JP2014003157A - スピン波スイッチングデバイス、スピン波導波路、及びスピン波の進行方向を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン波の進行方向を所望の方向に変更するための技術を提供する。
【解決手段】スピン波反射層を備えたスピン波スイッチング素子（スピン波セレクタスイッチ）を適用し、スピン波反射層の磁化方向を制御することにより、スピン波の反射・透過の選択を可能とする。また、本発明によるスピン波セレクタスイッチをアレイ状に配列することにより、スピン波を任意の方向へ伝播させるスピン波導波路を提供する。
【選択図】図８

Description

本発明は、スピン波スイッチングデバイス、スピン波導波路、及びスピン波の進行方向を制御する方法に関する。

近年の高度情報化社会において、情報量の増加に伴い、世界的に消費電力も爆発的に増大している。また、近年では、データを集中管理する情報のクラウド化が顕著であり、大容量通信に伴う消費電力低減が最大かつ喫緊の課題となっている。情報処理を担う従来のルータに関しては、制御集積回路部や配線部による消費電力がその大部分を占めている。そのため、これらの低消費電力化を実現するにあたり、電流を用いた手段から、スピン波による情報伝達が提案されている（非特許文献１参照）。スピン波による情報伝達手段を用いると、リーク電流の影響を低減できるのと同時に、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の構成数を減らせるため、システムの低消費電力化が可能となる。

S.K.Kim、"MicromagneticComputer Simulations of Spin Waves in Nanometre-scale Patterned Magnetic Elements"、J.Phys.D:Appl.Phys.43(2010)264004 D.Chiba et al、"Magnetization Vector Manipulation by Electric Field" Nature 455 (2008) 515 A.Khitun and K.L.Wang、"Non-Volatile Magnonic Logic Circuits Engineering"、J.Appl.Phys.110(2011)034309

しかし、スピン波の進行方向は、直進方向しか伝播できないことが知られている。その一方で、ＦＰＧＡに代表される集積回路においては、経路のとり方によって演算が決定されるため、スピン波を用いた集積回路において、任意の経路でスピン波を伝播する機構が必須となっている。このため、スピン波を情報伝達手段とする交差導波路を多く備えた集積回路は実現されていなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、スピン波の進行方向を所望の方向に変更するための技術を提供するものである。

上記課題を解決するために、スピン波反射層を備えたスピン波スイッチング素子（スピン波セレクタスイッチ）を適用し、スピン波反射層の磁化方向を制御することにより、スピン波の反射・透過の選択を可能とする。また、本発明によるスピン波セレクタスイッチをアレイ状に配列することにより、スピン波を任意の方向へ伝播させるスピン波導波路を提供する。

より具体的には、本発明の基本的な構成単位によるスピン波スイッチング素子（スピン波スイッチングデバイス）は、入射スピン波の導波路である第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２の磁性体と、とを有する。この第１の磁性体と第２の磁性体は第１の接合界面で接合されている。また、第２の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、第２の磁性体における禁制帯幅より小さい。そして、第１の磁性体へ入射されたスピン波は、第１の接合界面で反射、或いは透過をするようになっている。

本発明によれば、スピン波の進行方向を自在に変更することができるようになる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本発明の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。

本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本発明の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではないことを理解する必要がある。

平行磁化の場合のスピン波の反射、および、透過原理を示す模式図である。 異なる磁化方向を持つスピン波の分散関係を示す模式図である。 垂直磁化の場合のスピン波の反射、および、透過原理を示す模式図である。 スピン波スイッチング素子の基本構成を示す図である。 スピン波スイッチング素子におけるスピン波の反射・透過過程を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（１）の構成を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（１）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（２）の構成を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（２）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（１）である。 スピン波セレクタスイッチ（２）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（２）である スピン波セレクタスイッチ（２）を備えたスピン波導波路（１）の構成を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（３）の構成を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（３）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（１）である。 スピン波セレクタスイッチ（３）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（２）である。 スピン波セレクタスイッチ（３）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（３）である。 スピン波セレクタスイッチ（３）におけるスピン波の反射・透過過程を示す図（４）である。 スピン波セレクタスイッチ（３）を備えたスピン波導波路（２）の構成を示す図である。 スピン波セレクタスイッチ（２）の作製方法を示す図である。

本発明は、ルータの配線部やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）に代表される集積回路などに適したスピン波スイッチング素子、及びそれを備えたスピン波導波路に関する。そして、本発明は、スピン波の進行方向を適切な方向に制御することによって、スピン波を用いた集積回路の実現への道を開くものである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ここでは、本発明を適用するのに好ましいスピン波セレクタスイッチ、および、それを用いたスピン波導波路について、詳細に説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。なお、以下説明する本発明の実施形態では、磁性半導体或いはピエゾの歪みを用いて、電界（電圧印加）を掛けることにより磁化方向を制御する方法を示しているが、電界に限らず、磁場或いは電流を変化させることにより、磁化方向を制御するようにしても良い。ただし、電界によって磁化方向を制御するほうが消費電力を抑えるには好適である。

本実施形態では、当業者が本発明を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本発明の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

