(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動磁場を発生する振動磁場発生部と、
磁化の向きが固定された第１磁化ピンド層、前記振動磁場によって磁化の向きが振動する第１磁化フリー層、および前記第１磁化ピンド層と前記第１磁化フリー層との間に設けられた第１スペーサ層を有する磁気抵抗効果膜を含む磁気抵抗素子と、
前記振動磁場発生部に電流を供給することにより前記振動磁場を発生させる第１電源と、
前記磁気抵抗素子の前記磁気抵抗効果膜に電流を供給する前記第１電源と異なる第２電源と、
前記磁気抵抗素子の前記磁気抵抗効果膜から出力されるマイクロ波を取り出すマイクロ波取り出し回路と、
を備えていることを特徴とする磁性発振素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果膜の第１スペーサ層は、トンネルバリアであることを特徴とする請求項１記載の磁性発振素子。
【請求項３】
前記振動磁場発生部は、磁化の向きが固定された第２磁化ピンド層、磁化の向きが振動する第２磁化フリー層、および前記第２磁化ピンド層と前記第２磁化フリー層との間に設けられた非磁性金属からなる第２スペーサ層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１または２記載の磁性発振素子。
【請求項４】
前記ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の前記第２磁化フリー層の体積は、前記磁気抵抗効果膜の前記第１磁化フリー層の体積よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の磁性発振素子。
【請求項５】
前記第１磁化フリー層の近傍に設けられ、前記マイクロ波の周波数を変化させるための静磁場を発生させる静磁場発生部を更に備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁性発振素子。
【請求項６】
前記振動磁場発生部および前記磁気抵抗素子は同一の基板上に設けられるとともに、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁性発振素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずかに記載の磁性発振素子を、再生素子として備えていることを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項８】
請求項７記載の磁気ヘッドが搭載されたこと特徴とする磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性発振素子、この磁性発振素子を有する磁気ヘッド、および磁気記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルスケールの、複数の磁性層をその間にスペーサ層を挟んで積層した磁性多層膜で起こるスピン移行(スピントランスファ)効果を利用して、直流電流に応答する定常状態のマイクロ波シグナルを発生できることが知られている(例えば、非特許文献１参照)。そのマイクロ波シグナルの起源は磁性多層膜内の磁化振動部の磁化振動であり、実験的に、ＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane)−ＧＭＲ(Giant Magneto-Resistance effect)膜や磁性トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction; MTJ)膜において、電流密度が〜１０７Ａ／ｃｍ２のオーダーを超えるとき、高周波（ＧＨｚ）の定常磁化振動が検出されている。
【０００３】
磁性多層膜でスピン移行効果を利用したマイクロ波発生器はスピントランスファオシレータ(磁性発振素子、スピントランスファ発振器)と呼ばれている。著しく進歩した微細加工技術により、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜や磁性トンネル接合膜を１００ｎｍ×１００ｎｍ程度のサブミクロンサイズで加工することが可能であり、磁性発振素子は微小なマイクロ波源や共鳴器などへの応用が期待され、スピントロニクス分野の一研究として現在活発な研究対象になっている。磁性発振素子から発生されるマイクロ波シグナルの周波数は電流、および磁性多層膜内の磁化振動部の磁化に作用する磁場に依存する。特に、磁場によって磁化振動の周波数が変化するという磁場依存性を活かして、磁性発振素子をＧＭＲヘッド、ＴＭＲヘッドに変わるＨＤＤ(Hard Disk Drive)用磁気センサーとして応用することも考案されている（例えば、特許文献１参照）。そこでは、磁場による周波数変化を検知することでＨＤＤ媒体の磁場を検出するのである。
【０００４】
従来の磁性発振素子は、強磁性多層膜を有する磁気抵抗素子部内に含まれる磁化の振動を起源とするマイクロ波シグナルが取り出される構造になっている。磁気抵抗素子部は基本構造として、磁化フリー層／スペーサ層／磁化ピンド層の３層構造を有する。電源により磁気抵抗素子部の強磁性多層膜に直流電流Ｉが通電されると、磁化フリー層と磁化ピンド層の間のスピントランスファ効果により磁化フリー層内の磁化Ｍが振動し、磁化フリー層の磁化と磁化ピンド層の磁化のなす角θが時々刻々変化する。このとき、角θの変化に伴い、主にスピンバルブ磁気抵抗効果により素子抵抗が時々刻々変化し、電圧の交流成分が現れる。その交流成分をバイアスティで取り出すことにより、マイクロ波シグナルＰが得られる。
【０００５】
上記電源による直流電流値Ｉは任意の値で良いわけではなく、強磁性多層膜を有する磁気抵抗素子部の構造やその周辺の磁場環境に依存した閾値電流値Ｉｃよりも大きな電流値でなければならない。Ｉ＞Ｉｃの場合のみスピントランスファ効果により磁化フリー層内に磁化振動が励起される。閾値電流Ｉｃの値は磁気抵抗素子部の断面積と閾値電流密度値で定まる。閾値電流密度値は〜１０７Ａ／ｃｍ２の程度である。
【０００６】
ところで、発振器の性質を表す量としてＱ値(Quality factor)というものがある。Ｑ値の例として、水晶振動子を共振器として利用した発振回路を挙げる。水晶振動子は１０６オーダーの高いＱ値を有することが知られており、水晶振動子を共振器として利用した発振回路では１０３〜１０４のオーダーのＱ値が達成され、安定した発振が得られる。Ｑ値は
【数１】
0005036585.tif 000002
で定義される無次元量で、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する。発振状態はその周波数スペクトルにより理解されることが多く、その場合Ｑ値はＱ＝ｆ０／Δｆで定義される。ｆ０は発振周波数、Δｆは周波数スペクトルの発振ピークの半値幅である。なお、磁性発振素子の発振状態の検出実験は、多くの場合、主にスペクトラムアナライザーでその周波数スペクトルを測定することによってなされる。
【０００７】
磁気抵抗素子部のスペーサ層としてＣｕなどの非磁性金属層を用いた場合がＣＰＰ−ＧＭＲ膜による磁性発振素子（以下、ＧＭＲ発振素子ともいう）である。ＧＭＲ発振素子ではＱ〜１０ＧＨｚ／１ＭＨｚ〜１０４程度の発振を得られることが実験的に知られている（例えば、非特許文献２参照）。すなわち、ＧＭＲ発振素子はＱ値に関して、水晶振動子を共振器として利用した発振回路と同程度かそれ以上の性能を有する。高Ｑ値を達せられる理由は、すべて金属材料で構成されている金属人工格子であるＧＭＲ発振素子では、大きな電流密度を有する電流を通電できるという点にある。周波数スペクトルのピーク半値幅Δｆは、おおよそ電流Ｉの２乗に反比例であることが知られている。このため、大電流密度を通電することでΔｆは極々小さなものになり、従って、高Ｑ値を達せられる。
