(57)【要約】【課題】高い出力電力を有するスピントルク発振器を提供する。【解決手段】  スピントルク発振器であって、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、初期方向を軸としてその周りを歳差運動をすることができる磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで設けられた第一障壁層とを具備し、前記第一障壁層は、スピントルク発振器に負性微分抵抗を持たせることができる絶縁材料によって形成されている。【選択図】図１
2018006723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピントルク発振器であって、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、初期方向を軸としてその周りを歳差運動をすることができる磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで設けられた第一障壁層とを具備し、
前記第一障壁層は、前記スピントルク発振器に負性微分抵抗を持たせることができる絶縁材料によって形成されているスピントルク発振器。
【請求項２】
前記第一障壁層は、立方晶構造を有する材料ABによって形成され、Aはカチオンサイトで、Bはアニオンサイトで、AサイトはMg、Al、Zn及び空孔のうちの少なくとも２つによって無秩序に占められ、BサイトはO、N、Cl、F及び空孔のうちの少なくとも１つ以上によって占められ、かつ前記第一障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有する請求項１に記載のスピントルク発振器。
【請求項３】
前記スピントルク発振器は、絶縁材料によって形成された第二障壁層と、固定された磁化を有する第二磁気参照層とをさらに具備し、
前記第二障壁層は、前記磁気歳差層に対する前記第一障壁層の反対側に設けられ、
前記第二磁気参照層は、前記第二障壁層に対する前記磁気歳差層の反対側に設けられる請求項１に記載のスピントルク発振器。
【請求項４】
前記第二障壁層は負性微分抵抗を誘導することができる絶縁材料によって形成され、前記第二障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有する請求項３に記載のスピントルク発振器。
【請求項５】
スピントルク発振器回路であって、前記スピントルク発振器回路は、直流バイアスの下で発振信号を発生する第一磁気トンネル接合と、少なくとも一つの増幅回路とを具備し、
前記第一磁気トンネル接合には、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、直流バイアスの下で初期方向を軸としてその周りを歳差運動する磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで配置された第一障壁層とを具備し、
前記第一障壁層は前記直流バイアスの下で負性微分抵抗を誘導することができる絶縁材料によって形成され、
前記少なくとも一つの増幅回路は、前記第一磁気トンネル接合によって発生した発振信号を受信して増幅し、前記少なくとも一つの増幅回路のそれぞれは、電源電圧と接地電位との間に直列接続されている抵抗と第二磁気トンネル接合とを具備し、前記第二磁気トンネル接合は前記電源電圧のバイアスの下で負性微分抵抗を有し、前記発振信号は前記少なくとも一つの増幅回路の電源電圧側に印加され、かつ前記少なくとも一つの増幅回路は前記抵抗と前記第二磁気トンネル接合との間の接点に増幅された発振信号を提供するスピントルク発振器回路。
【請求項６】
前記第二磁気トンネル接合は前記第一磁気トンネル接合より広い接合面積を有する請求項５に記載のスピントルク発振器。
【請求項７】
前記第一障壁層は、立方晶構造を有する材料ABによって形成され、Aはカチオンサイトで、Bはアニオンサイトで、AサイトはMg、Al、Zn及び空孔のうちの少なくとも２つによって無秩序に占められ、BサイトはO、N、Cl、F及び空孔のうちの少なくとも１つ以上によって占められ、前記第一障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有する請求項５に記載のスピントルク発振器。
【請求項８】
前記第一磁性トンネル接合は、絶縁材料によって形成された第二障壁層と、固定された磁化を有する第二磁気参照層とをさらに具備し、
前記第二障壁層は、前記磁気歳差層に対する前記第一障壁層の反対側に設けられ、
前記第二磁気参照層は、前記第二障壁層に対する前記磁気歳差層の反対側に設けられ、前記第二磁気参照層の磁化は前記第一磁気参照層の磁化と平行する方向にある請求項５に記載のスピントルク発振器。
【請求項９】
スピントルク発振器の動作方法であって、
前記スピントルク発振器は、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、初期方向を軸としてその周りを歳差運動をすることができる磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで配置された第一障壁層とを具備し、前記第一障壁層は負性微分抵抗を発生することができる絶縁材料によって形成され、
