KR20090087825A

KR20090087825A - 자기 발진 소자, 자기 발진 소자를 포함한 자기 헤드 그리고 자기 기록 및 재생 장치

Info

Publication number: KR20090087825A
Application number: KR1020090011247A
Authority: KR
Inventors: 기와무 구도; 다즈미 나가사와; 고오이찌 미즈시마; 리에 사또
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2009-08-18
Also published as: KR101007759B1; JP5036585B2; US8194361B2; JP2009194070A; US20090201614A1

Abstract

본 발명에 따르면, 높은 Q 수치 및 높은 출력을 갖는 자기 발진 소자를 제공하는 것이 가능해진다. 자기 발진 소자는, 진동장을 발생시키도록 구성되는 진동장 발생 유닛과; 그 자화 방향이 고정되는 제1 자화 고정 층, 그 자화 방향이 진동장에 따라 진동하는 제1 자화 자유 층 그리고 제1 자화 고정 층과 제1 자화 자유 층 사이에 개재되는 제1 스페이서 층을 포함하는 자기 저항 효과 피막을 포함하는 자기 저항 요소를 포함한다.

자기 발진 소자, 진동장 발생 유닛, 자기 저항 요소, 자기 저항 효과 피막, 자화 고정 층, 자화 자유 층, 스페이서 층

Description

자기 발진 소자, 자기 발진 소자를 포함한 자기 헤드 그리고 자기 기록 및 재생 장치 {MAGNETIC OSCILLATION DEVICE, MAGNETIC HEAD INCLUDING THE MAGNETIC OSCILLATION DEVICE, AND MAGNETIC RECORDING AND REPRODUCING APPARATUS}

본 출원은 그 전체 내용이 참조로 여기에 합체되어 있는 일본에서 2008년 2월 13일자로 출원된 선행 일본 특허 출원 제2008-31789호를 기초로 하고 그로부터 우선권을 주장한다.

본 발명은 자기 발진 소자, 자기 발진 소자를 포함한 자기 헤드 그리고 자기 기록 및 재생 장치에 관한 것이다.

직류 전류에 응답하는 정상-상태 마이크로파 신호(steady-state microwave signal)가 자기 층들 사이에 개재되는 스페이서 층을 갖는 나노급 자기 다층 피막 내에서 유발된 스핀 전달 효과(spin transfer effect)를 이용함으로써 발생될 수 있는 것으로 알려져 있다[예컨대, "스핀-분극 전류에 의해 구동되는 나노자석의 마이크로파 진동(Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current)", 에스. 아이. 키셀레프 등, 네이처 425, 380 (2003)]. 마이크로파 신호의 발생 기원은 자기 다층 피막 내의 자화 진동 유닛 내에서의 자화 진 동이고, 실험을 기초로 하여, 전류 밀도가 CPP(Current Perpendicular to Plane)-GMR(Giant Magneto-Resistive effect) 피막 또는 자기 터널 정션(MTJ: magnetic tunnel junction) 피막 내에서 10⁷ A/㎠의 정도를 초과할 때에 높은 주파수(㎓)의 정상-상태 자화 진동이 검출된다.

자기 다층 피막 내에서의 스핀 전달 효과를 사용하는 마이크로파 발생기는 스핀 전달 발진기(자기 발진 소자)로서 호칭된다. 미세 가공 기술 면에서의 상당한 개선 덕분에, 100 ㎚ x 100 ㎚ 등의 1 ㎛ 미만의 크기의 CPP-GMR 피막 또는 자기 터널 정션 피막을 형성하는 것이 가능하다. 자기 발진 소자는 소형 마이크로파 발생원 및 공진기에 적용될 것으로 기대되고, 스핀트로닉스(spintronics)의 분야에서 활발하게 연구되고 있다. 자기 발진 소자로부터 발생되는 마이크로파 신호의 주파수는 자기 다층 피막 내의 자화 진동 유닛의 자화부에 작용하는 전류 및 자기장에 의존한다. 특히, 자기 발진 소자가 자기장에 따라 변동하는 자화 진동의 주파수의 자기장 의존성을 이용하여 GMR 헤드 및 TMR 헤드 대신에 HDD(Hard Disk Drive)로서 사용되어야 한다는 제안이 있었다[예컨대, 제JP-A 2006-286855(공개)]. 이 제안에 따르면, HDD 매체 상의 자기장이 자기장에 의해 유발되는 주파수 면에서의 변화를 감지함으로써 검출된다.

종래의 자기 발진 소자는 강자성 다층 피막을 갖는 자기 저항 요소 유닛 내에서의 자화부의 진동으로부터 발생되는 마이크로파 신호를 추출하도록 설계된다. 자기 저항 요소 유닛은 자화 자유 층, 스페이서 층 및 자화 고정 층이 형성되는 기 초 구조로서 3층 구조를 갖는다. 직류 전류(I)가 전원으로부터 자기 저항 요소 유닛의 강자성 다층 피막으로 공급될 때, 자화 자유 층 내의 자화부(M)가 자화 자유 층과 자화 고정 층 사이에서 유발된 스핀 전달 효과에 의해 진동하고, 자화 고정 층의 자화에 대한 자화 자유 층의 자화의 각도(θ)가 시간에 따라 변동한다. 각도(θ)가 변동함에 따라, 소자 저항이 또한 스핀-밸브 자기 저항 효과(spin-valve magnetoresistive effect)로 인해 시간에 따라 변동하고, 교류-전류 성분이 전압 내에서 출현한다. AC 성분은 마이크로파 신호(P)를 얻도록 바이어스 티(bias tee)에 의해 추출된다.

전원으로부터 공급된 직류 전류(I)는 어떠한 수치도 가질 수 없고, 강자성 다층 피막을 갖는 자기 저항 요소 유닛의 구조 그리고 자기 저항 요소 유닛을 포위하는 자기장 환경에 의존하는 임계 전류(threshold current)(I_c)의 수치보다 큰 전류 수치를 가질 것이 필요하다. 직류 전류(I)가 임계 전류(I_c)보다 큰 경우에만, 자화 진동이 스핀 전달 효과에 의해 자화 자유 층 내에서 유발된다. 임계 전류(I_c)의 수치는 자기 저항 요소 유닛의 단면적 그리고 임계 전류 밀도의 수치에 의해 결정된다. 임계 전류 밀도의 수치는 10⁷ A/㎠의 정도이다.

발진기의 성질을 나타내는 소위 Q 수치(품질 인자)가 있다. Q 수치의 예를 설명하기 위해, 수정 발진기를 사용하는 발진기 회로가 이제 설명될 것이다. 수정 발진기는 10⁶의 정도의 높은 Q 수치를 갖는 것으로 알려져 있고, 공진기로서 수정 발진기를 사용하는 발진기 회로가 안정된 진동을 성취하도록 10³ 내지 10⁴의 정도의 Q 수치를 가질 수 있다. Q 수치는 Q = 1개의 사이클에서 저장된 에너지/1개의 사이클에서의 출력 손실(소산 에너지)로서 정의되는 무차원 양이다. Q 수치가 커짐에 따라, 더 안정된 진동이 성취될 수 있다. 진동 상태는 종종 그 주파수 스펙트럼에 의해 인식되고, 이러한 경우에서의 Q 수치는 Q = f₀/Δf로서 정의되며, 여기에서 f₀은 진동 주파수를 나타내고, Δf는 주파수 스펙트럼의 진동 피크의 반치폭(half-value width)을 나타낸다. 자기 발진 소자의 진동 상태를 검출하는 실험은 보통 스펙트럼 분석기로써 주파수 스펙트럼을 측정함으로써 수행된다.

자기 발진 소자에 CPP-GMR 피막(이후, GMR 발진 소자로서도 호칭됨)이 형성되는 경우에, 비자성 금속 층이 자기 저항 요소 유닛의 스페이서 층으로서 사용된다. 실험을 통해, GMR 발진 소자가 대략 Q ∼ 10 ㎓ /1 ㎒ ∼ 10⁴의 진동을 가질 수 있는 것으로 알려져 있다[예컨대, "인가된 필드 각도의 함수로서의 자기 점 접촉부 내에서의 전류-구동 마이크로파 동력학(Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle)", 더블유. 에이치. 리파드 등, 피지컬 리뷰 B 70, 100406(R), (2004)]. 따라서, Q 수치의 관점에서, GMR 발진 소자는 공진기로서 수정 발진기를 사용하는 발진기 회로의 성능과 동일한 성능 또는 그보다 높은 성능을 갖는다. 금속 재료가 전체적으로 형성되는 금속 인공 격자로서의 GMR 발진 소자에서, 높은 Q 수치가 얻어질 수 있는 이유는 높은 전류 밀도를 갖는 전류가 공급될 수 있기 때문이다. 주파수 스펙트럼의 피크 반치폭(Δf)은 전류(I)의 제곱에 반비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 반치폭(Δf)은 높은 전류 밀도를 갖는 전류가 공급됨에 따라 매우 작아진다. 이와 같이, 높은 Q 수치가 성취될 수 있다.

