(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された磁化方向を有する第１固定層と、
前記第１固定層上に備わった第１自由層と、
前記第１自由層上に備わった第２自由層と、を含み、
前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメントの歳差運動を利用して、信号を発生させ、
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、水平磁気異方性を有し、
前記第１固定層は、前記第１自由層に第１スピントルクを印加するように構成され、前記第２自由層は、前記第１自由層に第２スピントルクまたは第１ストレイ・フィールドを印加するように構成され、前記第２スピントルクと前記第１ストレイ・フィールドは、前記第１スピントルクの方向と反対方向を有することを特徴とする発振器。
【請求項２】
前記第１固定層と前記第１自由層との間に備わった第１分離層と、
前記第１自由層と前記第２自由層との間に備わった第２分離層と、をさらに含み、
前記第１分離層及び第２分離層は、絶縁層または導電層であることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記第２自由層上に備わる少なくとも１層の別途の自由層と、
前記自由層間に備わった少なくとも１層の別途の分離層と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の発振器。
【請求項４】
前記発振器は、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造をさらに含み、
前記ＳＡＦ構造は、前記第１固定層を含むことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項５】
前記ＳＡＦ構造は、
前記第１固定層と離隔された第２固定層と、
前記第１固定層と前記第２固定層との間に備わったスペーサと、を含み、
前記第１固定層は、前記第２固定層と前記第１自由層との間に備わったことを特徴とする請求項４に記載の発振器。
【請求項６】
前記第１固定層の一面に備わった反強磁性層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項７】
前記第１固定層は、前記反強磁性層と前記第１自由層との間に備わったことを特徴とする請求項６に記載の発振器。
【請求項８】
前記発振器は、磁場フリー発振器であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項９】
請求項１に記載の発振器の動作方法において、
前記発振器に電流を印加し、前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメントを歳差運動させる段階と、
前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメントが歳差運動するとき、前記発振器の抵抗変化を検出する段階と、を含み、
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、水平磁気異方性を有し、
前記第１固定層は、前記第１自由層に第１スピントルクを印加するように構成され、前記第２自由層は、前記第１自由層に第２スピントルクまたは第１ストレイ・フィールドを印加するように構成され、前記第２スピントルクと前記第１ストレイ・フィールドは、前記第１スピントルクの方向と反対方向を有する発振器の動作方法。
【請求項１０】
前記動作方法は、前記第１固定層から前記第１自由層及び第２自由層に電子が流れるように、前記発振器に電流を印加する段階を含むことを特徴とする請求項９に記載の発振器の動作方法。
【請求項１１】
前記第１固定層と前記第１自由層との間に、第１分離層が備わり、
前記第１自由層と前記第２自由層との間に、第２分離層が備わり、
前記第１分離層及び第２分離層は、絶縁層または導電層であることを特徴とする請求項１０に記載の発振器の動作方法。
【請求項１２】
前記第２自由層上に、少なくとも１層の別途の分離層と、少なくとも１層の別途の自由層とが交互に備わったことを特徴とする請求項１１に記載の発振器の動作方法。
【請求項１３】
前記発振器は、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｉｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造を含み、
前記ＳＡＦ構造は、前記第１固定層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の発振器の動作方法。
【請求項１４】
