(57)【要約】      （修正有）【課題】ノイズ特性の向上可能なスピン高周波ミキサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】局部発振信号を入力してスピン流を生成するスピン流生成部３０と、高周波信号及びスピン流生成部３０によって生成されたスピン流を入力しミキシング信号を生成するＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子５０と、ＴＭＲ素子から生成されたミキシング信号を取り出す出力部６０と、を備え、局部発振信号の電流によるショットノイズをほとんど含まずパッシブミキサにおけるショットノイズの発生を抑える。【選択図】図１
2010119102.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
局部発振信号を入力してスピン流を生成するスピン流生成手段と、
高周波信号及び前記スピン流を入力し、ミキシング信号を生成する磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子から生成されたミキシング信号を取り出す出力手段と、
を備えることを特徴とするスピン高周波ミキサ。
【請求項２】
前記スピン流生成手段は、
強磁性体からなる第１スピンフィルタ層と、
前記第１スピンフィルタ層と逆の磁化の向きを有する第２スピンフィルタ層と、
前記第１スピンフィルタ層と前記第２スピンフィルタ層との間に介在する導電性の非磁性層と、
を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、
前記第１スピンフィルタ層又は前記第２スピンフィルタ層と同一の磁化の向きを有するピンド層と、
前記スピン流の注入によって磁化の向きが変化するフリー層と、
前記ピンド層と前記フリー層との間に介在するトンネル障壁層と、
を備え、
前記非磁性層と前記フリー層とは、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン高周波ミキサ。
【請求項３】
前記スピン流生成手段と前記磁気抵抗効果素子とは、同一の半導体基板上の離れた位置に設けられており、
前記第２スピンフィルタの端部が除去されており、
前記第２スピンフィルタ層の端部が除去された前記非磁性層の露出部分と前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層とにわたって前記第２スピンフィルタ層とは接触しないように連結非磁性層が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のスピン高周波ミキサ。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子へ前記高周波信号を入力する高周波信号源は、前記磁気抵抗効果素子より高いインピーダンスを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のスピン高周波ミキサ。
【請求項５】
前記出力手段は、前記磁気抵抗効果素子より高いインピーダンスを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のスピン高周波ミキサ。
【請求項６】
半導体基板上に第１スピンフィルタ層、非磁性層及び第２スピンフィルタ層を順次積層してなるスピン流生成手段を形成する工程と、
前記半導体基板上に前記スピン流生成手段と離れた位置に、ピンド層、トンネル障壁層及びフリー層を含む磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記第２スピンフィルタ層の端部を除去する工程と、
前記第２スピンフィルタ層の端部が除去された前記非磁性層の露出部分と前記磁気抵抗効果素子の前記フリー層とにわたって前記第２スピンフィルタ層とは接触しないように連結非磁性層を形成する工程と、
を含むことを特徴とするスピン高周波ミキサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントルクを用いたスピン高周波ミキサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報通信では、２ＧＨｚ帯の高周波を用いたワイドバンドＣＤＭＡや２．４ＧＨｚ帯の高周波を用いたブルートゥース、あるいはさらなる高周波を用いた無線ＬＡＮなど、より周波数の高い高周波を用いた通信技術の開発が進んでいる。
【０００３】
このような情報通信に用いられる端末機器や無線の基地局などで使用される機器において、例えばアンテナから受信した高周波をより低い周波数の信号に変換することが一般に行われる。このような場合、高周波信号をより低い周波数の信号に変換するために、差動増幅回路を利用した高周波ミキサ回路が用いられる。
【０００４】
このような高周波ミキサ回路に関する技術の例としては、例えばアクティブミキサを開示する特許文献１がある。特許文献１には、ドレインに高周波信号（ＲＦ信号）を入力し、ゲートに局所発振信号（ＬＯ信号）を入力して、ソースから中間周波数信号（ＩＦ信号）を取り出す電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備える高周波ミキサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−２０４４５８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、引用文献１に記載の高周波ミキサのようなアクティブミキサは、ＦＥＴを用いてＲＦ信号とＬＯ信号とを混合する。このＦＥＴは高周波特性と低周波特性の両方が要求されるので低周波のフリッカーノイズ抑制が困難で、ノイズ特性がパッシブミキサに劣る。
