JP2010519760A - スピントランスファトルク発振器 - Google Patents

Abstract

本発明は、スピントランスファトルク構造を電圧振動を発生するように動作させる方法に関する。前記構造は、固定磁化ベクトルを有する磁性材料の第１の層と、非磁性材料のスペーサと、自由磁化ベクトルを有する磁性材料の第２の層とを備える。本方法は、前記構造に電流（ｊ_ｏｐ）を供給し、前記第２の層の面内に磁界（Ｈexp）を供給するステップを含む。本方法では、電圧振動を起動及び停止させるために双安定領域とヒステリシス挙動を利用する。

Description

本発明は、スピンモーメントトランスファの原理に基づくＲＦ発振の生成方法に関する。

スピン電子デバイスは、現在、磁気記録から電圧制御発振器（ＶＣＯ）に及ぶ様々な用途に対する徹底的した研究が話題になっている。

一般に、スピン電子デバイスは、固定磁化方向の第１の強磁性層（偏極層又はピン層とも呼ばれる）と、金属又は絶縁材料の非磁性スペーサと、可変磁化方向の第２の強磁性層（それゆえ自由層とも呼ばれる）とを備える磁性多層膜構造に基づいている。スペーサは第１及び第２の強磁性層の磁気減結合をもたらす。スペーサが絶縁材量の場合には、磁気トンネル接合（ＭＪＴ）が得られるが、スペーサが金属層の場合には、いわゆるスピンバルブ（ＳＶ）構造が得られる。スピンバルブ及び磁気トンネル接合は、主としてそれらの巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）特性に関して大きな注目を集めている。巨大磁気抵抗はスピン依存散乱（ＳＶ）又はスピン依存トンネリング（ＭＪＴ）に起因する。例えば、スピンバルブの抵抗値は、ピン層と自由磁性層の磁化方向が平行の場合には低いが、反平行の場合には高い。自由層の磁化方向の反転は外部磁界を印加することによって得ることができる。

特許文献１には、別のタイプの磁化反転機構が提案されており、この反転機構では自由層の磁化と自由層を流れるもしくは自由層で反射される伝導電子との交換相互作用によって誘起される。

プレーナスピンバルブとして知られている第１のタイプのデバイスでは、偏極層及び自由層の磁化ベクトルはともに層の平面内に位置する。構造を流れる電流がない場合には、磁化ベクトルは平行又は反平行の安定な配置にある。しかし、電流又は電流パルスがデバイスに印加されると、ピン層を通過する電子が偏極されたスピンを有し、自由層の電子と相互作用して、その磁化ベクトルがもとの軸を中心に歳差運動させられる。電流の振幅及び符号、ピン層及び自由層のそれぞれの磁化方向及びもしあれば外部磁界の方向に依存して、円錐歳差運動の角度が減少して零に戻り、所定の値に安定化するか、あるいは最終的に１８０°に達するまで増大して、自由層の磁化ベクトルを反転する。

別の有望なデバイスはいわゆる垂直ポラライザ（ＰＥＲＰ）である。このようなデバイスでは、プレーナスピンバルブ又はＭＴＪと対比すると、偏極層の磁化方向が膜面に垂直であるが、自由層の磁化方向は膜面内に維持される。プレーナスピンバルブに関しては、所定の動作状態の下で、ピン層により偏極された電子のスピンは自由層の磁化ベクトルを、この場合には膜面に垂直な軸を中心に、歳差運動させる。偏極層の垂直磁化は、非特許文献１に記載されているように、高い垂直磁気異方性を有する材料を用いることによって達成される。

プレーナスピントルクデバイスも垂直ポラライザ構造も磁気メモリセルを実現するために従来技術で使用されている。偏極された電子から自由層の磁化ベクトルへの角運動量の移動は、十分な電流密度に対して、自由層の磁化ベクトルをスイッチングするのに十分に高い有効トルクとしてモデル化することができる。この磁化ベクトルの状態は２進情報を記憶するために用いることができる。

磁気ＲＡＭセルとして使用される垂直ポラライザの一例は、例えば特許文献２に記載されている。

プレーナスピントルクデバイスでは、適切な磁界の印加の下で、偏極された電子のＤＣ電流が自由層の磁化ベクトルの歳差運動を、この磁化ベクトルをスイッチングすることなく、またその運動を減衰することなく、生じさせることができる。このとき、自由層の磁化ベクトルは定常振動(発振)状態に入る。磁化ベクトルの回転面内成分は磁気抵抗の変調を誘起し、これにより偏極層と自由層との間に振動(発振)電圧が発生する。振動(発振)周波数はしきい値電流において自由層の強磁性共振周波数に近似し、典型的にはＧＨｚレンジに位置する。更に、歳差運動周波数、従って振動の振動周波数は、ＤＣ電流の強度を適切に制御することによって調整することができる。

