JP5321851B2 - 磁気発振素子及びスピン波装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、磁気発振素子及びスピン波装置に関する。
マイクロ波帯やミリ波帯の電波は、無線通信機器や車載用のレーダーシステムなどの広い分野で利用されている。半導体を用いた高周波数発振器は、構成が複雑である。一方、１００ナノメートル（ｎｍ）程度以下のサイズの磁性積層膜におけるスピントランスファ現象を用いた磁気発振素子は、単純な素子構造を持つ。磁気発振素子において、高い周波数を得ることが望まれている。
W. H. Rippard, M. R. Pufall, S. Kaka, S. E. Russek, and T. J. Silva, "Direct-Current Induced Dynamics in Co90Fe10/Ni80Fe20 Point Contacts", Physical Review Letters 92, 027201 (2004)
本発明の実施形態は、高周波数の発振が得られる磁気発振素子及びスピン波装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ、磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ、磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ、非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有する。前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。前記第１電極と前記第２電極の間に電流が流されたときに、前記第１磁性層の磁化は発振する。前記第１磁性層は、前記第１磁性層のうちで前記第１電極の側の第１部分と、前記第１磁性層のうちで前記第２電極の側の第２部分と、を有する。前記第１部分における前記磁化の前記発振の位相は、前記第２部分における前記磁化の前記発振の位相とは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。前記第１方向に対して交差する方向において前記第２電極と並置された第３電極と、前記第３電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第３磁性層と、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第２スペーサ層と、をさらに備える。前記第１磁性層の厚さは、前記第３電極の前記第３磁性層の側の第２面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第２面の外側に設けられた第２縁部を有する。前記第２面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第２縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。前記第１電極と前記第２電極の間に電流が流されたときに、前記第１磁性層の磁化は発振する。前記第１磁性層は、前記第１磁性層のうちで前記第１電極の側の第１部分と、前記第１磁性層のうちで前記第２電極の側の第２部分と、を有する。前記第１部分における前記磁化の前記発振の位相は、前記第２部分における前記磁化の前記発振の位相とは異なる。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。 本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。 本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、キャップ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記キャップ層は、前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ５ナノメートル以下の厚さを有し非磁性である。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１磁性層は、強磁性の第４磁性層と、前記第４磁性層と前記第１スペーサ層との間において前記第１スペーサ層に接し、前記第４磁性層の材料とは異なる材料の強磁性の第５磁性層と、を含む。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第５磁性層の前記第１方向における厚さの２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第５磁性層の交換長以上である。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、キャップ層と、を備えた磁気発振素子が提供される。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記キャップ層は、前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ５ナノメートル以下の厚さを有し非磁性である。前記第１磁性層は、強磁性の第４磁性層と、前記第４磁性層と前記第１スペーサ層との間において前記第１スペーサ層に接し、前記第４磁性層の材料とは異なる材料の強磁性の第５磁性層と、を含む。前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第５磁性層の前記第１方向における厚さの２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第５磁性層の交換長以上である。
本発明の別の実施形態によれば、第１電極と、第２電極と、第３電極と、第１磁性層と、第２磁性層と、第１スペーサ層と、第３磁性層と、第２スペーサ層と、を備えたスピン波装置が提供される。前記第３電極は、前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向に対して交差する方向において前記第２電極と並置されている。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間、及び、前記第１電極と前記第３電極との間に設けられ磁化方向が可変である。前記第２磁性層は、前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が固着されている。前記第１スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第３磁性層は、前記第１磁性層と前記第３電極との間に設けられ磁化方向が固着されている。前記第２スペーサ層は、前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ非磁性である。前記第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚い。前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄い。前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、実施形態に係る磁気発振素子を示す模式図である。 実施形態に係る磁気発振素子の動作を示すグラフ図である。 磁気発振素子の動作を示すグラフ図である。 図４（ａ）〜図４（ｊ）は、磁気発振素子の動作を示す模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る磁気発振素子の一部を示す模式的断面図である。 実施形態に係る別の磁気発振素子の一部を示す模式的断面図である。 図７（ａ）〜図７（ｄ）は、実施形態に係る別の磁気発振素子を示す模式的断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る別の磁気発振素子を例す模式的断面図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施形態に係る別の磁気発振素子を示す模式的断面図である。
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、実施形態に係る磁気発振素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、第１磁性層１０と第２電極５２との界面を含む平面図である。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気発振素子１１０は、第１電極５１と、第２電極５２と、積層膜１０ｓと、を備える。積層膜１０ｓは、第１電極５１と第２電極５２との間に設けられる。
第１電極５１と第２電極５２とを結ぶ軸（方向）をＺ軸（Ｚ軸方向、すなわち、第１方向）とする。例えば、第１電極５１から第２電極５２に向かう方向がＺ軸方向となる。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向を、Ｘ軸方向（第２方向）とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向を、Ｙ軸方向（第３方向）とする。Ｚ軸方向に対して垂直な平面が、Ｘ−Ｙ平面となる。
積層膜１０ｓは、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１スペーサ層２５と、を含む。第１磁性層１０においては、磁化方向（第１磁性層１０の磁化方向）が可変である。第１磁性層１０は、例えば磁化発振層である。
第２磁性層２０は、Ｚ軸方向に沿って第１磁性層１０と積層される。
本願明細書において、「積層」は、直接重ねられる状態の他に、間に別の要素が挿入されて重ねられる状態も含む。
第２磁性層２０においては、磁化方向（第２磁性層２０の磁化方向）が、固定されている。
第１スペーサ層２５は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられる。第１スペーサ層２５は、非磁性である。
磁気発振素子１１０においては、第１磁性層１０は、第２磁性層２０と第２電極５２との間に配置される。すなわち、第１電極５１の上に第２磁性層２０が設けられる。第２磁性層２０の上に第１スペーサ層２５が設けられる。第１スペーサ層２５の上に第１磁性層１０が設けられる。第１磁性層１０の上に第２電極５２が設けられる。磁気発振素子１１０においては、第２電極５２は、第１磁性層１０と接する。
第２電極５２は、積層膜１０ｓと接する第１面５２ａを有する（図１（ｃ））。この例では、第２電極５２は第１磁性層１０と接しており、第１面５２ａにおいて、第２電極５２は第１磁性層１０と接する。
