JP5051726B2 - スピン偏極電流を利用する無線周波数発振器 - Google Patents

スピン偏極電流を利用する無線周波数発振器 Download PDF

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Description

本発明は、磁性薄膜システム技術を利用する無線周波数発振器の分野に関する。
こうした無線周波数発振器は、略ＧＨｚまたは僅かにサブＧＨｚ周波数スペクトルから、数十ＧＨｚ周波数スペクトルまでにおいて作動することを目的としている。
本発明は、遠隔通信、特にモバイル通信の分野における特定のアプリケーションを有する。
近年の携帯電話の目覚しい成長によって、当該分野の専門家達が、更に新しい製品及びサービスを提供し続けることが促されている。特に、マルチメディアの到来によって、こうした専門家達は、多数のアプリケーションを携帯電話内に統合させることに関心を向けている。こうした新しいアプリケーションでは、無線パーソナルエリアネットワーク（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＷＰＡＮ）への接続性に加えて、セルラネットワークへの多重接続性が必要とされる。ブルートゥースはこのような技術の一例であり、新基準（ＩＥＥＥ ８０２．１５）に対する基礎として使用されている。
その結果として、また、様々な基準に準拠するために、こうした新製品の電子機器は、極度に広範な周波数帯にわたって作動可能でなければならない。例えば、以下の様々な範囲の周波数帯が、遠隔通信において使用されるものとして挙げられる。
Figure 0005051726
 Ｗ−ＣＤＭＡ ： Ｗｉｄｅｂａｎｄ Ｃｏｄｅ−Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｃｃｅｓｓ
ＧＰＳ ： Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
ＵＷＢ ： Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ
８０２．１１ ａ／ｇ： ワイヤレス網用システム
ＲＦＩＤ ： Ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ（特にラベル）
周知のように、感度及び選択性の両方に関するレシーバの電気的性能は主に周波数合成器（つまり、信号の搬送周波数を発生させるために用いられる無線周波数センサ内の装置）によって決まる。上述の多様な範囲の周波数をカバーするため、マルチスタンダードでマルチバンドの装置では、多数の無線周波数発振器を使用することが必要になる。
周知の発振器は、比較的低いＱ（クオリティ）値（Ｑ＝ｆ／Δｆ）（問題としている周波数帯では４から１０）を有するＬＣ共振器を含む。このような共振器を用いて作製された発振器は、特にスペクトル純度（位相ジッター）に関して、標準的な性能を有する。更に、可変ＭＯＳ型キャパシタンス（Ｃ）の補助で得られる周波数同調性が低い。何故ならば、得られる周波数の変化が、搬送周波数の値の２０％のオーダだからである。
これのみならず、遠隔通信に割り当てられている周波数帯が飽和しつつあり、従って、上述の周波数帯に対する静的割り当ての概念が妥協されつつある。この飽和問題を解決するための解決策の一つは、動的周波数割り当てを利用することである。その原理は、周波数スペクトルを解析する性能にその本質があり、また、１ＧＨｚから１０ＧＨｚまでの遠隔通信に対する応用に関する限りでは、これを利用可能にするために非占有周波数帯を識別することにその本質がある。これは“無線オポチュニスティック（ｒａｄｉｏ‐ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｓｔｉｃ）”システムと称される。
しかしながら、この動的周波数割り当ての原理を使用するためには、問題としている装置（この場合は携帯電話）が超広帯域発振器を有しなければならなく、また、位相ジッターに関しての極めて優れた性能、つまりは高いＱ値を提供しなければならない。この要求は、複雑で高価な設計を用いることを含むＬＣ共振器に基づいた発振器を事実上排除する。
このような要求に合致可能な技術的解決策の一つは、スピントロニクス無線周波数発振器を利用することである。従って、このような発振器を利用して、高いＱ値及び扱い易い周波数同調性を備えた広い周波数帯を得ることができ、更に、比較的単純な設計を利用できる。
スピンエレクトロニクスでは、新しい効果を発生させるために、追加的な自由度として電子のスピンを利用する。
電流のスピン偏極は、“スピンアップ”型の伝導電子（つまり局所磁化に平行）の拡散と“スピンダウン”型の伝導電子（つまり局所磁化に逆平行）の拡散との間の非対称性の結果である。この非対称性は、スピンアップとスピンダウンのチャネルの間の非対称な伝導性をもたらし、従って、電流の正味のスピン偏極をもたらす。
この電流のスピン偏極は、巨大磁気抵抗（非特許文献１）やトンネル磁気抵抗（非特許文献２）等の磁性多重層における磁気抵抗現象を生じさせる。
更に、磁性薄膜をスピン偏極電流が通り抜けることによって、外部磁場無しで、その磁化の反転を誘起可能であることも発見されている（非特許文献３）。
また、偏極電流は、持続性の磁気励起（“振動”とも称される）も発生させ得る（非特許文献４）。
