スピン波素子
【課題】 効率良くスピン波を伝えることが可能なスピン波素子を提供すること。
【解決手段】 絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有する。
【解決手段】 絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有する。
【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】
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイスの微細化は、信号処理デバイスの性能向上を牽引し、論理処理装置として様々な市場の高機能化・高性能化に貢献してきた。しかしながら、幾多もの製造的課題を解決することで推進されてきた微細化は、いずれは物理的限界に達すると予想されている。また、微細化とともに消費電力が大きな課題として顕在化してきた。
【０００３】
このような状況下で、さらなる性能向上に向けたブレークスルーの１つとして、光やスピン、バイオ等、従来と同様の電荷を用いない情報処理の検討が進められている。スピンを使った情報処理デバイスとして、スピンＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）や、Ｄａｔｔ−Ｄａｓ型スピントランジスタ、スピンゲイントランジスタ等が提案されている。また、多入力スピン波素子を利用することで、従来のＣＭＯＳ論理デバイスを用いるよりも遥かに少ない素子数で大規模な演算を高速に実行することが可能となる。ただし、より大規模の論理演算が求められる場合には、複数の多入力スピン波素子の間で、効率的にスピン波を伝える必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５２８４５６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. Behin-Alein, etal ,” Proposal for an all-spin logic device with built-in memory”, Nature nanotecnology, published online : 28 Feb. 2010, DOI:10.1038/NNANO.2010.31
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のスピン波伝搬技術においては、二つのスピン波素子間でスピン波を伝える領域においてスピンＭＯＳＦＥＴ等を用いることによって、外部エネルギーの供給が必要であり、大規模の論理処理デバイスを構成すると、トータルでは消費電力が大きくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態によるスピン波素子は、絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子全体を基板の上部から眺めた図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子のスタブの長さＬを変化させたときの第二の磁性層２０へ伝搬するスピン波の効率を示す図。
【図３】第１の実施形態に係るスピン波素子の要部断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）。
【図４】第１の実施形態に係るスピン波素子の入力部の断面図。
【図５】第１の実施形態に係るスピン波素子へ信号源から供給される電圧を示す図。
【図６】第１の実施形態に係るスピン波素子の入力部の断面図。
【図７】第１の実施形態に係るスピン波素子の検出部の断面図。
【図８】第１の実施形態に係るスピン波素子の検出部の断面図。
【図９】第１の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例を示す図。
【図１０】第１の実施形態の第１の変形例に係るスピン波素子の要部断面図（図９のＡ−Ａ’断面図）。
【図１１】第１の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例を示す図。
【図１２】第１の実施形態に係るスピン波素子の第３の変形例を示す図。
【図１３】第１の実施形態の第３の変形例のスピン波素子の要部断面図（図１２のＡ−Ａ’断面図）。
【図１４】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１５】第１の実施形態の第４の変形例に係るスピン波素子の要部断面図（図１４のＡ−Ａ’断面図）。
【図１６】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１７】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１８】第２の実施形態に係るスピン波素子全体を基板の上部から眺めた図。
【図１９】第２の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例を示す図。
【図２０】第２の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例を示す図。
【図２１】第２の実施形態に係るスピン波素子の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００１０】
（第1の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るスピン波素子全体を基板８０の上部から眺めた図である。なお、基板８０上には絶縁層が形成されるが、図１ではこの絶縁層の図示を省略する。絶縁層については、図３を用いて後述する。
【００１１】
図１に示すように、第１の実施形態に係るスピン波素子１は、基板８０上に、少なくとも１層の第一の磁性層１０とドーナツ状の非磁性の導体閉路（ショートコイル：ｓｈｏｒｔ ｃｏｉｌ）３０と少なくとも１層の第二の磁性層２０を含む。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、多層であっても良い。また、第一の磁性層１０には入力部４０が設けられ、第二の磁性層２０には検出部５０が設けられる。
【００１２】
第一の磁性層１０は、ｙ方向に延在し、第二の磁性層２０は、ｘ方向に延在し、この特定の方向を層の「長さ」としたときの、層の「幅」（図１のｄ）がｄ≦λ／２≦３ｄ（ただし、λはスピン波の波長）である線状を成す。導体閉路３０は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の層の幅ｄとほぼ等しい幅の非磁性導体が輪のように閉じた形状を成し、他との電気的接続を持たない。
【００１３】
第一の磁性層１０、導体閉路３０、第二の磁性層２０は、基板８０の面に平行であり、基板８０の面に垂直なｚ方向に基板８０に近い方から順に第一の磁性層１０、導体閉路３０、第二の磁性層２０が配置される。図１は、導体閉路３０上に第二の磁性層２０が積層されている状態を示しているが、説明のために、第二の磁性層２０下に位置する導体閉路３０の一部も図示している。なお、第一の磁性層１０、第二の磁性層２０、導体閉路３０の積層順はこれに限らず、基板８０の面に垂直なｚ方向に基板８０に近い方から順に第二の磁性層２０、導体閉路３０、第一の磁性層１０が配置されても良い。
【００１４】
図１では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は基板８０の上部から眺めて交わるように配置されており、第一の磁性層１０および第二の磁性層２０の磁気異方性は磁性層長手方向または膜面垂直方向のいずれかを向く。さらに、導体閉路３０の一部は、第一の磁性層１０上に配置されて第一の磁性層１０と電磁結合し、導体閉路３０の他部は、第二の磁性層２０下に配置されて第二の磁性層２０と電磁結合する。
【００１５】
第一の磁性層１０上の入力部４０において第一の磁性層１０にスピン波が励起されると、第一の磁性層１０の長手方向（ｙ方向）にスピン波が伝搬する。図中では、スピン波が伝搬する方向を波矢印で示す。このスピン波が第一の領域６０に差し掛かると、スピン波の高周波磁化成分ｍrfによる高周波磁束が第一の領域６０付近において導体閉路３０に鎖交する。これによって導体閉路３０に誘導起電力（Ｖ）が誘起される。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流Ｉrfを還流し、この高周波電流Ｉrfが第二の磁性層２０上の第二の領域７０において高周波磁界ｈrfを印加する。その結果、第二の磁性層２０にスピン波が励起（入力）され、このスピン波が第二の磁性層２０の長手方向（ｘ方向）に伝搬されて、第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波が伝搬される。そして、第二の磁性層２０の長手方向（ｘ方向）にスピン波が伝搬して、第二の磁性層２０に設けられた検出部５０（例えばＴＭＲ素子など）を通過すると、伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出すことができる。伝搬するスピン波周波数は非常に高く（数ＧＨｚから数１００ＧＨｚ前後）、しかもスピン波素子全体の微細化を図ると、導体閉路３０のインピーダンスを大幅に低下させることができるため、上述の誘導起電力Ｖ、高周波電流Ｉrf、高周波磁界ｈrfのいずれも大きな値を見込むことができ、より高効率にスピン波を伝えることが期待できる。さらに、本実施形態のスピン波素子の構造が非常に簡単であるため、素子製造プロセスが容易となり、低コストで素子の３次元化を含めた高集積度のスピン波素子・デバイスを実現することができる。
【００１６】
なお、基板上部から第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の積層方向に眺めたときの第一の磁性層１０と第二の磁性層２０との重なりの端部から第二の磁性層２０の開放端部までの第二の磁性層２０（以降では、スタブと称する）の長さＬが、次式を満たすときに、より効率的に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができる。
【数１】
【００１７】
式（１）のａは、入力部４０の円相当径（入力部４０の投影面積と同じ面積を持つ円の直径を意味する）であり、μｒは第二の磁性層２０の比透磁率であり、εｒは第二の磁性層２０の比誘電率である。
【００１８】
入力部４０によって励起されるスピン波の波長は入力部４０のサイズに応じて決まる（λ＝ａ）。また、第一の磁性層１０や第二の磁性層２０中では、波長短縮が生じ、実行波長がλ＊（λ＊＝λ／√εｒμｒ）となる。図２は、第二の磁性層２０の比透磁率μｒ２が１００であり、λ＊／４＝２５０ｎｍである場合に、Ｌを変化させたときの第二の磁性層２０へ伝搬するスピン波の効率を示す。ここで示す効率は、導体閉路３０を挿入したことによる電磁結合の効率向上を以下の方法で見積もったものである。第一の磁性層１０の第一の領域６０付近において、スピン波の高周波磁化成分ｍｒｆによって生じる高周波磁束をＨ１と定義した。また、このＨ１が導体閉路３０に鎖交して高周波電流Ｉｒｆが流れることで、第二の磁性層２０上の第二の領域７０に励起される高周波磁界をＨ２と定義した。この時、電磁結合で第二の磁性層２０へ取り出されるスピン波の効率はＨ２／Ｈ１となる。図２では、第一の磁性層１０の比透磁率μｒ１が１００と１０００の２通りを示している。図２に示されているように、スタブの長さＬをλ＊／４とした場合に、最も効率が良いことが分かる。
【００１９】
ただし、Ｌは式（１）に限ることは無く、適宜変更することができる。
【００２０】
次に、スピン波素子１を構成する各構要素の材料系について以下に説明する。基板８０には、例えばＳｉを用いることができる。
【００２１】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に向いた磁性層（垂直磁化配向膜）と、磁化が膜面に対して略水平を向いた磁性膜（面内磁化配向膜）とを適宜使い分けることができる。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両方が面内磁化配向膜もしくは垂直磁化配向膜であっても良いし、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０との一方が面内磁化配向膜で他方が垂直磁化配向膜であっても良い。
