JP2017117884A

JP2017117884A - スピントルク型マイクロ波発振器

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Publication number: JP2017117884A
Application number: JP2015250062A
Authority: JP
Inventors: 礼子荒井; Reiko Arai; 利映松本; Toshiharu Matsumoto; 新治湯浅; Shinji Yuasa; 裕志今村; Hiroshi Imamura
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-06-29

Abstract

【課題】無磁界で発振する、円形も可能で形状によらず発振可能なスピントルク型マイクロ波発振器を提供する。【解決手段】本発明のマイクロ波発振器は、発振源となる磁気抵抗素子を含み、磁気抵抗素子は少なくとも自由層と固定層とその間に挟まれた非磁性層を含む。自由層は強磁性材料からなる、一軸異方性定数の二次の項(Ｋu2)が室温でゼロより大きく、かつ下記の式(１)を満足する垂直磁化膜である。但し、Ｋu1は一軸異方性定数の一次の項であり、μ0は真空の透磁率、Ｍsは飽和磁化であり、Ｋu2は一軸異方性定数の二次の項であり、Ｐは電流のスピン分極率である。さらに、固定層は面内磁化膜である。【選択図】なし

Description

本発明は、マイクロ波発振器に関し、より具体的には、無磁界で発振するスピントルク型マイクロ波発振器に関する。

スピントルク型マイクロ波発振器は、磁気抵抗素子(ＭＲ素子)を発振源とする発振器である。ＭＲ素子は、基本的には３層構造を有し、その構造は、自由層と固定層とその間に挟まれた非磁性層からなる。原理的には、ＭＲ素子には、巨大磁気抵抗効果(ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive Effect)を利用するＧＭＲ素子と、トンネル磁気抵抗効果(ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance Effect)を利用するＴＭＲ素子の２種類がある。

自由層も固定層も強磁性材料で作られる。いずれの層も薄い層(薄膜)であり、磁化容易軸の方向で面内磁化膜タイプと垂直磁化膜タイプがある。自由層の磁化の向きは比較的容易に反転し、逆に固定層の磁化の向きは容易には反転しない。磁化の根本は電子スピンであり、粗く言えば、電子スピンの集合体が磁化である。以下の説明では、電子スピンと言う場合と磁化と言う場合が混在する。固定層と自由層との間に直流電圧を印加すると、電子の持つ磁石の性質のため、自由層(強磁性材料)中の電子スピンが歳差運動し、素子の両端に高周波(マイクロ波)帯の交流電圧が現れる。換言すれば、マイクロ波が発振する。そのため、自由層を発振層と呼ぶことがある。

電子スピンには２種類の向きがあり、この違いが磁石のＮ極とＳ極を生み出す。電子スピンの向きは磁界や電流などから力(トルク)を受けて反転する。そのため、このようなＭＲ素子を使った発振器をスピントルク発振器(ＳＴＯ：spin torque oscillator)又はスピントルク型マイクロ波発振器と呼ぶ。なお、スピントルクをスピントランスファートルクと呼ぶこともある。スピントルク型マイクロ波発振器は、共振器や周波数を高めるための回路などを必要とせずに、マイクロ波帯の交流電圧を直接発生することができる。そのため、発振器を１００ｎｍ以下と小型化できる可能性があり、注目されている。

携帯電話やタブレット、ノートパソコンなどの携帯型電子機器は、直流電源である電池によって駆動するが、内部の発振器によって高周波(マイクロ波)信号を生成して高速な演算や無線通信を行っている。最近、携帯型電子機器の高速化、無線信号の高周波化などが一層進んだことから、より安価、より小型、より低消費電力のマイクロ波発振器の重要性が高まっている。

非特許文献１は、自由層(発振層)に垂直磁化膜、固定層に面内磁化膜を用いたＴＭＲ素子を用いて、発振パワー０.５５μＷ、半値幅４７ＭＨｚのマイクロ波を発振させることを開示している。非特許文献１に記載の発振器を含め、従来のスピントルク型マイクロ波発振器は、外部磁界の印加が必要である。実用上は、より小型化のために、無磁界で発振する発振器が望ましい。そのため、無磁界で発振する発振器もこれまでいくつか提案されている(非特許文献２及び３)。しかし、これらの発振器は形状磁気異方性を利用しており、そのため、上から見たときの形状が楕円である。

