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SPIN HALL OSCILLATOR, MAGNETIC RECORDING DEVICE, AND CALCULATOR

Foreign code F200010232
File No. (S2019-0186-N0)
Posted date Oct 29, 2020
Country WIPO
International application number 2020JP007010
International publication number WO2020179493
Date of international filing Feb 21, 2020
Date of international publication Sep 10, 2020
Priority data
  • P2019-037682 (Mar 1, 2019) JP
Title SPIN HALL OSCILLATOR, MAGNETIC RECORDING DEVICE, AND CALCULATOR
Abstract This oscillator 100A comprises a spin current source 110 and a free layer 111 that is joined to the spin current source 100. The free layer 111 has a magnetization-hard axis parallel to a quantization axis of a spin current injected by the spin hall effect of the spin current source 110.
Outline of related art and contending technology BACKGROUND ART
In recent years, a microwave oscillator utilizing spin torque has attracted attention because of its high Q value, high controllability of oscillation frequency by current, easy integration by CMOS technology, and so on. A microwave oscillator utilizing spin torque is called a spin torque oscillator (STO). STO utilizes precession of magnetization generated when a spin current is injected into the magnetic body.
The method of extracting microwaves from the precession of magnetization is roughly classified into 2 types. The 1 th method is a method of directly utilizing a high-frequency leakage magnetic field generated by precession magnetization. In the 2 th method, the precession of magnetization is extracted as an electric signal by utilizing the tunneling magneto-resistance (TMR) effect, converted into microwaves, and emitted. The 1 th method is simple in principle, but has a drawback that microwaves can be irradiated only at a short distance. On the other hand, the 2 th method must constitute a magnetic tunnel junction (MTJ) structure. However, since the microwave output per 1 devices is stronger than that of a method for extracting a leakage magnetic field, attention has been paid to.
STO is classified into 2 types according to the spin current generation method. The 1 th method utilizes spin polarization, and a spin current parallel to a charge current is generated by passing the charge current through the fixed layer of MTJ. At this time, the generation efficiency of the spin current is determined by the spin polarization rate of the fixed layer. Since the spin polarization rate does not exceed 1 in principle, the spin current generation efficiency is low, and a large current is required for oscillation. As an example, in Non-Patent Document 1, 110μA is required for oscillation at 0.9GHz. However, the structure of the free layer was standardized to have a length 50 nm, a width 50 nm, and a thickness 2 nm. When spin polarization is used, this large current passes through MTJ, which lowers the durability of MTJ and brings about a problem in the reliability of the oscillator.
The 2 th method utilizes the spin Hall effect, and a spin current perpendicular to the charge current is generated by passing the charge current through a spin current source composed of a material having strong spin orbit interaction. Therefore, a spin current source is joined to the magnetic layer which performs precession, and a charge current is applied to the spin current source in parallel with the joining surface. At this time, the generation efficiency of the spin current is determined by the spin hole angle of the spin current source and the ratio of the length and film thickness of the spin current source, and both parameters may exceed 1. Therefore, the spin current can be efficiently generated by the method utilizing the spin Hall effect. Further, since the spin Hall effect generates a spin current perpendicular to the charge current, the charge current for generating the spin current does not pass through MTJ. Thus, it is expected that the reliability of the oscillator can be improved.
Scope of claims (In Japanese)[請求項1]
 スピン流源と、
 前記スピン流源に接合された自由層と、
 を備え、
 前記自由層が前記スピン流源のスピンホール効果により注入されるスピン流の量子化軸と平行な磁化困難軸を有することを特徴とする二端子のスピンホール発振器。

[請求項2]
 スピン流源と、
 前記スピン流源に接合された自由層、トンネル障壁層、固定層を含む磁気トンネル接合(MTJ)デバイスと、
 前記MTJデバイスに接合された電極と、
 を備え、
 前記MTJデバイスに並列に接続された抵抗素子により前記スピン流源と前記電極が短絡された構造を有し、
 前記MTJデバイスの前記自由層および前記固定層が前記スピン流源のスピンホール効果により注入されるスピン流の量子化軸と平行な磁化困難軸を有することを特徴とする二端子のスピンホール発振器。