前記第１固定層の下面に、反強磁性層が備わったことを特徴とする請求項１０に記載の発振器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振器及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発振器（ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）は、一定周期の信号を発生させる装置であり、主に移動通信端末機、衛星及びレーダ通信機器、無線ネットワーク機器、自動車用通信機器などの無線通信システムに使われ、アナログ音響合成装置などにも使われる。
【０００３】
発振器で重要な要素としては、品質係数（ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）、出力電力（ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ）、位相ノイズ（ｐｈａｓｅ  ｎｏｉｓｅ）などがある。発振器は、品質係数と出力電力とが高いほど、また、位相ノイズが小さいほど、優秀な特性を有することができる。最近、通信機器の高性能化及び小型化への要求が増大して、動作周波数帯域が高まるにつれて、小型でありつつ、高品質係数及び低位相ノイズを有する高出力発振器の開発が要求されている。
【０００４】
そこで、スピン伝達トルク（ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｔｏｒｑｕｅ）現象を利用するスピントルク発振器が提案された。スピントルク発振器は、既存のＬＣ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ  ａｎｄ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）発振器及びＦＢＡＲ（ｆｉｌｍ  ｂｕｌｋ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）発振器に比べて、はるかに小さい超薄型に製造でき、比較的高い品質係数を有するために、次世代発振器として注目されている。
【０００５】
しかし、従来のスピントルク発振器は、高周波発振のために、大きな磁場を必要とする。例えば、数ＧＨｚほどの周波数を発生させるためには、数百Ｏｅ（ｏｅｒｓｔｅｄ）ほどの外部磁場を印加せねばならない。しかし、このように大きい外部磁場を印加するのは、現実的に非常に困難である。また、外部磁場を印加するための付加的な装置は、スピントルク発振器の長所である小型化を阻害する要因になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、スピン伝達トルク現象を利用するものであり、外部磁場を印加せずとも高周波信号を発生させられる発振器を提供するものである。
本発明はまた、前記発振器の動作方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面（ａｓｐｅｃｔ）によれば、固定された磁化方向を有する第１固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）と、前記第１固定層上に備わった第１自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）と、前記第１自由層上に備わった第２自由層と、を含み、前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメント（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｍｅｎｔ）の歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）を利用して、信号を発生させる発振器が提供される。
【０００８】
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、水平磁気異方性（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有することができる。
【０００９】
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有することができる。
【００１０】
前記発振器は、前記第１固定層と前記第１自由層との間に備わった第１分離層と、前記第１自由層と前記第２自由層との間に備わった第２分離層と、をさらに含むことができる。前記第１分離層及び第２分離層は、絶縁層または導電層でありうる。
【００１１】
前記発振器は、前記第２自由層上に備わる少なくとも１層の別途の自由層と、前記自由層間に備わった少なくとも１層の別途の分離層と、をさらに含むことができる。
【００１２】
前記発振器は、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造をさらに含むことができ、前記ＳＡＦ構造は、前記第１固定層を含むことができる。
【００１３】
前記ＳＡＦ構造は、前記第１固定層と離隔された第２固定層と、前記第１固定層と前記第２固定層との間に備わったスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）と、を含むことができ、前記第１固定層は、前記第２固定層と前記第１自由層との間に備わりうる。
【００１４】