【０００７】
一方で、パッシブミキサは、ダイオードの非線形性を利用するもので、ＬＯ信号をバイアスとしてダイオードに電流を流し、それに応じたダイオードの微分抵抗の変化を用いる。また、ダイオードの非線形性を用いるためには、抵抗変化を十分に大きくする必要があり、それに伴ってＬＯ信号による電流をある程度大きくする必要がある。しかし、電流を大きくすることで、電流によるショットノイズが出力に現れてしまい、ダイオードを用いたパッシブミキサによっても、ノイズを十分低減させることができない。
【０００８】
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、ノイズ特性の向上可能な高周波ミキサを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るスピン高周波ミキサは、ＬＯ信号を入力してスピン流を生成するスピン流生成手段と、ＲＦ信号及びスピン流を入力し、ミキシング信号を生成する磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子から生成されたミキシング信号を取り出す出力手段と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るスピン高周波ミキサでは、スピン流生成手段へのＬＯ信号の入力により生成されたスピン流がＲＦ信号の入力された磁気抵抗効果素子に注入される。これにより、磁気抵抗効果素子において、ＬＯ信号及びＲＦ信号が乗算されＬＯ信号及びＲＦ信号に対して周波数が変調されたミキシング信号が生成される。また、この場合のミキシング信号に現れるショットノイズは、ほとんどがＲＦ信号による電流のみに依存するため、ダイオードを使用するパッシブミキサのようにＬＯ信号による電流に依存するショットノイズをほとんど含まない。このように、ダイオードを用いることなくＬＯ信号及びＲＦ信号に対して周波数が変調されたミキシング信号が生成されるため、ダイオードを用いたパッシブミキサにおいて問題となるショットノイズの発生を抑えることができる。
【００１１】
また、スピン流生成手段は、強磁性体からなる第１スピンフィルタ層と、第１スピンフィルタ層と逆の磁化の向きを有する第２スピンフィルタ層と、第１スピンフィルタ層と第２スピンフィルタ層との間に介在する導電性の非磁性層と、を備え、磁気抵抗効果素子は、第１スピンフィルタ層又は第２スピンフィルタ層と同一の磁化の向きを有するピンド層と、前記スピン流の注入によって磁化の向きが変化するフリー層と、ピンド層とフリー層との間に介在するトンネル障壁層と、を備え、非磁性層とフリー層とは、電気的に接続されていることが好適である。
【００１２】
これにより、互いに逆の磁化の向きを有する第１スピンフィルタ層と第２スピンフィルタ層とにＬＯ信号を供給してスピン流を生成することができる。また、生成されたスピン流を非磁性層を介してＲＦ信号が入力されている磁気抵抗効果素子のフリー層に注入させることができる。このフリー層に注入されたスピン流中の電子のスピンの偏極方向は、ＬＯ信号の周波数に同期して第１スピンフィルタ層の磁化の向きと同一方向又は第２スピンフィルタ層の磁化の向きと同一方向となるため、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化の向きをＬＯ信号に同期して変化させることができる。これに伴って、磁気抵抗効果素子のインピーダンスがＬＯ信号に同期して変化する。その結果、磁気抵抗効果素子において、入力されたＲＦ信号とＬＯ信号との乗算がなされて、ＬＯ信号及びＲＦ信号に対して周波数が変調されたミキシング信号を生成することができる。
【００１３】
また、スピン流生成手段と磁気抵抗効果素子とは、同一の半導体基板上の離れた位置に設けられており、第２スピンフィルタの端部が除去されており、第２スピンフィルタ層の端部が除去された非磁性層の露出部分と磁気抵抗効果素子のフリー層とにわたって第２スピンフィルタ層とは接触しないように連結非磁性層が設けられていることが好適である。
【００１４】
このような構造を採用することで、スピン流生成手段と磁気抵抗効果素子とが離れた状態で、スピン流生成手段により生成されたスピン流が連結非磁性層を通して磁気抵抗効果素子に流れ込むことができる。そのため、ＬＯ信号の出力への漏洩を抑制することができる。また、ＬＯ信号の電流に伴うショットノイズの出力への漏洩を抑制することもできる。
【００１５】
また、磁気抵抗効果素子へＲＦ信号を入力するＲＦ信号源は、磁気抵抗効果素子より高いインピーダンスを有することが好適である。ＲＦ信号源のインピーダンスが磁気抵抗効果素子のインピーダンスと比較して十分に高い場合には、磁気抵抗効果素子にはＲＦ信号に比例する電流が流され、その電流値は磁気抵抗効果素子の抵抗変化にほぼ依存しない。その結果、ＲＦ信号と磁気抵抗効果素子の抵抗値とに比例する電圧が磁気抵抗効果素子に印加される。これにより、磁気抵抗効果素子の両端に現れる電圧はＲＦ信号と磁気抵抗効果素子の抵抗値との乗算に比例する。その結果、磁気抵抗効果素子において、入力されたＲＦ信号とＬＯ信号との乗算がなされて、ＬＯ信号及びＲＦ信号に対して周波数が変調されたミキシング信号を生成することができる。
【００１６】
また、出力手段は、磁気抵抗効果素子より高いインピーダンスを有することが好適である。
【００１７】
