JPWO2011039843A1 - 磁性発振素子 - Google Patents

Abstract

磁性発振素子においては、第１の強磁性層（１）と、第１の強磁性層（１）に積層される絶縁層（２）と、絶縁層（２）に積層される第２の強磁性層（３）と、第１及び第２の強磁性層（１及び３）並びに絶縁層（２）の膜面に対して垂直方向に電流Ｉを通電する一対の電極（４２及び４３）と、を具備し、第１及び第２の強磁性層（１及び３）間の面内において接合抵抗が異なる領域を有する。

Description

本発明は、磁性発振素子に関する。

ナノメートルスケールの磁性多層膜で起こるスピン移行(スピントランスファ)効果を利用して、直流電流に応答する定常状態のマイクロ波シグナルを発生できることが知られている(例えば、非特許文献１参照)。そのマイクロ波シグナルの起源は、磁性多層膜内の磁化振動部の磁化振動であり、実験的に、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance effect）膜及び磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ)膜において、電流密度が１０^７Ａ／ｃｍ^２のオーダーを超えるとき、高周波(ＧＨｚ)の定常磁化振動が検出されている。

磁性多層膜で生じるスピントランスファ効果を利用したマイクロ波発生器は、スピントランスファオシレータ(磁性発振素子、スピントランスファ発振器)と呼ばれている。著しく進歩した微細加工技術により、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜及び磁性トンネル接合膜を１００ｎｍ×１００ｎｍ程度のサブミクロンサイズで加工することが可能となり、磁性発振素子は、微小なマイクロ波源及び共鳴器等への応用が期待され、スピントロニクスの一研究として現在活発な研究対象になっている。磁性発振素子から生じるマイクロ波シグナルの周波数は、電流、及び磁性多層膜内の磁化振動部の磁化に作用する磁場に依存する。特に、磁場によって磁化振動周波数が変化するという磁場依存性を活かして、磁性発振素子をＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッドに変わるＨＤＤ用磁気センサとして応用することも提案されている（例えば、特許文献１参照）。磁性発振素子がＨＤＤ用磁気センサに利用される場合、磁場による周波数変化を検知することでＨＤＤ媒体の磁場が検出される。

従来の磁性発振素子は、強磁性体多層膜を有する磁気抵抗素子部内に含まれる磁化の振動を起源とするマイクロ波シグナルが取り出される構造になっている。この磁気抵抗素子部は、基本構造として、磁化フリー層/スペーサ層/磁化ピンド層の３層構造を有する。電源により磁気抵抗素子部に直流電流Ｉが通電されると、磁化フリー層及び磁化ピンド層間のスピントランスファ効果により磁化フリー層内の磁化が振動し、磁化フリー層の磁化と磁化ピンド層の磁化とのなす角度θが時々刻々変化する。このとき、相対角度θの変化に伴い、主にスピンバルブ磁気抵抗効果により素子抵抗が時々刻々変化し、電圧の交流成分が現れる。この電流の交流成分をバイアスティで取り出すことにより、マイクロ波シグナルが得られる。

電源による直流電流値Ｉは、任意の値で良いわけではなく、強磁性体多層膜を有する磁気抵抗素子部の構造及び周囲の磁場環境に依存した閾値電流値Ｉｃを超える電流値でなければならない。Ｉ＞Ｉｃの場合にのみ、スピントランスファ効果により磁化フリー層内において磁化振動が励起される。閾値電流Ｉｃの値は、磁気抵抗素子部の断面積及び閾値電流密度値で定まる。この閾値電流密度値は１０^７Ａ／ｃｍ^２程度であることが知られている。

ところで、発振器の性質を表す量としてＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）というものがある。Ｑ値の例として、水晶振動子を共振器として利用した発振回路を挙げる。水晶振動子は１０^６オーダーの高いＱ値を有することが知られており、水晶振動子を共振器として利用した発振回路では１０^３〜１０^４オーダーのＱ値が達成され、安定した発振が得られる。Ｑ値は、以下のように定義される無次元量で、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する。

