(57)【要約】本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子は、基板上に配置された強磁性層と、前記強磁性層上に積層された非磁性導電層と、前記非磁性導電層上に積層された反強磁性層（又は、フェリ磁性層）と、前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含む。前記反強磁性層（又は、フェリ磁性層）は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、前記強磁性層は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化され、前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記反強磁性層（又は、フェリ磁性層）に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記反強磁性層（又は、フェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動を発生させる。   【選択図】図２
2021513220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置された強磁性層と、
前記強磁性層上に積層された非磁性導電層と、
前記非磁性導電層上に積層された反強磁性層と、
前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含み、
前記反強磁性層は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、
前記強磁性層は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化され、
前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記反強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記反強磁性層の副格子の磁化歳差運動を発生させることを特徴とする磁気ナノ発振素子。
【請求項２】
前記反強磁性層上に配置された磁気トンネル接合をさらに含み、
前記磁気トンネル接合は、自由層／トンネル絶縁層／固定層を含み、
前記磁気トンネル接合の前記自由層は、前記反強磁性層と交換相互作用することを特徴とする請求項１に記載の磁気ナノ発振素子。
【請求項３】
前記強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項１に記載のナノ発振素子。
【請求項４】
前記反強磁性層は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項１に記載のナノ発振素子。
【請求項５】
前記非磁性導電層は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項１に記載のナノ発振素子。
【請求項６】
前記第１、第２電極は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項１に記載のナノ発振素子。
【請求項７】
基板上に配置された強磁性層と、
前記強磁性層上に積層された非磁性導電層と、
前記非磁性導電層上に積層されたフェリ磁性層と、
前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含み、
前記フェリ磁性層は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、
前記強磁性層は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化され、
前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記フェリ磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記フェリ磁性層の副格子の磁化歳差運動を発生させることを特徴とする磁気ナノ発振素子。
【請求項８】
前記フェリ磁性層上に配置された磁気トンネル接合をさらに含み、
前記磁気トンネル接合は、自由層／トンネル絶縁層／固定層を含み、
前記磁気トンネル接合の前記自由層は、前記反強磁性層と交換相互作用することを特徴とする請求項７に記載の磁気ナノ発振素子。
【請求項９】
前記フェリ磁性層は、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃｒ、Ｙ、Ｆｅ、柘榴石、希土類―遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項７に記載のナノ発振素子。
【請求項１０】
基板上に配置された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層に配置された第１非磁性導電層と、
前記第１非磁性導電層上に配置された第２強磁性層と、
前記第２強磁性層上に配置された第２非磁性導電層と、
前記第２非磁性導電層上に配置された第３強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含み、
前記第１強磁性層は、固定磁化方向を有し、膜面に対して平行な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、
前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、前記第２非磁性導電層によって反強磁性交換相互作用する薄膜であり、
前記第１、第２電極を通じて、前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層に注入された面内電流は、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の磁化歳差運動をそれぞれ発生させることを特徴とする磁気ナノ発振素子。
【請求項１１】
前記第３強磁性層上に配置された磁気トンネル接合をさらに含み、
前記磁気トンネル接合は、トンネル絶縁層／固定層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁気ナノ発振素子。
【請求項１２】
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、及び前記第３強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなり、
前記第１非磁性導電層は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなり、
