(57)【要約】【課題】初期状態において外部ノイズに強い磁気抵抗効果発振器を提供する。【解決手段】電流印加部は、磁気抵抗効果素子の動作点が静止状態のみが安定となる領域に位置している状態から、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する電流を印加し、その後、磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させるように、第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子に印加する磁気抵抗効果発振器。【選択図】図８ａ
2015100106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、
前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が静止状態のみが安定となる領域に位置している状態から、
前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、
その後、第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように前記磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させ、
前記第２の電流密度を有する電流は前記第１の電流密度を有する電流と同じ方向であることを特徴とする磁気抵抗効果発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果発振器は、磁気抵抗効果素子に電流を印加することによって生じる磁気抵抗効果素子の磁性層の磁化の歳差運動を利用した発振器である。近年、この磁気抵抗効果素子に関する研究が盛んに行われている。特許文献１では磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域を基準とした動作方法が開示されており、発振閾値電流密度以下の低い電流密度で磁気抵抗効果発振器を動作させる動作方法が提案されている。また、非特許文献１では磁気抵抗効果素子の発振現象のシミュレーション結果が開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｆｒａｎｃｈｉｎ  Ｍ  ｅｔ  ａｌ．“Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｄｒｉｖｅｎ  ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌｓ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ  ｉｎ  ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｎａｎｏｐｉｌｌａｒｓ”  ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｂ  ７８，  ０５４４４７  ２００８
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１０−５１９７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示されている動作方法では、発振の立ち上がりの動作を行う前の状態である初期状態において、磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させる。双安定領域において、磁気抵抗効果素子に意図しない外部磁場などが入ると磁気抵抗効果素子は発振状態から静止状態に、もしくは静止状態から発振状態に遷移し、誤作動する恐れがあり、特許文献１に開示されている動作方法で動作する発振素子は、発振素子としての安定性が低いという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、初期状態において、外部ノイズに強い安定性の高い磁気抵抗効果発振器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】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る磁気抵抗効果発振器は、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層に挟まれたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に電流を印加して前記磁気抵抗効果素子を所定の発振周波数で発振させる電流印加部とを備え、前記電流印加部は、前記磁気抵抗効果素子の動作点が静止状態のみが安定となる領域に位置している状態から、前記磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加し、その後、第２の電流密度を有する電流を前記磁気抵抗効果素子に印加して、前記磁気抵抗効果素子が所定の周波数で発振するように前記磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させ、前記第２の電流密度を有する電流は前記第１の電流密度を有する電流と同じ方向であることを特徴とする。この第１の態様に係る磁気抵抗効果発振器は、初期状態において外部ノイズに強い。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、初期状態において安定性に優れた磁気抵抗効果発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。