磁気抵抗装置に持続性の磁気励起を発生させる効果を用いることによって、この効果を、電子回路において直接使用可能である電気抵抗調節に変換可能になり、結果として周波数レベルで直接作用可能である
特許文献１には、上述の物理的原理を利用した様々な成果が開示されている。特に、スピン偏極電流が流れる磁性層の磁化の歳差運動について開示されている。
利用される物理的原理について図１を参照して以下に詳述する。三層磁性構造において、二つの磁性層（１及び２）が非磁性層（３）によって離隔されている（ここで、“非磁性”という用語は反磁性または常磁性のことを意味する）。この中間層（３）は“スペーサ”とも称される。その厚さは、スピン偏極電流を透過可能にさせるのに充分薄く、離隔される層（１及び２）の間の磁気的な分断を確実にするのに充分厚いものである。
層（１）は、磁化方向が固定されているという意味において、所謂、“固定”強磁性層である。一般的に、この層（１）は反強磁性層に結合される。この反強磁性層の機能は、層（１）を固定して、アセンブリが電流に晒された際にその磁化が反転しないようにすることである。この層（１）はまた、例えば特許文献２に開示されているように複数の層からも構成可能であり、所謂“合成反強磁性”層が構築される。この層（１）は“ポーラライザ”と称される。実際のところ、その磁化方向が固定されているため、そこを流れる電流のスピン偏極が誘起される。上述のように、磁性物質では、局所磁化に平行なスピン（スピンアップ）を有する電子の伝導性は、反対のスピン（スピンダウン）を有する電子の伝導性と異なる。従って、異なる磁性を有する二層の間の界面における反射及び透過は、スピンに依存する現象である。層（１）とスペーサ（３）との間の界面に到達する伝導電子は大抵、使用される物質の特性に依存するスピンタイプ（アップまたはダウン）を有する。
層（１）（ポーラライザ）に対しては、電流の偏極を最大にすることを確実にするのに充分な厚さを有する強磁性層、または、同じ目的を達成するのに適切な厚さを有する“合成反強磁性（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ，ＳＡＦ）”層のどちらかを選択可能である。これらの層の平面に垂直な輸送構造に関しては、特徴的な長さが所謂スピン拡散長であるということが知られている（非特許文献５）。従って、偏極層に対しての“充分な厚さ”とは、このスピン拡散長（典型的には、大気温度のＮｉ８０Ｆｅ２０において５ｎｍ）に対して相対的に充分に厚い厚さのことを意味する。明らかなように、電流の偏極を促すためにまたはスピン拡散長を短くするために、偏極層は、一層以上の層（例えば、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの二層、または、多層の積層複合材（ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ０．３ｎｍ）３／ＣｏＦｅ１ｎｍ）から構成され得る。
スペーサ（３）の厚さが充分に薄ければ、これらの層を直角に流れる電流の偏極が、スペーサ（３）と層（２）との間の界面に到達するまで、ほぼ完全に保たれる。この層（２）は軟磁性の所謂“自由”層であり、例えば、その磁化方向を、弱い外場の効果によって容易に変更可能である（典型的には、Ｎｉ８０Ｆｅ２０パーマロイまたはＣｏＦｅ合金から作製された層であり、または、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ等の二つの層を結合させることによって形成された層である）。
層（２）と層（３）との間の界面レベルでは、スピン偏極電流と層（２）の磁気モーメントとの間のスピン移動が生じる。層（２）の磁気モーメントとスピン偏極方向（層（１）の磁化によって与えられる）とが同一直線状にない場合には、電流が、回転（歳差運動）させるのに充分なように層（２）の磁化に影響する。スピン移動のトルクの符号は、印加される電流の方向に依存する。即ち、
‐ 伝導電子がポーラライザ（１）から層（２）に移動する場合には、スピン移動のトルクは、層（２）の磁化を層（１）の磁化に対して平行に向ける；
‐ 対照的に、伝導電子が層（２）からポーラライザ（１）に移動する場合には、このトルクは、層（２）の磁化を層（１）の磁化に対して反平行に向ける。
印加される外部磁場または電流の振幅に依存して、二つの異なる効果が検出可能であることが示されている。即ち、
‐ 第一に、層（２）の磁化の反転；この反転は、外部磁場または電流の振幅に依存して、ヒステリシスでも可逆性でも有り得る；また、この現象を、ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭとも称される）の形成に関する情報書き込み手段としても利用可能である。
‐ また、層（２）の磁気モーメントの持続性の歳差運動状態の励起：これは、本発明の枠組みにおいて利用される効果である。
層（２）の磁気モーメントの持続性の歳差運動に関しては、特に印加される電流の相対的な強度に依存して、複数のモードがあることが、マイクロ波周波数測定によって、明らかにされている。即ち、
‐ モードＡ：強磁性共鳴（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ，ＦＭＲ）型の小角度の歳差運動：この歳差運動のモードは、比較的弱い強度の電流に対して生じ、印加される電流に依存しない所定の周波数を有する信号によって特徴付けられる；
‐ モードＢ：大角度の歳差運動：この歳差運動のモードは、印加される電流が特定の閾値を超える場合に生じ、印加される電流に対する著しい周波数依存性によって特徴付けられる；