높은 Q 수치는 GMR 발진 소자의 장점이지만, 작은 진동 출력(P)이 GMR 발진 소자의 단점이다. 단일의 GMR 발진 소자로부터의 출력은 나노와트의 정도의 소량의 출력이며, 이것은 마이크로와트의 실용 출력 수준과 거리가 멀고, 실제 사용을 위해 적절하지 않다. GMR 발진 소자로부터의 출력이 나노와트의 정도의 소량의 출력인 이유는 GMR 소자가 기껏해야 수%의 낮은 자기 저항 비율(MR 비율)을 갖기 때문이다. 더 높은 출력을 얻도록 어레이 내에 GMR 발진 소자를 배열하려는 제안이 있었다[예컨대, "마이크로파 스핀 토크 나노-발진기의 상호 위상-로킹(Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators)", 에스. 카카 등, 네이처 437, 389 (2005)]. 그러나, GMR 발진 소자가 어레이 내에 배열되는 경우에 마이크로와트 출력을 얻기 위해, 적어도 수십개의 단일의 GMR 발진 소자가 어레이 내에 배열될 것이 필요하고, 모든 단일의 GMR 발진 소자가 동기화될 것이 필요하다. 이것은 소자 제조 면에서의 어려움으로 쉽게 이어진다.

자기 발진 소자에 자기 터널 정션 피막이 형성되는 경우(이후, TMR 발진 소자)에, 터널 배리어가 자기 저항 요소 유닛의 스페이서 층으로서 사용된다. 근년에 들어, 낮은 저항 및 높은 MR 비율을 갖는 고-품질 자기 터널 정션 피막이 개발되었고, 스핀-주입 자기 랜덤 액세스 메모리(Spin-RAM)에 적용될 것이 기대된다. 실험을 통해, MgO(마그네슘 산화물)로 제작되는 터널 배리어를 갖는 TMR(MgO-TMR) 피막의 MR 비율은 수백%에 달하는 것으로 알려져 있다. TMR 발진 소자는 높은 MR 비율 덕분에 큰 진동 출력(P)을 가질 수 있다. 실제로, MgO-TMR 피막이 형성되는 자기 발진 소자의 진동 출력은 실용 마이크로와트 출력 수준에 더 근접해지고 있고, 현재까지 기록된 최대 출력은 0.16 마이크로와트이다. 그러나, MgO-TMR 피막 등의 자기 터널 정션 피막을 갖는 자기 발진 소자에서, 높은 전류 밀도를 갖는 전류가 GMR 발진 소자에서와 같이 공급될 수 없는데, 터널 배리어의 절연 파괴의 가능성이 있기 때문이다. 결과적으로, 높은 Q 수치가 구현될 수 없다. 오늘부로 실험을 통해 관찰된 각각의 TMR 발진 소자의 반치폭(Δf)은 대략 100 ㎒이다. 따라서, Q 수치는 대략 10²이고, 자기 터널 정션 피막이 형성되는 자기 발진 소자의 진동이 매우 불안정하다.

TMR 발진 소자에서, 자화 진동이 대개 유발될 수 없다. 이것은 또한 터널 배리어의 절연 파괴 때문이다. 위에서 설명된 것과 같이, 전류(I)가 임계 전류(I_c)보다 큰 경우에만(I > I_c), 자화 진동이 스핀 전달 효과에 의해 자화 자유 층 내에서 유발된다. 전류(I)가 임계 전류(I_c)보다 작은 경우에(I < I_c), 절연 파괴가 종종 유발된다.

위에서 설명된 것과 같이, GMR 발진 소자 및 TMR 발진 소자는 각각 장점 및 단점을 갖는다. GMR 발진 소자의 장점은 높은 Q 수치이고, 단점은 작은 진동 출력이다. TMR 발진 소자의 장점은 큰 진동 출력이고, 단점은 낮은 Q 수치이다.

소형 마이크로파 발생원, 공진기, 자기 센서 등에서의 실제 사용을 위해 적절한 자기 발진 소자는 GMR 발진 소자 및 TMR 발진 소자의 양쪽 모두의 위에서 언급된 장점을 갖는 자기 발진 소자 또는 안정되고(높은 Q 수치를 갖고) 높은 출력(또는 큰 진동 출력)을 갖는 자기 발진 소자이다.

본 발명은 이들 상황의 관점에서 착안되었고, 그 목적은 높은 Q 수치 및 높은 출력을 갖는 자기 발진 소자, 자기 발진 소자를 포함한 자기 헤드 그리고 자기 헤드를 포함한 자기 기록 및 재생 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따른 자기 발진 소자는, 진동장을 발생시키도록 구성되는 진동장 발생 유닛과; 그 자화 방향이 고정되는 제1 자화 고정 층, 그 자화 방향이 진동장에 따라 진동하는 제1 자화 자유 층 그리고 제1 자화 고정 층과 제1 자화 자유 층 사이에 개재되는 제1 스페이서 층을 포함하는 자기 저항 효과 피막을 포함하는 자기 저항 요소를 포함한다.

본 발명의 제2 양태에 따른 자기 발진 소자는, 그 자화 방향이 고정되는 제1 자화 고정 층, 그 자화 방향이 직류 전류의 공급에 따라 진동하는 제1 자화 자유 층 그리고 제1 자화 고정 층과 제1 자화 자유 층 사이에 개재되는 제1 스페이서 층을 포함하는 제1 자기 저항 효과 피막을 포함하는 제1 자기 저항 요소와; 그 자화 방향이 고정되는 제2 자화 고정 층, 그 자화 방향이 직류 전류의 공급에 따라 진동 하는 제2 자화 자유 층 그리고 제2 자화 고정 층과 제2 자화 자유 층 사이에 개재되는 제2 스페이서 층을 포함하는 제2 자기 저항 효과 피막을 포함하는 제2 자기 저항 요소와; 제1 자화 자유 층과 제2 자화 자유 층 사이에 위치되고 제2 자기 저항 요소로부터 제1 자기 저항 요소로의 스핀 유동을 차단하는 스핀-반전 산란 층과; 제1 자화 고정 층에 전기적으로 연결되는 제1 전극과; 제2 자화 고정 층에 전기적으로 연결되는 제2 전극과; 제1 및 제2 전극을 거쳐 제1 자기 저항 요소, 스핀-반전 산란 층 및 제2 자기 저항 요소를 통해 유동하는 직류 전류를 공급하도록 구성되는 전원을 포함한다.

본 발명의 제3 양태에 따른 자기 헤드는, 제1 및 제2 양태 중 어느 하나에 따른 자기 발진 소자를 포함하며, 자기 발진 소자는 재생 장치로서 역할한다.

본 발명의 제4 양태에 따른 자기 기록 및 재생 장치는, 자기 디스크를 구동시키는 디스크 드라이버 그리고 제3 양태에 따른 자기 헤드를 포함한다.

본 발명에 따르면, 높은 Q 수치 및 높은 출력을 갖는 자기 발진 소자, 자기 발진 소자를 포함한 자기 헤드 그리고 자기 헤드를 포함한 자기 기록 및 재생 장치가 제공된다.

다음은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 실시예의 설명이다. 다음의 실시예에서, 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 이들 구성 요소의 설명은 생략된다. 각각의 첨부 도면은 개략도이고, 이들 도면에서의 형상, 크기 및 비율은 실제의 형상, 크기 및 비율과 상이할 수 있다. 그러나, 소자 등이 실제로 제조될 때, 형상, 크기 및 비율은 다음의 설명 및 공지 기술이 고려된 상태로 필요하다면 변경될 수 있다.

(제1 실시예)

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 발진 소자를 도시하고 있다. 제1 실시예에 따른 혼성 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1) 그리고 강자성 다층 피막을 갖는 자기 저항 요소 유닛(2)을 포함한다. 진동장 발생 유닛(1) 및 자기 저항 요소 유닛(2)은 서로에 정자기적으로 커플링된다. 자기 발진 소자는 1개 초과의 진동장 발생 유닛(1)을 포함할 수 있다. 진동장 발생 유닛(1)은 진동장을 발생시킬 수 있기만 하면 AC 전원을 갖는 코일 등의 임의의 종류의 자기 소자 또는 종래의 자기 발진 소자일 수 있다.

자기 저항 요소 유닛(2)은 자화 자유 층(8), 스페이서 층(9) 및 자화 고정 층(10)이 형성되는 기본 구조로서 3층 구조를 갖는다. 자화 자유 층(8)은 그 방향이 외부 자기장에 따라 변동하는 자화부를 갖는다. 이 자화 자유 층(8)은 Co, Ni, Fe 또는 이들 금속 중 하나를 함유한 합금으로 형성될 수 있다. 자화 고정 층(10)은 그 방향이 고정되는 자화를 갖는다. 이 자화 고정 층(10)에는 IrMn 또는 PtMn 등의 반강자성 재료에 Co, Ni, Fe 또는 이들 금속 중 하나를 함유한 합금을 합체하고 합금과 강자성 재료 사이에 강자성 교환 커플링 또는 반강자성 교환 커플링을 유발시킴으로써 생성되는 피막이 형성될 수 있다. 자화 고정 층(10)에는 또한 CoFeB/Ru/CoFe 피막 등의 인공 페리-피막(ferri-film)이 형성될 수 있다. 자화 자 유 층(8), 스페이서 층(9) 및 자화 고정 층(10)은 각각 단일의 층이 아닐 수 있다. 1개 초과의 자화 자유 층(8), 1개 초과의 스페이서 층(9) 그리고 1개 초과의 자화 고정 층(10)을 채용하는 것이 가능하다. 바꿔 말하면, GMR 요소 또는 TMR 요소로서 알려져 있는 임의의 자기 저항 효과 피막이 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막으로서 사용될 수 있다.

