JP2012060033A - Spin wave element - Google Patents

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Daisuke Saida
大輔 才田
Katsuhiko Koi
克彦 鴻井
Kenichiro Yamada
健一郎 山田
Shiho Nakamura
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin wave element that capable of integrating spin waves of a spin wave element, and capable of suppressing mutual interference between spin waves generated by the spin wave element.SOLUTION: A spin wave element includes: a substrate; an electrode layer disposed on the substrate; a multi layered film disposed on the electrode layer and including a first ferromagnetic layer whose magnetization is in the lamination direction or the direction perpendicular to the lamination direction; a second ferromagnetic layer disposed on a first region on the multi layered film; an intermediate layer disposed on the second ferromagnetic layer; a third ferromagnetic layer disposed on the intermediate layer; a detection part disposed on a second region on the multi layered film disposed apart from the first region on the multi layered film; a first electrode disposed on the third ferromagnetic layer; and a second electrode disposed on the detection part.

Description

本発明の実施形態は、スピン波素子に関する。   Embodiments described herein relate generally to a spin wave device.

高度情報化の流れを支えてきたCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)は、加工サイズの物理限界に係る問題、又は消費電力の問題等がある。 CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), which has supported the flow of advanced information technology, has problems related to the physical limit of processing size, power consumption, and the like.

CMOSに代わるデバイスとして、磁性体を用いたスピン波素子が検討されている。スピン波素子ではCMOS回路とは異なり、磁性体中に誘起させた磁化のゆらぎが伝わる現象(スピン波)を信号の伝達に利用する。スピン波素子は、スピン波を伝搬させる磁性膜を含むスピン波媒体と、スピン波媒体にスピン波を励起するスピン波発生部と、スピン波を検出する検出部で構成される. As a device replacing CMOS, a spin wave device using a magnetic material has been studied. Unlike a CMOS circuit, a spin wave device uses a phenomenon (spin wave) in which a fluctuation of magnetization induced in a magnetic material is transmitted for signal transmission. The spin wave device is composed of a spin wave medium including a magnetic film for propagating the spin wave, a spin wave generating unit for exciting the spin wave in the spin wave medium, and a detection unit for detecting the spin wave.

Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 2370202-1.Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 2370202-1. ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, Vol. 3, No. 2 (2007).ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, Vol. 3, No. 2 (2007). J. Slonczewski : J.Magn. Magn. Mater., 159 (1996) L1.J. Slonczewski: J.Magn. Magn. Mater., 159 (1996) L1.

スピン波を励起する構造として、スピン波媒体の上部にライン状の伝送線路を設け、これに電流を流すことにより発生する磁界でスピン波を励起させる手段がある。しかしこの構造によれば、伝送線路に面積を取られるため多入力の電極として使用するに適した構造ではなく、また、励起に要する消費電力を抑えるのが難しい。また、伝送線路間の干渉も大きな課題となる. As a structure for exciting a spin wave, there is a means for providing a line-shaped transmission line on the spin wave medium and exciting the spin wave with a magnetic field generated by passing a current through the transmission line. However, this structure is not suitable for use as a multi-input electrode because the transmission line takes up an area, and it is difficult to suppress power consumption required for excitation. Interference between transmission lines is also a big issue.

そこで本発明の実施形態によれば、励起に要する電力が小さく、短波長のスピン波を励起して演算の種類を増やすことができるスピン波素子を提供することを目的とする。また、集積化に適したスピン波素子を提供することを目的とする。 Therefore, according to an embodiment of the present invention, it is an object to provide a spin wave device that requires a small amount of power for excitation and can excite a short wavelength spin wave to increase the number of types of computation. Another object is to provide a spin wave device suitable for integration.

本発明の一態様に係るスピン波素子は、基板と、前記基板上に設けられた電極層と、前記電極層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第1の強磁性層を含む多層膜と、前記多層膜上の第1の領域に設けられた第2の強磁性層と、前記第2の強磁性層上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられた第3の強磁性層と、前記多層膜上の前記第1の領域と離間して設けられた前記多層膜上の第2の領域に設けられた検出部と、前記第3の強磁性層上に設けられた第1の電極と、前記検出部上に設けられた第2の電極と、を備え、前記第2の強磁性層又は前記第3の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をtとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をrとするとき、r>0.27t−1.9t+13である関係を満たすことを特徴とする。 A spin wave device according to one embodiment of the present invention is provided with a substrate, an electrode layer provided over the substrate, and the electrode layer, and the magnetization is in a stacking direction or a direction perpendicular to the stacking direction. A multilayer film including a first ferromagnetic layer; a second ferromagnetic layer provided in a first region on the multilayer film; an intermediate layer provided on the second ferromagnetic layer; A third ferromagnetic layer provided on an intermediate layer; a detection unit provided in a second region on the multilayer film provided apart from the first region on the multilayer film; A first electrode provided on a third ferromagnetic layer, and a second electrode provided on the detection unit, wherein the second ferromagnetic layer or the third ferromagnetic layer One of the magnetizations is variable, the other magnetization is fixed in one direction, the film thickness of the magnetization free layer is t, and the center of gravity of the magnetization free layer is When the distance to the edge is r, and satisfies a relation is r> 0.27t 2 -1.9t + 13.

第1の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 1st Embodiment. 入力部を示す図。The figure which shows an input part. 入力部を示す図。The figure which shows an input part. 入力部を示す図。The figure which shows an input part. 還流磁区を示す図。The figure which shows a reflux magnetic domain. 磁化自由層を示す図。The figure which shows a magnetization free layer. 第2の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 2nd Embodiment. スピン波素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of a spin wave element. スピン波素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of a spin wave element. スピン波素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of a spin wave element. スピン波素子の変形例を示す図。The figure which shows the modification of a spin wave element. 第3の実施形態に係るスピン波素子を示す図。The figure which shows the spin wave element which concerns on 3rd Embodiment. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element. スピン波素子の実施例を示す図。The figure which shows the Example of a spin wave element.

以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
(第1の実施形態)
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The same reference numerals denote the same items. Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the ratio coefficient of the size between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratio coefficient may be represented differently depending on the drawing.
(First embodiment)

図1は、スピン波素子10を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a spin wave device 10.

図1の上図は、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の下図は、スピン波素子10の断面図を示す。 The upper diagram of FIG. 1 shows a view of the multilayer film 30 constituting the spin wave element 10 as viewed from the direction perpendicular to the plane of the spin wave element 10 (stacking direction of the multilayer film 30). 1 shows a cross-sectional view of the spin wave device 10.

図1の下図に示すように、スピン波素子10は、基板20上に電極層25が設けられている。そして電極層25上に多層膜30が設けられている。多層膜30の上には検出部50と複数の入力部40が設けられ、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が設けられている。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。多層膜30上の入力部40が設けられている領域を第1の領域とする。多層膜30上の検出部50が設けられている領域を第2の領域とする。 As shown in the lower diagram of FIG. 1, the spin wave device 10 is provided with an electrode layer 25 on a substrate 20. A multilayer film 30 is provided on the electrode layer 25. A detection unit 50 and a plurality of input units 40 are provided on the multilayer film 30, and the input unit 40 and the detection unit 50 are separated via a nonmagnetic layer 70. Electrodes 80 and 90 are provided on the input unit 40 and the detection unit 50. A nonmagnetic insulating layer 60 is formed on the electrode layer 25 so as to surround the multilayer film 30. That is, the nonmagnetic insulating layer 60 covers the multilayer film 30 in a direction perpendicular to the stacking direction of the multilayer film 30. The multilayer film 30 includes a layer in which magnetization is directed in a direction parallel to the stacking direction of the multilayer film 30 (magnetization is directed in the stacking direction). A region where the input unit 40 is provided on the multilayer film 30 is defined as a first region. A region where the detection unit 50 is provided on the multilayer film 30 is defined as a second region.