前記方法は、前記スピントルク発振器が負性微分抵抗領域で動作するように、スピントルク発振器に直流バイアスを印加する工程と、前記スピントルク発振器から発振信号を取り出して出力する工程とを含むスピントルク発振器の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の参照        
本願は、2016年7月4日に提出した「高い出力電力を有するスピントルク発振子とその応用」を発明の名称とする中国発明特許出願であって、出願番号が201610517955.3である出願に基づく優先権を主張し、その開示内容を引用によりすべてここに含めるものとする。
【０００２】
本発明は、全体的にはスピントロニクスの分野に関し、特に、高い出力電力を有するスピントルク発振器（spin torque oscillator, STO）及びスピントルク発振器を具備する電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
2003年に、キセリョフ博士らが、スピン偏極したDC電流がナノサイズの巨大磁気抵抗（GMR）多層膜を流したときに、スピントランスファートルク（spin transfer torque, STT）が発生し、適切な条件の下で、自由層の磁化の発振を引き起こすことにより、高周波信号を出力することを発見した（非特許文献１を参照してください）。
【０００４】
この現象を利用して、スピントルク発振器（STO）を作ることができる。スピントルク発振器は、例えば、構造が簡単で、サイズも小さく（既存の水晶発振器の約五十分の一である）、周波数変調のレンジ幅が広く（0.1−100GHz）、集積しやすく、動作電圧が低い（<0.5V）などのように、多くの利点を有する。スピントルク発振器は、従来のLC発振器と水晶発振器における多くの問題をうまく解決し、次世代の発振器の候補として認められているため、広く研究されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Kiselev S I, Sankey J C, Kirvorotov I N, et al. Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current. Nature, 2003, 425:380
【非特許文献２】Zeng Z M, Finocchio G, Zhang B, et al. Ultralow-current-density and bias-field-free spin-transfer nano-oscillator. Sci Rep, 2013, 3:1426
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、スピントルク発振器は、それ自身の欠点を有し、すなわち、出力電力が低いことである。スピントルク発振器の出力電力と磁気抵抗の二乗に正比例となるが、現在採用されている比較的に高い磁気抵抗を有する磁気トンネル接合（MTJ）を使って製作されたスピントルク発振器でも、その出力電力が一般的にナノワット（ｎＷ）のオーダにあり、実用レベルで必要とされるミリワット（mW）のオーダにははるかに下回っている。2013年に、曽中明らが新型磁気トンネル接合構造を採用することで、出力される電力が最高の63nWを実現している（非特許文献２）ものの、依然として実用的なレベルの出力電力にはまだほど遠いである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一の実施形態に係るスピントルク発振器は、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、初期方向を軸としてその周りを歳差運動をすることができる磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで設けられた第一障壁層とを具備し、前記第一障壁層は、前記スピントルク発振器は負性微分抵抗を発生することができる絶縁材料によって形成されているスピントルク発振器である。
【０００８】
本開示の別の実施形態に係るスピントルク発振器回路は、DCバイアスの下で発振信号を発生する第一磁気トンネル接合と、少なくとも一つの増幅回路とを具備し、前記第一磁気トンネル接合には、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、DCバイアスの下で初期方向を軸としてその周りを歳差運動をする磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで配置された第一障壁層とを具備し、前記第一障壁層は前記直流バイアスの下で負性微分抵抗を発生することができる絶縁材料によって形成され、前記少なくとも一つの増幅回路は、前記第一磁気トンネル接合によって発生した発振信号を受信して増幅し、前記少なくとも一つの増幅回路のそれぞれは、電源電圧と接地電位との間に直列接続されている抵抗と第二磁気トンネル接合とを具備し、前記第二磁気トンネル接合は、前記電源電圧のバイアスの下で負性微分抵抗を有し、前記発振信号は前記少なくとも一つの増幅回路の電源電圧側に印加され、かつ前記少なくとも一つの増幅回路は、前記抵抗と前記第二磁気トンネル接合との間の接点に増幅された発振信号を提供する。
