(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピン層、非磁性のスペーサ層及び磁化の方向が変化可能であるフリー層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に前記ピン層の磁化方向が実質的に固定された磁気抵抗効果素子と、
前記積層方向に垂直であり、且つ、前記ピン層の磁化方向と異なる方向のバイアス磁界を前記フリー層に印加するためのバイアス磁界印加器と、
前記積層方向に垂直であり、且つ、前記バイアス磁界の方向と異なる方向の調整用磁界を前記フリー層に印加するための調整用磁界印加器と、
を含むことを特徴とする発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記バイアス磁界印加器が前記フリー層に印加する前記バイアス磁界の方向が前記ピン層の磁化方向に垂直であるように構成されたことを特徴とする発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記調整用磁界印加器が前記フリー層に印加する前記調整用磁界の方向が前記ピン層の磁化方向に平行であるように構成されたことを特徴とする発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記バイアス磁界印加器は、前記バイアス磁界の大きさをＨＢ（Ｏｅ）として、
１００≦ＨＢ≦３００
のバイアス磁界を前記フリー層に印加可能であることを特徴とする発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記調整用磁界印加器は、前記調整用磁界の大きさをＨＡ（Ｏｅ）として、
４０≦ＨＡ≦２５０
の調整用磁界を前記フリー層に印加可能であることを特徴とする発振器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記スペーサ層の材料が金属であり、該スペーサ層の厚さｔｓ（ｎｍ）が、
１．５≦ｔｓ≦４
であることを特徴とする発振器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記スペーサ層の材料が絶縁体であり、該スペーサ層の厚さｔｓ（ｎｍ）が、
０．５≦ｔｓ≦１．５
であることを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電子タグの通信や高速信号処理等に用いられる発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、通信、加熱、測定、高速信号処理等のためにマイクロ波が利用されている。近年、様々な用途においてマイクロ波のような電磁波を発振する小型の発振器に対するニーズが高まっている。例えば、電子タグ等の情報通信のためにサイズが１００ｎｍ以下の小型の発振器を利用することが期待されている。
【０００３】
このような小型の発振器として、磁化方向が固定された強磁性層のピン層、非磁性導電層及び磁化方向が可変である磁性のフリー層がこの順で積層された発振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、保磁力が低いフリー層の磁化方向がスピントランスファー効果により発振する（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２５８３１号公報
【非特許文献１】S. I. Kiselev et al., “microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current”, Nature, (2003) Vol. 425, p.380-383
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この小型の発振器は、発振周波数を所望の値に調整することが困難であった。
【０００６】
本発明は、発振周波数を所望の値に調整することができる小型の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】
本発明は、ピン層、非磁性のスペーサ層及び磁化の方向が変化可能であるフリー層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に前記ピン層の磁化方向が実質的に固定された磁気抵抗効果素子と、積層方向に垂直であり、且つ、ピン層の磁化方向と異なる方向のバイアス磁界をフリー層に印加するためのバイアス磁界印加器と、積層方向に垂直であり、且つ、バイアス磁界の方向と異なる方向の調整用磁界を前記フリー層に印加するための調整用磁界印加器と、を含む発振器により上記目的を達成する。
【０００８】
この発振器は、調整用磁界の大きさを増減することにより発振周波数を調整することができる。
【０００９】
即ち、次のような本発明により、上記目的を達成することができる。
【００１０】