また、本発明に係るスピン高周波ミキサの製造方法は、半導体基板上に第１スピンフィルタ層、非磁性層及び第２スピンフィルタ層を順次積層してなるスピン流生成手段を形成する工程と、半導体基板上にスピン流生成手段と離れた位置に、ピンド層、トンネル障壁層及びフリー層を含む磁気抵抗効果素子を形成する工程と、第２スピンフィルタ層の端部を除去する工程と、第２スピンフィルタ層の端部が除去された非磁性層の露出部分と磁気抵抗効果素子のフリー層とにわたって第２スピンフィルタ層とは接触しないように連結非磁性層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るスピン高周波ミキサの製造方法によれば、ノイズ特性の向上可能なスピン高周波ミキサを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るスピン高周波ミキサ及びその製造方法によれば、ノイズ特性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスピン高周波ミキサを模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスピン高周波ミキサによる周波数変調の結果を示す図である。
【図３】図１に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図４】図１に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図５】図１に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図６】図１に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図７】図１に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図８】図１に示したスピン高周波ミキサ１に基づき、実際の素子形状に即したスピン高周波ミキサを示した図である。
【図９】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１０】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１１】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１２】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１３】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１４】図８に示したスピン高周波ミキサの製造方法の一工程を模試的に示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係るスピン高周波ミキサを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素には同一の符号を用い、重複する説明を省略する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るスピン高周波ミキサ１を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るスピン高周波ミキサ１は、局所発振信号（ＬＯ信号）を発生して出力するＬＯ信号発生器２０と、半導体基板１０上に設けられておりＬＯ信号発生器２０からのＬＯ信号を入力してスピン流を生成するスピン流生成部（スピン流発生手段）３０と、高周波信号（ＲＦ信号）を発生して出力するＲＦ信号出力部４０と、同一の半導体基板１０上に設けられておりＲＦ信号出力部４０からのＲＦ信号及びスピン流生成部３０からのスピン流を入力し、ミキシング信号を生成する磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子：Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）５０と、ＴＭＲ素子５０から生成されたミキシング信号を取り出す出力部（出力手段）６０と、を備える。なお、ＲＦ信号出力部４０中のうち、ＴＭＲ素子５０へＲＦ信号を出力する高周波信号源（ＲＦ信号源）４１は、ＴＭＲ素子５０より高いインピーダンスを有し、出力部６０は、ＴＭＲ素子５０より高いインピーダンスを有する。
【００２３】
ＲＦ信号源４１のインピーダンスが磁気抵抗効果素子のインピーダンスと比較して十分に高い場合には、磁気抵抗効果素子にはＲＦ信号に比例する電流が流され、その電流値は磁気抵抗効果素子の抵抗変化にほぼ依存しない。その結果、ＲＦ信号と磁気抵抗効果素子の抵抗値とに比例する電圧が磁気抵抗効果素子に印加される。これにより、磁気抵抗効果素子の両端に現れる電圧はＲＦ信号と磁気抵抗効果素子の抵抗値との乗算に比例する。
【００２４】
ＬＯ信号発生器２０は、スピン流生成部３０の後述する第１スピンフィルタ層３１と後述する第２スピンフィルタ層３３とに接続されており、周波数ｆ１（＝ω１／２π）を有する交流電流のＬＯ信号ＩＬＯ（＝Ａｓｉｎω１ｔ）を発生させ、発生されたＬＯ信号ＩＬＯを第１スピンフィルタ層３１と第２スピンフィルタ層３３との間に供給する。なお、ここでＡ、ω１、ｔは、それぞれＬＯ信号ＩＬＯの振幅、角振動数、時間を表す。
【００２５】
スピン流生成部３０は、半導体基板１０上に順次に積層された磁化の向きがｘ軸の負方向になっている第１スピンフィルタ層３１と、導電性の非磁性層３２と、磁化の向きがｘ軸の正方向になっている第２スピンフィルタ層３３とにより構成されており、ＴＭＲ素子５０のフリー層５３の磁化の向きをＬＯ信号ＩＬＯに同期して変化させるためのものである。また、スピン流生成部３０のＴＭＲ素子５０に対面する側の端部には、第２スピンフィルタ層３３の端部が除去され形成された段差部が設けられており、その除去された部分には非磁性層３２が露出されている。なお、ＬＯ信号発生器２０，ＲＦ信号出力部４０及び出力部６０の接続されるスピン高周波ミキサ１の各部位には、図示しない電極が設けられている。