【０００９】
本開示の別の実施形態に係るスピントルク発振器の動作方法であって、前記スピントルク発振器は、固定された磁化を有する第一磁気参照層と、初期方向を軸としてその周りを歳差運動をすることができる磁化を有する磁気歳差層と、前記第一磁気参照層と前記磁気歳差層との間に挟んで配置された第一障壁層とを具備し、前記第一障壁層は負性微分抵抗を発生することができる絶縁材料によって形成されており、前記方法は、前記スピントルク発振器が負性微分抵抗領域で動作するように、スピントルク発振器にDCバイアスを印加工程と、前記スピントルク発振器から発振信号を取り出して出力する工程とを含む方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によると、負性微分抵抗領域で動作することで、出力される電力が顕著に向上させることができるスピントルク発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の第１の実施形態に係るスピントルク発振器を示す。
【図２】図２Aと図２Bは、本開示の実施形態に係るスピントルク発振器の電流−電圧の曲線を示すグラフである。
【図３】図３は、本開示の一の実施形態に係るスピントルク発振器の動作方法を示す。
【図４】図４は、本開示の別の実施形態に係るスピントルク発振器を示す。
【図５】図５は、本開示の一の実施形態に係るスピントルク発振器回路を示す。
【図６】図６は、本開示の一の実施形態に係るスピントルク発振器を具備する読み取りヘッドを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第一障壁層は、立方晶構造を有する材料ABによって形成されてもよく、Aはカチオンサイトで、Bはアニオンサイトで、AサイトはMg、Al、Zn及び空孔（vacancy）のうちの少なくとも２つによって無秩序に占められ、BサイトはO、N、Cl、F及び空孔のうちの少なくとも１つ以上によって占められてもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第一障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有してもよい。
【００１３】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記磁気歳差層の磁化の初期方向は前記第一磁気参照層の磁化に平行してもよい。
【００１４】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記スピントルク発振器は、絶縁材料によって形成された第二障壁層と、固定された磁化を有する第二磁気参照層とをさらに具備してもよく、前記第二障壁層は、前記磁気歳差層の前記第一障壁層の反対側に設けられてもよく、すなわち、前記磁気歳差層の一側であって前記第一障壁層の反対側に設けられてもよく、前記第二磁気参照層は前記第二障壁層の前記磁気歳差層の反対側に設けられてもよく、すなわち、前記第二磁気参照層は前記第二障壁層の一側であって前記磁気歳差層の反対側に設けられてもよい。
【００１５】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二障壁層は負性微分抵抗を発生することができる絶縁材料によって形成されてもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有してもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二磁気参照層の磁化は前記第一磁気参照層の磁化と平行する方向にしてもよい。
【００１６】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二磁気トンネル接合は前記第一磁気トンネル接合より広い接合面積を有してもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二磁気トンネル接合自体は発振信号を発生しなくてもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第二磁気トンネル接合は前記第一磁気トンネル接合と同じ多層構造を有してもよい。
【００１７】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第一障壁層は、立方晶構造を有する材料ABによって形成されてもよく、Aはカチオンサイトで、Bはアニオンサイトで、AサイトはMg、Al、Zn及び空孔のうちの少なくとも２つによって無秩序に占められ、BサイトはO、N、Cl、F及び空孔のうちの少なくとも１つ以上によって占められてもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第一障壁層は４乃至７層の原子層の厚さを有してもよい。
【００１８】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記第一磁性トンネル接合は、絶縁材料によって形成された第二障壁層と、固定された磁化を有する第二磁気参照層とをさらに具備してもよく、前記第二障壁層は、前記磁気歳差層に対する前記第一障壁層の反対側に設けられてもよく、前記第二磁気参照層は前記第二障壁層に対する前記磁気歳差層の反対側に設けられてもよく、前記第二磁気参照層の磁化は前記第一磁気参照層の磁化と平行する方向にしてもよい。