＜スピン波の反射及び透過の原理＞
図１は、磁性体に対するスピン波の反射、及び透過の原理を説明するための図である。ここでは、スピン波を入射する第１の磁性体１と透過スピン波が伝播する第２の磁性体２が接合されている場合のスピン波の反射、及び透過の過程に関して説明する。尚、第１の磁性体１は、スピン波のバンド構造において、禁制帯（電子がない領域）を持たない磁性材料であり、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅを基本とする磁性体であるがこの限りではない。一方、第２の磁性体２は、ＹＩＧ（Yittorium Iron Garnet）やＥｕＳなど、スピン波のバンド構造において、禁制帯を持つ磁性体である。

本構成（図１（ａ）参照）において、第１の磁性体１と第２の磁性体２の磁化の方向が平行の場合、その界面において、入射角度に依存して、スピン波の反射、および、透過が起きることが知られている（非特許文献２参照）。図１（ｂ）は、第１の磁性体１、及び第２の磁性体２におけるスピン波の波数ベクトルの等エネルギー曲線（曲線３及び４）を示している。例えば、スピン波の入射角が４５度の場合、第２の磁性体２のバンドにおいては、４５度（集積回路を作製する場合に９０度にスピン波を曲げて進行させたい場合に有効）入射のスピン波がその禁制帯（図１（ｂ）斜線領域：禁制帯の領域は材料によって異なるため、適切な入射角は材料によって適宜最適なものある）に当たるため、第２の磁性体２においては、スピン波は励起されない。そのため、４５度で第２の磁性体２に入射したスピン波は、第１及び第２の磁性体界面において反射され、第１の磁性体１内で−４５度方向に反射スピン波が励起される。その結果、スピン波の入射角が４５度の場合、スピン波は全反射を起こす。一方、スピン波の入射角度が０度に近い場合は、第２の磁性体２のバンドにおいては禁制帯から外れるため、第２の磁性体２においてスピン波は励起され、スピン波が第１及び第２の磁性体界面を透過する。その結果、スピン波の入射角が０度に近い場合、第１の磁性体１では反射スピン波、第２の磁性体２では透過スピン波がそれぞれ励起される。

続いて、図２を参照して、第１及び第２の磁性体の磁化方向が異なる場合のスピン波の反射、透過に関して説明する。図２は、異なる磁化方向を持つスピン波の分散関係の磁化方向依存性の模式的に示す図である。スピン波においては、磁化の方向とスピン波の進行方向（波数ベクトル）の向きによって、分散関係が異なる。図２（ｂ）は、磁化の方向と波数ベクトルが平行、あるいは、垂直の場合における等エネルギー曲線を、曲線３、及び曲線５によって示している。図２（ｂ）に示されるように、波数ベクトルに対して、磁化の方向が平行から垂直へと変化した場合、その等エネルギー曲線の形状も変化し、３に対して５の方が小さくなることが特徴である。

図３は、第１の磁性体１における磁化の方向が、第２の磁性体２の磁化方向に対して垂直の場合のスピン波の反射、および、透過の原理を示す図である。図２において説明したように、第１の磁性体１における等エネルギー曲線は、磁化が波数ベクトルと垂直な場合、平行な場合のそれと比較すると、小さい曲線となる。そのため、図１で説明したのと同様の素子構成においては、例えば、スピン波の入射角度が４５度の場合においても、第２の磁性体２における禁制帯に交わることなく、スピン波を励起する事が可能となる。つまり、磁化の方向を波数ベクトルと垂直にした場合、例えば、４５度のスピン波が入射されても、第１の磁性体では反射スピン波、第２の磁性体では透過スピン波がそれぞれ励起される。本発明では、この磁化の方向を規定する事で、スピン波の反射と透過とを制御することが可能となる。

＜スピン波スイッチング素子（スピン波スイッチングデバイス）の基本構成＞
図４は、スピン波スイッチング素子の基本単位の概略構成を示すである。
スピン波スイッチング素子の基本単位は、第１の磁性体１と、第２の磁性体２と、（Ｇａ、Ｍｎ）Ａｓなどに代表される磁性半導体６と、ゲート電圧ＶＧを印加できる端子と、を有している。第１及び第２の磁性体１及び２の材料としては、図１で示した材料とする。尚、磁性半導体６は、第１の磁性体１と接しており、磁気的な結合を有する。また、スピン波を励起させるために、永久磁石などで面内方向の外部磁場を印加している。ここで、ゲート電圧を印加させると、磁性半導体の異方性の方向を制御することが可能となる（非特許文献２）。そのため、磁性半導体６と磁気的に結合した第１の磁性体１の磁化方向も、ゲート電圧の大きさに依存して、その角度を変えることが可能となる。

本発明においては、磁化のゲート電圧ＶＧをオフにした場合、第１及び第２の磁性体の磁化の向きが平行となり、ゲート電圧ＶＧをオンにした場合、第１の磁性体１の磁化方向が、第２の磁性体２のそれと直交する様に、ゲート電圧ＶＧの大きさが調整される。ここでは、磁性半導体に電圧を掛けると容易軸が９０度程度スイッチするという性質を利用している。また、第１の磁性体１と磁性半導体６をカップリングしておき、磁性半導体６の磁化方向を変更するとそれに伴って第１の磁性体１の磁化方向も変更するという性質がある。

図５は、スピン波スイッチング素子の基本単位におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。
ゲート電圧ＶＧがオフの場合、前述したように、外部磁場によって、第１及び第２の磁性体の磁化の向きが平行な状態となる。この場合、第１の磁性体１内で励起されたスピン波は、第１及び第２の磁性体との界面において、反射、あるいは、透過を起こす。その挙動は、スピン波の波数ベクトルと界面の法線方向との相対角度に依存する。例えば、第１の磁性体１としてＮｉＦｅ、第２の磁性体２としてＹＩＧを用い、スピン波の波数ベクトルと界面の法線方向との相対角度が４５度の場合は、スピン波は界面で全反射を起こす。そのため、第２の磁性体２中にはスピン波は励起されず、スピン波は伝播しない。