第１磁性層１０のＺ軸方向に沿った厚さ（第１磁性層厚ｔ１）は、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い（図１（ｂ）及び図１（ｃ）。スピン侵入長Ｌｓｐについては、後述する。
第１磁性層１０の厚さ（第１磁性層厚ｔ１）は、第２電極５２の第１面５２ａの最大幅（第１面幅ｄ１）よりも薄い。第１面幅ｄ１は、例えば、第１面５２ａの重心を通り、第１面５２ａの周囲の２点間を結ぶ距離である。第１面幅ｄ１は、第１面５２ａのＸ−Ｙ平面内における長さである。第１面幅ｄ１は、例えば、第１面５２ａのＸ軸方向に沿った長さである。第１面幅ｄ１は、例えば、第１面５２ａのＹ軸方向に沿った長さでも良い。
平面視において、第１磁性層１０は、第１面５２ａよりも外側に突出している第１縁部１０ｐを有する。平面視において、第１縁部１０ｐは、第１磁性層１０のうちで、第１面５２ａの外側に設けられた部分である。すなわち、第１磁性層１０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに第１面５２ａの外側に設けられた第１縁部１０ｐを有する。Ｚ軸方向に沿ってみたときの第１縁部１０ｐの幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。第１縁部１０ｐの幅ｄｐは、第１面５２ａの縁の接線に対して垂直な方向における第１縁部１０ｐの長さである。交換長Ｌｅｘについては、後述する。第１縁部１０ｐは、第１磁性層１０のうちの一部であって、Ｘ−Ｙ平面内において第１面５２ａよりも外側に突出した部分である。
すなわち、第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１、すなわち、Ｘ−Ｙ平面内における長さ）は、第２電極５２の第１面５２ａの第１面幅ｄ１よりも大きい。
例えば、第２電極５２の第１面５２ａの重心が、Ｚ軸方向に沿ってみたときの第１磁性層１０の形状の重心に配置される。このとき、（Ｄ１−ｄ１）＝２・ｄｐとなる。ｄｐ＞Ｌｅｘであるため、ｄ１＜（Ｄ１−２・Ｌｅｘ）となる。
上記の構成により、高周波数の発振が得られる。
なお、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示した例では、第１磁性層１０のＺ軸方向に沿ってみたときの形状（平面形状）は、実質的に円形であるが、第１磁性層１０の平面形状は任意である。第１磁性層１０は、多角形または扁平円形などの任意の平面形状を有することができる。また、第２電極５２をＺ軸方向に沿ってみたときの形状（平面形状）は、実質的に円形であるが、第２電極５２の平面形状は任意である。
例えば、図示しない基板上に第１電極５１が設けられる。基板の上に、図示しない非磁性の下地層を設け、この下地層の上に第１電極５１を設けても良い。
例えば、後述するように、第１電極５１と第２磁性層２０との間に、図示しない反強磁性層が設けられる。これにより、第２磁性層２０の磁化方向が固定される。また、第２磁性層２０の厚さを十分に厚くすることで、第２磁性層２０の磁化方向が固定される。この場合、上記の反磁性層を設けなくても良い。第２磁性層２０は、例えば、磁化固定層である。
一方、第１磁性層１０には、このような固定機構を設けない。これにより、第１磁性層１０の磁化方向は可変となる。
第１電極５１と第２電極５２との間に、電流を流すことが可能である。この電流によって、第１磁性層１０内の磁化には、磁化方向を変化させるトルクと、磁性体内部に働く磁化変化を抑制する力と、の双方が働く。磁化方向を変化させるトルクは、例えば、スピントランスファトルクである。磁性体内部に働く磁化変化を抑制する力は、例えば、交換相互作用である。このように、競合する作用が共存する結果、第１磁性層１０の磁化は、平衡状態に緩和することなく、電流を流している間において、定常的な才差運動を行う。第１磁性層１０は、例えば磁化発振層である。
第１電極５１と第２電極５２の間に電流を流すと、磁気発振素子１１０中にはスピン偏極した電子流が流れる。電子流が磁性体中を通過することにより、電子流におけるスピン偏極方向は、磁性体の磁化方向に対して平行な方向に揃うようになる。磁性体から放出される電子流においては、磁性体と非磁性体の界面において、磁性体の磁化方向にスピン偏極している。しかし、界面から距離が離れるに従って、一定の緩和長で、電子流におけるスピン偏極成分が失われる。
磁気発振素子１１０において、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化方向に対して平行な方向にスピン偏極した電子の流れが磁化発振層に流入する。第１磁性層１０（磁化発振層）の磁化に、スピントランスファトルクが与えられる。
第１磁性層１０内を流れる電流密度は空間的に非一様である。このため、スピントランスファトルクの作用は空間的に非一様である。従って、磁化方向の変化にも非一様性が生じる。
一般に、磁性体においては、磁気モーメント間に交換相互作用が働き、磁気モーメントが相互に平行な方向を取ろうとする性質がある。このため、このような磁化方向の非一様性が抑制される方向に、力が働く。すなわち、スピントランスファにより生じた磁化変化は、交換相互作用が復元力となって抑制される。
磁気発振素子１１０においては、第１磁性層１０（磁化発振層）における磁化の才差運動は、スピントルクと交換相互作用とのつりあいに起因する。このように、自励的な現象が利用される。このため、導入する電流は、交流である必要はない。特に、直流、または、十分長い時間幅を持つパルス電流を用いることが望ましい。これにより、時間的に一定のスピントルクが働くため、定常的な発振が得られる。パルス電流を用いる場合、パルス電流の時間幅は、発振周波数の逆数以上とされる。
なお、磁気発振素子１１０において、電流の向きは任意である。すなわち、第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かって流れる電流（第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かって流れる電子流）を用いて、発振を得ることができる。この場合、第１磁性層１０の電流非通電時の磁化方向は、第２磁性層２０の磁化方向に対して反平行であることが望ましい。これにより、例えば、安定した発振が得られる。また、第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かって流れる電流（第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かって流れる電子流）を用いて発振を得ることができる。この場合、第１磁性層１０の電流非通電時の磁化方向は、第２磁性層２０の磁化方向に対して平行であることが望ましい。これにより、例えば、安定した発振が得られる。
第１磁性層１０から第２磁性層２０に向かって流れる電流（第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かって流れる電子流）を用いることがより望ましい。この構成により、例えば、電流あたりのスピントルクが大きくなる。これにより、例えば、第２磁性層２０から第１磁性層１０に向かって流れる電流を用いた場合よりも小さい電流で、発振させることが可能になる。
実施形態においては、第１電極５１と第２電極５２との間に電流（一定の電流またはパルス電流）を流しつつ、これらの電極間の電圧を出力として取り出すことができる。
第１磁性層１０（磁化発振層）、スペーサ層２５及び第２磁性層２０（磁化固定層）を含む積層膜１０ｓにおいては、磁気抵抗効果が生じる。磁気抵抗効果において、第１磁性層１０（磁化発振層）の磁化と、第２磁性層２０（磁化固定層）の磁化と、の相対角度に応じて電気抵抗値が変わる。実施形態においては、この効果が利用される。すなわち、積層膜１０ｓに電流を流し、第１磁性層１０（磁化発振層）の磁化を発振させつつ、電圧を取りだす。このとき、第１磁性層１０（磁化発振層）の磁化の振動に伴う抵抗変化が生じる。そして、磁化の振動周波数に等しい周波数を持つ交流電圧を取りだすことができる。
図２は、実施形態に係る磁気発振素子の動作を例示するグラフ図である。
図２の横軸は時間ｔである。縦軸は、素子の出力Ｖｏｕｔである。
図２に表したように、出力Ｖｏｕｔは振動する。このような振動する出力Ｖｏｕｔを利用することができる。
発明者は、積層膜１０ｓ及び電極（第１電極５１及び第２電極５２）の構成を適切に設定したときに、特異的な発振特性が得られることを見出した。以下、磁気発振素子の構成を変えて、素子の発振特性をシミュレーションした結果について説明する。
このシミュレーションにおいては、磁化のダイナミクスを記述するモデルであるLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を数値的に解く方法が実施された。これにより、磁気発振素子の発振周波数を求めることができる。本シミュレーションにおいては、第２電極５２の幅（第１面幅ｄ１）を４０ナノメートル（ｎｍ）とし、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐを４ｎｍとした。また、第１磁性層１０は、飽和磁化の大きさが８００ｅｍｕ／ｃｍ３で、異方性エネルギーが０ｅｒｇ／ｃｍ３で、交換スティフネスが１．４×１０−６ｅｒｇ／ｃｍの面内磁化膜とした。また、１００Ｏｅの外部磁界が印加されているとした。そして、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１を４ｎｍ〜２４ｎｍの範囲で変化させ、発振周波数を算出した。
図３は、磁気発振素子の動作を例示するグラフ図である。
図３は、このシミュレーション結果を例示している。横軸は、第１磁性層厚ｔ１である。縦軸は、発振周波数ｆｏである。発振周波数ｆｏは、生じる発振の周波数のピーク値である。
図３に表したように、第１磁性層厚ｔ１に関して８ｎｍ（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍）を境として、発振周波数ｆｏの特性が大きく変化する。すなわち、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも薄いときは、発振周波数ｆｏは約１５ＧＨｚ程度である。これに対し、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも厚いときは、発振周波数ｆｏは、５０ＧＨｚ〜１７０ＧＨｚ程度と非常に高くなる。特に、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも厚く１６ｎｍ以下においては、発振周波数ｆｏが特に高い。第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも厚く１２ｎｍ（スピン侵入長Ｌｓｐの３倍）以下においては、さらに高い発振周波数ｆｏが得られる。