【００１９】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記スピントルク発振器回路はフィルタをさらに具備してもよく、前記フィルタは、前記第一磁気トンネル接合と前記少なくとも一つの増幅回路との間に設けることにより、前記第一磁気トンネル接合によって発生した発振信号における直流成分をフィルタリングして除去し、前記発振信号の交流成分のみを提供し、前記少なくとも一つの増幅回路の増幅に供するようにしてもよい。
【００２０】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記少なくとも一つの増幅回路は二以上の増幅回路をさらに含むことができ、前記二以上の増幅回路は前記第一磁気トンネル接合によって発生した発振信号を順次に増幅するように互いに縦列接続してもよい。
【００２１】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記フィルタは、増幅回路ごとに出力された信号における直流成分をフィルタリングするように、互いに縦列接続されている前記二以上の増幅回路における隣接する増幅回路の間に接続してもよい。
【００２２】
本開示に係る例示的な実施形態において、前記スピントルク発振器からの発振信号の取り出しと出力には、前記発振信号を出力して、一のフィルタを通すことにより直流成分をフィルタリングして除去することをさらに含んでもよい。
本開示に係る例示的な実施形態において、スピントルク発振器に印加されるDCバイアスは、前記磁気歳差層の磁化が初期方向を軸としてその周りを歳差運動するのに十分な強さを有してもよい。
【００２３】
次に図面を参照しながら、本発明に係る例示的な実施形態を説明する。
図１は、本発明の一の実施形態に係るスピントルク発振器１００を概念的に示す。図１に示すように、スピントルク発振器１００は、磁気参照層１１０と、磁気歳差層１３０と、磁気参照層１１０と磁気歳差層１３０との間に挟んで設けられた障壁層１２０とを具備する。スピントルク発振器１００は、第一磁気トンネル接合構造を有しているため、磁気トンネル接合１００とも称することができる。
【００２４】
磁気参照層１１０は、強磁性材料によって形成されてもよく、実線の矢印で示されたように固定された磁気モーメントを有してもよい。磁気参照層１１０の磁化方向は障壁層の反対側に形成された反強磁性ピン止め層(antiferromagnetic pinning layer)(図示せず)によって固定されていてもよく、または磁気参照層１１０は磁化方向が自己ピン止め(self-pinning)されてもよい。例えば、磁気参照層１１０は高い保磁力を有する硬磁性材料によって形成されてもよく、又は磁気参照層１１０は厚い厚さを有するように形成されてもよい。磁気参照層１１０の形成に用いられる強磁性材料は、例示的に、Fe、Co、Ni、及びFe、Co又はNiを含む合金、例えば、CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeBなどを含むことができる。ただし、これらのものに限定されない。
【００２５】
磁気歳差層１３０は、強磁性材料によって形成されてもよく、一の初期方向に沿う（図示せず）磁化を有する。ただし、スピントルク発振器１００が、直流（DC）バイアスの下に置かれた場合、磁気歳差層１３０の磁気モーメントは、以下に詳細に説明するスピントランスファートルク（STT）により、歳差運動を発生させることができるため、この層は磁気歳差層と称されるわけである。磁気歳差層１３０の形成に用いられる強磁性材料として、Fe、Co、Ni及びFe、Co又はNiを含む合金、例えば、CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeBなどを含むことができるが、これらのものに限られない。本発明の実施形態において、磁気歳差層１３０は、磁気参照層１１０より保磁力(coercive force)の低い軟磁性材料によって形成されてもよく、例えば、磁気歳差層１３０が軟磁性材料によって形成されてもよい。
【００２６】
障壁層１２０は軟磁性材料によって形成されているので、スピントルク発振器１００は磁気トンネル接合構造を有する。磁気トンネル接合構造は、スピンバルブ構造（絶縁障壁層は導電層によって置換されている）よりはるかに大きな磁気抵抗を有し、さらに、より大きな発振信号の電力出力を発生させることができるため好ましい。
【００２７】
図１に示すように、スピントルク発振器１００に直流バイアス電流IDCを印加すると、該電流は磁気参照層１１０によって偏極され、スピン偏極電流が生成される。該スピン偏極電流が磁気歳差層１３０を流れたときに、磁気歳差層１３０の磁化にスピントランスファートルク（STT）が印加される。バイアス電流IDCが十分に大きい場合に、磁気歳差層１３０の磁化はスピントランスファートルク（STT）の作用でその初期方向を軸としてその周りを歳差運動し、図１における点線の円に沿って回転する実線の矢印の示す通りである。磁気歳差層１３０の磁化の歳差運動は磁気トンネル接合１００の抵抗の周期的変化をもたらすため、磁気トンネル接合１００の一端から発振信号を取り出して、v0を出力する。図１に示された実施形態のうち、磁気トンネル接合１００の一端からの出力信号はコンデンサ１０２に提供され、直流成分をフィルタリングして除去することにより、交流出力v0が発生する。