전원(11)이 자기 저항 요소 유닛(2)에 직류 전류(I)를 공급하고 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막에 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생되는 진동장(3)을 인가할 때, 자기 공명이 진동장(3)에 의해 형성된 자화 자유 층(8)의 자화부(M2) 내에서 유발된다. 결과적으로, 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)와 자화 고정 층(10)의 자화부 사이의 상대 각도가 시간에 따라 변동한다. 상대 자화 각도(θ)에 의존하는 스핀-밸브 자기 저항 효과로 인해, 강자성 다층 피막을 갖는 자기 저항 요소 유닛(2)의 소자 저항이 시간에 따라 변동한다. 상대 각도(θ)가 변동함에 따라, 소자 저항이 주로 스핀-밸브 자기 저항 효과로 인해 시간에 따라 변동하고, 자기 저항 요소 유닛(2)의 소자 저항 변동에 의해 형성되는 AC 성분이 전원(11)으로부터 공급된 직류 전류 내에서 출현한다. AC 성분은 마이크로파 출력(P)을 얻도록 커패시터 및 인덕터가 형성되는 바이어스 티(7)에 의해 추출된다.

임계 전류 수치(I_c)보다 큰 수치를 갖는 전류(I)(I > I_c)가 자기 저항 효과 피막에 공급되는 경우에 또는 높은 바이어스 전압이 자기 저항 효과 피막에 인가되는 경우에, MR 비율은 보통 알려져 있는 것과 같이 낮은 바이어스 전압이 인가되는 경우에서 얻어진 MR 비율보다 작다. 그러므로, 종래의 자기 발진 소자에서, 마이크로파 출력(P)은 자기 저항 효과 피막의 MR 비율이 감소된 후에 얻어진다.

반면에, 이 실시예의 혼성 자기 발진 소자에서, 자화 자유 층(8)의 자화(M2)는 위에서 설명된 것과 같이 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)에 의해 공명-여기된다. 따라서, 전원(11)에 의해 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막에 인가될 전압은 관계 I > I_c를 충족시키는 높은 바이어스 전압보다 낮아질 수 있다. 이와 같이, 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막의 MR 비율은 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막으로부터 마이크로파 출력(P)을 추출하도록 감소될 것이 필요하지 않다.

진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)에 의해 자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 자유 층(8)의 자화부 내에서 공명 진동을 효과적으로 유발시키기 위해, 위에서 설명된 것과 같이, 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장의 진동 주파수는 자화 자유 층(8) 내의 자화부(M2) 내에서의 자기 공명 진동 주파수 특성과 유사할 것이 필요하다. 진동장(3)의 진폭은 자화 자유 층(8) 내의 자화부(M2) 상에 작용하는 랜덤 열 자기장(H_thermal)보다 커야한다. 열 자기장(H_thermal)은 다음의 식에 의해 추산될 수 있다:

여기에서, M_s는 자화 자유 층(8) 내의 포화 자화를 나타내고, V_free는 자화 자 유 층(8)의 체적을 나타내고, T는 절대 온도(켈빈)를 나타내고, k_B는 볼츠만 상수(k_B = 1.3807 x 10^-16 erg/K)를 나타낸다. 전형적인 예시 수치에서, M_s가 600 emu/㎤이고 V_free가 1.0 x 10⁵ ㎚³인 경우에, H_thermal은 실온(T = 300 K)에서 대략 0.69 Oe인 것으로 추산될 수 있다. 바꿔 말하면, 실온(T = 300 K)에서, 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)의 진폭은 0.69 Oe보다 클 것이 필요하다.

위에서 설명된 것과 같이, 이 실시예에 따르면, 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)는 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장에 의해 공명-여기된다. 이와 같이, 높은 Q 수치가 얻어질 수 있다. 또한, 이 시점에서 전원(11)으로부터 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막으로 공급될 전류는 임계 전류 수치(I_c)보다 작은 전류 수치를 가질 수 있다. 따라서, 스페이서 층(9)에 예컨대 MgO로 제작되는 터널 배리어가 형성되는 경우에, 절연 파괴가 유발되지 않고, 높은 출력이 성취될 수 있다. 스페이서 층(9)은 MgO로 제작되는 터널 배리어일 수 있지만, 높은 출력이 얻어질 수 있기만 하면 비자성 금속으로 제작될 수 있다.

(제2 실시예)

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 발진 소자를 도시하고 있다. 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1)이 자화 자유 층(14), 스페이서 층(15) 및 자화 고정 층(16)이 형성되는 3층 구조를 갖는 CPP-GMR 소자인 점을 제외하면 도 1에 도시된 제1 실시예의 자기 발진 소자와 동일하다. 전원(13)에 의 해 공급될 전류(I)는 스핀 전달 효과를 사용하여 자화 자유 층(14) 내의 자화부(M1)를 진동시킬 정도로 충분히 크다. 그러므로, 진동장 발생 유닛(1)은 종래의 GMR 발진 소자와 유사한 구조를 갖는다. 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)은 자화 자유 층(14)의 자화부(M1)의 진동에 형성되는 진동 쌍극 자기장(oscillating dipole field)이다. 자화부(M1)에 의해 형성된 진동 쌍극 자기장은 자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 자유 층(8)의 자화부(M2) 내에서 자기 공명을 유발시킨다.

이 실시예에서, 높은 Q 수치를 갖는 자기 진동이 GMR 발진 소자로써 형성된 진동장 발생 유닛(1)으로부터 얻어질 수 있다. 따라서, 이 실시예는 안정된 높은 Q 수치를 갖는 진동 쌍극 자기장이 GMR 발진 소자로써 형성된 진동장 발생 유닛(1)으로부터 얻어질 수 있다. 나아가, GMR 발진 소자가 1 ㎛ 미만으로 형성될 수 있다. 따라서, 진동장 발생 유닛(1)은 1 ㎛ 미만으로 형성될 수 있고, 이 실시예의 자기 진동은 크기 면에서 미소할 수 있다. 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)에 대해, 진동 쌍극 자기장의 크기(H_dip)는 다음의 식 (1)에 의해 추산될 수 있다:

(1)

여기에서, M_s는 자화 자유 층(14)의 포화 자화를 나타내고, V_free는 자화 자유 층(14)의 체적을 나타내고, r은 진동장 발생 유닛(1)과 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막 사이의 거리를 나타낸다. GMR 발진 소자에서의 전형적인 수치에서, M_s가 10³ emu/㎤이고 V_free가 10⁵ ㎚³이고 거리(r)가 300 ㎚인 경우에, 진동 쌍극 자기장(H_dip)은 대략 50 Oe인 것으로 추산될 수 있다. 이 진동 쌍극 자기장(H_dip)은 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막의 자화부(M2) 내에서 자기 공명을 유발시킬 정도로 충분히 크지만, 진동 쌍극 자기장(H_dip)은 바람직하게는 자기 공명을 통해 자화부(M2) 내에서 더 큰 자화 진동을 유발시키는 것보다 커야 한다. 식 (1)에 따르면, 진동 쌍극 자기장(H_dip)은 거리(r)가 짧아짐에 따라 더 커진다. 그러므로, 자기 공명을 통해 자화부(M2) 내에서 큰 자화 진동을 유발시키기 위해, 작은 수치로 거리(r)(> 0)를 제한하는 것이 바람직하다.

자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 자유 층(8)의 자화부 내에서 공명 진동을 효과적으로 유발시키기 위해, 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장(3)의 진동 주파수는 바람직하게는 자화 자유 층(8) 내의 자화부 내에서 고유한 자기 공명 진동 주파수와 유사하여야 한다.

위에서 설명된 것과 같이, 이 실시예는 제1 실시예와 같이 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제3 실시예)

도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 발진 소자가 설명될 것이다. 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 자기 저항 요소 유닛(2)에 자기 터널 정션(MTJ) 소자가 형성된다는 점을 제외하면 제2 실시예의 자기 발진 소자와 동일하다.

종래의 TMR 발진 소자에서, 대량의 전류가 절연 파괴의 문제점을 피하도록 공급될 수 없다. 결과적으로, 불안정한 진동(낮은 Q 수치)만이 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)의 진동으로서 얻어진다.

반면에, 이 실시예의 자기 발진 소자에서, 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)의 진동이 진동장 발생 유닛(1)으로부터 발생된 진동장에 의해 유발된다. 따라서, 대량의 전류가 높은 Q 수치를 얻는 데 요구되지 않는다. 높은 Q 수치의 진동을 성취하기 위해, 안정된 진동장이 사용되어야 한다. 대량의 전류가 요구되지 않는 경우에, 낮은 전압이 MTJ 소자가 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막으로 DC 전원(11)에 의해 인가될 바이어스 전압으로서 충분하다.

