(57)【要約】  周波数特性と整流効率の良好なスピントルクダイオード素子を提供する。  本発明に係るスピントルクダイオード素子は、第１および第２の磁化自由層と、各磁化自由層に共通の磁化固定層とを備え、磁化固定層を介して第１および第２の磁化自由層に電流を流すことができるように構成されている（図３参照）。
2013108357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の磁化自由層と、
前記第１および第２の磁化自由層に共通する磁化固定層と、
前記第１磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられた第１トンネル障壁層と、
前記第２磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられた第２トンネル障壁層と、
前記磁化固定層を経由して前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層を流れる電流を流す電流線と、
前記第１磁化自由層と前記磁化固定層の間の第１電圧を出力する第１電圧線と、
前記第２磁化自由層と前記磁化固定層の間の第２電圧を出力する第２電圧線と、
を備えたことを特徴とするスピントルクダイオード素子。
【請求項２】
請求項１記載のスピントルクダイオード素子と、
前記第１電圧と前記第２電圧を加算する加算回路と、
を備えたことを特徴とする整流器。
【請求項３】
前記第１電圧線と前記第２電圧線は並列接続されており、
前記加算回路は、
前記第１電圧によって第１電流を誘起させる第１抵抗と、
前記第２電圧によって第２電流を誘起させる第２抵抗と、
前記第１電流と前記第２電流を直列加算して得られる電流を電圧値に変換することにより前記第１電圧と前記第２電圧の和を取得する加算器と、
を備えている
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項４】
前記加算回路と並列に接続され、前記第１電圧と前記第２電圧を合成した電圧を平滑化するコンデンサを備えた
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項５】
前記第１磁化自由層の磁化共鳴周波数と前記第２磁化自由層の磁化共鳴周波数が略等しいことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項６】
前記第１および第２の磁化自由層に外部磁界を印加することにより前記第１および第２の磁化自由層それぞれの磁化共鳴周波数を変化させる磁界印加部を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項７】
複数の前記スピントルクダイオード素子を備え、
各前記スピントルクダイオード素子の磁化共鳴周波数が互いに異なるように構成され、
前記加算回路は、各前記スピントルクダイオード素子が出力する前記第１電圧と前記第２電圧を加算する
ことを特徴とする請求項３記載の整流器。
【請求項８】
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１電圧線と前記第２電圧線の組は互いに並列接続されており、
前記加算回路は、
各前記スピントルクダイオード素子それぞれについて、前記第１抵抗と前記第２抵抗を備え、
各前記スピントルクダイオード素子それぞれについて、前記第１電流と前記第２電流を直列加算することによって得られる電流を電圧値に変換することにより前記第１電圧と前記第２電圧の和を取得する
ことを特徴とする請求項７記載の整流器。
【請求項９】
請求項７記載の整流器と、
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の組に交流電流を供給する導波路と、
を備え、
前記導波路は、
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の組に前記交流電流を同時に供給する
ことを特徴とする発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントルクダイオード素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の高度情報化社会において、ＧＨｚ帯域の無線を利用した様々なデバイスが開発されている。その中でも、スピントルクダイオード効果を用いた整流効果に注目が集まっている。【０００３】
スピントルクダイオード効果とは、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を用いた整流効果のことであり、２つの磁性体の磁化が平行状態であるときと半並行状態であるときの間で生じる抵抗変化を利用したものである。本効果を利用した整流器は、従来の半導体を用いた整流器と比較し、耐熱性の観点で優れているという特徴がある。また、整流効果として磁性体の磁化共鳴周波数を用いているため、周波数特性にも長けおり、ＧＨｚ帯域における高周波フィルタや高周波発電モジュールといった応用が期待されている。【０００４】
