発振素子
【課題】 反平行結合を用いた積層膜であっても、理論的な予測では発振周波数は数十GHz台と低く、テラヘルツ波の周波数を実現するには至っていない。
【解決手段】 第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極とを具備し、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度及び-90度に磁気結合する部分を有し、通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする。
【解決手段】 第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極とを具備し、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度及び-90度に磁気結合する部分を有し、通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波発振素子に係わり、特にテラヘルツ波を発生する小型高周波発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
「テラヘルツ波」は広い意味では赤外線の一種だが、周波数が電磁波と光の中間に位置する波動である。本明細書では周波数0.1THz〜100THzを指すものとする。
【０００３】
テラヘルツ周波数領域には固体や気体の種々の励起(フォノン、プラズモン、超伝導エネルギーギャップ、分子間振動など)が存在する。このためテラヘルツ波を各種材料に照射すると、吸収や反射などの相互作用が発生し、これを利用した各種材料の分析・検査が期待されている。
【０００４】
従来のテラヘルツ波発生技術は、フェムト秒レーザーを用いた方式である。しかしながら、特に、医療診断・検査や環境測定で多数の検体に対して用いる場合は、小型で安価なデバイスが求められるのに対し、フェムト秒レーザーは大型・高価であるため汎用性が低くテラヘルツ波発生源として普及に至っていない。
【０００５】
更に、大気中ではテラヘルツ波はおもに水蒸気による吸収により減衰が大きく伝搬距離が限られることから、発信素子−検体−受信素子の全体を小型化することの有効性は高く、これを実現するためには発信素子と受信素子それぞれを小型化することが必要である。
【０００６】
これに対し、小型で高周波発信できる素子として、磁性体中の磁化が歳差運動することでＧＨz帯域の高周波を発振する、スピントルク発振素子（STO: Spin Torque Oscillator）が提案され（非特許文献１）、実験検証された（非特許文献２）。STOとは、強磁性体にスピンをもつ電流を流したとき、強磁性体の磁化が電流のスピンと相互作用して歳差運動する現象である。歳差運動の周波数が発振周波数となる。この現象はスピンをもつ電流の電流密度を1×108A/cm2程度と高くする必要があるため、微細な素子に電流を流して発現させるため、小型化の要求されるテラヘルツ波発振素子に適した現象である。発振周波数は、いまだ数GHzから数十GHz台と低いが、通常観測されるアコースティックモードに比べてオプティカルモードを使うと、数倍以上の発振周波数が得られる。オプティカルモードを実現するには、2層の磁性層を反平行に磁気結合させた積層膜が適すると理論的に示唆され提案されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996).
【非特許文献２】S. I. Kiselev et al, Nature 425, 308 (2003).
【非特許文献３】T. Seki et. al., Appl. Phys. Lett., 94, 212605 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、反平行結合を用いた積層膜であっても、理論的な予測では発振周波数は数十GHz台と低く、テラヘルツ波の周波数を実現するには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発振素子は、第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極とを具備し、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度及び-90度に磁気結合する部分を有し、通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す見取り図である。
【図２】本発明の第一の実施形態におけるＭＲ曲線、磁化曲線を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態の発振状態を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の比較例を示す見取り図である。
【図５】本発明の第一の実施形態の比較例の発振状態を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態を示す見取り図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の発振状態を示す図である。
【図８】本発明の第三の実施形態を示す見取り図である。
【図９】本発明の第三の実施形態の発振状態を示す図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態を示す見取り図である。
【図１１】本発明の第五の実施形態を示す見取り図である。
【図１２】本発明の第六の実施形態を示す見取り図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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構成を示す。なお、図1等の見取り図は模式的または概念的な図であり、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、必ずしも実際の素子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。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る発振素子の見取り図である。まず初めに図を用いて発振素子の構成について説明する。
【００１３】
本実施形態の発振素子は、第一の磁性層１０と、第一の磁性層１０上に設けられた結合中間層１１と、結合中間層１１上に設けられた第二の磁性層１２を備えている。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００１４】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００１５】
第一の磁性層１０ならびに第二の磁性層１２は、強磁性体、例えばFe、Co、Niなどの3d遷移金属を含む合金を用いることができる。更にこれにCu、Al、Mg、Pd、Pt、Ru、などの添加元素を加えた合金を用いることができる。
【００１６】
結合中間層１１は、第一の磁性層１０の磁化と第二の磁性層１２の磁化を直交に結合する作用を有する。結合中間層１１の材料としては、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、あるいはこれらのいずれかを含む合金を酸化した酸化物を含む層を用いることができる。
【００１７】
次に、動作原理について説明する。
【００１８】
本実施形態の発振素子は、通電しない状態での第一の磁性層１０、第二の磁性層１２間の磁気結合の状態を90°結合とすると、スピントルク発振（Spin Torque Oscillation; STO）の発現する電流密度まで通電したときに高い発振周波数を得ることができることが特徴である。そこで、通電しない状態の90°結合と、通電した状態のSTOについて順次説明する。