発振状態は、その周波数スペクトルにより理解されることが多く、その場合Ｑ値は、Ｑ＝ｆ０／Δｆで定義される。ｆ０は発振周波数、Δｆは周波数スペクトルの発振ピークの半値幅である。

磁気抵抗素子部のスペーサ層９がＣｕ等の非磁性金属層に形成される場合がＣＰＰ−ＧＭＲ膜による磁性発振素子(以下ＧＭＲ発振素子)である。ＧＭＲ発振素子では、Ｑ〜（１０ＧＨｚ／１ＭＨｚ）〜１０^４程度の発振を得られることが実験的に知られている（例えば、非特許文献２参照）。即ち、ＧＭＲ発振素子は、Ｑ値に関して、水晶振動子を共振器として利用した発振回路と同程度かそれ以上の性能を有する。高Ｑ値を達成することができる理由は、全て金属材料で構成されている金属人工格子であるＧＭＲ発振素子では、大電流を通電できるという点にある。周波数スペクトルの半値幅Δｆは、おおよそ電流Ｉの２乗に反比例（即ち、Δｆ∝１／Ｉ^２）することが知られており、大電流を通電することでΔｆは、極々小さなものになり、従って、高Ｑ値を達成することができる。この高Ｑ値という点がＧＭＲ発振素子の利点であるが、不利な点は、その発振パワーＰである。単一ＧＭＲ発振素子からの出力は、高くてもナノワット（ｎＷ）オーダーという微弱な電力であり、実用的なマイクロワット（μＷ）級の電力レベルから遠く、応用上望ましくない。ＧＭＲ発振素子による出力がナノワットオーダーという微弱な電力である理由は、ＧＭＲ素子は、高々数％という小さな磁気抵抗比(ＭＲ比)を有しているためである。なお、ＧＭＲ発振素子をアレイ状に配列することで出力を上げる構造も考案されている（例えば、非特許文献３参照）。しかし、ＧＭＲ発振素子をアレイ状に配列する場合、出力をマイクロワットレベルにするには、単一のＧＭＲ発振素子を少なくとも数十個程度アレイ化し、さらにそれらをすべて同期させる必要があり、素子を作製することが困難とされる。

一方、スペーサ層をトンネルバリアにした場合が磁気トンネル接合膜による磁性発振素子(以下、ＴＭＲ発振素子と称す)である。近年、スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ(Ｓｐｉｎ−ＲＡＭ)への応用が期待され、低抵抗かつ高ＭＲ比の良質な磁性トンネル接合膜が開発されている。特に、ＭｇＯ(酸化マグネシウム)バリアを有するＴＭＲ(ＭｇＯ−ＴＭＲ)膜でのＭＲ比は、数百％以上にも達することが実験的に知られている。ＴＭＲ発振素子では、その高ＭＲ比ゆえにおおきな発振パワーＰを得ることができる。実際、ＭｇＯ−ＴＭＲ膜による磁性発振素子による発振パワーは実用的なマイクロワット級の電力レベルに近づきつつあり、現在のところ報告されている最大電力は、０．１６μＷである。しかしながら、ＭｇＯ−ＴＭＲ膜等の磁性トンネル接合膜による磁性発振素子では、トンネルバリアによる絶縁破壊の問題のためＧＭＲ発振素子のように大電流を通電することができず、従って、高Ｑ値を実現することが困難とされる。

なお、ＴＭＲ発振素子においては、そもそも磁化振動を励起することができないということが多々ある。これもまたトンネルバリアの絶縁破壊に由来する。上述したように、Ｉ＞Ｉｃの場合のみスピン移行効果によりフリー層内に磁化振動が励起されるが、閾値電流Ｉｃより小さな電流で絶縁破壊を起こしてしまう場合が多くあるからである。

特許文献２には、ＧＭＲ発振素子及びＴＭＲ発振素子の特徴を生かし、発振駆動部をＧＭＲ素子で構成し、また出力部をＴＭＲ素子で構成し、これらを静磁結合させる複合型の磁性発振素子が開示されている。しかしながら、静磁結合させるためには２つの素子を３００ｎｍ以下と極近傍に作製する必要があり、このためプラナー構造又は積層型においても、製造プロセスが困難とされる。

特開２００６−２８６８５５号公報 特開２００９−１９４０７０号公報

S. I. Kiselev et al. "Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current" Nature 425, 380 (2003). W. H. Rippard et al. "Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle" Physical Review B 70, 100406(R) (2004). S. Kaka et al. "Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators" Nature 437, 389 (2005).