H.Kubota et al., Appl. Phys. Express 6, 103003 (2013) C.Fowley et al., Appl. Phys. Express 7, 043001 (2014) Z.Zeng et al., Sci. Rep. 3, 1426 (2013)

従来の無磁界で発振する発振器は、楕円形(アスペクト比＝０.８０〜０.８８)をしているため、小型化(高密度集積)しにくいという問題点を有している。楕円形より円形の方が小型化できる。本発明の目的は、無磁界で発振する、円形も可能で形状によらず発振可能なスピントルク型マイクロ波発振器を提供することにある。なお、本開示におけるマイクロ波とは、周波数０.３ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波を意味する。

本発明の一態様では、マイクロ波発振器は、発振源となる磁気抵抗素子を含み、磁気抵抗素子が少なくとも自由層と固定層とその間に挟まれた非磁性層を含み、自由層が強磁性材料からなる、一軸異方性定数の二次の項(Ｋ_u2)が室温でゼロより大きく、かつ下記の式(１)を満足する垂直磁化膜であり、

但し、Ｋ_u1は一軸異方性定数の一次の項であり、μ₀は真空の透磁率、Ｍ_sは飽和磁化であり、Ｋ_u2は一軸異方性定数の二次の項であり、Ｐは電流のスピン分極率であり、さらに、固定層が面内磁化膜である。

本発明の一態様では、マイクロ波発振器は、小型化(高密度集積)を考えると、素子は円形であることが好ましい。この場合、「円形」とは、真円に限らず、実用化の都合で円に近い楕円(アスペクト比０.９以上１未満)でもよい。

本発明の一態様では、マイクロ波発振器は、スピン分極率Ｐが０.１〜１であって、かつ、上記の式(１)の左辺の値が０.００００３７以上(Ｐ＝０.１のとき)であることが好ましい。左辺の値の上限は、理論上は無限大(∞)である。Ｐ＝０.９のときは、左辺の値は０.５７４８８８〜∞(理論上)、Ｐ＝０.９９のときは、左辺の値は３.７０３３〜∞(理論上)であることが好ましい。

本発明によれば、無磁界下で発振するスピントルク型マイクロ波発振器を得ることができる。なお、発振器の形状は円形に限るものではなく、楕円、正方形、長方形その他の形状であって良いが、円形発振器とした場合、従来の楕円形発振器に比べ、不要な高調波成分が少ないか又は含まない利点を有する。

本発明の一実施形態の円形の磁気抵抗素子(発振器)を斜め上から見た図である。本発明の一実施形態のスピントルク発振中の自由層の磁化の軌道(トラジェクトリ)を説明するための概念図である。本発明の一実施形態の発振の１周期について時間平均したＷ／αの極角依存性を説明するためのグラフである。本発明の一実施形態の発振状態の極角の規格化電流(β／α)依存性を示すグラフであり、実線は式(１２)を、破線は式(８)を表す。本発明の一実施形態の規格化した臨界電流の異方性定数比依存性を示すグラフであり、実線は式(１３)を、破線は式(１４)を表す。挿入図は四角で囲んだ部分の拡大図である。本発明の一実施形態の発振周波数の規格化電流依存性を示すグラフであり、実線は式(２１)より得られる周波数を示す。本発明の一実施形態の規格化した周波数の異方性定数比依存性を示すグラフであり、実線は式(２２)を、破線は式(２３)を表す。本発明の実施例１のＦｅＢ自由層を用いたＴＭＲ素子の発振特性を表すグラフである。本発明の実施例２のＣｏＦｅＢ自由層を用いたＴＭＲ素子の発振特性を表すグラフである。

本発明の実施形態の説明の前に、本発明に至る背景について最初に説明する。これまで発振源としてのＭＲ素子では、一軸性の異方性定数(Ｋ_u1、Ｋ_u2)のうち、二次の項(Ｋ_u2)は比較的小さいので無視されてきた。鋭意研究の結果、本発明者らは、この無視されてきた二次の項(Ｋ_u2)に着目し、室温(３００ケルビン)で二次の項(Ｋ_u2)がゼロより大きい特殊な垂直磁化膜を自由層に用い、固定層に面内磁化膜を用いることにより、円形であっても楕円その他の形状であっても形状によらず無磁界下でマイクロ波発振が可能であることを見出し、本発明を成すに至った。