MTJ 소자의 MR 비율은 바이어스 전압에 의존하고 바이어스 전압이 높아짐에 따라 MR 비율이 작아지는 것으로 잘 알려져 있다. 진동 출력(P)이 MR 비율의 제곱에 비례하므로, 출력(P)이 MR 비율을 저하시키지 않도록 이러한 바이어스 전압에서 추출되는 것이 바람직하다. 종래의 TMR 발진 소자와 달리, 이 실시예의 자기 발진 소자는 임계 바이어스 전압 수치를 갖지 않고, 임의의 바이어스 전압 수치가 진동 출력(P)을 추출하도록 전원(11)에 의해 인가될 수 있다. 따라서, 출력(P)은 MR 비율을 저하시키지 않도록 이러한 바이어스 전압에서 추출될 수 있다. 이 실시예에서, 고-출력 마이크로파를 얻기 위해, 자기 저항 요소 유닛(2)으로서 역할하는 MTJ 소자의 스페이서 층(9)에는 바람직하게는 MgO(마그네슘 산화물)로 제조되는 터널 배리어가 형성되어야 한다.

종래의 TMR 발진 소자에서, 자화 자유 층 상에 작용하는 스핀 전달 토크는 (스핀 전달 토크의 바이어스-전압 비대칭 성질로서 알려져 있는) 바이어스 전압이 전류가 자화 고정 층으로부터 자화 자유 층으로 유동하는 방식으로 인가되는 경우에서보다 바이어스 전압이 전류가 자화 자유 층으로부터 자화 고정 층으로 유동하는 방식으로 인가되는 경우에 더 큰 것으로 알려져 있다. 종래의 MTJ 발진 소자에서, 스핀 전달 토크가 진동을 유발시킨다. 그러나, 이 실시예의 자기 발신 소자에서, DC 전원(11)으로부터의 스핀 전달 토크가 노이즈(스핀 전달 노이즈)를 유발시킬 수 있다. 그러므로, DC 전원(11)으로부터 공급될 전류의 방향은 스핀 전달 노이즈를 억제하고 진동 안정성이 저하하는 것을 방지하도록 자화 고정 층(10)으로부터 자화 자유 층(8)으로의 방향이어야 한다.

제2 실시예와 같이, 이 실시예는 또한 위에서 설명된 것과 같이 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제4 실시예)

도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기 발진 소자가 설명될 것이다. 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1)의 제1 자화 진동 유닛의 체적이 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)의 제2 자화 진동 유닛의 체적보다 크다는 점을 제외하면 제2 또는 제3 실시예의 자기 발진 소자와 동일하다. 도 2는 체적 면에서의 차이를 명확하게 도시하고 있지 않다. 제1 자화 진동 유닛은 자화 자유 층(14) 내에 자화 진동을 갖는 부분과 동등하고, 제2 자화 진동 유닛은 자화 자유 층(8) 내에 자화 진동을 갖는 부분과 동등하다.

이 실시예의 자기 발진 소자 내에서의 진동 기구는 제1 자화 진동 유닛이 제2 자화 진동 유닛 내의 자화부(M2) 상에 작용할 때에 자화부(M2)를 여기시킨다. 제1 자화 진동 유닛의 체적이 이 실시예의 자기 발진 소자 내의 제2 자화 진동 유닛의 체적보다 크므로, 제1 자화 진동 유닛으로부터 발생된 진동장이 큰 진폭으로써 자화부(M2)를 진동시키도록 제2 자화 진동 유닛 내의 자화부(M2) 상에 효과적으로 작용한다. 이와 같이, 큰 진동 출력(P)이 얻어질 수 있다.

진동장이 제2 자화 진동 유닛 내의 자화부(M2) 상에 작용할 때, 제1 자화 진동 유닛으로부터의 자속(Φ)이 제2 자화 진동 유닛 내로 유동한다. 자속(Φ)은 Φ = B₁S₁로서 표현되며, 여기에서 B₁은 자화부(M1)로부터 발생된 진동장을 나타내고, S₁은 제1 자화 진동 유닛을 포위하는 표면적을 나타낸다. 제2 자화 진동 유닛 내로 유동하는 자속(Φ)은 Φ = B₂S₂로서 표현되며, 여기에서 B₂는 자화부(M2) 상에 작용하는 진동장을 나타내고, S₂는 제2 자화 진동 유닛을 포위하는 표면적을 나타낸다. 제1 자화 진동 유닛의 체적이 제2 자화 진동 유닛의 체적보다 큰 경우에, S₁이 S₂보다 크므로, B₁이 B₂보다 작다. 제1 자화 진동 유닛의 체적이 이 실시예의 자기 발진 소자 내의 제2 자화 진동 유닛의 체적보다 크므로, 제2 자화 진동 유닛 내의 자화부(M2) 상에 작용하는 진동장이 더 커지고, 큰 진폭으로써 자화부(M2)를 진동시키는 것이 가능하다.

제2 및 제3 실시예와 같이, 이 실시예는 또한 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

제2 내지 제4 실시예에 따른 각각의 자기 발진 소자에서, 진동장 발생 유닛(1)을 활성화시키는 전원(13)이 자기 저항 요소 유닛(2)을 활성화시키는 전원(11)과 별개로 제공된다. 따라서, 적절한 전압 수치가 진동장 발생 유닛(1) 및 자기 저항 요소 유닛(2)의 양쪽 모두에 대해 설정될 수 있다. 특히, 제2 내지 제4 실시예의 자기 발진 소자가 소형 마이크로파 발생원, 공진기, 자기 센서 등에서 사용될 때, 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막을 활성화시키는 전원(11)은 마이크로파 출력 수치를 수반하고, 인가를 위한 적절한 전압 수치 또는 적절한 마이크로파 출력 수치를 설정할 수 있다.

(제5 실시예)

도 3은 본 발명의 제5 실시예에 따른 자기 발진 소자를 도시하고 있다. 이 실시예의 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1), 강자성 다층 피막이 형성되는 자기 저항 요소 유닛(2), 바이어스 티(7), DC 전원(12), 랜덤 스핀-반전 산란 층(random spin-flip scattering layer)(20) 그리고 이들 구성 요소에 에너지를 공급하는 한 쌍의 전극(21a, 21b)을 포함한다. 진동장 발생 유닛(1)은 자화 자유 층(14), 스페이서 층(15) 및 자화 고정 층(16)을 포함한다. 자화 자유 층(14)은 랜덤 스핀-반전 산란 층(20)에 전기적으로 연결되고, 자화 고정 층(16)은 전극(21a)에 전기적으로 연결된다. 자기 저항 요소 유닛(2)은 자화 자유 층(8), 스페이서 층(9) 및 자화 고정 층(10)을 포함한다. 자화 자유 층(8)은 랜덤 스핀-반 전 산란 층(20)에 전기적으로 연결되고, 자화 고정 층(10)은 전극(21b)에 전기적으로 연결된다. DC 전원(12)은 전극(21a, 21b)을 통해 이 실시예의 자기 발진 소자에 직류 전류를 공급한다.

랜덤 스핀-반전 산란 층(20)은 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)에 진동장 발생 유닛(1)을 전기적으로 커플링하는 역할 그리고 진동장 발생 유닛(1)과 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 사이에서의 스핀 유동을 차단하는 역할을 한다. 진동장 발생 유닛(1)과 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 사이의 스핀 유동이 랜덤 스핀-반전 산란 층(20)에 의해 차단되므로, 진동장 발생 유닛(1)과 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 사이에서 유발되는 스핀 전달 효과가 없고, 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 내에서의 스핀 전달 노이즈가 방지될 수 있다. 스핀-반전 산란 층(20)은 (Cu 등의) 임의의 전도성 재료로 제작될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 스핀-반전 산란 층(20)의 층 두께는 스핀 확산 길이(l_sf)보다 클 것이 필요하다. 스핀 확산 길이(l_sf)는 전도성 전자 스핀이 이완되어 방향을 바꾸는 거리를 나타낸다. 스핀 확산 길이(l_sf)는 거의 임의의 재료에서 수 ㎚ 내지 수백 ㎚의 범위 내에 있는 것으로 알려져 있다. 원래 스핀 분극 속도(P)(예컨대, P는 반 금속 등의 완전히 분극된 재료에서 1이고, P는 Fe에서 대략 0.4임)를 갖는 스핀-편극 전자가 스핀 확산 길이(l_sf)와 거의 동일한 거리에 걸쳐 수행될 때, 스핀 분극 속도(P)가 0으로 감소한다. 스핀 전달 효과가 P에 비례하므로, 스핀-반전 산란 층(20)의 층 두께가 스핀 확산 길이(l_sf)보다 크고 진동장 발생 유닛(1)과 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 사이의 스핀 전달 효과가 사라지면, 진동장 발생 유닛(1)과 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 사이의 전도성 전자의 스핀 분극 속도가 낮다. 피막 형성의 단순화를 위해, 스핀 확산 길이(l_sf)는 작은 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 스핀-반전 산란 물질이 전도성 재료 내에 매립되어야 한다. 스핀-반전 산란 물질은 (Mn 등의) 자기 불순물일 수 있다.