【００２８】
実際に使用することができるスピントルク発振器１００の研究開発における重要なチャレンジとして、交流出力信号v0の電力を大きくすることである。本実施形態において、交流出力信号v0の電力は、障壁層１２０のために適切な形成材料の選択により高くすることができる。具体的には、障壁層１２０は、磁気トンネル接合１００に負性微分抵抗を持たせる材料によって形成することができる。負性微分抵抗は、電圧がΔv増大すると、電流が却ってΔi減少し、よって、微分抵抗Δr=Δv/Δiは負の値であり、負性微分抵抗といい、負抵抗と略称することもある。従来技術において、負性微分抵抗は半導体デバイスにより取得することができる。例えば、トンネルダイオードと演算増幅器は負性微分抵抗を有することができる。
【００２９】
発明者らは、障壁層１２０がある特定の材料によって形成された場合に、磁気トンネル接合１００は負性微分抵抗を有することができることを発見した。障壁層１２０の形成に用いることができるような材料として、例えば、立方晶構造を有する絶縁材料ABを含み、Aは立方晶構造におけるカチオンサイトを示し、Bは立方晶構造のアニオンサイトを示し、カチオンサイトAはMg、Al、Zn及び空孔における少なくとも２つによって無秩序またはランダムに占められ、アニオンサイトBは、O、N、Cl、F及び空孔における少なくとも１つ以上によって占められる。
【００３０】
このほか、障壁層１２０の厚さは、３乃至１０の原子層の厚さの範囲であればよく、好ましくは４乃至７の原子層の厚さである。障壁層１２０の厚さが厚すぎると、磁気トンネル接合１００の負性微分抵抗を発現することができなくなり、障壁層１２０の厚さが薄すぎると、障壁層１２０にピンホール（pin hole）が形成されてしまい、磁気トンネル接合１００の磁気抵抗を急激に低下させてしまうことになる。
【００３１】
図２Aと図２Bにスピントルク発振器１００の電流電圧（I-V）曲線を示す。図２Aは、磁気歳差層１３０の磁化の初期方向が磁気参照層１１０の磁化に平行する場合を示し、図２Bは、磁気歳差層１３０の磁化の初期方向が磁気参照層１１０の磁化に逆平行する場合を示す。
【００３２】
図２Aと図２Bに示された例において、磁気参照層１１０は金属Feによって形成され、障壁層１２０はAl0.673Oによって形成され、磁気歳差層１３０も金属Feによって形成されている。図２Aと図２Bに示すように、障壁層１２０の厚さが６つの原子層である場合に、特定の電圧の範囲において、スピントルク発振器１００は負性微分抵抗を発現し、かつ平行状態時のスピントルク発振器１００の発現された負性微分抵抗の電圧の範囲は、逆平行状態時のスピントルク発振器１００の発現された負性微分抵抗の電圧の範囲より明らかに広くなっている。
【００３３】
したがって、本発明の実施形態において、スピントルク発振器１００の磁気歳差層１３０の初期磁化方向は、好ましくは、磁気参照層１１０の磁化に平行する。障壁層１２０の厚さが７つの原子層の厚さにまで厚くした場合、負性微分抵抗が明らかに弱くなり、障壁層１２０の厚さが８つの原子層の厚さにまで厚くした場合、負性微分抵抗はほとんど消失してしまう。
【００３４】
磁気トンネル接合１００の負性微分抵抗は交流出力信号v0を増幅する効果がある。次に、いくつかの典型的な類型について述べる。第一類の抵抗は正常の抵抗Ｒ＝Ｖ／Ｉで、例えば、抵抗の抵抗値である。正常の抵抗は正の値を有し、かつ電流Ｉは電圧Ｖが低下する方向に沿って正常の抵抗を流れ、そのため、正常の抵抗は一定の電力を消耗する。
【００３５】
第二類の抵抗は負抵抗で、例えば、電源デバイスの抵抗は負の値を有する。つまり、電流Ｉは電圧Ｖが増大する方向に沿って電源デバイスを流れ、そのため、負抵抗（または電源デバイス）は外部に一定の電力を出力する。
【００３６】
第三類の抵抗は負性微分抵抗で、例えば、上述のスピントルク発振器１００の抵抗である。その静的抵抗値Ｒは正の値を有し、スピントルク発振器１００が一定の直流電力を消耗することを示すが、その微分抵抗Δr=Δv/Δiは負の値を有し、電流の交流成分Δiが電圧Δv増大の方向を流れ、従って、スピントルク発振器１００は外部に交流電力を提供することができる。つまり、負性微分抵抗の状態で動作する場合、スピントルク発振器１００は一部の直流電力を交流電力に変換することができるため、スピントルク発振器１００の交流出力信号v0の電力を高くすることができる。
【００３７】
例えば、図２Aを参照すると、Al0.673Oの障壁層１２０の厚さが６つの原子層である場合、スピントルク発振器１００によって出力された交流信号の電圧振幅が約0.8ボルトに達することができ、電流密度は約3×1011A/m2に達することができる。スピントルク発振器１００は、辺の長さが100nmの正方形の形状を有するとすると、磁気トンネル接合１００の交流出力電力Ｐが約
P=(1/8)×(100×10-9m)2×3×1011A/m2×0.8V=3×10-4W