この原理に基づくプレーナスピンバルブ構造を用いるチューナブルＲＦ発振器は特許文献３に既に開示されている。また、垂直ポラライザをマイクロ波源として使用するのが好ましいことも、非特許文献２に提案されている。１−２０ＧＨｚレンジのチューナブル周波数が外部磁界の印加なしで予測されている。

プレーナスピンバルブ型又は垂直ポラライザ型のスピントランスファトルク発振器に影響を与える主な問題は、電圧振動を取得し維持するために大きな電流密度が必要とされることにある。この電流密度は、臨界電流密度とも呼ばれ、プレーナ構造に対しては、

で表わせ、垂直ポラライザに対しては、

で表わせる。

ここで、Ｍsは飽和磁化、τは自由層の厚さ、Ｈuは自由層内の実効一軸面内異方性磁界、αはギルバート減衰係数及びｇ(θ)は自由層の磁化ベクトルとピン層の磁化ベクトルとの角度θに依存するスピントルク効率因子である。

臨界電流密度は典型的には約１０^７Ａ／ｃｍ^２である。このような電流密度レベルでは、ジュール効果により発生する熱、従って温度上昇がデバイス構造を損傷し、その特性を大きく悪化する。

式（１）及び（２）から、臨界電流密度は飽和磁化、厚さ及び／又は減衰係数を減少させることによって低下させることができることがわかる。しかし、厚さ及び飽和磁化の低減は熱不安定性をもたらし、また低い減衰係数は上述の構造に現在使用されている材料で達成することは殆どできない。

従って、本発明の基礎をなす問題は低い動作電流密度を有するとともに良好な熱安定性を示すスピントランスファトルク発振器を設計することにある。

米国特許第５６９５８６４号明細書 米国特許第６５３２１６４号明細書（本出願人による出願） 国際特許出願公開２００５／０６４７８３号明細書

S. Mangin 他,"Current-induced magnetization reversal in nanopillars with perpendicular anisotropy", Nature, Vol. 5, March 2006, pp.210-215 K.J. Lee他, "Analytical investigation of spin-transfer dynamics using a perpendicular-to-plane polarizer", Applied Physics Letters 86, 22505 (2005)

この問題は、添付の請求項１、２又は９に特定されたスピントランスファトルク発振器を動作させる方法を実施することによって解消される。

本発明の方法とともに使用するスピントランスファトルク構造を概略的に示す。 図１の構造内の自由層の磁化に作用するトルク成分を示す。 図１に示すスピントランスファトルク構造の状態図を示す。 本発明の第１の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。 本発明の第２の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。 本発明の第３の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。 本発明の第４の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。 本発明の第５の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。 本発明の第６の実施例による、前記構造を発振器として動作させる方法を示す。

本発明は、図1に示されるようなスピントランスファトルク構造を利用する。この構造１００は、固定磁化方向の第１の磁性層１１０と、金属、絶縁材料又は半導体材料の非磁性スペーサと、可変磁化方向の第２の磁性層１３０とを備える。私達は、磁性材料とは、その磁気モーメントが長距離秩序を示し、従って非ゼロの瞬時飽和磁化を示す材料であると理解している。磁性材料の例として、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びそれらの合金又は強磁性材料がある。

第１の変形例によれば、第１の磁性層１１０（以後、ピン層又は固定層ともいう）は単一の磁性材料、例えば上記の材料の一つからなるものとし得る。また、その磁性特性を向上させるためにこの磁性材料を反強磁性材料と結合させることもできる。

第２の変形例によれば、第１の磁性層１１０は、磁性材料の層内に挿入された極めて薄い（１ｎｍ以下の厚さの）非磁性（ＮＭ）層を備えるものとし得る。このＮＭ層は磁性層のスピン依存輸送特性を調整するためにスピン依存界面散乱を発生するように選択される。同様に、この積層構造もその磁性特性を向上させるために反強磁性材料と結合させることができる。

第３の変形例によれば、固定磁性層１１０は、［Ｃｏ／Ｎｉ］×ｎのような異なる磁性層の多層膜積層体とすることができる。その磁気特性を向上させるために、この多層膜積層体も反磁性材料に結合させることができる。

第４の変形例によれば、第１の磁性層１１０は、それらの磁化が互いに反平行又は平行になるように２つの磁性層ＦＭ１及びＦＭ２が非磁性層ＮＭを介して結合された［ＦＭ１／ＮＭ／ＦＭ２］×ｎのような多層膜構造で実現することができる。非磁性層ＮＭの材料及び厚さは、２つの磁性層（例えばＲｕ，Ｃｕ，Ｐｔ）間の交換結合を仲介するように、及び／又は界面異方性を生じるように選択され、この選択は正確な利用のために必要とされる所望の磁気特性により決まる。その磁気特性を向上させるために、この多層膜積層体も反磁性材料に結合させることができる。このような多相膜構造の例として、合成反強磁性体と呼ばれるＣｏ／Ｒｕ／Ｃｏ及びＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅがあり、Ｒｕの厚さが適切に選択されている場合、２つのＦＭ層は反平行に結合される。別の例は（Ｃｏ／Ｐｔ）×ｎの多層膜であり、この場合にはＦＭ層は平行に結合され、Ｃｏ及びＰｔ層の厚さが適切に選択され及び最適化されている場合、磁化は面外異方性を有する。