다음에, 이 실시예의 자기 발진 소자의 진동 기구가 설명될 것이다. DC 전원(12)은 한 쌍의 전극(21a, 21b)을 통해 이 실시예의 자기 발진 소자에 전류(I)를 공급한다. 전류(I)로써, 스핀 전달 효과가 자화 고정 층(16)과 자화 자유 층(14) 사이에 유발되고, 자화 자유 층(14) 내의 자화부(M1)가 진동한다. 그러나, 전류(I)의 수치는 자화부(M1)의 진동을 유발시킬 정도로 충분히 클 것이 필요하다(I > I_c). 자화부(M1)의 진동은 진동 쌍극 자기장을 발생시키고, 진동 쌍극 자기장은 자기 공명 효과에 의해 진동하도록 자화 자유 층(8)의 자화부(M2) 상에 작용한다. 진동 출력(P)은 각각의 다음의 자기 저항 효과 즉 진동장 발생 유닛(1) 내의 자화 고정 층(16)과 자화 자유 층(14) 사이에서의 스핀-밸브 자기 저항 효과; 그리고 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 내의 자화 고정 층(10)과 자화 자유 층(8) 사이에서의 스핀-밸브 자기 저항 효과의 결과로서 얻어진다.

다음에, 진동 출력(P)이 큰 진동 출력이고 높은 Q 수치를 갖는다는 사실이 설명될 것이다. 스페이서 층(15)이 비자성 금속 층이고 스페이서 층이 터널 배리 어인 경우에, 진동 출력(P)이 최대화될 수 있고, 높은 Q 수치가 성취될 수 있다. 이 경우에, 진동장 발생 유닛(1)이 CPP-GMR 소자 구조를 갖고, 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)이 TMR 소자 구조를 갖는다. 진동장 발생 유닛(1)이 CPP-GMR 소자 구조를 가지므로, 스핀 전달 효과에 의해 유발된 자화 자유 층(14)의 자화부(M1)의 진동이 높은 Q 수치를 갖는 안정된 진동이고, 자화부(M1)의 진동을 통해 발생된 진동장(3)이 또한 높은 Q 수치를 갖는다. 높은 Q 수치를 갖는 진동장(3)에 의해 유발된 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)의 진동은 또한 높은 Q 수치를 갖는다.

CPP-GMR 소자 및 TMR 소자가 서로와 비교될 때, 특히 TMR 소자가 MgO로 제작되는 터널 배리어를 가지면, TMR 소자의 스핀-밸브 자기 저항 효과가 CPP-GMR 소자의 스핀-밸브 자기 저항 효과보다 훨씬 크다. CPP-GMR 소자의 MR 비율은 기껏해야 수%이지만, TMR 소자의 MR 비율은 수백%이다. 따라서, 진동 출력(P)은 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)의 스핀-밸브 자기 저항 효과에 의해 결정되고, 수백%의 큰 MR 비율을 반영하는 큰 진동 출력(P)이 성취될 수 있다.

위에서 설명된 것과 같이, 이 실시예는 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제6 실시예)

도 4는 본 발명의 제6 실시예에 따른 자기 발진 소자를 도시하고 있다. 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 한 쌍의 전극(21a, 21b)으로부터 공급된 전류의 전류 밀도 수치가 진동장 발생 유닛(1)에서보다 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)에서 작도록 진동장 발생 유닛(1) 그리고 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)이 설계된다는 점을 제외하면 도 3에 도시된 제5 실시예의 자기 발진 소자와 동일하다. 이 실시예에서, 진동장 발생 유닛(1)의 스페이서 층(15) 및 자화 고정 층(16)의 각각의 단면적(또는 층 표면의 면적)은 스페이서 층(9), 자화 고정 층(10) 및 랜덤 스핀-반전 산란 층(20)의 각각의 단면적(또는 층의 상부 및 하부 표면의 면적)보다 작다. 따라서, 자화 자유 층(14) 내로 유동하는 전류의 전류 밀도 수치는 자화 자유 층(8) 내로 유동하는 전류의 전류 밀도 수치보다 크다. 스핀 전달 효과가 전류 밀도 수치에 비례하므로, 자화 자유 층(8)과 자화 고정 층(10) 사이에서의 스핀 전달 효과가 전류 밀도의 기여의 관점에서 자화 자유 층(14)과 자화 고정 층(16) 사이의 스핀 전달 효과보다 작아질 수 있다. 이 실시예에서, 자화 고정 층(16)에 전기적으로 연결된 전극(21a)은 기둥 형상을 갖는다.

위에서 설명된 것과 같이, 이 실시예의 자기 발진 소자에서, 자화 자유 층(8)과 자화 고정 층(10) 사이에서의 스핀 전달 효과가 억제되고, 자화 자유 층(8)의 자화부(M2)의 진동으로 인한 스핀 전달 노이즈가 감소될 수 있다. 이와 같이, 스핀 전달 노이즈로 인한 Q 수치의 저하가 방지될 수 있다.

제5 실시예와 같이, 이 실시예는 또한 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제7 실시예)

도 5를 이제 참조하여, 본 발명의 제7 실시예에 따른 자기 발진 소자가 설명 될 것이다. 이 실시예의 자기 발진 소자는 자기장 인가 유닛이 구조에 추가된다는 점을 제외하면 제2 내지 제4 실시예의 자기 발진 소자 중 임의의 것과 동일하다.

GMR 발진 소자가 제2 내지 제4 실시예의 자기 발진 소자 중 임의의 것에서와 같이 진동장 발생 유닛(1)으로서 사용되는 경우에, 진동장의 주파수는 TMR 소자의 자화 자유 층(14)의 자화에 의해 영향을 받는 자기장에 의존한다. 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)으로부터의 마이크로파의 주파수는 또한 자기 저항 요소 유닛(2) 내의 강자성 다층 피막의 자화 자유 층(8)의 자화에 의해 영향을 받는 자기장에 의존한다. 따라서, 진동장 발생 유닛(1)으로서의 GMR 발진 소자의 자화 자유 층(14)에 정자기장을 인가하는 정자기장 인가 유닛으로써, 진동장의 주파수가 조정될 수 있다. 또한, 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막의 자화 자유 층(8)에 정자기장을 인가하는 정자기장 인가 유닛으로써, 진동 마이크로파의 주파수가 조정될 수 있다.

자유 자기 층 상에 작용하는 정자기장을 발생시키기 위해, 와이어(51)가 진동장 발생 유닛(1) 또는 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막의 부근에 특히 유닛들 중 어느 하나의 자화 자유 층 근처에 위치되고, 직류 전류(52)가 와이어(51)에 공급된다. 직류 전류(52)에 의해, 암페어 정자기장(53)이 진동장 발생 유닛(1) 또는 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 상에 작용한다. 와이어(51)는 전류-필드-기록 가능한 MRAM 내의 기록 와이어와 유사할 수 있다. R[㎛]이 와이어(51)로부터 진동장 발생 유닛(1) 또는 자기 저항 요소 유닛(2)의 강자성 다층 피막까지의 거리를 나타내고 I[A]가 직류 전류(52)의 전류 수치를 나타 내는 경우에, 암페어 자기장(53)의 세기(H_amp[Oe])는 다음의 식에 의해 추산될 수 있다:

이 식으로부터 분명한 것과 같이, 암페어 자기장(53)의 세기(H_amp)는 전류 수치(I)에 따라 변동한다. 그러므로, 전류 수치는 적절한 수치로 설정되어야 하지만, 암페어 자기장(53)의 세기(H_amp)는 원하는 수치로 설정된다. 예컨대, R은 0.5[㎛]이고, I는 5.0 x 10^-3[A]이고, H_amp는 10[Oe]이다. H_amp를 조정함으로써, 진동장 또는 진동 마이크로파의 주파수가 대략 28 ㎒인 γH_amp/(2π)만큼 조정될 수 있다. 이 방식으로, 진동장의 주파수는 자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 자유 층의 자화부(M2)에서 고유한 자기 공명 주파수로 정자기장에 의해 조정된다. 이렇게 함으로써, 자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 자유 층의 자화부(M2)가 진동장에 의해 큰 진폭으로써 효과적으로 진동될 수 있다. 진동 마이크로파의 주파수가 또한 정자기장에 의해 조정될 수 있으므로, 각각의 목적을 위한 적절한 주파수를 갖는 마이크로파가 이 실시예의 자기 발진 소자로부터 얻어질 수 있다.

제2 내지 제4 실시예와 같이, 이 실시예는 또한 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제8 실시예)

도 6은 본 발명의 제8 실시예에 따른 자기 발진 소자를 도시하고 있다. 도 6에 도시된 것과 같이, 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1), 강자성 다층 피막이 형성되는 자기 저항 요소 유닛(2), 인덕터 및 커패시터가 형성되는 바이어스 티(7) 그리고 DC 전원(11, 13)을 포함한다. 자기 발진 소자의 이들 구성 요소는 기판(43) 상에 형성된다. 진동장 발생 유닛(1) 그리고 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)은 절연체(42)에 의해 공간적으로 구획되고, 진동장 발생 유닛(1) 및 자기 저항 요소 유닛(2)의 자화 진동 유닛은 서로로부터 대략 250 ㎚인 거리 r에 있다. 이 거리(r)는 2개의 자화 진동 유닛의 중심부들 사이의 거리이다. 거리 r은 최소화되어야 하지만, 이 실시예에서의 거리 r은 용이한 소자 제조를 가능케 하는 적절한 수치로 설정된다.

