JP4633689B2 - Microwave oscillation device, method for manufacturing the same, and microwave oscillation device including the microwave oscillation device - Google Patents

Microwave oscillation device, method for manufacturing the same, and microwave oscillation device including the microwave oscillation device Download PDF

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    • H03B15/006Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance

Description

本発明は、マイクロ波発振素子、特にスピントルクを用いたマイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置に関するものである。   The present invention relates to a microwave oscillating element, in particular, a microwave oscillating element using spin torque, a method for manufacturing the same, and a microwave oscillating device including the microwave oscillating element.

近年、携帯電話を代表とする無線ネットワーク通信システム用携帯端末においては、WLAN、Blue tooth、RFID、GPSなど複数の通信機器に対応したものが多く商品化されている。これら多くの通信規格に対応した周波数を扱うためには、それぞれの周波数に対応した複数のRF回路が必要となる。しかしながら、複数のRF回路を一つの機器に取り入れようとすると、機器の大規模化へと繋がる。   In recent years, mobile terminals for wireless network communication systems typified by mobile phones have been commercialized in many cases corresponding to a plurality of communication devices such as WLAN, Blue tooth, RFID, and GPS. In order to handle frequencies corresponding to these many communication standards, a plurality of RF circuits corresponding to the respective frequencies are required. However, trying to incorporate a plurality of RF circuits into one device leads to an increase in the scale of the device.

小型・薄型な機器を実現するために、これら複数のRF回路を一つにまとめ、一つのRF回路で複数の周波数に対応しようとする技術の開発が精力的に行われている。これらは、チューナブルRF回路と呼ばれている。チューナブルRF回路を実現するための重要な技術の一つに、発振周波数を可変とすることのできるマイクロ波発振素子が挙げられる。   In order to realize a small and thin device, a technique for integrating these plural RF circuits into one and dealing with plural frequencies with one RF circuit has been vigorously developed. These are called tunable RF circuits. One of important techniques for realizing a tunable RF circuit is a microwave oscillating device that can vary the oscillation frequency.

最近、磁性多層膜を用いた素子に直流電流を流すと、スピントルクによりマイクロ波発振する現象が報告された。このスピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、外部から印加する磁界および素子に流す電流値により発振周波数を変えることができるため、上記チューナブルRF回路を実現するためのマイクロ波発振素子としての応用が期待される。   Recently, it has been reported that when a direct current is passed through an element using a magnetic multilayer film, microwave oscillation is caused by spin torque. Since the microwave oscillation element using this spin torque can change the oscillation frequency according to the magnetic field applied from the outside and the current value flowing through the element, it can be used as a microwave oscillation element for realizing the tunable RF circuit. There is expected.

ここで、図11を参照して、このマイクロ波発振素子について説明する。図11は、スピントルクを用いたマイクロ波発振素子の原理を説明するための図である。マイクロ波発振素子100は、不図示の基板上に、第1の電極110aと、磁化方向が固定された磁化固定層112と、中間層113と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層114と、第2の電極110bとが、この順に積層されて構成されている。ここで、磁化固定層112と磁化自由層114の磁化方向は同じ方向とする。   Here, the microwave oscillation element will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining the principle of a microwave oscillation element using spin torque. The microwave oscillation element 100 includes a first electrode 110a, a magnetization fixed layer 112 whose magnetization direction is fixed, an intermediate layer 113, and a magnetization free layer 114 that can change the magnetization direction on a substrate (not shown). And the second electrode 110b are stacked in this order. Here, the magnetization directions of the magnetization fixed layer 112 and the magnetization free layer 114 are the same.

この状態で、電極110aと電極110bとの間に電圧を印加し、第1の電極110aから第2の電極110bの方向に直流電流131を流す。このように直流電流131を流すことにより、電子132(電子の流れる方向は電流と逆向きとなる)は、第2の電極110bから第1の電極110aに流れる。   In this state, a voltage is applied between the electrodes 110a and 110b, and a direct current 131 is caused to flow from the first electrode 110a to the second electrode 110b. By flowing the direct current 131 in this manner, the electrons 132 (the direction in which electrons flow is opposite to the current) flow from the second electrode 110b to the first electrode 110a.

このとき、スピンの持つ磁気モーメントの方向が磁化固定層112及び磁化自由層114の磁化方向と同じ電子132は、磁化自由層114内の電子スピン及び磁化固定層112に接している中間層113と相互作用を及ぼすとことなく、スピンの向きを保ったまま、第1の電極110aに向かって流れることができる。   At this time, electrons 132 whose spins have the same magnetic moment direction as the magnetization directions of the magnetization fixed layer 112 and the magnetization free layer 114 are coupled with the electron spin in the magnetization free layer 114 and the intermediate layer 113 in contact with the magnetization fixed layer 112. It is possible to flow toward the first electrode 110a while maintaining the spin direction without exerting an interaction.

一方、スピンの磁気モーメントの方向が磁化自由層114の磁化方向と反対の電子132’は、磁化自由層114中の電子のスピンと交換相互作用を起こす。このため、それぞれの電子のスピン間にはスピントルクが働き、磁化自由層114内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。発生するスピントルクが十分に大きい場合は、歳差運動が増幅され、磁化自由層114内の電子のスピンは反転(スピン注入磁化反転)する。一方、発生するスピントルクが小さい場合、もしくは、外部磁界、一軸異方性などによりスピントルクが抑制されている場合は、スピンは反転することができず、歳差運動を行うのみである。   On the other hand, the electron 132 ′ whose spin magnetic moment is opposite to the magnetization direction of the magnetization free layer 114 causes exchange interaction with the electron spin in the magnetization free layer 114. For this reason, a spin torque acts between the spins of each electron, and precession begins to reverse the spin of the electrons in the magnetization free layer 114. When the generated spin torque is sufficiently large, the precession is amplified, and the spin of electrons in the magnetization free layer 114 is reversed (spin injection magnetization reversal). On the other hand, when the generated spin torque is small, or when the spin torque is suppressed by an external magnetic field, uniaxial anisotropy, etc., the spin cannot be reversed and only precession is performed.

このスピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、磁化固定層112、中間層113及び磁化自由層114の多層膜に膜面垂直方向に電流を流すことのできる電極を設けた磁気抵抗素子であるともいえる。磁気抵抗素子は、磁化固定層112と磁化自由層114の磁化の相対角度に応じて抵抗の変化する素子である。   The microwave oscillation element using the spin torque may be a magnetoresistive element in which an electrode capable of flowing a current in a direction perpendicular to the film surface is provided in a multilayer film of the magnetization fixed layer 112, the intermediate layer 113, and the magnetization free layer 114. I can say that. The magnetoresistive element is an element whose resistance changes according to the relative angle of magnetization of the magnetization fixed layer 112 and the magnetization free layer 114.

従って、磁化自由層114内の電子のスピンがスピントルクによって歳差運動を始めると、磁化自由層114の磁化と磁化固定層112の磁化の相対角度が歳差運動の周波数(マイクロ波の領域)に応じて変化するため、マイクロ波発振素子の抵抗が歳差運動の周波数に応じて変化する。   Therefore, when the electron spin in the magnetization free layer 114 starts precession due to the spin torque, the relative angle between the magnetization of the magnetization free layer 114 and the magnetization of the magnetization fixed layer 112 is the frequency of the precession (microwave region). Therefore, the resistance of the microwave oscillation element changes according to the frequency of precession.

図11に示すように素子に一定の直流電流を入力し、この抵抗変化を素子に印加されている電圧変化として出力すると、高周波で振動する電圧信号を得ることができる。   As shown in FIG. 11, when a constant direct current is input to the element and this resistance change is output as a voltage change applied to the element, a voltage signal oscillating at a high frequency can be obtained.

このマイクロ波発振素子の特徴としては、素子に流す電流の大きさや、外部より印加する磁界の大きさを変えることにより、スピントルクによる磁化自由層114の歳差運動の周波数を変化させることが可能なため、マイクロ波の発振周波数を連続的に且つ、幅広い周波数範囲で変化させることが可能である。   As a feature of this microwave oscillation element, it is possible to change the precession frequency of the magnetization free layer 114 due to the spin torque by changing the magnitude of the current flowing through the element or the magnitude of the magnetic field applied from the outside. Therefore, it is possible to change the oscillation frequency of the microwave continuously and in a wide frequency range.

図12(a)及び(b)に、非特許文献1及び2に記載されているマイクロ波発振素子の構成を示す。   FIGS. 12A and 12B show the configuration of the microwave oscillation element described in Non-Patent Documents 1 and 2. FIG.

図12(a)に示すマイクロ波発振素子400は、磁化自由層114と第2の電極110bとが、ナノコンタクト118で電気的に接続されている。一方、図12(b)におけるマイクロ波発振素子500は、磁化自由層114と中間層113とが、100nm程度の大きさに加工されており、第2の電極10bとナノスケールで接続されている。すなわち、図12(a)・(b)のマイクロ波発振素子400及び500の両方とも、磁化自由層114に流れる電流の断面積をナノスケールのオーダーで制限している。これは、スピントルクによる磁化自由層114の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層114の体積に比例するためである。従って、断面積を小さくし電流密度を大きくすることは、マイクロ波発振に必要となる電流の低減につながり、素子としての消電力化に貢献する。   In the microwave oscillation element 400 illustrated in FIG. 12A, the magnetization free layer 114 and the second electrode 110 b are electrically connected through the nanocontact 118. On the other hand, in the microwave oscillation element 500 in FIG. 12B, the magnetization free layer 114 and the intermediate layer 113 are processed to have a size of about 100 nm, and are connected to the second electrode 10b on a nanoscale. . That is, both the microwave oscillation elements 400 and 500 in FIGS. 12A and 12B limit the cross-sectional area of the current flowing through the magnetization free layer 114 on the nanoscale order. This is because the current value required to induce precession of the magnetization free layer 114 due to spin torque is proportional to the volume of the magnetization free layer 114 through which the current flows. Therefore, reducing the cross-sectional area and increasing the current density leads to a reduction in the current required for microwave oscillation, and contributes to reducing power consumption as an element.

しかしながら、図12(a)・(b)に示したマイクロ波発振素子400及び500の出力は1nW程度であり、実用化するためには更に出力を大きくする必要がある。   However, the outputs of the microwave oscillating elements 400 and 500 shown in FIGS. 12A and 12B are about 1 nW, and it is necessary to further increase the output for practical use.

出力を向上させるためには、図12において示したマイクロ波発振素子を複数並列に接続し、複数のマイクロ波発振素子の出力を合成することによって、高出力化する方法が非特許文献3及び4に述べられている。   In order to improve the output, a method of increasing the output by connecting a plurality of microwave oscillation elements shown in FIG. 12 in parallel and combining the outputs of the plurality of microwave oscillation elements is described in Non-Patent Documents 3 and 4 It is stated in.

図13(a)・(b)には、図12(a)・(b)に示したマイクロ波発振素子400・500を複数並列に接続した、マイクロ波発振素子400B・500Bを示している。このように、マイクロ波発振素子を並列に接続することにより、並列に接続した素子の数だけ出力を向上させることが可能となる。   FIGS. 13A and 13B show microwave oscillators 400B and 500B in which a plurality of microwave oscillators 400 and 500 shown in FIGS. 12A and 12B are connected in parallel. As described above, by connecting the microwave oscillation elements in parallel, it is possible to improve the output by the number of elements connected in parallel.

また、非特許文献3及び4によると、並列接続したマイクロ波発振素子同士を近接させ動作させると、スピンの歳差運動が位相同期し、発生するマイクロ波の出力が接続したマイクロ波発振素子の数以上に大きくなることが述べられている。
Physical Review B vol.70 pp.100406 Nature vol.425 pp.380 Nature vol.437 pp.389 Nature vol.437 pp.393
Further, according to Non-Patent Documents 3 and 4, when the microwave oscillators connected in parallel are operated close to each other, the precession of the spin is phase-synchronized, and the generated microwave output is connected to the microwave oscillator element. It is stated that it will be larger than a few.
Physical Review B vol. 70 pp. 100406 Nature vol. 425 pp. 380 Nature vol. 437 pp. 389 Nature vol. 437 pp. 393

上述したように、スピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、マイクロ波の発振周波数を連続的に且つ、幅広い周波数範囲で変化させることができ、素子を並列に接続することにより高出力で発振させることが可能であるため、チューナブルRF回路を実現するためのマイクロ波発振素子としての応用が期待される。   As described above, the microwave oscillation element using the spin torque can change the oscillation frequency of the microwave continuously and in a wide frequency range, and oscillates at high output by connecting the elements in parallel. Therefore, application as a microwave oscillation element for realizing a tunable RF circuit is expected.

しかしながら、図13(a)・(b)に示した素子を作製するためには、電極とのナノコンタクト構造、もしくは、微細構造を有する磁化自由層を作製し、並列に素子を接続しなければならない。この様なナノスケールの微細構造を作製するための手段としては、EBリソグラフィなどの微細加工方法が挙げられるが、微細加工を行うためのプロセスが多くなり、コスト、量産性に課題がある。   However, in order to fabricate the element shown in FIGS. 13A and 13B, a magnetic free layer having a nanocontact structure or a fine structure with an electrode must be fabricated and the elements connected in parallel. Don't be. Examples of means for producing such a nanoscale microstructure include a microfabrication method such as EB lithography, but there are many processes for performing microfabrication, and there are problems in cost and mass productivity.