以上のように、ＧＭＲ発振素子、ＴＭＲ発振素子には、夫々メリット、デメリットがある。ＧＭＲ発振素子のメリットは、高Ｑ値であること、デメリットは、小さな発振パワーであることであり、ＴＭＲ発振素子のメリットは、大きな発振パワー、即ち、高出力であること、デメリットは、低Ｑ値であることである。

従って、磁性発振素子においては、上記したＧＭＲ発振素子及びＴＭＲ発振素子夫々の利点、即ち、高Ｑ値かつ高出力を有することが求められている。

本発明は、上記問題点を解決するためになされてものであり、高Ｑ値かつ高出力の磁性発振素子を提供することを目的とする。

本発明に係る磁性発振素子は、
第１の強磁性層と、
前記第１の強磁性層に積層される絶縁層と、
前記絶縁層に積層される第２の強磁性層と、
前記第１及び第２の強磁性層並びに絶縁層の膜面に対して垂直方向に電流を通電する一対の電極と、
を具備し、
前記第１及び第２の強磁性層間の面内において接合抵抗が異なる領域を有することを特徴とする。

本発明の磁性発振素子によれば、高Ｑ値かつ高出力を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る磁性発振素子を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る磁性発振素子を示す断面図である。 図１に示した磁性発振素子の形状を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁性発振素子を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る磁性発振素子を示す断面図である。 本発明の実施例１に係る磁性発振素子を示す断面図である。 図６に示した磁性発振素子におけるパワースペクトル測定系を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る磁気記録再生装置の斜視図である。 図８に示した磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側からみた斜視図である。

以下、必要に応じて図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る磁性発振素子を説明する。以下の実施の形態では、共通の構成に同一の符号を付して重複する説明を省略する。各図は、模式図であり、示される形状、寸法及び比等は、実際の素子と異なる箇所を含んでいるが、実際に素子等を製造する際には、以下の説明と公知の技術を参酌して適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る磁性発振素子の概略構成を示している。この磁性発振素子は、図１に示されるように、第１の強磁性層１、絶縁層（トンネルバリア層ともいう）２及び第２の強磁性層３を順次積層した積層構造に形成されている。図１では、第１の強磁性層１は、磁化が固定された磁化ピンド層であり、第２の強磁性層３は、磁化が固定されていない磁化フリー層であるとして示されているが、これに限定されず、第１及び第２の強磁性層１、３のいずれか一方又は両方が磁化フリー層であってもよい。磁化フリー層では、外部磁場に応じて磁化の向きが変化される。また、図１に示される例では、第２の強磁性層３の磁化は、スピントランスファ効果による磁化振動を生じやすくするために、外部磁場によって第１の強磁性層１の磁化の向きに対して反平行の向きに保持されている。以下では、図１に示されるような第１の強磁性層１が磁化ピンド層であり、第２の強磁性層３が磁化フリー層である例について主に説明する。

第１及び第２の強磁性層１、３は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ又はそれらを含む合金からなる。これらの第１及び第２の強磁性層１、３のうち少なくとも一方の両端部にバイアス磁場を印加する一対のバイアス磁性膜が設けられてもよい。また、第１及び第２の強磁性層１、３のいずれか一方は、面内磁気異方性を有する強磁性層と反強磁性層とを積層した交換結合膜に形成されてもよく、面内磁気異方性を有する強磁性層、バイアス磁場の大きさを調節する非磁性中間層及び反強磁性層を積層した交換結合膜に形成されてもよく、或いは、面内磁気異方性を有する人工フェリ膜と反強磁性層とを積層した交換結合膜に形成されてもよい。