진동장 발생 유닛(1)은 기판(43) 상에 형성되는 하부 전극(32a)과; 하부 전극(32a) 상에 형성되고 IrMn으로 제작되는 반강자성 층(33a)과; 반강자성 층(33a) 상에 형성되고 CoFe로 제작되는 자화 고정 층(36)과; 자화 고정 층(36) 상에 형성되고 Cu로 제작되는 비자기 스페이서 층(35)과; 비자기 스페이서 층(35) 상에 형성되고 NiFe로 제작되는 자화 자유 층(34)과; 자화 자유 층(34) 상에 형성되는 캡 층(31a)과; 캡 층(31a) 상에 형성되는 상부 전극(30a)을 포함한다. 하부 전극(32a)은 예컨대 Cu 층 및 Ta 층이 형성되는 2층 적층 피막일 수 있다. 상부 전극(30a)은 예컨대 Au로 제작될 수 있다. 진동장 발생 유닛(1) 내의 상부 전극(30a)은 절연 층(42)에 의해 형성되는 크기-R 점 접촉부를 갖는다. 크기 R은 대략 100 ㎚이다.

점 접촉은 전원(13)으로부터 자화 자유 층(34), 비자기 스페이서 층(35) 및 자화 고정 층(36)이 형성된 적층 피막으로의 전류의 전류 밀도를 증가시키도록 제공된다. 더 높은 전류 밀도로써, 자화 자유 층(34) 내의 자화부(M1)와 자화 고정 층(36) 내의 고정 자화부 사이에서의 스핀 전달 효과가 더 커지고, 자화 자유 층(36) 내의 자화부(M1)가 스핀 전달 효과에 의해 진동한다. 진동장 발생 유닛(1)은 종래의 스핀-전달 나노콘(nanocon) 접촉 발진기와 유사한 구조를 갖는다. 진동장 발생 유닛(1)이 비자성 금속 Cu로 제작되는 스페이서 층을 갖는 소위 CPP-GMR 발진 소자를 가지므로, 자화부(M1)의 진동의 Q 수치가 10⁴ 정도로 높다.

강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)은 기판(43) 상에 형성되는 하부 전극(32b)과; 하부 전극(32b) 상에 형성되고 IrMn으로 제작되는 반강자성 층(33b)과; 반강자성 층(33b) 상에 형성되는 CoFe 층(41)과; CoFe 층(41) 상에 형성되는 Ru 층(40)과; Ru 층(40) 상에 형성되는 CoFeB 층(39)과; CoFeB 층(39) 상에 형성되고 MgO로 제작되는 터널 배리어 층(38)과; 터널 배리어 층(38) 상에 형성되고 CoFeB로 제작되는 자화 자유 층(37)과; 자화 자유 층(37) 상에 형성되는 캡 층(31b)과; 캡 층(31b) 상에 형성되는 상부 전극(30b)을 포함한다. CoFe 층(41), Ru 층(40) 및 CoFeB 층(39)의 3층의 적층 구조는 인공 페리 구조를 형성하고, 자화 고정 층으로서 기능한다. CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37) 내의 자화부(M2)는 진동장 발생 유닛(1)의 자화부(M1)로부터 발생된 진동장(3)에 의해 유발된 자기 공명에 따라 진동한다. 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)의 구조는 높은 MR 비율을 갖도록 잘 알려져 있고 MgO로 제작되는 터널 배리어를 갖는 TMR 소자의 예이다. CoFe 층(41), Ru 층(40), CoFeB 층(39), MgO로 제작되는 터널 배리어 층(38), CoFeB 층(37) 및 캡 층(31b)이 형성된 소자의 부분은 피막 평면에서 긴 축으로 200 ㎚ 그리고 짧은 축으로 150 ㎚의 타원 형상으로 가공된다. 이 실시예에서, CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37)의 체적(V₂)은 대략 7.1 x 10⁴ ㎚³이다.

이 실시예에 따른 진동장 발생 유닛 그리고 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 내의 각각의 층의 피막 두께가 이제 설명될 것이다. 우선, 도 6에 도시된 것과 같이, 하부 전극(32a, 32b)은 동일한 피막 두께를 갖는다. 하부 전극(32a, 32b) 위의 각각의 층에 대해, 진동장 발생 유닛(1) 내에서, IrMn으로 제작된 반강자성 층의 두께는 15 ㎚이고, CoFe로 제작되는 자화 고정 층(36)의 두께는 12 ㎚이고, Cu로 제작된 비자기 스페이서 층(35)의 두께는 5 ㎚이고, NiFe로 제작된 자화 자유 층(34)의 두께는 5 ㎚이다. 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)에서, IrMn으로 제작된 반강자성 층(33b)의 두께는 25 ㎚이고, CoFe 층(41)의 두께는 3 ㎚이고, Ru 층(40)의 두께는 0.85 ㎚이고, CoFeB 층(39)의 두께는 3 ㎚이고, MgO로 제작된 터널 배리어 층(38)의 두께는 1.8 ㎚이고, CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37)의 두께는 3 ㎚이다. 따라서, 진동장 발생 유닛(1) 내의 NiFe로 제작된 자화 자유 층(34) 그리고 자기 저항 요소 유닛(2) 내의 CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37)이 실질적으로 동일한 높이에 위치되며, 그 결과 NiFe로 제작된 자화 자유 층(34)과 CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37) 사이의 거리 r이 최소 화되고, NiFe로 제작된 자화 자유 층(34) 내의 자화부(M1)로부터 발생된 진동장이 CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37) 내의 자화부(M2) 상에 작용한다. 이러한 배열로써, 자화 자유 층(34)의 자화부(M1)의 자화 진동이 10⁴ 정도로 높은 Q 수치를 갖고, 자화부(M1)의 자화 진동으로부터 발생된 진동장(3)에 의해 유발된 자화 자유 층(37)의 자화부(M2)의 진동이 또한 높은 Q 수치를 갖는다.

자기 저항 요소 유닛(2) 내의 MgO로 제작된 배리어 층(38)의 두께는 오늘날의 MgO-TMR 소자 기술에서 비교적 큰 피막 두께인 1.8 ㎚이다. 이 배리어 층(38)으로써, MR 비율은 실온에서도 대략 200%일 수 있다. 배리어 층(38)은 RA(areal resistance) 면에서 5 Ω·㎛²를 갖도록 형성될 수 있고, 이 실시예에서, 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)의 소자 저항은 대략 212 Ω이다.

제7 실시예에서 설명된 것과 같이, (도시되지 않은) 와이어가 또한 이 실시예에 따른 자기 발진 소자의 진동장 발생 유닛(1) 내의 NiFe로 제작된 자화 자유 층(34)의 부근에 매립된다. 와이어를 통해 유동하는 직류 전류를 공급함으로써, NiFe로 제작된 자화 자유 층(34) 내의 자화부(M1) 상에 작용하는 일정한 정자기장이 변동될 수 있다. (도시되지 않은) 이 와이어로써, 자화 자유 층(34)의 자화부(M1)의 자기 공명 주파수가 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 내의 CoFeB로 제작된 자화 자유 층(37) 내의 자화부(M2)의 자기 공명 주파수로 매끄럽게 조정될 수 있다.

진동장 발생 유닛(1) 내의 자화부(M1)의 진동이 이제 설명될 것이다. 오늘 날, 스핀-전달 나노콘 접촉 발진기 방식의 자기 발진 소자에서 찾아볼 수 있는 자화 진동 모드는 스핀-파동 이론에 의해 충분히 정의되는 모드인 것으로 일반적으로 생각된다. 그러나, 수년간에 걸친 이들의 연구를 통해 본 발명의 발명자들에 의해 행해진 연구 결과에 따르면, 스핀-파동 불릿 모드는 점 접촉의 크기 R이 대략 50 ㎚이면 자화 자유 층이 이 실시예에서와 같이 NiFe 층인 경우에 찾아볼 수 있다. 크기 R이 50 ㎚보다 크면, 크램쉘 모드(clamshell mode), 내부-평면 모드(in-plane mode) 또는 외부-평면 모드(out-of-plane mode) 등의 어떤 다른 진동 모드가 관찰된다. 이들 진동 모드는 스핀-파동 이론을 기초로 하지 않고 균일한 자화를 한정하도록 설계되는 간단한 자성 단상(single-domain) 자화 모델에 의해 정의될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 이들 진동 모드가 이후에서는 집합적으로 균일-자화 진동 모드로서 호칭될 것이다. 균일-자화 진동 모드에서, 자화부(M1)의 진동 진폭은 스핀-파동 불릿 모드에서보다 공간 평균의 관점에서 크다. 결과적으로, 큰 변동을 갖는 진동장(3)이 얻어질 수 있다. 이 실시예에 따른 자기 발진 소자에서, 크기 R이 대략 100 ㎚로 설정되며, 그 결과 큰 변동을 갖는 진동장(3)이 균일-자화 진동 모드를 이용함으로써 얻어질 수 있다. DC 전원(13)으로부터 공급된 전류에 의해 진동장 발생 유닛(1) 내의 NiFe로 제작된 자화 자유 층(34) 내에 여기된 영역은 대략 1.5 x R이며, 이것은 약 150 ㎚이다. 따라서, 자기 여기 체적(V₁)은 대략 8.8 x 10⁴ ㎚³이다. 진동장 발생 유닛(1) 내에 제공된 자화 진동 유닛의 체적인 자기 여기 체적(V₁)은 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2) 내에 제공된 자화 진동 유닛의 체적인 체적(V₂)보다 크다. 이 배열로써, 진동장(3)이 자화부(M2) 상에 효과적으로 작용할 수 있고, 자화부(M2)가 진동하게 할 수 있다.