【００２２】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成される。もしくは、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む合金としても良い。もしくは、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、ＴｅＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｆｅの積層構造、あるいはＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）、Ｆｅ3Ｏ4（マグネタイト）、γ−Ｆｅ2Ｏ3（マグヘマイト）、ＢａＦｅ12Ｏ19（バリウムフェライト）などのような絶縁性磁性体により構成しても良い。
【００２３】
導体閉路３０は、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などのような高導電性の金属元素のグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせによる合金により構成される。もしくは、導体閉路３０を、金属系超電導体であるＮｂまたはＮｂ合金（臨界温度Ｔｃ：１０〜２０Ｋ）、ペロブスカイト系超電導体であるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜１０９Ｋ）、イットリウム系高温超電導体Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜９３Ｋ）、水銀系銅酸化物Ｈｇ−Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜１６０Ｋ）などを用いて構成しても差し支えない。この場合、導体閉路３０のインピーダンスを極限まで低下させることができるため、誘導起電力Ｖによる導体閉路３０中を流れる高周波電流Ｉrfが大きくなり、その結果、第二の磁性層２０に印加される高周波磁界ｈrfの強度が増すため、極めて高効率にスピン波を伝えることができる。これらの材料は、室温では超電導を示さないが、将来的に室温で超電導特性を示す材料が実用化されれば、導体閉路３０に適用可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図３は、第１の実施形態に係るスピン波素子１の要部断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）である。図３では、入力部４０と検出部５０の表示は省略する。図３（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図３（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００２５】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、誘導起電力Ｖにより導体閉路３０を環流する高周波電流Ｉrfが第一の磁性層１０および第二の磁性層２０に漏れないようにする必要がある。そのため、図３（ａ）に示すとおり導体閉路３０と第一の磁性層１０の間および導体閉路３０と第二の磁性層２０の間に非磁性絶縁層９０、９１を設ける。そして、基板８０上には第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、９１、導体閉路３０を囲うように絶縁層２０５が形成される。
【００２６】
それに対して、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０が絶縁性磁性体により構成される場合には、図３（ｂ）に示すとおり導体閉路３０は、第一の磁性層１０および第二の磁性層２０と直接接触させる。そして、基板８０上には第一の磁性層１０、導体閉路３０を囲うように絶縁層２０５が形成される。
【００２７】
なお、基板８０がＳｉなどのある程度導電性がある材料によって構成される基板である場合には、図３に示すように、基板８０の裏側にＣｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などのような導電膜８５を配置して、この導電膜８５を電気的に接地する。
【００２８】
次に、入力部４０について説明する。入力部４０と第一の磁性層１０との接触面の形状は、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によって、接触面に略垂直の方向に電圧を印加する、もしくは電流を流すと、第一の磁性層１０の接触面直下の領域に球面波状のスピン波を励起させる。入力部４０の大きさは、第一の磁性層１０との接触面の直径が５００ｎｍ以下であることが磁区制御上望ましい。さらに、励起効率および集積化を考慮すると、１００ｎｍ以下であることが望ましい。また、接触面の直径が１ｎｍよりも小さいと、スピン波を励起するためのエネルギーが大きいため、１ｎｍ以上であることが好ましい。ここで、接触面の「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には対角線の長さを意味する。
【００２９】
図４は、入力部４０の断面図である。入力部４０には、信号源１３０が接続され、そこから電圧もしくは電流が供給される。スピン波入力のために信号源１３０から供給される電圧は、図５のようなパルス波形をなす。入力部４０は、第一の磁性層１０上に、非磁性層１２０、磁化固着層１１０、電極１００が、この順に積層されて形成される。
【００３０】
電極１００には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いる。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。面内磁化膜はしては例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）からなる群から選択された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Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）から選択される少なくとも一つの元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）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。例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等である。これらは、構成する磁化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。
【００３１】
電極１００に用いられる非磁性材料としては、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、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良い。さらに、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いても良い。
【００３２】
磁化固着層１１０は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成される。また、ＴｅＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｆｅの積層構造などにより構成しても良い。以降では、磁化固着層１１０の磁化は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）を向いているとして説明するが、磁化固着層１１０の磁化は積層方向に限定しない。
【００３３】
非磁性層１２０は、非磁性バリア層と非磁性金属層のうち、いずれを採用しても良い。非磁性バリア層を採用する場合、非磁性層１２０には、読み出し時にＴＭＲ（tunnel magnetoresistive）効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層としての絶縁材料を用いることができる。具体的には、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）、Ｆｅ（鉄）のグループから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物により非磁性バリア層を構成することができる。特に、非磁性バリア層は、Ａｌ2Ｏ3-x（アルミナ）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ2-x、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、ＺｎＯx、ＴｉＯx、等、大きなエネルギーギャップを有する半導体（ＧａＡｌＡｓなど)から構成することが好ましい。
【００３４】
非磁性層１２０に非磁性金属層を採用する場合、非磁性層１２０には、読み出し時にＧＭＲ（giant magnetoresistive）効果により再生信号出力を得るための非磁性金属層を用いることができる。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉなどの非磁性金属元素のいずれかあるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。
【００３５】
スピン波入力（励起）の際には、信号源１３０から電極１００に負の電位を加える。すると、電極１００から電子が第一の磁性層１０に向かって流れる際に、磁化固着層１１０の磁化の向きにスピン偏極した電子流が流れる。このスピン偏極した電子流により第一の磁性層１０にスピントルクが働くことによって、第一の磁性層１０の第一の領域６０にスピン波が誘起されることになる。このスピン波は、入力部４０のサイズに応じた波長λを持つ。このスピン波の波長λを考慮すると、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の幅ｄは、ｄ≦λ／２≦３ｄとすることが望ましい。励起源のサイズまで第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の幅ｄを縮小させることで、スケーラビリティーを持たせることができる。
【００３６】
なお、入力部４０は、図６に示すように、磁化固着層１１０と電極１００との間に反強磁性層１７０を設けて構成しても良い。
【００３７】
次に、検出部５０について説明する。検出部５０と第二の磁性層２０との接触面の形状は、円形、楕円形、多角形などのドット形状とすることができる。接触面の大きさ（平均直径）は第二の磁性層２０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望ましい。これは、スピン波の波長と検出部５０の接触面の大きさが同じであると、検出部５０側でスピン波が打ち消される可能性があるためである。
【００３８】
図７は、検出部５０の断面図である。検出部５０は、電気的に接地された第二の磁性層２０上に、非磁性層１６０、磁化固着層１５０、電極１４０が、この順に積層されて形成される。電極１４０、磁化固着層１５０、非磁性層１６０は、それぞれ電極１００、磁化固着層１１０、非磁性層１２０と同様の材料を用いて構成することができる。
【００３９】
信号検出用の電極１４０は、検出部５０と第二の磁性層２０との接触面に略垂直の方向に電圧を印加する、もしくは電流を流し、ＴＭＲ効果もしくはＧＭＲ効果を用いて第二の磁性層２０に伝搬するスピン波を信号として検出することができる。
【００４０】
ここでは、ＴＭＲ効果を利用した場合の検出メカニズムを説明する。ＴＭＲ効果を利用する場合、検出部５０は、磁化フリー層としての第二の磁性層２０、非磁性層としての中間絶縁層１６０、磁化固着層１５０、電極１４０とからなり、第二の磁性層２０は電気的に接地されている。検出部５０において、伝搬スピン波による第二の磁性層の磁化の向きと磁化固着層１５０の磁化の向きのなす角に応じて、検出部５０にはＴＭＲ効果に伴う電気抵抗変化が生じるため、電極１４０と基板８０との間に一定の電圧を加えておけば、スピン波に応じた電圧変化を検出することができる。
【００４１】
なお、検出部５０は、図８に示すように、磁化固着層１５０と電極１４０との間に反強磁性層１７０を設けて構成しても良い。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係るスピン波素子１では、第一の磁性層１０と第一の領域６０において電磁結合し、第二の磁性層２０と第二の領域７０において電磁結合するように非磁性導体３０を配置する。このような実施形態に係るスピン波素子１によれば、外部エネルギーの供給が無くとも高効率に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができ、省電力のスピン波素子・デバイスを実現することができる。また、スピン波素子１の製造プロセスは容易であり、低コストに製造することができる。さらに、３次元構造をもつ高集積度のスピン波素子・デバイスを容易に実現することができる。
