JP4978553B2 - 発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 - Google Patents
発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4978553B2 JP4978553B2 JP2008124893A JP2008124893A JP4978553B2 JP 4978553 B2 JP4978553 B2 JP 4978553B2 JP 2008124893 A JP2008124893 A JP 2008124893A JP 2008124893 A JP2008124893 A JP 2008124893A JP 4978553 B2 JP4978553 B2 JP 4978553B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- magnetization
- spin
- ferromagnetic
- oscillation device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 title claims description 142
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 16
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims description 8
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 180
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 70
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 70
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 38
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims description 23
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 4
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 156
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 37
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 31
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 13
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 13
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 description 12
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 10
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 9
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 8
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 PdMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 230000005426 magnetic field effect Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
- H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance
Landscapes
- Magnetic Heads (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Description
本発明は、発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法に関する。
近年、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ；Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を利用した磁気デバイス（ＧＭＲ素子）の開発が進められている。例えば、スピンバルブ型と呼ばれるＧＭＲ素子は、２つの強磁性層の間に非磁性層を挟んだ構造を持ち、一方の強磁性層に反強磁性層を積層して形成されたものである。反強磁性層が積層された強磁性層は、反強磁性層との間の交換バイアスにより磁化が固定されているため、磁化固定層（ピン層）と呼ばれる。もう一方の強磁性層は、ある程度自由に磁化が回転できるため、磁化自由層（フリー層）と呼ばれる。
このＧＭＲ素子に外部磁場を作用させて磁化自由層の磁化を回転させ、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化との成す角を変化させることで、大きな磁気抵抗効果が得られる。このように、磁化自由層の磁化は、外部磁場により回転させることもできるが、磁化固定層の側から注入されるスピン偏極電子の注入によっても回転させることができる。この方法は、外部磁場により磁化自由層の磁化を回転させる方法に比べ、外部磁場を発生させる機構が不要になるため、ＧＭＲ素子全体を小型化するのに有効である。
スピン偏極電子の注入による磁化自由層の磁化回転は、注入されるスピン偏極電子が持つスピン磁気モーメントと磁化自由層の磁化との間の相互作用に起因して起きる。まず、ＧＭＲ素子の膜面に垂直方向に電流を流すと、磁化固定層を通過する電子は、磁化固定層の磁化方向にスピン偏極し、そのスピン偏極電子が磁化自由層に注入される。そして、磁化自由層に注入されたスピン偏極電子は、スピン磁気モーメントと磁化自由層の磁化との間に働く相互作用によりスピントルクを発生させる。このスピントルクにより、磁化自由層の磁化が磁化固定層の磁化方向（スピン偏極電子の偏極方向）に回転するのである。
ＧＭＲ素子は、例えば、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の磁気ヘッドや磁気センサ、或いは、磁気発振素子等として様々な場面で利用される。ＧＭＲ素子は、高い磁気抵抗比を持つ点で非常に優れた素子である。しかしながら、こうした磁気デバイスの応用分野における製造プロセスの微細化に伴い、磁気デバイスの更なる小型化が求められている。そのため、ＧＭＲ素子よりも大きな磁気抵抗比を持つ磁気デバイスの開発が進められてきた。その成果の一つがトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ；Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を利用した磁気デバイス（ＴＭＲ素子）である。
ＴＭＲ素子は、上記のＧＭＲ素子の積層構造の中で、非磁性層を絶縁層に置き換えた構造を持つ。ＴＭＲ素子の場合、スピン偏極電子が絶縁層をトンネリングする確率が磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化との間の成す角に依存する点でＧＭＲ素子とは磁気抵抗の発生原因が異なる。しかし、磁化自由層の磁化を回転させることにより、磁気抵抗効果が得られるという点で共通している。このＴＭＲ素子は、ＧＭＲ素子に比べて磁気抵抗比が大きいという特性を持つ。そのため、様々な分野への応用も期待される。
上記の通り、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子に直流電圧を印加することでスピントルクが発生し、磁化自由層の磁化が回転する。その結果、磁化自由層の磁化回転に応じて電流に係る抵抗値が周期的に変化し、出力端子から振動電流が出力される。この原理に基づき、印加されたマイクロ波により誘起される磁化回転を利用して磁場を検知する高感度磁気センサ等への応用が期待されている。例えば、下記の特許文献１には、スピントルクによる磁気抵抗変化を利用した磁性発振素子が記載されている。この磁性発振素子は、２つの強磁性体を磁化自由層に設定し、両層の磁気共鳴周波数の比を所定範囲に押さえることで、２つの磁化自由層の回転を協調させるというものである。