一方、ゲート電圧ＶＧがオンの場合は、第１と第２の磁性体の磁化方向が直交するため、図３で記述したとおり、第２の磁性体２においてもスピン波が励起され、結果として、第１の磁性体１に入射したスピン波は、界面を透過する。つまり、ゲート電圧ＶＧの制御によって、スピン波の伝播が制御可能となり、本構成の素子は、スピン波のスイッチング素子として機能する。

＜スピン波セレクトスイッチ（スピン波スイッチングデバイス）の構成（１）＞
図６は、本発明の実施形態によるスピン波セレクタスイッチの構成（１）の概略を示す図である。当該スピン波セレクタスイッチは、第１の磁性体１と、第２の磁性体２と、第３の磁性体８と、第３の磁性体８の磁化を固定するための反強磁性体７、磁性半導体６と、ゲート電圧ＶＧを印加できる端子と、を有している。

反強磁性体７は、ＭｎＩｒやＭｎＰｔなどに代表される一般的な材料である。第３の磁性体８は、第２の磁性体２と同様にＹＩＧやＥｕＳなど、スピン波のバンド構造において、禁制帯を持つ磁性体である。第３の磁性体８の磁化方向は、第２の磁性体２の磁化方向と直交する方向に固定されている。また、第２の磁性体２の磁化方向は、永久磁石などにより、面内の一方向を向いている。

一方、第１の磁性体１の磁化方向は、磁性半導体６の異方性の向きに依存しており、ゲート電圧ＶＧがオフの場合は、第２の磁性体２と平行、ゲート電圧ＶＧがオンの場合は、第３の磁性体８と平行になる様な構造となっている。

図７は、第１のスピン波セレクタスイッチ（図６の構成）におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。尚、第１の磁性体１と第２の磁性体２との界面は、スピン波の波数ベクトルと４５度の角度をなしている。同様に、第１の磁性体１と第３の磁性体８との界面において、スピン波の波数ベクトルと４５度の角度をなしている。

本構成において、ゲート電圧ＶＧがオフの場合（図７（ａ））は、第１の磁性体１に入射されたスピン波は、第１と第２の磁性体の界面にて、全反射を起こす。反射されたスピン波の波数ベクトルは、９０度角度を変化させ進行し、第１と第３の磁性体の界面へ伝播する。この場合、第１の磁性体１と第３の磁性体８との磁化方向は直交するため、伝播されたスピン波によって、第３の磁性体８中にスピン波が励起される。その結果、第３の磁性体８の磁化方向にスピン波が伝播する。

一方、ゲート電圧ＶＧがオンの場合（図７（ｂ））は、第１の磁性体１に入射されたスピン波は、第１と第２の磁性体の磁化方向が直交するため、その界面にて透過する。それと同時に、図３で示したように、第１の磁性体１には反射スピン波も励起される。つまり、第１の磁性体１と第２の磁性体２との界面を透過するスピン波がある一方、反射するスピン波も存在する。しかし、ゲート電圧ＶＧがオンの場合（図７（ｂ））は、第１及び第３の磁性体の磁化方向が平行であるため、第１の磁性体１中に励起された反射スピン波は、第１の磁性体１と第３の磁性体８との界面において反射され、結果として、透過スピン波と同じ方向の波数ベクトルを持つ。その結果、第１の磁性体１に入射されたスピン波は、全て、第２の磁性体２の磁化方向へ伝播する。

以上、第１の磁性体１に入射されたスピン波は、ゲート電圧ＶＧがオフの場合は第３の磁性体８へと、ゲート電圧ＶＧがオンの場合は第２の磁性体２へと、伝播するスピン波セレクタスイッチが提供可能となる。

＜スピン波セレクトスイッチ（スピン波スイッチングデバイス）の構成（２）＞
図８は、本発明の実施形態によるスピン波セレクタスイッチの構成（２）の概略を示す図である。当該スピン波セレクタスイッチは、第１の磁性体１と、第２の磁性体２と、第３の磁性体８と、第４の磁性体９と、第５の磁性体１１と、第３の磁性体８の磁化を固定するための第１の反強磁性体７と、第５の磁性体１１の磁化を固定するための第２の反強磁性体１０と、磁性半導体６と、ゲート電圧ＶＧを印加できる端子と、を有している。

第４の磁性体９、及び第５の磁性体１１は、第２の磁性体２、及び第３の磁性体８と同様の特徴を持つ。第２の反強磁性体１０は、第１の反強磁性体７に代表される材料とする。当該スピン波セレクタスイッチでは、第３の磁性体８、及び第５の磁性体１１の磁化方向は、第２の磁性体２、及び第４の磁性体９の磁化方向と直交する方向に固定されている。また、第２の磁性体２と第４の磁性体９の磁化方向は、永久磁石などにより面内の一方向を向いている。

一方、当該スピン波セレクタスイッチでは、第１の磁性体の磁化方向は、図６と同様に、磁性半導体６の異方性の向きに依存しており、ゲート電圧がオフの場合は、第２及び第４の磁性体と平行、ゲート電圧がオンの場合は、第３及び第５の磁性体と平行になる様な構造となっている。また、当該スピン波セレクタスイッチでは、スピン波は、第４の磁性体９、或いは第５の磁性体１１から、第１の磁性体１へと入射される構造を採用している。

