(57)【要約】  スピントルク効果を応用した、小型でかつ受信周波数の制御が容易な分波器を提供する。  直流電流源４とアンテナ７が並列に接続された１本のビット線８と、ビット線に接続された磁気抵抗効果素子９に接続された複数のソース線と、各ソース線に接続された増幅器１０と、各増幅器からの出力をミックスするミキサー１１と、磁気抵抗効果素子の自由層に磁界を印加するためのデジット線３と、各デジット線に所定の電流を印加するために設けられた電流ドライバー１と、各デジット線にどれだけの電流を印加するかをあらかじめ記憶しているメモリ２とで電波分波器を構成する。デジット線から磁気抵抗効果素子の自由層に印加される磁界によって各磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を調整する。
2010100711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流源とアンテナとが並列に接続された１本のビット線と、
それぞれが、非磁性層を強磁性体からなる固定層と強磁性体からなる自由層とで挟んだ構造を有し、前記ビット線に接続された複数の磁気抵抗効果素子と、
前記複数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ接続された複数のソース線と、
前記複数のソース線にそれぞれ接続された複数の増幅器と、
前記複数の増幅器の出力を混合するミキサーと、
前記複数の磁気抵抗効果素子の自由層にそれぞれ独立して磁界を印加するための複数のデジット線と、
各デジット線に所定の電流を印加するための電流ドライバーと、
前記デジット線に印加する電流の大きさを記憶しているメモリとを有し、
前記直流電流源は前記磁気抵抗効果素子の各自由層に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの直流電流を供給することを特徴とする電波分波器。
【請求項２】
請求項１記載の電波分波器において、前記磁気抵抗効果素子の前記固定層と前記自由層の磁化方向は略垂直であることを特徴とする電波分波器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は絶縁障壁層であることを特徴とする電波分波器。
【請求項４】
請求項１又は２記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は導電性金属層であることを特徴とする電波分波器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の電波分波器において、磁気回転比をγ、真空の透磁率をμ0、自由層の強磁性体の飽和磁化をＭｓとするとき、ｉ番目のトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数ｆiが、前記ｉ番目のトンネル磁気抵抗効果素子に隣接して配置されたデジット線を流れる電流で発生される大きさＨiの磁界を用いて、下式で設定されることを特徴とする電波分波器。
ｆi〜γ／（２π）μ0Ｈi1/2Ｍｓ1/2
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントルクを応用した電波分波器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ（ＤＲＡＭ）を置きかえる可能性を有するものとして、磁気ランダム・アクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が注目されている。また、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜やトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）膜に一定以上の電流を流すだけで、自由層の磁化を、磁界を用いずに磁化反転可能であることが、たとえば、Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)に理論的に示された。その後、例えばPhysical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000)には、二つのＣｕの電極の間にＣｏ／Ｃｕ／Ｃｏの多層膜（ＧＭＲ膜）を含む直径１３０ｎｍのピラーを形成し、ピラーに流れる電流のスピンからＣｏ層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Ｃｏ層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。さらに、たとえば、Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004)に記載されているように、ＴＭＲ膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にＴＭＲ膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のＭＲＡＭと同等以上の出力が得られるため、大いに注目を集めている。【０００３】
