JP4633689B2

JP4633689B2 - マイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置

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Publication number: JP4633689B2
Application number: JP2006226480A
Authority: JP
Inventors: 秀明名倉; 知之三宅; 盛通伊藤
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Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2026-08-23
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Description

本発明は、マイクロ波発振素子、特にスピントルクを用いたマイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置に関するものである。

近年、携帯電話を代表とする無線ネットワーク通信システム用携帯端末においては、ＷＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＲＦＩＤ、ＧＰＳなど複数の通信機器に対応したものが多く商品化されている。これら多くの通信規格に対応した周波数を扱うためには、それぞれの周波数に対応した複数のＲＦ回路が必要となる。しかしながら、複数のＲＦ回路を一つの機器に取り入れようとすると、機器の大規模化へと繋がる。

小型・薄型な機器を実現するために、これら複数のＲＦ回路を一つにまとめ、一つのＲＦ回路で複数の周波数に対応しようとする技術の開発が精力的に行われている。これらは、チューナブルＲＦ回路と呼ばれている。チューナブルＲＦ回路を実現するための重要な技術の一つに、発振周波数を可変とすることのできるマイクロ波発振素子が挙げられる。

最近、磁性多層膜を用いた素子に直流電流を流すと、スピントルクによりマイクロ波発振する現象が報告された。このスピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、外部から印加する磁界および素子に流す電流値により発振周波数を変えることができるため、上記チューナブルＲＦ回路を実現するためのマイクロ波発振素子としての応用が期待される。

ここで、図１１を参照して、このマイクロ波発振素子について説明する。図１１は、スピントルクを用いたマイクロ波発振素子の原理を説明するための図である。マイクロ波発振素子１００は、不図示の基板上に、第１の電極１１０ａと、磁化方向が固定された磁化固定層１１２と、中間層１１３と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層１１４と、第２の電極１１０ｂとが、この順に積層されて構成されている。ここで、磁化固定層１１２と磁化自由層１１４の磁化方向は同じ方向とする。

この状態で、電極１１０ａと電極１１０ｂとの間に電圧を印加し、第１の電極１１０ａから第２の電極１１０ｂの方向に直流電流１３１を流す。このように直流電流１３１を流すことにより、電子１３２（電子の流れる方向は電流と逆向きとなる）は、第２の電極１１０ｂから第１の電極１１０ａに流れる。

このとき、スピンの持つ磁気モーメントの方向が磁化固定層１１２及び磁化自由層１１４の磁化方向と同じ電子１３２は、磁化自由層１１４内の電子スピン及び磁化固定層１１２に接している中間層１１３と相互作用を及ぼすとことなく、スピンの向きを保ったまま、第１の電極１１０ａに向かって流れることができる。

一方、スピンの磁気モーメントの方向が磁化自由層１１４の磁化方向と反対の電子１３２’は、磁化自由層１１４中の電子のスピンと交換相互作用を起こす。このため、それぞれの電子のスピン間にはスピントルクが働き、磁化自由層１１４内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。発生するスピントルクが十分に大きい場合は、歳差運動が増幅され、磁化自由層１１４内の電子のスピンは反転（スピン注入磁化反転）する。一方、発生するスピントルクが小さい場合、もしくは、外部磁界、一軸異方性などによりスピントルクが抑制されている場合は、スピンは反転することができず、歳差運動を行うのみである。

このスピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、磁化固定層１１２、中間層１１３及び磁化自由層１１４の多層膜に膜面垂直方向に電流を流すことのできる電極を設けた磁気抵抗素子であるともいえる。磁気抵抗素子は、磁化固定層１１２と磁化自由層１１４の磁化の相対角度に応じて抵抗の変化する素子である。

従って、磁化自由層１１４内の電子のスピンがスピントルクによって歳差運動を始めると、磁化自由層１１４の磁化と磁化固定層１１２の磁化の相対角度が歳差運動の周波数（マイクロ波の領域）に応じて変化するため、マイクロ波発振素子の抵抗が歳差運動の周波数に応じて変化する。

図１１に示すように素子に一定の直流電流を入力し、この抵抗変化を素子に印加されている電圧変化として出力すると、高周波で振動する電圧信号を得ることができる。

このマイクロ波発振素子の特徴としては、素子に流す電流の大きさや、外部より印加する磁界の大きさを変えることにより、スピントルクによる磁化自由層１１４の歳差運動の周波数を変化させることが可能なため、マイクロ波の発振周波数を連続的に且つ、幅広い周波数範囲で変化させることが可能である。

図１２（ａ）及び（ｂ）に、非特許文献１及び２に記載されているマイクロ波発振素子の構成を示す。

図１２（ａ）に示すマイクロ波発振素子４００は、磁化自由層１１４と第２の電極１１０ｂとが、ナノコンタクト１１８で電気的に接続されている。一方、図１２（ｂ）におけるマイクロ波発振素子５００は、磁化自由層１１４と中間層１１３とが、１００ｎｍ程度の大きさに加工されており、第２の電極１０ｂとナノスケールで接続されている。すなわち、図１２（ａ）・（ｂ）のマイクロ波発振素子４００及び５００の両方とも、磁化自由層１１４に流れる電流の断面積をナノスケールのオーダーで制限している。これは、スピントルクによる磁化自由層１１４の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層１１４の体積に比例するためである。従って、断面積を小さくし電流密度を大きくすることは、マイクロ波発振に必要となる電流の低減につながり、素子としての消電力化に貢献する。

しかしながら、図１２（ａ）・（ｂ）に示したマイクロ波発振素子４００及び５００の出力は１ｎＷ程度であり、実用化するためには更に出力を大きくする必要がある。

出力を向上させるためには、図１２において示したマイクロ波発振素子を複数並列に接続し、複数のマイクロ波発振素子の出力を合成することによって、高出力化する方法が非特許文献３及び４に述べられている。

図１３（ａ）・（ｂ）には、図１２（ａ）・（ｂ）に示したマイクロ波発振素子４００・５００を複数並列に接続した、マイクロ波発振素子４００Ｂ・５００Ｂを示している。このように、マイクロ波発振素子を並列に接続することにより、並列に接続した素子の数だけ出力を向上させることが可能となる。

