JPWO2013180277A1 - 発振素子 - Google Patents

Abstract

磁気渦構造及び層間交換結合を利用した高い熱安定性、高いＱ値、高い周波数発振ができる機能を兼ね備える発振素子を提供する。磁化が固定され、中心部分に垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなる固定層１１と、固定層１１に積層されて設けられる非磁性体からなる非磁性層１２と、非磁性層１２に積層されて設けられ、平面形状が円形又は正多角形で中心部分に垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなり、垂直磁化が面方向に回転移動する自由層１３と、各層に亘って電流を通電する電流供給部１６とを備え、固定層１１における磁化と自由層１３における中心位置の磁化との相対的な角度の差を用いて発振を行う。また、自由層１３が、複数の強磁性自由層が層間交換結合して構成されているものである。選択図 図２

Description

本発明は、磁気渦構造の周波数特性を利用した発振素子に関する。

エレクトロニクスデバイスの更なる高集積化を実現する技術として３次元的に半導体チップを積層する３次元実装技術が提案されている。そこでは、積層された半導体チップ間は無線通信によってデータの受け渡しを行うため、集積回路に積載可能なナノサイズの高周波発振素子の開発が、３次元実装を実現するための鍵となる。その最有力候補として、非磁性体からなる非磁性層を強磁性体からなる２つの強磁性層（固定層と自由層）で狭持し、強磁性層間に直流電流を通電すると同時に磁場を加えることで、自由層の磁化を回転させて自励でマイクロ波を発振するスピントルク発振器（ＳＴＯ：Ｓｐｉｎ−Ｔｏｒｑｕｅ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が提案されている（図１４を参照）。このＳＴＯは、非常に微小（＜１μｍ）で単純な構造であるが、高出力ができず熱安定性がよくないため、高出力で熱安定性が高い発振素子の開発が望まれている。

また、強磁性体を微小な円板形状にすることで、円板の周方向に磁気渦を形成すると共に、その中心部分で円板の垂直方向に垂直磁化（コア）を形成する磁気渦構造が知られている。このコアは、外部から印加される磁場や電流により、位置を変化させて回転運動する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。この磁気渦構造は、材料に依らず安定的な磁化により優れた周波数特性を有している。また、磁気渦のシミュレーションに関する技術として、非特許文献１に示す技術が知られている。

さらに、強磁性体からなる２つの強磁性層で非磁性体からなる非磁性層を狭持し、非磁性層の膜厚により強磁性層の結合の向きや強度が変化する層間交換結合が知られている（例えば、非特許文献２−４を参照）。この層間交換結合により、非常に高い熱安定性を実現することができる。また、層間交換結合を用いたトンネル磁気抵抗素子が開示されている（例えば、特許文献２を参照）。

さらにまた、磁気渦構造を用いた発振素子に関する技術が開示されている（例えば、非特許文献５及び６を参照）。これらの技術は、トンネルバリアを利用することで出力を優位にしている。

特開２００９−７６１１９号公報 特開２０１０−８０９２０号公報

S.Honda, H.Itoh, S.Yakata and T.Kimura, "Micromagnetic simulation for the control of the magnetic vortex chirality", International Workshop on Spin Currents， 2011 インターネット〈http：//spincurrents2011.imr.tohoku.ac.jp/Spincurrents2011.html> S.Yakata, H.Kubota, T.Sugano, T.Seki, K.Yakushiji, A.Fukushima, S.Yuasa, and K.Ando, "Thermal stability and spin-transfer switchings in MgO-based magnetic tunnel junctions with ferromagnetically and antiferromagnetically coupled synthetic free layers", Applied Physics Letters 95, 242504(2009). T.Kida， S.Honda, H.Itoh, J.Inoue, H.Yanagihara, E.Kita, and K.Mibu, "Electronic and magnetic structure at the Fe/Fe3O4 interface", American Physical Society, PhysRevB84, 104407, 2011 インターネット〈http：//prb.aps.org/abstract/PRB/v84/i10/e104407> W.Kaneko, S.Honda, and J.Inoue, "Ab initio study of magnetic structure and exchange coupling in Co2MnSi/Cr/Co2MnSi trilayers", American Physical Society, PhysRevB82, 014413, 2010 インターネット〈http：//prb.aps.org/abstract/PRB/v82/i1/e014413> A.Dussaux 他, "Large microwave generation from current-driven magnetic vortex oscillators in magnetic tunnel junctions", Nature Communications 1, Article number:8 doi:10.1038/ncomms1006, 12 April 2010 P.Bortolotti 他, "Temperature dependence of microwave voltage emission associated to spin-transfer induced vortex oscillation in magnetic tunnel junction", APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 042408, 27 January 2012

