JP2018164054A - 磁性素子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子の通過特性を改善する。【解決手段】磁化自由層と、磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層とに挟まれたスペーサ層とを有し、バイアス電流と磁場と高周波信号とが印加されることでスピントルク発振を行う磁気抵抗効果素子と、磁化自由層のスペーサ層と反対側の面に積層され、磁気抵抗効果素子にバイアス電流を印加する第１電極層と、磁化固定層のスペーサ層と反対側の面に積層され、磁気抵抗効果素子にバイアス電流を印加する第２電極層と、第１電極層、磁気抵抗効果素子、第の電極層を収容する磁場供給機構と、を備え、磁場供給機構の一の磁極は第１電極層と対向して接触している。【選択図】図１

Description

本発明は、磁性素子に関するものである。

電子の電荷を応用したエレクトロニクスの分野に対して、電子の電荷とスピンとを同時に利用するスピントロニクスの分野が、近年注目されている。スピントロニクスは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance）効果やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance effect）に代表される磁気抵抗効果素子の急速な発達により、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）や磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）といった形態で、産業に大きく貢献している。
磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性体のスピンが伝送されることにより、他方の強磁性体のスピンを回転させるエネルギー（スピントランスファートルク、以下、ＳＴＴともいう。）が生じることが知られている。このＳＴＴと、外部磁界によるトルクとが拮抗した際に、磁性体は固有の周期（強磁性共鳴周波数）で歳差運動を行う。この現象を利用して、高周波の発振、検波、ミキサー、フィルタといったデバイスの産業利用が提案されてきている。磁気抵抗効果素子の高周波特性は、印加磁界及びＳＴＴによって制御されることが知られている。
磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用する素子（以下、磁性素子という。）は、上記した印加磁界によって制御可能であるが、印加磁界の強度及び方向を広範囲かつ可変に制御可能な磁界印加機構を含んだ素子構造が求められている。

ここで、磁気抵抗効果素子とは、後述する磁化自由層・スペーサ層（中間層）・磁化固定層を持つ磁性多層膜を膜面に対し垂直方向に柱状に加工し、電流が膜面に対して垂直方向に流れる構造を持つ素子である。磁気抵抗とは、外部磁界を与えることにより、磁化自由層の磁化の方向が変化し、結果として素子の抵抗値が変化する現象である。磁化自由層の磁化による歳差運動は、磁化自由層と磁化固定層との相対磁化方向の周期的な変動となるため、磁気抵抗効果素子の抵抗値が周期的に変動する。

近年、磁気抵抗効果素子において、電流による磁化反転が起こることが見出された。これまで、磁気抵抗素子の抵抗値を変化させるためには、外部磁化を与えることにより磁化自由層の磁化の向きを変えることでしかなし得ないと考えられていたが、電流により磁化自由層の磁化の向きを変えることができるということが新たに見出された。これによれば、磁化固定層から磁化自由層にＳＴＴが注入され、歳差運動を減衰させずに保持するといった制御や、歳差運動を増幅するといった制御を行うことができる。
スピントロニクス特有の現象を応用した製品の中で注目されている現象の一つが、図９に示すように、上部電極５と下部電極２との間に、上部電極５の下面とスペーサ層３４の上面との間に積層される磁化自由層３５と、スペーサ層３４と、スペーサ層３４の下面と下部電極２の上面との間に積層される磁化固定層３３とが積層された磁気抵抗効果素子３によるスピントルク発振である。この構造を備えた磁気抵抗効果素子３に、直流電流を印加するのと同時に、磁場供給機構によって磁場を印加する。これにより、磁気抵抗効果素子３にスピントルク発振を起こさせ、スピントルク発振が発生すると磁気抵抗効果素子３の抵抗値が周期的に変化する。その結果、このスピントルク発振の周波数と同じ周波数の交流電流が磁気抵抗効果素子３から出力される。このスピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子３に印加される磁場が強くなるにつれて、磁気抵抗効果素子３のスピントルク発振周波数は高くなる。また、スピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子３へ流れる直流電流の電流密度が変化してスピントランスファートルクの量が変化すると、磁気抵抗効果素子３のスピントルク発振周波数が変化する。

磁気抵抗効果素子３に交流電流を印加すると、交流電流の周波数と歳差運動の周期とが一致する場合に、磁気抵抗効果素子３を電流が透過する。すなわち、所定の周波数で急激にインピーダンスが変化するデバイスである共振器としての機能を発揮する。そして、歳差運動の周期は、外部磁場の強度や磁気抵抗効果素子３へ流れる直流電流の電流密度によって変化させることができるため、外部磁場の強度に応じてインピーダンスが変化する周波数を調整することが可能となる。この性質により、周波数選択性（チューナブル性）を有するフィルタ、共振器として利用することができる。なお、歳差運動を誘起、保持するためには、外部直流磁場、直流電流によるＳＴＴ以外に、外部交流磁場、スピン起動相互作用を用いたトルクであるスピン起動トルク、高周波電流によっても制御することが可能である。