また、非特許文献３及び４によると、並列接続したマイクロ波発振素子同士を近接させ動作させると、スピンの歳差運動が位相同期し、発生するマイクロ波の出力が接続したマイクロ波発振素子の数以上に大きくなることが述べられている。
ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢｖｏｌ．７０ｐｐ．１００４０６Ｎａｔｕｒｅｖｏｌ．４２５ｐｐ．３８０Ｎａｔｕｒｅｖｏｌ．４３７ｐｐ．３８９Ｎａｔｕｒｅｖｏｌ．４３７ｐｐ．３９３

上述したように、スピントルクを用いたマイクロ波発振素子は、マイクロ波の発振周波数を連続的に且つ、幅広い周波数範囲で変化させることができ、素子を並列に接続することにより高出力で発振させることが可能であるため、チューナブルＲＦ回路を実現するためのマイクロ波発振素子としての応用が期待される。

しかしながら、図１３（ａ）・（ｂ）に示した素子を作製するためには、電極とのナノコンタクト構造、もしくは、微細構造を有する磁化自由層を作製し、並列に素子を接続しなければならない。この様なナノスケールの微細構造を作製するための手段としては、ＥＢリソグラフィなどの微細加工方法が挙げられるが、微細加工を行うためのプロセスが多くなり、コスト、量産性に課題がある。

本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、微細加工を用いることなく、より簡易な加工プロセス、成膜プロセスを用いて、電極とのナノコンタクト構造もしくは、磁化自由層の微細化構造を実現し、且つ、高出力、低コスト、及び、量産性に優れたマイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置を提供することにある。

本発明に係るマイクロ波発振素子は、上述した課題を解決するために、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることができる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子において、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内における所定領域に流れる上記電流の密度を、該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴としている。

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。

具体的には、本発明のマイクロ波発振素子は、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を、該磁化自由層内における該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を用いている。

上記したように、スピントルクによる磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層の体積に比例する。すなわち、磁化自由層に流れる電流の断面積を小さくし電流密度を大きくすることによって、マイクロ波発振に必要となる電流を低減させることができる。そこで、本発明のマイクロ波発振素子では、上記したナノ粒子を用いて、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高めている。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、従来の構成と同じ効果を実現することができる。すなわち、上記の構成によれば、従来よりも低コストで、且つ量産性に優れたマイクロ波発振素子を提供することが可能となる。

特に、本発明では複数のナノ粒子を用いているので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、格段に簡易な手法でこれを実現することができる。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子が導電性ナノ粒子であり、上記第２の電極は、電極層と、上記ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ接続層とを有しており、上記ナノ粒子が、上記電極層と上記磁化自由層とに接触していることが好ましい。具体的には、上記ナノ粒子は、金属ナノ粒子であることが好ましい。

上記の構成とすれば、第２の電極に構成されているナノ粒子と、磁化自由層との間にナノコンタクトを実現することができる。すなわち、上記の構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。

例えば、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記電極層と上記磁化自由層との上記ナノ粒子の接触面積が、０を超え、４９００ｎｍ^２以下であることが好ましい。また、特に、上記接触面積は、０を超え、７０ｎｍ×７０ｎｍ以下であることが好ましい。

そして、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第１の電極と、磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、第２の電極とをこの順で設けることができる。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、上記磁性ナノ粒子が、上記第２の電極と上記中間層とに接触していることが好ましい。

上記の構成とすれば、上記ナノ粒子が磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっている。これにより、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記ナノ粒子が磁性ナノ粒子であり、上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、上記磁化固定層は、互いに磁化方向が逆である第１の磁化固定層と第２の磁化固定層とを備えており、上記磁化自由層は、上記中間層を介して、上記第１の磁化固定層と上記第２の磁化固定層とに挟まれた構成となっており、上記磁性ナノ粒子は、各上記中間層と接触していることが好ましい。

上記のように、磁化方向が逆である第１の磁化固定層と第２の磁化固定層とを備えていることによって、単層の磁化固定層を用いた本発明のマイクロ波発振素子と比較して、より一層小さい電流値でマイクロ波発振することが可能となる。

具体的には、上記の構成を有する本発明に係るマイクロ波発振素子では、第１の磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、中間層と、第２の磁化固定層とがこの順で配置しており、第１の電極と第２の電極とに電圧が印加されると、電子は、一方の磁化固定層（ここで仮に第２の磁化固定層とする）を通過して、中間層と通過し、磁化自由層に向かう。この際、電子は、第２の磁化固定層の磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピンをもつようになる。このようなスピンを有する電子が磁化自由層中の磁性ナノ粒子内へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性ナノ粒子へ伝達され、磁性ナノ粒子内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。

一方、第１の磁化固定層の磁化方向は、第２の磁化固定層の磁化とは逆向きである。このため、電子の流れが第１の磁化固定層へ入る界面において、第２の磁化固定層の磁化と同方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、第１の磁化固定層に接した中間層で反射される。この反射されたスピンは、やはり磁性ナノ粒子内の磁化に作用する。

すなわち、第２の磁化固定層を通過してきた電子は、中間層で反射された後、磁性ナノ粒子の磁化に再び作用するため、マイクロ波を発生するための電流値を、磁化固定層のみを用いた本発明のマイクロ波発振素子と比較して小さい電流値で実施できることになる。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記磁性ナノ粒子の直径が、０を超えて、１００ｎｍ以下であることが好ましい。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第１の電極と、上記磁化固定層との間に、反強磁性体層を有していることが好ましい。もしくは、本発明に係るマイクロ波発振素子は、上記第２の電極と第２の磁化固定層との間、及び、上記第１の磁化固定層と第１の電極との間に、反強磁性体層を有していることが好ましい。

反強磁性体層を有していることにより、磁化固定層の磁化方向を所定の方向に確実に制御することができる。

また、本発明に係るマイクロ波発振装置は、上記した構成を有するマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振装置を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。

また、本発明に係るマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層及び磁化自由層を介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、電極層を有する第２の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、上記導通工程は、上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。

上記したように、スピントルクによる磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値は、電流の流れる磁化自由層の体積に比例する。すなわち、磁化自由層に流れる電流の断面積を小さくし電流密度を大きくすることによって、マイクロ波発振に必要となる電流を低減させることができる。

そこで、本発明の製造方法を用いれば、第２の電極に構成されているナノ粒子と、磁化自由層との間にナノコンタクトを実現することができる。すなわち、上記の構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を実現できる。

特に、本発明では複数の導電性ナノ粒子を形成するので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、簡易な手法でこれを実現することができる。