上記に示したように、現在知られているＳＴＯは、極微細化した際の強磁性体の熱安定性が悪いため、これに起因したＱ値の低下、発振出力の低下、Ｓ／Ｎ比の低下等が問題となる。

また、非特許文献５、６には、磁気渦を利用した発振素子に関する技術が開示されているものの、外部磁界がかなり大きいものとなり実用的ではないという課題を有する。また、自由層に磁気渦を生じる必要があるが、磁気渦を生じるには、自由層の直径及び厚さを適切に調整しなければならず、サイズが限定されて形状に自由度がなくなってしまうという課題を有する。

本発明は、磁気渦構造を利用して周波数特性に優れた高いＱ値を有し、熱安定性の高い発振素子を提供する。また、層間交換結合を利用して、高い熱安定性、高い周波数発振ができる機能を兼ね備える発振素子を提供する。

本発明に係る発振素子は、磁化が固定され、磁気渦により第１の垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなる固定層と、前記固定層に積層されて設けられる非磁性体からなる非磁性層と、前記非磁性層に積層されて設けられ、磁気渦により第２の垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなり、前記第２の垂直磁化が面方向に回転移動する自由層と、前記各層に亘って電流を通電する電流供給手段とを備え、前記固定層における前記第１の垂直磁化と、前記自由層において前記第１の垂直磁化の位置に対応する対応位置における磁化との相対的な角度の差を用いて発振を行うものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、磁化が固定され、磁気渦により垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなる固定層と、非磁性体からなる非磁性層と、磁気渦により垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなり、垂直磁化が面方向に回転移動する自由層とを有し、各層に電流を通電することで自由層の垂直磁化を動かし、固定層における垂直磁化と、当該固定層における垂直磁化の位置に対応する自由層における対応位置の磁化との角度差により発振を行うため、磁気渦構造により優れた周波数特性を持った発振素子を実現することができるという効果を奏する。

また、固定層及び自由層が磁気渦構造を有するものであるため、材料に依存することなく安定的な磁化を形成することができ、高出力が可能な材料を選択することで、高出力の発振素子を実現することが可能になるという効果を奏する。さらに、磁気渦構造により高いＱ値を実現することができると共に、安定した磁化により熱安定性を高めることができるという効果を奏する。

さらに、固定層及び自由層において、磁気渦による垂直磁化が形成されるため、各層における外側方向（外周方向）への漏れ磁界によるＱ値への影響をなくして、高性能な発振素子を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記自由層の平面形状が円形又は正多角形であるものである。
このように、本発明に係る発振素子においては、自由層の平面形状が円形又は正多角形であるため、安定した構造で単一の垂直磁化を形成し、制御しやすい構成の発振素子を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記自由層が、前記磁気渦構造を有する導電性を有する強磁性体からなる複数の強磁性自由層と、複数の前記各強磁性自由層の間に狭持されて設けられる非磁性体からなる複数の非磁性自由層とを備え、前記各層が層間交換結合しているものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、自由層が、磁気渦構造を有する強磁性体からなる複数の強磁性自由層で、導電性の非磁性体からなる複数の非磁性自由層を狭持し、各層が層間交換結合しているため、結合強度に応じて非常に高い熱安定性を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記自由層が、前記磁気渦構造を有する強磁性体からなる第１強磁性自由層と、前記第１強磁性自由層に積層されて設けられる導電性を有する非磁性体からなる非磁性自由層と、前記非磁性自由層に積層されて設けられ、前記磁気渦構造を有する強磁性体からなり、前記各層と層間交換結合している第２強磁性自由層とを有しているものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、自由層が、磁気渦構造を有する強磁性体からなる第１強磁性自由層と第２強磁性自由層で、導電性の非磁性体からなる非磁性自由層を狭持し、各層が層間交換結合しているため、結合強度に応じて非常に高い熱安定性を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記自由層における層間交換結合の結合強度に応じて、前記第１強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相と、前記第２強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相とが同位相となる低周波数の発振モード、又は、前記第１強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相と、前記第２強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相とが互いに異なる位相となる高周波数発振モードとなるものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、自由層における層間交換結合の結合強度に応じて、第１強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相と、第２強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相とが同位相である低周波モードか異なる位相である高周波モードとなるため、二つのモードでの発振を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、磁化が固定されている強磁性体からなる固定層と、前記固定層に積層されて設けられる導電性の非磁性体からなる非磁性層と、前記非磁性層に積層されて設けられ、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなり、形成された前記垂直磁化が面方向に回転移動する自由層と、前記各層に亘って電流を通電する電流供給手段とを備え、前記固定層における予め定められた位置の磁化と前記自由層における前記位置に対応する対応位置の磁化との相対的な角度の差を用いて発振を行うものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、非磁性層が導電性の非磁性体からなるため、電流供給手段からの通電により自由層の磁気渦の形成及び垂直磁化の回転移動を行うことができ、層の直径や厚みの制限を受けることなく、自由度が高い形状の発振素子を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記固定層が、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなり、前記固定層における垂直磁化と、当該垂直磁化に対応する前記自由層における対応位置の磁化と、の相対的な角度の差を用いて発振を行うものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、固定層が自由層と同様に通電により磁気渦構造となるため、磁気渦構造により優れた周波数特性を持った発振素子を実現することができるという効果を奏する。