【００１９】
まず90°結合についてであるが、一般的に強磁性層／結合中間層／強磁性層構造の磁気結合は、結合中間層の膜厚に対して強磁性結合と反強磁性結合を周期的に振動するRKKY相互作用を示す。これに対し、結合中間層の材料によっては強磁性結合でも反強磁性結合でもない90°結合を示す場合がある。古くはFe/Cr/Fe三層構造おいて観測され、その後CoFe/Mn/CoFe三層構造でも90°結合が報告された。しかし、これらの90°結合のエネルギーは非常に小さいため、安定状態が得られにくく、デバイス応用には適さなかった。これに対し、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、あるいはこれらのいずれかを含む合金を酸化した酸化物を含む結合中間層を用いると、これまでの金属の結合中間層に比べて強く安定な90°結合が得られることを見出した。
【００２０】
どのような場合に90°結合が大きく発現するか、２層の強磁性層の間に挿入された層を介して強磁性層が結合するエネルギーを用いて説明する。磁気結合エネルギーEexは、
【数１】
で表される。ここでA12は通常の双一次交換結合定数、B12は双二次交換結合定数である。第１項は２層の強磁性層の磁化が相対的に平行あるいは反平行のときに最小となり、A12＜０のとき反平行、A12＞０のとき平行となる。第2項は2層の強磁性層の磁化のなす角が0°（平行）、90°、180°（反平行）、270°のいずれかの場合に最小となる。B12＜０では90°、270°、B12＞０では0°、180°となる。ここで、90°と270°のとるエネルギーは縮退しているので、以下では90°あるいは270°の相対角度をとる結合を90°結合と呼ぶ。90°結合は、第１項よりも第２項の寄与が大きく、第２項のエネルギーが90°あるいは270°で最小となる条件、すなわち、｜A12｜＜｜B12｜かつB12＜０のときに生じる。｜A12｜＜｜B12｜という条件は、A12＜０（反平行）とA12＞０（平行）の状態が混在し、競合する場合に誘起される。そして、｜B12｜が大きいほど90°結合は安定となる。
【００２１】
ここで、Feの酸化物を含む結合中間層の双二次交換結合定数B12を求めるため、モデル膜作成した。膜構成は、下地層／反強磁性層IrMn（7nm）／第一の磁性層Fe10Co90 (2 nm)／結合中間層／第二の磁性層Fe10Co90 (2 nm)／Cu（3nm）／Fe10Co90 (2 nm)／保護層である。結合中間層は、Fe(2 nm)を酸素暴露量3 キロラングミュア（kL）で自然酸化した。90°結合が破れる磁場H90から双二次交換結合定数B12を求めるためには、第一あるいは第二の磁性層の磁化を固着する必要がある。ここでは、第一の磁性層を反強磁性層IrMnによって磁化を一方向に固着しておいた。図２（ａ）に磁化曲線を、図２（ｂ）にMR曲線をそれぞれ示す。IrMnによる固着方向と挿引磁場のなす角は±90°である。図２より、90°結合の破れる磁場H90は450 Oeとわかった。なお、挿引した磁場の符号に対して磁化曲線とMR曲線は対称であった。これは、IrMnによる固着方向と挿引磁場に対して+90°に磁場を印加した場合に90°結合が破れる磁場の大きさと、-90°に磁場を印加した場合に270°結合が破れる磁場の大きさが同じであることを示す。これより、90°結合と270°結合が同じエネルギーで生じていることも明らかである。ここでは、＋90°で磁気結合した領域と、+270°で磁気結合した領域が存在することを意味する。なお、+270°は−90°と等価であるので、±90°で磁気結合している、とも言える。
【００２２】
双二次交換結合定数B12を見積もる。飽和磁化Ms、膜厚t1、t2の２層の強磁性層の90°結合が磁場H90で破れる場合のB12は、次のように表わされる。
【数２】
Fe10Co90の飽和磁化Msは約1.8 Tであり、結合中間層において全てのFe層が酸化されて磁気モーメントを失うと仮定してこれらの値を（２）式に代入すると、B12は-0.26 mJ/m2と求めることが出来た。この絶対値は、結合中間層が非磁性体のAu、Al、Ag、Cuの場合には、双二次交換結合定数B12の絶対値が0.003〜0.1 erg/cm2に比べ、非常に大きい。
【００２３】
同様にして、Co、Ni、FeCo合金、NiFe合金、CoNi合金、FeCoNi合金、Cr、Mn、Znを酸化して作成した結合中間層の双二次交換結合定数B12を求めたところ、その絶対値はいずれも0.2 erg/cm2以上が得られた。
【００２４】
次に、通電した状態のSTOについて説明する。
【００２５】
STOは、第一の磁性層１０／結合中間層１１／第二の磁性層１２から成る積層膜の積層方向に、第二の磁性層１２から閾値以上の電流を流したとき、電流を担う電子が第一の磁性層１０の磁化状態を反映したスピンを持って第二の磁性層１２に到達し、第二の磁性層１２の磁化が相互作用によって回転トルクを受け、歳差運動をして高周波発振するという現象である。閾値の電流は、一般的に108A/cm2程度であり、これ以下ではSTOは発現しない。したがって、閾値以下の電流を流したときの磁化状態は、通電していない状態と同じである。本発明では、「通電しない状態」を「閾値以上の電流を流さない状態」という意味で用いる。
【００２６】
この発振周波数を高めるため、Optical modeの発振を用いたSTOが提案されている。通常観測されるSTOのAcoustic modeに比べ、発振周波数が数倍以上である。Optical modeの発振は、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が反平行に磁気結合したときに得られると理論計算から予測され、実験がなされている。この理論予測から、2層の磁性体が90°磁気結合する積層膜では通電時に前記第二の磁性層１２の磁化が更に高い発振周波数で発振して電磁波もしくは光を発振する可能性に気づき、本発明に至った。
【００２７】
これを実証するため、磁性層間の磁気結合の状態を反映させ、STOの発振状態を計算した。第一の磁性層１０／中間層１１／第二の磁性層１２からなる積層膜の磁気結合の状態は、異方性エネルギーEani、ゼーマンエネルギーEzeeman、反磁場エネルギーEdemag、そして磁性層間の磁気結合エネルギーEexを用いて、以下の式で表される。
【数３】
ｊは磁性層の番号、tは磁性層の膜厚である。ここで、磁性層間の磁気結合エネルギーEex以外を決定するパラメータを以下のように固定し、A12と B12を様々に変化させ、STOの状態について計算を用いて調べた。
【００２８】
第一の磁性層の膜厚t1＝3nm、
第二の磁性層の膜厚t2=10nm、
第一および第二の磁性層の飽和磁化Ms=1700 emu/cm3、
第一の磁性層の異方性定数K1＝4x105 erg/cm2、
第二の磁性層の異方性定数K2＝1.5x105 erg/cm2、
素子の形状・一辺が64nmの正方形
（実施例１）
第一の実施形態における積層膜において、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２の磁化が直交に磁気結合する。実施例１では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
【００２９】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた値である。これを式（１）、（３）に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体１０から第二の磁性体１２へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体１２から第一の磁性体１０へと流れる。
【００３０】