【図２ａ】本発明の実施形態１，２に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。
【図２ｂ】本発明の実施形態１，２に係る磁気抵抗効果発振器の回路図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果素子の第２の磁性層の磁化の歳差運動の軌道を表す３次元グラフである。
【図４】本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の模式図である。
【図５】本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果素子の計算モデルを示す図である。
【図６ａ】本発明の実施例１に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図６ｂ】本発明の実施例１に係る発振閾値電流密度の計算結果を示すグラフである。
【図７ａ】本発明の実施例１に係る双安定領域近傍における磁化の時間変化の計算結果を示すグラフである。
【図７ｂ】本発明の実施例１に係る双安定領域近傍における磁化の時間変化の計算結果を示すグラフである。
【図８ａ】本発明の実施例１に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図８ｂ】本発明の実施例１に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図９ａ】本発明の実施例２に係る印加電流密度を示すグラフである。
【図９ｂ】本発明の実施例２に係る発振の立ち上がりの計算結果を示すグラフである。
【図１０】歳差運動する磁化の状態図を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態の例を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００１１】
（実施形態１）
図２ａに磁気抵抗効果発振器の回路図を示す。磁気抵抗効果発振器１００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部１１４を有する。電流印加部１１４は電流源１１３と制御部１１５を有する。電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２に電流を供給できるように接続される。制御部１１５は電流源１１３の動作を制御する。図１は磁気抵抗効果素子１１２の構成例を示す図である。磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１と、第２の磁性層１０２と、その間に配置されたスペーサ層１０３とを有する。第１の磁性層１０１は第１の電極１１０と、第２の磁性層１０２は第２の電極１１１と各々接している。第１の電極１１０と第２の電極１１１間に電流源１１３を接続する。ここでの第１の磁性層１０１の磁化方向は固定されており、矢印１０４は第１の磁性層１０１の磁化の固定方向を示す。第２の磁性層１０２の磁化方向は、磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加する前の状態では、有効磁場の方向を向いており、矢印１０５は有効磁場の方向を示す。有効磁場は、第２の磁性層１０２内で生じる異方性磁場、交換磁場、外部磁場、反磁場の和である。図１では、第１の磁性層１０１の磁化の方向と、第２の磁性層１０２の有効磁場の方向が、互いに反対方向を向いているが、互いの方向はこれに限られない。
【００１２】
各磁性層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＢの合金などを用いることができる。
【００１３】
磁気抵抗効果素子１１２は特に限定されないが、例えば巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子、またはスペーサ層１０３の絶縁層中に電流狭窄パスが存在する電流狭窄型磁気抵抗効果（ＣＣＰ―ＧＭＲ）素子などを用いることができる。
【００１４】
ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３として、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。
【００１５】
ＴＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３として、ＭｇＯ、ＡｌＯｘなどの非磁性絶縁材料を用いることができる。
【００１６】
ＣＣＰ―ＧＭＲ素子の場合、スペーサ層１０３の絶縁層としてＡｌＯｘやＭｇＯなどを用いることができ、スペーサ層１０３の電流狭窄パスとしてＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどの非磁性導電材料を用いることができる。
【００１７】
磁気抵抗効果素子１１２は第１の中間層を含んでもよい。例えば、第１の磁性層１０１とスペーサ層１０３の間やスペーサ層１０３と第２の磁性層１０２の間に非磁性金属層や磁性層、絶縁層などが含まれていてもよい。
【００１８】
また、各磁性層の磁化方向を固定するために磁気抵抗効果素子１１２は第１の磁性層１０１、または第２の磁性層１０２に接するように反強磁性層を付加したり、第１の磁性層１０１、または第２の磁性層１０２と接するように第２の中間層、第３の磁性層、反強磁性層などを付加してもよい。また、磁性層の結晶構造、形状などに起因する磁気異方性などを利用して固定してもよい。