図1の上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が設けられている。 As shown in the upper diagram of FIG. 1, the spin wave device 10 is provided with a plurality of input units 40 for one detection unit 50.

図1の上図では、多層膜30の外縁が楕円形状を有している。しかしながら、多層膜30の形状は、楕円形状に限らず、円形、又は矩形状等でもよい。 In the upper diagram of FIG. 1, the outer edge of the multilayer film 30 has an elliptical shape. However, the shape of the multilayer film 30 is not limited to an elliptical shape, and may be a circular shape or a rectangular shape.

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。 Further, the input unit 40 may be provided between the input unit 40 and the detection unit 50.

図2は、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33が順に設けられた構造を有する。非磁性層33上の入力部40が設けられる領域を第1の領域とする。非磁性層33上の検出部50が設けられる領域を第2の領域とする。 FIG. 2 is a diagram showing the structure of the multilayer film 30 of the spin wave device 10. The multilayer film 30 has a structure in which a nonmagnetic layer 31, a ferromagnetic layer 32, and a nonmagnetic layer 33 are provided in this order. A region where the input unit 40 is provided on the nonmagnetic layer 33 is defined as a first region. A region where the detection unit 50 is provided on the nonmagnetic layer 33 is defined as a second region.

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としても良い。この場合、電極層25は省略できる。 For the substrate 20, for example, Si can be used. The substrate 20 may be a CMOS. In this case, the electrode layer 25 can be omitted.

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。 For the electrode layer 25, for example, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al) can be used. You may use as an alloy containing at least 2 types from these elements. Further, at least one of these elements may be selected and combined with other elements to form an alloy.

非磁性層31、33には、例えばTa、Ru、Pt、Pd、Ir、Cu、Au、Ag、Cr、又は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)、又はSiOなどの非磁性絶縁体を用いることもできる。 For the nonmagnetic layers 31 and 33, for example, Ta, Ru, Pt, Pd, Ir, Cu, Au, Ag, Cr, or Al can be used. An alloy containing at least two of these elements may be used. Further, at least one of these elements may be selected and combined with other elements to form an alloy. You may use these elements as laminated structure. A nonmagnetic insulator such as MgO, alumina (Al 2 O 3 ), or SiO 2 can also be used.

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を含む磁性金属により構成する。また、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。 The ferromagnetic layer 32 is a layer whose magnetization is oriented in a direction perpendicular to the in-plane direction (stacking direction). For the ferromagnetic layer 32, for example, FeVPd, FeCrPd, CoFePt, or the like can be used. That is, it is made of a magnetic metal containing at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr). In addition, at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr), platinum (Pt), palladium (Pd), and iridium (Ir) An alloy of a combination with at least one element selected from ruthenium (Ru) and rhodium (Rh) can be used. These properties can be adjusted by the composition of the constituent magnetic material and heat treatment. In addition, rare earth-transition metal amorphous alloys such as TbFeCo and GdFeCo, or a laminated structure of Co / Pt, Co / Pd, and Co / Ni are also desirable. Furthermore, Co / Ru, Fe / Au, Ni / Cu, etc., which become perpendicular magnetization in combination with the nonmagnetic layers 31 and 33, can be used by controlling the crystal orientation of the film. If the ferromagnetic layer 32 is made of yttrium iron garnet, manganese ferrite, or ferrite oxide such as γ-iron oxide, the loss of spin waves can be reduced. Furthermore, the functionality can be improved by using a magnetic semiconductor.

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)、又はタングステン(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ーも用いることができる。 The detector 50 includes, for example, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), iridium (Ir), or tungsten ( W) can be used. Moreover, you may combine these elements. An alloy containing at least two of these elements may be used. Further, at least one of these elements may be selected and combined with other elements to form an alloy. Carbon nanotubes and carbon nanowires can also be used.

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。ドット形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。 The shape of the input unit 40 is a dot shape such as a circle, an ellipse, or a polygon. A spherical wave-like spin wave is generated at the input unit 40 by using a dot shape. As for the size of the input unit 40, it is desirable in terms of magnetic domain control that the maximum diameter of the contact surface between the input unit 40 and the multilayer film 30 is 500 nm or less, and further 100 nm or less is necessary for excitation efficiency and integration. desirable. The minimum diameter of the contact surface is preferably 1 nm. If it is smaller than 1 nm, the energy for exciting the spin wave increases, which is not preferable. Here, “diameter” means the length of the long axis when the dot shape is elliptical, and means the length of the diagonal line when the dot shape is rectangular or polygonal.

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。 The shape of the detection unit 50 may be a dot shape such as a circle, an ellipse, a quadrangle, or a polygon. The size (average diameter) of the detection unit 50 is preferably different from the wavelength of the spin wave transmitted through the ferromagnetic layer 32. This is because if the wavelength of the spin wave and the size of the detection unit 50 are the same, the spin wave may be canceled on the detection unit 50 side.

非磁性絶縁層60には、例えばSiO、Al、MgO、AlN、SiNO等を用いることができる。 For the nonmagnetic insulating layer 60, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, AlN, SiNO, or the like can be used.

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。 The same material as the nonmagnetic insulating layer 60 can be used for the nonmagnetic layer 70. Use of the same material as that of the nonmagnetic insulating layer 60 is preferable because manufacturing becomes easy. In addition, when using near-field light for output as described later, for example, Au (gold), Pt (platinum), Ir (iridium), Cu (copper), or an alloy containing at least two of these elements The nonmagnetic metal can be used. Further, at least one of these elements may be selected and used as a nonmagnetic metal as an alloy in combination with other elements.

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。 For the electrodes 80 and 90, a conductive magnetic material or a nonmagnetic material is used.

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)、及びニッケル(Ni)から選択される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と同様の材料を用いることができる。 As the magnetic material, an in-plane magnetization film having an easy axis of magnetization substantially parallel to the film surface or a perpendicular magnetization film having a perpendicular axis can be used. As the in-plane magnetization film, for example, a magnetic metal containing at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) can be used. As the perpendicular magnetization film, the same material as that of the ferromagnetic layer 32 can be used.

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、カーボンナノワイヤー、又はグラフェン等の材料を用いることができる。 As the nonmagnetic material, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), or aluminum (Al) can be used. Moreover, it is good also as an alloy combining these elements. Furthermore, as the nonmagnetic material, a material such as carbon nanotube, carbon nanowire, or graphene can be used.

図3は、入力部40を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating the input unit 40.

入力部40は、中間層38を磁化固着層37と磁化自由層39で挟んだ構造である。 The input unit 40 has a structure in which the intermediate layer 38 is sandwiched between the magnetization fixed layer 37 and the magnetization free layer 39.

磁化固着層37、磁化自由層39は、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びクロム(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。また、磁化固着層37及び磁化自由層39は強磁性である。 The magnetization pinned layer 37 and the magnetization free layer 39 are made of a magnetic metal containing at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr). . Further, the magnetization pinned layer 37 and the magnetization free layer 39 are ferromagnetic.

中間層38には、例えばスピン拡散長の長いCuを用いることができる。 For the intermediate layer 38, for example, Cu having a long spin diffusion length can be used.