【０００８】
この高Ｑ値という点がＧＭＲ発振素子の利点であるが、不利な点はその発振出力パワーＰである。単一ＧＭＲ発振素子からの出力はナノワットのオーダーという微弱な電力であり、実用的なマイクロワット級の電力レベルから遠く、応用上望ましくない。ＧＭＲ発振素子による出力がナノワットのオーダーという微弱な電力である理由は、ＧＭＲ素子は高々数％という小さな磁気抵抗比（ＭＲ比）を有しているためである。なお、ＧＭＲ発振素子をアレイ状に配列することで出力を上げる構造も考案されている（例えば、非特許文献３参照）。しかし、ＧＭＲ発振素子をアレイ状に配列する場合、出力をマイクロワットのレベルにするには、単一のＧＭＲ発振素子を少なくとも数十個程度アレイ化し、さらにそれらをすべて同期させる必要があり、素子作製上の困難が予想される。
【０００９】
一方、磁気抵抗素子部のスペーサ層としてトンネルバリアを用いた場合が磁気トンネル接合膜による磁性発振素子（以下ＴＭＲ発振素子）である。近年、スピン注入型磁気ランダムアクセスメモリ（Ｓｐｉｎ−ＲＡＭ）への応用が期待される、低抵抗高ＭＲ比を有する良質な磁性トンネル接合膜が開発されている。特に、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）のトンネルバリアを有するＴＭＲ（ＭｇＯ−ＴＭＲ）膜でのＭＲ比は数百％以上にも達することが実験的に知られている。ＴＭＲ発振素子ではその高ＭＲ比ゆえに大きな発振出力パワーＰを得ることができる。実際、ＭｇＯ−ＴＭＲ膜による磁性発振素子による発振出力パワーは実用的なマイクロワット級の電力レベルに近づきつつあり、現在のところ報告されている最大電力は０．１６マイクロワットである。しかしながら、ＭｇＯ−ＴＭＲ膜等の磁性トンネル接合膜を有する磁性発振素子では、トンネルバリアが絶縁破壊されるという問題のためＧＭＲ発振素子のように大電流密度を通電することができず、従って、高Ｑ値を実現することができない。現在までのところ実験的に確認されているＴＭＲ発振素子のΔｆは室温で狭くとも１００ＭＨｚ程度であるため、Ｑ値は１０２程度となり、磁性トンネル接合膜による磁性発振素子の発振は非常に安定性が悪い。
【００１０】
なお、ＴＭＲ発振素子は、そもそも磁化振動を励起することができないということが多々ある。これもまたトンネルバリアの絶縁破壊に由来する。Ｉ＞Ｉｃの場合のみスピン移行効果により磁化フリー層８内に磁化振動が励起されるということを上で述べたが、閾値電流より小さな電流Ｉ（Ｉ＜Ｉｃ）で絶縁破壊を起こしてしまう場合が多くあるからである。
【非特許文献１】S. I. Kiselev et al. “Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current” Nature 425, 380 (2003).
【特許文献１】特開2006-286855公報
【非特許文献２】W. H. Rippard et al. “Current-driven microwave dynamics in magnetic point contacts as a function of applied field angle” Physical Review B 70, 100406(R) (2004).
【非特許文献３】S. Kaka et al. “Mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators” Nature 437, 389 (2005).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上述べたように、ＧＭＲ発振素子、ＴＭＲ発振素子には、それぞれメリット、デメリットがある。ＧＭＲ発振素子のメリットは高Ｑ値であること、デメリットは小さな発振出力パワーであることであり、ＴＭＲ発振素子のメリットは大きな発振出力パワーであること、デメリットは低Ｑ値であることである。
【００１２】
微小なマイクロ波源、共鳴器、磁気センサー等への応用上望まれる磁性発振素子は、上記したＧＭＲ発振素子、ＴＭＲ発振素子それぞれの利点を有するような磁性発振素子であり、安定すなわち高Ｑ値で、高出力すなわち大きな発振出力パワーを有する磁性発振素子である。
【００１３】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、高Ｑ値かつ高出力の磁性発振素子、この磁性発振素子を有する磁気ヘッド、および磁気記録再生装置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】
【００１４】
本発明の第１の態様による磁性発振素子は、振動磁場を発生する振動磁場発生部と、磁化の向きが固定された第１磁化ピンド層、前記振動磁場によって磁化の向きが振動する第１磁化フリー層、および前記第１磁化ピンド層と前記第１磁化フリー層との間に設けられた第１スペーサ層を有する磁気抵抗効果膜を含む磁気抵抗素子と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第２の態様による磁性発振素子は、磁化の向きが固定された第１磁化ピンド層、直流電流が通電されることにより磁化の向きが振動する第１磁化フリー層、および前記第１磁化ピンド層と前記第１磁化フリー層との間に設けられた第１スペーサ層を有する第１磁気抵抗効果膜を含む第１磁気抵抗素子と、磁化の向きが固定された第２磁化ピンド層、直流電流が通電されることにより磁化の向きが振動する第２磁化フリー層、および前記第２磁化ピンド層と前記第２磁化フリー層との間に設けられた第２スペーサ層を有する第２磁気抵抗効果膜を含む第２磁気抵抗効果素子と、前記第１磁化フリー層と前記第２磁化フリー層との間に設けられ、前記第２磁気抵抗効果素子から前記第１磁気抵抗効果素子へのスピン流を断ち切るスピンフリップ散乱層と、前記第１磁化ピンド層と電気的に接続する第１電極と、前記第２磁化ピンド層と電気的に接続する第２電極と、前記第１および第２電極を介して前記第１磁気抵抗効果素子、スピンフリップ散乱層、および第２磁気抵抗効果素子を通る直流電流を供給する電源と、を備えていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第３の態様による磁気ヘッドは、第１の態様または第２の態様の磁性発振素子を、再生素子として備えていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第４の態様による磁気記録再生装置は、第３の態様の磁気ヘッドが搭載されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高Ｑ値かつ高出力の磁性発振素子、この磁性発振素子を有する磁気ヘッド、および磁気記録再生装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、説明の際、共通の構成に同一の符号を付しており、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箇所も含んでいるが、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。
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁性発振素子を図１に示す。第１実施形態による複合型磁性発振素子は、振動磁場発生部１と、強磁性多層膜を有する磁気抵抗素子部２と、を備え、振動磁場発生部１と、磁気抵抗素子部２とが静磁結合している。振動磁場発生部１は複数備えられていても良い。振動磁場発生部１は、交流電源を備えたコイルや従来の磁性発振素子など、振動磁場を発生する素子であれば、どのようなものであっても良い。
【００２１】
