KR101291778B1 - 스핀 밸브 소자의 구동 방법 및 스핀 밸브 소자 - Google Patents

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Abstract

스핀 밸브 소자에 인가하는 외부 자장을 약하게 하거나, 혹은 전혀 이용하지 않고 구동하여 마이크로파를 발진시키기 위해서, 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력이 서로 상이한 스핀 밸브 소자로부터 전자 신호를 얻는 스핀 밸브 소자의 구동 방법 또는 그러한 스핀 밸브 소자. 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층을 고정층의 막면에 거의 수직이 되는 방향으로 자화하여, 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 중간층을 통과시켜 전류를 흘린다. 구동시, 외부 자장의 크기의 값과 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값으로 이루어진 값의 세트를 소정의 조건을 만족하도록 한다. 혹은, 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층의 물성을 이러한 조건을 실현할 수 있는 것으로 한다.

Description

스핀 밸브 소자의 구동 방법 및 스핀 밸브 소자{SPIN-VALVE ELEMENT DRIVING METHOD, AND SPIN-VALVE ELEMENT}
본 발명은 터널 자기 저항 효과(TMR) 또는 거대 자기 저항 효과(GMR)를 이용하는 스핀 밸브 소자의 구동 방법 및 스핀 밸브 소자에 관한 것이며, 특히, 전류에 의해 구동함으로써 전자 신호를 얻는 구동 방법 및 소자에 관한 것이다.
최근, 나노 일렉트로닉스의 진전에 따라, 미소(微小) 사이즈의 자성 재료 고유의 물리 현상을 응용한 제품의 개발이 진행되고 있다.
그 중에서도, 특히, 자성 재료의 자유 전자가 가지는 스핀을 이용하는 스핀 일렉트로닉스 분야가 급속히 발전하고 있다.
상기 스핀 일렉트로닉스 분야 중에서, 현재 가장 실용 가능성이 높다고 보여지는 것은, 강자성층, 절연층, 강자성층의 적층 구조에서 발생하는 터널 자기저항(TMR: Tunneling Magnetoresistance) 효과, 또는 강자성층, 비자성층(도전층), 강자성층의 적층 구조에서 발생하는 거대 자기저항(GMR: Giant Magnetoresistance) 효과를 응용한 스핀 밸브 소자이다. 종래의 스핀 밸브 소자의 구성예를 도 10 및 도 11에 나타낸다. 이 중, 도 10에는 TMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 나타낸다. 상기 스핀 밸브 소자는, 기판(5) 위에 제작된, 1층의 절연층(24)과, 상기 절연층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층(23; 고정층 및 25; 프리층)과, 전극층(21, 27)을 가지고 있으며, 필요에 따라 반강자성층(22; 피닝(pinning)층), 캡핑층(26) 등을 포함하는 것이다. 고정층(23)의 자화는 반강자성층(22)과의 자기 결합 등에 의해 고정되어 있다. 상기 소자에 고정층(23)으로부터 프리층(25)으로 전자를 흘리면, 프리층(25)의 스핀(자화 또는 자기 모멘트)에는 고정층(23)의 자화의 방향과 평행이 되는 토크가 작용한다. 또한, 다시 반대로 프리층(25)으로부터 고정층(23)을 향하여 전자를 흘리면, 프리층(25)의 스핀에는 고정층(23)과는 반평행이 되는 토크가 작용한다. 이러한 작용에 의해, 프리층(25)의 자화의 방향을 전류의 방향에 의해 제어하는 것이 가능해진다. 이 효과를 스핀 주입 자화 반전이라고 한다. 도 10에는, 절연층(30)을 더 설치하고 있어, 이것에 의해 소자의 크기를 단일 자구(磁區)가 얻어지는 사이즈로 정하고 있다. 도 11에는 GMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 나타낸다. 이 경우, 도 10의 TMR을 이용한 소자와의 차이는 절연층(24)이 비자성도전층(51)으로 치환되어 있다는 점이며, 그 이외의 기능은 기본적으로 동일하다. 이러한 기술을 이용함으로써, 자기 랜덤 액세스 메모리(MRAM: Magnetic Random Access Memory)를 실현하는 것이 가능하기 때문에 가장 주목을 받고 있다. 상기 MRAM은, 종래의 DRAM(Dynamic Random Access Memory)이나 SRAM(Static Random Access Memory)의 대체로서 기대되고 있다.
또한, 이러한 스핀 밸브 소자에 전류와 외부 자장을 동시에 인가하면, 마이크로파의 발진이 얻어지는 것이 알려져 있다(예를 들면, 비특허문헌 1). 즉, 예를 들면 전류의 방향을, 프리층(25)의 자화에는 고정층(23)의 자화의 방향과 반평행이 되는 토크가 작용하는 방향으로 하고, 외부 자장을 프리층(25)의 자화가 고정층(23)의 자화의 방향과 평행이 되도록 하면, 양자의 토크가 길항(拮抗)하는 조건에서 고주파수의 전자 신호가 얻어진다.
특히, 고정층과 프리층의 자화 방향이 막면에 수직인 경우, 즉, 프리층 재료의 결정 이방성에 기인한 결정 이방성 자장, 막형상에 의존한 반(反)자장, 외부 자장, 및 주입 스핀 모두가 프리층 막면에 수직인 경우에 대한 발진 메커니즘은 이하와 같이 된다(비특허문헌 1).
우선, 대상의 물리계 상태를 기술하기 위해, 란다우·라이프시츠·길버트(Landau-Lifshitz-Gilbert)의 방정식에 스핀 주입항을 추가한 이하의 기본식을 이용한다. 이하, m 및 H는 모두 벡터이다.
dm2/dt=γm2×Heff+αm2×dm2/dt+βST(θ)Im2×(m2×m1) (14)
βST(θ) =g(θ)μ/(Ms×V×e) (15)
단, m1 및 m2는 각각 고정층 및 프리층의 자화의 방향을 나타내는 단위벡터,γ는 자기 자이로 정수, Heff는 유효 자장, α은 길버트의 댐핑 정수, I는 전류, θ는 벡터(m1와 m2)의 각도, μ는 보어 자자(磁子), Ms는 프리층의 포화 자화, V는 프리층의 체적, e는 전자 전하이다. 각도(θ)(m1와 m2의 각도)는, 막면을 xy평면으로 자른 막면에 수직인 방향을 z방위로 하는 극좌표 표시를 행한 경우에는, z축 방향으로부터의 극각이 된다. 또한, 2개의 벡터 사이에 명시된 기호 「×」는 벡터의 외적(外積)을 나타낸다. 식(15)에서는, 우측의 제 3 항이 스핀 주입 토크(스핀 트랜스퍼 토크(spin transfer torque))를 나타내고 있다.