【００１９】
反強磁性層はＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、Ｃｒ、Ｍｎなどを用いることができる。
【００２０】
また、各電極と各磁性層間にキャップ層、シード層、バッファ層などを含んでいてもよく、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒなどを用いることができる。
【００２１】
電流印加部１１４として、電流源１１３の他に電圧源などを電極間に接続することも可能である。
【００２２】
本明細書において、電流の方向を次のように定義する。正の方向を第２の磁性層１０２から第１の磁性層１０１への方向とし、負の方向を第１の磁性層１０１から第２の磁性層１０２への方向とする。
【００２３】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子１１２の発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１１２の発振は磁気抵抗効果素子１１２の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁化のダイナミクスは以下のＬＬＧ（ランダウ−リフシッツ−ギルバート）式（１）として表すことができる。
【数１】
2015100106.tif 000003
ここで、ｖは第２の磁性層１０２の磁化の単位ベクトル、γはジャイロ磁気因子、Ｈｅｆｆは有効磁場、ｐは第１の磁性層の磁化の単位ベクトル、αは磁気緩和定数、μBはボーア磁子、Ｐはスピン偏極効率、ｊは電流密度、ｅは素電荷、ＭＳは飽和磁化、ｄは第２の磁性層１０２の厚み、ｔは時間である。右辺第１項は歳差運動項、第２項はダンピング項、第３項はスピントランスファ−トルク項である。
【００２５】
第２の磁性層１０２が概ね単一磁区構造を取りうる場合、第２の磁性層１０２の磁化の動きはマクロな磁化ベクトルに近似して計算することが可能である。この場合、式（１）を解くことで、磁化のダイナミクスが計算可能である。
【００２６】
有効磁場は異方性磁場Ｈｋ、反磁場Ｈｄの和とする。Ｈｄは式（２）のように表される。
【数２】
2015100106.tif 000004
【００２７】
ここで、Ｎは反磁場係数である。
【００２８】
磁気抵抗効果素子１１２の膜面に垂直な方向に正の方向の電流Ｉを印加すると、伝導電子１０６が電流Ｉとその逆方向、すなわち第１の磁性層１０１からスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れる。矢印１０４の方向に磁化した第１の磁性層１０１において、伝導電子１０６のスピンは矢印１０４の方向に偏極する。矢印１０７は伝導電子１０６のスピンの方向を表す。スピン偏極した電子１０６はスペーサ層１０３を介して第２の磁性層１０２に流れこむことで、第２の磁性層１０２の磁化と角運動量の受け渡しを行う。これによって、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向から向きを変えようとする作用（式（１）の右辺第３項）が働く。一方で、第２の磁性層１０２の磁化の方向を、有効磁場の方向を示す矢印１０５の方向に安定させようとするダンピングの作用（式（１）の右辺第２項）が働く。したがって、これら２つの作用が釣り合って、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向の周りを歳差運動する。この歳差運動を、第２の磁性層１０２の磁化方向を示す矢印１０８の、有効磁場の方向を示す矢印１０５のまわりの運動として表わし、点線１０９によって矢印１０８の歳差運動の軌跡を示す。第２の磁性層１０２の磁化方向１０８が第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して高周波で変化するため、第２の磁性層１０２の磁化方向１０８と第１の磁性層１０１の磁化方向１０４の相対角度に依存して抵抗が変化する磁気抵抗効果によって、磁気抵抗効果素子１１２の抵抗値も高周波で変化する。電流Ｉに対して抵抗値が高周波で変化するので、およそ１００ＭＨｚから数十ＴＨｚの高周波数で振動する電圧が発生する。また、第１の磁性層の磁化方向１０４は磁気抵抗効果素子の面内に水平な方向や面に垂直な方向など、任意の方向を有することができる。また、有効磁場の方向は、第１の磁性層１０１の磁化方向１０４に対して反対方向に限られず、同じ方向や、その間の任意の方向を有することができるが、第１の磁性層の磁化方向１０４との相対角度が大きいほうがより好ましい。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１１２に外部磁場、電流を印加していない状態から、必要な場合はある大きさの外部磁場が印加された状態で、ある大きさの電流密度を有する直流電流を印加することによって第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動を開始し、磁気抵抗効果素子１１２は発振する。この時の最小の電流密度を発振閾値電流密度ｊＯと呼び、１０７Ａ／ｃｍ２程度であることが知られている。発振閾値電流密度は外部磁場の強さや方向によって変化する。
【００３０】