図９は、第４の磁性体９にスピン波が入射した場合に、スピン波セレクタスイッチ（図８の構成例）におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。尚、第４の磁性体９と第１の磁性体１との界面は、スピン波の波数ベクトルと９０度の角度をなしているがその限りではない。同様に、第１の磁性体１と第２或いは第３の磁性体との界面は、スピン波の波数ベクトルと４５度の角度をなしている。本構成においては、第４の磁性体９よりスピン波が入射されるが、第４と第１の磁性体との界面法線ベクトルとスピン波の波数ベクトルとの相対角度が０のため、第１の磁性体１の磁化方向に依存せず、全てのスピン波が透過する。

一方、図７に示したように、ゲート電圧ＶＧのオン・オフによって、第１の磁性体１内におけるスピン波の伝播方向が変化する。当該スピン波セレクタスイッチの構成（２）においては、ゲート電圧ＶＧがオフの場合（図９（ａ））は、第３の磁性体８の方向、ゲート電圧がオンの場合（図９（ｂ））は、第２の磁性体２の方向にスピン波が伝播する。

図１０は、第５の磁性体１１からスピン波が入射された場合のスピン波セレクタスイッチの構成（２）におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。尚、第５の磁性体１１と第１の磁性体１との界面は、スピン波の波数ベクトルと９０度の角度をなしているがその限りではない。図９で示したように、ゲート電圧ＶＧがオフの場合、第１の磁性体１の磁化と、第３或いは第５の磁性体の磁化は、直交する方向であるため、第３の磁性体８の方向にスピン波が伝播する。同様に、ゲート電圧ＶＧがオンの場合、第１の磁性体１の磁化と、第３或いは第５の磁性体の磁化は、平行となるため、第１の磁性体１と第３の磁性体８との界面において、スピン波は反射し、第２の磁性体２の方向にスピン波が伝播する。

以上のように、スピン波の入射方向に依らず、ゲート電圧ＶＧがオフの場合（図１０（ａ））には第３の磁性体方向に、ゲート電圧がオンの場合（図１０（ｂ））には第２の磁性体２に、スピン波がそれぞれ伝播するスピン波セレクタスイッチが提供可能となる。

＜スピン波導波路（１）＞
図１１は、スピン波セレクタスイッチの構成（２）を用いてスピン波導波路（１）を構成した例を示す図である。当該導波路は、図８で示したスピン波セレクタスイッチ構成（２）をアレイ状に配置し、各配線の交点に磁化方向を制御可能な磁性体を備えた構造となっている。

図９及び１０に示した通り、ゲート電圧ＶＧのオン・オフによって、スピン波の進行方向を変化させることが可能となる。例えば、ジグザク状にスピン波を伝播させたい場合は、隣り合う交点のゲート電圧をオンとオフにすればよい。この様に、本発明の実施形態によるスピン波セレクタスイッチを応用することにより、スピン波を任意の方向へ伝播させるスピン波導波路が提供可能となる。また、このスピン波導波路自体が、スピン波を用いたＦＰＧＡ集積回路を表しており、本発明により、スピン波を用いた低消費電力集積回路を提供することが可能となる。

＜スピン波セレクタスイッチ（スピン波スイッチングデバイス）の構成（３）＞
図１２は、本発明の実施形態によるスピン波セレクタスイッチの構成（３）の概略を示す図である。当該スピン波セレクタスイッチは、第１の磁性体１と、第２の磁性体２と、第３の磁性体８と、第４の磁性体９と、第５の磁性体１１と、第４の磁性体９の磁化を固定するための第１の反強磁性体７と、第５の磁性体１１の磁化を固定するための第２の反強磁性体１０と、ピエゾ素子１２と、ゲート電圧ＶＧを印加できる端子と、を有している。各構成磁性体の材料は、図８で示した材料と同じである。

第２の磁性体２及び第３の磁性体８の磁化方向は、永久磁石などの外部磁界により、膜面に垂直方向となっている。第４の磁性体９及び第５の磁性体１１の磁化方向は、面内方向に固定されている。第１の磁性体と第２及び第４の磁性体との界面とスピン波の波数ベクトルとは、第２の磁性体２の細線方向に１３５度および４５度をなしている。また、第１の磁性体と、第３及び第５の磁性体との界面は、第３の磁性体８の細線方向に４５度及び１３５度の角度をなしている。また、第３及び第５の磁性体と、第２及び第４の磁性体とは、ねじれの位置にある。さらに、ピエゾ素子１２は、第１の磁性体１の上層に積層されているが、上下反対の構成でも問題がない。

第１の磁性体の磁化方向は、ピエゾ素子１２の歪により制御可能で、ゲート電圧ＶＧがオフの場合は、第２及び第３の磁性体と平行で面に垂直方向、ゲート電圧ＶＧがオンの場合は、第４及び第５の磁性体と平行で、かつ面内方向となる様に制御される。また、スピン波は、第２の磁性体２、或いは第５の磁性体１１から、第１の磁性体１へと入射する。本構造は、上述のスピン波セレクタスイッチの構成（１）及び（２）とは異なり、第１の磁性体１の積層方向にもスピン波が伝播することが特徴となっている。また、導波路の作製において、界面の形状制御という観点で優位性がある。