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、微細加工を用いることなく、より簡易な加工プロセス、成膜プロセスを用いて、電極とのナノコンタクト構造もしくは、磁化自由層の微細化構造を実現し、且つ、高出力、低コスト、及び、量産性に優れたマイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to use a simple contact process or film formation process without using microfabrication, and a nanocontact structure with an electrode or a magnetization free layer. To provide a microwave oscillating device that realizes a miniaturized structure and has high output, low cost, and excellent mass productivity, a method for manufacturing the same, and a microwave oscillating device including the microwave oscillating device. .

本発明に係るマイクロ波発振素子は、上述した課題を解決するために、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることができる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子において、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内における所定領域に流れる上記電流の密度を、該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, a microwave oscillation device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between a first electrode and a second electrode, and a nonmagnetic material or an insulator. The intermediate layer and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and from the first electrode, In the microwave oscillating device configured to allow a current to flow to the second electrode via the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer, a predetermined path in the magnetization free layer is formed in the current path. It is characterized by having a plurality of nanoparticles for making the density of the current flowing in the region higher than the density of the current flowing in the region other than the predetermined region.

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。   According to the above configuration, the present invention can realize a microwave oscillating device excellent in high output, low cost, and mass productivity by a significantly simpler method as compared with the conventional configuration.

具体的には、本発明のマイクロ波発振素子は、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を、該磁化自由層内における該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を用いている。   Specifically, in the microwave oscillation device of the present invention, the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer in the current path is set in a region other than the predetermined region in the magnetization free layer. Nanoparticles for increasing the density of the flowing current are used.

上記したように、スピントルクによる磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層の体積に比例する。すなわち、磁化自由層に流れる電流の断面積を小さくし電流密度を大きくすることによって、マイクロ波発振に必要となる電流を低減させることができる。そこで、本発明のマイクロ波発振素子では、上記したナノ粒子を用いて、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高めている。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、従来の構成と同じ効果を実現することができる。すなわち、上記の構成によれば、従来よりも低コストで、且つ量産性に優れたマイクロ波発振素子を提供することが可能となる。   As described above, the current value required to induce precession of the magnetization free layer due to spin torque is proportional to the volume of the magnetization free layer through which a current flows. That is, the current required for microwave oscillation can be reduced by reducing the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer and increasing the current density. Therefore, in the microwave oscillating device of the present invention, the above-described nanoparticles are used to increase the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer. As described above, the present invention is compared with the conventional method of increasing the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer by producing a magnetization free layer having a nano-contact structure or a fine structure with the electrode. Thus, the same effect as that of the conventional configuration can be realized by a remarkably simple method of providing nanoparticles. That is, according to the above configuration, it is possible to provide a microwave oscillation element that is lower in cost and superior in mass productivity.

特に、本発明では複数のナノ粒子を用いているので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、格段に簡易な手法でこれを実現することができる。   In particular, since a plurality of nanoparticles are used in the present invention, a microwave oscillator with high output can be realized, and a microwave oscillator corresponding to a high output with a conventional configuration that has to be provided with a plurality of fine structures. This can be realized by a much simpler method than the above.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子が導電性ナノ粒子であり、上記第2の電極は、電極層と、上記ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ接続層とを有しており、上記ナノ粒子が、上記電極層と上記磁化自由層とに接触していることが好ましい。具体的には、上記ナノ粒子は、金属ナノ粒子であることが好ましい。   In the microwave oscillation device according to the present invention, the nanoparticles are conductive nanoparticles, and the second electrode includes an electrode layer and a connection layer in which the nanoparticles are surrounded by an insulator. The nanoparticles are preferably in contact with the electrode layer and the magnetization free layer. Specifically, the nanoparticles are preferably metal nanoparticles.

上記の構成とすれば、第2の電極に構成されているナノ粒子と、磁化自由層との間にナノコンタクトを実現することができる。すなわち、上記の構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。   If it is said structure, a nano contact is realizable between the nanoparticle comprised by the 2nd electrode, and the magnetization free layer. That is, by adopting the above configuration, the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer can be limited on the nano order. As a result, the current value required to induce precession of the magnetization free layer can be reduced.

例えば、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記電極層と上記磁化自由層との上記ナノ粒子の接触面積が、0を超え、4900nm以下であることが好ましい。また、特に、上記接触面積は、0を超え、70nm×70nm以下であることが好ましい。 For example, in the microwave oscillation element according to the present invention, the contact area of the nanoparticles between the electrode layer and the magnetization free layer is preferably more than 0 and 4900 nm 2 or less. In particular, the contact area is preferably more than 0 and 70 nm × 70 nm or less.

そして、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第1の電極と、磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、第2の電極とをこの順で設けることができる。   And the microwave oscillation element which concerns on this invention can provide the said 1st electrode, a magnetization fixed layer, an intermediate | middle layer, a magnetization free layer, and a 2nd electrode in this order.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、上記磁性ナノ粒子が、上記第2の電極と上記中間層とに接触していることが好ましい。   Further, in the microwave oscillation device according to the present invention, the nanoparticles are magnetic nanoparticles, and the magnetization free layer has a configuration in which the magnetic nanoparticles are surrounded by an insulator. The second electrode and the intermediate layer are preferably in contact with each other.

上記の構成とすれば、上記ナノ粒子が磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっている。これにより、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。   With the above configuration, the nanoparticles are magnetic nanoparticles, and the magnetization free layer has a configuration in which the magnetic nanoparticles are surrounded by an insulator. Thereby, the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer can be limited in nano order. As a result, the current value required to induce precession of the magnetization free layer can be reduced.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子が磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、上記磁化固定層は、互いに磁化方向が逆である第1の磁化固定層と第2の磁化固定層とを備えており、上記磁化自由層は、上記中間層を介して、上記第1の磁化固定層と上記第2の磁化固定層とに挟まれた構成となっており、上記磁性ナノ粒子は、各上記中間層と接触していることが好ましい。   Further, in the microwave oscillation device according to the present invention, the nanoparticles are magnetic nanoparticles, the magnetization free layer has a configuration in which the magnetic nanoparticles are surrounded by an insulator, and the magnetization fixed layer includes: The first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer having opposite magnetization directions are provided, and the magnetization free layer includes the first magnetization fixed layer and the second magnetization layer via the intermediate layer. It is preferable that the magnetic nanoparticles are in contact with each of the intermediate layers.

上記のように、磁化方向が逆である第1の磁化固定層と第2の磁化固定層とを備えていることによって、単層の磁化固定層を用いた本発明のマイクロ波発振素子と比較して、より一層小さい電流値でマイクロ波発振することが可能となる。   As described above, by providing the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer whose magnetization directions are opposite to each other, it is compared with the microwave oscillation element of the present invention using a single magnetization fixed layer. As a result, microwave oscillation can be performed with a much smaller current value.

具体的には、上記の構成を有する本発明に係るマイクロ波発振素子では、第1の磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、中間層と、第2の磁化固定層とがこの順で配置しており、第1の電極と第2の電極とに電圧が印加されると、電子は、一方の磁化固定層(ここで仮に第2の磁化固定層とする)を通過して、中間層と通過し、磁化自由層に向かう。この際、電子は、第2の磁化固定層の磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピンをもつようになる。このようなスピンを有する電子が磁化自由層中の磁性ナノ粒子内へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性ナノ粒子へ伝達され、磁性ナノ粒子内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。   Specifically, in the microwave oscillation device according to the present invention having the above-described configuration, the first magnetization fixed layer, the intermediate layer, the magnetization free layer, the intermediate layer, and the second magnetization fixed layer include When a voltage is applied to the first electrode and the second electrode, electrons pass through one of the magnetization fixed layers (here, tentatively referred to as the second magnetization fixed layer). , Passes through the intermediate layer, and goes to the magnetization free layer. At this time, the electrons have a spin having a magnetic moment in the same direction as the magnetization of the second magnetization fixed layer. When electrons with such spins flow into the magnetic nanoparticles in the free magnetic layer, the angular momentum of the spins is transmitted to the magnetic nanoparticles, and the spins of the electrons in the magnetic nanoparticles try to reverse. Begin.

一方、第1の磁化固定層の磁化方向は、第2の磁化固定層の磁化とは逆向きである。このため、電子の流れが第1の磁化固定層へ入る界面において、第2の磁化固定層の磁化と同方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、第1の磁化固定層に接した中間層で反射される。この反射されたスピンは、やはり磁性ナノ粒子内の磁化に作用する。   On the other hand, the magnetization direction of the first magnetization fixed layer is opposite to the magnetization of the second magnetization fixed layer. For this reason, an electron having a spin having a magnetic moment in the same direction as the magnetization of the second magnetization fixed layer is in contact with the first magnetization fixed layer at the interface where the electron flow enters the first magnetization fixed layer. Reflected by the layer. This reflected spin still affects the magnetization in the magnetic nanoparticles.

すなわち、第2の磁化固定層を通過してきた電子は、中間層で反射された後、磁性ナノ粒子の磁化に再び作用するため、マイクロ波を発生するための電流値を、磁化固定層のみを用いた本発明のマイクロ波発振素子と比較して小さい電流値で実施できることになる。   That is, the electrons that have passed through the second magnetization fixed layer are reflected by the intermediate layer and then act again on the magnetization of the magnetic nanoparticles, so that the current value for generating the microwave is applied only to the magnetization fixed layer. It can be implemented with a smaller current value than the microwave oscillation element of the present invention used.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記磁性ナノ粒子の直径が、0を超えて、100nm以下であることが好ましい。   In the microwave oscillating device according to the present invention, the magnetic nanoparticles preferably have a diameter of more than 0 and 100 nm or less.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第1の電極と、上記磁化固定層との間に、反強磁性体層を有していることが好ましい。もしくは、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第2の電極と第2の磁化固定層との間、及び、上記第1の磁化固定層と第1の電極との間に、反強磁性体層を有していることが好ましい。   The microwave oscillation element according to the present invention preferably has an antiferromagnetic layer between the first electrode and the fixed magnetization layer. Alternatively, the microwave oscillating device according to the present invention has an antiferromagnetic property between the second electrode and the second magnetization fixed layer and between the first magnetization fixed layer and the first electrode. It is preferable to have a body layer.

反強磁性体層を有していることにより、磁化固定層の磁化方向を所定の方向に確実に制御することができる。   By having the antiferromagnetic material layer, the magnetization direction of the magnetization fixed layer can be reliably controlled in a predetermined direction.

また、本発明に係るマイクロ波発振装置は、上記した構成を有するマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴としている。   In addition, a microwave oscillation device according to the present invention includes a frequency variable unit having a microwave oscillation element having the above-described configuration and an external magnetic field generation unit.

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振装置を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。   According to the above configuration, the present invention can realize a microwave oscillating device excellent in high output, low cost, and mass productivity by a remarkably simple technique as compared with the conventional configuration.

また、本発明に係るマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層及び磁化自由層を介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、電極層を有する第2の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、上記導通工程は、上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。   In addition, in order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a microwave oscillating device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between a first electrode and a second electrode, An intermediate layer that is a magnetic body or an insulator and a magnetization free layer capable of changing a magnetization direction, and the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer; A method of manufacturing a microwave oscillation element configured to allow a current to flow from one electrode to a second electrode through the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, the second electrode having an electrode layer And a conduction step of electrically connecting each other with the magnetization free layer adjacent to each other, wherein the conduction step includes a plurality of conductive nanoparticles on one of the magnetization free layer and the electrode layer. Particles forming process, and particle forming process An insulator forming step of covering at least a part of the surface of the formed conductive nanoparticles with an insulator, the other of the magnetization free layer and the electrode layer, and the conductive nanoparticles electrically In order to make it conduct | electrically_connecting, the exposure process which removes a part of said insulator formed at the said insulator formation process and exposes the surface of this electroconductive nanoparticle is included.

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。   According to the above configuration, the present invention can realize a microwave oscillating device excellent in high output, low cost, and mass productivity by a significantly simpler method as compared with the conventional configuration.

上記したように、スピントルクによる磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層の体積に比例する。すなわち、磁化自由層に流れる電流の断面積を小さくし電流密度を大きくすることによって、マイクロ波発振に必要となる電流を低減させることができる。   As described above, the current value required to induce precession of the magnetization free layer due to spin torque is proportional to the volume of the magnetization free layer through which a current flows. That is, the current required for microwave oscillation can be reduced by reducing the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer and increasing the current density.

そこで、本発明の製造方法を用いれば、第2の電極に構成されているナノ粒子と、磁化自由層との間にナノコンタクトを実現することができる。すなわち、上記の構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を実現できる。   Then, if the manufacturing method of this invention is used, a nano contact can be implement | achieved between the nanoparticle comprised by the 2nd electrode, and a magnetization free layer. That is, by adopting the above configuration, the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer can be limited on the nano order. As a result, the current value required to induce precession of the magnetization free layer can be reduced. As described above, the present invention is compared with the conventional method of increasing the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer by producing a magnetization free layer having a nano-contact structure or a fine structure with the electrode. Thus, a microwave oscillation device excellent in low cost and mass productivity can be realized by a remarkably simple method of providing nanoparticles.

特に、本発明では複数の導電性ナノ粒子を形成するので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、簡易な手法でこれを実現することができる。   In particular, according to the present invention, since a plurality of conductive nanoparticles are formed, a microwave oscillator with high output can be realized, and a microwave oscillation corresponding to a high output of a conventional configuration in which a plurality of fine structures must be provided. This can be realized by a simpler method compared to the element.