정의에 의해, θ=0은 고정층과 프리층의 자화가 평행인 것을 나타내며, θ=π는 양자가 반평행인 것을 나타낸다. 또한, g(θ)는 θ와 스핀 편극도(P)의 함수로, 하기 식으로 나타낸다.
g(θ)=1/[-4+(P1 /2+P-1/2)3(3+cosθ)/4] (GMR용) (16)
g(θ) =P/(1+P2cosθ) (TMR용) (17)
이들 식에 의해, 프리층의 유효 자장과 주입 스핀이 모두 막면에 수직인 경우에 대해서, 프리층 전체를 하나의 스핀에 의해 근사하여, 전류와 자장의 발진 조건을 구한다.
식(14)을 도 12와 같이 고정층의 자화 방향을 z축으로 하고, 막면을 xy평면으로 한 극좌표로 나타내면,
dm2/dt=Tθeθ+Tφeφ (18)
Tφ=γ(Heff·eθ) (19)
Tθ=-αeffTφ (20)
αeff=α-βST(θ)I(sin(θ)/γ(Heff·eθ)) (21)
를 얻는다. 또한, Tθ와 Tφ는 각각 프리층의 자화 모멘트 이외에 벡터(m2)에 작용하는 토크의 극각(θ)과 방위각(φ)의 성분이다. 또한, eθ, eφ는 각각 극각(θ)과 방위각(φ)을 서로 다른 쪽을 고정하며 증가시킬 때에 동경(動徑) 벡터가 이동하는 방향의 단위벡터이다. (·)는 벡터의 내적(內積)을 나타낸다. 유효 자장(Heff)은 하기 식으로 나타낸다.
Heff=Hext+Hucosθ (22)
여기서, Hext는 외부 자장, Hu는 1축 이방성 자장으로서 결정 이방성 자장과 반자장의 합이며, 모두 막면에 수직 방향(도 12의 z축 방향)이다. 이것에 의해,
Tθ=-αγHuzsinθcosθ-αγHextzsinθ+βST(θ)Isin(θ) (23)
를 얻는다. 여기서, Huz, Hextz는 각각 벡터(Hu, Hext)의 z축 성분이다. 스핀 밸브 소자가 발진을 일으키는 조건은, θ방향의 토크(Tθ)가 하기 2개의 식의 조건을 동시에 만족하는 것이다.
Tθ=0 (24)
dTθ/dθ<0 (25)
즉, 식(24)을 만족하는 θ=θ0의 주변에서 식(25)이 만족되면, θ=θ0은 에너지의 극소점이며, 프리층의 스핀은 거기서 안정된 세차(歲差)운동을 하게 된다.
자화의 세차운동으로부터 전자 신호를 얻는 방법으로서는, 예를 들면, 프리층(제 1 프리층), 절연층, 고정층(제 1 고정층)으로 이루어진 스핀 밸브 소자에, 검출용 스핀 밸브 소자를 설치하는 방법이 알려져 있다. 상기 검출용 스핀 밸브 소자는, 제 1 프리층에 근접하여, 상기 제 1 프리층에 대해 교환 결합한 면내 자화를 가지는 강자성층(제 2 프리층)과, 절연층과, 자화가 면내 방향으로 고정된 강자성층(제 2 고정층)을 서로 적층하여 포함하고 있다. 이것에 의해, 제 1 프리층에서의 세차운동에 의해 회전하는 자화가, 제 2 프리층의 자화의 회전을 야기하여, 그 회전하는 자화와 제 2 고정층의 자화와의 사이의 상대 각도에 기인하여 검출용 스핀 밸브층의 자기 저항이 주기적으로 변화하므로, 세차운동의 주기에 상당한 전자 신호가 얻어지는 것이다.
비특허문헌 1 : 스즈키 요시시게 등, 「스핀 주입 소자의 고주파 특성 -발진·다이오드 효과와 마그네틱 노이즈-」, 마그네, 일본 자기 학회, 2007년, 제 2 권 제 6 호, p282
상술한 바와 같이, 이러한 스핀 밸브 소자로부터 마이크로파의 발진을 얻으려면, 직류 전류와 직류 외부자장을 동시에 스핀 밸브 소자에 인가하는 것이 필요하다. 이 중, 외부 자장을 인가하려면, 코일과 코어를 구비한 전자석이나 영구자석 등이 필요하다. 이러한 자석을 이용하기 위해서는 부수하는 부품도 포함하면, 통상 수 10㎚의 치수인 스핀 밸브 소자 본체와 비교하여 용적이 큰 부품이 필요하며, 그 크기는 인가하는 외부 자장이 강해질수록 크게 할 필요가 있다. 게다가 전자석 등의 전류를 이용하여 자장을 발생시키기 위해서는 그를 위한 전력이 필요한데, 그 전력을 공급하기 위한 수단에 대해서도 큰 용적을 차지하는 동시에, 소비 전력을 증대시켜, 발생시키는 자장의 세기에 비례하여 큰 것이 필요하다. 이 때문에, 외부 자장으로서 강한 자계를 인가하는 것이나, 외부 자장 그 자체를 이용하는 것 그 자체가 소자 전체를 소형화하기 위해서는 큰 장해가 되고 있다. 이상과 같이, 외부 자장을 가능한 한 약하게 하거나, 혹은 전혀 이용하지 않고 스핀 밸브 소자로부터 마이크로파의 발진을 얻는 구동 방법이 요구되고 있다.
또한, 스핀 밸브 소자의 초기 상태는 소자 제작시에는 특정할 수 없다고 하는 문제가 있다. 예를 들면, 다수의 스핀 밸브 소자에 일정한 스핀 주입 전류를 흘린 경우, 마이크로파 발진이 얻어지는 소자와 얻어지지 않는 소자가 혼재하여, 특성이 일정하지 않다고 하는 문제가 있었다.