絶縁層２は、ＭｇＯ又はＡｌ−Ｏ（アルミニウム酸化膜）等からなる。絶縁層２としてＭｇＯを用いる磁性発振素子では、磁気抵抗（Magneto-Resistance：ＭＲ）比が大きくなることから、高い出力を得ることができる。

図１に示される磁性発振素子は、第１の強磁性層１、絶縁層２及び第２の強磁性層３を含む積層膜４の膜面に対して垂直に直流電流Ｉを通電するための一対の電極、即ち、下部電極４２及び上部電極４３を備えている。電源６による直流電流Ｉは、積層膜４の膜面に対して垂直方向に、即ち、第２の強磁性層３から絶縁層２を介して第１の強磁性層１に通電される。絶縁層２を流れるトンネル電流の大きさは、第１の強磁性層１の磁化と第２の強磁性層３の磁化とがなす角に依存する。直流電流Ｉが積層膜４に通電されると、第１及び第２の強磁性層１、３間のスピントランスファ効果により第２の強磁性層３内の磁化が定常的に振動し、即ち、発振する。より具体的には、直流電流Ｉが第２の強磁性層３から第１の強磁性層１の方向に通電されると、電子が第１の強磁性層１から第２の強磁性層３の方向へ流れ、第１の強磁性層１の磁化によりスピン偏極された電子が第２の強磁性層３に注入され、スピン偏極された電子が第２の強磁性層３の磁化に作用して第２の強磁性層３の磁化の歳差運動が誘起される。

尚、第１及び第２の強磁性層１、３がいずれも磁化フリー層で形成される場合、積層膜４に直流電流Ｉが通電されると、第１及び第２の強磁性層１、３は、一定の位相差を持って磁化の歳差運動が誘起される。

第２の強磁性層３の磁化の定常振動は、磁気抵抗効果により電圧振動となる。より詳細には、直流電流Iの通電によって第２の強磁性層３の磁化が発振されると、第１の強磁性層１の磁化と第２の強磁性層３の磁化との相対角度が時々刻々変化する。この相対角度の変化に伴い、主にスピンバルブ磁気抵抗効果により素子抵抗が時々刻々変化し、その結果、下部電極４２及び上部電極４３間の電圧に交流成分が生じる。この電圧の交流成分は、コンデンサ及びインダクタンスからなるバイアスティ７により取り出され、出力としてマイクロ波シグナル（高周波電圧）Ｐが得られる。この高周波電圧の振動数は、磁化の発振振動数と等価であり、磁化フリー層のサイズ及び膜厚、直流電流、並びに外部磁場の大きさ等に依存する。図１に示される磁性発振素子は、後に説明されるような磁気記録再生装置へ利用される場合、回転される磁気ディスクの記録ビットからの磁場に応じて高周波電圧の振動数（即ち、周波数）が時々刻々変化するのを検出して記録ビットの情報を読み出すことができる。

磁化振動を励起するためには、電源６による直流電流Ｉは、積層膜４の構造及び周囲の磁場環境に依存する閾値電流Ｉｃを超える電流値（即ち、Ｉ＞Ｉｃ）である必要がある。この閾値電流は、積層方向に垂直な面での積層膜４の断面積及び閾値電流密度で定められる。従って、一般に、磁化を発振するためには、積層膜４における電流密度Ｊが閾値電流密度Ｊｃを超えることが必要条件となる。