図3では、磁化自由層39が非磁性層33上に設けられているが、図4に示すように、上下が逆であってもよい。 In FIG. 3, the magnetization free layer 39 is provided on the nonmagnetic layer 33. However, as shown in FIG.

図4に示すように、磁化固着層37又は磁化自由層39の何れか一方の層は、磁化の向きが積層方向に対して平行であり、他方の層は磁化の向きが積層方向に対して垂直である。磁化固着層37は磁化の向きが一方向に固着されている。磁化自由層39は磁化の向きが可変である。磁化の向きが積層方向に対して平行である場合には、紙面上向きと紙面下向きの2つの場合がある。 As shown in FIG. 4, the magnetization direction of either one of the magnetization fixed layer 37 and the magnetization free layer 39 is parallel to the stacking direction, and the other layer has a magnetization direction relative to the stacking direction. It is vertical. The magnetization pinned layer 37 has the magnetization direction fixed in one direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is variable. When the direction of magnetization is parallel to the stacking direction, there are two cases: upward on the paper and downward on the paper.

図5に示すように、入力部40の形状は積層方向に対してテーパー形状又は逆テーパー形状であってもよい。 As shown in FIG. 5, the shape of the input unit 40 may be a tapered shape or a reverse tapered shape with respect to the stacking direction.

図6は、入力部40の鳥瞰図である。磁化自由層39の膜厚t(nm)と、磁化自由層39の膜面の重心から磁化自由層39の外縁までの距離r(nm)は、次の式1を満たしている。距離rは、半径であることが好ましい。なお、図6では、入力部40は円柱形状としている。しかし、形状はこれに限られず、楕円形状、矩形状等でもよい。 FIG. 6 is a bird's-eye view of the input unit 40. The film thickness t (nm) of the magnetization free layer 39 and the distance r (nm) from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer edge of the magnetization free layer 39 satisfy the following Expression 1. The distance r is preferably a radius. In FIG. 6, the input unit 40 has a cylindrical shape. However, the shape is not limited to this, and may be an elliptical shape, a rectangular shape, or the like.

r>0.27t−1.9t+13 … (式1) r> 0.27t 2 −1.9t + 13 (Formula 1)

図7は、還流磁区(ボルテックスともいう)の概念図を説明する図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining a conceptual diagram of a return magnetic domain (also referred to as vortex).

式1の条件で、入力部40に電流を積層方向に流すと磁化自由層39内で還流磁区を作り、還流磁区の中心にコアが形成される。コアとは磁化が還流磁区の中心で立っている様子をいう。還流磁区には、コアが磁化自由層39の面内の中心に固着されるモード(図7の下図)と、磁化自由層39の外周を回転するモード(図7の上図)が存在する。前者を還流磁区固着と呼び、後者を還流磁区発振と呼ぶ。還流磁区発振と還流磁区固着は、入力部40に流す電流値の大小によって決まる。 Under the condition of Formula 1, when a current is passed through the input unit 40 in the stacking direction, a return magnetic domain is formed in the magnetization free layer 39, and a core is formed at the center of the return magnetic domain. The core means that the magnetization stands at the center of the return magnetic domain. In the reflux magnetic domain, there are a mode in which the core is fixed to the center in the plane of the magnetization free layer 39 (lower diagram in FIG. 7) and a mode in which the outer periphery of the magnetization free layer 39 is rotated (upper diagram in FIG. 7). The former is called reflux magnetic domain fixation, and the latter is called reflux magnetic domain oscillation. The return magnetic domain oscillation and the return magnetic domain fixation are determined by the magnitude of the current value flowing through the input unit 40.

図7からわかるように、還流磁区発振及び還流磁区固着の何れでも磁化自由層39の膜面の重心から外周までの距離よりも小さな大きさのコアが形成されることがわかる。 As can be seen from FIG. 7, it is understood that a core having a size smaller than the distance from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer periphery is formed in both the return magnetic domain oscillation and the return magnetic domain fixation.

通常、磁化自由層39の磁化は図7Aに示すように任意の方向に磁化が向いている。磁化自由層39に対して積層方向に電流を流すと、磁化は還流磁区を作ることなく一様な歳差運動をするため、強磁性層32へは磁化自由層39の長軸程度の波長のスピン波が励起されることとなる。一方でスピン波素子10によれば、還流磁区が作られることにより、それによって磁界励起、あるいはスピントルク励起されるスピン波の波長は還流磁区のコア径程度となる。スピン波素子10を用いることで短波長のスピン波を重ね合わせることができるため、演算の種類を増やすことができる。 Normally, the magnetization of the magnetization free layer 39 is oriented in an arbitrary direction as shown in FIG. 7A. When a current is passed through the magnetization free layer 39 in the stacking direction, the magnetization preferentially moves without creating a return magnetic domain, so that the ferromagnetic layer 32 has a wavelength of about the major axis of the magnetization free layer 39. Spin waves will be excited. On the other hand, according to the spin wave element 10, a reflux magnetic domain is created, and thereby the wavelength of the spin wave excited by the magnetic field or the spin torque is about the core diameter of the reflux magnetic domain. Since the spin wave device 10 can be used to superimpose short wavelength spin waves, the types of calculations can be increased.

ある電流値に到達すると、初めは還流磁区発振が発生する。さらに、大きな電流値に到達すると、還流磁区固着が発生する。 When a certain current value is reached, initially a return magnetic domain oscillation occurs. Furthermore, when a large current value is reached, the reflux magnetic domain sticking occurs.

還流磁区が発生する条件については、LLG(Landau−Liftshitz−Gilbert)方程式を用いることで下記の式2として導出できる(例えば、非特許文献3を参照)。
About the conditions which a return magnetic domain generate | occur | produces, it can derive | lead-out as the following formula 2 by using a LLG (Landau-Liftshitz-Gilbert) equation (for example, refer nonpatent literature 3).

は電流密度、Mは磁化、tは膜厚、Hpinは磁化固着層37からの漏れ磁界、g(θ)はSlonczewskiのモデルにおけるスピントルク効率を示す。式2に示す電流密度Jよりも大きな電流を流せば、還流磁区が発生する。 J c is the current density, the M s magnetization, t the thickness, H pin leakage magnetic field from the pinned layer 37, g (θ) indicates a spin torque efficiency in a model of Slonczewski. It is allowed to flow a current larger than the current density J c shown in Equation 2, closure domain is generated.

非磁性層33にRuを用いた場合には、還流磁区発振や還流磁区固着に寄与するスピントルクは磁化固着層37で偏極した電子のみとなるため、強磁性層32にスピン波を磁界励起する効率を上げることができる。これは、Ruがスピン偏極していた電子の向きを不揃いにするため、多層膜30に由来するスピントルクの寄与を小さくすることができるからである。 When Ru is used for the nonmagnetic layer 33, the spin torque that contributes to the return magnetic domain oscillation and the return magnetic domain pinion is only the electrons polarized by the pinned magnetic layer 37. To increase efficiency. This is because the contribution of the spin torque derived from the multilayer film 30 can be reduced in order to make the directions of the electrons whose spin has been spin-polarized uneven.

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。 Next, the operation principle of the spin wave device 10 according to the present embodiment will be described.

