(57)【要約】【課題】  本発明の実施形態によれば、スピン波素子のスピン波の集積化が行えて、スピン波素子が発生するスピン波の相互干渉を抑制することができるスピン波素子を提供することができる。【解決手段】    基板と、前記基板上に設けられた電極層と、前記電極層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜と、前記多層膜上の第1の領域に設けられた第２の強磁性層と、前記第２の強磁性層上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられた第３の強磁性層と、前記多層膜上の前記第1の領域と離間して設けられた前記多層膜上の第2の領域に設けられた検出部と、前記第３の強磁性層上に設けられた第１の電極と、前記検出部上に設けられた第２の電極と、を備える。【選択図】図１
2012060033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられた電極層と、
前記電極層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜と、
前記多層膜上の第1の領域に設けられた第２の強磁性層と、
前記第２の強磁性層上に設けられた中間層と、
前記中間層上に設けられた第３の強磁性層と、
前記多層膜上の前記第1の領域と離間して設けられた前記多層膜上の第2の領域に設けられた検出部と、
前記第３の強磁性層上に設けられた第１の電極と、
前記検出部上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第２の強磁性層又は前記第３の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をｔとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をｒとするとき、
ｒ＞０．２７ｔ２−１．９ｔ＋１３
である関係を満たすことを特徴とするスピン波素子。
【請求項２】
積層方向に垂直な方向において前記入力部を挟んでいる保護層と、
前記保護層を挟んでいるシールドと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のスピン波素子。
【請求項３】
前記第２の強磁性層、前記中間層、及び前記第３の強磁性層は入力部であり、前記入力部は、円柱形状、楕円柱形状、又は多角柱形状であることを特徴とする請求項１に記載のスピン波素子。
【請求項４】
基板と、
前記基板上に設けられた電極層と、
前記電極層上に設けられた第１の非磁性層と、
前記第１の非磁性層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第１の強磁性層と、
前記第１の強磁性層上に設けられた第２の非磁性層と、
前記第２の非磁性層上の第１の領域に設けられた第２の強磁性層と、
前記第２の強磁性層上に設けられた中間層と、
前記中間層上に設けられた第３の強磁性層と、
前記第２の非磁性層上の前記第1の領域と離間して設けられた前記第２の非磁性層上の第２の領域に設けられた検出部と、
前記第３の強磁性層上に設けられた第１の電極と、
前記検出部上に設けられた第２の電極と、
を備え、
前記第２の強磁性層又は前記第３の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をｔとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をｒとするとき、
ｒ＞０．２７ｔ２−１．９ｔ＋１３
である関係を満たすことを特徴とするスピン波素子。
【請求項５】
前記第２の非磁性層はＲｕを含むことを特徴とする請求項４に記載のスピン波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、スピン波素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
高度情報化の流れを支えてきたＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）は、加工サイズの物理限界に係る問題、又は消費電力の問題等がある。
【０００３】
ＣＭＯＳに代わるデバイスとして、磁性体を用いたスピン波素子が検討されている。スピン波素子ではCMOS回路とは異なり、磁性体中に誘起させた磁化のゆらぎが伝わる現象（スピン波）を信号の伝達に利用する。スピン波素子は、スピン波を伝搬させる磁性膜を含むスピン波媒体と、スピン波媒体にスピン波を励起するスピン波発生部と、スピン波を検出する検出部で構成される．
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 2370202-1.
【非特許文献２】ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, Vol. 3, No. 2 (2007).
