JP6460388B2 - Magnetoresistive device - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗効果デバイスに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive device.
近年、スピントロニクス特有の現象を応用した製品の研究が進められており、その中で注目されている現象の一つが、スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果素子によるスピントルク発振である。この構造の磁気抵抗効果素子に直流電流を流すのと同時に、磁場印加機構によって磁場を印加することで、磁気抵抗効果素子にスピントルク発振を起こすことができ、そのスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の交流電流が磁気抵抗効果素子から出力される。このスピントルク発振時においては、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強くなるに従って、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなる。また、スピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子へ流れる直流電流の電流密度が大きくなるに従って、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は低くなる。スペーサー層に磁性ナノコンタクトが備わっている場合、磁気抵抗効果素子に直流電流を流すと、スピン偏極電流が磁性ナノコンタクト内に流れ、磁性ナノコンタクト内のスピンが歳差運動を始めることで、スピントルク発振が起こるが、この時、磁性ナノコンタクト内に流れる直流電流の電流密度が大きいほど、磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクト内のスピントルク共鳴周波数は高くなる。 In recent years, research on products that apply spintronics-specific phenomena has been promoted, and one of the phenomena that has attracted attention is due to magnetoresistive effect elements that have a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via a spacer layer. Spin torque oscillation. By applying a magnetic field by a magnetic field application mechanism at the same time as applying a direct current to the magnetoresistive effect element having this structure, spin torque oscillation can be generated in the magnetoresistive effect element. An alternating current is output from the magnetoresistive element. During this spin torque oscillation, the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive element increases as the magnetic field applied to the magnetoresistive element increases. Further, at the time of spin torque oscillation, the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive element decreases as the current density of the direct current flowing to the magnetoresistive element increases. When the spacer layer is equipped with magnetic nanocontacts, when a direct current is passed through the magnetoresistive effect element, a spin-polarized current flows in the magnetic nanocontact, and the spins in the magnetic nanocontact start precession, Spin torque oscillation occurs. At this time, the higher the current density of the direct current flowing in the magnetic nanocontact, the higher the spin torque resonance frequency in the magnetic nanocontact of the magnetoresistive element.
磁気抵抗効果素子によるスピントルク発振を用いた発振器のような磁気抵抗効果デバイスが現在検討されている中で、その発振を高出力化する方法の一つとして、先行文献1では磁気抵抗効果素子の直列及び並列接続による集積化が示されている。集積化した全ての磁気抵抗効果素子に同時に磁場と直流電流を印加し、同じスピントルク共鳴周波数で発振させることで、集積化した磁気抵抗効果素子から高出力の発振が得られる。
A magnetoresistive effect device such as an oscillator using spin torque oscillation by a magnetoresistive effect element is currently being studied. As one of methods for increasing the output of the magnetoresistive effect element, the
しかし、集積化された磁気抵抗効果素子に磁場印加機構を用いて磁場を印加する際に、磁場印加機構の構造等による各素子に印加される磁場強度のばらつきや、各素子の構造の違いによる各素子間のスピントルク共鳴周波数のばらつき等によって、各素子のスピントルク共鳴周波数のばらつきが大きくなると、集積化した磁気抵抗効果素子からの発振出力が低下してしまうことが問題となる。本発明はこのような問題を解決すべくなされたものであり、大きな発振出力を得ることのできる磁気抵抗効果デバイスを提供することを目的とする。 However, when a magnetic field is applied to an integrated magnetoresistive effect element using a magnetic field application mechanism, the magnetic field strength applied to each element due to the structure of the magnetic field application mechanism, etc., or due to differences in the structure of each element If the variation of the spin torque resonance frequency of each element increases due to the variation of the spin torque resonance frequency between the elements, the problem is that the oscillation output from the integrated magnetoresistive effect element decreases. The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a magnetoresistive effect device capable of obtaining a large oscillation output.
本発明の磁気抵抗効果デバイスは、単一の材料からなるスペーサー層と前記スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることを特徴とする。 The magnetoresistive effect device of the present invention includes a spacer layer made of a single material, a magnetoresistive effect element including a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via the spacer layer, and a magnetic field applied to the magnetoresistive effect element. A plurality of series element portions including the magnetoresistive effect element connected in parallel, and the magnetic field applied to each magnetoresistive effect element is the same as each magnetoresistive effect element. The magnitude relationship between the spin torque resonance frequencies of the magnetoresistive effect elements when a direct current having a large current density is passed is the same as the magnitude relationship between the current densities of the DC currents actually flowing through the magnetoresistive effect elements. It is characterized by being.
