(57)【要約】【課題】磁性発振素子の発振周波数付近の雑音が原因でＣＮ比が低下【解決手段】磁化が固定された磁化固定層、非磁性層と磁化フリー層から構成される多層膜を含む磁性発振素子。多層膜の膜面に対して垂直方向の通電によって磁化固定層から磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、磁性発振素子の発振線幅を狭くすることによって発振周波数付近の雑音を低下させる。その結果、ＣＮ比が高い、すなわち信号純度の高い磁性発振素子が得られることになる。【選択図】図３
2008084879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化が固定された磁化固定層と、
この磁化固定層に積層された非磁性層と、
この非磁性層に積層された磁化がゆらぐ磁化フリー層と、
前記磁化固定層、前記非磁性層および前記磁化フリー層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記磁化フリー層は、前記通電によって前記磁化固定層から前記磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記磁化フリー層及び前記磁化固定層が垂直磁化膜である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項２】
前記垂直磁化膜がCo、Co/非磁性層積層膜、CoCr系合金、Co多層膜、CoCrPt系合金、FePt系合金、希土類を含むSmCo系合金、TbFeCo合金のいずれかである
ことを特徴とする請求項１に記載の磁性発振素子。
【請求項３】
磁化が固定された磁化固定層と、
この磁化固定層に積層された非磁性層と、
この非磁性層に積層された磁化がゆらぐ磁化フリー層と、
前記磁化固定層、前記非磁性層および前記磁化フリー層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記磁化フリー層は、前記通電によって前記磁化固定層から前記磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記磁化固定層及び前記磁化フリー層が面内磁化膜であって、
前記磁化フリー層の垂直方向の結晶異方性磁場と形状異方性磁場の差が１KOe以下である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項４】
磁化が固定された磁化固定層と、
この磁化固定層に積層された非磁性層と、
この非磁性層に積層された磁化がゆらぐ磁化フリー層と、
前記磁化固定層、前記非磁性層および前記磁化フリー層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記磁化フリー層は、前記通電によって前記磁化固定層から前記磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記磁化フリー層は人工フェリ磁性体である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項５】
前記人工フェリ磁性体に反強磁性体による交換バイアスが印加されていることを特徴とする請求項４に記載の磁性発振素子。
【請求項６】
磁化が固定された磁化固定層と、
この磁化固定層に積層された非磁性層と、
この非磁性層に積層された磁化がゆらぐ磁化フリー層と、
前記磁化固定層、前記非磁性層および前記磁化フリー層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記磁化フリー層は、前記通電によって前記磁化固定層から前記磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記磁化フリー層は人工反強磁性体である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項７】
前記非磁性層は絶縁層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁性発振素子。
【請求項８】
磁化が固定された第１磁化固定層と、
この第１磁化固定層に積層された第１非磁性層と、
この第１非磁性層に積層された磁化がゆらぐ第１磁化フリー層と、
この第１磁化フリー層に積層された第２非磁性層と、
この第２非磁性層に積層された磁化がゆらぐ第２磁化フリー層と、
この第２磁化フリー層に積層された第３非磁性層と、