であることを見積もって（estimate）得ることができ、負性微分抵抗の下での交流電力の増幅原理とその計算式はウィキペディアのウェブページにおける負抵抗（negative resistance）に関する用語を参照することができる。具体的なアドレスはhttps://en.wikipedia.org/wiki/Negative_resistanceである。上記見積もりからわかるように、スピントルク発振器１００の交流出力電力Ｐは約0.3ｍWに達することができ、従来技術におけるスピントルク発振器の出力電力よりはるかに上回っている。
【００３８】
勿論、ここで見積もっている値（推定値）は理論理想値であり、磁気トンネル接合１００の実際の出力電力は、直流電力から交流電力への変換効率及び磁気トンネル接合１００とその関連の回路の内部損失によって決まるので、上述推定値より小さくなる可能性はあり得る。ただし、負性微分抵抗領域で動作する磁気トンネル接合１００の出力電力は依然として通常の磁気トンネル接合の出力電力よりはるかに上回ると信じている。
【００３９】
図３に本発明による一実施形態に係る磁気トンネル接合を具備するスピントルク発振器（例えば、図１のスピントルク発振器１００）の動作方法２００のフローチャートを示す。図３に示すように、方法２００は、ボックス２１０において、磁気トンネル接合が負性微分抵抗領域で動作するように磁気トンネル接合に直流バイアスを印加することを含む。
【００４０】
次に、ボックス２２０において、磁気トンネル接合から発振信号を取り出して出力する。いくつかの実施形態によれば、磁気トンネル接合から発振信号を取り出して出力するには、磁気トンネル接合の出力信号をフィルタによるフィルタリングすることにより直流成分を除去し、交流成分のみを出力することを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、ここでいうフィルタはコンデンサであってもよく、例えば、上記図１に記載のコンデンサ１０２である。なお、上記ステップは同時に行ってもよく、上記の順序に限られるものではないことは理解されるものである。
【００４１】
図４は本発明による別の実施形態に係るスピントルク発振器３００の概略構成図を示す。ダブル障壁構造を具備する点を除いて、スピントルク発振器３００は、図１に示されたスピントルク発振器１００と基本的に同じである。従って、同一の要素は同一の記号を使うことにし、ここではそれに対する詳細な記述を省略する。
【００４２】
図４に示すように、スピントルク発振器３００は、第一磁気参照層１１０と、第一障壁層１２０と、磁気歳差層１３０と、第二障壁層１４０と、第二磁気参照層１５０とを具備する。第一磁気参照層１１０と、第一障壁層１２０と、磁気歳差層１３０は、それぞれ前述の図１を参照して記載した磁気参照層１１０、障壁層１２０及び磁気歳差層１３０と同じであり、ここで省略する。
【００４３】
第二障壁層１４０も絶縁材料により形成され、磁気歳差層１３０と第二磁気参照層１５０との間に挟んで設けられているので、スピントルク発振器３００はダブル障壁構造を有する。第二磁気参照層１５０は強磁性材料によって形成されてもよく、かつ、固定された磁気モーメントを有し、実線の矢印で示された通りである。なお、磁気抵抗が生成されることを確保するために、第二磁気参照層１５０の磁化方向は、第一磁気参照層１１０の磁化方向と互いに平行でなければならない。
【００４４】
第二磁気参照層１５０の磁化方向は第二障壁層１４０の反対側に形成された反強磁性ピン止め層（図示せず）によって固定されてもよく、または第二磁気参照層１５０の磁化方向は自己ピン止めされてもよい。例えば、第二磁気参照層１５０は高い保磁力を有する硬磁性材料によって形成してもよく、又は第二磁気参照層１５０は厚い厚さを有するように形成してもよい。
【００４５】
第二磁気参照層１５０の形成に用いられる強磁性材料として、例示的に、Fe、Co、Ni、及びFe、Co又はNiを含む合金を挙げることができ、例えば、CoFe、NiFe、CoFeB、CoFeAl、CoFeSiAl、CoFeNiAl、NdFeBなどを含むことができる。ただし、これらのものに限定されるものではない。なお、第二磁気参照層１５０を形成する材料及び厚さは第一磁気参照層１１０と同じようにしてもよく、異なるようにしてもよいことは理解されるものである。
【００４６】
第二障壁層１４０は、前述した第一障壁層１２０ように負性微分抵抗を誘導する(induce)ことができる障壁層であってもよく、負性微分抵抗を誘導することができない通常の障壁層であってもよい。第二障壁層１４０が通常の障壁層である場合、スピントルク発振器３００は、図１に示されたスピントルク発振器１００が通常の磁気トンネル接合と直列的に接続して形成された構造とみなすことができる。
【００４７】
第二障壁層１４０が負性微分抵抗を誘導することができる障壁層である場合、スピントルク発振器３００は、二つの図１に示されたスピントルク発振器１００を直列的に接続して形成された構造とみなすことができる。かつ、これらの二つのスピントルク発振器１００の発振信号は終始同じ位相を有しており、これらは同一の磁気歳差層１３０による歳差運動によって生成されるからである。
【００４８】
この場合、スピントルク発振器３００はより大きな出力電力を有してもよい。なお、第一障壁層１２０と、第二障壁層１４０はいずれも負性微分抵抗を誘導することができる障壁層であり、これらは同一の形成材料、厚さ等を有してもよく、異なる形成材料、厚さ等を有してもよいことを理解されるものである。