また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、上記磁化自由層形成工程は、上記第２の電極もしくは上記中間層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。

そこで、本発明の製造方法を用いれば、磁性ナノ粒子を用いて磁化自由層を形成している。すなわち、この構成を採用することによって、磁化自由層に流れる電流の断面積をナノオーダーで制限することができる。これにより、磁化自由層の歳差運動を誘起するために必要となる電流値を低減することができる。このように本発明は、従来のように電極とのナノコンタクト構造、もしくは微細構造を有する磁化自由層を作製することによって、磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を高める手法と比較して、ナノ粒子を備えるという著しく簡易な手法で、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子を実現できる。

特に、本発明では複数の磁性ナノ粒子を形成するので、高出力化のマイクロ波発振素子を実現でき、且つ複数の微細構造を設けなければならなかった従来構成の高出力対応のマイクロ波発振素子と比較して、簡易な手法でこれを実現することができる。

また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、上述した課題を解決するために、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記第２の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。

上記の構成とすれば、上記中間層および上記磁化自由層を同時に、すなわち一工程で形成することができることから、上記中間層と上記磁化自由層とを各々の工程で形成する方法に比べて、製造工程を簡素化することが可能となる。

本発明に係るマイクロ波発振素子は、以上のように、上記電流の経路中に、上記磁化自由層内の所定領域に流れる上記電流の密度を、該磁化自由層内における該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴としている。また、本発明に係るマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、第１の電極から、該磁化固定層及び磁化自由層を介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、電極層を有する第２の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、上記導通工程は、上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。また、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、上記磁化自由層形成工程は、上記第２の電極、上記磁化固定層及び上記中間層の何れか一つの層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。さらに、本発明に係る他のマイクロ波発振素子の製造方法は、以上のように、第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、上記第２の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴としている。

また、本発明に係るマイクロ波発振装置は、以上のように、上記した構成を有するマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴としている。

以上の構成とすれば、本発明は、高出力、低コスト及び量産性に優れたマイクロ波発振素子、もしくはマイクロ波装置を、従来の構成と比較して著しく簡易な手法によって実現することができる。

〔実施の形態１〕
本発明に係るマイクロ波発振素子、及びマイクロ波発振装置についての一実施形態を説明する。なお、以下の説明では、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲が以下の実施形態および図面に限定されるものではない。

まず、図１ないし図３（ａ）・（ｂ）に基づいて本発明に係るマイクロ波発振素子を説明する。

図１は、本実施形態におけるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。図１に示すように、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ａは、第１の電極１０ａと、反強磁性体層１１と、磁化が一方向に固定された磁化固定層１２と、中間層１３と、磁化方向が可変な磁化自由層１４と、第２の電極１０ｂとがこの順で積層されることにより形成されている。

第２の電極１０ｂは、磁化自由層１４と接している面に絶縁体層１５に囲まれた複数の導電性ナノ粒子１６を含んだ層と、電極層１７とで構成されている。そして、この導電性ナノ粒子１６は、磁化自由層１４と電極層１７とをナノコンタクト１８で接続している。すなわち、磁化自由層１４と第２の電極１０ｂとは、導電性ナノ粒子１６によって電気的にナノコンタクトしている。

磁化固定層１２の磁化は、反強磁性体層１１によって一方向に固定されている。

尚、反強磁性体層１１によって磁化固定層１２の磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層１２を形成してもよい。

図１に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａは、図１３（ａ）で示したマイクロ波発振素子４００Ｂと同様の等価回路を持つ。そのため、図１３（ａ）のマイクロ波発振素子４００Ｂ同様、図１２（ａ）で示したマイクロ波発振素子４００に比べ、大きな出力で発振することが可能となる。このことについて、以下に詳細に述べる。

図１に示したマイクロ波発振素子５０ａにおいて点線で囲まれた箇所は、図１２（ａ）に示した従来のマイクロ波発振素子４００と同様に、導電性ナノ粒子１６によって磁化自由層１４と第２の電極１０ｂがナノコンタクト１８で接続されている。すなわち、点線で囲まれた箇所においては、図１２（ａ）で示した従来のマイクロ波発振素子４００と同様な等価回路を持ち、同じようにマイクロ波発振を行うことができる。

更に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａは、複数の導電性ナノ粒子１６により、磁化自由層１４と多数のナノコンタクト１８を形成している。従って、マイクロ波発振素子５０ａは、図１３（ａ）で示したマイクロ波発振素子４００Ｂと同様に、複数の図１２（ａ）で示したマイクロ波発振素子４００を並列に接続した構造をとっていることになる。図１のマイクロ波発振素子５０ａの等価回路は、図１３（ａ）に示したマイクロ波発振素子４００Ｂと同様なものとなり、図１２（ａ）のマイクロ波発振素子４００よりも大きな出力を得ることが可能となる。

また、上述のように、導電性ナノ粒子１６の間隔を狭くしていくと、並列に接続しているマイクロ波発振素子同士が位相同期して発振する。すなわち、導電性ナノ粒子１６の間隔を狭くすると、ナノコンタクト１８の直下で誘起される磁化自由層１４の電子のスピンの歳差運動は、隣り合うナノコンタクト部分で位相同期する。このことにより、更に大きな出力でマイクロ波を発振させることが可能となる。

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａの各要素を形成する材料について詳述する。

磁化固定層１２及び磁化自由層１４の材料としては、以下の（１）〜（３）のうちいずれかを用いることができる。
（１）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、または、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金
（２）「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料
（３）ホイスラー合金、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などのハーフメタル磁性材料
磁化固定層１２、磁化自由層１４の材料としては、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。

また、中間層１３の材料としては、以下のものを用いることができる。
（１）Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕあるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金
（２）Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｍｎ及びＦｅよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物
（３）フッ化物からなる絶縁体
尚、中間層１３には、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。

第１の電極１０ａ、及び第２の電極１０ｂの電極層１７の材料としては、従来公知の電極材料を用いることができる。

また、導電性ナノ粒子１６の材料としては、導電性を有しているものであれば良く、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｃｕ等を用いることができる。

導電性ナノ粒子１６の形状については、磁化自由層１４と第２の電極１０ｂとにナノコンタクトできるものであれば特に制限はなく、球状、楕円体であってもよく、多面体であってもよい。