上記のように、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子について様々な研究開発がなされている。また、磁気センサやハードディスクドライブの磁気ヘッドの他にも、これらの素子を無線通信装置等に利用したいという要望がある。しかしながら、これまでのＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、無線通信装置に利用する場合、出力される発振信号の信号レベルが依然として低いと言わざるを得ない。この信号レベルを高めるには、素子の断面積を大きくして流れる電流量を高める必要がある。しかしながら、磁化固定層を形成する強磁性層の断面積を大きくすると、強磁性層の磁区構造が単磁区から変化してしまう。その結果、磁化固定層を通過する電子のスピン偏極方向が均一でなくなってしまう。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、高出力、高品質な発振信号を得ることが可能な、新規かつ改良された発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層と、当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層とを有する複数のスピン注入素子と、磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層とを備える、発振デバイスが提供される。
上記の発振デバイスが備えるスピン注入素子は、各々、第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層と、当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層とを有する。そして、第１のピン層には、電子が入力される入力端子が接続されており、発振デバイスに直流電圧が印加されると、第１のピン層を電子が通過して第１のスペーサ層に注入される。このとき、第１のピン層を通過する電子は、スピンが第１の方向に偏極される。そのため、スペーサ層に注入される電子は、第１の方向にスピンが偏極されたスピン偏極電子である。
スペーサ層の抵抗率は、巨大磁気抵抗効果、又はトンネル磁気抵抗効果により、通過する電子のスピン偏極方向に依存して変わる。そのため、スペーサ層に接合されたフリー層の磁化方向に依存して通過する電流量が変化する。また、スペーサ層を介してフリー層に注入されたスピン偏極電子によるスピントルクに起因して、フリー層の磁化が周期的に変動する。その結果、フリー層に接続された出力端子からは、発振信号が出力される。
ところで、上記の発振デバイスにおいては、複数のスピン注入素子が１つのフリー層に対して並列に接合されている。また、接合されるスピン注入素子の数は任意である。従って、フリー層に注入される電流量の多寡に応じてスピン注入素子の数を自由に変更することが可能になる。そのため、電流量を大きくする際に、スピン注入素子の大きさ自体を大きくしなくても済む。その結果、スピン注入素子を形成する強磁性体の大きさは、単磁区を維持できる程度の大きさに留めておくことができる。
また、上記の発振デバイスは、前記スピン注入素子の接合面に対向する前記フリー層の面上に接合された非磁性体又は絶縁体で形成される第２のスペーサ層と、前記第２のスペーサ層に積層され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成される第２のピン層と、をさらに備えていてもよい。
また、上記の発振デバイスには、前記複数のスピン注入素子が有する第１のピン層に接続された入力端子と、前記フリー層に接続された出力端子と、前記複数のスピン注入素子及び前記フリー層が接合された素子と、を有するＮ個（Ｎ≧２）の素子ユニットが設けられていてもよく、第Ｍの前記素子ユニット（１≦Ｍ≦Ｎ−１）が有する出力端子と、第Ｍ＋１の前記素子ユニットが有する入力端子とが接続された構造を有していてもよい。
また、前記複数のスピン注入素子が有する第１のピン層に接続された入力端子と、前記第２のピン層に接続された出力端子と、前記複数のスピン注入素子、前記フリー層、前記第２のスペーサ層及び前記第２のピン層が接合された素子と、を有するＮ個（Ｎ≧２）の素子ユニットが設けられていてもよく、第Ｍの前記素子ユニット（１≦Ｍ≦Ｎ−１）が有する出力端子と、第Ｍ＋１の前記素子ユニットが有する入力端子とが接続された構造を有していてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層、及び当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層を有する複数のスピン注入素子と、磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層と、を有する発振デバイスと、前記発振デバイスに直流電圧を印加する電圧印加部と、を備える、通信装置が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層と、当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層とを有する複数のスピン注入素子に対し、前記第１のピン層から電子が注入されるステップと、磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層から、当該フリー層と通過した電子による電気信号が出力されるステップと、を含む、磁性素子による発振方法が提供される。
以上説明したように本発明によれば、高出力、高品質な発振信号を得ることが可能になる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
《基礎的な技術説明》
まず、本発明の実施形態について説明するに先立ち、磁化自由層における磁化の回転について簡単に説明する。この中で、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の基本的な素子構造について述べると共に、磁化の運動を記述するランダウ−リフシッツ−ギルバート方程式（以下、ＬＬＧ方程式）を用いて磁化自由層の磁化回転について簡単に説明する。なお、磁化自由層のことをフリー層と呼び、磁化固定層のことをピン層と呼ぶことにする。
まず、本発明の実施形態について説明するに先立ち、磁化自由層における磁化の回転について簡単に説明する。この中で、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の基本的な素子構造について述べると共に、磁化の運動を記述するランダウ−リフシッツ−ギルバート方程式（以下、ＬＬＧ方程式）を用いて磁化自由層の磁化回転について簡単に説明する。なお、磁化自由層のことをフリー層と呼び、磁化固定層のことをピン層と呼ぶことにする。
［発振デバイス１００の素子構造］
まず、図１を参照しながら、発振デバイス１００の素子構造について説明する。図１は、発振デバイス１００の素子構造を示す説明図である。
まず、図１を参照しながら、発振デバイス１００の素子構造について説明する。図１は、発振デバイス１００の素子構造を示す説明図である。
この発振デバイス１００は、スピンバルブ型のＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の典型的な素子構造を示すものである。特に、この発振デバイス１００は、強磁性多層膜の膜面に垂直に通電する構造を有しており、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）型と呼ばれるものである。なお、強磁性多層膜の膜面に水平な方向に通電する構造はＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ）型と呼ばれる。
図１に示すように、発振デバイス１００は、主に、端子Ａ１０２と、反強磁性層１０４と、強磁性層１０６（ピン層）と、非磁性層又は絶縁層１０８（スペーサ層）と、強磁性層１１０（フリー層）と、端子Ｂ１１２とが積層された多層構造を有する。この強磁性層１０６（ピン層）の磁化をベクトルＭと表記する。また、強磁性層１１０（フリー層）の磁化をベクトルｍと表記する。