前記発振器は、前記第１固定層の一面に備わった反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）をさらに含むことができる。
【００１５】
前記第１固定層は、前記反強磁性層と前記第１自由層との間に備わりうる。
【００１６】
前記発振器は、磁場フリー（ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄ−ｆｒｅｅ）発振器でありうる。
【００１７】
前記第１固定層は、前記第１自由層に第１スピントルク（ｓｐｉｎ  ｔｏｒｑｕｅ）を印加するように構成され、前記第２自由層は、前記第１自由層に第２スピントルクまたは第１ストレイ・フィールド（ｓｔｒａｙ  ｆｉｅｌｄ）を印加するように構成されうる。前記第２スピントルクと前記第１ストレイ・フィールドは、前記第１スピントルクの方向と反対方向を有することができる。
【００１８】
本発明の他の側面によれば、第１自由層及び第２自由層を含む発振器に電流を印加し、前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメントを歳差運動させる段階と、前記第１自由層及び第２自由層のうち少なくとも１層の磁気モーメントが歳差運動するとき、前記発振器の抵抗変化を検出する段階と、を含む発振器の動作方法が提供される。
【００１９】
前記発振器は、第１固定層をさらに含むことができ、前記動作方法は、前記第１固定層から前記第１自由層及び第２自由層に電子が流れるように、前記発振器に電流を印加する段階を含むことができる。
【００２０】
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、水平磁気異方性を有することができる。
【００２１】
前記第１固定層と、前記第１自由層及び第２自由層は、垂直磁気異方性を有することができる。
【００２２】
前記第１固定層と前記第１自由層との間に、第１分離層が備わり、前記第１自由層と前記第２自由層との間に、第２分離層が備わり、前記第１分離層及び第２分離層は、絶縁層または導電層でありうる。
【００２３】
前記第２自由層上に、少なくとも１層の別途の分離層及び少なくとも１層の別途の自由層が交互にさらに備わりうる。
【００２４】
前記発振器は、ＳＡＦ構造を含むことができ、前記ＳＡＦ構造は、前記第１固定層を含むことができる。
【００２５】
前記発振器は、前記第１固定層の下面に備わった反強磁性層をさらに含むことができる。
【００２６】
前記動作方法は、前記第１自由層に第１スピントルクを印加する段階と、前記第１自由層に第２スピントルクまたは第１ストレイ・フィールドを提供する段階と、を含むことができ、前記第２スピントルクと前記第１ストレイ・フィールドは、前記第１スピントルクの方向と反対方向を有することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、外部磁場を印加せずとも、高周波発振が可能なスピントルク発振器を具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。
【図４】図１の発振器の動作方法を説明するための断面図である。
【図５】図１の発振器の動作方法を説明するための断面図である。
【図６】図１の発振器の動作方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の実施形態による発振器の動作方法を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態による発振器に電流を印加したとき、経時的な発振器の抵抗変化を示すグラフである。
【図９】図８をフーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）で変換したもので、本発明の実施形態による発振器の発振周波数を示すグラフである。
【図１０】本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態による発振器及びその動作方法について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で、図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために多少誇張されて図示されている。詳細な説明全体にわたって同じ参照番号は、同じ構成要素を示している。
【００３０】
図１は、本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。
図１を参照すれば、固定層（ｐｉｎｎｅｄ  ｌａｙｅｒ）Ｐ１上に、複数の自由層（ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）、例えば、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２が積層されている。固定層Ｐ１と第１自由層Ｆ１との間に、第１分離層Ｓ１が備わり、第１自由層Ｆ１と第２自由層Ｆ２との間に、第２分離層Ｓ２が備わりうる。
【００３１】