（１）ピン層、非磁性のスペーサ層及び磁化の方向が変化可能であるフリー層がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向に前記ピン層の磁化方向が実質的に固定された磁気抵抗効果素子と、前記積層方向に垂直であり、且つ、前記ピン層の磁化方向と異なる方向のバイアス磁界を前記フリー層に印加するためのバイアス磁界印加器と、前記積層方向に垂直であり、且つ、前記バイアス磁界の方向と異なる方向の調整用磁界を前記フリー層に印加するための調整用磁界印加器と、を含むことを特徴とする発振器。
【００１１】
（２）  （１）において、前記バイアス磁界印加器が前記フリー層に印加する前記バイアス磁界の方向が前記ピン層の磁化方向に垂直であるように構成されたことを特徴とする発振器。
【００１２】
（３）  （１）又は（２）において、前記調整用磁界印加器が前記フリー層に印加する前記調整用磁界の方向が前記ピン層の磁化方向に平行であるように構成されたことを特徴とする発振器。
【００１３】
（４）  （１）乃至（３）のいずれかにおいて、前記バイアス磁界印加器は、前記バイアス磁界の大きさをＨＢ（Ｏｅ）として、
１００≦ＨＢ≦３００
のバイアス磁界を前記フリー層に印加可能であることを特徴とする発振器。
【００１４】
（５）  （１）乃至（４）のいずれかにおいて、前記調整用磁界印加器は、前記調整用磁界の大きさをＨＡ（Ｏｅ）として、
４０≦ＨＡ≦２５０
の調整用磁界を前記フリー層に印加可能であることを特徴とする発振器。
【００１５】
（６）  （１）乃至（５）のいずれかにおいて、前記スペーサ層の材料が金属であり、該スペーサ層の厚さｔｓ（ｎｍ）が、
１．５≦ｔｓ≦４
であることを特徴とする発振器。
【００１６】
（７）  （１）乃至（５）のいずれかにおいて、前記スペーサ層の材料が絶縁体であり、該スペーサ層の厚さｔｓ（ｎｍ）が、
０．５≦ｔｓ≦１．５
であることを特徴とする発振器。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の発振器は、調整用磁界の大きさを増減することにより発振周波数を調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に示されるように、本発明の実施形態例に係る発振器１０は、ピン層１２、非磁性のスペーサ層１４及び磁化の方向が変化可能であるフリー層１６がこの順で積層され、積層方向に対して垂直な一方向にピン層１２の磁化方向Ｄｍが実質的に固定された磁気抵抗効果素子１８と、積層方向に垂直であり、且つ、ピン層１２の磁化方向Ｄｍと異なる方向のバイアス磁界をフリー層１６に印加するためのバイアス磁界印加器２０と、積層方向に垂直であり、且つ、バイアス磁界の方向と異なる方向の調整用磁界をフリー層１６に印加するための調整用磁界印加器２２と、を備える。
【００１９】
ピン層１２は、強磁性材料で構成されている。ピン層１２の磁化方向は、積層方向に垂直な一方向に実質的に固定されている。ピン層１２の構造としては、１層の強磁性層からなる単層構造、合成構造（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕ等の非磁性スペーサにより隔離された状態で、反強磁性的に結合された少なくとも２つの強磁性層から構成される構造）、又、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ等の２層以上の強磁性層からなる多層構造等を挙げることができ、単層構造であることが好ましい。ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅで表わされる強磁性層は、実質的にＣｏとＦｅからなるＣｏＦｅ層、実質的にＮｉとＦｅからなるＮｉＦｅ層、の２層を積層した多層構造を意味する。
【００２０】
強磁性層の材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＣｏＮｉ、ＣｏＦｅＮｉ、ＣｏＭｎＡｌ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ｆｅ０．４Ａｌのような実質的にＣｏ、Ｃｒ、Ｆｅ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２Ｃｒ０．６Ａｌのような実質的にＣｏ、Ｃｒ及びＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＭｎＡｌのような実質的にＣｏＭｎＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＦｅＡｌのような実質的にＣｏＦｅＡｌからなる材料、Ｃｏ２ＭｎＧｅのような実質的にＣｏＭｎＧｅからなる材料等を用いることができる。尚、必要に応じてピン層１２に接してピン層１２の磁化方向を固定する反強磁性層が備えられる。又、反強磁性層の材料としては、ＭｎやＰｔを含む合金等を用いることができる。
【００２１】
スペーサ層１４の材料としては金属や絶縁体を用いることができる。金属としては、例えばＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ又はこれらのうち少なくとも一の元素を含む材料を用いることができる。又、絶縁体としては例えばＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＭｇＯを用いることができる。