図面を参照しながら本発明の磁気抵抗素子の一実施形態について説明する。以下の説明では円形(円柱形)の磁気抵抗素子を例にとり説明する。なお、円形(円柱形)以外の磁気抵抗素子でも本発明が成り立つことは既に上述した通りである。図１は、概念図であり、円形(円柱形)の磁気抵抗素子(即ち発振器)を斜め上から見たものである。自由層１と固定層３の磁化方向をそれぞれ単位ベクトルｍ、ｐで表す。電流を印加しない場合、自由層１の磁化は一軸異方性によって＋Ｚ軸方向に向く。固定層３の磁化は＋Ｘ軸方向に固定する。正の電流が所定のしきい値を超えて流れると自由層１の無磁界下での発振が励起される。

（１）不動点の解析
一次および二次の一軸異方性がある場合、自由層のエネルギーＥは、次の式(２)で表される。

ここでθはｍの極角である。φをｍの方位角とすると、ｍ＝(sinθcosφ, sinθsinφ, cosθ)と表せる。エネルギーＥは、この系が円形軸対称なので方位角φに依存しない。第１、第２項は磁気異方性によるエネルギーで、Ｋ_u1、Ｋ_u2は上記の通りそれぞれ一次、二次の一軸異方性定数である。第３項は反磁界エネルギーでＥ_d＝μ₀(Ｍ_s ²／２)と書け、μ₀は真空の透磁率、Ｍ_sは自由層の飽和磁化である。ここでは自由層が十分薄く、また円形であるので、Ｅ_dが磁化ｍのｚ成分ｍ_z項のみで表せる。

磁化ｍに働く有効磁界は次の式(３)で表される。

ここでＨ₁ ^eff＝(Ｈ₁−Ｍ_s)、Ｈ₁＝２Ｋ_u1／(μ₀ Ｍ_s)、Ｈ₂＝２Ｋ_u2／(μ₀ Ｍ_s)、であり、ｅ_zは＋Ｚ方向の単位ベクトルである。

無次元のＬＬＧ方程式(ランダウ＝リフシッツ＝ギルバート方程式＝磁界中での磁化(ベクトル)の歳差運動を記述する微分方程式は、次の式(４)で表される。

ここで、τ=γＭ_stは無次元の時間、γは磁気回転比、ｈ_eff＝Ｈ_eff／Ｍ_sは無次元の有効磁界、Ｐ(＝０〜１)は電流のスピン分極率、αはギルバートの減衰定数である。本発明の一実施形態では、αが０.０５以下特に０.０４〜０.００５の範囲が好ましい。好ましい理由は、Ｐが０.５より小さいとき、発振が容易であるからである。

無次元の有効磁界ｈ_effは、ｈ_eff＝g(θ)cosθe_zと書け、ここでg(θ)＝κ₁ ^eff＋２κ₂sin²θである。κ₁ ^effはκ₁ ^eff=κ₁−１である。κ₁はκ₁＝Ｋ_u1／Ｅ_dであり、κ₂はκ₂＝Ｋ_u2／Ｅ_dである。式(４)の第二項の分母はスピントルクの角度依存性を表している。固定層(面内磁化膜)の磁化はｐ＝(１，０，０)である。スピントルク係数βは、次の式(５)で表される。

ここで、ｈはプランク定数、Ｉは電流、ｅ(＞０)は電荷、Ｖは自由層の体積である。電子が自由層から固定層の方向に流れる場合、Ｉを正と定義する。

ところで、式(４)の極座標表示は、次の式(６)、式(７)で表される。

式(６)の左辺＝０とβ＞０に注意すると、不動点の極角と方位角がcosθ＝０又はcosφ＝０を満たす。cosθ＝０の場合、式(７)にθ＝π／２を代入すると(θ＝π/２，φ＝０)と(θ＝π／２，φ＝π)の不動点を得る。cosφ＝０の場合は式(７)にφ＝±(π／２)を代入し、β＞０と０≦θ≦(π／２)に注意すると、不動点の方位角はφ＝−(π／２)でなければならない。

一方、不動点の極角は次の式(８)で与えられる。

β→０の極限では、この不動点はθ＝０つまりｍ_z＝１である。βが大きくなると極角は大きくなる。もし、βがある臨界値を超えると、自由層の磁化の定常発振がおこる。

（２）スピントルク発振の解析
磁化の歳差運動の一周期分のエネルギー変化に対する時間平均Ｗは、次の式(９)で表される。

ここで、Ｗ_ｓは、スピントルクからの寄与であり、Ｗ_ｄは、ダンピングによる散逸の寄与である。図２は概念図であり、スピントルク発振中の自由層の磁化の軌道(トラジェクトリ)である。Ｗ_ｓ、Ｗ_ｄは、極角θが発振の間、一定であることを用いて、次の式(１０)、式(１１)で表される。