下記非特許文献１には、スピントルクダイオード効果の詳細が説明されている。下記特許文献１には、磁気抵抗効果素子を用いた信号検出装置の１例として、複数の磁気抵抗効果素子２ａ、２ｂの両端に発生する直流電圧を増幅して出力する差動増幅部を備えた構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−５９９８６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ａ．Ａ．Ｔｕｌａｐｕｒｋａｒ  ｅｔ  ａｌ，“Ｓｐｉｎ−Ｔｏｒｑｕｅ  Ｄｉｏｄｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｎａｔｕｒｅ  ４３８（２００５），３３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
次に、スピントルクダイオード効果に関して、詳細に説明する。非特許文献１によれば、周波数ｆをもった交流電流Ｉａｃ = Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）がＴＭＲ素子に流れた場合、自由層の磁化は、電流によってトルクを受けその向きを変える。今、スピントランスファートルクによって変化する磁化をＳ（θ）とすると、下記式１で表すことができる。ＡおよびＢは定数として、スピントランスファートルクの異方性によって決定される。
Ｓ（θ）＝ｃｏｓθ＋Ａ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｂ＊ｃｏｓ（２πｆｔ）  ・・・式１【０００８】
一方、磁化の相対角度の変化による抵抗Ｒは、抵抗変化率ΔＲ（＝Ｒａｐ−Ｒｐ）を用いて下記式２で表される。ＲａｐとＲｐは、２つの磁化が、反平行および平行の場合の抵抗である。
Ｒ＝Ｒｐ＋１／２＊ΔＲ＊（１−Ｓ）  ・・・式２【０００９】
この場合、ＴＭＲ素子の両端に発生する電圧Ｖは、下記式３の様になる。
Ｖ＝Ｒ＊Ｉａｃ
＝−Ａ／４＊ΔＲ＊Ｉ＋Ｃ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｄ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ−δ）  ・・・式３【００１０】
定数Ｃ、Ｄ、および、δはそれぞれ下記式４〜式７のように表される。
Ｃ＝（（Ｒａｐ＋Ｒｐ）／（Ｒａｐ−Ｒｐ））−ｃｏｓθ）／２  ・・・式４
Ｄ＝ＳＱＲＴ（Ａ＊Ａ＋Ｂ＊Ｂ）  ・・・式５
ｓｉｎδ＝Ａ／ＳＱＲＴ（Ａ＊Ａ＋Ｂ＊Ｂ）  ・・・式６
ｃｏｓδ＝Ｂ／ＳＱＲＴ（Ａ＊Ａ＋Ｂ＊Ｂ）  ・・・式７【００１１】
式３における第１項は時間に依存しない項であるので、ＴＭＲ素子に交流電流を印加した場合、直流成分であるＡ／４＊ΔＲ＊Ｉが負の極性で生じることを意味している。第２項は、正の極性を持つ印加交流成分Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）に依存する項であり、第３項は、負の極性を持つ２倍の高調波成分Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ）に比例する項である。【００１２】
上記のようにＴＭＲ素子の両端電圧は正負の極性を有し周波数の異なる信号が合成されたものであるため、周波数特性が複雑となり、乱れた電圧波形を示す。このため、スピントルクダイオード効果をそのまま高周波フィルタに適用した場合、周波数特性が悪くなることが予想される。【００１３】
また、式３においては第３項の２倍周波数の高調波成分が支配的であるため、整流効果を時間平均で考えると実効的には２倍周波数の半波整流となり、整流効率が良好ではないといえる。【００１４】
以上の検討によれば、スピントルクダイオード素子を高周波フィルタや整流器として用いた場合、周波数特性および整流効率の観点で課題があることが分かる。【００１５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、周波数特性と整流効率の良好なスピントルクダイオード素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るスピントルクダイオード素子は、第１および第２の磁化自由層と、各磁化自由層に共通の磁化固定層とを備え、磁化固定層を介して第１および第２の磁化自由層に電流を流すことができるように構成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るスピントルクダイオード素子によれば、磁化固定層を介して第１および第２の磁化自由層に流れる電流が互いに反対向きとなるので、各磁化自由層において働くスピントルクの向きが互いに反対向きとなる。そのため、式３における第２項を互いに打ち消すことができる。これにより、素子全体としての電圧特性は２倍周期の高調波成分のみとなり、周波数特性に優れている。また、整流効果の観点においても、２倍周期の全波整流が可能となるので、高い整流効率が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来のスピントルクダイオード素子の模式図である。
【図２】従来のスピントルクダイオード素子における両端電圧とそれぞれの成分の時間依存性を計算した結果を示す図である。
【図３】スピントルクダイオード素子１００の模式図である。
【図４】交流電源１が出力する交流電流の時間変化パターンと、それに対する合成出力電圧Ｖ０の時間依存性の計算結果を示す図である。
【図５】実施形態２に係る整流器２００の模式図である。