また、固定層及び自由層が磁気渦構造を有するものであるため、材料に依存することなく安定的な磁化を形成することができ、高出力が可能な材料を選択することで、高出力の発振素子を実現することが可能になるという効果を奏する。さらに、磁気渦構造により高いＱ値を実現することができると共に、安定した磁化により熱安定性を高めることができるという効果を奏する。

さらに、固定層及び自由層において、磁気渦による垂直磁化が形成されるため、各層における外側方向（外周方向）への漏れ磁界によるＱ値への影響をなくして、高性能な発振素子を実現することができるという効果を奏する。

本発明に係る発振素子は、前記自由層が、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなる複数の強磁性自由層と、複数の前記各強磁性自由層の間に狭持されて設けられる導電性の非磁性体からなる複数の非磁性自由層とを備え、前記各層が層間交換結合しているものである。

このように、本発明に係る発振素子においては、自由層が、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなる複数の強磁性自由層で、非磁性体からなる複数の非磁性自由層を狭持し、各層が層間交換結合しているため、結合強度に応じて非常に高い熱安定性を実現することができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る発振素子の構造を示す第１の図である。 第１の実施形態に係る発振素子の構造を示す第２の図である。 第１の実施形態に係る発振素子の動作を示す図である。 第２の実施形態に係る発振素子の構造を示す図である。 第２の実施形態に係る発振素子における層間交換結合を示す第１の図である。 第２の実施形態に係る発振素子における層間交換結合を示す第２の図である。 第２の実施形態に係る発振素子の動作を示す図である。 第２の実施形態に係る発振素子の周波数モードを示す図である。 磁気渦における共鳴の観測実験を示す図である。 磁気渦における共鳴の観測実験の結果を示す図である。 層間交換結合による磁気渦の共鳴シミュレーションを示す第１の図である。 層間交換結合による磁気渦の共鳴シミュレーションを示す第２の図である。 ２２５ｎｍ×５００ｎｍサイズの素子による実験結果を示す図である。 従来のＳＴＯの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明は多くの異なる形態で実施可能である。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る発振素子について、図１ないし図３を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る発振素子の構造を示す第１の図、図２は、本実施形態に係る発振素子の構造を示す第２の図、図３は、本実施形態に係る発振素子の動作を示す図である。

本実施形態に係る発振素子は、図１（Ａ）に示すように、磁化が固定されている円板状の強磁性体からなる固定層１１と、固定層１１に積層されて設けられる円板状の非磁性体からなる非磁性層１２と、非磁性層１２に積層されて設けられ、円板状の強磁性体からなる自由層１３を備える。この自由層１３は、中心部分に垂直磁化（自由層１３の面方向に対して垂直な方向の磁化）が形成される磁気渦構造を有している。すなわち、磁化が自由層１３の周方向に沿って渦を巻くと共に、円板の中心付近で垂直方向に立ち上がっている。

