の実施例3のマイクロ波発振素子の概念的構成説明図であり、図8(a)は概念的側面図であり、図8(b)は図8(a)におけるA−A′を結ぶ一点鎖線に沿った概念的断面図である。図に示すように、シリコン基板31上に下地絶縁膜32を介して下層配線38を設ける。次いで、層間絶縁膜39を介して、マスクスパッタ法を用いてTa下地層33、YIG層35、及び、Pt層36を順次成膜する。   Next, with reference to FIG. 8, the microwave oscillation element of Example 3 of this invention is demonstrated. FIG. 8 is a conceptual explanatory diagram of a microwave oscillating device according to a third embodiment of the present invention, FIG. 8 (a) is a conceptual side view, and FIG. 8 (b) is an A- It is a conceptual sectional view along an alternate long and short dash line connecting A ′. As shown in the figure, a lower layer wiring 38 is provided on a silicon substrate 31 through a base insulating film 32. Next, the Ta underlayer 33, the YIG layer 35, and the Pt layer 36 are sequentially formed through the interlayer insulating film 39 using a mask sputtering method.

次いで、層間絶縁膜40を設けてPt層36の表面が露出するまで平坦化研磨したのち、マスクスパッタ法を用いて露出したPt層36の両端に端子37,37を設ける。次いで、層間絶縁膜41を介して上層配線42を形成する。 Then, after polishing planarization to expose the surface of the Pt layer 36 is provided an interlayer insulating film 40, the terminal 37 1 on both ends of the Pt layer 36 exposed by using a mask sputtering method, 37 2 provided. Next, an upper layer wiring 42 is formed via the interlayer insulating film 41.

図8(c)に示すように、下層配線38と上層配線42に互いに逆方向の電流を流すことによって、YIG層35に対して図において左向きの外部磁界が印加される。したがって、この下層配線38と上層配線42に流す電流を制御することによって外部磁界の強度が制御され、それによって、マイクロ波発振周波数を可変にすることが可能になる。   As shown in FIG. 8C, by flowing currents in opposite directions to the lower layer wiring 38 and the upper layer wiring 42, an external magnetic field directed leftward in the drawing is applied to the YIG layer 35. Therefore, the intensity of the external magnetic field is controlled by controlling the current flowing through the lower layer wiring 38 and the upper layer wiring 42, whereby the microwave oscillation frequency can be made variable.

次に、図9を参照して、本発明の実施例4のマイクロ波発振装置を説明する。図9は本発明の実施例4のマイクロ波発振装置の概念的構成説明図であり、マイクロ波発振素子30 ,30,・・30と増幅器43 ,43,・・43との直列接続回路が、選択回路44を介して並列に接続されてマイクロ波発振装置を構成する。 Next, with reference to FIG. 9, the microwave oscillation apparatus of Example 4 of this invention is demonstrated. Figure 9 is a conceptual configuration diagram of a microwave oscillator according to the fourth embodiment of the present invention, the microwave oscillator 30 1, 30 2, · · 30 n and the amplifier 43 1, 43 2, and · · 43 n Are connected in parallel via a selection circuit 44 to constitute a microwave oscillation device.

この場合の各マイクロ波発振素子30 ,30,・・30の構成は例えば、上記の実施例2と同様の構成になっており、各マイクロ波発振素子30 ,30,・・30を構成するバイアス層の磁化の大きさを素子毎に異なるように設定している。したがって、選択回路44によって電流を流すマイクロ波発振素子30 ,30,・・30を切り替えることによって所望の周波数のマイクロ波を発振することができる。 In this case, the microwave oscillating elements 30 1 , 30 2 ,... 30 n have the same configuration as that of the second embodiment, for example, and the microwave oscillating elements 30 1 , 30 2 ,. The magnitude of magnetization of the bias layer constituting 30 n is set to be different for each element. Therefore, it is possible to oscillate microwaves of a desired frequency by switching the microwave oscillator 30 1, 30 2, ·· 30 n to flow a current by the selection circuit 44.

マイクロ波は、当該マイクロ波発振素子30に接続されている増幅器43によって増幅され、図示を省略した所定のマイクロ波回路を経てアンテナから放出されることになる。 The microwave is amplified by an amplifier 43 i connected to the microwave oscillating element 30 i and is emitted from the antenna through a predetermined microwave circuit (not shown).

以上、本発明の実施の形態及び各実施例を説明したが、本発明は実施の形態及び各実施例に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各実施例においては、金属層としてPtを用いているが、Ptに限られるものではなく、Ptと同様にスピン軌道相互作用の大きなPdや、Au、Ag、Biや、その他のf軌道を有する元素を用いても良い。さらには、単体金属である必要はなく、これらの合金でも良く、さらには、これらの単体金属或いは合金に不純物を添加したものを用いても良い。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in each of the above embodiments, Pt is used as the metal layer. However, the metal layer is not limited to Pt. Like Pt, Pd, Au, Ag, Bi, and the like having a large spin-orbit interaction are used. An element having an f orbit may be used. Furthermore, it is not necessary to be a single metal, and these alloys may be used, and further, those obtained by adding impurities to these single metals or alloys may be used.