前記第２非磁性導電層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなることを特徴とする請求項１０に記載のナノ発振素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低電力テラヘルツ（ＴＨｚ）ナノ発振素子に関するものとして、より詳細には、強磁性層／非磁性層積層構造に面内電流を印可して隣接する反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子（ｓｕｂ−ｌａｔｔｉｃｅ）磁化の歳差運動を発生させるナノ発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、通常の磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【０００３】
図１に示すように、磁気ナノ発振素子１００は、導線１２０に流れる面内電流によって発生するスピンホールスピントルクと反強磁性体１３０を用いる。磁気ナノ発振素子１００は導線１２０／反強磁性層１３０を含み、反強磁性層１３０の歳差運動（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｍｏｔｉｏｎ）は導線１２０に面内方向に流れる電流によって誘導される。導線１２０に存在するスピン軌道結合（ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を通じてアップスピンとダウンスピンの電子は互いに反対方向に偏極される。これによって、外部から加わる電流方向（ｘ方向）に垂直なｚ方向にスピン電流が発生する。このとき、スピン電流が伝達するスピンは、外部電流方向（ｘ方向）及びスピン電流方向（ｙ方向）のいずれにも垂直なｙ方向の成分を有する。このスピン成分が隣接する強磁性体に流れ込むと、前記強磁性体はスピン伝達トルクを受ける。このようなトルクをスピンホールスピントルク（ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ ｓｐｉｎ ｔｏｒｑｕｅ）という。
【０００４】
しかし、スピンホールスピントルクと反強磁性体を用いたナノ発振素子は、非常に大きい電流密度を必要とする。また、振動数の調整性に限界がある。これを克服するために低い電流密度でも発振するナノ発振素子が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする技術的課題は、磁気発振のために求められる電流を低減することである。このために、強磁性層／非磁性層構造を有する導線が導入される。強磁性層／非磁性層／反強磁性層（又はフェリ磁性層）を有するナノ発振素子を用いると、低い電流密度と振動数の調整性（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）を向上させることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子は、基板上に配置された強磁性層と、前記強磁性層上に積層された非磁性導電層と、前記非磁性導電層上に積層された反強磁性層と、前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含む。前記反強磁性層は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、前記強磁性層は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化され、前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記反強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記反強磁性層の副格子の磁化歳差運動を発生させる。
【０００７】
本発明の一実施例において、前記反強磁性層上に配置された磁気トンネル接合（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）をさらに含み、前記磁気トンネル接合は、自由層／トンネル絶縁層／固定層を含み、前記磁気トンネル接合の前記自由層は、前記反強磁性層と交換相互作用する。
【０００８】
本発明の一実施例において、前記強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【０００９】
本発明の一実施例において、前記反強磁性層は、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００１０】
本発明の一実施例において、前記非磁性導電層は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００１１】
本発明の実施例において、前記第１、第２電極は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００１２】
本発明の一実施例によるナノ発振素子は、基板上に配置された強磁性層と、前記強磁性層上に積層された非磁性導電層と、前記非磁性導電層上に積層されたフェリ磁性層と、前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含む。前記フェリ磁性層は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、前記強磁性層は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化され、前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記フェリ磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記フェリ磁性層の副格子の磁化歳差運動を発生させる。
【００１３】
本発明の一実施例において、前記反強磁性層上に配置された磁気トンネル接合をさらに含み、前記磁気トンネル接合は、自由層／トンネル絶縁層／固定層を含み、前記磁気トンネル接合の前記自由層は、前記反強磁性層と交換相互作用する。
【００１４】
本発明の実施例において、前記フェリ磁性層は、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃｒ、Ｙ、Ｆｅ、希土類―遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００１５】
本発明の一実施例によるナノ発振素子は、基板上に配置された第１強磁性層と、前記第１強磁性層に配置された第１非磁性導電層と、前記第１非磁性導電層上に配置された第２強磁性層と、前記第２強磁性層上に配置された第２非磁性導電層と、前記第２非磁性導電層上に配置された第３強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極と、を含む。前記第１強磁性層は、固定磁化方向を有し、膜面に対して平行な方向に磁化される物質からなる薄膜である。前記第２強磁性層と前記第３強磁性層は、前記第２非磁性導電層によって反強磁性交換相互作用（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）する薄膜である。前記第１、第２電極を通じて、前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層に注入された面内電流は、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の磁化歳差運動をそれぞれ発生させる。