【００２２】
金属を用いる場合、均一で欠陥がないスペーサ層１４を形成するためにはスペーサ層１４の厚さｔｓは、１．５ｎｍ以上であることが好ましい。一方、高いＭＲ比を得るためには、スペーサ層１４の厚さｔｓは、４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２３】
絶縁体を用いる場合、欠陥がないスペーサ層１４を形成し、高いＭＲ比を得るためにはスペーサ層１４の厚さｔｓは、０．５ｎｍ以上であることが好ましい。一方、抵抗値を小さく良好な値に抑制するためには、スペーサ層１４の厚さｔｓは、１．５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
フリー層１６の材料としては、ピン層１２を構成する磁性材料と同様の材料を用いることができる。尚、フリー層１６の磁化容易軸方向Ｄｍｅは、バイアス磁界により積層方向に垂直であり、且つ、ピン層１２の磁化方向Ｄｍと垂直な方向に設定されている。フリー層１６は、単層構造であることが好ましい。
【００２５】
バイアス磁界印加器２０は、永久磁石、電磁石等であり、ピン層１２の磁化方向Ｄｍに垂直な方向のバイアス磁界をフリー層１６に印加するように設置されている。
【００２６】
調整用磁界印加器２２は、電磁石等であり、ピン層１２の磁化方向Ｄｍに平行な方向の調整用磁界をフリー層１６に印加するように設置されている。調整用磁界印加器２２は、フリー層１６に印加する調整用磁界の大きさＨＡを可変とされている。
【００２７】
次に、発振器１０の作用について説明する。
【００２８】
発振器１０は、磁気抵抗効果素子１８の積層方向に電流が供給される。電子はピン層１２を通過することで、スピン方向がアップ又はダウンのいずれかに概ね揃えられる。
【００２９】
フリー層１６に調整用磁界が印加されると、フリー層１６の磁化方向が調整用磁界の大きさＨＡに応じて変化する。フリー層１６の磁化方向がピン層１２の磁化方向と同じ方向に近づく程、磁気抵抗効果素子１８の抵抗値が小さくなり、フリー層１６の磁化方向がピン層１２の磁化方向と反対（反平行）の方向に近づく程、磁気抵抗効果素子１８の抵抗値が大きくなる。
【００３０】
ところで、分極された電子がフリー層１６を通過することにより、これらの電子のスピンの角運動モーメントの一部がフリー層１６に移動すると考えられる。このスピントランスファーと呼ばれる効果は、フリー層１６中の磁化方向の変動をもたらす。これにより磁気抵抗効果素子１８が発振する。
【００３１】
磁気抵抗効果素子１８の発振周波数は、調整用磁界ＨＡの大きさに応じて変化する。具体的には、調整用磁界ＨＡの大きさが大きくなる程、発振周波数は高くなる。即ち、発振器１０は、調整用磁界ＨＡの大きさを増減させることで、発振周波数を調整することができる。尚、調整用磁界ＨＡ、バイアス磁界ＨＢの一方又は両方が０である場合、フリー層１６の磁化方向は明確な発振を伴わずに安定する。
【００３２】
一方、例えば、積層方向に対して垂直な方向の最小幅が１００ｎｍ以下程度に磁気抵抗効果素子１８が小さい場合、スピントランスファー効果が大きくなり、大きな振幅の発振が得られる。言い換えれば、本実施形態例の磁気抵抗効果素子１８は、例えば積層方向に対して垂直な方向の最小幅が１００ｎｍ以下程度の小型発振器用として好適である。
【００３３】
尚、調整用磁界の大きさＨＡが過度に大きいと、フリー層１６の磁化方向が変化しにくい。シミュレーションによれば、フリー層１６の磁化方向が容易に変化するためには、調整用磁界の大きさＨＡは、２５０（Ｏｅ）以下であることが好ましい。
【００３４】
又、バイアス磁界の大きさＨＢが１００（Ｏｅ）以上であれば、フリー層１６は単磁区構造となりバルクハウゼンノイズが抑制される。一方、バイアス磁界の大きさＨＢが３００（Ｏｅ）以下であれば、フリー層１６の磁化方向は調整用磁界ＨＡの方向まで回転可能である。
【００３５】
従って、バイアス磁界の大きさＨＢ（Ｏｅ）は、  １００≦ＨＢ≦３００であることが好ましい。
【００３６】
尚、本実施形態例において、発振器１０は、調整用磁界印加器２２がフリー層１６に印加する調整用磁界ＨＡの方向がピン層１２の磁化方向Ｄｍに平行であるように構成されているが、ピン層１２、スペーサ層１４及びフリー層１６の積層方向に垂直であり、且つ、バイアス磁界の方向と異なる方向であれば、調整用磁界印加器２２は、フリー層１６に印加する調整用磁界の方向がピン層１２の磁化方向Ｄｍに平行な方向から若干傾いていてもよい。
【００３７】
又、本実施形態例において、発振器１０は、バイアス磁界印加器２０がフリー層１６に印加するバイアス磁界ＨＢの方向がピン層１２の磁化方向Ｄｍに垂直であるように構成されているが、ピン層１２、スペーサ層１４及びフリー層１６の積層方向に垂直であり、且つ、ピン層１２の磁化方向Ｄｍと異なる方向であれば、バイアス磁界印加器２０がフリー層１６に印加するバイアス磁界の方向は、ピン層１２の磁化方向Ｄｍに垂直な方向から若干傾いていてもよい。
【００３８】