図３(a)は、計算結果の発振状態である。発振Oに比べ、高い周波数での発振1−A、発振1−Bが観測できる。このことから、磁性層を90°磁気結合させた積層膜では、反平行結合の場合よりも高い周波数で発振することが出来ることがわかった。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも、実施例１の発振1−Aは25 GHz、発振1−Bは35 GHzと高い周波数で発振する。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。
【００３１】
図３(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層１２の磁化状態である。初期状態で90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００３２】
（実施例２）
実施例２では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
【００３３】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は＋0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた絶対値を用い、符号を反転した値である。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
【００３４】
図４(a)は、計算結果の発振状態である。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも高い周波数で、実施例２の発振2−A、2−B、2-C、2-Dは観測できた。発振2-Dの周波数は47 GHzである。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。さらに、実施例１と双二次交換結合定数B12の符号を反転しただけで、高周波の発振が多く得られ、符号を検討することによって更に高い周波数での発振が得られる可能性が示唆された。
【００３５】
図４(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層の磁化状態である。初期状態で90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００３６】
（実施例３）
実施例３では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、実施例１と同じよう以下のように定めた。
【００３７】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
実施例１と異なるのは、初期の磁化状態である。図５(b)、(c)にあるように、＋90°結合の領域と、−90°結合の領域を設けた。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
【００３８】
図５(a)は、計算結果の発振状態である。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも、実施例３の発振3−Aは20 GHzと高い周波数で発振する。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。
【００３９】
図５(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層１２の磁化状態である。初期状態で±90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００４０】
（比較例）
図６は比較例に係る発振素子の見取り図である。比較例でも、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２の磁化が反平行に結合する。結合中間層にCrを用いた場合、
双一次交換結合定数A12は-0.8 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は−0.03 erg/cm2
である。これを式（１）、（３）に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体１０から第二の磁性体１２へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体１２から第一の磁性体１０へと流れる。
【００４１】
図７(ａ)は、横軸が周波数、縦軸が発振強度とした発振状態の計算結果である。発振していれば、ピークとして観測できる。図７(a)で強度の強いピークは周波数約15GHzにあり、この周波数で発振していることが分かる。この発振を、「発振O」とする。この発振0は実施例１〜３での発振1-A、1-B、2-A、2-B、2-C、3-Aのいずれの発振の周波数よりも小さく、本発明の課題である周波数0.1 THz〜100Htzのテラヘルツ波には到底及ばない。さらに、他の実施例とは異なり0.1THz付近に小さな発振を観測できないことから、本発明の実施例としては不適当であることがわかる。
【００４２】
図７(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の磁化の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の磁化の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層の磁化状態である。(b)、(c)より初期状態で完全に反平行の関係にあった磁化が、(d)、(e)より発振を始めても比較的反平行の状態を保っている。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２とが複雑に相互作用し発振している。
【００４３】
（第２の実施形態）
図８に、本発明の第２の実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層が設置される点である。反強磁性層は第一の磁性層の下に設け、反強磁性層との交換結合エネルギーによって、第一の磁性層の磁化を一方向に固着する。反強磁性層には、IrMn、PtMn、FeMn、NiMnが適する。これらを主成分とする合金であってもよい。
【００４４】
STOでは第一の磁性層と第二の磁性層が互いに相互作用するが、片方の磁化を一方向に固着することで、発振の制御性が向上する。
【００４５】
（第３の実施形態）
図９に、本発明の第３の実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層１５、第三の磁性層１６、反平行結合層１７が設置される点である。反強磁性層１５は第三の磁性層１６の磁化を一方向に固着する。そして反平行結合層１７を介して、第三の磁性層１６と第一の磁性層１０の磁化は反平行に結合する。第一の磁性層１０と第三の磁性層１６の磁化が反平行となると、静磁エネルギーが小さくなって第一の磁性層１０の磁化が安定となる。STOでは第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が互いに相互作用するが、片方の磁化を一方向に固着することで、発振の制御性が向上する。
【００４６】
第三の磁性層１６は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。反平行結合層１７には、Ru、Ir、Rhなどが用いられる。
【００４７】
（第４の実施形態）
図１０に、本発明の第４に実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、結合中間層が、酸化層１１ｂと金属層１１ａから構成され、金属層１１ａが貫通して第一の磁性層１０と第二の磁性層１２を接続している点である。このような構造では、電流が酸化層１１ｂを通らず金属層１１ａだけに集中して流れ、発振周波数を上げる作用を持つ。この構造と90°磁気結合による高周波化を併用すると、相乗効果を得ることも可能である。
【００４８】