磁気抵抗効果素子１１２に、必要な場合は一定の磁場を印加している状態で、発振閾値電流密度以上の電流を印加している状態から印加電流を徐々に減少させていくと、歳差運動が消失する。この時の最大の電流密度を静止閾値電流密度ｊＳと呼ぶ。つまり、静止閾値電流密度以下の電流を印加した場合、磁気抵抗効果素子１１２は発振しない。
【００３１】
また、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度が非常に大きいと、スピントランスファートルクの効果によって第２の磁性層１０２の磁化が第１の磁性層１０１の磁化と略同一の方向を向く磁化反転が生じ、歳差運動は消失する。この磁化反転が生じる最小の電流密度を磁化反転閾値電流密度ｊRと呼ぶ。
【００３２】
図１０は磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化（歳差運動する磁化）の状態図の一例であり、特許文献１に記載のものを簡略化したものである。横軸が磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度ｊ、縦軸が印加した磁場ＨＥＸＴである。
【００３３】
ｊ＝ｊＳ（ＨＥＸＴ）の線はｊＳの磁場依存性を示しており、印加した磁場の強度を大きくすると、ｊＳは増加する傾向にある。
【００３４】
ｊ＝ｊＯ（ＨＥＸＴ）の線はｊＯの磁場依存性を示しており、磁場の強度を大きくすると、ｊＯは概ね線形に増加する。
【００３５】
ｊ＝ｊＲの線は、ｊＲは外部磁場の変化によらず、一定であることを表している。
【００３６】
磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度における磁気抵抗効果素子１１２の磁性層の磁化の状態をある一定の磁場ＨＥＸＴ１を印加した状態を例として説明する。
【００３７】
磁気抵抗効果素子１１２に印加した電流密度ｊがｊＲ＞ｊ≧ｊＯの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域１００１に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化は歳差運動し、発振状態のみが安定となる。
【００３８】
また、ｊがｊＳ≧ｊの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域１００３に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動は消失し、静止状態（磁気抵抗効果素子が発振していない状態）のみが安定となる。
【００３９】
また、ｊがｊ≧ｊRの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域１００４に位置する。この時、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化は反転し、磁気抵抗効果素子１１２は静止状態のみが安定となる。
【００４０】
また、ｊがｊＯ＞ｊ＞ｊＳの時、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は領域１００２に位置する。この時、第２の磁性層１０２の磁化は前歴によって安定な状態が変化する。つまり領域１００１から領域１００２に遷移させた場合は歳差運動を生じ、発振状態となる。一方、領域１００３から領域１００２に状態を遷移させた場合は静止状態となる。このような領域１００２を双安定領域とよぶ。  
【００４１】
一般的な非線形発振素子の安定した発振状態をモデル化しているＡｕｔｏ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌにおいて、以下の関係式が成立する。
【数３】
2015100106.tif 000005
ここで、ｐｏｕｔは発振出力である。
【００４２】
発振閾値電流密度を実験的に求める手法を示す。まず、磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流密度を変化させながら定常時における発振出力ｐｏｕｔを測定する。測定にはスペクトラムアナライザやオシロスコープなどを利用することができる。次に測定結果を縦軸１／ｐｏｕｔ、横軸ｊのグラフにプロットして、１／ｐｏｕｔ＝０になるｊを外挿などより求めることで、発振閾値電流密度ｊＯを求めることができる。このｊＯ以上の電流密度を磁気抵抗効果素子１１２に印加している電流の範囲において発振状態のみが安定となる。
【００４３】
磁気抵抗効果素子１１２の動作点における双安定領域と静止状態のみが安定となる領域を実験的に求める手法を説明する。磁気抵抗効果素子１１２に発振閾値電流密度以上の電流を印加し、定常状態から電流を発振閾値電流密度以下に少しずつ下げ、定常時において発振状態となる場合、磁気抵抗効果素子１１２の動作点は双安定領域に位置する。一方、静止状態となる場合は磁気抵抗効果素子１１２の動作点は静止状態のみが安定となる領域に位置する。この試行を磁場を変化させながら行うことで双安定領域と静止状態のみが安定となる領域を実験的に求めることが可能である。
【００４４】
本実施形態は磁気抵抗効果素子１１２に電流を印加して、磁気抵抗効果素子１１２の発振を持続させるための形態である。
【００４５】