この第３非磁性層に積層され、磁化が固定された第２磁化固定層とから構成される多層膜と、
前記多層膜の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記第１及び第2磁化フリー層は、前記通電によって前記第１及び第2磁化固定層から前記第１及び第２磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記第１及び第２磁化フリー層、前記第１及び第２磁化固定層が垂直磁化膜である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項９】
前記垂直磁化膜がCo、Co/非磁性層積層膜、CoCr系合金、Co多層膜、CoCrPt系合金、FePt系合金、希土類を含むSmCo系合金、TbFeCo合金のいずれかである
ことを特徴とする請求項８に記載の磁性発振素子。
【請求項１０】
磁化が固定された第１磁化固定層と、
この第１磁化固定層に積層された第１非磁性層と、
この第１非磁性層に積層された磁化がゆらぐ第１磁化フリー層と、
この第１磁化フリー層に積層された第２非磁性層と、
この第２非磁性層に積層された磁化がゆらぐ第２磁化フリー層と、
この第２磁化フリー層に積層された第３非磁性層と、
この第３非磁性層に積層され、磁化が固定された第２磁化固定層とから構成される多層膜と、
前記多層膜の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、
前記第１及び第2磁化フリー層は、前記通電によって前記第１及び第2磁化固定層から前記第１及び第２磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記第１及び第２磁化フリー層、前記第１及び第２磁化固定層が面内磁化膜である
ことを特徴とする磁性発振素子。
【請求項１１】
前記第１及び第２磁化フリー層の垂直方向の結晶異方性磁場と形状異方性磁場の差が１KOe以下である
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁性発振素子。
【請求項１２】
前記第１及び第２磁化フリー層の少なくとも一方が人工フェリ磁性体である
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁性発振素子。
【請求項１３】
前記人工フェリ磁性体の少なくとも一方が反強磁性体による交換バイアスが印加されている
ことを特徴とする請求項１２に記載の磁性発振素子。
【請求項１４】
前記第１及び第２磁化フリー層の少なくとも一方が人工反強磁性体である
ことを特徴とする請求項１０に記載の磁性発振素子。
【請求項１５】
前記第１乃至第３の非磁性層の、少なくともひとつが絶縁層である
ことを特徴とする請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の磁性発振素子。
【請求項１６】
請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の磁気発振素子を用いた磁気センサ、前記磁気センサを用いた磁気ヘッドと、前記磁気ヘッドを用いた磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高密度磁気記録における読み出し用磁気ヘッド、高集積LSIにおける無配線信号伝達、通信用新機能素子などに応用される微小磁性発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
巨大磁気抵抗効果（ Ｇ Ｍ Ｒ 効果） を利用したＧ Ｍ Ｒ ヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１ ０ ０ ％ で向上している。Ｇ Ｍ Ｒ 素子は、強磁性層／ 非磁性層／ 強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなる。Ｇ Ｍ Ｒ 素子は、一方の強磁性層に交換バイアスを及ぼして磁化を固着し、他方の強磁性層の磁化方向を外部磁界により変化させ、２つの強磁性層の磁化方向の相対角度の変化を抵抗値の変化として検出する、いわゆるスピンバルブ膜の磁気抵抗効果を利用した素子である。スピンバルブ膜の膜面に電流を流し、抵抗変化を検出するＣ Ｉ Ｐ ( C u r r e n t I n P l a n e )− Ｇ Ｍ Ｒ 素子と、スピンバルブ膜の膜面に垂直に電流を流し抵抗変化を検出するＣ Ｐ Ｐ ( C u r r e n t P e r p e n d i c u l a r t o P l a n e )− Ｇ Ｍ Ｒ 素子が開発されている。その磁気抵抗比（ Ｍ Ｒ 比） はＣ Ｉ Ｐ − Ｇ Ｍ Ｒ 素子、Ｃ Ｐ Ｐ − Ｇ Ｍ Ｒ 素子とも数％ 程度であり、２ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ 程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。