이와 같이, 스핀 밸브 소자를 전류 구동하는 경우의 스핀 밸브 소자의 초기 상태를 특정하며, 따라서 스핀 밸브 소자로부터의 마이크로파 발진 특성을 안정화 하는 수단이 요구되고 있었다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여, 약한 외부 자장에 의해, 또는 외부 자장을 전혀 이용하지 않고 스핀 밸브 소자를 구동하여 마이크로파를 발진시키는 것, 그러한 스핀 밸브 소자를 얻는 것, 또한 스핀 밸브 소자의 발진 여부를 제어하는 것 중 적어도 어느 하나의 문제를 해결하는 것을 과제로 한다.
본 발명은 방법 발명으로서 실시할 수 있다. 즉, 절연층 또는 비자성(도전)층인 중간층과, 상기 중간층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층을 구비하며, 상기 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력(coercivity)이 서로 상이한 스핀 밸브 소자로부터 전자 신호를 얻는 스핀 밸브 소자의 구동 방법으로서,
상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층은 상기 고정층의 막면에 거의 수직이 되는 방향으로 자화되고 있으며,
상기 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 상기 중간층을 통과시켜 전류를 흘리는 구동 단계를 포함하여 이루어지며,
상기 구동 단계에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값(X)과 외부 자장의 크기의 값(Y)으로 이루어지는 값의 세트가, 제 1 조건인:
(A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0 (1)과,
제 2 조건인:
A>0의 경우에,
-1<((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (2),
A<0의 경우에,
((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (3)
을 모두 만족하는 값의 세트로 된, 스핀 밸브 소자의 구동 방법이 제공된다.
단, 상기 전류의 값은, 상기 고정층으로부터 상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층으로 향하는 방향을 양(正)으로 하도록 표현한 전류의 값이며, A 및 B는, 각각 A=αγHu 및 B=αγ이며, 여기서, α는 길버트의 댐핑 정수(Gilbert damping constant), γ는 자기 자이로 정수(gyromagnetic ratio), Hu는 프리층의 결정 이방성 자장과 반자장의 합으로 이루어지는 자장의 프리층에 수직인 성분이며, C 및 D는, P를 스핀 편극도, μ를 보어 자자(磁子), Ms를 프리층의 포화 자화, V를 프리층의 체적, e를 전자의 전하로 하여, 상기 중간층이 절연층인 경우는,
C=μP/(Ms×V×e) (4)
D=P2 (5) 이며,
상기 중간층이 비자성(도전)층인 경우는,
C=(μP/(Ms×V×e))/(-16+3(P1 /2+P-1/2)3) (6)
D=(P1 /2+P-1/2)3/(-16+3(P1 /2+P-1/2)3) (7)
이다.
또한, 본 발명은 상술한 구동 방법으로서, 상기 구동 단계에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자가 외부 자장을 인가하지 않고 구동되며, 상기 전류의 값(X)이 상기 제 1 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 3 조건인:
A2+4ADCX>0 (8)와,
상기 제 2 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 4 조건인:
A>0의 경우에,
-1<(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<(A+(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (9),
A<0의 경우에,
(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (10)
를 모두 만족하는 X의 값으로 할 수 있다.
본 발명의 어느 하나의 태양에 의해, 외부 자장을 약하게 하여도 발진할 수 있는 마이크로파 발진 소자를 스핀 밸브 소자에 의해서 실현할 수 있다. 또한, 외부 자장을 인가하지 않아도 발진할 수 있는 마이크로파 발진 소자의 구동 방법 또는 그러한 발진 소자를 얻을 수 있다.
도 1은 GMR 소자에 있어서, 외부 자장과 스핀 주입 전류가 지배적인 경우의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타낸 설명도.
도 2는 TMR 소자에 있어서, 결정 이방성 자장과 스핀 주입 전류가 지배적인 경우의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타낸 설명도.
도 3은 도 2의 조건에서, 전류값을 파라미터로 하여, 토크(Tθ)의 θ의존성에 대한 영향을 나타낸 설명도.
도 4는 수직 자화 스핀 밸브 소자의 발진 가능 영역의 계산예.
도 5는 본 발명의 TMR 소자에 있어서, 결정 이방성 자장과 스핀 주입 전류가 지배적인 경우의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타낸 설명도(이방성 자장 -900kA/m, 외부 자장 0A/m, 전류 30㎂).
도 6은 실시예 1의 세차운동의 계산예. 도 6(a)는 자화 단위벡터의 시간 변화를 나타내며, mx, my, mz는 각각 x축, y축, z축방향의 벡터 성분을 나타낸다. 도 6(b)는 자화 단위벡터의 궤적을 나타내는 설명도.
도 7은 실시예 1의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타내는 특성도.
도 8은 실시예 2의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타내는 특성도.
도 9는 실시예 3의 토크(Tθ)의 θ의존성을 나타내는 특성도.
도 10은 TMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 나타내는 단면도.
도 11은 GMR을 이용한 스핀 밸브 소자의 기본 구성 부분을 나타내는 단면도.
도 12는 극좌표에서의 자화 벡터와 자장의 방향을 나타낸 설명도.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 도면을 적절히 참조하여 설명한다. 본 발명의 주된 기술적 포인트는, 고정층의 자화 방향이 막면에 수직인 경우, 전류에 의해 주입되는 스핀의 영향에 의해, 프리층의 자화는, 외부 자장과 프리층 내부의 이방성 자장 및 막면에 수직인 반자장에 의해 생성되는 실효적인 자장(국소적인 겉보기 자장)에 길항하여 안정한 세차운동을 행하는 것이 가능한 것이나, 그 결과 외부 자장을 약하게 하여도, 혹은 전혀 인가하지 않는 경우여도, 전류에 의해서만 마이크로파의 발진이 가능한 것을 발견한 점에 있다.
우선, 본원 발명자는, 현실의 소자에서 발생하고 있는 현상에 대해 이론적 해석을 행하여, 스핀 밸브 소자의 발진에 있어서, 어떠한 외부 자장, 구동 전류에 대해 발진이 실현되는지를 검토하였다.