【００１６】
本発明の一実施例において、前記第３強磁性層上に配置された磁気トンネル接合をさらに含み、前記磁気トンネル接合は、トンネル絶縁層／固定層を含む。
【００１７】
本発明の一実施例において、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層、及び前記第３強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなり、前記第１非磁性導電層は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなり、前記第２非磁性導電層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子は、面内電流が強磁性層と非磁性層を通りながら強磁性層と非磁性層との間の界面でスピン偏極されて生じるスピン電流（ｓｐｉｎ−ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎ ｃｕｒｒｅｎｔ）を生成し、スピン電流は反強磁性層（又はフェリ磁性層）に界面スピン軌道トルク（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ−ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）を伝達し、前記界面スピン軌道トルク（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ−ｔｏｒｑｕｅ）は反強磁性層（フェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動を誘導する。
【００１９】
本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子は、反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動を誘導することによって臨界電流密度を低下させ、振動数の調整性を向上させることができる。
【００２０】
本発明による磁気ナノ発振素子は、強磁性層、非磁性層、反強磁性交換相互作用をしている層を含み、前記強磁性層は、固定磁化方向を有し、膜面に対して平行な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、強磁性層と非磁性層の界面で発生するスピン電流によって反強磁性交換相互作用をしている層の磁化歳差運動が誘導されることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】通常の磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【図３】図２の磁気ナノ発振素子の発振を説明する斜視図である。
【図４】本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子２００において、反強磁性層（又はフェリ磁性層）の規格化した磁化（ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ、Ｎ）の軌跡を示すシミュレーション結果である。
【図５】図４の磁気ナノ発振素子２００において、印加電流に対するｚ方向のスピンを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【図６】図４の磁気ナノ発振素子２００において、電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【図７】本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子の概念図である。
【図８】図７の磁気ナノ発振素子の発振を説明する斜視図である。
【図９】印加電流に対するｚ方向のスピンσzを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【図１０】電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【図１１】本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【図１２】図１１の磁気ナノ発振素子２００ａにおいて、印加電流に対するｚ方向のスピンσzを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【図１３】図１１の磁気ナノ発振素子２００ａにおいて、電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【図１４】本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
強磁性体は、外部から強い磁場を印可しなくても、自発的に磁化（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）している物質をいう。強磁性体の共鳴振動数は、磁気異方性磁場（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｆｉｅｌｄ）によって決まり、この時の振動数ｆは数式１で表される。
【数１】
2021513220.tif 000003
前記数式１において、γ＝２Ｘ１０１１Ｔ−１ｓ−１は磁気回転定数（ｇｙｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｔｉｏ）、Ｂｋは強磁性体の磁気異方性磁場を意味する。一般的な強磁性体における磁気異方性磁場の大きさは、１Ｔ程度である。したがって、強磁性体を用いたナノ発振素子の振動数は、数十ギガヘルツ（ＧＨｚ）に制限される。
【００２３】
２つの強磁性体の間に非磁性体を挿入したスピンバルブ構造（第１磁性体／非磁性体／第２磁性体）、あるいは２つの強磁性体の間に絶縁体を挿入した磁気トンネル接合構造（第１磁性体／絶縁体／第２磁性体）から垂直（厚さ）方向に電流を印加すると、第１磁性体（固定磁性層）によってスピン分極された電流が第２磁性体（自由磁性層）を通過しながら、それ自身のスピン角運動量 （ｓｐｉｎ−ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ）を伝達する。このようなスピン角運動量の伝達によって磁化が感じるトルクをスピン伝達トルク（Ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ−ｔｏｒｑｕｅ）という。スピン伝達トルクを用いて自由磁性層の磁化を反転させ、又は磁化を持続的に回転させる磁化歳差運動を可能にする。しかし、強磁性体を用いた磁気ナノ発振素子は、低い動作振動数（ｌｏｗ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）を有するという限界がある。