この発振デバイス１００は、スペーサ層に非磁性金属（非磁性層）を用いる場合、ＧＭＲ素子として機能する。一方、スペーサ層に絶縁体（絶縁層）を用いる場合、この発振デバイス１００は、ＴＭＲ素子として機能する。なお、この発振デバイス１００には、ｚ方向に外部磁場Ｈが印加されているものとする。また、端子Ａ１０２から端子Ｂ１１２に直流電圧が印加される。また、端子Ａ１０２から端子Ｂ１１２に流れる電流をＪと表記する。
まず、反強磁性層１０４を介して端子Ａ１０２から強磁性層１０６に電子が注入される。強磁性層１０６は、反強磁性層１０４に接合されており、反強磁性層１０４との間の交換バイアスにより磁化Ｍが固定されている。そのため、強磁性層１０６に注入された電子のスピンは磁化Ｍの方向に偏極される。但し、強磁性層１０６が自発磁化を強く保磁する強磁性材料により形成されている場合、反強磁性層１０４を接合せずに単独で磁化固定層（ハード層）として機能させることができる。
このスピン偏極は、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ；Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と呼ばれる現象に起因するものである。このＡＭＲと呼ばれる現象は、電流の方向が磁化の向きに対して平行な場合と垂直な場合とで抵抗値が異なるというものであり、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の遷移金属合金において観測される。この現象は、スピン軌道相互作用により伝導電子の散乱確率がスピンと電流との間の相対的な角度に依存することに起因して起きる。従って、強磁性層１０６の磁化に平行なスピンを持つ電子が強磁性層１０６を通過するのである。
強磁性層１０６を通過した電子（以下、スピン偏極電子）は、非磁性層又は絶縁層１０８を通じて強磁性層１１０（フリー層）に注入される。スピン偏極電子が強磁性層１１０に注入されると、スピン偏極電子のスピン磁気モーメントと強磁性層１１０の磁化ｍとの間に働く相互作用によりスピントルクが発生する。なお、スピントルクのことをスピン輸送トルク（ＳＴＴ；Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）と呼ぶ場合もある。
（スピントルクについて）
スピン偏極電子が強磁性層１１０に注入されると、スピン偏極電子のスピンと強磁性層１１０の磁化ｍとの間の相互作用により、磁化ｍの周りで歳差運動が生じる。そのため、強磁性層１１０の内部で強磁性層１１０の磁化ｍに平行なスピン成分（縦スピン）は保存するが、磁化ｍに垂直なスピン成分（横スピン）は保存しない。従って、強磁性層１１０を通過した全てのスピン偏極電子の横スピンを足し合わせると、正味の横スピンは０になる。つまり、スピン偏極電子は、強磁性層１１０内で横スピン成分に相当する角運動量を磁化ｍに与えることになる。このようにして与えられた角運動量によりスピントルクが発生し、強磁性層１１０の磁化ｍが不安定な状態になる。
スピン偏極電子が強磁性層１１０に注入されると、スピン偏極電子のスピンと強磁性層１１０の磁化ｍとの間の相互作用により、磁化ｍの周りで歳差運動が生じる。そのため、強磁性層１１０の内部で強磁性層１１０の磁化ｍに平行なスピン成分（縦スピン）は保存するが、磁化ｍに垂直なスピン成分（横スピン）は保存しない。従って、強磁性層１１０を通過した全てのスピン偏極電子の横スピンを足し合わせると、正味の横スピンは０になる。つまり、スピン偏極電子は、強磁性層１１０内で横スピン成分に相当する角運動量を磁化ｍに与えることになる。このようにして与えられた角運動量によりスピントルクが発生し、強磁性層１１０の磁化ｍが不安定な状態になる。
（磁化ｍの運動について）
ここで、スピントルクの効果を含む磁化の運動方程式（ＬＬＧ方程式）を用いて強磁性層１１０（フリー層）が有する磁化ｍの運動について説明する。スピントルクを考慮したＬＬＧ方程式は、下記の式（１）で表現される。なお、この式には、スピントルクによる効果、熱ゆらぎによる効果、スピン注入による効果、横スピン流の吸収による効果、スピンと磁化ｍとの間の角度に依存する減衰効果等が考慮されている。また、表記を簡単化するため、強磁性層１０６、１１０の磁化Ｍ、ｍの大きさが等しい（｜Ｍ｜＝｜ｍ｜＝Ｍｓ）ものと仮定する。
ここで、スピントルクの効果を含む磁化の運動方程式（ＬＬＧ方程式）を用いて強磁性層１１０（フリー層）が有する磁化ｍの運動について説明する。スピントルクを考慮したＬＬＧ方程式は、下記の式（１）で表現される。なお、この式には、スピントルクによる効果、熱ゆらぎによる効果、スピン注入による効果、横スピン流の吸収による効果、スピンと磁化ｍとの間の角度に依存する減衰効果等が考慮されている。また、表記を簡単化するため、強磁性層１０６、１１０の磁化Ｍ、ｍの大きさが等しい（｜Ｍ｜＝｜ｍ｜＝Ｍｓ）ものと仮定する。
上記の式（１）の中で、ｚ’は、ｚ軸方向を向いた単位ベクトルである。ｍ’は、強磁性層１１０の磁化ｍの方向を向いた単位ベクトルである。γは、磁気回転比である。Ｈｅｆｆは、下記の式（２）で表現される有効磁場である。ＨＴは、有限温度下において生じる確率的な熱ゆらぎの効果を表す。αは、強磁性体における磁化の緩和を特徴付けるギルバート減衰係数である。μ０は、真空の透磁率である。なお、ｍ’、Ｈｅｆｆ、ＨＴ、Ｎはベクトル量である。また、「×」は外積を表す。
上記の式（１）の第１項は、外部磁場Ｈの効果、強磁性層１１０における異方性磁場の効果、反磁場の効果、及び熱ゆらぎの効果が磁化ｍに与える影響を表すものである。これらの効果により、ｚ軸方向を基軸とする磁化ｍの歳差運動が誘起されると考えられる。
また、式（１）の第２項は、強磁性層１１０の内部における磁化ｍの緩和を表す項である。この第２項は、強磁性層１１０内の格子振動によるスピンフリップ散乱等に起因して生じるエネルギー拡散の効果を考慮したものである。なお、ギルバート減衰定数αは、現象論的に決定されるものである。また、式（１）の第３項は、スピン偏極電子の注入による効果を示す項である。この第３項には、下記の式（４）に示すようなスピントルクの効果が含まれる。
上記の式（２）の中で、Ｖは、強磁性層１１０の体積である。Ｅは、体積Ｖを持つ強磁性層１１０のエネルギーであり、下記の式（３）のように表現される。この式の中で、定数ｈｘ、ｈｙ、ｈｚは、異方性磁場による効果等を表すものである。また、ｈ＝Ｈ／Ｍｓである。θ、φが示す回転方向については、図２Ａを参照されたい。
また、上記の式（１）の中で、Ｎは、本来、スピントルクの効果、電流による誘起磁場の効果、スピン注入による効果等を含む。しかし、本稿においては、スピントルクによる効果のみを考え、他の効果は小さいものとして、下記の式（４）に示すようにＮの値を近似したモデルを考える。この項は、スピン偏極電流と角運動量保存則から導かれる。
上記の式（４）の中で、η（θ）は、角度θに依存するスピントルクの効果を表す。ｈバーは、プランク定数ｈを２πで割ったものである。ｅは電荷素量である。Ｊは電流密度である。ｄは、強磁性層１１０の膜厚である。また、Ｍ’＝Ｍ／Ｍｓである。これらの方程式は、厳密な解析解を算出することが難しいため、数値計算による解法が用いられる。
上記の式（２）、式（３）、式（４）を考慮して式（１）を解くと、スピン偏極電子の注入によるスピントルクの影響を受けて強磁性層１１０の磁化ｍが周期的な運動をすることが分かる。その一例として、磁化ｍが示す運動の軌跡を図２Ｂに示した。このように、磁化ｍが周期的に運動することで、ピン層である強磁性層１０６の磁化Ｍと、フリー層である強磁性層１１０の磁化ｍとの間の相対角度が周期的に変わることになる。そのため、多層膜の抵抗率が周期的に変化し、端子Ｂ１１２から発振信号が出力される。
以上、発振デバイス１００の構造を例に挙げ、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の基本的な素子構造、スピン偏極電子の注入によるスピントルクの原理、及びフリー層が有する磁化の運動について簡単に説明した。このように、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子を用いると、スピン偏極電子による磁化反転を利用して発振デバイスが構築できる。但し、上記の発振デバイス１００の構造では、実用上、出力信号のレベルが低く、より効率的に発振信号を得るための工夫が求められる。そこで、発振デバイス１００よりも効率よく発信信号を得ることが可能な発振デバイス２００の構成について、以下で説明する。