第５の変形例によれば、第１の磁性層は上述した変形例の任意の組合せとすることができる。

いずれにせよ、第１の磁性層は強い面外異方性と強いスピン偏極とを示す必要がある。磁化ベクトルＭｐは好ましくは層の平面に垂直に選択される。しかし、斜め磁化方向、即ち層の平面から外への（面外）磁化方向も等しく考えられ、本発明の範囲に含まれる。

第２の磁性層（以後、自由層ともいう）１３０は上述した５つの変形例の何れかに従って実現することができる。

非磁性スペーサは、Ｃｕのような非磁性金属の薄い層、Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＯの薄い非磁性絶縁トンネル障壁層又は任意の酸化物層又は薄い非磁性半導体層とすることができる。薄い非磁性層とは、ここでは、この層の厚さが、電子が非磁性金属内を移動する際に十分なスピン偏極が維持されるように、金属スピン拡散長より小さいことを意味する。絶縁材料の薄い層とは、ここでは、電子が障壁をトンネリングする際に十分に強いトンネル効果が得られ、トンネル磁気抵抗値が維持されることを意味する。

接点電極１４０（例えばＣｕ／Ｔａ，Ａｌ，Ａｕ又は表面抵抗Ｒｓが十分低い任意の材料からなる）がピン層１１０の底面及び自由層１３０の上面にそれぞれ堆積される。密度ｊのＤＣ電流Ｉがこれらの電極から構造１００内に注入され、即ちスピン偏極された電子がピン層１１０から非磁性スペーサ１２０を経て自由層１３０へと流れ（又は該ピン層から反射され）、磁化ベクトル（以後Ｍで示す）の歳差運動を誘起する。

この構造の活性部は接点電極の形状又は構造自体の形状によって横方向（面方向）に限定される。後者の場合には、これらの層を任意の形状のピラー（ナノピラー）にパターン化することができ、これらのピラーは、スピントランスファトルク効果が磁化に作用する他の物理的力、例えばピラーを流れる電流により生成されるエルステッド磁場による物理的力より優勢になるように十分に小さい横方向寸法にする。代表的な寸法は１００ｎｍである。

磁化ベクトルが自由層又は活性部の全域で均一である（マクロスピンモデル）とすると、磁化ベクトルＭの運動は、スピントルクの項を含むランダウ−リフシッツ−ギルバート（landau-Lifschitz-Gilbert）の方程式：

によって表わされる。

ここで、Ｈは有効磁界、即ち３つの層が有効に経験する磁界であり、ｐは電子偏極方向に沿うユニタリベクトルであり、αは減衰係数であり、γは磁気回転比を示し、ａ_ｊ(θ)は

であり、ｊは構造を流れる電流密度である。

有効磁界Ｈは外部磁界Ｈextと、減磁界Ｈｄ、即ち磁化ベクトルＭ自体により発生される磁界と、自由層内に異方性磁気エネルギー分布を生じる異方性磁界Ｈｕとの和である。

方程式（３）の右辺の最初の項は磁化ベクトルの歳差運動に関するものである。第２の項は磁化ベクトルの運動に伴うエネルギー消費を表わす。第３の項はスピン偏極された電子の注入により誘起されるスピントランスファトルクを示す。

説明のために、以下において、ピン層の磁化ベクトルＭｐ、従って偏極ベクトルｐは層面に垂直であるとする。しかし、本発明はこの特定の場合に限定することを意図しない。

図２は、自由層の磁化ベクトルＭに作用する種々のトルク成分を示す。

有効磁界は、層の面内にあり、軸Ｏｘに平行であるとする。更に、異方性磁界Ｈｕも正のｘ軸方向に向いているとする。

偏極ベクトルｐと磁化ベクトルＭとの間の角度はθで示される。磁化ベクトルＭの投影と正のｘ軸との間の角度はφで示される。方程式（３）の第１の項は、ベクトルＭを軸Ｏｚを中心に（ここでは時計方向の）歳差運動させるトルクＴzである。この方程式の第２の項は、ベクトルＭを層の面、即ちその最小エネルギーの位置（θ＝０；φ＝０又はπ）に向けプルしようとする、回転軸Ｏｙ_φを中心とするトルクＴ_ｙφである。この方程式の最後の項は、スピン偏極された電子により誘起されるトルクＴ’_ｙφであり、このトルクは磁化ベクトルＭを平面外にプルし、偏極ベクトルｐと整列させようとする。スピントランスファトルクＴ’_ｙφが減衰トルクＴ_ｙφと平衡する場合、一定の角度θで歳差運動が生じさせることができる。