図１に示す磁性発振素子は、第１及び第２の強磁性層１、３間において、接合抵抗（Resistance Area product：ＲＡ）が高い領域（以下、高ＲＡ領域と称す）５１及び接合抵抗が低い領域（以下、低ＲＡ領域と称す）５２を有している。ここで、接合抵抗は、電流が流れる向きに垂直な面における単位面積（例えば、１μｍ^２）における抵抗を指す。高ＲＡ領域５１の接合抵抗をＲＡ１、低ＲＡ領域５２の接合抵抗をＲＡ２とする。ただし、ＲＡ１＞ＲＡ２である。高ＲＡ領域５１及び低ＲＡ領域５２を有する磁性発振素子に定電流Ｉを流すと、第１及び第２の強磁性層１、３間の電圧は一定となるため、低ＲＡ領域５２及び高ＲＡ領域５１を流れる電流密度の比は、各々の接合抵抗ＲＡの比により定まる。即ち、低ＲＡ領域５２における電流密度Ｊ２は、高ＲＡ領域５１における電流密度Ｊ１より(ＲＡ１／ＲＡ２)倍大きくなる。この場合、低ＲＡ領域５２では高電流密度の電流が通電され、第２の強磁性層３の磁化が強く励起される。第２の強磁性層３は、低ＲＡ領域５２及び高ＲＡ領域５１に跨っていることから、高ＲＡ領域５１の磁化がスピン波により励起され、高ＲＡ領域５１では、電流密度Ｊ１でのスピントルクによる磁化振動の励起以上の磁化振動が励起される。即ち、第２の強磁性層３では、低ＲＡ領域５２の磁化が強く励起され、低ＲＡ領域５２の磁化の振動が交換相互作用により高ＲＡ領域５１の磁化に伝播して高ＲＡ領域５１の磁化が強く励起される。この結果、大きな抵抗変化が生じ、高出力が得られる。極端な場合、本実施の形態に係る磁性発振素子においては、高ＲＡ領域５１において電流密度が発振閾値以下であっても、低ＲＡ領域５２において閾値以上の電流密度が達成されれば、第２の強磁性層３の磁化を発振して高出力を得ることができる。

高ＲＡ領域５１の抵抗Ｒ１は、高ＲＡ領域５１の面積Ｓ１及び高ＲＡ領域５１の接合抵抗ＲＡ１によってＲ１＝ＲＡ１／Ｓ１と表わされる。同様に、低ＲＡ領域５２の抵抗Ｒ２は、低ＲＡ領域５２の面積Ｓ２及び低ＲＡ領域５２の接合抵抗ＲＡ２によってＲ２＝ＲＡ２／Ｓ２と表わされる。第１及び第２の強磁性層１、３間の抵抗Ｒは、Ｒ＝（Ｒ１×Ｒ２）／(Ｒ１＋Ｒ２)となり、電圧Ｖは、Ｖ＝Ｉ×（Ｒ１×Ｒ２）／（Ｒ１＋Ｒ２）となる。また、上述したように、低ＲＡ領域５２における電流密度Ｊ２は、高ＲＡ領域５１における電流密度Ｊ１より(ＲＡ１／ＲＡ２)倍となる。従って、接合抵抗ＲＡ１及びＲＡ２の差が大きく、低ＲＡ領域５２の面積が小さいほど、低ＲＡ領域５２を通電される電流の電流密度が大きくなり、第２の強磁性層３の磁化が強く発振される。このように、図１に示される磁性発振素子においては、高ＭＲ比を有する積層膜４において部分的に大きな電流密度が達成されることにより、高出力かつ高Ｑ値化が可能となる。

（第１の実施の形態）
図２及び図３を参照して、第１の実施の形態に係る磁性発振素子を説明する。

図２は、第１の実施の形態に係る磁性発振素子の概略構成を示し、図３は、図２に示す積層膜４の平面形状を示している。図２に示される磁性発振素子は、図１に示される磁性発振素子と同様に、第１及び第２の強磁性層１、３並びにこれら強磁性層１、３間に挟まれた絶縁層２を含む積層膜４を備えている。第１及び第２の強磁性層１、３並びに絶縁層２は、平面形状が同一の積層膜４となっている。第１の実施の形態では、第２の強磁性層３の磁化は、第１の強磁性層１の磁化の向きと反平行になるように外部磁場Ｈにより制御されている。図３に示されるように、積層膜４における積層方向に垂直な断面形状が、曲率が大きなエッジを一箇所以上有するように、或いは、第１の強磁性層１の磁化の向きと逆方向に行くに従って先細りとなるように形成される。例えば、積層膜４は、鋭角二等辺三角形の辺及び頂部が曲線で置き換えられた形状に形成される。第２の強磁性体３の磁化が大きな曲率を有するエッジに向くように外部磁場Ｈを印加すると、頂点付近では、磁化が外部磁場の方向を向くよりも、エッジに沿う方向を向くほうがエネルギー的に安定であるため、形状による効果で磁化にねじれが生じる。図３においては、第２の強磁性層３の磁化の空間分布が矢印によって模式的に示されている。