ところで、上記の発振デバイス１００における典型的な材料構成としては、例えば、ＧＭＲ素子の場合、Ｆｅ／Ｃｒ／ＦｅやＣｏ／Ｃｕ／Ｃｏ等が用いられる。一方、ＴＭＲ素子には、例えば、Ｆｅ／Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅ等が用いられる。その他にも、強磁性層の材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらを含む合金が用いられる。非磁性層としては、例えば、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＡｕから成る群より選択された少なくとも１種の金属を含む非磁性材料が用いられる。反強磁性層の材料としては、例えば、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ等が用いられる。
［発振デバイス２００の素子構造］
次に、図３を参照しながら、発振デバイス２００の素子構造について説明する。図３は、発振デバイス２００の素子構造を示す説明図である。この発振デバイス２００には、上記の発振デバイス２００よりも発振信号の出力効率を高めるべく、フリー層を挟むようにして互いに磁化方向の異なる２つのピン層が設けられている。
次に、図３を参照しながら、発振デバイス２００の素子構造について説明する。図３は、発振デバイス２００の素子構造を示す説明図である。この発振デバイス２００には、上記の発振デバイス２００よりも発振信号の出力効率を高めるべく、フリー層を挟むようにして互いに磁化方向の異なる２つのピン層が設けられている。
図３に示すように、発振デバイス２００は、主に、端子Ａ２０２と、反強磁性層２０４と、強磁性層２０６（ピン層）と、非磁性層又は絶縁層２０８（スペーサ層）と、強磁性層２１０（フリー層）と、非磁性層又は絶縁層２１２（スペーサ層）と、強磁性層２１４（フリー層）と、反強磁性層２１６と、端子Ｂ２１８とが積層された多層構造を有する。なお、各層の材料構成は、上記の発振デバイス１００と同様である。
強磁性層２０６（ピン層）は磁化Ｍ１を有し、強磁性層２１４は磁化Ｍ２を有する。そして、強磁性層２０６の磁化Ｍ１と、強磁性層２１４の磁化Ｍ２とは互いに異なる方向を向いている（Ｍ１≠Ｍ２）。但し、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが直交している方が好ましい。また、強磁性層２１０（フリー層）は磁化ｍを有する。
この発振デバイス２００は、スペーサ層に非磁性金属（非磁性層）を用いる場合、ＧＭＲ素子として機能する。一方、スペーサ層に絶縁体（絶縁層）を用いる場合、この発振デバイス２００は、ＴＭＲ素子として機能する。なお、この発振デバイス２００には、発振デバイス１００とは異なり、ｚ方向に外部磁場Ｈが印加されていなくてもよい。また、端子Ａ２０２から端子Ｂ２１８に直流電圧が印加される。また、端子Ａ２０２から端子Ｂ２１８に流れる電流をＪと表記する。
まず、反強磁性層２０４を介して端子Ａ２０２から強磁性層２０６に電子が注入される。強磁性層２０６は、反強磁性層２０４に接合されており、反強磁性層２０４との間の交換バイアスにより磁化Ｍ１が固定されている。そのため、強磁性層２０６に注入された電子のスピンは磁化Ｍ１の方向に偏極される。但し、強磁性層２０６が自発磁化を強く保磁する強磁性材料により形成されている場合、反強磁性層２０４を接合せずに単独で磁化固定層（ハード層）として機能させることができる。
強磁性層２０６を通過したスピン偏極電子は、非磁性層又は絶縁層２０８を通じて強磁性層２１０（フリー層）に注入される。スピン偏極電子が強磁性層２１０に注入されると、スピン偏極電子のスピン磁気モーメントと強磁性層２１０の磁化ｍとの間に働く相互作用によりスピントルクが発生する。既に述べた通り、スピントルクは、スピン偏極電子が持つ横スピンの角運動量が強磁性層２１０の磁化ｍに受け渡されることによって生じる。
但し、強磁性層２１０の磁化ｍにトルクを及ぼすスピン偏極電子は、強磁性層２０６の磁化Ｍ１を持つものだけではない点に注意が必要である。強磁性層２１０を通過した電子は、非磁性層又は絶縁層２１２を通じて強磁性層２１４に注入される。上記の通り、強磁性層２１４は、強磁性層２０６の磁化Ｍ１と異なる磁化Ｍ２を有する。そのため、非磁性層又は絶縁層２１２と強磁性層２１４との間の境界で磁化Ｍ２に垂直なスピンを持つ電子が散乱され、強磁性層２１０に注入される。この電子により、強磁性層２１０の磁化ｍがスピントルクを受けることになる。つまり、系全体で角運動量保存則が成り立つ。
なお、上記の考察は、あくまでも定性的、概念的なものである。従って、実際には、より詳細な考察の下に強磁性層２１０の磁化ｍの運動を議論すべきである。特に、強磁性層２０６、２１０、２１４、非磁性層又は絶縁層２０８、２１２の境界における境界条件を考慮し、電子の散乱や横スピン緩和等の効果を量子動力学的に議論する必要がある。しかしながら、磁化ｍの巨視的な運動を定性的に捉え、その効果を利用する上において、上記の考察から得られる磁化ｍの特性は十分な理解を与えるものである。そのため、ここでは微視的な描像には言及せず、概念的な説明に留めることにする。
さて、上記の通り、強磁性層２１０の磁化ｍには、強磁性層２０６の磁化Ｍ１によるスピントルクと、強磁性層２１４によるスピントルクとが間接的に作用する。例えば、図３に示すように、磁化Ｍ１の方向を多層膜の膜面に垂直な−ｘ方向に向け、磁化Ｍ２の方向を多層膜の膜面に水平なｚ方向に向けると、強磁性層２１０の磁化ｍは、スピン注入により多層膜の膜面内で回転するように周期的な運動を始める。このとき、外部磁場Ｈは印加されていなくてもよい。このように、異なる方向を向いた角運動量が磁化ｍに作用することにより、強磁性層２１０の磁化ｍは効率的に周期運動ができるようになる。
このように、強磁性層２１０の磁化ｍが周期的に運動することで、ピン層である強磁性層２１４の磁化Ｍ２と、フリー層である強磁性層２１０の磁化ｍとの間の相対角度が周期的に変わることになる。そのため、多層膜の抵抗率が周期的に変化し、端子Ｂ２１８から発振信号が出力される。
以上、発振デバイス２００の素子構造について説明した。上記の通り、発振デバイス２００は、上記の発振デバイス１００に比べると発振効率が高い。しかしながら、実施の態様によっては、発振信号の出力レベルが未だ低いと言わざるを得ない。そこで、上記の発振デバイス１００、２００において発振信号の出力レベルを向上させるに当たって問題となる点について考察する。
［課題の整理］
まず、出力信号を大きくするためには、上記の強磁性多層膜に流れる電流を増加させる方法が有効である。そのためには、強磁性多層膜の膜面に水平な方向の面積（ピラーの断面積）を大きくすればよい。しかしながら、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を得るためには、ピン層の磁化が所定方向に向けて一様に固定されている必要がある。そのため、面積の大きい単磁区の強磁性体を用いる必要がある。
まず、出力信号を大きくするためには、上記の強磁性多層膜に流れる電流を増加させる方法が有効である。そのためには、強磁性多層膜の膜面に水平な方向の面積（ピラーの断面積）を大きくすればよい。しかしながら、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果を得るためには、ピン層の磁化が所定方向に向けて一様に固定されている必要がある。そのため、面積の大きい単磁区の強磁性体を用いる必要がある。
ところが、単磁区の大きな強磁性単結晶を作成することは容易でない。強磁性単結晶に現れる磁区構造は、静磁場エネルギーが高い構造から低い構造へと遷移しようとする。単磁区構造は、磁極が強磁性単結晶の表面に現れるため、静磁場エネルギーが高い構造である。従って、強磁性層の表面積が大きくなると、より静磁場エネルギーの低い磁区構造に遷移してしまう。その結果、ピン層の磁化が膜面全体で不均一になり、電子が通過する位置に応じてスピンの偏極方向がバラバラになってしまう。