特許文献１には、磁気抵抗効果素子に十分な強度の磁界を印加する磁性素子として、図１０に示す磁性素子１０の平面図、及び図１１に示す図１０のＡ−Ａ線に沿った断面図が開示されている。
図１０に示すように、磁性素子１０は、磁気抵抗効果素子３を挟んでＸ軸方向及びＹ軸方向に対向して配設された４つの平板状の第１軟磁性層４と、電流による磁場発生源としての機能を有するコイル７と、コイル７と磁気的に接続された環状の第２軟磁性層６とを備えている。第１軟磁性層４の各々の一部と第２軟磁性層６の一部は、磁気抵抗効果素子３の積層方向に重なるように配設されている。
また、図１１に示すように、磁性素子１０では、基板１上に、下部電極２、磁気抵抗効果素子３及び上部電極５がこの順で積層されている。磁気抵抗効果素子３のＸ軸方向両側には、第１軟磁性層４が配設されている。上部電極５のＸ軸方向両側には、第２軟磁性層６が配設されている。また、各層の層間には絶縁層８が配設されている。
下部電極２は、上部電極５と一対の電極としての役目を備えている。下部電極２及び上部電極５は、磁気抵抗効果素子３に対して、磁気抵抗効果素子３を構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果素子３を構成する各層の面に対して垂直な方向（磁気抵抗効果素子３の積層方向）に電流を流すための一対の電極としての機能を有している。
第１軟磁性層４は、第２軟磁性層６と磁気的に結合しており、第２軟磁性層６から放出される磁束を取り込み、磁束を集中させて所望の磁界を磁気抵抗効果素子３に印加するための層である。
このように、第１軟磁性層４の先端部の間に磁気抵抗効果素子３が配設され、第１軟磁性層４は第２軟磁性層６に磁気的に接続されており、第２軟磁性層６から発生した磁場が第１軟磁性層４を通して磁気抵抗効果素子３に印加される。

特開２０１５−１６７２２４号公報

高周波スピントロニクスでは、磁気抵抗効果素子にバイアス電流（又はバイアス電圧）及び高周波信号を印加すると共に外部磁界を印加することにより歳差運動が発生し、磁気抵抗効果素子から高周波信号が発生する。
磁気記録ヘッドの一例であるマイクロ波アシスト磁気記録ヘッドでは、記録ヘッドのギャップ部分に磁気抵抗効果素子を挟み込み、記録磁界を印加すると共に、磁気抵抗効果素子に磁界を印加する。そして、記録ヘッドの一部をバイアス回路として使用し、磁気抵抗効果素子にバイアス電流を印加する構造となっている。

このマイクロ波アシストヘッドについて、図１２を用いて簡単に説明する。垂直磁気記録媒体５０は、超平滑・耐熱非磁性基板５６上に、軟磁性下地層５５、磁性膜からなる第一、第二の記録層５４、５３、さらに保護層５２、及び潤滑層５１などが積層されて構成される。矢印５７、５８は、それぞれ垂直磁気記録媒体５０に記録された上向きの磁化、下向きの磁化を示す。このように、マイクロ波アシストヘッドでは、垂直磁気記録媒体５０の磁気特性を変化させることにより、記録密度が上がり、記録容量が大きいＨＤＤを得ることができる。
記録ヘッド部２９は、記録ギャップ部２５での強く均一なスピントルク型高周波発振素子（ＳＴＯ：Spin Torque Oscillator）発振制御磁界２６及び記録磁界２１を発生するための第１、第２の記録磁極２２、２４、高周波磁界４５の回転方向、発振周波数などを発振制御磁界２６で制御するために記録ギャップ２５内に設けられた高周波磁界発振素子部（ＳＴＯ）４０、記録磁極を励磁するためのコイル２３などから構成される。

マイクロ波アシストヘッドでは、記録磁界が記録ギャップ部２５に集中するような磁極構造とすることで、ＳＴＯ（スピントルク型高周波発振素子）の効率的な発振に必須の、ギャップ部２５内での強く均一な磁界を得ることができ、従来の磁気ヘッドに比べスピントルク型高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０の発振性能、記録アシスト効果を飛躍的に高めることができる。
スピントルク型高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０は、高周波磁界発生層ＦＧＬ４１と、非磁性-導電性材料などからなる中間層４２と、高周波磁界発生層ＦＧＬ（Field Generation Layer）４１にスピントルクを与えるためのスピン注入層４３などから構成される。スピントルク型高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０には直流電源（電圧駆動若しくは電流駆動）４４により、スピン注入層４３側から電流を流し、高周波磁界発生層ＦＧＬ４１のマイクロ波発振を駆動する。また、図１２では、高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０の駆動電流源（若しくは電圧源）や電極部を模式的に符号４４で表したが、記録磁極２２、２４を、例えば記録ヘッド後端部２７で磁気的には結合、電気的には絶縁せしめ、さらにギャップ部２５ではそれぞれを高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０の側面と電気的に接続することで、記録磁極２２、２４に電極を兼用させてもよい。