【００４９】
図１に示されたシングル障壁のスピントルク発振器１００に比較して、図４に示されたダブル障壁のスピントルク発振器３００が、一般的により大きな面積・抵抗の積RAを有するため、負性微分抵抗に対応するバイアス電圧も一般的により高く、デバイスの高圧への耐性の向上に望ましい。また、スピントルク発振器３００が２つの障壁層を具備しているので、パラメータの調節にも更なる柔軟性をもたらしている。
【００５０】
例えば、この２つの障壁層における１つまたは２つの負性微分抵抗を誘導することができる障壁層を選択し、負性微分抵抗障壁層の厚さを調節することにより、負性微分抵抗領域におけるI−V曲線の傾きを変化させることができる。負性微分抵抗障壁層ごとの材料を選択することにより、負性微分抵抗に対応するバイアス範囲などを変化させることができる。よって、ダブル障壁の磁気トンネル接合構造を採用することにより、所望のパラメータを有するスピントルク発振器をより容易に製造することが可能になる。
【００５１】
通常の微分負性抵抗半導体デバイス、例えば、トンネルダイオードなどが、交流信号の増幅に使われることが多い。本発明のいくつかの実施形態によれば、上記スピントルク発振器１００、３００が出力した発振信号は負性微分抵抗を有する磁気トンネル接合によって更に増幅されることができる。図５は、本発明の実施形態によるピントルク発振器回路４００の回路図を示す。
【００５２】
図５に示すように、スピントルク発振器回路４００は、スピントルク発振器４１０と増幅回路４２０を具備する。スピントルク発振器４１０は、前述のスピントルク発振器１００又は３００であってもよく、ここでそれ関する記載を省略する。スピントルク発振器４１０の高周波出力ｖ０はコンデンサ１０２によってフィルタリングされた後、増幅のために増幅回路４２０に提供される。
【００５３】
増幅回路４２０は、電源電圧Ｖｄｄと接地電位との間に直列に接続されている抵抗Ｒと、磁気トンネル接合４２２とを含む。図５に抵抗Ｒが電源電圧側に設けられ、磁気トンネル接合４２２が接地電位側に設けられていることを示しているが、逆になるように設置することも可能であり、すなわち、抵抗Ｒが接地電位側に設け、磁気トンネル接合４２２が電源電圧側に設けることも可能であることは理解されるものである。スピントルク発振器４１０の高周波出力ｖ０は、電源電圧Ｖｄｄと重畳的に増幅回路４２０の一端に印加することができ、増幅回路４２０における抵抗Ｒと磁気トンネル接合４２２との間の接点から出力信号ｖ１を取り出すことができる。
【００５４】
ここで、磁気トンネル接合４２２は、図１と図４を参照しながら記述した磁気トンネル接合１００と３００と同じにすることができ、同じくシングル又はダブル障壁の磁気トンネル接合であり、かつ電源電圧Ｖｄｄにより磁気トンネル接合４２２を負性微分抵抗領域にバイアスさせる。よって、磁気トンネル接合４２２はスピントルク発振器４１０の高周波出力Ｖ０を増幅することができる。
【００５５】
具体的に、磁気トンネル接合４２２が負微分抵抗-ｒを有するものとすると、増幅回路４２０における抵抗Ｒと磁気トンネル接合４２２との間の接点から取り出した出力信号Ｖ１は、以下の式を満す。
v1=v0r/(r-R)
ｒ/（ｒ−Ｒ）が１よりも大きいため、ｖ１はｖ０よりも大きい。増幅回路４２０はスピントルク発振器４１０の高周波出力ｖ0に増幅効果を有する。
【００５６】
なお、磁気トンネル接合４２２はスピントルク発振器４１０と同様に負性微分抵抗を有するが、スピントルク発振器４１０と異なるのは、磁気トンネル接合４２２自体は発振信号を発生することはなく、スピントルク発振器４１０によって発生した発振信号を増幅するだけであることを留意すべきである。磁気トンネル接合４２２自体も発振信号を発生すると、発生した発振信号とスピントルク発振器４１０によって提供された発振信号と同じ位相を維持することを確保するが困難になる。
【００５７】
位相の異なる２つの発振信号が重畳された際に、出力信号の位相の混乱と電力低下の原因となりかねない。磁気トンネル接合４２２に発振信号の発生を防ぐために、より大きな接合面積になるように形成させることにより、磁気トンネル接合を流れる電流密度を小さくし、磁性層の磁化の歳差運動を誘起させることがないから、発振信号が発生することもない。磁気トンネル接合４２２における「歳差磁化層」は、磁化の歳差運動を生じさせることはないため、それを「磁性層」ということができる。なお、該「磁性層」は、自由にスピン可能な磁化自由層であってもよく、又は磁化が自己ピン止めされた参照磁性層であってもよいことは理解されるものである。
【００５８】
図５に示す実施形態では、発振信号の発生と増幅は、いずれも磁気トンネル接合部によって実現することができ、これらの磁気トンネル接合は、例えば、磁気トンネル接合４１０と磁気トンネル接合４２０は、同じプロセス工程により実現することができるが、両者の接合面積は異なっている。接合面積は、フォトリソグラフィー・プロセスにおいて容易に定義することができる。よって、簡単なプロセスにより、図５に示すスピントルク発振器回路４００を製造することができる。このほか、磁気トンネル接合４１０と磁気トンネル接合４２０は、同一の基板上に形成されることができる。このことはデバイスの集積度の向上に望ましく、デバイスの更なる小型化にも有利である。
