(57)【要約】【課題】高周波数と高出力の両立が可能な交流発生装置を提供する。【解決手段】交流発生装置は、磁性体で構成され、磁化方向が固定された第１固定層２３および第２固定層２７と、磁性体で構成され、直流電流が流れることによって磁化が振動する発振層２５と、非磁性の絶縁体で構成され、第１固定層２３と発振層２５との間に配置された絶縁層２４と、非磁性の金属で構成され、第２固定層２７と発振層２５との間に配置された金属中間層２６と、を備える。【選択図】図１
2020035832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発生装置であって、
磁性体で構成され、磁化方向が固定された第１固定層（２３）および第２固定層（２７）と、
磁性体で構成され、直流電流が流れることによって磁化が振動する発振層（２５）と、
非磁性の絶縁体で構成され、前記第１固定層と前記発振層との間に配置された絶縁層（２４）と、
非磁性の金属で構成され、前記第２固定層と前記発振層との間に配置された金属中間層（２６）と、を備える交流発生装置。
【請求項２】
前記金属中間層および前記第２固定層の積層体が前記発振層の上面に２つ形成されており、
各前記積層体は、上面が円形状とされている請求項１に記載の交流発生装置。
【請求項３】
前記金属中間層および前記第２固定層の積層体が前記発振層の上面に２つ形成されており、
各前記積層体は、上面が矩形状とされている請求項１に記載の交流発生装置。
【請求項４】
各前記積層体は、上面の幅が５０ｎｍ以下とされている請求項３に記載の交流発生装置。
【請求項５】
各前記積層体は、上面の幅が２０ｎｍ以下とされている請求項４に記載の交流発生装置。
【請求項６】
前記金属中間層および前記第２固定層の積層体が前記発振層の上面に２つ形成されており、
一方の前記積層体は、上面が円形状とされており、
他方の前記積層体は、一方の前記積層体を囲む円周状とされている請求項１に記載の交流発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、車載レーダの分野では探査波として用いられる電磁波の周波数の向上が進んでおり、０．１〜０．５ＴＨｚのサブテラヘルツ帯が注目されている。しかしながら、この周波数帯の信号を従来のレーダに使用されているＳｉベースのトランジスタで作り出すことは容易ではなく、新たな発振器が求められている。
【０００３】
新たな発振器として、電子の電荷とスピンを同時に利用するスピントロニクスの分野の技術を用いた磁性発振素子（ＳＴＯ）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ＳＴＯは、２つの磁性層と、２つの磁性層の間に配置された中間層とを備えており、ＳＴＯに直流電流が供給されると、磁性層の磁化が発振し、ＳＴＯから交流信号が出力される。
【０００４】
ＳＴＯが備える磁性層の発振周波数は、磁性材料の実効磁気異方性磁界の大きさや、ＳＴＯに外部から印加される磁界の大きさに比例する。そして、近年では上記の周波数帯に対応する実効磁気異方性磁界を有する磁性材料が発見されており、このような材料で構成されたＳＴＯを発振器として用いることで、交流発生装置において上記周波数帯に対応することが期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４６７７５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、周波数が実効磁気異方性磁界や外部磁界に比例するのと同様に、ＳＴＯの発振に必要な直流電流密度も実効磁気異方性磁界や外部磁界に比例し、上記周波数帯で発振を励起するためには数十〜数百ＭＡ／ｃｍ２程度の電流密度が必要となる。
【０００７】
このとき、特許文献１に記載されているように、中間層としてＭｇＯ等の絶縁体を用いたＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance）素子では、発振に必要な電圧が数十Ｖにもなり、中間層の絶縁破壊が生じるおそれがある。
【０００８】
例えば、一般に、ＭｇＯで構成される中間層の膜厚は１〜２ｎｍ程度で、抵抗面積比ＲＡは２〜３Ωμｍ２程度である。そして、電流密度を５０ＭＡ／ｃｍ２とし、中間層の膜厚を１ｎｍとし、ＲＡを２Ωμｍ２とすると、電界強度は１０ＭＶ／ｃｍとなり、中間層が絶縁破壊してしまう。
【０００９】