‐ モードＣ：弱い磁場に加えて中程度の強度の電流に対するマイクロ波ＲＴＳノイズ。こうした条件下で測定されるスペクトルは、１ＧＨｚ付近を中心とする非常に幅広く非常に振幅の高いピークを示す。
本発明に関して、利用される振る舞いは、電流に影響を与えること、または、好ましくは電流及び外部磁場の両方に影響を与えることのどちらかによって、歳差運動の周波数が調節可能であるものである。ナノ構造上のこうした構造は、磁気抵抗アセンブリまたは装置に集積される。金属システムの巨大磁気抵抗（ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＧＭＲ）または、金属‐絶縁体‐磁性金属のトンネル接合のトンネル磁気抵抗（ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）のどちらの場合においても、磁化の歳差運動は、電流がこれらの層の平面に垂直な方向に印加された際に測定される電気抵抗の変化をもたらす（ＣＣＰまたはＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ）構造）。
当業者に周知であると考えられる詳細に立ち入ることはしないが、ＴＭＲまたはＭＴＪ（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）と称される磁気トンネル接合は、その最も単純な場合において、二つの磁性層から成り、その磁化の相対的な向きを変更することが可能であり、これらの層が絶縁層によって離隔されている。
利用される磁気抵抗装置では、二つの異なる方法で作製される積層体が採用される。即ち、
‐ 所謂“点接触（ポイントコンタクト）型”積層体であり、活性層（層１、層２、層３）はナノメータパターンを用いてエッチングされず、その場合には、大型のパターン（略μｍ２）を用いて形成される；典型的には５０ｎｍである極端に細い金属コンタクトが層（２）の上に、外部ナノチップ（例えば、原子間力顕微鏡のチップ）または内部ナノチップ（スクリーン印刷ピラー）を用いて形成される。
‐ “ピラー”型積層体：全ての層がエッチングされて、１００ｎｍのオーダの直径を有するピラーが形成される；層（１）と層（２）との間の顕著な静磁気相互作用の発生を防止するために、層（１）がエッチングされないままの場合がある。
層の平面に対して垂直に電流が一番目のタイプの装置を通過する場合、電流のラインは全て、ナノコンタクト（ポイントコンタクト）に向かって収束し、積層体の内部に向かって円錐状に発散するが、その形状は、様々な層の電気抵抗率に依存する。ピラー構造を有する二番目のタイプの場合、電流は、ピラーの断面全体にわたって、程度の差はあるが一様に流れる。
エッジ効果によって生じる非干渉性の励起の発生が最小化されている限りにおいては、所謂“点接触型”の方法の方が、無線周波数発振器を製造するのに有利であるということが、マイクロ磁気シミュレーションを用いることによって示されている。図２（ピラー）及び図３（ポイントコンタクト）は、これら二種類の積層体を示す。
これらの構造に関して、特許文献３には、磁気抵抗装置を構成する層の平面に垂直な方向にポーラライザ（層１）が磁化されて、層（２）のモーメントが界面に平行な方向に向けられる場合に、この磁化の歳差運動を誘起するのに必要とされる臨界電流を減少させることができる旨について開示されている。
しかしながら、理論的なレベルにおいては、上述のような磁気抵抗装置によって、工業的な製造上の要求（広帯域、動的周波数割り当てが可能、高いＱ値）を満たす無線周波数発振器が実現可能になるとしても、やはり、こうした装置の実際の品質が、層を流れる電流によって生じる磁化の歳差運動のコンシステンシー（一貫性）に依存してしまうということは明らかである。
“磁化の歳差運動のコンシステンシー”とは、コンシステントではない（一貫性のない）多数の小さな励起を生じさせることとは対照的に、磁化が構造体を介する電流シートの全範囲に対して（つまり、ピラー構造を有するピラーの断面全体に対して、また、ナノコンタクトがある場合には自由層のレベルの円錐状の電流の断面全体に対して）単一のユニットとして運動させられるということを表す。
米国特許第５６９５８６４号明細書 米国特許第５８８３７２５号明細書 仏国特許発明第２８１７９９９号明細書 Ｍ．Ｂａｉｂｉｃｈ、Ｊ．Ｍ．Ｂｒｏｔｏ、Ａ．Ｆｅｒｔ、Ｆ．Ｎｇｕｙｅｎ Ｖａｎ Ｄａｕ、Ｆ．Ｐｅｔｒｏｆｆ、Ｐ．Ｅｔｉｅｎｎｅ、Ｇ．Ｃｒｅｕｚｅｔ、Ａ．Ｆｒｉｅｄｅｒｃｈ、Ｊ．Ｃｈａｚｅｌａｓ、"Ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ （００１）Ｆｅ／（００１）Ｃｒ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ"、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，１９８８年、第６１巻、ｐ．２４７２ Ｊ．Ｓ．Ｍｏｏｄｅｒａ、Ｌ．Ｒ．Ｋｉｎｄｅｒ、Ｔ．Ｍ．Ｗｏｎｇ、Ｒ．Ｍｅｓｅｒｖｅｙ、"Ｌａｒｇｅ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ"、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、１９９５年、第７４巻、ｐ．３２７３−３２７６ Ｊ．