(57)【要約】【課題】新しい動作原理に基づいた局所的な加熱を実現する高周波発振器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の高周波発振素子は、磁化の熱ゆらぎをもち、熱ゆらぎに依存したスピンゆらぎを持つ伝導電子を生成する強磁性体と、強磁性体に積層され、伝導電子を伝達する非磁性導電体と、非磁性導電体に積層され、伝導電子の注入を受けて磁気共鳴を生じ、磁気共鳴による磁化振動によって近隣の磁性領域の磁化に磁気双極子相互作用をもたらす磁性体と、強磁性体に電気結合した第１の電極と、磁性体に電気結合した第２の電極とを備えることを特徴とする高周波発振素子。【選択図】  図１
2005025831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の熱ゆらぎをもち、前記熱ゆらぎに依存したスピンゆらぎを持つ伝導電子を生成する強磁性体と、
前記強磁性体に積層され、前記伝導電子を伝達する非磁性導電体と、
前記非磁性導電体に積層され、前記伝導電子の注入を受けて磁気共鳴を生じ、前記磁気共鳴による磁化振動によって近隣の磁性領域の磁化に磁気双極子相互作用をもたらす磁性体と、
前記強磁性体に電気結合した第１の電極と、
前記磁性体に電気結合した第２の電極とを備えることを特徴とする高周波発振素子。
【請求項２】
前記磁性体は複数の強磁性体層と前記複数の強磁性体層に挟まれた非磁性体層を備え、前記非磁性体層を介して隣り合う前記強磁性体層は互いに反強磁性磁気結合していることを特徴とする請求項１に記載の高周波発振素子。
【請求項３】
前記非磁性導電体と前記磁性体の間、あるいは前記磁性体と前記第２の電極との間にＣｕＯ，  Ａｌ２Ｏ３，  ＭｇＯ，  ＡｌＮ，  ＨｆＮ，  Ｓｉ，  Ｇｅ，  ＺｎＳのいずれかの層を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波発振素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波発振素子を用いたことを特徴とする磁気情報記録用ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の高周波発振素子を用いたことを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気センサーなどに用いる高周波発振素子、高密度磁気記録の磁気情報記録用ヘッド及び磁気記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を利用したＧＭＲヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率１００％で向上してきた。ＧＭＲ素子には、スピンバルブ型素子、人口格子型素子などがある。
【０００３】
スピンバルブ型素子は、強磁性体層／非磁性体層／強磁性体層の積層膜を備える。ここで、一方の強磁性体層に例えば反強磁性体膜からの交換バイアスを及ぼして磁化を固定し、他方の強磁性体層の磁化方向を外部磁界（信号磁界）により変化させる。これにより２つの強磁性体層における磁化方向の相対角度が変化し、この相対角度の変化を素子抵抗の変化として検出することができる。スピンバルブ型ＧＭＲ素子は、約１０％の磁気抵抗変化を示し、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２程度の記録密度まで対応可能であると考えられている。
【０００４】
また、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（ＴＭＲ効果）を利用したＴＭＲ素子の開発が進められている。ＴＭＲ素子は、強磁性体層／トンネル誘電体層／強磁性体層の積層膜を備え、２つの強磁性体層間に電圧を印加すると、ＴＭＲ素子にトンネル電流が流れる。
【０００５】
このトンネル電流の大きさが２つの強磁性体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ことができる。ＴＭＲ素子のＭＲ比は最大で５０％程度が得られており、３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ２の記録密度に対応できると考えられている。
【０００６】
その他に、強磁性体によるスピン偏極電流を利用した素子が提案されている。例えば、スピン注入三端子素子において、強磁性体電極からスピン偏極電流をチャネルに注入してゲート制御するトランジスタが提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
一方、５００Ｇｂｐｓｉ以上の磁気記録では、ビットサイズが約５０ｎｍ以下になるため、微小磁化の熱ゆらぎを低減するために保磁力の大きい媒体を用いるようになる。そのため、磁気情報の書き込み時には磁場と熱を媒体の記録するビット領域に同時に供給する熱アシスト法が必要になると考えられている。熱アシスト法においてはＧＨｚのヘッド走行に適応できる高速性と数１０ｎｍのビット領域に対応する局所性を併せ持った、大きなパワー密度の熱照射が必要となる。しかし、これまでその具体案は見出されていない。
【０００８】