このような磁気渦構造を有する自由層１３に対して径方向に磁場を印加すると、垂直磁化の位置を変化させることができ、磁場の印加を止めるとスパイラル運動をしながら垂直磁化が中心位置に戻る。また、電流を通電することでもこのような制御ができる。本実施形態においては、図１（Ｂ）に示すように、自由層１３及び固定層１１に備えられる電極１４，１５を介して電流供給部１６により電流を通電することで、自由層１３における垂直磁化の位置を変化させる。すなわち、垂直磁化の垂直性を維持したまま、自由層の面方向に垂直磁化を回転移動させる。

なお、一般的に、磁気渦構造が形成されるかどうかは、磁性体の直径と厚さとの比率によって決まる。すなわち、例えば、非特許文献５、６に記載された技術において、自由層１３が磁気渦構造を有するためには、磁性体の直径と厚さの制限が課せられることとなり、サイズや形状の自由度が低いものとなっていた。

これに対して、図１（Ａ）に示す発振素子１は、非磁性層１２を絶縁性ではなく導電性の非磁性体としてもよい。すなわち、例えば、非特許文献５、６に記載された技術では、非磁性層１２にＭｇＯ−ｂａｓｅｄトンネルバリアを用いているのに対して、本実施形態に係る発振素子においては、非磁性層１２を導電性の非磁性体とすることで、磁性体の直径、厚さ、形状等に関係なく、電流供給部１６からの電流を通電することにより生じる磁界で自由層に磁気渦構造を形成することができる。つまり、図１（Ａ）に示す発振素子１は、素子のサイズや形状を自由に設定することが可能となる（後述の実施例を参照）。

固定層１１は、磁化が固定されており、図１（Ａ）の場合は面方向（固定層１１の面に対して水平な方向）に固定され、図２（Ａ）の場合は自由層１３と同様に、磁気渦構造により垂直方向（固定層１１の面に対して垂直な方向）に中心位置で固定されている。固定層１１の磁化は固定されているため、電流を通電しても変化することがなく、自由層１３の磁化のみが変化する。図１（Ａ）に示すように、固定層１１の磁化が水平方向に固定されている場合は、自由層１３の垂直磁化を効率よく動かすことができるのに対して、図２（Ａ）に示すように、固定層１１の磁化が垂直方向に固定されている場合は、磁気渦構造により磁化が安定して、優れた周波数特性を実現することが可能となる。

なお、図２（Ｂ）に示すように、電流の供給については図１（Ｂ）の場合と同様である。また、図２の発振素子１においても、図１の場合と同様に非磁性層を導電性にすることで、素子のサイズや形状の自由度を上げることが可能となる。

本実施形態においては、自由層１３の垂直磁化が面方向に回転移動することで、自由層１３の磁化と、固定層１１における固定された磁化との相対的な角度の差により発振を行う。例えば、自由層１３の中心部分の磁化と、固定層１１における固定された磁化（図１の場合は水平方向の磁化、図２の場合は垂直磁化）との相対的な角度の差を用いて発振を実現する。図３に、発振動作の一例を示す。図３において、固定層１１は磁気渦構造を有しており、中心部分に垂直磁化が形成されて固定されている。自由層１３も同様に、磁気渦構造により中心部分に垂直磁化が形成されているが、磁化は固定されておらず、電流供給部１６により電流が通電されることで面方向に回転移動する。このとき、垂直磁化の垂直性を保ったまま回転移動する。

図３（Ａ）は、垂直磁化の回転角が０度（又は３６０度）の場合の発振素子１の状態を示し、図３（Ｂ）は、垂直磁化の回転角が９０度の場合の発振素子１の状態を示し、図３（Ｃ）は、垂直磁化の回転角が１８０度の場合の発振素子１の状態を示し、図３（Ｄ）は、垂直磁化の回転角が２７０度の場合の発振素子１の状態を示している。

図３（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、垂直磁化が面方向に回転移動することで、その回転角に応じて、固定層１１の垂直磁化に対応する自由層１３の位置（すなわち、自由層１３の中心部分）における自由層１３の磁気渦の方向が周期的に変化する。この固定層１１の磁化と自由層１３の磁化との相対角の差により発振を行うことができる。

