JP2011199190A

JP2011199190A - スピン波素子

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Publication number: JP2011199190A
Application number: JP2010066832A
Authority: JP
Inventors: Shiho Nakamura; 志保中村; Daisuke Saida; 大輔才田; Hiroshi Morise; 博史森瀬; Takeshi Kondo; 剛近藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: US9019757B2; JP4929369B2; US20110234216A1

Abstract

【課題】伝搬効率に優れたスピン波素子を提供する。
【解決手段】基板２０と、基板２０上に形成され、磁化が積層方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜３０と、多層膜３０上に形成され、第１の非磁性層７０を介して離間して形成された検出部５０及び複数の入力部４０と、を備え、第１の多層膜３０の積層方向から眺めたときに、第１の強磁性層の外縁の一部の形状が楕円の一部であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線が楕円の長軸と重なっており、楕円の一部は入力部４０側に存在していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピン波素子に関する。

米国特許出願公開第２００７／０２９６５１６号明細書には、基板上に強磁性体層が形成され、強磁性体層上に複数の入力部及び検出部が形成されたスピン波素子が公開されている。このスピン波素子は、入力部に電流を流すことで、同じ位相又は異なる位相の周波数のスピン波を強磁性体層内部に伝搬し、検出部で検出する。

米国特許出願公開第２００７／０２９６５１６号明細書に記載されたスピン波素子では、強磁性体層内部でスピン波が平面波として伝搬している。しかしながらスピン波が球面波として伝搬する場合にはスピン波が広がってしまうために、検出部でスピン波を効率よく検出することが難しい。

米国特許出願公開第２００７／０２９６５１６号明細書

そこで、本発明は、伝搬効率に優れたスピン波素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るスピン波素子は、基板と、前記基板上に形成され、磁化が積層方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜と、前記多層膜上に形成され、第１の非磁性層を介して離間して形成された検出部及び複数の入力部と、を備え、前記第１の多層膜を積層方向から眺めたときに、前記第１の強磁性層の外縁の一部の形状が楕円の一部であり、前記入力部と前記検出部とを結ぶ直線が前記楕円の長軸と重なっており、前記楕円の一部は前記入力部側に存在していることを特徴とする。

本発明によれば、伝搬効率に優れたスピン波素子を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子１０を示す図。スピン波の反射の仕方を説明する図。第１の実施形態に係るスピン波素子１０を示す図。本発明の第２の実施形態に係るスピン波素子１００を説明する図。本発明の第３の実施形態に係るスピン波素子２００を説明する図。入力部の変形例を示す図。入力部の変形例を示す図。検出部の変形例を示す図。検出部の変形例を示す図。第１の実施例を説明する図。スピン波が入力部４０側から検出部５０側に伝わる様子を示す図。スピン波が入力部４０側から検出部５０側に伝わる様子を示す図。スピン波が入力部４０側から検出部５０側に伝わる様子を示す図。第４の実施形態に係るスピン波素子の応用例を示す図。第４の実施形態に係るスピン波素子の応用例を示す図。第４の実施形態に係るスピン波素子の応用例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子１０の構造を示す。

図１の上の図は、スピン波素子１０を構成する多層膜３０をスピン波素子１０の面内に対して垂直方向（多層膜３０の積層方向）から眺めた図を示す。また、図１の下の図は、スピン波素子１０の断面図を示す。

図１の下の図に示すように、本実施形態に係るスピン波素子１０は、基板２０上に電極層２５が形成されている。そして電極層２５上に多層膜３０が形成されている。多層膜３０の上には検出部５０と複数の入力部４０が形成され、入力部４０及び検出部５０は非磁性層７０を介して分離されている。また、入力部４０及び検出部５０上には電極８０、９０が形成されている。また、多層膜３０を囲うように非磁性絶縁層６０が電極層２５上に形成されている。すなわち、非磁性絶縁層６０が、多層膜３０の積層方向に対して垂直な方向において多層膜３０を覆っている。また、多層膜３０は多層膜３０の積層方向に対して平行な方向に磁化が向いた（磁化が積層方向を向いた）層を含んでいる。