가장 간단한 경우를 나타내는 일례로서, 이방성 자장이 작고, 외부 자장과 스핀 주입 전류가 지배적인 경우를 모델로서 고려한다. 따라서, 상술한 식(23)에서 제 2, 3 항만을 고려하여, 외부 자장의 방향은 프리층의 자화가 고정층의 자화와 평행보다 반평행을 향하는 방향으로 하며, 스핀 주입 전류의 방향을 프리층의 자화가 고정층의 자화와 반평행보다 평행을 향하는 전류의 방향으로 하는 설정을 고려한다. 주의할 것은, 상기 설정을 위해서는 외부 자장의 공간적인 방향의 설정이 2개 선택될 수 있고, 고정층의 자화의 방향을 각각의 경우에서 외부 자장의 방향과는 반대로 설정할 필요가 있다는 것이다. 즉, 제 1 경우는, 외부 자장을 θ=0의 방향, 고정층의 자화를 θ=π의 방향으로 하는 경우이며, 도 12와 동일한 방향이다. 또 하나의 제 2 경우는, 외부 자장을 θ=π의 방향, 고정층의 자화를 θ=0으로 하는 경우이며, 도 12의 자장의 방향과는 반대가 된다. 어느 경우여도, 전류는 프리층으로부터 고정층으로(전자가 고정층으로부터 프리층으로) 향하는 방향이라고 하면, 동작면에서 보면, 상술한 바와 같이, 외부 자장의 방향은 고정층의 자화와 평행보다 반평행을 향하는 방향이 되며, 스핀 주입 전류의 방향은 프리층의 자화가 고정층의 자화와 반평행보다 평행을 향하는 전류의 방향(즉 전자가 고정층으로부터 프리층으로 향하는 방향)이 된다. 이하의 계산에 있어서는, 상기 설정의 제 2 경우(θ=π의 경우)로 하고 있지만, 제 1 경우(도 12의 경우)여도 수식 상은 동등하다.
상기 경우에 대한 토크(Tθ)의 θ의존성을 GMR의 경우에 대해 산출하면, 도 1과 같이 된다. 여기서, 계산의 조건은, 이방성 자장 0kA/m, 외부 자장 -100A/m, 전류 -50㎂이다. 토크(Tθ)의 부호는, 프리층의 자화를 z축의 양으로부터 음(負)을 향하는 방향의 토크를 양이 되도록 나타내고 있다. 또한, 전류의 부호는, 프리층의 자화에 z축의 양의 방향으로부터 음의 방향을 향하는 토크(양의 토크)를 부여하는 방향의 전류가 양이 되도록 하고 있다. 도 1에서는, 외부 자장과 스핀 주입 전류의 효과를 비교하기 쉽도록, 스핀 주입 전류 기인의 항에 대해 극성을 반대로 한 값도 나타내고 있다. 도 1의 경우, 프리층의 자화에 작용하는 총 토크(Tθ)는, 점(S1)으로 나타낸 바와 같이, θ=1.88 부근에서 0이며, 또한 식(25)을 만족하므로, 안정된 세차운동이 얻어진다. 또한 도 12와는 반대의 경우, 즉, z축의 양의 방향을 고정층의 자화의 방향(막면에 수직)으로 정렬하도록 좌표축을 정하면, 상기의 계산의 조건은, 외부 자장의 방향이 z축의 음의 방향으로 향하여 있고, 주입 전류의 방향이 전자가 고정층으로부터 프리층으로 흐르는 방향으로서 실현되어, 그때의 계산 결과도 마찬가지가 된다.
상술한 바에 더하여, 본원 발명자는, 프리층의 재료의 결정 이방성에 기인한 결정 이방성 자계와 막형상에 의존한 반자계가 존재하는 점에도 주목하였다. 이 경우의 해석예를 도 2에 나타낸다. 여기서, 이방성 자장을 고려하는 경우에는, 막면에 수직인 방향으로 결정 이방성 자장과 반자장은 서로 토크에 대한 효과가 상쇄하도록 작용한다. 구체적으로는, 결정 이방성 자장은 프리층의 자화를 막면의 면내 방향보다 막면 수직 방향(z축의 양음의 방향)으로 향하게 하는 자장으로서 생성되지만, 반자장은 그 반대로 프리층의 자화를 막면 수직 방향(z축의 양음의 방향)보다 막면의 면내 방향으로 향하게 하는 자장으로서 생성된다. 도 2의 예에서는, 반자장에 비해 결정 이방성 자장이 지배적인 경우(이방성 자장>0)에 대해 시산(試算)하고 있다. 여기에서는, 이방성 자장 900kA/m, 외부 자장 -100A/m, 전류 -40㎂로 하였다. 자화의 세차운동이 얻어지는 조건에 맞는 안정점은, 점(S2)으로 나타낸 바와 같이, θ=2.5 부근에 존재하며, 안정한 세차운동이 가능하다는 것을 알 수 있다. 상기 세차운동을 직관적으로 설명한다면, 프리층의 자화를 고정층의 자화에 대해 반평행 상태로부터 평행 상태로 향하게 하기 위한 스핀 주입 전류 기인의 토크와, 평행 상태로부터 반평행 상태로 향하게 하기 위한 토크로서, 외부 자장과 수직 방향을 선호하는 이방성 자장을 기원으로 하는 토크가 서로 길항하고 있기 때문이라고 이해할 수 있다. 결정 이방성 자장에 비해 반자장이 지배적인 경우(이방성 자장<0)에는, 스핀 주입 전류의 극성을 상기와 역으로 하는 것 등에 의해, 양자의 토크가 길항하는 조건을 찾아낼 수 있다. 이방성 자장보다 충분히 큰 외부 자장을 부여하면, GMR에 대한 작은 이방성 자장의 계산예를 나타낸 도 1과 동일한 특성이 된다.
다음으로, 도 2의 결과를 조건을 더 변경하여 이론 해석을 시도하였다. 도 3은, 도 2와 마찬가지로, 프리층 재료의 결정 이방성에 기인한 결정 이방성 자장, 막형상에 의존한 반자장, 외부 자장, 및 주입 스핀 모두가 프리층 막면에 수직인 소자를 이용한 경우에 있어서, 이방성 자장을 900kA/m, 외부 자장을 ―100A/m로 하고, 발진이 얻어지는 각도 부근의 Tθ의 변화를, 주입 전류를 파라미터로서 나타낸 것이다. 발진을 얻기 위해 필요한 안정된 세차운동을 얻기 위해서는, 주입 전류가 특정의 범위로 한정되는 것을 알 수 있다. 구체적으로는, 주입 전류가 ―50㎂인 경우에는, 식(24)과 식(25)을 동시에 만족하는 점, 즉 θ방향의 토크의 값이 0이 되어 우측 하부의 접선을 가지는 점은 θ가 0보다 크고 π 미만인 영역에서는 얻어지지 않는다. 주입 전류를 ―40㎂로 하면, 이러한 조건을 만족하는 점이, 점(S3A)으로 나타내는 바와 같이, θ=2.5 부근에 존재하기 때문에, 안정한 세차운동이 이 점에서 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 주입 전류를 ―40㎂로 하는 것은 도 2의 결과가 얻어진 계산 조건과 동일하다. 더욱이, 주입 전류를 ―30㎂로 하면, 점(S3B)으로 나타낸 바와 같이, θ=2.85 부근으로 상기 점이 이동하지만, 아직 안정한 세차운동이 가능하다. 그러나, 주입 전류를 ―20㎂로 하면, 이러한 조건을 만족하는 점을 다시 확인할 수 없게 된다.