なお、上記発振素子１においては、各層の形状が円板状に形成されているが、磁気渦構造により１つの垂直磁化が安定的に形成される形状であればよく、例えば多角形、正多角形、楕円、その他複数の閉じた線分により形成される形状であってもよい。円板状、正多角形状とした場合には、単一の垂直磁化を安定して形成することができ、制御が容易になる。また、エッジを有する形状とした場合には、エッジの部分で磁気渦のポテンシャルが大きくなり、周波数を高くすることが可能となる。さらに、その他複雑な形状や長尺形状である場合には、磁気渦構造を複数形成することができ、様々な周波数や強度での発振を行うことが可能となる。

特に、上述したように、非磁性層１２を導電性の非磁性体とし、通電による磁界により磁気渦を生じさせる場合には、直系や厚さの制限を全く考慮する必要がなく、サイズや形状を自由に設定することが可能となる。

さらに、磁気渦の回転方向は右回りであっても左回りであってもどちらでもよい。

このように、本実施形態に係る発振素子によれば、磁気渦構造により優れた周波数特性を持った発振素子を実現することができると共に、材料に依存することなく安定的な磁化を形成することができ、高出力が可能な材料（例えば、スピン偏極率の高いＣｏ２ＦｅＳｉやＣｏ２ＭｎＳｉなどハーフメタルと呼ばれる材料）を選択することで、高出力の発振素子を実現することが可能になる。また、磁気渦構造により高いＱ値を実現することができると共に、安定的な垂直磁化により熱安定性を高めることが可能となる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る発振素子について、図４ないし図８を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る発振素子の構造を示す図、図５は、本実施形態に係る発振素子における層間交換結合を示す第１の図、図６は、本実施形態に係る発振素子における層間交換結合を示す第２の図、図７は、本実施形態に係る発振素子の動作を示す図、図８は、本実施形態に係る発振素子の周波数モードを示す図である。
なお、本実施形態において前記第１の実施形態と重複する説明は省略する。

本実施形態に係る発振素子は、前記第１の実施形態に係る発振素子の自由層１３に層間交換結合を用いることで、非常に高い熱安定性を実現する。また、自由層１３の層間交換結合の構造を利用して周波数モードを制御することで、非常に高い周波数での発振を実現する。

図４に示すように、本実施形態に係る発振素子１は、第１の実施形態に係る発振素子１の自由層１３が、磁気渦構造を有する強磁性体からなる第１の強磁性自由層１３ａと、第１の強磁性自由層に積層されて設けられる導電性の非磁性体（例えば、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｃｒ等）からなる非磁性自由層１３ｂと、非磁性自由層１３ｂに積層されて設けられ、磁気渦構造を有する強磁性体からなり、第１の強磁性自由層１３ａと層間交換結合している第２の強磁性自由層１３ｃとを有する。

第１の強磁性自由層１３ａと第２の強磁性自由層１３ｃとの層間交換結合について、詳細に説明する。図５は、非磁性自由層１３ｂの膜厚と、第１の強磁性自由層１３ａ及び第２の強磁性自由層１３ｃの結合強度、結合の向きとの関係を示している。図５に示すように、非磁性自由層１３ｂの膜厚が厚くなるにしたがって、第１の強磁性自由層１３ａ及び第２の強磁性自由層１３ｃの結合強度が弱くなる。なお、詳細は後述するが、この結合強度の大きさに応じて、周波数モードが特定される。

また、図５に示すように、非磁性自由層１３ｂの膜厚により、結合の向き（平行／反平行）が特定される。本実施形態に係る発振素子においては、結合の向きは発振の周波数特性に寄与しないため無視することができ、結合強度の大きさが重要な要素となる。

図６に、層間交換結合による非磁性自由層１３ｂ及び第２の強磁性自由層１３ｃの膜厚に応じた熱安定性を示す。図中のｄの値が、第２の強磁性自由層１３ｃの膜厚を示し、Δ０が熱安定性を示している。なお、図６の表に示す値は参考値であり、面内の磁化が水平である場合のデータである。図から明らかなように、第２の強磁性自由層１３ｃの膜厚が厚いほど熱安定性を示すΔ０が大きくなっている。また、第２の強磁性自由層１３ｃの膜厚が同じである場合は、非磁性自由層１３ｂの膜厚が厚いほどΔ０が大きくなっていることがわかる。このように、図５、図６に示すような層間交換結合を利用することで、熱安定性を格段に向上させることが可能となる。