このようなマイクロ波アシストヘッドの構造に近い構造で構成される高周波スピントロニクスでは、以下に述べるような課題が存在する。まず、図１２のスピントルク型高周波発振素子部（ＳＴＯ）４０のような磁気抵抗効果素子に磁場供給を行うためには、バイアス電流を印加するバイアス回路（図１２の場合、直流電源４４）を磁性材料で構成する必要がある。しかしながら、磁性材料は高周波伝送特性が劣るため、磁気抵抗効果素子に印加する高周波信号の損失を小さくすることは困難である。一般的な磁性素子の場合、磁気抵抗効果素子に駆動電流を供給する電極と、磁場を印加する磁気回路との間に空間が存在し、その空間がキャパシタ（静電容量）を構成して容量結合してしまう。その結果、磁気抵抗効果素子に印加する高周波信号が、高周波帯域におけるインピーダンスが小さいキャパシタに流れてしまい、磁気抵抗効果素子３に対して十分な量の高周波信号を印加することができなくなってしまう。この点について図１１、図１３、及び図１５を用いて説明する。

図１１で説明した磁性素子１０では、磁気抵抗効果素子３に対して複数の磁場供給機構（第２軟磁性層６、第１軟磁性層４）により任意の強度、方向の磁界を印加することが可能である。しかしながら、図１１の上部電極５と下部電極２との間には、Ｘ方向に磁場を供給するための第１軟磁性層４が挿入されており、この第１軟磁性層４と上部電極５との間に空間が存在する。そして、この空間には、Ｃ１Ｕ、Ｃ２Ｕといった容量結合が発生する。同様に、第１軟磁性体層４と下部電極２との間に空間が存在する。そして、この空間には、Ｃ１Ｌ、Ｃ２Ｌといった容量結合が発生する。これらＣ１Ｕ、Ｃ２Ｕ、Ｃ１Ｌ、Ｃ２Ｌといったキャパシタ（静電容量）成分により、高周波信号の伝送特性が低下してしまう。この点について、図１１の磁場供給機構に相当する部分を拡大した図である図１３を用いて詳細に説明する。

図１３において、端子Ａから高周波信号と磁気抵抗効果素子３を駆動する素子駆動電流とが入力され、上部電極５、磁気抵抗効果素子３（磁化自由層３５、スペーサ層３４、磁化固定層３３）、下部電極２を経由して端子Ｂに出力される。また、コイル７に電流流すことにより、磁極（第２軟磁性層）６から、磁気抵抗効果素子３に対して磁場が印加される。このとき、磁極（第２軟磁性層）６と上部電極５との間の空間に静電容量Ｃ０１、Ｃ０２が発生し、磁極（第２軟磁性層）６と下部電極２との間の空間に静電容量Ｃ０５、Ｃ０６が発生する。また、上部電極５と下部電極２との間の空間にも静電容量Ｃ０３、Ｃ０４が発生する。

そして、理想的なコンデンサのインピーダンスは、角周波数をω（＝２πｆ）、コンデンサの静電容量をＣとすると、Ｚ＝１／ｊωＣ＝１／ｊ（２πｆ）Ｃである。よって、コンデンサのインピーダンスＺは周波数に反比例するので、図１３の端子Ａから入力される高周波信号の周波数が高くなるにつれてコンデンサＣのインピーダンスＺは低下する。すなわち、端子Ａから入力された高周波信号は、図１４の矢印Ｅで示すように磁気抵抗効果素子３と比較してインピーダンスが低いＣ０に流れ易くなる。その結果、端子Ａから入力された高周波信号は、上記したＣ０１、Ｃ０２、Ｃ０３、Ｃ０４、Ｃ０５、Ｃ０６に流れ、磁気抵抗効果素子３に流れなくなる。その結果、磁気抵抗効果素子３に十分な高周波信号が流れないことになるため、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）が発生しにくくなるという問題がある。

図１５は、横軸を周波数［ＧＨｚ］、縦軸をＳパラメータの通過特性Ｓ２１（デバイスのポート１（入力ポート）に供給された信号に対するデバイスのポート２（出力ポート）に出力された信号の伝送量の比）として、磁気抵抗効果素子３の信号伝送量を表したものである。図１５に示すように、周波数が高くなるにつれて、磁気抵抗効果素子３の入力ポートに対する出力ポートの信号伝送量が低下している。これは、図１４の矢印Ｅで示すように、インピーダンスが低いコンデンサＣ０のほうにデバイス電流が流れ易くなっているためである。
なお、周波数１ＧＨｚにおける通過特性Ｓ２１は−２０．５ｄＢ程度存在する。これは磁気抵抗効果素子３の素子インピーダンスの初期値（上記図１３におけるＣ０３、Ｃ０４の静電容量に対応する。）であって、線路の容量成分やインダクタ成分によって数ｄＢ程度の変化は発生する可能性がある。ただし、磁場供給機構を持たない通常の磁性素子であれば、通過特性Ｓ２１は殆ど変化しないので問題とならない。

特許文献１は、磁気抵抗効果素子３に十分な強度の磁界を印加することを目的としている。しかしながら、図１１に示したように、上部電極５と下部電極２との間に、Ｘ方向に磁場を供給する第１軟磁性層４が挿入され、この第１軟磁性層４と上部電極５との間の空間にＣ１Ｕ、Ｃ２Ｕという容量結合が発生し、第１軟磁性層４と下部電極２との間の空間にＣ１Ｌ、Ｃ２Ｌという容量結合が発生する。したがって、印加される高周波信号は、高周波数帯でインピーダンスが低いコンデンサ（静電容量）側に流れてしまうため、通過特性Ｓ２１が低下してしまう。その結果、磁気抵抗効果素子３に十分な高周波信号が流れず、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）が発生しにくくなる可能性がある。