【図６】実施形態２に係る整流器２００の出力電圧Ｖ０’の時間依存性の計算結果を示す図である。
【図７】第１磁化自由層３−１と３−２それぞれの磁化共鳴周波数をｆ０とした場合に整流器２００が出力する直流電圧波形を示す図である。
【図８】実施形態３に係る整流器３００の模式図である。
【図９】加算回路３１０の概略図である。
【図１０】整流器３００が出力する直流電圧の時間依存性を計算した結果を示す図である。
【図１１】実施形態４に係る発電モジュール４００の模式図である。
【図１２】発電モジュール４００を製造する工程を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下では比較のため、まず初めに従来のスピントルクダイオード素子について説明し、その後に本発明に係るスピントルクダイオード素子の構成を説明する。
【００２０】
＜従来のスピントルクダイオード素子＞
図１は、従来のスピントルクダイオード素子の模式図である。その基本構成は、磁化自由層３、トンネル障壁層４、磁化固定層５の３層で構成されるスピンバルブ素子であり、いわゆるＴＭＲ素子と呼ばれるものである。磁化自由層３と磁化固定層５に関しては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む一般的な磁性体が用いられる。磁化固定層５の磁化は、例えばＭｎＰｔやＭｎＩｒなどの反強磁性体によって一方向に固着されている。トンネル障壁層４には、ＺｎＯやＭｇＯに代表される酸化物などの絶縁体薄膜が用いられる。
【００２１】
ＴＭＲ素子には、交流電源１、電圧検出器２が接続されている。交流電源１は、磁化自由層３、トンネル障壁層４、磁化固定層５に交流電流を流す。電圧検出器２は、磁化自由層３と磁化固定層５の両端に発生する電圧を検出する。
【００２２】
図１の上から下へ電流を印加した場合（電子移動は下から上方向であり、この電流の向きを正の方向とする）、磁化固定層５を通過するスピン偏極電子は、磁化固定層５の磁化方向へスピン偏極している。このスピン偏極した電子は、磁化自由層３の磁化に、磁化固定層５の磁化方向と平行なスピントランスファートルクを与える。そのため、磁化固定層５の磁化方向と磁化自由層３の磁化方向は平行となる。ＴＭＲ素子においては、磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向が平行である場合、低い電気抵抗を示すことが知られている。その結果、ＴＭＲ素子の両端には正の低い電圧が発生する。
【００２３】
一方、負の方向に電流を印加した場合（電子移動は上から下方向）は、磁化固定層５の磁化方向と平行に偏極したスピン偏極電子のみが、磁化固定層５へ透過する。磁化自由層３においては、界面で反射されたスピン偏極電子が、磁化固定層５の磁化方向と反平行方向にスピントルクを与え、磁化固定層５と磁化自由層３それぞれの磁化方向は、反平行の状態で安定する。そのため、負の方向に電流を印加した場合、ＴＭＲ素子の両端には負の大きな電圧が発生する。
【００２４】
つまり、ＴＭＲ素子に交流電流が印加されると、正の小さな電圧と負の大きな電圧が発生するので、スピントルクダイオード素子は時間平均で考えると概して交流電力を負電圧に整流する効果を発揮する。
【００２５】
図２は、従来のスピントルクダイオード素子における両端電圧とそれぞれの成分の時間依存性を計算した結果を示す図である。ここでは上述の式３を用いて計算した。式３における第１項の時間依存しない項（直流成分）を点線、第２項の印加交流成分Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）に依存する項（電流成分）を破線、第３項の負の極性を持つ２倍の高調波成分Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ）に比例する項（高調波成分）を一点鎖線とした。また、これらの総和の合成電圧を実線で表した。各パラメータは、Ｒｐ＝１００Ω、ΔＲ＝３００Ω、Ａ＝Ｂとした。
【００２６】
式３および式４に表す通り、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐが大きくなると、第２項の印加交流成分が大きくなり、周波数特性の劣化が著しくなる。換言するならば、スピントルクダイオード効果において、抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐの増大によって高出力化を進めると、周波数特性も劣化するといえる。そのため、従来のスピントルクダイオード素子の整流効果は、図２に示すように概して２倍周波数の半波整流となり、時間平均すると直流成分（式３の第１項）しか利用することができない。そこで本発明では、式３の第２項成分を低減することのできる構成を提案する。
【００２７】
＜実施の形態１＞
図３は、本発明に係るスピントルクダイオード素子１００の模式図である。スピントルクダイオード素子１００は、磁化固定層５を共通とする１対の磁化自由層３−１と３−２備える。第１磁化自由層３−１は第１トンネル障壁層４−１を介して磁化固定層５と電気的に接続し、第２磁化自由層３−２は第２トンネル障壁層４−２を介して磁化固定層５と電気的に接続する。図３ではトンネル障壁層を２つに分けて構成したが、第１および第２のトンネル障壁層は共通化してもよい。
【００２８】