図１３及び１４は、第２の磁性体２よりスピン波が入射された場合のスピン波セレクタスイッチの構成（３）におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。

第２の磁性体よりスピン波が入射する場合、第２の磁性体２と第１の磁性体１との界面においては、スピン波の禁制帯の大小関係より、界面と波数ベクトルの角度に依らず、全てのスピン波が第１の磁性体１へと透過する。

第１の磁性体１中に励起されたスピン波に関しては、ゲート電圧ＶＧがオフの場合（図１３）、第１の磁性体１と第２の磁性体２との界面において、スピン波の全反射が起こる。反射されたスピン波の波数ベクトルは、第１の磁性体１中で面内から面直へ方向を変え、その結果、積層方向へスピン波は伝播される。更に、反射スピン波は、第１の磁性体１と第５の磁性体１１との界面において再び反射し、第１の磁性体１と第３の磁性体８との界面を透過したスピン波が、第３の磁性体８へと伝播される。

一方、ゲート電圧がオンの場合（図１４）、第１の磁性体の磁化は、ピエゾ素子１２の歪の効果によって、外部磁場の方向から面内の方向へと遷移する（非特許文献３参照）。その結果、第４の磁性体９より入射されたスピン波は、第２の磁性体２へと透過する。

図１５及び１６は、第５の磁性体１１からスピン波が入射された場合のスピン波セレクタスイッチ構成（３）におけるスピン波の反射・透過の過程を示す図である。図１４と同様に、ゲート電圧ＶＧがオフの場合、スピン波は、第３の磁性体８の方向へ透過する。また、ゲート電圧ＶＧがオンの場合、第１の磁性体１と第３の磁性体８との界面で反射されたスピン波は、第１の磁性体１中で、積層方向へ進行方向を変える。この反射スピン波は、第１の磁性体１と第２の磁性体２との界面において反射され、再び方向を変えたスピン波は、第１の磁性体１と第４の磁性体９との界面を透過し、第４の磁性体９へと伝播する。

以上、スピン波セレクタスイッチの構成（３）においても、スピン波セレクタスイッチの構成（２）と同様に、入射方向に依らず、ゲート電圧ＶＧがオフの場合、スピン波は直進し、ゲート電圧ＶＧがオンの場合、角度を変えてスピン波が伝播するスピン波セレクタスイッチの提供が可能となる。

＜スピン導波路（２）＞
図１７は、スピン波セレクタスイッチの構成（３）をアレイ状に配置したスピン波導波路（２）の概略構成例を示す図である。本構造においては、界面制御という観点で作製が簡易であり、積層方向の伝播を可能にするため、ＣＭＯＳなどとの組み合わせが可能となる。

＜スピン導波路（２）の作製方法＞
図１８は、スピン波導波路（２）の作製方法を示す図である。
図１８を参照して、スピン波セレクタスイッチアレイ（スピン導波路（２））の作製の各工程に関して説明する。
１．ビア形成
基板は、ガリウム・カドリウム・ガーネット（ＧＧＧ）基板を用い、ダマシン法を用いて接地用の貫通配線用ビア１３を形成する。

２．磁性膜形成
第２の磁性体２及び第１の反強磁性体７として、イットリウム・鉄・ガーネット薄膜(膜厚２０ｎｍ)、反強磁性膜としてマンガン白金薄膜(膜厚２０ｎｍ)を、スパッタ法を用いて製膜する。イットリウム・鉄・ガーネットの作製は、基板を過熱しながら行った。尚、製膜後、基板オリフラ方向に平行になるように、磁場中加熱処理を行って、反強磁性体の磁化方向を揃えた。

３．パターン形成
第２の磁性体２及び第１の反強磁性体７のパターンをフォト露光とイオンミリングによって形成する。レジストの高さとミリングの角度の制御によって、第１の磁性体１と、第２の磁性体２或いは第１の反強磁性体７との界面角度をコントロールする。今回の例では、レジスト高さ２００ｎｍ、ミリング角度を４５度とした場合、界面の角度が４５度となった。また、第２の磁性体２及び第１の反強磁性体７のパターンの線幅を１μｍとし、長さを５μｍとした。その後、リフトオフによりレジストを除去する。

４．反強磁性体除去
第２の磁性体２上の反強磁性層を除去するために、局所イオン注入による磁化状態の破壊を行った。第１の反強磁性体７上には、レジストパターンで保護し、イオンを照射させることで、第２の磁性体２のみの反強磁性体の磁性を消失させる。

５．磁性膜形成
第１の磁性体１を作製するために、ニッケル薄膜（膜厚５０ｎｍ）をスパッタ法により作製した。尚、作製前に第２の磁性体２及び第１の反強磁性体７の表面を、逆スパッタによりクリーニングしている。

６．パターン形成
第１の磁性体１のパターンをフォト露光とイオンミリングによって形成する。線幅は、１μｍとした。

７．絶縁膜１４の形成
層間絶縁をとるために、酸化シリコンとアルミナの膜（膜厚５０ｎｍ）を形成した。最表面は、化学・機械研磨により平坦化する。

８．パターン形成
第１の磁性体１のパターンをフォト露光とイオンミリングによって形成する。レジストの高さとミリングの角度の制御によって、第１の磁性体１と、第３の磁性体８或いは第５の磁性体１１との界面角度をコントロールする。また、第３の磁性体８及び第５の磁性体１１のパターン用のステンシル・ガイドパターンは、線幅１μｍとし、長さを５μｍとした。