本発明の目的は、磁気抵抗効果素子の高周波信号における通過特性が改善された磁性素子を提供することである。

本発明の磁性素子は、磁場が印加されることによって磁化方向が変化する磁化自由層と、印加される磁場に対して磁化方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層とに挟まれたスペーサ層とを有し、バイアス電流と磁場と高周波信号とが印加されることによりスピントルク発振を行う磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層の前記スペーサ層と反対側の面に積層され、前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス電流を印加する第１の電極層と、前記磁化固定層の前記スペーサ層と反対側の面に積層され、前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス電流を印加する第２の電極層と、前記第１の電極層と、前記磁気抵抗効果素子と、前記第２の電極層とを収容する空間を有する磁場供給機構と、を備え、前記磁場供給機構の一方の磁極は前記第１の電極層と対向して接触しており、前記磁場供給機構の他方の磁極は前記第２の電極層と対向して接触している。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子の高周波信号における通過特性が改善された磁性素子を得ることができる。

本発明の実施形態による磁性素子の全体構成を示す模式図である。 実施形態による磁性素子において、上下電極と磁極とを接触させた場合の構成を示す模式図である。 実施形態による磁性素子の磁気抵抗効果素子を含む部分の実際の回路構成を示す図である。 実施形態による磁性素子における周波数と通過特性Ｓ２１との関係、及び比較例と磁場供給機構がない場合の周波数と通過特性Ｓ２１の関係を表したグラフである。 実施形態による磁性素子に用いる高周波伝送線路の表皮効果について説明する図である。 実施形態による磁性素子に用いる高周波伝送線路の材料毎の周波数と表皮深さとの関係を示すグラフである。 図６の縦軸と横軸の尺度を変更したグラフである。 実施形態による磁性素子において磁場供給機構と接触する部分（磁極と電極（高周波伝送線路）とが重なる部分）を説明する図である。 磁気抵抗効果素子の詳細積層構成を示す図である。 特許文献１に記載の磁性素子の平面図である。 図１０のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 マイクロ波アシストヘッドの一例を示す概念図である。 磁性素子に発生する容量結合について説明する図である。 磁性素子に発生する容量に高周波信号（電流）が流れることを説明する図である。 比較例の磁性素子における周波数と通過特性Ｓ２１との関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
初めに、本発明の実施形態による磁性素子の全体構成を説明する。図１は、本実施形態による磁性素子の全体構成を示す模式図である。
図１を参照すると、本実施形態による磁性素子１は、上部電極５と下部電極２との間に、上部電極５の下面（電極面）とスペーサ層３４の上面との間に積層される磁化自由層３５と、磁化自由層３５の下面と磁化固定層３３の上面との間に積層されるスペーサ層３４と、スペーサ層３４の下面と下部電極２の上面（電極面）との間に積層される磁化固定層３３とが積層された磁気抵抗効果素子３を備える。
磁化自由層３５は、その磁化の方向が磁場によって変化する機能を有する。磁化自由層３５は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ又はＣｏＦｅＢ等を一例とする合金である高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高出力のスピントルク発振を得ることができる。
スペーサ層３４は、磁化固定層３３の磁化と磁化自由層３５の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得る機能を有する。スペーサ層３４は単一の材料からなってもよく、Ｃｕ又はＡｇ等の非磁性の導電材料で構成されても良いし、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４等の非磁性の絶縁材料で構成されても良い。
磁化固定層３３は、その磁化の方向が磁場によって変化しない機能を有する。磁化固定層３３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ又はＣｏＦｅＢ等を一例とする合金である高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。

また、磁性素子１は、電流が流れることにより磁場を発生させる磁場発生源としての機能を有するコイル７と、コイル７と磁気的に接続され、磁気抵抗効果素子３に対し、磁気抵抗効果素子３の積層方向（以下、「磁気抵抗効果素子３の積層方向」を単に「積層方向」と省略して表記する場合がある。）に磁場を印加する磁極６と、を備える。そして、磁極６の内側の空間６０は、積層された上部電極５、磁気抵抗効果素子３、及び下部電極２を収容するように構成されている。空間６０はＳｉＯ_２、ＡＬ_２Ｏ_３などの絶縁材料で充填されている。
磁極６は上部電極５側に位置する上部磁極６ａと下部電極２側に位置する下部磁極６ｂに分割され、互いの磁極の間にはギャップが設けられているが、コイル７から発生した磁場が上部磁極６aから下部磁極６ｂに損失なく伝搬される磁気回路が構成されている。