ここで、任意の2つの直列素子部分(部分A,部分B)に含まれる各磁気抵抗効果素子に同じ電流密度J0の直流電流を流した場合の部分Aと部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数をそれぞれfa0、fb0とし、実際に部分A及び部分Bの磁気抵抗効果素子に流れる直流電流の電流密度をそれぞれJa、Jbとする。部分A及び部分Bの磁気抵抗効果素子に同じ電流密度J0の直流電流が流れる場合、Ja=Jbである。fa0>fb0の場合、Ja>Jbにすることで、部分Aの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度がJ0である場合、部分Bの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度JbはJb<J0となる。従って、この時の部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はfb0より高くなるため、fa0との差を小さくすることが可能となる。また、fa0<fb0の場合、Ja<Jbにすることで、部分Aの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度がJ0である場合、部分Bの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度JbはJb>J0となる。従って、この時の部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はfb0より低くなるため、fa0との差を小さくすることが可能となる。よって、この特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、出力電流の周波数のばらつきを抑え、大きな発振出力を得ることが可能となる。 Here, the spins of the magnetoresistive effect elements of the part A and the part B when a direct current of the same current density J0 is passed through each magnetoresistive effect element included in any two series element parts (part A, part B). The torque resonance frequencies are assumed to be fa0 and fb0, respectively, and the current densities of the direct currents actually flowing through the magnetoresistive effect elements in the parts A and B are assumed to be Ja and Jb, respectively. When direct currents having the same current density J0 flow through the magnetoresistive effect elements in the portions A and B, Ja = Jb. In the case of fa0> fb0, by setting Ja> Jb, when the current density of the direct current flowing through the magnetoresistive effect element of the portion A is J0, the current density Jb of the direct current flowing through the magnetoresistive effect element of the portion B is Jb <J0. Accordingly, since the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive effect element in the portion B at this time is higher than fb0, the difference from fa0 can be reduced. Further, in the case of fa0 <fb0, by setting Ja <Jb, when the current density of the direct current flowing through the magnetoresistive effect element of the portion A is J0, the current density of the direct current flowing through the magnetoresistive effect element of the portion B Jb is Jb> J0. Therefore, since the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive effect element in the portion B at this time is lower than fb0, the difference from fa0 can be reduced. Therefore, according to the magnetoresistive effect device having this feature, it is possible to suppress variation in the frequency of the output current and obtain a large oscillation output.
さらに、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、前記直列素子部分の少なくとも1つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする。 Furthermore, the magnetoresistance effect device of the present invention is characterized in that at least one of the series element portions includes a resistance element connected in series with the magnetoresistance effect element.
これによれば、抵抗素子により各直列素子部分の抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の調整がより簡易になる。 According to this, since the resistance value of each series element portion can be adjusted by the resistance element, the adjustment of the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive effect element by the resistance value becomes easier.
さらに、前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする。本発明における「膜構造が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。 Further, each of the magnetoresistive elements has the same film structure. The “same film structure” in the present invention means that the materials and film thicknesses of the layers constituting the magnetoresistive element are the same, and the stacking order of the layers is the same.
これによれば、すべての磁気抵抗効果素子を一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、製造がより簡易になる。 According to this, since all the magnetoresistive effect elements can be formed into a thin film on one wafer at a time, manufacturing becomes easier.
本発明の磁気抵抗効果デバイスは、磁性ナノコンタクトを備えたスペーサー層と前記スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度の大小関係が反対であることを特徴とする。 The magnetoresistive effect device of the present invention includes a spacer layer provided with magnetic nanocontacts, a magnetoresistive effect element provided with a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via the spacer layer, and a magnetic field applied to the magnetoresistive effect element. A plurality of series element portions including the magnetoresistive effect element connected in parallel, and the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element in the state where the magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element. The magnitude relationship of the spin torque resonance frequency of each magnetoresistive effect element when a direct current having the same current density is passed through the magnetic nanocontact, and the direct current that actually flows through the magnetic nanocontact of each magnetoresistive effect element It is characterized in that the magnitude relation of the current density of the current is opposite.
ここで、任意の2つの直列素子部分(部分A,部分B)に含まれる各磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに同じ電流密度J0の直流電流を流した場合の部分Aと部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数をそれぞれfa0、fb0とし、実際に部分A及び部分Bに含まれる磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度をそれぞれJa、Jbとする。部分A及び部分Bの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに同じ電流密度J0の直流電流が流れる場合、Ja=Jbである。fa0>fb0の場合、Ja<Jbにすることで、部分Aの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度がJ0である場合、部分Bの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度JbはJb>J0となる。従って、この時の部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はfb0より高くなるため、fa0との差を小さくすることが可能となる。また、fa0<fb0の場合、Ja>Jbにすることで、部分Aの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度がJ0である場合、部分Bの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度JbはJb<J0となる。従って、この時の部分Bの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はfb0より低くなるため、fa0との差を小さくすることが可能となる。よって、この特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、出力電流の周波数のばらつきを抑え、大きな発振出力を得ることが可能となる。 Here, the magnetoresistance of the part A and the part B when a direct current of the same current density J0 is applied to the magnetic nanocontacts of each magnetoresistive effect element included in any two series element parts (part A, part B). It is assumed that the spin torque resonance frequencies of the effect element are fa0 and fb0, respectively, and the current densities of the direct currents that actually flow through the magnetic nanocontacts of the magnetoresistive effect element included in the part A and the part B are Ja and Jb, respectively. When a direct current of the same current density J0 flows through the magnetic nanocontacts of the magnetoresistive effect elements of the part A and the part B, Ja = Jb. In the case of fa0> fb0, by setting Ja <Jb, when the current density of the direct current flowing through the magnetic nanocontact of the magnetoresistive effect element of the portion A is J0, the magnetic nanocontact of the magnetoresistive effect element of the portion B is The current density Jb of the flowing direct current is Jb> J0. Accordingly, since the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive effect element in the portion B at this time is higher than fb0, the difference from fa0 can be reduced. Further, in the case of fa0 <fb0, by setting Ja> Jb, when the current density of the direct current flowing through the magnetic nanocontact of the magnetoresistive effect element of the portion A is J0, the magnetic nanometer of the magnetoresistive effect element of the portion B is The current density Jb of the direct current flowing through the contact is Jb <J0. Therefore, since the spin torque resonance frequency of the magnetoresistive effect element in the portion B at this time is lower than fb0, the difference from fa0 can be reduced. Therefore, according to the magnetoresistive effect device having this feature, it is possible to suppress variation in the frequency of the output current and obtain a large oscillation output.