第１の強磁性層１の磁化を第２の強磁性層３の磁化と反平行になるように固定する場合、第２の強磁性層３の磁化が局所的にねじれている領域では、ＭＲ効果により接合抵抗ＲＡが低減される。この積層膜４に直流電流Ｉを通電すると、接合抵抗が低い低ＲＡ領域５２では、局所的に高い電流密度になる。絶縁層２の厚さを１ｎｍ以下と非常に薄くして磁性発振素子を製造し、絶縁破壊電圧以下の電圧で高い電流を長時間流し続けると、エレクトロマイグレーション及びソフトブレークダウンにより、低ＲＡ領域５２に非常に小さなリークパス６０が形成される。このリークパス６０における接合抵抗ＲＡは、絶縁層２における接合抵抗と比較して１桁以上低下するが、面積は数ｎｍ^２以下と非常に小さく抵抗としては高いため、電流の多くは、リークパス６０以外の高ＲＡ領域５１を流れ、磁性発振素子全体のＭＲ比は低下する。しかしながら、磁性発振素子全体のＭＲ比は、数１０％となり、ＧＭＲ素子と比較して非常に高い値を維持することができる。リークパス６０では他の領域と比較して１桁以上高い電流密度の電流が流れることから、リークパス６０を中心に第２の強磁性層３の磁化が非常に強く励起されて発振され、従って、磁性発振素子においては、高Ｑ値を実現できる。さらに、磁性発振素子においては、リークパス６０以外の領域が大きな抵抗変化を生じることで高出力を得ることができる。

（第２の実施の形態）
図４を参照して第２の実施の形態に係る磁性発振素子を説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る磁性発振素子の概略構成を示している。図４に示される磁性発振素子では、第１及び第２の強磁性層１、３間に挟まれる絶縁層２は、面内で異なる膜厚を有している。このような磁性発振素子では、絶縁層４の抵抗（トンネル抵抗）が絶縁層２の厚さにより変化することから、第１及び第２の強磁性層１、３間の面内において接合抵抗の異なる領域を有することとなる。低ＲＡ領域５２では、高電流密度の電流が通電されて第２の強磁性層３の磁化が強く発振される。低ＲＡ領域５２における磁化の振動が交換相互作用により高ＲＡ領域５１に伝播し、高ＲＡ領域５１の磁化も強く発振され、その結果、大きな抵抗変化が生じる。従って、第２の実施の形態に係る磁性発振素子においては、高Ｑ値及び高出力を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図５を参照して第３の実施の形態に係る磁性発振素子を説明する。

図５は、第３の実施の形態に係る磁性発振素子の概略構成を示している。この磁性発振素子は、図５に示されるように、第１及び第２の強磁性層３を電気的に結合するメタルパス７０を積層膜の側壁に備えている。磁性体膜の微細加工は、一般的にイオンミリングで行われているが、イオンの加速電圧及びイオンの入射角度等の条件を変更することにより、加工断面に削られた原子を再付着させることができる。原子が付着しない条件でイオンミリングにより素子分離を行った後に、原子が再付着する条件で素子に対して特定の方向からイオンミリングを行うことで、素子側壁の一部に第１及び第２の強磁性層１、３を電気的に結合する微細なメタルパス７０を形成することができる。即ち、第１及び第２の強磁性層１、３は、接合抵抗が高い絶縁層２と接合抵抗が低いメタルパス７０とにより互いに結合される。従って、第３の実施の形態においては、第１及び第２の実施の形態と同様に、高Ｑ値及び高出力を得ることができる。

（実施例１）
図６は、本発明の実施例１に係る磁性発振素子の断面図である。この磁性発振素子においては、図６に示されるように、スパッタリング装置を使用してガラス基板４１上に成膜し、上部電極４３及び下部電極４２をフォトリソグラフィー及びイオンミリングにより形成し、積層膜４を電子線リソグラフィー及びイオンミリングにより加工した。

