JP6455806B2 - 磁気抵抗効果発振器 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果発振器に関する。

磁気抵抗効果発振器は、磁気抵抗効果素子に電流を印加することによって生じる磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化の歳差運動を利用した発振器である。この発振器では、磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化の歳差運動により磁気抵抗効果素子の抵抗値が高周波で変化して、磁気抵抗効果素子が発振する。近年、この磁気抵抗効果発振器に関する研究が盛んに行われている。特許文献１では発振閾値電流密度以下の低い電流密度で磁気抵抗効果発振器を動作させる動作方法が提案されている。

特表２０１０−５１９７６０号公報

しかしながら、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりに時間がかかるという問題点があった。磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりに時間がかかると、例えば高速通信に応用できないという問題点がある。また、磁気抵抗効果発振器は、例えば磁気記録の分野においてマイクロ波アシスト磁気記録への応用が検討されているが、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりに時間がかかると、高速な磁気記録ができないという問題点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりを高速で行うことができる磁気抵抗効果発振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の磁気抵抗効果発振器は、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を印加する電流印加部とを有し、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏより大きな第１の電流密度を有する電流を時間Ｔ_Ｐ間、前記磁気抵抗効果素子に印加する第１のステップを実行し、その後、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように、前記第１の電流密度未満でかつ前記発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ以上の第２の電流密度Ｊ_Ｓを有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加する第２のステップを実行し、前記第１のステップにおける前記第１の電流密度の時間Ｔ_Ｐ間の平均値をＪ_Ｐ、前記磁気抵抗効果素子の磁化反転閾値電流密度をＪ_Ｒ、前記磁気抵抗効果素子の磁化反転時間をＴ_Ｒとしたとき、式（１）、式（２）および式（３）または、式（１）および式（４）を満たすことを特徴とする。

ここで、式（１）〜（４）におけるＪ_Ｐ、Ｊ_ＲおよびＪ_Ｓはそれぞれ、電流密度の大きさ（電流密度の絶対値）である。

この磁気抵抗効果発振器によれば、電流印加部が磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ以上の電流を印加することで磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化にスピントランスファートルクが作用し、磁化が歳差運動して磁気抵抗効果素子の発振が生じる。第１のステップにおいてＴ_Ｐの間印加される第１の電流密度を有する電流（以下、この電流を「パルス電流」ともいう）に関して、所定の周波数の発振に必要なエネルギーを超過したパルス電流のエネルギーに対応する量はＴ_Ｐ（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｓ）で表され、この量が大きいほど、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりは高速になる。また、磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化が磁化反転するエネルギーに対応する量はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）である。Ｔ_Ｐが式（１）で示される範囲内であると、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して立ち上がり時間を一定以上短縮することができる。Ｔ_Ｐが下限以下だと、パルス電流のエネルギーが小さいため、立ち上がり時間の短縮率が小さくなる。また、Ｔ_Ｐが上限以上だと、第１の電流密度を有する電流が印加される時間であるＴ_Ｐの影響が大きくなり、第２の電流密度Ｊ_Ｓに対応した所定の周波数の発振となるまでの時間が長くなるため、立ち上がり時間の短縮率が小さくなる。さらに、Ｊ_Ｐが磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ以上であることを示す式（３）を満たす時に、Ｔ_Ｐが式（２）のＴ_Ｐの上限を超えると、パルス電流のエネルギーが磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化反転に必要なエネルギー以上となり、磁気抵抗効果素子は磁化反転が生じることにより、磁化の歳差運動が発生しない状態になる、もしくは発振の立ち上がり時間が長くなる。式（３）および式（２）、あるいはＪ_Ｐが磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒよりも小さいことを示す式（４）を満たす時、磁気抵抗効果素子の磁化反転は生じない。従って、この発明によれば、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間を短縮することができる。

さらに本発明の磁気抵抗効果発振器は、式（５）、式（２）および式（３）または、式（５）および式（４）を満たすことが好ましい。この磁気抵抗効果発振器によれば、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間をさらに短縮することができる。

さらに本発明の磁気抵抗効果発振器は、式（６）、式（２）および式（３）または、式（６）および式（４）を満たすことが好ましい。この磁気抵抗効果発振器によれば、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間をさらに短縮することができる。

さらに本発明の磁気抵抗効果発振器は、式（７）、式（２）および式（３）または、式（７）および式（４）を満たすことが好ましい。この磁気抵抗効果発振器によれば、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間をさらに短縮することができる。

さらに本発明の磁気抵抗効果発振器は、式（８）、式（２）および式（３）または、式（８）および式（４）を満たすことが好ましい。この磁気抵抗効果発振器によれば、Ｔ_Ｐが式（８）で示される範囲内であることで、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間を特に短縮することができる。

本発明は、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりを高速で行うことができる磁気抵抗効果発振器を提供することができる。

実施形態１，２に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。 実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。 実施形態１，２に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。 実施形態１，２に係る磁気抵抗効果素子にパルス電流を印加した際の磁化の状態を示す図である。 実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子のダイナミクスＭＲ比の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子のダイナミクスＭＲ比の時間変化のシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（１６）をグラフ化したものである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（１６）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振に関するエネルギーに対応した量を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（２０）および式（２１）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例１における式（８）が示す磁気抵抗効果素子に印加するパルス電流の範囲を表すグラフである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（１６）をグラフ化したものである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（１６）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振に関するエネルギーに対応した量を示すグラフである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。 シミュレーション例２に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（２０）および式（２１）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例２における式（８）が示す磁気抵抗効果素子に印加するパルス電流の範囲を表すグラフである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（１６）をグラフ化したものである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（１６）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振に関するエネルギーに対応した量を示すグラフである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。 シミュレーション例３に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（２０）および式（２１）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例３における式（８）が示す磁気抵抗効果素子に印加するパルス電流の範囲を表すグラフである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（１６）をグラフ化したものである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（１６）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振に関するエネルギーに対応した量を示すグラフである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果を示すグラフである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関する式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。 シミュレーション例４に係る磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がり時間に関するシミュレーション結果と式（２０）および式（２１）との相関を示すグラフである。 シミュレーション例４における式（８）が示す磁気抵抗効果素子に印加するパルス電流の範囲を表すグラフである。

以下、図面を用いて本発明を実施するための形態の例を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

（実施形態１）
図１に磁気抵抗効果発振器１００の回路図を示す。磁気抵抗効果発振器１００は磁気抵抗効果素子１１２と磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する電流印加部１１４を有する。電流印加部１１４は電流源１１３と制御部１１５を有する。電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２に電流を供給できるように接続される。制御部１１５は電流源１１３の動作を制御する。図２は磁気抵抗効果素子１１２の構成例を示す図である。磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１と、第２の磁性層１０２と、それらの間に配置されたスペーサ層１０３とを有する。第１の磁性層１０１は第１の電極１１０と、第２の磁性層１０２は第２の電極１１１と各々電気的に接続している。第１の電極１１０と第２の電極１１１に電流源１１３を接続する。第１の磁性層１０１および第２の磁性層１０２は、膜面内方向に磁化容易軸をもつ面内磁化膜である。第１の磁性層１０１の磁化方向１０４は固定されている。第２の磁性層１０２の磁化は、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の状態では、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向を向いており、矢印１０５は有効磁場の方向を示す。有効磁場は、第２の磁性層１０２内の異方性磁場、交換磁場、反磁場および外部磁場の和である。図２では、第１の磁性層１０１の磁化の方向と、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向が、互いに反対方向を向いているが、これらの方向は互いに異なる方向であれば、これらの方向はこれに限られない。