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、磁化自由層39が還流磁区を形成する。還流磁区発振する場合、磁界励起によって強磁性層32内の磁化が歳差運動を始める。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。一方、還流磁区固着の場合は磁化自由層39に形成されたコアによって電子がスピン偏極し、スピントルクによって強磁性層32内の磁化が歳差運動を始める。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。また、非磁性層33にRuを用いた場合は、磁化自由層39に形成されたコアによって、強磁性層32内の磁化が磁界励起されて歳差運動を始める。 A current flows from the electrode 80 toward the electrode layer 25 via the input unit 40. At this time, the magnetization free layer 39 forms a reflux magnetic domain. When oscillating in the reflux magnetic domain, the magnetization in the ferromagnetic layer 32 starts precessing due to magnetic field excitation. This precession of magnetization is propagated one after another in the ferromagnetic layer 32 to generate spin waves. This spin wave spreads in the plane of the ferromagnetic layer 32 as a spherical wave because the input part 40 has a dot shape. On the other hand, in the case of the fixed free domain, electrons are spin-polarized by the core formed in the magnetization free layer 39, and the magnetization in the ferromagnetic layer 32 starts precession due to the spin torque. This precession of magnetization is propagated one after another in the ferromagnetic layer 32 to generate spin waves. When Ru is used for the nonmagnetic layer 33, the magnetization in the ferromagnetic layer 32 is excited by the magnetic field by the core formed in the magnetization free layer 39 and starts precession.

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。 Then, the spin wave generated in the ferromagnetic layer 32 on the input unit 40 side is transmitted to the detection unit 50 side. At this time, a potential is generated in the detection unit 50 by an induced electromotive force or a combination of the spin pumping effect and the inverse spin Hall effect. By detecting this, a spin wave is detected. Note that the spin pumping effect and the inverse spin Hall effect refer to a phenomenon in which a spin wave is absorbed as a spin-polarized electron by a nonmagnetic metal and the potential is changed by scattering the spin-polarized electron.

次に、スピン波素子10の製造方法の一例について説明する。 Next, an example of a method for manufacturing the spin wave device 10 will be described.

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。 First, after forming the electrode layer 25 on the substrate 20, these are placed in an ultra-high vacuum sputtering apparatus.

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。この上に磁化自由層39、中間層38、磁化固着層37を形成する.酸化を防止するため、磁化固着層37の上にキャップ層を設ける。磁場中でのアニールにより、強磁性層32と磁化固着層37の磁化を積層方向に平行な方向へ向かせる。 Next, a nonmagnetic layer 31, a ferromagnetic layer 32, and a nonmagnetic layer 33 are formed in this order on the electrode layer 25 formed on the substrate 20. The multilayer film 30 is formed so far. A magnetization free layer 39, an intermediate layer 38, and a magnetization pinned layer 37 are formed thereon. In order to prevent oxidation, a cap layer is provided on the magnetization pinned layer 37. By annealing in a magnetic field, the magnetization of the ferromagnetic layer 32 and the pinned layer 37 is directed in a direction parallel to the stacking direction.

キャップ層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、レジストを所望の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、入力部40、出力部50、非磁性層31、強磁性層32、及び非磁性層33の周囲を削り多層膜30を形成する。 A resist is applied on the cap layer, and the resist is exposed and developed using a stepper exposure apparatus. At this time, the resist is patterned into a desired shape. Further, the periphery of the input unit 40, the output unit 50, the nonmagnetic layer 31, the ferromagnetic layer 32, and the nonmagnetic layer 33 is shaved by ion milling to form the multilayer film 30.

次に、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、キャップ層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。 Next, the nonmagnetic insulating layer 60 is formed on the substrate 20 and the mask. Thereafter, the mask formed on the cap layer is removed, and the nonmagnetic layer 70 is formed on the nonmagnetic insulating layer 60 and the multilayer film 30.

次に、非磁性層70及びキャップ層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に対応したマスク形成する。そして、形成されたマスクを用いて非磁性層33が露出するまでイオンミリングして入力部40及び検出部50を形成する。続いて、入力部40及び検出部50を絶縁埋め込みすべく絶縁膜を成膜し、レジストマスクをリフトオフする。 Next, an electron beam resist is applied on the nonmagnetic layer 70 and the cap layer, and electron beam exposure is performed to form a mask corresponding to the input unit 40 and the detection unit 50. Then, the input unit 40 and the detection unit 50 are formed by ion milling until the nonmagnetic layer 33 is exposed using the formed mask. Subsequently, an insulating film is formed so as to insulate and bury the input unit 40 and the detection unit 50, and the resist mask is lifted off.

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。 Next, a resist is applied on the nonmagnetic layer 70, the input unit 40, and the detection unit 50. The resist is patterned using a KrF stepper exposure apparatus, and openings for connecting the electrodes 80 and 90 to the input unit 40 and the detection unit 50 are formed in the resist. Then, after forming a metal film and filling the opening with the metal, the resist is removed to form the electrodes 80 and 90, whereby the spin wave device 10 is manufactured.

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。 The electrodes 80 and 90 are subsequently provided with wirings for electrical input / output.

スピン波素子10によれば、入力部40よりも小さな大きさでスピン波を生成することができる。 According to the spin wave device 10, a spin wave can be generated with a size smaller than that of the input unit 40.

スピン波素子は、加算器、情報処理デバイス、又は信号処理デバイス等を構成することができる。加算器にスピン波素子を用いる場合には、入力部を複数設けて、複数の入力部から発生するスピン波の重ね合わせを検出部で検出する。また、信号処理デバイスにスピン波素子を用いる場合には、例えば、値が「1」の入力に対しては正の電流をスピン波素子に流し、値が「0」の入力に対しては電流は流さないとすることで信号処理を行う。
(第2の実施形態)
The spin wave element can constitute an adder, an information processing device, a signal processing device, or the like. When a spin wave element is used for the adder, a plurality of input units are provided, and a superposition of spin waves generated from the plurality of input units is detected by the detection unit. When a spin wave element is used as a signal processing device, for example, a positive current is passed through the spin wave element for an input having a value of “1” and a current is applied to an input having a value of “0”. Signal processing is performed by not letting it flow.
(Second Embodiment)

図8は、スピン波素子100を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing the spin wave device 100.

スピン波素子100は、強磁性層110が積層方向に対して垂直な方向(面内に対して平行な方向)に磁化が向いている点がスピン波素子10と異なる。強磁性層110を長手方向を有する形状とすることで、強磁性層110の磁化を長手方向に固着させることができる。 The spin wave element 100 is different from the spin wave element 10 in that the magnetization of the ferromagnetic layer 110 is oriented in a direction perpendicular to the stacking direction (a direction parallel to the in-plane direction). By making the ferromagnetic layer 110 into a shape having a longitudinal direction, the magnetization of the ferromagnetic layer 110 can be fixed in the longitudinal direction.

強磁性層110には、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及びクロム(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。 The ferromagnetic layer 110 is made of, for example, a magnetic metal containing at least one element selected from iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), manganese (Mn), and chromium (Cr).

また、図9に示すように電極層25と非磁性層31との間に反強磁性層120を設けてもよい。反強磁性層120を設けることで、強磁性層110の磁化の向きが面内方向へ安定する。 Further, as shown in FIG. 9, an antiferromagnetic layer 120 may be provided between the electrode layer 25 and the nonmagnetic layer 31. By providing the antiferromagnetic layer 120, the magnetization direction of the ferromagnetic layer 110 is stabilized in the in-plane direction.