一方、中間層にＣｕ、Ａｇ等の金属層を用いたＧＭＲ（Giant Magneto Resistance）素子では、発振の励起は容易であるが、絶縁層を用いた場合に比べて出力が非常に小さくなる。例えば、金属層を用いると、絶縁層を用いた場合に比べてＳＴＯの磁気抵抗比が十〜百分の１程度に小さくなり、また、出力は磁気抵抗比に比例するため、出力が小さくなる。
【００１０】
本発明は上記点に鑑みて、高周波数と高出力の両立が可能な交流発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、交流発生装置であって、磁性体で構成され、磁化方向が固定された第１固定層（２３）および第２固定層（２７）と、磁性体で構成され、直流電流が流れることによって磁化が振動する発振層（２５）と、非磁性の絶縁体で構成され、第１固定層と発振層との間に配置された絶縁層（２４）と、非磁性の金属で構成され、第２固定層と発振層との間に配置された金属中間層（２６）と、を備える。
【００１２】
これによれば、第１固定層、金属中間層、発振層で構成されたＧＭＲ素子に直流電流を流すことで、発振層を高周波数で発振させることができる。そして、発振層が発振している状態で、第２固定層、絶縁層、発振層で構成されたＴＭＲ素子に直流電流を流すことで、ＴＭＲ素子から高出力を得ることができる。
【００１３】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１実施形態にかかる交流発生装置の断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる交流発生装置の平面図である。
【図３】第１実施形態にかかる交流発生装置の回路図である。
【図４】第２実施形態における交流発生装置の平面図である。
【図５】第３実施形態における交流発生装置の平面図である。
【図６】図５のVI−VI断面図である。
【図７】他の実施形態における交流発生装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１６】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の交流発生装置は、Ｓｉ等で構成された基板１と、基板１の上面に形成されたＳＴＯ２とを備えている。
【００１７】
ＳＴＯ２は、下部電極２１と、バッファ層２２と、固定層２３と、絶縁層２４と、発振層２５とを備えており、これらは基板１上に順に積層されている。また、ＳＴＯ２は、金属中間層２６と、固定層２７と、キャップ層２８と、上部電極２９とを備えており、これらは発振層２５上に順に積層されている。
【００１８】
本実施形態では、金属中間層２６〜上部電極２９の積層体が２つ形成されており、２つの積層体は互いに離された状態で発振層２５上に配置されている。図２に示すように、下部電極２１〜発振層２５の上面は楕円形状とされており、金属中間層２６〜上部電極２９の上面は円形状とされている。なお、下部電極２１〜発振層２５、金属中間層２６〜上部電極２９の上面が他の形状とされていてもよい。
【００１９】
下部電極２１は、Ｒｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ａｕ等の導電性材料で構成されており、基板１上に薄膜状に形成されている。バッファ層２２は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、下部電極２１上に薄膜状に形成されている。バッファ層２２は、結晶性、配向性を向上させて固定層２３を成膜するための下地となるものである。
【００２０】
固定層２３は、ＣｏＦｅＢ等の磁性材料で構成され、バッファ層２２上に薄膜状に形成されている。固定層２３は、図示しない反強磁性層等によって磁化方向が固定されている。絶縁層２４は、ＭｇＯ、Ａｌ−Ｏｘ等の非磁性の絶縁体で構成され、固定層２３上に薄膜状に形成されている。発振層２５は、ＭｎＧａ等の磁性材料で構成され、絶縁層２４上に薄膜状に形成されている。
【００２１】
金属中間層２６は、Ｃｕ、Ａｇ等の導電性の非磁性金属で構成され、発振層２５上に薄膜状に形成されている。固定層２７は、ＣｏＦｅ等の強磁性材料で構成され、金属中間層２６上に薄膜状に形成されている。固定層２７は、図示しない反強磁性層等によって磁化方向が固定されている。
【００２２】
このように、固定層２３、絶縁層２４、発振層２５によって、２つの磁性層の間に絶縁層が配置されたＴＭＲ素子が構成されている。また、発振層２５、金属中間層２６、固定層２７によって、２つの磁性層の間に金属中間層が配置されたＧＭＲ素子が構成されている。固定層２３、２７は、それぞれ、第１、第２固定層に相当する。