상기한 바와 같은 이론 해석을 보다 상세하게 설명한다. 이론적인 특성을 해석적으로 나타내면 이하와 같다. 즉, 식(23), 즉 Tθ=-αγHusinθcosθ-αγHextsinθ+βST(θ)Isin(θ)=0에서의 θ=0, π 이외의 일반해는,
αγHucosθ+αγHext-βST(θ)I=0 (26)
을 풀어 얻어진다. βST(θ)의 일반형을 βST(θ)=C/(1+Dcosθ)로 하고, 식(26)을,
Acosθ+BY-CX/(1+Dcosθ)=0 (27)
(단, A=αγHu, B=αγ, X=1, Y=Hext)
로 나타내면, 이는 cosθ에 관한 2차 방정식이 되므로,
cosθ=(-(A+BYD)±((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)
를 얻는다. 즉, 식(27)이 ―1<cosθ<1에서 실수해(real solution)를 가지는 것이 발진을 얻는 조건이 된다. 구체적으로는,
(A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0 (28)
-1<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (29)
-1<((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (30)
가 된다. 식(28)~식(30)을 만족하는 X(=주입 전류(I))와 Y(=외부 자장(Hext))를 구하면 발진 가능 영역이 구해진다.
상기와 같은 해석을 전류와 외부 자장의 조합에 대해 행한 구체적인 계산예를 도 4에 나타낸다. 도 4(a)는 결정 이방성 자장이 지배적인 경우(이방성 자장>0), 도 4(b)는 반자장이 지배적인 경우(이방성 자장<0)에 대해서, 각각 식(28)~식(30)의 수치계산예를 나타내는 것이다. 예를 들면 도 4(a)에 있어서, 곡선(L1)의 우측에서는 식(28)이 만족되며, 곡선(L2)의 좌측에서는 식(29) 및 식(30)이 동시에 만족되므로, 곡선(L1)과 곡선(L2) 사이의 영역에서는, cosθ에 실수해가 θ=0, π 이외에 2개 존재한다. 이는 도 2에 상당하는 조건이다. 곡선(L2)의 우측에서는 식(30)이 만족되지 않아, cosθ의 실수해는 1개가 되는데, 이는, 예를 들면 도 3에서의 전류 -20㎂인 경우에 상당하여, 식(25)이 만족되지 않으므로, 안정한 세차운동은 실현되지 않는다. 곡선(L3)의 우측에서는 식(29)도 만족되지 않아, cosθ의 실수해는 존재하지 않게 된다. 이와 같이, 결정 이방성 자장이 지배적인 경우(이방성 자장>0), 즉, A>0의 경우에는, 안정한 세차운동이 얻어지는 조건은 곡선(L1)과 곡선(L2) 사이의 영역, 즉, 이하의 조건이 된다.
(A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0 (1)
에 있어서,
-1<((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (2)
한편, 도 4(b)에 있어서는, 곡선(L4)의 좌측에서는 식(28)이 만족되며, 곡선(L5)의 우측에서는 식(29) 및 식(30)이 동시에 만족되므로, 곡선(L4)과 곡선(L5) 사이의 영역에서는, cosθ에 실수해가 2개 존재한다. 곡선(L5)의 좌측에서는 식(29)이 만족되지 않아, cosθ의 실수해는 1개가 되지만, 이 경우는 식(25)이 만족되므로, 안정한 세차운동이 실현된다. 곡선(L6)의 좌측에서는 식(29)도 만족되지 않으므로, cosθ의 실수해는 존재하지 않게 된다. 이와 같이, 반자장이 지배적인 경우(이방성 자장<0), 즉 A<0의 경우에는, 안정한 세차운동이 얻어지는 조건은 곡선(L5)과 곡선(L6) 사이의 영역, 즉 이하의 조건이 된다.
(A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0 (1)
에 있어서,
((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1 (3)
또한, 동일 내용의 표식에는 동일한 식 번호를 이용하고 있다.
도 4는, 프리층의 포화 자화, 이방성 자장, 프리층 체적 등으로서 특정 값을 사용하여 시산한 것이지만, 상술한 해석에 의해 얻어진 조건은, 이러한 값을 임의의 값으로 한 경우인 일반의 경우에도 적용 가능한 범용성을 가지는 것이다. 계산에 이용한 파라미터와 주된 물리 정수를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112010024402489-pct00001
또한, 상기 해석에 의해 명확해진 것은, 상기의 해석에서 외부 자장을 0으로 한 경우에서도 발진 조건을 만족하는 전류 조건이 존재한다는 것이다. 즉, 식(28)~식(30)에 있어서 Y=0으로 하면,
A2+4ADCX >0 (31)
-1< (A+(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (32)
-1< (A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (33)
이 얻어진다. 상기와 같은 고찰에 의해, 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값(X)이 하기의 범위이면, 안정한 세차운동이 실현되고, 마이크로파를 발진할 수 있다. 즉,
A2+4ADCX>0 (8)
에 있어서,
A>0의 경우에는,
-1<(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<(A+(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (9)
를 만족하며, A<0의 경우에는,
(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1 (10)
를 만족하는 전류의 값(X)에 대해서는, 마이크로파를 발진할 수 있다. 특히, A<0의 경우의 토크(Tθ)의 θ의존성의 일례를 도 5에 나타낸다. 반자장은, 프리층의 자화를 막면 수직 방향(z축의 양음의 방향)보다 막면의 면내 방향으로 향하게 하는 성질이 있지만, 스핀 주입 전류와 길항하여 안정한 세차운동이 가능하다는 것을 알 수 있다.