【００４３】
（変形例１）
図９は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例である。本変形例に係るスピン波素子２の導体閉路３０は、ｘ方向に延在する３本の導線とｙ方向に延在する３本の導線から構成される「く」の字型の平面型導体閉路である。導体閉路３０のｘ方向に延在する第一の導線と第一の導線よりも長い第二の導線は、基板上面から眺めたときに、第一の磁性層１０と交差するように配置される。また、導体閉路３０のｙ方向に延在する第三の導線と第三の導線よりも長い第四の導線は、基板上面から眺めたときに、第二の磁性層２０と交差するように配置され、一端がそれぞれ第一の導線と第二の導線に接続する。さらに、導体閉路３０のｙ方向に延在する第五の導線は第一の導線の一端（第三の導線と接続する端とは異なる）と第二の導線の一端（第四の導線と接続する端とは異なる）を接続し、導体閉路３０のｘ方向に延在する第六の導線は第三の導線の一端（第一の導線と接続する端とは異なる）と第四の導線の一端（第二の導線と接続する端とは異なる）を接続する。
【００４４】
導体閉路３０は、第一の領域６０において第一の導線と第二の導線と第五の導線を含む一部が第一の磁性層１０と電磁結合（第一の電磁結合）し、第二の領域７０において第三の導線と第四の導線と第六の導線を含む一部が第二の磁性層２０と電磁結合（第二の電磁結合）するように配置される。図９のように基板上部からスピン波素子２を眺めると、導体閉路３０の第一の導線と第二の導線が第一の磁性層１０と交差し、第三の導線と第四の導線が第二の磁性層２０と交差するように配置される。
【００４５】
図１０は、本変形例に係るスピン波素子２の要部断面図（図９のＡ−Ａ’断面図）である。図１０では、入力部４０と検出部５０の表示は省略する。図１０（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１０（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００４６】
スピン波素子２の動作は、スピン波素子１の動作と同様である。第一の磁性層１０上の入力部４０において第一の磁性層１０にスピン波が励起されると、第一の磁性層１０の長手方向にスピン波が伝搬する。このスピン波が第一の領域６０に差し掛かると、スピン波の高周波磁化成分ｍrfによる高周波磁束が第一の領域６０付近において導体閉路３０に鎖交する。これによって導体閉路３０に誘導起電力（Ｖ）が誘起される。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流Ｉrfが還流し、このＩrfが第二の磁性層２０上の第二の領域７０において高周波磁界 ｈrfを印加することになる。その結果、第二の磁性層２０上にスピン波が励起（入力）され、このスピン波が第二の磁性層２０の長手方向に伝搬されて、第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波が伝えられる。そして、第二の磁性層２０の長手方向にスピン波が伝搬して、第二の磁性層２０に設けられた検出部５０（例えばＴＭＲ素子など）を通過すると、検出部５０が伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出すことができる。
【００４７】
このような構成とすると、第一の磁性層１０との電磁結合と第二の磁性層２０との電磁結合を明確に分離しやすい。ただし、本変形例で説明した導体閉路３０は、図１に示した導体閉路３０と比較して、スピン波素子のサイズが比較的大きい場合に適用することが好ましい。
【００４８】
（変形例２）
図１を用いて説明したスピン波素子１は、この素子を上部から基板面垂直方向に眺めたときに、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが直角をなすように交差して配置されている。しかしながら、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度は９０度に限ることはなく、任意の角度を選択しても良い。また、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが平行に配置されても良い。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度に応じて導体閉路３０の形状と第一の磁性層１０および第二の磁性層２０と導体閉路３０の電磁結合部位を適宜選択しても差し支えない。
【００４９】
図１１は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例である。変形例２は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが直角以外の角度をなすように配置される場合の一例を示している。本変形例に係る導体閉路３０は、上部から眺めたときに、一辺が第一の磁性層１０と平行となり、他の一辺が第二の磁性層２０と平行となるように形成される。このスピン波素子３の動作は、スピン波素子１の動作と同様である。
【００５０】
（変形例３）
図１２は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第３の変形例である。本変形例に係るスピン波素子４は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両端部位を尖らせた形状としている。また、スピン波素子４を上部から基板面垂直方向に眺めたときに、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の長手方向が互いに平行となるように配置されている。
【００５１】
図１３は、スピン波素子４の要部断面図（図１２のＡ−Ａ’断面図）である。図１３（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１３（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００５２】
本変形例に係るスピン波素子４は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、図１３（ａ）に示す通り、基板８０の上に第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、導体閉路３０、非磁性絶縁層９１、第二の磁性層２０が、この順に積層構成される。基本構造としては、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と本質的な違いは無い。本変形例では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両端部位を先へ行くほど細くなるよう尖らせた形状にすることによって、尖端部でスピン波が多重反射して消滅する。そのため、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０における不要なスピン波の反射を防いで、スピン波信号の品質を良好なものに保つことが可能となる。なお、変形例３では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが平行となるように配置される場合を例としたが、スピン波を伝搬する磁性層の先端を尖らせた構造とすることは、スピン波素子４を上部から基板面垂直方向に眺めたときに第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度としてどのような角度を選択したときにも適用することができる。
【００５３】
（変形例４）
図１４は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例である。第１の実施形態およびその変形例１〜３で説明したスピン波素子は、導体閉路３０が属する面の法線（以降では、導体閉路の軸と称する）がｚ方向であり、基板８０と第一の磁性層１０そして第二の磁性層２０が形成される夫々の平面（第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の最も広い面が形成される平面）に垂直である。それに対して、第４の変形例に係るスピン波素子５は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の間に平行に配置された導体閉路３０の軸（ｙ方向。図１４の”ａ”）が基板８０と第一の磁性層１０そして第二の磁性層２０が形成される夫々の平面に対して平行である。
【００５４】
図１５は、スピン波素子５の要部断面図（図１４のＡ−Ａ’断面図）である。図１５（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１５（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００５５】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、基板８０の上に第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、導体閉路３０（３０の内側には非磁性絶縁層９４が埋設される）、非磁性絶縁層９１、第二の磁性層２０が、この順に積層されてスピン波素子５を構成する。基本構造としては、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と本質的な違いは無い。スピン波素子５の導体閉路３０の上下電流経路の基板８０面垂直方向の間隔は、インピーダンスの大きさに応じて設定され、数１００ｎｍ以下とすることが好ましい。導体閉路３０の上下電流経路の基板８０面垂直方向の間隔を適切に選択することによって、第一の磁性層１０と導体閉路との電磁結合と第二の磁性層２０と導体閉路との電磁結合とを良好に分離することができる。
【００５６】
なお、図１４と図１５では、第一の磁性層１０が導体閉路３０よりも上に、第二の磁性層２０が導体閉路３０よりも下に配置されているが、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両方が導体閉路３０よりも上または下に配置されていても良い。また、図１６に示すように、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とを積層方向（ｚ方向）に眺めて重なるよう、導体閉路３０を挟んで上下に第一の磁性層１０と第二の磁性層２０が平行に配置されても良い。また、図１７に示すように、第一の磁性層１０または第二の磁性層２０を導体閉路３０の基板８０面に略垂直な方向の領域において電磁結合するように配置しても良い。導体閉路３０の一部が第一の磁性層１０と電磁結合し、他の一部が第二の磁性層２０と電磁結合するように配置すれば良い。
【００５７】
（第２の実施形態）
図１８は、第２の実施形態に係るスピン波素子全体を基板８０の上部から眺めた図である。第２の実施形態に係るスピン波素子６は、多入力のスピン波素子である。スピン波素子６は、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と同様に、基板上に、少なくとも１層の強磁性層から成る第一の磁性層１０とドーナツ状の導体閉路３０と少なくとも１層の強磁性層から成る第二の磁性層２０を含む。ただし、第一の磁性層１０の形状がスピン波素子１とは異なる。
【００５８】
スピン波素子６の第一の磁性層１０は、ｎ本に分かれた第一の磁性層１０ａ〜１０ｎ（ｎは入力の数を表す。）が中心位置（領域３００）から放射状に広がった形状をしており、放射状に広がった各先端に入力部４０ａ〜４０ｎが設けられる。なお、本実施形態では、２つの第二の磁性層２０ａ、２０ｂが設けられる場合を例にして説明するが、第二の磁性層は１つでも良いし、２つよりも多くても良い。
【００５９】
入力部４０ａ〜４０ｎにおいてスピン波を励起すると、スピン波が第一の磁性層１０ａ〜１０ｎを伝搬し、これが多入力スピン波素子上の領域３００において重畳されて合成スピン波が形成される。このスピン波の重畳は多数決論理演算結果を出力することに相当する。合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起し、この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が二つの第二の領域７０ａ、７０ｂにおいて二本の第二の磁性層２０ａ、２０ｂに高周波磁界を印加することによって合成スピン波が磁性層２０へ効率的に伝えられる。そして、第二の磁性層２０ａ、２０ｂに夫々設けられた検出部５０が第二の磁性層２０ａ、２０ｂを伝搬するスピン波を高感度に検出することができる。
【００６０】