자기 진동 요소 유닛(2)의 자화 자유 층(37)의 자화부(M2) 상에 작용하는 진동장의 세기(H_osci)는 이 경우에 대략 50 Oe인 4πM_sV₁/r³인 것으로 추산된다. 여기에서, 포화 자화(M_s)의 수치는 퍼몰로이(NiFe)의 경우에 전형적인 수치인 800 emu/㎤이다. 자화부(M2) 상에 작용하는 일정한 정자기장을 정확하게 추산하는 것이 어렵지만, 이 경우에서의 일정한 정자기장은 또한 전형적인 수치인 1000 Oe인 것으로 추정된다. 진동(H_osci)을 갖는 자화부(M2)의 진동 각도(Δθ)는 다음의 식에 의해 평가될 수 있다.

(2)

여기에서, α는 0.01인 길버트 감소 인자(gilbert reduction factor)를 나타내고, γ는 1.76 x 10⁷ [I/Oe·sec]인 회전 자기 비율(gyromagnetic ratio)을 나타낸다. 한편, ω₀은 자화부(M2)의 진동 주파수 그리고 진동 자기장을 나타내고, 다음의 식이 충족된다:

식 (2)에 따르면, 진동 각도(Δθ)는 대략 0.271π인 것으로 추산된다.

DC 전원(12)으로부터 강자성 다층 피막이 형성된 자기 저항 요소 유닛(2)으로 공급된 입력 전류가 0.5 ㎃인 경우에, CoFe 층(41), Ru 층(40), CoFeB 층(39), MgO로 제작된 배리어 층(38), CoFeB 층(37) 및 캡 층(31b)이 형성된 적층 피막 내로 유동하는 전류의 전류 밀도는 대략 2.1 x 10⁶ A/㎠(< 10⁷ A/㎠)이다. MgO로 제작된 터널 배리어 층(38)을 통한 CoFeB 층(39)과 CoFeB 층(37) 사이에서의 스핀 전달 효과는 작다. 따라서, 자화부(M2)의 진동의 Q 수치에 대한 스핀 전달 노이즈의 대부분이 무시될 수 있다. 입력 전류가 0.5 ㎃인 경우에, MgO로 제작된 터널 배리어 층(38)에 인가될 바이어스 전압은 대략 0.11 V이고, MgO로 제작된 배리어 층(38)의 피막 두께는 1.8 ㎚이다. 따라서, 이 경우에 유도된 전기장은 대략 0.06 V/㎚인 것으로 추산될 수 있다. 이 전기장은 절연 파괴를 위한 측정 스틱인 1 V/㎚의 전기장보다 충분히 작다. 이 전기장으로써, 절연 파괴가 MgO로 제작된 터널 배리어(38) 내에서 유발되지 않는다. 0.5 ㎃의 입력 전류로써, 입력 출력(Pin)이 P_in = 212 Ω x (0.5 ㎃)² = 53 ㎼로서 표현된다.

또한, MR 비율이 대략 (R_AP-R_P)/R_P = 200%이므로, 진동 출력(P)이 다음과 같이 추산된다:

P = (MR/2)² x P_in x (1-cosΔθ)² x 1/2이며, 이것은 대략 3 ㎼이다.

이 식에서의 인자 1/2은 시간 평균으로부터 유도된다. 각각의 식의 형태로 부터 인식할 수 있는 것과 같이, 입력 전류가 예컨대 2배로 될 때, 진동 출력이 4배로 된다. 그러나, 입력 전류가 과도하게 크면, 스핀 전달 노이즈의 문제점 또는 절연 파괴의 문제점이 유발된다. 그러므로, 입력 전류에 대한 제한이 있다. 그럼에도 불구하고, 실용 수치인 적어도 3 ㎼의 마이크로와트 진동 출력이 얻어질 수 있다.

위에서 설명된 것과 같이, 이 실시예에 따른 자기 발진 소자로부터 대략 10⁴의 Q 수치 그리고 높은 출력인 적어도 3 ㎼의 출력(P)을 얻는 것이 가능하다. 바꿔 말하면, 이 실시예에 따른 자기 발진 소자는 종래의 GMR 발진 소자 그리고 종래의 TMR 발진 소자의 장점을 갖고, 높은 Q 수치를 갖는 높은 출력을 성취할 수 있다.

(변형예)

도 7을 이제 참조하여, 이 실시예의 변형예에 따른 자기 발진 소자가 설명될 것이다. 이 변형예의 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1)의 형상 면에서만 도 6에 도시된 제8 실시예의 자기 발진 소자와 상이하고, 구조, 피막 두께 및 재료 면에서 어떠한 차이도 없다. 더 구체적으로, 제8 실시예의 진동장 발생 유닛(1)은 점 접촉 방식으로 되어 있고, 상부 전극(30a)은 캡 층(31a)과 점-접촉 상태에 있다. 반면에, 이 변형예의 진동장 발생 유닛(1)은 기둥형 방식으로 되어 있고, 캡 층(31a)은 상부 전극(30a)의 기둥으로서 역할한다.

이 변형예에서, 스핀-파동 불릿 모드(spin-wave bullet mode)가 보이지 않 고, 제8 실시예에서와 같이 균일-자화 진동 모드가 대개 관찰된다.

이 변형예에 따른 자기 발진 소자는 소자 크기가 감소될 수 있다는 장점을 갖는다. 반면에, 도 6에 도시된 제8 실시예의 자기 발진 소자는 진동장 발생 유닛(1)이 밀링 공정 또는 리프트-오프(lift-off) 공정 등의 공정을 통해 기둥 형상으로 가공될 것이 필요하지 않기 때문에 진동장 발생 유닛(1)이 제조하기 용이하다는 장점을 갖는다.

제8 실시예와 같이, 이 변형예는 또한 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취할 수 있다.

(제9 실시예)

본 발명의 제9 실시예에 따른 자기 기록 및 재생 장치가 이제 설명될 것이다. 도 1 내지 도 7에 도시된 제1 내지 제8 실시예 및 이들의 변형예에 따른 자기 발진 소자 중 임의의 자기 발진 소자가 자기 기록 및 재생 장치 상에 장착될 수 있다.

도 8은 자기 기록 및 재생 장치의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 더 구체적으로, 이 실시예의 자기 기록 및 재생 장치(150)는 로터리 작동기를 포함하는 일종의 장치이다. 도 8에서, 직각 기록 자기 디스크(200)가 스핀들(152)에 부착되고, (도시되지 않은) 구동 유닛 제어기로부터 공급되는 제어 신호에 응답하는 (도시되지 않은) 모터로써 화살표 A의 방향으로 회전한다. 자기 디스크(200) 내에 저장된 정보의 기록 및 재생을 수행하는 헤드 슬라이더(153)가 박막 서스펜션(154)의 상부 단부에 부착된다. 헤드 슬라이더(153)는 상부 단부 영역 상으로 장착되는 자기 헤드를 갖는다. 자기 헤드는 매체 또는 자기 디스크(200) 상의 자기장을 감지하고 정보를 재생하는 재생 장치로서 위에서 설명된 실시예 및 변형예의 자기 발진 소자들 중 하나를 포함한다.

자기 디스크(200)가 회전함에 따라, 헤드 슬라이더(153)의 매체 대면 표면(ABS)은 자기 디스크(200)의 표면으로부터 소정 거리에 있는 부유 위치에서 유지된다.

서스펜션(154)은 (도시되지 않은) 구동 코일 등을 보유하는 보빈 유닛을 갖는 작동기 암(155)의 일단부에 연결된다. 일종의 선형 모터인 음성 코일 모터(156)가 작동기 암(155)의 타단부에 제공된다. 음성 코일 모터(156)는 작동기 암(155)의 보빈 유닛에 의해 권취되는 (도시되지 않은) 구동 코일 그리고 서로에 대면하도록 배열되는 영구 자석 및 대면 요크를 갖는 자기 회로를 포함하며, 구동 코일은 영구 자석과 대면 요크 사이에 개재된다.

작동기 암(155)은 고정 샤프트(157)의 상부 부분 및 하부 부분에 제공되는 (도시되지 않은) 볼 베어링에 의해 보유된다. 음성 코일 모터(156)는 작동기 암(155)이 회전 방식으로 자유롭게 활주하게 한다.