図３に、時間平均したエネルギー変化をθの関数として示す。スピントルク係数βについていくつか異なる値の結果が示されている。図３の上の図ではκ₂＝０.２、下の図ではκ₂＝０とした。上の図ではβ＝４α、５α、６α(α：減衰定数)があるθでゼロを横切っている。この結果はβ＝４α、５α、６αに対して安定発振が起こることを示しており、そのときの極角θは(Ｗ／α)＝０を満たす条件から得られる。一方、図３の下の図ではβを変えてもゼロの軸と交わらない。つまり、安定発振が起こらないことを意味する。(Ｗ／α)＝０を解くことで、安定発振を起こすスピントルク係数を求めることができ、次の式(１２)を得る。

なお、スピントルク発振はスピントルクとダンピングの競合によっておこる現象であるので、式(１２)はαで規格化している。

図４に、β／αの関数として安定発振と不動点の極角をプロットした。パラメータ(物性値)はκ₁ ^eff＝０.４、κ₂＝０.２、Ｐ＝０.５、α＝０.０１である。実線が式(１２)、点線が式(８)である。βは二つの特徴的な値をもつ。一つは、発振が始まる臨界電流(式(５)からその電流Ｉでのβが求まる)に相当するもので、β_c ⁽¹⁾と書く。もう一つは、発振が終わる(不動点ｍ_x＝−１に磁化の向きが固定し磁化の歳差運動が止まる)臨界電流(同じく式(５)からその電流Ｉでのβが求まる)に相当するもので、β_c ⁽²⁾と書く。β_c ⁽¹⁾の厳密な値を求めるためには、極角の臨界値θ_cを求めなくてはならない。θ_cは式(１２)と式(８)が等しいとする方程式を解くことで得られ、β_c ⁽¹⁾はθ_cを式(１２)に代入して得られる。ここで図４のパラメータ(κ₁ ^eff等)を用いるとθ_c＝０.０８を得る。θ_cの値は十分小さいので、式(１２)から、θ→０の極限をとることにより近似的に次の式(１３)を得る。

ここで、β_c ⁽¹⁾がκ₂に依存しないことに注意する。安定発振を起こすには、スピントルクによるエネルギーゲインとダンピングによるエネルギーロスが釣り合わなければならない。κ₁によるダンピングトルクは、無磁界下(磁界ゼロ)での安定発振を起こすには小さすぎる。β_c ⁽¹⁾はκ₁に比例するので、κ₁によりダンピングトルクが増加するとβ_c ⁽¹⁾でのスピントルクも増加する。したがって、どのようなκ₁においても安定発振を維持することはできない。一方、式(１３)で示したようにβ_c ⁽¹⁾はκ₂に依存しないので、κ₂によるダンピングトルクはβ_c ⁽¹⁾を増加させない。したがって、κ₂を考慮することにより適当な条件下で安定発振を実現することができる。この安定発振を実現するための条件については以下で述べる。

βのもう一つの特徴的な値として、式(１２)でθ→(π／２)の極限をとることより次の式(１４)を得る。

式(１４)より得られる極限のβ_c ^(２)を式(５)に代入して電流Ｉを求めることができる。求めた電流Ｉ即ち臨界電流は、発振が終わる(止まる)しきい電流であり、それ以上の電流を流すと、磁化はｍ_x＝−１で向きが固定し磁化の歳差運動が止まる。

図５に、式(１３)と式(１４)で与えられる「β_c ⁽¹⁾／(α κ₁ ^eff)」と「β_c ^(２)／(α κ₁ ^eff)」を「κ₂／κ₁ ^eff」に対してそれぞれ実線と点線でプロットした。κ₂以外のパラメータは図４と同じである。図５の挿入図として０＜(κ₂／κ₁ ^eff)＜０.１の範囲の拡大図も示した。実線と点線は「κ₂／κ₁ ^eff＝０.０２５」で交わっており、これ以下では安定発振は得られない。式(１３)と式(１４)より、β_c ⁽²⁾＞β_c ⁽¹⁾の不等式を解くと、スピントルク発振を与える異方性定数の条件が、次の式(１５)として導ける。