同じような記録／書き込みの問題は固体メモリの一種である磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）においても存在する。ＭＲＡＭのメモリセルに記憶情報を書き込む際には、２本の電流線からの電流磁界を用いて書き込む。しかし、ＭＲＡＭが高集積化すると、近接する電流線からの電流磁界にクロストークが発生し、微細なメモリセルに高速に正確な情報を記憶させることができないという欠点が指摘されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２６４１７公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、高密度磁気記録の熱アシスト法ではエネルギー照射の実現方法が大きな問題となっている。本発明は、このような事情に鑑みて、新しい動作原理に基づいた高周波発振器を提供することを目的とする。また、本発明は、高集積のＭＲＡＭへの書き込みにおいてメモリセルの選択性を高めクロストークを低減することのできる高周波発振器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の高周波発振素子は、磁化の熱ゆらぎをもち、熱ゆらぎに依存したスピンゆらぎを持つ伝導電子を生成する強磁性体と、強磁性体に積層され、伝導電子を伝達する非磁性導電体と、非磁性導電体に積層され、伝導電子の注入を受けて磁気共鳴を生じ、磁気共鳴による磁化振動によって近隣の磁性領域の磁化に磁気双極子相互作用をもたらす磁性体と、強磁性体に電気結合した第１の電極と、磁性体に電気結合した第２の電極とを備えることを特徴とする高周波発振素子を提供する。
【００１２】
本発明の高周波発振素子は、微小な強磁性体において不可避な磁化の熱ゆらぎを利用するもので、強磁性体磁化の熱ゆらぎによって生じる伝導電子のスピンゆらぎを、非磁性体を介して磁性体に注入することを特徴とする。注入された伝導電子のスピンゆらぎはｓｄ交換相互作用などの相互作用を介して磁性体に実効高周波磁場として作用し、磁性体に磁気共鳴を誘起する。
【００１３】
この磁気共鳴によって磁性体に発生した磁化振動のエネルギーは、磁気双極子相互作用により近接する媒体磁化やＭＲＡＭのメモリセルの磁化に速やかに伝達され、その温度を上昇させることができる。これにより、高速かつ局所的な磁気情報の記録／記憶が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以後の説明では、共通の構成に同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所も含んでいるが、実際に素子等を製造する際には、以下の説明と公知の技術の参酌により適宜変更することができる。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に関わる高周波発振素子を説明するための断面模式図である。
【００１６】
この高周波発振素子は、図１の基板１１上に形成され、放熱板を兼ねた下部電極１３、その上部に形成された反強磁性結合の人工格子膜（人工反強磁性体膜）１５、非磁性体膜１７、強磁性体膜１９、放熱板を兼ねた上部電極２１を備える。下部電極１３と上部電極２１は放熱板を兼ねているため、図１の紙面横方向に伸びており、その端部において素子に流す電流を制御する電流供給回路などに接続される。
【００１７】
尚、下部電極１３と上部電極２１は、放熱板や配線を電極と独立に設けることも可能である。その場合に、放熱板は、電極１３、２１や強磁性体膜１９の膜面と平行な面内（図１の断面では紙面左右方向に伸びる平面内）に形成することができる。
【００１８】
上述の素子では、微小な強磁性体において不可避な磁化の熱ゆらぎを積極的に利用する。つまり、強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎに起因する伝導電子のスピンゆらぎを、非磁性体膜１７を介して隣り合う人口反磁性体１５に注入することを特徴とする。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用を介して人口反強磁性体膜１５に実効高周波磁場として作用し人口反強磁性体膜１５に磁気共鳴を誘起する。
【００１９】
磁気共鳴によって人口反強磁性体膜１５に発生した磁化振動のエネルギーは、磁気双極子相互作用により近接する媒体磁化に対して速やかに伝達され、対応する磁気ビット領域の温度を上昇させることができる。磁気媒体は、人口反強磁性体膜１５の磁化方向が媒体磁化方向と平行となるように高周波発振素子に近接配置するのが効果的である。尚、磁気媒体やＭＲＡＭのメモリセルの磁気記憶層は、その表面が図１の紙面に平行になるように位置させる。このようにして本実施の形態の素子を局所的な温度上昇をもたらす高周波発振素子として用いることができる。
【００２０】
本実施の形態の高周波発振素子は強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎを利用するため、素子の接合面積（人口反強磁性体膜１５、非磁性体膜１７、強磁性体膜１９間の接合面積）が減少しても、発振特性が低減しないという特徴を有する。
【００２１】
本実施の形態では、微小強磁性体の一例として、１Ｔｂ／ｉｎｃｈ２対応の磁気情報記録用ヘッドを想定して強磁性体膜１９の平面積は約３０×３０ｎｍ２、厚さは約１ｎｍとした。尚、人口反強磁性体膜１５と非磁性体膜１７も強磁性体膜１９の平面積と同じにすることができる。つまり、この素子の接合面積は、約３０×３０ｎｍ２となる。
【００２２】
また、この実施の形態では、人口反強磁性体膜１５、非磁性体膜１７及び強磁性体膜１９は正方柱をなすように形成しており、その四方側面は非磁性絶縁体（図示せず）で囲まれている。この積層膜の形状は、円柱、三角柱、多角柱などの他の形状に適宜変形することがきる。