３つのトルクＴ_ｚ，Ｔ_ｙφ，Ｔ’_ｙφの複合作用は一般に極めて複雑である。この複合作用は、第１に、スピン偏極された電流の値及び有効磁界の値に依存する。

最初に、電流はゼロであるものとする。磁化ベクトルの初期状態は最小エネルギーの平衡状態にあり、即ち磁化ベクトルは有効磁界と整列している。換言すれば、磁化ベクトルはｘ軸の正方向又は負方向（φ=０又はφ＝π）に向いている。

電流密度が増大すると、磁化ベクトルＭは静的に元の位置から離れる方向に向くが、それでもなお本質的には層の平面内、即ちθ＝０及びφ≠０、φ≠πに位置する。

電流密度が第１のしきい値ｊ_ｃ１に達すると、磁化ベクトルＭは層の面から引きずり出され、Ｏｚ軸を中心に連続的に歳差運動し始める。第１のしきい値ｊ_ｃ１は、

で近似できる。ここで、Ｈｕ及びＨextはそれぞれ異方性磁界及び外部磁界である（x軸の正方向に向いている場合に正である）。式（５）内の±符号は磁化ベクトルの初期方向により決まり、φ＝０の場合符号は正であるが、φ=πの場合符号は負である。言及しないが、ｊ_ｃ１の符号は注入電流の符号である。

歳差運動円錐の半角は、スピントルクと減衰トルク、即ち方程式（３）の第３項と第２項を等式にすることによって与えられ、次の方程式が得られる。

ここで、ａ_ｊ(θ)はａ_ｊ(π/２)でほぼ近似できる。

関連する歳差運動周波数、即ちスピントランスファトルク発振器の周波数はほぼ

で与えられる。

電流密度が更に増大すると、磁化ベクトルが面外に益々引き出され、即ち角度θが０又はπに近づく。しかし、電流密度が第２のしきい値ｊ_ｃ２に達すると、磁化ベクトルＭの面外成分Ｍzは飽和し、即ちＭz＝Ｍsになり、歳差運動は停止する。従って、磁化ベクトルＭは安定な面外状態になり、振動が消滅する。

第２のしきい値ｊ_ｃ２は、

として表わすことができる。

式（８）からわかるように、第２のしきい値は外部磁界Ｈextの値に依存しない（これは外部磁界が減磁界４πＭ_ｓの約半分より小さい限り成り立つ）。図３は、自由層の状態図をスピン偏極された電流及び外部磁界Ｈextの強度の関数として概略的に示す。

３組の臨界線が識別され、それぞれｊ_ｃ１，ｊ_ｃ２，ｊ_ｃ３で示されている。

第１組の臨界線ｊ_ｃ１は電流密度の第１のしきい値に対応する。磁化ベクトルが最初に正のｘ軸と整列している場合(φ＝０)又は負のｘ軸と整列している場合（φ=π）にそれぞれ対応する２つの部分に区別することができる。各部分はゼロ電流軸を中心に対称であり、この部分を構成する２つの線は互いに反対の電流方向に対応する。

第２組の臨界線ｊ_ｃ２は電流密度の第２のしきい値に対応する。この組の２つの線は互いに反対の電流方向に対応する。

第１及び第２組の臨界線は状態図内に４つの領域ＯＰＰ＋，ＯＰＰ−，ＯＰＳ＋，及びＯＰＳ−を定める。

３角形状の領域ＯＰＰ＋，ＯＰＰ−はそれぞれ上半部空間（θ＜π／２）及び下半部空間（θ＞π／２）における磁化ベクトルの面外歳差運動状態に対応する。動作点がＯＰＰ＋又はＯＰＰ−内に位置するとき、即ちｊ_ｃ１＜｜ｊ｜＜ｊ_ｃ２の場合には、構造は発振器として働く。

領域ＯＰＳ＋及びＯＰＳ−は上半部及び下半部空間における磁化ベクトルの面外安定静状態にそれぞれ対応する。もっと正確に言えば、動作点がＯＰＰ＋又はＯＰＰ−領域内に位置するとき、電流（絶対値）が増大すると、自由層が安定な面外磁化領域ＯＰＳ＋又はＯＰＳ−に入る。

図中の残された空白領域は安定な面内静状態に対応し、ＩＰＳ_０は正のｘ軸と整列した初期磁化ベクトル(φ＝０)の場合、ＩＰＳ_πは負のｘ軸と整列した初期磁化ベクトル(φ＝π)の場合、ＩＰＳは上記の両方の場合に対応する。動作点がこれらの領域内に位置しているとき、電流密度（絶対値）が増大すると、磁化ベクトルがその最小エネルギー方向（φ=０又はφ=π）から最終的に第１のしきい値又は第２のしきい値に到達するまで面内で回転し、自由層の面外へ移動し始める。