磁気抵抗素子部２は基本構造として磁化フリー層８／スペーサ層９／磁化ピンド層１０の３層構造を有する。磁化フリー層８は磁化の向きが外部磁場によって変化し、この磁化フリー層８には、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅあるいはそれらを含む合金を用いることができる。また、磁化ピンド層１０は磁化の向きが固定され、この磁化ピンド層１０には、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅあるいはそれらを含む合金と、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどの反強磁性体と、を接合させ、上記合金と反強磁性体とが強磁性交換結合または反強磁性交換結合している膜を用いることができる。また、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような人工フェリ膜を用いることができる。磁化フリー層８、スペーサ層９、磁化ピンド層１０はそれぞれ単層である必要はなく、それらの層を複数備えた構造であっても良い。すなわち、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子として知られるあらゆる磁気抵抗効果膜を磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜として用いることが可能である。
【００２２】
電源１１により磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜に直流電流Ｉが通電されるとともに振動磁場発生部１から発生される振動磁場３が磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜に印加されると、振動磁場３による磁化フリー層８の磁化Ｍ２に磁気共鳴が励起され、これにより、磁化フリー層８の磁化Ｍ２と磁化ピンド層１０の磁化との間の相対角度θが時々刻々変化する。そうして、磁化の相対角度θに依存したスピンバルブ磁気抵抗効果により、強磁性多層膜を有する磁気抵抗素子部２の素子抵抗が時々刻々変化する。このとき、相対角度θの変化に伴い、主にスピンバルブ磁気抵抗効果により素子抵抗が時々刻々変化し、電源１１による直流電流には、磁気抵抗素子部２の素子抵抗変化による交流成分が現れる。その交流成分を、コンデンサおよびインダクタからなるバイアスティ７で取り出すことにより、マイクロ波出力Ｐが得られる。
【００２３】
一般に、閾値電流値Ｉｃよりも大きな電流値Ｉ（Ｉ＞Ｉｃ）を磁気抵抗効果膜に流した場合、すなわち高バイアス電圧を磁気抵抗効果膜に印加した場合のＭＲ比は、低バイアス電圧を印加した場合におけるＭＲ比に比べて小さくなることが知られている。このため、従来の磁性発振素子においては、磁気抵抗効果膜のＭＲ比を劣化させた状態でマイクロ波出力Ｐを取りだしていた。
【００２４】
これに対して、上述したように、本実施形態の複合型磁性発振素子においては、振動磁場発生部１から発生する振動磁場３によって、磁化フリー層８の磁化Ｍ２を共鳴励起させているので、電源１１によって磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜に印加する電圧は、Ｉ＞Ｉｃを満たすような高バイアス電圧よりも低くすることができる。このため、磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜が持つＭＲ比を劣化させることなく、磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜からマイクロ波出力Ｐを取り出すことが可能である。
【００２５】
上記のように振動磁場発生部１からの振動磁場３によって、磁気抵抗素子部２の磁化フリー層８内の磁化が効率よく共鳴振動するためには、振動磁場発生部１からの振動磁場３の振動数の大きさは、磁化フリー層８内の磁化Ｍ２が有する固有の磁気共鳴振動数に近い大きさである必要がある。また、振動磁場３の振幅は、磁化フリー層８内の磁化Ｍ２に作用するランダムな熱的磁場Ｈthermalよりも大きいことが望まれる。熱的磁場Ｈthermalは次式で見積もることができる。
【数２】
0005036585.tif 000003
【００２６】
ここで、Ｍｓは磁化フリー層８内の飽和磁化、Ｖfreeは磁化フリー層８の体積、Ｔは絶対温度（Ｋｅｌｖｉｎ）、ｋＢはボルツマン定数（ｋＢ＝１．３８０７×１０−１６ｅｒｇ／Ｋ）である。典型的な値として、例えば、Ｍｓ＝６００ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｖfree＝１．０×１０５ｎｍ３を用いると、Ｈthermalは室温（Ｔ＝３００Ｋ）で、Ｈthermal≒０．６９Ｏｅと見積もられる。すなわち、室温（Ｔ＝３００Ｋ）では、振動磁場発生部１からの振動磁場３の振幅は０．６９Ｏｅよりも大きいことが必要となる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態によれば、振動磁場発生部１から発生される振動磁場によって、磁化フリー層８の磁化Ｍ２を共鳴励起させているので、高Ｑ値を得ることができる。また、このとき、電源１１から磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜に加えられる電流は、閾値電流値Ｉｃよりも小さな電流値で済むので、スペーサ層９として、例えばＭｇＯからなるトンネルバリアを用いれば、絶縁破壊を起こすことがなく、高出力を得ることができる。なお、スペーサ層９として、ＭｇＯからなるトンネルバリアばかりでなく、高出力を得ることが可能であれば、非磁性金属を用いてもよい。
【００２８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による磁性発振素子を図２に示す。本実施形態による磁性発振素子は、図１に示す第１実施形態の磁性発振素子の振動磁場発生部１として、磁化フリー層１４／スペーサ層１５／磁化ピンド層１６の３層積層構造を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子を用いた構成となっている。電源１３による電流Ｉは磁化フリー層１４内の磁化Ｍ１をスピントランスファ効果によって振動するのに十分な大きさである。したがって、振動磁場発生部１は従来のＧＭＲ発振素子に類似の構造になっている。振動磁場発生部１による振動磁場３は、磁化フリー層１４の磁化Ｍ１の振動に由来する振動双極子磁場である。この磁化Ｍ１による振動双極子磁場によって、磁気抵抗素子部２における磁化フリー層８の磁化Ｍ２の磁気共鳴が引き起こされる。
【００２９】
本実施形態においては、ＧＭＲ発振素子からなる振動磁場発生部１からは高Ｑ値を有する磁化振動を得られるので、ＧＭＲ発振素子で構成される振動磁場発生部１からは、高Ｑ値の安定した振動双極子磁場を得られるという利点がある。さらに、ＧＭＲ発振素子はサブミクロンサイズで作製可能であるため、振動磁場発生部１をサブミクロンサイズで作製できることになり、この結果、本実施形態の磁性発振素子を微小なサイズとすることが可能になる。振動磁場発生部１による振動磁場３に関して、その振動双極子磁場Ｈdipの大きさは、下記の式（１）で見積もることができる。
【数３】
0005036585.tif 000004
【００３０】