【非特許文献３】J. Slonczewski : J.Magn. Magn. Mater., 159 (1996) L1.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スピン波を励起する構造として、スピン波媒体の上部にライン状の伝送線路を設け、これに電流を流すことにより発生する磁界でスピン波を励起させる手段がある。しかしこの構造によれば、伝送線路に面積を取られるため多入力の電極として使用するに適した構造ではなく、また、励起に要する消費電力を抑えるのが難しい。また、伝送線路間の干渉も大きな課題となる．
【０００６】
そこで本発明の実施形態によれば、励起に要する電力が小さく、短波長のスピン波を励起して演算の種類を増やすことができるスピン波素子を提供することを目的とする。また、集積化に適したスピン波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】
【０００７】
本発明の一態様に係るスピン波素子は、基板と、前記基板上に設けられた電極層と、前記電極層上に設けられ、磁化が積層方向又は積層方向に対して垂直方向に向いている第１の強磁性層を含む多層膜と、前記多層膜上の第1の領域に設けられた第２の強磁性層と、前記第２の強磁性層上に設けられた中間層と、前記中間層上に設けられた第３の強磁性層と、前記多層膜上の前記第1の領域と離間して設けられた前記多層膜上の第2の領域に設けられた検出部と、前記第３の強磁性層上に設けられた第１の電極と、前記検出部上に設けられた第２の電極と、を備え、前記第２の強磁性層又は前記第３の強磁性層の何れか一方の磁化は可変であり、他方の磁化は一方向に固着されており、前記磁化自由層の膜厚をｔとし、前記磁化自由層の重心から外縁までの距離をｒとするとき、ｒ＞０．２７ｔ２−１．９ｔ＋１３である関係を満たすことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図２】第１の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図３】第１の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図４】入力部を示す図。
【図５】入力部を示す図。
【図６】入力部を示す図。
【図７】還流磁区を示す図。
【図７Ａ】磁化自由層を示す図。
【図８】第２の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図９】第２の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図１０】スピン波素子の変形例を示す図。
【図１１】スピン波素子の変形例を示す図。
【図１２】スピン波素子の変形例を示す図。
【図１３】スピン波素子の変形例を示す図。
【図１４】第３の実施形態に係るスピン波素子を示す図。
【図１５】スピン波素子の実施例を示す図。
【図１６】スピン波素子の実施例を示す図。
【図１７】スピン波素子の実施例を示す図。
【図１８】スピン波素子の実施例を示す図。
【図１９】スピン波素子の実施例を示す図。
【図２０】スピン波素子の実施例を示す図。
【図２１】スピン波素子の実施例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
【００１０】
図１は、スピン波素子１０を示す図である。
【００１１】
図１の上図は、スピン波素子１０を構成する多層膜３０をスピン波素子１０の面内に対して垂直方向（多層膜３０の積層方向）から眺めた図を示す。また、図１の下図は、スピン波素子１０の断面図を示す。
【００１２】
図１の下図に示すように、スピン波素子１０は、基板２０上に電極層２５が設けられている。そして電極層２５上に多層膜３０が設けられている。多層膜３０の上には検出部５０と複数の入力部４０が設けられ、入力部４０及び検出部５０は非磁性層７０を介して分離されている。また、入力部４０及び検出部５０上には電極８０、９０が設けられている。また、多層膜３０を囲うように非磁性絶縁層６０が電極層２５上に形成されている。すなわち、非磁性絶縁層６０が、多層膜３０の積層方向に対して垂直な方向において多層膜３０を覆っている。また、多層膜３０は多層膜３０の積層方向に対して平行な方向に磁化が向いた（磁化が積層方向を向いた）層を含んでいる。多層膜３０上の入力部４０が設けられている領域を第1の領域とする。多層膜３０上の検出部５０が設けられている領域を第２の領域とする。
【００１３】
図１の上図に示すようにスピン波素子１０は、１つの検出部５０に対して複数の入力部４０が設けられている。
【００１４】
図１の上図では、多層膜３０の外縁が楕円形状を有している。しかしながら、多層膜３０の形状は、楕円形状に限らず、円形、又は矩形状等でもよい。
【００１５】
また、入力部４０と検出部５０との間に入力部４０が設けられていてもよい。
【００１６】
図２は、スピン波素子１０の多層膜３０の構造を示す図である。多層膜３０は、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３が順に設けられた構造を有する。非磁性層３３上の入力部４０が設けられる領域を第１の領域とする。非磁性層３３上の検出部５０が設けられる領域を第２の領域とする。
【００１７】
基板２０には、例えばＳｉを用いることができる。また、基板２０をＣＭＯＳとしても良い。この場合、電極層２５は省略できる。