このように、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも薄い場合と、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い場合とで、発振周波数ｆｏの特性が大きく変化することが見出された。
このように、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍の値を境にして、発振周波数ｆｏの特性が大きく変化することは、従来知られていない。
実施形態の構成は、このシミュレーションにより初めて見出された現象に基づいて構築されている。すなわち、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１が、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚く設定される。これにより、高周波数の発振が得られる。
さらに、このシミュレーションにおいて、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも薄いときは、発振のＱ値（ｆｏ／Δｆｏに相当）は、１０２程度であった。これに対して、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも厚いときは、発振のＱ値は、１０３以上であった。このように、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも厚いときは、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍよりも薄いときにおけるＱ値の１０倍以上の高いＱ値が得られる。
図４（ａ）〜図４（ｊ）は、磁気発振素子の動作を例示する模式図である。
これらの図は、第１磁性層１０の磁化の挙動をシミュレーションした結果を例示している。図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍ（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍）よりも厚いときの磁化の挙動を例示している。図４（ａ）〜図４（ｅ）の順に時間が経過したときの磁化の状態をそれぞれ例示している。図４（ｆ）〜図４（ｊ）は、第１磁性層厚ｔ１が８ｎｍ（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍）よりも薄いときの磁化の挙動を例示している。図４（ｆ）〜図４（ｊ）の順に時間が経過したときの磁化の状態を例示している。これらの図において、第１磁性層１０内の厚さ方向の磁化（Ｚ軸方向に沿った異なる位置の磁化１１）が示されている。
図４（ｆ）〜図４（ｊ）に表したように、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも薄いときは、磁化１１は、Ｚ軸方向（厚さ方向）において、一斉に振動するモードが見られた。
一方、図４（ａ）〜図４（ｅ）に表したように、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚いときは、磁化１１の向きは、Ｚ軸方向において変化する。例えば、厚さ方向の一端の部分の位相が、厚さ方向の他端の部分の位相と逆である逆位相モードの振動モードが見られた。この磁化方向の振動モードの波長は、厚さの２倍である。このような逆位相モードの発生が、ミリ波帯に相当する高い周波数が得られる原因になっていると考えられる。
このように、実施形態においては、第１電極５１と第２電極５２との間に電流が流されたときに、第１磁性層１０の磁化１１は発振する。第１磁性層１０が、第１部分と、第２部分と、を有するとする。第２部分は、第１部分とＺ軸方向に沿って並んでいる。例えば、第１部分は、第１磁性層１０のうちの第１電極５１の側の部分であり、第２部分は、第１磁性層１０のうちの第２電極５２の側の部分である。なお、第１部分が第２電極５２の側の部分で、第２部分が第１電極５１の側の部分でも良い。第１部分における磁化１１の発振の位相は、第２部分における磁化の発振の位相とは異なる。例えば、第１部分における磁化１１の位相は、第２部分における磁化の位相に対して逆位相である。
このように、厚さ方向に沿って磁化１１の発振の位相が変化する振動モードが生じることが見出された。
第１磁性層厚ｔ１が薄い（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍未満）場合には、磁化変化の平面方向の波長が分散関係を通じて周波数と結びついていると考えられる。これに対し、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚いときは、磁化変化の厚さ方向の波長が周波数を決めていると考えられる。
膜厚の変化に伴う発振周波数の大きな変化が、上述のように、発振モードの変化と対応づけられることは、磁化の発振周波数ｆと波数ｋの関係（分散関係）からも説明される。
第１磁性層１０が面内磁化膜の場合、分散関係は、以下の第１式で表される。

ここで、γは磁気回転比、Ｍは飽和磁化、Ｈは外部磁界と異方性磁界の和、Ａは交換スティフネスである。
また、波数ｋは、磁化変化の平面方向の波長λｉと、厚さ方向の波長λｚと、を用いて、以下の第２式で表される。

厚さ方向に一様な発振モードにおいては、厚さ方向の波長λｚが無限大となる。このため、第１式から、発振周波数ｆは、厚さに依存せず、平面方向の波長λｉによって決まる。
平面方向の波長λｉは、第２電極５２の幅ｄ１の約２倍（８０ｎｍ）になるため、第１式より求められる発振周波数は、１４．８ＧＨｚとなる。この値は、第１磁性層厚ｔ１が薄い（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍未満）場合のシミュレーション結果とほぼ一致する。すなわち、第１磁性層厚ｔ１が薄い（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍未満）場合には、厚さ方向に変化しない発振モードが生じていることを裏付けている。
これに対し、厚さ方向に変化する発振モードの周波数は、厚さ方向の波長λｚに強く依存することが、第１式から分かる。例えば、厚さが１２ｎｍのときに周波数は８６．５ＧＨｚとなり、厚さが１６ｎｍのときに周波数は５６．５ＧＨｚとなる。これらの値は、平面方向の波長として、第２電極５２の幅ｄ１の約２倍（８０ｎｍ）、厚さ方向の波長λｚとして、第１磁性層厚ｔ１の２倍（２４ｎｍ、３２ｎｍ）とすることにより求められる。この値は、図３に例示したシミュレーション結果とほぼ一致する。すなわち、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚いときは、厚さ方向に変化する発振モードが発生することを裏付けている。
また、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い場合に周波数が第１磁性層厚ｔ１と強く関係付けられる条件を得るために、第１式より、厚さ方向の波長λｚが平面方向の波長λｉよりも短く設定される。実施形態に係る磁気発振素子においては、第１磁性層厚ｔ１が第２電極５２の幅ｄ１よりも小さいため、この条件が満たされている。
この現象は、厚さ方向に沿った磁化の変化は磁性層と非磁性層との界面における境界条件に支配され、波長が離散化されて周波数が確定されることを反映していると考えられる。これに対し、第１磁性層厚ｔ１が薄い場合には、このような周波数を確定する機構が存在しないと考えられる。このような機構の違いにより、上記の発振周波数ｆｏの特性の違いが生じると考えられる。
第１磁性層厚ｔ１が、８ｎｍ（スピン侵入長Ｌｓｐの２倍）のときは、積層膜１０ｓに電流を流した初期の段階においては、図４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した逆位相モードであったが、才差運動の途中で、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に例示した同位相モードに変化した。
このように、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍の値を境にして、発振周波数ｆｏの特性が大きく変化し、Ｑ値も大きく変化する。そして、磁化の挙動も、同位相モードと逆位相モードとに大きく変化する。
なお、第２電極５２の幅ｄ１は、上記の条件を満たす範囲内で、小さくすることにより、電流磁界に影響されない、高周波数の磁化発振が安定的に得られる。第２電極５２を通じて、電流密度Ｊ＝１０６Ａ／ｃｍ２の電流を流したときに発生する電流磁界の大きさは、第１面５２ａの境界線上で最大値をとる。例えば、第１面５２ａが円形状を有するとき、この電流磁界の値（Ｏｅ）は、０．０３×Ｊ（Ａ／ｃｍ２）×ｄ１（ナノメートル）である。他の形状の場合も同程度である。したがって、第２電極５２の幅ｄ１が１００ｎｍ以下であれば、例えば、電流密度が１０８Ａ／ｃｍ２の電流を流した場合でも、電流磁界の最大値は３００Ｏｅ以下となり、電流磁界の影響が小さく抑えられる。第２電極５２の幅ｄ１が５０ｎｍ以下であれば、電流磁界の最大値は１５０Ｏｅ以下となり、電流磁界の大きさは、異方性磁界の大きさと比較しても同程度以下にまで抑えられる。したがって、この場合、例えば、第１磁性層１０内の磁化状態が、電流磁界の影響を受けて、還流磁区になるのを抑制することができ、高い発振周波数を持つ磁化発振が安定的に得られるため好ましい。
第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１）よりも第２電極５２の幅（第１面幅ｄ１）を小さくするポイントコンタクト型の構成がある。しかしながら、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍の値を境にして発振特性が変質する特異的な現象に関しては知られていない。
すなわち、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１を、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも大きく設定することは、従来の発想の延長上における単なる設計条件の選択ではない。第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１を、スピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも大きく設定することで、図３及び図４に関して説明したような臨界的に生じる特性が得られる。
このように、実施形態においては、スピントランスファ現象を用いた従来の磁気発振素子とは質的に異なる磁化運動状態を持つモードを励起することが可能である。これにより、従来の素子と比べて発振周波数を著しく高くすることができる。
従来の磁気発振素子の振動モードは空間的に一様な磁化発振であるか、または、平面方向にのみ磁化の空間変化の許された振動モードである。