絶縁体層１５の材料としては、例えばＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ等を用いることができる。その中でも、ＳｉＯ_２等と比較して、膜中のＨ_２Ｏの割合が少ない、外部からのＯ_２、Ｈ_２Ｏの侵入を防ぐ効果に優れている点からＳｉＮが好適である。

本実施の形態においては、磁化固定層１２の磁化を、反強磁性体層１１により固定している。この場合に用いることができる反強磁性体層１１の材料としては、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＩｒＭｎなどが望ましい。また、層間結合を使って固着させる際の中間層（磁化固定層１２と反強磁性体層１１との間に配設）としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕあるいはこれらのいずれか２種以上を含む合金が好ましい。

以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ａの作製方法について述べる。

図２は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の作製方法を説明するための図である。

まず、Ｓｉなどの基板上に、第１の電極１０ａとしてＣｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜する（図２（ａ））。具体的には、図２（ａ）’に示した上面図の通り、Ｃｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法（例えば、２つの電極パット部８０μｍ×８０μｍの間に、幅３０μｍ×長さ１００μｍの細線が形成されているもの）に加工する。

次に、第１の電極１０ａの上に反強磁性体層１１としてＩｒＭｎ合金層（膜厚１５ｎｍ）を形成する。さらにその上に、磁化固定層１２として、飽和磁化Ｂｓが約１Ｔの軟磁性体であるＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。さらに、ＡｌＯ_ｘ層（膜厚１．４ｎｍ）を中間層１３として形成し、その上に、磁化自由層１４として飽和磁束密度２．３Ｔを有するＦｅＣｏＮｉ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。

次に、保護層としてＴａ層を５ｎｍ成膜する。

次に、絶縁体層１５に囲まれた導電性ナノ粒子１６を含んだ層を形成する。導電性ナノ粒子は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ-Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モード、ＶＷ（Ｖｏｌｍｅｒ-Ｗｅｂｅｒ）モード成長を利用する方法を用いる。ＳＫモード、ＶＷモード共に薄膜成長過程においては、結晶核が生成および成長して（島状成長して）一体となることにより薄膜となる。この結晶核の成長過程において薄膜生成を止めると、結晶核が成長してできた無数のナノ粒子を基板表面に得ることができる。また、このナノ粒子の大きさは、多少の分布があるが大きさを揃えて形成することができることが最近の半導体プロセスで証明されている。また、微粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転位などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、導電性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。ＳＫモードもしくはＶＷモード成長を利用して、Ｐｔを直径５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度のナノ粒子状に形成した後、導電性ナノ粒子１６を覆うように、絶縁体層１５としてＳｉＮを成膜する。ＳｉＮの厚さは、数ｎｍ程度である。

絶縁体層１５に覆われた導電性ナノ粒子１６を含んだ層を形成するための他の方法としては、「グラニュラー構造体」と呼ばれる、アモルファスマトリックス中に金属粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることが挙げられる。「グラニュラー構造体」は、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属材料とＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの絶縁体をスパッタ法で同時に成膜することで得ることができる。従って、「グラニュラー構造体」を用いてマイクロ波発振素子に必要となる絶縁体層１５に覆われた導電性ナノ粒子１６を含んだ層を形成する場合は、導電性ナノ粒子１６と絶縁体層１５を同時に形成することができる。従って、上記で説明したＳＫモード及びＶＷモードで導電性ナノ粒子１６を作成し、その後絶縁層を形成する方法よりも工程が一つ少なくなる。

次に、第１の電極１０ａと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、第１の電極１０ａ上に成膜した反強磁性体層１１から絶縁体層１５に囲まれた導電性ナノ粒子を含んだ層までを所定の寸法（例えば、５０μｍ×５０μｍ）に加工する（図２（ｂ））。

次に、第２の電極１０ｂとのショートを防ぐため、先に加工した反強磁性体層１１から絶縁体層１５に囲まれた導電性ナノ粒子１６を含んだ層を覆う様に絶縁膜２０としてＳｉＮを形成する。

その後、第２の電極１０ｂにおける電極層１７と導電性ナノ粒子１６とのコンタクトホール２１を作成する。コンタクトホール２１は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する。このとき、導電性ナノ粒子１６を覆っている絶縁体層１５の表面部分も取り除き、導電性ナノ粒子１６の一部を表面に露出させる（図２（ｃ））。ここで、露出した導電性ナノ粒子１６の面積がナノコンタクト１８の接触面積となる。前述したように、電流パスの断面積を小さくした場合は、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つため、接触面積は小さい方が望ましい。

本実施の形態の場合は、ナノコンタクト１８から磁化自由層１４内の電流分布を考慮に入れてナノコンタクトの接触面積を決定した。一般的にスピントルクを働かせるのに必要な電流密度の値は、１０^７Ａ／ｃｍ^３程度と報告されており、並列に接続されている素子一つに流す電流値を０．５ｍＡ程度とすれば、接触面積は７０ｎｍ×７０ｎｍと求められる。これに、上記電流分布、すなわち磁化自由層１４内の電流の広がりを考慮すると、少なくとも７０ｎｍ×７０ｎｍ以下のナノコンタクトの接合面積が必要となる。上記で述べたように、ナノコンタクト１８を形成する導電性ナノ粒子１６の直径は、５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるため、絶縁膜２０と、導電性ナノ粒子１６を覆っている絶縁体層１５の表面部分とを取り除くことにより、７０ｎｍ×７０ｎｍ以下のサイズを有するナノコンタクトを形成することができる。尚、必要があれば、所望のサイズのナノコンタクトが形成されているか否かをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）などを用いて粒子形状を見ることにより確認してもよい。

最後に、第２の電極１０ｂにおける電極層１７を成膜し、第１の電極１０ａと同じく、所定の寸法に加工する（図２（ｄ））。

尚、本実施形態において説明した製造方法は、第１の電極１０ａから第２の電極１０ｂに向けて積層する方法であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の電極１０ｂから第１の電極１０ａに向けて積層する方法であってもよい。

以上説明してきたように、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａは、磁化自由層１４と第２の電極１０ｂとは複数の導電性ナノ粒子１６によって、電気的に複数のナノコンタクトを形成している。これらは、図１２（ａ）に示すマイクロ波発振素子４００を並列に接続した図１３（ａ）に示すマイクロ波発振素子４００Ｂと等価であり、大きな出力を示す。