各磁性層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金またはＦｅとＣｏとＢの合金などを用いることができる。

磁気抵抗効果素子１１２の種類は特に限定されないが、例えば巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子、またはスペーサ層１０３の絶縁層中に電流狭窄パスが存在する電流狭窄型巨大磁気抵抗効果（ＣＣＰ―ＧＭＲ）素子などを用いることができる。

ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３はＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。

ＴＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３はＭｇＯまたはＡｌＯ_ｘなどの非磁性絶縁材料を用いることができる。

ＣＣＰ―ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３は絶縁層と複数の電流狭窄パスからなり、絶縁層はＡｌＯ_ｘやＭｇＯなどを用いることができ、電流狭窄パスはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。

磁気抵抗効果素子１１２は第１の中間層を含んでもよい。例えば、第１の中間層として、第１の磁性層１０１とスペーサ層１０３の間やスペーサ層１０３と第２の磁性層１０２の間に、非磁性金属層や磁性層、絶縁層などが含まれていてもよい。

また、第１の磁性層１０１の磁化方向１０４を固定するために、第１の磁性層１０１に接するように反強磁性層を付加したり、第１の磁性層１０１と接するように第２の中間層、第３の磁性層および反強磁性層などを付加してもよい。また、第１の磁性層１０１の結晶構造、形状などに起因する磁気異方性などを利用して磁化方向１０４を固定してもよい。

反強磁性層はＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ_２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒまたはＭｎなどを用いることができる。

また、各電極と各磁性層間にキャップ層、シード層またはバッファ層などを含んでいてもよく、Ｒｕ、Ｔａ、ＣｕまたはＣｒなどを用いることができる。

電流印加部１１４として、電流源１１３の他に電圧源などを第１および第２の電極に接続することも可能である。

本明細書において、電流の方向を次のように定義する。正の方向を第２の磁性層１０２から第１の磁性層１０１への方向とし、負の方向を第１の磁性層１０１から第２の磁性層１０２への方向とする。

本実施形態１に係る磁気抵抗効果素子１１２の発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。

磁気抵抗効果素子１１２の発振は磁気抵抗効果素子１１２の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁化のダイナミクスは以下のＬＬＧ（ランダウ−リフシッツ−ギルバート）式（９）として表すことができる。

ここで、ｖは第２の磁性層１０２の磁化の単位ベクトル、γはジャイロ磁気因子、Ｈ_ｅｆｆは第２の磁性層１０２における有効磁場、ｐは第１の磁性層１０１の磁化の単位ベクトル、αは第２の磁性層１０２の磁気緩和定数、μ_Ｂはボーア磁子、Ｊは磁気抵抗効果素子１１２に流れる電流の電流密度、ｅは素電荷、Ｍ_Ｓは第２の磁性層１０２の飽和磁化、ｄは第２の磁性層１０２の厚み、ｔは時間である。式（９）において、電流密度Ｊは、電流の方向が正の方向の時に正の値をとり、電流の方向が負の方向の時に負の値をとる。右辺第１項は歳差運動項、第２項はダンピング項、第３項はスピントランスファ−トルク項である。

ｇ（θ）はスピントランスファー効率であり、磁気抵抗効果素子１１２がＧＭＲ素子の場合、式（１０）、ＴＭＲ素子の場合は式（１１）のように表される。

ここで、Ｐは第１の磁性層１０１のスピン偏極効率、θは第１の磁性層１０１の磁化の方向と第２の磁性層１０２の磁化の方向のなす角である。

第２の磁性層１０２が概ね単一磁区構造を取りうる場合、第２の磁性層１０２の磁化の動きはマクロな磁化ベクトルに近似して計算することが可能である。この場合、式（９）を解くことで、磁化のダイナミクスが計算可能である。

磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に正の方向の電流Ｉを印加すると、伝導電子１０６が電流Ｉの逆方向、すなわち第１の磁性層１０１からスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れる。磁化方向１０４の方向に磁化した第１の磁性層１０１において、伝導電子１０６のスピンは磁化方向１０４の方向に偏極する。矢印１０７は伝導電子１０６のスピンの方向を表す。スピン偏極した電子１０６はスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れこむことで、第２の磁性層１０２の磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向から向きを変えようとする作用（式（９）の右辺第３項）が働く。一方で、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向に安定させようとするダンピングの作用（式（９）の右辺第２項）が働く。したがって、これら２つの作用が釣り合って、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、第２の磁性層１０２の磁化方向を示す矢印１０８の、有効磁場の方向を示す矢印１０５のまわりの運動として表わし、図２における一点鎖線１０９によって矢印１０８の歳差運動の軌跡を示す。第２の磁性層１０２の磁化方向が第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して高周波で変化するため、第２の磁性層１０２の磁化方向と第１の磁性層１０１の磁化方向１０４の相対角度に依存して抵抗が変化する磁気抵抗効果によって、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値も高周波で変化する。電流Ｉに対して抵抗値が高周波で変化するので、およそ１００ＭＨｚから数十ＴＨｚの高周波数で振動する電圧が発生する。また、第１の磁性層の磁化方向１０４は磁気抵抗効果素子の面内に水平な方向や面に垂直な方向など、任意の方向を有することができる。また、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向は、第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して反対方向に限られないが、第１の磁性層の磁化方向１０４との相対角度が９０度より大きいほうがより好ましい。

磁気抵抗効果素子１１２に外部磁場、電流を印加していない状態から、必要な場合はある大きさの外部磁場が印加された状態で、ある大きさの電流密度を有する直流電流を印加することによって第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動を開始し、磁気抵抗効果素子１１２は発振する。この時の最小の電流密度が磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏであり、１０^７Ａ／ｃｍ^２程度であることが知られている。磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏは外部磁場の強さや方向によって変化する。

また、磁気抵抗効果素子１１２に非常に大きな電流密度を有する電流を印加すると、スピントランスファートルクの効果によって第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動の生じる軌道から大きく外れ、電流を印加する前と異なる向き（例えば第１の磁性層１０１の磁化と略同一の方向）を向く磁化反転が生じる。この現象を磁化反転という。磁化反転が生じると、磁気抵抗効果素子１１２は発振しない状態になる、もしくは発振の立ち上がり時間が長くなる。この磁化反転が生じる最小の電流密度が磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒである。また、磁化反転が生じる磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒの最小の印加時間が磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転時間Ｔ_Ｒである。磁化反転電流密度Ｊ_Ｒや磁化反転時間Ｔ_Ｒは外部磁場の強さや方向によって変化する。