これに対し、実施形態においては、厚さ方向に空間変化する振動モードが励起される。これにより、発振周波数の著しい増大が引き起こされる。
上記のように、実施形態においては、第１磁性層厚ｔ１がスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも大きく設定される。磁気素子に電流を流すと第１磁性層１０の磁化１１にスピントルクが作用する。この現象は、微視的に解釈すると、スピン偏極した電子流と、第１磁性層１０の磁化１１を担う電子と、が交換相互作用した結果によりが生じている。
電流のスピン偏極について着目すると、電子流が第１磁性層１０を通過することにより、電子流のスピン偏極方向のうちで、第１磁性層１０の磁化方向に垂直な成分（横成分）は、ある減衰長λＪで失われる。
この減衰長λＪは、スピン侵入長Ｌｓｐと呼ばれている。スピン侵入長Ｌｓｐは、例えば、以下の第３式で表される。

λＪ ＝ （２ｈＤ０／πＪ）１／２ （３）

ここで、ｈ（ｅＶ・秒、ｅＶ・ｓ）は、プランク定数である。Ｄ０（平方メートル／秒、ｍ２／ｓ）は、電子の拡散係数である。Ｊ（エレクトロンボルト、ｅＶ）は、ｓ−ｄ相互作用の係数である。πは円周率である。
Ｄｏは、例えば１０−３ｍ２／ｓである。Ｊは、例えば、０．１ｅＶ〜０．４ｅＶである。これらの値を用いると、λＪは、１．８ｎｍ〜３．６ｎｍとなる。
一方、強磁性共鳴（ＦＭＲ）の周波数ピークの線幅からスピン侵入長を見積もる方法がある。この方法を用いて、第１磁性層１０として用いることができる材料のスピン侵入長を見積もると、例えば以下となる。パーマロイ（Ｐｙ）、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）及び、ＣｏＦｅＢのそれぞれのスピン侵入長は、それぞれ、３．７ｎｍ、２．５ｎｍ及び１２．０ｎｍとなる。従って、第１磁性層１０として、パーマロイ、コバルト鉄及びＣｏＦｅＢのそれぞれを用いた場合には、第１磁性層厚ｔ１は、７．４ｎｍ、５．０ｎｍ及び２４．０ｎｍのそれぞれよりも厚い値に設定される。
なお、スピン侵入長Ｌｓｐは、いわゆるスピン拡散長とは異なる。スピン拡散長λｓｄｌは、伝導電子のスピン偏極の磁化方向に対して平行な成分（縦成分）が減衰する特徴的な長さを意味している。磁化方向に対して垂直成分（横成分）の減衰距離を表すスピン侵入長Ｌｓｐは、一般的に、スピン拡散長よりも短い。
実施形態においては、第１磁性層厚ｔ１が、第２電極５２の積層膜１０ｓと接する第１面５２ａの幅（第１面幅ｄ１）よりも短く設定される。これにより、磁化の厚さ方向の空間変化と、磁化の平面方向の空間変化と、の両方を有するモードが実現された場合に、厚さ方向の空間変化が平面方向の空間変化よりも小さくなる。発振周波数ｆｏは、厚さ方向の空間変化、すなわち、厚さ方向の波長に強く依存する状態になる。
実施形態において、第１磁性層１０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに第１面５２ａの外側に設けられた第１縁部１０ｐを有する。Ｚ軸方向に沿ってみたときの第１縁部１０ｐの、第１面５２ａの縁の接線に対して垂直な方向における幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上に設定される。例えば、第２電極５２の第１面５２ａの重心が、Ｚ軸方向に沿ってみたときの第１磁性層１０の形状の重心に配置される場合、ｄ１＜（Ｄ１−２・Ｌｅｘ）とされる。すなわち、第１面５２ａの第１面幅ｄ１が、第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１）よりも小さく、第１面５２ａの第１面幅ｄ１と第１磁性層幅Ｄ１との差の絶対値が交換長Ｌｅｘの２倍よりも大きく設定される。
これにより、スピントルクによる磁化角度変化と、交換相互作用による復元力と、が共存する状態がつくり出される。したがって、第１縁部の幅を第１磁性層１０の交換長以上とすることで、高周波数の発振が安定的に得られる。
交換長Ｌｅｘは、以下の第４式で表される。

Ｌｅｘ ＝ （２Ａ０／ＨＭ）１／２ （４）

ここで、Ａ０（エルグ／センチメートル、ｅｒｇ／ｃｍ）は、交換スティフネスである。Ｍ（ｅｍｕ／立方センチメートル、ｅｍｕ／ｃｍ３、ｅｒｇ／ｃｃ）は、飽和磁化である。Ｈ（エルステッド、Ｏｅ）は、外部磁界と異方性磁界との和である。Ａ０は、例えば、１．０×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ〜１．５×１０−６ｅｒｇ／ｃｍである。飽和磁化Ｍは、例えば、３００ｅｍｕ／ｃｍ３〜１５００ｅｍｕ／ｃｍ３である。
例えば、異方性磁界が１５０Ｏｅの材料において、交換スティフネスが１．４×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ３で、飽和磁化が１４００Ｏｅであるならば、外部磁界が印加されていないときの交換長Ｌｅｘは、３７ｎｍとなる。
また、パーマロイのような異方性エネルギーの小さな材料を第１磁性層１０（磁化発振層）として用いる場合、１００Ｏｅ程度以上の外部磁界を与えることによって電流非通電時の磁化方向が規定される。パーマロイの交換長Ｌｅｘは、例えば、外部磁界が１００Ｏｅ及び１ｋＯｅのとき、それぞれ、５０ｎｍ及び１６ｎｍである。
飽和磁化が８００Ｏｅ〜１４００Ｏｅで、交換スティフネスが１×１０−６ｅｒｇ／ｃｍ程度の磁性材料において、外部磁界と異方性磁界との和が１００Ｏｅ以上、１ｋＯｅ以下の場合、交換長Ｌｅｘは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲にある。
例えば、第１面５２ａの第１面幅ｄ１が、第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１）よりも小さく、第１面５２ａの第１面幅ｄ１と第１磁性層幅Ｄ１との差の絶対値が１０ｎｍよりも大きく設定される。これにより、交換相互作用による復元力が得られる。
これにより、高周波数の発振が安定して得られる。
一般に、スピントランスファ現象を用いた従来の磁気発振素子においてミリ波帯に対応する高い周波数を得ようとすると、例えば、１０ｋＯｅを越える大きな磁場を印加する必要がある。これに対し、実施形態においては、例えば１００Ｏｅ以下の小さい磁場を用いて、あるいは、外部磁場を用いずに、このような高い周波数の発振を得ることができる。
図１（ａ）〜図１（ｃ）に例示したように、第１面５２ａの周縁から第１磁性層１０の周縁までは、ある程度幅を有していることが望ましい。これにより、第１磁性層１０の周縁に沿った領域において、交換相互作用による十分な復元力が効果的に得られる。ただし、実施形態はこれに限らない。例えば、第１磁性層１０の周縁の一部において、第１縁部１０ｐの幅ｄｐが交換長Ｌｅｘ未満の部分が存在していても良い。例えば、第１縁部１０ｐの幅ｄｐが交換長Ｌｅｘ未満の領域の周縁に沿った長さが十分に短い場合は、交換相互作用による復元力が作用し、発振が持続的に得られる。
実施形態において、第２磁性層２０は、垂直磁気異方性を有することができる、または、第２磁性層２０は、面内磁気異方性を有することができる。
本願明細書において、垂直磁気異方性は、磁化の垂直成分（厚さ方向に対して平行方向の磁化の成分）が、磁化の面内成分（厚さ方向に対して垂直方向の磁化の成分）よりも大きいことを言う。すなわち、垂直磁気異方性を有する第２磁性層２０においては、Ｚ軸に沿った磁化が、Ｘ軸に沿った磁化よりも大きく、Ｙ軸に沿った磁化よりも大きい。
本願明細書において、面内磁気異方性は、磁化の垂直成分が、磁化の面内成分よりも小さいことを言う。すなわち、面内磁気異方性を有する第２磁性層２０においては、Ｚ軸に沿った磁化が、Ｘ軸に沿った磁化、及び、Ｙ軸に沿った磁化の少なくともいずれかよりも小さい。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係る磁気発振素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）に表したように、実施形態に係る一例の磁気発振素子１１０ａにおいては、第１磁性層１０は、複数の層による積層構造を有している。この例では、第１磁性層１０は、第４磁性層１０ａと、第５磁性層１０ｂと、を含む。第５磁性層１０ｂは、第４磁性層１０ａと第１スペーサ層２５との間に設けられる。具体的には、第５磁性層１０ｂは、第４磁性層１０ａと第１スペーサ層２５との間において、第１スペーサ層２５に接する。第４磁性層１０ａ及び第５磁性層１０ｂは、強磁性である。
第１磁性層１０がこのような積層構造を有する場合には、隣接する磁性層間の界面において、電子流のスピン偏極成分が失われるため、第１磁性層１０の実質的なスピン侵入長は、上記磁性層（第４磁性層１０ａ及び第５磁性層１０ｂ）のうちでスペーサ層に最も近い磁性層（第５磁性層１０ｂ）の膜厚に等しくなる。したがって、この場合は、第１磁性層１０の全体の厚さを、第１磁性層１０に含まれる磁性層のうちで第１スペーサ層２５に最も近い磁性層（第５磁性層１０ｂ）の厚さの２倍以上とすることで、高い発振周波数が得られる。第１磁性層１０がこのような積層構造を有する場合において、上記の磁性層（第５磁性層１０ｂ）の厚さを第１磁性層１０の厚さの２分の１以下に設定することが望ましい。これにより、例えば、第１磁性層１０の厚さを薄くしても、厚さ方向に沿って磁化１１の位相が異なるモード（例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に関して説明した逆位相モード）が生じる。
一例として、第１磁性層１０が、２ｎｍのＦｅＣｏの第５磁性層１０ｂと、２．５ｎｍのＦｅＣｏＢの第４磁性層１０ａと、の積層構造を有する場合、全体として４．５ｎｍの厚さを持つ第１磁性層１０において、高い周波数の磁化発振が得られる。すなわち、この構成においては、第１磁性層１０の厚さが薄くても、第１磁性層１０がＦｅＣｏの単層である場合よりも高い周波数の磁化発振が得られる。
第１磁性層１０の厚さが薄くなれば、例えば、発振に必要な電流値が小さくなるため、望ましい。この構成においても、第２電極５２の幅等に関する条件は、上記の実施形態と同様である。すなわち、第２電極５２の第１面５２ａの幅は、第１磁性層１０の厚さよりも大きい。第１磁性層１０の第１縁部１０ｐの、第１面５２ａの縁の接線に対して垂直な方向における幅は、第１磁性層１０の交換長以上である。ここで、第１磁性層１０の交換長とは、第１磁性層１０に含まれる磁性層のうちでスペーサ層に最も近い磁性層（第５磁性層１０ｂ）の交換長を意味する。また、この例においても、第２電極５２の幅は、１００ｎｍ以下、さらに望ましくは５０ｎｍ以下であることが望ましい。これにより、電流磁界により還流磁区になることを抑制することができ、高周波数の磁化発振が安定的に得られる。