【００２４】
反強磁性体（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）は原子単位で隣接する磁気モーメント（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｍｅｎｔ）が互いに反対方向を維持しようとする反強磁性交換相互作用（Ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｈａｎｇ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）のある物質をいう。また、反強磁性体は隣接する磁気モーメントの大きさが同じ物質をいう。
【００２５】
フェリ磁性体（ｆｅｒｒｉｍａｇｎｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ）は隣接する磁気モーメントの大きさ又は方向が異なる物質をいう。一部のフェリ磁性体は隣接する２つの磁気モーメント間に反強磁性交換相互作用が存在し、したがって反強磁性体と同様に隣接する磁気モーメントの方向が互いに反対方向であるか又は反対に近い方向を有する。本発明において、フェリ磁性体はこのように反強磁性の特性を有するフェリ磁性体を意味する。
【００２６】
原子単位において、磁気モーメントが反強磁性の状態で結合していると、共鳴振動数は数式２で表される。
【数２】
2021513220.tif 000004
前記数式２において、Ｂｅｘは反強磁性（フェリ磁性）体の反強磁性交換磁場（ａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｆｉｅｌｄ）を意味する。磁気異方性磁場が１Ｔ程度である反面、反強磁性交換磁場は１００Ｔないし１０００Ｔ程度である。したがって、反強磁性（フェリ磁性）体を用いたナノ発振素子の振動数は、数テラヘルツ（ＴＨｚ）領域を有する。
【００２７】
現在、電磁スペクトルで振動数が数十ＧＨｚ以下の領域で、発振は電子素子を用いて行われる。数十ＴＨｚ以上の領域で、発振は光学素子を用いて行われる。しかし、０.１〜１０ＴＨｚ領域で信号の生成、感知、調節する適切な素子を見出すことができない。０.１〜１０ＴＨｚ領域の信号は人体に無害であり、物質によってＴＨｚ信号の透過率などの特性が異なって高い物質選択性（ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）を有し、多くの分子の共鳴振動数に相応する。したがって、０.１〜１０ＴＨｚ領域の信号は分子スペクトル分析に使用する。したがって、共鳴振動数が０.１〜１０ＴＨｚ領域に該当する反強磁性層（又はフェリ磁性層）を備える磁気発振素子は、低い電流密度と振動数の調整性を向上させる必要がある。
【００２８】
本発明の一実施例によるナノ発振素子は、順次に積層された強磁性層／非磁性導電層／反強磁性層（又はフェリ磁性層）を含む。反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動は、強磁性層と非磁性導電層を通じて面内方向に流れる電流によって誘導される。ここで反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の磁化方向は、面内平行な方向又は面内方向に垂直な方向に整列されている。強磁性層と非磁性導電層の界面で発生したスピン電流は、反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動を誘導する。
【００２９】
本発明の一実施例によるナノ発振素子は、順次に積層された第１強磁性層／第１非磁性導電層／第２強磁性層／第２非磁性導電層／第３強磁性層を含む。第２強磁性層と第３強磁性層は、中間の第２非磁性導電層による反強磁性交換相互作用を通じて互いに反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）な磁化方向を有する構造である。第１強磁性層と第１非磁性導電層の界面で発生したスピン電流によって、反強磁性交換相互作用をしている第２強磁性層と第３強磁性層の磁化歳差運動を誘導する。
【００３０】
以下、好ましい実施例を挙げ、本発明をさらに詳細に説明する。しかし、この実施例は、本発明をより具体的に説明するためのもので、実験条件、物質の種類などによって本発明が制限又は限定されないことは、当業界の通常の知識を有する者にとって自明である。
【００３１】
図２は、本発明の一実施例による磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【００３２】
図３は、図２の磁気ナノ発振素子の発振を説明する斜視図である。
【００３３】
図２及び図３に示すように、磁気ナノ発振素子２００は基板２０２上に順次に積層された強磁性層２１０、非磁性導電層２２０、及び反強磁性層２３０を含む。前記強磁性層２１０と前記非磁性層２２０の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂは、面内電流Ｉを提供する。面内電流Ｉは、前記強磁性層２１０と前記非磁性層２２０の界面スピン軌道結合によって、前記反強磁性層２３０に厚さ方向に分極したスピンσｚを含むスピン電流ＪＳを提供する。前記強磁性層２１０は固定磁化方向を有し、膜面に対して平行な方向に磁化される物質から成る薄膜である。前記反強磁性層２３０の副格子は固定された磁化方向を有する。前記反強磁性層２３０は、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜である。前記強磁性層２１０は前記強磁性層２１０の膜面に水平な方向に磁化される。前記第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂを通じて前記強磁性層２１０と前記非磁性導電層２２０に注入された面内電流は、前記反強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流ＪＳを提供して前記反強磁性層２３０の副格子の磁化歳差運動を発生させる。
【００３４】
スピン電流ＪＳは、強磁性体／非磁性体界面効果（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｅｆｆｅｃｔ）によって発生し、前記スピン電流はｙ方向とｚ方向のスピン方向を同時に有する。
【００３５】
前記スピン電流ＪＳのスピンによって発生する界面スピン軌道トルク（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）は、反強磁性層（又はフェリ磁性層）の磁化を歳差運動させる。
【００３６】