【０００３】
より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（ Ｔ Ｍ Ｒ 効果） を利用したＴ Ｍ Ｒ 素子の開発が進められている。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は強磁性層／ 絶縁体からなるトンネル絶縁層／ 強磁性層の積層膜からなり、強磁性層間に電圧を印加しトンネル電流を流す。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は、トンネル電流の大きさが上下の強磁性層の磁化の向きによって変化することを利用し、磁化の相対的角度の変化をトンネル抵抗値の変化として検出する素子である。Ｍ Ｒ 比は最大で５ ０ ％ 程度の素子が得られている。Ｔ Ｍ Ｒ 素子は、Ｇ Ｍ Ｒ 素子よりもＭ Ｒ 比が大きいため、信号電圧も大きくなる。
【０００４】
しかしながら、純粋な信号成分だけでなく、ショットノイズによる雑音成分も大きくなり、Ｓ ／ Ｎ 比（ 信号対雑音比） がよくならないという問題を抱えている。ショットノイズは、電子がトンネル障壁を不規則に通過することによって発生する電流の揺らぎに起因しており、トンネル抵抗値の平方根に比例して増大する。従ってショットノイズを抑え、必要な信号電圧を得るには、トンネル絶縁層を薄くし、トンネル抵抗を低抵抗化する必要ある。
【０００５】
記録密度が高密度化するほど素子サイズは記録ビットと同程度のサイズに小さくする必要があるため、高密度になるほどトンネル絶縁層の接合抵抗を小さく、つまり、絶縁層を薄くする必要がある。３ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ の記録密度では１ Ω ・ｃ ｍ ２ 以下の接合抵抗が必要とされ、Ａ ｌ − Ｏ （ アルミニウム酸化膜） トンネル絶縁層の膜厚に換算して原子２ 層分の厚さのトンネル絶縁層を形成しなければならない。トンネル絶縁層を薄くするほど上下電極間の短絡が生じやすくＭ Ｒ 比の低下を招くため、素子の作製は飛躍的に困難になっていく。以上の理由によってＴ Ｍ Ｒ 素子の記録密度の限界は３ ０ ０ Ｇ ｂ ｉ ｔ ／ ｉ ｎ ｃ ｈ ２ であろうと見積もられている。
【０００６】
上に述べた素子はいずれも広い意味での磁気抵抗効果を利用しているが、これらの素子に共通した磁気的白色雑音（ ホワイトノイズ） の問題が近年急浮上している。この雑音は上に述べたショットノイズなどの電気的ノイズとは異なり、磁化の熱ゆらぎに起因して生じるため素子の微細化に伴いより支配的となる。従って、より高密度対応の素子では電気的雑音を凌駕すると考えられている。磁気的白色雑音を回避し、磁気記録の記録密度をさらに高めるためには従来の磁気抵抗効果とは異なった原理により動作する微小磁気センサが必要となるが、そのような磁気センサとして磁性発振素子の開発が進められている。
【０００７】
また、高集積LSIの分野では現在Al, Cuなどの金属配線が用いられているが、配線長の増大に伴い抵抗やインダクタンスによる信号遅延の問題が顕在化している。信号遅延の問題を解決し、より高速動作が可能なLSIを実現するために、配線を用いず微小磁性発振素子と微小磁性受信素子により信号伝達を行うワイヤレスLSIの開発も進められている。
【０００８】
さらに磁性発振素子の特異な性質を利用したスピントルクダイオードなどの通信用デバイスの開発も始まっている（ 例えば、非特許文献１ 参照） 。
【非特許文献１】R . S a t o , e t . a l .  J . M a g n . M a g n . M a t . v o l . 2 7 9 , p . 3 6 ( 2 0 0 4 )