また、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａにおいては、複数の導電性ナノ粒子１６を用いて、複数のナノコンタクト１８を形成するため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで量産性の優れた素子を作製することが可能となる。

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子を備えた発振装置について述べる。

図３（ａ）・（ｂ）は、本発明の実施形態のマイクロ波発振素子５０ａを備えたマイクロ波発振装置である。図３（ａ）は、本発明のマイクロ波発振素子５０ａを用いたマイクロ波発振装置６０の構成を示している。マイクロ波発振装置６０は、電源部５１と周波数可変部５２と信号増幅部５３から構成される。電源部５１には、電圧（電流）を任意に制御可能な４つの電源Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３およびＶ４がある。電源Ｖ１、Ｖ２およびＶ３は周波数可変部５２に接続しており、電源Ｖ４は信号増幅部５３に接続されている。また、周波数可変部５２から信号増幅部５３に交流信号５４が出力されている。

図３（ｂ）は、図３（ａ）中の周波数可変部５２について、より詳細に示している。周波数可変部５２は、図３（ｂ）に示すように本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ａを備えており、それ以外に少なくとも外部磁界発生部５６（例えばＣｕ細線、又はＣｕ細線で形成されたコイル）を有している。マイクロ波発振素子５０ａの第１の電極１０ａには、電源Ｖ１が接続されており、このＶ１を制御することにより、印加電圧の大きさ、すなわち素子電流を制御する。外部磁界発生部５６には、電源Ｖ２およびＶ３が接続されており、マイクロ波発振素子５０ａに印加する外部磁場の大きさおよび印加方向を制御することができる。これら電源Ｖ１、Ｖ２およびＶ３を制御することによって、発振周波数を変化させる。この周波数可変部５２からの出力は、信号増幅部５３によって、所定の信号出力として使用される。基準となる周波数を造るこのような装置としては、ＶＣＯ（電圧制御発振器）が携帯電話に用いられている。

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第１の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第２の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記第２の電極にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記第２の電極は、前記磁化自由層と接している面に絶縁体に囲まれた複数の導電性ナノ粒子を有しており、前記磁化自由層と前記第２の電極とが前記導電性ナノ粒子、又は凝集したナノ粒子の塊によって、電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。
さらに、上記の構成においては、前記ナノコンタクトの接触面積は、７０ｎｍ×７０ｎｍ以下であることが好ましい。
また、上記の場合においては、前記導電性ナノ粒子が金属粒子であることが好ましい。

〔実施の形態２〕
本発明にかかる他の実施の形態について、図４ないし図６に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態１との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態１で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

図４は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。図４に示すように、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ｂは、第１の電極１０ａと、反強磁性体層１１と、磁化が一方向に固定された磁化固定層１２と、中間層１３と、磁化方向が可変な磁化自由層２４と、第２の電極１０ｂとがこの順で積層されることにより形成されている。

また、本実施の形態における磁化自由層２４は、絶縁体層２５に囲まれた磁性ナノ粒子２６で構成されている。磁性ナノ粒子２６は、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に示しているマイクロ波発振素子５００、５００Ｂにおける、ナノスケールに加工された磁化自由層１１４と同様な役割を持つ。

また、磁化固定層１２の磁化は、反強磁性体層１１によって一方向に固定されている。尚、反強磁性体層１１によって、磁化固定層１２の磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層１２を形成してもよい。

図４に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｂは、図１３（ｂ）で示したマイクロ波発振素子５００Ｂと同様の等価回路を持つ。そのため、図１３（ｂ）のマイクロ波発振素子５００Ｂ同様、図１２（ｂ）で示したマイクロ波発振素子５００に比べ大きな出力で発振することが可能となる。このことについて、以下に詳細に述べる。

図４に示したマイクロ波発振素子５０ｂにおいて点線で囲まれた箇所では、磁性ナノ粒子２６と第２の電極１０ｂとが電気的に接続されている。図１２（ｂ）では、ナノスケールに微細加工された磁化自由層と第２の電極がナノスケールで電気的に接続されている。上述したように、本実施の形態では、磁性ナノ粒子２６と図１２で示す磁化自由層１１４とは同じものとみなすことができることから、点線で囲まれた箇所においては、図１２（ｂ）で示した従来のマイクロ波発振素子５００と同様な等価回路を持ち、同じようにマイクロ波発振を行うことができる。

更に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｂは、複数の磁性ナノ粒子２６と第２の電極１０ｂとが電気的に接続している。従って、マイクロ波発振素子５０ｂは、図１３（ｂ）で示したマイクロ波発振素子５００Ｂと同様に、複数の図１２（ｂ）で示したマイクロ波発振素子５００を並列に接続した構造をとっている。図４のマイクロ波発振素子５０ｂの等価回路は、図１３（ｂ）に示したマイクロ波発振素子５００Ｂと同様なものとなり、図１２で示したマイクロ波発振素子５００よりも大きな出力を得ることができる。

また、磁性ナノ粒子２６の間隔を狭くしていくと、並列に接続しているマイクロ波発振素子同士が位相同期して発振する。すなわち、磁性ナノ粒子２６の間隔を狭くすると、磁化自由層１４内の隣り合う磁性ナノ粒子２６の電子のスピンの歳差運動は、位相同期する。このことにより、更に大きな出力で発振させることが可能となる。

次に、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｂの各要素を形成する材料について述べる。

磁性ナノ粒子２６は、実施の形態１において述べた磁化自由層１４と同様の材料からなる。

絶縁体層２５も、実施の形態１において述べた絶縁体層１５と同様の材料を用いることができる。

また、その他の箇所に用いた材料についても、実施の形態１と同様である。

以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ｂの作製方法について述べる。

図５は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ｂの作製方法を説明するための図である。

最初に、Ｓｉなどの基板１９上に、第１の電極１０ａとしてＣｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜する（図５（ａ））。具体的には、図５（ａ）’に示した上面図のように、Ｃｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法（例えば、２つの電極パット部８０μｍ×８０μｍの間に、幅３０μｍ×長さ１００μｍの細線が形成されているもの）に加工する。

次に、第１の電極１０ａの上に反強磁性体層１１としてＩｒＭｎ合金層（膜厚１５ｎｍ）を形成する。さらにその上に、磁化固定層１２として、飽和磁化Ｂｓが約１Ｔの軟磁性体であるＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。さらに、ＡｌＯｘ層（膜厚１．４ｎｍ）を中間層１３として形成する。