また最近、スピントルク効果をマイクロ波帯の発振や受信に用いる方法が注目を集めている。例えば磁気抵抗効果素子の両端に、自由層がスピントルク磁化反転するのに必要な電流より小さい電流Ｉdcを流して、自由層の磁化に歳差運動を励起し、巨大磁気抵抗効果ないしトンネル磁気抵抗効果を介して素子の両端に交流電圧を励起するスピントルク発振器が、たとえばNature, Vol.425, pp.382-385 (2003)で提唱された。さらにまた、磁気抵抗効果素子にバイアスＴを介してＧＨｚ級の周波数の交流電流を流し、逆にＤＣ電圧Ｖdcを取り出すスピントルクダイオードと呼ばれる新しい素子が、たとえばNature, Vol.438, pp.339-342 (2005)で提唱された。これらの素子のサイズはμｍ級と極めて小さいため、極めてサイズの小さな発振・受信器への応用が期待されている。
【非特許文献１】Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)
【非特許文献２】Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000)
【非特許文献３】Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004)
【非特許文献４】Nature, Vol.425, pp.382-385 (2003)
【非特許文献５】Nature, Vol.438, pp.339-342 (2005)
【非特許文献６】Nature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来のスピントルクを用いた発振・受信器には、以下のような問題がある。まず発振器では、出力が小さいという問題がある。当初提案された巨大磁気抵抗効果を用いたスピントルク発振器では、その出力は僅か数ｎＷ程度であった。最近、ＭｇＯを障壁層として用いたトンネル磁気抵抗効果素子を用いて、μＷ級の出力が得られたことがNature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008)で報告された。しかし、これ以上に出力を増大させるには、１０００％を越える磁気抵抗比を有するトンネル磁気抵抗効果素子が必要とされており、実現は非常に困難と考えられる。また、スピントルク効果を発振器として用いるには、発振周波数を極めて高い精度で制御する必要があるが、現実には材料特性や素子形状のばらつきなどの影響で発振周波数を制御することは容易ではない。したがってスピントルク効果を発振器に応用することは、工業的に現実的でないと考えられる。【０００５】
一方、スピントルクダイオードは、高周波の交流を入力として直流電圧を取り出すことが出来るので、一種の受信器として用いることが可能である。しかし、受信周波数を高い精度で制御することは困難であるため、このままで受信器として用いることは難しい。【０００６】
本発明は、スピントルク効果を応用した工業的に生産可能な受信器及び電波分波器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電波分波器は、直流電流源とアンテナとが並列に接続された１本のビット線と、それぞれが、非磁性層を強磁性体からなる固定層と強磁性体からなる自由層とで挟んだ構造を有し、ビット線に接続された複数の磁気抵抗効果素子と、複数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ接続された複数のソース線と、複数のソース線にそれぞれ接続された複数の増幅器と、複数の増幅器の出力を混合するミキサーと、複数の磁気抵抗効果素子の自由層にそれぞれ独立して磁界を印加するための複数のデジット線と、各デジット線に所定の電流を印加するための電流ドライバーと、デジット線に印加する電流の大きさを記憶しているメモリとを有する。直流電流源は、磁気抵抗効果素子の各自由層に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの電流を供給する。【０００８】
磁気抵抗効果素子の固定層と自由層の磁化方向は略垂直である。磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子、あるいは巨大磁気抵抗効果素子とすることができる。また、ｉ番目の磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数ｆiを、ｉ番目の磁気抵抗効果素子に隣接して配置されたデジット線を流れる電流で発生される大きさＨiの磁界を用いて設定する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、スピントルク効果を応用した、小型でかつ受信周波数の制御が容易な電波分波器を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】スピントルク効果を応用した本発明の電波分波器を示す図である。