さらに、磁気抵抗効果素子３に対して電流を流す上部電極５及び下部電極２のうち、磁気抵抗効果素子３側に延伸する電極は、磁化自由層３５の上面及び磁化固定層３３の下面にそれぞれ接触しており、上部電極５及び下部電極２の磁気抵抗効果素子３側と反対側に延伸する電極は、磁性素子１の外部に設けられた高周波回路３０に接続されている。高周波回路３０は、例えば、スマートフォンなどに内蔵されている高周波回路であり、高周波回路３０から、磁気抵抗効果素子３に対して高周波信号が印加される。
また、上部磁極６ａと上部電極５とは対向し、接触面ＵＩにおいて接触している。下部磁極６ｂと下部電極２とは対向し、接触面ＬＩにおいて接触している。そして、高周波信号は、上部磁極６ａと接触面ＵＩにおいて接触している上部電極５と、下部磁極６ｂと接触面ＬＩにおいて接触している下部電極２とを伝送する。
さらに、図１の点線Ｒで囲まれているように、上部磁極６ａと下部磁極６ｂとの間にはギャップが設けられている。また、このギャップから上部磁極６ａの外側へ延びるように上部電極５が形成された上部ギャップ電極ＣＵと、下部磁極６ｂの外側へ延びるように下部電極２が形成された下部ギャップ電極ＣＬとは互いに対向している。このギャップを通じて磁性素子１の外部へ上部電極５及び下部電極２が引き出され、高周波回路３０に接続される。そして、高周波回路３０から印加される高周波信号は、上部ギャップ電極ＣＵと下部ギャップ電極ＣＬとを伝送する。この点については後述する。

なお、積層方向と直交する方向（以下、「積層方向と直交する方向」を「水平方向」と省略して表記する場合がある。）の磁場（以下、「水平方向の磁場」を「水平磁場」と省略して表記する場合がある。）を形成して磁気抵抗効果素子３に印加するハードバイアス１９を備えてもよい。ハードバイアス１９は、磁気抵抗効果素子３が歳差運動を行うための固定磁場を供給するものであり、例えば永久磁石であってもよい。なお、このハードバイアス１９を用いて磁気抵抗効果素子３に対して磁場を印加する機構を、以下、水平磁場供給機構と表記する場合がる。
また、磁極６、コイル７からなり、磁気抵抗効果素子３の積層方向に磁場を印加する機構を、以下、垂直磁場供給機構と表記する場合がある。

磁性素子１は、コイル７が磁極６に巻回されて構成されている。コイル７の配線は、例えば、スパッタ法、ＩＢＤ法又はフレームメッキ法などによりＡｕ、Ｃｕ又はＡｕＣｕなどの高導電性材料で形成される。コイル７の配線の膜厚は０．１μｍ〜１０μｍ程度とすることが好ましい。これにより、コイル７の導電性を高く設定することが可能となる。また、コイル７は磁極６を中心として巻回する構造（スパイラル構造）を有している。なお、コイル７の巻回数（ターン数）は任意に設定可能である。

コイル７は磁極６の任意の場所に巻回することが可能である。特に、同じ巻回数でより大きな磁界を磁気抵抗効果素子３に印加するには、磁界発生起源となるコイル７が磁気抵抗効果素子３のより近い位置に配置されることが望ましい。磁気抵抗効果素子３の近傍にコイルを配設すると同じ発生磁界でもコイル巻き数を減らすことが可能になり、磁場供給時に消費電力を低く抑える事が可能になる。

下部電極２は、上部電極５と一対の電極としての役目を有している。つまり、下部電極２及び上部電極５は、磁気抵抗効果素子３に対し、磁気抵抗効果素子３を構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果素子３を構成する各層の面に対して垂直な方向（磁気抵抗効果素子３の積層方向）に電流を流すための一対の電極としての機能を有している。上部電極５及び下部電極２から磁気抵抗効果素子３に対して流れる電流は、図示しないバイアス電流発生源から供給される。
下部電極２及び上部電極５としては、例えばスパッタ法又はＩＢＤ法等により形成されるＴａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ又はＲｕからなる膜、若しくはこれらの材料の何れか２つ以上からなる膜で構成される。下部電極２及び上部電極５の膜厚は、０．０１μｍ〜３μｍ程度とすることが好ましい。

磁気抵抗効果素子３は、上記した図９に示すように磁化固定層３３、スペーサ層３４及び磁化自由層３５で形成される。各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。なお、図９には、磁化固定層３３を底側（下部電極２側）に形成した形態を示しているが、磁化固定層３３を上側（上部電極５側）に形成して、磁化自由層３５と磁化固定層３３の位置を入れ替えた形態とすることもできる。

ここで、スピントルク発振現象について簡単に説明する。磁気抵抗効果素子３に対してバイアス電流発生源２０から直流電流を印加した場合、磁化固定層３３においてスピン偏極を受けた電子が、磁化自由層３５へ流入することにより、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）が生じ、磁化自由層３５内部において磁化の反転が生じようとする。この磁化反転の方向と逆方向にトルクが生じる方向に外部から磁場を印加した場合、２つの相反するトルクが拮抗し、大きな磁化の歳差運動が起こり、歳差運動の周期に対応した周波数の高周波信号が出力される。この現象がスピントルク発振である。そして、磁性素子１に対してスピントルク発振測定を行うことにより、磁化自由層３５の磁化の歳差運動の周期に対応した周波数で発振ピークを得ることが可能となる。
このスピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子３に印加される磁場が強くなるにつれて、磁気抵抗効果素子３のスピントルク発振周波数は高くなる。また、スピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子３へ流れる直流電流の電流密度が変化してスピントランスファートルクの量が変化すると、磁気抵抗効果素子３のスピントルク発信周波数が変化する。