図１の上の図に示すようにスピン波素子１０は、１つの検出部５０に対して複数の入力部４０が形成されている。

図１の上の図に示すように多層膜の積層方向から眺めた時に、多層膜３０の外縁が楕円形状を有しており、検出部５０と一つの入力部４０とを結ぶ直線は楕円の長軸と重なる。なお、各入力部４０に対して、検出部５０とは反対側の長軸上に存在する多層膜３０の外縁の一部が楕円形状を有していればよい。また、入力部４０と検出部５０との間に入力部４０が設けられていてもよい。多層膜３０は、多層膜３０と基板上で同一な面において非磁性絶縁層６０と楕円形状の外縁で接する。より厳密に言えば、磁化が積層方向に向いた強磁性層が、この強磁性層と基板上で同一な面において非磁性絶縁層６０と楕円形状の外縁で接する。このような形状にすることで、入力部４０から発生するスピン波を効率よく検出部５０で検出することができる。

図２は、入力部４０の検出部５０が設けられていない側の多層膜３０の形状を楕円とした場合に、入力部４０から発生するスピン波が検出部５０で効率よく検出できることを説明するための図である。点線は、ドット形状の入力部４０にて発生するスピン波が、磁化が垂直方向を向いた強磁性層（スピン波媒体）を球面波状に伝搬する様子を表す。点線の矢印は球面波の進行方向を示す。

図２に示すように、入力部４０で発生したスピン波のうち、入力部４０に対して検出部５０とは反対側に向かうスピン波は、入力部４０に対して検出部５０が設けられていない側（検出部５０とは反対側）の多層膜３０と非磁性絶縁層６０との境界で反射される。これは、非磁性絶縁層６０がスピン波を伝搬することができないため、スピン波は非磁性絶縁層６０により反射されるからである。そして、多層膜３０と非磁性絶縁層６０との境界で反射されたスピン波は検出部５０側へ向かう。このとき、多層膜３０の外縁の一部の形状、より厳密に言えば多層膜３０を形成する磁化が垂直方向を向いた強磁性層（スピン波媒体）が楕円であるために、効率よく楕円の長軸上に位置する検出部５０にスピン波を集めることができる。もし多層膜３０の形状が長方形などの他の形状の場合には、同じく多層膜３０と非磁性絶縁層６０との間でスピン波は反射されるが、反射波を一点に集めることはできない。本実施形態に係るスピン波素子１０を用いることで、スピン波を漏れなく集めることが出来る。また、スピン波素子１０以外にスピン波を集めるために新たな構成要素を付加する必要が無いので構造は簡素化されたままで済む。スピン波を集める結果、平面波と比較して波の減衰が大きいといった球面波の欠点を回避するばかりでなく、逆に、平面波に比べてより大きな波の振幅を得ることができる。入力部４０で発生したスピン波が多層膜３０と非磁性絶縁層６０との境界で反射されるまでの距離をＡとする。スピン波が多層膜３０と非磁性絶縁層６０との境界で反射してから検出部５０に到達するまでの距離をＢとする。距離Ａが距離Ｂよりも短い場合にスピン波が多層膜３０と非磁性絶縁層６０との境界で反射する点Ｃの集合によって形成される線を「入力部４０側」と定義する。

図１において、検出部５０に対するそれぞれの入力部４０で形成される楕円の大きさは同一の大きさであるが、大きさは用途に適して設計すればよい。例えば、有限インパルス応答に用いる場合には、それぞれの入力部４０において入力部４０の検出部５０が設けられていない側の多層膜３０の楕円の大きさを異なるようにする。これは、楕円の大きさを異なるようにするとスピン波の伝搬時間を変化させることができるからである。楕円の大きさは、多層膜３０に含まれる強磁性層の材料特性および必要とされる遅延時間との関係で選択される。

図３は、本実施形態に係るスピン波素子１０の多層膜３０の構造を示す図である。多層膜３０は、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３１が順に形成された構造を有する。

基板２０には、例えばＳｉを用いることができる。また、基板２０をＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）としても良い。

電極層２５には、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。これらの元素から少なくとも２種類含む合金として用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。

非磁性層３１、３３には、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌを用いることができる。これらの元素を少なくとも２種類含む合金として用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。これらの元素を積層構造として用いてもよい。また、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、又はＳｉＯ_２などの非磁性絶縁体を用いることもできる。

強磁性層３２は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）に磁化が向いた層である。強磁性層３２には、例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等を用いることができる。すなわち、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金を用いることができる。これらは、構成する磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金、またはＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造なども望ましい。さらに、非磁性層３１、３３との組み合わせで垂直磁化となるＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、膜の結晶配向方位を制御することで用いることができる。強磁性層３２には、他にもイットリウム鉄ガーネットや、マンガンフェライト、又はγ―酸化鉄のようなフェライト系酸化物を用いるとスピン波の損失を少なくすることができる。さらに、磁性半導体を用いることで機能性を向上させることもできる。