第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどを含む一般的な磁性導電体である。理想的には、第１および第２の磁化自由層の磁化が持つ磁化共鳴周波数は等しいほうが好ましいが、この限りではない。トンネル障壁層４−１、４−２は、スピン注入効率の高い障壁層材料であるＭｇＯやＺｎＯなどを用いて構成することが望ましいが、必ずしもこの限りではなく、一般的な障壁層材料でもその効果は変わらない。磁化固定層５の材料としては、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどを含む汎用的な磁性導電体を用いることができる。磁化固定層５の磁化は、ＭｎＩｒやＰｔなどの反強磁性などによって一方向に固着されている。磁化固定層５の磁化固定方法は、この限りではない。
【００２９】
交流電源１は、第１磁化自由層３−１から第２磁化自由層３−２へ、またはこの反対方向に電流を印加する。第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２の間は磁化固定層５によって電気的に接続されているので、磁化固定層５を介して第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２の間で交流電流が流れる。第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２の間は適当な電流線によって接続されている。
【００３０】
電圧検出器２−１は第１磁化自由層３−１と磁化固定層５の間の電位差Ｖ１を検出し、電圧検出器２−２は第２磁化自由層３−２と磁化固定層５の間の電位差Ｖ２を検出する。電位差Ｖ１を引き出すための第１電圧線と電位差Ｖ２を引き出すための第２電圧線は適宜設けておく。
【００３１】
正電流を第１磁化自由層３−１から第２磁化自由層３−２の方向へ流した場合（電子移動は、３−２から５、および、５から３−１の方向）において、電圧Ｖ１とＶ２に関して説明する。第１磁化自由層３−１では、磁化固定層５の磁化方向と平行なスピン偏極電子が透過するため、スピントルクを受けた第１磁化自由層３−１の磁化方向は、磁化固定層５の磁化方向と平行となる。そのため、電圧検出器２−１は正の小さな電位差Ｖ１を検出する。一方、第２磁化自由層３−２では、磁化固定層５の磁化方向と反平行なスピン偏極電子が反射するため、スピントルクを受けた第２磁化自由層３−２の磁化方向は、磁化固定層５の磁化方向と反平行となる。そのため、電圧検出器２−１は、負の大きな電位差Ｖ２を検出する。したがって、Ｖ１とＶ２の合成電圧をＶ０とすると、スピントルクダイオード素子１００に正電流が流れた場合、Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２は負の電位差となる。
【００３２】
スピントルクダイオード素子１００に負の電流を印加した場合、上記とは逆の減少が起こり、第１磁化自由層３−１と磁化固定層５の磁化は反平行、第２磁化自由層３−２と磁化固定層５の磁化は平行となる。そのため、電圧検出器２−１は負の大きな電圧を検出し、電圧検出器２−２は正の小さな電圧を検出する。合成電圧Ｖ０は、負の電位差となる。
【００３３】
つまり、本発明に係るスピントルクダイオード素子１００は、電流の極性に依らず負の合成電圧Ｖ０を出力する。
【００３４】
図４は、交流電源１が出力する交流電流の時間変化パターンと、それに対する合成出力電圧Ｖ０の時間依存性の計算結果を示す図である。電圧検出器２−１および２−２が検出する電圧Ｖ１およびＶ２を、それぞれ一点鎖線と破線で示す。
【００３５】
前記議論の通り、電圧検出器２−１が検出する電圧Ｖ１の時間変化は、下記式３−１で与えられる。
Ｖ１＝−Ａ／４＊ΔＲ＊Ｉ＋Ｃ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｄ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ−δ）  ・・・式３−１
【００３６】
一方、電圧検出器２−２が検出する電圧Ｖ２は、常にＶ１とは逆の電位差を示すので、その位相はＶ１の位相からπずれて時間変化する。そのため、電圧Ｖ２の時間変化は下記式３−２で与えられる。
Ｖ２＝−Ａ／４＊ΔＲ＊Ｉ＋Ｃ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（２π（ｆｔ＋１／２））＋Ｄ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（４π（（ｆｔ＋１／２））−δ）
＝−Ａ／４＊ΔＲ＊Ｉ−Ｃ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（２πｆｔ）＋Ｄ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ−δ）  ・・・式３−２
【００３７】
よって、合成電圧Ｖ０は下記式８となる。
Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２
＝−Ａ／４＊ΔＲ＊Ｉ＋Ｄ＊ΔＲ＊Ｉ＊ｓｉｎ（４πｆｔ−δ）  ・・・式８
【００３８】