反強磁性層２３０はフェリ磁性層で代替される。前記反強磁性層（又はフェリ磁性層）で副格子（ｓｕｂｌａｔｔｉｃｅ）の磁化歳差運動は、強磁性層２１０と非磁性導電層２２０を通じて面内方向に流れる電流によって誘導される。強磁性層２１０の磁化方向は、＋ｘ方向に整列されている。電流は強磁性層２１０と非磁性導電層２２０を通じて流れるようになり、界面に存在する界面スピン軌道結合によって反強磁性層（又はフェリ磁性層）にスピン電流が流れるようになる。
【００３７】
電流が強磁性層２１０と非磁性導電層２２０を通じて流れる場合、膜面に平行な磁化を有する強磁性層２１０／非磁性導電層２２０構造において、スピン軌道結合によってｙ方向σｙ、ｚ方向σｚのスピンを有し、厚さ方向（ｚ方向）に流れるスピン電流ＪＳが発生する。このスピン電流が反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｙ方向σｙ、ｚ方向σｚのスピンを伝達して反強磁性層（又はフェリ磁性層）磁化の歳差運動を誘発する。
【００３８】
すなわち、界面に垂直な方向にスピン電流ＪＳが流れる。この時、界面を通過する電子のスピンと界面に蓄積されたスピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の相互作用によって、反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｙ方向のスピンσｙとｚ方向のスピンσｚが伝達される。すなわち、ｚ軸方向に流れるスピン電流ＪＳの中でｚ方向のスピンはｚ方向のスピンがない場合に比べて臨界電流密度（ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ）を減少させる。
【００３９】
本発明では、ｙ方向のスピンσｙによって発生する既存のスピンホールスピントルク（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ｔｏｒｑｕｅ）と区分するために、上述のように強磁性層／非磁性導電層界面効果によって発生し、ｙ方向とｚ方向を同時に有するスピンによって発生するスピントルクを界面スピン軌道トルク（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｓｐｉｎ ｏｒｂｉｔ ｔｏｒｑｕｅ）と命名する。
【００４０】
反強磁性層（又はフェリ磁性層）に伝達されたｙ方向のスピンσｙとｚ方向のスピンσｚの大きさによって反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の磁化歳差運動に必要な電流密度の大きさが変わり、振動数の調整性も変わる。
【００４１】
基板２０２は半導体基板である。前記基板２０２はシリコン基板である。
【００４２】
前記強磁性層２１０は前記基板２０２上でライン状にパターニングされ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００４３】
前記非磁性導電層２２０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記強磁性層と前記非磁性導電層は、互いに垂直に整列される。
【００４４】
前記反強磁性層２３０は、前記非磁性導電層２２０上に局部的に配置される。又は、前記反強磁性層２３０は、前記非磁性導電層２２０互いに垂直に整列するように変形される。前記反強磁性層２３０はＩｒ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｃｒ、ＦｅＭｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記反強磁性層２３０の副格子は、面に垂直な方向に磁化される。
【００４５】
前記第１電極２４０ａ及び前記第２電極２４０ｂはＣｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記第１電極２４０ａ及び前記第２電極２４０ｂは、前記強磁性層２１０と前記非磁性導電層２２０の両端にそれぞれ連結されて電流を注入する。前記電流は、前記強磁性層２１０と前記非磁性導電層２２０で構成された導線に沿って流れる。
【００４６】
磁気トンネル接合２５０は前記反強磁性層２３０上に配置される。前記磁気トンネル接合２５０は自由層２５２／トンネル絶縁層２５４／固定層２５６を含み、前記磁気トンネル接合の前記自由層２５２は前記反強磁性層２３０と交換相互作用（ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）する。磁気トンネル接合２５０はトンネル抵抗（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）によって発振信号（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ）を出力する。前記自由層２５２及び前記固定層２５６は、配置平面から垂直磁化される。
【００４７】
前記第３電極２６０は、前記磁気トンネル接合２５０上に配置される。前記第３電極２６０は、発振信号を他の回路に連結するための配線に連結される。前記第３電極２６０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｉｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００４８】
反強磁性体（又はフェリ磁性体）の副格子磁化（ｓｕｂ−ｌａｔｔｉｃｅ Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）の運動方程式は、数式３で表される。
【数３】
2021513220.tif 000005
数式３において、Ｍｉは反強磁性層（フェリ磁性層）のｉ番目副格子（ｓｕｂ−ｌａｔｔｉｃｅ）の磁化ベクトル、γは磁気回転比（ｇｙｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｔｉｏ）、Ｍｓ，ｉは反強磁性層（又はフェリ磁性層）のｉ番目副格子の磁化値、Ｈｅｆｆ，ｉは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子のすべての有効磁場ベクトル（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｖｅｃｔｏｒ）、αはＧｉｌｂｅｒｔ減衰定数(ｄａｍｐｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔ)である。副格子は、第１副格子又は第２副格子である。ηは強磁性層と非磁性導電層の界面で形成される印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率であり、δは強磁性層と非磁性導電層の界面で形成される印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率である。
【数４】
2021513220.tif 000006