【００１８】
電極層２５には、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。これらの元素から少なくとも２種類含む合金として用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。
【００１９】
非磁性層３１、３３には、例えばＴａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、又はＡｌを用いることができる。これらの元素を少なくとも２種類含む合金として用いてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。これらの元素を積層構造として用いてもよい。また、ＭｇＯ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又はＳｉＯ２などの非磁性絶縁体を用いることもできる。
【００２０】
強磁性層３２は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）に磁化が向いた層である。強磁性層３２には、例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等を用いることができる。すなわち、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素を含む磁性金属により構成する。また、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金を用いることができる。これらは、構成する磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金、またはＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造なども望ましい。さらに、非磁性層３１、３３との組み合わせで垂直磁化となるＣｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、膜の結晶配向方位を制御することで用いることができる。強磁性層３２には、他にもイットリウム鉄ガーネットや、マンガンフェライト、又はγ―酸化鉄のようなフェライト系酸化物を用いるとスピン波の損失を少なくすることができる。さらに、磁性半導体を用いることで機能性を向上させることもできる。
【００２１】
検出部５０には、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はタングステン（Ｗ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせてもよい。これらの元素を少なくとも２種類含む合金としてもよい。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金としても良い。また、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤーも用いることができる。
【００２２】
入力部４０の形状は、円形、楕円形、もしくは多角形等のドット形状である。ドット形状とすることで球面波状のスピン波を入力部４０にて生成する。入力部４０の大きさは、入力部４０と多層膜３０との接触面の最大直径が５００ｎｍ以下であることが磁区制御上で望ましく、さらに１００ｎｍ以下であることが励起効率および集積化する上で望ましい。なお、接触面の最小直径は１ｎｍであることが好ましい。１ｎｍより小さいと、スピン波を励起するためのエネルギーが大きくなるため好ましくない。ここで「直径」とは、ドット形状が楕円形の場合には長軸の長さを意味し、四角形または多角形の場合は対角線の長さを意味する。
【００２３】
検出部５０の形状は、例えば円形、楕円形、四角形、多角形などのドット形状とすることができる。検出部５０の大きさ（平均直径）は強磁性層３２内を伝わるスピン波の波長とは異なる大きさであることが好ましい。これは、スピン波の波長と検出部５０の大きさが同じ大きさであると検出部５０側でスピン波が打ち消される恐れがあるからである。
【００２４】
非磁性絶縁層６０には、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＳｉＮＯ等を用いることができる。
【００２５】
非磁性層７０には、非磁性絶縁層６０と同じ材料を用いることができる。非磁性絶縁層６０と同一の材料を用いると製造が容易となり好ましい。また、後述するように出力に近接場光を利用する場合には、例えばＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｃｕ（銅）、又はこれらの元素を少なくとも２種類含む合金などの非磁性金属を用いることができる。また、これらの元素から少なくとも１つを選択して、他の元素と組み合わせて合金として非磁性金属として用いても良い。
【００２６】
電極８０、９０には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いる。
【００２７】
磁性材料としては、磁化容易軸が膜面に対して略平行となる面内磁化膜又は垂直となる垂直磁化膜を用いることができる。面内磁化膜としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）から選択される少なくとも一つの元素を含む磁性金属を用いることができる。垂直磁化膜としては、強磁性層３２と同様の材料を用いることができる。
【００２８】
非磁性材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金としてもよい。さらに、非磁性材料としてはカーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、又はグラフェン等の材料を用いることができる。
【００２９】
図３は、入力部４０を示す図である。
【００３０】
入力部４０は、中間層３８を磁化固着層３７と磁化自由層３９で挟んだ構造である。
【００３１】
磁化固着層３７、磁化自由層３９は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素を含む磁性金属からなる。また、磁化固着層３７及び磁化自由層３９は強磁性である。
【００３２】
中間層３８には、例えばスピン拡散長の長いＣｕを用いることができる。
【００３３】
図３では、磁化自由層３９が非磁性層３３上に設けられているが、図４に示すように、上下が逆であってもよい。
【００３４】
図４に示すように、磁化固着層３７又は磁化自由層３９の何れか一方の層は、磁化の向きが積層方向に対して平行であり、他方の層は磁化の向きが積層方向に対して垂直である。磁化固着層３７は磁化の向きが一方向に固着されている。磁化自由層３９は磁化の向きが可変である。磁化の向きが積層方向に対して平行である場合には、紙面上向きと紙面下向きの２つの場合がある。
【００３５】
図５に示すように、入力部４０の形状は積層方向に対してテーパー形状又は逆テーパー形状であってもよい。
【００３６】
図６は、入力部４０の鳥瞰図である。磁化自由層３９の膜厚ｔ（ｎｍ）と、磁化自由層３９の膜面の重心から磁化自由層３９の外縁までの距離ｒ（ｎｍ）は、次の式１を満たしている。距離ｒは、半径であることが好ましい。なお、図６では、入力部４０は円柱形状としている。しかし、形状はこれに限られず、楕円形状、矩形状等でもよい。
【００３７】
ｒ＞０．２７ｔ２−１．９ｔ＋１３  …  （式１）
【００３８】
図７は、還流磁区（ボルテックスともいう）の概念図を説明する図である。
【００３９】
式１の条件で、入力部４０に電流を積層方向に流すと磁化自由層３９内で還流磁区を作り、還流磁区の中心にコアが形成される。コアとは磁化が還流磁区の中心で立っている様子をいう。還流磁区には、コアが磁化自由層３９の面内の中心に固着されるモード（図７の下図）と、磁化自由層３９の外周を回転するモード（図７の上図）が存在する。前者を還流磁区固着と呼び、後者を還流磁区発振と呼ぶ。還流磁区発振と還流磁区固着は、入力部４０に流す電流値の大小によって決まる。
【００４０】
図７からわかるように、還流磁区発振及び還流磁区固着の何れでも磁化自由層３９の膜面の重心から外周までの距離よりも小さな大きさのコアが形成されることがわかる。
【００４１】
通常、磁化自由層３９の磁化は図７Ａに示すように任意の方向に磁化が向いている。磁化自由層３９に対して積層方向に電流を流すと、磁化は還流磁区を作ることなく一様な歳差運動をするため、強磁性層３２へは磁化自由層３９の長軸程度の波長のスピン波が励起されることとなる。一方でスピン波素子１０によれば、還流磁区が作られることにより、それによって磁界励起、あるいはスピントルク励起されるスピン波の波長は還流磁区のコア径程度となる。スピン波素子１０を用いることで短波長のスピン波を重ね合わせることができるため、演算の種類を増やすことができる。
【００４２】
ある電流値に到達すると、初めは還流磁区発振が発生する。さらに、大きな電流値に到達すると、還流磁区固着が発生する。
【００４３】
還流磁区が発生する条件については、ＬＬＧ（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｔｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ）方程式を用いることで下記の式２として導出できる（例えば、非特許文献３を参照）。
【数１】
2012060033.tif 000003
【００４４】
Ｊｃは電流密度、Ｍｓは磁化、ｔは膜厚、Ｈｐｉｎは磁化固着層３７からの漏れ磁界、ｇ（θ）はＳｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉのモデルにおけるスピントルク効率を示す。式２に示す電流密度Ｊｃよりも大きな電流を流せば、還流磁区が発生する。
【００４５】
非磁性層３３にＲｕを用いた場合には、還流磁区発振や還流磁区固着に寄与するスピントルクは磁化固着層３７で偏極した電子のみとなるため、強磁性層32にスピン波を磁界励起する効率を上げることができる。これは、Ｒｕがスピン偏極していた電子の向きを不揃いにするため、多層膜３０に由来するスピントルクの寄与を小さくすることができるからである。
【００４６】
次に、本実施形態に係るスピン波素子１０の動作原理について説明する。
【００４７】
電極８０から入力部４０を介して電流を電極層２５に向けて流す。このとき、磁化自由層３９が還流磁区を形成する。還流磁区発振する場合、磁界励起によって強磁性層３２内の磁化が歳差運動を始める。この磁化の歳差運動が強磁性層３２内で次々と伝わることでスピン波が生じる。このスピン波は入力部４０がドット形状であることから球面波として強磁性層３２の面内を広がる。一方、還流磁区固着の場合は磁化自由層３９に形成されたコアによって電子がスピン偏極し、スピントルクによって強磁性層３２内の磁化が歳差運動を始める。この磁化の歳差運動が強磁性層３２内で次々と伝わることでスピン波が生じる。また、非磁性層３３にＲｕを用いた場合は、磁化自由層３９に形成されたコアによって、強磁性層３２内の磁化が磁界励起されて歳差運動を始める。
【００４８】
そして、入力部４０側の強磁性層３２内で発生したスピン波が検出部５０側に伝わる。このとき、誘導起電力あるいは、スピンポンピング効果とインバーススピンホール効果の組み合わせにより、検出部５０で電位が生じる。これを検出することでスピン波の検出を行う。なお、スピンポンピング効果とインバーススピンホール効果とは、スピン波が非磁性金属にスピン偏極電子として吸い上げられ、そのスピン偏極電子が散乱することで電位が変化する現象をいう。
【００４９】
次に、スピン波素子１０の製造方法の一例について説明する。
【００５０】
まず、基板２０上に電極層２５を形成した後に、これらを超高真空スパッタ装置内に配置する。
【００５１】
次に、基板２０上に形成された電極層２５上に、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３の順に形成する。ここまでで多層膜３０が形成されることになる。この上に磁化自由層３９、中間層３８、磁化固着層３７を形成する．酸化を防止するため、磁化固着層３７の上にキャップ層を設ける。磁場中でのアニールにより、強磁性層３２と磁化固着層３７の磁化を積層方向に平行な方向へ向かせる。
【００５２】
キャップ層上にレジストを塗布し、ステッパ露光装置を用いてレジストを露光して現像する。このとき、レジストを所望の形状にパターンニングする。さらに、イオンミリングによって、入力部４０、出力部５０、非磁性層３１、強磁性層３２、及び非磁性層３３の周囲を削り多層膜３０を形成する。
【００５３】
次に、基板２０上、及びマスク上に非磁性絶縁層６０を形成する。その後、キャップ層上に形成されたマスクを除去して非磁性絶縁層６０及び多層膜３０上に非磁性層７０を形成する。
【００５４】
次に、非磁性層７０及びキャップ層上に電子線レジストを塗布して電子線露光を行うことで、入力部４０、及び検出部５０に対応したマスク形成する。そして、形成されたマスクを用いて非磁性層３３が露出するまでイオンミリングして入力部４０及び検出部５０を形成する。続いて、入力部４０及び検出部５０を絶縁埋め込みすべく絶縁膜を成膜し、レジストマスクをリフトオフする。
【００５５】
次に、非磁性層７０上、入力部４０上、及び検出部５０上にレジストを塗布する。このレジストをＫｒＦステッパ露光装置を用いてパターンニングして、レジスト中に入力部４０及び検出部５０に電極８０、９０を接続するための開口部を形成する。そして、金属を成膜してこの開口部に金属を埋め込んだ後にレジストを除去して電極８０、９０を形成し、スピン波素子１０が製造される。
【００５６】
なお、電極８０、９０にはこの後に配線を設けて電気的入出力を行う。
【００５７】
スピン波素子１０によれば、入力部４０よりも小さな大きさでスピン波を生成することができる。
【００５８】
スピン波素子は、加算器、情報処理デバイス、又は信号処理デバイス等を構成することができる。加算器にスピン波素子を用いる場合には、入力部を複数設けて、複数の入力部から発生するスピン波の重ね合わせを検出部で検出する。また、信号処理デバイスにスピン波素子を用いる場合には、例えば、値が「１」の入力に対しては正の電流をスピン波素子に流し、値が「０」の入力に対しては電流は流さないとすることで信号処理を行う。
（第２の実施形態）
【００５９】
図８は、スピン波素子１００を示す図である。
【００６０】
スピン波素子１００は、強磁性層１１０が積層方向に対して垂直な方向（面内に対して平行な方向）に磁化が向いている点がスピン波素子１０と異なる。強磁性層１１０を長手方向を有する形状とすることで、強磁性層１１０の磁化を長手方向に固着させることができる。
【００６１】
強磁性層１１０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素を含む磁性金属からなる。
【００６２】
また、図９に示すように電極層２５と非磁性層３１との間に反強磁性層１２０を設けてもよい。反強磁性層１２０を設けることで、強磁性層１１０の磁化の向きが面内方向へ安定する。
【００６３】
反強磁性層１２０の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、又は磁性半導体等を用いることができる。
【００６４】
かかる場合には非磁性層３１には、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料を用いることができる。
【００６５】
トンネル絶縁膜材料としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。トンネル絶縁膜材料が用いられた場合、抵抗を下げるために約０．２ｎｍから２．０ｎｍ程度とすることが望ましい。
【００６６】
非磁性金属材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせて合金としてもよい。この場合の非磁性層３１の膜厚は１．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好ましい。