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上に述べたように磁性発振素子は磁気記録をはじめとする様々な分野への応用が期待されているが、ナノスケールの微小素子であるため磁化の熱ゆらぎに伴う熱雑音が大きく信号純度が低いという欠点を持っている。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、発振線幅が狭く、ＣＮ比が高い磁性発振素子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】
【００１１】
本発明の一態様による磁性共振素子は、磁化が固定された磁化固定層と、この磁化固定層に積層された非磁性層と、この非磁性層に積層された磁化がゆらぐ磁化フリー層と、前記磁化固定層、前記非磁性層および前記磁化フリー層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極を備え、前記磁化フリー層は、前記通電によって前記磁化固定層から前記磁化フリー層へのスピントランスファによる磁化振動が励起でき、
前記磁化フリー層及び前記磁化固定層が垂直磁化膜であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発振線幅が狭く、ＣＮ比が高い磁性発振素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、同一の部分には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。  
まず、本発明の実施形態を説明する前に、磁性発振素子の雑音の発生原因について、説明する。
【００１４】
磁性発振素子の主な雑音は発振周波数近傍に発生する雑音であり、その大きさは素子構造および材料に依存する。発振周波数近傍の雑音は一般に発振スペクトルの幅（発振線幅）あるいはCN比（Carrier to Noise ratio）として表現することができる。すなわち磁性発振素子の雑音を低減するためには熱振動磁場hTi(i=x,y,z)によって生じる発振線幅を狭くすることが重要である。熱振動磁場は磁性体の格子振動により生じる乱雑な磁場であり、その統計的2乗平均は（１）式で表される。ここでα、Ｍ、Ｖはそれぞれ磁化フリー層の減衰定数、飽和磁化、体積であり、ｋ、Ｔ、γはそれぞれボルツマン定数、温度、磁気回転比、Bはバンド幅である。
【数１】
2008084879.tif 000003
【００１５】
図１に静磁場Hの下で発振周波数ω0の発振状態にある磁化フリー層磁化の運動を示す。このような歳差運動のスペクトルは熱振動磁場hTiが小さい場合には線幅の狭いスペクトルとなるが、hTiの増大とともに線幅が増大する。hTiによる線幅増大には２つの要因が存在する。第1の要因は図1の静磁場Hに垂直方向の熱振動磁場ｈTx、hTyが関与するもので、それらの増大に伴ってローレンツ関数型のスペクトル線幅が増大する。第2の要因は発振周波数f0の磁場依存性に伴うガウス関数型のスペクトル線幅であり、静磁場Hの方向の熱振動磁場hTxが関与する。第1の要因による線幅△fは近似的に（２）式で表されることが知られている。
【数２】
2008084879.tif 000004
【００１６】
ただしmx=Mx/M、Mxは磁化のX成分である。この線幅は電子発振器の位相雑音と同様に発振振幅の2乗平均<mx2>に反比例するため強く励振するほど線幅は減少する。また（２）式から明らかなように、磁化フリー層の飽和磁化Mおよび体積Vが同じ場合には減衰定数αが小さい材料を用いた方がより狭くなる。一方第2の要因による線幅△fzは、（３）式のように表され、発振周波数の磁場依存性df0/dHが大きいほど線幅が広くなる。
【数３】
2008084879.tif 000005
【００１７】
格子振動により生じる熱振動磁場のバンド幅Bの上限は10 THz程度であるが、現実にBを決めているのは磁化フリー層の磁気モーメントが一斉に追随できる周波数であり、100 GHz程度である。素子サイズが100 nm以下の発振素子の場合、室温で強く励振された状態（（４）式のように）では、通常△fは△fzの1/10以下なので、図２に示したように全体の発振線幅すなわち信号純度は（３）式の△fzで決まっている。
【数４】
2008084879.tif 000006
【００１８】
従って、発振周波数の磁場依存性が小さい磁化フリー層を用いることにより、発振線幅を狭くすることができる。