つまり、本発明に係るスピントルクダイオード素子１００の合成電圧Ｖ０は、式３−１と式３−２それぞれの第２項（印加交流成分）が相殺されるため、Ｖ０の時間依存の項としては式８の第２項目の２倍周期の高調波成分のみとなる。したがって、複数の周波数特性が混在しないので、周波数特性に優れている。また、図４に示すように、従来のスピントルクダイオード素子と比較し、２倍周期の全波整流が可能となり、高い整流効率が実現できる。
【００３９】
＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係るスピントルクダイオード素子１００は、磁化固定層５を共通する第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２を備え、磁化固定層５を介して第１磁化自由層３−１と第２磁化自由層３−２の間で電流が流れるように構成されている。これにより、合成電圧Ｖ０の印加交流成分を相殺し、周波数特性や整流効率を向上させることができる。
【００４０】
また、本実施形態１に係るスピントルクダイオード素子１００によれば、磁化固定層５を磁化自由層間で共通化させることにより、デバイス全体として集積化し易くなる。これにより、素子をアレイ配列したり３次元集積したりするなどによって、高出力化を図ることができる。
【００４１】
なお、例えば特許文献１において、本実施形態１に係るスピントルクダイオード素子１００と同様の効果を発揮させようとした場合、磁化固定層の磁化方向を素子間で合致させた上で、各素子に流れる電流が反対向きになるように交流電流を印加する回路構成が別途必要になるため、回路構成が複雑になり易い。本実施形態１では、スピントルクダイオード素子１００自身の構造を工夫することにより、素子単体で効果を発揮できる点で有利であると考えられる。
【００４２】
＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施形態２に係る整流器２００の模式図である。本実施形態２に係る整流器２００は、実施形態１で説明したスピントルクダイオード素子１００に加え、抵抗体６、コンデンサ７、電圧検出器２を並列接続した並列回路、第１変換抵抗６−１、第２変換抵抗６−２、磁界印加部８を備える。本実施形態２における「加算回路」は、上記並列回路のうち合成電圧を得る部分がこれに相当する。
【００４３】
電圧Ｖ１と電圧Ｖ２を加算するためには、第１電圧線と第２電圧線を接続する必要がある。しかしこれらを単純に接続すると、両電圧線の電位が同じになってしまう。そこで、第１変換抵抗６−１と第２変換抵抗６−２を挿入することにより、電圧Ｖ１とＶ２をいったん電流値に変換し、電流を直列加算することにより、等価的に電圧Ｖ１とＶ２を加算することとした。加算処理の便宜上は、第１変換抵抗６−１と第２変換抵抗６−２それぞれの抵抗値が等しいことが望ましいが、これに限られるものではない。第１変換抵抗６−１に流れる電流をＩ１、第２変換抵抗６−２に流れる電流をＩ２とする。
【００４４】
抵抗体６は、第１変換抵抗６−１と第２変換抵抗６−２を介して直列加算された電流値を改めて電圧値として検出するための検出抵抗である。電圧検出器２は、抵抗体６の両端電圧、すなわち合成電圧Ｖ０を検出する。コンデンサ７は、合成電圧Ｖ０を平滑化するためのものである。
【００４５】
磁界印加部８は、磁化自由層の膜面に対して外部磁場を印加する。外部磁場の強度や印加方向を変化させることにより、各磁化自由層の磁化の共鳴周波数を変化させることができる。磁化共鳴周波数の効果については後述する。
【００４６】
以上、整流器２００の構成について説明した。次に整流器２００の動作について、計算式と併せて説明する。
【００４７】
第１磁化自由層３−１と磁化固定層５の間で発生する電圧はＶ１であるが、第１変換抵抗６−１（抵抗の大きさをＲｓとする）と抵抗体６（抵抗の大きさをＲ０とする）に電流Ｉ１が流れた場合、電圧降下が起こる。また、第２磁化自由層３−２から磁化固定層５へ電流Ｉ２が流れた場合も同様の電圧降下が起こる。これら電圧降下は、下記式９〜式１０で表される。
Ｖ１−Ｒｓ＊Ｉ１−Ｒ０＊Ｉ１＝０  ・・・式９
Ｖ２−Ｒｓ＊Ｉ２−Ｒ０＊Ｉ２＝０  ・・・式１０
【００４８】
この場合、電圧計２で観測される電圧Ｖ０’は、式９および式１０から下記式１１のように求められる。
Ｖ０’＝（１／（１＋（Ｒｓ／Ｒ０）））＊（Ｖ１＋Ｖ２）  ・・・式１１
【００４９】
Ｖ０’は時間に対してｓｉｎ（４πｆｔ）の依存性を示すが、コンデンサ７で平滑化することにより、安定した直流電圧を得ることができる。
【００５０】
図６は、本実施形態２に係る整流器２００の出力電圧Ｖ０’の時間依存性の計算結果を示す図である。比較のため、従来のスピントルクダイオード素子を用いた場合の出力電圧の時間依存性の計算結果も併記した。
【００５１】
両者を比較すると、コンデンサ平滑化に伴うリップル電圧Ｖｒｉｐの大きさが異なる。従来のスピントルクダイオード素子では、ｓｉｎ（２πｆｔ）の時間依存性を示す交流電流成分に比例する項が存在するため、半波整流効果によって波形ピークの間隔が大きくなり、これに伴ってリップル電圧Ｖｒｉｐも大きくなっている。一方、本発明に係るスピントルクダイオード素子においては、ｓｉｎ（４πｆｔ）の高調波成分のみの全波整流効果を発揮するため、波形ピークの間隔が小さくなり、これにともなってリップル電圧Ｖｒｉｐも小さくなる。リップル電圧Ｖｒｉｐは最大で５０％低減できるので、安定した直流電圧を得ることができる。
【００５２】