【００２６】
スピン流生成部３０は、ＬＯ信号発生器２０から出力されたＬＯ信号ＩＬＯを第１スピンフィルタ層３１と第２スピンフィルタ層３３との間に入力して、ＬＯ信号ＩＬＯの極性の変化により第１スピンフィルタ層３１又は第２スピンフィルタ層３３からスピン偏極した電子によるスピン流を発生させて非磁性層３２に注入する。非磁性層３２に注入されたスピン流の中の電子のスピンの偏極方向は、第１スピンフィルタ層３１から注入された場合には第１スピンフィルタ層３１の磁化の向きと同一方向（ｘ軸の負方向）に、第２スピンフィルタ層３３から注入された場合には第２スピンフィルタ層３３の磁化の向きと同一方向（ｘ軸の負方向）になる。すなわち、非磁性層３２に流される電子のスピンの偏極方向は、ＬＯ信号ＩＬＯの周波数ｆ１に同期して第１スピンフィルタ層３１の磁化の向きと同一方向又は第２スピンフィルタ層３３の磁化の向きと同一方向となる。
【００２７】
ＴＭＲ素子５０は、同一の半導体基板１０上にスピン流生成部３０における積層方向に平行な側面５０Ｓから間隔Ｔ離れた位置に、スピン流生成部３０の端面３０Ｓに対向するように設けられており、端面３０Ｓは第２スピンフィルタ層３３の端部が除去された露出領域３０Ｔに連続している。ＴＭＲ素子５０は、磁化の向きが第１スピンフィルタ層３１の磁化の向きと同一方向（ｘ軸の負方向）に固定されたピンド層５１と、トンネル障壁層５２と、外部スピン流により磁化の向きが変化するフリー層５３とが順次に積層されて構成されている。また、ＴＭＲ素子５０は、フリー層５３とピンド層５１との磁化の向きが同一であれば偏極スピン電子の透過率が大きくなることで抵抗が小さくなり、双方の強磁性体の磁化の向きが逆であれば偏極スピン電子の透過率が少なくなることで抵抗が大きくなるという特性を有する。
【００２８】
スピン流生成部３０における非磁性層３２の露出領域３０Ｔ上及びＴＭＲ素子５０のフリー層５３上にわたって導電性の連結非磁性層１２が、第２スピンフィルタ層３３と接触しないように設けられている。
【００２９】
ＲＦ信号出力部４０は、ＲＦ信号源４１と１次側コイルＬ１及び２次側コイルＬ２を有するトランス４２とにより構成されている。１次側コイルＬ１のコイルの巻き数は、２次側コイルＬ２のコイルの巻き数が等しいか、あるいはＲＦ信号源４１のインピーダンスが低い場合には２次側コイルＬ２のコイルの巻き数より小さいことが好ましい。トランス４２は、その１次側コイルＬ１の両端がＲＦ信号源４１に接続されており、その２次側コイルＬ２の一端が連結非磁性層１２に、他端がＴＭＲ素子５０のピンド層５１に接続されている。ＲＦ信号源４１は周波数ｆ２（＝ω２／２π）を有する交流電圧のＲＦ信号ＶＲＦ（＝Ｂｓｉｎω２ｔ）を発生させ、そのＲＦ信号ＶＲＦをＲＦ信号源４１に接続されているトランス４２の１次側コイルＬ１に入力する。なお、ここでＢ，ω２，ｔは、それぞれＲＦ信号ＶＲＦの振幅、角振動数、時間を表す。
【００３０】
ＲＦ信号ＶＲＦが１次側コイルＬ１に入力され、１次側コイルＬ１に電流が流れると磁界が発生して、ＲＦ信号源４１のインピーダンスが大きいので１次側コイルＬ１にはＲＦ信号ＶＲＦに比例した電流i１（∝Ｂｓｉｎω１ｔ）が発生する。また、２次側コイルＬ２のコイルの巻き数が１次側コイルＬ１のコイルの巻き数と同じ場合には、２次側コイルＬ２にもi１に比例したほぼ同じ電流i２（∝Ｂｓｉｎω２ｔ）が発生して、２次側コイルＬ２のコイルの巻き数が１次側コイルＬ１のコイルの巻き数よりも大きい場合には、２次側コイルＬ２にもi１に比例したより小さい電流i２（∝Ｂｓｉｎω２ｔ）が発生して、その電流i２は連結非磁性層１２を通じてＴＭＲ素子５０を流れる。その結果、連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間に流れる電流ＩＴＭＲ（∝誘導起電力ｅ２）は、以下の式（１）の関係が成り立つ。
【００３１】
ＩＴＭＲ∝ｓｉｎω２ｔ                                          ・・・（１）
また、第１及び第２のスピンフィルタ層３１，３３から非磁性層３２に流れ込んだスピン流は、連結非磁性層１２を通り、ＴＭＲ素子５０のフリー層５３に注入される。スピン流中の偏極スピンによって、フリー層５３にスピン磁気モーメントが与えられるので、これによってフリー層５３の磁化の向きが制御される。そのため、第１スピンフィルタ層３１から生成されたスピン流がフリー層５３に流れ込むときはフリー層５３の磁化の向きはｘ軸の負方向に近づき、第２スピンフィルタ層３３から生成されたスピン流がフリー層５３に注入されたときはフリー層５３の磁化の向きはｘ軸の正方向に近づく。
【００３２】
また、第１スピンフィルタ層３１から発生したスピン流が注入されたときには、フリー層５３の磁化の向きとピンド層５１の磁化の向きが同一方向に近づき、ＴＭＲ素子５０のインピーダンスＺＴＭＲが小さくなる一方、第１スピンフィルタ層３１から発生したスピン流が注入されたときには、ＴＭＲ素子のインピーダンスＺＴＭＲが大きくなる。その結果、ＴＭＲ素子のインピーダンスＺＴＭＲがＬＯ信号ＩＬＯに同期して変化し、以下の式（２）の関係が成り立つ。
【００３３】
ＺＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔ                                          ・・・（２）
【００３４】