入力部４０及び検出部５０には、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、タングステン（Ｗ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせてもよい。これらの元素を少なくとも２種類含む合金としてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。また、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤも用いることができる。

入力部４０の形状は、円形、楕円形、もしくは多角形等のドット形状である。ドット状とすることで球面波状のスピン波を入力部４０にて生成する。入力部４０の大きさは、入力部４０と多層膜３０との接触面の最大直径が５００ｎｍ以下であることが磁区制御上で望ましく、さらに１００ｎｍ以下であることが励起効率および集積化する上で望ましい。なお、接触面の最小直径は１ｎｍであることが好ましい。１ｎｍより小さいと、スピン波を励起するためのエネルギーが大きくなるため好ましくない。ここで「直径」とは、ドット形状が楕円形の場合には長軸の長さを意味し、四角形または多角形の場合は対角線の長さを意味する。

検出部５０の形状は、例えば円形、楕円形、四角形、多角形などのドット形状とすることができる。検出部５０の大きさ（平均直径）は強磁性層３２内を伝わるスピン波の波長とは異なる大きさであることが好ましい。これは、スピン波の波長と検出部５０の大きさが同じ大きさであると検出部５０側でスピン波が打ち消される恐れがあるからである。入力部４０又は検出部５０が対称性の低い形状を有する場合には、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線を定義しにくい。この場合には、直線は入力部４０の重心と検出部５０の重心とを結べばよい。

非磁性絶縁層６０には、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等を用いることができる。

非磁性層７０には、非磁性絶縁層６０と同じ材料を用いることができる。非磁性絶縁層６０と同一の材料を用いると製造が容易となり好ましい。また、後述するように入力又は出力に近接場光を利用する場合には、例えばＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｃｕ（銅）、又はこれらの元素を少なくとも２種類含む合金などの非磁性金属を用いることができる。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金として非磁性金属として用いても良い。

電極８０、９０には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いる。

磁性材料としては、磁化容易軸が膜面に対して略平行となる面内磁化膜又は垂直となる垂直磁化膜を用いることができる。面内磁化膜としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む磁性金属を用いることができる。垂直磁化膜としては、強磁性層３２で記載した材料を用いることができる。

非磁性材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金としてもよい。さらに、非磁性材料としてはカーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いることができる。

次に、本実施形態に係るスピン波素子１０の動作原理について説明する。

電極８０から入力部４０を介して電流を電極層２５に向けて流す。このとき、強磁性層３２内の磁化が励起されて歳差運動を始める。この磁化の歳差運動が強磁性層３２内で次々と伝わることでスピン波が生じる。このスピン波は入力部４０がドット形状であることから球面波として強磁性層３２の面内を広がる。そして、入力部４０側の強磁性層３２内で発生したスピン波が検出部５０側に伝わる。このとき、誘導起電力あるいは、スピンポンピング効果とインバーススピンホール効果の組み合わせにより、検出部５０で電位が生じる。これを検出することでスピン波の検出を行う。なお、スピンポンピング効果とインバーススピンホール効果とは、スピン波が非磁性金属にスピン偏極電子として吸い上げられ、そのスピン偏極電子が散乱することで電位が変化する現象をいう。

また、スピン波を発生させる方法として電極８０と電極層２５との間に電圧を印加することで強磁性層３２内の磁化を励起させてもよい。さらに、電極８０及び入力部４０に小さな穴を空けて、その穴に光を入れることで近接場光を強磁性層３２内に照射して磁化を励起させてもよい。この場合、電極８０及び入力部４０自体を穴としてもよい。また、穴は空孔でもよいし、穴の中に誘電体を埋め込んでもよい。但し、近接場光を用いる場合は、光励起なので電極層２５を設ける必要はない。

次に、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の製造方法の一例について説明する。

まず、基板２０上に電極層２５を形成した後に、これらを超高真空スパッタ装置内に配置する。

次に、基板２０上に形成された電極層２５上に、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３の順に形成する。ここまでで多層膜３０が形成されることになる。

次に、非磁性層３３上にレジストを塗布し、ステッパ露光装置を用いてレジストを露光して現像する。このとき、レジストを楕円形状にパターンニングする。さらに、イオンミリングによって、非磁性層３１、強磁性層３２、及び非磁性層３３の周囲を削り、楕円形状を有する多層膜３０を形成する。