又、本実施形態例において、発振器１０は基板を備えていないが、実際にはピン層１２、スペーサ層１４、フリー層１６は基板の上に形成される。基板は、ピン層の側に備えてもよい。又、基板は、フリー層の側に備えてもよい。
【００３９】
[シミュレーション例]
上記実施形態例の発振器１０について以下の条件でシミュレーションを実行し、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）に対する発振特性を計算した。
【００４０】
調整用磁界の大きさＨＡ：０〜３００（Ｏｅ）
バイアス磁界の大きさＨＢ：２５０（Ｏｅ）
供給電流の大きさ：５（ｍＡ）
磁気抵抗効果素子１８の断面（積層方向に垂直な断面）形状：長方形
同断面の短辺の長さ：６０（ｎｍ）
同断面の長辺の長さ：８０（ｎｍ）
ピン層１２の厚さ：３（ｎｍ）
ピン層１２の飽和磁化：７００（ｅｍｕ／ｃｍ３）
フリー層１６の厚さ：３（ｎｍ）
フリー層１６の異方性エネルギー：５．１０×１０４（ｅｒｇ／ｃｍ３）
ピン層１２とフリー層１６との交換スティフネス：１．２５×１０−６（ｅｒｇ／ｃｍ）
【００４１】
図２は、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）と発振周波数（ＧＨｚ）との関係を示すグラフである。
【００４２】
図２に示されるように、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）が増加する程、発振周波数が高くなる傾向があることがわかる。尚、調整用磁界の大きさＨＡが４０（Ｏｅ）よりも小さいと、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）が単調に増加しても、発振周波数は単調に増加しない。従って、安定した周波数の発振を得るためには調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）が、４０≦ＨＡであることが好ましい。
【００４３】
図３は、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）と磁気抵抗効果素子１８の抵抗の変化の標準化された値との関係を示すグラフである。ΔＲmaxは、フリー層の磁化方向がピン層１２の磁化方向に対して平行な位置から反平行な位置に回転した場合に得られる抵抗の変化の最大値である。
【００４４】
図３に示されるように、抵抗の変化の大きさは、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）が、４０≦ＨＡ≦２００の範囲では安定しているが、ＨＡが４０（Ｏｅ）よりも小さいと急激に低下する。即ち、発振強度が急激に低下する。又、ＨＡが２００（Ｏｅ）よりも大きいと抵抗の変化の大きさは急激ではないが次第に減少する傾向がある。従って、安定した強度の発振を得るためには、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）は、４０≦ＨＡ≦２００であることが好ましい。
【００４５】
図４は、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）とフリー層１６の磁化の発振信号の非対称性の度合いとの関係を示すグラフである。尚、ここで発振信号の非対称性の度合いとは、図５に示されるように、フリー層１６の磁化の最大値の絶対値と最小値の絶対値との差である。例えば正の振幅の絶対値と負の振幅の絶対値とが等しければフリー層１６の磁化の発振は対称である。
【００４６】
図４に示されるように、フリー層１６の磁化の発振信号の非対称性の度合いは、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）が、１００≦ＨＡ≦１６０の場合、０近傍で安定している。即ち、対称的な磁界の振動を得るためには、調整用磁界の大きさＨＡ（Ｏｅ）は、１００≦ＨＡ≦１６０であることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、例えば電子タグの通信や高速信号処理等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態例に係る発振器の構成を模式的に示す斜視図
【図２】本発明のシミュレーション例における調整用磁界の大きさと発振周波数との関係を示すグラフ
【図３】同シミュレーション例における調整用磁界の大きさと磁気抵抗効果素子の抵抗の変化の大きさとの関係を示すグラフ
【図４】調整用磁界の大きさとフリー層の磁化の発振信号の非対称性の度合いとの関係を示すグラフ
【図５】図４にプロットされた発振信号の非対称性の度合いの意義を図示するグラフ
【符号の説明】
【００４９】
１０…発信器
１２…ピン層
１４…スペーサ層
１６…フリー層
１８…磁気抵抗効果素子
２０…バイアス磁界印加器
２２…調整用磁界印加器
【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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