【００２３】
発振層２５はＧＭＲ素子に直流電流が流れることによって磁化が振動するように構成されている。そして、発振層２５の磁化が振動することで、固定層２３の磁化方向と発振層２５の磁化方向との間の角度が周期的に変化し、これによりＴＭＲ素子の抵抗値が変化する。
【００２４】
発振層２５の材料としては、所望の発振周波数に対応する実効磁気異方性磁界を有する磁性体が用いられ、例えば発振層２５をＭｎＧａで構成した場合には、０．３ＴＨｚ程度の発振周波数となる。なお、発振層２５を固定層２７よりも薄く形成することにより、固定層２７よりも発振層２５の方が直流電流によって発振しやすくなるが、発振層２５の厚さが固定層２７の厚さ以上とされていてもよい。
【００２５】
キャップ層２８は、Ｔａ、Ｒｕ等で構成されており、固定層２７上に薄膜状に形成されている。キャップ層２８は、固定層２７を保護するためのものである。上部電極２９は、Ａｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｒｕ等の導電性材料で構成されており、キャップ層２８上に薄膜状に形成されている。
【００２６】
このような構成のＳＴＯ２は、スパッタリング等を用いて基板１の上面に下部電極２１〜上部電極２９を順に形成した後、図示しないマスクを用いたエッチングにより金属中間層２６〜上部電極２９の一部を除去することで形成される。
【００２７】
ＳＴＯ２の発振周波数の調整は、例えば図３に示すような回路を用いて行われる。すなわち、一方の上部電極２９と他方の上部電極２９との間には、抵抗器３と、直流電源４と、インダクタ５とが直列に接続されている。なお、図３では、バッファ層２２、キャップ層２８の図示を省略している。基板１上には、下部電極２１、上部電極２９に接続された図示しない配線層、パッド等が形成されており、ＳＴＯ２は、このパッドを介して抵抗器３等に接続されている。
【００２８】
抵抗器３は直流電源４の正極に接続されており、直流電源４の負極はインダクタ５に接続されている。このように、一方の金属中間層２６〜上部電極２９と、発振層２５と、他方の金属中間層２６〜上部電極２９と、抵抗器３と、直流電源４と、インダクタ５とによって閉回路が構成されており、直流電源４の出力電流は矢印Ａ１で示すように流れる。この電流は、発振層２５を発振させるための発振励起電流である。
【００２９】
抵抗器３の抵抗値は、例えば絶縁層２４の抵抗値と同程度とされる。抵抗器３の抵抗値によって、発振層２５〜固定層２７で構成されるＧＭＲ素子の電流密度を調整することができる。
【００３０】
直流電源４とインダクタ５との接続点には、直流電源６の正極が接続されている。また、下部電極２１は、直流電源６の負極（グランド）に接続されている。このように、下部電極２１〜上部電極２９と、インダクタ５と、直流電源６とによって閉回路が形成されており、直流電源６の出力電流は矢印Ａ２で示すように流れる。この電流は、固定層２３〜発振層２５で構成されるＴＭＲ素子に交流電流を出力させるためのセンス電流である。
【００３１】
インダクタ５と上部電極２９との接続点には、キャパシタ７が接続されており、キャパシタ７とグランドとの間には、スペクトラムアナライザ８が接続されている。スペクトラムアナライザ８は、ＳＴＯ２の調整を行うための検査に用いられる計測器である。このように、下部電極２１〜上部電極２９と、キャパシタ７と、スペクトラムアナライザ８とによって閉回路が形成されており、ＳＴＯ２の出力電流は矢印Ａ３で示すように流れる。キャパシタ７はインダクタ５と共に、ＳＴＯ２に供給される直流電流とＳＴＯ２が出力する交流電流とを分離するバイアスティ回路を構成しており、スペクトラムアナライザ８にはＳＴＯ２が出力する交流電流が入力される。
【００３２】
ＳＴＯ２の調整を行う際には、スペクトラムアナライザ８で計測された電流の周波数に応じて抵抗器３の抵抗値を変化させ、ＳＴＯ２の出力が所望の周波数となるようにする。
【００３３】
交流発生装置の作動について説明する。例えば、交流発生装置を用いて電磁波を発信する場合には、スペクトラムアナライザ８の代わりにアンテナを接続する。そして、直流電源４からＳＴＯ２に発振励起電流を供給するとともに、直流電源６からＳＴＯ２にセンス電流を供給する。
【００３４】
発振励起電流によって、発振層２５の磁化が発振する。なお、直流電源４からＳＴＯ２に供給される発振励起電流は、矢印Ａ１で示すように、ＧＭＲ素子を含む発振層２５〜上部電極２９を通り、絶縁層２４を通らない。そのため、絶縁層２４の絶縁破壊を抑制することができる。