酸化層１１ｂはAl、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを酸化させた酸化物を用いることができる。金属層１１ａはAl、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znの未酸化領域、あるいは酸化されにくい貴金属Cu、Au、Agが用いられる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図１１に、本発明の第５に実施形態の発振素子を示す。
【００５０】
まず構造について説明する。第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２を含む積層膜のほかに、反強磁性層１５、第四の磁性層１８、非磁性層１９が設置される。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００５１】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００５２】
反強磁性層１５は第四の磁性層１８の磁化を一方向に固着する。第四の磁性層１８と第一の磁性層１０の間には非磁性層１９が存在し、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の磁気結合は非常に弱く、第一の磁性層１０の磁化は第四の磁性層１８とは独立に変化し、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。
【００５３】
第四の磁性層１８は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。非磁性層１９には、上記電気抵抗変化量の大きくなるような非磁性層が適する。Cu、Au、Ag、Al、Al2O3、MgOなどが用いられる。
【００５４】
動作について説明する。第一の磁性層１０の磁化と第二の磁性層１２の磁化は結合中間層１１を介して90°磁気結合をしており、閾値以上電流を流すとともに歳差運動する。第一の磁性層１０と第四の磁性層１８の磁化は独立であり、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。第一の磁性層１０の磁化が歳差運動すると、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の相対角度が高周波で変化し、大きな発振強度が得られる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１２に、本発明の第６の実施形態の発振素子を示す。
【００５６】
まず構造について説明する。第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２を含む積層膜のほかに、反強磁性層１５、第四の磁性層１８、非磁性層１９が設置される。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００５７】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００５８】
反強磁性層１５は第四の磁性層１８の磁化を一方向に固着する。第四の磁性層１８と第一の磁性層１０の間には非磁性層１９が存在し、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の磁気結合は非常に弱く、第一の磁性層１０の磁化は第四の磁性層１８とは独立に変化し、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。
【００５９】
第四の磁性層１８は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。非磁性層１９は、酸化層１９ｂと金属層１９ａから成り、金属層１９ａが貫通して第一の磁性層１０と第四の磁性層１８を接続する。上記電気抵抗変化量の大きくなるよう、酸化層はAl、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを酸化させた酸化物が用いられ、金属層はCu、Au、Ag、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つが用いられる。
【００６０】
動作について説明する。第一の磁性層の磁化と第二の磁性層の磁化は結合中間層を介して90°磁気結合をしており、閾値以上電流を流すとともに歳差運動する。第一の磁性層と第四の磁性層の磁化は独立であり、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。第一の磁性層の磁化が歳差運動すると、第一の磁性層の磁化と第四の磁性層の磁化の相対角度が高周波で変化し、大きな発振強度が得られる。
【００６１】
なお、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 第一の磁性層
１１ 結合中間層
１１ａ 金属層
１１ｂ 酸化層
１２ 第二の磁性層
１３ 下部電極
１４ 上部電極
１５ 反強磁性層
１６ 第三の磁性層
１７ 反平行結合層
１８ 第四の磁性層
１９ 非磁性層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波発振素子に係わり、特にテラヘルツ波を発生する小型高周波発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
「テラヘルツ波」は広い意味では赤外線の一種だが、周波数が電磁波と光の中間に位置する波動である。本明細書では周波数0.1THz〜100THzを指すものとする。
【０００３】
テラヘルツ周波数領域には固体や気体の種々の励起(フォノン、プラズモン、超伝導エネルギーギャップ、分子間振動など)が存在する。このためテラヘルツ波を各種材料に照射すると、吸収や反射などの相互作用が発生し、これを利用した各種材料の分析・検査が期待されている。
【０００４】
従来のテラヘルツ波発生技術は、フェムト秒レーザーを用いた方式である。しかしながら、特に、医療診断・検査や環境測定で多数の検体に対して用いる場合は、小型で安価なデバイスが求められるのに対し、フェムト秒レーザーは大型・高価であるため汎用性が低くテラヘルツ波発生源として普及に至っていない。
【０００５】
更に、大気中ではテラヘルツ波はおもに水蒸気による吸収により減衰が大きく伝搬距離が限られることから、発信素子−検体−受信素子の全体を小型化することの有効性は高く、これを実現するためには発信素子と受信素子それぞれを小型化することが必要である。
【０００６】
これに対し、小型で高周波発信できる素子として、磁性体中の磁化が歳差運動することでＧＨz帯域の高周波を発振する、スピントルク発振素子（STO: Spin Torque Oscillator）が提案され（非特許文献１）、実験検証された（非特許文献２）。STOとは、強磁性体にスピンをもつ電流を流したとき、強磁性体の磁化が電流のスピンと相互作用して歳差運動する現象である。歳差運動の周波数が発振周波数となる。この現象はスピンをもつ電流の電流密度を1×108A/cm2程度と高くする必要があるため、微細な素子に電流を流して発現させるため、小型化の要求されるテラヘルツ波発振素子に適した現象である。発振周波数は、いまだ数GHzから数十GHz台と低いが、通常観測されるアコースティックモードに比べてオプティカルモードを使うと、数倍以上の発振周波数が得られる。オプティカルモードを実現するには、2層の磁性層を反平行に磁気結合させた積層膜が適すると理論的に示唆され提案されている（非特許文献３）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. C. Slonczewski, J. Magn. Magn. Mater. 159, L1 (1996).
【非特許文献２】S. I. Kiselev et al, Nature 425, 308 (2003).