さらに、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、前記直列素子部分の少なくとも1つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする。 Furthermore, the magnetoresistance effect device of the present invention is characterized in that at least one of the series element portions includes a resistance element connected in series with the magnetoresistance effect element.
これによれば、抵抗素子により各直列素子部分の抵抗値を調整することで、各直列素子部分に流れる直流電流の電流密度を調整することができるため、電流密度の調整による磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の調整がより簡易になる。 According to this, since the current density of the direct current flowing through each series element portion can be adjusted by adjusting the resistance value of each series element portion by the resistance element, the magnetoresistive effect element by adjusting the current density can be adjusted. Adjustment of the spin torque resonance frequency becomes easier.
さらに、前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする。 Further, each of the magnetoresistive elements has the same film structure.
これによれば、すべての磁気抵抗効果素子を一枚のウエハに一括に薄膜成型することができるため、製造がより簡易になる。 According to this, since all the magnetoresistive effect elements can be formed into a thin film collectively on a single wafer, the manufacturing becomes easier.
本発明によれば、大きな発振出力を得ることのできる磁気抵抗効果デバイスを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a magnetoresistive effect device capable of obtaining a large oscillation output.
以下、本発明における好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to these embodiments, and is included in the scope of the present invention as long as the form has the technical idea of the present invention. Each configuration in each embodiment, a combination thereof, and the like are examples, and the addition, omission, replacement, and other changes of the configuration can be made without departing from the spirit of the present invention. Further, the present invention is not limited by the embodiments, and is limited only by the scope of the claims.
(実施形態1)
図1は本発明の実施形態1に係る磁気抵抗効果デバイス100の断面図である。本実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100は、磁気抵抗効果素子102と抵抗素子103とを備えた複数の直列素子部分101と、磁場印加機構107とを備える。磁気抵抗効果素子102は、単一の材料からなるスペーサー層105とスペーサー層105を介して磁化固定層104と磁化自由層106とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス100は3つの直列素子部分101a、101b、101cを備え、直列素子部分101aは磁気抵抗効果素子102aと抵抗素子103aを有し、直列素子部分101bは磁気抵抗効果素子102bと抵抗素子103bを有し、直列素子部分101cは磁気抵抗効果素子102cと抵抗素子103cを有する。磁気抵抗効果素子102a、102bおよび102cは、全て構成が同じ(膜構造、形状および大きさが同じ)である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a
直列素子部分101a、101b、101cは半導体基板113上に積層されており、直列素子部分101a、101b、101cの外側に絶縁体層110が配置されている。
The
磁気抵抗効果素子102(102a、102b、102c)は、磁気抵抗効果デバイス100において、入力された直流電流をスピントルク発振によって交流電流に変換する機能を有する。
The magnetoresistive effect element 102 (102a, 102b, 102c) has a function of converting an input direct current into an alternating current by spin torque oscillation in the
磁気抵抗効果素子102のスピントルク発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。 The spin torque oscillation of the magnetoresistive effect element 102 will be described. Oscillation is a phenomenon in which electrical vibration is induced by a non-vibrating direct current.
磁気抵抗効果素子102の発振は磁気抵抗効果素子102の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁場印加機構107によって磁場を印加するのと同時に、磁気抵抗効果素子102の積層面に垂直な方向に磁化自由層106からスペーサー層105を介して磁化固定層104の方向の直流電流を印加することで生じる磁化自由層106の磁化の歳差運動によって、高周波で抵抗値が変化する磁気抵抗効果が発生し、およそ100MHzから数十THzの高周波数で振動する交流電流が発生する。磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは、膜面に平行な面の平面視形状がいずれも円形になっている。
The oscillation of the magnetoresistive effect element 102 is caused by the magnetization dynamics of the magnetic layer of the magnetoresistive effect element 102. At the same time as applying the magnetic field by the magnetic
次に、磁化固定層104、スペーサー層105及び磁化自由層106について説明する。
Next, the magnetization fixed
磁化固定層104は、その磁化の方向が磁場印加機構107から発生する磁場によって変化しない機能を有する。磁化固定層104は、Fe、Co、Ni、FeCoまたはCoFeB等の高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高出力のスピントルク発振を得ることができる。また、図示しないが、磁化固定層104の磁化を固定するために、磁化固定層104と接するように、PtMn、FeMnまたはIrMn等の材料から構成される反強磁性層を付加しても良い。これにより、磁化固定層104の磁化の方向の固定強度を強くすることが可能となる。また、磁化固定層104の結晶構造、形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化を固定してもよい。
The magnetization fixed
スペーサー層105は、磁化固定層104の磁化と磁化自由層106の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得る機能を有する。スペーサー層105は単一の材料からなり、CuまたはAg等の非磁性の導電材料で構成されても良いし、AlOx(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)またはMgAl2O4等の非磁性の絶縁材料で構成されても良い。また、スペーサー層105は磁性材料で構成されてもよい。
The
磁化自由層106は、その磁化の方向が磁場印加機構107から発生する磁場によって変化する機能を有する。磁化自由層106は、Fe、Co、Ni、FeCoまたはCoFeB等の高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高出力のスピントルク発振を得ることができる。
The magnetization