本実施形態における磁性素子１は、スペーサ層３４とスペーサ層３４を介して配設された磁化固定層３３及び磁化自由層３５とを備えた磁気抵抗効果素子３と、磁気抵抗効果素子３の積層方向に磁気抵抗効果素子３を介して配設された下部電極２と上部電極５とからなる一対の電極と、磁極６と、電流による磁場発生源であるコイル７と、を備え、上部電極５と下部電極２との間に磁気抵抗効果素子３が配設されており、磁気抵抗効果素子３に対して磁極６から磁場を印加すると共に、上部電極５、下部電極２から磁気抵抗効果素子に対してバイアス電流と高周波信号を印加することにより、磁気抵抗効果素子３にスピントルク発振を起こさせようとするものである。

そして、本実施形態では、図２に示すように、上部磁極６ａと接触させた上部電極５と、下部磁極６ｂ接触させた下部電極２とが、高周波伝送線路を形成する。高周波信号は、後述するように表皮効果を有しているので、高周波信号は、上部電極５の表面と、下部電極２の表面を伝送する。要するに、上部電極５と下部電極２とが、高周波伝送線路となる。これにより、磁極６の下面と対向する上部電極５の上面との間及び下部電極２の下面と対向する磁極６の上面との間の容量結合は形成しなくなる。
したがって、バイアス電流発生源２０から印加された高周波信号は、容量結合による損失なく上部電極５と下部電極２を介して磁気抵抗効果素子３に印加されることになるため、磁気抵抗効果素子３にスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を十分に発生させることができる。

本実施形態で用いる上部電極５及び下部電極２とは、非磁性の材料を使用し、一例として、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、若しくはこれらの合金を用いることとする。そして、上部電極５と下部電極２とに用いる材料の電気抵抗率（ρ）は、磁極６の磁性材料（ＮｉＦｅ合金など）と比較して小さいものを採用する。例えば、垂直磁場供給機構の磁気回路（磁極６）を構成するＮｉＦｅ合金などを一例とする軟磁性材料の電気抵抗率（ρ）は、銅（Ｃｕ）の電気抵抗率（ρ）と比較して４倍程度大きいため、上部電極５と下部電極２とに銅を用いた場合には、低周波（ＤＣ：Direct Current）信号は抵抗率の低い上部電極５、下部電極２を流れ、高周波信号は表皮効果により上部電極５、下部電極２を流れることになる。

このように、本実施形態では、上部電極５と上部磁極６ａとを接触させ、下部電極２と下部磁極６ｂとを接触させることとしている。そうすることで、上部電極５と磁極６、及び、下部電極２と磁極６、これらの間に容量成分は形成されない。したがって、上部電極５及び下部電極２自体で発生する容量結合を除き、上部電極５と上部磁極６ａとの間、及び、下部電極２と下部磁極６ｂとの間に容量結合は存在しなくなる。これにより、高周波回路３０から供給された高周波信号は、上部電極５及び下部電極２を介して磁気抵抗効果素子３により流れ易くなる。

次に、実施形態による磁性素子を動作させるための周辺回路を含めた具体的な回路構成について説明する。図３は、実施形態による磁性素子の磁気抵抗効果素子を含む部分の構成を示す拡大図である。なお、図３において、図１と同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。
図３を参照すると、実施形態による回路は、磁極６、コイル７と、コイル７に磁場発生用の直流電流を印加する磁場発生用直流電源１５と、からなる垂直磁場供給機構と、磁気抵抗効果素子３に直流電流を印加する直流電源１４と、直流電源１４から印加される直流電流を入力する直流電流入力端子１３と、第１のポート１１及び第２のポート１２から高周波信号を印加する配線１６と、配線１６からチョークコイル１８を介して接続されるグラウンド１７と、磁気抵抗効果素子３に水平磁場を印加するためのハードバイアス１９を含んで構成される。

［実施例１］
次に、本実施形態による上部磁極６ａと上部電極５とを接触させ、下部磁極６ｂと下部電極２とを接触させることにより、高周波信号が、上部電極５と下部電極２とを伝送するようにした磁性素子における周波数と通過特性Ｓ２１との関係（本発明）と、高周波伝送線路を設けない比較例の周波数と通過特性Ｓ２１との関係（比較例）と、垂直磁場供給機構がない場合の周波数と通過特性Ｓ２１との関係（磁場供給機構なし）とを、図４に示す。
図４では、上部電極５と下部電極２との間の磁気抵抗効果素子３が設けられている部分を除く部分に、誘電率が３．８の二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を装填している。
周波数に対する通過特性Ｓ２１を改善させる方法としては、上部電極５と上部磁極６ａとの間の距離、下部電極２と下部磁極６ｂとの間の距離を大きくする方法も考えられる。しかしながら、磁気抵抗効果素子３が搭載される部品は直径約１００ｎｍ程度でありスマートフォンなどに搭載されるものであるから、電極と磁極との間の距離を大きくすることは物理的に困難である。また、電極と磁極との間の距離を大きくすると、その分磁場を強くする必要があり、コイル７に流す電流量が増加するので、低消費電力化に反する。さらに、強大な磁場がスマートフォンの他の部品に影響を与えかねないので妥当でない。