상기 시산은, 프리층 재료의 결정 이방성에 기인한 결정 이방성 자장, 막형상에 의존한 반자장, 외부 자장, 및 주입 스핀 모두가 프리층 막면에 수직인 소자에 대한 것이었다. 박막에서의 반자장은, 기본적으로 막면에 수직 방향으로 있으므로, 상기의 시산의 전제에 적합하다. 또한, 고정층의 자화가 막면에 수직이므로, 주입 스핀도 막면에 수직이다. 이에 대해, 결정 이방성 자장은 강자성체 재료의 종류와 제법에 의해 막면에 수직 또는 평행이 될 수 있는 것이다. 그렇지만, 통상 이용되는 프리층에서는, 자화 반전하기 쉬운 재료와 구조로 되어 있어, 결정 이방성 자장은 실용상 충분히 작고, 식(28)~식(30)은 우수한 근사로 성립되어 있다.
또한, 상기의 시산에서는 주로 TMR의 예를 이용하였지만, GMR의 경우도 마찬가지의 결론이 얻어지는 것은 자명하다.
여기서, 예를 들면 도 2의 예로부터, 식(24)을 만족하는 cosθ의 실수해가 θ=0, π 이외에 2개 존재하는 경우에는, 스핀 밸브 소자에 마이크로파 발진 상태에 상당하는 전류를 흘렸을 때에, 총 토크는, θ가 약 1.8~2.5의 범위에서 플러스, 약 2.5~3.14의 범위에서 마이너스 값이 된다. 이 때문에, 초기 상태의 θ가 약 1.8~3.14의 범위의 위치에 있으면, 자화는 원만한 발진 상태(θ=2.5 부근)로 이행한다. 한편, 초기 상태의 θ가 약 1.8 이하이면, 자화는 θ=0의 위치로 이행하여 발진 상태에 도달하지 않는다. 이는 마이크로파의 발진을 얻을 수 있는지 얻을 수 없는지가 일정하지 않은 상황에 대하여, 초기 상태의 제어에 의해 마이크로파 발진의 여부를 제어할 수 있음을 의미한다. 이 구체적인 수단으로서는, A>0의 경우에는, 0~π의 범위에서 토크가 양이 되도록 해두고, θ=π로 초기화하는 것이 유효하다. θ가 0~π의 범위에서 토크가 양이 되는 것은, 도 4(a)에 있어서, 곡선(L1)의 좌측 영역이다. 즉, 구동 초기에 하기 식(11)을 만족하는 전류를 스핀 밸브 소자에 흘림으로써 초기화를 행할 수 있다.
1<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD) (11)
또한, A<0의 경우에는, 예를 들면 도 5에 있어서는 θ=π부근의 상태를 θ=1.8 이하로 이행시키면 된다. 이는, 도 4(b)에서는 곡선(L5)의 좌측으로 이행시키는 것에 상당한다. 즉, A<0의 경우에는, 구동 초기에 하기 식(12)을 만족하는 전류를 스핀 밸브 소자에 흘림으로써 초기화를 행할 수 있다.
((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<-1 (12)
본 발명의 구동 방법을 이용하는 스핀 밸브 소자를 구성하는 재료로서, 기판(5)으로서는 실리콘 기판, 유리 기판이 가능하고, 또한 히트 싱크(heat sink)로서의 기능이 우수한 구리 기판도 가능하며, 필요에 따라서 이들을 수냉 등의 방법으로 냉각하는 것도 가능하다. 전극층(21, 29, 31)으로서 Ta, Pt, Cu, Au, Ag, Al, Mo, 반강자성층(22)으로서 IrMn, PtMn, 강자성층(23; 고정층)으로서는 수직 자화가 용이하게 얻어지는 CoCrTa, CoCrPt, TbFe, TbFeCo, GdFe, GdCo가 바람직하며, 절연층(24)으로서 MgO, AI산화물, 비자성(도전)층(51)으로서 Cu, 강자성층(25; 프리층)으로서는, 일반적으로 이용되는 CoFe, CoFeB 이외에, 수직 이방성이 용이하게 얻어지는 TbFe, TbFeCo, GdFe, GdFeCo 등이나, 결정 이방성이 작은 NiFe가 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 캡핑층(27)으로서는 Cu, Pd를 대표예로서 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 강자성층(23; 고정층)과 강자성층(25; 프리층)의 재질을 동일하게 하고, 전자의 막 두께를 후자의 막 두께보다 크게 함으로써, 보자력 차이를 더하여 스핀 밸브 기능을 발현하는 것도 널리 행해지고 있다. 이들을 적층 후, 각 층의 결정성이나 고정층의 자기 이방성을 조정하기 위해, 자장 중 어닐링을 실시하는 것이 유효하다. 또한 필요에 따라서, 강자성층(23; 고정층)을, 예를 들면 CoFeB/Ru/CoFeB 등 반강자성 결합막으로 하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 스핀 밸브 소자를 전류만의 구동으로 마이크로파의 발진을 얻는 수단을 제공할 수 있다. 이하, 상기 실시형태에서 실제로 얻어지는 실시예에 대해 설명한다.
실시예 1
TMR 방식의 스핀 밸브 소자를 이하의 순서로 제작하였다. 즉, 두께 10㎚의 산화막이 부착된 실리콘 기판(5) 위에, 전극층(21)으로서 Cu(30㎚) 박막을 형성하였다. 그 후, 강자성층(23)으로서 CoCrTa(20㎚), 절연층(24)으로서 MgO(0.6㎚), 강자성층(25)으로서 NiFe(21㎚), 센싱층으로서 CoFe(2㎚), Cu(0.6㎚), CoFe(20㎚), 캡핑층(26)으로서 Cu(2㎚)를 순서대로 적층하였다. 또한 네거티브 레지스트를 도포하고, 전자선 조사에 의해 패터닝을 실시하여, 이온 밀링(ion milling)에 의해 100㎚×100㎚의 원기둥 형상의 스핀 밸브 소자를 50개 형성하였다. CVD법에 의해 SiO2막을 형성한 후, 스핀 밸브 소자 위의 레지스트를 리프트 오프(lift off)에 의해 제거하고, 상부 전극을 형성한 후, 4kOe 정도의 자장 중에서, 350℃로 어닐링을 행하여, 실시예 1의 시료로 하였다. 상기 어닐링 처리에서는, 강자성층(23; 고정층)의 자화는 막면에 수직이 되도록 하였다(이하, 「수직 자장」이라고 한다).