なお、第一の磁性層１０ａ〜１０ｎ、導体閉路３０、第二の磁性層２０ａ、２０ｂを構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０の構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様である。また、第１の実施形態について変形例１〜４などで説明した変形は、第２の実施形態に係るスピン波素子に対しても適用することができる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る多入力のスピン波素子６においても、高効率に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができるスピン波素子・デバイスを実現することができる。
【００６２】
（変形例１）
図１９は、第２の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例である。第１の変形例に係るスピン波素子は、図示しない基板上に、複数の入力部４０ａ〜４０ｎが設けられた第一の磁性層１０とドーナツ型の導体閉路３０と第二の磁性層２０がこの順に且つ基板の面に垂直な方向に互いに平行にパターン形成される。本例の第一の磁性層１０は、第一の実施形態にて説明したスピン波素子１の第一の磁性層１０が線のように特定の方向に延在した形状であるのに対して、スピン波素子７の第一の磁性層１０は導体閉路３０よりも大きい。上部からスピン波素子７を眺めると、第一の磁性層１０が占める面積が導体閉路３０の占める面積よりも広い、面のような形状をなす。
【００６３】
複数の入力部４０ａ〜４０ｎにおいて励起され且つ第一の磁性層１０中を伝搬する複数のスピン波が第一の磁性層１０の領域３００に到達し、領域３００において複数のスピン波が重畳された合成スピン波が形成され（スピン波の重畳により多数決論理演算結果が出力される）、その合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起する。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が第二の領域７０において第二の磁性層２０に高周波磁界を印加することによって合成スピン波が第二の磁性層２０へ効率的に伝えられる。そして、第二の磁性層２０ａ、２０ｂに夫々設けられた検出部５０が第二の磁性層２０ａ、２０ｂを伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出す。
【００６４】
なお、本例においては、スピン波伝搬が第一の磁性層１０の膜面内に均等均一に伝搬（球面波伝搬）する必要がある。そのため、多入力スピン波素子７を形成する磁性層は垂直異方性をもつことが好ましく、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からなる。
【００６５】
ここで、入力部４０ａ〜４０ｎの位置関係について触れておく。複数の入力部４０ａ〜４０ｎへそれぞれ信号を入力して多入力信号処理を行うにあたり、入力部４０ａ〜４０ｎは第一の磁性層１０上へ次のように配置する。ｎ番目の入力部の重心と、領域３００までの距離をdnとすると、第nスピン波発生部位から信号検出電極へ向かうスピン波の波数knと振動数ωnと、第nスピン波発生部位への信号入力時刻ｔn、信号検出時刻ｔDを用いて、
|cos(k1d1−ω1(tD−t1)) - cos(kndn−ωn (tD−tn))| < 2
なる関係を持つように配置する。ここで、波数と振動数は、振幅が最も大きなメインとなるスピン波に関する。振動数は、実際にはオシロスコープで検出することができる。
【００６６】
信号入力は、入力部４０ａ〜４０ｎに流す電流もしくは電圧の極性を入力信号０か１に対応させる、あるいは入力部４０ａ〜４０ｎに印加する電圧の有無を入力信号の０か１に対応させて入力する。このようにして入力されたスピン波が第一の磁性層１０を伝搬し、第一の磁性層１０の領域３００でスピン波が合成される。このような配置にすると、入力信号に対し動作不良を防いでスピン波の加算処理をすることができる。
【００６７】
なお、第二の磁性層２０、導体閉路３０を構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０の構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様であるため、説明を省略する。
【００６８】
（変形例２）
図２０は、第２の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例である。第２の変形例に係るスピン波素子８は、図示しない基板の上に、第一の磁性層１０、平面状の導体閉路３０、第二の磁性層２０が、この順番に且つ基板の面に垂直な方向に互いに概ね平行に形成されて成る。スピン波素子８の基本動作は図１８で説明した第２の実施形態に係るスピン波素子６と同様であるが、スピン波素子６とは第一の磁性層１０の形状が異なる。
【００６９】
本変形例に係るスピン波素子８は、第一の磁性層１０の膜厚方向から眺めたときに、第一の磁性層１０の外縁の一部の形状が楕円の一部であり、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０とを結ぶ直線が楕円の長軸と重なっており、楕円の一部は入力部４０ａ〜４０ｎの側に存在している。入力部４０ａ〜４０ｎの夫々の重心は、夫々が属する上記楕円（焦点位置が２箇所）の一方の焦点位置にあり、上記楕円の夫々の他方の焦点位置は全て共通で領域３００の重心位置に一致するように磁性層１０がパターニングされる。
【００７０】
このような構成のスピン波素子８では、入力部４０ａ〜４０ｎから励起され第一の磁性層１０を伝搬する複数のスピン波は、第一の磁性層１０の領域３００に到達し、領域３００において複数のスピン波が重畳された合成スピン波が形成され（スピン波の重畳により多数決論理演算結果が出力される）、その合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起し、この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が第二の領域７０において第二の磁性層２０に高周波磁界を印加することによって合成スピン波が第二の磁性層２０へ効率的に伝えられる。この伝えられたスピン波が第二の磁性層２０上に設けられた検出部５０に到達することで、検出部５０がスピン波を効率的に検出することができる。
【００７１】
本実施例においては、スピン波伝搬が第一の磁性層１０の膜面内に均等均一に伝搬する必要がある。そのため、第一の磁性層１０は垂直異方性をもつことが好ましく、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からなる。
【００７２】
なお、磁性層２０ａ、２０ｂ、導体閉路３０を構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０ａ、５０ｂの構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様である。
【００７３】
以上、第１の実施形態およびその変形例１〜４、第２の実施形態およびその変形例１〜２で説明したように、導体閉路の形状や、第一の磁性層および第二の磁性層との位置関係や、第一の磁性層および第二の磁性層の形状は、様々に変更することができる。さらに、導電閉路の設置方法により、面内磁化配向膜から垂直磁化配向膜までの伝搬媒体へスピン波を伝えることができる。
【００７４】
また、第一の磁性層に入力部が設けられ、第一の磁性層からスピン波が伝えられる第二の磁性層に検出部が設けられるとして説明したが、図２１に示すように、第二の磁性層に検出部を設けずに、第二の磁性層から他の磁性層へ更にスピン波を伝搬させても良い。つまり、入力部、第一の磁性層、導体閉路、第二の磁性層を検出部が設けられた他の磁性層へのスピン波入力装置として用いても良い。さらには、第一の磁性層から第二の磁性層へスピン波を伝え、第二の磁性層から第三の磁性層へスピン波を伝え、というようにスピン波を次々と他の磁性層へ伝え、最終的に検出部が設けられた第ｎの磁性層（ｎは任意の数）までスピン波を伝えるように構成しても良い。このように、幾つものケースへの適応が容易であり、スピン波素子の設計自由度が大きい。
【００７５】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、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、実施形態およびその変形例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良い。さらに、異なる実施形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１…スピン波素子、１０…第一の磁性層、２０…第二の磁性層、３０…導体閉路、４０…入力部、５０…検出部、６０…第一の領域、７０…第二の領域、８０…基板、８５…導電膜、９０・９１・９４…非磁性絶縁層、１００…電極、１１０…磁化固着層、１２０…非磁性層、１３０…信号源、１７０…反強磁性層、２０５…絶縁層、３００…領域
【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】
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイスの微細化は、信号処理デバイスの性能向上を牽引し、論理処理装置として様々な市場の高機能化・高性能化に貢献してきた。しかしながら、幾多もの製造的課題を解決することで推進されてきた微細化は、いずれは物理的限界に達すると予想されている。また、微細化とともに消費電力が大きな課題として顕在化してきた。
【０００３】
このような状況下で、さらなる性能向上に向けたブレークスルーの１つとして、光やスピン、バイオ等、従来と同様の電荷を用いない情報処理の検討が進められている。スピンを使った情報処理デバイスとして、スピンＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）や、Ｄａｔｔ−Ｄａｓ型スピントランジスタ、スピンゲイントランジスタ等が提案されている。また、多入力スピン波素子を利用することで、従来のＣＭＯＳ論理デバイスを用いるよりも遥かに少ない素子数で大規模な演算を高速に実行することが可能となる。ただし、より大規模の論理演算が求められる場合には、複数の多入力スピン波素子の間で、効率的にスピン波を伝える必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５２８４５６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】B. Behin-Alein, etal ,” Proposal for an all-spin logic device with built-in memory”, Nature nanotecnology, published online : 28 Feb. 2010, DOI:10.1038/NNANO.2010.31
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のスピン波伝搬技術においては、二つのスピン波素子間でスピン波を伝える領域においてスピンＭＯＳＦＥＴ等を用いることによって、外部エネルギーの供給が必要であり、大規模の論理処理デバイスを構成すると、トータルでは消費電力が大きくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の実施形態によるスピン波素子は、絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子全体を基板の上部から眺めた図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るスピン波素子のスタブの長さＬを変化させたときの第二の磁性層２０へ伝搬するスピン波の効率を示す図。
【図３】第１の実施形態に係るスピン波素子の要部断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）。
【図４】第１の実施形態に係るスピン波素子の入力部の断面図。
【図５】第１の実施形態に係るスピン波素子へ信号源から供給される電圧を示す図。
【図６】第１の実施形態に係るスピン波素子の入力部の断面図。
【図７】第１の実施形態に係るスピン波素子の検出部の断面図。
【図８】第１の実施形態に係るスピン波素子の検出部の断面図。
【図９】第１の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例を示す図。
