JP2012104215A - マイクロ波生成方法およびスピントルク発振器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】スピントルク発振器は、第1および第2の外表面を有する非磁性スペーサ層16と、上記第1の外表面と接触する磁界生成層33と、非磁性スペーサ層16の表面に対して垂直な永久磁化を有し上記第2の外表面と完全接触するスピン注入層12とを備える。磁界生成層33は、垂直磁気異方性を示すと共に第1の外表面と完全接触する第1のFGLサブ層331と、面内異方性を示すと共に第1のFGLサブ層331と完全接触する第2のFGLサブ層332とからなる二層構造を有する。従来の磁界生成層に代えて、一方の層が垂直磁気異方性を示し他方の層が面内異方性を示す二重層を設け、垂直異方性を示す層を非磁性スペーサ層16に最も近接させるようにしたので、1×108 A/cm2 という低電流密度下においてマイクロ波が生成可能となる。
【選択図】 図3A
Description
SIL12は、例えばTa/Ru/Cuなる積層構造を有するシード層の上に形成される。ここで、Ta層の厚さは0.5nm〜5nm、Ru層の厚さは0.5nm〜10nm、Cu層の厚さは0〜10nmが好ましい。
スペーサ16は、例えばCu層,MgO層,AlOx層,TiOx層,ZnO層から選択される非磁性層である。CCP‐CPP(current-perpendicular-to-plane)型デバイスの場合、スペーサ16は、狭窄電流路(CCP:current confining paths )構造を有する。この狭窄電流路構造は、Cu層/CCP層/Cu層、またはCu層/ZnO層/Cu層なる構造を含む。CCPは、例えば、AlCu層を形成した後、PIT(プラズマイオン処理)とIAO(イオンアシスト酸化)とを順次行うことにより形成される。
なお、第2のFGLサブ層332(例えばFeCo層)の上には、例えばRu/Ta/Ruなる積層構造を有するキャップ層が設けられる。
このSTO構造が機能するためには、SIL12によって反射されたスピン偏極電子によってもたらされるスピントルクによりFGL33が励起される必要がある。第1のFGLサブ層331が高PMAを有する場合には、SIL12と第1のFGLサブ層331とが同じ磁化方向を有し両者間のエネルギーバリアが大幅に減少していることから、SIL12によって反射された偏極電子は、容易に第1のFGLサブ層331を励起することができる。
この実験では、[CoFe/Ni]×mなる積層体( 第1のFGLサブ層) とFeCo( 第2のFGLサブ層) とが結合してなるFGLを上側に配置すると共に、[CoFe/Ni]×nなる積層体(SIL)を下側に配置し、ボトムSIL型のスピントルク発振器を作製した。その具体的な積層構造は以下の通りである。
この実験では、[CoFe/Ni]×nなる積層体(SIL)を上側に配置すると共に、[CoFe/Ni]×mなる積層体( 第1のFGLサブ層) とFeCo( 第2のFGLサブ層) とが結合してなるFGLを下側に配置し、トップSIL型のスピントルク発振器を作製した。その具体的な積層構造は以下の通りである。
[寸法および材料置換可能性等についての包括的コメント]
スペーサ材料は、CPP‐GMRの場合はCuであり、TMRの場合はMgO、AlOx、TiOx、またはZnOである。FGL2としては、5nm〜30nmの厚さを有するFeCo層が適当である。キャップ層としてはRu1/Ta4/Ru3を用いる。
このようなデバイスにおいて、アニーリングの温度は150°C〜300°C、より好ましくは180°C〜250°Cである。アニーリングの時間は0.5時間〜5時間とするのが好ましい。
Claims (19)
- スピントルク発振器(STP:spin torque oscillator)によってマイクロ波を生成させる方法であって、
平行に対向する第1および第2の外表面を有する非磁性スペーサ層を設け、
前記第1の外表面と垂直な容易軸を有すると共に前記第1の外表面と完全接触する第1のFGLサブ層と、前記第2の外表面と平行な容易軸を有すると共に前記第1のFGLサブ層と完全接触する第2のFGLサブ層とからなる二層構造の磁界生成層(FGL:field generation layer)を、前記第1の外表面と接触するように設け、
前記第1および第2の外表面に対して垂直な永久磁化を有するスピン注入層(SIL:spin injection layer)を、前記第2の外表面に対して完全接触するように設け、
これにより、低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成させるようにしたマイクロ波生成方法。 - 前記低電流密度は、5×107 A/cm2 以上5×108 A/cm2 以下である
請求項1に記載のマイクロ波生成方法。 - 30GHzよりも高い周波数において前記STOに強磁性共鳴が生じるようにする
請求項2に記載のマイクロ波生成方法。 - 前記STOは、前記SILと前記記録磁極との間に前記FGLが位置するトップSIL型のデバイスである
請求項1に記載のマイクロ波生成方法。 - 前記STOは、前記FGLと前記記録磁極との間に前記SILが位置するボトムSIL型のデバイスである
請求項1に記載のマイクロ波生成方法。 - 平行に対向する第1および第2の外表面を有する非磁性スペーサ層と、