また、本実施形態に係る発振素子は、自由層１３に複数の強磁性自由層を有することを利用し、層間交換結合の結合強度を任意の値に調整することで、高い周波数を実現することができる。すなわち、第１の強磁性自由層１３ａの垂直磁化と第２の強磁性自由層１３ｃの垂直磁化とが同位相で回転移動する場合は、低い周波数モード（音響モードという）での発振となり、逆位相で回転移動する場合は、高い周波数モード（光学モードという）での発振が可能となる。光学モードでの垂直磁化のイメージ図を図７に示す。図７は、第１の強磁性自由層１３ａの垂直磁化と第２の強磁性自由層１３ｃの垂直磁化とが逆位相で回転移動している様子を示している。図７（Ａ）は、第１の強磁性自由層１３ａが０度（又は３６０度）で第２の強磁性自由層１３ｃが１８０度の場合の垂直磁化の状態、図７（Ｂ）は、第１の強磁性自由層１３ａが９０度で第２の強磁性自由層１３ｃが２７０度の場合の垂直磁化の状態、図７（Ｃ）は、第１の強磁性自由層１３ａが１８０度で第２の強磁性自由層１３ｃが０度（又は３６０度）の場合の垂直磁化の状態、図７（Ｄ）は、第１の強磁性自由層１３ａが２７０度で第２の強磁性自由層１３ｃが９０度の場合の垂直磁化の状態を示している。各状態において、第１の強磁性自由層１３ａの垂直磁化と第２の強磁性自由層１３ｃの垂直磁化とは逆位相になっており、高い周波数の発振を実現する。

図８は光学モードと音響モードを示しており、第１の強磁性自由層１３ａの垂直磁化と第２の強磁性自由層１３ｃの垂直磁化とが同位相で回転移動する場合は低い周波数を実現し、第１の強磁性自由層１３ａの垂直磁化と第２の強磁性自由層１３ｃの垂直磁化とが逆位相で回転移動する場合は高い周波数を実現している。それらの周波数の差は層間交換結合の結合強度に比例しており、層間の有効磁界を調整することで、より高い周波数の発振を実現することが可能となる。

このように、本実施形態に係る発振素子によれば、自由層における各層が層間交換結合しているため、結合強度に応じて非常に高い熱安定性を実現することができる。また、自由層における層間交換結合の結合強度が所定の値である場合に、第１の強磁性自由層１３ａにおける垂直磁化の回転の位相と、第２の強磁性自由層１３ｃにおける垂直磁化の回転の位相とが互いに異なる位相であるため、層間の有効磁界が増大し、高い周波数での発振を実現することができる。

なお、本実施形態において、前記第１の実施形態の場合と同様に、固定層１１の磁化方向は固定層１１の面方向に固定されていてもよい。また、自由層１３は３層以上であってもよい。

また、本実施形態において、前記第１の実施形態の場合と同様に、非磁性層１２を導電性にすることで、素子のサイズや形状の自由度を上げることが可能となる。

本発明に係る発振素子について、以下の実験及びシミュレーションを行った。

（１）磁気渦における共鳴の観測
図９（Ａ）に本実験系の模式図、図９（Ｂ）に本実験に用いた磁気渦素子の平面形状を示す。また、図１０（Ａ）に各平面形状における磁気渦の共鳴スペクトル、図１０（Ｂ）各平面形状ごとの共鳴周波数を示す。本実験では、磁気渦素子に交流電流を通電すると共に図９（Ａ）に示す磁場を印加して磁気渦（垂直磁化）を回転させ、磁気渦素子の共鳴スペクトルを観測した。信号はホモダイン検波を用いて取り出した。実験には、図９（Ｂ）に示すように、表面形状が正五角形、正方形、正三角形及び円形の磁気渦素子を用いて行った。

図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、各平面形状の磁気渦素子において周波数のピークが検出され、磁気渦による共鳴が起きることを確認することができる。すなわち、平面形状が円形の磁気渦素子だけではなく、正多角形のものであっても磁気渦による発振が可能であることがわかる。