反強磁性層120の材料としては、Fe−Mn、Pt−Mn、Pt−Cr−Mn、Ni−Mn、Pd−Mn、Pd−Pt−Mn、Ir−Mn、Pt−Ir−Mn、NiO、Fe、又は磁性半導体等を用いることができる。 As the material of the antiferromagnetic layer 120, Fe—Mn, Pt—Mn, Pt—Cr—Mn, Ni—Mn, Pd—Mn, Pd—Pt—Mn, Ir—Mn, Pt—Ir—Mn, NiO, Fe 2 O 3 , a magnetic semiconductor, or the like can be used.

かかる場合には非磁性層31には、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。 In such a case, a tunnel insulating film material or a nonmagnetic metal material can be used for the nonmagnetic layer 31.

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。トンネル絶縁膜材料が用いられた場合、抵抗を下げるために約0.2nmから2.0nm程度とすることが望ましい。 Examples of the tunnel insulating film material include aluminum (Al), titanium (Ti), zinc (Zn), zirconium (Zr), tantalum (Ta), cobalt (Co), nickel (Ni), silicon (Si), magnesium ( An oxide, nitride, fluoride, oxynitride, or the like containing at least one element selected from Mg) and iron (Fe) can be used. In addition, a semiconductor material having a large energy gap such as AlAs, GaN, AlN, ZnSe, ZnO, and MgO can be used. When a tunnel insulating film material is used, it is desirable that the thickness is about 0.2 nm to 2.0 nm in order to reduce the resistance.

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)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、オスミウム(Os)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、白金(Pt)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。この場合の非磁性層31の膜厚は1.5nm以上20nm以下であることが好ましい。
(変形例1)
Nonmagnetic metal materials include, for example, copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), ruthenium (Ru), iridium (Ir), osmium (Os), tungsten (W), and tantalum. (Ta) or platinum (Pt) can be used. Moreover, it is good also as an alloy combining these elements. In this case, the film thickness of the nonmagnetic layer 31 is preferably 1.5 nm or more and 20 nm or less.
(Modification 1)

図10は、スピン波素子10の入力部40の変形例である入力部41を示す図である。 FIG. 10 is a diagram illustrating an input unit 41 that is a modification of the input unit 40 of the spin wave device 10.

非磁性層33上において、入力部41の側面を挟むようにして保護層71が設けられている。そして保護層71をさらに挟むようにしてシールド72が設けられている。すなわち、入力部41の側面を保護層71が覆い、さらに保護層71をシールド72が覆っている。 A protective layer 71 is provided on the nonmagnetic layer 33 so as to sandwich the side surface of the input unit 41. A shield 72 is provided so as to further sandwich the protective layer 71. That is, the side surface of the input unit 41 is covered with the protective layer 71, and the protective layer 71 is further covered with the shield 72.

保護層71には、例えばAl(アルミニウム)、Ti(チタン)、Zn(亜鉛)、Zr(ジルコニウム)、Ta(タンタル)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Si(シリコン)、Mg(マグネシウム)、及びFe(鉄)から選択される少なくとも1つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。具体的には、Al、SiO、MgO、AlN、Ta−0、Al−Zr−O、Bi、MgF、CaF、SrTiO、AlLaO、Al−N−O、Si−N−Oを用いることができる。 For the protective layer 71, for example, Al (aluminum), Ti (titanium), Zn (zinc), Zr (zirconium), Ta (tantalum), Co (cobalt), Ni (nickel), Si (silicon), Mg (magnesium) ), And an oxide, nitride or fluoride containing at least one element selected from Fe (iron). Specifically, Al 2 O 3, SiO 2 , MgO, AlN, Ta-0, Al-Zr-O, Bi 2 O 3, MgF 2, CaF 2, SrTiO 3, AlLaO 3, AlN-O, Si—N—O can be used.

また、保護層71には、非磁性半導体を用いることができる。非磁性半導体は、ZnOx、InMn、GaN、GaAs、TiOx、Zn、又はTe等である。また、非磁性半導体に遷移金属をドープしてもよい。 The protective layer 71 can be made of a nonmagnetic semiconductor. The nonmagnetic semiconductor is ZnOx, InMn, GaN, GaAs, TiOx, Zn, Te, or the like. Moreover, you may dope a transition metal to a nonmagnetic semiconductor.

シールド72には、例えばFe、Co、Ni、Mn、及びCrから選択される少なくとも1つの元素と、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ir(イリジウム)、Ru(ルテニウム)、及びRh(ロジウム)から選択される少なくとも1つ以上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。シールド72には、TbFeCo、GdFeCo等の希土類−遷移金属のアモルファス合金、又はCo/Pt、Co/Pd、Co/Niの積層構造等を用いてもよい。 The shield 72 includes, for example, at least one element selected from Fe, Co, Ni, Mn, and Cr, Pt (platinum), Pd (palladium), Ir (iridium), Ru (ruthenium), and Rh (rhodium). An alloy of a combination with at least one element selected from the above can be used. For the shield 72, a rare earth-transition metal amorphous alloy such as TbFeCo or GdFeCo, or a laminated structure of Co / Pt, Co / Pd, or Co / Ni may be used.

本変形例によれば、入力部41からの漏洩磁界を防ぐことができるので、入力部41を隣接して複数設けることができる。その結果、複数の入力部による多入力演算ができるようになる。
(変形例2)
According to the present modification, a leakage magnetic field from the input unit 41 can be prevented, so that a plurality of input units 41 can be provided adjacent to each other. As a result, a multi-input operation by a plurality of input units can be performed.
(Modification 2)

図11は、スピン波素子10の検出部50の変形例である検出部51を示す図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating a detection unit 51 that is a modification of the detection unit 50 of the spin wave element 10.

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、スピン波素子10の検出部50と異なる。 The detection unit 51 is different from the detection unit 50 of the spin wave device 10 in that a ferromagnetic layer 35 and an antiferromagnetic layer 34 are provided in the detection unit 51.

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。 The magnetization of the ferromagnetic layer 35 is oriented in a direction parallel to or perpendicular to the stacking direction of the multilayer film 30 (in-plane direction). The same material as the ferromagnetic layer 32 can be used for the ferromagnetic layer 35.

反強磁性層34は、反強磁性層120と同じ材料を用いることができる。
(変形例3)
The same material as the antiferromagnetic layer 120 can be used for the antiferromagnetic layer 34.
(Modification 3)

図12は、スピン波素子10の検出部50の変形例である検出部52を示す図である。 FIG. 12 is a diagram illustrating a detection unit 52 that is a modification of the detection unit 50 of the spin wave element 10.

検出部52は、検出部52内に磁化固着層37と磁化自由層39とが中間層38を挟んで設けられている点が、スピン波素子10の検出部50と異なる。
(変形例4)
The detection unit 52 is different from the detection unit 50 of the spin wave device 10 in that the magnetization fixed layer 37 and the magnetization free layer 39 are provided in the detection unit 52 with the intermediate layer 38 interposed therebetween.
(Modification 4)

図13は、スピン波素子10の変形例を示す図である。図13はスピン波素子10を上面から眺めた図である。 FIG. 13 is a view showing a modification of the spin wave device 10. FIG. 13 is a view of the spin wave device 10 as viewed from above.

図13に示すように、入力部40と検出部50とを結ぶ経路が一方向に延在する細線になっていても良い。
(第3の実施形態)
As shown in FIG. 13, the path connecting the input unit 40 and the detection unit 50 may be a thin line extending in one direction.
(Third embodiment)

図14は、スピン波素子200を示す図である。 FIG. 14 is a diagram showing the spin wave device 200.