（変形例１）
【００６７】
図１０は、スピン波素子１０の入力部４０の変形例である入力部４１を示す図である。
【００６８】
非磁性層３３上において、入力部４１の側面を挟むようにして保護層７１が設けられている。そして保護層７１をさらに挟むようにしてシールド７２が設けられている。すなわち、入力部４１の側面を保護層７１が覆い、さらに保護層７１をシールド７２が覆っている。
【００６９】
保護層７１には、例えばＡｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｓｉ（シリコン）、Ｍｇ（マグネシウム）、及びＦｅ（鉄）から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。具体的には、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−０、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏを用いることができる。
【００７０】
また、保護層７１には、非磁性半導体を用いることができる。非磁性半導体は、ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、又はＴｅ等である。また、非磁性半導体に遷移金属をドープしてもよい。
【００７１】
シールド７２には、例えばＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、及びＣｒから選択される少なくとも１つの元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、及びＲｈ（ロジウム）から選択される少なくとも１つ以上の元素との組み合わせによる合金を用いることができる。シールド７２には、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等の希土類−遷移金属のアモルファス合金、又はＣｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｎｉの積層構造等を用いてもよい。
【００７２】
本変形例によれば、入力部４１からの漏洩磁界を防ぐことができるので、入力部４１を隣接して複数設けることができる。その結果、複数の入力部による多入力演算ができるようになる。
（変形例２）
【００７３】
図１１は、スピン波素子１０の検出部５０の変形例である検出部５１を示す図である。
【００７４】
検出部５１は、検出部５１内に強磁性層３５と反強磁性層３４とが設けられている点が、スピン波素子１０の検出部５０と異なる。
【００７５】
強磁性層３５は、多層膜３０の積層方向に対して平行又は垂直な方向（面内方向）に磁化が向いている。強磁性層３５は、強磁性層３２と同じ材料を用いることができる。
【００７６】
反強磁性層３４は、反強磁性層１２０と同じ材料を用いることができる。
（変形例３）
【００７７】
図１２は、スピン波素子１０の検出部５０の変形例である検出部５２を示す図である。
【００７８】
検出部５２は、検出部５２内に磁化固着層３７と磁化自由層３９とが中間層３８を挟んで設けられている点が、スピン波素子１０の検出部５０と異なる。
（変形例４）
【００７９】
図１３は、スピン波素子１０の変形例を示す図である。図１３はスピン波素子１０を上面から眺めた図である。
【００８０】
図１３に示すように、入力部４０と検出部５０とを結ぶ経路が一方向に延在する細線になっていても良い。
（第３の実施形態）
【００８１】
図１４は、スピン波素子２００を示す図である。
【００８２】
スピン波素子１０とは、１本の信号線を２本のグランド線で挟んだ検出部になっている点が異なる。なお、図１４では、スピン波素子２００を上から眺めた図を示す。なお、グランド線は片側に一本だけ配置してもよい．
【００８３】
スピン波素子２００は、誘導起電力によってスピン波を検出することができる。
【００８４】
グランド線及び信号線には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いることができる。
【００８５】
非磁性材料としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉ、及びＡｌから選択される少なくとも１つの元素又はこれらの合金を用いることができる。また、非磁性材料には、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤー、又はグラフェン等を用いることもできる。
（実施例１）
【００８６】
入力部４０を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。磁化固着層３７の膜厚を８ｎｍ、磁化Ｍｓを１０００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３とした。中間層３８の膜厚を８ｎｍとして材料はＣｕとした。磁化自由層３９の膜厚を３ｎｍ、磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを5000ｅｒｇ／ｃｍ３とした。磁化固着層３７の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層３９の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。