Ａ．Ｋａｔｉｎｅ、Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ、Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ、Ｅ．Ｂ．Ｍｙｅｒｓ、Ｄ．Ｃ．Ｒａｌｐｈ、"Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｖｅｒｓａｌ ａｎｄ Ｓｐｉｎ−Ｗａｖｅ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ Ｐｉｌｌａｒｓ"、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２０００年、第８４巻、ｐ．３１４９ Ｓ．Ｉ．Ｋｉｓｅｌｅｖ、Ｊ．Ｃ．Ｓａｎｋｅｙ、Ｉ．Ｎ．Ｋｒｉｖｏｒｏｔｏｖ、Ｎ．Ｃ．Ｅｍｌｅｙ、Ｒ．Ｊ．Ｓｃｈｏｅｌｋｏｐｆ、Ｒ．Ａ．Ｂｕｈｒｍａｎ、Ｄ．Ｃ．Ｒａｌｐｈ、"Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ ａ ｎａｎｏｍａｇｎｅｔ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａ ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ"、Ｎａｔｕｒｅ、２００３年、第４２５巻、ｐ．３８０ Ｔ．Ｖａｌｅｔ、Ａ．Ｆｅｒｔ、"Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９９３年、第４８巻、ｐ．７０９９ Ｒｕｓｓｅｋ外、Ｊｏｕｒｎ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、２００２年、第９１巻、ｐ．８６５９ Ｊ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、"Ｃｕｒｒｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅｓ ｉｎ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｓ"、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．、１９９６年、第１５９巻、ｐ．Ｌ１ Ｊ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ、"Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎ ｗａｖｅｓ ｂｙ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ"、Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ．Ｍａｔｅｒ．、１９９９年、第１９５巻、ｐ．Ｌ２６１
従って、より高いコンシステンシーによって、より狭い周波数及びより低い振幅の振動信号がもたらされる。：本発明の課題は、磁化の歳差運動の動的運動のコンシステンシーを増大させる手段を提案することである。振幅の減少は求められている効果ではないので、一旦周波数の狭さが達成された後に、振幅を上げてもよい。
従って、本発明は、スピン偏極電流が流れる磁気抵抗装置を含む無線周波数発振器に関する。この磁気抵抗装置は、
少なくとも
‐ 固定された磁化方向を有する第一の所謂“固定”磁性層と、
‐ 第二の磁性層と、
‐ 二つの層の間に挿入された非磁性層と
から成る積層体と、
これらの層に垂直な方向に電子の流れを生じさせ、また、適用可能な場合に構造体に外部磁場を印加する手段とを備える。
本発明によると、第二の磁性層は、磁気抵抗装置を構成する積層体を流れる円錐状またはシリンダー状の電流の広がり以下の波長を有する磁気励起に対して、（第二の磁性層が、同一の幾何学的形状を有する同一の物質から成る単一の層において測定される励起緩和係数よりも少なくとも１０％大きいような）高い励起緩和係数を有する。
以下においては簡単のため、“ギルバート緩和係数（Ｇｉｌｂｅｒｔ ｄａｍｐｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）”とも称される励起緩和係数のことを単に“緩和”とも称する。
つまり、この第二の磁性層は、固定層によってスピン偏極電流に晒され、また、適用可能な場合に外部磁場に晒された際に、その磁化が一定で持続性の状態で歳差運動するように選択される。
言い換えると、本発明の課題は、ポーラライザとして機能する固定層からのスピン偏極電流の効果によって、“自由層”とも称される第二の層の磁化に、可能な限りコンシステントな歳差運動を誘起することである。つまり、その磁化は、局所的に磁化を乱す小さくてランダムな励起の結果としてというよりもむしろ、一つのユニットとして回転する単一の物体のように振る舞う。絶対的には、その目的は、磁化が可能な限りシングルドメインのままであること（マクロスピン）を確実にすることである。
これによって、この第二の磁性層の磁化の運動は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄またはこれら二つの金属の合金から形成され、同一の幾何学的形状、同一の磁化構成を有し、同一の条件下でスピン電流に晒され、また、適用可能な場合に外部磁場に晒される単一の層の磁化の運動よりもコンシステントである。