図７は、第１磁化自由層３−１と３−２それぞれの磁化共鳴周波数をｆ０とした場合に整流器２００が出力する直流電圧波形を示す図である。交流電源１が様々な周波数の交流電流をスピントルクダイオード素子１００へ印加する場合、交流電流の周波数が磁化共鳴周波数ｆ０に一致したときに最も大きな直流電圧が発生し、交流電流の周波数がｆ０に一致していないときの整流効果はこれと比較すると遥かに小さい。換言すると、交流電流の周波数がｆ０以外のときは、出力電圧Ｖ０の変化がほとんどないため、整流器２００は、特性周波数ｆ＝ｆ０のハイパス・フィルターとして機能する。
【００５３】
さらに、磁性体の磁化共鳴周波数は、磁界印加部８が出力する外部磁場によって変化させることができるため、整流器２００の特性周波数は、磁界印加部８が出力する外部磁場の強度、方向などを変化させることにより、制御することができる。
【００５４】
＜実施の形態２：まとめ＞
以上のように、本実施形態２に係る整流器２００は、実施形態１に係るスピントルクダイオード素子１００を用いた良好な整流効果を発揮することができる。
【００５５】
また、本実施形態２に係る整流器２００は、交流電源１が印加する交流電流の周波数を磁化共鳴周波数ｆ０と一致させることにより最大の整流効果を発揮し、それ以外では出力を遮断するハイパス・フィルターとして動作させることもできる。さらには、磁界印加部８が出力する外部磁界によって磁化共鳴周波数ｆ０を変化させ、特性周波数を制御することもできる。
【００５６】
＜実施の形態３＞
図８は、本発明の実施形態３に係る整流器３００の模式図である。整流器３００は、実施形態１で説明したスピントルクダイオード素子１００を３つ（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）並列接続した構成を備え、さらに加算回路３１０を備える。
【００５７】
記載の便宜上、図８内では符号を付していないが、スピントルクダイオード素子１００Ａの第１および第２磁化自由層をそれぞれ３Ａ−１と３Ａ−２、第１およびトンネル障壁層を４Ａ−１と４Ａ−２、磁化固定層を５Ａとし、スピントルクダイオード素子１００Ｂの第１および第２磁化自由層をそれぞれ３Ｂ−１と３Ｂ−２、第１およびトンネル障壁層を４Ｂ−１と４Ｂ−２、磁化固定層を５Ｂとし、スピントルクダイオード素子１００Ｃの第１および第２磁化自由層をそれぞれ３Ｃ−１と３Ｃ−２、第１およびトンネル障壁層を４Ｃ−１と４Ｃ−２、磁化固定層を５Ｃとする。各スピントルクダイオード素子に接続された交流電源は、それぞれ１Ａ、ＡＢ、１Ｃとする。これら交流電源は共通化することが望ましいが、これに限られるものではない。
【００５８】
第１および第２磁化自由層３Ａ−１と３Ａ−２の磁化共鳴周波数はｆ１とし、第１および第２磁化自由層３Ｂ−１と３Ｂ−２の磁化共鳴周波数はｆ２とし、第１および第２磁化自由層３Ｃ−１と３Ｃ−２の磁化共鳴周波数はｆ３とする。
【００５９】
各スピントルクダイオード素子の第１磁化自由層には第１並列回路が接続され、第２磁化自由層には第２並列回路が接続されている。第１磁化自由層３Ａ−１に接続された第１並列回路は第１変換抵抗６Ａ−１とコンデンサ７Ａ−１が並列接続された構成を有し、第２磁化自由層３Ａ−２に接続された第２並列回路は第２変換抵抗６Ａ−２とコンデンサ７Ａ−２が並列接続された構成を有する。第１磁化自由層３Ｂ−１に接続された第１並列回路は第１変換抵抗６Ｂ−１とコンデンサ７Ｂ−１が並列接続された構成を有し、第２磁化自由層３Ｂ−２に接続された第２並列回路は第２変換抵抗６Ｂ−２とコンデンサ７Ｂ−２が並列接続された構成を有する。第１磁化自由層３Ｃ−１に接続された第１並列回路は第１変換抵抗６Ｃ−１とコンデンサ７Ｃ−１が並列接続された構成を有し、第２磁化自由層３Ｃ−２に接続された第２並列回路は第２変換抵抗６Ｃ−２とコンデンサ７Ｃ−２が並列接続された構成を有する。これら並列回路の機能は、実施形態２の図５で説明した並列回路と同様である。
【００６０】
図９は、加算回路３１０の概略図である。各スピントルクダイオード素子１００の両端電圧は、第１変換抵抗６−１または第２変換抵抗６−２によって、電流値として直列加算される。加算回路３１０は、この直列加算された電流値をオペアンプによって増幅し、合成電圧Ｖ０を得る。
【００６１】
第１磁化自由層３Ａ−１と磁化固定層５Ａの間に電圧Ｖ１ａが生じ、第２磁化自由層３Ａ−２と磁化固定層５Ａの間に電圧Ｖ２ａが発生したと仮定する。第１変換抵抗６Ａ−１と第２変換抵抗６Ａ−２それぞれの抵抗値をＲｓとする。この場合、各変換抵抗に流れる電流は、それぞれＶ１ａ／Ｒｓ、Ｖ２ａ／Ｒｓとなる。これらの電流は、加算回路３１０内で加算され、合成電流（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ）／Ｒｓがオペアンプの増幅抵抗Ｒｆに流れる。したがって、合成電圧Ｖ０＝（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ）＊Ｒｆ／Ｒｓとなる。つまり、加算回路３１０における増幅率は、加算回路３１０中の抵抗Ｒｆと変換抵抗Ｒｓの比によって決定される。スピントルクダイオード素子１００Ｂ、１００Ｃについても同様である。
【００６２】
図１０は、整流器３００が出力する直流電圧の時間依存性を計算した結果を示す図である。ここでは、交流電源１Ａ〜１Ｃが出力する交流電流が、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３を有するものと仮定する。