抵抗素子103a、103b、103cは、図1に示されるように、それぞれ磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに直列接続されており、直列素子部分101a、101b、101cの抵抗値を調節する。抵抗素子103a、103b、103cは、Cu、AgまたはNiCr等の導電材料で構成されても良いし、SiやGe等の半導体で構成されていても良い。
As shown in FIG. 1, the
磁場印加機構107は、磁気抵抗効果素子102に磁場を印加する。磁気抵抗効果素子102に磁場を印加した状態で磁気抵抗効果素子102に直流電流を印加することで、スピントルク発振が起こり、磁気抵抗効果素子102からスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の交流電流が出力される。本実施形態の磁場印加機構107は、一つの永久磁石であり、図1に示すように磁気抵抗効果素子102cの側に配置されている。磁場印加機構107は、一つの永久磁石に限らず、複数の永久磁石や電磁石、ループコイルでもよい。
The magnetic
図1に示されるように、磁気抵抗効果素子102の積層方向に直列素子部分101を介して信号電極層108と接地電極層109が配設されている。信号電極層108には、直流電流入力端子111と交流電流出力端子112が接続されている。また、信号電極層108と接地電極層109の間に直列素子部分101a、101b、101cが電気的に並列接続されており、直流電流入力端子111が直流電圧源または直流電流源に接続され、接地電極層109が直流電圧源または直流電流源のグラウンドに接続されることにより、直列素子部分101a、101b、101cに同時に直流電流が流され、磁場印加機構107によって磁場が印加されて磁気抵抗効果素子102a、102b、102cがスピントルク発振を起こすことで、交流電流出力端子112から交流電流が取り出される。ここで各直列素子部分101a、101b、101cにおいて、抵抗素子103a、103b、103cは信号電極層108と接地電極層109との間に複数個接続されていてもよい。
As shown in FIG. 1, a
抵抗素子103a,103b,103cの抵抗値をRa、Rb,Rcとする。磁気抵抗効果デバイス100では、Rc<Rb<Raとなっている。例えば、抵抗素子103a,103b,103cの材料として、不純物を含む半導体を用い、抵抗素子103a,103b,103cそれぞれにおいて不純物の含有率を異ならせることで、抵抗素子103a,103b,103cの抵抗値を異なるものとすることができる。磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にRa=Rb=Rcの場合には、磁気抵抗効果素子102a、102b、102cには同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス100では、Rc<Rb<Raとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度をそれぞれJa、Jb、Jcとすると、Ja<Jb<Jcとなる。
The resistance values of the
磁場印加機構107によって発生する磁場の強度は磁場印加機構107からの距離に反比例しており、磁気抵抗効果素子102aが配置されている場所の磁場強度をHa、磁気抵抗効果素子102bが配置されている場所の磁場強度をHb、磁気抵抗効果素子102cが配置されている場所の磁場強度をHcとすると、Ha<Hb<Hcである。つまり、磁気抵抗効果デバイス100では、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに印加される磁場の強度Ha、Hb、Hcの大小関係(Ha<Hb<Hc)と、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに対応した各直列素子部分101a、101b、101cの抵抗素子103a、103b、103cの抵抗値Ra、Rb,Rcの大小関係(Rc<Rb<Ra)が反対になっており、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに印加される磁場の強度Ha、Hb、Hcの大小関係(Ha<Hb<Hc)と、実際に各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係(Ja<Jb<Jc)が同じになっている。ここで、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに同じ大きさの電流密度J0の直流電流を流した場合の磁気抵抗効果素子102a、102b、102cのスピントルク発振周波数をそれぞれfa0、fb0、fc0とすると、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強くなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなるので、fa0<fb0<fc0となる。
The strength of the magnetic field generated by the magnetic
図2は各磁気抵抗素子102a、102b、102cに流れる直流電流の電流密度Jとスピントルク共鳴周波数fの関係である。図2における直線Aは、磁気抵抗効果素子102aに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子102aのスピントルク共鳴周波数faの関係を表している。図2における直線Bは、磁気抵抗効果素子102bに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子102bのスピントルク共鳴周波数fbの関係を示している。図2における直線Cは、磁気抵抗効果素子102cに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子102cのスピントルク共鳴周波数fcの関係を示している。図2に示すように、単一の材料からなるスペーサー層を有する磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は低くなる。
FIG. 2 shows the relationship between the current density J of the direct current flowing through the
図3A、図3B、図3C、図3Dは磁気抵抗効果デバイス100からの発振出力の周波数分布を示している。図3Aは、抵抗素子103a,103b,103cの抵抗値をRa=Rb=Rcとし、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度がJ0である場合の磁気抵抗効果デバイス100からの発振出力の周波数分布である。この時、図3Aに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
3A, 3B, 3C, and 3D show the frequency distribution of the oscillation output from the
まず、直列素子部分101aに含まれている抵抗素子103aの抵抗値Raを直列素子部分101bに含まれている抵抗素子103bの抵抗値Rbより大きくすると、磁気抵抗効果素子102bを流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子102aを流れる直流電流Jaの電流密度はJ0(=Jb)より小さくなり、図3Bに示されるように、faをfb(=fb0)に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分101cに含まれている抵抗素子103cの抵抗値Rcを直列素子部分101bに含まれている抵抗素子103bの抵抗値Rbより小さくすると、磁気抵抗効果素子102bを流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子102cを流れる直流電流の電流密度JcはJ0(=Jb)より大きくなり、図3Cに示されるように、fcをfb(=fb0)に近づけることができる。従って、磁場印加機構107が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに印加された状態で各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cに同じ大きさの電流密度の直流電流J0を流した際の各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cのスピントルク発振周波数fa0、fb0、fc0の大小関係(fa0<fb0<fc0)と、実際に各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係が同じ、すなわちJa<Jb<Jcであることで、図3Dに示されるように、磁気抵抗効果デバイス100からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子103aの抵抗値Raは、図2に示されるようにJa≒J1となるように、抵抗素子103cの抵抗値Rcは、図2に示されるようにJc≒J2となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス100によれば、磁場印加機構107が印加する磁場の強度のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
First, when the resistance value Ra of the
磁気抵抗効果デバイス100では、直列素子部分101a、101b、101cが磁気抵抗効果素子102a、102b、102cと直列に接続された抵抗素子103a、103b、103cを含んでいるので、抵抗素子103a、103b、103cにより各直列素子部分101a、101b、101cの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子102a、102b、102cのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
In the