図５（ｂ）に表したように、実施形態に係る別の例の磁気発振素子１１０ｂにおいては、第１磁性層１０は、第４磁性層１０ａ及び第５磁性層１０ｂに加え、第６磁性層１０ｃをさらに含む。第６磁性層１０ｃは、第４磁性層１０ａと第５磁性層１０ｂとの間に設けられる。第６磁性層１０ｃは、強磁性である。この場合にも、第１磁性層１０の厚さが薄くても、高い周波数の磁化発振が得られる。第１磁性層１０が含む磁性層の数は、任意である。
図６は、実施形態に係る別の磁気発振素子の一部の構成を例示する模式的断面図である。
図６に表したように、実施形態に係るさらに別の例の磁気発振素子１１０ｃにおいては、第２磁性層２０は、複数の層の積層構造を有している。この例では、第２磁性層２０は、第７磁性層２０ａと、第８磁性層２０ｂと、非磁性層２０ｃと、を含む。第８磁性層２０ｂは、第７磁性層２０ａと第１スペーサ層２５との間に設けられる。非磁性層２０は、第７磁性層２０ａと第８磁性層２０ｂとの間に設けられる。非磁性層２０ｃは、第７磁性層２０ａと第８磁性層２０ｂとの間に設けられる。第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂは、強磁性層である。
このように、第２磁性層２０は、複数の強磁性層と、複数の強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を含むことができる。
この例において、非磁性層の数は任意である。すなわち、第２磁性層２０は、交互に積層された複数の強磁性層と複数の非磁性層とを含むことができる。
第２磁性層２０に含まれる強磁性層（例えば第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂなど）の保磁力は、第１磁性層１０の保磁力よりも大きい。
例えば、第１磁性層１０が複数の層の積層構造を有し、第２磁性層２０が複数の層の積層構造を有する場合において、第２磁性層２０に含まれる強磁性層（例えば第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂなど）の保磁力は、第１磁性層１０に含まれる磁性層（例えば、第４磁性層１０ａ、第５磁性層１０ｂ及び第６磁性層１０ｃなど）の保磁力よりも大きい。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０には、各種の磁性材料を用いることができる。第１磁性層１０の材料は、第２磁性層２０の材料と異なっていても良い。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む磁性合金を用いることができる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、例えば、パーマロイ（ＦｅＮｉ合金）、ＣｏＦｅ合金などを用いることができる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０には、例えば、一軸異方性定数Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることができる。
一軸異方性定数Ｋｕが大きい材料においては、Ｈｋ＝２Ｋｕ／Ｍで定義される異方性磁界が大きくなり、従って交換長Ｌｅｘが短い。そのため、磁性層幅と電極幅との差を小さくすることができる。このような材料の例として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒよりなる群から選択された少なくとも１つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈよりなる群から選択された少なくとも１つの元素と、の組み合わせによる合金がある。
一軸異方性定数の値は、磁性層として用いられる磁性材料の組成、及び、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、例えば、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、例えば、Ｃｏを主成分とする金属を含むものがある。第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、これ以外のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかには、例えば、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。第１磁性層１０及び第２磁性層２０には、例えば、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ及びＤｙＦｅＣｏなどの少なくともいずれかを用いることができる。
第２磁性層２０が、複数の強磁性層と、複数の強磁性層の間に設けられた非磁性層と、を含む構成において、複数の強磁性層（例えば、第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂなど）には、例えば、Ｃｏ、ＣｏＣｒ及びＣｏＦｅの少なくともいずれかを用いることができる。非磁性層２０ｃには、ＰｔまたはＰｄを用いることができる。
例えば、第１磁性層１０は、Ｃｏの磁性層と、Ｐｔの非磁性層と、を交互に繰り返して積層した構成を有することができる。繰り返しの数は、例えば３から６である。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかが積層構造を有する場合において、第１スペーサ層２５に接する磁性層（例えば第５磁性層１０ｂ、または、例えば第８磁性層２０ｂなど）には、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択されたすくなくともいずれか、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を含む合金を用いることができる。このような合金として、例えば、ＣｏＮｂＺｒ、ＦｅＴａＣ、ＣｏＴａＺｒ、ＦｅＡｌＳｉ、ＦｅＢ及びＣｏＦｅＢなどのような軟磁性材料がある。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかが積層構造を有する場合において、第１スペーサ層２５に接する磁性層（例えば第５磁性層１０ｂ、または、例えば第８磁性層２０ｂなど）に、スピン分極率が高い材料を用いると、スピントランスファによる磁化発振の効率が高くなる。これにより、磁化発振に必要な電流閾値を下がる。さらに、磁気抵抗比が大きくなり読み出しが容易になる。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかが積層構造を有する場合において、第１スペーサ層２５に接する磁性層（例えば第５磁性層１０ｂ、または、例えば第８磁性層２０ｂなど）に、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料を用いることが望ましい。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、閃亜鉛鉱型マンガン化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金及び磁性半導体がある。ハーフメタルの具体例として、例えば、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、及び、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３などがある。
第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかに用いられる磁性体は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＨから選択された少なくともいずれかの非磁性元素を含むことができる。これにより、磁気特性が調節できる。また、結晶性、機械的特性及び化学的特性などの各種の物性を調節することができる。
第２磁性層２０が多層構造を有する場合、多層構造に含まれる非磁性層２０ｃには、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ及びＯｓよりなる群から選択された少なくともいずれか、または、この群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
第２磁性層２０の磁化の固定のために用いる反強磁性層には、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、及び、磁性半導体などを用いることが望ましい。
第１スペーサ層２５には、非磁性金属の薄膜、または、絶縁性の薄膜を用いることができる。非磁性金属に、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ及びＢｉからなる群から選択された少なくともいずれか、または、この群から選択された少なくともいずれかを含む合金を用いることができる。
第１スペーサ層２５の厚さは、第１磁性層１０と第２磁性層２０と静磁結合が十分小さく、かつ、第１スペーサ層２５のスピン拡散長よりも小さくなるように設定される。第１スペーサ層２５の厚さは、例えば、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが望ましい。
第１スペーサ層２５に絶縁性材料を用い、第１スペーサ層２５をトンネルバリア層として機能させることができる。これにより、磁気抵抗効果を大きくすることができる。
この場合において、第１スペーサ層２５には、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、及び、非磁性半導体などを用いることができる。この非磁性半導体には、例えば、ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ２、Ｚｎ及びＴｅよりなる群から選択された少なくともいずれか、または、その群から選択された少なくともいずれかに遷移金属をドープしたもの、などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成でなくても良い。これらの化合物において、酸素、窒素、フッ素などの欠損、または、過不足が存在していても良い。
第１スペーサ層２５に絶縁性材料を用い場合において、第１スペーサ層２５の厚さは、例えば、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、トンネルバリア層として機能が効果的に得られる。
第１スペーサ層２５が、絶縁性である場合、第１スペーサ層２５の内部にピンホールが存在しても良い。この場合、ピンホールは、第１磁性層１０及び第２磁性層２０の少なくともいずれかの材料により埋め込まれる。
第１磁性層１０と第２磁性層２０とがピンホールを介して互いに接続されていると、いわゆる「磁性ポイントコンタクト」による「ＢＭＲ効果（ballistic magnetoresistance effect）」が発現する。これにより、極めて大きい磁気抵抗効果が得られる。その結果、出力電圧の振幅が大きくなる。