第３組の臨界線ｊ_３ｃも方程式（３）の解から導出される。これらの線の位置は固定ではなく、電流の上昇時間に依存する。上及び下の臨界線ｊ_ｃ３は水平線Ｈext＝Ｈｕ又はＨext＝−Ｈｕで垂直方向に境界される。

臨界線ｊ_ｃ１及びｊ_ｃ３は状態図内に４つの領域（１）〜（４）を定める。領域（１）又は（２）は、φ＝０の初期磁化に対して面内安定静状態に対応するが、φ=πの初期磁化に対して上半部又は下半部空間領域において面外歳差運動状態である。同様に、領域（３）又は（４）はφ＝πの初期磁化に対して面内安定静状態に対応するが、φ=０の初期磁化に対して上半部又は下半部空間において面外歳差運動状態である。

本発明は、図４に示す２つの双安定領域の発見に基づくものである。この図は、図３と同一の状態図を示し、図４では明瞭のためにほとんどの参照符号が省略されている。

第１の双安定領域は薄灰色に着色されている。この領域は、第２組の臨界線ｊ_ｃ２と、ゼロ電流軸を中心に対象に位置するが３角形状の領域ＯＰＰ＋及びＯＰＰ−を含まない２つの線からなる第４組の臨界線ｊ_ｃ４との間に含まれる。

従って、第１の双安定領域は次の制約：

によって定められる。ここで、Ｈ_Ｔは第１の臨界線が第２の臨界線と交差する点におけるＨextの値を示す。この値は、式（８）に従って、電流ｊの符号に応じて相違しうる点に注意されたい。

この第１の双安定領域においては、面外歳差運動状態ＯＰＰ（即ちＯＰＰ＋又はＯＰＰ−）と面内静状態が両方とも安定である。状態のタイプは磁化ベクトルの前歴により決まる。もっと正確に説明すると、第１の双安定領域に入る際に磁化ベクトルが歳差運動ＯＰＰ（｜Ｈext｜＜Ｈ_Ｔ）にあった場合、磁化ベクトルは歳差運動状態にとどまる。逆に、第１の双安定領域に入る際に磁化ベクトルが静ＩＰＳ状態にあった場合、磁化ベクトルはＩＰＳ状態にとどまる。

第２の双安定領域は濃い灰色に着色されている。この領域は、第２組の臨界線ｊ_ｃ２と第１組の臨界線ｊ_ｃ１との間に含まれ、次の制約：

で表わされる。

この第２の双安定領域においては、面外静状態（ＯＰＳ）と面内静状態（ＩＰＳ）が両方とも安定である。ここでも、状態のタイプは磁化ベクトルの前歴により決まる。第２の双安定領域に入る際に磁化ベクトルがＯＰＳ状態にあった場合、磁化ベクトルはＯＰＳ状態にとどまる。逆に、第２の双安定領域に入る際に磁化ベクトルがＩＰＳ状態にあった場合、磁化ベクトルはＩＰＳ状態にとどまる。

ここで、動作点が最初に領域ｊ_ｃ１＜ｊ_ｃ２内に位置する場合、即ち｜Ｈext｜＜Ｈ_Ｔの場合について考察する。

最初に、歳差運動状態（ＯＰＰ）と静状態（ＩＰＳ）との間の遷移はヒステリシスであり、静状態から歳差運動状態への遷移は第１組の臨界線により決まり、歳差運動状態から静状態への遷移は第４組の臨界線により決まることに注目することが重要である。

このヒステリシス挙動は、例えばサイクルａ→ｂ→ａ→ｃ→ａで示される。その全サイクルは一定の外部磁界値Ｈopにおいて起こり、この外部磁界値はゼロにしてもよい。

出発状態（ａ）は静状態と仮定する。これは、一般に、出発状態はＩＰＳ領域内、即ち磁化ベクトルの初期角度がφ＝０である領域（１）又は（２）内、又は磁化ベクトルの初期角度がφ＝πである領域（３）又は（４）内に位置することを意味する。本例では、（ａ）はφ＝０の領域（１）内に位置するが、他の場合も同等に考えられる。

電流（絶対値）は最初に上昇され、動作点が領域ＯＰＰ＋内に位置する状態（ｂ）に移動する。第１の臨界線ｊ_ｃ１が横切られるので、歳差運動が起こり、構造は振動電圧を発生する。

電流は次に減少され、動作点が第１の臨界線を横切って戻り、低電流密度の状態、例えば初期状態（ａ）に到着し、この状態では電圧が振動を維持する。従って、ヒステリシス挙動のために、構造は振動電圧を第１のしきい値より低い電流密度で発生し続ける。

振動を停止させるためには、電流（絶対値）を、動作点が第４の臨界線ｊ_ｃ４（以後第３のしきい値という）を横切るように低下させるだけで十分である。状態（ｃ）において、磁化ベクトルは静状態になる。動作点が双安定領域、例えば初期状態（ａ）に戻されても、磁化ベクトルは静状態に維持される。