第１の強磁性層１１は、Ｒｕからなる中間層１３をＣｏＦｅからなる強磁性層１２及びＣｏＦｅＢからなる強磁性層１４で挟んだ人工フェリ構造で、かつ、ＩｒＭｎからなる反響磁性層１１を積層した交換バイアス膜からなり、磁化が固着されている。絶縁層２は、ＭｇＯからなり、第２の強磁性層３は、ＣｏＦｅＢからなる。下部電極４２にはＴａ／Ｃｕ／Ｔａを用い、上部電極４３にはＡｕ／Ｃｕを用い、絶縁体４４にはＳｉＯ_２を用いた。このような磁性発振素子に電流を通電すると、第２の強磁性層３であるＣｏＦｅＢの磁化の歳差運動が誘起される。

図６に示される磁性発振素子においては、積層膜４を図３に示されるような端部に向けて先細りになる断面形状に加工し、この積層膜３に対して、先細りとなる端部に向かう方向に外部磁場５００Ｏｅを印加（第１の強磁性層の磁化は反平行になるように固着してある。）し、電流を通電することで、図２に示されるようなリークパスを絶縁層２に形成した。絶縁層２にリークパスを形成することにより、素子抵抗が下がり、ＭＲ比が６３％に低下した。

磁性発振素子の上部電極４３リード及び下部電極４２リードは、特性インピーダンスが５０Ωのコプレナーガイド（導波路）になるように設計した。

図７は、磁性発振素子における発振パワースペクトルの測定系を示している。この測定系では、図７に示されるように、磁性発振素子１０から高周波発振を伝送する導波路１０１に、高周波プローブ１０２を介してバイアスティ１０３が接続され、バイアスティ１０３の出力端に増幅器１０４の入力端が接続され、増幅器１０４の出力端にスペクトラムアナライザ１０５が接続されている。また、バイアスティ１０２には、直流電源１０８が接続されている。

上述した実施例１に係る磁性発振素子の発振特性の測定結果を説明する前に、比較例１として従来のＴＭＲ素子の発振特性を説明する。比較例１に係るＴＭＲ素子は、図６に示される積層膜と同一に作製されるが、素子形状が楕円形（素子サイズ約６０ｎｍ×１２０ｎｍ）に加工されている。このＴＭＲ素子においては、接合抵抗ＲＡが１２Ωμｍ^２、ＭＲ比が１３０％である。比較例１のＴＭＲ素子における発振特性の測定では、このＴＭＲ素子に対して第１の強磁性層の磁化と第２の強磁性層との磁化が反平行状態になる方向から１０°傾けた方向に外部磁場３００Ｏｅを印加して、第２の強磁性層から第１の強磁性層の方向へ直流電流を通電する。この条件下において、電流を徐々に増加すると、電流の増加とともにスピントルクが増加するため、発振ピークの半値幅は、減少していくが、電流密度４．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２の電流を流しても、半値幅は、約３００ＭＨｚまでしか減少しなかった。一方、実施例１に係る磁性発振素子に電流を流すと、電流密度１×１０^６Ａ／ｃｍ^２で既に半値幅が８４ＭＨｚとなり、半値幅が１００ＭＨｚ以下の発振ピークが確認された。ピーク周波数ｆは、どちらの素子においても約３ＧＨｚであった。絶縁層２にリークパスが形成された磁性発振素子では、局所的に電流密度が高くなり、平均の電流密度が小さいにも関わらず、半値幅Δｆが狭くなっており、従って、Ｑ＝ｆ０／Δｆで定義されるＱ値が高くなっているのがわかる。