９．磁性膜形成
第３の磁性体８及び第５の磁性体１１用の磁性膜として、イットリウム・鉄・ガーネット薄膜(膜厚２０ｎｍ)、反強磁性膜としてマンガン白金薄膜(膜厚２０ｎｍ)を、スパッタ法を用いて製膜する。尚、製膜後、基板オリフラ方向に平行になるように、磁場中加熱処理を行って、反強磁性体の磁化方向を揃えた。

１０．反強磁性体除去
第３の磁性体８上の反強磁性層を除去するために、局所イオン注入による磁化状態の破壊を行った。第５の磁性体１１上には、レジストパターンで保護し、イオンを照射させることで、第３の磁性体８のみの反強磁性体の磁性を消失させる。

１１．ピエゾ素子接合
ピエゾ素子１２を第１の磁性体１上に形成し、電圧印加用の端子をピエゾ素子１２上に作製する。その後、電圧端子と外部トランジスタを設置し、スピン波導波路の構成（２）が実現される。

＜まとめ＞
以上のように、本発明によって、スピン波の経路を任意の方向へ制御可能なスピン波導波路とスピン波を用いた低消費電力集積回路が実現される。
本発明によれば、スピン波セレクタスイッチを備えたスピン波導波路を集積回路の配線部に用いた場合、スピン波を任意の方向へ伝播させる事が可能となるため、スピン波を情報伝達手段とする集積回路が実現され、ルータやＦＰＧＡの低消費電力化が可能となる。

（１）本発明によるスピン波スイッチング素子（特に、図４及び５参照）は、入射スピン波の導波路である第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２の磁性体と、とを有している。そして、この第１の磁性体と第２の磁性体は、第１の接合界面で接合されている。当該第１の接合面において、第１の磁性体から進行してきたスピン波の接合界面に対する入射角は、例えば４５度をなしている。ただし、この角度に限定されるものではなく、利用形態や用いる磁性体の禁制帯幅によって決定することが可能である。また、第２の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、第２の磁性体における禁制帯幅より小さくなっている。そして、第１の磁性体へ入射されたスピン波は、第１の接合界面で反射、或いは透過をするようになっている。このようにすることにより、スピン波を用いたスイッチング素子を実現することができ、スピン波を情報伝達手段とする回路に応用することが可能となる。

このとき、磁化方向制御手段（電界を変化させて磁化方向を制御する手段、磁場や電流を変化させて磁化方向を制御する手段等が考えられる）によって第１の磁性体における磁化の向きを、第２の磁性体の磁化と平行或いは直交する方向に制御する。電圧印加のＯＮ／ＯＦＦによって電界を変化させる場合、具体的には、第１の磁性体と面接触するように磁性半導体を設け、第１の磁性体と磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、第１の磁性体の磁化方向を制御する。或いは、他の例として、第１の磁性体と面接触するようにピエゾ素子を設け、第１の磁性体とピエゾ素子の両端に電圧を印加することにより、第１の磁性体の磁化方向を制御するようにしても良い。このようにすることにより、電流によって制御する場合よりも消費電力を大幅に抑えることができるようになる。

（２）本発明によるスピン波スイッチング素子（図６及び７参照）は、入射スピン波の導波路である第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２の磁性体と、第２の磁性体と異なるスピン波の導波路となる第３の磁性体とを有している。そして、この第１の磁性体と第２の磁性体は、第１の接合界面で接合されている。また、第１の磁性体と第３の磁性体は、第２の接合界面で接合されている。当該第１の接合界面において、第１の磁性体から進行してきたスピン波の接合界面に対する入射角は、例えば４５度をなしている。また、第２の接合界面に入射してきたスピン波の第２の接合界面に対する入射角は、例えば４５度をなしている。ただし、この４５度に限定されるものではなく、利用形態や用いる磁性体の禁制帯幅によって決定することが可能である。また、第２及び第３の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、第２の磁性体における禁制帯幅より小さくなっている。そして、第１の磁性体へ入射し、第１の接合界面で透過或いは反射し、第１の接合面で反射したスピン波は、第２の接合界面で反射、或いは透過をするようになっている。このようにすることにより、入射してきたスピン波を、少なくとも２つの異なる経路（磁性体の方向）に振り分け、スピン波を用いたスイッチング素子を実現することができ、スピン波を情報伝達手段とする回路に応用することが可能となる。

この場合、例えば、第３の磁性体の磁化方向を、第２の磁性体の磁化方向に直交する方向に固定する。そして、磁化方向制御手段によって、第１の磁性体における磁化の向きを、第２の磁性体の磁化と平行或いは直交する方向に制御することにより、スピン波の進行方向を、第２の磁性体及び第３の磁性体間で切り替える。より具体的には、第１の磁性体と面接触する磁性半導体を設け、第１の磁性体と磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、第１の磁性体の磁化方向を制御する。電圧の印加がＯＮのとき、第１の磁性体の磁化方向は第２の磁性体と平行に制御され、このときスピン波は第１の接合界面を透過して第２の磁性体の方向に進行するように制御される。一方、電圧の印加がＯＦＦのとき、第１の磁性体の磁化方向は第３の磁性体と平行に制御され、このときスピン波は第２の接合面を透過して第３の磁性体の方向に進行するように制御される。磁化方向制御手段として、電圧印加によって電界を変化させて磁化方向を制御する手段他、磁場や電流を変化させて磁化方向を制御する手段等が考えられる。ただし、電圧印加による方法を用いた場合の方が、消費電力を大幅に抑えることが可能となる。