多様な方法を用いて、磁気抵抗装置を構成する積層体を流れる円錐状またはシリンダー状の電流の広がり以下の波長を有する磁気励起に対して、第二の磁性層の顕著な緩和を達成することができる。上述の割合で励起緩和係数を増大させることができるいずれかの手段を用いて、本発明を実現することができる。三つの主な手段について以下に開示する。
本発明の第一実施形態によると、この緩和は、反強磁性層をこの第二の磁性層に結合することによって達成される。このＡＦＭ（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ，反強磁性）層は、スペーサつまり常磁性層の反対側の第二の磁性層の表面上に配置されている。このような結合によって、ギルバート緩和が増大される。更に、強磁性／反強磁性結合によって与えられる復元力によって、コンシステントな動的磁化の運動が促進される。典型的には、この反強磁性層は、３から１０ｎｍの厚さを有するＩｒ２０Ｍｎ８０から成り、または、典型的には５から１２ｎｍの厚さを有するＦｅＭｎや典型的には８から３０ｎｍの厚さを有するＰｔＭｎからも形成可能である。
有利には、積層体の一部であるピラーの直列抵抗を過度に損なわないために、この反強磁性層が非酸化物ベースの金属層である。
本発明の第二実施形態によると、この緩和は、この第二の磁性層に対して高い交換スティフネス定数を有する物質を用いることによって達成される。実際のところ、交換相互作用がスピンを互いに平行なままにするので、短波長励起が発展し難い。従って、短波長励起の緩和が、低い交換定数を有する層に対して達成される緩和と比較して増大する。この定数（より一般的には“交換スティフネス”と称される）とキュリー温度との間には特定の相関がある。キュリー温度が高いことによって周知であるコバルトリッチな物質（例えばＣｏＦｅ合金）を選択することが好ましい。
また、低磁気モーメントを有する磁性物質（例えば、高いモーメントを有するＣｏＦｅ合金よりもホウ素を１０から２０％含んだＣｏＦｅＢ合金の方が好ましい）を使用することによっても、歳差運動のコンシステンシーを改善可能である。これには、装置の端に存在する強い反磁場に関連した磁気の非一様性の効果を最小化するという利点がある。
本発明の第三実施形態によると、この緩和は、この第二の磁性層に多様なランタノイド系の不純物を加えることによって増大する。例えば、不純物は、典型的には０．０１％から２％（原子百分率）の低濃度のテルビウムから成る。
本発明によると、第一及び第二の磁性層は、これらの層の平面の内または外に向けられた最適化方向に固定される。方向が最適化されると、歳差運動の振幅が可能な限り大きくなり、最大限の振幅を有するＲＦ信号が生成させる。この最適化は、例えば、スロンチェフスキ（Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）スピン移動項を含むランダウ・リフシッツ・ギルバート（Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｓｈｉｔｚ Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式に基づいた動的マクロスピンモデリングによって、導き出すことが可能であり、その後、実験的に調節される。
上述の第二実施形態に類似する本発明の他の実施形態によると、その磁化が歳差運動する第二の磁性層に対しては、近接する反強磁性層に結合されておらず、まず、第一の非磁性層との界面の反対側の界面上に第二の非磁性層が結合されて、つぎに、この第二の非磁性層の他方の面の上に、第一の偏極層の機能と同様の機能を有する偏極層が結合されている。これによって、この第二の磁性層の磁化が、二つの偏極層のスピン移動効果に晒されて、磁化の歳差運動を生じさせる現象の効果を増大させることができる。
二つの偏極層の磁化方向は、一般的に同じではなく、実質的に反平行であるか直交するもので有り得る（一つの偏極層は一つの平面内に実質的に磁化されて、他の層はこの平面の外にある）。
本発明によって、１００００を超えるＱ値また可能性としては２０００００を超えるＱ値を有する層（２）の磁化の極めてコンシステントな歳差運動を達成することが可能になる。
本発明を実現する方法及び本発明によってもたらされる利点については、添付図面を参照する以下の単に例示的に与えられる実施形態の開示によって、より容易に理解されるものである。
本発明による無線周波数発振器を製造するため、図２及び３に関して説明したのと同じタイプの積層体から成る磁気抵抗装置を利用する。この積層体は二つの電流リードの間に挿入される。ここで、この電流リードと積層体の両端の層とのコンタクトは銅または金から形成される。
この積層体の幾何学構造は、特にその幅、または、シリンダー状である場合にはその直径によって特徴付けられる。
この所謂“固定層”である層（１）は、固定された磁化方向を有する。この層（１）は、例えばコバルトやＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金から形成される比較的厚い（１００ｎｍのオーダ）単一の層であってもよい。この層の厚さは、この層が形成される物質のスピン拡散長と同じ厚さまたはこれを超えるものでなければならない。また、スピン拡散長を減少させるために、この層を、０．２から０．５ｎｍのオーダの厚さを有する銅、銀または金から成る極めて薄い層を複数（典型的には２から４）挿入することによって積層に形成してもよい。これらの挿入された層は、積層全体にわたる強い交換結合を確実にするのに充分薄いので、この層の固定も強いままである。