本実施形態における制御部１１５によって制御される電流源１１３の動作を以下に示す。第１のステップでは、電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２の動作点を静止状態のみが安定となる領域に位置させるように、静止閾値電流密度ｊＳ以下の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加または電流を印加しない。この時、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向１０５を向いている。その後第２のステップでは、電流源１１３は発振閾値電流密度ｊＯ以上の大きな第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。その後、第３のステップでは電流源１１３は磁気抵抗効果素子１１２が所定の周波数で発振するようにｊＳ＜ｊ２ｎｄ＜ｊＯの範囲の第２の電流密度ｊ２ｎｄを有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。
【００４６】
上記の電流ステップを生成する手段として電流源１１３を制御する方法の他に、周辺回路を利用した一例を説明する。図２ｂは磁気抵抗効果発振器２００の回路図である。磁気抵抗効果発振器２００は磁気抵抗効果素子１１２と電流印加部２０５を有する。電流印加部２０５はインダクタ２０１と抵抗２０２と電流源２０４を有する。磁気抵抗効果素子１１２とインダクタ２０１は並列に接続され、インダクタ２０１と抵抗２０２は直列に接続されて、電流源２０４に接続されている。
【００４７】
電流源２０４が第１の電流密度を有する電流Ｉ１を発生させると、インダクタ２０１では磁束の変化を打ち消すように起電力が生じ、抵抗２０２にはほとんど電流は流れず、電流Ｉ１のほぼすべてが磁気抵抗効果素子１１２に流れる。その後、電流Ｉ１の時間変動がなくなると、起電力が消え、抵抗２０２には電流Ｉ２、磁気抵抗効果素子１１２には一定の電流Ｉ１−Ｉ２が流れる。ここで、Ｉ１―Ｉ２が第２の電流密度を有する電流となるようにインダクタ２０１、抵抗２０２の値を調整する。したがって、磁気抵抗効果発振器２００は本実施形態における駆動電流を生成することができる。
【００４８】
上記電流印加ステップを実験的に求める手段を説明する。電極１１０、１１１にプローブを当てて、オシロスコープなどで電極間の電圧を時間領域測定することで磁気抵抗効果素子に印加された電流の時間変化を推測でき、電流パルスの大きさや時間などを実験的に求めることが可能である。
【００４９】
本実施形態の第１のステップでは、磁気抵抗効果素子の動作点を静止状態のみが安定となる領域に位置させる。対して、特許文献１では磁気抵抗効果素子の動作点を双安定領域に位置させる。特許文献１の場合、静止状態の時に外からのノイズ等によって一時的に磁気抵抗効果素子に印加する磁場、電流が変動すると、発振状態に遷移し、その状態を維持する恐れがある。つまり、特許文献１に記載の動作方法は、持続的な静止に問題がある。一方、本実施形態は第１のステップにおいて、磁気抵抗効果素子を静止状態のみが安定な領域に位置させるので、外からのノイズ等によって先のような磁場、電流の変動が一時的に生じて、仮に一時的に発振状態に遷移しても、元の磁場、元の電流に戻れば発振は消失し、静止状態を持続する。したがって、第１のステップにおいて磁気抵抗効果素子がより安定に動作するためには本実施の形態が好ましい。
【００５０】
次に本実施形態の第２の磁性層１０２の磁化の動作を説明する。
【００５１】
図３は第２の磁性層１０２の代表的な磁化ベクトルの軌跡を表した３次元グラフである。ここで、各軸は磁気抵抗効果素子１１２に印加する電流の向きをｚ軸の負の方向、磁気抵抗効果素子１１２の第１の磁性層１０１の磁化の向きを（１，０，０）となるようにｘｙｚ直交座標系を定義する。原点Ｏ（０，０，０）を中心とする球面３００は磁化の向きが取りうる面である。点３０１は有効磁場の方向を示し、電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する前において、第２の磁性層１０２の磁化ベクトルは原点Ｏから点３０１を向いて静止している。軌跡３０２は発振閾値電流密度以上の第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し続け、安定な発振状態となった時の第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動の軌道を表す。軌跡３０３は第２の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加し続け、発振状態になった時の第２の磁性層１０２の磁化の歳差運動の軌道を表す。
【００５２】
第１の磁性層１０１の磁化は方向１０４に固定されている。第１のステップにおいて第２の磁性層１０２の磁化が有効磁場の方向１０５に向いている状態から、第２のステップにおいて第１の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。これによって、スピントランスファートルク項が大きくなり、第２の磁性層１０２の磁化は軌跡３０２の軌道に向かって高速に向きを変え、スピントランスファートルク項の作用が式（１）の右辺第２項のダンピングの項による作用と釣り合った第１の発振状態において、軌跡３０２上を歳差運動する。
【００５３】
次に本実施形態１の第２のステップにおける第１の発振状態から第３のステップにおける第２の発振状態に移る際のメカニズムを説明する。
【００５４】
本実施形態１における動作では、第３のステップとして発振閾値電流密度未満の第２の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する。すると、スピントランスファートルクが弱まり、第２の磁性層１０２の磁化は有効磁場の方向である点３０１に向かって向きを変える。その磁化ベクトルの移動の過程において、第２の磁性層１０２の磁化ベクトルは第２の電流密度を有する電流における安定軌道である軌跡３０３に入り、磁気抵抗効果素子１１２は第２の発振状態（スピントランスファートルク項の作用がダンピングの項による作用と釣り合った状態）に移る。
