JP2012074494A - 発振素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極とを具備し、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度及び-90度に磁気結合する部分を有し、通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
図1は第1の実施形態に係る発振素子の見取り図である。まず初めに図を用いて発振素子の構成について説明する。
第二の磁性層の膜厚t2=10nm、
第一および第二の磁性層の飽和磁化Ms=1700 emu/cm3、
第一の磁性層の異方性定数K1=4x105 erg/cm2、
第二の磁性層の異方性定数K2=1.5x105 erg/cm2、
素子の形状・一辺が64nmの正方形
(実施例1)
第一の実施形態における積層膜において、第一の磁性層10と第二の磁性層12の磁化が直交に磁気結合する。実施例1では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた値である。これを式(1)、(3)に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体10から第二の磁性体12へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体12から第一の磁性体10へと流れる。
実施例2では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
双二次交換結合定数B12は+0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた絶対値を用い、符号を反転した値である。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
実施例3では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、実施例1と同じよう以下のように定めた。
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
実施例1と異なるのは、初期の磁化状態である。図5(b)、(c)にあるように、+90°結合の領域と、−90°結合の領域を設けた。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
図6は比較例に係る発振素子の見取り図である。比較例でも、第一の磁性層10と第二の磁性層12の磁化が反平行に結合する。結合中間層にCrを用いた場合、
双一次交換結合定数A12は-0.8 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は−0.03 erg/cm2
である。これを式(1)、(3)に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体10から第二の磁性体12へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体12から第一の磁性体10へと流れる。
図8に、本発明の第2の実施形態の発振素子を示す。第1の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層が設置される点である。反強磁性層は第一の磁性層の下に設け、反強磁性層との交換結合エネルギーによって、第一の磁性層の磁化を一方向に固着する。反強磁性層には、IrMn、PtMn、FeMn、NiMnが適する。これらを主成分とする合金であってもよい。
図9に、本発明の第3の実施形態の発振素子を示す。第1の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層15、第三の磁性層16、反平行結合層17が設置される点である。反強磁性層15は第三の磁性層16の磁化を一方向に固着する。そして反平行結合層17を介して、第三の磁性層16と第一の磁性層10の磁化は反平行に結合する。第一の磁性層10と第三の磁性層16の磁化が反平行となると、静磁エネルギーが小さくなって第一の磁性層10の磁化が安定となる。STOでは第一の磁性層10と第二の磁性層12が互いに相互作用するが、片方の磁化を一方向に固着することで、発振の制御性が向上する。
図10に、本発明の第4に実施形態の発振素子を示す。第1の実施形態と異なる点は、結合中間層が、酸化層11bと金属層11aから構成され、金属層11aが貫通して第一の磁性層10と第二の磁性層12を接続している点である。このような構造では、電流が酸化層11bを通らず金属層11aだけに集中して流れ、発振周波数を上げる作用を持つ。この構造と90°磁気結合による高周波化を併用すると、相乗効果を得ることも可能である。
図11に、本発明の第5に実施形態の発振素子を示す。
図12に、本発明の第6の実施形態の発振素子を示す。
11 結合中間層
11a 金属層
11b 酸化層
12 第二の磁性層
13 下部電極
14 上部電極
15 反強磁性層
16 第三の磁性層
17 反平行結合層
18 第四の磁性層
19 非磁性層
Claims (8)
- 第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、
前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極と、
を具備し、
前記第一の磁性層、前記第二の磁性層のいずれか一方が、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度に磁気結合する複数の部分及び-90度に磁気結合する複数の部分を有し、
通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする発振素子。 - 前記結合中間層が、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物を有することを特徴とする請求項1に記載の発振素子。
- 前記結合中間層が、Al、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物層と金属層とから成り、前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とを接続することを特徴とする請求項1に記載の発振素子。
- 前記第一の磁性層は、磁化が面内の一方向に固着されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一に記載の発振素子。
- 電流方向が前記第一の磁性層から前記結合中間層を経て前記第二の磁性層へと流れる方向であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一に記載の発振素子。
- 前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する反平行結合層と、前記反平行結合層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第三の磁性層と、前記第三の磁性層の前記反平行結合層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記反強磁性層はIrMn、PtMn、FeMn、NiMnのうちいずれか1つを含む合金からなり、
前記反平行結合層はRu、Ir、Rhのうちいずれか1つを有し、
前記反平行結合層により前記第一の磁性層の磁化と前記第三の磁性層の磁化とがそれぞれ反平行に向くことを特徴とする請求項1に記載の発振素子。 - 前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Cu、Au、Ag、Al、Al2O3、MgOのうちいずれか1つを含むことを特徴とする請求項1に記載の発振素子。 - 前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも1つを含む酸化物と、Cu、Au、Ag、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも1つを含む金属層とを有し、
前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層を接続することを特徴とする請求項1に記載の発振素子。
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