さらに、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス100はその製造が簡易である。
Furthermore, since each
実施形態1では、抵抗素子103a,103b、103cがそれぞれ直列素子部分101a、101b、101cに含まれているが、抵抗素子103a、103b、103cは必ずしも直列素子部分101a、101b、101cに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分101cは磁気抵抗素子102cのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分101cには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分101cの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
In the first embodiment, the
また、実施形態1では、磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102c間でスペーサー層105の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cの抵抗値を異ならせて、抵抗素子103a,103b、103cを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係を調整しても良い。
In the first embodiment, the
また、実施形態1では、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cは、電流方向に垂直な断面の面積は同じであるが、電流方向に垂直な断面の面積を異ならせても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cの膜構造を同じとし、電流方向に垂直な断面の断面形状を相似形とし(断面形状のアスペクト比を同じとし)、電流方向に垂直な断面の断面積を異ならせるようにしても良い。この場合、抵抗素子103a、103b、103cを用いずに磁気抵抗効果素子102a、102b、102cのみを並列に接続した場合には、各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cには同じ大きさの電流密度の直流電流が流れるので、実施形態1と同様に、抵抗素子103a、103b、103cを用いて、実際に各磁気抵抗効果素子102a、102b、102cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係を調整することができる。ここで、アスペクト比とは、断面の形状もしくは平面視形状が、楕円形の場合にはその長軸の長さと短軸の長さの比(長軸の長さ/短軸の長さ)であり、長方形の場合にはその長辺の長さと短辺の長さの比(長辺の長さ/短辺の長さ)である。断面の形状もしくは平面視形状が、円形または正方形の場合はアスペクト比は1である。
In the first embodiment, the
(実施形態2)
図4は本発明の実施形態2に係る磁気抵抗効果デバイス400の断面図である。磁気抵抗効果デバイス400において、実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100と共通する事項は適宜説明を省略する。実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。本実施形態2の磁気抵抗効果デバイス400は、実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100における直列素子部分101a、101b、101cにかえて直列素子部分401a、401b、401cを有し、磁気抵抗効果素子102a、102b、102cにかえて磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを有し、抵抗素子103a、103b、103cにかえて抵抗素子403a、403b、403cを有し、磁場印加機構107にかえて磁場印加機構407を有する。磁気抵抗効果デバイス400は、磁気抵抗効果素子402と抵抗素子403とを備えた複数の直列素子部分401と、磁場印加機構407とを備える。磁気抵抗効果素子402は、単一の材料からなるスペーサー層105とスペーサー層105を介して磁化固定層104と磁化自由層106とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス500は3つの直列素子部分401a、401b、401cを備え、直列素子部分401aは磁気抵抗効果素子402aと抵抗素子403aを有し、直列素子部分401bは磁気抵抗効果素子402bと抵抗素子403bを有し、直列素子部分401cは磁気抵抗効果素子402cと抵抗素子403cを有する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view of a
磁場印加機構407は、2つの永久磁石からなり、図4に示すように2つの永久磁石が磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの両側を挟むように配置されている。磁場印加機構407の永久磁石にかえて電磁石やループコイルを用いてもよい。この場合、磁場印加機構407から各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに印加される磁場の強度は、互いに等しくなっている。
The magnetic
磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの膜構造は実施形態1の磁気抵抗効果素子102a、102b、102cと同じである。磁気抵抗効果素子402a、402b、402cは、膜面に平行な面の平面視形状が長方形であるが、それぞれアスペクト比が異なっている。図5は、磁気抵抗効果デバイス400の上面図である。磁場印加機構407によって磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに印加される磁場の磁場強度は同じであり、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの膜面に平行な面の平面視形状の長辺方向と実質的に同じ方向の磁場が磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに印加される。図5に示すように、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの膜面に平行な面の平面視形状のY方向の寸法は同じであるが、長辺方向であるX方向の寸法が異なっている。ここで、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cのY方向の寸法をY0,磁気抵抗効果素子402a、402b、402cのX方向の寸法をそれぞれXa,Xb,Xcとすると、アスペクト比(X/Y)の大小関係が(Xa/Y0)<(Xb/Y0)<(Xc/Y0)となる。この場合、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに同じ大きさの電流密度J0の直流電流を流した場合の各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cのスピントルク共鳴周波数をそれぞれfa0、fb0、fc0とすると、磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなるので、fa0<fb0<fc0となる。
The film structure of the
抵抗素子403a、403b、403cの抵抗値をRa、Rb、Rcとする。磁気抵抗効果デバイス400では、Rc<Rb<Raとなっている。磁気抵抗効果素子402a、402b、402cは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にRa=Rb=Rcの場合には、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cには同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス400では、Rc<Rb<Raとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを流れる直流電流の電流密度をそれぞれJa、Jb、Jcとすると、Ja<Jb<Jcとなる。
The resistance values of the
磁気抵抗効果デバイス400では、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比(Xa/Y0)、(Xb/Y0)、(Xc/Y0)の大小関係((Xa/Y0)<(Xb/Y0)<(Xc/Y0))と、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに対応した各直列素子部分401a、401b、401cの抵抗素子403a、403b、403cの抵抗値Ra、Rb、Rcの大小関係(Rc<Rb<Ra)が反対になっており、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比(Xa/Y0)、(Xb/Y0)、(Xc/Y0)の大小関係((Xa/Y0)<(Xb/Y0)<(Xc/Y0))と、実際に各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係(Ja<Jb<Jc)が同じになっている。
In the
図6は各磁気抵抗素子402a、402b、402cに流れる直流電流の電流密度Jとスピントルク共鳴周波数fの関係である。図6における直線Aは、磁気抵抗効果素子402aに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子402aのスピントルク共鳴周波数faの関係を表している。図6における直線Bは、磁気抵抗効果素子402bに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子402bのスピントルク共鳴周波数fbの関係を示している。図6における直線Cは、磁気抵抗効果素子402cに流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子402cのスピントルク共鳴周波数fcの関係を示している。図6に示すように、単一の材料からなるスペーサー層を有する磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は低くなる。