次に、多層膜３０上にマスクをして基板２０上、及びマスク上に非磁性絶縁層６０を形成する。その後、多層膜３０上に形成されたマスクを除去して非磁性絶縁層６０及び多層膜３０上に非磁性層７０を形成する。

次に、非磁性層７０上に電子線レジストを塗布して電子線露光を行うことで、入力部４０、及び検出部５０を形成するための開口部を電子線レジストに形成する。そして、電子線レジストに形成された開口部をパターンとして非磁性層７０を除去することで入力部４０及び検出部５０を形成するための開口部を形成する。この非磁性層７０に形成された入力部４０及び検出部５０を形成するための開口部に金属を埋め込み成膜し、電子線レジストを除去することで入力部４０及び検出部５０を形成する。

次に、非磁性層７０上、入力部４０上、及び検出部５０上にレジストを塗布する。このレジストをＫｒＦステッパ露光装置を用いてパターンニングして、レジスト中に入力部４０及び検出部５０に電極８０、９０を接続するための開口部を形成する。そして、金属を成膜してこの開口部に金属を埋め込んだ後にレジストを除去して電極８０、９０を形成し、スピン波素子１０が製造される。

なお、電極８０、９０にはこの後に配線を設けて電気的入出力を行う。

本実施形態に係るスピン波素子１０を用いることで、伝搬効率に優れたスピン波素子を提供することができる。
（第２の実施形態）

図４は、本発明の第２の実施形態に係るスピン波素子１００を示す図である。

本実施形態に係るスピン波素子１００は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０とは、非磁性層３１と強磁性層３２との間に反強磁性層３４、強磁性層３５、スペーサ層３６が設けられている点が異なる。

反強磁性層３４は、強磁性層３５の磁化方向を固着するために用いられる。反強磁性層３４としては、例えばＩｒＭｎを用いることができる。

強磁性層３５は、多層膜３０の積層方向に対して平行又は垂直な方向（面内方向）に磁化が向いている。強磁性層３５は、強磁性層３２と同じ材料を用いることができる。

スペーサ層３６は、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料を用いることができる。

トンネル絶縁膜材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。これらの材料を用いることで、検出部５０での読み出し時において、大きな再生信号を検出することができる。なお、このときのスペーサ層３６の膜厚を約０．２ｎｍから２．０ｎｍ程度とすることでより大きな再生信号を検出することができる。

非磁性金属材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金としてもよい。この場合のスペーサ層３６の膜厚は１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。このような膜厚とすることで、強磁性層３２と強磁性層３５との間における層間結合を抑制することができる。さらに、スペーサ層３６を通過する伝導電子のスピン偏極状態を維持することができる。

次に、本実施形態に係るスピン波素子１００の動作原理について説明する。

本実施形態に係るスピン波素子１００は第１の実施形態で説明したスピン波素子１０の動作に加えて、検出部５０で磁気抵抗効果（ＭＲ：ＭａｇｎｅｔｒｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を検出することでスピン波を検出することができる。これは、強磁性層３５内の磁化が一方向に固着されているためにスピン波が強磁性層３２内を伝わると強磁性層３２の下に設けられた強磁性層３５との関係でＭＲが変化するからである。

なお、本実施形態のスピン波素子１００を製造する場合は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の多層膜３０の構造が異なるだけである。よって第１の実施形態で説明したスピン波素子１０の製造方法を本実施形態で説明したスピン波素子１００に用いることができるので説明は省略する。

本実施形態に係るスピン波素子において、多層膜３０を構成する非磁性層３１から非磁性層３３までの層は、上下を逆転させてもよい。上下逆転させても、多層膜３０を積層方向から眺めたときに、強磁性層３２の外縁の一部の形状が楕円であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線が楕円の長軸と重なっていれば、本発明の効果が得られる。
（第３の実施形態）

図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子２００を示す図である。

本実施形態に係るスピン波素子２００は、第２の実施形態に係るスピン波素子１００とは、スペーサ層３６と反強磁性層３４との間に強磁性層３７、中間層３８、強磁性層３９が設けられている点が異なる。

強磁性層３７と強磁性層３９は中間層３８を介して反強磁性結合をしている。このようにすることで、強磁性層３９の磁化の向きを強く固着することができる。

強磁性層３７、３９は、多層膜３０の積層方向に対して垂直な方向に磁化が向いている。また、強磁性層３７、３９は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素を含む磁性金属からなる。