そこで、強磁性単結晶を大きくせず、上記の発振デバイス１００、２００のような強磁性多層膜のピラーを並列に複数個設置し、発振信号の出力レベルを増加させる方法が考えられるかもしれない。この方法を用いる場合、出力される発振信号の位相を正確に一致させる必要がある。この発振信号の位相は、フリー層の磁気共鳴周波数に依存する。この磁気共鳴周波数は、外部磁場の大きさ、磁性材料の種類、フリー層の膜厚等に依存する。そのため、複数のピラーから出力される発振信号の位相を揃えるためには、複数のピラーを極めて精度良く同じ素子構造にする必要がある。
こうした理由から、ピン層の表面積を増大させず、フリー層に注入されるスピン偏極電流を増大させる工夫が求められている。この要求に対し、本発明に係る下記の実施形態は、一つの解決策を提供するものである。当該実施形態に係る素子構造を利用することで、高い出力レベルの発振信号を得ることができる。
＜実施形態＞
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、単磁区の強磁性単結晶で形成されるピン層を含んだ複数のスピン注入素子がフリー層に接合された素子構造に関する。複数のスピン注入素子に含まれるピン層は、互いに同じ方向を向いた磁化を有し、同方向にスピン偏極した電子をフリー層に注入する機能を提供する。以下、より詳細に説明する。
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、単磁区の強磁性単結晶で形成されるピン層を含んだ複数のスピン注入素子がフリー層に接合された素子構造に関する。複数のスピン注入素子に含まれるピン層は、互いに同じ方向を向いた磁化を有し、同方向にスピン偏極した電子をフリー層に注入する機能を提供する。以下、より詳細に説明する。
［発振デバイス３００の素子構造］
まず、図４を参照しながら、本実施形態に係る発振デバイス３００の素子構造について説明する。図４は、本実施形態に係る発振デバイス３００の素子構造を示す説明図である。図中には、２つのスピン注入素子が記載されているが、３つ以上のスピン注入素子が形成されていてもよい。また、図中には、ＣＰＰ型の素子構造が記載されているが、本実施形態に係る技術をＣＩＰ型の素子構造に応用することもできる。
まず、図４を参照しながら、本実施形態に係る発振デバイス３００の素子構造について説明する。図４は、本実施形態に係る発振デバイス３００の素子構造を示す説明図である。図中には、２つのスピン注入素子が記載されているが、３つ以上のスピン注入素子が形成されていてもよい。また、図中には、ＣＰＰ型の素子構造が記載されているが、本実施形態に係る技術をＣＩＰ型の素子構造に応用することもできる。
図４に示すように、発振デバイス３００は、主に、端子Ａ３０２と、複数のスピン注入素子Ａ、Ｂと、強磁性層３１０と、端子Ｂ３１２とが積層された素子構造を有する。また、スピン注入素子Ａ、Ｂは、それぞれ、反強磁性層３０４と、強磁性層３０６（ピン層）と、非磁性層又は絶縁層３０８（スペーサ層）とが積層された多層構造を有する。但し、強磁性層３０６（ピン層）は、スピン注入素子Ａ、Ｂのいずれにおいても同じ方向の磁化Ｍを持つ。また、強磁性層３１０（フリー層）は磁化ｍを持つ。
発振デバイス３００は、スペーサ層に非磁性金属（非磁性層）を用いる場合、ＧＭＲ素子として機能する。一方、スペーサ層に絶縁体（絶縁層）を用いる場合、発振デバイス３００は、ＴＭＲ素子として機能する。なお、この発振デバイス３００には、ｚ方向に外部磁場Ｈが印加されているものとする。また、端子Ａ３０２から端子Ｂ３１２に直流電圧が印加される。また、端子Ａ３０２から端子Ｂ３１２に流れる電流をＪと表記する。
まず、端子Ａ３０２から、スピン注入素子Ａ、Ｂのいずれにも並列に、反強磁性層３０４を介して強磁性層３０６に電子が注入される。強磁性層３０６は、反強磁性層３０４に接合されており、反強磁性層３０４との間の交換バイアスにより磁化Ｍが固定されている。そのため、強磁性層３０６に注入された電子のスピンは磁化Ｍの方向に偏極される。但し、強磁性層３０６が保磁力の強い強磁性材料により形成されている場合、反強磁性層３０４を接合せずに単独で磁化固定層（ハード層）として機能させることもできる。
強磁性層３０６を通過したスピン偏極電子は、非磁性層又は絶縁層３０８を通じて強磁性層３１０（フリー層）に注入される。スピン偏極電子が強磁性層３１０に注入されると、スピン偏極電子のスピン磁気モーメントと強磁性層３１０の磁化ｍとの間に働く相互作用によりスピントルクが発生する。このスピントルクの発生に関する基本的な機構については、発振デバイス１００、２００の例において既に説明したものと同様である。
発振デバイス３００の場合、複数のスピン注入素子Ａ、Ｂから注入されるスピン偏極電子は、スピン注入素子Ａ、Ｂと強磁性層３１０との間の境界付近で、それぞれ強磁性層３１０の内部にスピン波を誘起する。スピン波は、固体の素励起の一種であり、強磁性体結晶の格子上にあるスピンの相対的な方位の振動状態として理解することができる。上記の境界付近で誘起されるスピン波は、緩和過程を経て強磁性層３１０の全体に伝搬する。
このとき、スピン注入素子Ａ、Ｂから注入されるスピンの偏極方向が異なると、スピン波の位相がずれてしまう。その結果、両スピンにより誘起された局所的なスピン波はインコヒーレントな状態で重ね合わされ、振幅が低減されてしまう。しかしながら、本実施形態に係る発振デバイス３００においては、スピン注入素子Ａ、Ｂから注入される電子スピンの偏極方向が固定されているため、強磁性層３１０内で振幅の大きなスピン波が励起される。その結果、大きな出力レベルの発振信号が得られるのである。なお、この発振信号の周波数スペクトルは、非常に狭い線幅を持つものとなる。
以上、本実施形態に係る発振デバイス３００の素子構造について説明した。上記の素子構造を用いることで、振幅が大きく、良好な周波数特性を有する発振信号が得られる。また、この素子構造には、大きな単磁区の強磁性体結晶を用いずに済むため、製造が比較的容易であるという効果もある。さらに、多数のスピン注入素子を並列に設けることもできるため、求める発振信号の大きさに応じて、その数を容易に増大することが可能である。
なお、図４では、強磁性層３０６の磁化方向を多層膜の膜面に水平な方向に設定した。しかし、本実施形態に係る技術はこれに限定されず、膜面に垂直な方向に設定してもよい。また、図４に記載した磁化Ｍ、ｍの向きを示す矢印は、説明の便宜上記載したものであり、その大きさや方向に関して、これに限定されるものではない。
［変形例１：発振デバイス４００の素子構造］
次に、図５を参照しながら、本実施形態の一変形例（変形例１）に係る発振デバイス４００の素子構造について説明する。図５は、本実施形態の一変形例に係る発振デバイス４００の素子構造を示す説明図である。この素子構造は、本実施形態に係る技術を上記の発振デバイス２００の構成に応用したものである。なお、図中には、２つのスピン注入素子が記載されているが、３つ以上のスピン注入素子が形成されていてもよい。また、図中には、ＣＰＰ型の素子構造が記載されているが、本実施形態に係る技術をＣＩＰ型の素子構造に応用することもできる。
次に、図５を参照しながら、本実施形態の一変形例（変形例１）に係る発振デバイス４００の素子構造について説明する。図５は、本実施形態の一変形例に係る発振デバイス４００の素子構造を示す説明図である。この素子構造は、本実施形態に係る技術を上記の発振デバイス２００の構成に応用したものである。なお、図中には、２つのスピン注入素子が記載されているが、３つ以上のスピン注入素子が形成されていてもよい。また、図中には、ＣＰＰ型の素子構造が記載されているが、本実施形態に係る技術をＣＩＰ型の素子構造に応用することもできる。
図５に示すように、発振デバイス４００は、主に、端子Ａ４０２と、複数のスピン注入素子Ａ、Ｂと、強磁性層４１０と、非磁性層又は絶縁層４１２と、強磁性層４１４と、反強磁性層４１６と、端子Ｂ４１８とが積層された素子構造を有する。また、スピン注入素子Ａ、Ｂは、それぞれ、反強磁性層４０４と、強磁性層４０６（ピン層）と、非磁性層又は絶縁層４０８（スペーサ層）とが積層された多層構造を有する。
但し、強磁性層４０６（ピン層）は磁化Ｍ１を有し、強磁性層４１４は磁化Ｍ２を有する。そして、強磁性層４０６の磁化Ｍ１と、強磁性層４１４の磁化Ｍ２とは互いに異なる方向を向いている（Ｍ１≠Ｍ２）。但し、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが直交している方が好ましい。また、強磁性層４１０（フリー層）は磁化ｍを有する。