ピンホールの開口径は、約２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ピンホールは、円錐状、円柱状、球状、多角錘状または多角柱状などの各種の形状を有することができる。また、ピンホールの数は、１個でも複数でも良い。
図７（ａ）〜図７（ｄ）、及び、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る別の磁気発振素子の構成を例示する模式的断面図である。
なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）は、後述するスピン波装置１２５及び１２６の構成も例示している。
図７（ａ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１１において、積層膜１０ｓは、反強磁性層２１をさらに含む。第１磁性層１０は、第２磁性層２０と第２電極５２との間に配置される。反強磁性層２１は、第２磁性層２０と第１電極５１との間に配置される。既に説明したように、反強磁性層２１により、第２磁性層２０の磁化方向が固定される。
図７（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１２においては、第１磁性層１０は、第２磁性層２０と第１電極５１との間に配置される。この構成においては、第２電極の積層膜１０ｓと接する第１面５２ａは、第２電極５２が第２磁性層２０と接する面である。
磁気発振素子１１２においては、第２磁性層２０のＺ軸方向に対して垂直な方向（例えばＸ軸方向）に沿った幅は、第１磁性層１０のその方向（例えばＸ軸方向）に沿った幅よりも小さい。この例では、Ｚ軸方向において第２磁性層２０の外縁は、第２電極５２の外縁と重なる。すなわち、Ｚ軸方向に垂直な軸において、第２磁性層２０の幅は、第２電極５２の幅と同じである。
磁気発振素子１１２においては、磁気発振素子１１０及び１１１に比べて第１磁性層１０と第２電極５２との間の距離が遠い。このとき、上記のように、第２磁性層２０の幅を第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１）よりも小さくすることで、第１磁性層１０を流れる電流の幅が小さく維持できる。これにより、上記で説明した機構に基づく高い周波数の発振が得られる。
例えば、第２電極５２と第２磁性層２０とが同じマスクで加工されるときは、製造工程が簡単になる。
図７（ｃ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１３においては、磁気発振素子１１２の構成において、第１スペーサ層２５の幅が縮小されている。すなわち、第１スペーサ層２５のＺ軸方向に対して垂直な方向（例えばＸ軸方向）に沿った幅は、第１磁性層１０のその方向（例えばＸ軸方向）に沿った幅よりも小さい。この例では、Ｚ軸方向において第１スペーサ層２５の外縁は、第２磁性層２０の外縁と重なる。
磁気発振素子１１３においても、第２磁性層２０及び第１スペーサ層２５の幅を第１磁性層１０の幅（第１磁性層幅Ｄ１）よりも小さくすることで、第１磁性層１０を流れる電流の幅が小さく維持できる。これにより、上記で説明した機構に基づく高い周波数の周波数が得られる。
例えば、第１スペーサ層２５と第２電極５２とが同じマスクで加工されるときは、製造工程が簡単になる。さらに、第２磁性層２０がそのマスクで加工されるときは、さらに製造工程が簡単になる。
図７（ｄ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１４においては、積層膜１０ｓは、第３磁性層３０と、第２スペーサ層３５と、をさらに含む。第３磁性層３０は、第１磁性層１０とＺ軸方向に沿って積層される。第３磁性層３０においては、第３磁性層３０の磁化方向が固定されている。第２スペーサ層３５は、第１磁性層１０と第３磁性層３０との間に設けられ、非磁性である。第２磁性層２０と第３磁性層３０との間に第１磁性層１０が配置される。
第３磁性層３０の磁化方向は、第２磁性層２０の磁化方向と平行である。第３磁性層３０の磁化の向きは、第２磁性層２０の磁化の向きと同じである。
第２磁性層２０及び第３磁性層３０の少なくともいずれかは、複数の強磁性層（例えば第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂ）と、複数の強磁性層の間に設けられた非磁性層２０ｃと、を含む積層構造を有していても良い。この非磁性層２０ｃの厚さは、５ｎｍ以下である。
第２磁性層２０が、積層された複数の強磁性層を有する場合、第２磁性層２０の磁化方向は、第２磁性層２０に含まれる複数の強磁性層（例えば第７磁性層２０ａ及び第８磁性層２０ｂなど）のうちで第１スペーサ層２５に最も近い強磁性層（例えば第８磁性層２０ｂ）における磁化方向を指すものとする。
第３磁性層３０が、積層された複数の強磁性層を有する場合、第３磁性層３０の磁化方向は、第３磁性層３０に含まれる複数の強磁性層のうちで第２スペーサ層３５に最も近い強磁性層における磁化方向を指すものとする。
例えば、第２磁性層２０に含まれる複数の強磁性層のうちで第１スペーサ層２５に最も近い強磁性層における磁化方向は、第３磁性層３０に含まれる複数の強磁性層のうちで第２スペーサ層３５に最も近い強磁性層における磁化方向と平行である。
第２磁性層２０の磁化方向が第３磁性層３０の磁化方向に対して平行であるため、電極間に電流を通電することにより第１スペーサ層２５を介して第１磁性層１０に働くトルクは、第２スペーサを介して第２磁性層２０に働くトルクに対して逆方向となる。従って、第１磁性層１０において、厚さ方向に変化する磁化発振モードが生じ易い。これにより、小さな電流によっても磁化発振が起こる。
磁気発振素子１１１〜１１４においても、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１は、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い。第１磁性層厚ｔ１は、第２電極５２の第１面５２ａの第１面幅ｄ１よりも薄い。Ｚ軸方向に沿ってみたときに、第１磁性層１０は、第１面５２ａの外側に設けられたの第１縁部１０ｐを有し、第１縁部１０ｐの幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。これにより、高周波数の発振が得られる。さらに、Ｑ値も向上する。
図８（ａ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１５においては、第３電極５３をさらに備える。第３電極５３は、積層膜１０ｓに接続される。第３電極５３は、Ｚ軸方向に対して交差する方向において第２電極５２と並置される。例えば、第３電極５３は、Ｘ−Ｙ平面内において第２電極５２と並置される。
第１磁性層１０は、第２磁性層２０と第１電極５１との間に配置される。
積層膜１０ｓは、第３磁性層３０と、第２スペーサ層３５と、をさらに含む。第３磁性層３０は、第１電極５１と第３電極５３との間に設けられる。第３磁性層３０においては、磁化方向が固定されている。第２スペーサ層３５は、第１磁性層１０と第３磁性層３０との間に設けられる。
すなわち、第１電極５１の上に第１磁性層１０が設けられ、第１磁性層１０の一部の上に第１スペーサ層２５が設けられる。第１スペーサ層２５の上に、第２磁性層２０が設けられる。第２磁性層２０の上に第２電極５２が設けられる。第１磁性層１０の別の一部の上に第２スペーサ層３５が設けられる。第２スペーサ層２５の上に第３磁性層３０が設けられる。第３磁性層３０の上に第３電極５３が設けられる。
このように、１つの第１磁性層１０に対して、複数のスペーサ層を設けることができる。そして、複数のスペーサ層のそれぞれに磁化固定層（第２磁性層２０及び第３磁性層３０など）を設けることができる。複数の磁化固定層のそれぞれに電極（第２電極５２及び第３電極５３など）を設けることができる。
図８（ｂ）に表したように実施形態に係る磁気発振素子１１６においては、第２スペーサ層３５が、第１スペーサ層２５と連続している。または、第１スペーサ層２５が、第１磁性層１０と第３磁性層３０との間に延在すると見なしても良い。この他の構成は、磁気発振素子１１５と同様である。
第３電極５３には、例えば、第２電極５２に関して説明した構成及び材料が適用できる。第３磁性層３０には、例えば、第２磁性層２０に関して説明した構成及び材料が適用できる。第２スペーサ層３５には、例えば、第１スペーサ層２５に関して説明した構成及び材料が適用できる。
磁気発振素子１１５及び１１６においても、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１は、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い。第１磁性層厚ｔ１は、第２電極５２の第１面５２ａの第１面幅ｄ１よりも薄い。Ｚ軸方向に沿ってみたときに、第１磁性層１０は、第１面５２ａの外側に設けられたの第１縁部１０ｐを有し、第１縁部１０ｐの幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。
さらに、第１磁性層１０の厚さ（第１磁性層厚ｔ１）は、第３電極５３の積層膜１０ｓと接する第２面５３ａの最大幅（第２面幅ｄ２）よりも薄い。第１磁性層１０は、Ｘ軸方向に沿ってみたときに第２面５３ａの外側に設けられた第２縁部１０ｑを有する。Ｚ軸方向に沿ってみたときの第２縁部１０ｑの、第２面５３ａの縁の接線に対して垂直な方向における幅ｄｑは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。
これにより、高周波数の発振が得られる。さらに、Ｑ値も向上する。
磁気発振素子１１５及び１１６においては、１つの第１磁性層１０に対して複数の磁化固定層（第２磁性層２０及び第３磁性層３０など）が設けられている。これにより、例えば、発振特性が安定する。例えば、発振周波数のＱ値が向上する。
磁気発振素子１１５及び１１６において、例えば、第２電極５２を積層膜１０ｓへの電流注入のために用いつつ、第３電極５３を出力電圧取り出しに用いることができる。
実施形態に係る磁気発振素子の構成の具体例として、磁気発振素子１１１の例について説明する。第１磁性層１０の平面サイズ（Ｚ軸に沿ってみたときのサイズ）は、例えば、１２０ｎｍ×１５０ｎｍである。第２電極５２の平面サイズは、例えば、４０ｎｍ×４０ｎｍである。
第１電極５１には、例えばＣｕ層が用いられる。反強磁性層２１には、例えば、厚さが１５ｎｍのＩｎＭｎ層が用いられる。第２磁性層２０には、例えば厚さが２０ｎｍのＦｅＣｏ層が用いられる。第１スペーサ層２５には、例えば、０．９ｎｍのＭｇＯ層が用いられる。第１磁性層１０には、厚さが１０ｎｍのパーマロイ層が用いられる。第２電極５２には、例えばＣｕ層が用いられる。