前記第1の外表面と垂直な容易軸を有すると共に前記第1の外表面と完全接触する第1のFGLサブ層と、前記第2の外表面と平行な容易軸を有すると共に前記第1のFGLサブ層と完全接触する第2のFGLサブ層とからなる二層構造を有し、前記第1の外表面と接触する磁界生成層と、
前記第1および第2の外表面に対して垂直な永久磁化を有し、前記第2の外表面と完全接触するスピン注入層と
を備え、
低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成する
スピントルク発振器。 - 前記低電流密度は、5×107 A/cm2 以上5×108 A/cm2 以下である
請求項6に記載のスピントルク発振器。 - 30GHzよりも高い周波数において強磁性共鳴が生じる
請求項6に記載のスピントルク発振器。 - 前記STOは、前記SILと前記記録磁極との間に前記FGLが位置するトップSIL型のデバイスとなっている
請求項6に記載のスピントルク発振器。 - 前記STOは、前記FGLと前記記録磁極との間に前記SILが位置するボトムSIL型のデバイスである
請求項6に記載のスピントルク発振器。 - 前記非磁性スペーサは、Cu層,MgO層,AlOx層,TiOx層,ZnO層,および狭窄電流路(CCP:current confining paths )構造よりなる群(但し、前記狭窄電流路構造は、Cu層/CCP層/Cu層、またはCu層/ZnO層/Cu層なる構造を含み、前記CCPは、AlCu層/PIT(プラズマイオン処理)/IAO(イオンアシスト酸化)により形成される)から選択される
請求項6に記載のスピントルク発振器。 - Ta/Ru/Cuなる積層構造を有するシード層と、
前記シード層の上に設けられ、厚さt2のCo100-x Fex の上に厚さt1のNiを積層した[Co100-x Fex /Ni]構造をn回繰り返してなる積層体を含む第1の多層構造と、
前記第1の多層構造の上に形成された非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に設けられ、厚さt4のCo100-y Fey の上に厚さt3のNiを積層した[Co100-y Fey /Ni]構造をm回繰り返してなる積層体を含む第2の多層構造と、
前記第2の多層構造の上に形成されたFeCo層と、
前記FeCo層の上に設けられた、Ru/Ta/Ruなる積層構造を有するキャップ層と
を備えたボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記シード層において、前記Ta層の厚さは0.5nm以上5nm以下であり、前記Ru層の厚さは0.5nm以上10nm以下であり、前記Cu層の厚さは0以上10nm以下である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記第1および第2の多層構造において、前記Co100-x Fex 層の厚さt2および前記Co100-y Fey 層の厚さt4は0.15nm以上0.3nm以下であり、前記Niの厚さt1およびt3は0.35nm以上0.8nm以下であり、前記Co100-x Fex 層におけるxおよび前記Co100-y Fey 層におけるyは0以上90%以下である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記第1および第2の多層構造において、前記Co100-x Fex 層の厚さt2および前記Co100-y Fey 層の厚さt4は0.05nm以上0.5nm以下であり、前記Niの厚さt1およびt3は0.2nm以上1nm以下であり、前記Co100-x Fex 層におけるxおよび前記Co100-y Fey 層におけるyは0以上90%以下である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記第1および第2の多層構造における前記繰り返し数nおよびmは、10以上30以下である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記第1および第2の多層構造における前記繰り返し数nおよびmは、5以上50以下である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - 前記[Co100-x Fex /Ni]構造および前記[Co100-y Fey /Ni]構造におけるNiは、Pt,Pd,Ir,CoPt,FePt,CoPd,FePd,TbFe,およびTbCoからなる群より選択される材料によって置換可能である
請求項12に記載のボトムSIL型のスピントルク発振器。 - Ta/Ru/Cuなる積層構造を有するシード層と、
前記シード層の上に形成されたFeCo層と、
前記FeCo層の上に設けられ、厚さt2のCo100-x Fex の上に厚さt1のNiを積層した[Co100-x Fex /Ni]構造をn回繰り返してなる積層体を含む第1の多層構造と、
前記第1の多層構造の上に形成された非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に設けられ、厚さt4のCo100-y Fey の上に厚さt3のNiを積層した[Co100-y Fey /Ni]構造をm回繰り返してなる積層体を含む第2の多層構造と、
前記第2の多層構造の上に形成された、Ru/Ta/Ruなる積層構造を有する三重層と
を備えたトップSIL型のスピントルク発振器。
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