【図１０】第１の実施形態の第１の変形例に係るスピン波素子の要部断面図（図９のＡ−Ａ’断面図）。
【図１１】第１の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例を示す図。
【図１２】第１の実施形態に係るスピン波素子の第３の変形例を示す図。
【図１３】第１の実施形態の第３の変形例のスピン波素子の要部断面図（図１２のＡ−Ａ’断面図）。
【図１４】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１５】第１の実施形態の第４の変形例に係るスピン波素子の要部断面図（図１４のＡ−Ａ’断面図）。
【図１６】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１７】第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例を示す図。
【図１８】第２の実施形態に係るスピン波素子全体を基板の上部から眺めた図。
【図１９】第２の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例を示す図。
【図２０】第２の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例を示す図。
【図２１】第２の実施形態に係るスピン波素子の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態について詳細に説明する。
【００１０】
（第1の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るスピン波素子全体を基板８０の上部から眺めた図である。なお、基板８０上には絶縁層が形成されるが、図１ではこの絶縁層の図示を省略する。絶縁層については、図３を用いて後述する。
【００１１】
図１に示すように、第１の実施形態に係るスピン波素子１は、基板８０上に、少なくとも１層の第一の磁性層１０とドーナツ状の非磁性の導体閉路（ショートコイル：ｓｈｏｒｔ ｃｏｉｌ）３０と少なくとも１層の第二の磁性層２０を含む。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、多層であっても良い。また、第一の磁性層１０には入力部４０が設けられ、第二の磁性層２０には検出部５０が設けられる。
【００１２】
第一の磁性層１０は、ｙ方向に延在し、第二の磁性層２０は、ｘ方向に延在し、この特定の方向を層の「長さ」としたときの、層の「幅」（図１のｄ）がｄ≦λ／２≦３ｄ（ただし、λはスピン波の波長）である線状を成す。導体閉路３０は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の層の幅ｄとほぼ等しい幅の非磁性導体が輪のように閉じた形状を成し、他との電気的接続を持たない。
【００１３】
第一の磁性層１０、導体閉路３０、第二の磁性層２０は、基板８０の面に平行であり、基板８０の面に垂直なｚ方向に基板８０に近い方から順に第一の磁性層１０、導体閉路３０、第二の磁性層２０が配置される。図１は、導体閉路３０上に第二の磁性層２０が積層されている状態を示しているが、説明のために、第二の磁性層２０下に位置する導体閉路３０の一部も図示している。なお、第一の磁性層１０、第二の磁性層２０、導体閉路３０の積層順はこれに限らず、基板８０の面に垂直なｚ方向に基板８０に近い方から順に第二の磁性層２０、導体閉路３０、第一の磁性層１０が配置されても良い。
【００１４】
図１では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は基板８０の上部から眺めて交わるように配置されており、第一の磁性層１０および第二の磁性層２０の磁気異方性は磁性層長手方向または膜面垂直方向のいずれかを向く。さらに、導体閉路３０の一部は、第一の磁性層１０上に配置されて第一の磁性層１０と電磁結合し、導体閉路３０の他部は、第二の磁性層２０下に配置されて第二の磁性層２０と電磁結合する。
【００１５】
第一の磁性層１０上の入力部４０において第一の磁性層１０にスピン波が励起されると、第一の磁性層１０の長手方向（ｙ方向）にスピン波が伝搬する。図中では、スピン波が伝搬する方向を波矢印で示す。このスピン波が第一の領域６０に差し掛かると、スピン波の高周波磁化成分ｍrfによる高周波磁束が第一の領域６０付近において導体閉路３０に鎖交する。これによって導体閉路３０に誘導起電力（Ｖ）が誘起される。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流Ｉrfを還流し、この高周波電流Ｉrfが第二の磁性層２０上の第二の領域７０において高周波磁界ｈrfを印加する。その結果、第二の磁性層２０にスピン波が励起（入力）され、このスピン波が第二の磁性層２０の長手方向（ｘ方向）に伝搬されて、第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波が伝搬される。そして、第二の磁性層２０の長手方向（ｘ方向）にスピン波が伝搬して、第二の磁性層２０に設けられた検出部５０（例えばＴＭＲ素子など）を通過すると、伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出すことができる。伝搬するスピン波周波数は非常に高く（数ＧＨｚから数１００ＧＨｚ前後）、しかもスピン波素子全体の微細化を図ると、導体閉路３０のインピーダンスを大幅に低下させることができるため、上述の誘導起電力Ｖ、高周波電流Ｉrf、高周波磁界ｈrfのいずれも大きな値を見込むことができ、より高効率にスピン波を伝えることが期待できる。さらに、本実施形態のスピン波素子の構造が非常に簡単であるため、素子製造プロセスが容易となり、低コストで素子の３次元化を含めた高集積度のスピン波素子・デバイスを実現することができる。
【００１６】
なお、基板上部から第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の積層方向に眺めたときの第一の磁性層１０と第二の磁性層２０との重なりの端部から第二の磁性層２０の開放端部までの第二の磁性層２０（以降では、スタブと称する）の長さＬが、次式を満たすときに、より効率的に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができる。
【数１】
【００１７】
式（１）のａは、入力部４０の円相当径（入力部４０の投影面積と同じ面積を持つ円の直径を意味する）であり、μｒは第二の磁性層２０の比透磁率であり、εｒは第二の磁性層２０の比誘電率である。
【００１８】
入力部４０によって励起されるスピン波の波長は入力部４０のサイズに応じて決まる（λ＝ａ）。また、第一の磁性層１０や第二の磁性層２０中では、波長短縮が生じ、実行波長がλ＊（λ＊＝λ／√εｒμｒ）となる。図２は、第二の磁性層２０の比透磁率μｒ２が１００であり、λ＊／４＝２５０ｎｍである場合に、Ｌを変化させたときの第二の磁性層２０へ伝搬するスピン波の効率を示す。ここで示す効率は、導体閉路３０を挿入したことによる電磁結合の効率向上を以下の方法で見積もったものである。第一の磁性層１０の第一の領域６０付近において、スピン波の高周波磁化成分ｍｒｆによって生じる高周波磁束をＨ１と定義した。また、このＨ１が導体閉路３０に鎖交して高周波電流Ｉｒｆが流れることで、第二の磁性層２０上の第二の領域７０に励起される高周波磁界をＨ２と定義した。この時、電磁結合で第二の磁性層２０へ取り出されるスピン波の効率はＨ２／Ｈ１となる。図２では、第一の磁性層１０の比透磁率μｒ１が１００と１０００の２通りを示している。図２に示されているように、スタブの長さＬをλ＊／４とした場合に、最も効率が良いことが分かる。
【００１９】
ただし、Ｌは式（１）に限ることは無く、適宜変更することができる。
【００２０】
次に、スピン波素子１を構成する各構要素の材料系について以下に説明する。基板８０には、例えばＳｉを用いることができる。
【００２１】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に向いた磁性層（垂直磁化配向膜）と、磁化が膜面に対して略水平を向いた磁性膜（面内磁化配向膜）とを適宜使い分けることができる。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両方が面内磁化配向膜もしくは垂直磁化配向膜であっても良いし、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０との一方が面内磁化配向膜で他方が垂直磁化配向膜であっても良い。
【００２２】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成される。もしくは、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む合金としても良い。もしくは、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０は、ＴｅＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｆｅの積層構造、あるいはＹＩＧ（イットリウム・鉄・ガーネット）、Ｆｅ3Ｏ4（マグネタイト）、γ−Ｆｅ2Ｏ3（マグヘマイト）、ＢａＦｅ12Ｏ19（バリウムフェライト）などのような絶縁性磁性体により構成しても良い。
【００２３】
導体閉路３０は、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などのような高導電性の金属元素のグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせによる合金により構成される。もしくは、導体閉路３０を、金属系超電導体であるＮｂまたはＮｂ合金（臨界温度Ｔｃ：１０〜２０Ｋ）、ペロブスカイト系超電導体であるＢｉ−Ｓｒ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜１０９Ｋ）、イットリウム系高温超電導体Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜９３Ｋ）、水銀系銅酸化物Ｈｇ−Ｔｌ−Ｂａ−Ｃａ−Ｃｕ−Ｏ（Ｔｃ〜１６０Ｋ）などを用いて構成しても差し支えない。この場合、導体閉路３０のインピーダンスを極限まで低下させることができるため、誘導起電力Ｖによる導体閉路３０中を流れる高周波電流Ｉrfが大きくなり、その結果、第二の磁性層２０に印加される高周波磁界ｈrfの強度が増すため、極めて高効率にスピン波を伝えることができる。これらの材料は、室温では超電導を示さないが、将来的に室温で超電導特性を示す材料が実用化されれば、導体閉路３０に適用可能であることは言うまでもない。
【００２４】
図３は、第１の実施形態に係るスピン波素子１の要部断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）である。図３では、入力部４０と検出部５０の表示は省略する。図３（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図３（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００２５】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、誘導起電力Ｖにより導体閉路３０を環流する高周波電流Ｉrfが第一の磁性層１０および第二の磁性層２０に漏れないようにする必要がある。そのため、図３（ａ）に示すとおり導体閉路３０と第一の磁性層１０の間および導体閉路３０と第二の磁性層２０の間に非磁性絶縁層９０、９１を設ける。そして、基板８０上には第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、９１、導体閉路３０を囲うように絶縁層２０５が形成される。
【００２６】
それに対して、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０が絶縁性磁性体により構成される場合には、図３（ｂ）に示すとおり導体閉路３０は、第一の磁性層１０および第二の磁性層２０と直接接触させる。そして、基板８０上には第一の磁性層１０、導体閉路３０を囲うように絶縁層２０５が形成される。
【００２７】
なお、基板８０がＳｉなどのある程度導電性がある材料によって構成される基板である場合には、図３に示すように、基板８０の裏側にＣｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）などのような導電膜８５を配置して、この導電膜８５を電気的に接地する。
【００２８】