スピン波素子10とは、1本の信号線を2本のグランド線で挟んだ検出部になっている点が異なる。なお、図14では、スピン波素子200を上から眺めた図を示す。なお、グランド線は片側に一本だけ配置してもよい. The spin wave element 10 is different from the spin wave element 10 in that it is a detection unit in which one signal line is sandwiched between two ground lines. FIG. 14 shows the spin wave device 200 viewed from above. Only one ground wire may be placed on one side.

スピン波素子200は、誘導起電力によってスピン波を検出することができる。 The spin wave device 200 can detect a spin wave by an induced electromotive force.

グランド線及び信号線には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いることができる。 A conductive magnetic material or a non-magnetic material can be used for the ground line and the signal line.

非磁性材料としては、Au、Cu、Cr、Zn、Ga、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Pt、Bi、及びAlから選択される少なくとも1つの元素又はこれらの合金を用いることができる。また、非磁性材料には、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、又はグラフェン等を用いることもできる。
(実施例1)
Nonmagnetic materials include at least one element selected from Au, Cu, Cr, Zn, Ga, Nb, Mo, Ru, Pd, Ag, Hf, Ta, W, Pt, Bi, and Al, or an alloy thereof. Can be used. In addition, as the nonmagnetic material, carbon nanotubes, carbon nanowires, graphene, or the like can be used.
Example 1

入力部40を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。磁化固着層37の膜厚を8nm、磁化Msを1000emu/cc、一軸磁気異方性Kuを8Merg/cmとした。中間層38の膜厚を8nmとして材料はCuとした。磁化自由層39の膜厚を3nm、磁化Msを800emu/cc、一軸磁気異方性Kuを5000erg/cmとした。磁化固着層37の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層39の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。 The input unit 40 was designed and a simulation using micromagnetics was performed. The thickness of the magnetization pinned layer 37 was 8 nm, the magnetization Ms was 1000 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 8 Merg / cm 3 . The film thickness of the intermediate layer 38 was 8 nm and the material was Cu. The thickness of the magnetization free layer 39 was 3 nm, the magnetization Ms was 800 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 5000 erg / cm 3 . The magnetization direction of the magnetization pinned layer 37 is assumed to be perpendicular to the in-plane direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is assumed to be parallel to the in-plane direction.

入力部40の直径を50nmとした。 The diameter of the input unit 40 was 50 nm.

図15は、入力部40に50μAの電流を流したときの磁化自由層39の磁化が歳差運動をしている様子を示す図である。縦軸が磁化自由層39の磁化の歳差運動の振幅を示す。横軸が時間(ns)を示す。電流は磁化自由層39の膜面に対して垂直方向に流している。 FIG. 15 is a diagram illustrating how the magnetization of the magnetization free layer 39 precesses when a current of 50 μA is passed through the input unit 40. The vertical axis indicates the amplitude of the precession of magnetization of the magnetization free layer 39. The horizontal axis represents time (ns). The current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetization free layer 39.

図15から、磁化自由層39の磁化が歳差運動していることがわかる。ここで磁化自由層39は還流磁区発振している。なお、かかる歳差運動は100ns以上継続していた。 FIG. 15 shows that the magnetization of the magnetization free layer 39 precesses. Here, the magnetization free layer 39 oscillates in the reflux magnetic domain. Such precession continued for over 100 ns.

図16は、磁化自由層39で発生した磁界の周波数と電流の関係を示す図である。縦軸が磁化自由層39で発生した磁界の周波数(GHz)を示す。横軸が入力部40に流した電流(μA)を示す。 FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the frequency of the magnetic field generated in the magnetization free layer 39 and the current. The vertical axis represents the frequency (GHz) of the magnetic field generated in the magnetization free layer 39. The horizontal axis indicates the current (μA) flowing through the input unit 40.

図16から、入力部40に流す電流値によって磁化自由層39で発生する磁界が変化していることがわかる。
(実施例2)
From FIG. 16, it can be seen that the magnetic field generated in the magnetization free layer 39 changes depending on the value of the current flowing through the input unit 40.
(Example 2)

多層膜30上に入力部40を設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。多層膜30上に、磁化自由層39、中間層38、磁化固着層37の順に形成した。強磁性層32の膜厚を10nm、磁化Msを600emu/cc又は800emu/ccとした。磁化固着層37の膜厚を8nm、磁化Msを1000emu/cc、一軸磁気異方性Kuを8Merg/cmとした。中間層38の膜厚を8nmとして材料はCuとした。磁化自由層39の膜厚を3nm、磁化Msを800emu/cc、一軸磁気異方性Kuを5000erg/cmとした。磁化固着層37の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層39の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。 A configuration in which the input unit 40 was provided on the multilayer film 30 was designed, and a simulation using micromagnetics was performed. On the multilayer film 30, a magnetization free layer 39, an intermediate layer 38, and a magnetization pinned layer 37 were formed in this order. The film thickness of the ferromagnetic layer 32 was 10 nm, and the magnetization Ms was 600 emu / cc or 800 emu / cc. The thickness of the magnetization pinned layer 37 was 8 nm, the magnetization Ms was 1000 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 8 Merg / cm 3 . The film thickness of the intermediate layer 38 was 8 nm and the material was Cu. The thickness of the magnetization free layer 39 was 3 nm, the magnetization Ms was 800 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 5000 erg / cm 3 . The magnetization direction of the magnetization pinned layer 37 is assumed to be perpendicular to the in-plane direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is assumed to be parallel to the in-plane direction.

入力部40の直径を50nmとした。 The diameter of the input unit 40 was 50 nm.

図17は、強磁性層32の共鳴周波数と一軸磁気異方性Kuとの関係を示す図である。縦軸が強磁性層32の共鳴周波数(GHz)を示す。横軸が強磁性層32の一軸異方性Ku(Merg/cc)を示す。 FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency of the ferromagnetic layer 32 and the uniaxial magnetic anisotropy Ku. The vertical axis represents the resonance frequency (GHz) of the ferromagnetic layer 32. The horizontal axis represents the uniaxial anisotropy Ku (Merg / cc) of the ferromagnetic layer 32.

図16を用いて説明したように、所定の電流を流すとそれに応じた周波数の磁界が磁化自由層39から発生する。図17は、この周波数の磁界で効率よくスピン波を励起するために強磁性層32は図17に示す一軸磁気異方性Kuをもつことが好ましいことを示している。これによって、還流磁区発振で強磁性層32にスピン波を磁界励起することができる。
(実施例3)
As described with reference to FIG. 16, when a predetermined current is passed, a magnetic field having a frequency corresponding to the predetermined current is generated from the magnetization free layer 39. FIG. 17 shows that the ferromagnetic layer 32 preferably has the uniaxial magnetic anisotropy Ku shown in FIG. 17 in order to efficiently excite spin waves with a magnetic field of this frequency. As a result, spin waves can be magnetically excited in the ferromagnetic layer 32 by reflux magnetic domain oscillation.
Example 3

非磁性層33上に入力部40を4つ設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。多層膜30上に、磁化自由層39、中間層38、磁化固着層37の順に形成した。非磁性層33の膜厚を2nm、3nm、5nm、又は10nmとした。非磁性層33にはRuを用いた。磁化固着層37の膜厚を8nm、磁化Msを1000emu/cc、一軸磁気異方性Kuを8Merg/cmとした。中間層38の膜厚を8nmとして材料はCuとした。磁化自由層39の膜厚を3nm、磁化Msを800emu/cc、一軸磁気異方性Kuを5000erg/cmとした。磁化固着層37の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層39の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。 A configuration in which four input units 40 were provided on the nonmagnetic layer 33 was designed, and a simulation using micromagnetics was performed. On the multilayer film 30, a magnetization free layer 39, an intermediate layer 38, and a magnetization pinned layer 37 were formed in this order. The film thickness of the nonmagnetic layer 33 was 2 nm, 3 nm, 5 nm, or 10 nm. Ru was used for the nonmagnetic layer 33. The thickness of the magnetization pinned layer 37 was 8 nm, the magnetization Ms was 1000 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 8 Merg / cm 3 . The film thickness of the intermediate layer 38 was 8 nm and the material was Cu. The thickness of the magnetization free layer 39 was 3 nm, the magnetization Ms was 800 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 5000 erg / cm 3 . The magnetization direction of the magnetization pinned layer 37 is assumed to be perpendicular to the in-plane direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is assumed to be parallel to the in-plane direction.