실시예 2
TMR 방식의 스핀 밸브 소자를 이하의 순서로 제작하였다. 즉, 두께 10㎚의 산화막이 부착된 실리콘 기판(5) 위에, 전극층(21)으로서 Cn(30㎚) 박막을 형성하였다. 그 후, 강자성층(23)으로서 TbFeCo(20㎚), 절연층(24)으로서 MgO(0.6㎚), 강자성층(25)으로서 GdFeCo(2㎚), 센싱층으로서 CoFe(2㎚), Cu(0.6㎚), CoFe(20㎚), 캡핑층(26)으로서 Cu(2㎚)를 순서대로 적층하였다. 또한 네거티브 레지스트를 도포하고, 전자선 조사에 의해 패터닝을 실시하여, 이온 밀링에 의해 100㎚×100㎚의 원기둥 형상의 스핀 밸브 소자를 50개 형성하였다. CVD법에 의해 SiO2막을 형성한 후, 스핀 밸브 소자 위의 레지스트를 리프트 오프에 의해 제거하고, 상부 전극을 형성한 후, 4kOe 정도의 수직 자장 중에서, 350℃로 어닐링을 행하여, 실시예 2의 시료로 하였다.
실시예 3
GMR 방식의 스핀 밸브 소자를 이하의 순서로 제작하였다. 즉, 두께 10㎚의 산화막이 부착된 실리콘 기판(5) 위에, 전극층(21)으로서 Cu(30㎚) 박막을 형성하였다. 그 후, 강자성층(23)으로서 CoCrTa(20㎚), 비자성(도전)층(51)으로서 Cu(0.6㎚), 강자성층(25)으로서 NiFe(2㎚), 센싱층으로서 CoFe(2㎚), Cu(0.6㎚), CoFe(20㎚), 캡핑층(26)으로서 Cu(2㎚)를 순서대로 적층하였다. 또한 네거티브 레지스트를 도포하고, 전자선 조사에 의해 패터닝을 실시하여, 이온 밀링에 의해 100㎚×100㎚의 원기둥 형상의 스핀 밸브 소자를 50개 형성하였다. CVD법에 의해 SiO2막을 형성한 후, 스핀 밸브 소자 위의 레지스트를 리프트 오프에 의해 제거하고, 상부 전극을 형성한 후, 4kOe 정도의 수직 자장 중에서, 250℃로 어닐링을 행하여, 실시예 3의 시료로 하였다.
상술한 실시예 1~3의 소자에, 이하의 조건의 전류를 흘려 시험을 행하였다. 각 50개 측정 결과의 평균을 표 2에, 계산 결과를 도 6~도 9에 나타낸다.
[표 2]
Figure 112010024402489-pct00002
이 중, 도 6은, 실시예 1의 조건에 대해서, 식(14)의 LLG 방정식을 4차의 룬게쿠타(Runge-Kutta)법에 의해 수치 해석한 결과이며, 도 7에서 얻어진 Tθ=1.88(점(S7))에 대응하는 좌표에서, 안정한 세차운동을 하고 있음을 알 수 있다. 단, 도 7의 횡축의 시간은, (γMs)-1로 규격화되어 있으며(γ: 자이로 정수, Ms: 포화 자화), 단위 시간은 약 42psec에 상당한다. 도시는 생략하지만, 실시예 2, 3에 대해서도 동일한 결과를 얻었다. 도 7~도 9로부터 실시예 1~3의 조건이 식(8)~식(10)의 조건을 만족하는 것은 자명하다. 도 8, 9에는 안정한 세차운동이 실현되는 θ의 위치를 점(S8) 및 점(S9)로 나타내고 있다. 또한, 실시예 1~3의 소자를 측정하는 경우에 있어서, 제작 직후의 소자에 표 1의 전류를 인가했을 때, 50개의 시료 중 발진이 얻어진 것은, 각각, 42개, 17개, 50개였다. 다음으로, 실시예 1과 2의 시료 모두에, 각각 ―5㎂, 5㎂의 전류를 1초간 인가하여 동일한 측정을 행하면, 어느 실시예의 시료에서도, 50개 중 50개의 소자에서 발진이 확인되었다. 각각의 전류값은 식(12) 및 식(11)을 만족하는 것이다. 이러한 결과 및 표 1의 결과로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 의해, 외부 자장을 인가하지 않고, 전류만의 구동으로 안정된 마이크로파 출력이 얻어졌다.
이상, 본 발명에 의해, 스핀 밸브 소자를 전류만의 구동으로 마이크로파의 발진을 얻는 수단을 제공할 수 있었다. 본 발명의 실시형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 각종의 변형, 변경 및 조합이 가능하다. 예를 들면, 스핀 밸브 소자로서 동작시키기 위해서, 소정의 발진 조건을 만족하는 전류를 조정하는 단계나 수단을 구비하여 외부 자장이 인가되지 않을 때에 안정된 발진 신호를 얻을 수 있다. 이 때문에, 필요한 전류를 조정하는 수단은, 임의의 전류 제어 기구나 제한 기구를 이용할 수 있다.