【００８７】
入力部４０の直径を５０ｎｍとした。
【００８８】
図１５は、入力部４０に５０μＡの電流を流したときの磁化自由層３９の磁化が歳差運動をしている様子を示す図である。縦軸が磁化自由層３９の磁化の歳差運動の振幅を示す。横軸が時間（ｎｓ）を示す。電流は磁化自由層３９の膜面に対して垂直方向に流している。
【００８９】
図１５から、磁化自由層３９の磁化が歳差運動していることがわかる。ここで磁化自由層３９は還流磁区発振している。なお、かかる歳差運動は１００ｎｓ以上継続していた。
【００９０】
図１６は、磁化自由層３９で発生した磁界の周波数と電流の関係を示す図である。縦軸が磁化自由層３９で発生した磁界の周波数（ＧＨｚ）を示す。横軸が入力部４０に流した電流（μＡ）を示す。
【００９１】
図１６から、入力部４０に流す電流値によって磁化自由層３９で発生する磁界が変化していることがわかる。
（実施例２）
【００９２】
多層膜３０上に入力部４０を設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。多層膜３０上に、磁化自由層３９、中間層３８、磁化固着層３７の順に形成した。強磁性層３２の膜厚を１０ｎｍ、磁化Ｍｓを６００ｅｍｕ／ｃｃ又は８００ｅｍｕ／ｃｃとした。磁化固着層３７の膜厚を８ｎｍ、磁化Ｍｓを１０００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３とした。中間層３８の膜厚を８ｎｍとして材料はＣｕとした。磁化自由層３９の膜厚を３ｎｍ、磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを５０００erg／ｃｍ３とした。磁化固着層３７の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層３９の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。
【００９３】
入力部４０の直径を５０ｎｍとした。
【００９４】
図１７は、強磁性層３２の共鳴周波数と一軸磁気異方性Ｋｕとの関係を示す図である。縦軸が強磁性層３２の共鳴周波数（ＧＨｚ）を示す。横軸が強磁性層３２の一軸異方性Ｋｕ（Ｍｅｒｇ／ｃｃ）を示す。
【００９５】
図１６を用いて説明したように、所定の電流を流すとそれに応じた周波数の磁界が磁化自由層３９から発生する。図１７は、この周波数の磁界で効率よくスピン波を励起するために強磁性層３２は図１７に示す一軸磁気異方性Ｋｕをもつことが好ましいことを示している。これによって、還流磁区発振で強磁性層３２にスピン波を磁界励起することができる。
（実施例３）
【００９６】
非磁性層３３上に入力部４０を４つ設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。多層膜３０上に、磁化自由層３９、中間層３８、磁化固着層３７の順に形成した。非磁性層３３の膜厚を２ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、又は１０ｎｍとした。非磁性層３３にはＲｕを用いた。磁化固着層３７の膜厚を８ｎｍ、磁化Ｍｓを１０００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３とした。中間層３８の膜厚を８ｎｍとして材料はＣｕとした。磁化自由層３９の膜厚を３ｎｍ、磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。磁化固着層３７の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層３９の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。
【００９７】
入力部４０の直径を５０ｎｍとした。電流を入力部４０の積層方向に対して流した。
【００９８】
図１８は、磁界励起により４つの入力部４０で発生したスピン波の磁化の様子を示す図である。図１８の上図は、０ｐｓでの様子を示している。図１８の下図は、２００ｐｓ後の様子を示している。入力部４０からスピン波が発生していることがわかる。
【００９９】
なお、非磁性層３３の膜厚が２ｎｍ、３ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍのとき、強磁性層３２の上端位置での磁界強度はそれぞれ３５０Ｏｅ、２６０Ｏｅ、１５０Ｏｅ、５０Ｏｅであった。
（実施例４）
【０１００】
入力部４０を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。磁化固着層３７の膜厚を８ｎｍ、磁化Ｍｓを１０００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３とした。中間層３８の膜厚を８ｎｍとして材料はＣｕとした。磁化自由層３９の膜厚を３ｎｍ、磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。磁化固着層３７の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層３９の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。