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態による磁性共振素子の断面図を図３に示す。本実施形態による磁性共振素子は、基板１上に設けられ、磁気シールドを兼ねた下部電極３と、この下部電極３上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に垂直な磁化フリー層５と、磁化フリー層５上に設けられた非磁性層７と、この非磁性層７上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に垂直な磁化固定層９と、磁化固定層９上に設けられ磁気シールドを兼ねた上部電極１１とを備えている。磁化フリー層５、非磁性層７、および磁化固定層９は平面形状が同一の積層膜４となっている。磁化フリー層５及び磁化固定層９は磁化の向きが膜面に実質的に垂直すなわち磁化容易軸が膜面に垂直な方向である。なお、本実施形態においては、「実質的に垂直」とは、完全に垂直な状態から±１５度の傾斜を含んでいる。
【００２０】
従来の磁性発振素子の磁化フリー層は反磁場効果の大きな面内磁化膜を用いているので、（５）式に示したように発振周波数は強い磁場依存性を示し△fzが増大する。ただしHkは面内の異方性磁場と外部磁場の和である。
【数５】
2008084879.tif 000007
【００２１】
本実施形態では磁化フリー層５に垂直磁化膜を用いることにより垂直磁化膜の磁場依存性は（６）式で示される。磁場依存性は面内磁化膜の1/5程度に減少するので信号純度はほぼ5倍になる。
【数６】
2008084879.tif 000008
【００２２】
垂直磁気異方性を示す磁化フリー層材料としてはCoあるいはCoCrTa, CoCrTaPt, CoTaNbなどのCoCr系合金、Co/Pd, Co/Pt, Co-Cr-Ta/PdなどのCo多層膜、CoCrPt系合金、FePt系合金、さらに希土類を含むSmCo系合金やTbFeCo合金などが適している。
【００２３】
（第２実施形態）
本発明の第２の実施形態による磁性共振素子の断面図を図４に示す。
【００２４】
本実施形態による磁性共振素子は、基板１上に設けられ、磁気シールドを兼ねた下部電極３と、この下部電極３上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に水平な磁化フリー層５と、磁化フリー層５上に設けられた非磁性層７と、この非磁性層７上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に水平な磁化固定層９と、磁化固定層９上に設けられ磁気シールドを兼ねた上部電極１１とを備えている。磁化フリー層５、非磁性層７、および磁化固定層９は平面形状が同一の積層膜４となっている。磁化フリー層５及び磁化固定層９は磁化の向きが膜面に実質的に水平すなわち磁化容易軸が膜面に水平な方向である。なお、本実施形態においては、「実質的に水平」とは、完全に水平な状態から±１５度の傾斜を含んでいる。
【００２５】
本実施形態では磁化フリー層５として、適当な膜厚のCo膜などのような適当な大きさの結晶異方性をもつ面内磁化膜を用いる。このような面内磁化膜においては、反磁場Hdの大きさHdは形状異方性磁場4πMと結晶異方性磁場Hk1の差として（７）式で表されるので、磁化フリー層材料とその膜厚を適当に選択することによりHdを低減し、発振周波数の磁場依存性を減少させることが可能である。
【数７】
2008084879.tif 000009
【００２６】
Hdを数100 Oeに低減した場合には、発振周波数の磁場依存性は近似的に（５）式で与えられる。
【００２７】
（第３実施形態）
本発明の第３の実施形態による磁性共振素子の断面図を図５に示す。本実施形態による磁性共振素子は、基板１上に設けられ、磁気シールドを兼ねた下部電極３と、この下部電極３上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に平行な磁化フリー層５と、磁化フリー層５上に設けられた非磁性層７と、この非磁性層７上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に平行な磁化固定層９と、磁化固定層９上に設けられ磁気シールドを兼ねた上部電極１１とを備えている。磁化フリー層５、非磁性層７、および磁化固定層９は平面形状が同一の積層膜４となっている。磁化フリー層５及び磁化固定層９は磁化の向きが膜面に実質的に垂直すなわち磁化容易軸が膜面に平行な方向である。なお、本実施形態においては、「実質的に平行」とは、完全に平行な状態から±１５度の傾斜を含んでいる。
【００２８】