【００５９】
図５に示すスピントルク発振器回路４００は一の増幅回路４２０しか含んでいないが、スピントルク発振器回路４００は縦列接続された複数の増幅回路４２０を含むことができ、例えば、２つ、３つ、４つ又はさらに多くの増幅回路が、順次にスピントルク発振器４１０の出力信号ｖ0を増幅させることができることは容易に理解することができる。また、増幅回路４２０の下流側にそれぞれ、増幅回路４２０の出力信号における直流成分をフィルタリングして除去するように、フィルタ、例えば、コンデンサ等を設けることができる。
【００６０】
上述したスピントルク発振器とスピントルク発振器回路は、多くの場合に適用することができる。例えば、電圧制御発振器、水晶発振器、LC発振器などの通常の発振器の代わりに、種々の回路およびデバイスに応用することができるほか、本発明のスピントルク発振器とスピントルク発振器回路は磁気デバイスにも応用することができ、例えば、磁気センサなどとして使うこともできる。
【００６１】
図６は、磁気記録装置における磁気読み取りヘッド５００に適用された一例を示す。図６に示すように、磁気読み取りヘッド５００は、スピントルク発振器５１０を具備することができる。図４に示したスピントルク発振器３００と同じ構造を有するので、ここではその繰り返しを省略する。他の実施形態において、スピントルク発振器５１０は、図１に示されたスピントルク発振器１００と同じ構造を有してもよい。
【００６２】
磁気読み取りヘッド５００は、エアクッション面５１１を有していてもよく、エアクッション面５１１はスピントルク発振器５１０における個々の層の平面に対して実質的に垂直であってもよい。エアクッション面５１１は、磁気記録媒体５３０の上表面に隣接させることにより、磁気記録媒体５３０を回転させたときに、磁気読み取りヘッド５００は、磁気記録媒体５３０の上方に飛行することができ、両者の間に所定の距離を置く。磁気記録媒体５３０は、その中に形成された大量の磁気記録ビットを有することができ、図６に垂直磁化を有するものとして示され、上向き、下向きの矢印に示された通りである。
【００６３】
スピントルク発振器５１０は、ＤＣバイアスの下で、外部磁場がない場合に、磁気歳差層１３０は基本周波数（fundamental frequency）にて歳差運動を行う。スピントルク発振器５１０が磁気記録媒体５３０の上方に位置するときに、磁気記録媒体５３０における磁気スピントルク発振器５１０の真下に位置する磁気記録ビットは、磁気歳差層１３０の歳差運動周波数が基本周波数からシフトするように、スピントルク発振器５１０に対して磁場を印加することができる。
【００６４】
磁気歳差層１３０の歳差運動周波数のシフトは前記磁気記録ビットが印加した磁場の方向に関係しており、検出器５２０はスピントルク発振器５１０の出力周波数を検出することにより、スピントルク発振器５１０の出力周波数が磁気記録媒体５３０上の磁気記録ビットの磁化方向を特定することが可能になり、よって磁気記録媒体５３０上に記録されたデータを読み取ることができる。
【００６５】
本発明に係るスピントルク発振器とスピントルク発振器回路は、通常の半導体発振器と通常のスピントルク発振器の代わりに、電気と磁気の分野における広範囲に応用することができ、上記の例示に限定されるものではないことを理解されるべきである。例えば、本発明に係るスピントルク発振器とスピントルク発振器回路は、マイクロ波アシスト磁気記録（Microwave Assisted Magnetic Recording，MAMR）にさらに応用することができ、スピントルク発振器によって誘導されたマイクロ波による磁性材料の保磁力の瞬時の低下を通じて磁気記録ヘッドの書き込み能力を向上させることで、磁気記録密度を更に向上させる。
【００６６】
以上、例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されることはない。例えば、図示した実施形態において、磁性層の各々は面内磁化を有するが、本発明の原理は垂直磁化の場合にも適用することができる。本発明の範囲および精神から逸脱しない限り、当該分野における技術者は様々な変更および修正を行うことができる。本発明の技術的範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物のみによって特定される。
【符号の説明】
【００６７】
１００  スピントルク発振器
１０２  コンデンサ
１１０  磁気参照層
１２０  第一障壁層
１３０  磁気歳差層
１４０  第二障壁層
１５０  第二磁気参照層
２００  スピントルク発振器の動作方法
３００  スピントルク発振器
４００  スピントルク発振器回路
４１０  スピントルク発振器
４２０  増幅回路
４２２  磁気トンネル接合
５００  磁気読み取りヘッド
５１０  スピントルク発振器
５１１  エアクッション面
５２０  検出器
５３０  磁気記録媒体
【図１】
2018006723.tif 000003
【図２】
2018006723.tif 000004
【図３】
2018006723.tif 000005
【図４】
2018006723.tif 000006
【図５】
2018006723.tif 000007
【図６】
2018006723.tif 000008
【外国語明細書】
2018006723000001.pdf