発振デバイス４００は、スペーサ層に非磁性金属（非磁性層）を用いる場合、ＧＭＲ素子として機能する。一方、スペーサ層に絶縁体（絶縁層）を用いる場合、この発振デバイス４００は、ＴＭＲ素子として機能する。なお、この発振デバイス４００には、発振デバイス３００とは異なり、ｚ方向に外部磁場Ｈが印加されていなくてもよい。また、端子Ａ４０２から端子Ｂ４１８に直流電圧が印加される。また、端子Ａ４０２から端子Ｂ４１８に流れる電流をＪと表記する。
まず、端子Ａ４０２から、スピン注入素子Ａ、Ｂのいずれにも並列に、反強磁性層４０４を介して強磁性層４０６に電子が注入される。強磁性層４０６は、反強磁性層４０４に接合されており、反強磁性層４０４との間の交換バイアスにより磁化Ｍ１が固定されている。そのため、強磁性層４０６に注入された電子のスピンは磁化Ｍ１の方向に偏極される。但し、強磁性層４０６が自発磁化を強く保磁する強磁性材料により形成されている場合、反強磁性層４０４を接合せずに単独で磁化固定層（ハード層）として機能させることができる。
強磁性層４０６を通過したスピン偏極電子は、非磁性層又は絶縁層４０８を通じて強磁性層４１０（フリー層）に注入される。スピン偏極電子が強磁性層４１０に注入されると、スピン偏極電子のスピン磁気モーメントと強磁性層４１０の磁化ｍとの間に働く相互作用によりスピントルクが発生する。但し、強磁性層４１０の磁化ｍにスピントルクを及ぼすスピン偏極電子は、強磁性層４０６が持つ磁化Ｍ１の方向を向くスピンを有するものだけではない点に注意が必要である。
強磁性層４１０を通過した電子は、非磁性層又は絶縁層４１２を通じて強磁性層４１４に注入される。上記の通り、強磁性層４１４は、強磁性層４０６の磁化Ｍ１と異なる磁化Ｍ２を有する。そのため、非磁性層又は絶縁層４１２と強磁性層４１４との間の境界で磁化Ｍ２に垂直なスピンを持つ電子が散乱され、強磁性層４１０に注入される。この電子により、強磁性層４１０の磁化ｍがスピントルクを受けることになる。つまり、系全体で角運動量保存則が成り立つ。
また、発振デバイス４００の場合、複数のスピン注入素子Ａ、Ｂから注入されるスピン偏極電子は、スピン注入素子Ａ、Ｂと強磁性層４１０との間の境界付近で、それぞれ強磁性層４１０の内部にスピン波を誘起する。さらに、この境界付近で誘起されるスピン波は、緩和過程を経て強磁性層４１０の全体に伝搬する。但し、この緩和過程の中で、非磁性層又は絶縁層４１２と強磁性層４１４との間の境界で散乱された電子が影響する。
発振デバイス４００においては、スピン注入素子Ａ、Ｂから注入される電子スピンの偏極方向が固定されているため、強磁性層４１０内で振幅の大きなスピン波が励起される。その結果、大きな出力レベルの発振信号が得られる。また、この発振信号の周波数スペクトルは、スピン波の共鳴により非常に狭い線幅を持つものとなる。
以上、本実施形態の一変形例（変形例１）に係る発振デバイス４００の素子構造について説明した。上記の素子構造を用いることで、振幅が大きく、良好な周波数特性を有する発振信号が得られる。また、この素子構造には、大きな単磁区の強磁性体結晶を用いずに済むため、製造が比較的容易であるという効果もある。さらに、多数のスピン注入素子を並列に設けることもできるため、求める発振信号の大きさに応じて、その数を容易に増大することが可能である。そして、注入されるスピンの向きと異なる方向を向く磁化Ｍ２の強磁性層４１４を接合していることで、強磁性層４１０の磁化ｍの周期的な運動が効率的に行われ、発振信号の出力効率が高まる。
なお、図５では、強磁性層４０６の磁化方向を多層膜の膜面に水平な方向に設定した。しかし、本実施形態に係る技術はこれに限定されず、膜面に垂直な方向に設定してもよい。また、図５に記載した磁化Ｍ、ｍの向きを示す矢印は、説明の便宜上記載したものであり、その大きさや方向に関して、これに限定されるものではない。
また、上記の発振デバイス４００の素子構造は、次のように変形してもよい。上記の通り、強磁性層４１０（フリー層）の磁化ｍは、スピン注入素子Ａ、Ｂから注入されるスピン偏極電子により周期的な運動をする。一方で、強磁性層４１０の磁化ｍは、強磁性層４１４と非磁性層又は絶縁層４１２との間の境界で散乱されたスピンの影響も受ける。この影響を考慮すると、強磁性層４１４が単磁区の強磁性結晶で構成されることもスピン波のコヒーレンスを高める上で重要になる場合があるかもしれない。
こうした点を考慮に入れると、上記の発振デバイス４００を構成する非磁性層又は絶縁層４１２、強磁性層４１４、反強磁性層４１６を複数のスピン注入素子で構成する変形例が考えられる。つまり、スピン注入素子Ａ、Ｂと同様の構造で、ピン層の磁化がスピン注入素子Ａ、Ｂとは異なるものを強磁性層４１０の下層に接合する素子構造が考えられる。その効果としては、上記の発振デバイス４００が奏する効果に加え、発振信号の信号振幅をより高めると共に、その周波数スペクトルの線幅をより狭くするというものである。このような変形も、本実施形態の技術的範囲に含まれる。
［変形例２：発振デバイス５００の素子構造］
次に、図６を参照しながら、本実施形態の一変形例（変形例２）に係る発振デバイス５００の素子構造について説明する。図６は、本実施形態の一変形例に係る発振デバイス５００の素子構造を示す説明図である。この素子構造は、上記の発振デバイス４００の構成を応用したものである。
次に、図６を参照しながら、本実施形態の一変形例（変形例２）に係る発振デバイス５００の素子構造について説明する。図６は、本実施形態の一変形例に係る発振デバイス５００の素子構造を示す説明図である。この素子構造は、上記の発振デバイス４００の構成を応用したものである。
図６に示すように、発振デバイス５００は、複数の発振デバイス４００を直列に接続したものである。図６には、２つの発振デバイス４００が直列に接続された素子構造が記載されているが、３つ以上の発振デバイス４００が直列に接続されていてもよい。このように、発振デバイス５００の基本的な素子構造は、上記の発振デバイス４００と同じであるため、各構成要素に係る詳細な説明は省略する。
図６に示すように、発振デバイス５００は、主に、端子Ａ５０２と、複数のスピン注入素子Ａ、Ｂと、強磁性層５１０と、非磁性層又は絶縁層５１２と、強磁性層５１４と、反強磁性層５１６と、複数のスピン注入素子Ｃ、Ｄと、強磁性層５４０と、非磁性層又は絶縁層５４２と、強磁性層５４４と、反強磁性層５４６と、端子Ｂ５４８とが積層された素子構造を有する。また、スピン注入素子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、それぞれ、反強磁性層５０４、５３４と、強磁性層５０６、５３６（ピン層）と、非磁性層又は絶縁層５０８、５３８（スペーサ層）とが積層された多層構造を有する。
但し、強磁性層５０６、５３６（ピン層）は磁化Ｍ１を有し、強磁性層５１４、５４４は磁化Ｍ２を有する。そして、強磁性層５０６、５３６の磁化Ｍ１と、強磁性層５１４、５４４の磁化Ｍ２とは互いに異なる方向を向いている（Ｍ１≠Ｍ２）。但し、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが直交している方が好ましい。また、強磁性層５１０、５４０（フリー層）は磁化ｍを有する。
上記の通り、発振デバイス５００は、上記の発振デバイス４００を電気的に直列接続したものである。従って、接続した発振デバイス４００の数分だけ大きな出力信号を得ることができる。もちろん、発振デバイス５００は、発振デバイス４００が奏する効果を踏襲した上で、発振信号の出力レベルを高めることができる。なお、発振デバイス５００と同様の考えから、上記の発振デバイス３００を電気的に直列接続する構成も考えられる。
以上、本実施形態に係る種々の発振デバイスについて説明した。上記の通り、本実施形態に係る発振デバイスは、スピン注入によるＧＭＲ効果又はＴＭＲ効果を用いた高出力、且つ、高品質な信号出力を得ることが可能な素子である。この素子は、ピン層を含む複数のスピン注入素子を１つのフリー層に接合している素子構造に特徴がある。このような素子構造を適用することにより、大きな単磁区の強磁性結晶を用いることなく、フリー層に流れる電流量を増加させることが可能になる。
さらに、各スピン注入素子からスピン偏極電子が同じスピン偏極方向を持って注入されることにより、フリー層内に励起されるスピン波の位相が揃い、より高品質な発振信号を得ることができる。また、本実施形態に係る素子構造は、１つのフリー層上に形成されるスピン注入素子の数に制限が無いことから、スピン注入素子の数分だけ信号品質を向上させることができる。