固定層Ｐ１は、磁化方向が所定方向に固定された磁性層であり、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉのうち少なくとも一つを含む強磁性（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）物質から形成されうる。前記強磁性物質は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ以外に、他の元素をさらに含むこともできる。例えば、固定層Ｐ１は、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＭｎＯ、ＭｎＳ、ＭｎＴｅ及びＭｎＦのうち少なくとも一つを含むことができる。固定層Ｐ１の磁化方向を固定するための方法は、さまざまなものがありうる。例えば、固定層Ｐ１の磁化方向を固定させるために、ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ）構造（図示せず）または反強磁性層（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｌａｙｅｒ）（図示せず）を利用することができる。これについては、追ってさらに詳細に説明する。前記ＳＡＦ構造や反強磁性層を利用せずに、固定層Ｐ１自体の厚みを厚くする方法で、磁化方向を固定させることもできる。すなわち、付加的な層の助けなしに、固定層Ｐ１の厚み調節を介して、磁化方向を固定させることができる。
【００３２】
第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２は、磁化方向が変動可能な層であり、一般的な強磁性物質から形成されうる。前記強磁性物質は、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉのうち少なくとも一つを含み、それ以外に他の元素（例えば、Ｂ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄなど）をさらに含むこともできる。例えば、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＰｔ、ＣｏＦｅＰｄ、ＣｏＦｅＣｒ、ＣｏＦｅＴｂ、ＣｏＦｅＧｄ及びＣｏＦｅＮｉのうち少なくとも一つを含むことができる。第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２の厚みは、０．５〜１０ｎｍほど、例えば、１〜５ｎｍほどでありうる。第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２の厚みは、互いに同じでありうるが、場合によっては、異なることもある。
【００３３】
固定層Ｐ１と、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２は、水平磁気異方性（ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）または垂直磁気異方性（ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を有することができる。図１には、固定層Ｐ１と、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２とが水平磁気異方性を有するが、固定層Ｐ１の磁化方向は、Ｘ軸の逆方向に固定され、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２は、Ｘ軸に平行な磁化容易軸（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｅａｓｙ  ａｘｉｓ）を有する場合が図示されている。これは、例示的なものに過ぎない。すなわち、固定層Ｐ１の磁化方向と、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２の磁化容易軸方向は、図示されているところに限定されるものではなく、多様に変化されうる。
【００３４】
第１分離層Ｓ１及び第２分離層Ｓ２は、絶縁層または導電層でありうる。前記絶縁層は、例えば、Ｍｇ酸化物またはＡｌ酸化物のような酸化物を含むことができる。前記導電層は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの混合物のうち少なくとも１つの金属を含むことができる。第１分離層Ｓ１及び第２分離層Ｓ２の厚みは、例えば、０．５〜３ｎｍほどでありうる。第１分離層Ｓ１及び第２分離層Ｓ２が絶縁層である場合、本実施形態の発振器は、ＴＭＲ（ｔｕｎｎｅｌ  ｍａｇｎｅｔｏ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造を有し、第１分離層Ｓ１及び第２分離層Ｓ２が導電層である場合、本実施形態の発振器は、ＧＭＲ（ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造を有する。場合によっては、第１分離層Ｓ１及び第２分離層Ｓ２のうち１層は絶縁層であり、他の１層は導電層でもありうる。
【００３５】
図１に図示されていないが、固定層Ｐ１の下面に、第１電極を具備させることができ、第２自由層Ｆ２の上面に、第２電極を具備させることができる。固定層Ｐ１及び第２自由層Ｆ２の物質によって、前記第１電極及び第２電極を具備させることは、選択的（ｏｐｔｉｏｎａｌ）でありうる。例えば、固定層Ｐ１及び第２自由層Ｆ２の電気抵抗が十分に低い場合、固定層Ｐ１及び第２自由層Ｆ２自体を電極として使用することができるので、前記第１電極及び第２電極を具備させなくともよい。
【００３６】
以上で説明した本実施形態による発振器は、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２のうち少なくとも１層の磁気モーメント（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｍｏｍｅｎｔ）の歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）を利用して、特定周波数帯域の信号を発生させることができる。例えば、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２のうち少なくとも第１自由層Ｆ１の磁気モーメントを歳差運動させることができる。第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２の磁気モーメントを、いずれも歳差運動させることもできる。磁気モーメントの歳差運動は、磁気モーメントの軸（ａｘｉｃ）が特定軌道を描きつつ回転することを意味する。ここで、磁気モーメントの軸方向は、磁化方向と同じものであると見ることができる。従って、磁気モーメントの歳差運動は、磁化方向の回転に対応しうる。第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２のうち少なくとも１層の磁気モーメントが歳差運動することにより、固定層Ｐ１と自由層Ｆ１，Ｆ２との電気抵抗が周期的に変化し、その結果、特定周波数帯域の信号が発生しうる。
【００３７】
本実施形態による発振器は、互いに隣接した２層の自由層Ｆ１，Ｆ２を有するために、外部磁場の印加なしに、電流だけで自由層Ｆ１，Ｆ２の磁気モーメントを歳差運動させることができる。一般的に、磁気モーメントの歳差運動のためには、磁気モーメントの摂動（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）のための電流誘導スピン伝達トルク（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｓｐｉｎ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｔｏｒｑｕｅ）と、磁気モーメントの復原力（ｒｅｓｔｏｒｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を提供する外部磁場とが要求される。磁気モーメントが摂動しようとする力と、所定位置に復元しようとする力とが均衡をなしつつ、磁気モーメントの軸が特定軌道を描きつつ回転することができる。単一自由層（ｓｉｎｇｌｅ  ｆｒｅｅ  ｌａｙｅｒ）を利用するスピントルク発振器（比較例）の場合、前記単一自由層の磁気モーメントを歳差運動させるためには、前記復原力を提供する外部磁場を印加せねばならない。すなわち、前記単一自由層の磁化方向を一方に引き起こさせるための外部磁場が要求される。しかし、本実施形態では、第２自由層Ｆ２が第１自由層Ｆ１に、または、第１自由層Ｆ１が第２自由層Ｆ２に、前記外部磁場と類似したエネルギー（力）を印加する役割を行うことができる。従って、本実施形態による発振器は、外部磁場なしに電流印加だけで、高周波信号を発生させることができる。すなわち、本実施形態による発振器は、磁場フリー（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ−ｆｒｅｅ）発振器でありうる。本実施形態による発振器の動作原理については、追って図４ないし図６を参照しつつさらに詳細に説明する。
【００３８】
図２及び図３は、本発明の他の実施形態による発振器を示している。図２は、固定層Ｐ１がＳＡＦ構造ＳＡＦ１の一部である場合であり、図３は、固定層Ｐ１の下面に、反強磁性層ＡＦ１が備わった場合である。ＳＡＦ構造ＳＡＦ１及び反強磁性層ＡＦ１は、固定層Ｐ１の磁化方向を固定するための手段でありうる。
【００３９】
図２を参照すれば、固定層Ｐ１（以下、第１固定層Ｐ１）の下面に、スペーサ（ｓｐａｃｅｒ）ＳＰ１と第２固定層Ｐ２とが順に備わりうる。第１固定層Ｐ１及び第２固定層Ｐ２は、互いに反対方向に固定された磁化方向を有することができる。換言すれば、第１固定層Ｐ１と第２固定層Ｐ２は、互いに反対方向に磁化することができる。第１固定層Ｐ１及び第２固定層Ｐ２が、互いに反対方向に固定された磁化方向を有するのは、２層の固定層Ｐ１，Ｐ２間の交換結合（ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ）特性によるものでありうる。このような交換結合特性は、スペーサＳＰ１の物質と厚みとが、所定の条件を満足するときに示される。その場合、第１固定層Ｐ１と第２固定層Ｐ２は、スペーサＳＰ１を挟んで、ＳＡＦ構造ＳＡＦ１を形成すると見ることができる。図示されていないが、第２固定層Ｐ２の下面に、第２固定層Ｐ２の磁化方向を固定するための反強磁性層がさらに備わりうる。