また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、上記磁化自由層形成工程は、上記第2の電極もしくは上記中間層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。   In addition, in order to solve the above-described problem, another method for manufacturing a microwave oscillation device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between a first electrode and a second electrode. A nonmagnetic or insulating intermediate layer and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, wherein the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. A method of manufacturing a microwave oscillation device configured to allow a current to flow from a first electrode to a second electrode through the magnetization fixed layer, an intermediate layer, and a magnetization free layer, wherein the magnetization A magnetization free layer forming step of forming a free layer, wherein the magnetization free layer forming step includes: a particle forming step of forming a plurality of magnetic nanoparticles on the second electrode or the intermediate layer; and a particle forming step Table of the above magnetic nanoparticles formed by An insulator forming step of covering at least a part of the insulator with an insulator, and an exposing step of removing a part of the insulator formed in the insulator forming step to expose the surface of the conductive nanoparticles. It is a feature.

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。   According to the above configuration, the present invention can realize a microwave oscillating device excellent in high output, low cost, and mass productivity by a significantly simpler method as compared with the conventional configuration.

上記したように、スピントルクによる磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層の体積に比例する。すなわち、磁化自由層に流れる電流の断面積を小さくし電流密度を大きくすることによって、マイクロ波発振に必要となる電流を低減させることができる。   As described above, the current value required to induce precession of the magnetization free layer due to spin torque is proportional to the volume of the magnetization free layer through which a current flows. That is, the current required for microwave oscillation can be reduced by reducing the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer and increasing the current density.

そこで、本発明の製造方法を用いれば、磁性ナノ粒子を用いて磁化自由層を形成している。すなわち、この構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を実現できる。   Therefore, if the manufacturing method of the present invention is used, the magnetic free layer is formed using magnetic nanoparticles. That is, by adopting this configuration, the cross-sectional area of the current flowing in the magnetization free layer can be limited on the nano order. As a result, the current value required to induce precession of the magnetization free layer can be reduced. As described above, the present invention is compared with the conventional method of increasing the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer by producing a magnetization free layer having a nano-contact structure or a fine structure with the electrode. Thus, a microwave oscillation device excellent in low cost and mass productivity can be realized by a remarkably simple method of providing nanoparticles.

特に、本発明では複数の磁性ナノ粒子を形成するので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、簡易な手法でこれを実現することができる。   In particular, since a plurality of magnetic nanoparticles are formed in the present invention, a microwave oscillator having a high output can be realized, and a microwave oscillator corresponding to a high output having a conventional configuration that has to be provided with a plurality of fine structures. This can be realized by a simple method compared to the above.

また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記第2の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。   In addition, in order to solve the above-described problem, another method for manufacturing a microwave oscillation device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between a first electrode and a second electrode. A nonmagnetic or insulating intermediate layer and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, wherein the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer. A method for manufacturing a microwave oscillation device configured to allow a current to flow from a first electrode to a second electrode through the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer, A material containing an insulator matrix and a magnetic nanoparticle raw material is applied on any one of the two electrodes or the magnetization fixed layer, and the magnetic nanoparticles are separated from the magnetization fixed layer by the insulator matrix. Magnetic material from the raw material Forming the intermediate layer and the magnetization free layer, and removing the insulator on at least a part of the surface of the magnetic nanoparticle formed by the step to remove the conductive nanoparticle. And an exposure step for exposing the surface.

上記の構成とすれば、上記中間層および上記磁化自由層を同時に、すなわち一工程で形成することができることから、上記中間層と上記磁化自由層とを各々の工程で形成する方法に比べて、製造工程を簡素化することが可能となる。   With the above configuration, since the intermediate layer and the magnetization free layer can be formed simultaneously, that is, in one step, compared to the method of forming the intermediate layer and the magnetization free layer in each step, The manufacturing process can be simplified.

本発明に係るマイクロ波発振素子は、以上のように、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を、該磁化自由層内における該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴としている。また、本発明に係るマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、第1の電極から、該磁化固定層及び磁化自由層を介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、電極層を有する第2の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、上記導通工程は、上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、上記磁化自由層形成工程は、上記第2の電極、上記磁化固定層及び上記中間層の何れか一つの層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。さらに、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記第2の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。   As described above, the microwave oscillating device according to the present invention is configured such that the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer in the current path is changed to a region other than the predetermined region in the magnetization free layer. It has a feature that it has a plurality of nanoparticles for making the density higher than the current flowing through the. In addition, as described above, the method for manufacturing a microwave oscillating device according to the present invention changes the magnetization direction between the first electrode and the second electrode, and the magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed. A method of manufacturing a microwave oscillation device comprising a magnetization free layer capable of flowing current from a first electrode to a second electrode via the magnetization fixed layer and the magnetization free layer And a conduction step in which the second electrode having the electrode layer and the magnetization free layer are adjacent to each other to electrically conduct each other, and the conduction step is one of the magnetization free layer and the electrode layer. A particle forming step of forming a plurality of conductive nanoparticles on one layer, an insulator forming step of covering at least a part of the surface of the conductive nanoparticles formed by the particle forming step with an insulator, and the magnetization The other of the free layer and the electrode layer And exposing the surface of the conductive nanoparticles by removing a part of the insulator formed in the insulator forming step in order to electrically connect the conductive nanoparticles. It is characterized by including. In addition, as described above, another method for manufacturing a microwave oscillating device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between a first electrode and a second electrode, a non-magnetic An intermediate layer and a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and current is passed from the first electrode to the second electrode via the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer. A method of manufacturing a microwave oscillation element configured to flow, the method including a magnetization free layer forming step of forming the magnetization free layer, wherein the magnetization free layer forming step includes the second electrode, the magnetization fixed A particle forming step of forming a plurality of magnetic nanoparticles on any one of the layer and the intermediate layer, and insulation covering at least a portion of the surface of the magnetic nanoparticles formed by the particle forming step with an insulator Formed in the body forming step and the insulator forming step. It was is characterized by comprising an exposure step of exposing the surface of the part was removed conductive nanoparticles of the insulator. Furthermore, as described above, another method for manufacturing a microwave oscillation device according to the present invention includes a magnetization fixed layer having a magnetization direction fixed between the first electrode and the second electrode, and a nonmagnetic material. Alternatively, an intermediate layer that is an insulator and a magnetization free layer that can change the magnetization direction, and the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, A method for manufacturing a microwave oscillation device configured to allow a current to flow from an electrode to a second electrode via the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer, wherein the second electrode or A material containing an insulator matrix and a magnetic nanoparticle material is applied on any one of the magnetization fixed layers, and the magnetic nanoparticles are separated from the magnetization fixed layer by the insulator matrix. , Forming magnetic nanoparticles from the raw material Forming the intermediate layer and the magnetization free layer, and exposing the surface of the conductive nanoparticles by removing the insulator on at least a part of the surface of the magnetic nanoparticles formed by the step. And a process.

また、本発明に係るマイクロ波発振装置は、以上のように、上記した構成を有するマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴としている。   In addition, as described above, the microwave oscillation device according to the present invention is characterized by including the frequency variable unit including the microwave oscillation element having the above-described configuration and the external magnetic field generation unit.

以上の構成とすれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子、もしくはマイクロ波装置を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。   With the above configuration, the present invention can realize a microwave oscillating device or a microwave device excellent in high output, low cost, and mass productivity by a significantly simpler method compared to the conventional configuration. .

〔実施の形態1〕
本発明に係るマイクロ波発振素子、及びマイクロ波発振装置についての一実施形態を説明する。なお、以下の説明では、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲が以下の実施形態および図面に限定されるものではない。
[Embodiment 1]
An embodiment of a microwave oscillation device and a microwave oscillation device according to the present invention will be described. In the following description, various technically preferable limitations for implementing the present invention are given, but the scope of the present invention is not limited to the following embodiments and drawings.

まず、図1ないし図3(a)・(b)に基づいて本発明に係るマイクロ波発振素子を説明する。   First, a microwave oscillation device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3A and 3B.

図1は、本実施形態におけるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。図1に示すように、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50aは、第1の電極10aと、反強磁性体層11と、磁化が一方向に固定された磁化固定層12と、中間層13と、磁化方向が可変な磁化自由層14と、第2の電極10bとがこの順で積層されることにより形成されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the microwave oscillating device according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the microwave oscillation element 50a according to the present embodiment includes a first electrode 10a, an antiferromagnetic material layer 11, a magnetization fixed layer 12 whose magnetization is fixed in one direction, and an intermediate The layer 13, the magnetization free layer 14 having a variable magnetization direction, and the second electrode 10 b are stacked in this order.

第2の電極10bは、磁化自由層14と接している面に絶縁体層15に囲まれた複数の導電性ナノ粒子16を含んだ層と、電極層17とで構成されている。そして、この導電性ナノ粒子16は、磁化自由層14と電極層17とをナノコンタクト18で接続している。すなわち、磁化自由層14と第2の電極10bとは、導電性ナノ粒子16によって電気的にナノコンタクトしている。   The second electrode 10 b includes a layer including a plurality of conductive nanoparticles 16 surrounded by an insulator layer 15 on the surface in contact with the magnetization free layer 14 and an electrode layer 17. The conductive nanoparticle 16 connects the magnetization free layer 14 and the electrode layer 17 with a nanocontact 18. That is, the magnetic free layer 14 and the second electrode 10 b are electrically nano-contacted by the conductive nanoparticles 16.

磁化固定層12の磁化は、反強磁性体層11によって一方向に固定されている。   The magnetization of the magnetization fixed layer 12 is fixed in one direction by the antiferromagnetic material layer 11.

尚、反強磁性体層11によって磁化固定層12の磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層12を形成してもよい。   Instead of fixing the magnetization of the magnetization fixed layer 12 by the antiferromagnetic material layer 11, the magnetization fixed layer 12 may be formed of only a hard magnetic material in which magnetization reversal hardly occurs.

図1に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aは、図13(a)で示したマイクロ波発振素子400Bと同様の等価回路を持つ。そのため、図13(a)のマイクロ波発振素子400B同様、図12(a)で示したマイクロ波発振素子400に比べ、大きな出力で発振することが可能となる。このことについて、以下に詳細に述べる。   The microwave oscillation element 50a in the present embodiment shown in FIG. 1 has an equivalent circuit similar to the microwave oscillation element 400B shown in FIG. Therefore, like the microwave oscillation element 400B of FIG. 13A, it is possible to oscillate with a larger output than the microwave oscillation element 400 shown in FIG. This will be described in detail below.

図1に示したマイクロ波発振素子50aにおいて点線で囲まれた箇所は、図12(a)に示した従来のマイクロ波発振素子400と同様に、導電性ナノ粒子16によって磁化自由層14と第2の電極10bがナノコンタクト18で接続されている。すなわち、点線で囲まれた箇所においては、図12(a)で示した従来のマイクロ波発振素子400と同様な等価回路を持ち、同じようにマイクロ波発振を行うことができる。   A portion surrounded by a dotted line in the microwave oscillator 50a shown in FIG. 1 is connected to the magnetization free layer 14 and the first layer by the conductive nanoparticles 16 as in the conventional microwave oscillator 400 shown in FIG. Two electrodes 10 b are connected by a nano contact 18. That is, the portion surrounded by the dotted line has an equivalent circuit similar to that of the conventional microwave oscillator 400 shown in FIG. 12A, and can perform microwave oscillation in the same manner.

更に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aは、複数の導電性ナノ粒子16により、磁化自由層14と多数のナノコンタクト18を形成している。従って、マイクロ波発振素子50aは、図13(a)で示したマイクロ波発振素子400Bと同様に、複数の図12(a)で示したマイクロ波発振素子400を並列に接続した構造をとっていることになる。図1のマイクロ波発振素子50aの等価回路は、図13(a)に示したマイクロ波発振素子400Bと同様なものとなり、図12(a)のマイクロ波発振素子400よりも大きな出力を得ることが可能となる。   Furthermore, in the microwave oscillation element 50 a in the present embodiment, the magnetization free layer 14 and a large number of nanocontacts 18 are formed by the plurality of conductive nanoparticles 16. Therefore, the microwave oscillating device 50a has a structure in which a plurality of microwave oscillating devices 400 shown in FIG. 12A are connected in parallel, like the microwave oscillating device 400B shown in FIG. Will be. The equivalent circuit of the microwave oscillating device 50a in FIG. 1 is the same as the microwave oscillating device 400B shown in FIG. 13A, and an output larger than that of the microwave oscillating device 400 in FIG. Is possible.

また、上述のように、導電性ナノ粒子16の間隔を狭くしていくと、並列に接続しているマイクロ波発振素子同士が位相同期して発振する。すなわち、導電性ナノ粒子16の間隔を狭くすると、ナノコンタクト18の直下で誘起される磁化自由層14の電子のスピンの歳差運動は、隣り合うナノコンタクト部分で位相同期する。このことにより、更に大きな出力でマイクロ波を発振させることが可能となる。   Further, as described above, when the interval between the conductive nanoparticles 16 is reduced, the microwave oscillation elements connected in parallel oscillate in phase synchronization. That is, when the interval between the conductive nanoparticles 16 is narrowed, the precession of the spin of electrons in the magnetization free layer 14 that is induced immediately below the nanocontact 18 is phase-synchronized between adjacent nanocontact portions. This makes it possible to oscillate the microwave with a larger output.

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aの各要素を形成する材料について詳述する。   Next, materials for forming each element of the microwave oscillation element 50a in the present embodiment will be described in detail.