【００６３】
各スピントルクダイオード素子１００Ａ〜１００Ｃは、それぞれの磁化共鳴周波数と合致する交流電流が印加されたとき、最大の整流効果を発揮する。このとき各スピントルクダイオード素子１００Ａ〜１００Ｃが出力する合成電圧Ｖ０’Ａ〜Ｖ０’Ｃは、それぞれＶ０’Ａ＝（Ｖ１ａ＋Ｖ２ａ）＊Ｒｆ／Ｒｓ、Ｖ０’Ｂ＝（Ｖ１ｂ＋Ｖ２ｂ）＊Ｒｆ／Ｒｓ、Ｖ０’Ｃ＝（Ｖ１ｃ＋Ｖ２ｃ）＊Ｒｆ／Ｒｓとなる。
【００６４】
各スピントルクダイオード素子の抵抗値Ｒｐや抵抗変化率ΔＲ／Ｒｐが等しい場合、Ｖ１ａ＝Ｖ２ａ＝Ｖ１ｂ＝・・・＝Ｖ１ｃ＝Ｖ２ｃとなる。すなわち、コンデンサによって平滑化される直流電圧の値もすべて等しくなる。つまり、本実施形態３に係る整流器３００は、周波数帯域ｆ１〜ｆ３を通じて一定の直流電圧を出力する。磁化共鳴周波数の帯域は、磁化自由層の磁性体材料のサイズ、形状、組成などをコントロールすることにより広帯域化することができるので、整流器３００の整流特性をこれにより広帯域化することができるといえる。
【００６５】
＜実施の形態３：まとめ＞
以上のように、本実施形態３に係る整流器３００は、磁化共鳴周波数が異なる複数のスピントルクダイオード素子１００を並列接続した構成を備え、各素子の両端電圧を加算する加算回路３１０をさらに備える。これにより、単一のスピントルクダイオード素子１００を用いた整流器よりも整流特性を広帯域化することができる。
【００６６】
＜実施の形態４＞
図１１は、本発明の実施形態４に係る発電モジュール４００の模式図である。発電モジュール４００は、基板上に反強磁性体膜９と磁化固定層５とトンネル障壁層４が積層された構造を有し、トンネル障壁層４上に１対のピラー状の磁化自由層３−１と３−２が形成されている。互いに向かい合う１対の磁化自由層３−１と３−２は同じ磁化共鳴周波数を持つが、個々の磁化自由層ピラー対は、それぞれに異なる磁化共鳴周波数を持つ。磁化共鳴周波数を制御する方法としては、例えば磁化自由層の膜厚がピラー対毎に異なるようにすればよい。
【００６７】
各磁化自由層には、変換抵抗とコンデンサを並列接続した並列回路１０が電気的に接合されている。並列回路１０中で発生する電流は、導線１１を通じて加算回路（図示せず）へ集積される。導波路１２Ａと１２Ｂは、図示しないバイポーラアンテナが受信した交流電流を、磁化自由層ピラー対へ供給する。
【００６８】
上記構成は、実施形態３で説明した整流器３００と同様の構成である。ただし、交流電源１に代えてバイポーラアンテナを設け、バイポーラアンテナが受信した高調波電磁波を交流電流に変換し、これを各スピントルクダイオード素子１００へ供給する。各スピントルクダイオード素子１００は、入力された交流電流を整流し、直流電圧を出力する。すなわち、高調波電磁波を入力として直流電圧を出力する、発電モジュールとして動作することができる。
【００６９】
＜実施の形態４：まとめ＞
以上のように、本実施形態４によれば、高調波電磁波を入力すると直流電圧を出力する、整流効果をともなった発電モジュール４００を提供することができる。発電モジュール４００は、面内の集積化による高出力化ばかりではなく、発電モジュール４００を３次元的に配列させることにより、発電量を飛躍的に増大することができる。
【００７０】
また、本実施形態４において、導波路１２は各磁化自由層ピラー対に対して同時に交流電流を供給するように形成されている。各磁化自由層ピラー対の磁化共鳴周波数はそれぞれ異なるので、実施形態３と同様に広範な周波数帯域において整流効果を発揮することができる。すなわち、広帯域な発電モジュール４００を提供することができる。
【００７１】
＜実施の形態５＞
本発明の実施形態５では、実施形態４で説明した発電モジュール４００の製造方法に関して説明する。
【００７２】
図１２は、発電モジュール４００を製造する工程を説明する図である。図１２の左列に記載している図は発電モジュール４００の上面図に相当し、中列と右列は図中に記載した各断面図である。以下、図１２の各工程について説明する。
【００７３】
（図１２：工程１：多層膜形成）
Ｓｉウエハ上に、Ｐｔを５ｎｍ形成し、反強磁性層９：ＭｎＩｒ（２０ｎｍ）、磁化固定層５：ＣｏＦｅＢ（５ｎｍ）Ｒｕ（０．８ｎｍ）ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ）、トンネル障壁層４：ＭｇＯ（１．０ｎｍ）、磁化自由層（強磁性体）３：ＣｏＦｅＢ（ｔ）、キャップ層１３：Ｔａ（５ｎｍ）Ｒｕ（５ｎｍ）Ｉｒ（５ｎｍ）の順に形成した。各膜は、ＲＦマグネトロン・スパッタ装置を用い、磁化自由層３のＣｏＦｅＢは、斜め方向からスパッタ製膜することにより、Ａ断面方向に３−１０ｎｍの膜厚とした。
【００７４】
（図１２：工程２：自由層ピラーアレイ作製）
磁化自由層３のピラーアレイは、ＥＢ露光装置を用いて、１００ｘ１００ｎｍ２の正方形レジストパターン１５を作製することにより形成した。１対の磁化自由層ピラー対の間隔は１μｍとし、磁化自由層ピラー対同士の間隔は２００μｍとした。磁化自由層ピラー対は総数で１００００組を３０ｘ３０ｍｍ２の面積内に描画した。これらのレジストパターン１５をマスクとし、ミリングによって磁化自由層ピラー対アレイを加工した。加工量としては、トンネル障壁層４の直上まで削った。ミリングで加工後、保護膜１４として、アルミナを２５ｎｍ形成した。
【００７５】