（３）本発明によるスピン波スイッチング素子（図８乃至９参照）は、第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２及び第３の磁性体と、入射スピン波の導波路である第４及び第５の磁性体と、を有する。第２乃至第５の磁性体は第１の磁性体を介して接合されている。第１乃至第５の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、第２乃至第５の磁性体の禁制帯幅よりも小さくなっている。そして、第４の磁性体或いは第５の磁性体から第１の磁性体に入射したスピン波は、第２の磁性体或いは第３の磁性体に透過するようになっている。このようにすることにより、２方向から入射してきたスピン波を異なる２方向に振り分けることができるスピン波スイッチング素子（スピン波セレクタスイッチ）を実現することができる。

この場合においても、磁化方向制御手段によって、第１の磁性体における磁化の向きを、第２の磁性体の磁化と平行な方向、或いは第３の磁性体の磁化と平行な方向に切り替えるようにする。そして、当該素子においては、第２及び第４の磁性体の磁化の向きは平行であり、第３及び第５の磁性体の磁化の向きは平行であり、第１及び第３の磁性体の磁化の向きは直交している。この場合、磁化方向制御手段によって、第１の磁性体における磁化の向きを、第２の磁性体の磁化の向きと平行な方向、或いは第３の磁性体の磁化の向きと平行な方向になる方向に切り替えることにより、第４の磁性体、及び／又は第５の磁性体に入射したスピン波の進行方向を制御するようになっている。

より具体的には、第１の磁性体と面接触する磁性半導体を設け、第１の磁性体と磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、第１の磁性体の磁化方向を制御する。（i）電圧の印加がＯＮのときは、第１の磁性体の磁化方向は第２の磁性体と平行に制御される。このとき、第４の磁性体に入射したスピン波は、第１の磁性体と第４の磁性体との第１の接合界面と、第１の磁性体と第２の磁性体との第２の接合界面を透過し、第２の磁性体の方向に進行する。一方、第５の磁性体に入射したスピン波は、第１の磁性体と第５の磁性体との第３の接合界面を透過し、第１の磁性体と第３の磁性体との第４の接合界面を反射し、当該反射したスピン波は、第２の接合界面を透過し、第２の磁性体の方向に進行する。（ii）電圧の印加がＯＦＦのとき、第１の磁性体の磁化方向は第３の磁性体と平行に制御される。このとき、第５の磁性体に入射したスピン波は、第３の接合界面及び第４の接合界面を透過し、第３の磁性体の方向に進行する。一方、第４の磁性体に入射したスピン波は、第１の接合面を透過して第２の接合界面に反射し、当該反射したスピン波は、第４の接合界面を透過し、第３の磁性体の方向に進行するように制御される。

（４）以上のようなスピン波スイッチング素子（スピン波セレクタスイッチ）を複数用いて、アレイ状に配列し、スピン波導波路を構成することが可能なる（図１１及び１７参照）。

１・・・第１の磁性体、２・・・第２の磁性体、３・・・第１の磁性体のスピン波バンド（Ｍｓ／／ｋ）、４・・・第２の磁性体のスピン波バンド（Ｍｓ／／ｋ）、５・・・第１の磁性体のスピン波バンド（Ｍｓ⊥ｋ）、６・・・磁性半導体、７・・・第１の反強磁性体、８・・・第３の磁性体、９・・・第４の磁性体、１０・・・第２の反強磁性体、１１・・・第５の磁性体、１２・・・ピエゾ素子、１３・・・ビア配線、１４・・・絶縁膜

Claims (13)