中間層３８には、例えばＲｕを用いることができる。

なお、本実施形態のスピン波素子２００を製造する場合は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の多層膜３０の構造が異なるだけである。よって第１の実施形態で説明したスピン波素子１０の製造方法を本実施形態で説明したスピン波素子２００に用いることができるので説明は省略する。

本実施形態において、多層膜３０を構成する非磁性層３１から非磁性層３３までの層は、上下を逆転させてもよい。上下逆転させても、多層膜３０を積層方向から眺めたときに、強磁性層３２の外縁の一部の形状が楕円であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線が楕円の長軸と重なっていれば、本発明の効果が得られる。
（変形例１）

図６は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の入力部４０の変形例を示す図である。

本変形例に係る入力部４１は、入力部４１内に強磁性層３５と反強磁性層３４とが設けられ、非磁性層３３がスペーサ層３６に置き換わっている点が、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の入力部４０と異なる。

なお、この場合には、入力部４１及び電極８０に穴を空けて光を照射し近接場光を発生させることはできない。
（変形例２）

図７は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の入力部４０の変形例を示す図である。

本変形例に係る入力部４２は、入力部４２内に強磁性層３７、中間層３８、及び強磁性層３９が設けられ、非磁性層３３がスペーサ層３６に置き換わっている点が、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の入力部４０と異なる。

なお、この場合には、入力部４１及び電極８０に穴を空けて光を照射し近接場光を発生させることはできない。
（変形例３）

図８は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の検出部５０の変形例を示す図である。

本変形例に係る検出部５１は、検出部５１内に強磁性層３５と反強磁性層３４とが設けられている点が、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の検出部５０と異なる。
（変形例４）

図９は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の検出部５０の変形例を示す図である。

本変形例に係る検出部５２は、検出部５２内に強磁性層３５と反強磁性層３４とが設けられている点が、第１の実施形態に係るスピン波素子１０の検出部５０と異なる。
（第１の実施例）

面内方向に垂直な磁化を有する強磁性層３２で発生したスピン波の時間変化を調べるために、マイクロマグネティクスを用いてシミュレーションを行った。

強磁性層３２の外縁の形状は楕円形状であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線を楕円の長軸している。なお、強磁性層３２内に入力部４０（励起位置）と検出部５０（検出位置）が存在する。非磁性絶縁層６０に相当する部分は、真空を仮定している。

強磁性層３２を形作っている楕円の大きさは、図１０に示すように、長軸の長さを５００ｎｍ、短軸の長さを３００ｎｍとした。また、強磁性層３２の磁化の大きさを７００ｅｍｕ／ｃｃ、垂直磁気異方性（Ｋｕ）を６．４×１０^６ｅｒｇ／ｃｃ、膜厚を５ｎｍとした。また、入力部４０の直径を２８ｎｍφとした。入力部４０の位置は、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線上において、入力部４０と検出部５０との中心よりも強磁性層３２が形作る楕円の端の方に近づけた。

図１１は、強磁性層３２内でスピン波を発生してから、１２３ｐｓ（ピコ秒）経過した時点における磁化方向の分布状態を濃淡で示す図である。Ｙ軸成分に対しての磁化方向の揺らぎを濃淡で表している。

磁化の向きの揺らぎが波となり、スピン波として伝搬していることが見て取れる。図１１から見て分かるように、検出部５０付近にスピン波が集まっていることがわかる。このように、強磁性層３２の外縁の形状を楕円形状とし、その楕円の長軸を入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線上にあるようにすることで、高感度にスピン波を検出部５０で検出できることができることがわかる。
（第２の実施例）

図１２に示すように、入力部４０側の強磁性層３２の外縁の一部が楕円形状になっている以外の条件は、第１の実施例と同様であるので説明は省略する。

図１２から、入力部４０側の強磁性層３２の外縁の一部を楕円形状としても、高感度にスピン波を検出部５０で検出できることがわかる。
（第１の比較例）

入力部４０側の強磁性層３２の形状を矩形状とし、それぞれの縦と横の長さを６００ｎｍとし、１５０ｐｓ経過した後の状態をシミュレーションした以外は第２の実施例と同様であるので説明は省略する。