このような積層された固定層の典型的な組成は、（ＣｏＦｅ１ｎｍ／Ｃｕ０．３ｎｍ）３／ＣｏＦｅ１ｎｍである。しかしながら、ＣｏＦｅ３ｎｍ／Ｒｕ０．７ｎｍ／ＣｏＦｅ２．５ｎｍ型の合成反強磁性（ＳＡＦ）層から成ってもよい。選択されるＲｕの厚さは、ＣｏＦｅの二つの層の間の強い反強磁性結合を確実にするために、典型的には０．６ｎｍから１ｎｍである。また、このＳＡＦ層を構成する二つの層に関しても、少なくとも自由層に近接するＣｏＦｅ層が、スピン拡散長を減少させるために、Ｃｕの薄い層を挿入することによって積層に形成可能である。更に、これら両方の構成において、単一の層及びＳＡＦ層を、反強磁性層（４）（図４及び５を参照）との交換によって固定させることもできる。この反強磁性層は、６から１０ｎｍの厚さを有するＩｒ２０Ｍｎ８０または１５から３０ｎｍの厚さを有するＰｔ５０Ｍｎ５０から形成可能である。層（１）は基本的にポーラライザとしての機能を果たす。従って、磁気抵抗装置を構成する層の平面に対して垂直に流れ、ポーラライザによって反射または透過される電流の電子は、層（１）における、また、反強磁性層層（４）に接触する界面の反対側の界面における磁化に平行なスピン方向に偏極される。
単一のものであるか（図５）合成されたものであるか（図４）に関わらず、この層（１）は、反強磁性層（４）を受け入れる表面の反対側の表面の上に、スペーサとして機能する他の層（３）を受け入れる。この層は金属（典型的には５ｎｍから１０ｎｍの厚さの銅層）であり、または、アルミニウム酸化物型（アルミナＡｌ２Ｏ３）（典型的には０．５から１．５ｎｍの厚さ）、または、マグネシウム酸化物型（ＭｇＯ）（典型的には０．５から３ｎｍの厚さ）の薄い絶縁層から成る。
最後に、層（２）の特性は様々である。この層（２）の厚さは一般的に、層（１）の厚さ未満である。
第一に、層（２）は、固定層（１）の合成反強磁性構造の参照層（５）の厚さに匹敵する厚さを有する単一の磁性層から構成可能である。
第一実施形態（図５）によると、この層（２）は、層（２）とスペーサ（３）との界面の反対側の層（２）の表面上に独立して取り付けられた反強磁性層（６）に結合されている。この反強磁性層も、Ｉｒ２０Ｍｎ８０、ＦｅＭｎ及びＰｔＭｎを含む群から選択された物質から形成可能である。この反強磁性層は。層（２）の磁化の相対的な自由度を変更し得る。しかしながら、この反強磁性層の厚さを変更することによって、または、ＣｕやＰｔ等の非磁性物質の極めて薄い層（層（２）と層（６）との間の界面に沿って０．１から０．５ｎｍのオーダの厚さ）を導入することによって、形成される結合を、固定層つまりポーラライザ（１）のものよりも弱くすることを確実にすることができ、層（２）の磁化が歳差運動を維持し、反強磁性層（６）固有の分断（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ）が、この磁化をコンシステントに保つのに役に立つ。
最適化研究によって、この歳差運動に対応する信号が、反強磁性に結合されていない同じ層に対応するものよりも最大で１０倍の出力を有することが示されている。この信号出力の増加は、反強磁性層に結合された界面を介する交換相互作用によって層（２）の磁化の歳差運動のコンシステンシーが改善された結果であると説明される（図６を参照）。この交換相互作用は、歳差運動している磁化に対する一様な復元力を与え、また、同一のコンシステンシーを介して、磁化の歳差運動を促進する。また、強磁性／反強磁性結合が、ギルバート緩和（Ｇｉｌｂｅｒｔ ｄａｍｐｉｎｇ）の増大（反強磁性層のブロッキング温度の略＋１０％から＋４００％に達する増大）をもたらすということがわかっていて、これによって、系の磁気励起の強い減衰がもたらされ、磁化のコンシステンシーを良好に保つのに役立つ。
本発明の他の変形例では、ランタノイド系ベースの不純物（特にテルビウム）を層（２）にドーピングすることが、０．０１％から２％（原子百分率）の濃度で行われる。このようなドーピングを介して、励起緩和係数（つまり“ギルバート緩和係数”）を増大可能であることが示されている（非特許文献６）。ギルバート緩和係数を増大させ過ぎないようにしなければならないということは重要である。何故ならば、これによって、持続性の磁化の歳差運動を発生させるため、構造体を通過させるのに必要とされる臨界電流の過度の増大がもたらされるからである。従って、妥協しなければならない。一般的にこれ妥協は、０．０１から０．０５のギルバート緩和に対応する。
この適度な緩和によって、短波長励起（特に、磁気抵抗積層体のサイズよりも短い波長を有し、歳差運動のコンシステンシーを乱すために望ましくない短波長励起）を減衰させることが可能になる。しかしながら、この緩和は強すぎないものであるので、コンシステントな磁化の歳差運動を発生させるために（１０７Ａ／ｃｍ２を超える）過度な値が必要とされることにはならない。
有利には、このような不純物を組み込むことに加えて、上述の第一実施形態の場合のように、このようにドーピングされた層（２）を上述の反強磁性層（６）に結合することができる。この場合、反強磁性層（６）は、緩和の増大を確実にするのみならず、上述のように、磁化に与えられる復元力を発生させることによって、歳差運動のコンシステンシーを促進する。