1. 入射スピン波の導波路である第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２の磁性体と、とを有し、
   前記第１の磁性体と前記第２の磁性体は第１の接合界面で接合されており、
   前記第２の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、
   前記第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、前記第２の磁性体における禁制帯幅より小さく、
   前記第１の磁性体へ入射されたスピン波は、前記第１の接合界面で反射、或いは透過をすることを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
2. 請求項１において、
   さらに、前記第１の磁性体における磁化の向きを、前記第２の磁性体の磁化と平行或いは直交する方向に制御する磁化方向制御手段を有することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
3. 請求項２において、
   さらに、前記第１の磁性体と面接触する磁性半導体を有し、
   前記磁化方向制御手段は、前記第１の磁性体と前記磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、前記第１の磁性体の磁化方向を制御することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
4. 請求項２において、
   さらに、前記第１の磁性体と面接触するピエゾ素子を有し、
   前記磁化方向制御手段は、前記第１の磁性体と前記ピエゾ素子の両端に電圧を印加することにより、前記第１の磁性体の磁化方向の制御することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
5. 請求項１において、
   さらに、前記第１の接合界面とは異なる第２の接合界面で前記第１の磁性体と接合され、前記第２の磁性体と異なるスピン波の導波路となる第３の磁性体を有し、
   前記第３の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、
   前記第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、前記第３の磁性体における禁制帯幅より小さく、
   前記第１の磁性体へ入射し、前記第１の接合界面で透過或いは反射し、前記第１の接合面で反射したスピン波は、前記第２の接合界面で反射、或いは透過をすることを特徴とするスピン波スイッチングデバイス 。
6. 請求項５において、
   前記第３の磁性体の磁化方向は、前記第２の磁性体の磁化方向に直交する方向に固定されており、
   さらに、前記第１の磁性体における磁化の向きを、前記第２の磁性体の磁化と平行或いは直交する方向に制御することにより、前記スピン波の進行方向を、前記第２の磁性体及び前記第３の磁性体間で切り替える磁化方向制御手段と、を有することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
7. 請求項６において、
   さらに、前記第１の磁性体と面接触する磁性半導体を有し、
   前記磁化方向制御手段は、前記第１の磁性体と前記磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、前記第１の磁性体の磁化方向を制御し、
   前記電圧の印加がＯＮのとき、前記第１の磁性体の磁化方向は前記第２の磁性体と平行に制御され、このとき前記スピン波は前記第１の接合界面を透過して前記第２の磁性体の方向に進行するように制御され、
   前記電圧の印加がＯＦＦのとき、前記第１の磁性体の磁化方向は前記第３の磁性体と平行に制御され、このとき前記スピン波は前記第２の接合面を透過して前記第３の磁性体の方向に進行するように制御されることを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
8. 第１の磁性体と、透過スピン波の導波路である第２及び第３の磁性体と、入射スピン波の導波路である第４及び第５の磁性体と、を有し、
   前記第２乃至第５の磁性体は前記第１の磁性体を介して接合されており、
   前記第１乃至第５の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、
   前記第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、前記第２乃至第５の磁性体の禁制帯幅よりも小さく、
   前記第４の磁性体或いは前記第５の磁性体から前記第１の磁性体に入射したスピン波は、前記第２の磁性体或いは前記第３の磁性体に透過することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス 。
9. 請求項８において、
   さらに、前記第１の磁性体における磁化の向きを、前記第２の磁性体の磁化と平行な方向、或いは前記第３の磁性体の磁化と平行な方向に切り替える磁化方向制御手段を有することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
10. 請求項９において、
    前記第２及び第４の磁性体の磁化の向きは平行であり、
    前記第３及び第５の磁性体の磁化の向きは平行であり、
    前記第１及び第３の磁性体の磁化の向きは直交しており、
    前記磁化方向制御手段は、前記第１の磁性体における磁化の向きを、前記第２の磁性体の磁化の向きと平行な方向、或いは前記第３の磁性体の磁化の向きと平行な方向になる方向に切り替えることにより、前記第４の磁性体、及び／又は前記第５の磁性体に入射したスピン波の進行方向を制御することを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
11. 請求項１０において、
    さらに、前記第１の磁性体と面接触する磁性半導体を有し、
    前記磁化方向制御手段は、前記第１の磁性体と前記磁性半導体の両端に電圧を印加することにより、前記第１の磁性体の磁化方向を制御し、
    （i）前記電圧の印加がＯＮのとき、
    前記第１の磁性体の磁化方向は前記第２の磁性体と平行に制御され、
    このとき前記第４の磁性体に入射した前記スピン波は、前記第１の磁性体と前記第４の磁性体との第１の接合界面と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との第２の接合界面を透過し、前記第２の磁性体の方向に進行し、
    前記第５の磁性体に入射したスピン波は、前記第１の磁性体と前記第５の磁性体との第３の接合界面を透過し、前記第１の磁性体と前記第３の磁性体との第４の接合界面を反射し、当該反射したスピン波は、前記第２の接合界面を透過し、前記第２の磁性体の方向に進行し、
    （ii）前記電圧の印加がＯＦＦのとき、
    前記第１の磁性体の磁化方向は前記第３の磁性体と平行に制御され、
    このとき前記第５の磁性体に入射した前記スピン波は、前記第３の接合界面及び前記第４の接合界面を透過し、前記第３の磁性体の方向に進行し、
    前記第４の磁性体に入射した前記スピン波は、前記第１の接合面を透過して前記第２の接合界面に反射し、当該反射したスピン波は、前記第４の接合界面を透過し、前記第３の磁性体の方向に進行するように制御されることを特徴とするスピン波スイッチングデバイス。
12. 複数の、請求項８に記載のスピン波スイッチングデバイスをアレイ状に配列して構成されることを特徴とするスピン波導波路。
13. スピン波スイッチングデバイスにおけるスピン波の進行方向を制御する方法であって、
    前記スピン波スイッチングデバイスは、入射スピン波の導波路である第１の磁性体と、前記第１の磁性体と第１の接合界面で接合され、透過スピン波の導波路である第２の磁性体と、前記第１の接合界面とは異なる第２の接合界面で前記第１の磁性体と接合され、前記第２の磁性体と異なるスピン波の導波路となる第３の磁性体と、前記第１の磁性体と面接触する磁性半導体と、を有し、
    前記第２及び第３の磁性体は、それぞれのスピン波バンド構造において禁制帯を有し、
    前記第１の磁性体のスピン波バンドの禁制帯幅は、前記第２及び第３の磁性体における禁制帯幅より小さく、
    前記方法は、
    前記第１の磁性体と前記磁性半導体との間に電圧の印加し、前記第１の磁性体の磁化方向を前記第２の磁性体と平行に制御し、前記スピン波を前記第１の接合界面を透過させて前記第２の磁性体の方向に進行させるステップと、
    前記電圧の印加をＯＦＦにし、前記第１の磁性体の磁化方向を前記第３の磁性体と平行に制御し、前記スピン波を、前記第２の接合面を透過して前記第３の磁性体の方向に進行させるステップと、
    を有することを特徴とする方法。

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