（＝１.０５ｘ１０−３４Ｊｓｅｃ） はプランク定数を２πで割った値であり、Ｊは印可された電流密度であり、ｅ（＝１.６ｘ１０−１９Ｃ）は電子の電荷量であり、ｔは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の厚さを表す。ｘ方向は反強磁性層（又はフェリ磁性層）が基板上で延長される方向であり、ｚ方向は反強磁性層（又はフェリ磁性層）の厚さ方向である。
【００４９】
反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｚ方向のスピンσｚが伝達されず、ｙ方向のスピンσｙのみ伝達される場合、臨界電流密度Ｊｔｈは数式４で表される。
【数５】
2021513220.tif 000007
ここで、
【数６】
2021513220.tif 000008
はプランク定数を２πで割った値、ｅは電子の電荷量、ｔは反強磁性（フェリ磁性）層の厚さ、Ｋは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の磁気異方性エネルギ密度（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｅｎｅｒｇｙ ｄｅｎｓｉｔｙ、ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ）、ηは印可電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率である。
【００５０】
数式４に該当する臨界電流密度より高い値を有する電流密度によって誘起される反強磁性層（又はフェリ磁性層）の発振振動数は、数式５で表される。
【数７】
2021513220.tif 000009
ここで、γは磁気回転比であり、Ｊは電流密度、
【数８】
2021513220.tif 000010
はプランク定数を２πで割った値、ｅは電子の電荷量、ｔは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の厚さ、Ｍｓは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の飽和磁化値、αはＧｉｌｂｅｒｔ減衰定数、ηは印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率である。
【００５１】
反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｚ方向のスピンσｚが伝達されず、ｙ方向のスピンσｙのみ伝達される場合、規格化した磁化Ｎは  ｘｚ平面で回転する。印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηはゼロではなく、印加電流に対するｚ方向のスピンを伝達するスピン電流の比率δはゼロである。
【００５２】
スピン電流ＪＳは、ｚ方向のスピンσｚ成分を有する。反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｙ方向のスピンσｙが伝達されず、ｚ方向のスピンσｚのみ伝達される場合の臨界電流密度は次のように与えられる。
【数９】
2021513220.tif 000011
ここで、
【数１０】
2021513220.tif 000012
はプランク定数を２πで割った値、ｅは電子の電荷量、ｔは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の厚さ、Ｋは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の磁気異方性エネルギ密度、Ａは反強磁性交換相互作用定数、αはＧｉｌｂｅｒｔ減衰定数、ｄは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子間の距離、δは印可電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率である。
【００５３】
数式６に該当する臨界電流密度より高い値を有する電流密度に対して反強磁性層（又はフェリ磁性層）の発振振動数は、数式７で表される。
【数１１】
2021513220.tif 000013
ここで、γは磁気回転比であり、Ｊは電流密度、
【数１２】
2021513220.tif 000014
はプランク定数を２πで割った値、ｅは電子の電荷量、ｔは反強磁性（フェリ磁性）層の厚さ、Ｍｓは反強磁性層（又はフェリ磁性層）の副格子の飽和磁化量、αはＧｉｌｂｅｒｔ減衰定数、ηは印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率である。
【００５４】
本発明の一実施例によると、界面スピン軌道トルクによって、反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｙ方向のスピンσｙとｚ方向のスピンσｚの両方が伝達される。この場合の臨界電流密度は、数式４と数式６に該当する臨界電流密度のうち低い臨界電流密度で決定される。このとき発振できる振動数は、数式８で表される。
【数１３】
2021513220.tif 000015
印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηはゼロではなく、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δはゼロではない。反強磁性層（又はフェリ磁性層）にｚ方向のスピンσｚ及びｙ方向のスピンσｙ）が全て伝達される場合、規格化した磁化Ｎはｘｙ平面成分及びｘｚ平面成分を有するように回転する。
【００５５】
図４は、本発明の実施例による磁気ナノ発振素子２００において、反強磁性層（又はフェリ磁性層）の規格化した磁化Ｎの軌跡を示すシミュレーション結果である。
【００５６】
図４に示すように、磁気ナノ発振素子の効果は、磁化の運動方程式を用いたマクロスピン微小磁気モデリング（ｍａｃｒｏｓｐｉｎ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ）を通じて確認された。
【００５７】
磁気ナノ発振素子の構造と物性の値は、以下の通りである。
【００５８】
全体構造の断面積＝０.８Ｘ２０ｎｍ２。
【００５９】
反強磁性層２３０：“厚さｔ＝３ｎｍ、飽和磁化値Ｍｓ＝４００ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｇｉｌｂｅｒｔ減衰定数α＝０.０１、磁気回転比γ＝１.７６Ｘ１０７Ｏｅ−１ｓ−１、反強磁性交換相互作用定数Ａ（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ、ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）＝１Ｘ１０−７ｅｒｇ/ｃｍ、有効磁気異方性エネルギ定数Ｋ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉc ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ、 ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ）＝１Ｘ１０５ｅｒｇ/ｃｍ３”。