以上の式（１）、（２）及びＶ＝Ｉ×Ｚの関係式により、連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間に発生する電圧ＶＴＭＲは以下の式（３）で表すことができる。なお、ここでＶ、Ｉ、Ｚは、それぞれ電圧、電流、インピーダンスを表し、位相差は除かれている。また、ＶＴＭＲ−はｃｏｓ｛２π（ｆ１−ｆ２）ｔ｝に関連する成分であり、ＶＴＭＲ＋はｃｏｓ｛２π（ｆ１＋ｆ２）ｔ｝に関連する成分である。
【００３５】
ＶＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔ×ｓｉｎω２ｔ
∝［ｃｏｓ（ω１−ω２）ｔ−ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔ］
∝［ｃｏｓ２π（ｆ１−ｆ２）ｔ−ｃｏｓ２π（ｆ１＋ｆ２）ｔ］  
∝ＶＴＭＲ−＋ＶＴＭＲ＋                                    ・・・（３）
【００３６】
このように、ＴＭＲ素子５０では、ＬＯ信号ＩＬＯ及びＲＦ信号ＶＲＦの乗算がなされるので、周波数ｆ１のＬＯ信号ＩＬＯ及び周波数ｆ２のＲＦ信号ＶＲＦに対して周波数がｆ＋＝ｆ１＋ｆ２及びｆ−＝ｆ１−ｆ２に変調されたミキシング信号が生成される。
【００３７】
出力部６０は１次側コイルＬ１０及び２次側コイルＬ２０を有するトランス６１により構成されている。その１次側コイルＬ１０は、連結非磁性層１２とピンド層５１との間に接続されており、連結非磁性層１２とピンド層５１との間で発生するＶＴＭＲにほぼ同じ大きさの誘導起電力Ｖ１（≒ＶＴＭＲ）が発生する。また、２次側コイルＬ２０には出力端子ＤＯ１及びＤＯ２が設けられており、出力端子ＤＯ１及びＤＯ２の間には誘導起電力Ｖ１に比例した誘導起電力Ｖ２（∝ＶＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔ・ｓｉｎω２ｔ）が発生して、その誘導起電力Ｖ２が出力端子ＤＯ１及びＤＯ２から出力される。
【００３８】
従って、出力部６０は出力端子ＤＯ１及びＤＯ２により、ＴＭＲ素子５０によりＬＯ信号ＩＬＯ及びＲＦ信号ＶＲＦの乗算がなされ、周波数がｆ＋＝ｆ１＋ｆ２及びｆ−＝ｆ１−ｆ２に変調されたミキシング信号を取り出すことができる。図２には、周波数ｆ１のＬＯ信号ＩＬＯ及び周波数ｆ２のＲＦ信号ＶＲＦに対して出力部６０により取り出されたミキシング信号ＶＴＭＲのＶＴＭＲ−が表されている。
【００３９】
なお、各層に適用できる材料と、厚みは以下の通りである。
【００４０】
第１スピンフィルタ層３１：
・材料：ＣｏＦｅ合金
・厚み：３ｎｍ
非磁性層３２：
・材料：Ｃｕ
・厚み：２０ｎｍ
第２スピンフィルタ層３３：
・材料：ＣｏＦｅ合金
・厚み：３ｎｍ
絶縁層１１：
・材料：ＳｉＯ２
・厚み：１２ｎｍ
連結非磁性層１２：
・材料：Ｃｕ
・厚み：２０ｎｍ
ピンド層５１：
・材料：ＣｏＦｅＢ合金
・厚み：２ｎｍ
トンネル障壁層５２：
・材料：ＭｇＯ
・厚み：０．９ｎｍ
フリー層５３：
・材料：ＣｏＦｅ合金
・厚み：２ｎｍ
また、ＴＭＲ素子５０からスピン流生成部３０までの距離、すなわち絶縁層１１の半導体基板１０に平行する平面上での間隔Ｔ（Ｔ＞０）はスピン拡散長以内であることが好ましい。この範囲の場合、スピン流の偏極スピンが減衰することなくフリー層５３に注入されると考えられる。
【００４１】
続いて、上述したスピン高周波ミキサ１を形成する方法について図３〜図７を参照しつつ説明する。図３〜図７はスピン高周波ミキサ１の製造方法の各工程を模式的に示す図である。スピン高周波ミキサ１は、例えば下記各工程を順に経ることによって製造される。
【００４２】
（スピン流生成部形成工程）
まず、図３に示すようにスピン流生成部３０を形成する。スピン流生成部３０は、半導体基板１０上に所定の形状に第１スピンフィルタ層３１、非磁性層３２及び第２スピンフィルタ層３３を順次に形成することで得られる。これらの層の形成にはメタルマスクを用いたスパッタリング法等が用いられ、真空を保持した状態で連続的に形成することができる。
【００４３】
（ＴＭＲ素子形成工程）
次に、図４に示すように半導体基板１０上にスピン流生成部３０と間隔Ｔで離れた位置にＴＭＲ素子５０を形成する。ＴＭＲ素子５０は、例えばメタルマスクを用いたスパッタリング法によりピンド層５１、トンネル障壁層５２及びフリー層５３を順次に積層することで得られる。積層の際には、ＴＭＲ素子５０のフリー層５３の上面の高さがスピン流生成部３０の非磁性層３２の上面の高さと同一となるようにする。
【００４４】
（エッチング工程）
次に、図４に示すように、ＴＭＲ素子５０のフリー層５３及びスピン流生成部３０の第２スピンフィルタ層３３上をそれぞれ例えば長方形状にマスクするレジストマスクＰＭ１，ＰＭ２を形成し、マスクされていない領域を例えばドライエッチング装置等によって半導体基板１０が露出される深さまでエッチングする。その後、図５に示すように、レジストマスクＰＭ１，ＰＭ２を除去することなく、例えばスパッタリング装置を用いて、絶縁層１１をＴＭＲ素子５０とスピン流生成部３０との間の領域の半導体基板１０上に形成する。なお、絶縁層１１は、その上面の高さがＴＭＲ素子５０のフリー層５３及び非磁性層３２の上面の高さと同一になるように形成する。その後、レジストマスクＰＭ１，ＰＭ２を除去する。これにより、ＴＭＲ素子５０及びスピン流生成部３０それぞれに含まれる複数の層を同時に同一の形状にすることができる。なお、絶縁層１１を介してＴＭＲ素子５０とスピン流生成部３０が電気的に絶縁されている。
【００４５】
（第２スピンフィルタ層端部除去工程）
次に、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いてスピン流生成部３０の第２スピンフィルタ層３３の絶縁層１１側の端部を除去する。具体的に説明すると、除去予定の第２スピンフィルタ層３３の端部以外の部分をマスクするレジストパターンを形成した後に、第２スピンフィルタ層３３のうちマスクされていない領域を非磁性層３２が露出されるまでドライエッチング装置等によりエッチングし、その後にレジストを除去する。