【非特許文献３】T. Seki et. al., Appl. Phys. Lett., 94, 212605 (2009).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、反平行結合を用いた積層膜であっても、理論的な予測では発振周波数は数十GHz台と低く、テラヘルツ波の周波数を実現するには至っていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発振素子は、第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極とを具備し、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度及び-90度に磁気結合する部分を有し、通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一の実施形態を示す見取り図である。
【図２】本発明の第一の実施形態におけるＭＲ曲線、磁化曲線を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施形態の発振状態を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の比較例を示す見取り図である。
【図５】本発明の第一の実施形態の比較例の発振状態を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施形態を示す見取り図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の発振状態を示す図である。
【図８】本発明の第三の実施形態を示す見取り図である。
【図９】本発明の第三の実施形態の発振状態を示す図である。
【図１０】本発明の第四の実施形態を示す見取り図である。
【図１１】本発明の第五の実施形態を示す見取り図である。
【図１２】本発明の第六の実施形態を示す見取り図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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構成を示す。なお、図1等の見取り図は模式的または概念的な図であり、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、必ずしも実際の素子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。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る発振素子の見取り図である。まず初めに図を用いて発振素子の構成について説明する。
【００１３】
本実施形態の発振素子は、第一の磁性層１０と、第一の磁性層１０上に設けられた結合中間層１１と、結合中間層１１上に設けられた第二の磁性層１２を備えている。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００１４】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００１５】
第一の磁性層１０ならびに第二の磁性層１２は、強磁性体、例えばFe、Co、Niなどの3d遷移金属を含む合金を用いることができる。更にこれにCu、Al、Mg、Pd、Pt、Ru、などの添加元素を加えた合金を用いることができる。
【００１６】
結合中間層１１は、第一の磁性層１０の磁化と第二の磁性層１２の磁化を直交に結合する作用を有する。結合中間層１１の材料としては、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、あるいはこれらのいずれかを含む合金を酸化した酸化物を含む層を用いることができる。
【００１７】
次に、動作原理について説明する。
【００１８】
本実施形態の発振素子は、通電しない状態での第一の磁性層１０、第二の磁性層１２間の磁気結合の状態を90°結合とすると、スピントルク発振（Spin Torque Oscillation; STO）の発現する電流密度まで通電したときに高い発振周波数を得ることができることが特徴である。そこで、通電しない状態の90°結合と、通電した状態のSTOについて順次説明する。
【００１９】
まず90°結合についてであるが、一般的に強磁性層／結合中間層／強磁性層構造の磁気結合は、結合中間層の膜厚に対して強磁性結合と反強磁性結合を周期的に振動するRKKY相互作用を示す。これに対し、結合中間層の材料によっては強磁性結合でも反強磁性結合でもない90°結合を示す場合がある。古くはFe/Cr/Fe三層構造おいて観測され、その後CoFe/Mn/CoFe三層構造でも90°結合が報告された。しかし、これらの90°結合のエネルギーは非常に小さいため、安定状態が得られにくく、デバイス応用には適さなかった。これに対し、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Zn、あるいはこれらのいずれかを含む合金を酸化した酸化物を含む結合中間層を用いると、これまでの金属の結合中間層に比べて強く安定な90°結合が得られることを見出した。
【００２０】
どのような場合に90°結合が大きく発現するか、２層の強磁性層の間に挿入された層を介して強磁性層が結合するエネルギーを用いて説明する。磁気結合エネルギーEexは、
【数１】
で表される。ここでA12は通常の双一次交換結合定数、B12は双二次交換結合定数である。第１項は２層の強磁性層の磁化が相対的に平行あるいは反平行のときに最小となり、A12＜０のとき反平行、A12＞０のとき平行となる。第2項は2層の強磁性層の磁化のなす角が0°（平行）、90°、180°（反平行）、270°のいずれかの場合に最小となる。B12＜０では90°、270°、B12＞０では0°、180°となる。ここで、90°と270°のとるエネルギーは縮退しているので、以下では90°あるいは270°の相対角度をとる結合を90°結合と呼ぶ。90°結合は、第１項よりも第２項の寄与が大きく、第２項のエネルギーが90°あるいは270°で最小となる条件、すなわち、｜A12｜＜｜B12｜かつB12＜０のときに生じる。｜A12｜＜｜B12｜という条件は、A12＜０（反平行）とA12＞０（平行）の状態が混在し、競合する場合に誘起される。そして、｜B12｜が大きいほど90°結合は安定となる。
【００２１】
ここで、Feの酸化物を含む結合中間層の双二次交換結合定数B12を求めるため、モデル膜作成した。膜構成は、下地層／反強磁性層IrMn（7nm）／第一の磁性層Fe10Co90 (2 nm)／結合中間層／第二の磁性層Fe10Co90 (2 nm)／Cu（3nm）／Fe10Co90 (2 nm)／保護層である。結合中間層は、Fe(2 nm)を酸素暴露量3 キロラングミュア（kL）で自然酸化した。90°結合が破れる磁場H90から双二次交換結合定数B12を求めるためには、第一あるいは第二の磁性層の磁化を固着する必要がある。ここでは、第一の磁性層を反強磁性層IrMnによって磁化を一方向に固着しておいた。図２（ａ）に磁化曲線を、図２（ｂ）にMR曲線をそれぞれ示す。IrMnによる固着方向と挿引磁場のなす角は±90°である。図２より、90°結合の破れる磁場H90は450 Oeとわかった。なお、挿引した磁場の符号に対して磁化曲線とMR曲線は対称であった。これは、IrMnによる固着方向と挿引磁場に対して+90°に磁場を印加した場合に90°結合が破れる磁場の大きさと、-90°に磁場を印加した場合に270°結合が破れる磁場の大きさが同じであることを示す。これより、90°結合と270°結合が同じエネルギーで生じていることも明らかである。ここでは、＋90°で磁気結合した領域と、+270°で磁気結合した領域が存在することを意味する。なお、+270°は−90°と等価であるので、±90°で磁気結合している、とも言える。
【００２２】
双二次交換結合定数B12を見積もる。飽和磁化Ms、膜厚t1、t2の２層の強磁性層の90°結合が磁場H90で破れる場合のB12は、次のように表わされる。
【数２】
Fe10Co90の飽和磁化Msは約1.8 Tであり、結合中間層において全てのFe層が酸化されて磁気モーメントを失うと仮定してこれらの値を（２）式に代入すると、B12は-0.26 mJ/m2と求めることが出来た。この絶対値は、結合中間層が非磁性体のAu、Al、Ag、Cuの場合には、双二次交換結合定数B12の絶対値が0.003〜0.1 erg/cm2に比べ、非常に大きい。