ここで、Ｍｓは磁化フリー層１４の飽和磁化、Ｖfreeは磁化フリー層１４の体積、ｒは振動磁場発生部１と、磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜との間の距離である。ＧＭＲ発振素子の典型的な値であるＭｓ＝１０３ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｖfree＝１０５ｎｍ３を用い、距離ｒをｒ＝３００ｎｍとした場合には、振動双極子磁場Ｈdipは、Ｈdip≒５０Ｏｅと見積もられる。この振動双極子磁場Ｈdipの大きさは、磁気抵抗素子部２における強磁性多層膜の磁化Ｍ２に磁気共鳴を引き起こすのに十分な大きさであるが、磁気共鳴による磁化Ｍ２の大きな磁化振動を得るためには、さらに大きな振動双極子磁場Ｈdipであることが望ましい。式（１）で示されているように、距離ｒが小さいほど振動双極子磁場Ｈdipは大きくなるため、磁気共鳴による磁化Ｍ２の大きな磁化振動を得るには、距離ｒ（＞０）は小さいことが望ましい。
【００３１】
また、磁気抵抗素子部２における強磁性多層膜の磁化フリー層８内の磁化が効率よく共鳴振動するためには、振動磁場発生部１からの振動磁場３の振動数の大きさは、磁化フリー層８内の磁化が有する固有の磁気共鳴振動数に近い大きさであることが望ましい。
【００３２】
以上説明したように、本実施形態も、第１実施形態と同様に、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００３３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による磁性発振素子を、図２を参照しながら説明する。本実施形態による磁性発振素子は、第２実施形態における磁気抵抗素子部２として磁性トンネル接合（ＭＴＪ）素子を用いた構成となっている。
【００３４】
従来のＴＭＲ発振素子では、絶縁破壊の問題のために、大電流を通電することができず、従って、磁化フリー層８の磁化Ｍ２の振動として安定性の悪い（低Ｑ値）振動しか得られないという問題があった。
【００３５】
しかし、本実施形態の磁性発振素子においては、磁化フリー層８における磁化Ｍ２の振動の原動力は振動磁場発生部１からの振動磁場であるため、高Ｑ値を得るのに大電流を要さない。高Ｑ値の発振を得るには、安定な振動磁場を用いればよい。大電流を要さないというのは、直流電源１１によりＭＴＪ素子からなる磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜に印加されるバイアス電圧が低電圧でよいということになる。
【００３６】
一般に、ＭＴＪ素子のＭＲ比はバイアス電圧依存性があり、バイアス電圧が大きいほどＭＲ比が小さくなってしまうということが知られている。発振出力パワーＰはＭＲ比の２乗に比例するため、なるべくＭＲ比を劣化させないようなバイアス電圧でパワーＰを取り出すことが望まれる。本実施形態の磁性発振素子においては、従来のＴＭＲ発振素子のように閾値バイアス電圧値は存在せず、発振パワーＰを取り出すのに電源１１によるバイアス電圧値は任意の大きさでよく、従って、なるべくＭＲ比を劣化させないようなバイアス電圧でパワーＰを取り出すことができる。なお、本実施形態においては、パワーの大きなマイクロ波を得るうえで、磁気抵抗素子部２のＭＴＪ素子のスペーサ層９として、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）からなるトンネルバリアを用いることが望ましい。
【００３７】
ところで、従来のＴＭＲ発振素子において、磁化フリー層から磁化ピンド層の向きに電流が流れるようにバイアス電圧を印加する場合のほうが、その逆の場合よりも磁化フリー層に作用するスピントランスファトルクが大きいことが知られている（スピントランスファトルクのバイアス電圧非対称性）。従来のＭＴＪ発振素子にとってスピントランスファトルクは発振の原動力である。しかし、本実施形態の磁性発振素子においは、直流電源１１によるスピントランスファトルクはノイズ（スピントランスファノイズ）の起源になり得る。そのため、直流電源１１による電流の向きは磁化ピンド層１０から磁化フリー層８の向きであることが、スピントランスファノイズを抑制し発振の安定性を劣化させないために望ましい電流の向きである。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態も第２実施形態と同様に、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００３９】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による磁性発振素子を、図２を参照して説明する。本実施形態による磁性発振素子は、第２乃至第３実施形態において、振動磁場発生部１の第１磁化振動部の体積が、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２の第２磁化振動部の体積よりも大きくなるように構成されている。図２ではこれらの体積差は明示していない。第１磁化振動部は磁化フリー層１４内で磁化振動する部分に対応し、第２磁化振動部は磁化フリー層８内で磁化振動する部分に対応する。
【００４０】
本実施形態の磁性発振素子における発振機構は、第１磁化振動部による振動磁場が、第２磁化振動部内の磁化Ｍ２に作用して磁化Ｍ２を励起する。そして、本実施形態の磁性発振素子においては、第１磁化振動部の体積が第２磁化振動部の体積よりも大きいために、第１磁化振動部による振動磁場が第２磁化振動部内の磁化Ｍ２に有効に作用して磁化Ｍ２を大振幅で振動させることが可能となり、大きな発振出力パワーＰを得ることができる。
【００４１】
振動磁場が第２磁化振動部内の磁化Ｍ２に作用するというのは、第１磁化振動部からの磁束Φが第２の磁化振動部に流れ込むということである。ここで、Φ＝Ｂ１Ｓ１であり、Ｂ１はＭ１による振動磁場、Ｓ１は第１磁化振動部を囲む表面積である。また、第２磁化振動部に流れ込んできた磁束ΦはΦ＝Ｂ２Ｓ２であり、Ｂ２は磁化Ｍ２に作用する振動磁場、Ｓ２は第２の磁化振動部を囲む表面積である。第１磁化振動部の体積が第２磁化振動部の体積よりも大きい場合、Ｓ１＞Ｓ２となり、従って、Ｂ１＜Ｂ２となる。すなわち、本実施形態の磁性発振素子においては、第１磁化振動部の体積が第２磁化振動部の体積よりも大きいために、第２磁化振動部内の磁化Ｍ２に作用する振動磁場が大きくなり、磁化Ｍ２を大振幅で振動させることができる。
【００４２】
本実施形態も第２乃至第３実施形態と同様に、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００４３】
なお、第２乃至第４実施形態による磁性発振素子においては、振動磁場発生部１を動作させるための電源１３と、磁気抵抗素子部２を動作させるための電源１１とが別々に、設けられているので、振動磁場発生部１および磁気抵抗素子部２にとって適切な電圧値を設定することができる。特に、磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜を動作させる電源１１はマイクロ波出力値と関わっており、微小なマイクロ波源、共鳴器、磁気センサー等に第２乃至第４実施形態の磁性発振素子を応用する際に、応用上適切な電圧値、すなわち、マイクロ波出力値を設定することができる。
【００４４】
（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による磁性発振素子を図３に示す。本実施形態の磁性発振素子は、振動磁場発生部１と、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２と、バイアスティ７と、直流電源１２と、ランダムスピンフリップ散乱層２０と、それらに通電するための一対の電極２１ａ、２１ｂと、を備えている。振動磁場発生部１は、磁化フリー層１４と、スペーサ層１５と、磁化ピンド層１６とを有している。そして、磁化フリー層１４がランダムスピンフリップ散乱層２０と電気的に接続し、磁化ピンド層１６が電極２１ａと電気的に接続している。また、磁気抵抗素子部２は、磁化フリー層８と、スペーサ層９と、磁化ピンド層１０とを有している。そして、磁化フリー層８がランダムスピンフリップ散乱層２０と電気的に接続し、磁化ピンド層１０が電極２１ｂと電気的に接続している。直流電源１２は、電極２１ａ、２１ｂを介して本実施形態の磁性発振素子に直流電流を流す。