図４を参照すると、比較例では、周波数にほぼ比例して通過特性Ｓ２１が劣化していくが、本実施形態による上部磁極６ａと上部電極５とを接触させ、下部磁極６ｂと下部電極２とを接触させることにより、高周波信号が、上部電極５と下部電極２とを伝送するようにした場合の各周波数における通過特性Ｓ２１は、垂直磁場供給機構がない場合と略同様に、周波数が高くなっても通過特性Ｓ２１が比較例のように劣化せず改善されていることがわかる。磁性素子において、垂直磁場供給機構が存在しない場合とは磁極６が存在しないことであるから、磁極６と上部電極５又は下部電極２との間に容量結合が形成されない理想的な状態である。本実施形態のように、上部磁極６ａと上部電極５とを接触させ、下部磁極６ｂと下部電極２とを接触させることにより、高周波信号が、上部電極５と下部電極２とを伝送するようにした結果、周波数と通過特性Ｓ２１との関係は、垂直磁場供給機構が存在しない場合の理想的な通過特性Ｓ２１と略同じ特性を得ることができた。
このように、上部電極５と上部磁極６ａ及び下部電極２と下部磁極６ｂとを接触させることにより、高周波信号が、上部電極５と下部電極２とを伝送するようにした結果、磁場供給機構がない場合と同等の通過特性Ｓ２１を得ることができるようになった。
なお、周波数１ＧＨｚにおいて、通過特性Ｓ２１が約−２１ｄＢ程度存在するが、これは、上部電極５と下部電極２との間に元々存在する磁気抵抗効果素子の通過損失である。

次に、本実施形態による高周波伝送線路となる上部電極５と下部電極２との膜厚について説明する。一般的に、高周波伝送線路は短い方が損失は少なく、信号の周波数が高くなるほど、線路表面に電流が集中する。このことを表皮効果といい、電流が流れる線路の深さを表皮深さという。信号の周波数が高くなるほど、非常に薄い表面上にしか電流が流れず、そのため、僅かな表面の粗さが信号の伝達に影響を与えることになる。この表皮効果は、マイクロ波帯以上の周波数のみならず、ＶＨＦ（Very High Frequency）帯など、意外と低い周波数においても大きく影響する。そして、マイクロ波は表皮効果を有しているため、高周波伝送線路となる上部電極５と下部電極２との距離が最も短くなるように形成されることが好ましい。本実施形態による高周波伝送線路となる上部電極５と下部電極２との距離が最も短くなる場合とは、図１の点線矢印Ｂに示すように、上部電極５の内側表面及び下部電極２の内側表面に沿って通る場合である。このように、高周波伝送線路となる上部電極５と下部電極２とは、磁極６の内側に沿う形で形成されることが望ましい。

表皮効果は、図５に示す線路において、
δ＝√（２ρ）／√（ωμ_ｒμ_０）
で求められる。ここで、ρは電気抵抗率［Ω・ｍ］、ωは角速度［ｒａｄ／ｓ］、μ_ｒは比透磁率、μ_０は真空の透磁率μ_０＝４π×１０^−７［Ｈ／ｍ］である。
磁性材料では透磁率μ（＝μ_ｒμ_０）［Ｈ／ｍ］が大きくなるので、上記式の分母が大きくなり、表皮深さは浅くなる傾向になる。

次に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、及びＡｌにおける、周波数と表皮深さとの関係を図６、図７に示す。図７は、図６の縦横軸の縮尺を変えたものである。
図７によれば、垂直磁場供給機構の上部磁極６ａと接触する上部電極５の電極膜厚、及び下部磁極６ｂと接触する下部電極２の電極膜厚は、３μｍ以下であれば１ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送することが可能であるが、電気抵抗の観点から、電極膜厚は０．０１μｍ〜３μｍがより好ましい。例えば、上部電極５及び下部電極２の材質をＣｕにした場合、表皮効果による計算により電極膜厚を２μｍにすることで、磁極６に電流は略流れず、上部電極５及び下部電極２にのみ電流が流れる。

次に、実施形態による磁性素子において磁極６と電極とが接触する部分（上部磁極６ａと上部電極５、下部磁極６ｂと下部電極２とが接触する部分）について説明する。
図８において、磁極６と上部電極５、下部電極２とが重なる部分は、図８の上部電極５、下部電極２の点線模様を付した領域である。
具体的には、高周波伝送線路２１Ｕは、上部電極５のうち、上部磁極６ａと上部電極５とが接触する面であって上部電極５と磁気抵抗効果素子３の端部とが接触する位置（ＬＵ）を始点とし、上部磁極６ａと上部電極５とが接触する面であって上部電極５と上部磁極６ａの端部とが接触する位置（ＲＵ）を終点とする領域に形成される。同様に、高周波伝送線路２１Ｌは、下部電極２のうち、下部電極２と下部磁極６ｂとが接触する面であって下部電極２と磁気抵抗効果素子３の端部とが接触する位置（ＬＬ）を始点とし、下部電極２と下部磁極６ｂとが接触する面であって下部電極２と下部磁極６ｂの端部とが接触する位置（ＲＬ）を終点とする領域に形成される。