磁化固定層12及び磁化自由層14の材料としては、以下の(1)〜(3)のうちいずれかを用いることができる。
(1)Fe、Co、Ni、または、Fe、Co、Ni、Mn及びCrよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金
(2)「パーマロイ」と呼ばれるNiFe系合金、CoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料
(3)ホイスラー合金、CrO、Fe、La1―X SrMnOなどのハーフメタル磁性材料
磁化固定層12、磁化自由層14の材料としては、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
As a material of the magnetization fixed layer 12 and the magnetization free layer 14, any of the following (1) to (3) can be used.
(1) An alloy containing at least one element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, or Fe, Co, Ni, Mn, and Cr. (2) NiFe-based alloy called “Permalloy”, CoNbZr-based alloy. , FeTaC alloys, CoTaZr alloys, FeAlSi alloys, FeB alloys, CoFeB alloys, and other soft magnetic materials (3) Heusler alloys, CrO 2 , Fe 3 O 4 , La 1-X Sr X MnO 3, etc. Metal Magnetic Material As materials for the magnetization fixed layer 12 and the magnetization free layer 14, a material having magnetic characteristics according to the use may be appropriately selected and used.

また、中間層13の材料としては、以下のものを用いることができる。
(1)Cu、Au、Ag、Ruあるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金
(2)Al、Ti、Ta、Co、Ni、Si、Mn及びFeよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物
(3)フッ化物からなる絶縁体
尚、中間層13には、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。
Moreover, as the material of the intermediate layer 13, the following can be used.
(1) Cu, Au, Ag, Ru, or an alloy containing at least one of these (2) At least one element selected from the group consisting of Al, Ti, Ta, Co, Ni, Si, Mn, and Fe Insulator made of oxide or nitride containing (3) fluoride. The intermediate layer 13 may be doped with a different element such as oxygen.

第1の電極10a、及び第2の電極10bの電極層17の材料としては、従来公知の電極材料を用いることができる。   As a material of the electrode layer 17 of the first electrode 10a and the second electrode 10b, a conventionally known electrode material can be used.

また、導電性ナノ粒子16の材料としては、導電性を有しているものであれば良く、例えばPt、Au、Cu等を用いることができる。   Moreover, as a material of the electroconductive nanoparticle 16, what is necessary is just to have electroconductivity, for example, Pt, Au, Cu etc. can be used.

導電性ナノ粒子16の形状については、磁化自由層14と第2の電極10bとにナノコンタクトできるものであれば特に制限はなく、球状、楕円体であってもよく、多面体であってもよい。   The shape of the conductive nanoparticles 16 is not particularly limited as long as it can be nano-contacted with the magnetization free layer 14 and the second electrode 10b, and may be spherical, elliptical, or polyhedral. .

絶縁体層15の材料としては、例えばSiO、Al、SiN等を用いることができる。その中でも、SiO等と比較して、膜中のHOの割合が少ない、外部からのO、HOの侵入を防ぐ効果に優れている点からSiNが好適である。 As a material of the insulating layer 15 may be, for example, SiO 2, Al 2 O 3, SiN or the like. Among them, SiN is preferable because it has a smaller proportion of H 2 O in the film than SiO 2 and the like, and is excellent in the effect of preventing intrusion of O 2 and H 2 O from the outside.

本実施の形態においては、磁化固定層12の磁化を、反強磁性体層11により固定している。この場合に用いることができる反強磁性体層11の材料としては、FeMn、PtMn、PdMn、PdPtMn、IrMn、PtIrMnなどが望ましい。また、層間結合を使って固着させる際の中間層(磁化固定層12と反強磁性体層11との間に配設)としては、Cu、Au、Ag、Ruあるいはこれらのいずれか2種以上を含む合金が好ましい。   In the present embodiment, the magnetization of the magnetization fixed layer 12 is fixed by the antiferromagnetic material layer 11. As a material of the antiferromagnetic material layer 11 that can be used in this case, FeMn, PtMn, PdMn, PdPtMn, IrMn, PtIrMn, and the like are desirable. In addition, as an intermediate layer (disposed between the pinned magnetic layer 12 and the antiferromagnetic layer 11) when fixed using interlayer coupling, Cu, Au, Ag, Ru, or any two or more of these are used. Alloys containing are preferred.

以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50aの作製方法について述べる。   A method for manufacturing the microwave oscillation element 50a according to the present embodiment will be described below.

図2は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の作製方法を説明するための図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing the microwave oscillating device according to this embodiment.

まず、Siなどの基板上に、第1の電極10aとしてCu(膜厚60nm)を成膜する(図2(a))。具体的には、図2(a)’に示した上面図の通り、Cu(膜厚60nm)を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法(例えば、2つの電極パット部80μm×80μmの間に、幅30μm×長さ100μmの細線が形成されているもの)に加工する。   First, Cu (film thickness: 60 nm) is formed as a first electrode 10a on a substrate such as Si (FIG. 2A). Specifically, as shown in the top view of FIG. 2A ′, after Cu (film thickness 60 nm) is formed, a resist is applied, patterned, and a predetermined dimension (for example, using ion milling) In this example, a thin wire having a width of 30 μm and a length of 100 μm is formed between two electrode pad portions of 80 μm × 80 μm).

次に、第1の電極10aの上に反強磁性体層11としてIrMn合金層(膜厚15nm)を形成する。さらにその上に、磁化固定層12として、飽和磁化Bsが約1Tの軟磁性体であるNiFe合金層(膜厚5nm)を形成する。さらに、AlO層(膜厚1.4nm)を中間層13として形成し、その上に、磁化自由層14として飽和磁束密度2.3Tを有するFeCoNi合金層(膜厚5nm)を形成する。 Next, an IrMn alloy layer (film thickness: 15 nm) is formed as the antiferromagnetic material layer 11 on the first electrode 10a. Further thereon, a NiFe alloy layer (film thickness 5 nm), which is a soft magnetic material having a saturation magnetization Bs of about 1 T, is formed as the magnetization fixed layer 12. Further, an AlO x layer (film thickness: 1.4 nm) is formed as the intermediate layer 13, and an FeCoNi alloy layer (film thickness: 5 nm) having a saturation magnetic flux density of 2.3 T is formed thereon as the magnetization free layer.

次に、保護層としてTa層を5nm成膜する。   Next, a 5 nm Ta layer is formed as a protective layer.

次に、絶縁体層15に囲まれた導電性ナノ粒子16を含んだ層を形成する。導電性ナノ粒子は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるSK(Stranski-Krastanov)モード、VW(Volmer-Weber)モード成長を利用する方法を用いる。SKモード、VWモード共に薄膜成長過程においては、結晶核が生成および成長して(島状成長して)一体となることにより薄膜となる。この結晶核の成長過程において薄膜生成を止めると、結晶核が成長してできた無数のナノ粒子を基板表面に得ることができる。また、このナノ粒子の大きさは、多少の分布があるが大きさを揃えて形成することができることが最近の半導体プロセスで証明されている。また、微粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転位などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、導電性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。SKモードもしくはVWモード成長を利用して、Ptを直径50nm〜100nm程度のナノ粒子状に形成した後、導電性ナノ粒子16を覆うように、絶縁体層15としてSiNを成膜する。SiNの厚さは、数nm程度である。   Next, a layer including the conductive nanoparticles 16 surrounded by the insulator layer 15 is formed. For the conductive nanoparticles, a method using a so-called SK (Stranski-Krastanov) mode or VW (Volmer-Weber) mode growth that appears at an early stage of the thin film growth process is used. In both the SK mode and the VW mode, in the thin film growth process, crystal nuclei are generated and grown (island growth) to form a thin film. If the thin film formation is stopped during the crystal nucleus growth process, innumerable nanoparticles formed by the crystal nucleus growth can be obtained on the substrate surface. In addition, it has been proved by recent semiconductor processes that the size of the nanoparticles can be formed in a uniform size although there is some distribution. Further, in order to control the fine particle interval / position, a method of putting stress distribution or dislocation on the substrate surface has been devised, but in this embodiment, there is no particular problem with respect to the interparticle distance / position. . This is because the microwave oscillating elements are connected in parallel by the conductive nanoparticles even if the interparticle distance / position varies. This method does not require fine processing such as electron beam lithography and etching, and can form nanoparticles by a simple process. After Pt is formed into nanoparticles having a diameter of about 50 nm to 100 nm by using SK mode or VW mode growth, SiN is formed as an insulator layer 15 so as to cover the conductive nanoparticles 16. The thickness of SiN is about several nm.

絶縁体層15に覆われた導電性ナノ粒子16を含んだ層を形成するための他の方法としては、「グラニュラー構造体」と呼ばれる、アモルファスマトリックス中に金属粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることが挙げられる。「グラニュラー構造体」は、Cu、Ptなどの金属材料とSiO、Alなどの絶縁体をスパッタ法で同時に成膜することで得ることができる。従って、「グラニュラー構造体」を用いてマイクロ波発振素子に必要となる絶縁体層15に覆われた導電性ナノ粒子16を含んだ層を形成する場合は、導電性ナノ粒子16と絶縁体層15を同時に形成することができる。従って、上記で説明したSKモード及びVWモードで導電性ナノ粒子16を作成し、その後絶縁層を形成する方法よりも工程が一つ少なくなる。 Another method for forming a layer including the conductive nanoparticles 16 covered with the insulator layer 15 is a compound called “granular structure”, in which metal particles are deposited or formed in an amorphous matrix. The body structure is used. The “granular structure” can be obtained by simultaneously forming a metal material such as Cu or Pt and an insulator such as SiO 2 or Al 2 O 3 by sputtering. Therefore, when using the “granular structure” to form a layer including the conductive nanoparticles 16 covered with the insulator layer 15 necessary for the microwave oscillation element, the conductive nanoparticles 16 and the insulator layer are formed. 15 can be formed simultaneously. Therefore, the number of steps is one less than the method of forming the conductive nanoparticles 16 in the SK mode and the VW mode described above and then forming the insulating layer.

次に、第1の電極10aと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、第1の電極10a上に成膜した反強磁性体層11から絶縁体層15に囲まれた導電性ナノ粒子を含んだ層までを所定の寸法(例えば、50μm×50μm)に加工する(図2(b))。   Next, the conductive nanoparticles surrounded by the insulator layer 15 from the antiferromagnetic material layer 11 formed on the first electrode 10a by using ion milling to a predetermined size as in the first electrode 10a. Up to the layer including the material is processed into a predetermined dimension (for example, 50 μm × 50 μm) (FIG. 2B).

次に、第2の電極10bとのショートを防ぐため、先に加工した反強磁性体層11から絶縁体層15に囲まれた導電性ナノ粒子16を含んだ層を覆う様に絶縁膜20としてSiNを形成する。   Next, in order to prevent a short circuit with the second electrode 10b, the insulating film 20 is covered so as to cover the layer including the conductive nanoparticles 16 surrounded by the insulating layer 15 from the antiferromagnetic material layer 11 processed previously. As a result, SiN is formed.

その後、第2の電極10bにおける電極層17と導電性ナノ粒子16とのコンタクトホール21を作成する。コンタクトホール21は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する。このとき、導電性ナノ粒子16を覆っている絶縁体層15の表面部分も取り除き、導電性ナノ粒子16の一部を表面に露出させる(図2(c))。ここで、露出した導電性ナノ粒子16の面積がナノコンタクト18の接触面積となる。前述したように、電流パスの断面積を小さくした場合は、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つため、接触面積は小さい方が望ましい。   Thereafter, a contact hole 21 between the electrode layer 17 and the conductive nanoparticles 16 in the second electrode 10b is created. The contact hole 21 is formed by applying a resist and patterning, and removing the insulating film by wet etching with hydrofluoric acid or ion milling. At this time, the surface portion of the insulator layer 15 covering the conductive nanoparticles 16 is also removed, and a part of the conductive nanoparticles 16 is exposed on the surface (FIG. 2C). Here, the area of the exposed conductive nanoparticles 16 becomes the contact area of the nanocontacts 18. As described above, when the cross-sectional area of the current path is reduced, the current density increases, so that the effect of reducing the magnitude of the current required for microwave oscillation is obtained. Therefore, it is desirable that the contact area is small.

本実施の形態の場合は、ナノコンタクト18から磁化自由層14内の電流分布を考慮に入れてナノコンタクトの接触面積を決定した。一般的にスピントルクを働かせるのに必要な電流密度の値は、10A/cm程度と報告されており、並列に接続されている素子一つに流す電流値を0.5mA程度とすれば、接触面積は70nm×70nmと求められる。これに、上記電流分布、すなわち磁化自由層14内の電流の広がりを考慮すると、少なくとも70nm×70nm以下のナノコンタクトの接合面積が必要となる。上記で述べたように、ナノコンタクト18を形成する導電性ナノ粒子16の直径は、50nm〜100nm程度であるため、絶縁膜20と、導電性ナノ粒子16を覆っている絶縁体層15の表面部分とを取り除くことにより、70nm×70nm以下のサイズを有するナノコンタクトを形成することができる。尚、必要があれば、所望のサイズのナノコンタクトが形成されているか否かをAFM(原子間力顕微鏡)などを用いて粒子形状を見ることにより確認してもよい。 In the case of the present embodiment, the contact area of the nanocontact is determined in consideration of the current distribution in the magnetization free layer 14 from the nanocontact 18. In general, the value of the current density necessary to apply the spin torque is reported to be about 10 7 A / cm 3, and the value of the current flowing through one element connected in parallel is about 0.5 mA. For example, the contact area is determined to be 70 nm × 70 nm. Considering the current distribution, that is, the spread of the current in the magnetization free layer 14, a nanocontact junction area of at least 70 nm × 70 nm or less is required. As described above, since the diameter of the conductive nanoparticle 16 forming the nanocontact 18 is about 50 nm to 100 nm, the insulating film 20 and the surface of the insulator layer 15 covering the conductive nanoparticle 16 are included. By removing the portion, a nanocontact having a size of 70 nm × 70 nm or less can be formed. If necessary, whether or not a nanocontact of a desired size is formed may be confirmed by looking at the particle shape using an AFM (atomic force microscope) or the like.