【００２３】
強磁性体膜１９には、Ｆｅ，  Ｃｏ，  Ｎｉ及びそれらの合金やＦｅ３Ｏ４，  ＬａＳｒＭｎＯ３等の導電性磁性化合物を用いることができる。
【００２４】
非磁性体膜１７には、Ａｌ，  Ｐｔ，  Ａｕ，  Ａｇ，  Ｃｕ等の貴金属、あるいはＣｒ，  Ｒｕ，  Ｐｄ等の非磁性遷移金属等を用いることができる。
【００２５】
非磁性体膜１７の厚さは約１ｎｍから数１０ｎｍ、例えば約５ｎｍとすることができる。非磁性体膜１７は、強磁性体膜１９と人工反強磁性体膜１５との間に働く交換相互作用を遮断し、同時に強磁性体膜１９に発生した伝導電子のスピンゆらぎを人工反強磁性体膜１５へ輸送する役目を担っている。
【００２６】
人工反強磁性体膜１５は、強磁性体層１５ａと非磁性体層１５ｂが交互に積層された人工格子膜であり、非磁性体層１５ｂを介して隣り合う２つの強磁性体層１５ａは互いに略反平行の磁化を持つように、つまり反強磁性的に結合している。
【００２７】
人口反強磁性体膜１５の強磁性体層１５ａには、Ｆｅ，  Ｃｏ，  Ｎｉ及びそれらの合金を、非磁性体層１５ｂには、Ｐｔ，  Ａｕ，  Ａｇ，  Ｃｕ等の貴金属、あるいはＣｒ，  Ｒｕ，  Ｒｈ，  Ｍｏ，  Ｗ等の非磁性遷移金属を用いることができる。
【００２８】
強磁性体層１５ａの厚さは後に述べる理由により、約０．１ｎｍ以上約１ｎｍ以下が好ましく、例えば０．５ｎｍ程度とする。非磁性体層１５ｂは、隣接する２つの強磁性体層１５ａ間の反強磁性結合の強さを制御するため、その厚さを例えば約０．２ｎｍ以上約２ｎｍ以下とすることができる。人工反強磁性体膜１５の全体の厚さは数１０ｎｍ、例えば約３０ｎｍとする。隣り合う２つの強磁性体層１５ａ間の結合強さは、強磁性体層１５ａや非磁性体層１５ｂの層厚と材料などを調整して、例えば、０．５〜１０  ｅｒｇ／ｃｍ２程度とする。
【００２９】
電極１３、２１には、Ａｌ，  Ｃｕ，  Ａｕ，  Ａｇ等の金属を用いた膜を使用する。また、電極１３，２１が放熱板を兼ねる場合には、上記の金属膜と公知の放熱材料膜とを積層形成する。
【００３０】
尚、基板１１にはシリコンやＡｌ２Ｏ３・ＴｉＣなどの非磁性絶縁体の基板など、一般に高周波発振素子や磁気抵抗効果膜等の磁気素子を形成するに適した基板材料を用いる。
【００３１】
次に、強磁性体膜１９における磁化の熱ゆらぎについて説明する。
【００３２】
図２（ａ）は、強磁性体膜１９の熱ゆらぎのパワースペクトルＳ＜ｍｔ＞を模式的に示している。図２（ｂ）は、強磁性体膜１９の膜面内の磁化成分を示しており、Ｍｓは強磁性体膜１９の飽和磁化、Ｍｔは強磁性体膜１９の磁化の飽和磁化と直交する横成分である。つまり図２（ｂ）のｍｔは強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎの角度（ｒａｄｉａｎ）を表している。
【００３３】
温度Ｔ（Ｋｅｌｖｉｎ）における強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎは、ｍｔ（＝Ｍｔ／Ｍｓ）の二乗平均＜ｍｔ２＞のパワースペクトルＳ＜ｍｔ＞を用いて（１）式のように表される。
【００３４】
【数１】
2005025831.tif 000003
【００３５】
（１）式中、χ”ＦＭは強磁性体膜１９の高周波帯磁率の虚数部、ＶＦＭは強磁性体膜１９の体積、αは強磁性体膜１９のギルバートの減衰係数、γ（＝１９×１０６ｒａｄ／ｓＯｅ）はジャイロ磁気比、ｆ０は強磁性体膜１９の共鳴周波数、Ｈは強磁性体膜１９の受ける外部磁場、ＨＫは強磁性体膜１９の異方性磁場である。
【００３６】
（１）式及び図２（ａ）から、外部磁場周波数ｆが共鳴周波数ｆ０近傍において、高周波帯磁率χ”ＦＭが増大し、強磁性体膜１９の磁化ゆらぎのパワースペクトルＳ＜ｍｔ＞も増大することが分かる。
【００３７】
強磁性体膜１９として体積ＶＦＭが約３０×３０×１ｎｍ３のＦｅ（飽和磁化Ｍｓ＝１７００Ｇａｕｓｓ）を用いた場合、共鳴周波数ｆ０＝１０ＧＨｚ、ギルバートの減衰係数α＝０．０１とすると、外部磁場の周波数ｆ＝ｆ０、バンド幅Δｆにおける強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎ＜ｍｔ２＞１／２は（２）式のようになる。
【００３８】
【数２】
2005025831.tif 000004
【００３９】
ここで、バンド幅Δｆは強磁性体膜１９の共鳴線の半値幅Δｆ＝２αｆ０＝２×１０８Ｈｚとした。
【００４０】
このような磁化のゆらぎを持つ強磁性体膜１９の中の伝導電子には、強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎに起因するスピンゆらぎが生じる。このスピンゆらぎを持つ伝導電子は、積層膜に流れる電流により輸送されて非磁性体膜１７を通過して人工反強磁性体膜１５に注入される。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用により実効高周波磁場として人工反強磁性体膜１５に作用して、人口反強磁性体膜１５で磁気共鳴を誘起する。
【００４１】
ここで、実効高周波磁場の強さはゆらぎの大きさＳ＜ｍｔ＞に加えて、強磁性体膜１９中の伝導電子のスピン偏極度Ｐ、非磁性体膜１７のスピン輸送効率、人工反強磁性体膜１５中のｓｄ交換相互作用の強さＪｓｄ、電流密度ｉ、接合面積Ｓ（人口反強磁性体膜１５と非磁性体膜１７との接合面積で、この実施の形態では素子サイズに一致する）、人工反強磁性体膜１５の体積ＶＡＦおよび人工反強磁性体膜１５に注入されたスピンの緩和時間τｓに依存する。
【００４２】