［適用形態］
本実施形態に係る発振デバイスは、発振信号の出力レベルが高いことや、その信号品質が高いことから、無線通信装置における発振デバイスとして好適に利用される。もちろん、本実施形態の適用範囲がこれに限定されるものではない。例えば、図４に示した本実施形態に係る発振デバイス３００と、図１に示した発振デバイス１００とを比較すると分かる通り、発振デバイス３００は、上記のような優れた効果が得られるにも拘わらず、多層膜の膜厚や断面積が変わっていない。そのため、これまでのＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子を容易に代替することができる。しかし、上記のような優れた信号特性が得られることから、より広範な応用分野への適用拡大が期待される。
本実施形態に係る発振デバイスは、発振信号の出力レベルが高いことや、その信号品質が高いことから、無線通信装置における発振デバイスとして好適に利用される。もちろん、本実施形態の適用範囲がこれに限定されるものではない。例えば、図４に示した本実施形態に係る発振デバイス３００と、図１に示した発振デバイス１００とを比較すると分かる通り、発振デバイス３００は、上記のような優れた効果が得られるにも拘わらず、多層膜の膜厚や断面積が変わっていない。そのため、これまでのＧＭＲ素子又はＴＭＲ素子を容易に代替することができる。しかし、上記のような優れた信号特性が得られることから、より広範な応用分野への適用拡大が期待される。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、図５又は図６に示す発振デバイス４００、５００の構造において、下段のピン層である強磁性層４１４、５１４、５４４をスピン注入素子Ａ、Ｂ等のように、複数の比較的小さなピラーに分けることも可能である。このように構成することで、下段のピン層においても単磁区を構成しやすくなり、下段で散乱されるスピン偏極電子のスピン方向を揃えやすくなる。
１００、２００、３００、４００、５００ 発振デバイス
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２ 端子Ａ
１０４、２０４、２１６、３０４、４０４、４１６、５０４、５１６、５３４、５４６ 反強磁性層
１０６、２０６、２１４、３０６、４０６、４１４、５０６、５１４、５３６、５４４ 強磁性層（ピン層）
１０８、２０８、２１２、３０８、４０８、４１２、５０８、５１２、５３８、５４２ 非磁性層又は絶縁層
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、５４０ 強磁性層（フリー層）
１１２、２１８、３１２、４１８、５４８ 端子Ｂ
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２ 端子Ａ
１０４、２０４、２１６、３０４、４０４、４１６、５０４、５１６、５３４、５４６ 反強磁性層
１０６、２０６、２１４、３０６、４０６、４１４、５０６、５１４、５３６、５４４ 強磁性層（ピン層）
１０８、２０８、２１２、３０８、４０８、４１２、５０８、５１２、５３８、５４２ 非磁性層又は絶縁層
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、５４０ 強磁性層（フリー層）
１１２、２１８、３１２、４１８、５４８ 端子Ｂ
Claims (6)
- 第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層と、当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層とを有する複数のスピン注入素子と、
磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層と、
を備える、発振デバイス。 - 前記スピン注入素子の接合面に対向する前記フリー層の面上に接合された非磁性体又は絶縁体で形成される第２のスペーサ層と、
前記第２のスペーサ層に積層され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成される第２のピン層と、
をさらに備える、請求項１に記載の発振デバイス。 - 前記複数のスピン注入素子が有する第１のピン層に接続された入力端子と、前記フリー層に接続された出力端子と、前記複数のスピン注入素子及び前記フリー層が接合された素子と、を有するＮ個（Ｎ≧２）の素子ユニットが設けられ、
第Ｍの前記素子ユニット（１≦Ｍ≦Ｎ−１）が有する出力端子と、第Ｍ＋１の前記素子ユニットが有する入力端子とが接続された構造を有する、請求項１に記載の発振デバイス。 - 前記複数のスピン注入素子が有する第１のピン層に接続された入力端子と、前記第２のピン層に接続された出力端子と、前記複数のスピン注入素子、前記フリー層、前記第２のスペーサ層及び前記第２のピン層が接合された素子と、を有するＮ個（Ｎ≧２）の素子ユニットが設けられ、
第Ｍの前記素子ユニット（１≦Ｍ≦Ｎ−１）が有する出力端子と、第Ｍ＋１の前記素子ユニットが有する入力端子とが接続された構造を有する、請求項２に記載の発振デバイス。 - 第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層、及び当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層を有する複数のスピン注入素子と、磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層と、を有する発振デバイスと、
前記発振デバイスに直流電圧を印加する電圧印加部と、
を備える、通信装置。 - 第１の方向に磁化の向きが固定された強磁性体で形成された第１のピン層と、当該第１のピン層に積層された非磁性体又は絶縁体で形成される第１のスペーサ層とを有する複数のスピン注入素子に対し、前記第１のピン層から電子が注入されるステップと、
磁化の向きが前記第１方向とは異なる方向に変化可能な強磁性体により形成され、前記複数のスピン注入素子が前記スペーサ層で接合されたフリー層から、当該フリー層と通過した電子による電気信号が出力されるステップと、
を含む、磁性素子による発振方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008124893A JP4978553B2 (ja) | 2008-05-12 | 2008-05-12 | 発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008124893A JP4978553B2 (ja) | 2008-05-12 | 2008-05-12 | 発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2009277704A JP2009277704A (ja) | 2009-11-26 |
| JP4978553B2 true JP4978553B2 (ja) | 2012-07-18 |
Family
ID=41442900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008124893A Expired - Fee Related JP4978553B2 (ja) | 2008-05-12 | 2008-05-12 | 発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4978553B2 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5339272B2 (ja) * | 2008-06-05 | 2013-11-13 | 国立大学法人東北大学 | スピントロニクスデバイス及び情報伝達方法 |
| JP4951095B2 (ja) | 2010-06-30 | 2012-06-13 | 株式会社東芝 | 磁気記録ヘッド及び磁気記録装置 |
| KR101676809B1 (ko) | 2010-08-13 | 2016-11-16 | 삼성전자주식회사 | 발진기 및 그 동작방법 |
| KR101676808B1 (ko) | 2010-08-25 | 2016-11-17 | 삼성전자 주식회사 | 발진기 및 그 동작방법 |