【００４６】
（連結非磁性層形成工程）
次に、電気的に絶縁されているＴＭＲ素子５０とスピン流生成部３０とを連結する連結非磁性層１２を形成する。この工程においては、まず、第２スピンフィルタ層３３をメタルマスク等によりマスクし、かつ、フリー層５３と非磁性層３２の露出領域とを結ぶ領域のみが開口したマスクパターンを形成した後、全体的に例えばＣｕからなる非磁性層を形成する。その後、マスクパターンを除去する。これにより、マスクパターン上の非磁性層はマスクパターンと共にリフトオフされ、図６に示すようにＴＭＲ素子５０から非磁性層３２上の第２スピンフィルタ層３３が除去された部分にわたって連結非磁性層１２が形成される。次に、図７に示すように連結非磁性層１２と第２スピンフィルタ層３３との界面を含む領域以外の部分をマスクするレジストマスクＰＭ３，ＰＭ４を形成する。
【００４７】
その後、マスクされていない連結非磁性層１２と第２スピンフィルタ層３３との界面を含む領域を、非磁性層３２が露出される深さまでドライエッチング装置等によりエッチングした後にレジストマスクＰＭ３，ＰＭ４を除去する。これにより、第２スピンフィルタ層３３と連結非磁性層１２との直接的な接触を回避しつつ、スピン流生成部３０の非磁性層３２とＴＭＲ素子５０とが連結非磁性層１２とを介して接続される。
【００４８】
その後、第１スピンフィルタ層３１と第２スピンフィルタ層３３との間にＬＯ信号発生器２０を、ピンド層５１と連結非磁性層１２との間にＲＦ信号出力部４０及び出力部６０を接続することにより、スピン高周波ミキサ１が完成される。
【００４９】
本実施形態に係るスピン高周波ミキサ１は、以下のように動作する。
【００５０】
ＬＯ信号発生器２０により周波数ｆ１を有する交流電流のＬＯ信号ＩＬＯ（＝Ａｓｉｎω１ｔ）が発生され、そのＬＯ信号ＩＬＯが第１スピンフィルタ層３１及び第２スピンフィルタ層３３に入力される。するとＬＯ信号ＩＬＯの極性によって第１スピンフィルタ層３１又は第２スピンフィルタ層３３からスピン流が生成され、その生成されたスピン流は非磁性層３２及び連結非磁性層１２を介して、フリー層５３に注入される。ピンド層５１の磁化の向きと同一の磁化の向きを有する第１スピンフィルタ層３１からスピン流が発生したときは、フリー層の磁化方向はピンド層の磁化方向に近づき、ピンド層５１の磁化の向きと逆の磁化の向きを有する第２スピンフィルタ層３３からスピン流が発生した時は、フリー層の磁化方向はピンド層の磁化方向と反対の向きへと動く。したかって、連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間のインピーダンスＺＴＭＲはＬＯ信号ＩＬＯに同期して変化し、ＺＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔで表すことができる。
【００５１】
一方、ＲＦ信号源４１により周波数ｆ２を有する交流電圧のＲＦ信号ＶＲＦ（＝Ｂｓｉｎω２ｔ）が発生されると、トランス４２の１次側にはＲＦ信号ＶＲＦに比例した電流i１（∝Ｂｓｉｎω２ｔ）が発生する。また、２次側にも電流i１に比例したi２（∝Ｂｓｉｎω２ｔ）が発生し、その電流i２は連結非磁性層１２を通ってＴＭＲ素子５０に流れる。従って、連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間に流れる電流ＩＴＭＲは、ＩＴＭＲ∝ｓｉｎω２ｔで表すことができる。
【００５２】
以上より、連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間に発生する電圧ＶＴＭＲはＶＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔ・ｓｉｎω２ｔの関係が成り立つ。このように、ＴＭＲ素子５０では、ＬＯ信号ＩＬＯ及びＲＦ信号ＶＲＦの乗算がなされるので、ＬＯ信号ＩＬＯとＲＦ信号ＶＲＦに対して周波数がｆ＋＝ｆ１＋ｆ２及びｆ−＝ｆ１−ｆ２に変調されたミキシング信号が生成される。連結非磁性層１２とＴＭＲ素子５０との間に発生する電圧ＶＴＭＲは、出力部６０の１次側及び２次側の誘導起電力Ｖ１及び誘導起電力Ｖ２（∝ＶＴＭＲ∝ｓｉｎω１ｔ・ｓｉｎω２ｔ）を発生させ、発生された誘導起電力Ｖ２が出力端子ＤＯ１及びＤＯ２を介して検出される。これにより、出力部６０は出力端子ＤＯ１及びＤＯ２から、ＬＯ信号ＩＬＯとＲＦ信号ＶＲＦの乗算により、その周波数がＬＯ信号ＩＬＯとＲＦ信号ＶＲＦに対してｆ＋＝ｆ１＋ｆ２及びｆ−＝ｆ１−ｆ２に変調されたミキシング信号が取り出される。
【００５３】
本実施形態に係るスピン高周波ミキサ１では、スピン流生成部３０へのＬＯ信号ＩＬＯ（＝Ａｓｉｎ２πｆ１ｔ）の入力により生成されたスピン流がＲＦ信号ＶＲＦ（＝Ｂｓｉｎ２πｆ２ｔ）が入力されたＴＭＲ素子５０に注入される。これにより、ＴＭＲ素子５０において、ＬＯ信号ＩＬＯ（＝Ａｓｉｎ２πｆ１ｔ）及びＲＦ信号ＶＲＦ（＝Ｂｓｉｎ２πｆ２ｔ）が乗算され、ＬＯ信号ＩＬＯ及びＲＦ信号ＶＲＦに対して周波数がｆ＋＝ｆ１＋ｆ２及びｆ−＝ｆ１−ｆ２に変調された変調されたミキシング信号が生成される。このように、ダイオードを用いることなくＬＯ信号ＩＬＯ及びＲＦ信号ＶＲＦに対して周波数が変調されたミキシング信号が生成されるため、ダイオードを用いたパッシブミキサにおいて問題となるＬＯ信号に起因したショットノイズの発生を抑えることができる。
【００５４】