【０１０１】
入力部４０の直径を５０ｎｍとした。
【０１０２】
図１９は、入力部４０に５０μＡの電流を流し、かつ磁化自由層３９の膜面に垂直な方向から磁界を印加したときに、磁化自由層３９が発生する磁界の周波数を示す図である。縦軸が磁化自由層３９が発生した磁界の周波数（ＧＨｚ）を示す。横軸が磁界強度（Ｏｅ）を示す。電流は磁化自由層３９の膜面に対して垂直方向に流している。
【０１０３】
図１９から、磁界強度に応じて磁化自由層３９が発生した磁界の周波数が変化していることがわかる。特に、磁界強度が−３００Ｏｅ以上−２００Ｏｅ未満では、磁化自由層３９が発生した磁界の周波数は６．１ＧＨｚで一定である。しかしながら、磁界の位相は変化している。すなわち、印加する磁界強度を適切な値にすることで、磁化自由層３９が発生する磁界の周波数は変えずに磁界の位相を変化させることができる。これにより、スピン波が重ねあった時の演算結果を変えることができるため、演算の種類を増やすことができる。なお、磁界はコイル等を用いて印加することができる。コイルに電流を流しても良い。コイルの一部を電極として用いても良い。
（実施例５）
【０１０４】
非磁性層３３上に入力部４０を設けた構成を設計し、マイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを行った。非磁性層３３上に、磁化自由層３９、中間層３８、磁化固着層３７の順に形成した。非磁性層３３の膜厚を３ｎｍとした。非磁性層３３にはＣｕを用いた。磁化固着層３７の膜厚を８ｎｍ、磁化Ｍｓを１０００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３とした。中間層３８の膜厚を８ｎｍとして材料はＣｕとした。磁化自由層３９の膜厚を１ｎ、３ｎｍ、又は５．８ｎｍ、磁化Ｍｓを８００ｅｍｕ／ｃｃ、一軸磁気異方性Ｋｕを５０００ｅｒｇ／ｃｍ３とした。磁化固着層３７の磁化の向きは面内に対して垂直方向を向いているものとした。磁化自由層３９の磁化の向きは面内に対して平行方向に向いているものとした。
【０１０５】
図２０は、入力部４０に電流を流したときの磁化自由層３９の膜厚と磁化自由層３９の膜面の重心からの外周までの距離に対して還流磁区が作られる関係を示す図である。磁化自由層３９の膜面の重心からの外周までの距離は磁化自由層３９の形状を円形とし、磁化自由層３９の膜面の中心から定義している。縦軸が磁化自由層３９の膜面の重心からの外周までの距離（ｎｍ）を示す。横軸が磁化自由層３９の膜厚（ｎｍ）を示す。電流は磁化自由層３９の膜面に対して垂直方向に流している。
【０１０６】
図２０の点線より上の領域は磁化自由層３９が還流磁界（ボルテックス）を形成する範囲を示している。この点線をもとに２次関数でフィッティングした。かかるフィッティングにより、磁化自由層３９の膜面の重心からの外周までの距離ｒ（ｎｍ）と膜厚ｔ（ｎｍ）には、ｒ＞０．２７ｔ２−１．９ｔ＋１３の関係を満たす場合に、磁化自由層３９で還流磁界が形成されることがわかった。
【０１０７】
図２１は、入力部４０に９０μＡの電流を流したときの磁化自由層３９の磁化が立つ様子を示す図である。磁化自由層３９の大きさによらず、還流磁界のコアの大きさが一定（１０ｎｍ程度）であることがわかる。電流は磁化自由層３９の膜面に対して垂直方向に流している。この時、強磁性層３２には、コアの大きさ程度の波長のスピン波がスピントルクで励起された。なお、非磁性層３３にＲｕを用いる場合、入力部４０に９０μＡの電流を流すと、強磁性層３２にはコアの大きさ程度の波長のスピン波が磁界励起される。
【０１０８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０  …  スピン波素子、２０  …  基板、２５  …  電極層、３０  …  多層膜、４０  …  入力部、５０  …  検出部、６０  …  非磁性絶縁層、７０  …  非磁性層、８０、９０  …  電極
【図１】
2012060033.tif 000004
【図２】
2012060033.tif 000005
【図３】
2012060033.tif 000006
【図４】
2012060033.tif 000007
【図５】
2012060033.tif 000008
【図６】
2012060033.tif 000009
【図７】
2012060033.tif 000010
【図７Ａ】
2012060033.tif 000011
【図８】
2012060033.tif 000012
【図９】
2012060033.tif 000013
【図１０】
2012060033.tif 000014
【図１１】
2012060033.tif 000015
【図１２】
2012060033.tif 000016
【図１３】
2012060033.tif 000017
【図１４】
2012060033.tif 000018
【図１６】
2012060033.tif 000019
【図１７】
2012060033.tif 000020
【図１９】
2012060033.tif 000021
【図２０】
2012060033.tif 000022
【図２１】
2012060033.tif 000023
【図１５】
2012060033.tif 000024
【図１８】
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