| KR101701979B1 (ko) | 2010-09-02 | 2017-02-03 | 삼성전자 주식회사 | 발진기 및 그 동작방법 |
| JP5228015B2 (ja) * | 2010-09-14 | 2013-07-03 | 株式会社東芝 | スピン波装置 |
| KR101740485B1 (ko) | 2010-09-16 | 2017-05-29 | 삼성전자 주식회사 | 발진기와 그 제조 및 동작방법 |
| KR101777264B1 (ko) | 2010-11-09 | 2017-09-12 | 삼성전자 주식회사 | 발진기 및 상기 발진기의 동작 방법 |
| JP2012119027A (ja) * | 2010-11-30 | 2012-06-21 | Toshiba Corp | 磁気記録ヘッド、磁気ヘッドアセンブリおよび磁気記録装置 |
| JP5321851B2 (ja) * | 2011-03-25 | 2013-10-23 | 株式会社東芝 | 磁気発振素子及びスピン波装置 |
| US8953283B2 (en) | 2012-11-29 | 2015-02-10 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Magnetic head, magnetic head assembly, and magnetic recording/reproduction apparatus |
| JP2020035832A (ja) * | 2018-08-28 | 2020-03-05 | 株式会社デンソー | 交流発生装置 |
| JP6897702B2 (ja) * | 2019-03-20 | 2021-07-07 | Tdk株式会社 | 磁場検出装置および磁場検出方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4799348B2 (ja) * | 2006-09-28 | 2011-10-26 | 株式会社東芝 | 磁気センサ及び磁気記録再生装置 |
| JP2009070439A (ja) * | 2007-09-11 | 2009-04-02 | Toshiba Corp | 磁気記録ヘッド及び磁気記録装置 |
-
2008
- 2008-05-12 JP JP2008124893A patent/JP4978553B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2009277704A (ja) | 2009-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4978553B2 (ja) | 発振デバイス、通信装置、及び磁性素子による発振方法 | |
| JP6393735B2 (ja) | 磁気トンネル接合素子及び磁気メモリ素子 | |
| US8194361B2 (en) | Spin-torque oscillator, magnetic head including the spin-torque oscillator, and magnetic recording and reproducing apparatus | |
| Braganca et al. | Nanoscale magnetic field detection using a spin torque oscillator | |
| Bose et al. | Observation of anomalous spin torque generated by a ferromagnet | |
| US8675309B2 (en) | Spin-torque oscillator (STO) with antiparallel-coupled free ferromagnetic layers and magnetic damping | |
| Houssameddine et al. | Spin-torque oscillator using a perpendicular polarizer and a planar free layer | |
| JP5142923B2 (ja) | 磁性発振素子、磁気センサ及び磁気記録再生装置 | |
| JP5509208B2 (ja) | 三次元磁気記録再生装置 | |
| US7800938B2 (en) | Oscillating current assisted spin torque magnetic memory | |
| US8320080B1 (en) | Three-terminal spin-torque oscillator (STO) | |
| JP4585353B2 (ja) | 磁性発振素子、磁気センサ、磁気ヘッドおよび磁気再生装置 | |
| JP5526141B2 (ja) | 磁性発振素子 | |
| US8068316B2 (en) | Low noise magnetic field sensor | |
| US7795984B2 (en) | Magnetic oscillator with multiple coherent phase output | |
| Grünberg | Exchange anisotropy, interlayer exchange coupling and GMR in research and application | |
| US7042685B2 (en) | Suppression of thermally activated magnetization fluctuations in magnetoresistive elements via spin momentum transfer | |
| Monteblanco et al. | Redshift and blueshift regimes in spin-transfer-torque nano-oscillator based on synthetic antiferromagnetic layer | |
| Erkovan et al. | Ferromagnetic resonance investigation of Py/Cr multilayer system | |
| Zhang et al. | Significant manipulation of output performance of a bridge-structured spin valve magnetoresistance sensor via an electric field | |
| TWI505637B (zh) | 奈米自旋力矩震盪器製作方法、操作方法及其結構 | |
| Thompson | Crystal orientation dependence of spin-orbit torque in epitaxial Pt thin films for spintronic applications | |
| Rajapakse | High Frequency Dynamics of Magnetic Tunnel Junctions | |
| Chiba | Theory of Spin-Charge Coupling in Magnetic Heterostructures | |
| Xi et al. | Spin-current-induced high-frequency magnetisation rotations and microwave oscillations in magnetic nanodevices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110418 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120309 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120321 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120403 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150427 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |