(57)【要約】  スピンバルブ素子の過熱を防止する。駆動電流を、該発振信号の発振周波数よりも低い周波数により振幅変調するステップを含む、スピンバルブ素子に駆動電流を流して発振信号を得る駆動方法であり、この振幅変調は、ＯＮ−ＯＦＦ変調とすることができ、さらに、ＯＮ−ＯＦＦ変調の通電状態の期間ｔｏｎは、αを当該熱拡散部の熱拡散率、Ｄを熱拡散部の厚さとして、関係式ｔｏｎ＜Ｄ２／αを満たすようにする。
2009054183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁体または非磁性体からなる中間層と、該中間層を挟持する一対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子に駆動電流を流して発振信号を得る駆動方法であって、
該駆動電流を、該発振信号の発振周波数よりも低い周波数により振幅変調するステップを含むスピンバルブ素子の駆動方法。
【請求項２】
前記振幅変調が通電状態と遮断状態とからなる二値のＯＮ−ＯＦＦ変調であり、該遮断状態において前記スピンバルブ素子に流す駆動電流がゼロである、請求項１に記載のスピンバルブ素子の駆動方法。
【請求項３】
前記スピンバルブ素子が熱拡散部をさらに備え、該熱拡散部は前記強磁性層のいずれかにおいて前記中間層に接していない面に接するよう設けられており、
前記ＯＮ−ＯＦＦ変調の通電状態の期間ｔｏｎは、αを当該熱拡散部の熱拡散率、Ｄを熱拡散部の厚さとして、関係式
ｔｏｎ＜  Ｄ２  ／α    （１）
を満たす期間である、請求項１または２に記載のスピンバルブ素子の駆動方法。
【請求項４】
前記発振周波数が１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲にあり、ＯＮ−ＯＦＦ変調の周波数が１ＧＨｚ未満である、請求項１または２に記載のスピンバルブ素子の駆動方法。
【請求項５】
前記発振周波数が１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲にあり、ＯＮ−ＯＦＦ変調の周波数が１ＧＨｚ未満である、請求項３に記載のスピンバルブ素子の駆動方法。
【請求項６】
絶縁体または非磁性体からなる中間層と、該中間層を挟持する一対の強磁性層と熱拡散部とを備えるスピンバルブ素子であって、
該熱拡散部は、いずれかの前記強磁性層の面であって前記中間層に接していない面に接して設けられており、前記熱拡散部の厚さＤは、αを当該熱拡散部の熱拡散率として、関係式
０．５ｎｓｅｃ  ＜  Ｄ２  ／α    （２）
を満たすものである、スピンバルブ素子。
【請求項７】
前記熱拡散部がスピンバルブ素子に駆動電流を供給する電極として利用される、請求項６に記載のスピンバルブ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンバルブ素子、及びその駆動方法に関する。より具体的には、本発明は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）を応用したスピンバルブ素子及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノエレクトロニクスの進展に伴い、微小サイズの磁性材料固有の物理現象を応用した製品の開発が進められている。それらのうち、特に、磁性材料の自由電子が持つスピンを利用するスピンエレクトロニクス分野が急速に発展している。【０００３】
スピンエレクトロニクス分野の中で、現在最も実用される可能性が高いと見られているのは、強磁性層、絶縁層、強磁性層の順に積層配置された磁性多層膜において生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または強磁性層、非磁性層（導電層）、強磁性層の積層構造において生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を応用したスピンバルブ素子である。【０００４】
図７及び図８は、従来のスピンバルブ素子の構成を示す断面図である。このうち図７にはＴＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。この素子は、１層の絶縁体層２４と該絶縁体層を挟む強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）が基板５の上に構成された構成を有しており、そこには、必要に応じて、電極層２１、２７、反強磁性層（ピン止め層）２２、キャッピング層２６などがさらに付加される。固定層２３の磁化は反強磁性層２２との磁気結合などによりその向きが固定されている。この素子に固定層２３からフリー層２５に向かって電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化に対して平行となろうとするトルクが働く。また、また逆にフリー層２５から固定層２３に向かって電子を流すと、フリー層２５の磁化には固定層２３の磁化に対して反平行になろうとするトルクが働く。このため、フリー層２５の電流の向きによりフリー層２５の磁化方向を制御することが可能となる。この現象は、スピン注入磁化反転と呼ばれている。後述する理由から、従来の構造ではこの面内の方向の大きさは超微小サイズ（〜１５０ｎｍ以下）にする必要があり、電子ビーム露光など、高額の設備が用いられている。なお、絶縁体層２４を挟む強磁性層２３（固定層）と２５（フリー層）の膜端部からの漏洩磁界による交換結合を抑制するため、絶縁体層２４より上側の部分は基板側よりも充分小さくし、その周囲に絶縁膜３０を形成するのが一般的である。これらの構造を形成するには幾つかの方法があるが、例えば基板から電極２７までの積層膜を形成後、ネガレジスト塗布とフォトリゾグラフィー法による露光処理の後、イオンミリングにより絶縁体層２４の上の部分を切り出し、その後、ＳｉＯ２被覆等により絶縁層３０を形成し、リフトオフ後に配線２７を施すことができる。【０００５】
また図８にはＧＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。図７のＴＭＲを利用した素子とＧＭＲを利用した素子との違いは絶縁体層２４を非磁性層５１に置き換えたことであり、それ以外の構成は基本的に同じである。【０００６】
これらの技術の応用としては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が最も注目を浴びており、従来のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＳＤＲＡＭ（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ  ＤＲＡＭ）の代替として注目されている。【０００７】
また、これらのスピンバルブ素子に電流と外部磁場を同時に印加すると、マイクロ波の発振が生じることが知られている（例えば、非特許文献１）。例えば、電流の向きについては、フリー層２５の磁化に対して働くトルクが固定層２３の磁化と反平行となるように電流を流すこととし、外部磁場については、フリー層２５の磁化に対して働くトルクが固定層２３の磁化と平行となるようにする。この場合、両者のトルクが拮抗する条件において、マイクロ波領域の高周波を発振させることができる。【０００８】
加えて、２つの素子を隣接して形成し、これらに適当な電流と外部磁場を印加すると、両者の発振周波数と位相が揃って周波数幅が狭まり、さらに、その際のマイクロ波の出力も増大することが報告されている（例えば、非特許文献２、３および４）。この現象は位相ロッキング現象と呼ばれ、メカニズムは未だ明確ではないが、各素子で発生する高周波磁場の相互作用に起因する等と推定されており、出力増大の手段として注目されている。【０００９】
上記マイクロ波発振素子の発振出力は、多くの報告例ではＴＭＲを用いた場合で０．１６μＷ程度、ＧＭＲを用いた場合で１０ｐＷ程度に止まっており、実用とするには微小である。このため大出力を得るには、多数の微小素子を集積化する必要がある。
【非特許文献１】S. I. Kiselev, et al, ”Microwave oscillations of a nanomagnetdriven by a spin-polarized current”, Nature, Vol.425, p. 380 (2003)
【非特許文献２】S. Kaka, et al, ”Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators”, Nature, Vol.437, p. 389 (2005)
【非特許文献３】F. B. Mancoff, et al, “Phase-locking in double- point-contact spin-transfer devices”, Nature, Vol.437, p. 393 (2005)
【非特許文献４】J. Grollier, et al, “Synchronization of spin-transfer oscillator driven by stimulated microwave currents”, Physical Review B73, p.060409 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、上記のようにスピンバルブ素子をマイクロ波発振に用いる場合、電流によって発生するジュール熱により、素子が過熱されることがある。すなわち、単一のスピンバルブ素子の大きさは１００ｎｍ四方程度と小さいため電流密度が高くなり、ジュール熱による局所的な過熱が起こりやすい。そして、この熱のために、材料が酸化するなどの劣化が起こりやすく、また、素子の破壊も起こりやすいという問題があった。特に、ＴＭＲを用いた素子の場合には、ＭｇＯなどの絶縁層をトンネル効果により電流が流れるため、その際のジュール熱は他の層に比して極めて大きくなる。加えて、上述のように多くの素子を直列、もしくは並列として集積化する場合には、発熱密度が高くなり、この問題がさらに深刻になる。【００１１】
さらに、実例を挙げてこの問題点について述べる。スピンバルブ素子全体のインピーダンスは、高周波の伝送損失を抑制するため所定のインピーダンスにあわせてマッチングをとる必要がある。マイクロ波領域では、入出力インピーダンスは５０Ωに設定されるのが一般的である。例えば１素子あたり約１ｋΩのＴＭＲスピンバルブ素子を２０個並列接続することにより素子全体のインピーダンスとして５０Ωを得ることができる。このような並列接続は、例えばアルマイトの微細孔構造を用いて電極を形成することにより実現される。２０個の素子は、互いに近接して形成されるので熱的には結合されていると考えて良い。各素子に例えば０．５Ｖの電圧を印加すると、１素子あたりの駆動電流は０．５ｍＡ程度となり入力される電力は、１素子あたり０．２５ｍＷとなる。これが２０個集まるため、素子全体では、駆動電流が１０ｍＡとなり５ｍＷもの電力が入力される。一例として５ｍＷの電力が１０ｎｓｅｃ継続して入力され、その際のジュール熱によって１００ｎｍφ×１００ｎｍ厚のＣｕ（熱容量３．４×１０６（Ｊ／ｍ３Ｋ）が断熱された状態を保って加熱されたとすると、温度上昇は１８７３Ｋに達する。このように大きな温度上昇はスピンバルブ素子の破損の原因になる。また、これほどではない温度上昇であっても、材料に酸化などの劣化が生じたり、また、温度に依存する磁気特性が変化することによりスピンバルブ素子の動作時の特性が不安定となる可能性がある。したがって、素子の温度上昇は極力抑制する必要がある。特に、温度上昇は、電気抵抗の大きなＴＭＲ素子ですでに大きな問題であるが、開発が進んでＭＲ比（磁化反転した時の抵抗変化）が大きいＴＭＲ素子が得られるようになると、平均電気抵抗も高くなり、さらに大きな問題となる。【００１２】
このように、スピンバルブ素子を電流駆動する場合において、入力される電力により生じる温度上昇を抑制することにより、温度上昇に起因するスピンバルブ素子の材料の劣化および磁気特性の不安定化を防止し、スピンバルブ素子を安定して駆動するための手法が求められている。【００１３】
本発明は上記事情に鑑み、スピンバルブ素子のジュール熱による局所的な過熱を抑制して、スピンバルブ素子の動作を安定させる手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のいずれかの態様においては、絶縁体または非磁性体からなる中間層と、該中間層を挟持する一対の強磁性層とを備えるスピンバルブ素子に駆動電流を流して発振信号を得る駆動方法であって、該駆動電流を、該発振信号の発振周波数よりも低い周波数により振幅変調するステップを含むスピンバルブ素子の駆動方法が提供される。【００１５】
また、本発明のいずれかの態様においては、絶縁体または非磁性体からなる中間層と、該中間層を挟持する一対の強磁性層と熱拡散部とを備えるスピンバルブ素子であって、該熱拡散部は、いずれかの前記強磁性層の面であって前記中間層に接していない面に接して設けられており、前記熱拡散部の厚さＤは、αを当該熱拡散部の熱拡散率として、関係式、０．５ｎｓｅｃ＜Ｄ２／αを満たすものである、スピンバルブ素子が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のいずれかの態様によれば、スピンバルブ素子を駆動する際に過熱を防止することができる。本発明によって、過熱の結果引き起こされる、破壊、材料の劣化、または、磁気特性の不安定化の少なくともいずれかを防止して発振信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子において、Ｄｏｎ＝Ｄとなるようにされたときの温度変化を示す説明図である。
【図３】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子において、Ｄｏｎ＞Ｄとなるようにされたときの温度変化を示す説明図である。
【図４】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子において、Ｄｏｎ＜Ｄとなるようにされたときの温度変化を示す説明図である。
【図５】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子の駆動方法を示した説明図である。
【図６】本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子の駆動回路の例を示した説明図である。
【図７】ＴＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図である。
【図８】ＧＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図である。本発明のある実施形態におけるスピンバルブ素子の構造を示す断面図である。
【図９】従来のスピンバルブ素子の駆動方法を示した説明図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  スピンバルブ素子
１１  絶縁体
１２  絶縁層
１３  基板
１４  熱拡散部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
本発明の主な技術的ポイントは、駆動電流を変調することによって、発熱と冷却を繰り返す動作モードを採用することにより、素子の熱拡散距離を一定値以上にすることが温度上昇を抑制するのに有効であることを見出したことにある。【００２０】
図１に、本発明のある実施態様であるスピンバルブ素子１０の構成を示す。スピンバルブ素子１０は、発熱体となるスピンバルブ素子１１、熱拡散部１４、絶縁層１２、及び、基板１３を備えている。熱拡散部１４は、スピンバルブ素子で発生した熱を自身の熱容量で一時的に保持する機能を持つ部分であり、同時に、スピンバルブ素子１０へ電流を供給するための電極となることもできる。なお、図１では、スピンバルブ素子に電流を供給する電極は図示していない。また、絶縁層１２は、熱の生成および出入りを考慮する系において、相対的に熱伝導率が低く、実質的に熱障壁として機能する部分であり、例えば電気的絶縁層によって構成されていることができるし、別の実施形態として、支持部材によって基板１３から空隙を設けるように構成されてその空隙の空気層を同様の位置に設けるようにして構成することもできる。絶縁層１２が電気的絶縁層である場合いは、絶縁層１２は、無機材料やプラスチックなどで構成されることができる。この場合であっても、主として金属薄膜で構成されるスピンバルブ層に比して低い熱伝導率がこの部分にもたらされる。【００２１】
また、基板１３は実質的に一定温度とみなせるような物体を一般に想定しており、例えばヒートシンクとして機能する基板とすることができる。別の例としては、放熱のために用いられる冷却水槽とすることもできるが、以下に示す議論はいずれにおいても成立する。特に、これ以降の検討では、絶縁層１２として電気的な絶縁機能を持つ無機材料を想定し、基板１３としてはシリコン基板を想定している。これらは本発明の効果を説明するために例示として示したものであり、本発明の内容がこれらにのみ限定されるものではない。【００２２】
以下では、素子の温度変化を、（Ａ）ｏｎ時間におけるスピンバルブ素子１１と熱拡散部１４内での温度上昇と、（Ｂ）ｏｎ−ｏｆｆサイクルの繰り返しにおける、電気的絶縁層１２を介した熱伝導の、２段階に分けて説明する。【００２３】
まず、（Ａ）ｏｎ時間におけるスピンバルブ素子１１と熱拡散部１４内での温度上昇について説明する。図１の構成から、膜厚方向への熱伝導のみを考慮する。ここで、膜厚方向の座標をｘとする。なお、膜面に平行方向の熱拡散を基本的に考慮していないので、この方向に素子が並んだ場合も同じ結果が適用可能である。この場合、温度分布の時間変化は下式で表わされる。
Cρ dT(t,x) /dt= k d2T(t,x) /dx2 + Q  (3)
ここで、Ｃはスピンバルブ素子１１と熱拡散部１４の比熱（Ｊ／Ｋｍ３）、ρはスピンバルブ素子１１と熱拡散部１４の密度（ｋｇ／ｍ３）、Ｔ（ｔ，ｘ）はｔ時間と位置ｘの関数としての温度（Ｋ）、ｋはスピンバルブ素子と熱拡散部１４の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、Ｑは発熱量（Ｗ）である。ここで、Ｃ、ρ、ｋはいずれも本来は位置ｘの関数として定義されるものであるが、ここではスピンバルブ素子１１と熱拡散部１４の値としている。実質的にはスピンバルブ素子１１の体積は熱拡散部１４よりも充分小さくなるので、以下の解析では、スピンバルブ素子１１の部分も熱拡散部１４の値として一定値として解析する。【００２４】
上記の式の解は、初期条件や境界条件により異なるが、（３）式の次元解析より、スピンバルブ素子１１で発生した熱の、熱拡散層１４における熱拡散距離Ｄｏｎは、ｏｎ時間ｔｏｎに対して下式で表わされる。
Don = ((k/Cρ) ton)0.5= (αton)0.5  (4)
ここでα（＝ｋ／Ｃρ）は熱拡散層１４の熱拡散率である。上式のＤｏｎが、熱拡散層１４の厚さＤと同等の場合は、熱拡散はＤｏｎまで進み、その範囲での平均温度Ｔｍは下式のように、時間の０．５乗に比例して上昇する。この様子を図２に示している。
Tm = Q ton /(CρS Don) = Q ton 0.5/( S (k Cρ) 0.5)  (5)
ここで、Ｓは熱拡散層１４の断面積（ｍ２）である。熱拡散層１４の断面積がスピンバルブ素子の断面積より大きければ、実質的に熱伝導面積が発熱部面積より大きくなるので、温度抑制には有利に作用する。【００２５】
一方、ｔｏｎが大きくなりＤｏｎがＤよりも大きくなると、熱拡散は熱伝導率の小さな絶縁層１２により遮られ、平均温度は下式のように、ｏｎ時間ｔｏｎに比例して急激に上昇するようになる。この様子を図３に示している。
Tm=Qton/(CρSD)   (6)
また、ＤｏｎがＤよりも小さい場合には、ｏｆｆ時間にも熱拡散は継続するので、以下に示すｏｆｆ時間での冷却過程おける実質的なＴｍは（Ｄｏｎ／Ｄ）だけ小さくなる。図４にこの様子を示している。【００２６】
このように、（５），（６）式で定義されるスピンバルブ素子１１と熱拡散層１４の平均温度Ｔｍを抑制する上では、Ｄｏｎ＜Ｄとなるよう、ｏｎ時間を選定し、あるいは素子構造を決定することが有効である。即ち、（αｔｏｎ）０．５＜Ｄより、ｔｏｎ＜Ｄ２／αであることが望ましい。【００２７】
次に、（Ｂ）ｏｎ−ｏｆｆサイクルの繰り返しにおける、絶縁層１２を介した熱伝導段階について説明する。図１の構成の場合、スピンバルブ素子１１と熱拡散層１４の平均温度Ｔ（ｔ）は下式で表わされる。
CV dT(t)/dt = -k(S/L)T(t)+ Q  (7)
ここで、Ｖはスピンバルブ素子１１と熱拡散層１４の合計体積（ｍ３）、Ｌは絶縁層１２の厚さ（ｍ）である。（７）式の解は下記の通りとなる。
T(t)=(QL/kS){1-exp(-ktS/CVL)}= T0{1-exp(-βt)}  (8)
ここで、Ｔ０＝ＱＬ／ｋＳ、β＝ｋＳ／ＣＶＬである。また、特に発熱が無い場合は、
CV dT(t)/dt = -k(S/L) T(t)  (9)
T(t) = -T1exp(-βt)          (10)
となる。【００２８】
まず、比較のために、電流を、ｏｎ−ｏｆｆ変調しない場合を考えると、スピンバルブ素子１１と熱拡散層１４の平均温度は（２）式に従い、図９に示すように時間とともに増加して、Ｔ０（＝ＱＬ／ｋＳ）に漸近する。これに対し、電流を、ｏｎ時間ｕ（＝ｔｏｎ）、ｏｆｆ時間ｖで変調した場合は、その温度は図５に示すように変化する。即ち、（ｎ−１）サイクル目の終了時における温度をＴｎ−１，ｂ、（ｎ−１）サイクル目のｏｎ時間ｕ終了時の温度をＴｎ，ａ、それに続くｏｆｆ時間をｖ、終了時の温度をＴｎ，ｂとおくと、
Tn-1,b=T0{1-exp(-βzn-1)}         (11)
Tn,a=T0{1-exp(-β(u+zn-1))       (12)
Tn,b=Tn,a exp(-βv)              (13)
ここで、ｚｎ−１は（１１）式で定義されるように、ｎ−１サイクル目終了時における温度Ｔｎ−１，ｂを、次のｎサイクル目のｏｎ時間における温度上昇が早く始まったと換算するための、時間パラメータである。（１１）〜（１３）式より
Tn,b = T0 {1-exp(-β(u+zn-1)) exp(-βv) = T0 {1-exp(-βzn)}  (14)
となるので、これから、
exp(-βzn) = 1-exp(-βv) + exp{-β(u+v)} exp(-βzn-1)       (15)
が得られる。【００２９】
一般に、Ｘｎ＝ＡＸｎ−１＋Ｂのとき、Ｘｎ＝Ａｎ＋Ｂ（１−Ａｎ）／（１−Ａ）、かつ、Ａ＜１のときには、ｎ→∞でＸｎ→Ｂ／（１−Ａ）となるため、このとき、
exp(-βzn) → {1-exp(-βv) } /{1-exp(-β(u+v)) }
を得る。即ち、充分大きなサイクル数後のｏｎ時間終了時の温度Ｔａは下式で表わされる。
Ta = T0{1-exp(-β(u+z))= T0{1-exp(-βu)exp(-βz)}
= T0[1-exp(-βu){1-exp(-βv)}/{1-exp(-β(u+v))}]
= T0{1-exp(-βu)}/{1-exp(-β(u+v))}  (16)
特に、ｕ＝ｖの場合は、下式を得る。
Ta = T0/{1+ exp(-βv)}                    (17)
（１６）式、あるいは（１７）式より、ｏｎ−ｏｆｆサイクルの繰り返しによって、最終到達温度は、ｏｆｆサイクルを加えない場合に比して低下させることが可能であることがわかる。【００３０】
一般に、スピンバルブ素子のマイクロ波発振周波数は１〜１００ＧＨｚの範囲にあり、その電磁信号を有効に得るには、過熱抑制のためのｏｎ−ｏｆｆサイクルのうち、ｏｎ時間は０．０１〜１ｎｓよりも大きいことが望ましく、従って、ｏｎ−ｏｆｆサイクルの周波数は１００ＧＨｚより小さいことが必要であり、望ましくは１ＧＨｚより低いことが好ましい。【００３１】
逆に、スピンバルブ素子に設けられた熱拡散部の熱拡散率αと当該熱拡散部の厚さＤが、ｏｎ−ｏｆｆサイクルの時間の比が１：１で１ＧＨｚに相当する以下の関係を満たせば、上記の周波数に対応することが可能となる。
0.5nsec  < D2/α     (18)
即ち、ｏｎ時間の制限条件（ｔｏｎ＜Ｄ２／α）の裕度を緩和するためには、非発熱部の厚さＤを大きくすることが有効である。例えば非発熱部１４の材料としてＣｕ（熱拡散率１．１５×１０−４ｍ２／ｓｅｃ）を選び、ｔｏｎを１ｎｓｅｃ、もしくは１０ｎｓｅｃにするには、Ｄは３３９ｎｍ以上、もしくは１．０７μｍ以上であることが望ましい。【００３２】
本発明の駆動方法を用いるスピンバルブ素子を構成する材料としては、基板５としてはシリコン基板、ガラス基板を用いることが可能であり、またヒートシンクとしての機能が高い銅基板もを用いることが可能であり、必要に応じてこれらを水冷などの方法で冷却することも可能である。電極層２１、２９、３１としてＴａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、反強磁性層２２として、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、強磁性層２３（固定層）としてＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、絶縁層２４として、ＭｇＯ、Ａｌ酸化物、非磁性層５１としてＣｕ、強磁性層２５（フリー層）としてＣｏ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、キャッピング層２７としてＣｕ、Ｐｄが代表例としてあげられるが、これに限定されるものではない。また、強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（フリー層）の材質を同じにして、前者の膜厚を後者の膜厚より大きくすることにより保磁力に差を設けてスピンバルブ機能を発現することも広く行われている。これらを積層後、各層の結晶性や固定層の磁気異方性を調整するため、磁場中アニールを施すことも有効である。また必要に応じて、強磁性層２３（固定層）や強磁性層２５（フリー層）を、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢなど反強磁性結合膜とすることも可能である。ここで、斜線（／）によって示した材質は、各材質による層がこの順に積層して構成される多層膜をなすことを示している。【００３３】
熱拡散部１４の材料としては、熱拡散率の高い材料が望ましく、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏなどの金属材料が好適である。【００３４】
また、ｏｎ−ｏｆｆ変調による温度上昇の抑制をより有効とするには、絶縁層１２の熱伝導率を極力高くすることが有効である。このため、絶縁層１２の材料としては、高い絶縁耐圧と耐熱性をもち、比較的熱伝導率の高い、アルミナや窒化アルミが好適である。【００３５】
また、本発明の駆動方法は、上記のスピンバルブ素子を直列、もしくは並列に接続した集積化素子についても同様に適用可能である。集積化の手段としては、例えばアルミニウム膜の陽極酸化処理、樹脂自己組織化、あるいはナノインプリント技術などのポーラス絶縁層を用い、その微細孔内に、スピンバルブ素子の電極、もしくはスピンバルブ素子の絶縁体層、もしくは非磁性層や強磁性層の一部、もしくは総てを形成することが含まれる。これらのポーラス絶縁層の利用により、形状の揃った微細孔を安価なプロセスで形成することが可能である。特に、ナノインプリントによれば、高いアスペクト比（孔深さと孔径の比）を持つ微細孔の形成が可能であり、多層の積層構造を形成するのに好適である。また、孔形状の制御も容易である。即ち、一般にスピンバルブ素子では磁性膜の面内異方性の方向を制御する目的で、磁性膜形状を楕円形とすることが多く行われるが、そのような形状も容易に形成することができる。一方、アルミニウム膜の陽極酸化処理では微細孔形状は円形であり、磁性膜の面内異方性の方向を制御することは困難であり、基本的には膜面に垂直な方向に結晶異方性を配向させた垂直磁化型とすることが有利となる。結晶異方性配向の手段としては、一般にＲｕ下地層や縦長の柱構造が用いられる。また、樹脂自己組織化でも微細孔形状は円形であり、膜面に垂直な方向に結晶異方性を配向させた垂直磁化型とすることが有利となる。樹脂自己組織化では、ナノインプリント技術以上に高いアスペクト比の微細孔が得られるので、多層の積層構造を得るのに好適である。【００３６】
本発明の駆動方法を実現する電気回路は、例えば図６のように、スピンバルブ素子１０を駆動するための駆動電流をトランジスタＴｒで制御するように作製することで容易に得られる。【００３７】
このようにして、スピンバルブ素子のジュール熱による局所的な過熱を抑制して、スピンバルブ素子を安定に駆動する手段を提供することができる。
【実施例１】
【００３８】
まずＴＭＲ方式のスピンバルブ素子を以下の手順で作製した。即ち、厚さ１０ｎｍの酸化膜付きのシリコン基板５上に、拡散層兼電極層２１としてＣｕ（３４０ｎｍ）薄膜を形成した。その後、強磁性層２３としてＣｏ７０Ｆｅ３０（２０ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（２ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）を順次積層した。さらに、ネガレジストを塗布し、電子線照射によりパターニングを施し、イオンミリングにより１００ｎｍ×５０ｎｍの楕円形柱状のスピンバルブ素子を５０個形成した。素子間の間隔は中心間距離で２５０ｎｍとした。ＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜を形成した後、スピンバルブ素子上のレジストをリフトオフにより除去し、上部電極を形成した後、４ｋＯｅ程度の磁場中、３５０℃でアニールを行った。当該素子の電気抵抗は、１素子あたり約２．５ｋΩであり、これらを５０個並列接続することで、全体のインピーダンスを約５１Ωとすることができる。なお、各材質の後に付した括弧内には、当該層の膜厚を記載している。【００３９】
次いで、この素子に、固定層の磁界と平行方向に１Ｔの直流磁場を印加し、フリー層から固定層へ電子が流れ込む方向に以下の条件の電圧を印加して試験を行った。即ち、直流電圧１Ｖ／０Ｖのｏｎ−ｏｆｆ電圧を、それぞれの時間幅が１ｎｓｅｃと１ｎｓｅｃとなるように印加して到達温度とマイクロ波発振特性を測定した。また、比較としてｏｎ電圧の連続印加での測定も行った。
【実施例２】
【００４０】
シリコン基板５の表面をフッ酸により洗浄して酸化膜を除去した後、スパッタにより絶縁層１２としてアルミナ薄膜を５０ｎｍ形成した他は実施例１と同様にして、実施例２のスピンバルブ素子を作製して実施例２の試料とし、実施例１と同様の条件で通電試験を行った。
【実施例３】
【００４１】
拡散層兼電極層２１としてＣｕ薄膜を３４０ｎｍ、絶縁層１２としてアルミナ薄膜を３０ｎｍ、絶縁体層２４のＭｇＯ膜の厚さを１．５ｎｍとし、２０００個の素子を形成し、素子間の間隔は中心間距離を４５０ｎｍとし、該２０００個の素子を並列接続した他は実施例１と同様にして実施例３の試料とした。当該素子の電気抵抗は、１素子あたり約１０２ｋΩであり、これらを２０００個並列接続することで、全体のインピーダンスを約５１Ωとすることができた。この素子に、固定層の磁界と平行方向に１Ｔの直流磁場を印加し、フリー層から固定層へ電子が流れ込む方向に以下の条件の電圧を印加して試験を行った。即ち、直流電圧４０Ｖ／０Ｖのｏｎ−ｏｆｆ電圧を、それぞれの時間が幅１ｎｓｅｃおよび２ｎｓｅｃとなるように印加して到達温度とマイクロ波発振特性を測定した。また、比較としてｏｎ電圧の連続印加での測定も行った。
【実施例４】
【００４２】
厚さ１０ｎｍの酸化膜付きのシリコン基板５上に、拡散層兼電極層２１としてＣｕ（３４０ｎｍ）薄膜を形成した。その後、強磁性層２３としてＲｕ（５ｎｍ）／Ｃｏ７０Ｆｅ３０（２０ｎｍ）、非磁性層２４としてＣｕ層（１．５ｎｍ）、強磁性層２５としてＮｉＦｅ（４．５ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）、中間電極層２９としてＰｔ（１０ｎｍ）を順次積層して、スピンバルブ層を１層得た。さらに、このプロセスを繰り返すことにより、合計１１層のスピンバルブ層を積層した。その後、実施例１と同様の手順で、１００ｎｍ×５０ｎｍの楕円形柱状のスピンバルブ素子を５個形成した。素子間の間隔は中心間距離で４５０ｎｍとした。電極層２７としてＣｕ（３０ｎｍ）を積層後、４ｋＯｅ程度の磁場中、２５０℃でアニールを行って実施例４の試料を得た。この構成によるスピンバルブ層２０の電気抵抗は１層あたり２３Ω、１１層の直列接続抵抗は約２５０Ωであり、それらをさらに５列並列接続することで全体の電気抵抗は約５０Ωとなった。この素子に、固定層の磁界と平行方向に１Ｔの直流磁場を印加し、フリー層から固定層へ電子が流れ込む方向に以下の条件の電圧を印加して試験を行った。即ち、直流電圧２．５Ｖ／０Ｖのｏｎ−ｏｆｆ電圧を、それぞれの時間幅が１ｎｓｅｃと１ｎｓｅｃとなるように印加して到達温度とマイクロ波発振特性を測定した。また、比較としてｏｎ電圧の連続印加での測定も行った。【００４３】
[比較例１]
拡散層兼電極層２１としてのＣｕ薄膜の厚さを３０ｎｍとした他は、実施例１と同様にして比較例１の試料とし、実施例１と同様の測定を行った。【００４４】
[比較例２]
拡散層兼電極層２１としてのＣｕ薄膜の厚さを３０ｎｍとした他は、実施例３と同様にして比較例２の試料とし、実施例３と同様の測定を行った。【００４５】
実施例１〜４と比較例１、２についての計算結果と測定結果を表１に示す。
【表１】
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各実施例および比較例において、温度の測定値は計算値と良い一致を示した。各実施例で明らかなように、本発明によるｏｎ−ｏｆｆ制御により、各試料の温度上昇が抑制され、安定したマイクロ波出力（ｏｎ時間内比較）が得られた。これに比して、直流駆動（連続ｏｎ）した場合、特に負荷の大きな実施例３の試料では、素子部の温度が６００℃近くとなる場合があり、マイクロ波出力も低い値しか得られなかった。また、実施例３と比較例１を比べると、充分大きな熱拡散部を付加することにより、特にｏｎ−ｏｆｆ変調した場合の温度上昇が有効に抑制されており、本発明の効果が認められた。【００４６】
以上、本発明により、スピンバルブ素子のジュール熱による局所的な過熱を抑制して、スピンバルブ素子を安定に駆動する手段を提供することができる。本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合わせが可能である。
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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