最後に、第2の電極10bにおける電極層17を成膜し、第1の電極10aと同じく、所定の寸法に加工する(図2(d))。   Finally, the electrode layer 17 in the second electrode 10b is formed and processed into a predetermined dimension as in the first electrode 10a (FIG. 2D).

尚、本実施形態において説明した製造方法は、第1の電極10aから第2の電極10bに向けて積層する方法であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、第2の電極10bから第1の電極10aに向けて積層する方法であってもよい。   The manufacturing method described in the present embodiment is a method of stacking from the first electrode 10a toward the second electrode 10b, but the present invention is not limited to this, and the second electrode 10b. Alternatively, a method of stacking from the first electrode 10a toward the first electrode 10a may be used.

以上説明してきたように、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aは、磁化自由層14と第2の電極10bとは複数の導電性ナノ粒子16によって、電気的に複数のナノコンタクトを形成している。これらは、図12(a)に示すマイクロ波発振素子400を並列に接続した図13(a)に示すマイクロ波発振素子400Bと等価であり、大きな出力を示す。   As described above, in the microwave oscillation element 50a in the present embodiment, the magnetization free layer 14 and the second electrode 10b electrically form a plurality of nanocontacts by the plurality of conductive nanoparticles 16. ing. These are equivalent to the microwave oscillation element 400B shown in FIG. 13A in which the microwave oscillation elements 400 shown in FIG. 12A are connected in parallel, and show a large output.

また、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aにおいては、複数の導電性ナノ粒子16を用いて、複数のナノコンタクト18を形成するため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで量産性の優れた素子を作製することが可能となる。   Further, in the microwave oscillating device 50a in the present embodiment, a plurality of nanocontacts 18 are formed by using a plurality of conductive nanoparticles 16, so that fine processing that requires nanoscale accuracy is not necessary. It is possible to manufacture a low-cost device with excellent mass productivity.

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子を備えた発振装置について述べる。   Next, an oscillation device provided with the microwave oscillation element in the present embodiment will be described.

図3(a)・(b)は、本発明の実施形態のマイクロ波発振素子50aを備えたマイクロ波発振装置である。図3(a)は、本発明のマイクロ波発振素子50aを用いたマイクロ波発振装置60の構成を示している。マイクロ波発振装置60は、電源部51と周波数可変部52と信号増幅部53から構成される。電源部51には、電圧(電流)を任意に制御可能な4つの電源V1、V2、V3およびV4がある。電源V1、V2およびV3は周波数可変部52に接続しており、電源V4は信号増幅部53に接続されている。また、周波数可変部52から信号増幅部53に交流信号54が出力されている。   3 (a) and 3 (b) show a microwave oscillation device including the microwave oscillation element 50a according to the embodiment of the present invention. FIG. 3A shows a configuration of a microwave oscillation device 60 using the microwave oscillation element 50a of the present invention. The microwave oscillation device 60 includes a power supply unit 51, a frequency variable unit 52, and a signal amplification unit 53. The power supply unit 51 includes four power supplies V1, V2, V3, and V4 that can arbitrarily control voltage (current). The power sources V1, V2, and V3 are connected to the frequency variable unit 52, and the power source V4 is connected to the signal amplifying unit 53. Further, an AC signal 54 is output from the frequency variable unit 52 to the signal amplifying unit 53.

図3(b)は、図3(a)中の周波数可変部52について、より詳細に示している。周波数可変部52は、図3(b)に示すように本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50aを備えており、それ以外に少なくとも外部磁界発生部56(例えばCu細線、又はCu細線で形成されたコイル)を有している。マイクロ波発振素子50aの第1の電極10aには、電源V1が接続されており、このV1を制御することにより、印加電圧の大きさ、すなわち素子電流を制御する。外部磁界発生部56には、電源V2およびV3が接続されており、マイクロ波発振素子50aに印加する外部磁場の大きさおよび印加方向を制御することができる。これら電源V1、V2およびV3を制御することによって、発振周波数を変化させる。この周波数可変部52からの出力は、信号増幅部53によって、所定の信号出力として使用される。基準となる周波数を造るこのような装置としては、VCO(電圧制御発振器)が携帯電話に用いられている。   FIG. 3B shows the frequency variable unit 52 in FIG. 3A in more detail. As shown in FIG. 3B, the frequency variable unit 52 includes the microwave oscillation element 50a in the present embodiment, and in addition to this, the frequency variable unit 52 is formed of at least an external magnetic field generation unit 56 (for example, a Cu fine wire or a Cu fine wire). Coil). A power source V1 is connected to the first electrode 10a of the microwave oscillating device 50a. By controlling this V1, the magnitude of the applied voltage, that is, the device current is controlled. The external magnetic field generator 56 is connected to power sources V2 and V3, and can control the magnitude and direction of the external magnetic field applied to the microwave oscillation element 50a. By controlling these power supplies V1, V2 and V3, the oscillation frequency is changed. The output from the frequency variable unit 52 is used as a predetermined signal output by the signal amplifying unit 53. As such a device for generating a reference frequency, a VCO (voltage controlled oscillator) is used in a mobile phone.

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記第2の電極にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記第2の電極は、前記磁化自由層と接している面に絶縁体に囲まれた複数の導電性ナノ粒子を有しており、前記磁化自由層と前記第2の電極とが前記導電性ナノ粒子、又は凝集したナノ粒子の塊によって、電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。
さらに、上記の構成においては、前記ナノコンタクトの接触面積は、70nm×70nm以下であることが好ましい。
また、上記の場合においては、前記導電性ナノ粒子が金属粒子であることが好ましい。
In other words, it can be said that the microwave oscillation device and the microwave oscillation device using the same according to the present invention are characterized by the following configurations.
That is, the microwave oscillating element and the microwave oscillating device using the same can change the magnetization direction of the first electrode, the magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, the non-magnetic intermediate layer, and the like. In other words, in the microwave oscillation element in which the magnetization free layer and the second electrode are stacked in this order, the second electrode includes nanoparticles.
In the above configuration, the second electrode includes a plurality of conductive nanoparticles surrounded by an insulator on a surface in contact with the magnetization free layer, and the magnetization free layer and the first electrode It is preferable that the two electrodes form a plurality of nanocontacts electrically by the conductive nanoparticles or the aggregated aggregated nanoparticles.
Furthermore, in said structure, it is preferable that the contact area of the said nano contact is 70 nm x 70 nm or less.
Moreover, in said case, it is preferable that the said electroconductive nanoparticle is a metal particle.

〔実施の形態2〕
本発明にかかる他の実施の形態について、図4ないし図6に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態1との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態1で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
Another embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, in order to explain differences from the first embodiment, members having the same functions as the members described in the first embodiment are denoted by the same member numbers for convenience of explanation. The description is omitted.

図4は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。図4に示すように、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50bは、第1の電極10aと、反強磁性体層11と、磁化が一方向に固定された磁化固定層12と、中間層13と、磁化方向が可変な磁化自由層24と、第2の電極10bとがこの順で積層されることにより形成されている。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the microwave oscillating device according to the present embodiment. As shown in FIG. 4, the microwave oscillation element 50b according to the present embodiment includes a first electrode 10a, an antiferromagnetic material layer 11, a magnetization fixed layer 12 whose magnetization is fixed in one direction, and an intermediate The layer 13, the magnetization free layer 24 having a variable magnetization direction, and the second electrode 10 b are stacked in this order.

また、本実施の形態における磁化自由層24は、絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26で構成されている。磁性ナノ粒子26は、図12(b)及び図13(b)に示しているマイクロ波発振素子500、500Bにおける、ナノスケールに加工された磁化自由層114と同様な役割を持つ。   In addition, the magnetization free layer 24 in the present embodiment is composed of magnetic nanoparticles 26 surrounded by an insulator layer 25. The magnetic nanoparticles 26 have a role similar to that of the magnetic free layer 114 processed into the nanoscale in the microwave oscillation elements 500 and 500B illustrated in FIGS. 12B and 13B.

また、磁化固定層12の磁化は、反強磁性体層11によって一方向に固定されている。尚、反強磁性体層11によって、磁化固定層12の磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層12を形成してもよい。   Further, the magnetization of the magnetization fixed layer 12 is fixed in one direction by the antiferromagnetic material layer 11. Instead of fixing the magnetization of the magnetization fixed layer 12 by the antiferromagnetic material layer 11, the magnetization fixed layer 12 may be formed of only a hard magnetic material that is difficult to cause magnetization reversal.

図4に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50bは、図13(b)で示したマイクロ波発振素子500Bと同様の等価回路を持つ。そのため、図13(b)のマイクロ波発振素子500B同様、図12(b)で示したマイクロ波発振素子500に比べ大きな出力で発振することが可能となる。このことについて、以下に詳細に述べる。   The microwave oscillation element 50b in the present embodiment shown in FIG. 4 has an equivalent circuit similar to the microwave oscillation element 500B shown in FIG. Therefore, like the microwave oscillator 500B of FIG. 13B, it is possible to oscillate with a larger output than the microwave oscillator 500 shown in FIG. This will be described in detail below.

図4に示したマイクロ波発振素子50bにおいて点線で囲まれた箇所では、磁性ナノ粒子26と第2の電極10bとが電気的に接続されている。図12(b)では、ナノスケールに微細加工された磁化自由層と第2の電極がナノスケールで電気的に接続されている。上述したように、本実施の形態では、磁性ナノ粒子26と図12で示す磁化自由層114とは同じものとみなすことができることから、点線で囲まれた箇所においては、図12(b)で示した従来のマイクロ波発振素子500と同様な等価回路を持ち、同じようにマイクロ波発振を行うことができる。   In the microwave oscillating device 50b shown in FIG. 4, the magnetic nanoparticles 26 and the second electrode 10b are electrically connected at a portion surrounded by a dotted line. In FIG. 12B, the magnetization free layer finely processed on the nanoscale and the second electrode are electrically connected on the nanoscale. As described above, in the present embodiment, the magnetic nanoparticle 26 and the magnetization free layer 114 shown in FIG. 12 can be regarded as the same, and therefore, in a portion surrounded by a dotted line, FIG. It has an equivalent circuit similar to the conventional microwave oscillation device 500 shown, and can perform microwave oscillation in the same manner.

更に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50bは、複数の磁性ナノ粒子26と第2の電極10bとが電気的に接続している。従って、マイクロ波発振素子50bは、図13(b)で示したマイクロ波発振素子500Bと同様に、複数の図12(b)で示したマイクロ波発振素子500を並列に接続した構造をとっている。図4のマイクロ波発振素子50bの等価回路は、図13(b)に示したマイクロ波発振素子500Bと同様なものとなり、図12で示したマイクロ波発振素子500よりも大きな出力を得ることができる。   Furthermore, in the microwave oscillation element 50b in the present embodiment, the plurality of magnetic nanoparticles 26 and the second electrode 10b are electrically connected. Accordingly, the microwave oscillating device 50b has a structure in which a plurality of microwave oscillating devices 500 shown in FIG. 12B are connected in parallel, similarly to the microwave oscillating device 500B shown in FIG. 13B. Yes. The equivalent circuit of the microwave oscillating device 50b in FIG. 4 is the same as the microwave oscillating device 500B shown in FIG. 13B, and a larger output than the microwave oscillating device 500 shown in FIG. 12 can be obtained. it can.

また、磁性ナノ粒子26の間隔を狭くしていくと、並列に接続しているマイクロ波発振素子同士が位相同期して発振する。すなわち、磁性ナノ粒子26の間隔を狭くすると、磁化自由層14内の隣り合う磁性ナノ粒子26の電子のスピンの歳差運動は、位相同期する。このことにより、更に大きな出力で発振させることが可能となる。   Further, as the interval between the magnetic nanoparticles 26 is reduced, the microwave oscillation elements connected in parallel oscillate in phase synchronization. That is, when the interval between the magnetic nanoparticles 26 is narrowed, the precession of the spins of the electrons of the adjacent magnetic nanoparticles 26 in the magnetization free layer 14 is phase-synchronized. This makes it possible to oscillate with a larger output.

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50bの各要素を形成する材料について述べる。   Next, materials for forming each element of the microwave oscillation element 50b in the present embodiment will be described.

磁性ナノ粒子26は、実施の形態1において述べた磁化自由層14と同様の材料からなる。   The magnetic nanoparticles 26 are made of the same material as the magnetization free layer 14 described in the first embodiment.

絶縁体層25も、実施の形態1において述べた絶縁体層15と同様の材料を用いることができる。   The insulator layer 25 can be formed using a material similar to that of the insulator layer 15 described in Embodiment 1.

また、その他の箇所に用いた材料についても、実施の形態1と同様である。   Further, the materials used for other portions are the same as those in the first embodiment.

以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50bの作製方法について述べる。   Hereinafter, a method for manufacturing the microwave oscillation element 50b according to the present embodiment will be described.