有利には、層（２）に用いられる物質は、高い交換スティフネス定数を有する。これを達成するために、３ｄ金属（特にコバルトまたはコバルトリッチな合金）を用いることができる。また、当業者であれば、層（２）が、互いに直接接触している複数の強磁性層（例えば、スピンバルブにおいて一般的に使用される（ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ）の二層）から成ってもよいということがわかる。
有利には、低磁気モーメントを有する磁性材料（例えば、１０から２０％のホウ素を含むＣｏＦｅＢ合金の方が、より高いモーメントを有するＣｏＦｅ合金よりも好ましい）も使用可能であり、装置の端に存在する強い反磁場に関連する磁気の非一様性の効果を最小化するという効果がある。
本発明の他の変形例では、層（２）が、単一の強磁性層から構成される代わりに、固定層のように、合成反強磁性（ＳＡＦ）層（つまり、０．５から１ｎｍの厚さのルテニウム層を介して反強磁性が強くなるように結合された二つの強磁性層）から成る。また、このＳＡＦ層（２）は、反強磁性層によって適度に固定可能である。
本発明の他の変形例では、層（２）が、ポーラライザ（１）の磁化や層の平面に対して相対的ないずれかの方向に固定可能である。この方向は、自由層の磁化の歳差運動の振幅を最適化するように選択される。この最適化は、例えば、スロンチェフスキ（Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ）スピン移動項を含むランダウ・リフシッツ・ギルバート（Ｌａｎｄａｕ Ｌｉｆｓｈｉｔｚ Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式に基づいた動的マクロスピンモデリングによって、導き出すことが可能であり（非特許文献７及び非特許文献８）、その後、実験的に調節される。この最適化を達成するためには、構造体に追加的な外部磁場を印加することが必要になり得る。この場は、例えばピラーの周囲の適切な位置に配置された永久磁石の層を、例えばコンピュータのハードディスクから情報を読み出すのに使用される磁気抵抗読み出しヘッドにバイアス場を発生させるのに用いられるのと同じ方法で用いることによって生成可能である。
また、本発明の他の変形例によると、その磁化が歳差運動するものである第二の磁性層（単一のまたはＳＡＦ層）が、近接する反強磁性層に接続されていない場合には、第二の非磁性層（第２のスペーサ）を、第二の非磁性層との界面の反対側の界面の上に対応させることができ、この第二の非磁性層の他方の側には、その機能が第二の偏極層のものと同様である偏極層が結合される。第二のポーラライザとして機能するこの第二の固定層自体は、単一のものでも合成反強磁性（ＳＡＦ）層でもあり得て、この第二の固定層と第二の非磁性スペーサとの間の界面の反対側の面の上に独立して取り付けられた反強磁性層に結合される。
これによって、この第２の磁性層の磁化が二つの偏極層のスピン移動効果に晒されることになり、磁化の歳差運動を生じさせる現象の有効性を増大させることができる。一般的に、二つの偏極層の磁化方向は同じではなく、磁化が歳差運動する層の特性に依存して最適化しなければならない。例えば、磁化が歳差運動する層が単一のドーピングされた層である場合には、二つの偏極層の磁化方向は、実質的に反平行であるかまたは直交するものであり得る（一つの偏極層は実質的に一つの平面内に磁化されて、他の層がこの平面の外に磁化される）。
磁化が歳差運動する層がＳＡＦ層である場合には、二つの偏極層の磁化方向が実質的に平行であるかまたは直交するものであり得る。
本発明によって提供される励起のラインの狭さの有利な効果（Ｑ値を増大させる効果）を例示するため、図６ａ及び６ｂに、従来技術に基づく構造体と本発明による構造体に対して得られた励起のラインを示す。図６ａは、構造体を流れる様々な電流に対する励起スペクトルを示し、励起された層は従来技術による単一のＣｏＦｅ層であり、固定された合成層を備えた図４に示される種類の装置に挿入されている。図６ｂは、同じＣｏＦｅ層がＩｒＭｎ反強磁性層によって適度に固定された際の電流の効果によって励起のラインの鋭さが顕著に改善されている様子を示す。また、図６ｂは、構造体を流れる電流の関数として、励起のラインの同調性を示す。
従来技術による磁気抵抗装置の積層された層を示す概略図である。 積層方法の一タイプを示す。 積層方法の一タイプを示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の実施形態を概略的に示す。 本発明の主題である構造体の励起スペクトルに対して本発明によって得られる有利な効果を示す。構造体を流れる様々な電流に対する励起スペクトルを示す。励起された層は従来技術による単一のＣｏＦｅ層である。 本発明の主題である構造体の励起スペクトルに対して本発明によって得られる有利な効果を示す。同じＣｏＦｅ層がＩｒＭｎ反強磁性層によって適度に固定された際の電流の効果によって励起のラインの鋭さが顕著に改善されている様子を示す。また、構造体を流れる電流の関数として、励起のラインの同調性を示す。
符号の説明
１ 固定層（ポーラライザ，偏極層）
２ 自由層
３ 非磁性層（スペーサ）
４ 反強磁性層
５ 参照層
６ 反強磁性層

Claims (16)

  1. スピン偏極電流が流れる磁気抵抗装置を含む無線周波数発振器であり、
    前記磁気抵抗装置が、
    少なくとも
    ‐ 固定された磁化方向を有する第一の所謂"固定"磁性層（１）と、
    ‐ 第二の磁性層（２）と、