κ₁ ^effとκ₂の定義から、式(１５)は、既出の式(１)のように変形することができる。式(１)が本発明の本質を成す。室温で二次の項(Ｋ_u2)がゼロより大きく、式(１)を満足する自由層を用いれば、固定層に面内磁化膜を用いることにより、円形であっても無磁界下でマイクロ波発振が可能となる。

（３）電流に依存する発振周波数の解析
式(６)と式(７)から下記の式(１６)、式(１７)を得る。

歳差運動中に極角が一定であるという近似から次の式(１８)を得る。

式(１８)を式(１７)に代入すると次の式(１９)を得る。

振動の周期Ｔは次の式(２０)で表される。

最終的に、発振周波数ｆ＝１／Ｔとして、次の式(２１)を得る。

発振周波数ｆは、式(１２)を通して電流(β／α)と関係づけられる。

図６に、発振周波数ｆをβ／αに対してプロットした。パラメータは図４と同じである。実線は式(２１)を示す。式(１３)の導出と同様にして、β_c ⁽¹⁾における臨界周波数ｆ_cの近似的な表式である次式(２２)が得られる。

発振周波数ｆの極値を求めると、もし、異方性定数が条件「(κ₂／κ₁ ^eff)＞(１／４)」を満たす場合、発振周波数ｆはｆ_c以外の最大値ｆ_maxを与える。最大値ｆ_maxは、次の式(２３)のように書ける。

一方、「(κ₂／κ₁ ^eff)＜(１／４)」の場合、発振周波数ｆの最大値ｆ_maxはｆ_cである。κ₁ ^effで規格化したこれらの周波数ｆ_c／κ₁ ^eff及びｆ_max／κ₁ ^effを図７に示す。パラメータは図５と同じである。実線と点線はそれぞれ式(２２)と式(２３)である。「(κ₂／κ₁ ^eff)＞(１／４)」を満たす場合は、式(２３)で示されるように、ｆ_max／κ₁ ^effはκ₂の増加とともに単純に増加する。

次に本発明の磁気抵抗素子の実施態様について、その構成、組成、特性、あるいは製法の面から説明する。
１．自由層(垂直磁化膜)
自由層を構成する材料は、強磁性材料である。強磁性材料としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉまたはそれらの合金(例えばＦｅＣｏ)が代表的である。これらにＢ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖなどを添加した合金ＦｅＢ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＢＳｉ、ＦｅＣｏＢＴｉ、ＦｅＣｏＢＣｒ、ＦｅＣｏＢＶなどを用いることもできる。また、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄなどの合金又はそれらの合金を積層した合金、これらにＢ、Ｃｒなど添加した合金を用いることができる。積層した合金としては、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ(１１１)、Ｃｏ／Ｐｄ(１１１)、Ｃｏ／Ｎｉ(１１１)なども使用可能である。

重要な点は、上記した材料で構成された自由層が、垂直磁化膜であって、その膜の一軸異方性定数の二次の項(Ｋ_u2)が室温でゼロより大きく、かつ、式(１)を満足する物性(パラメーター)を持つことである。自由層の物性(パラメータ)は、一般に材料、組成比、膜厚、構造、製法、界面の状況などの要因によって変わる。しかし、再現性はあるので、予備実験で自由層だけを成膜し、その膜状態で各物性を測定する。そして、本発明の条件を満足する垂直磁化膜を自由層としてＭＲ素子(発振器)を製作すればよい。

自由層の(結晶)構造は、単結晶、多結晶、部分的結晶、テクスチャー(texture)、微結晶(nano-crystal)又は非晶質、それらの混合系などである。自由層の膜厚は余り薄くなると、連続膜を作るのが難しくなるという問題が発生する。逆に自由層の膜厚が余り厚くなると、それに比例して大きい電流を流さないとスピントルク発振が起きないという問題が発生する。従って、自由層の膜厚は、一般的には例えば１〜１０ｎｍ程度であり、好ましくは１〜３ｎｍ程度である。

２．非磁性層
自由層と固定層との間に位置する非磁性層の材料は、既に知られているが、(１)非磁性金属(ＧＭＲ素子)と(２)絶縁体(ＴＭＲ素子)に分けることができる。ＴＭＲ素子の場合、非磁性層はトンネル障壁層とも呼ばれる。本発明の一実施形態のＭＲ素子では、非磁性層にこれらの従来の材料を用いることができる。以下にその具体例を示す。
（１）非磁性金属の場合
例えばＣｕ、Ａｇ、Ｃｒなどを含む金属・合金が使用できる。非磁性層の厚さは、例えば０.３ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。特に、大きなＭＲ比を実現するＣｕ、Ａｇを含む金属・合金を用いた場合、その厚さは例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
（２）絶縁体の場合
例えばＭｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃａ、Ｌｉ等の酸化物、窒化物、ハロゲン化物等の様々な誘電体を使用することができる。特に、大きなＭＲ比と小さな面抵抗を両立するＭｇＯ(酸化マグネシウム)を使うことが好ましい。酸化物、窒化物を非磁性層に用いる場合は、その酸化物、窒化物の中に酸素、窒素欠損が多少存在していてもかまわない。非磁性層の厚さは、例えば０.３ｎｍ〜２ｎｍ程度である。

３．固定層(面内磁化膜)
固定層は面内方向に容易磁化軸を持つ面内磁化膜である。固定層も強磁性材料で構成される。そのような材料の例を次に示す。Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの鉄系又は鉄系合金(例えばＦｅＣｏ)が代表的な材料である。これらにＢ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｖなどを添加した合金(例えば、ＦｅＢ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＢＳｉ、ＦｅＣｏＢＴｉ、ＦｅＣｏＢＣｒ、ＦｅＣｏＢＶなど)を用いることもできる。

固定層の膜厚について述べる。固定層が余り薄くなると、電流や熱に対する磁化方向の安定性が低下するという問題が発生する。また、連続膜を作るのが難しくなるという問題も発生する。逆に固定層が余り厚くなると、固定層から自由層への漏洩磁界が大きくなる問題と微細加工が難しくなる問題が発生する。従って、固定層の膜厚は、一般的には例えば２〜１００ｎｍであり、好ましくは自由層より厚い、厚さ２〜１０ｎｍ程度である。

４．スピン分極率Ｐ
所望のスピン分極率Ｐを得るための方法について述べる。スピン分極率Ｐは上記した各層の組成や成膜方法、自由層、非磁性層、固定層の組み合わせで変化させることができる。例えば、分極率ＰはＦｅでは０.４０〜０.４８、Ｃｏでは０.３５付近、Ｎｉでは０.２３付近であり、合金では例えばＦｅＣｏでは０.５〜０.６、Ｃｏ_２ＦｅＡｌでは０.５６付近である。しかし、これらの値は層の成膜条件や測定方法によって多少前後する。

スピン分極率Ｐを大きくしたい場合は、ハーフメタルと呼ばれる材料の候補を用いることができる。ハーフメタルになりうる材料の構造としては遷移金属酸化物のスピネル構造やペロブスカイト構造や閃亜鉛鉱型化合物、ホイスラー合金などが知られている。例えば、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｌａ_0.7Ｓｒ_0.3ＭｎＯ₃などのスピネル構造、ペロブスカイト構造をもつ遷移金属酸化物、あるいはＣｏ、Ｍｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｎｉなどを含むホイスラー合金を用いることができる。また、ホイスラー合金では４元素を組み合わせた組成において、第４元素の添加量(濃度)によってスピン分極率Ｐを制御できる。従って、元素添加の手法により上記した自由層の条件を満たしつつスピン分極率Ｐの制御が可能である。

更に、強磁性材料が同じ場合でも、非磁性層との組み合わせや、それに伴う格子欠陥の有無といった界面の状態の違い、磁性層の成膜条件(アニーリングの有無や、ある場合には温度や時間などの諸条件)によってスピン分極率Ｐを変えることができる。最も単純な理論モデルによれば、ＴＭＲ比とスピン分極率Ｐは比例関係にあるので、ＴＭＲ比の制御方法によってもＰを変えることができる。具体的な方法は既に述べたように、各層の成膜条件や層の組み合わせで変えることができる。現実的にはＧＭＲ素子でＰ＝０.３〜１、ＴＭＲ素子でＰ＝０.５〜１が好ましい。

５．製法
上述した各層は、非常に薄いので基板の上に真空薄膜形成技術によって作製できる。そのような技術としては、例えば、スパッタリング法、蒸着法、ＭＢＥ法、ＡＬＥ法、ＣＶＤ法等の従来からある技術を適宜選択的に用いることができる。

以上、基本的な自由層、非磁性層及び固定層の３層だけを説明した。しかし、これらに加えて、本発明の目的に反しない限り、場合により、取出し電極層、固定層の磁化方向を保持すべく支援する支援層、自由層の容易磁化方向を調整すべく支援する支援層、キャッピング層などの層を付加しても良い。さらに、マイクロ波発振器として必要な配線やアンテナ、付加回路などを設けて良い。

半径２５ｎｍ、膜厚２ｎｍの円形のＦｅＢ垂直磁化膜を自由層に用い、非磁性層にＭｇＯ、固定層に面内磁化膜を用いたＴＭＲ素子を作製した。そのＴＭＲ素子の発振特性を図８に示す。ＦｅＢ垂直磁化膜のＦｅＢ合金は強磁性材料である。この垂直磁化膜のパラメータ及び分極率Ｐの値は以下の通りである。いずれも室温での数値である。
Ｍ_s＝１.４４８ＭＡ／ｍ、減衰定数α＝０.００５、Ｐ＝０.５
Ｋ_u1＝１３４６.５ｋＪ／ｍ³、
Ｋ_u2＝２.７６ｋＪ／ｍ³ (κ₁ ^eff＝０.０２２、κ₂＝０.００２１に相当)、
(κ₁ ^eff＝(Ｋ_u1／Ｅ_d)−１、κ₂＝Ｋ_u2／Ｅ_d)
この場合、κ₁ ^effおよびκ₂から式(１)の左辺の値は０.０９５となり、Ｐ＝０.５から式(１)の右辺の値は０.０２５となるので、式(１)の条件を満たす。

半径２６.５ｎｍ、膜厚１.６ｎｍの円形のＣｏＦｅＢ垂直磁化膜を自由層に用い、非磁性層にＭｇＯ、固定層に面内磁化膜を用いたＴＭＲ素子を作製した。そのＴＭＲ素子の発振特性を図９に示す。このＣｏＦｅＢ垂直磁化膜のパラメータ及び分極率Ｐは以下の通りである。いずれも室温での数値である。
Ｍ_s＝１.１９ＭＡ／ｍ、減衰定数α＝０.０１３、Ｐ＝０.５、
Ｋ_u1＝１０２０.７ｋＪ／ｍ³、
Ｋ_u2＝１２.８ｋＪ／ｍ³ (κ₁ ^eff＝０.１４７、κ₂＝０.０１４４に相当)、
(κ₁ ^eff＝(Ｋ_u1／Ｅ_d)−１、κ₂＝Ｋ_u2／Ｅ_d)
この場合、κ₁ ^effおよびκ₂から式(１)の左辺の値は０.０９８となり、Ｐ＝０.５から式(１)の右辺の値は０.０２５となるので、式(１)の条件を満たす。

以上、本発明を実施するための形態(実施例)について、図を引用しながら説明した。しかし、本発明はこれらの形態(実施例)に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた形態・態様で実施できるものである。

本発明のマイクロ波発振器は、携帯電話、移動体通信、ラジオ、テレビなどの通信機器、放送機器、ハードディスクなど磁気記録媒体に対する記録するためのマイクロ波アシスト記録用磁気ヘッドなどに利用することができる。

１：自由層
２：非磁性層
３：固定層

Claims

無磁界で発振するスピントルク型マイクロ波発振器であって、
発振源となる磁気抵抗素子を含み、
前記磁気抵抗素子が少なくとも自由層と固定層とその間に挟まれた非磁性層を含み、
前記自由層が強磁性材料からなる、一軸異方性定数の二次の項(Ｋ_u2)が室温でゼロより大きく、かつ下記の式(１)を満足する垂直磁化膜であり、

但し、Ｋ_u1は一軸異方性定数の一次の項であり、μ₀は真空の透磁率、Ｍ_sは飽和磁化であり、Ｋ_u2は一軸異方性定数の二次の項であり、Ｐは電流のスピン分極率であり、
前記固定層が面内磁化膜である、マイクロ波発振器。
前記磁気抵抗素子の形状が円形である、請求項１に記載のマイクロ波発振器。
前記スピン分極率Ｐが０.１〜１であって、前記式(１)の左辺の値が０.００００３７以上である、請求項１又は２に記載のマイクロ波発振器。