【００４０】
図３を参照すれば、固定層Ｐ１の下面に、反強磁性層ＡＦ１が備わりうる。反強磁性層ＡＦ１は、原子の磁気モーメントが規則的に正方向及び逆方向に配列される特性を有するが、固定層Ｐ１の磁化方向は、それに隣接した反強磁性層ＡＦ１の最上部磁気モーメント方向に固定できる。図示されているように、反強磁性層ＡＦ１の最上部磁気モーメントがＸ軸の逆方向であるとき、固定層Ｐ１の磁化は、Ｘ軸の逆方向に固定されうる。反強磁性層ＡＦ１は、例えば、Ｍｎ系の物質を含むことができる。前記Ｍｎ系の物質は、ＩｎＭｎ、ＦｅＭｎなどでありうる。しかし、反強磁性層ＡＦ１の物質は、Ｍｎ系物質に限定されるものではない。反強磁性特性を有する物質であるならば、いかなるものでも反強磁性層ＡＦ１物質として使われうる。
【００４１】
図４は、図１の発振器の動作方法について説明するための断面図である。図４は、第１動作原理によるものである。
【００４２】
図４を参照すれば、発振器に電流Ｉを印加することによって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントを歳差運動させることができる。前記電流Ｉは、第２自由層Ｆ２から固定層Ｐ１に印加することができる。このような電流Ｉによって、電子ｅ−は、固定層Ｐ１から第１自由層Ｆ１を経て第２自由層Ｆ２に流れる。固定層Ｐ１を通過して、第１自由層Ｆ１に流れる電子ｅ−は、固定層Ｐ１と同じスピン方向を有し、第１自由層Ｆ１に第１方向（Ｘ軸の逆方向）の第１スピントルク（ｓｐｉｎ  ｔｏｒｑｕｅ）ＳＴ１を印加することができる。第１スピントルクＳＴ１によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントが摂動することができる。また、第１自由層Ｆ１を経て、第２自由層Ｆ２に達した電子ｅ−の少なくとも一部は、第２自由層Ｆ２から第１自由層Ｆ１に戻る。このように、第２自由層Ｆ２から第１自由層Ｆ１に戻る電子ｅ−は、第１自由層Ｆ１に、第２方向（Ｘ軸方向）の第２スピントルクＳＴ２を印加することができる。第２スピントルクＳＴ２の方向は、第１スピントルクＳＴ１と反対でありうる。第２スピントルクＳＴ２によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントに復原力が印加されうる。従って、第１スピントルクＳＴ１によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントが摂動しようとする力と、第２スピントルクＳＴ２によって、前記磁気モーメントが復元しようとする力とが均衡をなしつつ、前記磁気モーメントの軸が、特定軌道を描きつつ回転することができる。前記磁気モーメントが歳差運動することにより、発振器の電気抵抗が周期的に変化し、その結果、特定周波数帯域の信号が発振されうる。
【００４３】
図５は、図１の発振器の動作方法について説明するための断面図である。図５は、第２動作原理によるものである。
【００４４】
図５を参照すれば、図４と同様に、発振器に電流Ｉを印加し、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントを歳差運動させることができる。電流Ｉによって、固定層Ｐ１を通過して第１自由層Ｆ１に流れる電子ｅ−は、固定層Ｐ１と同じスピン方向を有し、第１自由層Ｆ１に第１方向（Ｘ軸の逆方向）の第１スピントルクＳＴ１を印加することができる。第１スピントルクＳＴ１によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントが摂動することができる。また、第２自由層Ｆ２から第１自由層Ｆ１に、第１スピントルクＳＴ１と反対方向のストレイ・フィールド（ｓｔｒａｙ  ｆｉｅｌｄ）ＳＦ１が印加されうる。ストレイ・フィールドＳＦ１によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントに復原力を印加することができる。従って、第１スピントルクＳＴ１によって、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントが摂動しようとする力と、ストレイ・フィールドＳＦ１によって、前記磁気モーメントが復元しようとする力とが均衡をなしつつ、前記磁気モーメントが歳差運動することができ、その結果、特定周波数帯域の信号が発振されうる。
【００４５】
図４を参照して説明した第１動作原理、すなわち、互いに反対方向の第１スピントルクＳＴ１及び第２スピントルクＳＴ２によって、歳差運動が誘導される原理；図５を参照して説明した第２動作原理、すなわち、互いに反対方向の第１スピントルクＳＴ１とストレイ・フィールドＳＦ１とによる歳差運動が誘導される原理；のうち少なくとも一つによって、本実施形態による発振器が動作しうる。