FIG. 6 shows the relationship between the current density J of the direct current flowing through the
図7A、図7B、図7C、図7Dは磁気抵抗効果デバイス400からの発振出力の周波数分布を示している。図7Aは、抵抗素子403a,403b,403cの抵抗値をRa=Rb=Rcとし、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを流れる直流電流の電流密度がJ0である場合の磁気抵抗効果デバイス400からの発振出力の周波数分布である。この時、図7Aに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
7A, 7B, 7C, and 7D show the frequency distribution of the oscillation output from the
まず、直列素子部分401aに含まれている抵抗素子403aの抵抗値Raを直列素子部分401bに含まれている抵抗素子403bの抵抗値Rbより大きくすると、磁気抵抗効果素子402bを流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子402aを流れる直流電流の電流密度JaはJ0(=Jb)より小さくなり、図7Bに示されるように、faをfb(=fb0)に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分401cに含まれている抵抗素子403cの抵抗値Rcを直列素子部分401bに含まれている抵抗素子403bの抵抗値Rbより小さくすると、磁気抵抗効果素子402bを流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子402cを流れる直流電流の電流密度JcはJ0(=Jb)より大きくなり、図7Cに示されるように、fcをfb(=fb0)に近づけることができる。従って、磁場印加機構407が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに印加された状態で各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cに同じ大きさの電流密度の直流電流J0を流した際の各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cのスピントルク発振周波数fa0、fb0、fc0の大小関係(fa0<fb0<fc0)と、実際に各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係が同じ、すなわちJa<Jb<Jcであることで、図7Dに示されるように、磁気抵抗効果デバイス400からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子403aの抵抗値Raは、図6に示されるようにJa≒J1となるように、抵抗素子403cの抵抗値Rcは、図6に示されるようにJc≒J2となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス400によれば、各磁気抵抗素子402a、402b、402cの平面視形状のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
First, when the resistance value Ra of the
磁気抵抗効果デバイス400では、直列素子部分401a、401b、401cが磁気抵抗効果素子402a、402b、402cと直列に接続された抵抗素子403a、403b、403cを含んでいるので、抵抗素子403a、403b、403cにより各直列素子部分401a、401b、401cの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子402a、402b、402cのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
In the
さらに、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス400はその製造が簡易である。
Furthermore, since each
実施形態2では、抵抗素子403a,403b、403cがそれぞれ直列素子部分401a、401b、401cに含まれているが、抵抗素子403a,403b、403cは必ずしも直列素子部分401a、401b、401cに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分401cは磁気抵抗素子402cのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分401cには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分401cの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
In the second embodiment, the
また、実施形態2では、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子402a、402b、402cは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子402a、402b、402c間でスペーサー層105の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cの抵抗値を異ならせて、抵抗素子403a,403b、403cを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子402a、402b、402cを流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係を調整しても良い。
In the second embodiment, the
実施形態1においては、各磁気抵抗効果素子に印加される磁場強度が異なる例で説明し、実施形態2においては、各磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比が異なる例で説明したが、各磁気抵抗効果素子に印加される磁場強度が異なり、かつ、各磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比が異なるようにしても良い。このような場合でも、磁場印加機構が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子に印加された状態で各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の各磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数の大小関係と、実際に各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることで、大きな発振出力を磁気抵抗効果デバイスから得ることが可能となる。 In the first embodiment, an example in which the magnetic field strength applied to each magnetoresistive effect element is different will be described. In the second embodiment, the aspect ratio of the planar view shape of a plane parallel to the film surface of each magnetoresistive effect element is described. Although described in different examples, the magnetic field strength applied to each magnetoresistive effect element may be different, and the aspect ratio of the planar view shape of the plane parallel to the film surface of each magnetoresistive effect element may be different. Even in such a case, each magnetoresistive effect element when a direct current having the same current density is passed through each magnetoresistive effect element in a state where the magnetic field applied by the magnetic field application mechanism is applied to each magnetoresistive effect element. Since the magnitude relation of the spin torque oscillation frequency of the current and the magnitude relation of the current density of the direct current flowing through each magnetoresistive effect element are the same, a large oscillation output can be obtained from the magnetoresistive effect device.