【図２】分波器を構成する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す図である。
【図３】磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を調整するデジット線を含む素子の摸式図である。
【図４】磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と印加磁界の大きさの関係を示す図である。
【図５】共鳴周波数の設定例を示す図である。
【図６】磁気抵抗効果素子の平面形状を示す図である。
【符号の説明】
【００１１】
１  電流ドライバー
２  メモリ
３  デジット線
４  直流電源
５  インダクタンス
６  容量
７  アンテナ
８  ビット線
９  磁気抵抗効果素子
１０  アンプ
２１  無線電波
２２  バイアスＴ
２３  自由層
２４  障壁層
２５  固定層
３１  デジット線電流で発生された磁界
３２  金属プレート
３３  ソース線
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。磁気抵抗効果素子としては巨大磁気抵抗効果素子を用いることも可能であるが、以下では大きな出力が得られるトンネル磁気抵抗効果素子を用いた例について説明する。【００１３】
図１に、本発明によるスピントルクを応用した電波分波器の回路図を示す。１は電流ドライバー、２はデジット線に流す電流の大きさを記憶するメモリ、３は磁気抵抗効果素子に印加する磁界を発生させる電流を流すデジット線、４は直流電流源、５は直流のみを通すインダクタンス、６は交流のみを通す容量、７はアンテナ、８はビット線、９は磁気抵抗効果素子、１０はアンプ、１１はミキサーである。図２は、磁気抵抗効果素子の部分をさらに詳細に示した図である。２１は無線電波、２２はインダクタンス５と容量６からなるバイアスＴ、２３はスピントルク効果によって磁化が歳差運動を行う自由層、２４は障壁層、２５は磁化の方向が、自由層の磁化の方向と垂直に固定された固定層である。直流電流源４は、磁気抵抗効果素子の各自由層２３に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの直流電流を供給する。図３は、実際のデバイスの摸式図である。磁気抵抗効果素子９は、ビット線８と金属のプレート３２の間に形成される。磁気抵抗効果素子９の直下には、自由層２３に印加する磁界３１を発生させるためのデジット線３がビット線と垂直方向に形成されている。磁気抵抗効果素子９で発生した信号は、ソース線３３を介して受信デバイス本体の周辺部に作製されたアンプ１０へ導かれる。【００１４】
以下、本発明の分波器の動作を説明する。受信すべき無線信号は、まず受信器外部にあるアンテナ７でキャッチされる。この無線信号は、あらかじめ設定された周波数ｆ（周波数帯は通常１〜３０ＧＨｚに設定する）の高周波の上に、ビデオ信号、音声信号等の情報がさらに低い周波数で重畳された信号である。アンテナ７で受信された信号に、バイアスＴ２２で、容量６とインダクタンス５を介して、直流電流源４で発生された直流が重畳されてビット線８に導かれる。この信号電流は、ビット線８から、チャンネル１〜ｎまでの磁気抵抗効果素子９すべてに印加される。このとき、チャンネルｉ（ｉ＝１〜ｎ）のトンネル磁気抵抗効果素子９の両端には、
Ｖi＝Ｉisin(２πｆiｔ)×ΔＲ・sin(２πｆiｔ＋φ)
で表される電圧Ｖjがスピントルク効果により励起される。ここでｆiは、ｉ番目のチャンネルに接続されている磁気抵抗効果素子の自由層の強磁性共鳴周波数、φは入力信号と強磁性共鳴振動の位相差、Ｉiは直流電源により発生された直流電流Ｉが、ｎ個のチャンネルに分流されたのち、ｉ番目のチャンネルに流れ込んできた部分の電流の値、ΔＲはトンネル磁気抵抗効果による抵抗変化の量である。もしｆとｆiの値が一致していると、上式は
Ｖｉ＝（１／４）ＩiΔＲcos(φ)
となり、一致していない場合には出力ゼロになる。したがって、各チャンネルの強磁性共鳴周波数ｆiを、ビデオ信号や音声信号等の信号を搬送する高周波の周波数ｆに設定しておけば、特定の周波数に重畳された信号のみを分波し、検出できる。【００１５】
それぞれの磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数ｆiは、自由層の飽和磁化Ｍｓとデジット線を流れる電流によって発生される磁場Ｈiに対応して、以下のように設定できる。式中、γは磁気回転比、μ0は真空の透磁率である。【００１６】
ｆi〜γ／（２π）μ0Ｈi1/2Ｍｓ1/2