도 9는 디스크측으로부터 관찰될 때의 작동기 암(155)을 포함한 자기 헤드 조립체의 확대 사시도이다. 자기 헤드 조립체(160)는 구동 코일 등을 보유하는 보빈 유닛을 갖는 작동기 암(155)을 포함하고, 서스펜션(154)은 작동기 암(155)의 일단부에 연결된다.

자기 헤드를 포함한 헤드 슬라이더(153)는 서스펜션(154)의 상부 단부에 부 착된다. 서스펜션(154)은 신호를 기록 및 판독하는 리드 와이어(164)를 갖는다. 리드 와이어(164)는 헤드 슬라이더(153) 내로 합체된 자기 헤드의 각각의 전극에 전기적으로 연결된다. 도 9에서의 도면 부호 165는 자기 헤드 조립체(160)의 전극 패드를 나타낸다. 여기에서, 소정 거리는 헤드 슬라이더(153)의 매체 대면 표면(ABS)과 자기 디스크(200)의 표면 사이에서 유지된다.

종래의 재생 헤드의 매체 필드 센서(medium field sensor)에는 GMR 소자 또는 TMR 소자 등의 MR 소자가 형성된다. 반면에, 이 실시예의 자기 기록 및 재생 장치 내에 채용된 재생 헤드에서, 제1 및 제8 실시예 및 변형예의 자기 발진 소자들 중 하나의 자기 발진 소자가 매체 필드 센서로서 사용된다. 종래의 재생 헤드에서, MR 소자 출력의 진폭 면에서의 변화가 매체 상에 기록된 자기 정보를 판독하도록 검출된다. 반면에, 이 실시예의 자기 기록 및 재생 장치 내에 채용된 재생 헤드에서, 자기 발진 소자의 진동 주파수가 매체 상의 자기장에 따라 변동함에 따라, 자기 발진 소자의 진동 주파수 면에서의 변화가 자기 정보를 판독하도록 검출된다. "자기 발진 소자의 사용으로써 주파수를 검출함으로써 자기 기록 재생을 수행하는 재생 헤드"는 공지된 개념이고, 이러한 재생 헤드는 소형 재생 헤드가 미래에 개발되겠지만 1 테라비트/인치²의 고-밀도 기록의 세대에서 열 노이즈에 내성인 고-SNR 신호 재생을 구현할 수 있는 재생 헤드들 중 하나인 것으로 생각된다. 자기 발진 소자의 사용으로써 주파수를 검출함으로써 자기 기록 재생을 수행하는 이 실시예의 재생 헤드에서, 재생 진호 출력은 현실적인 마이크로와트의 정도이고, 주 파수 분해능은 안정된 진동 상태로써 높은데, 제1 내지 제8 실시예 중 하나의 실시예의 자기 발진 소자가 종래의 자기 발진 소자보다 높은 출력 및 Q 수치를 갖기 때문이다.

지금까지 설명된 것과 같이, 본 발명은 높은 Q 수치 및 높은 출력을 성취하는 자기 발진 소자, 이 자기 발진 소자를 포함하는 자기 헤드 그리고 자기 기록 및 재생 장치를 제공할 수 있다.

추가의 장점 및 변형예가 당업자에게 용이하게 착상될 것이다. 그러므로, 더 넓은 측면에서의 본 발명은 여기에서 도시 및 설명된 특정 세부 사항 및 대표 실시예에 제한되지 않는다. 따라서, 다양한 변형예가 첨부된 특허청구범위 및 이들의 등가물에 의해 한정된 것과 같이 일반적인 발명 개념의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고도 행해질 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 2는 제2 내지 제4 실시예 중 임의의 것에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 3은 제5 실시예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 4는 제6 실시예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 5는 제7 실시예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 6은 제8 실시예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 7은 제8 실시예의 변형예에 따른 자기 발진 소자의 개략도.

도 8은 제9 실시예에 따른 자기 기록 및 재생 장치의 사시도.

도 9는 제9 실시예의 자기 기록 및 재생 장치의 작동기 암을 포함한 자기 헤드 조립체의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 진동장 발생 유닛

2: 자기 저항 요소 유닛

3: 진동장

7: 바이어스 티

8: 자화 자유 층

9: 스페이서 층

10: 자화 고정 층

11: 전원

Claims

자기 발진 소자이며,

진동장을 발생시키도록 구성되는 진동장 발생 유닛과;

그 자화 방향이 고정되는 제1 자화 고정 층, 그 자화 방향이 진동장에 따라 진동하는 제1 자화 자유 층 그리고 제1 자화 고정 층과 제1 자화 자유 층 사이에 개재되는 제1 스페이서 층을 포함하는 자기 저항 효과 피막을 포함하는, 자기 저항 요소를 포함하는 자기 발진 소자.
제1항에 있어서, 상기 자기 저항 효과 피막의 제1 스페이서 층은 터널 배리어인, 자기 발진 소자.
제1항에 있어서, 상기 진동장 발생 유닛은 그 자화 방향이 고정되는 제2 자화 고정 층, 그 자화 방향이 진동하는 제2 자화 자유 층 그리고 비자성 금속으로 제작되고 제2 자화 고정 층과 제2 자화 자유 층 사이에 개재되는 제2 스페이서 층을 포함하는 CPP-GMR 소자인, 자기 발진 소자.
제3항에 있어서, 상기 CPP-GMR 소자의 제2 자화 자유 층은 자기 저항 효과 피막의 제1 자화 자유 층의 체적보다 큰 체적을 갖는, 자기 발진 소자.
제1항에 있어서, 상기 진동장 발생 유닛이 진동장을 발생시키기 위해 진동장 발생 유닛에 전류를 공급하도록 구성되는 제1 전원과;

상기 자기 저항 요소의 자기 저항 효과 피막에 전류를 공급하도록 구성되는 제2 전원과;

상기 자기 저항 요소의 자기 저항 효과 피막으로부터 출력되는 마이크로파를 추출하도록 구성되는 마이크로파 추출 회로를 추가로 포함하는, 자기 발진 소자.
제5항에 있어서, 상기 제1 자화 자유 층의 부근에 위치되고 마이크로파의 주파수를 변화시키는 정자기장을 발생시키도록 구성되는 정자기장 발생 유닛을 추가로 포함하는, 자기 발진 소자.
자기 발진 소자이며,

그 자화 방향이 고정되는 제1 자화 고정 층, 그 자화 방향이 직류 전류의 공급에 따라 진동하는 제1 자화 자유 층 그리고 제1 자화 고정 층과 제1 자화 자유 층 사이에 개재되는 제1 스페이서 층을 포함하는 제1 자기 저항 효과 피막을 포함하는 제1 자기 저항 요소와;

그 자화 방향이 고정되는 제2 자화 고정 층, 그 자화 방향이 직류 전류의 공급에 따라 진동하는 제2 자화 자유 층 그리고 제2 자화 고정 층과 제2 자화 자유 층 사이에 개재되는 제2 스페이서 층을 포함하는 제2 자기 저항 효과 피막을 포함하는 제2 자기 저항 요소와;

제1 자화 자유 층과 제2 자화 자유 층 사이에 위치되고 제2 자기 저항 요소로부터 제1 자기 저항 요소로의 스핀 유동을 차단하는 스핀-반전 산란 층과;

제1 자화 고정 층에 전기적으로 연결되는 제1 전극과;

제2 자화 고정 층에 전기적으로 연결되는 제2 전극과;

제1 및 제2 전극을 거쳐 제1 자기 저항 요소, 스핀-반전 산란 층 및 제2 자기 저항 요소를 통해 유동하는 직류 전류를 공급하도록 구성되는 전원을 포함하는, 자기 발진 소자.
제7항에 있어서, 상기 제2 자화 고정 층 및 제2 스페이서 층의 각각의 층 표면은 제2 자화 자유 층, 스핀-반전 산란 층, 제1 자화 자유 층, 제1 스페이서 층 및 제1 자화 고정 층의 각각의 층 표면의 면적보다 작은 면적을 갖는, 자기 발진 소자.
제7항에 있어서, 상기 제1 스페이서 층은 터널 배리어이고, 제2 스페이서 층은 비자성 금속 층인, 자기 발진 소자.
제7항에 있어서, 상기 제1 자기 저항 효과 피막으로부터 출력되는 마이크로파를 추출하도록 구성되는 마이크로파 추출 회로를 추가로 포함하는, 자기 발진 소자.
제10항에 있어서, 상기 제1 자화 자유 층의 부근에 위치되고 마이크로파의 주파수를 변화시키는 정자기장을 발생시키도록 구성되는 정자기장 발생 유닛을 추가로 포함하는, 자기 발진 소자.
제1항에 따른 자기 발진 소자를 포함하며,

상기 자기 발진 소자는 재생 장치로서 역할하는, 자기 헤드.
제7항에 따른 자기 발진 소자를 포함하며,

상기 자기 발진 소자는 재생 장치로서 역할하는, 자기 헤드.
자기 디스크를 구동시키는 디스크 드라이버 그리고 제12항에 따른 자기 헤드를 포함하는, 자기 기록 및 재생 장치.
자기 디스크를 구동시키는 디스크 드라이버 그리고 제13항에 따른 자기 헤드를 포함하는, 자기 기록 및 재생 장치.