上述のような薄層状の非磁性体膜１７のスピン輸送効率をほぼ１００％とし、人工反強磁性体膜１５の厚さが後に述べるスピンの横成分の減衰長λＡＦ程度とすると、実効磁場Ｈｅｆｆは（３）式ように表される。
【００４３】
【数３】
2005025831.tif 000005
【００４４】
ここで、Ｎは強磁性体層１５ａ中の磁性イオン密度、ｇはｇ因子（約２）、μＢはボーア磁子である。人工反強磁性体膜１５に磁気共鳴を誘起するためには磁化に垂直方向（横方向）の実効高周波磁場（すなわち伝導電子のスピンゆらぎ）が必要なので、（３）式中のスピン緩和時間は横方向成分の緩和時間τｓ（ｓｅｃ）を表している。
【００４５】
最近の研究によると、非磁性体を介して強磁性体に注入された伝導電子のスピンは強磁性体の磁化からトルクを受けスピンの横成分（磁化に垂直成分）はその界面近傍で速やかに減衰してしまう。横成分の減衰長λＦＭは、強磁性体中の上向きスピン電子および下向きスピン電子のフェルミ波数をそれぞれｋＦ↑、ｋＦ↓とすると、λＦＭは２π／｜ｋＦ↑―ｋＦ↓｜程度である。例えば、Ｆｅの減衰長λＦＭは約３ｎｍである。一方、Ｍｎのような反強磁性体ではｋＦ↑＝ｋＦ↓であり、トルクは働かず、減衰長λＡＦは数１０ｎｍ以上である。
【００４６】
本実施の形態の人工反強磁性体膜１５においても、それを構成する強磁性体層１５ａの膜厚が減衰長λＦＭ（約３ｎｍ）に比べて十分薄ければ、通常の反強磁性体の場合と同様に減衰長λＡＦは数１０ｎｍ以上となる。なぜならば、人工反強磁性体膜１５に注入された電子はスピン横成分の大きな減衰を受けずに最初の強磁性体層１５ａを透過することができ、磁化が逆方向を向いた次の強磁性体層１５ａでは逆向きのトルクを受けることによりスピンの横成分が回復するからである。
【００４７】
次に、人工反強磁性体膜１５における電子スピンの横方向成分の緩和時間τｓは次の（４）式の関係から見積もることができる。
【００４８】
【数４】
2005025831.tif 000006
【００４９】
ここで、Ｄは人口反強磁性体膜１５の膜面に垂直な方向の電子の拡散係数（約１０  ｃｍ２／ｓ）、ｖＦは電子のフェルミ速度、ｌは電子の平均自由行程である。λＡＦは約３０  ｎｍ、ｌは約１  ｎｍ          、ｖＦは約１０８ｃｍ／ｓとすると、τｓは約３×１０−１２ｓｅｃと見積もられる。
【００５０】
また、（３）式中の他のパラメタは、Ｊｓｄが約０．５ｅＶ、Ｎが約８×１０２２／Ｃｍ３、Ｐが約０．４程度である。接合面積Ｓ＝３０×３０ｎｍ２、人工反強磁性体膜１５の体積ＶＡＦ＝３０×３０×１０ｎｍ３の場合には、ｆ０＝１０ＧＨｚにおける実効磁場Ｈｅｆｆは、（３）式においてΔｆ＝２αｆ０を約２×１０８Ｈｚとして、約（４×１０−４）ｉ（Ｏｅ）となる。
【００５１】
すなわち、電流密度ｉが約１０５Ａ／Ｃｍ２では、数１０Ｏｅの強い高周波磁場が人工反強磁性体膜１５内に発生することが分かる。ここで、Ｓ＜ｍｔ＞は５×１０−１０  Ｈｚ、ボーア磁子μＢは９．２７×１０−２１ｅｒｇ／ｇａｕｓｓである。
【００５２】
一般に体積ＶＡＦの反強磁性体に周波数ｆの高周波磁場Ｈｒｆを加えた場合、磁気共鳴により吸収される単位時間あたりのエネルギーＰは次の（５）式で表される。（５）式中のχ”ＡＦは反強磁性体の高周波帯磁率の虚数部である。
【００５３】
【数５】
2005025831.tif 000007
【００５４】
人工反強磁性体膜１５内では単一の周波数ではなく周波数分布を持った磁場が存在するので、単位時間あたりの吸収エネルギーは（５）式を書き換えた次の（６）式で表すことができる。
【００５５】
【数６】
2005025831.tif 000008
【００５６】
ここでχ”ＳＡＦは（７）式で表される人工反強磁性体膜１５の複素帯磁率の虚数部である。
【００５７】
【数７】
2005025831.tif 000009
【００５８】
（７）式においてＨＡは異方性磁場、ＨＥは強磁性体層１５ａ間に働く交換磁場、Ｍｓｕｂは人工反強磁性体膜１５の部分格子磁化、ｆ１は人口反強磁性体膜１５の共鳴周波数、α’は強磁性体層１５ａのギルバートの減衰定数である。
【００５９】
強磁性体層１５ａとして強磁性体膜１９と同じ材料、例えばＦｅを用いた場合を想定して、ｆ１＝ｆ０＝１０ＧＨｚ、α’＝α＝０．０１、ＨＡは約４×１０２Ｏｅ、ＨＥは約１．５×１０４Ｏｅ、Ｍｓｕｂが（Ｍｓ／２）×ＬＦｅ／（ＬＦｅ＋ＬＮ）に略等しいとすると、（６）、（７）式から次の（８）式が得られる。ここでＬＦｅ、ＬＮはそれぞれ人工反強磁性体膜１５の強磁性体層１５ａおよび非磁性体層１５ｂの厚さであり、Ｉ（＝ｉＳ）は素子を流れる電流である。
【００６０】
【数８】
2005025831.tif 000010
【００６１】
ＬＦｅ／（ＬＦｅ＋ＬＮ）＝２／３とすると、Ｐは約１４０Ｉ２ｗａｔｔと見積もられ、０．５ｍＡの電流を流した場合、人口反強磁性体が共鳴吸収するパワーは約４０μＷとなる。共鳴吸収したパワーの大部分は熱として放熱板を介して散逸するが、吸収パワーの数％（約１μＷ）は磁気双極子による近接場相互作用として媒体磁化に作用する。素子の断面積が約３０ｘ１０ｎｍ２であるから、媒体に吸収されるパワー密度は、  ｗａｔｔ／ｃｍ２程度となり極めて大きいことがわかる。
【００６２】
ここで、磁気記録の動作周波数を３００ＭＨｚとすると、１周期（約３ｎｓ）の間に吸収されるエネルギーは約１０−６ｘ（３ｘ１０−９）＝３ｘ１０−１５Ｊとなる。一方、媒体の１ビットの熱容量は、体積を約３０ｘ３０ｘ１ｎｍ３、比熱を０．１ｃａｌ／ｇ・ｄｅｇ、比重を８ｇ／ｃｍ３とすると、４ｘ１０−１８Ｊ／ｄｅｇとなるので、上記エネルギー吸収により所望ビットの温度上昇は約１０００℃となる。上記の見積もりは媒体の熱伝導を無視した場合であるが、熱伝導を考慮しても数１００℃の温度上昇が期待される。