5 : 기판 21 : 하부 전극층
22 : 반강자성층(피닝층) 23 : 강자성층(고정층)
24 : 절연층 25 : 강자성층(프리층)
26 : 캡핑층 27 : 전극층
29 : 중간 전극층 30 : 절연층
51 : 비자성(도전)층

Claims (8)

  1. 절연층 또는 비자성층인 중간층과, 상기 중간층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층을 구비하며, 상기 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력(coercivity)이 서로 상이한 스핀 밸브 소자로부터 전자 신호를 얻는 스핀 밸브 소자의 구동 방법으로서,
    상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층은 상기 고정층의 막면에 수직이 되는 방향으로 자화되고 있으며,
    상기 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 상기 중간층을 통과시켜 전류를 흘리는 구동 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 구동 단계에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값(X)과 외부 자장의 크기의 값(Y)으로 이루어지는 값의 세트가, 제 1 조건인:
    (A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0과,
    제 2 조건인:
    A>0의 경우에,
    -1<((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1,
    A<0의 경우에,
    ((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1
    을 모두 만족하는 값의 세트로 되며,
    단, 상기 전류의 값은, 상기 고정층으로부터 상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층으로 향하는 방향을 양(正)으로 하도록 표현한 전류의 값이며, A 및 B는, 각각 A=αγHu 및 B=αγ이며, 여기서, α는 길버트의 댐핑 정수(Gilbert damping constant), γ는 자기 자이로 정수(gyromagnetic ratio), Hu는 프리층의 결정 이방성 자장과 반자장의 합으로 이루어지는 자장의 프리층에 수직인 성분이며, C 및 D는, P를 스핀 편극도, μ를 보어 자자(磁子), Ms를 프리층의 포화 자화, V를 프리층의 체적, e를 전자의 전하로 하여, 상기 중간층이 절연층인 경우는,
    C=μP/(Ms×V×e)
    D=P2이며,
    상기 중간층이 비자성층인 경우는,
    C=(μP/(Ms×V×e))/(-16+3(P1/2+P-1/2)3)
    D=(P1/2+P-1/2)3/(-16+3(P1/2+P-1/2)3)
    인, 스핀 밸브 소자의 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 단계에 있어서, 상기 스핀 밸브 소자가 외부 자장을 인가하지 않고 구동되며, 상기 전류의 값(X)이 상기 제 1 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 3 조건인:
    A2+4ADCX>0과,
    상기 제 2 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 4 조건인:
    A>0의 경우에,
    -1<(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<(A+(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1,
    A<0의 경우에,
    (A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1
    를 모두 만족하는 값으로 되는, 스핀 밸브 소자의 구동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    A>0의 경우에는, 상기 구동 단계의 개시 전의 소정 기간에 하기 식:
    1<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)
    을 만족하는 X의 값을 가지는 전류를 스핀 밸브 소자에 흘리는, 스핀 밸브 소자의 구동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    A<0의 경우에는, 상기 구동 단계의 개시 전의 소정 기간에 하기 식:
    ((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<-1
    을 만족하는 X의 값을 가지는 전류를 스핀 밸브 소자에 흘리는, 스핀 밸브 소자의 구동 방법.
  5. 절연층 또는 비자성층인 중간층과,
    상기 중간층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층을 구비하여 이루어지며, 상기 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력이 서로 상이하게 되어, 상기 중간층을 통과하여 상기 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 흐르는 전류에 의해 구동하여 전자 신호를 얻기 위한 스핀 밸브 소자로서,
    상기 구동 시에, 상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층이 상기 고정층의 막면에 수직이 되는 방향으로 자화되어 있고,
    상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층은, 상기 구동 시에, 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값(X)과 외부 자장의 크기의 값(Y)으로 이루어진 값의 세트가, 제 1 조건인:
    (A+BYD)2-4AD(BY-CX)>0과
    제 2 조건인:
    A>0의 경우에,
    -1<((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<((A+BYD)+((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1
    A<0의 경우에,
    ((A+BYD)-((A+BYD)2-4AD(BY-CX))0.5)/(2AD)<1
    를 모두 만족하는 값의 세트를 취할 수 있도록 되어 있는 강자성층이며,
    단, 상기 전류의 값은, 상기 고정층으로부터 상기 프리층으로 향하는 방향을 양으로 하도록 표현한 전류의 값이며, A 및 B는, 각각 A=αγHu 및 B=αγ이며, 여기서, α는 길버트의 댐핑 정수, γ는 자기 자이로 정수, Hu는 프리층의 결정 이방성 자장과 반자장의 합으로 이루어지는 자장의 프리층에 수직인 성분이며, C 및 D는, P를 스핀 편극도, μ를 보어 자자, Ms를 프리층의 포화 자화, V를 프리층의 체적, e를 전자의 전하로 하여, 상기 중간층이 절연층인 경우는,
    C=μP/(Ms×V×e)
    D=P2이며,
    상기 중간층이 비자성층인 경우는,
    C=(μP/(Ms×V×e))/(-16+3(P1/2+P-1/2)3)
    D=(P1/2+P-1/2)3/(-16+3(P1/2+P-1/2)3)
    인, 스핀 밸브 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 구동 시에 외부 자장이 인가되지 않으며, 상기 프리층은 상기 구동 시에 상기 제 1 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 3 조건인:
    A2+4ADCX>0과,
    상기 제 2 조건에 있어서 Y=0으로 하여 얻어지는 제 4 조건인:
    A>0의 경우에,
    -1<(A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<(A+(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1,
    A<0의 경우에,
    (A-(A2+4ADCX)0.5)/(2AD)<1
    를 상기 전류의 값(X)이 모두 만족할 수 있도록 되어 있는 강자성층인, 스핀 밸브 소자.
  7. 절연층 또는 비자성층인 중간층과, 상기 중간층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층을 구비하고, 상기 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력이 서로 상이하며, 상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층이 상기 고정층의 막면에 수직이 되는 방향으로 자화되어 이루어진 스핀 밸브 소자로부터 전자 신호를 얻는 스핀 밸브 소자의 구동 방법으로서,
    상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층에는 외부 자장이 인가되지 않고, 상기 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 상기 중간층을 통과시켜 전류를 흘리는 구동 단계를 포함하여 이루어지며,
    상기 프리층은, 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값이 상기 구동 단계에 있어서 소정의 발진 조건을 만족하는 값을 취할 수 있는 포화 자화와 이방성 자장을 나타내는 강자성층으로 되어 있고,
    상기 구동 단계에 있어서, 구동을 위한 상기 전류가 상기 소정의 발진 조건을 만족하도록 전류를 조정하는 단계를 더 포함하는, 스핀 밸브 소자의 구동 방법.
  8. 절연층 또는 비자성층인 중간층과,
    상기 중간층을 사이에 끼우는 한 쌍의 강자성층을 구비하여 이루어지며, 상기 한 쌍의 강자성층의 각 층의 보자력이 서로 상이하게 되어, 상기 중간층을 통과하여 상기 한 쌍의 강자성층의 일방으로부터 타방으로 흐르는 전류에 의해서 구동하여 외부 자장을 인가하지 않고 전자 신호를 얻는 스핀 밸브 소자로서,
    상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 큰 강자성층인 고정층이 상기 고정층의 막면에 수직이 되는 방향으로 자화되어 있으며,
    상기 한 쌍의 강자성층 중 보자력이 작은 강자성층인 프리층은, 스핀 밸브 소자에 흐르는 전류의 값이 상기 구동 시에 소정의 발진 조건을 만족하는 값을 취할 수 있는 포화 자화와 이방성 자장을 나타내는 강자성층으로 되어 있고,
    상기 고정층 또는 상기 프리층의 적어도 어느 하나에 접속되어, 상기 구동을 위한 전류를 상기 소정의 발진 조건으로 하기 위한 전류 조정 수단을 구비하고 있는, 스핀 밸브 소자.
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