構造の動作が図の左上四半部内に位置するサイクルで示されているが、他のサイクルを他の３つの四半部において必要な変更を加えて行うことができること明らかである。

従って、本発明の第１の実施例によれば、
・ スピントランスファ構造の動作点を、自由層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる双安定領域内に設定し（例えば状態（ａ））、
・ 電流密度（絶対値）を該電流密度が第１のしきい値（｜ｊ_ｃ１(Ｈ_ｏｐ)｜）を横切るまで増大させて、自由層の磁化ベクトルの歳差運動を誘起させ（状態ｂ）、
・ 電流密度（絶対値）を該電流密度が前記第１のしきい値を横切るまで減少させて、自由層の磁化ベクトルを前記歳差運動状態に維持することによって、
スピントランスファトルク構造を低い電流密度で発振器として動作させることができる。

発振器をスイッチオフするためには、電流密度が第２のしきい値（｜ｊ_ｃ４(Ｈ_ｏｐ)｜）を横切るまで、即ち動作点が前記第１の双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域内に移動するまで電流密度（絶対値）を減少させる（状態（ｃ））。更なる動作サイクルのために、次に電流（絶対値）を増大させることによって動作点を第１の双安定領域内に戻すことができる（状態（ａ））。

従って、第１の実施例によれば、スピントランスファトルク発振器は、適切な極性で、第１のしきい値を横切らせるのに十分な大きさの電流パルスを供給することによってターンオンすることができる。逆に、この発振器は、反対極性で第１のしきい値を横切らせるのに十分な大きさのパルスを供給することによってスイッチオフすることができる。

図５は、本発明の第２の実施例による、スピントランスファ構造を発振器として動作させる方法を示す。

この図は一定の電流密度値ｊ_ｏｐで実行される動作サイクルの一例ａ→ｂ→ａ→ｃ→ａを示す。

出発状態（ａ）は静状態であるとする。つまり、第１の実施例の場合と同様に、出発状態はＩＰＳ領域内、即ち磁化ベクトルの初期角度がφ＝０である領域（１）又は（２）内、又は磁化ベクトルの初期角度がφ＝πである領域（３）又は（４）内に位置する。本例では、状態（ａ）はφ＝０の領域（２）内に位置するが、他の場合も同等に考えられる。

歳差運動が開始する｜ｊ_ｏｐ｜＞｜ｊ_ｃ１（Ｈ_down）｜となるように外部磁界をしきい値Ｈ_downを横切るまで減少させて、その結果構造が振動電圧を発生するようにする。本例では、動作点は領域（４）内の状態ｂに移動する。磁化ベクトルの初期角度はφ=０であったため、この動作点も安定な面外歳差運動状態に対応する。

発振を停止させるためには、｜ｊ_ｏｐ｜＜｜Hｊ_ｃ４（Ｈ_up）｜となるように、即ち動作点が第４の臨界線ｊ_ｃ４を横切るように、外部磁界Ｈextをしきい値Ｈupを横切るまで増大させる。状態（ｃ）において、磁化ベクトルは静ベクトルである。動作点を双安定領域、例えば初期状態（ａ）に戻しても、磁化ベクトルは静ベクトルのままである。

従って、本発明の第２の実施例によれば、
・ スピントランスファ構造の動作点を、自由層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる双安定領域内に設定し（例えば状態（ａ））、
・ 外部磁界を該磁界が第３のしきい値（Ｈdown）を横切るまで変化させて、自由層の磁化ベクトルの歳差運動を誘起させ（状態ｂ）、
・ 外部磁界を該磁界が前記第３のしきい値を横切るまで逆方向に変化させて、自由層の磁化ベクトルを前記歳差運動状態に維持することによって、
スピントランスファトルク構造を低い電流密度で発振器として動作させることができる。

発振器をスイッチオフするためには、外部磁界を該磁界が第４のしきい値（Ｈup）を横切るまで前記反対方向に変化させて、動作点を前記第１の双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域内に移動させる（状態（ｃ））。次に、外部磁界を該磁界が前記第４のしきい値を横切るまで前記所定の方向に変化させることによって動作点を第１の双安定領域に戻すことができる。このとき発振器は更なる動作サイクルのための準備が整う。

従って、第２の実施例によれば、スピントランスファトルク発振器は、適切な極性で第３のしきい値を横切らせるのに十分な大きさの磁界パルスを供給することによってターンオンすることができる。逆に、この発振器は、反対極性で第４のしきい値を横切らせるのに十分な大きさを有するパルスを供給することによってスイッチオフすることができる。

図６は、本発明の第３の実施例による、スピントランスファ構造を発振器として動作させる方法を示す。この実施例では、スピントルク発振器は、所定の極性の電流パルスを供給することによってスイッチオンされ、所定の極性の外部磁界パルスを供給することによってスイッチオフされる。