【００４６】
図４及び図５では、第１自由層Ｆ１の磁気モーメントが歳差運動する原理について説明したが、図６に図示されているように、第２自由層Ｆ２の磁気モーメントも歳差運動することができる。さらに具体的に説明すれば、第２自由層Ｆ２にも、スピントルク及びそれと反対方向のストレイ・フィールドが印加され、それによって、第２自由層Ｆ２の磁気モーメントも歳差運動することができる。第２自由層Ｆ２に印加されるストレイ・フィールドは、第１自由層Ｆ１から印加されたものでありうる。第１自由層Ｆ１の磁気モーメントの方向が変化することによって、第１自由層Ｆ１から第２自由層Ｆ２に印加されるストレイ・フィールドの方向が周期的に変化し、また、第１自由層Ｆ１から第２自由層Ｆ２に印加されるスピントルクの方向も周期的に変化しうる。従って、第２自由層Ｆ２の磁気モーメントも歳差運動することができる。第２自由層Ｆ２の磁気モーメントの歳差運動はまた、第１自由層Ｆ１の歳差運動に影響を与えることができる。このように、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２の磁気モーメントは、互いにに影響を与えつつ歳差運動することができる。
【００４７】
図４ないし図６に図示した磁気モーメントの歳差運動の方向は、例示的なものに過ぎない。自由層Ｆ１，Ｆ２の物質及び厚みなどによって、歳差運動の方向は変わりうる。
【００４８】
このように本実施形態によれば、隣接した少なくとも２層の自由層Ｆ１，Ｆ２を使用することによって、外部磁場を印加せずとも、所定帯域の高周波信号を発振することができる発振器を具現することができる。このような発振器は、外部磁場を印加するための装置を必要としないために、コンパクトに構成され、簡単な方法で動作しうる。
【００４９】
また、本実施形態による発振器は、複数の自由層Ｆ１，Ｆ２の一方に備わった固定層Ｐ１を含むために、固定層Ｐ１から自由層Ｆ１，Ｆ２に、スピントルクを安定して提供することができる。すなわち、固定層Ｐ１は、所定方向のスピンを有する電子を、自由層Ｆ１，Ｆ２に印加する役割を行うことができる。よって、本実施形態による発振器は、固定層Ｐ１がない場合に比べて、動作が容易であり、広い動作ウインドー（ｗｉｎｄｏｗ）を有することができる。また、固定層Ｐ１は、出力パワー（ｏｕｔｐｕｔ  ｐｏｗｅｒ）を高める役割を行うことができる。これは、固定層Ｐ１があるときに、そうではない場合より、歳差運動による発振器の抵抗変化量が大きくなりうるためである。固定層Ｐ１と第１自由層Ｆ１との抵抗変化量が、第１自由層Ｆ１と第２自由層Ｆ２との抵抗変化量より相対的にはるかに大きい。これは、固定層Ｐ１によって、発振器の出力パワーが大きく増大するということを意味する。このように、本実施形態で固定層Ｐ１は、発振のためのスピントルクを安定して誘導する役割を行うと同時に、出力パワーを高めるという役割を行うことができる。
【００５０】
付け加えて、本実施形態による発振器は、動作電流Ｉ（図４ないし図６）の条件によって発振周波数が変わる周波数調節可能（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｔｕｎａｂｌｅ）発振器でありうる。本実施形態による発振器は、外部磁場なしに、電流だけで動作されうるので、外部磁場を利用する場合より、周波数調節が容易でありうる。また、既存のＬＣ（ｉｎｄｕｃｔｏｒ  ａｎｄ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）発振器の場合、周波数調節範囲（ｔｕｎｉｎｇ  ｒａｎｇｅ）が約１０％未満と狭いが、本実施形態による発振器は、電流によって周波数が容易に調節され、動作電流のウインドーも広いために、広い調節範囲（ｗｉｄｅ  ｔｕｎｉｎｇ  ｒａｎｇｅ）（例えば、数十ないし数百％ほど）を有することができる。併せて、本実施形態による発振器の発振周波数は、発振器を構成する層の厚み、物質などによっても調節されうる。
【００５１】
図７は、本発明の実施形態による発振器の動作方法について説明するためのフローチャートである。図７を、図１と関連づけて説明する。
【００５２】
図７を参照すれば、発振器に電流を印加し、第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２のうち、少なくとも１層の磁気モーメントを歳差運動させることができる（Ｓ１０）。第１自由層Ｆ１及び第２自由層Ｆ２のうち少なくとも１層の磁気モーメントが歳差運動する間、発振器の電気抵抗の変化を検出することができる（Ｓ２０）。前記歳差運動によって、発振器の電気抵抗は、周期的に変化しうる。前記発振器の電気抵抗変化によって、所定周波数を有する信号が発生しうる（Ｓ３０）。
【００５３】
図８は、本発明の実施形態による発振器に電流を印加したとき、経時的な発振器の抵抗変化を示している。このとき使用した発振器は、図２の構造を有し、印加された電流の強さは、約３０ＭＡ／ｃｍ２であった。
【００５４】
図８を参照すれば、発振器の抵抗が一定の周期を有して反復して変化することを確認することができる。このとき、抵抗変化量ΔＲは、ほぼ０．８〜０．９ｋΩほどであった。