これは、スピン高周波ミキサ１によれば、スピン流生成部３０とＴＭＲ素子５０とが離れた状態で、スピン流生成部３０により生成されたスピン流のみが連結非磁性層１２によりＴＭＲ素子５０のフリー層５３に流れ込むことができるため、ＬＯ信号ＩＬＯ及びＬＯ信号ＩＬＯの電流に伴うショットノイズの出力への漏洩を抑制することができるからである。
【００５５】
更に、スピン流生成部３０の抵抗をＴＭＲ素子５０の抵抗よりも十分に小さくすることができ、ＬＯ信号ＩＬＯの出力への漏洩をより効果的に抑制することができる。
【００５６】
このように、本実施形態に係るスピン高周波ミキサ１によれば、ノイズ特性の向上を図ることができる。また、スピン注入率を上げることで、少ないスピン流でフリー層５３の磁化の向きを制御することができ、更なるノイズ特性の向上を図ることができる。
【００５７】
また、これに伴って、受信回路においてもダイナミックレンジが大きくなり、消費電力が低減される。
【００５８】
また、ダイレクトコンバージョンをアクティブミキサで行う場合には、トランジスタに高周波特性が要求されることから、トランジスタの面積を大きくすることができず、フリッカーノイズの抑制が困難であった。しかし、本実施形態のスピン高周波ミキサ１によれば、アクティブミキサに使用するトランジスタとは異なり、ダウンコンバージョン後の後段の増幅に低ノイズの大面積トランジスタを選定することができ、フリッカーノイズを抑制することができる。
【００５９】
本実施形態に係るスピン高周波ミキサ１の製造方法では、ノイズ特性の向上可能なスピン高周波ミキサ１を容易に製造することができる。
【００６０】
図８は、図１に記載されているスピン高周波ミキサ１に基づき、実際の素子形状に即したスピン高周波ミキサ１Ａを示した図である。スピン高周波ミキサ１Ａは、以下の点においてスピン高周波ミキサ１と相違する。すなわち、スピン高周波ミキサ１Ａには、半導体基板１０上に設けられた絶縁層７１と、絶縁層７１上に設けられており絶縁層７４が介在している下部電極層７２，７３とが設けられている。下部電極層７２及び７３それぞれの上にはスピン流生成部３０及びＴＭＲ素子５０が設けられている。また、非磁性層３２上の第２スピンフィルタ層３３の両側には、内側に絶縁層Ａ１が外側に絶縁層Ａ２が設けられており、非磁性層３２が露出するように絶縁層Ａ１と離間して絶縁層Ａ３が設けられている。また、絶縁層７４から絶縁層Ａ３に至る部分を覆う絶縁層Ｂ１と、第１スピンフィルタ層３１、非磁性層３２及び絶縁層Ａ２の側面を覆う絶縁層Ｂ２とが設けられている。
【００６１】
更に、ＴＭＲ素子５０の一側面から絶縁層Ｂ１及び絶縁層Ａ３に至る領域を覆う絶縁層Ｃ１と、絶縁層Ａ１及び第２スピンフィルタ層３３の一部を覆う絶縁層Ｃ２と、第２スピンフィルタ層３３の一部が露出するように第２スピンフィルタ層３３の一部、絶縁層Ａ２及び絶縁層Ｂ２を覆うと共に絶縁層Ｃ２と離間している絶縁層Ｃ３、ＴＭＲ素子５０の他側面を覆う絶縁層Ｃ４とが設けられている。連結非磁性層１２は、絶縁層Ｃ４から非磁性層３２上にわたって設けられている。その他の構成はスピン高周波ミキサ１と同一又は同様であるため、説明を省略する。図８に記載のスピン高周波ミキサ１Ａは、以下のような工程を経て製造される。
【００６２】
（スピン流生成部形成工程）
まず、図９に示すように、半導体基板１０上に絶縁層７１を形成する。この後、絶縁層７１上に絶縁層７４を介して離間するように下部電極層７２，７３を形成する。下部電極層７２，７３および絶縁層７４は、化学機械的研磨（ＣＭＰ）によるダマシン処理などを用いて平坦になるように形成される。その後、第１スピンフィルタ層３１, 非磁性層３２，および第２スピンフィルタ層３３を順次に積層する。引き続き、レジストにより、下部電極層７２上の第２スピンフィルタ層３３上にレジストマスクＰＭ３を形成する。
【００６３】
その後、レジストマスクＰＭ３をマスクとして第２スピンフィルタ層３３をエッチングする。引き続き、絶縁層Ａを成膜し、レジストマスクＰＭ３を剥離することで不要な部分の絶縁層Ａをリフトオフする。その後、図１０に示すように、最初のレジストマスクＰＭ３のパターンよりも大きいパターンのレジストマスクＰＭ４を下部電極層７２上の絶縁層Ａ及び第２スピンフィルタ層３３上に形成して、これをマスクとして絶縁層Ａ、非磁性層３２、及び第１スピンフィルタ層３１をエッチングする。これにより、第１スピンフィルタ層３１，非磁性層３２および第２スピンフィルタ層３３からなる、スピン流生成部３０が形成される。その後、絶縁層Ｂ１及びＢ２を構成する材料からなる絶縁層Ｂを成膜して、レジストマスクＰＭ４を剥離することで不要な部分の絶縁層Ｂをリフトオフする（図１１を参照）。
【００６４】
（ＴＭＲ素子形成工程）
この工程では、まず、ＴＭＲ素子５０（図１３を参照）が形成される予定部分の絶縁層Ｂをエッチングして、下部電極層７３を露出させる。これにより、図１２に示すように絶縁層Ｂから絶縁層Ｂ１及び絶縁層Ｂ２が形成される（これにより、Ｂのうち、絶縁層Ｂ１及び絶縁層Ｂ２の部分が残る。）。その後、下部電極層７３から絶縁層Ｂ２に至る領域にピンド層５１、トンネル障壁層５２及びフリー層５３を順次に積層する。引き続き、下部電極層７３上のフリー層５３上に長方形状にレジストマスクＰＭ５を形成し、マスクされていない領域を例えばドライエッチング装置等によってピンド層５１がなくなるまでエッチングする。これにより、ＴＭＲ素子５０が形成される。その後、そのレジストマスクＰＭ５を除去することなく、例えばスパッタリング装置を用いて、絶縁層ＣをＴＭＲ素子５０の周囲に形成する。その後、そのレジストマスクを除去する（図１３を参照）。
【００６５】
（非磁性層露出工程）