磁気発振素子１１１は、例えば、スパッタリング技術及びリソグラフィ技術を用いて作製される。例えば磁気発振素子１１１の製造方法の例について説明する。
ウェーハの上に第１電極５１を形成する。第１電極５１の上に、例えば、超高真空スパッタ装置を使って、反強磁性層２１となる膜、第２磁性層２０となる膜、第１スペーサ層２５となる膜、及び、第１磁性層１０となる膜を、この順で積層する。この上に、保護膜をさらに積層する。このウェーハに、磁界中真空炉にて、例えば、２７０℃で１０時間の磁界中アニールを施す。これにより、第２磁性層２０となる膜に一方向異方性が付与される。この後、保護膜上にレジストを塗布し、ＥＢ（Electron Beam）露光により、素子の平面形状に応じたマスクを形成される。例えば、イオンミリングにより、マスクに被覆されない領域の上記の膜をエッチングする。これにより、複数の素子が形成される。エッチング後、マスクを剥離する。さらに、超高真空スパッタを用いて、複数の素子どうしの間にＳｉＯ２膜を形成する。その後、表面をイオンミリングによって平滑化し、素子の表面を露出させる。素子のそれぞれの上に、第２電極５２となる膜を形成する。これにより、磁気発振素子１１１が形成される。
図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施形態に係る別の磁気発振素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）に表したように、実施形態に係る磁気発振素子１１７も、第１電極５１と、第２電極５２と、積層膜１０ｓと、を備える。積層膜１０ｓは、第１電極５１と第２電極５２との間に設けられる。
磁気発振素子１１７においては、積層膜１０ｓは、第１磁性層１０、第２磁性層２０及び第２スペーサ層２５を含む。第２磁性層２０は、第１磁性層１０と第２電極５２との間に設けられている。
積層膜１０ｓは、これらに加え、キャップ層１２をさらに含む。キャップ層１２は、第１磁性層１０と第２電極５２との間に設けられる。キャップ層１２の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）は、１０ｎｍ以下である。キャップ層１２は非磁性である。
この場合も、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１は、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い。第１磁性層厚ｔ１は、第２電極５２の第１面５２ａの第１面幅ｄ１よりも薄い。Ｚ軸方向に沿ってみたときに、第１磁性層１０は、第１面５２ａの外側に設けられた第１縁部１０ｐを有し、第１縁部１０ｐの幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。
キャップ層１２は、例えば、第１磁性層１０の第２電極５２の側の面を覆う。キャップ層１２は、第１磁性層１０を保護する機能を有する。キャップ層１２には、例えば、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）及び銅（Ｃｕ）などを用いることができる。このように、キャップ層１２は導電性を有することができる。
第１磁性層１０には、キャップ層１２を介して電流が流れる。第１磁性層１０に流れる電流の幅が広がらないように、キャップ層１２の厚さは十分に薄くされる。キャップ層１２の厚さが５ｎｍよりも厚いと、第１磁性層１０に流れる電流の幅が過度に広がり、高周波の発振が安定して得られない。キャップ層１２の厚さを５ｎｍ以下にすることで、電流経路の広がりが抑制できる。
図９（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気発振素子１１８においても、積層膜１０ｓにキャップ層１３が設けられる。この場合のキャップ層１３には絶縁性の材料が用いられる。キャップ層１３の厚さが十分薄くすることで、例えばトンネル効果により、第１磁性層１０にキャップ層１３を介して電流が流れる。
本実施形態に係る磁気発振素子は、例えば、マイクロ波・ミリ波帯の無線通信装置、および、レーダー装置などに用いられる。ただし、実施形態はこれに限らず、磁気発振素子の用途は任意である。
本実施形態においても第１磁性層１０及び第２磁性層２０は、複数の層による積層構造を有していても良い。たとえば、第１磁性層１０がこのような積層構造を有する場合には、隣接する磁性層間の界面において、電子流のスピン偏極成分が失われるため、第１磁性層１０の実質的なスピン侵入長は、上記磁性層のうちでスペーサ層に最も近い磁性層の層厚に等しくなる。したがって、この場合、第１磁性層１０の厚さを、複数の磁性層のうちでスペーサ層（第１スペーサ層２５）に最も近い磁性層の厚さの２倍以上とすることで、高い発振周波数が得られる。そのため、例えば、この磁性層の厚さを薄くすることで、第１磁性層１０の厚さを薄くしても、厚さ方向に沿って磁化１１の位相が異なるモード（例えば、図４（ａ）及び図４（ｂ）に関して説明した逆位相モード）が生じるため、望ましい。
一例として、第１磁性層１０が、２ｎｍのＦｅＣｏの磁性層と、２．２ｎｍのパーマロイの磁性層と、の積層構造を有する場合、全体として４．２ｎｍの厚さを持つ第１磁性層１０において、高い周波数の磁化発振が得られる。これは、第１磁性層１０がＦｅＣｏの単層である場合よりも薄い層厚でも高い周波数の磁化発振が得られることを意味する。第１磁性層１０の厚さが薄くなれば、例えば、発振に必要な電流値が小さくなるため、望ましい。この構成においても、第２電極５２の幅等に関する条件は上記の実施形態と同様である。すなわち、第２電極５２の第１面５２ａの最大幅は、第１磁性層１０の厚さよりも大きい。第１磁性層１０の第１縁部１０ｐの幅は、第１磁性層１０の交換長以上である。ここで、第１磁性層１０の交換長とは、第１磁性層１０に含まれる磁性層のうちでスペーサ層に最も近い磁性層の交換長を意味する。また、この例においても、第２電極５２の幅は、１００ｎｍ以下、さらに望ましくは５０ｎｍ以下とすれば、電流磁界により還流磁区になることを抑制することができるため、高周波数の磁化発振が安定的に得られる。
（第２の実施の形態）
第２の実施形態は、スピン波装置である。実施形態に係るスピン波装置には、例えば、図８（ａ）及び図８（ｂ）に関して説明した磁気発振素子の構成を適用できる。
すなわち、図８（ａ）に表したように、実施形態に係るスピン波装置１２５は、第１電極５１と、第２電極５２と、第３電極５３と、積層膜１０ｓと、を備える。
第３電極５３は、第２電極５２と並置される。積層膜１０ｓは、第１電極５１と第２電極５２との間、及び、第１電極５１と第３電極５３との間に設けられる。
積層膜１０ｓは、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、第１スペーサ層２５と、第３磁性層３０と、第２スペーサ層３５と、を含む。第１磁性層１０においては、磁化方向が可変である。第２磁性層２０は、第１磁性層１０と第２電極５２との間に設けられ、磁化方向が固定されている。第１スペーサ層２５は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられ、非磁性である。第３磁性層３０は、第１磁性層１０と第３電極５３との間に設けられ、磁化方向が固定されている。第２スペーサ層２５は、第１磁性層１０と第３磁性層３０との間に設けられ、非磁性である。
この場合も、第１電極５１と第２電極５２とを結ぶＺ軸方向に沿った第１磁性層１０の厚さ（第１磁性層厚ｔ１）は、第１磁性層１０におけるスピン侵入長Ｌｓｐの２倍よりも厚い。第１磁性層厚ｔ１は、第２電極５２の積層膜１０ｓと接する第１面５２ａの最大幅（第１面幅ｄ１）よりも薄い。第１磁性層１０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに第１面５２ａの外側に設けられた第１縁部１０ｐを有し、Ｚ軸方向に沿ってみたときの第１縁部１０ｐの、第１面５２ａの縁の接線に対して垂直な方向における幅ｄｐは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。
また、図８（ｂ）に表したスピン波装置１２６のように、実施形態においては、第２スペーサ層３５が第１スペーサ層２５と連続していても良い。
本実施形態に係るスピン波装置（例えばスピン波装置１２５及び１２６並びにそれらの変形）においては、例えば、第２電極５２を積層膜１０ｓへの電流注入のために用いつつ、第３電極５３を出力電圧の取り出しに用いることができる。例えば、第１電極５１と第３電極５３との間における電圧を取り出す際、ＧＭＲ効果またはＴＭＲ効果などに基づく抵抗の変化を取り出すことができる。
さらに、例えば、第２電極５２及び第３電極５３をそれぞれ複数設けても良い。
実施形態に係るスピン波装置１２５及び１２６並びにそれらの変形のスピン波装置は、例えば加算器などに応用できる。実施形態によれば、高周波数の発振が得られ、高速動作が可能である。さらに、多数入力の一括演算に対応できる。
本実施形態において、第２磁性層２０のＸ軸方向に沿った幅は、第１磁性層１０のＸ軸方向に沿った幅よりも小さい。特に、第２磁性層２０のＺ軸方向に沿ってみたときの外縁は、第２電極５２のＺ軸方向に沿ってみたときの外縁と、Ｚ軸方向に沿ってみたときに重なることが望ましい。
スピン波装置１２６においては、第１スペーサ層２５のＸ軸方向に沿った幅は、第１磁性層１０のＸ軸方向に沿った幅よりも小さい。特に、第１スペーサ層２５のＺ軸方向に沿ってみたときの外縁が、第２磁性層２０のＺ軸方向に沿ってみたときの外縁と、Ｚ軸方向に沿ってみたときに重なることが望ましい。
例えば、第１磁性層１０の第１磁性層厚ｔ１は、第３電極５３の積層膜１０ｓと接する第２面５３ａの幅（第２面幅ｄ２）も薄い。第１磁性層１０は、Ｚ軸方向に沿ってみたときに第２面５３ａの外側に設けられた第２縁部１０ｑを有し、Ｚ軸方向に沿ってみたときの第２縁部１０ｑの、第２面５３ａの縁の接線に対して垂直な方向における幅ｄｑは、第１磁性層１０の交換長Ｌｅｘ以上である。
上記の実施形態において、第１磁性層１０、第２磁性層２０、第１スペーサ層２５のそれぞれについて、互いに同じ形状、または、同じサイズとする必要はなく、互いに異なる形状、サイズでも良い。
製造プロセスの観点から、第１磁性層１０の平面形状としては、縦横比で１：１から１：４までの範囲内にあることが望ましい。ただし、その平面形状は、正方形、長方形、多角形（例えば、六角形）、円形、楕円形、菱形、または、平行四辺形など、任意の形状を有することができる。
実施形態に係る磁気発振素子及びスピン波装置に含まれる反強磁性層、スペーサ層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ、単層でも良く、２つ以上の層を積層した構造を有しても良い。
実施形態に係る磁気発振素子及びスピン波装置の構造における上下関係は、任意である。構造における上下関係は、本願明細書に添付した図面中における上下関係と一致していても良く、一致していなくても良い。