（２）層間交換結合による磁気渦の共鳴シミュレーション
図１１（Ａ）に本シミュレーションに用いた自由層を示す図、図１１（Ｂ）にシミュレーション結果を示す。ここでは、磁気渦構造を有する磁性層２枚が層間交換結合をした試料に高周波磁界を面内に印加し、磁気渦の共鳴をシミュレーションした。すなわち、共鳴状態の周波数は、発振状態の周波数とほぼ一致するため、共鳴状態をシミュレートすることで発振時の周波数を推し量ることができる。

図１１（Ａ）に示すように、縦１５０ｎｍ×横１５０ｎｍのパーマロイ薄膜を１０ｎｍの隙間（真空層）を設けて対向して配設したものを用いた。ここでは、上層（又は下層）が作る磁場（反磁場）は下層（又は上層）に影響を与えないものとし、パーマロイ薄膜の層間の交換定数をパーマロイのパラメータ×０．０５とした。

図１１（Ｂ）（上のグラフ）に示すように、１０ｎｓごとに０．１ＧＨｚずつ周波数を増加させて磁化変化をシミュレーションした。図１１（Ｂ）から、０．７ＧＨｚ〜０．８ＧＨｚと１．３ＧＨｚ〜１．４ＧＨｚで共鳴が起こっていることが確認された。つまり、層間交換結合による２つのモード（音響モード及び光学モード）が励起されていることが示されている。

次に、２層間の交換磁場を変えて共鳴周波数をシミュレーションした。図１２（Ａ）に本シミュレーションに用いた自由層を示す図、図１２（Ｂ）にシミュレーション結果を示す。図１２（Ａ）に示すように、縦１５０ｎｍ×横１５０ｎｍのパーマロイ薄膜を１０ｎｍの隙間（真空層）を設けて対向して配設したものを用い、そのときの交換磁場を交換磁場∝αＫｍ／ｌ２（真空層を無視した場合ｌ＝１０ｎｍ、真空層を考慮した場合ｌ＝２０ｎｍ：α〜０．２５に相当する）としてシミュレーションを行った。

図１２（Ｂ）に示すように、コア間の距離（□で示す）が小さく、各コアの振動半径（○，●で示す）が大きいときは音響モードとなり、コア間の距離が大きく、各コアの振動半径が小さいときは光学モードとなっており、２層間の交換エネルギーに応じて光学モードでの共鳴周波数が変化している。図１２（Ｂ）においては、２層間の交換エネルギーが小さいほど、光学モードでの共鳴周波数が小さくなっていることが確認される。

以上のことから、磁気渦構造を有し、層間交換結合で結合された２層のパーマロイ薄膜により共鳴することが確認された。すなわち、これらを用いて自励発振を行う発振素子を実現することができる。また、２層間の交換エネルギーが小さいほど（２層間の距離が離れるほど）光学モードの共鳴周波数が音響モードの共鳴周波数に近づき、共鳴が大きくなる。さらに、２層間の有効磁界が小さいほど（２層間の距離が離れるほど）光学モードの共鳴周波数が音響モードの共鳴周波数に近づき、共鳴が大きくなる。ただし、交換エネルギーと比較すると影響が少なく、交換エネルギーの調整が特に重要となる。

（３）２２５ｎｍ×５００ｎｍサイズの素子による実測
図１３（Ａ）に本実験系の模式図、図１３（Ｂ）は通電する電流に対する周波数の依存性を示すグラフ、図１３（Ｃ）は１４０ｍＡにおける周波数の特性を示すグラフである。本実験で用いた発振素子の自由層は、縦２２５ｎｍ×横５００ｎｍ×厚さ５ｎｍの直方体として構成されており、電流が流れていない通常の状態では磁気渦が形成されていない。この素子に直流電流を流し、交流の出力をスペクトラム・アナライザで観察した。

図１３（Ｂ）に示すように、電流に応じて発振周波数が変化しており、電流が大きくなるにしたがって周波数が大きくなっている。これは、磁気渦の回転移動による発振の際に得られる特性である。また、図１３（Ｃ）に示すように、例えば、１４０ｍＡの電流を通電した場合には、２．８７ＧＨｚでピークが検出されている。