    ‐ 該二つの層の間に挿入された非磁性層（３）と
    から成る積層体と、
    層に垂直な方向に電子の流れを生じさせ、また、適用可能な場合に構造体に外部磁場を印加する手段とを備え、
    前記第二の磁性層（２）が、前記磁気抵抗装置を構成する前記積層体を流れる円錐状またはシリンダー状の電流の広がり以下の波長を有する磁気励起に対して、同一の幾何学的形状を有する同一の物質から成る単一の層において測定される励起緩和係数よりも少なくとも１０％大きい励起緩和係数を有することを特徴とする無線周波数発振器。
  2. 前記第二の磁性層（２）が、反強磁性層（６）に結合された単一の層から成り、前記反強磁性層（６）が、スペーサとして機能する前記非磁性層（３）の反対側の前記第二の磁性層（２）の表面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発振器。
  3. 前記反強磁性層（６）を構成する物質が、Ｉｒ２０Ｍｎ８０、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎを含む合金の群から選択されていることを特徴とする請求項２に記載の無線周波数発振器。
  4. 前記第二の磁性層（２）が合成反強磁性層から成ることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発振。
  5. 前記第二の磁性層（２）が交換によって固定されている合成反強磁性層から成ることを特徴とする請求項４に記載の無線周波数発振器。
  6. 前記第二の磁性層を構成する物質が高い交換スティフネス定数及び高いキュリー温度を有する物質であることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発振器。
  7. 前記第二の磁性層（２）が、低い磁気モーメントを有する磁性物質、特に１０から２０％のホウ素を含むＣｏＦｅＢ合金から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の無線周波数発振器。
  8. 前記第二の磁性層（２）に、不純物（特にランタノイド系ベースの不純物（とりわけ、テルビウムベースの不純物）が、典型的には０．０１％から２％（原子百分率）の低濃度でドーピングされていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  9. 固定層と称されポーラライザとして機能する前記第一の磁性層（１）が単一の層から成り、前記第一の磁性層（１）の固定が、前記第一の磁性層を反強磁性層（特にＩｒＭｎまたはＰｔＭｎから形成された反強磁性層）（４）に結合することによって確実にされていて、また、前記反強磁性層（４）が、前記第一の磁性層（１）と前記非磁性層（３）との間の界面の反対側の前記第一の磁性層（１）の表面上に独立して取り付けられていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  10. ポーラライザとして機能する前記第一の磁性層（１）が交換によって固定されている合成反強磁性層から成ることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  11. 反強磁性層（４）が、前記第一の磁性層（１）と前記非磁性層（３）との間の界面の反対側の前記第一の磁性層（１）の表面上に独立して取り付けられていることを特徴とする請求項１０に記載の無線周波数発振器。
  12. 前記第一の磁性層（１）及び前記第二の磁性層（２）が、層の平面の内または外に向けられたいずれかの方向に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  13. 第二のスペーサを構成する第二の非磁性層が、前記第二の磁性層（２）とスペーサ（３）との間の界面の反対側の表面上に独立して取り付けられていて、また、第二のポーラライザとして機能する第二の固定層が、前記第二の磁性層（２）との界面の反対側の前記第二のスペーサの界面上に独立して取り付けられていることを特徴とする請求項１、請求項４、請求項６及び請求項７のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  14. 前記第二の固定層が、前記第二の固定層と前記第二のスペーサとの間の界面の反対側の面上に独立して取り付けられた反強磁性層に結合可能な合成反強磁性（ＳＡＦ）層から成るかまたは単一の層であることを特徴とする請求項１３に記載の無線周波数発振器。
  15. 前記磁気抵抗装置を構成する前記積層体が、活性層（１、２、３）がナノメータパターンでエッチングされないことによって"点接触型"に形成されていて、前記第二の磁性層（２）の上に最大５０ｎｍのオーダの金属コンタクトを生じさせるナノチップが使用されていることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
  16. 前記磁気抵抗装置を構成する前記積層体が、"ピラー"として形成されていて、少なくとも前記第二の磁性層（２）及び前記非磁性層（３）がエッチングされて、１００ｎｍのオーダの直径を有するピラーが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の無線周波数発振器。
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