図5は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50bの作製方法を説明するための図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining a method of manufacturing the microwave oscillator 50b according to the present embodiment.

最初に、Siなどの基板19上に、第1の電極10aとしてCu(膜厚60nm)を成膜する(図5(a))。具体的には、図5(a)’に示した上面図のように、Cu(膜厚60nm)を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法(例えば、2つの電極パット部80μm×80μmの間に、幅30μm×長さ100μmの細線が形成されているもの)に加工する。   First, Cu (film thickness 60 nm) is formed as a first electrode 10a on a substrate 19 such as Si (FIG. 5A). Specifically, as shown in the top view of FIG. 5A ′, after Cu (film thickness 60 nm) is formed, a resist is applied, patterned, and a predetermined dimension (using ion milling) For example, a thin wire having a width of 30 μm and a length of 100 μm is formed between two electrode pad portions of 80 μm × 80 μm).

次に、第1の電極10aの上に反強磁性体層11としてIrMn合金層(膜厚15nm)を形成する。さらにその上に、磁化固定層12として、飽和磁化Bsが約1Tの軟磁性体であるNiFe合金層(膜厚5nm)を形成する。さらに、AlOx層(膜厚1.4nm)を中間層13として形成する。   Next, an IrMn alloy layer (film thickness: 15 nm) is formed as the antiferromagnetic material layer 11 on the first electrode 10a. Further thereon, a NiFe alloy layer (film thickness 5 nm), which is a soft magnetic material having a saturation magnetization Bs of about 1 T, is formed as the magnetization fixed layer 12. Further, an AlOx layer (film thickness 1.4 nm) is formed as the intermediate layer 13.

次に、絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26を含んだ層を形成する。   Next, a layer including magnetic nanoparticles 26 surrounded by the insulator layer 25 is formed.

磁性ナノ粒子26は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるSKモード、VWモード成長を利用する方法を用いる。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。SKモードもしくはVWモード成長を利用して、FeCoNiをナノ粒子状に形成した後、この磁性ナノ粒子26を囲むように、絶縁体層25としてのSiNを成膜する。また、ナノ粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転移などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、実施の形態1と同様にナノ粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、磁性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。   The magnetic nanoparticles 26 use a method utilizing so-called SK mode or VW mode growth that appears in the early stage of the thin film growth process. This method does not require fine processing such as electron beam lithography and etching, and can form nanoparticles by a simple process. After FeCoNi is formed into nanoparticles using SK mode or VW mode growth, SiN as an insulator layer 25 is formed so as to surround the magnetic nanoparticles 26. In addition, in order to control the nanoparticle spacing and position, a method of putting stress distribution or transfer on the substrate surface has been devised. In this embodiment, the distance between nanoparticles is the same as in the first embodiment. -There is no particular problem with the location. This is because the microwave oscillation elements are connected in parallel by the magnetic nanoparticles even if the inter-particle distance / position varies.

絶縁体層25に覆われた磁性ナノ粒子26を含んだ層を形成する他の方法としては、「グラニュラー膜」と呼ばれる、アモルファスマトリックス中に磁性ナノ粒子26が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることが挙げられる。「グラニュラー膜」は、本実施の形態における磁性ナノ粒子26を構成する強磁性金属とAlをスパッタ法などで同時に成膜することで得ることができる。「グラニュラー膜」を用いた場合は、Alからなる中間層13を形成する必要が無くなる。何故なら、グラニュラー膜中の磁性ナノ粒子26は、Alからなるアモルファスマトリックスに覆われているためである。従って、グラニュラー膜を成膜した時に、磁化固定層12と磁性ナノ粒子26との間にAlが形成されて中間層13の役割を果たす。その為、前もって中間層13としてAlを成膜する必要が無くなる。 As another method for forming a layer including the magnetic nanoparticles 26 covered with the insulator layer 25, a composite structure called “granular film” in which the magnetic nanoparticles 26 are deposited or formed in an amorphous matrix. Is used. The “granular film” can be obtained by simultaneously forming a ferromagnetic metal and Al 2 O 3 constituting the magnetic nanoparticle 26 in the present embodiment by a sputtering method or the like. When the “granular film” is used, it is not necessary to form the intermediate layer 13 made of Al 2 O 3 . This is because the magnetic nanoparticles 26 in the granular film are covered with an amorphous matrix made of Al 2 O 3 . Therefore, when the granular film is formed, Al 2 O 3 is formed between the magnetization fixed layer 12 and the magnetic nanoparticles 26 and serves as the intermediate layer 13. Therefore, it is not necessary to form Al 2 O 3 as the intermediate layer 13 in advance.

図6は、グラニュラー膜を用いたマイクロ波発振素子50b’であり、図5で示したマイクロ波発振素子50bと比較して、中間層13が省略されている。

ここで、磁性ナノ粒子26のサイズについて述べる。上述したように、図12(b)、図13(b)のマイクロ波発振素子500、500Bにおいては、磁化自由層114を微細化し電流パスの断面積を小さくしている。これにより、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つ。また、磁化自由層14を微細化する理由として、磁化自由層14の単磁区化と電流分布およびジュール熱による温度分布の均一化が挙げられる。本実施の形態の場合は、磁性ナノ粒子26の寸法が電流パスの断面積を決定することになる。また、磁性ナノ粒子26を単磁区にするための寸法は、直径100nm程度である。従って、磁性ナノ粒子26を単磁区にし、且つ、電流密度を大きくしてマイクロ波発振に必要な電流を低減する為には、磁性ナノ粒子26の直径を100nm以下にする必要がある。
FIG. 6 shows a microwave oscillation element 50b ′ using a granular film, and the intermediate layer 13 is omitted as compared with the microwave oscillation element 50b shown in FIG.

Here, the size of the magnetic nanoparticles 26 will be described. As described above, in the microwave oscillation elements 500 and 500B of FIGS. 12B and 13B, the magnetization free layer 114 is miniaturized to reduce the cross-sectional area of the current path. As a result, the current density is increased, which has the effect of reducing the amount of current required for microwave oscillation. Further, the reason why the magnetization free layer 14 is miniaturized is that the magnetization free layer 14 has a single magnetic domain, a current distribution, and a uniform temperature distribution due to Joule heat. In the case of the present embodiment, the size of the magnetic nanoparticle 26 determines the cross-sectional area of the current path. Moreover, the dimension for making the magnetic nanoparticle 26 into a single magnetic domain is about 100 nm in diameter. Therefore, in order to make the magnetic nanoparticles 26 have a single magnetic domain and increase the current density to reduce the current required for microwave oscillation, the diameter of the magnetic nanoparticles 26 needs to be 100 nm or less.

次に、第1の電極10aと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、反強磁性体層11から絶縁体層15に囲まれた導電性ナノ粒子を含んだ層までを所定の寸法(例えば、50μm×50μm)に加工する。(図5(b))
次に、第2の電極10bとのショートを防ぐため、反強磁性体層11から絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26を含んだ層を覆う様に絶縁膜20としてSiNを形成する。
Next, as with the first electrode 10a, ion milling is used to a predetermined dimension, and a predetermined dimension (from the antiferromagnetic material layer 11 to the layer containing conductive nanoparticles surrounded by the insulator layer 15) ( For example, it is processed to 50 μm × 50 μm). (Fig. 5 (b))
Next, in order to prevent a short circuit with the second electrode 10 b, SiN is formed as the insulating film 20 so as to cover the layer including the magnetic nanoparticles 26 surrounded by the insulating layer 25 from the antiferromagnetic material layer 11. .

その後、第2の電極10bにおける電極層17と磁性ナノ粒子26とのコンタクトホール21を作成する。コンタクトホール21は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する。このとき、磁性ナノ粒子26を覆っている絶縁体層15の表面部分(磁化自由層14の表面部分)も取り除き、磁性ナノ粒子の一部を表面に露出させる(図5(c))。   Thereafter, a contact hole 21 between the electrode layer 17 and the magnetic nanoparticles 26 in the second electrode 10b is created. The contact hole 21 is formed by applying a resist and patterning, and removing the insulating film by wet etching with hydrofluoric acid or ion milling. At this time, the surface portion of the insulator layer 15 covering the magnetic nanoparticles 26 (the surface portion of the magnetization free layer 14) is also removed, and a part of the magnetic nanoparticles is exposed on the surface (FIG. 5C).

最後に、第2の電極10bを成膜し、第1の電極10aと同じく、所定の寸法に加工する(図5(d))。   Finally, the second electrode 10b is formed and processed into a predetermined dimension in the same manner as the first electrode 10a (FIG. 5D).

以上で説明してきたように、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子においては、複数の磁性ナノ粒子26と第2の電極10bとが電気的に接続している。これらは、図12(b)に示すマイクロ波発振素子500を並列に接続した図13(b)に示すマイクロ波発振素子500Bと等価であり、大きな出力を示す。   As described above, in the microwave oscillation element in the present embodiment, the plurality of magnetic nanoparticles 26 and the second electrode 10b are electrically connected. These are equivalent to the microwave oscillator 500B shown in FIG. 13B in which the microwave oscillators 500 shown in FIG. 12B are connected in parallel, and show a large output.

また、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50bにおいては、複数の磁性ナノ粒子26が、図13(b)における微細加工された磁化自由層114と同等の機能を果たすため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで量産性の優れた素子を作製することが可能となる。   In the microwave oscillation element 50b in the present embodiment, the plurality of magnetic nanoparticles 26 perform the same function as the finely processed magnetization free layer 114 in FIG. The required microfabrication is not required, and it is possible to manufacture a low-cost element with excellent mass productivity.

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第2の電極と前記磁性微粒子とが電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。
In other words, it can be said that the microwave oscillation device and the microwave oscillation device using the same according to the present invention are characterized by the following configurations.
That is, the microwave oscillating element and the microwave oscillating device using the same can change the magnetization direction of the first electrode, the magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, the non-magnetic intermediate layer, and the like. In other words, in the microwave oscillation element configured by laminating the magnetization free layer and the second electrode in this order, it can be said that the magnetization free layer includes nanoparticles.
In the above configuration, the magnetization free layer is composed of a plurality of magnetic fine particles surrounded by an insulator, and the second electrode and the magnetic fine particles electrically form a plurality of nanocontacts. Is preferred.

〔実施の形態3〕
本発明にかかる他の実施の形態について、図7ないし図10に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態2との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態2で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
Another embodiment according to the present invention will be described below with reference to FIGS. In this embodiment, in order to explain the difference from the second embodiment, for the sake of convenience of explanation, members having the same functions as those described in the second embodiment are denoted by the same member numbers. The description is omitted.

図7は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。本実施の形態のマイクロ波発振素子50cは、実施の形態2の図4において記載したマイクロ波発振素子50bの磁化自由層14と第2の電極10bの間に、中間層22と、第2の反強磁性体層11bと、磁化固定層12bとを形成した構成となっている。   FIG. 7 is a sectional view showing the configuration of the microwave oscillating device according to the present embodiment. The microwave oscillation element 50c of the present embodiment includes an intermediate layer 22 and a second layer between the magnetization free layer 14 and the second electrode 10b of the microwave oscillation element 50b described in FIG. 4 of the second embodiment. The antiferromagnetic layer 11b and the magnetization fixed layer 12b are formed.

すなわち、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50cは、図7に示すように、第1の電極10aと、第1の反強磁性体層11aと、磁化が一方向に固定された第1の磁化固定層12aと、中間層22と、磁化方向が可変な磁化自由層24と、中間層22と、第2の磁化固定層12bと、第2の反強磁性体層11bと、第2の電極10bとがこの順で積層されることにより形成されている。   That is, as shown in FIG. 7, the microwave oscillation element 50c according to the present embodiment includes the first electrode 10a, the first antiferromagnetic layer 11a, and the first whose magnetization is fixed in one direction. Magnetization fixed layer 12a, intermediate layer 22, magnetization free layer 24 with variable magnetization direction, intermediate layer 22, second magnetization fixed layer 12b, second antiferromagnetic material layer 11b, second layer The electrodes 10b are stacked in this order.

また、本実施の形態における磁化自由層24は、絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26で構成されている。   In addition, the magnetization free layer 24 in the present embodiment is composed of magnetic nanoparticles 26 surrounded by an insulator layer 25.

また、磁化固定層12a及び12bの磁化方向は互いに逆向きになっており、反強磁性体層11a及び11bによって固定されている。尚、反強磁性体層11a及び11bによって、磁化固定層12a及び12bの磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層12a及び12bを形成してもよい。   The magnetization directions of the magnetization fixed layers 12a and 12b are opposite to each other and are fixed by the antiferromagnetic layers 11a and 11b. Instead of fixing the magnetizations of the magnetization fixed layers 12a and 12b by the antiferromagnetic layers 11a and 11b, the magnetization fixed layers 12a and 12b may be formed of only a hard magnetic material in which magnetization inversion hardly occurs.

第2の磁化固定層12bの材料は、第1の磁化固定層12aと同じ材料からなり、実施の形態1で説明した磁化固定層12の材料を用いることができる。   The material of the second magnetization fixed layer 12b is made of the same material as that of the first magnetization fixed layer 12a, and the material of the magnetization fixed layer 12 described in the first embodiment can be used.

また、本実施形態では、第1の反強磁性体層11aとしてPtMn合金層、第2の反強磁性体層11bとして、IrMn合金層を用いることができる。   In the present embodiment, a PtMn alloy layer can be used as the first antiferromagnetic material layer 11a, and an IrMn alloy layer can be used as the second antiferromagnetic material layer 11b.

また、中間層22は、実施の形態1で説明した中間層13の材料を用いることができる。   For the intermediate layer 22, the material of the intermediate layer 13 described in the first embodiment can be used.

尚、本実施の形態における磁化自由層24は、上述したグラニュラー膜を用いて構成することも可能である。グラニュラー膜を成膜した時に、第1・第2の磁化固定層12a・12bと、磁性ナノ粒子26との間にAlが形成されて中間層22の役割を果たす。その為、前もって中間層22としてAlを成膜する必要が無くなる(図8参照)。 In addition, the magnetization free layer 24 in this Embodiment can also be comprised using the granular film mentioned above. When the granular film is formed, Al 2 O 3 is formed between the first and second magnetization fixed layers 12 a and 12 b and the magnetic nanoparticles 26 to serve as the intermediate layer 22. Therefore, it is not necessary to form Al 2 O 3 as the intermediate layer 22 in advance (see FIG. 8).

図7に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50cは、実施の形態2におけるマイクロ波発振素子50b及び50b’(図4及び図6)と比較して、より小さい電流値においてマイクロ波発振することが可能となる点において優れている。このことについて、以下に詳細に述べる。   The microwave oscillation element 50c in the present embodiment shown in FIG. 7 oscillates at a smaller current value than the microwave oscillation elements 50b and 50b ′ (FIGS. 4 and 6) in the second embodiment. It is excellent in that it becomes possible. This will be described in detail below.

図9は、本実施の形態におけるマイクロ波の発生原理を説明するための図である。尚、図9においては、説明を分かりやすくするために、図7におけるマイクロ波発振素子の一部分を拡大して記載し、その他の部分については示していない。   FIG. 9 is a diagram for explaining the principle of microwave generation in this embodiment. In FIG. 9, for easy understanding, a part of the microwave oscillation element in FIG. 7 is shown in an enlarged manner, and the other parts are not shown.

マイクロ波を発生させるためには、電極10aと電極10bとの間に電圧を印加し、電極10aから、反強磁性体層11a、磁化固定層12aを介して磁化自由層24の方向に電流31を流す。このように電流31を流すことにより、磁化固定層12bを通過した電子32(電子の流れる方向は電流と逆向きとなる)は、磁化固定層12bの磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピン(同図においては左向き)をもつようになる。このようなスピンを有する電子が磁化自由層24中の磁性ナノ粒子26内へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性ナノ粒子26へ伝達され、磁性ナノ粒子26内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。   In order to generate a microwave, a voltage is applied between the electrode 10a and the electrode 10b, and a current 31 flows from the electrode 10a to the magnetization free layer 24 through the antiferromagnetic layer 11a and the magnetization fixed layer 12a. Shed. By flowing the current 31 in this way, the electrons 32 that have passed through the magnetization fixed layer 12b (the direction in which electrons flow are opposite to the current) have spins having a magnetic moment in the same direction as the magnetization of the magnetization fixed layer 12b ( In the same figure, it has a left direction). When electrons having such a spin flow into the magnetic nanoparticle 26 in the magnetization free layer 24, the angular momentum of the spin is transmitted to the magnetic nanoparticle 26, and the spin of the electron in the magnetic nanoparticle 26 is reversed. And start precession.

一方、もう一つの磁化固定層12aの磁化方向は、磁化固定層12bの磁化とは逆向きである。このため、電子の流れが磁化固定層12aへ入る界面において、磁化固定層12bの磁化と同方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、磁化固定層12aに接した中間層で反射される。この反射されたスピンは、やはり磁性ナノ粒子26内の磁化に作用する。   On the other hand, the magnetization direction of the other magnetization fixed layer 12a is opposite to the magnetization of the magnetization fixed layer 12b. For this reason, electrons having a spin having a magnetic moment in the same direction as the magnetization of the magnetization fixed layer 12b are reflected by the intermediate layer in contact with the magnetization fixed layer 12a at the interface where the flow of electrons enters the magnetization fixed layer 12a. This reflected spin also affects the magnetization in the magnetic nanoparticles 26.

すなわち、磁化固定層12bを通過してきた電子は、中間層22で反射された後、磁性ナノ粒子26の磁化に再び作用するため、マイクロ波を発生するための電流値を、実施の形態2よりも小さい電流値で実施できることになる。   That is, since the electrons that have passed through the magnetization fixed layer 12b are reflected by the intermediate layer 22 and then act again on the magnetization of the magnetic nanoparticles 26, the current value for generating microwaves is determined from the second embodiment. This can be implemented with a small current value.

本実施の形態においても、実施の形態2と同様に複数の磁性ナノ粒子26を用いてマイクロ波発振素子を作製している。従って、マイクロ波発振素子が並列接続している構造をとり、大きな出力を示す。また、磁性ナノ粒子26を用いているため、微細加工することなくマイクロ波発振素子を形成することができる。   Also in the present embodiment, a microwave oscillation element is manufactured using a plurality of magnetic nanoparticles 26 as in the second embodiment. Therefore, a structure in which the microwave oscillation elements are connected in parallel is taken, and a large output is shown. Further, since the magnetic nanoparticles 26 are used, a microwave oscillation element can be formed without fine processing.

尚、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子50cの各要素を形成する材料のうち上記した以外の構成も、実施の形態2の材料と同様のものを用いることができる。   In addition, among the materials forming the elements of the microwave oscillating device 50c in the present embodiment, configurations other than those described above can be the same as the materials in the second embodiment.

図10は、本実施の形態に関わるマイクロ波発振素子の作製方法を説明するための図である。以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子50cの作製方法について述べる。   FIG. 10 is a diagram for explaining a method for manufacturing a microwave oscillation element according to this embodiment. A method for manufacturing the microwave oscillation element 50c according to the present embodiment will be described below.

最初に、Siなどの基板19上に、第1の電極10aとしてCu(膜厚60nm)を成膜する(図10(a))。具体的には、図10(a)’に示した上面図のように、Cu(膜厚60nm)を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法(例えば、2つの電極パット部80μm×80μmの間に、幅30μm×長さ100μmの細線が形成されているもの)に加工する。   First, Cu (film thickness 60 nm) is formed as a first electrode 10a on a substrate 19 such as Si (FIG. 10A). Specifically, as shown in the top view of FIG. 10A ′, after Cu (film thickness 60 nm) is formed, a resist is applied, patterned, and a predetermined dimension (using ion milling) For example, a thin wire having a width of 30 μm and a length of 100 μm is formed between two electrode pad portions of 80 μm × 80 μm).

次に、第1の電極10aの上に第1の反強磁性体層11aとしてPtMn合金層(膜厚15nm)を形成する。さらにその上に、第1の磁化固定層12aとして、飽和磁化Bsが約1Tの軟磁性体であるNiFe合金層(膜厚5nm)を形成する。さらに、AlOx層(膜厚1.4nm)を中間層22として形成する。   Next, a PtMn alloy layer (film thickness: 15 nm) is formed as the first antiferromagnetic material layer 11a on the first electrode 10a. Furthermore, a NiFe alloy layer (film thickness: 5 nm), which is a soft magnetic material having a saturation magnetization Bs of about 1 T, is formed thereon as the first magnetization fixed layer 12a. Further, an AlOx layer (film thickness 1.4 nm) is formed as the intermediate layer 22.

次に、絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26を含んだ層を形成する。磁性ナノ粒子26は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるSKモード、VWモード成長を利用する方法を用いる。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。SKモードもしくはVWモード成長を利用して、FeCoNiをナノ粒子上に形成した後、この磁性ナノ粒子を覆うように、SiNを成膜する。また、ナノ粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転位などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、実施の形態1、2と同様にナノ粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、磁性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。   Next, a layer including magnetic nanoparticles 26 surrounded by the insulator layer 25 is formed. The magnetic nanoparticles 26 use a method utilizing so-called SK mode or VW mode growth that appears in the early stage of the thin film growth process. This method does not require fine processing such as electron beam lithography and etching, and can form nanoparticles by a simple process. After forming FeCoNi on the nanoparticles using SK mode or VW mode growth, SiN is deposited to cover the magnetic nanoparticles. In addition, in order to control the nanoparticle interval and position, a method of putting stress distribution, dislocation, etc. on the substrate surface has been devised. In this embodiment, the nanoparticle is the same as in the first and second embodiments. There is no particular problem regarding the distance and position. This is because the microwave oscillation elements are connected in parallel by the magnetic nanoparticles even if the interparticle distance / position varies.

尚、上述したように、絶縁体層25に覆われた磁性ナノ粒子26を含んだ層を、グラニュラー膜として形成してもよい。   As described above, the layer containing the magnetic nanoparticles 26 covered with the insulator layer 25 may be formed as a granular film.

ここで、磁性ナノ粒子26のサイズについて述べる。   Here, the size of the magnetic nanoparticles 26 will be described.

上述したように、図12(b)・図13(b)のマイクロ波発振素子500、500Bにおいては、磁化自由層114を微細化し電流パスの断面積を小さくしている。これにより、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つ。また、磁化自由層を微細化する理由として、磁化自由層の単磁区化と電流分布およびジュール熱による温度分布の均一化が挙げられる。本実施の形態の場合は、磁性ナノ粒子26の寸法が電流パスの断面積を決定することになる。また、磁性ナノ粒子26を単磁区にするための寸法は直径100nm程度である。従って、磁性ナノ粒子26を単磁区にし、且つ、電流密度を大きくしてマイクロ波発振に必要な電流を低減する為には、磁性ナノ粒子26の寸法を100nm以下にする必要がある。   As described above, in the microwave oscillation elements 500 and 500B of FIGS. 12B and 13B, the magnetization free layer 114 is miniaturized to reduce the cross-sectional area of the current path. As a result, the current density is increased, which has the effect of reducing the amount of current required for microwave oscillation. Further, the reason why the magnetization free layer is miniaturized is that the magnetization free layer has a single magnetic domain, a current distribution, and a uniform temperature distribution due to Joule heat. In the case of the present embodiment, the size of the magnetic nanoparticle 26 determines the cross-sectional area of the current path. The size for making the magnetic nanoparticles 26 into a single magnetic domain is about 100 nm in diameter. Therefore, in order to make the magnetic nanoparticle 26 have a single magnetic domain and increase the current density to reduce the current required for microwave oscillation, the size of the magnetic nanoparticle 26 needs to be 100 nm or less.

次に、AlOx層(膜厚1.4nm)を中間層22として形成する。そして、第2の磁化固定層12bとして、飽和磁化Bsが約1TのNiFe合金層(膜厚5nm)からなる軟磁性体により、第2の磁化固定層12bを形成する。さらに、第2の反強磁性体層11bとして、IrMn合金層(膜厚15nm)を形成する。   Next, an AlOx layer (film thickness 1.4 nm) is formed as the intermediate layer 22. Then, as the second magnetization fixed layer 12b, the second magnetization fixed layer 12b is formed of a soft magnetic material made of a NiFe alloy layer (film thickness 5 nm) having a saturation magnetization Bs of about 1T. Further, an IrMn alloy layer (film thickness: 15 nm) is formed as the second antiferromagnetic layer 11b.

次に、基板19面内に外部磁場を印加しながら熱処理を行う。すなわち、図10において右方向に10kOeの外部磁界を印加しながら270℃で10時間の加熱処理を行う。これにより、第1の反強磁性体層(PtMn合金層)11aに隣接した第1の磁化固定層12a(軟磁性体のNiFe合金層)の磁化を、図面右方向に固定することができる。   Next, heat treatment is performed while applying an external magnetic field in the plane of the substrate 19. That is, in FIG. 10, heat treatment is performed at 270 ° C. for 10 hours while applying an external magnetic field of 10 kOe to the right. Thereby, the magnetization of the first magnetization fixed layer 12a (soft magnetic NiFe alloy layer) adjacent to the first antiferromagnetic material layer (PtMn alloy layer) 11a can be fixed in the right direction in the drawing.

更に、図10において左方向に外部磁界を印加しながら、200℃で1時間の熱処理を加える。これにより、第2の反強磁性体層(IrMn合金層)11bに隣接した第2の磁化固定層(軟磁性体のNiFe合金層)12bの磁化を、図面左方向に固定することができる。   Further, in FIG. 10, heat treatment is applied at 200 ° C. for 1 hour while applying an external magnetic field in the left direction. Thereby, the magnetization of the second magnetization fixed layer (soft magnetic NiFe alloy layer) 12b adjacent to the second antiferromagnetic material layer (IrMn alloy layer) 11b can be fixed in the left direction of the drawing.

次に、第1の電極10aと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、第1の反強磁性体層11aから第2の反強磁性体層11bまでを所定の寸法(例えば、100μm×100μm)に加工する(図10(b))。   Next, similarly to the first electrode 10a, ion milling is performed to a predetermined dimension, and the predetermined dimension (for example, 100 μm × 100 μm) (FIG. 10B).

次に、先に加工した第1の反強磁性体層11aから第2の反強磁性体層11bを覆う様に、第2の電極10bとのショートを防ぐためSiNを絶縁膜20として形成する。   Next, SiN is formed as an insulating film 20 so as to prevent a short circuit with the second electrode 10b so as to cover the first antiferromagnetic layer 11a processed from the first antiferromagnetic layer 11b previously processed. .

その後、第2の電極10bと反強磁性体層11bとを繋ぐコンタクトホール21を作成する。コンタクトホール21は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する(図10(c))。   Thereafter, a contact hole 21 that connects the second electrode 10b and the antiferromagnetic material layer 11b is formed. The contact hole 21 is formed by applying a resist and patterning, and removing the insulating film by wet etching with hydrofluoric acid or ion milling (FIG. 10C).

最後に、第2の電極10bを成膜し、第1の電極10aと同じく、所定の寸法に加工する(図10(d))。   Finally, the second electrode 10b is formed and processed into a predetermined dimension in the same manner as the first electrode 10a (FIG. 10D).

以上で説明したように、2つの磁化方向が反平行である第1の磁化固定層12a、第2の磁化固定層12bを用いることにより、第1・第2の磁化固定層12a・12bを通過した電子のスピンがもつ角運動量を、磁性ナノ粒子26の磁化に効率的に作用させ、マイクロ波発振に必要となる電流値を低減することができる様な構造においても、磁性ナノ粒子26を用いてマイクロ波発振素子50cを作製しているため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで素子を作製することが可能となる。   As described above, by using the first magnetization fixed layer 12a and the second magnetization fixed layer 12b whose two magnetization directions are antiparallel, the first and second magnetization fixed layers 12a and 12b pass through. The magnetic nanoparticle 26 is used even in a structure in which the angular momentum possessed by the spin of electrons can be efficiently applied to the magnetization of the magnetic nanoparticle 26 to reduce the current value required for microwave oscillation. Thus, since the microwave oscillation element 50c is manufactured, fine processing that requires nanoscale accuracy is unnecessary, and the element can be manufactured at low cost.

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含み、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第2の電極と前記磁化自由層との間に、磁化方向が固定された第2の磁化固定層を配置していることを特徴としていると換言することができる。
In other words, it can be said that the microwave oscillation device according to the present invention is characterized by the following configuration.
That is, the microwave oscillation element includes a first electrode, a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a nonmagnetic intermediate layer, a magnetization free layer capable of changing the magnetization direction, and a second electrode. In the microwave oscillation device configured by stacking in this order, the magnetization free layer includes nanoparticles, and the magnetization free layer includes a plurality of magnetic fine particles surrounded by an insulator, and the second electrode In other words, a second magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction is arranged between the magnetization free layer and the magnetization free layer.

また、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Such embodiments are also included in the technical scope of the present invention.

本発明によれば、マイクロ波の出力を向上させることができ、さらに、低コスト、量産性に優れた方法でマイクロ波発振素子を作製することが可能となる。従って、複数の周波数に対応可能なRF回路に用いるマイクロ波発振素子として、本発明のスピントルクを用いたマイクロ波発振素子が搭載される可能性を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to improve the output of microwaves, and it is possible to manufacture a microwave oscillation element by a method that is excellent in low cost and mass productivity. Therefore, it is possible to improve the possibility that the microwave oscillation element using the spin torque of the present invention is mounted as a microwave oscillation element used in an RF circuit capable of dealing with a plurality of frequencies.

よって、マイクロ波領域で発振可能であるので、ミリ波レーダー、ミリ波を用いた過熱装置等、ミリ波を用いた各種装置の実用化に寄与できる。   Therefore, since it can oscillate in the microwave region, it can contribute to the practical application of various devices using millimeter waves, such as millimeter wave radars and superheaters using millimeter waves.

本発明の第1の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the microwave oscillation element concerning the 1st Embodiment of this invention. 図1に示したマイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the microwave oscillation element shown in FIG. (a)は、図1に示したマイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置の構成を示す図であり、(b)は、(a)に示したマイクロ波発振装置の一部の構成を詳細に示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the microwave oscillation apparatus provided with the microwave oscillation element shown in FIG. 1, (b) is a part of structure of the microwave oscillation apparatus shown to (a). It is a figure shown in detail. 本発明の第2の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the microwave oscillation element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 図4に示した第2の実施形態マイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of 2nd Embodiment microwave oscillation element shown in FIG. 本発明の第2の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の他の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the microwave oscillation element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the microwave oscillation element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の他の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the microwave oscillation element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の原理を説明した図である。It is a figure explaining the principle of the microwave oscillation element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 図7に示した第3の実施形態のマイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。It is a figure which shows the manufacture process of the microwave oscillation element of 3rd Embodiment shown in FIG. スピントルクを用いたマイクロ波発振素子の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the microwave oscillation element using a spin torque. (a)・(b)はともに、従来技術のマイクロ波発振素子の構成について示した断面図である。(A) * (b) is sectional drawing shown about the structure of the microwave oscillation element of a prior art. 図12の(a)・(b)に示した従来技術のマイクロ波発振素子を複数用いて、これらを並列に接続した状態を示した断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which a plurality of the conventional microwave oscillation elements shown in FIGS. 12A and 12B are used and connected in parallel.

符号の説明Explanation of symbols

1a マイクロ波発振素子
1b・b’ マイクロ波発振素子
1c マイクロ波発振素子
10a 第1の電極
10b 第2の電極
11 反強磁性体層
11a 第1の反強磁性体層
11b 第2の反強磁性体層
12 磁化固定層
12a 第1の磁化固定層
12b 第2の磁化固定層
13 中間層
14 磁化自由層
15 絶縁体層
16 導電性ナノ粒子
17 電極層
18 ナノコンタクト
19 基板
20 絶縁膜
21 コンタクトホール
22 中間層
24 磁化自由層
25 絶縁体層
26 磁性ナノ粒子
31 電流
32 電子
51 電源部
52 周波数可変部
53 信号増幅部
54 交流信号
56 外部磁界発生部
60 マイクロ波発振装置
Bs 飽和磁化
V1〜V4 電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a Microwave oscillator 1b * b 'Microwave oscillator 1c Microwave oscillator 10a 1st electrode 10b 2nd electrode 11 Antiferromagnetic material layer 11a 1st antiferromagnetic material layer 11b 2nd antiferromagnetic material Body layer 12 magnetization fixed layer 12a first magnetization fixed layer 12b second magnetization fixed layer 13 intermediate layer 14 magnetization free layer 15 insulator layer 16 conductive nanoparticles 17 electrode layer 18 nanocontact 19 substrate 20 insulating film 21 contact hole 22 Intermediate Layer 24 Magnetization Free Layer 25 Insulator Layer 26 Magnetic Nanoparticle 31 Current 32 Electron 51 Power Supply Unit 52 Frequency Variable Unit 53 Signal Amplifying Unit 54 AC Signal 56 External Magnetic Field Generation Unit 60 Microwave Oscillator Bs Saturation Magnetization V1 to V4 Power Supply

Claims (15)

第1の電極と第2の電極との間に、
磁化方向が固定された磁化固定層と、
非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、
磁化方向を変化させることができる磁化自由層とを有し、
上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、
第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子において、
上記電流の経路中に、上記磁化自由層内における所定領域に流れる上記電流の密度を、該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴とするマイクロ波発振素子。
Between the first electrode and the second electrode,
A magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction;
A non-magnetic or insulating intermediate layer;
A magnetization free layer capable of changing the magnetization direction,
The intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer,
In the microwave oscillation device configured to allow a current to flow from the first electrode to the second electrode via the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer,
The current path has a plurality of nanoparticles for making the density of the current flowing in a predetermined region in the magnetization free layer higher than the density of the current flowing in a region other than the predetermined region. A microwave oscillation element characterized by the above.
上記ナノ粒子は、導電性ナノ粒子であり、
上記第2の電極は、電極層と、上記ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ接続層とを有しており、
上記ナノ粒子が、上記電極層と上記磁化自由層とに電気的に接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。
The nanoparticles are conductive nanoparticles,
The second electrode has an electrode layer and a connection layer in which the nanoparticles are surrounded by an insulator,
The microwave oscillation element according to claim 1, wherein the nanoparticles are in electrical contact with the electrode layer and the magnetization free layer.
上記電極層と上記磁化自由層との上記ナノ粒子の接触面積は、0を超え、4900nm以下であることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ波発振素子。 The microwave oscillation element according to claim 2 , wherein a contact area of the nanoparticles between the electrode layer and the magnetization free layer is more than 0 and 4900 nm 2 or less. 上記接触面積は、0を超え、70nm×70nm以下であることを特徴とする請求項3に記載のマイクロ波発振素子。   The microwave oscillation element according to claim 3, wherein the contact area is greater than 0 and equal to or less than 70 nm x 70 nm. 上記第1の電極と、磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、第2の電極とがこの順で設けられていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。   5. The device according to claim 1, wherein the first electrode, the magnetization fixed layer, the intermediate layer, the magnetization free layer, and the second electrode are provided in this order. The microwave oscillation element of description. 上記ナノ粒子は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。   The microwave oscillation element according to claim 1, wherein the nanoparticles are metal nanoparticles. 上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁性ナノ粒子が、上記第2の電極と上記中間層とに接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。
The nanoparticles are magnetic nanoparticles,
The magnetization free layer has a configuration in which the magnetic nanoparticles are surrounded by an insulator,
The microwave oscillation element according to claim 1, wherein the magnetic nanoparticles are in contact with the second electrode and the intermediate layer.
上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁化固定層は、互いに磁化方向が逆である第1の磁化固定層と第2の磁化固定層とを備えており、
上記磁化自由層は、上記中間層を介して、上記第1の磁化固定層と上記第2の磁化固定層とに挟まれた構成となっており、
上記磁性ナノ粒子は、各上記中間層と接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。
The nanoparticles are magnetic nanoparticles,
The magnetization free layer has a configuration in which the magnetic nanoparticles are surrounded by an insulator,
The magnetization fixed layer includes a first magnetization fixed layer and a second magnetization fixed layer whose magnetization directions are opposite to each other,
The magnetization free layer is configured to be sandwiched between the first magnetization fixed layer and the second magnetization fixed layer via the intermediate layer,
The microwave oscillation element according to claim 1, wherein the magnetic nanoparticles are in contact with the intermediate layers.
上記磁性ナノ粒子は、直径が0を超えて、100nm以下であることを特徴とする請求項7または8に記載のマイクロ波発振素子。   The microwave oscillation element according to claim 7 or 8, wherein the magnetic nanoparticles have a diameter of more than 0 and 100 nm or less. 上記第1の電極と、上記磁化固定層との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。   10. The microwave oscillation device according to claim 1, further comprising an antiferromagnetic layer between the first electrode and the fixed magnetization layer. 11. 上記第2の電極と第2の磁化固定層との間、及び、上記第1の磁化固定層と第1の電極との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項9または10に記載のマイクロ波発振素子。   An antiferromagnetic layer is provided between the second electrode and the second magnetization fixed layer and between the first magnetization fixed layer and the first electrode. The microwave oscillation device according to claim 9 or 10. 請求項1から11の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴とするマイクロ波発振装置。   A microwave oscillation device comprising a frequency variable unit having the microwave oscillation element according to any one of claims 1 to 11 and an external magnetic field generation unit. 第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
電極層を有する第2の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、
上記導通工程は、
上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
Between the first electrode and the second electrode, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, an intermediate layer that is a non-magnetic material or an insulator, and a magnetization free layer that can change the magnetization direction And the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and the second electrode passes through the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer from the first electrode. A method of manufacturing a microwave oscillation device configured to allow current to flow through an electrode,
A conduction step of causing the second electrode having the electrode layer and the magnetization free layer to be adjacent to each other and electrically conducting each other;
The conduction step is
A particle forming step of forming a plurality of conductive nanoparticles on one of the magnetization free layer and the electrode layer;
An insulator forming step of covering at least a part of the surface of the conductive nanoparticles formed by the particle forming step with an insulator;
In order to electrically connect the other layer of the magnetization free layer and the electrode layer and the conductive nanoparticles, a part of the insulator formed in the insulator formation step is removed. An exposure step of exposing the surface of the conductive nanoparticles.
第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、
上記磁化自由層形成工程は、
上記第2の電極もしくは上記中間層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
Between the first electrode and the second electrode, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, an intermediate layer that is a non-magnetic material or an insulator, and a magnetization free layer that can change the magnetization direction And the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and the second electrode passes through the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer from the first electrode. A method of manufacturing a microwave oscillation device configured to allow current to flow through an electrode,
Including a magnetization free layer forming step of forming the magnetization free layer,
The magnetization free layer forming step includes
A particle forming step of forming a plurality of magnetic nanoparticles on the second electrode or the intermediate layer;
An insulator forming step of covering at least a part of the surface of the magnetic nanoparticles formed by the particle forming step with an insulator;
And a exposing step of exposing a surface of the conductive nanoparticles by removing a part of the insulator formed in the insulator forming step.
第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記第2の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、
上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
Between the first electrode and the second electrode, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, an intermediate layer that is a non-magnetic material or an insulator, and a magnetization free layer that can change the magnetization direction And the intermediate layer is sandwiched between the magnetization fixed layer and the magnetization free layer, and the second electrode passes through the magnetization fixed layer, the intermediate layer, and the magnetization free layer from the first electrode. A method of manufacturing a microwave oscillation device configured to allow current to flow through an electrode,
A material containing an insulator matrix and a raw material of magnetic nanoparticles is applied on any one of the second electrode and the magnetization fixed layer, and the magnetic nanoparticles are converted into the magnetization fixed layer by the insulator matrix. Forming magnetic nanoparticles from the raw material so as to be spaced apart from each other, and forming the intermediate layer and the magnetization free layer;
And a step of exposing the surface of the conductive nanoparticles by removing the insulator on at least a part of the surface of the magnetic nanoparticles formed by the step. .
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