更に具体的に言うと、図６は動作サイクルａ→ｂ→ａ→ｃ→ａを示し、そのスイッチオン半サイクルａ→ｂ→ａは第１の実施例のスイッチオン半サイクルａ→ｂ→ａと同一であるが、そのスイッチオフ半サイクルａ→ｃ→ａは第２の実施例のスイッチオフ半サイクルａ→ｃ→ａと同一である。

図７は、本発明の第４の実施例による、スピントランスファ構造を発振器として動作させる方法を示す。この実施例では、スピントルク発振器は、所定の極性の外部磁界パルスを供給することによってスイッチオンされ、所定の極性の電流パルスを供給することによってスイッチオフされる。

更に具体的に言うと、図７は動作サイクルａ→ｂ→ａ→ｃ→ａを示し、そのスイッチオン半サイクルａ→ｂ→ａは第２の実施例のスイッチオン半サイクルａ→ｂ→ａと同一であるが、そのスイッチオフ半サイクルａ→ｃ→ａは第１の実施例のスイッチオフ半サイクルａ→ｃ→ａと同一である。

次に、動作点が最初にｊ_ｃ１＞ｊ_ｃ２の領域、即ち｜Ｈext｜＞Ｈ_Ｔの領域内に位置する場合について考察する。この領域におけるスピントルク構造の動作をより良く図解するために、ｊ_ｃ１(Ｈext＝０)が前実施例の場合より小さい状態が図８に示されている。

ｊ_ｃ２(Ｈext＝０)≦ｊ_ｃ１(Ｈext＝０)の場合、即ち
Ｈｕ／２≧α４πＭ_Ｓ （１１）
の場合には、３角形領域ＯＰＰ＋及びＯＰＰ−は全く存在しないことを理解されたい。

図８に戻り説明すると、動作サイクルａ→ｂ→ａ→ｃ→ａが示されている。全サイクルが一定の外部磁界値Ｈextにおいて実行される。

開始状態（ａ）は第１の双安定領域内に位置し、面内静状態（ＩＰＳ）にあるとする。電流（絶対値）が増大されると、動作点が最初に、ＩＰＳ状態に維持されたまま、第２の双安定領域を移動し、次いで第１の臨界線ｊ_ｃ１を横切り、この点で磁化ベクトルが面外安定状態（ＯＰＳ）にジャンプし、最終的に状態（ｂ）に到達する。

電流が次に減少され、動作点が逆戻りして第１の臨界線を横切る。動作点が第２の双安定領域を移動するとき、この領域内においてＯＰＳ状態が安定であるため、磁化ベクトルはＯＰＳ状態のままである。しかし、動作点が逆戻りして第２の臨界線を横切り、第１の安定領域に入ると、安定化ベクトルが不安定になり、歳差運動を開始する。動作点はＯＰＰ状態に維持されたまま状態（ａ）に到達する。

発振器をスイッチオフするために、電流（絶対値）が第４のしきい値ｊｃ４を横切るまで減少される。動作点は第１の双安定領域を離れ、静状態のみが安定である領域に入る。更なる動作サイクルのために電流(絶対値)を増大させることによって、動作点は次に第１の双安定領域に戻る（状態（ａ））。

従って、本発明の第５の実施例によれば、
・ スピントランスファ構造の動作点を、自由層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる第１の双安定領域内に設定し（例えば状態（ａ））、
・ 電流密度（絶対値）を、該電流密度が第１のしきい値（｜ｊ_ｃ１(Ｈ_ｏｐ)｜）横切るまで増大させて、磁化ベクトルを自由層の面外に移動させ（状態ｂ）、
・ 電流密度(絶対値)を、該電流密度が第２の臨界線を横切るまで減少させて、自由層の磁化ベクトルを歳差運動状態にさせることによって、
スピントランスファトルク構造を低い電流密度で発振器として動作させることができることが理解されよう。

従って、第１の実施例と同様に、このスピントランスファトルク発振器は、反対極性及び十分大きな振幅を有するパルスを供給することによってターンオン及びオフすることができる。

図９は、本発明の第６の実施例による、スピントランスファ構造を発振器として動作させる方法を示す。

この実施例は第６の実施例と、発振の停止が第３の実施例と同様に外部磁界パルスを供給することによって行われる点が相違するのみである。

最後に、ｊｃ１＜ｊｃ２の領域においても、第２及び第４の実施例が等しく適用される。

本発明のすべての実施例において、発振器は、動作点を第１の臨界線を所定の方向に横切らせ、次いで逆方向に戻すことによってターンオンされる点に注意されたい。同様に、発振器は、動作点を第４の臨界線を所定の方向に横切らせ、次いで逆方向に戻すことによってターンオフされる。

いずれの実施例においても、発振器をターンオン及びオフするセットアップ時間は本質的に電流／磁界パルスの立上り及び立下りエッジの持続時間により制限され、数拾ピコ秒又はそれ以上にすることができる。パルスの持続時間は、磁化ベクトルがＯＰＰ又はＯＰＳ状態で安定化するのに十分な長さにする必要がある。