【００６３】
さて、（２）式は人工反強磁性体膜１５の厚さがスピンの横成分の減衰長λＡＦ程度である場合に成り立つ。ここで、人工反強磁性体膜１５内の有効磁場は注入されたスピン密度に比例するので、人口反強磁性体膜１５の厚さを薄くし、かつ適切なバリアを設けて注入電子を人工反強磁性体膜１５内に閉じ込めることにより素子の感度を高めることができる。
【００６４】
バリアは、例えば層状に挿入する。下部電極１３と人口反強磁性体膜１５との間に形成してもよいし、その他に人口反強磁性体膜１５と非磁性体膜１７に挿入してもよく、また、人口反強磁性体膜１５の上下両面に形成してもよい。
【００６５】
例えば、人口反強磁性体膜１５の厚さを約１０ｎｍから約３ｎｍに薄くし、電子透過率が１／１０のバリアを人工反強磁性体膜１５の上下に設けた場合、吸収パワーは約３倍上昇する。
【００６６】
また、人工反強磁性体膜１５中の強磁性体層１５ａの間の結合を弱め実質的に複数の強磁性体の集合とすることによりχ”ＳＡＦを最大で数倍増大せしめ、共鳴特性や非共鳴時の吸収パワーの差（すなわち抵抗変化率）をさらに向上させることも可能である。強磁性体層１５ａ間の層間結合を弱める（例えば０．１ｅｒｇ／ｃｍ２）ためには、例えば貴金属非磁性体の厚さを約５ｎｍ以上にする。
【００６７】
さらに、人工反強磁性体膜１５にかえてλＦＭが約３ｎｍ程度の厚さの強磁性体膜を用いても、人工反強磁性体膜１５の場合に比べて特性は劣るものの微小発振器として充分機能する素子が得られる。このような強磁性体としては、ＦｅＶ，  ＦｅＣｒ，
ＦｅＭｎ，  ＮｉＣｒ，  ＮｉＣｕ等がある。
【００６８】
上述の通り、この高周波発振機は磁気ヘッドへの応用だけでなく、高集積固体磁気メモリへの記録／書き込みに利用することにより、ビットの選択性が高まるためクロストークが少ない書き込みが可能となる。
【００６９】
ここで、微小強磁性体にかえて微小反強磁性体を用い、人口反強磁性体として反強磁性体を用いても全く同様な原理に基づいた発振器を構成することができる。
【００７０】
反強磁性体物質の磁気共鳴周波数そのものが高いため、反強磁性体を用いることにより、上述の素子より高い周波数（〜ＴＨｚ）の発振素子を構成することができる。しかしながら、反強磁性体を用いるＴＨｚ帯では磁化の熱ゆらぎおよび高周波帯磁率ともに減少するため、発振出力は上で述べたマイクロ波発振器に比べて約１／１００程度になる。すなわち出力約１０ｎＷ、パワー密度３ｘ１０３  Ｗ／ｃｍ２程度の発振器が得られる。
【００７１】
（実施例１）
次に、本発明の実施例１について図３の断面模式図を用いて説明する。
【００７２】
＜強磁性体の熱揺らぎの評価＞
この実施例では、まず強磁性体の磁化の熱ゆらぎを測定した。
【００７３】
まず、スパッタ成膜と電子線リソグラフィーを用いてシリコン基板３１上に次の積層膜を形成した。この積層膜は、基板３１から非磁性のＣｕ層３３、強磁性のＣｏ層３５、非磁性のＣｕ層３７、強磁性のＦｅ層３９、非磁性のＣｕ層４１、非磁性のＡｕ層４３、非磁性のＣｕ層４５を有する。
【００７４】
各層の厚さは、Ｃｕ層３３が約１００ｎｍ、Ｃｏ層３５が約５０ｎｍ、Ｃｕ層３７が約３０ｎｍ、Ｆｅ層３９が約１ｎｍ、Ｃｕ層４１が約１０ｎｍ、Ａｕ層４３が約１００ｎｍ、Ｃｕ層４５が約１００ｎｍとした。強磁性のＣｏ層３５、Ｆｅ層３９と非磁性のＣｕ層３３、３７、４１との各接合面積は約１００×１００ｎｍ２とした。
【００７５】
Ｃｏ層３５およびＦｅ層３９の成膜は、約１０００Ｏｅの磁場を膜の面内に印加しながら行い、これらの層に磁気的一軸異方性を付与した。
【００７６】
この積層膜の素子抵抗Ｒは５．２Ω、ＭＲ比（＝ΔＲ／Ｒ）は約０．８％であった。膜面内の容易磁化方向に外部磁場を印加し、素子電流１ｍＡでノイズスペクトルの測定を行った。その結果を図４に示す。
【００７７】
図４の横軸は、印加磁場の周波数ｆ（ＧＨｚ）を示し、縦軸はバンド幅当りの雑音電圧（ｐＶ／（Ｈｚ）１／２）を示す。図４の白丸は約４１０Ｏｅの外部磁場を印加した場合のスペクトル、黒丸は外部磁場約４７０Ｏｅの下でのスペクトルである。外部磁場が約６０Ｏｅ変化すると雑音電圧のスペクトルピークが約０．２ＧＨｚ移動することが分かる。スペクトルピークの幅から見積もったＦｅ層３９のギルバート減衰係数αは約０．０２である。
【００７８】
雑音電圧Ｖｎと磁化揺らぎ＜ｍｔ２＞の間には次の（９）式の関係が成り立つ。
【００７９】
【数９】
2005025831.tif 000011
【００８０】
すると、図４の結果から次の（１０）式のように見積もることができる。
【００８１】
【数１０】
2005025831.tif 000012
【００８２】
ここで、厚さ５０ｎｍのＣｏ層３５の磁化ゆらぎは厚さ１ｎｍのＦｅ層３９の磁化ゆらぎに比較して無視できるので、上記の磁化ゆらぎはＦｅ層３９の磁化ゆらぎと考えることができる。
【００８３】
＜人工反強磁性体膜の作製と評価＞
Ｓｉ基板上に人工反強磁性体膜を約１０００Ｏｅの磁場印加の下でスパッタ法により作製した。この人口反強磁性体は、Ｃｏ層とＣｕ層を交互に１０回積層したものであり、各Ｃｏ層の膜厚を約１ｎｍ、Ｃｕ層の膜厚を約０．５ｎｍとした。この（Ｃｏ１ｎｍ／Ｃｕ０．５ｎｍ）１０積層膜の反強磁性共鳴スペクトルをＸバンドの磁気共鳴装置を用いて観測した。
【００８４】
まず、人口反強磁性体膜を形成したＳｉ基板を共振周波数可変の空洞共振器内にセットし、磁場を積層膜の面内に印加して、共振周波数の印加磁場依存性を測定した。この結果を図５に示す。