【００３５】
そして、センス電流によって、固定層２３〜発振層２５で構成されるＴＭＲ素子から交流電流が出力される。発振層２５が高周波数で発振している状態でＳＴＯ２にセンス電流を供給すれば、ＴＭＲ素子から高周波電力が出力され、スペクトラムアナライザ８の代わりに接続された図示しないアンテナから高周波電磁波が発信される。
【００３６】
このように、本実施形態のＳＴＯ２は、発振層２５〜固定層２７で構成されるＧＭＲ素子と、固定層２３〜発振層２５で構成されるＴＭＲ素子とを備えている。そして、ＳＴＯ２は、発振の励起が容易なＧＭＲ素子に発振励起電流を流すことで発振層２５を発振させ、高出力が得られるＴＭＲ素子から高周波電力を取り出すことが可能な構成とされている。これにより、高周波数と高出力を両立させることができる。
【００３７】
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して金属中間層２６〜上部電極２９の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３８】
図４に示すように、本実施形態では、一方の金属中間層２６〜上部電極２９で構成された積層体と、他方の金属中間層２６〜上部電極２９で構成された積層体の上面が、それぞれ矩形状とされている。各積層体の上面は、正方形であってもよいし、長方形であってもよい。そして、２つの積層体は、対向する面が互いに平行になるように配置されている。
【００３９】
直流電源４から供給される発振励起電流は、抵抗が最も小さくなるように、電流パスが最短となる経路を流れるため、図２に示す形状のＳＴＯ２では領域Ｒ１に電流が集中し、他の領域を有効に利用することができない。
【００４０】
これに対して、本実施形態のように金属中間層２６〜上部電極２９を形成することにより、発振励起電流が図４に示す領域Ｒ２を通るようになり、第１実施形態よりも広い領域を電流経路として有効に利用することができる。
【００４１】
なお、一方の積層体から他方の積層体に向かう方向（図４中紙面左右方向）の領域Ｒ２の幅は、おおよそ発振層２５の膜厚程度となる。したがって、各積層体において、電流経路として有効に利用される部分の割合を大きくするためには、図４中紙面左右方向における各積層体の上面の幅を、発振層２５の膜厚程度とすることが好ましい。発振層２５の膜厚は１〜２ｎｍとされることが多いため、各積層体の幅を１〜２ｎｍとすることが好ましいが、数ｎｍオーダーの微細加工が困難な場合には、例えば各積層体の上面の幅を５０ｎｍ以下とすることが好ましく、２０ｎｍ以下とすることがより好ましい。
【００４２】
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して金属中間層２６〜上部電極２９の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４３】
図５、図６に示すように、本実施形態では、下部電極２１〜発振層２５の上面が円形状とされている。そして、一方の金属中間層２６〜上部電極２９は、上面が円形状とされて、発振層２５の上面の中央部に配置されている。また、他方の金属中間層２６〜上部電極２９は、上面が円周状とされて、一方の金属中間層２６〜上部電極２９を囲むように発振層２５の上面の外周部に配置されている。
【００４４】
金属中間層２６等がこのような形状とされた本実施形態では、図５に示す領域Ｒ３に発振励起電流が流れるようになり、第１実施形態よりも広い領域を電流経路として有効に利用することができる。
【００４５】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４６】
例えば、図７に示すように、一方の金属中間層２６〜キャップ層２８を形成せずに発振層２５の上面に一方の上部電極２９を形成して、センス電流が下部電極２１〜発振層２５と、この上部電極２９とを流れるようにしてもよい。ただし、ＳＴＯ２の製造を容易にするためには、発振層２５の上面に金属中間層２６〜上部電極２９で構成される積層体を２つ形成する方が望ましい。
【符号の説明】
【００４７】
２３  固定層
２４  絶縁層
２５  発振層
２６  金属中間層
２７  固定層
【図１】
2020035832.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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