図４に、外部磁場Ｈiと強磁性共鳴周波数ｆiの関係の一例を示す。１ｍＴから１０ｍＴの磁界の変化で、３．２ＧＨｚから２０ＧＨｚまで共鳴周波数を変化できることがわかる。強磁性共鳴の共鳴線幅は通常数１０ＭＨｚ程度なので、３．２ＧＨｚから２０ＧＨｚの間に、図５のように共鳴周波数ｆ1からｆ10までの、１０本程度の共鳴周波数を分散させることが可能である。このように、この分波器を用いて、１０局程度の異なった無線信号を分波・検出できる。【００１７】
実際に分波器を作製すると、磁気抵抗効果素子の作製ばらつきにより、分波器ごとに共鳴周波数がずれる。これをあらかじめ設定された周波数ｆiに合わせる方法は、以下の通りである。分波器を作製し出荷する前に、設定周波数ｆiを有する正弦波を重畳した電流をビット線８に通電する。次に、ｉ番目のチャンネルの磁気抵抗効果素子９の直下に設置されたデジット線３に電流を流し、電流の大きさを調整しながら、ｉ番目のチャンネルからの出力が最大になる電流の値を探し、メモリ２に記録する。この作業を、１番目のチャンネルから１０番目のチャンネルまですべてで行い、その情報をメモリ２に記録する。実際に分波器として使用する際には、記録した情報をメモリ２から読出し、電流ドライバー１に情報を転送して、それぞれのチャンネルに対し所定の電流値をデジット線に通電する。このようにすることで、磁気抵抗効果素子の作製誤差に関係せず、常に設定周波数ｆiに重畳された信号のみを分波できる分波器を構成できる。【００１８】
以下、具体的な磁気抵抗効果素子の膜構造の例を述べる。最もスタンダードな構成は、高い磁気抵抗比を実現できるＣｏＦｅＢ固定層／ＭｇＯ障壁層／ＣｏＦｅＢ自由層からなるトンネル磁気抵抗効果素子である。さらに、ＣｏＦｅＢ固定層をＭｎＩｒ，ＰｔＭｎなどの反強磁性膜上に形成し、固定層の磁化を一方向に固定する。また、固定層をＣｏＦｅ，Ｒｕ，ＣｏＦｅＢの３層構造からなる積層フェリ構造とすれば、さらに素子の特性が安定化される。以上が基本構成であるが、設定したい周波数によって、自由層をＮｉＦｅ、あるいはＣｏＦｅ、又はＮｉＦｅ／ＣｏＦｅの多層膜で構成することも可能である。固定層もＣｏＦｅ、あるいはＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの積層フェリ構造とすることも可能である。トンネル磁気抵抗効果素子９の形状であるが、図３のビット線８と平行な方向を長く、それと垂直な方向は短くし、磁化容易軸を図３のビット線８と平行な方向とする。長さの比、すなわちアスペクト比は、長辺／短辺の比で１．５〜２．５程度とするのが望ましい。これはスピントルク効果によって励起される強磁性共鳴による自由層磁化の運動を安定化するためである。また磁気抵抗効果素子の平面形状は、図６のように、楕円、又は長方形の４つの頂点が切り落とされた８角形、ないし６角形であることが望ましい。これにより、強磁性共鳴による自由層磁化の運動がさらに安定化される。【００１９】
以下、特に高いトンネル磁気抵抗比が得られるＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（２．５ｎｍ）／ＭｇＯ（１ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）からなるトンネル磁気抵抗効果素子の場合を例にとって、詳細な動作条件を述べる。ここで、（）内は膜厚を表す。トンネル磁気抵抗効果素子のサイズは８０×１６０ｎｍの楕円とした。【００２０】
スピントルク磁化反転に用いる電流パルス幅ｔを変えてスピントルク磁化反転が起こる電流密度Ｊcを測定すると、ｌｎ(ｔ)に対するＪcのプロットから、１ｎｓのパルス幅でスピントルク磁化反転させるのに有する電流密度（しきい電流密度）と、熱安定指数Δを求めることができる。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の、しきい電流密度は２ＭＡ／ｃｍ2である、熱安定性市指数は６０であった。したがって、スピントルク磁化反転のしきい電流値は、約２００μＡである。スピントルク効果を用いて強磁性共鳴を起こす場合、スピントルク磁化反転のしきい電流値の約半分の直流電流を印加する必要があるので、本実施例ではひとつのチャンネルあたりの電流Ｉiは１００μＡとした。よって直流電源４で通電する電流Ｉの値は、１０チャンネルの分波を行う場合、僅か１ｍＡである。【００２１】
自由層２３と固定層２５の磁化が直交しているときのトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は約４００Ω、自由層２３と固定層２５の磁化が平行の場合のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は２００Ω、反平行の場合の抵抗は６００Ωであり、いわゆるトンネル磁気抵抗比は２００％である。スピントルク効果によって励起された強磁性共鳴の共鳴周波数は、デジット線を流れる電流が発生する磁界Ｈiに対し図４のように変化した。デジット線の断面寸法は５００ｎｍ×５００ｎｍの矩形とした。トンネル磁気抵抗素子の自由層２３とデジット線の中心までの距離は約３００ｎｍである。このとき、１ｍＴの磁界を発生させる電流値は７５０μＡ、１０ｍＴの磁界を発生させる電流値は７．５ｍＡとなる。本実施例では、チャンネル１の直下のデジット線には約７５０μＡの電流を、チャンネル１０の直下のデジット線には７．５ｍＡの電流を流す設定とした、このとき、図５のように、チャンネル１のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は３．２ＧＨｚ、チャンネル１０のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は２０ＧＨｚとなる。そのほかのチャンネルの共鳴周波数は、隣接する共鳴線の共鳴周波数の間隔が１．８７ＧＨｚとなるように、デジット線に流す電流値を調整して設定した。【００２２】