また、上記の実施例2或いは実施例4においては、YIG層に磁化方向のバイアスするためにIrMn等の反強磁性層を設けているが、CoFeB等の金属強磁性体を用いても良い。   In Example 2 or Example 4 described above, an antiferromagnetic layer such as IrMn is provided in the YIG layer to bias the magnetization direction, but a metal ferromagnetic material such as CoFeB may be used.

また、上記の各実施例においては、強磁性誘電体として、YFe5−xGa12(但し、0≦x<5)を用いているが、純粋なYFe5−xGa12に限られるものではなく、BiやSi等の不純物をドープしたものでも良い。さらには、YFe5−xGa12以外の強磁性誘電体を用いても良い。 In each of the above embodiments, Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 (where 0 ≦ x <5) is used as the ferromagnetic dielectric, but pure Y 3 Fe 5-x Ga is used. It is not limited to x O 12, or may be doped with impurities such as Bi and Si. Furthermore, a ferromagnetic dielectric other than Y 3 Fe 5-x Ga x O 12 may be used.

また、上記の実施例3においては、バイアス磁界発生用の配線を上下に二本設けているが、配線はどちらか一本でも良い。   In the third embodiment, two lines for generating the bias magnetic field are provided on the upper and lower sides, but either one may be used.

11 強磁性体層
12 金属層
13,13端子
14 電源
21 GGG単結晶基板
22 YIG層
23 Pt層
24 ,24 端子
30 マイクロ波発振素子
31 シリコン基板
32 下地絶縁膜
33 Ta下地層
34 反強磁性層
35 YIG層
36 Pt層
37 ,37 端子
38 下層配線
39 層間絶縁膜
40 層間絶縁膜
41 層間絶縁膜
42 上層配線
43 増幅器
44 選択回路
51 下部電極
52 ピンド層
53 非磁性中間層
54 フリー層
55 キャップ層
56 上部電極
11 Ferromagnetic layer 12 Metal layer 13 1 , 13 2 terminal 14 Power supply 21 GGG single crystal substrate 22 YIG layer 23 Pt layer 24 1 , 24 2 terminal 30 i microwave oscillation element 31 Silicon substrate 32 Base insulating film 33 Ta base layer 34 antiferromagnetic layer 35 YIG layer 36 Pt layer 37 1 , 37 2 terminal 38 lower layer wiring 39 interlayer insulating film 40 interlayer insulating film 41 interlayer insulating film 42 upper layer wiring 43 i amplifier 44 selection circuit 51 lower electrode 52 pinned layer 53 nonmagnetic Intermediate layer 54 Free layer 55 Cap layer 56 Upper electrode

Claims (7)

強磁性体層と、スピン軌道相互作用を有する金属層との接合界面を有し、前記金属層から前記強磁性体層へ純スピン流を注入してマイクロ波発振を励起するマイクロ波発振素子。   A microwave oscillation element having a junction interface between a ferromagnetic layer and a metal layer having a spin orbit interaction, and injecting a pure spin current from the metal layer into the ferromagnetic layer to excite microwave oscillation. 前記強磁性体層が強磁性誘電体層からなる請求項1に記載のマイクロ波発振素子。   The microwave oscillation element according to claim 1, wherein the ferromagnetic layer is made of a ferromagnetic dielectric layer. 前記強磁性誘電体層が、YFe5−xGa12(但し、0≦x<5)からなる請求項2に記載のマイクロ波発振素子。 The microwave oscillation element according to claim 2, wherein the ferromagnetic dielectric layer is made of Y 3 Fe 5−x Ga x O 12 (where 0 ≦ x <5). 前記スピン軌道相互作用を有する金属層が、Pt、Au、Pd、Ag、Bi、或いは、f軌道を有する元素のいずれかからなる金属層である請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のマイクロ波発振素子。   The metal layer having the spin orbit interaction is a metal layer made of any one of elements having Pt, Au, Pd, Ag, Bi, or f orbit. The microwave oscillation element of description. 前記強磁性体層の前記金属層との接合界面の反対側の面に、前記強磁性体層に磁場方向をバイアスするバイアス層を設けた請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のマイクロ波発振素子。 5. The bias layer for biasing a magnetic field direction to the ferromagnetic layer is provided on a surface of the ferromagnetic layer opposite to a bonding interface with the metal layer. 6. Microwave oscillation element. 前記強磁性体層に可変外部磁界印加する外部磁界印加手段を設けた請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載のマイクロ波発振素子。 The microwave oscillation element according to claim 1, further comprising an external magnetic field applying unit that applies a variable external magnetic field to the ferromagnetic layer. 請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のマイクロ波発振素子と、前記マイクロ波発振素子からのマイクロ波出力を増幅する増幅器を備えたマイクロ波発振装置。 A microwave oscillation device comprising: the microwave oscillation element according to any one of claims 1 to 6; and an amplifier that amplifies a microwave output from the microwave oscillation element.
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