【００８５】
黒丸は外部磁場を反強磁性体積層膜の容易軸方向に印加した場合、白丸は容易軸に垂直に磁場を印加した場合である。図５から、磁場０での共鳴周波数が約１０ＧＨｚであり、磁場を磁化容易軸に垂直に印加した場合には、共鳴周波数が殆ど変化しないことがわかる。外部磁場が０の場合の共鳴周波数から次の（１１）式のことがわかる。
【００８６】
【数１１】
2005025831.tif 000013
【００８７】
ここで、ＨＥは人口反強磁性体のＣｏ層間に働く交換磁場、ＨＡは異方性磁場である。また、磁場を人口反強磁性体のＣｏ層の容易軸に垂直に印加した場合には共鳴周波数は殆ど変化しないことがわかる。一方、共鳴線の半値幅は約０．３ＧＨｚであり、この値から求めたギルバートの減衰係数は約０．０１５であった。
【００８８】
＜高周波発振素子の作成と評価＞
次に、図３の素子における厚さ５０ｎｍのＣｏ層３５を、上述の人工反磁性体膜（Ｆｅ１ｎｍ／Ｃｒ０．７ｎｍ）１０で置き換えた素子を形成した。
【００８９】
人口反強磁性体膜の形成に際して、約１０００Ｏｅの磁場中スパッタ法を用いた。但し、磁場中スパッタ法により上記積層膜を形成する際の外部磁場印加方向は、各層の面内に平行とし、強磁性体のＦｅ層１ｎｍ形成時の磁場方向に垂直とした。つまり、人口反強磁性体積層膜と強磁性体の磁化容易軸は互いに直交している。そして、電子線リソグラフィーとＡｒイオンミリングにより素子を約１００ｎｍ×１００ｎｍの接合サイズに加工し、層間絶縁膜としてＳｉＯ２を、上部電極としてＣｕ層を形成した。
【００９０】
この素子に電極を接続して上述の空洞共振器内にセットし、共振周波数が約９．８５ＧＨｚとなるように共振器を調節した。素子に電流を流した状態で微小強磁性体の容易軸方向に外部磁場を印加して素子のマイクロ波発振を観測した。この結果を図６に示す。
【００９１】
約４５０Ｏｅの磁場を印加した強磁性体膜の磁化ゆらぎのピークが人口反強磁性体膜の共鳴周波数に一致した場合に最も強い発振が観測された。黒丸は１００μＡの電流の電流を流した場合であり、白丸は５００μＡの電流を流した場合であるが、黒丸は観測値の５倍の強度で示してある。
【００９２】
電流を増化させると発振強度が増加するが、５００μＡの場合のピーク強度は１００μＡにおけるピーク強度の５倍より約１０％小さく、同時に発振の幅が増大している。この電流値と発振のピーク強度の関係を図７に示す。素子電流の増加と共に、発振強度の飽和現象が見られるが、この結果は人工反強磁性体膜内の有効磁場が増大するとギルバートの減衰係数αが増大するためと考えられる。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００９６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の高周波発振素子は、微小な接合面積を用いて高周波発振を得ることができ、高記録密度に対応した磁気情報の再生などに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に関わる高周波発振素子の断面模式図。
【図２】強磁性体の磁化の熱ゆらぎとパワースペクトルを説明するための図。
【図３】本発明の実施例１に関わる積層膜の断面模式図。
【図４】実施例１に関わる雑音（ノイズ）スペクトルを示す図。
【図５】実施例１で用いた反強磁性体積層膜の共鳴周波数の磁場依存性を示す図。
【図６】実施例１の高周波発振素子のマイクロ波発振に関する観測図。
【図７】実施例１の高周波発振素子の電流値と発振ピーク強度の関係を示す図。
【符号の説明】
１１・・・基板
１３・・・下部電極
１５、２５・・・人口反強磁性体膜
１５ａ、２５ａ・・・強磁性体層
１５ｂ、２５ｂ・・・非磁性体層
１７、２７・・・非磁性体膜
１９・・・強磁性体膜
２１・・・上部電極
３１・・・シリコン基板
３３・・・Ｃｕ層
３５・・・ＣＯ層
３７・・・Ｃｕ層
３９・・・Ｆｅ層
４１・・・Ｃｕ層
４３・・・Ａｕ層
４５・・・Ｃｕ層
【図１】
2005025831.tif 000014
【図２】
2005025831.tif 000015
【図３】
2005025831.tif 000016
【図４】
2005025831.tif 000017
【図５】
2005025831.tif 000018
【図６】
2005025831.tif 000019
【図７】
2005025831.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成16年6月16日(2004.6.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の熱ゆらぎをもち、前記熱ゆらぎに依存したスピンゆらぎを持つ伝導電子を生成する第１の磁性体と、
前記第１の磁性体に積層され、前記伝導電子を伝達する非磁性導電体と、
前記非磁性導電体に積層され、前記伝導電子の注入を受けて磁気共鳴を生じ、前記磁気共鳴による磁化振動によって近隣の磁性領域の磁化に磁気双極子相互作用をもたらす第２の磁性体と、
前記第１の磁性体に電気結合した第１の電極と、
前記第２の磁性体に電気結合した第２の電極とを備えることを特徴とする高周波発振素子。
【請求項２】
前記第２の磁性体は複数の強磁性体層と前記複数の強磁性体層に挟まれた非磁性体層を備え、前記非磁性体層を介して隣り合う前記強磁性体層は互いに反強磁性磁気結合していることを特徴とする請求項１に記載の高周波発振素子。
【請求項３】