【００２３】
同様にして、Co、Ni、FeCo合金、NiFe合金、CoNi合金、FeCoNi合金、Cr、Mn、Znを酸化して作成した結合中間層の双二次交換結合定数B12を求めたところ、その絶対値はいずれも0.2 erg/cm2以上が得られた。
【００２４】
次に、通電した状態のSTOについて説明する。
【００２５】
STOは、第一の磁性層１０／結合中間層１１／第二の磁性層１２から成る積層膜の積層方向に、第二の磁性層１２から閾値以上の電流を流したとき、電流を担う電子が第一の磁性層１０の磁化状態を反映したスピンを持って第二の磁性層１２に到達し、第二の磁性層１２の磁化が相互作用によって回転トルクを受け、歳差運動をして高周波発振するという現象である。閾値の電流は、一般的に108A/cm2程度であり、これ以下ではSTOは発現しない。したがって、閾値以下の電流を流したときの磁化状態は、通電していない状態と同じである。本発明では、「通電しない状態」を「閾値以上の電流を流さない状態」という意味で用いる。
【００２６】
この発振周波数を高めるため、Optical modeの発振を用いたSTOが提案されている。通常観測されるSTOのAcoustic modeに比べ、発振周波数が数倍以上である。Optical modeの発振は、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が反平行に磁気結合したときに得られると理論計算から予測され、実験がなされている。この理論予測から、2層の磁性体が90°磁気結合する積層膜では通電時に前記第二の磁性層１２の磁化が更に高い発振周波数で発振して電磁波もしくは光を発振する可能性に気づき、本発明に至った。
【００２７】
これを実証するため、磁性層間の磁気結合の状態を反映させ、STOの発振状態を計算した。第一の磁性層１０／中間層１１／第二の磁性層１２からなる積層膜の磁気結合の状態は、異方性エネルギーEani、ゼーマンエネルギーEzeeman、反磁場エネルギーEdemag、そして磁性層間の磁気結合エネルギーEexを用いて、以下の式で表される。
【数３】
ｊは磁性層の番号、tは磁性層の膜厚である。ここで、磁性層間の磁気結合エネルギーEex以外を決定するパラメータを以下のように固定し、A12と B12を様々に変化させ、STOの状態について計算を用いて調べた。
【００２８】
第一の磁性層の膜厚t1＝3nm、
第二の磁性層の膜厚t2=10nm、
第一および第二の磁性層の飽和磁化Ms=1700 emu/cm3、
第一の磁性層の異方性定数K1＝4x105 erg/cm2、
第二の磁性層の異方性定数K2＝1.5x105 erg/cm2、
素子の形状・一辺が64nmの正方形
（実施例１）
第一の実施形態における積層膜において、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２の磁化が直交に磁気結合する。実施例１では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
【００２９】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた値である。これを式（１）、（３）に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体１０から第二の磁性体１２へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体１２から第一の磁性体１０へと流れる。
【００３０】
図３(a)は、計算結果の発振状態である。発振Oに比べ、高い周波数での発振1−A、発振1−Bが観測できる。このことから、磁性層を90°磁気結合させた積層膜では、反平行結合の場合よりも高い周波数で発振することが出来ることがわかった。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも、実施例１の発振1−Aは25 GHz、発振1−Bは35 GHzと高い周波数で発振する。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。
【００３１】
図３(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層１２の磁化状態である。初期状態で90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００３２】
（実施例２）
実施例２では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、以下のように定めた。
【００３３】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は＋0.26 erg/cm2
双二次交換結合定数B12は、本発明において先に述べた実験で調べた絶対値を用い、符号を反転した値である。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
【００３４】
図４(a)は、計算結果の発振状態である。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも高い周波数で、実施例２の発振2−A、2−B、2-C、2-Dは観測できた。発振2-Dの周波数は47 GHzである。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。さらに、実施例１と双二次交換結合定数B12の符号を反転しただけで、高周波の発振が多く得られ、符号を検討することによって更に高い周波数での発振が得られる可能性が示唆された。
【００３５】
図４(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層の磁化状態である。初期状態で90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００３６】
（実施例３）
実施例３では、直交に結合する磁気結合エネルギーを、実施例１と同じよう以下のように定めた。
【００３７】
双一次交換結合定数A12は-0.03 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は−0.26 erg/cm2
実施例１と異なるのは、初期の磁化状態である。図５(b)、(c)にあるように、＋90°結合の領域と、−90°結合の領域を設けた。これを用い、積層膜の発振状態を計算した。
【００３８】
図５(a)は、計算結果の発振状態である。反平行結合の比較例で得られた発振Oよりも、実施例３の発振3−Aは20 GHzと高い周波数で発振する。すなわち、90°結合を用いたSTOでは、従来のSTOよりも高い発振周波数を得ることが出来ると実証された。さらに比較例の場合には発振を観測出来なかった高周波領域の100 GHz付近まで小さな発振を多数観測できた。本発明の課題であるテラヘルツ波の周波数は0.1THz〜100THzであり、これを実現することが出来た。
【００３９】
図５(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層１２の磁化状態である。初期状態で±90°の関係に磁化が結合しているが、1000ps後、磁化は反平行の関係にある。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が複雑に相互作用し、発振している。
【００４０】
（比較例）
図６は比較例に係る発振素子の見取り図である。比較例でも、第一の磁性層１０と第二の磁性層１２の磁化が反平行に結合する。結合中間層にCrを用いた場合、
双一次交換結合定数A12は-0.8 erg/cm2、
双二次交換結合定数B12は−0.03 erg/cm2
である。これを式（１）、（３）に代入して積層膜のエネルギーが求められる。これを初期状態として、電流密度108A/cm2の電流を第一の磁性体１０から第二の磁性体１２へと通電する。スピンを持った伝導電子は、第二の磁性体１２から第一の磁性体１０へと流れる。
【００４１】