一般的な非線形発振素子の安定した発振状態をモデル化しているＡｕｔｏ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌにおいて、以下の関係式（１２）が成立する。

ここで、ｐ_ｏｕｔは磁気抵抗効果素子１１２の発振出力である。

ある外部磁場の印加下（外部磁場がゼロの場合を含む）における発振閾値電流密度Ｊ_Ｏを測定する手法を示す。まず、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度を変化させながら定常時における磁気抵抗効果素子１１２の発振出力ｐ_ｏｕｔを測定する。測定にはスペクトラムアナライザやオシロスコープなどを利用することができる。次に測定結果を縦軸を１／ｐ_ｏｕｔ、横軸を磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度Ｊのグラフにプロットして、１／ｐ_ｏｕｔ＝０になる磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度Ｊを外挿により求めることで、発振閾値電流密度Ｊ_Ｏを測定できる。

ある外部磁場の印加下（外部磁場がゼロの場合を含む）における磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒと磁化反転時間Ｔ_Ｒを測定する手法を示す。磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加していない初期状態から、一定の正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、印加した時点からの磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値の時間変化をオシロスコープ等で測定する。この時、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値に振動が生じ、さらにその後、抵抗値の振動が消失すれば、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転している。この磁化反転が生じた最小の電流密度が磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒである。磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流を徐々に大きくしながら、この測定を繰り返すことで、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを測定することができる。また、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加した時点から、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値の振動が消失するまでの時間が磁化反転時間Ｔ_Ｒである。

また、磁化反転の後、磁気抵抗効果素子に印加する電流を止め、充分時間が経過した後に第２の磁性層の磁化１０２が磁化反転の前とは異なる方向で安定となる場合に、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを簡易的に測定する手法を示す。磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加していない初期状態から、一定の正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、充分時間が経過した後に、電流の印加を止め、その後、充分時間が経過した後の磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を測定する。この時、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値が初期状態の抵抗値と有意差を持って異なる抵抗値であれば、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転しており、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流を徐々に大きくしながら上記と同様の測定を繰り返すことで、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを測定することができる。さらに、上記の場合に磁化反転時間Ｔ_Ｒを測定する手法を示す。磁気抵抗効果素子１１２に磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを有する電流を時間Ｔの間印加し、その後、充分時間が経過した後の磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を測定する。この時、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値が初期状態の抵抗値と有意差を持って異なる抵抗値であれば、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転しており、この磁化反転が生じた最小のＴが磁化反転時間Ｔ_Ｒである。磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流の時間を徐々に長くしながら、この測定を繰り返すことで、磁化反転時間Ｔ_Ｒを測定することができる。

本実施形態１における制御部１１５によって制御される電流源１１３の動作を以下に示す。磁気抵抗効果素子１１２が発振していない状態から、第１のステップでは、電流源１１３は発振閾値電流密度Ｊ_Ｏより大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を時間Ｔ_Ｐの間、磁気抵抗効果素子１１２に印加する。第１のステップにおける第１の電流密度の時間Ｔ_Ｐ間の平均値をＪ_Ｐとする。その後、第２のステップでは電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２が所定の周波数で発振するように第１の電流密度未満でかつ発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ以上の第２の電流密度Ｊ_Ｓを有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。また、第２の電流密度Ｊ_Ｓは、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒよりも小さい。

上記の電流ステップを生成する手段として電流源１１３を制御する方法の他に、周辺回路を利用した一例を説明する。図３は磁気抵抗効果発振器２００の回路図である。磁気抵抗効果発振器２００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部２０５を有する。電流印加部２０５はインダクタ２０１と抵抗２０２と電流源２０４を有する。磁気抵抗効果素子１１２とインダクタ２０１は並列に接続され、インダクタ２０１と抵抗２０２は直列に接続されて、電流源２０４に接続されている。

電流源２０４が第１の電流密度を有する電流Ｉ_１を発生させると、インダクタ２０１では磁束の変化を打ち消すように起電力が生じ、抵抗２０２にはほとんど電流は流れず、電流Ｉ_１のほぼすべてが磁気抵抗効果素子１１２に流れる。その後、電流Ｉ_１の時間変動がなくなると、起電力が消え、抵抗２０２には電流Ｉ_２、磁気抵抗効果素子１１２には一定の電流Ｉ_１−Ｉ_２が流れる。ここで、Ｉ_１―Ｉ_２が第２の電流密度Ｊ_Ｓを有する電流となるようにインダクタ２０１、抵抗２０２の値を調整する。したがって、磁気抵抗効果発振器２００は本実施形態１における駆動電流を生成することができる。

上記の電流ステップを測定する手段を説明する。電極１１０、１１１にプローブを当てて、オシロスコープなどで電極間の電圧を時間領域測定することで磁気抵抗効果素子１１２に印加された電流の時間変化を推測でき、電流パルスの大きさや時間などを実験的に求めることが可能である。

電流印加部１１４は、以下の式（１）、式（２）および式（３）または、式（１）および式（４）を満たすように、第１のステップおよび第２のステップを実行する。

ここで、式（１）〜（４）におけるＪ_Ｐ、Ｊ_ＲおよびＪ_Ｓはそれぞれ、電流密度の大きさ（電流密度の絶対値）である。

第１のステップにおいてＴ_Ｐの間印加される第１の電流密度を有するパルス電流に関して、所定の周波数の発振に必要なエネルギーを超過したパルス電流のエネルギーに対応する量はＴ_Ｐ（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｓ）で表され、この量が大きいほど、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりは高速になる。また、第２の磁性層１０２の磁化が磁化反転するエネルギーに対応する量はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）である。Ｔ_Ｐが式（１）で示される範囲内であると、第１のステップを省略して第２のステップのみを実行した場合に対して立ち上がり時間を一定以上短縮することができる。Ｔ_Ｐが下限以下だと、パルス電流のエネルギーが小さいため、立ち上がり時間の短縮率が小さくなる。また、Ｔ_Ｐが上限以上だと、第１の電流密度を有する電流が印加される時間であるＴ_Ｐの影響が大きくなり、電流密度Ｊ_Ｓに対応した所定の周波数の発振となるまでの時間が長くなるため、立ち上がり時間の短縮率が小さくなる。

さらに、Ｊ_Ｐが磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ以上であることを示す式（３）を満たす時に、Ｔ_Ｐが式（２）のＴ_Ｐの上限以上になると、パルス電流のエネルギーが第２の磁性層１０２の磁化反転に必要なエネルギー以上となり、磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転が生じる。これにより、磁化の歳差運動が発生しない状態になる、もしくは磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間が長くなる。式（３）および式（２）、あるいはＪ_Ｐが磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転閾値電流密度よりも小さいことを示す式（４）を満たす時、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転しない。