【００５５】
図９は、図８をフーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）で変換したグラフであり、本発明の実施形態による発振器の発振周波数を示している。
【００５６】
図９を参照すれば、３．２ＧＨｚほどの高周波信号が発振されるということを確認することができる。印加された電流の強さ及び発振器の構成によって、発振周波数は変わりうる。
【００５７】
図１ないし図３では、発振器が２層の自由層Ｆ１，Ｆ２を具備した場合について図示したが、他の実施形態によれば、３層以上の自由層を使用することもできる。その一例が、図１０に図示されている。図１０の構造は、図１で変形されたものである。
【００５８】
図１０を参照すれば、固定層Ｐ１上に、第１自由層ないし第３自由層Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３が順に備わりうる。固定層Ｐ１と第１自由層Ｆ１との間に、第１分離層Ｓ１が、第１自由層Ｆ１と第２自由層Ｆ２との間に、第２分離層Ｓ２が、第２自由層Ｆ２と第３自由層Ｆ３との間に、第３分離層Ｓ３が備わりうる。図１０の構造は、図１の第２自由層Ｆ２上に、第３分離層Ｓ３と第３自由層Ｆ３とがさらに積層された構造であるといえる。図１０の第３自由層Ｆ３上に、別途の分離層と、別途の自由層とを１回以上交互にさらに積層することができる。図２及び図３の構造でも、３層以上の自由層を使用することができる。
【００５９】
前述の実施形態では、自由層Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、固定層Ｐ１，Ｐ２とが水平磁気異方性を有する場合について図示して説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、自由層Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３と、固定層Ｐ１，Ｐ２とが垂直磁気異方性を有する場合にも、発明の思想及び原理は、同一に適用されうる。例えば、図１１に図示されているように、固定層Ｐ１１と、第１自由層Ｆ１１及び第２自由層Ｆ２２は、垂直磁気異方性を有することができる。図１１で、参照番号Ｓ１１及びＳ２２は、それぞれ第１分離層及び第２分離層を示している。垂直磁気異方性を有する物質を使用する場合、歳差運動の軌道と方向とは変わりうる。
【００６０】
さらに、前述の実施形態による発振器の原理を逆に適用すれば、高周波信号をＤＣ（ｄｉｒｅｃｔ  ｃｕｒｒｅｎｔ）信号に変換するＲＦ（ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）検出器（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を具現することができる。すなわち、図１ないし図３及び図１０の構造は、発振器ではないＲＦ検出器に適用されうる。発振器の原理を逆に適用すれば、ＲＦ検出器を具現できるということは、当業者に周知されており、これについての詳細な説明は省略する。
【００６１】
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものとするより、具体的な実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明が属する技術分野で当業者であるならば、図１ないし図３及び図１０の構造は、多様に変形することができるということが分かり、その動作方法も多様に変化しうるということが分かるであろう。例えば、発振器を構成する層間に、または発振器の上下面のうち少なくとも１層に、他の物質層をさらに具備させることができるということが分かるであろう。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるものである。
【符号の説明】
【００６２】
ＡＦ１    反強磁性層
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３    自由層
Ｆ１１    第１自由層
Ｆ２２    第２自由層
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３    分離層
Ｓ１１    第１分離層
Ｓ２２    第２分離層
ＳＡＦ１    ＳＡＦ構造
ＳＦ１    ストレイ・フィールド
ＳＰ１    スペーサ
ＳＴ１，ＳＴ２    スピントルク
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１    固定層
Ｉ    電流
ｅ−    電子
【図１】
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【図２】
0005878311.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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