本実施形態では磁化フリー層５として、人工フェリ磁性体を用いる。図５に示したように、人工フェリ磁性体は強磁性層５１/非磁性層５２/強磁性層５３のような積層膜である。このような人工フェリ磁性体における実効的な飽和磁化は（８）式で与えられるので、厚さt1、t2の差を小さくすることにより実効飽和磁化Ｍferriを低減し、反磁場を減少させることができる。
【数８】
2008084879.tif 000010
【００２９】
人工フェリ磁性体における発振周波数の磁場依存性も近似的に（６）式で与えられる。また、人工フェリ磁性体を磁化フリー層として用いた場合には図６（ａ）、（ｂ）に示したように反強磁性層８を用いて直接あるいは非磁性層７を介して磁化フリー層に交換バイアスを作用させることも有効である。人工フェリ磁性体には極めて大きな交換バイアスを作用させることができるので、発振周波数を100 GHz程度まで高めることができ、（９）式で与えられる発振のQ値を高めることができる。
【数９】
2008084879.tif 000011
【００３０】
（第４実施形態）
本発明の第４の実施形態による磁性共振素子の断面図を図７に示す。本実施形態による磁性共振素子は、基板１上に設けられ、磁気シールドを兼ねた下部電極３と、この下部電極３上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に平行な磁化フリー層５と、磁化フリー層５上に設けられた非磁性層７と、この非磁性層７上に設けられ磁化の向きが膜面に実質的に平行な磁化固定層９と、磁化固定層９上に設けられ磁気シールドを兼ねた上部電極１１とを備えている。磁化フリー層５、非磁性層７、および磁化固定層９は平面形状が同一の積層膜４となっている。磁化フリー層５及び磁化固定層９は磁化の向きが膜面に実質的に平行すなわち磁化容易軸が膜面に平行な方向である。なお、本実施形態においては、「実質的に平行」とは、完全に平行な状態から±１５度の傾斜を含んでいる。
【００３１】
本実施形態では、磁化フリー層５として人工反強磁性体を用いる。図７に示したように、人工反強磁性体は強磁性層５４/非磁性層５５/強磁性層５６のような積層膜である。Ｃｏ/Ｒｕ/Ｃｏなどの人工反強磁性体においては、図８に示したようにCoおよびRuの膜厚を適当に制御することにより共鳴周波数の磁場依存性が極めて小さな光学モードと呼ばれる共振モードが存在することが知られている。このような人工反強磁性体を用いると、（１０）式のようにとすることができるので、発振線幅は垂直磁化膜を用いた場合の1/10、面内磁化膜を用いた場合の1/50程度に発振線幅が著しく減少させることが可能となる。
【数１０】
2008084879.tif 000012
【００３２】
（実施形態の変形例）
以上述べた磁化フリー層構造は図３の磁化固定層／非磁性層／磁化フリー層を基本構造として含む既存の素子構造を前提としているが、同様の磁化フリー層構造は非磁性層に替えて絶縁層を用いた磁化固定層／絶縁層／磁化フリー層を基本構造として含む素子に関しても有効である。
【００３３】
さらに２層の磁化フリー層を含むことを特徴として、磁化固定層１／非磁性層／磁化フリー層１／非磁性層／磁化フリー層２／非磁性層／磁化固定層２の積層構造を基本構造として含む図９の素子や、図９の非磁性層の一部を絶縁層１２で置き換えた図１０、図１１の素子においても有効である。図９、図１０及び図１１の素子は図３及び図４の素子に比較して発振の閾値電流を小さくできるので、より消費電力を小さくすることができる。
【００３４】
磁性発振素子は通常の電気的発振器と異なり、磁化の運動をGMR効果により電気的振動に変換し、電力として出力する。すなわち電気的発振器に存在する負性抵抗が存在しないため、伝送線あるいは負荷とのインピーダンス整合が極めて重要となる。すなわち伝送線の特性インピーダンスに等しくなるように素子を接続することが望ましいが、微小素子なので伝送線内に直接作り込むことが可能である。図１２にコプレナガイド中に作り込まれた磁性発振素子の一例を示す。
【実施例】
【００３５】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００３６】
（実施例１）
次に、本発明の実施例１による磁性共振素子の断面図を図１３に示す。
【００３７】
スパッタ成膜と電子線リソグラフィーを用いてサファイア基板1上に積層膜を形成した。この積層膜は、基板１側から順に、Ｒｕからなる非磁性層３、Ｃｏからなる強磁性磁化フリー層５、Ｃｕからなる非磁性層７、この非磁性層７の上面部を酸化して形成したＮＯＬ層１５、ＦｅＰｔからなる強磁性磁化固定層９、Ｃｕからなる非磁性層１１を有する。