式（２）について説明する。式（２）は、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ以上である平均電流密度Ｊ_Ｐをもつパルス電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加した際に、磁気抵抗効果素子１１２に磁化反転が生じないパルス電流（平均電流密度Ｊ_Ｐ、時間Ｔ_Ｐ）の条件である。Ｊ_Ｐが磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ以上で、さらにパルス電流のエネルギーが磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転に必要なエネルギーを超えると磁気抵抗効果素子１１２に磁化反転が生じる。発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ以上の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加すると、第２の磁性層１０２の磁化はダンピングの作用に打ち勝ち、向きを変えるので、第２の磁性層１０２の磁化の向きを変えるのに有効なエネルギーに対応する量は、磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度Ｊと発振閾値電流密度Ｊ_Ｏとの差分（Ｊ−Ｊ_Ｏ）と、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加した時間Ｔとの積Ｔ（Ｊ−Ｊ_Ｏ）と表される。従って、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転するためのエネルギーに対応する量はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）と表される。一方、第２の磁性層１０２の磁化の向きを変えるのに有効なパルス電流のエネルギーに対応する量はＴ_Ｐ（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）と表される。したがって、Ｊ_Ｐが磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ以上のときにＴ_Ｐ（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）がＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）以上になると磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転し、式（２）を満たすときには磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転しない。

図４は、磁気抵抗効果素子１１２にパルス電流（Ｊ_Ｐ、Ｔ_Ｐ）を印加した時の第２の磁性層１０２の磁化の状態を示す図である。第１の領域４０１は磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域である。第２の領域４０２は式（２）を満たす領域であり、パルス電流のエネルギーが磁気抵抗効果素子１１２の磁性層１０２の磁化反転に必要なエネルギーよりも小さいので、磁気抵抗効果素子１１２の磁性層１０２の磁化は磁化反転しない領域である。また、第３の領域４０３は式（２）を満たさない領域であるが、Ｊ_Ｐが磁気抵抗効果素子１１２の磁化反転閾値電流密度よりも小さいので磁気抵抗効果素子１１２の磁性層１０２の磁化は磁化反転しない領域である。

また、電流印加部１１４は、さらに式（８）、式（２）および式（３）または、式（８）および式（４）を満たすように第１のステップおよび第２のステップを実行することが好ましい。Ｔ_Ｐが式（８）で示される範囲内であることで、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間を特に短縮することができる。

第２のステップにおいては、電流源１１３は、磁気抵抗効果素子１１２に第２の電流密度Ｊ_Ｓを有する電流を印加し続け、第２の電流密度Ｊ_Ｓに応じた周波数で磁気抵抗効果素子１１２の発振を持続させる。

第１のステップにおいて、第１の電流密度は一定の値でも良いし、時間Ｔ_Ｐの間で変化してもよい。
（実施形態２）

図５は実施形態２における磁気抵抗効果素子１１２の模式図である。本実施形態２は、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の第２の磁性層１０２の磁化の方向、すなわち、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向と、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流の方向以外は実施形態１と同様である。第２の磁性層１０２における有効磁場の方向は第１の磁性層１０１の磁化の方向と略同一方向である。また、磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に負の方向の電流Ｉを印加する。このような電流を印加すると、伝導電子１０６が電流Ｉの逆方向、すなわち第２の磁性層１０２からスペーサ層１０３を介して第１の磁性層１０１に流れる。磁化方向１０４の方向に磁化した第１の磁性層１０１において、伝導電子１０６のスピンは磁化方向１０４の方向に偏極し、電極１１０に流れる。一方、伝導電子１０６のスピンのうち、磁化方向１０４と逆方向のスピンは電極１１０に流れずに反射し、スペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れる。矢印１０７はスピン偏極によって反射した伝導電子１０６のスピンの方向を表す。スピン偏極によって反射した電子１０６は第２の磁性層１０２の磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向から向きを変えようとする作用（式（９）の右辺第３項）が働く。一方で、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向に安定させようとするダンピングの作用（式（９）の右辺第２項）が働く。したがって、これら２つの作用が釣り合って、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、第２の磁性層１０２の磁化方向を示す矢印１０８の、有効磁場の方向を示す矢印１０５のまわりの運動として表わし、図５における一点鎖線１０９によって矢印１０８の歳差運動の軌跡を示す。また、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向は、第１の磁性層１０１の磁化方向１０４にと同じ方向に限られないが、第１の磁性層の磁化方向１０４との相対角度が９０度より小さいほうがより好ましい。

本実施形態２における発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒおよび磁化反転時間Ｔ_Ｒを測定する手法は、印加する電流の方向を負の方向とする以外は実施形態１と同じである。

上述した実施形態１および実施形態２においては、第１の磁性層１０１および第２の磁性層１０２は、膜面内方向に磁化容易軸をもつ面内磁化膜であるが、膜面垂直方向に磁化容易軸をもつ垂直磁化膜であってもよい。

上記した式（１）および式（８）について、シミュレーション例を参照して以下に説明する。

（シミュレーション例１）
実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００について、式（９）に基づいてシミュレーションを行い、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間について計算した。第２の磁性層１０２は長径１３５×短径６５×厚さ２．５ｎｍ^３の楕円形状とした。ここでｘ軸方向を長径方向、ｙ軸方向を短径方向、ｚ軸方向を厚み方向とする。第１の磁性層１０１の材料はＦｅＣｏ、第２の磁性層１０２の材料はＮｉ_８０Ｆｅ_２０とした。第１の磁性層１０１の磁化は第１の磁性層１０１の直下の、図示しない反強磁性体との交換結合によって固定されている。スペーサ層１０３の材料は非磁性金属のＣｕとした。

第２の磁性層１０２はｘ軸方向に形状磁気異方性を持ち、そのｘ軸方向の異方性磁場Ｈ_Ｋを２９．０５×１０^３Ａ／ｍとした。また、膜厚は十分薄いとみなせるので、反磁場係数をＮｘ＝０、Ｎｙ＝０、Ｎｚ＝１とし、反磁場Ｈ_ｄを下式（１３）より求めた。ここで、（ｖ_ｘ、ｖ_ｙ、ｖ_ｚ）は第２の磁性層１０２の磁化の方向の単位ベクトルである。

第２の磁性層１０２の磁化は一様であるとし、第２の磁性層１０２内の交換磁場を０とした。

本シミュレーション例１においては、磁気抵抗効果素子１１２には外部磁場を印加しなかった。従って、第２の磁性層１０２における有効磁場は異方性磁場Ｈ_Ｋと反磁場Ｈ_ｄの和となる。

磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の初期状態において、第２の磁性層１０２の磁化の向きは第１の磁性層１０１の磁化の向きと反平行の向きとした。

本シミュレーション例１で使用したパラメタを表１に示す。

磁気抵抗効果素子１１２の素子抵抗値Ｒは磁気抵抗効果素子１１２の第１の磁性層１０１の磁化の方向と第２の磁性層１０２の磁化の方向のなす角θによって変化し、以下の式（１４）を用いて計算した。

ここで、Ｒ_ｍａｘは第１の磁性層１０１の磁化の方向と第２の磁性層１０２の磁化の方向が反平行の時の抵抗値、Ｒ_ｍｉｎは第１の磁性層１０１の磁化の方向と第２の磁性層１０２の磁化の方向が平行の時の抵抗値である。