前記非磁性導電体と前記第２の磁性体の間、及び前記第２の磁性体と前記第２の電極との間の少なくともいずれか一方にバリア層を備えることを特徴とする請求項１若しくは２に記載の高周波発振素子。
【請求項４】
前記バリア層は、ＣｕＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＨｆＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳのいずれかの層であることを特徴とする請求項３に記載の高周波発振素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波発振素子を用いたことを特徴とする磁気情報記録用ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の高周波発振素子を用いたことを特徴とする磁気記憶装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【従来の技術】
巨大磁気抵抗効果（GMR効果）を利用したGMRヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率100％で向上してきた。GMR素子には、スピンバルブ型素子、人工格子型素子などがある。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
上述の素子では、微小な強磁性体において不可避な磁化の熱ゆらぎを積極的に利用する。つまり、強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎに起因する伝導電子のスピンゆらぎを、非磁性体膜１７を介して隣り合う人工反強磁性体１５に注入することを特徴とする。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用を介して人工反強磁性体膜１５に実効高周波磁場として作用し人工反強磁性体膜１５に磁気共鳴を誘起する。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
磁気共鳴によって人工反強磁性体膜１５に発生した磁化振動のエネルギーは、磁気双極子相互作用により近接する媒体磁化に対して速やかに伝達され、対応する磁気ビット領域の温度を上昇させることができる。磁気媒体は、人工反強磁性体膜１５の磁化方向が媒体磁化方向と平行となるように高周波発振素子に近接配置するのが効果的である。尚、磁気媒体やMRAMのメモリセルの磁気記憶層は、その表面が図１の紙面に平行になるように位置させる。このようにして本実施の形態の素子を局所的な温度上昇をもたらす高周波発振素子として用いることができる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本実施の形態の高周波発振素子は強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎを利用するため、素子の接合面積（人工反強磁性体膜１５、非磁性体膜１７、強磁性体膜１９間の接合面積）が減少しても、発振特性が低減しないという特徴を有する。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本実施の形態では、微小強磁性体の一例として、1Tb/inch2対応の磁気情報記録用ヘッドを想定して強磁性体膜１９の平面積は約30×30nm2、厚さは約1nmとした。尚、人工反強磁性体膜１５と非磁性体膜１７も強磁性体膜１９の平面積と同じにすることができる。つまり、この素子の接合面積は、約30×30nm2となる。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、この実施の形態では、人工反強磁性体膜１５、非磁性体膜１７及び強磁性体膜１９は正方柱をなすように形成しており、その四方側面は非磁性絶縁体（図示せず）で囲まれている。この積層膜の形状は、円柱、三角柱、多角柱などの他の形状に適宜変形することがきる。


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
人工反強磁性体膜１５の強磁性体層１５ａには、Fe, Co, Ni及びそれらの合金を、非磁性体層１５ｂには、Pt, Au, Ag, Cu等の貴金属、あるいはCr, Ru, Rh, Mo, W等の非磁性遷移金属を用いることができる。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
このような磁化のゆらぎを持つ強磁性体膜１９の中の伝導電子には、強磁性体膜１９の磁化の熱ゆらぎに起因するスピンゆらぎが生じる。このスピンゆらぎを持つ伝導電子は、積層膜に流れる電流により輸送されて非磁性体膜１７を通過して人工反強磁性体膜１５に注入される。注入された伝導電子のスピンゆらぎは、ｓｄ交換相互作用により実効高周波磁場として人工反強磁性体膜１５に作用して、人工反強磁性体膜１５で磁気共鳴を誘起する。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
ここで、Ｄは人工反強磁性体膜１５の膜面に垂直な方向の電子の拡散係数（約10 cm2/s）、ｖFは電子のフェルミ速度、ｌは電子の平均自由行程である。λAFは約30 nm、ｌは約1 nm、ｖFは約108cm/sとすると、τsは約3×10-12secと見積もられる。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