図７(ａ)は、横軸が周波数、縦軸が発振強度とした発振状態の計算結果である。発振していれば、ピークとして観測できる。図７(a)で強度の強いピークは周波数約15GHzにあり、この周波数で発振していることが分かる。この発振を、「発振O」とする。この発振0は実施例１〜３での発振1-A、1-B、2-A、2-B、2-C、3-Aのいずれの発振の周波数よりも小さく、本発明の課題である周波数0.1 THz〜100Htzのテラヘルツ波には到底及ばない。さらに、他の実施例とは異なり0.1THz付近に小さな発振を観測できないことから、本発明の実施例としては不適当であることがわかる。
【００４２】
図７(b)〜(e)に各磁性層の磁化状態を示す。(b)は通電しないときの第一の磁性層１０の磁化の初期状態、(c)は通電しないときの第二の磁性層１２の磁化の初期状態、(d)は通電を開始して1000ps後の第一の磁性層１０の磁化状態、(e)は通電を開始して1000ps後の第二の磁性層の磁化状態である。(b)、(c)より初期状態で完全に反平行の関係にあった磁化が、(d)、(e)より発振を始めても比較的反平行の状態を保っている。しかし、これは1000psを切り出してみたものであり、常に反平行を保持しているとは限らない。第一の磁性層１０と第二の磁性層１２とが複雑に相互作用し発振している。
【００４３】
（第２の実施形態）
図８に、本発明の第２の実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層が設置される点である。反強磁性層は第一の磁性層の下に設け、反強磁性層との交換結合エネルギーによって、第一の磁性層の磁化を一方向に固着する。反強磁性層には、IrMn、PtMn、FeMn、NiMnが適する。これらを主成分とする合金であってもよい。
【００４４】
STOでは第一の磁性層と第二の磁性層が互いに相互作用するが、片方の磁化を一方向に固着することで、発振の制御性が向上する。
【００４５】
（第３の実施形態）
図９に、本発明の第３の実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、前述の積層膜のほかに、反強磁性層１５、第三の磁性層１６、反平行結合層１７が設置される点である。反強磁性層１５は第三の磁性層１６の磁化を一方向に固着する。そして反平行結合層１７を介して、第三の磁性層１６と第一の磁性層１０の磁化は反平行に結合する。第一の磁性層１０と第三の磁性層１６の磁化が反平行となると、静磁エネルギーが小さくなって第一の磁性層１０の磁化が安定となる。STOでは第一の磁性層１０と第二の磁性層１２が互いに相互作用するが、片方の磁化を一方向に固着することで、発振の制御性が向上する。
【００４６】
第三の磁性層１６は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。反平行結合層１７には、Ru、Ir、Rhなどが用いられる。
【００４７】
（第４の実施形態）
図１０に、本発明の第４に実施形態の発振素子を示す。第１の実施形態と異なる点は、結合中間層が、酸化層１１ｂと金属層１１ａから構成され、金属層１１ａが貫通して第一の磁性層１０と第二の磁性層１２を接続している点である。このような構造では、電流が酸化層１１ｂを通らず金属層１１ａだけに集中して流れ、発振周波数を上げる作用を持つ。この構造と90°磁気結合による高周波化を併用すると、相乗効果を得ることも可能である。
【００４８】
酸化層１１ｂはAl、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを酸化させた酸化物を用いることができる。金属層１１ａはAl、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znの未酸化領域、あるいは酸化されにくい貴金属Cu、Au、Agが用いられる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図１１に、本発明の第５に実施形態の発振素子を示す。
【００５０】
まず構造について説明する。第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２を含む積層膜のほかに、反強磁性層１５、第四の磁性層１８、非磁性層１９が設置される。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００５１】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００５２】
反強磁性層１５は第四の磁性層１８の磁化を一方向に固着する。第四の磁性層１８と第一の磁性層１０の間には非磁性層１９が存在し、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の磁気結合は非常に弱く、第一の磁性層１０の磁化は第四の磁性層１８とは独立に変化し、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。
【００５３】
第四の磁性層１８は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。非磁性層１９には、上記電気抵抗変化量の大きくなるような非磁性層が適する。Cu、Au、Ag、Al、Al2O3、MgOなどが用いられる。
【００５４】
動作について説明する。第一の磁性層１０の磁化と第二の磁性層１２の磁化は結合中間層１１を介して90°磁気結合をしており、閾値以上電流を流すとともに歳差運動する。第一の磁性層１０と第四の磁性層１８の磁化は独立であり、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。第一の磁性層１０の磁化が歳差運動すると、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の相対角度が高周波で変化し、大きな発振強度が得られる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１２に、本発明の第６の実施形態の発振素子を示す。
【００５６】
まず構造について説明する。第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２を含む積層膜のほかに、反強磁性層１５、第四の磁性層１８、非磁性層１９が設置される。そしてこれら第一の磁性層１０、結合中間層１１、第二の磁性層１２とで構成される積層膜を挟むように上部電極１４、下部電極１３が形成されている。上部電極１４、下部電極１３は電流を積層膜の膜面に垂直に通電するように構成されている。
【００５７】
第一の磁性層１０、第二の磁性層１２は通電しない状態ではそれらの磁化が結合中間層１１を介して相対角度が+９０度に磁気結合する複数の部分、及び-９０度に磁気結合する複数の部分を有している。この一例が図１に示すような、第二の磁性層１２が複数の磁区に分離され、それぞれが第一の磁性層１０の磁化に対し+９０度、及び-９０度に磁気結合している構成である。
【００５８】
反強磁性層１５は第四の磁性層１８の磁化を一方向に固着する。第四の磁性層１８と第一の磁性層１０の間には非磁性層１９が存在し、第一の磁性層１０の磁化と第四の磁性層１８の磁化の磁気結合は非常に弱く、第一の磁性層１０の磁化は第四の磁性層１８とは独立に変化し、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。
【００５９】
第四の磁性層１８は、Fe、Co、Niあるいはこれらを含む合金が用いられる。非磁性層１９は、酸化層１９ｂと金属層１９ａから成り、金属層１９ａが貫通して第一の磁性層１０と第四の磁性層１８を接続する。上記電気抵抗変化量の大きくなるよう、酸化層はAl、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを酸化させた酸化物が用いられ、金属層はCu、Au、Ag、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つが用いられる。
【００６０】
動作について説明する。第一の磁性層の磁化と第二の磁性層の磁化は結合中間層を介して90°磁気結合をしており、閾値以上電流を流すとともに歳差運動する。第一の磁性層と第四の磁性層の磁化は独立であり、その相対角度によって発振素子の電気抵抗が変化する。第一の磁性層の磁化が歳差運動すると、第一の磁性層の磁化と第四の磁性層の磁化の相対角度が高周波で変化し、大きな発振強度が得られる。
【００６１】