図１３は、強磁性層３２内でスピン波が発生してから、１５０ｐｓ後の磁化方向の分布状態を濃淡で示す図である。入力部４０で励起されたスピン波は、球面波状に広がって入力部４０から距離が遠くなるほど強度が弱くなっていることがわかる。本比較例と第１及び第２の実施例とを比較することで、強磁性層３２の形状を楕円形状として、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線を楕円の長軸とすることで、スピン波を効率よく検出部５０で検出することができることがわかる。
（第４の実施形態）

図１４〜図１６は、本発明の第４の実施形態に係るスピン波素子の応用例を示す図である。

図１４は、第１の実施形態に係るスピン波素子１０とは、入力部４０、検出部５０、電極８０、９０が基板２０と多層膜３０との間に設けられている点が異なる。この場合、電極８０、９０は基板２０内に設けられた電気的な接続をとるための配線７６と接続されている。今までは、入力部４０と検出部５０とを多層膜３０の基板２０とは反対側の面に設けた状態で説明した。入力部４０と検出部５０の位置は、多層膜３０の積層方向から眺めたときに、多層膜３０の外縁の形状が楕円であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線がその楕円の長軸上にある限りは、図１４に示すように多層膜３０の基板２０と同じ側に設けても本発明の効果は得られる。

さらに図１５に示すように、基板２０にＣＭＯＳを用い、入力部４０をＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ−ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のドレインに電極を介して接続することで、入力の信号をＭＯＳＦＥＴのゲート電極を使ってスイッチングすることが可能になる。図１５においてゲート電極は紙面垂直方向に延びている。

また、図１６に示すように、基板２０にＣＭＯＳを用い、入力部４０をＭＯＳＦＥＴのドレインに電極を介して接続することで、入力の信号をＭＯＳＦＥＴのゲート電極を使ってスイッチングすることが可能になる。この場合、電極９０は非磁性絶縁層６０から露出している。なお、図１６においてはゲート電極は紙面垂直方向に延びていることになる。このように、入力部４０と検出部５０とが、多層膜３０の異なる面上に設けられても、多層膜３０を積層方向から眺めたときに、多層膜３０の外縁の一部の形状が楕円であり、入力部４０と検出部５０とを結ぶ直線がその楕円の長軸上にある限りは本発明の効果は得られる。

１０ … スピン波素子、２０ … 基板、３０ … 多層膜、３１、３３ … 非磁性層、３２ … 強磁性層（面内に対して垂直な磁化を有する）、３４ … 反強磁性層、３５ … 強磁性層（面内に対して平行又は面内に対して垂直な磁化を有する）、３６ … スペーサ層、３７ … 強磁性層（面内に対して平行な磁化を有する）、３８ … 中間層、３９ … 強磁性層（面内に対して平行な磁化を有する）、４０ … 入力部、５０ … 検出部、６０ … 非磁性絶縁層、７０ … 非磁性層、８０、９０ … 電極

Claims

基板と、
前記基板上に形成され、磁化が積層方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜と、
前記多層膜上に形成され、第１の非磁性層を介して離間して形成された検出部及び複数の入力部と、
を備え、
前記第１の多層膜を積層方向から眺めたときに、前記第１の強磁性層の外縁の一部の形状が楕円の一部であり、前記入力部と前記検出部とを結ぶ直線が前記楕円の長軸と重なっており、前記楕円の一部は前記入力部側に存在していることを特徴とするスピン波素子。
前記多層膜と前記基板との間に電極層をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスピン波素子。
前記外縁は、非磁性絶縁層に覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記入力部がドット形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記入力部は、球面波状のスピン波を前記第１の強磁性層に励起することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記入力部と前記多層膜との接触面の最大直径が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記多層膜は、第１の非磁性層と、
第２の非磁性層とを含み、
前記第１の強磁性層は、前記第１の非磁性層と前記第２の非磁性層との間に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記多層膜は、磁化が積層方向に対して垂直方向に向いている第２の強磁性層と、
スペーサー層とを含み、
前記スペーサー層は、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層との間に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記入力部又は前記検出部は、積層方向又は積層方向に対して垂直方向に磁化が向いている第３の強磁性層を含み、
前記第１の強磁性層と前記入力部又は前記検出部との間において、前記多層膜はスペーサ層を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。
前記入力部又は前記検出部は、積層方向に対して垂直方向に磁化が向いている第４の強磁性層と、
積層方向に対して垂直方向に磁化が向いている第５の強磁性層と、
前記第４の強磁性層と前記第５の強磁性層とに挟まれた中間層とを含み、
前記第１の強磁性層と前記入力部又は前記検出部との間において、前記多層膜はスペーサ層を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン波素子。