更に、発振器の周波数は動作点を適切に設定することによって調整することができる。実際には、周波数は１〜１０ＧＨｚの範囲に亘って調整することができるが、周波数は正確な材料パラメータに依存してもっと高く又は低くすることができる。

従って、本発明は、例えばレーダ分野又は無線通信分野用のゲートＲＦ源及び／又は周波数ホップ源を実現するために使用することができる。

Claims (18)

1. 固定磁化ベクトルを有する磁性材料の第１の層と、非磁性材料のスペーサと、自由磁化ベクトルを有する磁性材料の第２の層とを備えるスピントランスファトルク構造を、前記構造に電流を供給することによって、電圧振動を発生するように動作させる方法であって、該方法は、
   ・ 前記構造の動作点を、前記第２の層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる双安定領域内に設定するステップ、
   ・ 電流（絶対値）を第１のしきい値より上に増大させて、前記第２の層の磁化ベクトルの歳差運動を誘起させるステップ、及び次に
   ・ 電流（絶対値）を前記第１のしきい値より下に減少させて、前記第２の層の磁化ベクトルを前記歳差運動状態に維持するステップ、
   を具えることを特徴とするスピントランスファトルク構造の動作方法。
2. 固定磁化ベクトルを有する磁性材料の第１の層と、非磁性材料のスペーサと、自由磁化ベクトルを有する磁性材料の第２の層とを備えるスピントランスファトルク構造を、前記構造に電流を供給することによって、電圧振動を発生するように動作させる方法であって、該方法は、
   ・ 前記構造の動作点を、前記第２の層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる双安定領域内に設定するステップ、
   ・ 電流（絶対値）を第１のしきい値より上に増大させて、前記第２の層の磁化ベクトルを該層の面外に移動させるステップ、及び次に
   ・ 電流（絶対値）を前記第１のしきい値より下に減少させて、前記第２の層の磁化ベクトルを安定な歳差運動状態にするステップ、
   を具えることを特徴とするスピントランスファトルク構造の動作方法。
3. 前記電流を増大させ、次に減少させるステップは電流パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記第２の層の面内に磁界（Ｈext）を供給するステップを更に具えることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法。
5. 前記動作点が前記双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域に移動するまで前記電流（絶対値）を減少させることによって、前記電圧振動を停止させるステップを更に具えることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の方法。
6. 前記電圧振動を停止するステップは、電流パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 前記動作点が前記双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域に移動するまで磁界を所定の方向に変化させることによって、前記電圧振動を停止させるステップを更に具えることを特徴とする請求項４記載の方法。
8. 前記電圧振動を停止するステップは、磁界パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 固定磁化ベクトルを有する磁性材料の第１の層と、非磁性材料のスペーサと、自由磁化ベクトルを有する磁性材料の第２の層とを備えるスピントランスファトルク構造を、前記構造に電流（ｊ_ｏｐ）を供給するとともに前記第２の層の面内に磁界（Ｈext）を供給することによって、電圧振動を発生するように動作させる方法であって、該方法は、
   ・ 前記構造の動作点を、前記第２の層の磁化ベクトルが安定な静状態又は安定な歳差運動状態の何れかになることができる双安定領域内に設定するステップ、
   ・ 前記磁界が第３のしきい値を横切るまで前記磁界を所定の方向に変化させて、前記第２の層の磁化ベクトルを歳差運動させるステップ、及び次に
   ・ 前記磁界が前記第１のしきい値を横切るまで前記磁界を反対方向に変化させて、前記第２の層の磁化ベクトルを前記歳差運動状態に維持するステップ、
   を具えることを特徴とするスピントランスファトルク構造の動作方法。
10. 前記磁界を前記所定の方向に変化させ、次に前記反対方向に変化させるステップは磁界パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記動作点が前記双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域に移動するまで前記磁界を前記反対方向に変化させることによって、前記電圧振動を停止させるステップを更に具えることを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。
12. 前記電圧振動を停止するステップは、磁界パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記動作点が前記双安定領域から前記磁化ベクトルの静状態のみが安定である領域に移動するまで前記電流(絶対値)を減少させことによって、前記電圧振動を停止させるステップを更に具えることを特徴とする請求項９又は１０記載の方法。
14. 前記電圧振動を停止するステップは、電流パルスを供給することによって実行することを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記第１の層の前記磁化ベクトルはこの層の面に垂直であることを特徴とする請求項１−１４の何れかに記載の方法。
16. 前記スペーサは非磁性材料の層であることを特徴とする請求項１−１５の何れかに記載の方法。
17. 前記スペーサは絶縁材料の層であることを特徴とする請求項１−１５の何れかに記載の方法。
18. 前記磁性材料の第１の層及び前記磁性材料の第２の層は強磁性材料からなることを特徴とする請求項１−１８の何れかに記載の方法。

Images