次に、絶縁体層２５に囲まれた磁性ナノ粒子２６を含んだ層を形成する。

磁性ナノ粒子２６は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるＳＫモード、ＶＷモード成長を利用する方法を用いる。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。ＳＫモードもしくはＶＷモード成長を利用して、ＦｅＣｏＮｉをナノ粒子状に形成した後、この磁性ナノ粒子２６を囲むように、絶縁体層２５としてのＳｉＮを成膜する。また、ナノ粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転移などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、実施の形態１と同様にナノ粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、磁性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。

絶縁体層２５に覆われた磁性ナノ粒子２６を含んだ層を形成する他の方法としては、「グラニュラー膜」と呼ばれる、アモルファスマトリックス中に磁性ナノ粒子２６が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることが挙げられる。「グラニュラー膜」は、本実施の形態における磁性ナノ粒子２６を構成する強磁性金属とＡｌ_２Ｏ_３をスパッタ法などで同時に成膜することで得ることができる。「グラニュラー膜」を用いた場合は、Ａｌ_２Ｏ_３からなる中間層１３を形成する必要が無くなる。何故なら、グラニュラー膜中の磁性ナノ粒子２６は、Ａｌ_２Ｏ_３からなるアモルファスマトリックスに覆われているためである。従って、グラニュラー膜を成膜した時に、磁化固定層１２と磁性ナノ粒子２６との間にＡｌ_２Ｏ_３が形成されて中間層１３の役割を果たす。その為、前もって中間層１３としてＡｌ_２Ｏ_３を成膜する必要が無くなる。

図６は、グラニュラー膜を用いたマイクロ波発振素子５０ｂ’であり、図５で示したマイクロ波発振素子５０ｂと比較して、中間層１３が省略されている。

ここで、磁性ナノ粒子２６のサイズについて述べる。上述したように、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）のマイクロ波発振素子５００、５００Ｂにおいては、磁化自由層１１４を微細化し電流パスの断面積を小さくしている。これにより、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つ。また、磁化自由層１４を微細化する理由として、磁化自由層１４の単磁区化と電流分布およびジュール熱による温度分布の均一化が挙げられる。本実施の形態の場合は、磁性ナノ粒子２６の寸法が電流パスの断面積を決定することになる。また、磁性ナノ粒子２６を単磁区にするための寸法は、直径１００ｎｍ程度である。従って、磁性ナノ粒子２６を単磁区にし、且つ、電流密度を大きくしてマイクロ波発振に必要な電流を低減する為には、磁性ナノ粒子２６の直径を１００ｎｍ以下にする必要がある。

次に、第１の電極１０ａと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、反強磁性体層１１から絶縁体層１５に囲まれた導電性ナノ粒子を含んだ層までを所定の寸法（例えば、５０μｍ×５０μｍ）に加工する。（図５（ｂ））
次に、第２の電極１０ｂとのショートを防ぐため、反強磁性体層１１から絶縁体層２５に囲まれた磁性ナノ粒子２６を含んだ層を覆う様に絶縁膜２０としてＳｉＮを形成する。

その後、第２の電極１０ｂにおける電極層１７と磁性ナノ粒子２６とのコンタクトホール２１を作成する。コンタクトホール２１は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する。このとき、磁性ナノ粒子２６を覆っている絶縁体層１５の表面部分（磁化自由層１４の表面部分）も取り除き、磁性ナノ粒子の一部を表面に露出させる（図５（ｃ））。

最後に、第２の電極１０ｂを成膜し、第１の電極１０ａと同じく、所定の寸法に加工する（図５（ｄ））。

以上で説明してきたように、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子においては、複数の磁性ナノ粒子２６と第２の電極１０ｂとが電気的に接続している。これらは、図１２（ｂ）に示すマイクロ波発振素子５００を並列に接続した図１３（ｂ）に示すマイクロ波発振素子５００Ｂと等価であり、大きな出力を示す。

また、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｂにおいては、複数の磁性ナノ粒子２６が、図１３（ｂ）における微細加工された磁化自由層１１４と同等の機能を果たすため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで量産性の優れた素子を作製することが可能となる。

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第１の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第２の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第２の電極と前記磁性微粒子とが電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。

〔実施の形態３〕
本発明にかかる他の実施の形態について、図７ないし図１０に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態２との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態２で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

図７は、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示した断面図である。本実施の形態のマイクロ波発振素子５０ｃは、実施の形態２の図４において記載したマイクロ波発振素子５０ｂの磁化自由層１４と第２の電極１０ｂの間に、中間層２２と、第２の反強磁性体層１１ｂと、磁化固定層１２ｂとを形成した構成となっている。

すなわち、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ｃは、図７に示すように、第１の電極１０ａと、第１の反強磁性体層１１ａと、磁化が一方向に固定された第１の磁化固定層１２ａと、中間層２２と、磁化方向が可変な磁化自由層２４と、中間層２２と、第２の磁化固定層１２ｂと、第２の反強磁性体層１１ｂと、第２の電極１０ｂとがこの順で積層されることにより形成されている。

また、本実施の形態における磁化自由層２４は、絶縁体層２５に囲まれた磁性ナノ粒子２６で構成されている。

また、磁化固定層１２ａ及び１２ｂの磁化方向は互いに逆向きになっており、反強磁性体層１１ａ及び１１ｂによって固定されている。尚、反強磁性体層１１ａ及び１１ｂによって、磁化固定層１２ａ及び１２ｂの磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料のみで磁化固定層１２ａ及び１２ｂを形成してもよい。

第２の磁化固定層１２ｂの材料は、第１の磁化固定層１２ａと同じ材料からなり、実施の形態１で説明した磁化固定層１２の材料を用いることができる。

また、本実施形態では、第１の反強磁性体層１１ａとしてＰｔＭｎ合金層、第２の反強磁性体層１１ｂとして、ＩｒＭｎ合金層を用いることができる。

また、中間層２２は、実施の形態１で説明した中間層１３の材料を用いることができる。

尚、本実施の形態における磁化自由層２４は、上述したグラニュラー膜を用いて構成することも可能である。グラニュラー膜を成膜した時に、第１・第２の磁化固定層１２ａ・１２ｂと、磁性ナノ粒子２６との間にＡｌ_２Ｏ_３が形成されて中間層２２の役割を果たす。その為、前もって中間層２２としてＡｌ_２Ｏ_３を成膜する必要が無くなる（図８参照）。