ダイナミクスＭＲ比ＭＲ_Ｄは、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加し、第２の磁性層１０２の磁化の方向が時間と共に変化している状態における磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値の最大値をＲ’_ｍａｘ、最小値をＲ’_ｍｉｎとしたとき、以下の式（１５）を用いて計算した。

定常時において、ダイナミクスＭＲ比が０．１％以上の状態を発振状態とした。

静止状態とは、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化が有意差を持って振動していない状態のことである。定常時において、ダイナミクスＭＲ比が０．１％未満の状態を静止状態とした。

磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間は、磁気抵抗効果素子１１２に対する電流の印加を開始する時点から磁気抵抗効果素子１１２の発振周波数の変動が定常時の発振周波数の１％以下となるまでの時間とした。本シミュレーション例１、後述するシミュレーション例２、３、４および実施例においては、磁気抵抗効果素子に電流の印加を開始する時点を０秒としている。

発振閾値電流密度Ｊ_Ｏを以下のように求めた。図６および図７は本シミュレーション例１の磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加せず、第２の磁性層１０２の磁化の向きが第１の磁性層の磁化の向きと反平行の関係である状態から、一定の正の方向の電流を印加した場合のダイナミクスＭＲ比ＭＲ_Ｄの時間変化である。図６は電流密度が１．１×１０^１１Ａ／ｍ^２の時の結果であり、ＭＲ_Ｄの振幅が徐々に大きくなり磁気抵抗効果素子１１２は発振状態であった。一方、図７は電流密度が１．０×１０^１１Ａ／ｍ^２の時の結果であり、ＭＲ_Ｄが徐々に小さくなっており、静止状態であった。したがって、磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度はおおよそ１．１×１０^１１Ａ／ｍ^２であった。

磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを以下のように求めた。磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加せず、第２の磁性層１０２の磁化の向きが第１の磁性層の磁化の向きと反平行の関係である状態から、電流密度Ｊ１を有する電流を１ミリ秒間印加し続け、その後、磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流を止め、電流を止めてから１ミリ秒後の第１の磁性層１０１の磁化と第２の磁性層１０２の磁化の相対角度を計算した。Ｊ１＝１．３２×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の時、相対角度は１８０度であり、第１の磁性層１０１の磁化方向と第２の磁性層１０２の磁化方向は反平行の関係となり、第２の磁性層１０２の磁化方向は電流を印加する前と同じであった。一方、Ｊ１＝１．３３×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の時、相対角度は０度であり、第１の磁性層１０１の磁化方向と第２の磁性層１０２の磁化方向は平行の関係となり、第２の磁性層１０２の磁化方向は電流を印加する前と異なり、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転した。従って、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒは１．３３×１０^１１Ａ／ｍ^２であった。

次に、磁化反転時間Ｔ_Ｒを以下のように求めた。磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを有する電流を時間Ｔ_１の間、磁気抵抗効果素子１１２に印加し、その後電流の印加を止め、電流を止めてから１ミリ秒後の第１の磁性層１０１の磁化方向と第２の磁性層１０２の磁化方向の相対角度を計算した。Ｔ_１＝３１［ナノ秒］の時、相対角度は１８０度であった。一方、Ｔ_１＝３２［ナノ秒］の時、相対角度は０度であり、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転した。従って、磁化反転時間Ｔ_Ｒは３２ナノ秒であった。

第２のステップでは電流密度Ｊ_Ｓ＝１．１２×１０^１１［Ａ／ｍ^２］を有する正の方向の電流を印加した。

第１のステップを省略し、第２のステップのみを実行した時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間をＴ_ＮＯＲＭとする。実施形態１における第２のステップの開始時点を起点とした立ち上がり時間Ｔ’_ＲＩＳＥのＴ_ＮＯＲＭに対する比率を、Ａ’とする。磁気抵抗効果素子１１２に１．１２×１０^１１Ａ／ｍ^２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加した場合の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＮＯＲＭをシミュレーションによって求めたところ、２７６ナノ秒であった。

第１のステップで磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流の第１の電流密度は一定値（＝Ｊ_Ｐ）とした。Ｊ_ＰおよびＴ_Ｐを変化させて、発振の立ち上がり時間を計算し、Ａ’を求めた。図８に、９種類のＡ’の値（Ａ’＝０．１〜０．９）について、Ａ’が一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフを示す。破線Ｒは、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域に対する境界を示す境界線である。図８のグラフに対しフィッティングを行った結果、下式（１６）が成り立つことがわかった。

図９は式（１６）をグラフ化したものである。破線Ｔ_Ｐ＝Ｔ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）／（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）よりも左側の式（２）を満たす領域９０１において、図８と図９はほぼ一致している。さらに図１０は、シミュレーションにより求めたＡ’と式（１６）より求めたＡ’との相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、第１のステップを省略し、さらに電流密度Ｊ_Ｓを変化させ、シミュレーションを行った。図１１は磁気抵抗効果素子１１２に電流密度Ｊ_Ｓを印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振するために必要なエネルギーに対応する量Ｔ_ＮＯＲＭ（Ｊ_Ｓ−Ｊ_Ｏ）をプロットしたものである。図１１に対してフィッティングを行うことによって下式（１７）が成り立つことがわかった。図１１の破線はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）を示している。

次に磁気抵抗効果素子１１２にパルス電流を印加した時間Ｔ_Ｐを考慮した磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＲＩＳＥを求める。Ｔ_ＲＩＳＥはＴ’_ＲＩＳＥとＴ_Ｐの和となる。ＡをＴ_ＮＯＲＭに対するＴ_ＲＩＳＥの比率とすると、Ａは、式（１６）より、式（２）を満たす時は下式（１８）と表される。

Ｔ_Ｐが大きく、式（２）を満たさない場合、式（４）を満たせば、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転せずに発振する。この場合、磁気抵抗効果素子１１２は、パルス電流を印加している時間Ｔ_Ｐの間に第１の電流密度に対応した発振周波数での発振状態に到達する。この状態から、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流の電流密度を第１の電流密度から第２の電流密度Ｊｓに変化させる（第１ステップから第２ステップに移行する）と、第１の電流密度に対応した発振周波数での発振状態から、第２の電流密度Ｊｓに対応した発振周波数での発振状態へ遷移するが、この遷移時間はダンピングの作用に依存する。式（９）のαは一般的に０．０１以上でダンピングの作用は比較的強く、この遷移時間は無視できるほど小さい。したがってこの場合、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＲＩＳＥはＴ_Ｐと等しくなり、下式（１９）が成り立つ。

比率Ａは、Ｊ_Ｐ、Ｔ_Ｐを用いて、式（２）を満たす場合は、式（１７）および式（１８）より式（２０）で表され、式（２）を満たさない場合は、式（１７）および式（１９）より式（２１）で表される。

磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）の条件を変化させ、比率Ａをシミュレーションした。図１２は５種類のＡの値（Ａ＝０．５〜０．９）について、Ａが一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフである。破線Ｒの右の領域はパルス電流によって磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転した領域である。また、図１３は式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。図１２と図１３を比較するとほぼ一致している。さらに図１４は、シミュレーションにより求めたＡと式（２０）および式（２１）より求めたＡとの相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

式（１８）より、式（２）を満たす時に磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間のＴ_ＮＯＲＭに対する比率がＡ以下となるＴ_Ｐの条件は、下式（２２）のように表される。

また、式（１９）より、式（２）を満たさない時に磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間のＴ_ＮＯＲＭに対する比率がＡ以下となるＴ_Ｐの条件は、下式（２３）のように表される。

従って、式（２２）および式（２３）より、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間のＴ_ＮＯＲＭに対する比率がＡ以下となるＴ_Ｐの条件は下式（２４）のように表される。

さらに、式（１７）と式（２４）より下式（２５）が得られる。

例えば、式（２５）のＡに０．９を代入した式（１）の範囲となるようにパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間をＴ_ＮＯＲＭに対して９０％以下に短縮することができる。

また、式（２５）のＡに０．７５を代入した式（５）の範囲となるようにパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間を７５％以下に短縮することができる。

また、式（２５）のＡに０．５を代入した式（６）の範囲となるようにパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間をＴ_ＮＯＲＭに対して５０％以下に短縮することができる。

また、式（２５）のＡに０．２５を代入した式（７）の範囲となるようにパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間をＴ_ＮＯＲＭに対して２５％以下に短縮することができる。

また、図１２において、式（２０）でＡ＝０．５とした曲線と、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域との間の領域を詳細に調べると、式（２０）から予測されるよりも発振の立ち上がり時間の短縮率が大きくなる領域が存在することを発明者は見出した。図１４においてＡ（ｅｑｕａｔｉｏｎ）＝Ａ（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）の直線よりも上側にプロットされた複数の点がこの領域に相当している。図１５はＪ_ＰをＪ_Ｐ＝１．１６×１０^１１［Ａ／ｍ^２］に固定し、Ｔ_Ｐを変化させて比率Ａをシミュレーションした結果であり、Ｔ_Ｐが９０ナノ秒から１１６ナノ秒の範囲において、Ａが特に小さくなった。また、図１６はＪ_Ｐ＝１．１８×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが７０ナノ秒から８８ナノ秒の範囲であった。図１７はＪ_Ｐ＝１．２０×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが６０ナノ秒から７０ナノ秒の範囲であった。図１８はＪ_Ｐ＝１．２２×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが５２ナノ秒から６０ナノ秒の範囲であった。図１９はＪ_Ｐ＝１．２４×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが４４ナノ秒から５１ナノ秒の範囲であった。図２０はＪ_Ｐ＝１．２６×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが４０ナノ秒から４５ナノ秒の範囲であった。図２１はＪ_Ｐ＝１．２８×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の場合を示す図であり、Ａが特に小さくなるのは、Ｔ_Ｐが３６ナノ秒から４０ナノ秒の範囲であった。上記Ｔ_Ｐの範囲に対して、フィッティングを行い、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの条件式は式（８）で示されることがわかった。図２２は式（８）のＴ_Ｐ、Ｊ_Ｐの範囲をグラフ化したものに上記シミュレーション結果のＴ_Ｐの範囲の上限および下限をプロットしたものである。

このように、式（８）を満たすパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間を特に短縮することができる。
（シミュレーション例２）

本シミュレーション例２において、シミュレーション例１の磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の材料をＮｉ_９０Ｆｅ_１０に変更し、飽和磁化Ｍ_Ｓ＝６．５７×１０^５［Ａ／ｍ］、Ｈ_Ｋ＝３５．４×１０^３［Ａ／ｍ］とした。また、第２のステップでは電流密度Ｊ_Ｓ＝７．８×１０^１０［Ａ／ｍ^２］を有する正の方向の電流を印加した。その他はシミュレーション例１と同様にしてシミュレーションを行った。

シミュレーション例２における磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ、磁化反転時間Ｔ_Ｒ、および、第１のステップを省略し、第２のステップのみを実行した時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＮＯＲＭをシミュレーション例１と同様の方法で求めた。その結果を表２に示す。

Ｊ_ＰおよびＴ_Ｐを変化させて、発振の立ち上がり時間を計算し、第２のステップの開始時点を起点とした立ち上がり時間Ｔ’_ＲＩＳＥのＴ_ＮＯＲＭに対する比率Ａ’を求めた。図２３に、９種類のＡ’の値（Ａ’＝０．１〜０．９）について、Ａ’が一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフを示す。図２３のグラフに対しフィッティングを行った結果、シミュレーション例２においても式（１６）が成り立つことがわかった。

図２４は式（１６）をグラフ化したものである。破線Ｔ_Ｐ＝Ｔ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）／（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）よりも左側の式（２）を満たす領域２４０１において、図２３と図２４はほぼ一致している。さらに図２５は、シミュレーションにより求めたＡ’と式（１６）より求めたＡ’との相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、第１のステップを省略し、さらに電流密度Ｊ_Ｓを変化させ、シミュレーションを行った。図２６は磁気抵抗効果素子１１２に電流密度Ｊ_Ｓを印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振するために必要なエネルギーに対応する量Ｔ_ＮＯＲＭ（Ｊ_Ｓ−Ｊ_Ｏ）をプロットしたものである。図２６に対してフィッティングを行うことによって、シミュレーション例２においても式（１７）が成り立つことがわかった。図２６の破線はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）を示している。

また、磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）の条件を変化させ、比率Ａをシミュレーションした。図２７は５種類のＡの値（Ａ＝０．５〜０．９）について、Ａが一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフである。破線Ｒの右の領域はパルス電流によって磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転した領域である。また、図２８は式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。図２７と図２８を比較するとほぼ一致している。さらに図２９、はシミュレーションにより求めたＡと式（２０）および式（２１）より求めたＡとの相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、シミュレーション例２においても、図２７において、式（２０）でＡ＝０．５とした曲線と、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域との間の領域を詳細に調べると、式（２０）から予測されるよりも発振の立ち上がり時間の短縮率が大きくなる領域が存在した。図２９においてＡ（ｅｑｕａｔｉｏｎ）＝Ａ（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）の直線よりも上側にプロットされた複数の点がこの領域に相当している。シミュレーション例１と同様に、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲を求め、この結果に対してフィッティングを行うと、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの条件式はシミュレーション例２においても式（８）で示されることがわかった。図３０は、式（８）のＴ_Ｐ、Ｊ_Ｐの範囲をグラフ化したものに、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲の上限および下限のシミュレーション結果をプロットしたものである。
（シミュレーション例３）

本シミュレーション例３は、第２の磁性層１０２における有効磁場の方向と、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流の方向および電流密度の大きさ以外はシミュレーション例１と同様とした。第２の磁性層１０２における有効磁場の方向は第１の磁性層１０１の磁化の方向と同一方向とした。また、磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に負の方向の電流Ｉを印加した。