【００５５】
軌跡３０２上を歳差運動する第１の発振状態から軌跡３０３上を歳差運動する第２の発振状態に移る第１の遷移時間は式（１）の右辺第２項のダンピング項に依存し、さらに磁気緩和係数αに依存する。一般的な磁性体の場合、αはおおよそ０．０１以上であることが知られているので、ダンピングの作用は大きく、第１の遷移時間は短い。
【００５６】
本実施形態において、第１の電流密度の値を大きくすることで磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりを高速化する効果が得られる。第１の電流密度が第２の電流密度の１．５倍以上であると、第１の遷移時間による発振の立ち上がり時間の増大の影響を、第２のステップにおける発振の立ち上がり時間の短縮効果が上回る効果が顕著になる。従って、磁気抵抗効果素子１１２の発振の立ち上がりを高速化するためには、第１の電流密度は第２の電流密度の１．５倍以上であることが望ましい。
【００５７】
また、磁気抵抗効果素子１１２の第２の磁性層１０２の磁化が第１の磁性層の磁化と略同一の方向を向く磁化反転の状態で磁気抵抗効果素子１１２が安定するならば、第２のステップとして磁気抵抗効果素子１１２に印加する発振閾値電流密度以上の第１の電流密度は磁化反転閾値電流密度ｊＲより小さい方が望ましい。もしくは第１の電流密度を有する電流を磁気抵抗効果素子１１２に印加する時間が磁化反転が生じる時間よりも短ければ、第１の電流密度は磁化反転閾値電流密度ｊＲ以上でもよい。
【００５８】
その後、第３のステップにおいて、磁気抵抗効果素子１１２に第２の電流密度を有する電流を印加し続け、第２の電流密度に応じた周波数で発振を持続させる。
【００５９】
ここまでは磁気抵抗効果素子１１２の略面内において第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動する発振の形態を用いてメカニズムを説明したが、発振の形態はこれに限定されず、例えば磁気抵抗効果素子１１２の略垂直方向に第２の磁性層１０２の磁化が歳差運動する場合などにおいても同様のことが言える。
（実施形態２）
【００６０】
実施形態２の磁気抵抗効果発振器４００は、実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００の磁気抵抗効果素子１１２にかえて、磁気抵抗効果素子４１０を用いたものである。その他の構成は実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００と同じである。図４に磁気抵抗効果素子４１０の模式図を示す。磁気抵抗効果素子４１０は、第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とその間に設けられたスペーサ層４０９を有する。また、第１の磁性層４０１に接して第１の電極４０７が設けられ、第２の磁性層４０２に接して第２の電極４０８が設けられている。電極４０７と電極４０８間に電流源１１３を接続する。電流源１１３のかわりに電圧源を接続してもよい。スペーサ層４０９は絶縁部４０３と強磁性ナノコンタクト部４０４からなる。第１の磁性層４０１、第２の磁性層４０２、強磁性ナノコンタクト部４０４は強磁性体で形成され、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＡｌの合金、ＦｅとＣｏとＡｌとＳｉの合金などが望ましい。絶縁部４０３は電気的に絶縁性がとれたものがよく、ＡｌＯｘ、ＭｇＯなどが望ましい。第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化は矢印４０５、４０６の方向を各々向いており、強磁性ナノコンタクト部４０４には磁壁が形成される。このような構造の素子をＮＣＭＲ（ナノコンタクト磁気抵抗効果）素子と呼ぶ。なお、スペーサ層４０９は、第１の磁性層４０１および第２の磁性層４０２と接しており、強磁性ナノコンタクト部４０４は第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とを電気的に接続しているが、図４では、スペーサ層４０９の構造をわかりやすくするために、スペーサ層４０９は第１の磁性層４０１および第２の磁性層４０２と離して描いてある。
【００６１】
矢印４０６は矢印４０５に対して反対方向に限られず、同じ方向や、その間の任意の方向を有することができる。
【００６２】
ｘｙ平面は磁気抵抗効果素子４１０の膜面に平行な面とする。また磁気抵抗効果素子４１０の膜面に垂直な方向をｚ軸方向と定義する。
【００６３】
磁気抵抗効果素子４１０の発振現象を計算するために、磁気抵抗効果素子４１０の１つの強磁性ナノコンタクトに形成される磁壁のダイナミクスを計算する。図５は強磁性ナノコンタクトの計算モデルを示した図である。モデル化において、第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化の方向は固定とする。各磁性層の固定手段としては外部磁場や反強磁性体との交換結合、磁気異方性などを利用することができる。第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の間に形成される磁壁は互いに交換結合した磁化が磁性層４０１から磁性層４０２に向かってｚ軸方向に１次元に連なっているものとする。
【００６４】