図７に示す本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｃは、実施の形態２におけるマイクロ波発振素子５０ｂ及び５０ｂ’（図４及び図６）と比較して、より小さい電流値においてマイクロ波発振することが可能となる点において優れている。このことについて、以下に詳細に述べる。

図９は、本実施の形態におけるマイクロ波の発生原理を説明するための図である。尚、図９においては、説明を分かりやすくするために、図７におけるマイクロ波発振素子の一部分を拡大して記載し、その他の部分については示していない。

マイクロ波を発生させるためには、電極１０ａと電極１０ｂとの間に電圧を印加し、電極１０ａから、反強磁性体層１１ａ、磁化固定層１２ａを介して磁化自由層２４の方向に電流３１を流す。このように電流３１を流すことにより、磁化固定層１２ｂを通過した電子３２（電子の流れる方向は電流と逆向きとなる）は、磁化固定層１２ｂの磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピン（同図においては左向き）をもつようになる。このようなスピンを有する電子が磁化自由層２４中の磁性ナノ粒子２６内へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性ナノ粒子２６へ伝達され、磁性ナノ粒子２６内の電子のスピンは反転しようと歳差運動を始める。

一方、もう一つの磁化固定層１２ａの磁化方向は、磁化固定層１２ｂの磁化とは逆向きである。このため、電子の流れが磁化固定層１２ａへ入る界面において、磁化固定層１２ｂの磁化と同方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、磁化固定層１２ａに接した中間層で反射される。この反射されたスピンは、やはり磁性ナノ粒子２６内の磁化に作用する。

すなわち、磁化固定層１２ｂを通過してきた電子は、中間層２２で反射された後、磁性ナノ粒子２６の磁化に再び作用するため、マイクロ波を発生するための電流値を、実施の形態２よりも小さい電流値で実施できることになる。

本実施の形態においても、実施の形態２と同様に複数の磁性ナノ粒子２６を用いてマイクロ波発振素子を作製している。従って、マイクロ波発振素子が並列接続している構造をとり、大きな出力を示す。また、磁性ナノ粒子２６を用いているため、微細加工することなくマイクロ波発振素子を形成することができる。

尚、本実施の形態におけるマイクロ波発振素子５０ｃの各要素を形成する材料のうち上記した以外の構成も、実施の形態２の材料と同様のものを用いることができる。

図１０は、本実施の形態に関わるマイクロ波発振素子の作製方法を説明するための図である。以下に、本実施の形態にかかるマイクロ波発振素子５０ｃの作製方法について述べる。

最初に、Ｓｉなどの基板１９上に、第１の電極１０ａとしてＣｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜する（図１０（ａ））。具体的には、図１０（ａ）’に示した上面図のように、Ｃｕ（膜厚６０ｎｍ）を成膜した後、レジストを塗布し、パターニングして、イオンミリングを用いて所定の寸法（例えば、２つの電極パット部８０μｍ×８０μｍの間に、幅３０μｍ×長さ１００μｍの細線が形成されているもの）に加工する。

次に、第１の電極１０ａの上に第１の反強磁性体層１１ａとしてＰｔＭｎ合金層（膜厚１５ｎｍ）を形成する。さらにその上に、第１の磁化固定層１２ａとして、飽和磁化Ｂｓが約１Ｔの軟磁性体であるＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。さらに、ＡｌＯｘ層（膜厚１．４ｎｍ）を中間層２２として形成する。

次に、絶縁体層２５に囲まれた磁性ナノ粒子２６を含んだ層を形成する。磁性ナノ粒子２６は、薄膜成長過程の初期に出現するいわゆるＳＫモード、ＶＷモード成長を利用する方法を用いる。この方法では、電子線リソグラフィやエッチングなどの微細加工を必要とせず、簡単なプロセスでナノ粒子を形成することができる。ＳＫモードもしくはＶＷモード成長を利用して、ＦｅＣｏＮｉをナノ粒子上に形成した後、この磁性ナノ粒子を覆うように、ＳｉＮを成膜する。また、ナノ粒子間隔・位置を制御するためには、基板表面に応力分布や転位などをいれる方法が考案されているが、本実施の形態においては、実施の形態１、２と同様にナノ粒子間距離・位置に関しては特に問題とはならない。これは、粒子間距離・位置にばらつきがあっても、磁性ナノ粒子によって、マイクロ波発振素子は並列に接続されるからである。

尚、上述したように、絶縁体層２５に覆われた磁性ナノ粒子２６を含んだ層を、グラニュラー膜として形成してもよい。

ここで、磁性ナノ粒子２６のサイズについて述べる。

上述したように、図１２（ｂ）・図１３（ｂ）のマイクロ波発振素子５００、５００Ｂにおいては、磁化自由層１１４を微細化し電流パスの断面積を小さくしている。これにより、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つ。また、磁化自由層を微細化する理由として、磁化自由層の単磁区化と電流分布およびジュール熱による温度分布の均一化が挙げられる。本実施の形態の場合は、磁性ナノ粒子２６の寸法が電流パスの断面積を決定することになる。また、磁性ナノ粒子２６を単磁区にするための寸法は直径１００ｎｍ程度である。従って、磁性ナノ粒子２６を単磁区にし、且つ、電流密度を大きくしてマイクロ波発振に必要な電流を低減する為には、磁性ナノ粒子２６の寸法を１００ｎｍ以下にする必要がある。

次に、ＡｌＯｘ層（膜厚１．４ｎｍ）を中間層２２として形成する。そして、第２の磁化固定層１２ｂとして、飽和磁化Ｂｓが約１ＴのＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）からなる軟磁性体により、第２の磁化固定層１２ｂを形成する。さらに、第２の反強磁性体層１１ｂとして、ＩｒＭｎ合金層（膜厚１５ｎｍ）を形成する。

次に、基板１９面内に外部磁場を印加しながら熱処理を行う。すなわち、図１０において右方向に１０ｋＯｅの外部磁界を印加しながら２７０℃で１０時間の加熱処理を行う。これにより、第１の反強磁性体層（ＰｔＭｎ合金層）１１ａに隣接した第１の磁化固定層１２ａ（軟磁性体のＮｉＦｅ合金層）の磁化を、図面右方向に固定することができる。