第２のステップでは電流密度Ｊ_Ｓ＝２４．０×１０^１０［Ａ／ｍ^２］を有する負の方向の電流を印加した。

シミュレーション例３における磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ、磁化反転時間Ｔ_Ｒ、および、第１のステップを省略し、第２のステップのみを実行した時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＮＯＲＭをシミュレーション例１と同様の方法で求めた。その結果を表３に示す。

Ｊ_ＰおよびＴ_Ｐを変化させて、発振の立ち上がり時間を計算し、第２のステップの開始時点を起点とした立ち上がり時間Ｔ’_ＲＩＳＥのＴ_ＮＯＲＭに対する比率Ａ’を求めた。図３１に、９種類のＡ’の値（Ａ’＝０．１〜０．９）について、Ａ’が一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフを示す。図３１のグラフに対しフィッティングを行った結果、シミュレーション例３においても式（１６）が成り立つことがわかった。

図３２は式（１６）をグラフ化したものである。破線Ｔ_Ｐ＝Ｔ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）／（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）よりも左側の式（２）を満たす領域３２０１において、図３１と図３２はほぼ一致している。さらに図３３は、シミュレーションにより求めたＡ’と式（１６）より求めたＡ’との相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、第１のステップを省略し、さらに電流密度Ｊ_Ｓを変化させ、シミュレーションを行った。図３４は磁気抵抗効果素子１１２に電流密度Ｊ_Ｓを印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振するために必要なエネルギーに対応する量Ｔ_ＮＯＲＭ（Ｊ_Ｓ−Ｊ_Ｏ）をプロットしたものである。図３４に対してフィッティングを行うことによって、シミュレーション例３においても式（１７）が成り立つことがわかった。図３４の破線はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）を示している。

また、磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）の条件を変化させ、比率Ａをシミュレーションした。図３５は５種類のＡの値（Ａ＝０．５〜０．９）について、Ａが一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフである。破線Ｒの右の領域はパルス電流によって磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転した領域である。また、図３６は式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。図３５と図３６を比較するとほぼ一致している。さらに図３７は、シミュレーションにより求めたＡと式（２０）および式（２１）より求めたＡとの相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、シミュレーション例３においても、図３５において、式（２０）でＡ＝０．５とした曲線と、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域との間の領域を詳細に調べると、式（２０）から予測されるよりも発振の立ち上がり時間の短縮率が大きくなる領域が存在した。図３７においてＡ（ｅｑｕａｔｉｏｎ）＝Ａ（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）の直線よりも上側にプロットされた複数の点がこの領域に相当している。シミュレーション例１と同様に、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲を求め、この結果に対してフィッティングを行うと、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの条件式はシミュレーション例３においても式（８）で示されることがわかった。図３８は、式（８）のＴ_Ｐ、Ｊ_Ｐの範囲をグラフ化したものに、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲の上限および下限のシミュレーション結果をプロットしたものである。

（シミュレーション例４）
本シミュレーション例４において、第２の磁性層１０２の形状は直径１００ｎｍの円形で厚さ２．０ｎｍとした。第１の磁性層１０１、第２の磁性層１０２の材料はＣｏＦｅＢとした。第１の磁性層１０１の磁化は負のｚ軸方向に固定されている。スペーサ層１０３の材料は非磁性絶縁体のＭｇＯとした。第２の磁性層１０２はｚ軸方向に磁気異方性を持ち、そのｚ軸方向の異方性磁場Ｈ_Ｋを１．２×１０^６Ａ／ｍとした。
磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の初期状態において、第２の磁性層１０２の磁化の向きは正のｚ軸方向（第１の磁性層１０１の磁化の向きと反平行の向き）とした。また、第２のステップでは電流密度Ｊ_Ｓ＝６．２×１０^９［Ａ／ｍ^２］を有する正の方向の電流を印加した。以上の点を除いて、シミュレーション例１と同様にしてシミュレーションを行った。

本シミュレーション例４で使用したパラメタを表４に示す。

シミュレーション例４における磁気抵抗効果素子１１２の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒ、磁化反転時間Ｔ_Ｒ、および、第１のステップを省略し、第２のステップのみを実行した時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＮＯＲＭをシミュレーション例１と同様の方法で求めた。その結果を表５に示す。

Ｊ_ＰおよびＴ_Ｐを変化させて、発振の立ち上がり時間を計算し、第２のステップの開始時点を起点とした立ち上がり時間Ｔ’_ＲＩＳＥのＴ_ＮＯＲＭに対する比率Ａ’を求めた。図３９に、９種類のＡ’の値（Ａ’＝０．１〜０．９）について、Ａ’が一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフを示す。図３９のグラフに対しフィッティングを行った結果、シミュレーション例４においても式（１６）が成り立つことがわかった。

図４０は式（１６）をグラフ化したものである。破線Ｔ_Ｐ＝Ｔ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）／（Ｊ_Ｐ−Ｊ_Ｏ）よりも左側の式（２）を満たす領域４００１において、図３９と図４０はほぼ一致している。さらに図４１は、シミュレーションにより求めたＡ’と式（１６）より求めたＡ’との相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、第１のステップを省略し、さらに電流密度Ｊ_Ｓを変化させ、シミュレーションを行った。図４２は磁気抵抗効果素子１１２に電流密度Ｊ_Ｓを印加し、磁気抵抗効果素子１１２が発振するために必要なエネルギーに対応する量Ｔ_ＮＯＲＭ（Ｊ_Ｓ−Ｊ_Ｏ）をプロットしたものである。図４２に対してフィッティングを行うことによって、シミュレーション例４においても式（１７）が成り立つことがわかった。図４２の破線はＴ_Ｒ（Ｊ_Ｒ−Ｊ_Ｏ）を示している。

また、磁気抵抗効果素子１１２に印加するパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）の条件を変化させ、比率Ａをシミュレーションした。図４３は５種類のＡの値（Ａ＝０．５〜０．９）について、Ａが一定となるＪ_ＰおよびＴ_Ｐの関係をプロットしたグラフである。破線Ｒの右の領域はパルス電流によって磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転した領域である。また、図４４は式（２０）および式（２１）をグラフ化したものである。図４３と図４４を比較するとほぼ一致している。さらに図４５は、シミュレーションにより求めたＡと式（２０）、式（２１）より求めたＡとの相関を示す図であり、相関係数はほぼ１であることがわかる。

また、シミュレーション例４においても、図４３において、式（２０）でＡ＝０．５とした曲線と、磁気抵抗効果素子１１２が磁化反転する領域との間の領域を詳細に調べると、式（２０）から予測されるよりも発振の立ち上がり時間の短縮率が大きくなる領域が存在した。図４５においてＡ（ｅｑｕａｔｉｏｎ）＝Ａ（ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）の直線よりも上側にプロットされた複数の点がこの領域に相当している。シミュレーション例１と同様に、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲を求め、この結果に対してフィッティングを行うと、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの条件式はシミュレーション例４においても式（８）で示されることがわかった。図４６は、式（８）のＴ_Ｐ、Ｊ_Ｐの範囲をグラフ化したものに、比率Ａが特に小さくなるＴ_Ｐの範囲の上限および下限のシミュレーション結果をプロットしたものである。