【００４５】
ランダムスピンフリップ散乱層２０は、振動磁場発生部１と強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２とを電気的に結合するという役割と、振動磁場発生部１と強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２との間のスピン流の受け渡しを断ち切るという役割をしている。ランダムスピンフリップ散乱層２０によって、振動磁場発生部１と強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２との間のスピン流の受け渡しが断ち切られているため、振動磁場発生部１と強磁性多層膜磁気抵抗素子部２との間にスピントランスファ効果はなく、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２におけるスピントランスファノイズを抑制することができる。スピンフリップ散乱層２０は、伝導性物質（例えば、Ｃｕ）であればどのような材料でもよい。ただし、この場合、スピンフリップ散乱層２０の層厚はスピン拡散長ｌｓｆよりも大きくする必要がある。スピン拡散長ｌｓｆは、伝導電子のスピンが緩和して向きを変える距離であり、大抵の材料で数ｎｍ〜数百ｎｍの範囲にあることが知られている。もともとスピン偏極率がＰ（例えば、ハーフメタルのような完全偏極材料ではＰ＝１、ＦｅではＰは約０．４である）であったスピン偏極電子が、スピン拡散長ｌｓｆ程度の距離を伝導すると、スピン偏極率ＰがＰ→０となる。スピントランスファ効果はＰに比例するため、スピンフリップ散乱層２０の層厚がスピン拡散長ｌｓｆよりも大きければ、振動磁場発生部１と強磁性多層膜磁気抵抗素子部２との間の伝導電子のスピン偏極率は小さくなり、振動磁場発生部１と強磁性多層膜磁気抵抗素子部２との間のスピントランスファ効果が消滅する。成膜の都合上、スピン拡散長ｌｓｆが短いほうが望ましいのであるが、この場合には、伝導性物質にスピンフリップ散乱体をランダムに埋め込めばよい。スピンフリップ散乱体としては、磁性不純物（例えば、Ｍｎ）を用いることができる。
【００４６】
次に、本実施形態の磁性発振素子の発振機構について説明する。直流電源１２により一対の電極２１ａ、２１ｂを介して本実施形態の磁性発振素子に電流Ｉを通電する。この電流Ｉにより、磁化ピンド層１６と磁化フリー層１４との間にスピントランスファ効果が生じ、磁化フリー層１４内の磁化Ｍ１が振動する。ただし、電流Ｉの値は磁化Ｍ１の振動を励起するのに十分な大きさである（Ｉ＞Ｉｃ）。磁化Ｍ１の振動により、振動双極子磁場が生じ、その磁場は、磁化フリー層８の磁化Ｍ２に作用し、磁気共鳴効果によって振動する。発振パワーＰは、振動磁場発生部１における磁化ピンド層１６と磁化フリー層１４との間のスピンバルブ磁気抵抗効果、および強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２における磁化ピンド層１０と磁化フリー層８との間のスピンバルブ磁気抵抗効果のそれぞれの磁気抵抗効果の帰結として得られる。
【００４７】
次に、発振パワーＰを大きな発振パワーでかつ高Ｑ値なものにすることができることを説明する。スペーサ層１５を非磁性金属層にし、スペーサ層９をトンネルバリアにした場合に、最も発振パワーＰを大きく、高Ｑ値にすることが可能である。このとき、振動磁場発生部１はＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２はＴＭＲ素子構造となる。振動磁場発生部１はＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造であるために、スピントランスファ効果による磁化フリー層１４の磁化Ｍ１の振動は高Ｑ値の安定した振動となり、この磁化Ｍ１の振動によって生じる振動磁場３もまた高Ｑ値である。その高Ｑ値の振動磁場３によって励起される磁化フリー層８の磁化Ｍ２の振動もまた高Ｑ値である。
【００４８】
一般に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子とＴＭＲ素子を比べた場合、それらのスピンバルブ磁気抵抗効果は、ＴＭＲ素子、とりわけＭｇＯからなるトンネルバリアを有するＴＭＲ素子の場合のほうがはるかに大きい。ＣＰＰ−ＧＭＲ素子のＭＲ比はせいぜい数％であるのに対して、ＴＭＲ素子のＭＲ比は数百％である。従って、発振出力パワーＰの大きさはほぼ強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２におけるスピンバルブ磁気抵抗効果で決定され、数百％という大きなＭＲ比を反映して大きな発振パワーＰを得ることができる。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態によれば、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００５０】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による磁性発振素子を図４に示す。本実施形態による磁性発振素子は、図３に示す第５実施形態において、一対の電極２１ａ、２１ｂによって通電される電流の電流密度値に関して、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２における電流密度値が、振動磁場発生部１における電流密度値よりも小さくなるように、振動磁場発生部１および強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２が形成されている。すなわち、本実施形態においては、図４に示すように、振動磁場発生部１のスペーサ層１５および磁化ピンド層１６のそれぞれの断面積（すなわち、層面の面積）が、スペーサ層９、磁化ピンド層１０、およびランダムスピンフリップ散乱層２０のそれぞれの断面積（層面の面積）よりも小さくなる構造を有している。このため、磁化フリー層１４に流れこむ電流密度値は、磁化フリー層８に流れこむ電流密度値よりも大きい。スピントランスファ効果は電流密度値に比例するため、磁化フリー層８と磁化ピンド層１０との間のスピントランスファ効果は、磁化フリー層１４と磁化ピンド層１６との間のスピントランスファ効果よりも電流密度の寄与に関して小さくすることができる。なお、本実施形態においては、磁化ピンド層１６に電気的に接続する電極２１ａは、ピラー型となっている。
【００５１】
従って、本実施形態の磁性発振素子では、磁化フリー層８と磁化ピンド層１０との間のスピントランスファ効果が抑制され、磁化フリー層８の磁化Ｍ２の振動に対するスピントランスファノイズが抑えられ、Ｑ値のスピントランスファノイズによる劣化を防ぐことが可能である。
【００５２】
本実施形態も第５実施形態と同様に、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００５３】
（第７実施形態）
本発明の第７実施形態による磁性発振素子を、図５を参照して説明する。本実施形態の磁性発振素子は、第２乃至第４実施形態のいずれかの磁性発振素子に静磁場印加部を新たに設けた構成となっている。
【００５４】