実施形態によれば、高周波数の発振が得られる磁気発振素子及びスピン波装置が提供される。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気発振素子及びスピン波装置に含まれる電極、積層膜、磁性層、スペーサ層、反強磁性層及びキャップ層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気発振素子及びスピン波装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気発振素子及びスピン波装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…第１磁性層、 １０ａ…第４磁性層、 １０ｂ…第５磁性層、 １０ｃ…第６磁性層、 １０ｐ…第１縁部、 １０ｑ…第２縁部、 １１…磁化、 １２、１３…キャップ層、 ２０…第２磁性層、 ２０ａ…第７磁性層、 ２０ｂ…第８磁性層、 ２０ｃ…非磁性層、 ２１…反強磁性層、 ２５…第１スペーサ層、 ３０…第３磁性層、 ３５…第２スペーサ層、 ５１…第１電極、 ５２…第２電極、 ５２ａ…第１面、 ５３…第３電極、 ５３ａ…第２面、 １１０〜１１８…磁気発振素子、 １２５、１２６…スピン波装置、 Ｄ１…第１磁性層幅、 Ｌｅｘ…交換長、 Ｌｓｐ…スピン侵入長、 Ｖｏｕｔ…出力、 ｄ１、ｄ２…第１、第２面幅、 ｄｐ、ｄｑ…幅、 ｆｏ…発振周波数、 ｔ…時間、 ｔ１…第１磁性層厚

Claims (16)

  1. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であり、
    前記第１電極と前記第２電極の間に電流が流されたときに、前記第１磁性層の磁化は発振し、
    前記第１磁性層は、前記第１磁性層のうちで前記第１電極の側の第１部分と、前記第１磁性層のうちで前記第２電極の側の第２部分と、を有し、
    前記第１部分における前記磁化の前記発振の位相は、前記第２部分における前記磁化の前記発振の位相とは異なることを特徴とする磁気発振素子。
  2. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であり、
    前記第１方向に対して交差する方向において前記第２電極と並置された第３電極と、
    前記第３電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第３磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第２スペーサ層と、
    をさらに備え、
    前記第１磁性層の厚さは、前記第３電極の前記第３磁性層の側の第２面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第２面の外側に設けられた第２縁部を有し、前記第２面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第２縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  3. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であり、
    前記第１電極と前記第２電極の間に電流が流されたときに、前記第１磁性層の磁化は発振し、
    前記第１磁性層は、前記第１磁性層のうちで前記第１電極の側の第１部分と、前記第１磁性層のうちで前記第２電極の側の第２部分と、を有し、
    前記第１部分における前記磁化の前記発振の位相は、前記第２部分における前記磁化の前記発振の位相とは異なることを特徴とする磁気発振素子。
  4. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  5. 前記第２磁性層と前記第１電極との間に設けられた反強磁性層をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載の磁気発振素子。
  6. 前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ、前記第２磁性層の前記磁化方向と平行な方向に磁化方向が固定された第３磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ非磁性の第２スペーサ層と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の磁気発振素子。
  7. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第２電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  8. 前記第１方向に対して垂直な第２方向における前記第２磁性層の幅は、前記第２方向における前記第１磁性層の幅よりも小さいことを特徴とする請求項７記載の磁気発振素子。
  9. 前記第１方向に対して交差する方向において前記第２電極と並置された第３電極と、
    前記第３電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第３磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられた第２スペーサ層と、
    をさらに備え、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第３電極の前記第３磁性層の側の第２面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第２面の外側に設けられた第２縁部を有し、前記第２面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第２縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の磁気発振素子。
  10. 前記第１電極と前記第２電極の間に電流が流されたときに、前記第１磁性層の磁化は発振し、
    前記第１磁性層は、前記第１磁性層のうちで前記第１電極の側の第１部分と、前記第１磁性層のうちで前記第２電極の側の第２部分と、を有し、
    前記第１部分における前記磁化の前記発振の位相は、前記第２部分における前記磁化の前記発振の位相とは異なることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１つに記載の磁気発振素子。
  11. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ５ナノメートル以下の厚さを有し非磁性のキャップ層と、
    を備え、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  12. 前記第１電極及び前記第２電極を介して前記第１磁性層から前記第２磁性層に向かって電流が通電されることを特徴とする請求項４〜１１のいずれか１つに記載の磁気発振素子。
  13. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１磁性層は、
    強磁性の第４磁性層と、
    前記第４磁性層と前記第１スペーサ層との間において前記第１スペーサ層に接し、前記第４磁性層との材料とは異なる材料の強磁性の第５磁性層と、
    を含み、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第５磁性層の前記第１方向における厚さの２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第５磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  14. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１電極と前記第１磁性層との間に設けられ磁化方向が固定された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ５ナノメートル以下の厚さを有し非磁性のキャップ層と、
    を備え、
    前記第１磁性層は、
    強磁性の第４磁性層と、
    前記第４磁性層と前記第１スペーサ層との間において前記第１スペーサ層に接し、前記第４磁性層の材料とは異なる材料の強磁性の第５磁性層と、
    を含み、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向における前記第１磁性層の厚さの最小値は、前記第５磁性層の前記第１方向における厚さの２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さの最大値は、前記第２電極の前記第１磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第５磁性層の交換長以上であることを特徴とする磁気発振素子。
  15. 前記第１面の最大幅は１００ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１０または１４に記載の磁気発振素子。
  16. 第１電極と、
    第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極とを結ぶ第１方向に対して交差する方向において前記第２電極と並置された第３電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間、及び、前記第１電極と前記第３電極との間に設けられ磁化方向が可変の第１磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられ磁化方向が固着された第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ非磁性の第１スペーサ層と、
    前記第１磁性層と前記第３電極との間に設けられ磁化方向が固着された第３磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第３磁性層との間に設けられ非磁性の第２スペーサ層と、
    を備え、
    前記第１方向における前記第１磁性層の厚さは、前記第１磁性層のスピン侵入長の２倍よりも厚く、
    前記第１磁性層の厚さは、前記第２電極の前記第２磁性層の側の第１面の最大幅よりも薄く、
    前記第１磁性層は、前記第１方向に沿ってみたときに前記第１面の外側に設けられた第１縁部を有し、前記第１面の縁の接線に対して垂直な方向における前記第１縁部の幅は、前記第１磁性層の交換長以上であることを特徴とするスピン波装置。
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