(実施形態3)
図8は本発明の実施形態3に係る磁気抵抗効果デバイス800の断面図である。磁気抵抗効果デバイス800において、実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100と共通する事項は適宜説明を省略する。実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。本実施形態3の磁気抵抗効果デバイス800は、実施形態1の磁気抵抗効果デバイス100における直列素子部分101a、101b、101cにかえて直列素子部分801a、801b、801cを有し、磁気抵抗効果素子102a、102b、102cにかえて磁気抵抗効果素子802a、802b、802cを有し、抵抗素子103a、103b、103cにかえて抵抗素子803a、803b、803cを有する。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a
磁気抵抗効果デバイス800は、磁気抵抗効果素子802と抵抗素子803とを備えた複数の直列素子部分801と、磁場印加機構107とを備える。磁気抵抗効果素子802は、磁性ナノコンタクト814を備えたスペーサー層805とスペーサー層805を介して磁化固定層104と磁化自由層106とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス800は3つの直列素子部分801a、801b、801cを備え、直列素子部分801aは磁気抵抗効果素子802aと抵抗素子803aを有し、直列素子部分801bは磁気抵抗効果素子802bと抵抗素子803bを有し、直列素子部分801cは磁気抵抗効果素子802cと抵抗素子803cを有する。磁気抵抗効果素子802a、802bおよび802cは、全て構成が同じ(膜構造、形状および大きさが同じ)である。
The
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子802のスピントルク発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。 The spin torque oscillation of the magnetoresistive effect element 802 according to this embodiment will be described. Oscillation is a phenomenon in which electrical vibration is induced by a non-vibrating direct current.
磁気抵抗効果素子802の発振は磁気抵抗効果素子802の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁場印加機構107によって磁場を印加するのと同時に、磁気抵抗効果素子802の積層面に垂直な方向に磁化自由層106からスペーサー層805内の磁性ナノコンタクト814を介して磁化固定層104の方向に直流電流を印加することで、磁性ナノコンタクト814内にスピン偏極電流が流れ、それにより生じる磁性ナノコンタクト814内のスピンの歳差運動によって、高周波で抵抗値が変化する磁気抵抗効果が発生し、およそ100MHzから数十THzの高周波数で振動する交流電流が発生する。磁気抵抗効果素子802a、802b、802cは、膜面に平行な面の平面視形状がいずれも円形になっている。
The oscillation of the magnetoresistive effect element 802 is caused by the magnetization dynamics of the magnetic layer of the magnetoresistive effect element 802. At the same time as applying the magnetic field by the magnetic
磁性ナノコンタクト814を備えたスペーサー層805は、磁化固定層104の磁化と磁化自由層106の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得る機能を有する。磁性ナノコンタクト814は、磁化固定層104から磁化自由層106への導電材料からなるナノサイズの電流狭窄パスである。スペーサー層805における磁性ナノコンタクト814の周囲の部分815の材料には、AlOx(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)またはMgAl2O4等の非磁性の絶縁材料や、磁性の絶縁材料を用いることができる。磁性ナノコンタクト814の材料には、FeとCoの合金、FeとCoとAlの合金またはFeとCoとAlとSiの合金などの磁性の導電材料を用いることができる。
The
抵抗素子803a、803b、803cの抵抗値をRa、Rb、Rcとする。磁気抵抗効果デバイス800では、Ra<Rb<Rcとなっている。磁気抵抗効果素子802a、802b、802cは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にRa=Rb=Rcの場合には、磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814には同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス800では、Ra<Rb<Rcとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度をそれぞれJa、Jb、Jcとすると、Jc<Jb<Jaとなる。
The resistance values of the
磁場印加機構107によって発生する磁場の強度は磁場印加機構107からの距離に反比例しており、磁気抵抗効果素子802aが配置されている場所の磁場強度をHa、磁気抵抗効果素子802bが配置されている場所の磁場強度をHb、磁気抵抗効果素子802cが配置されている場所の磁場強度をHcとすると、Ha<Hb<Hcである。つまり、磁気抵抗効果デバイス800では、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cに印加される磁場の強度Ha、Hb、Hcの大小関係(Ha<Hb<Hc)と、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cに対応した各直列素子部分801a、801b、801cの抵抗素子803a、803b、803cの抵抗値Ra、Rb、Rcの大小関係(Ra<Rb<Rc)が同じになっており、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cに印加される磁場の強度Ha、Hb、Hcの大小関係(Ha<Hb<Hc)と、実際に各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係(Jc<Jb<Ja)が反対になっている。ここで、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814に同じ大きさの電流密度J0の直流電流を流した場合の磁気抵抗効果素子802a、802b、802cのスピントルク発振周波数をそれぞれfa0、fb0、fc0とすると、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強くなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなるので、fa0<fb0<fc0となる。
The strength of the magnetic field generated by the magnetic
図9は各磁気抵抗素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814に流れる直流電流の電流密度Jとスピントルク共鳴周波数fの関係である。図9における直線Aは、磁気抵抗効果素子802aの磁性ナノコンタクト814に流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子802aのスピントルク共鳴周波数faの関係を表している。図9における直線Bは、磁気抵抗効果素子802bの磁性ナノコンタクト814に流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子802bのスピントルク共鳴周波数fbの関係を示している。図9における直線Cは、磁気抵抗効果素子802cの磁性ナノコンタクト814に流れる直流電流の電流密度Jと磁気抵抗効果素子802cのスピントルク共鳴周波数fcの関係を示している。図9に示すように、スペーサー層に磁性ナノコンタクトを備える磁気抵抗効果素子では、磁気ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなる。(スペーサー層に磁性ナノコンタクトを備える磁気抵抗効果素子は、磁気ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が高くなるような性質を示す電流密度の領域で用いられる。)。
FIG. 9 shows the relationship between the current density J of the direct current flowing through the
図10A、図10B、図10C、図10Dは磁気抵抗効果デバイス800からの発振出力の周波数分布を示している。図10Aは、抵抗素子803a,803b,803cの抵抗値をRa=Rb=Rcとし、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度がJ0である場合の磁気抵抗効果デバイス800からの発振出力の周波数分布である。この時、図10Aに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
10A, 10B, 10C, and 10D show the frequency distribution of the oscillation output from the
まず、直列素子部分801aに含まれている抵抗素子803aの抵抗値Raを直列素子部分801bに含まれている抵抗素子803bの抵抗値Rbより小さくすると、磁気抵抗効果素子802bの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子802aの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度JaはJ0(=Jb)より大きくなり、図10Bに示されるように、faをfb(=fb0)に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分801cに含まれている抵抗素子803cの抵抗値Rcを直列素子部分801bに含まれている抵抗素子803bの抵抗値Rbより大きくすると、磁気抵抗効果素子102bの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度がJ0の場合、磁気抵抗効果素子802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度はJ0(=Jb)より小さくなり、図10Cに示されるように、fcをfb(=fb0)に近づけることができる。従って、磁場印加機構807が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cに印加された状態で各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814に同じ大きさの電流密度の直流電流J0を流した際の各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cのスピントルク発振周波数fa0、fb0、fc0の大小関係(fa0<fb0<fc0)と、実際に各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係が反対、すなわちJc<Jb<Jaであることで、図10Dに示されるように、磁気抵抗効果デバイス800からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子803aの抵抗値Raは、図9に示されるようにJa≒J2となるように、抵抗素子803cの抵抗値Rcは、図9に示されるようにJc≒J1となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス800によれば、磁場印加機構807が印加する磁場の強度のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