【００３８】
各層の厚さは、Ｒｕ層３が約１００ｎｍ、Ｃｏ層５が約０．６ｎｍ、Ｃｕ層７が約１０ｎｍ、ＮＯＬ層１５が約1〜２ｎｍ、ＦｅＰｔ層９が約３０ｎｍ、Ｃｕ層１１が約１００ｎｍとした。強磁性層Ｃｏ層５、ＦｅＰｔ層９と非磁性層Ｃｕ層７との各接合面積は約１００×２００ｎｍ２とした。
【００３９】
Ｃｏ層５及びＦｅＰｔ層９の磁化の向きが膜面に実質的に垂直な強磁性層であり、その形成は膜の垂直方向に約８０００Ｏｅの磁場印加の下で行い、Ｃｏ層５及びＦｅＰｔ層９の磁化の向きが平行となるようにした。素子の膜面に垂直方向でＣｏ層５及びＦｅＰｔ層９の磁化の向きと平行な方向に500 Oeの外部磁場を印加し、1.5 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は6.8 GHzであり、スペクトル幅は58 MHzであった。
【００４０】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２による磁性共振素子の断面図を図１４に示す。
【００４１】
スパッタ成膜と電子線リソグラフィーを用いてサファイア基板1上に積層膜を形成した。この積層膜は、基板１側から順に、Ｒｕからなる非磁性層３、Ｃｏからなる強磁性磁化フリー層５、Ｃｕからなる非磁性層７、この非磁性層７の上面部を酸化して形成したＮＯＬ層１５、Ｃｏからなる強磁性磁化固定層９、ＩｒＭｎからなる反強磁性体８、Ｃｕからなる非磁性層１１を有する。
【００４２】
各層の厚さは、Ｒｕ層３が約１００ｎｍ、Ｃｏ層５が約１．２ｎｍ、Ｃｕ層７が約１０ｎｍ、ＮＯＬ層１５が約１〜２ｎｍ、Ｃｏ層９が約４０ｎｍ、ＩｒＭｎ層８が約５０ｎｍ、Ｃｕ層１１が約１００ｎｍとした。強磁性層Ｃｏ層５及び９、ＩｒＭｎ層８と非磁性層Ｃｕ層７との各接合面積は約１００×２００ｎｍ２とした。
【００４３】
Ｃｏ層５及びＣｏ層９の磁化の向きが膜面に実質的に平行な強磁性層であり、（作磁化の向きが平行となるようにした。磁化フリー層であるＣｏ層５の反磁場は4πM - HK1= 4πMeff = 240 Oeであり、面内異方性磁場は450 Oeであった。素子抵抗Ｒは45 Ωであった。磁化フリー層Ｃｏ層５および磁化固定層Ｃｏ９の磁化容易軸の方向に500 Oeの外部磁場を印加し、1.5 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は4.2 GHzであり、スペクトル幅は42 MHzであった。
【００４４】
（実施例３）：
磁化フリー層に人工フェリ磁性体を用いた実施例を説明する。以下の記載において、括弧内の単位ｎｍが付加された値は膜厚である。
【００４５】
磁化フリー層にCo(3.2 nm)/Ru(0.6 nm)/Co(2.6 nm)の人工フェリ磁性体を用い、磁化固定層にはCo（40 nm）の面内磁化膜、反強磁性体にはIrMn(50 nm)を用いて実施例２と同様な方法で素子を作製した。素子抵抗Ｒは65 Ωであった。磁化フリー層および磁化固定層の磁化容易軸の方向に3000 Oeの外部磁場を印加し、1.5 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は8.4 GHzであり、スペクトル幅は47 MHzであった。
【００４６】
（実施例４）
実施例３のCo（40 nm）磁化固定層に加え、人工フェリ磁性体から成る磁化フリー層をもIrMn(50 nm) を用いて磁化をピン止めした素子を実施例３と同様な方法で作製した。素子抵抗Ｒは53 Ωであった。磁化フリー層および磁化固定層の交換磁場の方向に500 Oeの外部磁場を印加し、1.5 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は86 GHzであり、スペクトル幅は42 MHzであった。
【００４７】
（実施例５）
磁化フリー層にCo(3.2 nm)/Ru(0.9 nm)/Co(3.2nm)の人工反強磁性体を用い、磁化固定層にはCo（40 nm）の面内磁化膜、反強磁性体にはIrMn(50 nm)を用いて実施例２と同様な方法で素子を作製した。Co(3.2 nm)膜の面内異方性磁場は5.8 KOe、Ru(0.9 nm)を介して作用する交換磁場の大きさは8.7 KOeであった。磁化フリー層および磁化固定層の磁化容易軸の方向に500 Oeの外部磁場を印加し、1.5 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は21 GHzであり、スペクトル幅は5.2 MHzであった。