第２乃至第４実施形態のいずれかの磁性発振素子のように、振動磁場発生部１としてＧＭＲ発振素子を用いた場合、振動磁場の周波数はＧＭＲ素子の磁化フリー層１４の磁化が感じる磁場に依存している。強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２からのマイクロ波周波数もまた磁気抵抗素子部２における強磁性多層膜の磁化フリー層８の磁化が感じる磁場に依存している。従って、振動磁場発生部１としてのＧＭＲ発振素子の磁化フリー層１４に静磁場を印加する静磁場印加部を設けることにより、振動磁場の周波数を調節することが可能になり、また磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜の磁化フリー層８に静磁場を印加する静磁場印加部を設けることにより、発振マイクロ波の周波数を調節することが可能になる。
【００５５】
磁化フリー層に作用させる静磁場を発生させるには、図５に示すように、配線５１を振動磁場発生部１あるいは磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜の周囲、とりわけ、それらの磁化フリー層の周辺に配置し、配線５１に直流電流５２を通電することで実現される。直流電流５２により、振動磁場発生部１あるいは強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２に静的なアンペール磁場５３が作用する。配線５１は電流磁界書き込み型のＭＲＡＭにおける書き込み配線に類似の配線でよい。配線５１から振動磁場発生部１あるいは磁気抵抗素子部２の強磁性多層膜までの距離をＲ[μｍ]とし、直流電流５２の電流値をＩ[Ａ]とすれば、アンペール磁場５３の大きさＨamp[Ｏｅ]は、次式で評価できる。
【数４】
0005036585.tif 000005
【００５６】
この式から明らかなように、アンペール磁場５３の大きさＨampは電流値Ｉに応じて変化するから、適宜電流値を定めて、アンペール磁場５３の大きさＨampを望みの値に設定すればよい。例えば、Ｒ＝０．５[μｍ]、Ｉ＝５．０×１０−３[Ａ]とした場合、Ｈamp＝１０[Ｏｅ]であり、Ｈampによっておよそ、γＨamp／（２π）≒  ２８ＭＨｚほど、振動磁場の周波数あるいは、発振マイクロ波の周波数を調節することができる。このように、振動磁場の周波数を静磁場で磁気抵抗素子部２における磁化フリー層の磁化Ｍ２が生来的に有する磁気共鳴周波数に調節することで、磁気抵抗素子部２の磁化フリー層の磁化Ｍ２を振動磁場によって効率よく大振幅で振動させることができる。また、あるいは、静磁場で発振マイクロ波の周波数を調節することも可能であるため、用途に応じた周波数を持ったマイクロ波を本実施形態の磁性発振素子から取り出すことができる。
【００５７】
本実施形態も第２乃至第４実施形態と同様に、高Ｑ値および高出力を得ることができる。
【００５８】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態による磁性発振素子を図６に示す。本実施形態による磁性発振素子は、図６に示すように、基板４３上に形成された、振動磁場発生部１と、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２と、インダクタおよびコンデンサからなるバイアスティ７と、直流電源１１、１３と、を備えている。振動磁場発生部１と、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２とは絶縁体４２により空間的に分割されていて、それぞれの磁化振動部は距離ｒ≒２５０ｎｍ離れている。この距離ｒは、それぞれの磁化振動部の中心間の距離である。この距離ｒはできる限り小さくしたいのであるが、本実施形態のおいては、素子作製の観点から十分可能な適切な値にしている。
【００５９】
振動磁場発生部１は、基板４３上に形成された下部電極３２ａと、下部電極３２ａ上に形成されたＩｒＭｎからなる反強磁性層３３ａと、反強磁性層３３ａ上に形成されたＣｏＦｅからなる磁化ピンド層３６と、磁化ピンド層３６上に形成されたＣｕからなる非磁性スペーサ層３５と、非磁性スペーサ層３５上に形成されたＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４と、磁化フリー層３４上に形成されたキャップ層３１ａと、キャップ層３１ａ上に形成された上部電極３０ａと、を備えている。下部電極３２ａには、例えばＣｕ／Ｔａからなる２層の積層膜を用いることができる。上部電極３０ａには、例えばＡｕを用いることができる。振動磁場発生部１における上部電極３０ａには、絶縁層４２によりサイズＲのポイントコンタクトが形成されている。サイズＲは１００ｎｍ程度の大きさにしている。このポイントコンタクトは、電源１３によって磁化フリー層３４／非磁性スペーサ層３５／磁化ピンド層３６からなる積層膜を通電する電流の電流密度が大きくなるように設けられている。大きな電流密度によって、磁化フリー層３４内の磁化Ｍ１と磁化ピンド層３６内の固定された磁化との間のスピントランスファ効果が高まり、磁化フリー層３４内の磁化Ｍ１はスピントランスファ効果による振動をする。振動磁場発生部１は、公知のスピントランスファナノコンコンタクト発振器に類似の構造である。加えて、振動磁場発生部１は、スペーサ層が非磁性金属のＣｕで構成されたいわゆるＣＰＰ−ＧＭＲ発振素子構造になっているから、磁化Ｍ１の振動のＱ値は１０４程度の高Ｑ値となっている。
【００６０】
強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２は、基板４３上に形成された下部電極３２ｂと、下部電極３２ｂ上に形成されたＩｒＭｎからなる反強磁性層３３ｂと、反強磁性層３３ｂ上に形成されたＣｏＦｅ層４１と、ＣｏＦｅ層４１上に形成されたＲｕ層４０と、Ｒｕ層４０上に形成されたＣｏＦｅＢ層３９と、その上部に形成された、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８と、その上部に形成された、ＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７と、ＣｏＦｅＢ層３９上に形成されたキャップ層３１ｂと、キャップ層３１ｂ上に形成された上部電極３０ｂと、を有している。ＣｏＦｅ層４１／Ｒｕ層４０／ＣｏＦｅＢ層３９の積層構造は３層で人工フェリをなしており、磁化ピンド層として機能する。ＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７内の磁化Ｍ２は、振動磁場発生部１内の磁化Ｍ１の振動磁場３による磁気共鳴によって振動する。強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２の構造それ自身は、高ＭＲを有することでよく知られているＭｇＯからなるトンネルバリアのＴＭＲ素子構造の一例となっている。なお、ＣｏＦｅ層４１／Ｒｕ層４０／ＣｏＦｅＢ層３９／ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８／ＣｏＦｅＢ層３７／キャップ層３１ｂからなる素子の一部分は、膜面形状が、長軸２００ｎｍ、短軸１５０ｎｍの楕円形状に加工されている。本実施形態においては、ＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７の体積Ｖ２は約７．１×１０４ｎｍ３である。
【００６１】