First, when the resistance value Ra of the
磁気抵抗効果デバイス800では、直列素子部分801a、801b、801cが磁気抵抗効果素子802a、802b、802cと直列に接続された抵抗素子803a、803b、803cを含んでいるので、抵抗素子803a、803b、803cにより各直列素子部分801a、801b、801cの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子802a、802b、802cのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
In the
さらに、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子802a、802b、802cを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス800はその製造が簡易である。
Furthermore, since the
実施形態3では、抵抗素子803a,803b、803cがそれぞれ直列素子部分801a、801b、801cに含まれているが、抵抗素子803a,803b、803cは必ずしも直列素子部分801a、801b、801cに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分801aは磁気抵抗素子802aのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分801aには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分801aの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
In the third embodiment, the
また、実施形態3では、磁気抵抗効果素子802a、802b、802cは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子802a、802b、802cは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子802a、802b、802c間でスペーサー層805の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの抵抗値を異ならせて、抵抗素子803a,803b、803cを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子802a、802b、802cの磁性ナノコンタクト814を流れる直流電流の電流密度Ja、Jb、Jcの大小関係を調整しても良い。
In the third embodiment, the
また、実施形態1〜3において、磁化自由層106から磁化固定層104の方向に直流電流を流す例について説明したが、磁化固定層104から磁化自由層106の方向に直流電流を流すようにしてもよい。
In the first to third embodiments, the example in which the direct current is passed from the magnetization
以上のように、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、発振器などに利用可能である。 As described above, the magnetoresistive effect device according to the present invention can be used for an oscillator or the like.
100,400,800 磁気抵抗効果デバイス
101,101a,101b,101c、401,401a,401b、401c、801a,801b、801c 直列素子部分
102,102a,102b,102c、402,402a,402b、402c、802a,802b、802c 磁気抵抗効果素子
103、103a、103b,103c、403、403a、403b、403c、803a、803b、803c 抵抗素子
104 磁化固定層
105、805 スペーサー層
106 磁化自由層
107、407 磁場印加機構
108 信号電極層
109 接地電極層
110 絶縁体層
111 直流電流入力端子
112 交流電流出力端子
113 半導体基板
814 磁性ナノコンタクト
100, 400, 800
Claims (6)
前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、
前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきよりも、前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきが小さくなるように、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。 A magnetoresistive effect element including a spacer layer made of a single material, a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via the spacer layer, and a magnetic field application mechanism for applying a magnetic field to the magnetoresistive effect element,
A plurality of series element portions including the magnetoresistive effect element are connected in parallel,
Variation in frequency of output current from each magnetoresistive effect element when a direct current having the same current density is passed through each magnetoresistive effect element with the magnetic field applied to each magnetoresistive effect element Than the current of the same magnitude in each magnetoresistive effect element in a state where the magnetic field is applied to each magnetoresistive effect element so that the variation in frequency of the output current from each magnetoresistive effect element becomes smaller. The magnitude relationship of the spin torque resonance frequency of each magnetoresistive effect element when a direct current of density is passed is the same as the magnitude relationship of the current density of the DC current actually flowing through each magnetoresistive effect element. And magnetoresistive device.
前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、
前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきよりも、前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきが小さくなるように、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度の大小関係が反対であることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。 A magnetoresistive effect element including a spacer layer provided with magnetic nanocontacts, a magnetization fixed layer and a magnetization free layer via the spacer layer, and a magnetic field application mechanism for applying a magnetic field to the magnetoresistive effect element,
A plurality of series element portions including the magnetoresistive effect element are connected in parallel,
Output from each magnetoresistive effect element when a direct current having the same current density is passed through the magnetic nanocontact of each magnetoresistive effect element in a state where the magnetic field is applied to each magnetoresistive effect element Each of the magnetoresistive effect elements in a state in which the magnetic field is applied to each of the magnetoresistive effect elements so that the variation in the frequency of the output current from each of the magnetoresistive effect elements is smaller than the variation of the current frequency . The magnitude relation of the spin torque resonance frequency of each magnetoresistive effect element when a direct current of the same current density is passed through the magnetic nanocontact, and the actual flow through the magnetic nanocontact of each magnetoresistive effect element A magnetoresistive device characterized in that the magnitude relation of the current density of a direct current is opposite.
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