[請求項3]
 スピン流源と、
 前記スピン流源に接合された自由層、トンネル障壁層、固定層を含むMTJデバイスと、
 前記MTJデバイスに接合された電極と、
 を備え、
 前記MTJの前記自由層および前記固定層が前記スピン流源のスピンホール効果により注入されるスピン流の量子化軸と平行な磁化困難軸を有することを特徴とする二端子のスピンホール発振器。

[請求項4]
 請求項1から3のいずれかに記載のうち同構造あるいは異構造のものを複数備え、それらを電気的もしくは磁気的に結合し、同期をとることにより構成されたスピンホール発振器。

[請求項5]
 前記スピン流源は、強いスピン起動相互作用を有するPt、Ta、W、Irおよび、3d、4d、5d、4f、5f元素のうち1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスピンホール発振器。

[請求項6]
 前記スピン流源は、BiSb、Bi 2Se 3、Bi 2Te 3(Bi,Sb) 2Te 3のトポロジカル絶縁体のうち1つまたは複数を含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスピンホール発振器。

[請求項7]
 前記自由層は、Co、Fe、Ni、Mn、B、Si、Zr、Nb、Ta、Ru、Ir、Pt、Ga、Al、Pd、Tb、Gdのうち1つまたは複数を含む磁性層であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスピンホール発振器。

[請求項8]
 前記固定層は、Co、Fe、Ni、Mn、B、Si、Zr、Nb、Ta、Ru、Ir、Pt、Ga、Al、Pd、Tb、Gdのうち1つまたは複数を含む磁性層であることを特徴とする請求項2または3に記載のスピンホール発振器。

[請求項9]
 前記トンネル障壁層は、Ga、Al、Mg、Hf、Zr元素のうち1つまたは複数元素の金属酸化物から構成される絶縁体であることを特徴とする請求項2または3に記載のスピンホール発振器。

[請求項10]
 前記自由層は、形状磁気異方性、一軸結晶磁気異方性、界面磁気異方性および、磁場中成膜、磁場中アニール、斜め蒸着による誘導磁気異方性のうち、1つまたは複数を組み合わせることにより、前記スピン流源のスピンホール効果により注入されるスピン流の量子化軸と平行な磁化困難軸を有する磁性層であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のスピンホール発振器。

[請求項11]
 前記スピンホール発振器の駆動方式は、駆動電流を直接印加する通常の駆動法、または、最初に約1ns程度の大きなパルス電流を印加するパルス励起発振法を利用したものであることを特徴とする請求項1から10のいずれかに記載のスピンホール発振器。

[請求項12]
 請求項1から11のいずれかに記載のスピンホール発振器を備え、前記スピンホール発振器が発生するマイクロ波を、記録のアシストに利用することを特徴とする磁気記録デバイス。

[請求項13]
 請求項1から11のいずれかに記載のスピンホール発振器を含む人工ニューロンを備えることを特徴とする計算機。
  • Applicant
  • ※All designated countries except for US in the data before July 2012
  • TOKYO INSTITUTE OF TECHNOLOGY
  • Inventor
  • PHAM Nam Hai
  • SHIROKURA Takanori
IPC(International Patent Classification)
Specified countries National States: AE AG AL AM AO AT AU AZ BA BB BG BH BN BR BW BY BZ CA CH CL CN CO CR CU CZ DE DJ DK DM DO DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM GT HN HR HU ID IL IN IR IS JO JP KE KG KH KN KP KR KW KZ LA LC LK LR LS LU LY MA MD ME MG MK MN MW MX MY MZ NA NG NI NO NZ OM PA PE PG PH PL PT QA RO RS RU RW SA SC SD SE SG SK SL ST SV SY TH TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN WS ZA ZM ZW
ARIPO: BW GH GM KE LR LS MW MZ NA RW SD SL SZ TZ UG ZM ZW
EAPO: AM AZ BY KG KZ RU TJ TM
EPO: AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
OAPI: BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW KM ML MR NE SN ST TD TG
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