すなわち、図１３（Ｂ）及び図１３（Ｃ）の結果から、本発明に係る発振素子においては、本来であれば到底磁気渦が形成されないようなサイズ及び形状の磁性体に電流を通電することで磁気渦が形成され、発振素子として機能することができることが明らかである。また、通電する電流に応じて周波数を調整することが可能であることが明らかである。

このように、本発明に係る発振素子によれば、磁気渦構造による安定した磁化により高い熱安定性と優れた周波数特性（高いＱ値）を実現すると共に、層間交換結合によりさらに高い熱安定性と光学モードによる高周波数の発振を実現することができる。また、磁気渦構造を用いることで、材料に依存することなく安定的な垂直磁化を実現できるため、高出力が得られる材料を選択することで、高出力化が可能となる。

１ 発振素子
１１ 固定層
１２ 非磁性層
１３ 自由層
１３ａ 第１の強磁性自由層
１３ｂ 非磁性自由層
１３ｃ 第２の強磁性自由層
１４，１５ 電極
１６ 電流供給部

Claims (8)

1. 磁化が固定され、磁気渦により第１の垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなる固定層と、
   前記固定層に積層されて設けられる非磁性体からなる非磁性層と、
   前記非磁性層に積層されて設けられ、磁気渦により第２の垂直磁化が形成される磁気渦構造を有する強磁性体からなり、前記第２の垂直磁化が面方向に回転移動する自由層と、
   前記各層に亘って電流を通電する電流供給手段とを備え、
   前記固定層における前記第１の垂直磁化と、前記自由層において前記第１の垂直磁化の位置に対応する対応位置における磁化との相対的な角度の差を用いて発振を行うことを特徴とする発振素子。
2. 請求項１に記載の発振素子において、
   前記自由層の平面形状が円形又は正多角形であることを特徴とする発振素子。
3. 請求項１又は２に記載の発振素子において、
   前記自由層が、
   前記磁気渦構造を有する強磁性体からなる複数の強磁性自由層と、
   複数の前記各強磁性自由層の間に狭持されて設けられる導電性の非磁性体からなる複数の非磁性自由層とを備え、
   前記各層が層間交換結合していることを特徴とする発振素子。
4. 請求項３に記載の発振素子において、
   前記自由層が、
   前記磁気渦構造を有する強磁性体からなる第１強磁性自由層と、
   前記第１強磁性自由層に積層されて設けられる導電性の非磁性体からなる非磁性自由層と、
   前記非磁性自由層に積層されて設けられ、前記磁気渦構造を有する強磁性体からなり、前記各層と層間交換結合している第２強磁性自由層とを有していることを特徴とする発振素子。
5. 請求項４に記載の発振素子において、
   前記自由層における層間交換結合の結合強度の値に応じて、前記第１強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相と、前記第２強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相とが同位相となる低周波数の発振モード、又は、前記第１強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相と、前記第２強磁性自由層における垂直磁化の回転の位相とが互いに異なる位相となる高周波数発振モードとなることを特徴とする発振素子。
6. 磁化が固定されている強磁性体からなる固定層と、
   前記固定層に積層されて設けられる導電性の非磁性体からなる非磁性層と、
   前記非磁性層に積層されて設けられ、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなり、形成された前記垂直磁化が面方向に回転移動する自由層と、
   前記各層に亘って電流を通電する電流供給手段とを備え、
   前記固定層における予め定められた位置の磁化と前記自由層における前記位置に対応する対応位置の磁化との相対的な角度の差を用いて発振を行うことを特徴とする発振素子。
7. 請求項６に記載の発振素子において、
   前記固定層が、通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなり、
   前記固定層における垂直磁化と、当該垂直磁化に対応する前記自由層における対応位置の磁化と、の相対的な角度の差を用いて発振を行うことを特徴とする発振素子。
8. 請求項６又は７に記載の発振素子において、
   前記自由層が、
   通電により生じる磁気渦で垂直磁化が形成される強磁性体からなる複数の強磁性自由層と、
   複数の前記各強磁性自由層の間に狭持されて設けられる導電性の非磁性体からなる複数の非磁性自由層とを備え、
   前記各層が層間交換結合していることを特徴とする発振素子。

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