【００４８】
（実施例６）
実施例１と同じCo(0.8 nm) フリー層５およびFePt膜（30 nm）磁化固定層９をそれぞれ2層含む図１５の素子を実施例２と同様な方法で作製した。磁化フリー層および磁化固定層の磁化容易軸の方向に500 Oeの外部磁場を印加し、1 mAの電流を流した状態で発振スペクトル測定を行った。発振周波数は6.4 GHzであり、スペクトル幅は56 MHzであった。
【００４９】
次に、図１６に本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置１５０の斜視図を示す。磁気ディスク（磁気記録媒体）１５１は、スピンドル１５２に装着されスピンドルモータにより矢印Ａの方向に回転される。磁気ディスク１５１の近傍に設けられたピボット１５３には、アクチュエータアーム１５４が保持されている。アクチュエータアーム１５４の先端にはサスペンション１５５が取り付けられている。サスペンション１５５の下面にはヘドスライダ１５６が支持されている。ヘッドスライダ１５３には、上で説明した磁気センサを含む磁気ヘッドが搭載されている。アクチュエータアーム１５４の基端部にはボイスコイルモータ１５７が形成されている。
【００５０】
磁気ディスク１５１を回転させ、ボイスコイルモータ１５７によりアクチュエータアーム１５４を回動させてヘッドスライダ１５６を磁気ディスク１５１上にロードすると、磁気ヘッドを搭載したヘッドスライダ１５６の媒体対向面（ＡＢＳ）が磁気ディスク１５１の表面から所定の浮上量をもって保持される。この状態で、上述したような原理に基づいて、磁気ディスク１５１に記録された情報を読み出すことができる。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態と実施例について説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【００５２】
また、本発明は、実施段階においてその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。
【００５３】
以上述べたように、本実施例の磁性発振素子は、発振線幅が狭いという特徴を有し、信号純度が高い磁性発振素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】発振状態の磁化運動を示す図。
【図２】x,y方向の熱振動磁場による発振線幅とz方向の熱振動磁場による発振線幅を示す図。
【図３】本発明の第１実施形態による磁性発振素子を示す断面図。
【図４】本発明の第２実施形態による磁性発振素子を示す断面図。
【図５】本発明の第３実施形態による磁性発振素子を示す断面図。
【図６】人工フェリ磁性体から成る磁化フリー層への交換バイアスを示す図。
【図７】本発明の第４実施形態による磁性発振素子を示す断面図。
【図８】人工反強磁性体の光学モードを示す図。
【図９】本発明の実施形態の変形例による磁性発振素子を示す断面図。
【図１０】本発明の実施形態の変形例による磁性発振素子を示す断面図。
【図１１】本発明の実施形態の変形例による磁性発振素子を示す断面図。
【図１２】本発明の素子のコプレナガイドへの接続を示す図。
【図１３】本発明の実施例１による磁性発振素子を示す断面図。
【図１４】本発明の実施例２による磁性発振素子を示す断面図。
【図１５】本発明の実施例６による磁性発振素子を示す断面図。
【図１６】本発明の実施形態に係る磁気記録再生装置の斜視図。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・基板、３・・・下部電極、４・・・積層膜、５・・・強磁性磁化フリー層、５１〜５３・・・人工フェリ磁性体、５４〜５６人工反強磁性体、７・・・非磁性層、８・・・反強磁性層、９・・・強磁性磁化固定層、１１・・・上部電極、１２・・・絶縁層、１５・・・ＮＯＬ層、１５０…磁気記録再生装置、１５１…磁気ディスク、１５２…スピンドル、１５３…ピボット、１５４…アクチュエータアーム、１５５…サスペンション、１５６…ヘッドスライダ、１５７…ボイスコイルモータ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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