【００６０】
印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηは０.１であり、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δは０.１である。この場合、規格化した磁化Ｎはｘｙ平面に投影された楕円成分とｘｚ平面に投影された楕円成分とを含む。これによって、規格化した磁化Ｎは、ｙｚの平面に投影された場合、一定の傾きを有する直線で表示される。
【００６１】
図５は、図４の磁気ナノ発振素子２００において、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【００６２】
図６は、図４の磁気ナノ発振素子２００において、電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【００６３】
図５に示すように、印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηは０.１である。反強磁性層２３０は、配置平面に垂直な方向（厚さ方向）の副格子磁化を有する。磁気ナノ発振素子２００に対して界面スピン軌道トルクが印可されたとき、ｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δと臨界電流密度Ｊｔｈが表示される。
【００６４】
δがゼロである場合、ｚ方向のスピンがなく、臨界電流密度は０.９Ｘ１０８Ａ／ｃｍ２である。δが０.９ である場合、臨界電流密度Ｊｔｈは０.１Ｘ１０８Ａ／ｃｍ２である。ｚ方向のスピンσｚの比率が増加することに伴い、臨界電流密度Ｊｔｈが減少する。すなわち、界面スピン軌道トルクを増加させるように強磁性層／非磁性導電層を設計すると、臨界電流密度Ｊｔｈが減少する。
【００６５】
図６に示すように、印加電流に対するｙ方向のスピンを伝達するスピン電流の比率ηは０.１に固定され、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δを変化させると、印加電流密度Ｊと発振周波数が表示される。
【００６６】
δが増加するほど、電流密度Ｊに対する周波数の傾きが増加する。したがって、小さい電流密度Ｊの変化で大きい周波数の差を提供することができる。δ＝１である場合、発振素子は電流密度によって０.１ＴＨｚないし０.７ＴＨｚの範囲で発振する。
【００６７】
図７は、本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子の概念図である。
【００６８】
図８は、図７の磁気ナノ発振素子の発振を説明する斜視図である。
【００６９】
図９は、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【００７０】
図１０は、電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【００７１】
図７ないし図１０に示すように、磁気ナノ発振素子３００は、基板２０２上に配置された強磁性層２１０と、前記強磁性層上に積層された非磁性導電層２２０と、前記非磁性導電層２２０上に積層された反強磁性層３３０と、前記強磁性層２１０と前記非磁性導電層２２０の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂと、を含む。前記反強磁性層３３０は、膜面に対して水平な方向に磁化される物質からなる薄膜であり、前記強磁性層２１０は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化される。前記第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂを通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記反強磁性層３３０に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記反強磁性層３３０の副格子の磁化歳差運動を発生させる。前記反強磁性層３３０は面内方向に磁化される。
【００７２】
磁気トンネル接合２５０は、前記反強磁性層３３０上に配置される。前記磁気トンネル接合２５０は、自由層２５２／トンネル絶縁層２５４／固定層２５６を含み、前記磁気トンネル接合の前記自由層２５２は前記反強磁性層３３０と交換相互作用する。前記自由層及び前記固定層は、配置平面内で磁化される。
【００７３】
図９に示すように、印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηは０.１である。反強磁性層３３０は配置平面内で副格子磁化を有する。反強磁性層３３０の磁化容易軸はｙ軸である。磁気ナノ発振素子３００ に対して界面スピン軌道トルクが印可されたとき、臨界電流密度Ｊｔｈ及び発振振動数ｆは、次のような条件でシミュレーションされた。
【００７４】
素子の構造と物性の値は、以下の通りである。
【００７５】
全体構造の断面積＝０.８Ｘ０.８ｎｍ２、
【００７６】
反強磁性層３３０:“厚さｔ＝３ｎｍ、飽和磁化値Ｍｓ＝４００ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｇｉｌｂｅｒｔ減衰定数α＝０.０１、磁気回転比γ＝１.７６Ｘ１０７Ｏｅ−１ｓ−１、反強磁性交換相互作用定数Ａ＝１Ｘ１０−７ｅｒｇ／ｃｍ、有効磁気異方性エネルギ定数Ｋ＝１Ｘ１０５ｅｒｇ／ｃｍ３”
【００７７】
δがゼロである場合、ｚ方向のスピンσｚがなく、臨界電流密度は０.９Ｘ１０８Ａ／ｃｍ２である。δが０.９である場合、臨界電流密度Ｊｔｈは０.１Ｘ１０８Ａ／ｃｍ２である。ｚ方向のスピンσｚの比率が増加することに伴い、臨界電流密度Ｊｔｈが減少する。すなわち、界面スピン軌道トルクを増加させるように強磁性層／非磁性層を設計すると、臨界電流密度Ｊｔｈが減少する。
【００７８】
図１０に示すように、印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηは０.１で固定され、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δを変化させると、印加電流密度Ｊと発振周波数が表示される。
【００７９】
δが増加するほど、電流密度Ｊに対する周波数の傾きが増加する。したがって、小さい電流密度Ｊの変化で大きい周波数の差を提供することができる。
【００８０】
図１１は、本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子を示す概念図である。
【００８１】
図１２は、図１１の磁気ナノ発振素子２００ａにおいて、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δによる臨界電流密度を示すグラフである。
【００８２】
図１３は、図１１の磁気ナノ発振素子２００ａにおいて、電流密度による発振周波数を示すグラフである。
【００８３】