なお、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０ 第一の磁性層
１１ 結合中間層
１１ａ 金属層
１１ｂ 酸化層
１２ 第二の磁性層
１３ 下部電極
１４ 上部電極
１５ 反強磁性層
１６ 第三の磁性層
１７ 反平行結合層
１８ 第四の磁性層
１９ 非磁性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、
前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極と、
を具備し、
前記第一の磁性層、前記第二の磁性層のいずれか一方が、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度に磁気結合する複数の部分及び-90度に磁気結合する複数の部分を有し、
通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記結合中間層が、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物を有することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項３】
前記結合中間層が、Al、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物層と金属層とから成り、前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とを接続することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項４】
前記第一の磁性層は、磁化が面内の一方向に固着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の発振素子。
【請求項５】
電流方向が前記第一の磁性層から前記結合中間層を経て前記第二の磁性層へと流れる方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の発振素子。
【請求項６】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する反平行結合層と、前記反平行結合層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第三の磁性層と、前記第三の磁性層の前記反平行結合層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記反強磁性層はIrMn、PtMn、FeMn、NiMnのうちいずれか１つを含む合金からなり、
前記反平行結合層はRu、Ir、Rhのうちいずれか１つを有し、
前記反平行結合層により前記第一の磁性層の磁化と前記第三の磁性層の磁化とがそれぞれ反平行に向くことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項７】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Cu、Au、Ag、Al、Al2O3、MgOのうちいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項８】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物と、Cu、Au、Ag、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む金属層とを有し、
前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層を接続することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項１】
第一の磁性層と、第二の磁性層と、前記第一の磁性層と前記第二の磁性層との間に挿入される結合中間層とで構成される積層膜と、
前記積層膜に対し、電流を前記積層膜の膜面に垂直に通電する電極と、
を具備し、
前記第一の磁性層、前記第二の磁性層のいずれか一方が、通電しない状態では前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とでそれらの磁化が結合中間層を介して相対角度が+90度に磁気結合する複数の部分及び-90度に磁気結合する複数の部分を有し、
通電時に前記第二の磁性層の磁化が発振して電磁波もしくは光を発振することを特徴とする発振素子。
【請求項２】
前記結合中間層が、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物を有することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項３】
前記結合中間層が、Al、Mg、Zr、Fe、Co、Ni、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物層と金属層とから成り、前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層とを接続することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項４】
前記第一の磁性層は、磁化が面内の一方向に固着されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の発振素子。
【請求項５】
電流方向が前記第一の磁性層から前記結合中間層を経て前記第二の磁性層へと流れる方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の発振素子。
【請求項６】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する反平行結合層と、前記反平行結合層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第三の磁性層と、前記第三の磁性層の前記反平行結合層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記反強磁性層はIrMn、PtMn、FeMn、NiMnのうちいずれか１つを含む合金からなり、
前記反平行結合層はRu、Ir、Rhのうちいずれか１つを有し、
前記反平行結合層により前記第一の磁性層の磁化と前記第三の磁性層の磁化とがそれぞれ反平行に向くことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項７】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Cu、Au、Ag、Al、Al2O3、MgOのうちいずれか１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【請求項８】
前記積層膜は、第一の磁性層の結合中間層と接する面とは反対面に接する非磁性層と、前記非磁性層の前記第一の磁性層と接する面とは反対面に接する第四の磁性層と、前記第四の磁性層の前記非磁性層と接する面とは反対面に接する反強磁性層とをさらに具備し、
前記非磁性層は、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む酸化物と、Cu、Au、Ag、Al、Mg、Zr、Cr、Mn、Znのうち少なくとも１つを含む金属層とを有し、
前記金属層は前記第一の磁性層と前記第二の磁性層を接続することを特徴とする請求項１に記載の発振素子。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−７４４９４（Ｐ２０１２−７４４９４Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１７４８８（Ｐ２０１０−２１７４８８）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【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４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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