本実施形態における、振動磁場発生部１、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２の各層の膜厚に関して説明する。まず、図７に示すように下部電極３２ａ、３２ｂの膜厚を同一にしている。その上部の各層については、振動磁場発生部１では、順に、ＩｒＭｎからなる反強磁性層３３は１５ｎｍ、ＣｏＦｅからなる磁化ピンド層３６は１２ｎｍ、Ｃｕからなる非磁性スペーサ層３５は５ｎｍ、ＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４は５ｎｍである。また、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２では、順に、ＩｒＭｎからなる反強磁性層３３は２５ｎｍ、ＣｏＦｅ層４１は３ｎｍ、Ｒｕ層４０は０．８５ｎｍ、ＣｏＦｅＢ層３９は３ｎｍ、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８は１．８ｎｍ、ＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７は３ｎｍである。従って、振動磁場発生部１のＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４と、磁気抵抗素子部２のＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７とがほぼ同一の高さに配置されており、ＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４と、ＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７との間の距離ｒをなるべく小さくし、ＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４内の磁化Ｍ１による振動磁場がＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７内の磁化Ｍ２に有効に作用するような工夫がなされている。このため、１０４程度の高Ｑ値の磁化フリー層３４の磁化Ｍ１の磁化振動に由来する振動磁場３によって励起される磁化フリー層３７の磁化Ｍ２の振動もまた高Ｑ値となる。
【００６２】
磁気抵抗素子部２のＭｇＯからなるバリア層３８は１．８ｎｍという、近年のＭｇＯ−ＴＭＲ素子技術においては、比較的厚い膜厚を有しており、室温であってもＭＲ比が２００％程度、実現される。またＲＡ（面積抵抗）として、５Ω・μｍ２程度になるように成膜することが可能であり、本実施形態の場合、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２の素子抵抗は約２１２Ωである。
【００６３】
本実施形態の磁性発振素子においては、第７実施形態で説明したように、図示しない配線が振動磁場発生部１のＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４の近傍に埋め込まれており、そこに直流電流を流すことによって、ＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４内の磁化Ｍ１に作用する静的定磁場を変化させることができるようになっている。この図示しない配線により、磁化フリー層３４の磁化Ｍ１の磁気共鳴周波数を、強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２のＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層３７内の磁化Ｍ２の磁気共鳴周波数にほぼ一致するようにうまく調節することが可能になっている。
【００６４】
振動磁場発生部１内の磁化Ｍ１の振動について説明しておく。スピントランスファナノコンコンタクト発振器型の磁性発振素子で生じる磁化の発振モードは、スピン波理論でよく記述できるようなモードであり、主にスピン・ウェーブ・ブレット(spin wave bullet)モードであると、現時点で世の中では考えられている。しかしながら、本発明者らが日頃の研究から得ている知見に依れば、磁化フリー層が本実施形態のようにＮｉＦｅ層である場合、スピン・ウェーブ・ブレットモードが生じるのはポイントコンタクトのサイズＲが約５０ｎｍ以下の場合であって、Ｒ＞５０ｎｍの場合にはその限りではなく、クラムシェル(clamshell)モードやインプレイン(in-plane)モードやアウトオブプレイン(out-of-plane)モードといった振動モードが現れる。これらの振動モードは、スピン波理論によらず、一様磁化を記述する単純な単磁区磁化モデルで記述できることが知られている。そのため、これらの振動モードを総称して、一様磁化的な振動モードと呼ぶことにする。一様磁化的な振動モードのほうが、スピン・ウェーブ・ブレットモードよりも磁化Ｍ１の振動振幅が空間平均として大きく、この結果、変化の大きな振動磁場３を取り出せる。本実施形態における磁性発振素子においては、その一様磁化的な振動モードを活かして、変化の大きな振動磁場３を取り出せるように、Ｒ≒１００ｎｍとしている。なお、直流電源１３による電流によって振動磁場発生部１のＮｉＦｅからなる磁化フリー層３４内で励起される領域はほぼ１．５×Ｒ、すなわち、１５０ｎｍ程度の領域であり、従って、磁気励起体積Ｖ１は約８．８×１０４ｎｍ３である。この磁気励起体積Ｖ１、すなわち振動磁場発生部１内に備えられた磁化振動部の体積は、上記のＶ２、すなわち強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２内に備えられた磁化振動部の体積よりも大きく、振動磁場３を磁化Ｍ２に有効に作用させ、振動させることができる。
【００６５】
磁気抵抗素子部２の磁化フリー層３７の磁化Ｍ２に作用する振動磁場の大きさＨosciは、４πＭｓＶ１／ｒ３で見積もられ、いまの場合約５０Ｏｅである。ここで、飽和磁化Ｍｓの値としてパーマロイ（ＮｉＦｅ）の典型的な値である８００ｅｍｕ／ｃｍ３を用いた。磁化Ｍ２に作用している静的な定磁場を厳密に見積もることは非常に難しいが、ここでは、静的な定磁場Ｈ０を、典型的な値１０００Ｏｅと仮定する。振動Ｈosciによる磁化Ｍ２の振動角Δθは
【数５】
0005036585.tif 000006
で評価できる。ここで、αはギルバート減衰因子でありα＝０．０１とし、γは磁気回転比であり、γ＝１．７６×１０７[1/Oe・sec]とした。また、ω０は磁化Ｍ２および振動磁場の振動数であり、
【数６】
0005036585.tif 000007
である。従って、（２）式よりΔθ≒０．２７１πと見積もられる。
【００６６】
強磁性多層膜からなる磁気抵抗素子部２への、直流電源１２による入力電流を０．５ｍＡとした場合、磁気抵抗素子部２内のＣｏＦｅ層４１／Ｒｕ層４０／ＣｏＦｅＢ層３９／ＭｇＯからなるバリア層３８／ＣｏＦｅＢ層３７／キャップ層３１ｂの積層膜に流れる電流の電流密度は、約２．１×１０６Ａ／ｃｍ２（＜１０７Ａ／ｃｍ２）であり、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８を介したＣｏＦｅＢ層３９とＣｏＦｅＢ層３７との間のスピントランスファ効果は小さく、従って、磁化Ｍ２の振動のＱ値に対するスピントランスファノイズをほぼ無視できる。また、０．５ｍＡの入力電流の場合には、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８に印加されるバイアス電圧は、０．１１Ｖ程度であり、ＭｇＯからなるバリア層３８の膜厚は１．８ｎｍであることから、そこに印加されている電場は、約０．０６Ｖ／ｎｍと見積もられる。この電場は絶縁破壊の目安となるような電場１Ｖ／ｎｍよりも十分小さく、ＭｇＯからなるトンネルバリア層３８に絶縁破壊が生じることはない。さて、０．１ｍＡの入力電流により、入力電力Ｐｉｎは
Ｐｉｎ＝２１２Ω×（０．５ｍＡ）２＝５３μＷ
である。また、ＭＲ≒（ＲAP−Ｒｐ）／Ｒｐ＝２００％であるから、発振パワーＰは
Ｐ＝（ＭＲ／２）２×Ｐｉｎ×（１−ｃｏｓΔθ）２×１／２≒３μＷ
と見積もられる。この式内の因子１／２は時間平均に由来する。なお、各式の形から分かるように、入力電流を例えば２倍にすると、発振パワーを４倍にすることができる。ただし、あまり入力電流を大きくするとスピントランスファノイズの問題、あるいは絶縁破壊の問題が生じてしまうので、入力電流をいくらでも大きくできるわけではない。しかしながら、少なくとも３μＷという実用的なマイクロワット級の発振出力を得ることができる。