図１１ないし図１３に示すように、磁気ナノ発振素子２００ａは、基板２０２上に配置された強磁性層２１０と、前記強磁性層上に積層された非磁性導電層２２０と、前記非磁性導電層上に積層されたフェリ磁性層２３０ａと、前記強磁性層と前記非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂと、を含む。前記フェリ磁性層２３０ａは、膜面に対して垂直あるいは水平な方向に磁化される物質からなる薄膜である。前記強磁性層２１０は、前記強磁性層の膜面に水平な方向に磁化される。前記第１、第２電極を通じて前記強磁性層と前記非磁性導電層に注入された面内電流は、前記フェリ磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記フェリ磁性層の副格子の磁化歳差運動を発生させる。
【００８４】
ナノ発振素子２００ａの構造と物性値は、以下の通りである。
【００８５】
全体構造の断面積＝０.８Ｘ２０ｎｍ２。
【００８６】
フェリ磁性層２３０ａ:“厚さｔ＝３ｎｍ、副格子１の飽和磁化値Ｍｓ,１＝４００ｅｍｕ／ｃｍ３、副格子２の飽和磁化値Ｍｓ，２＝３５０ｅｍｕ／ｃｍ３、副格子１の磁気回転比γ１＝１.９３６Ｘ１０７Ｏｅ−１ｓ−１、副格子２の磁気回転比γ２＝１.７６Ｘ１０７Ｏｅ−１ｓ−１、Ｇｉｌｂｅｒｔ減衰定数α＝０.０１、反強磁性交換相互作用定数Ａ＝１Ｘ１０−７ｅｒｇ／ｃｍ、有効磁気異方性エネルギ定数Ｋ＝１Ｘ１０５ｅｒｇ/ｃｍ３”
【００８７】
フェリ磁性層２３０ａは、Ｃｏ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｉｒ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｃｒ、Ｙ、Ｆｅ、柘榴石、希土類―遷移金属（ＲＥ−ＴＭ）合金及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００８８】
界面スピン軌道トルクを増加させるように強磁性層／非磁性導電層を設計すると、臨界電流密度Ｊｔｈが減少する。
【００８９】
印加電流に対するｙ方向のスピンσｙを伝達するスピン電流の比率ηは０.１で固定され、印加電流に対するｚ方向のスピンσｚを伝達するスピン電流の比率δを変化させると、印加電流密度Ｊと発振周波数が表示される。
【００９０】
δが増加するほど、電流密度Ｊに対する周波数の傾きが増加する。したがって、小さな電流密度Ｊの変化で大きな周波数の差を提供することができる。δ＝１である場合、発振素子は電流密度によって０.１ＴＨｚないし０.９ＴＨｚの範囲で発振する。
【００９１】
図１４ は、本発明のもう一つの実施例による磁気ナノ発振素子の概念図である。
【００９２】
図１４に示すように、磁気ナノ発振素子４００、基板２０２上に配置された第１強磁性層２１０と、前記第１強磁性層２１０に配置された第１非磁性導電層２２０と、前記第１非磁性導電層２２０上に配置された第２強磁性層３３２と、前記第２強磁性層３３２上に配置された第２非磁性導電層３３４と、前記第２非磁性導電層３３４上に配置された第３強磁性層３３６と、前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層の両側面にそれぞれ接触する第１、第２電極２４０ａ、２４０ｂと、を含む。前記第１強磁性層２１０は、固定磁化方向を有し、膜面に対して平行な方向に磁化される物質からなる薄膜である。前記第２強磁性層３３２と前記第３強磁性層３３６は、前記第２非磁性導電層によって反強磁性交換相互作用する薄膜である。前記第２強磁性層３３２と前記第３強磁性層３３６は、膜面に平行又は垂直に磁化される。前記第１、第２電極を通じて、前記第１強磁性層と前記第１非磁性導電層に注入された面内電流は、前記第２強磁性層と前記第３強磁性層に伝達される薄膜の厚さ方向のスピンを含むスピン電流を提供して前記第２強磁性層と前記第３強磁性層の磁化歳差運動をそれぞれ発生させる。
【００９３】
前記第１強磁性層２１０と前記第１非磁性導線層２２０は、垂直に整列される。
【００９４】
また、前記第２強磁性層３３２、第２非磁性導電層３３４、及び第３強磁性層３３６は、垂直に整列され、反強磁性交換相互作用によって結合される。前記第２強磁性層３３２と前記第３強磁性層３３６は、常に反平行結合（ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）を維持しながら歳差運動する。
【００９５】
磁気トンネル接合４５０は、前記第３反強磁性層３３６上に配置される。前記磁気トンネル接合２５０はトンネル絶縁層２５４／固定層２６５を含み、前記磁気トンネル接合の前記固定層２５６は前記第３強磁性層３３６と相互作用して、トンネル磁気抵抗信号を生成する。前記固定層２５６は、面内で平行又は垂直に磁化する。
【００９６】
前記第１強磁性層２１０、前記第２強磁性層３３２、及び前記第３強磁性層３３６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｚｒ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記第１非磁性導電層２２０は、Ｃｕ、Ｔａ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔｉ、Ｂｉ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。前記第２非磁性導電層３３４は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｒｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びこれらの混合物の中から選択される物質からなる。
【００９７】
以上、本発明を特定の好ましい実施例に対して図示して説明したが、本発明はこのような実施例に限らず、当該発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が特許請求範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で実施できる様々な形態の実施例を全て含む。
【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】
2021513220.tif 000023
【図９】
2021513220.tif 000024
【図１０】
2021513220.tif 000025
【図１１】
2021513220.tif 000026
【図１２】
2021513220.tif 000027
【図１３】
2021513220.tif 000028
【図１４】
2021513220.tif 000029
【国際調査報告】
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2021513220.tif 000031
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