図２に示す磁気抵抗効果素子１１２を以下のように作製した。まず、Ｓｉ基板上に下記の膜を順次、スパッタリング法によって成膜した。

電極１１０：Ｃｕ［１００ｎｍ］
下地層（図示せず）：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
反強磁性層（図示せず）：ＩｒＭｎ［１０ｎｍ］
第１の磁性層１０１：ＦｅＣｏ［３ｎｍ］
スペーサ層１０３：Ｃｕ［３ｎｍ］
第２の磁性層１０２：Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０［２．５ｎｍ］
キャップ層（図示せず）：Ｔａ［５ｎｍ］
電極１１１：Ｃｕ［１００ｎｍ］

上記成膜後の基板を３００度、１０ＫＯｅの磁場を印加した状態で２時間、熱処理を行い、第１の磁性層１０１の磁化の方向を固定した。その後、フォトリソグラフィ法によって長径１４０×短径７０ｎｍ^２の楕円形状の素子に微細加工した。

その後、作製した磁気抵抗効果素子１１２の電極１１０、電極１１１に制御部１１５によって制御される電流源１１３を接続した。

このように作製した磁気抵抗効果発振器１００を用いて、発振閾値電流密度Ｊ_Ｏを以下のように測定した。電流源１１３を制御して磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度を変化させながら磁気抵抗効果素子１１２の発振出力Ｐ_ＯＵＴをスペクトラムアナライザで測定した。横軸を磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度、縦軸をその時の発振出力の逆数１／Ｐ_ＯＵＴとしてグラフにプロットし、１／Ｐ_ＯＵＴが０となる電流密度を外挿により見積もったところ、発振閾値電流密度Ｊ_Ｏは９．８×１０^１０Ａ／ｍ^２であった。

さらに、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを以下のように求めた。まず、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加していない状態における磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を測定したところ、１０．５Ωであった。その後、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加していない状態から、電流源１１３を制御して電流密度Ｊ１を有する電流を１ミリ秒間印加し続け、その後、磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流を止め、電流を止めてから磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を測定した。電流密度Ｊ１＝１．２４×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の時、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値は１０．５Ωから大きく変化しなかったが、Ｊ１＝１．２５×１０^１１［Ａ／ｍ^２］の時、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値は９．３Ωと大きく変化し、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転した。従って、磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒは１．２５×１０^１１Ａ／ｍ^２であった。

次に、磁化反転時間Ｔ_Ｒを以下のように測定した。電流源１１３を制御して磁化反転閾値電流密度Ｊ_Ｒを有する電流を時間Ｔ_１の間、磁気抵抗効果素子１１２に印加し、その後電流の印加を止め、電流を止めてから１ミリ秒後の磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値を測定した。Ｔ_１＝２０［ナノ秒］の時、抵抗値は１０．５Ωであった。一方、Ｔ_１＝２１［ナノ秒］の時、抵抗値は９．３Ωであり、磁気抵抗効果素子１１２は磁化反転した。従って、磁化反転時間Ｔ_Ｒは２１ナノ秒であった。

第１のステップでは、電流源１１３を制御して、磁気抵抗効果素子１１２に一定の第１の電流密度（＝Ｊ_Ｐ）を有する電流を時間Ｔ_Ｐ間、印加し、その後、第２のステップでは電流密度Ｊ_Ｓ＝１．００×１０^１１［Ａ／ｍ^２］を有する正の方向の電流を印加した。

第１のステップを省略し、第２のステップのみを実行した時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間Ｔ_ＮＯＲＭを測定した。磁気抵抗効果素子１１２に１．００×１０^１１Ａ／ｍ^２を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し、オシロスコープで発振の立ち上がり時間を測定したところ、Ｔ_ＮＯＲＭは２８５ナノ秒であった。

いくつかの第１の電流密度と時間Ｔ_Ｐの条件において、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間を実測した。表６は磁気抵抗効果素子１１２に印加した第１の電流密度と時間Ｔ_Ｐ、その時の磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間と比率Ａの実験結果、および、式（２０）または式（２１）より計算した比率Ａをまとめたものである。実施例１から実施例６までは、比率Ａの実測結果は式（２０）または式（２１）より計算したＡの値とよく一致している。

実施例７において、比率Ａの実測結果は式（２０）より計算した比率Ａよりも小さい。実施例７において、式（８）の下限値は１０．１ナノ秒であり、式（８）の上限値は１０．７ナノ秒である。実施例７の時間Ｔ_Ｐは１０．２ナノ秒であり式（８）を満たしている。このように、式（８）を満たすパルス電流（Ｊ_Ｐ，Ｔ_Ｐ）を磁気抵抗効果素子１１２に印加すれば、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がり時間を特に短縮することができることがわかる。

このように本発明の磁気抵抗効果発振器は、磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりを高速で行うことができ、例えば、高速無線通信やマイクロ波アシスト磁気記録に利用することができる。

本発明に係る磁気抵抗効果発振器は、高速無線通信やマイクロ波アシスト磁気記録などに利用可能である。

１００、２００・・・磁気抵抗効果発振器、１０１、１０２・・・磁性層、１０３・・・スペーサ層、１１２・・・磁気抵抗効果素子、１０６・・・伝導電子、１１０、１１１・・・電極、１１４、２０５・・・電流印加部、１１５・・・制御部、１１３・・・電流源、２０１・・・インダクタ、２０２・・・抵抗

Claims (5)

1. 第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
   前記磁気抵抗効果素子に電流を印加する電流印加部とを有し、
   前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度Ｊ_Ｏより大きな第１の電流密度を有する電流を時間Ｔ_Ｐ間、前記磁気抵抗効果素子に印加する第１のステップを実行し、
   その後、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように、前記第１の電流密度未満でかつ前記発振閾値電流密度Ｊ_Ｏ以上の第２の電流密度Ｊ_Ｓを有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加する第２のステップを実行し、
   前記第１のステップにおける前記第１の電流密度の時間Ｔ_Ｐ間の平均値をＪ_Ｐ、前記磁気抵抗効果素子の磁化反転閾値電流密度をＪ_Ｒ、前記磁気抵抗効果素子の磁化反転時間をＴ_Ｒとしたとき、式（１）、式（２）および式（３）または、式（１）および式（４）を満たす磁気抵抗効果発振器。
   

   

   

   

   
2. 式（５）、式（２）および式（３）または、式（５）および式（４）を満たす請求項１に記載の磁気抵抗効果発振器。
   

   
3. 式（６）、式（２）および式（３）または、式（６）および式（４）を満たす請求項２に記載の磁気抵抗効果発振器。
   

   
4. 式（７）、式（２）および式（３）または、式（７）および式（４）を満たす請求項３に記載の磁気抵抗効果発振器。
   

   
5. 式（８）、式（２）および式（３）または、式（８）および式（４）を満たす請求項１に記載の磁気抵抗効果発振器。
   

   

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