更に、図１０において左方向に外部磁界を印加しながら、２００℃で１時間の熱処理を加える。これにより、第２の反強磁性体層（ＩｒＭｎ合金層）１１ｂに隣接した第２の磁化固定層（軟磁性体のＮｉＦｅ合金層）１２ｂの磁化を、図面左方向に固定することができる。

次に、第１の電極１０ａと同様に所定の寸法にイオンミリングを用いて、第１の反強磁性体層１１ａから第２の反強磁性体層１１ｂまでを所定の寸法（例えば、１００μｍ×１００μｍ）に加工する（図１０（ｂ））。

次に、先に加工した第１の反強磁性体層１１ａから第２の反強磁性体層１１ｂを覆う様に、第２の電極１０ｂとのショートを防ぐためＳｉＮを絶縁膜２０として形成する。

その後、第２の電極１０ｂと反強磁性体層１１ｂとを繋ぐコンタクトホール２１を作成する。コンタクトホール２１は、レジストを塗布してパターニングし、フッ酸によるウエットエッチング、もしくは、イオンミリングなどで絶縁膜を取り除くことにより形成する（図１０（ｃ））。

最後に、第２の電極１０ｂを成膜し、第１の電極１０ａと同じく、所定の寸法に加工する（図１０（ｄ））。

以上で説明したように、２つの磁化方向が反平行である第１の磁化固定層１２ａ、第２の磁化固定層１２ｂを用いることにより、第１・第２の磁化固定層１２ａ・１２ｂを通過した電子のスピンがもつ角運動量を、磁性ナノ粒子２６の磁化に効率的に作用させ、マイクロ波発振に必要となる電流値を低減することができる様な構造においても、磁性ナノ粒子２６を用いてマイクロ波発振素子５０ｃを作製しているため、ナノスケールの精度を要求される微細加工が不要となり、低コストで素子を作製することが可能となる。

尚、本発明に係るマイクロ波発振素子は、以下の構成を特徴としていると換言することができる。
すなわち、マイクロ波発振素子は、第１の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第２の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含み、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第２の電極と前記磁化自由層との間に、磁化方向が固定された第２の磁化固定層を配置していることを特徴としていると換言することができる。

また、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、マイクロ波の出力を向上させることができ、さらに、低コスト、量産性に優れた方法でマイクロ波発振素子を作製することが可能となる。従って、複数の周波数に対応可能なＲＦ回路に用いるマイクロ波発振素子として、本発明のスピントルクを用いたマイクロ波発振素子が搭載される可能性を向上させることができる。

よって、マイクロ波領域で発振可能であるので、ミリ波レーダー、ミリ波を用いた過熱装置等、ミリ波を用いた各種装置の実用化に寄与できる。

本発明の第１の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。図１に示したマイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。（ａ）は、図１に示したマイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したマイクロ波発振装置の一部の構成を詳細に示す図である。本発明の第２の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。図４に示した第２の実施形態マイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の他の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の他の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態にかかるマイクロ波発振素子の原理を説明した図である。図７に示した第３の実施形態のマイクロ波発振素子の製造過程を示す図である。スピントルクを用いたマイクロ波発振素子の原理を説明するための図である。（ａ）・（ｂ）はともに、従来技術のマイクロ波発振素子の構成について示した断面図である。図１２の（ａ）・（ｂ）に示した従来技術のマイクロ波発振素子を複数用いて、これらを並列に接続した状態を示した断面図である。

符号の説明

１ａマイクロ波発振素子
１ｂ・ｂ’ マイクロ波発振素子
１ｃマイクロ波発振素子
１０ａ第１の電極
１０ｂ第２の電極
１１反強磁性体層
１１ａ第１の反強磁性体層
１１ｂ第２の反強磁性体層
１２磁化固定層
１２ａ第１の磁化固定層
１２ｂ第２の磁化固定層
１３中間層
１４磁化自由層
１５絶縁体層
１６導電性ナノ粒子
１７電極層
１８ナノコンタクト
１９基板
２０絶縁膜
２１コンタクトホール
２２中間層
２４磁化自由層
２５絶縁体層
２６磁性ナノ粒子
３１電流
３２電子
５１電源部
５２周波数可変部
５３信号増幅部
５４交流信号
５６外部磁界発生部
６０マイクロ波発振装置
Ｂｓ飽和磁化
Ｖ１〜Ｖ４電源

Claims

第１の電極と第２の電極との間に、
磁化方向が固定された磁化固定層と、
非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、
磁化方向を変化させることができる磁化自由層とを有し、
上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、
第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子において、
上記電流の経路中に、上記磁化自由層内における所定領域に流れる上記電流の密度を、該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴とするマイクロ波発振素子。
上記ナノ粒子は、導電性ナノ粒子であり、
上記第２の電極は、電極層と、上記ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ接続層とを有しており、
上記ナノ粒子が、上記電極層と上記磁化自由層とに電気的に接触していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発振素子。
上記電極層と上記磁化自由層との上記ナノ粒子の接触面積は、０を超え、４９００ｎｍ^２以下であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ波発振素子。
上記接触面積は、０を超え、７０ｎｍ×７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波発振素子。
上記第１の電極と、磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、第２の電極とがこの順で設けられていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のマイクロ波発振素子。
上記ナノ粒子は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のマイクロ波発振素子。
上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁性ナノ粒子が、上記第２の電極と上記中間層とに接触していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発振素子。
上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁化固定層は、互いに磁化方向が逆である第１の磁化固定層と第２の磁化固定層とを備えており、
上記磁化自由層は、上記中間層を介して、上記第１の磁化固定層と上記第２の磁化固定層とに挟まれた構成となっており、
上記磁性ナノ粒子は、各上記中間層と接触していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波発振素子。
上記磁性ナノ粒子は、直径が０を超えて、１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項７または８に記載のマイクロ波発振素子。
上記第１の電極と、上記磁化固定層との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項１から９の何れか１項に記載のマイクロ波発振素子。
上記第２の電極と第２の磁化固定層との間、及び、上記第１の磁化固定層と第１の電極との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項９または１０に記載のマイクロ波発振素子。
請求項１から１１の何れか１項に記載のマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴とするマイクロ波発振装置。
第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
電極層を有する第２の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、
上記導通工程は、
上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、
上記磁化自由層形成工程は、
上記第２の電極もしくは上記中間層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
第１の電極と第２の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第１の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第２の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記第２の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、
上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。