次に、入力部４０について説明する。入力部４０と第一の磁性層１０との接触面の形状は、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によって、接触面に略垂直の方向に電圧を印加する、もしくは電流を流すと、第一の磁性層１０の接触面直下の領域に球面波状のスピン波を励起させる。入力部４０の大きさは、第一の磁性層１０との接触面の直径が５００ｎｍ以下であることが磁区制御上望ましい。さらに、励起効率および集積化を考慮すると、１００ｎｍ以下であることが望ましい。また、接触面の直径が１ｎｍよりも小さいと、スピン波を励起するためのエネルギーが大きいため、１ｎｍ以上であることが好ましい。ここで、接触面の「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には対角線の長さを意味する。
【００２９】
図４は、入力部４０の断面図である。入力部４０には、信号源１３０が接続され、そこから電圧もしくは電流が供給される。スピン波入力のために信号源１３０から供給される電圧は、図５のようなパルス波形をなす。入力部４０は、第一の磁性層１０上に、非磁性層１２０、磁化固着層１１０、電極１００が、この順に積層されて形成される。
【００３０】
電極１００には、導電性の磁性材料又は非磁性材料を用いる。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。面内磁化膜はしては例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）からなる群から選択された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Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）から選択される少なくとも一つの元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）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。例えばＦｅＶＰｄ、ＦｅＣｒＰｄ、ＣｏＦｅＰｔ等である。これらは、構成する磁化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。
【００３１】
電極１００に用いられる非磁性材料としては、Ｃｕ（銅）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、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良い。さらに、カーボンナノチューブやカーボンナノワイヤ、グラフェン等の材料を用いても良い。
【００３２】
磁化固着層１１０は、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）のグループから選択される１つ以上の元素を含む磁性金属により構成される。また、ＴｅＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｆｅの積層構造などにより構成しても良い。以降では、磁化固着層１１０の磁化は、面内方向に対して垂直方向（積層方向）を向いているとして説明するが、磁化固着層１１０の磁化は積層方向に限定しない。
【００３３】
非磁性層１２０は、非磁性バリア層と非磁性金属層のうち、いずれを採用しても良い。非磁性バリア層を採用する場合、非磁性層１２０には、読み出し時にＴＭＲ（tunnel magnetoresistive）効果により大きな再生信号出力を得るためのトンネルバリア層としての絶縁材料を用いることができる。具体的には、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）、Ｆｅ（鉄）のグループから選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物、窒化物又は弗化物により非磁性バリア層を構成することができる。特に、非磁性バリア層は、Ａｌ2Ｏ3-x（アルミナ）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＳｉＯ2-x、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、ＺｎＯx、ＴｉＯx、等、大きなエネルギーギャップを有する半導体（ＧａＡｌＡｓなど)から構成することが好ましい。
【００３４】
非磁性層１２０に非磁性金属層を採用する場合、非磁性層１２０には、読み出し時にＧＭＲ（giant magnetoresistive）効果により再生信号出力を得るための非磁性金属層を用いることができる。具体的には、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉなどの非磁性金属元素のいずれかあるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。
【００３５】
スピン波入力（励起）の際には、信号源１３０から電極１００に負の電位を加える。すると、電極１００から電子が第一の磁性層１０に向かって流れる際に、磁化固着層１１０の磁化の向きにスピン偏極した電子流が流れる。このスピン偏極した電子流により第一の磁性層１０にスピントルクが働くことによって、第一の磁性層１０の第一の領域６０にスピン波が誘起されることになる。このスピン波は、入力部４０のサイズに応じた波長λを持つ。このスピン波の波長λを考慮すると、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の幅ｄは、ｄ≦λ／２≦３ｄとすることが望ましい。励起源のサイズまで第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の幅ｄを縮小させることで、スケーラビリティーを持たせることができる。
【００３６】
なお、入力部４０は、図６に示すように、磁化固着層１１０と電極１００との間に反強磁性層１７０を設けて構成しても良い。
【００３７】
次に、検出部５０について説明する。検出部５０と第二の磁性層２０との接触面の形状は、円形、楕円形、多角形などのドット形状とすることができる。接触面の大きさ（平均直径）は第二の磁性層２０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望ましい。これは、スピン波の波長と検出部５０の接触面の大きさが同じであると、検出部５０側でスピン波が打ち消される可能性があるためである。
【００３８】
図７は、検出部５０の断面図である。検出部５０は、電気的に接地された第二の磁性層２０上に、非磁性層１６０、磁化固着層１５０、電極１４０が、この順に積層されて形成される。電極１４０、磁化固着層１５０、非磁性層１６０は、それぞれ電極１００、磁化固着層１１０、非磁性層１２０と同様の材料を用いて構成することができる。
【００３９】
信号検出用の電極１４０は、検出部５０と第二の磁性層２０との接触面に略垂直の方向に電圧を印加する、もしくは電流を流し、ＴＭＲ効果もしくはＧＭＲ効果を用いて第二の磁性層２０に伝搬するスピン波を信号として検出することができる。
【００４０】
ここでは、ＴＭＲ効果を利用した場合の検出メカニズムを説明する。ＴＭＲ効果を利用する場合、検出部５０は、磁化フリー層としての第二の磁性層２０、非磁性層としての中間絶縁層１６０、磁化固着層１５０、電極１４０とからなり、第二の磁性層２０は電気的に接地されている。検出部５０において、伝搬スピン波による第二の磁性層の磁化の向きと磁化固着層１５０の磁化の向きのなす角に応じて、検出部５０にはＴＭＲ効果に伴う電気抵抗変化が生じるため、電極１４０と基板８０との間に一定の電圧を加えておけば、スピン波に応じた電圧変化を検出することができる。
【００４１】
なお、検出部５０は、図８に示すように、磁化固着層１５０と電極１４０との間に反強磁性層１７０を設けて構成しても良い。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態に係るスピン波素子１では、第一の磁性層１０と第一の領域６０において電磁結合し、第二の磁性層２０と第二の領域７０において電磁結合するように非磁性導体３０を配置する。このような実施形態に係るスピン波素子１によれば、外部エネルギーの供給が無くとも高効率に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができ、省電力のスピン波素子・デバイスを実現することができる。また、スピン波素子１の製造プロセスは容易であり、低コストに製造することができる。さらに、３次元構造をもつ高集積度のスピン波素子・デバイスを容易に実現することができる。
【００４３】
（変形例１）
図９は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例である。本変形例に係るスピン波素子２の導体閉路３０は、ｘ方向に延在する３本の導線とｙ方向に延在する３本の導線から構成される「く」の字型の平面型導体閉路である。導体閉路３０のｘ方向に延在する第一の導線と第一の導線よりも長い第二の導線は、基板上面から眺めたときに、第一の磁性層１０と交差するように配置される。また、導体閉路３０のｙ方向に延在する第三の導線と第三の導線よりも長い第四の導線は、基板上面から眺めたときに、第二の磁性層２０と交差するように配置され、一端がそれぞれ第一の導線と第二の導線に接続する。さらに、導体閉路３０のｙ方向に延在する第五の導線は第一の導線の一端（第三の導線と接続する端とは異なる）と第二の導線の一端（第四の導線と接続する端とは異なる）を接続し、導体閉路３０のｘ方向に延在する第六の導線は第三の導線の一端（第一の導線と接続する端とは異なる）と第四の導線の一端（第二の導線と接続する端とは異なる）を接続する。
【００４４】
導体閉路３０は、第一の領域６０において第一の導線と第二の導線と第五の導線を含む一部が第一の磁性層１０と電磁結合（第一の電磁結合）し、第二の領域７０において第三の導線と第四の導線と第六の導線を含む一部が第二の磁性層２０と電磁結合（第二の電磁結合）するように配置される。図９のように基板上部からスピン波素子２を眺めると、導体閉路３０の第一の導線と第二の導線が第一の磁性層１０と交差し、第三の導線と第四の導線が第二の磁性層２０と交差するように配置される。
【００４５】
図１０は、本変形例に係るスピン波素子２の要部断面図（図９のＡ−Ａ’断面図）である。図１０では、入力部４０と検出部５０の表示は省略する。図１０（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１０（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００４６】
スピン波素子２の動作は、スピン波素子１の動作と同様である。第一の磁性層１０上の入力部４０において第一の磁性層１０にスピン波が励起されると、第一の磁性層１０の長手方向にスピン波が伝搬する。このスピン波が第一の領域６０に差し掛かると、スピン波の高周波磁化成分ｍrfによる高周波磁束が第一の領域６０付近において導体閉路３０に鎖交する。これによって導体閉路３０に誘導起電力（Ｖ）が誘起される。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流Ｉrfが還流し、このＩrfが第二の磁性層２０上の第二の領域７０において高周波磁界 ｈrfを印加することになる。その結果、第二の磁性層２０上にスピン波が励起（入力）され、このスピン波が第二の磁性層２０の長手方向に伝搬されて、第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波が伝えられる。そして、第二の磁性層２０の長手方向にスピン波が伝搬して、第二の磁性層２０に設けられた検出部５０（例えばＴＭＲ素子など）を通過すると、検出部５０が伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出すことができる。
【００４７】
このような構成とすると、第一の磁性層１０との電磁結合と第二の磁性層２０との電磁結合を明確に分離しやすい。ただし、本変形例で説明した導体閉路３０は、図１に示した導体閉路３０と比較して、スピン波素子のサイズが比較的大きい場合に適用することが好ましい。
【００４８】
（変形例２）
図１を用いて説明したスピン波素子１は、この素子を上部から基板面垂直方向に眺めたときに、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが直角をなすように交差して配置されている。しかしながら、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度は９０度に限ることはなく、任意の角度を選択しても良い。また、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが平行に配置されても良い。第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度に応じて導体閉路３０の形状と第一の磁性層１０および第二の磁性層２０と導体閉路３０の電磁結合部位を適宜選択しても差し支えない。