（実施例２）
実施例２に係る磁性発振素子においては、まず、実施例１で説明したものと同様の工程でＴＭＲ膜を作製し、素子の断面形状が約１１０ｎｍ×１５０ｎｍの楕円形状となるように加工した。このＴＭＲ膜は、Ｒａが１４Ωμｍ^２、ＭＲ比が１１０％であった。次に、このＴＭＲ膜においてイオンミリングをオーバーエッチングして、側壁へのメタルの再付着による弱ショート素子を作製した。作製された素子は、接合抵抗ＲＡが約５．２Ωμｍ^２、ＭＲ比が１０％であった。素子に、外部磁場３３０Ｏｅを第２の強磁性層３の容易軸方向(第１の強磁性層１とは略反平行)に印加し、電流密度４．２×１０^６Ａ／ｃｍ^２の電流を流すと、周波数４．４ＧＨｚ付近に発振ピークが確認され、線幅２４ＭＨｚで、出力３１０ｐＷが得られた。比較例２に係る磁性発振素子として、接合抵抗ＲＡが１２Ω・μｍ^２、ＭＲ比が１３０％のＴＭＲ膜を用いて作製したショートしていない約６０ｎｍ×１２０ｎｍ楕円素子を作製した。この比較例２の磁性発振素子に対して容易軸から１０°傾けた方向に外部磁場３００Ｏｅを印加して電流密度４．０×１０^６Ａ／ｃｍ^２の電流を流すと、周波数ピークにおける半値幅が約３００ＭＨｚで出力が１２０ｐＷであり、ショートパス（メタルパス）が存在する素子のほうがＭＲ比は、低下しているが、強く発振するために線幅が狭く、即ち、高Ｑ値であり、さらに高出力が得られる。

次に、図８及び図９を参照して、本発明の一実施の形態に係る磁気記録再生装置を説明する。

図８は、本発明の実施の形態に係る磁気記録再生装置１５０の概略構成を示している。磁気記録再生装置１５０は、図８に示されるように、磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１を備え、この磁気ディスク１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘッドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、図１から図５を参照して説明したいずれかの磁性発振素子を有する磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。

磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。

尚、ヘッドスライダ１５６は、磁気ディスク１５１と接触するいわゆる接触走行型のものであってもよい。

図９は、アクチュエータアーム１５４から先の磁気ヘッドアセンブリを磁気ディスク側から見た拡大斜視図である。磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、アクチュエータアーム１５５を含み、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。サスペンション１５４の先端には、図１から図５を参照して説明したいずれかの磁性発振素子を有する磁気ヘッドを有するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は、信号の書き込み及び読み取り用のリード線１６４が配線され、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。リード線１６４は、磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッド１６５に接続されている。

本発明の実施形態に係る磁気再生装置によれば、従来よりも高い記録密度で磁気ディスク１５１に磁気的に記録された情報を、図１から図５を参照して説明したいずれかの磁性発振素子を有する磁気ヘッドによって、高感度で読みとることができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の磁性発振素子は、マイクロ波源、共鳴器及び磁気センサ等に利用することができる。

１…強磁性層、２…絶縁層、３…強磁性層、４…積層膜、６…電源、７…バイアスティ、４１…基板、４２…下部電極、４３…上部電極、６０…リークパス、７０…メタルパス、１０１…導波路、１０２…高周波プローブ、１０３…バイアスティ、１０４…増幅器、１０５…スペクトラムアナライザ、１０６…電源

Claims (4)

1. 第１の強磁性層と、
   前記第１の強磁性層に積層される絶縁層と、
   前記絶縁層に積層される第２の強磁性層と、
   前記第１及び第２の強磁性層並びに絶縁層の膜面に対して垂直方向に電流を通電する一対の電極と、
   を具備し、
   前記第１及び第２の強磁性層間の面内において接合抵抗が異なる領域を有する磁性発振素子。
2. 前記第１及び第２の強磁性層並びに絶縁層は、積層方向に垂直な面における断面が端部に向けて先細り形状に形成され、
   前記絶縁層は、前記端部付近に接合抵抗が小さいリークパスを備える請求項１に記載の磁性発振素子。
3. 前記絶縁膜は、膜厚が異なる領域を有する請求項１に記載の磁性発振素子。
4. 前記第１及び第２の強磁性層を電気的に結合するメタルパスをさらに具備する請求項１に記載の磁性発振素子。

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