高周波伝送線路を形成する上部電極５と下部電極２とは、全体で同じ膜厚にしても良いし、高周波信号の影響のある部分のみ膜厚を最適化しても良い。全体的に上部電極５と下部電極２との膜厚を厚くして磁極６と接触させると、磁気抵抗効果素子３の磁極間距離が広がるため、磁気抵抗効果素子３に対して適切な量の磁場を印加することができなくなる。
磁極間距離が大きいと磁気抵抗効果素子３に印加される磁束量が小さくなるだけでなく、必要とされる磁束量を発生させるため、コイル７に流すバイアス電流を大きくする必要があるため、低消費電力化を図ることができなくなる。

図１、図８の点線Ｒで囲まれた部分では、磁極６のギャップを、上部磁極６ａと下部磁極６ｂとの間に設けている。これにより、上部電極５と下部電極２とを電気的に絶縁させ、かつ、磁極６からの磁気が上部電極５、下部電極２を透過する構造にする。なお、磁極６のギャップは、上部電極５、下部電極２を設けても磁気の損失がない程度の距離（例えば、１μｍ以下）に抑えることが好ましい。こうすることで、磁極６のギャップを設けても対向する上部磁極６ａ、下部磁極６ｂ間で磁気結合することができる。
本実施例では、図１、図８の点線Ｒで囲まれた部分における上部電極５と下部電極２との間は、高周波信号がそれぞれの電極に通ることを考慮して、その隙間を０．５〜５μｍとし、上部電極５及び下部電極２の膜厚をそれぞれ０．０１〜３μｍとしている。その結果、上部電極５の上部磁極６ａ側の端部から下部電極２の下部磁極６ｂ側の端部までの最大距離は１１μｍとなる。

そして、垂直磁場供給機構から印加される矢印Ｍの垂直磁場に加え、ハードバイアス１９を組み込むことにより、磁気抵抗効果素子３に矢印Ｆの水平磁場供給機構による水平磁場を印加するようにしてもよい。ハードバイアス１９は、磁気抵抗効果素子３が歳差運動を行うための固定磁場を供給するものであり、例えば永久磁石であってもよい。この場合、垂直磁場供給機構による矢印Ｍの垂直磁場と、水平磁場供給機構による矢印Ｆの水平磁場との合成磁場である右斜め下方向の磁場が磁気抵抗効果素子３対して印加されることになる。

以上、実施形態及び実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態及び実施例に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明の趣旨に反しない範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１ 磁性素子
２ 下部電極
３ 磁気抵抗効果素子
５ 上部電極
６ 磁極
６ａ 上部磁極
６ｂ 下部磁極
７ コイル
１１ 第１のポート
１２ 第２のポート
１３ 直流電流入力端子
１４ 直流電源（バイアス印加）
１５ 直流電源（磁場発生用）
１６、２１Ｕ、２１Ｌ 高周波伝送線路
１７ グラウンド
１８ チョークコイル
１９ ハードバイアス
２０ バイアス電流発生源
２２ 磁場供給機構電流源
３０ 高周波回路
３３ 磁化固定層
３４ スペーサ層
３５ 磁化自由層
６０ 空間（絶縁材）
ＣＵ 上部ギャップ電極
ＣＬ 下部ギャップ電極
ＵＩ、ＬＩ 接触面

Claims (5)

1. 磁場が印加されることによって磁化方向が変化する磁化自由層と、印加される磁場に対して磁化方向が固定された磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層とに挟まれたスペーサ層とを有し、バイアス電流と磁場と高周波信号とが印加されることによりスピントルク発振を行う磁気抵抗効果素子と、
   前記磁化自由層の前記スペーサ層と反対側の面に積層され、前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス電流を印加する第１の電極層と、
   前記磁化固定層の前記スペーサ層と反対側の面に積層され、前記磁気抵抗効果素子に前記バイアス電流を印加する第２の電極層と、
   前記第１の電極層と、前記磁気抵抗効果素子と、前記第２の電極層とを収容する空間を有する磁場供給機構と、
   を備え、
   前記磁場供給機構の一方の磁極は前記第１の電極層と対向して接触しており、前記磁場供給機構の他方の磁極は前記第２の電極層と対向して接触している、磁性素子。
2. 前記磁場供給機構は、前記第１の電極層と対向する上部磁極と、前記第２の電極層と対向する下部磁極とに分割されており、前記上部磁極と前記下部磁極との間にギャップが設けられており、前記ギャップに互いに対向する前記第１の電極層と前記第２の電極層とが設けられている、請求項１に記載の磁性素子。
3. 前記第１の電極層と前記第２の電極層とは、非磁性である、請求項１又は２に記載の磁性素子。
4. 前記磁場供給機構の磁化方向と垂直な方向に磁場を供給する磁場供給手段をさらに含む、請求項１から３の何れか１項に記載の磁性素子。
5. 前記第１の電極層と前記第２の電極層との膜厚は０．０１μｍ〜３μｍである、請求項１から４の何れか１項に記載の磁性素子。

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