（７）式においてＨAは異方性磁場、ＨEは強磁性体層１５ａ間に働く交換磁場、Ｍsubは人工反強磁性体膜１５の部分格子磁化、ｆ1は人工反強磁性体膜１５の共鳴周波数、α'は強磁性体層１５ａのギルバートの減衰定数である。


【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
ＬFe／（ＬFe＋ＬN）＝２／３とすると、Ｐは約140I2wattと見積もられ、0.5mAの電流を流した場合、人工反強磁性体が共鳴吸収するパワーは約40μWとなる。共鳴吸収したパワーの大部分は熱として放熱板を介して散逸するが、吸収パワーの数%（約1μW）は磁気双極子による近接場相互作用として媒体磁化に作用する。素子の断面積が約30ｘ10nm2であるから、媒体に吸収されるパワー密度は、 watt/cm2程度となり極めて大きいことがわかる。


【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
さて、（２）式は人工反強磁性体膜１５の厚さがスピンの横成分の減衰長λAF程度である場合に成り立つ。ここで、人工反強磁性体膜１５内の有効磁場は注入されたスピン密度に比例するので、人工反強磁性体膜１５の厚さを薄くし、かつ適切なバリアを設けて注入電子を人工反強磁性体膜１５内に閉じ込めることにより素子の感度を高めることができる。


【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
バリアは、例えば層状に挿入する。下部電極１３と人工反強磁性体膜１５との間に形成してもよいし、その他に人工反強磁性体膜１５と非磁性体膜１７に挿入してもよく、また、人工反強磁性体膜１５の上下両面に形成してもよい。


【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６５】
例えば、人工反強磁性体膜１５の厚さを約10nmから約3nmに薄くし、電子透過率が1/10のバリアを人工反強磁性体膜１５の上下に設けた場合、吸収パワーは約3倍上昇する。バリアとしては、ＣｕＯ、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＨｆＮ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＺｎＳのいずれか等を用いることが出来る。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
ここで、微小強磁性体にかえて微小反強磁性体を用い、人工反強磁性体として反強磁性体を用いても全く同様な原理に基づいた発振器を構成することができる。


【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
＜人工反強磁性体膜の作製と評価＞
Ｓｉ基板上に人工反強磁性体膜を約1000Oeの磁場印加の下でスパッタ法により作製した。この人工反強磁性体は、Co層とCu層を交互に10回積層したものであり、各Co層の膜厚を約1nm、Cu層の膜厚を約0.5nmとした。この（Co1nm／Cu0.5nm）10積層膜の反強磁性共鳴スペクトルをＸバンドの磁気共鳴装置を用いて観測した。


【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
まず、人工反強磁性体膜を形成したＳｉ基板を共振周波数可変の空洞共振器内にセットし、磁場を積層膜の面内に印加して、共振周波数の印加磁場依存性を測定した。この結果を図５に示す。


【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
ここで、ＨEは人工反強磁性体のCo層間に働く交換磁場、ＨAは異方性磁場である。また、磁場を人工反強磁性体のCo層の容易軸に垂直に印加した場合には共鳴周波数は殆ど変化しないことがわかる。一方、共鳴線の半値幅は約0.3GHzであり、この値から求めたギルバートの減衰係数は約0.015であった。


【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８９】
人工反強磁性体膜の形成に際して、約1000Oeの磁場中スパッタ法を用いた。但し、磁場中スパッタ法により上記積層膜を形成する際の外部磁場印加方向は、各層の面内に平行とし、強磁性体のFe層1nm形成時の磁場方向に垂直とした。つまり、人工反強磁性体積層膜と強磁性体の磁化容易軸は互いに直交している。そして、電子線リソグラフィーとＡｒイオンミリングにより素子を約100nm×100nmの接合サイズに加工し、層間絶縁膜としてSiO2を、上部電極としてCｕ層を形成した。


【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９１】
約450Oeの磁場を印加した強磁性体膜の磁化ゆらぎのピークが人工反強磁性体膜の共鳴周波数に一致した場合に最も強い発振が観測された。黒丸は100μAの電流の電流を流した場合であり、白丸は500μAの電流を流した場合であるが、黒丸は観測値の5倍の強度で示してある。


【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【符号の説明】
１１・・・基板
１３・・・下部電極
１５、２５・・・人工反強磁性体膜
１５ａ、２５ａ・・・強磁性体層
１５ｂ、２５ｂ・・・非磁性体層
１７、２７・・・非磁性体膜
１９・・・強磁性体膜
２１・・・上部電極
３１・・・シリコン基板
３３・・・Cｕ層
３５・・・CO層
３７・・・Cｕ層
３９・・・Fe層
４１・・・Cｕ層
４３・・・Ａｕ層
４５・・・Cｕ層