計算において、式（１）を少し変更した下式を用いる。
【数４】
2015100106.tif 000006
【００６５】
有効磁場は交換磁場のみとし、その強さは交換結合定数によって決まる。
【００６６】
磁気抵抗効果素子４１０に電極を介して電流Ｉを各層に垂直な方向に流すと、スピントランスファートルクが磁壁に作用し、磁気抵抗効果素子４１０は発振する。ここで、説明のために第１の磁性層４０１の磁化を概ね（１、０、０）の方向に固定し、第２の磁性層４０２の磁化を概ね（―１、０、０）の方向に固定している場合を考える。強磁性ナノコンタクト内には（１、０、０）の方向から（―１、０、０）の方向に徐々に向きを変える磁化が磁壁を形成する。図６ｂは磁気抵抗効果素子４１０に発振閾値電流密度を有する電流を印加した時の、強磁性ナノコンタクト内の磁化ベクトルの各成分の平均値の時間変化の計算結果である。磁化ベクトルのｙ成分の平均値ｍｙがゼロの時強磁性ナノコンタクト内の磁壁はネール磁壁となり、ｚ成分の平均値ｍｚがゼロの時、ブロッホ磁壁となる。２．５ナノ秒以降、ｍｙとｍｚが交互にゼロになりながら振動している。つまり、強磁性ナノコンタクト内の磁化は周期的に歳差運動している。このようにネール磁壁とブロッホ磁壁が交互に移り変わる現象が生じ、２つの磁壁は抵抗値が異なるので抵抗が振動し、発振が生じる。
【００６７】
本実施の形態では実施形態１の磁気抵抗効果発振器１００と同様に、例えば図２ａの回路図で表現された回路で駆動電流を生成することができる。また、本実施の形態では実施形態１の磁気抵抗効果発振器２００と同様に、例えば図２ｂの回路図で表現された回路で駆動電流を生成することができる。
【００６８】
本実施形態は実施形態１と同様に、特許文献１の形態に比べて第１のステップにおいて磁気抵抗効果素子をより安定に動作させることが可能である。
【００６９】
また、本実施形態では第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２の磁化の方向を固定としたが、本実施形態はこれに限定されず、例えば第２の磁性層が、磁化の方向が固定されない磁化自由層である場合においても第１のステップにおいて磁気抵抗効果素子をより安定に動作させることが可能である。
【００７０】
（実施例１）
本実施例１の磁気抵抗効果発振器４００は第１の磁性層４０１と第２の磁性層４０２とその間に設けられたスペーサ層４０９を有する磁気抵抗効果素子４１０を有する。また第１の磁性層４０１に電気的に接続する第１の電極４０７と第２の磁性層４０２に電気的に接続する第２の電極４０８を設けた。第１の電極４０７と第２の電極４０８間に電流源１１３を接続した。スペーサ層４０９は絶縁部４０３と強磁性ナノコンタクト部４０４からなる。第１の磁性層４０１、第２の磁性層４０２、強磁性ナノコンタクト部４０４はＦｅ５０Ｃｏ５０で構成した。強磁性ナノコンタクト部４０４は長さを４０ｎｍ、直径を２０ｎｍとした。絶縁部４０３は主成分がＡｌ２Ｏ３で構成した。第１の磁性層４０１の直下にはＩｒ２０Ｍｎ８０で構成される反強磁性体層が接しており、第１の磁性層４０１と交換結合している。これによって第１の磁性層４０１の磁化は固定され、矢印４０５の方向を向いている。第２の磁性層４０２の磁化は外部印加磁場によって矢印４０６の方向を向いて固定されている。矢印４０５と矢印４０６は平行を向いていないので、強磁性ナノコンタクト部４０４には磁壁が形成される。磁気抵抗効果素子４１０に電極を介して電流Ｉを各層に垂直な方向に流すとスピントランスファートルクが磁壁に作用し、マイクロ波が発生する。
【００７１】
磁気抵抗効果発振器４００の発振現象を計算するため、実施形態２と同様のモデル化を行った。
【００７２】
計算で使用したパラメタを表１に示す。
【表１】
2015100106.tif 000007
【００７３】
本実施例１において、印加電流密度は１つの強磁性ナノコンタクト内における値とする。
【００７４】
印加電流密度は以下の方法で見積もることができる。磁気抵抗効果素子４１０のスペーサ層を露出させ、その露出表面を導電性原子間力顕微鏡（ｃ−ＡＦＭ）で観察し、導電領域から露出表面内のナノコンタクトの総面積を評価する。磁気抵抗効果素子４１０に印加した電流値をナノコンタクトの総面積で割ることでナノコンタクト内の電流密度を見積もることができる。
【００７５】
磁気抵抗効果素子４１０の発振閾値電流密度を以下の計算によって求めた。磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加していない状態から、一定の正の方向の電流を印加し、定常時における強磁性ナノコンタクト内の磁化の振る舞いを計算した。図６ａおよび図６ｂは強磁性ナノコンタクト内の磁化の平均値の時間変化の計算結果である。図６ａは電流密度が８．６×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を印加した時の結果であり、定常時に強磁性ナノコンタクト内の磁化は静止した。一方、図６ｂは電流密度が８．７×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を印加した時の結果であり、定常時においてネール磁壁とブロッホ磁壁が一定の周期で移り変わっており、強磁性ナノコンタクト内の磁化の安定した歳差運動が生じた。したがって、発振閾値電流密度はおおよそ８．７×１０１０Ａ／ｍ2であった。
【００７６】
磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるような電流密度の範囲を以下の方法で計算した。まず、発振閾値電流密度の８．７×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加し、定常時の状態から、徐々に印加する電流密度を下げ、定常時において静止状態となる電流密度をシミュレーションによって求めた。図７ａは１．９×１０１０Ａ／ｍ2の電流密度を有する正の方向の電流を印加した時の磁化の時間変化であり、発振が持続していることが確認できる。一方、図７ｂは１．８×１０１０Ａ／ｍ2の電流密度を有する正の方向の電流を印加した時の磁化の時間変化である。８ナノ秒以降は磁壁の回転が止まり、発振が消失した。したがって、静止閾値電流密度は概ね１．８×１０１０Ａ／ｍ2であり、１．９×１０１０Ａ／ｍ2以上、８．７×１０１０Ａ／ｍ2未満の電流密度を有する正の方向の電流を磁気抵抗効果素子４１０に印加している時、磁気抵抗効果素子４１０の動作点は双安定領域に位置する。
【００７７】
発振の立ち上がり時間は磁気抵抗効果素子４１０に立ち上がりに対する電流の印加を開始する時点から発振周波数が定常時の発振周波数の１％以下の変動となるまでの時間とする。本実施例１、後述する実施例２においては立ち上がりに対する電流の印加を磁気抵抗効果素子に開始する時点を０秒としている。
【００７８】
以下に本実施例１の電流源１１３の動作を示す。図８ａは本実施例１における印加電流の時間変化を示したものである。第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加しない状態から第２のステップとして電流密度１８．０×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を０．５ナノ秒間、印加した。その後、第３のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように電流密度８．０×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を印加した。
【００７９】
図８ｂは本実施例１によって得られた発振周波数の時間変化を示したグラフである。定常時は約６ＧＨｚの一定の周波数で発振し、立ち上がり時間は６．５ナノ秒であった。
【００８０】
（実施例２）
実施例２として、実施例１の第２のステップにおいて、磁気抵抗効果素子に電流密度９．６×１０１０Ａ／ｍ2を有する電流を印加した場合を示す。本実施例２の磁気抵抗効果発振器は電流源１１３の動作以外は実施例１と同一とした。図９ａに本実施例２において磁気抵抗効果素子４１０に印加する電流密度の時間変化を示す。第１のステップとして磁気抵抗効果素子４１０に電流を印加しない状態から第２のステップとして電流密度９．６×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を０．５ナノ秒間、印加した。その後、第３のステップとして磁気抵抗効果素子４１０の動作点を双安定領域に位置させるように電流密度８．０×１０１０Ａ／ｍ2を有する正の方向の電流を印加した。
【００８１】
図９ｂは本実施例２における磁気抵抗効果素子４１０の発振周波数の時間変化を示したものである。発振周波数は徐々に高くなり、磁気抵抗効果素子４１０は最終的に約６ＧＨｚの一定の周波数で安定して発振した。発振の立ち上がり時間は約８ナノ秒であった。
【００８２】
実施例１と実施例２の発振の立ち上がり時間を比較すると、実施例１では６．５ナノ秒に対して実施例２では８ナノ秒である。この結果より、第２のステップで印加する電流密度を大きくすれば磁気抵抗効果素子の発振の立ち上がりを高速化する効果が得られることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明に係る磁気抵抗効果発振器は、高速無線通信などに利用可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１００・・・磁気抵抗効果発振器、１０１、１０２・・・磁性層、１０３・・・スペーサ層、１０６・・・伝導電子、１１０、１１１・・・電極、１１２・・・磁気抵抗効果素子、１１３・・・電流源、１１４・・・電流印加部、１１５・・・制御部、２０１・・・インダクタ、２０２・・・抵抗、２０４・・・電流源、２０５・・・電流印加部、４００・・・磁気抵抗効果発振器、４０１、４０２・・・磁性層、４０３・・・絶縁部、４０４・・・強磁性ナノコンタクト部、４０７、４０８・・・電極、４０９・・・スペーサ層、４１０・・・磁気抵抗効果素子、５００・・・強磁性ナノコンタクトの計算モデル、１００１・・・発振状態のみが安定な領域、１００２・・・双安定領域、１００３、１００４・・・静止状態のみが安定な領域
【図１】
2015100106.tif 000008
【図２ａ】
2015100106.tif 000009
【図２ｂ】
2015100106.tif 000010
【図３】
2015100106.tif 000011
【図４】
2015100106.tif 000012
【図５】
2015100106.tif 000013
【図６ａ】
2015100106.tif 000014
【図６ｂ】
2015100106.tif 000015
【図７ａ】
2015100106.tif 000016
【図７ｂ】
2015100106.tif 000017
【図８ａ】
2015100106.tif 000018
【図８ｂ】
2015100106.tif 000019
【図９ａ】
2015100106.tif 000020
【図９ｂ】
2015100106.tif 000021
【図１０】
2015100106.tif 000022