【００６７】
以上詳細に述べたように、本実施形態による磁性発振素子からは、Ｑ値は１０４程度、パワーＰは少なくとも３μＷの高出力を取り出すことができる。すなわち、本実施形態による磁性発振素子は、従来のＧＭＲ発振素子、ＴＭＲ発振素子の利点を兼ね備えており、高Ｑ値で高出力の磁性発振素子となる。
【００６８】
（変形例）
次に、本実施形態の一変形例による磁性発振素子を図７に示す。本変形例の磁性発振素子は、図６に示す第８実施形態の磁性発振素子とは、振動磁場発生部１の形状のみが異なり、構造、膜厚、材料等に違いはない。すなわち、第８実施形態に係る振動磁場発生部１においては、ポイントコンタクト型であって、上部電極３０ａが、キャップ層３１ａとポイントで接触していたが、本変形例に係る振動磁場発生部１においては、ピラー型であって、キャップ層３１ａが上部電極３０ａのピラーとなっている。
【００６９】
本変形例においても、第８実施形態と同様に、スピン・ウェーブ・ブレットモードは発現することはなく、一様磁化的な振動モードが主に発現する。
【００７０】
本変形例による磁性発振素子は、素子サイズを小さくできるという利点がある。これに対して、図６に示す第８実施形態の磁性発振素子は、ミリング、あるいは、リフトオフ等の加工プロセスを経て振動磁場発生部１をピラー形状にする必要がなく、加工しやすいという利点がある。
【００７１】
本変形例も第８実施形態と同様に、高Ｑ値でかつ高出力を得ることができる。
【００７２】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態による磁気記録再生装置を説明する。図１乃至図７に関して説明した本発明の第１乃至第８実施形態およびその変形例による磁性発振素子は、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【００７３】
図８は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本実施形態の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、垂直記録用磁気ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。磁気ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施形態または変形例による磁性発振素子を、媒体すなわち磁気ディスク２００からの磁場を感知し、再生する再生素子として備えた磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【００７４】
磁気ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は磁気ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。
【００７５】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【００７６】
アクチュエータアーム１５５は、固定軸１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【００７７】
図９は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
【００７８】
サスペンション１５４の先端には、磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアセンブリ１６０の電極パッドである。ここで、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）と磁気ディスク２００の表面との間には、所定の浮上量が設定されている。
【００７９】
従来の再生ヘッドの媒体磁場センス部は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子といったＭＲ素子で構成されているが、本実施形態の磁気記録再生装置に用いられる再生ヘッドでは、媒体磁場センス部に、第１乃至第８実施形態またはその変形例による磁性発振素子を用いる。従来の再生ヘッドにおいては、ＭＲ素子出力の振幅変化を検出して媒体の磁気情報を読み取る。これに対して、本実施形態の磁気記録再生装置に用いられる再生ヘッドにおいては、磁性発振素子の発振周波数が媒体磁場によって変化する性質を活かし、その周波数変化を検出することによって磁気情報を読み取る。「磁性発振素子を用い周波数検出をすることによって磁気情報再生を行なう再生ヘッド」というものは公知の概念であり、その再生ヘッドは、今後さらに微細化が進み記録密度が１テラビット／ｉｎｃｈ２以上の高密度記録世代においても、熱的雑音に強く高ＳＮの信号再生を実現しうる再生ヘッドの１つであると考えられる。本実施形態の磁性発振素子を用い周波数を検出することによって磁気情報再生を行なう再生ヘッドでは、第１乃至第８実施形態の磁性発振素子が従来の磁性発振素子に比べ出力が大きく、高Ｑ値であるために、再生信号出力が現実的なマイクロワットのオーダーであり、かつ、発振状態が安定で周波数分解能が高い。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図２】本発明の第２乃至第４実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図３】本発明の第５実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図４】本発明の第６実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図５】本発明の第７実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図６】本発明の第８実施形態による磁性発振素子を示す図。
【図７】第８実施形態の変形例による磁性発振素子を示す図。
【図８】本発明の第９実施形態による磁気記録再生装置を示す斜視図。
【図９】第９実施形態の磁気記録再生装置のアクチュエータアームから先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた斜視図。
【符号の説明】
【００８１】
１  振動磁場発生部
２  磁気抵抗型素子
３  振動磁場
７  バイアスティ
８  磁化フリー層
９  スペーサ層
１０  磁化ピンド層
１１  直流電源
１２  直流電源
１３  直流電源
１４  磁化フリー層
１５  スペーサ層
１６  磁化ピンド層
２０  ランダムスピンフリップ散乱層
２１ａ  電極
２１ｂ  電極
３０ａ、３０ｂ  上部電極
３１ａ、３１ｂ  キャップ層
３２ａ、３２ｂ  下部電極
３３ａ、３３ｂ  反強磁性層
３４  磁化フリー層
３５  非磁性スペーサ層
３６  磁化ピンド層
３７  磁化フリー層
３８  ＭｇＯからなるトンネルバリア
３９  ＣｏＦｅＢ層
４０  Ｒｕ層
４１  ＣｏＦｅ層
４２  絶縁体
４３  基板
５１  配線
５２  直流電流
５３  アンペール磁場
１５０  磁気記録再生装置
１５２  スピンドル
１５３  ヘッドスライダ
１５４  サスペンション
１５５  アクチュエータアーム
１５６  ボイスコイルモータ
１６０  磁気ヘッドアセンブリ
１６４  リード線
１６５  電極パッド
２００  磁気ディスク
【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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