この工程では、図１４に示すように、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、非磁性層３２上の第２スピンフィルタ層３３の内側の絶縁層Ｃと絶縁層Ａの一部分をエッチングして、非磁性層３２を露出する。具体的に説明すると、除去予定以外の部分をマスクするレジストマスクＰＭ６を形成した後に、非磁性層３２が露出するまでドライエッチング装置等により絶縁層Ｃ及び絶縁層Ａをエッチングし、その後にレジストマスクＰＭ６を除去する。これにより、図８に示すように絶縁層Ａの絶縁層Ａ１、Ａ２及びＡ３の部分が残る。
【００６６】
（連結非磁性層形成工程）
次に、電気的に絶縁されているＴＭＲ素子５０とスピン流生成部３０とを連結する連結非磁性層１２を形成する（図８を参照）。この工程においては、３２上の外側の絶縁層Ｃ上をマスクするレジストパターンを形成し、例えばＣｕからなる非磁性層を全体的に形成する。その後、リフトオフすることで、ＴＭＲ素子５０から非磁性層３２上にわたって連結非磁性層１２が形成される。これにより、第２スピンフィルタ層３３と連結非磁性層１２との直接的な接触を回避しつつ、スピン流生成部３０の非磁性層３２とＴＭＲ素子５０とが連結非磁性層１２とを介して接続される。
【００６７】
その後、フォトリソグラフィー及びエッチング技術を用いて、第２スピンフィルタ層３３上の絶縁層Ｃを除去する。これにより、図８に示すように絶縁層Ｃのうち、絶縁層Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４が残る。引き続き、下部電極層７２と第２スピンフィルタ層３３との間にＬＯ信号発生器２０を、下部電極層７３と連結非磁性層１２との間にＲＦ信号出力部４０及び出力部６０を接続することにより、スピン高周波ミキサ１Ａが完成される。スピン高周波ミキサ１Ａによっても、スピン高周波ミキサ１の効果と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
図１５は、第２実施形態に係るスピン高周波ミキサ２を模式的に示した図である。図８に示されたように、本実施形態に係るスピン高周波ミキサ２は、ＴＭＲ素子５０とスピン流生成部３０とが絶縁層１１を介して離れて設けられて連結非磁性層１２により連結されているスピン高周波ミキサ１に対比して、連結非磁性層１２を備えておらずスピン流生成部３０に替えてＴＭＲ素子５０上に設けられて直接に接続されているスピン流生成部３０Ａを備えている点、絶縁層１１Ａ，１１ＢがＴＭＲ素子５０の両側に設けられている点で相違する。その他の構成は、スピン高周波ミキサ１の構成と同等であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００６９】
スピン流生成部３０Ａは、ＴＭＲ素子５０及びＴＭＲ素子５０の両側に設けられている絶縁層１１Ａ，１１Ｂ上に設けられている非磁性層１３と、絶縁層１１Ａ，１１Ｂが設けられている領域に対応する非磁性層１３上のそれぞれの領域に互いに離間している第１スピンフィルタ層３１及び第２スピンフィルタ層３３とにより構成されている。
【００７０】
第２実施形態に係るスピン高周波ミキサ２は、このような構成を採用することにより、第１実施形態に係るスピン高周波ミキサ１と同様な効果が得られるほか、小型化及び高集積化という効果を更に奏することができる。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本実施形態は本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。具体的には、本実施形態においては、出力部６０がトランス６１を含むものであるが、コンデンサを含むものであってもよく、ピンド層５１及び連結非磁性層１２それぞれに接続されている出力端子からなるものであってもよい。
【００７２】
また、第１スピンフィルタ層３１、第１スピンフィルタ層３３、ピンド層５１及びフリー層５３を構成する強磁性体としてＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金が用いられているが、Ｃｏ，Ｃｏ２ＭｎＳｉ等のホイスラー合金などのハーフメタル、Ｆｅ３Ｓｉ等の強磁性シリサイドであってもよい。また、非磁性層３２及び連結非磁性層１２はＣｕから構成されているが、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ａｕ，Ａｇ等で構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１，２…スピン高周波ミキサ、１０…半導体基板、１１，１１Ａ，１１Ｂ…絶縁層、１２，１３…非磁性層、２０…ＬＯ信号発生器、３０…スピン流生成部、３１…第１スピンフィルタ層、３２…非磁性層、３３…第２スピンフィルタ層、４０…ＲＦ信号出力部、５０…磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）、５１…ピンド層、５２…トンネル障壁層、５３…フリー層、６０…出力部。
【図１】
2010119102.tif 000003
【図２】
2010119102.tif 000004
【図３】
2010119102.tif 000005
【図４】
2010119102.tif 000006
【図５】
2010119102.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010119102.tif 000009
【図８】
2010119102.tif 000010
【図９】
2010119102.tif 000011
【図１０】
2010119102.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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