それぞれのチャンネルから得られる信号は約１ｍＶ程度であり、これをアンプによって数１０倍に増幅して、高周波電波に重畳されている各種の信号の検出を行うことが出来た。デジット線の上面を除く３面に、例えばＮｉＦｅのような強磁性薄膜を形成すると、上記の磁界を発生させるために必要な電流の値をさらに半分にでき、一層の低消費電力化を図ることが出来る。また、分波器のサイズは、全体でも数１０μｍ×数１０μｍと極めて小さく、またリソグラフィー工程を用いて、アンプ等の周辺回路が形成された半導体基板の上に一括形成できるので、製造コストも削減できるという利点がある。【００２３】
次に、磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗効果素子を用いた場合の例を示す。膜構成は、ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｃｕ（３ｎｍ）／ＣｏＦｅ（１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（２ｎｍ）である。ここで、()内は膜厚を表す。巨大磁気抵抗効果素子のサイズは８０×１６０ｎｍの楕円とした。スピントルク磁化反転に用いる電流パルス幅ｔを変えてスピントルク磁化反転が起こる電流密度Ｊcを測定すると、ｌｎ(ｔ)に対するＪcのプロットから、１ｎｓのパルス幅でスピントルク磁化反転させるのに有する電流密度（しきい電流密度）と、熱安定指数Δを求めることができる。本実施例の巨大磁気抵抗効果素子の、しきい電流密度は８ＭＡ／ｃｍ2である、熱安定性市指数は６０であった。したがって、スピントルク磁化反転のしきい電流値は、約８００μＡである。【００２４】
スピントルク効果を用いて強磁性共鳴を起こす場合、スピントルク磁化反転のしきい電流値の約半分の直流電流を印加する必要があるので、本実施例ではひとつのチャンネルあたりの電流Ｉiは４００μＡとした。よって直流電源４で通電する電流Ｉの値は、１０チャンネルの分波を行う場合、僅か４ｍＡである。自由層と固定層の磁化が直交しているときの巨大磁気抵抗効果素子の抵抗は約５０Ω、自由層と固定層の磁化が平行の場合のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は５０Ω、反平行の場合の抵抗は５５Ωであり、いわゆるトンネル磁気抵抗比は１０％である。スピントルク効果によって励起された強磁性共鳴の共鳴周波数は、デジット線を流れる電流が発生する磁界Ｈiに対し図４のように変化した。デジット線の断面寸法は５００ｎｍ×５００ｎｍの矩形とした。巨大磁気抵抗素子の自由層とデジット線の中心までの距離は約３００ｎｍである。このとき、１ｍＴの磁界を発生させる電流値は７５０μＡ、１０ｍＴの磁界を発生させる電流値は７．５ｍＡとなる。本実施例では、チャンネル１の直下のデジット線には約７５０μＡの電流を、チャンネル１０の直下のデジット線には７．５ｍＡの電流を流す設定とした。このとき、チャンネル１のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は３．２ＧＨｚ、チャンネル１０のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は２０ＧＨｚとなる。そのほかのチャンネルの共鳴周波数は、隣接する共鳴線の共鳴周波数の間隔が１．８７ＧＨｚとなるように、デジット線に流す電流値を調整して設定した。【００２５】
それぞれのチャンネルから得られる信号は約１ｎＶ程度であり、これをアンプによって数１０００倍に増幅して、高周波電波に重畳されている各種の信号の検出を行うことが出来た。デジット線の上面を除く３面に、例えばＮｉＦｅのような強磁性薄膜を形成すると、上記の磁界を発生させるために必要な電流の値をさらに半分にでき、一層の低消費電力化を図ることが出来る。また、分波器のサイズは、全体でも数１０μｍ×数１０μｍと極めて小さく、またリソグラフィー工程を用いて、アンプ等の周辺回路が形成された半導体基板の上に一括形成できるので、製造コストも削減できるという利点がある。
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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