入力部40の直径を50nmとした。電流を入力部40の積層方向に対して流した。 The diameter of the input unit 40 was 50 nm. An electric current was applied in the stacking direction of the input unit 40.

図18は、磁界励起により4つの入力部40で発生したスピン波の磁化の様子を示す図である。図18の上図は、0psでの様子を示している。図18の下図は、200ps後の様子を示している。入力部40からスピン波が発生していることがわかる。 FIG. 18 is a diagram illustrating a state of magnetization of spin waves generated at the four input units 40 by magnetic field excitation. The upper diagram of FIG. 18 shows a state at 0 ps. The lower part of FIG. 18 shows a state after 200 ps. It can be seen that a spin wave is generated from the input unit 40.

なお、非磁性層33の膜厚が2nm、3nm、5nm、10nmのとき、強磁性層32の上端位置での磁界強度はそれぞれ350Oe、260Oe、150Oe、50Oeであった。
(実施例4)
When the film thickness of the nonmagnetic layer 33 was 2 nm, 3 nm, 5 nm, and 10 nm, the magnetic field strengths at the upper end position of the ferromagnetic layer 32 were 350 Oe, 260 Oe, 150 Oe, and 50 Oe, respectively.
Example 4

入力部40を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。磁化固着層37の膜厚を8nm、磁化Msを1000emu/cc、一軸磁気異方性Kuを8Merg/cmとした。中間層38の膜厚を8nmとして材料はCuとした。磁化自由層39の膜厚を3nm、磁化Msを800emu/cc、一軸磁気異方性Kuを5000erg/cmとした。磁化固着層37の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層39の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。 The input unit 40 was designed and a simulation using micromagnetics was performed. The thickness of the magnetization pinned layer 37 was 8 nm, the magnetization Ms was 1000 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 8 Merg / cm 3 . The film thickness of the intermediate layer 38 was 8 nm and the material was Cu. The thickness of the magnetization free layer 39 was 3 nm, the magnetization Ms was 800 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 5000 erg / cm 3 . The magnetization direction of the magnetization pinned layer 37 is assumed to be perpendicular to the in-plane direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is assumed to be parallel to the in-plane direction.

入力部40の直径を50nmとした。 The diameter of the input unit 40 was 50 nm.

図19は、入力部40に50μAの電流を流し、かつ磁化自由層39の膜面に垂直な方向から磁界を印加したときに、磁化自由層39が発生する磁界の周波数を示す図である。縦軸が磁化自由層39が発生した磁界の周波数(GHz)を示す。横軸が磁界強度(Oe)を示す。電流は磁化自由層39の膜面に対して垂直方向に流している。 FIG. 19 is a diagram showing the frequency of the magnetic field generated by the magnetization free layer 39 when a current of 50 μA is passed through the input unit 40 and a magnetic field is applied from a direction perpendicular to the film surface of the magnetization free layer 39. The vertical axis represents the frequency (GHz) of the magnetic field generated by the magnetization free layer 39. The horizontal axis indicates the magnetic field strength (Oe). The current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetization free layer 39.

図19から、磁界強度に応じて磁化自由層39が発生した磁界の周波数が変化していることがわかる。特に、磁界強度が−300Oe以上−200Oe未満では、磁化自由層39が発生した磁界の周波数は6.1GHzで一定である。しかしながら、磁界の位相は変化している。すなわち、印加する磁界強度を適切な値にすることで、磁化自由層39が発生する磁界の周波数は変えずに磁界の位相を変化させることができる。これにより、スピン波が重ねあった時の演算結果を変えることができるため、演算の種類を増やすことができる。なお、磁界はコイル等を用いて印加することができる。コイルに電流を流しても良い。コイルの一部を電極として用いても良い。
(実施例5)
It can be seen from FIG. 19 that the frequency of the magnetic field generated by the magnetization free layer 39 changes according to the magnetic field strength. In particular, when the magnetic field strength is −300 Oe or more and less than −200 Oe, the frequency of the magnetic field generated by the magnetization free layer 39 is constant at 6.1 GHz. However, the phase of the magnetic field is changing. That is, by setting the applied magnetic field intensity to an appropriate value, the phase of the magnetic field can be changed without changing the frequency of the magnetic field generated by the magnetization free layer 39. Thereby, since the calculation result when a spin wave overlaps can be changed, the kind of calculation can be increased. The magnetic field can be applied using a coil or the like. A current may be passed through the coil. A part of the coil may be used as an electrode.
(Example 5)

非磁性層33上に入力部40を設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。非磁性層33上に、磁化自由層39、中間層38、磁化固着層37の順に形成した。非磁性層33の膜厚を3nmとした。非磁性層33にはCuを用いた。磁化固着層37の膜厚を8nm、磁化Msを1000emu/cc、一軸磁気異方性Kuを8Merg/cmとした。中間層38の膜厚を8nmとして材料はCuとした。磁化自由層39の膜厚を1n、3nm、又は5.8nm、磁化Msを800emu/cc、一軸磁気異方性Kuを5000erg/cmとした。磁化固着層37の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層39の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。 A configuration in which the input unit 40 was provided on the nonmagnetic layer 33 was designed, and a simulation using micromagnetics was performed. On the nonmagnetic layer 33, a magnetization free layer 39, an intermediate layer 38, and a magnetization pinned layer 37 were formed in this order. The film thickness of the nonmagnetic layer 33 was 3 nm. Cu was used for the nonmagnetic layer 33. The thickness of the magnetization pinned layer 37 was 8 nm, the magnetization Ms was 1000 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 8 Merg / cm 3 . The film thickness of the intermediate layer 38 was 8 nm and the material was Cu. The thickness of the magnetization free layer 39 was 1 n, 3 nm, or 5.8 nm, the magnetization Ms was 800 emu / cc, and the uniaxial magnetic anisotropy Ku was 5000 erg / cm 3 . The magnetization direction of the magnetization pinned layer 37 is assumed to be perpendicular to the in-plane direction. The magnetization direction of the magnetization free layer 39 is assumed to be parallel to the in-plane direction.

図20は、入力部40に電流を流したときの磁化自由層39の膜厚と磁化自由層39の膜面の重心からの外周までの距離に対して還流磁区が作られる関係を示す図である。磁化自由層39の膜面の重心からの外周までの距離は磁化自由層39の形状を円形とし、磁化自由層39の膜面の中心から定義している。縦軸が磁化自由層39の膜面の重心からの外周までの距離(nm)を示す。横軸が磁化自由層39の膜厚(nm)を示す。電流は磁化自由層39の膜面に対して垂直方向に流している。 FIG. 20 is a diagram illustrating a relationship in which a return magnetic domain is formed with respect to the thickness of the magnetization free layer 39 when a current is passed through the input unit 40 and the distance from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer periphery. is there. The distance from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer periphery is defined from the center of the film surface of the magnetization free layer 39 with the shape of the magnetization free layer 39 being circular. The vertical axis represents the distance (nm) from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer periphery. The horizontal axis represents the film thickness (nm) of the magnetization free layer 39. The current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetization free layer 39.