【００４９】
図１１は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例である。変形例２は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが直角以外の角度をなすように配置される場合の一例を示している。本変形例に係る導体閉路３０は、上部から眺めたときに、一辺が第一の磁性層１０と平行となり、他の一辺が第二の磁性層２０と平行となるように形成される。このスピン波素子３の動作は、スピン波素子１の動作と同様である。
【００５０】
（変形例３）
図１２は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第３の変形例である。本変形例に係るスピン波素子４は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両端部位を尖らせた形状としている。また、スピン波素子４を上部から基板面垂直方向に眺めたときに、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の長手方向が互いに平行となるように配置されている。
【００５１】
図１３は、スピン波素子４の要部断面図（図１２のＡ−Ａ’断面図）である。図１３（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１３（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００５２】
本変形例に係るスピン波素子４は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、図１３（ａ）に示す通り、基板８０の上に第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、導体閉路３０、非磁性絶縁層９１、第二の磁性層２０が、この順に積層構成される。基本構造としては、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と本質的な違いは無い。本変形例では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両端部位を先へ行くほど細くなるよう尖らせた形状にすることによって、尖端部でスピン波が多重反射して消滅する。そのため、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０における不要なスピン波の反射を防いで、スピン波信号の品質を良好なものに保つことが可能となる。なお、変形例３では、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが平行となるように配置される場合を例としたが、スピン波を伝搬する磁性層の先端を尖らせた構造とすることは、スピン波素子４を上部から基板面垂直方向に眺めたときに第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とがなす角度としてどのような角度を選択したときにも適用することができる。
【００５３】
（変形例４）
図１４は、第１の実施形態に係るスピン波素子の第４の変形例である。第１の実施形態およびその変形例１〜３で説明したスピン波素子は、導体閉路３０が属する面の法線（以降では、導体閉路の軸と称する）がｚ方向であり、基板８０と第一の磁性層１０そして第二の磁性層２０が形成される夫々の平面（第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の最も広い面が形成される平面）に垂直である。それに対して、第４の変形例に係るスピン波素子５は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の間に平行に配置された導体閉路３０の軸（ｙ方向。図１４の”ａ”）が基板８０と第一の磁性層１０そして第二の磁性層２０が形成される夫々の平面に対して平行である。
【００５４】
図１５は、スピン波素子５の要部断面図（図１４のＡ−Ａ’断面図）である。図１５（ａ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合の断面図であり、図１５（ｂ）は、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが絶縁性磁性体から構成される場合の断面図である。
【００５５】
第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とが磁性金属から構成される場合、基板８０の上に第一の磁性層１０、非磁性絶縁層９０、導体閉路３０（３０の内側には非磁性絶縁層９４が埋設される）、非磁性絶縁層９１、第二の磁性層２０が、この順に積層されてスピン波素子５を構成する。基本構造としては、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と本質的な違いは無い。スピン波素子５の導体閉路３０の上下電流経路の基板８０面垂直方向の間隔は、インピーダンスの大きさに応じて設定され、数１００ｎｍ以下とすることが好ましい。導体閉路３０の上下電流経路の基板８０面垂直方向の間隔を適切に選択することによって、第一の磁性層１０と導体閉路との電磁結合と第二の磁性層２０と導体閉路との電磁結合とを良好に分離することができる。
【００５６】
なお、図１４と図１５では、第一の磁性層１０が導体閉路３０よりも上に、第二の磁性層２０が導体閉路３０よりも下に配置されているが、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０の両方が導体閉路３０よりも上または下に配置されていても良い。また、図１６に示すように、第一の磁性層１０と第二の磁性層２０とを積層方向（ｚ方向）に眺めて重なるよう、導体閉路３０を挟んで上下に第一の磁性層１０と第二の磁性層２０が平行に配置されても良い。また、図１７に示すように、第一の磁性層１０または第二の磁性層２０を導体閉路３０の基板８０面に略垂直な方向の領域において電磁結合するように配置しても良い。導体閉路３０の一部が第一の磁性層１０と電磁結合し、他の一部が第二の磁性層２０と電磁結合するように配置すれば良い。
【００５７】
（第２の実施形態）
図１８は、第２の実施形態に係るスピン波素子全体を基板８０の上部から眺めた図である。第２の実施形態に係るスピン波素子６は、多入力のスピン波素子である。スピン波素子６は、第１の実施形態にて説明したスピン波素子１と同様に、基板上に、少なくとも１層の強磁性層から成る第一の磁性層１０とドーナツ状の導体閉路３０と少なくとも１層の強磁性層から成る第二の磁性層２０を含む。ただし、第一の磁性層１０の形状がスピン波素子１とは異なる。
【００５８】
スピン波素子６の第一の磁性層１０は、ｎ本に分かれた第一の磁性層１０ａ〜１０ｎ（ｎは入力の数を表す。）が中心位置（領域３００）から放射状に広がった形状をしており、放射状に広がった各先端に入力部４０ａ〜４０ｎが設けられる。なお、本実施形態では、２つの第二の磁性層２０ａ、２０ｂが設けられる場合を例にして説明するが、第二の磁性層は１つでも良いし、２つよりも多くても良い。
【００５９】
入力部４０ａ〜４０ｎにおいてスピン波を励起すると、スピン波が第一の磁性層１０ａ〜１０ｎを伝搬し、これが多入力スピン波素子上の領域３００において重畳されて合成スピン波が形成される。このスピン波の重畳は多数決論理演算結果を出力することに相当する。合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起し、この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が二つの第二の領域７０ａ、７０ｂにおいて二本の第二の磁性層２０ａ、２０ｂに高周波磁界を印加することによって合成スピン波が磁性層２０へ効率的に伝えられる。そして、第二の磁性層２０ａ、２０ｂに夫々設けられた検出部５０が第二の磁性層２０ａ、２０ｂを伝搬するスピン波を高感度に検出することができる。
【００６０】
なお、第一の磁性層１０ａ〜１０ｎ、導体閉路３０、第二の磁性層２０ａ、２０ｂを構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０の構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様である。また、第１の実施形態について変形例１〜４などで説明した変形は、第２の実施形態に係るスピン波素子に対しても適用することができる。
【００６１】
このように、本実施形態に係る多入力のスピン波素子６においても、高効率に第一の磁性層１０から第二の磁性層２０へスピン波を伝えることができるスピン波素子・デバイスを実現することができる。
【００６２】
（変形例１）
図１９は、第２の実施形態に係るスピン波素子の第１の変形例である。第１の変形例に係るスピン波素子は、図示しない基板上に、複数の入力部４０ａ〜４０ｎが設けられた第一の磁性層１０とドーナツ型の導体閉路３０と第二の磁性層２０がこの順に且つ基板の面に垂直な方向に互いに平行にパターン形成される。本例の第一の磁性層１０は、第一の実施形態にて説明したスピン波素子１の第一の磁性層１０が線のように特定の方向に延在した形状であるのに対して、スピン波素子７の第一の磁性層１０は導体閉路３０よりも大きい。上部からスピン波素子７を眺めると、第一の磁性層１０が占める面積が導体閉路３０の占める面積よりも広い、面のような形状をなす。
【００６３】
複数の入力部４０ａ〜４０ｎにおいて励起され且つ第一の磁性層１０中を伝搬する複数のスピン波が第一の磁性層１０の領域３００に到達し、領域３００において複数のスピン波が重畳された合成スピン波が形成され（スピン波の重畳により多数決論理演算結果が出力される）、その合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起する。この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が第二の領域７０において第二の磁性層２０に高周波磁界を印加することによって合成スピン波が第二の磁性層２０へ効率的に伝えられる。そして、第二の磁性層２０ａ、２０ｂに夫々設けられた検出部５０が第二の磁性層２０ａ、２０ｂを伝搬したスピン波を電気出力信号として取り出す。
【００６４】
なお、本例においては、スピン波伝搬が第一の磁性層１０の膜面内に均等均一に伝搬（球面波伝搬）する必要がある。そのため、多入力スピン波素子７を形成する磁性層は垂直異方性をもつことが好ましく、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からなる。
【００６５】
ここで、入力部４０ａ〜４０ｎの位置関係について触れておく。複数の入力部４０ａ〜４０ｎへそれぞれ信号を入力して多入力信号処理を行うにあたり、入力部４０ａ〜４０ｎは第一の磁性層１０上へ次のように配置する。ｎ番目の入力部の重心と、領域３００までの距離をdnとすると、第nスピン波発生部位から信号検出電極へ向かうスピン波の波数knと振動数ωnと、第nスピン波発生部位への信号入力時刻ｔn、信号検出時刻ｔDを用いて、
|cos(k1d1−ω1(tD−t1)) - cos(kndn−ωn (tD−tn))| < 2
なる関係を持つように配置する。ここで、波数と振動数は、振幅が最も大きなメインとなるスピン波に関する。振動数は、実際にはオシロスコープで検出することができる。
【００６６】
信号入力は、入力部４０ａ〜４０ｎに流す電流もしくは電圧の極性を入力信号０か１に対応させる、あるいは入力部４０ａ〜４０ｎに印加する電圧の有無を入力信号の０か１に対応させて入力する。このようにして入力されたスピン波が第一の磁性層１０を伝搬し、第一の磁性層１０の領域３００でスピン波が合成される。このような配置にすると、入力信号に対し動作不良を防いでスピン波の加算処理をすることができる。
【００６７】
なお、第二の磁性層２０、導体閉路３０を構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０の構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様であるため、説明を省略する。
【００６８】
（変形例２）
図２０は、第２の実施形態に係るスピン波素子の第２の変形例である。第２の変形例に係るスピン波素子８は、図示しない基板の上に、第一の磁性層１０、平面状の導体閉路３０、第二の磁性層２０が、この順番に且つ基板の面に垂直な方向に互いに概ね平行に形成されて成る。スピン波素子８の基本動作は図１８で説明した第２の実施形態に係るスピン波素子６と同様であるが、スピン波素子６とは第一の磁性層１０の形状が異なる。