図20の点線より上の領域は磁化自由層39が還流磁界(ボルテックス)を形成する範囲を示している。この点線をもとに2次関数でフィッティングした。かかるフィッティングにより、磁化自由層39の膜面の重心からの外周までの距離r(nm)と膜厚t(nm)には、r>0.27t−1.9t+13の関係を満たす場合に、磁化自由層39で還流磁界が形成されることがわかった。 The region above the dotted line in FIG. 20 shows the range in which the magnetization free layer 39 forms a reflux magnetic field (vortex). Fitting with a quadratic function based on this dotted line. When such a fitting satisfies the relationship r> 0.27t 2 −1.9t + 13, the distance r (nm) from the center of gravity of the film surface of the magnetization free layer 39 to the outer periphery thereof and the film thickness t (nm) satisfy It was found that a reflux magnetic field was formed in the magnetization free layer 39.

図21は、入力部40に90μAの電流を流したときの磁化自由層39の磁化が立つ様子を示す図である。磁化自由層39の大きさによらず、還流磁界のコアの大きさが一定(10nm程度)であることがわかる。電流は磁化自由層39の膜面に対して垂直方向に流している。この時、強磁性層32には、コアの大きさ程度の波長のスピン波がスピントルクで励起された。なお、非磁性層33にRuを用いる場合、入力部40に90μAの電流を流すと、強磁性層32にはコアの大きさ程度の波長のスピン波が磁界励起される。 FIG. 21 is a diagram illustrating a state in which the magnetization of the magnetization free layer 39 stands when a current of 90 μA is passed through the input unit 40. It can be seen that the size of the core of the reflux magnetic field is constant (about 10 nm) regardless of the size of the magnetization free layer 39. The current flows in a direction perpendicular to the film surface of the magnetization free layer 39. At this time, a spin wave having a wavelength about the size of the core was excited in the ferromagnetic layer 32 by spin torque. When Ru is used for the nonmagnetic layer 33, when a current of 90 μA is passed through the input unit 40, a spin wave having a wavelength about the size of the core is magnetically excited in the ferromagnetic layer 32.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10 … スピン波素子、20 … 基板、25 … 電極層、30 … 多層膜、40 … 入力部、50 … 検出部、60 … 非磁性絶縁層、70 … 非磁性層、80、90 … 電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Spin wave element, 20 ... Substrate, 25 ... Electrode layer, 30 ... Multilayer film, 40 ... Input part, 50 ... Detection part, 60 ... Nonmagnetic insulating layer, 70 ... Nonmagnetic layer, 80, 90 ... Electrode

Claims (5)

基板と、
前記基板上に設けられた電極層と、
前記電極層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第1の強磁性層を含む多層膜と、
前記多層膜上の第1の領域に設けられた第2の強磁性層と、
前記第2の強磁性層上に設けられた中間層と、
前記中間層上に設けられた第3の強磁性層と、
前記多層膜上の前記第1の領域と離間して設けられた前記多層膜上の第2の領域に設けられた検出部と、
前記第3の強磁性層上に設けられた第1の電極と、
前記検出部上に設けられた第2の電極と、
を備え、
前記第2の強磁性層又は前記第3の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をtとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をrとするとき、
r>0.27t−1.9t+13
である関係を満たすことを特徴とするスピン波素子。
A substrate,
An electrode layer provided on the substrate;
A multilayer film including a first ferromagnetic layer provided on the electrode layer and having a magnetization oriented in a stacking direction or a direction perpendicular to the stacking direction;
A second ferromagnetic layer provided in a first region on the multilayer film;
An intermediate layer provided on the second ferromagnetic layer;
A third ferromagnetic layer provided on the intermediate layer;
A detection unit provided in a second region on the multilayer film provided apart from the first region on the multilayer film;
A first electrode provided on the third ferromagnetic layer;
A second electrode provided on the detection unit;
With
The magnetization of either the second ferromagnetic layer or the third ferromagnetic layer is variable, the other magnetization is fixed in one direction, and the thickness of the magnetization free layer is t, When r is the distance from the center of gravity of the magnetization free layer to the outer edge,
r> 0.27t 2 -1.9t + 13
A spin wave device characterized by satisfying the relationship:
積層方向に垂直な方向において前記入力部を挟んでいる保護層と、
前記保護層を挟んでいるシールドと、
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。
A protective layer sandwiching the input unit in a direction perpendicular to the stacking direction;
A shield sandwiching the protective layer;
The spin wave device according to claim 1, further comprising:
前記第2の強磁性層、前記中間層、及び前記第3の強磁性層は入力部であり、前記入力部は、円柱形状、楕円柱形状、又は多角柱形状であることを特徴とする請求項1に記載のスピン波素子。   The second ferromagnetic layer, the intermediate layer, and the third ferromagnetic layer are input portions, and the input portion has a cylindrical shape, an elliptical column shape, or a polygonal column shape. Item 4. The spin wave device according to Item 1. 基板と、
前記基板上に設けられた電極層と、
前記電極層上に設けられた第1の非磁性層と、
前記第1の非磁性層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第1の強磁性層と、
前記第1の強磁性層上に設けられた第2の非磁性層と、
前記第2の非磁性層上の第1の領域に設けられた第2の強磁性層と、
前記第2の強磁性層上に設けられた中間層と、
前記中間層上に設けられた第3の強磁性層と、
前記第2の非磁性層上の前記第1の領域と離間して設けられた前記第2の非磁性層上の第2の領域に設けられた検出部と、
前記第3の強磁性層上に設けられた第1の電極と、
前記検出部上に設けられた第2の電極と、
を備え、
前記第2の強磁性層又は前記第3の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をtとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をrとするとき、
r>0.27t−1.9t+13
である関係を満たすことを特徴とするスピン波素子。
A substrate,
An electrode layer provided on the substrate;
A first nonmagnetic layer provided on the electrode layer;
A first ferromagnetic layer provided on the first nonmagnetic layer and having a magnetization oriented in a stacking direction or a direction perpendicular to the stacking direction;
A second nonmagnetic layer provided on the first ferromagnetic layer;
A second ferromagnetic layer provided in a first region on the second nonmagnetic layer;
An intermediate layer provided on the second ferromagnetic layer;
A third ferromagnetic layer provided on the intermediate layer;
A detection unit provided in a second region on the second nonmagnetic layer provided apart from the first region on the second nonmagnetic layer;
A first electrode provided on the third ferromagnetic layer;
A second electrode provided on the detection unit;
With
The magnetization of either the second ferromagnetic layer or the third ferromagnetic layer is variable, the other magnetization is fixed in one direction, and the thickness of the magnetization free layer is t, When r is the distance from the center of gravity of the magnetization free layer to the outer edge,
r> 0.27t 2 -1.9t + 13
A spin wave device characterized by satisfying the relationship:
前記第2の非磁性層はRuを含むことを特徴とする請求項4に記載のスピン波素子。   The spin wave device according to claim 4, wherein the second nonmagnetic layer contains Ru.
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