【００６９】
本変形例に係るスピン波素子８は、第一の磁性層１０の膜厚方向から眺めたときに、第一の磁性層１０の外縁の一部の形状が楕円の一部であり、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０とを結ぶ直線が楕円の長軸と重なっており、楕円の一部は入力部４０ａ〜４０ｎの側に存在している。入力部４０ａ〜４０ｎの夫々の重心は、夫々が属する上記楕円（焦点位置が２箇所）の一方の焦点位置にあり、上記楕円の夫々の他方の焦点位置は全て共通で領域３００の重心位置に一致するように磁性層１０がパターニングされる。
【００７０】
このような構成のスピン波素子８では、入力部４０ａ〜４０ｎから励起され第一の磁性層１０を伝搬する複数のスピン波は、第一の磁性層１０の領域３００に到達し、領域３００において複数のスピン波が重畳された合成スピン波が形成され（スピン波の重畳により多数決論理演算結果が出力される）、その合成スピン波が発する高周波磁界による高周波磁束が領域３００を取り囲む領域６０において導体閉路３０に鎖交して導体閉路３０に誘導起電力を誘起し、この誘導起電力が導体閉路３０に高周波電流を還流させ、この高周波電流が第二の領域７０において第二の磁性層２０に高周波磁界を印加することによって合成スピン波が第二の磁性層２０へ効率的に伝えられる。この伝えられたスピン波が第二の磁性層２０上に設けられた検出部５０に到達することで、検出部５０がスピン波を効率的に検出することができる。
【００７１】
本実施例においては、スピン波伝搬が第一の磁性層１０の膜面内に均等均一に伝搬する必要がある。そのため、第一の磁性層１０は垂直異方性をもつことが好ましく、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からなる。
【００７２】
なお、磁性層２０ａ、２０ｂ、導体閉路３０を構成する材料や、入力部４０ａ〜４０ｎと検出部５０ａ、５０ｂの構造、機能の詳細は、第１の実施形態について述べたものと同様である。
【００７３】
以上、第１の実施形態およびその変形例１〜４、第２の実施形態およびその変形例１〜２で説明したように、導体閉路の形状や、第一の磁性層および第二の磁性層との位置関係や、第一の磁性層および第二の磁性層の形状は、様々に変更することができる。さらに、導電閉路の設置方法により、面内磁化配向膜から垂直磁化配向膜までの伝搬媒体へスピン波を伝えることができる。
【００７４】
また、第一の磁性層に入力部が設けられ、第一の磁性層からスピン波が伝えられる第二の磁性層に検出部が設けられるとして説明したが、図２１に示すように、第二の磁性層に検出部を設けずに、第二の磁性層から他の磁性層へ更にスピン波を伝搬させても良い。つまり、入力部、第一の磁性層、導体閉路、第二の磁性層を検出部が設けられた他の磁性層へのスピン波入力装置として用いても良い。さらには、第一の磁性層から第二の磁性層へスピン波を伝え、第二の磁性層から第三の磁性層へスピン波を伝え、というようにスピン波を次々と他の磁性層へ伝え、最終的に検出部が設けられた第ｎの磁性層（ｎは任意の数）までスピン波を伝えるように構成しても良い。このように、幾つものケースへの適応が容易であり、スピン波素子の設計自由度が大きい。
【００７５】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、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、実施形態およびその変形例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良い。さらに、異なる実施形態および変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１…スピン波素子、１０…第一の磁性層、２０…第二の磁性層、３０…導体閉路、４０…入力部、５０…検出部、６０…第一の領域、７０…第二の領域、８０…基板、８５…導電膜、９０・９１・９４…非磁性絶縁層、１００…電極、１１０…磁化固着層、１２０…非磁性層、１３０…信号源、１７０…反強磁性層、２０５…絶縁層、３００…領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、
前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、
前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、
前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有することを特徴とするスピン波素子。
【請求項２】
磁性金属からなる第一の磁性層と、
前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、
前記第一の磁性層と接して設けられた第一の非磁性絶縁層と、
前記第一の非磁性絶縁層の前記第一の磁性層と接する面と対向する面に接する非磁性の導体閉路と、
前記導体閉路と接して設けられた第二の非磁性絶縁層と、
前記第二の非磁性絶縁層の前記導体閉路と接する面と対向する面に接し、磁性金属からなる第二の磁性層とを有することを特徴とするスピン波素子。
【請求項３】
前記入力部は、前記第一の磁性層の前記導体閉路と対向する領域とは異なる領域上に設けられ、前記第一の磁性層に電流を通電して前記第一の磁性層にスピン波を伝搬させることを特徴とする請求項１または２に記載のスピン波素子。
【請求項４】
前記第二の磁性層を伝搬するスピン波を抵抗変化として検出する検出部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項５】
前記第一の磁性層と前記第二の磁性層の積層方向から眺めたときに、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層は交差し、前記第二の磁性層の前記交差部分の端から前記第二の磁性層の一端までの長さＬは、前記入力部の円相当径ａ、前記第二の磁性層の比透磁率μｒ、前記第二の磁性層の比誘電率εｒを用いて、
【数１】
と表されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項６】
前記導体閉路の軸が前記第一の磁性層の最も広い面が形成される平面と前記第二の磁性層の最も広い面が形成される平面に対して直角であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項７】
前記導体閉路の軸が前記第一の磁性層の最も広い面が形成される平面と前記第二の磁性層の最も広い面が形成される平面に対して平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項８】
前記第一の磁性層または前記第二の磁性層の少なくともいずれか一方は、特定の方向へ延在した形状であって、その先端部分が先端に近いほど細くなるような形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項９】
前記第一の磁性層は、中心位置から放射状に広がった形状をなし、放射状に広がった先端に前記入力部が設けられ、前記第一の領域は前記中心位置を取り囲む領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１０】
前記第一の磁性層は垂直異方性を有し、前記第一の磁性層に複数の前記入力部が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１１】
前記導体閉路が超電導体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１２】
前記第一の磁性層が接する前記導体閉路の第一の領域と、前記第二の磁性層が接する前記導体閉路の第二の領域とは少なくとも一部が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１】
絶縁性磁性体から成る第一の磁性層と、
前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、
前記第一の磁性層と接する非磁性の導体閉路と、
前記導体閉路と接し、絶縁性磁性体から成る第二の磁性層とを有することを特徴とするスピン波素子。
【請求項２】
磁性金属からなる第一の磁性層と、
前記第一の磁性層上に設けられた入力部と、
前記第一の磁性層と接して設けられた第一の非磁性絶縁層と、
前記第一の非磁性絶縁層の前記第一の磁性層と接する面と対向する面に接する非磁性の導体閉路と、
前記導体閉路と接して設けられた第二の非磁性絶縁層と、
前記第二の非磁性絶縁層の前記導体閉路と接する面と対向する面に接し、磁性金属からなる第二の磁性層とを有することを特徴とするスピン波素子。
【請求項３】
前記入力部は、前記第一の磁性層の前記導体閉路と対向する領域とは異なる領域上に設けられ、前記第一の磁性層に電流を通電して前記第一の磁性層にスピン波を伝搬させることを特徴とする請求項１または２に記載のスピン波素子。
【請求項４】
前記第二の磁性層を伝搬するスピン波を抵抗変化として検出する検出部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項５】
前記第一の磁性層と前記第二の磁性層の積層方向から眺めたときに、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層は交差し、前記第二の磁性層の前記交差部分の端から前記第二の磁性層の一端までの長さＬは、前記入力部の円相当径ａ、前記第二の磁性層の比透磁率μｒ、前記第二の磁性層の比誘電率εｒを用いて、
【数１】
と表されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項６】
前記導体閉路の軸が前記第一の磁性層の最も広い面が形成される平面と前記第二の磁性層の最も広い面が形成される平面に対して直角であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項７】
前記導体閉路の軸が前記第一の磁性層の最も広い面が形成される平面と前記第二の磁性層の最も広い面が形成される平面に対して平行であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項８】
前記第一の磁性層または前記第二の磁性層の少なくともいずれか一方は、特定の方向へ延在した形状であって、その先端部分が先端に近いほど細くなるような形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項９】
前記第一の磁性層は、中心位置から放射状に広がった形状をなし、放射状に広がった先端に前記入力部が設けられ、前記第一の領域は前記中心位置を取り囲む領域であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１０】
前記第一の磁性層は垂直異方性を有し、前記第一の磁性層に複数の前記入力部が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１１】
前記導体閉路が超電導体から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【請求項１２】
前記第一の磁性層が接する前記導体閉路の第一の領域と、前記第二の磁性層が接する前記導体閉路の第二の領域とは少なくとも一部が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載のスピン波素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
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【図８】
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【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−１６０５７３（Ｐ２０１２−１６０５７３Ａ）
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９２１７（Ｐ２０１１−１９２１７）
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月３１日（２０１１．１．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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