（図１２：工程３：自由層ピラー接合面形成）
工程２で作製された磁化自由層ピラー上のアルミナ保護膜１４およびレジスト１５を除去するため、リフトオフ法を用いて、磁化自由層ピラー接合面を形成した。リフトオフは剥離液と研磨によって実施され、アルミナ保護膜１４およびレジスト１５を除去した。
【００７６】
（図１２：工程４：加算回路用配線形成）
加算回路への配線用の導線１１をリフトオフ法にて作製した。今回は、ポジレジストを用いて２μｍの配線パターンを作製し、Ｃｕ（５０ｎｍ）を全面に形成した。その後、剥離液を用いＣｕ配線を作製した。
【００７７】
（図１２：工程５：抵抗体・コンデンサ並列回路配線）
変換抵抗６とコンデンサ７を並列接続した並列回路と、工程３で作製した各磁化自由層ピラーとを、ワイヤーボンディングによりそれぞれ配線する。また、各スピントルクダイオード素子１００において発生した電流を、工程４で作製したＣｕ配線の一部へ接続している。今回用いた変換抵抗６の抵抗値とコンデンサ７の電気容量は、それぞれ１００Ω、１００００μＦとした。
【００７８】
（図１２：工程６：導波路形成）
交流電流を各磁化自由層ピラー対へ供給するため、面内での配線が容易なコプレーナ導波路１２を用いた。最後に、導波路１２とバイポーラアンテナ、加算回路とＣｕ配線をそれぞれ接合し、発電モジュール４００が完成する。加算回路内部の抵抗は、Ｒｆ＝１ＭΩとした。
【００７９】
＜実施の形態６＞
本発明の実施形態６では、実施形態５で作製された発電モジュール４００の出力電圧に関して説明する。
【００８０】
発電モジュール４００を構成しているスピントルクダイオード素子１００の特性は、Ｒｐ＝５０ｋΩ、ΔＲ／Ｒｐ＝３００％、磁化共鳴周波数３〜１０ＧＨｚとなった。振幅１μＡ、周波数５ＧＨｚの交流電流を印加した場合、スピントルクダイオード素子１００の両端に発生する電圧は、Ｖｐｐ＝−３０ｍＶとなった。また、磁化自由層ピラーアレイのうち、磁化共鳴周波数が５ＧＨｚであるものが全体の１０％ほどであったため、加算回路を通じて発生した電圧は３００Ｖとなった。結果として、１０ｍＡの振幅、周波数５ＧＨｚの交流電流が発電モジュール４００に印加された場合、３００Ｖの直流電圧が発生することになる。
【符号の説明】
【００８１】
１：交流電源、２：電圧検出器、３：磁化自由層、４：トンネル障壁層、５：磁化固定層、６：変換抵抗、７：コンデンサ、８：磁界印加部、９：反強磁性層、１０：並列回路、１１：導線、１２：導波路、１３：キャップ層、１４：保護膜、１５：レジスト、１００：スピントルクダイオード素子、２００：整流器、３００：整流器、４００：発電モジュール。
【図１】
2013108357.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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月15日(2014.12.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の磁化自由層と、
前記第１および第２の磁化自由層に共通する磁化固定層と、
前記第１磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられた第１トンネル障壁層と、
前記第２磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられた第２トンネル障壁層と、
前記磁化固定層を経由して前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層を流れる交流電流を流す電流線と、
前記第１磁化自由層と前記磁化固定層の間の第１電圧を出力する第１電圧線と、
前記第２磁化自由層と前記磁化固定層の間の第２電圧を出力する第２電圧線と、
前記第１電圧と前記第２電圧を合成した合成電圧を出力する合成電圧出力部と、
を備えたことを特徴とするスピントルクダイオード素子。
【請求項２】
請求項１記載のスピントルクダイオード素子と、
前記第１電圧と前記第２電圧を加算する加算回路と、
を備えたことを特徴とする整流器。
【請求項３】
前記第１電圧線と前記第２電圧線は並列接続されており、
前記加算回路は、
前記第１電圧によって第１電流を誘起させる第１抵抗と、
前記第２電圧によって第２電流を誘起させる第２抵抗と、
前記第１電流と前記第２電流を直列加算して得られる電流を電圧値に変換することにより前記第１電圧と前記第２電圧の和を取得する加算器と、
を備えている
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項４】
前記加算回路と並列に接続され、前記第１電圧と前記第２電圧を合成した電圧を平滑化するコンデンサを備えた
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項５】
前記第１磁化自由層の磁化共鳴周波数と前記第２磁化自由層の磁化共鳴周波数が略等しいことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項６】
前記第１および第２の磁化自由層に外部磁界を印加することにより前記第１および第２の磁化自由層それぞれの磁化共鳴周波数を変化させる磁界印加部を備えた
ことを特徴とする請求項２記載の整流器。
【請求項７】
複数の前記スピントルクダイオード素子を備え、
各前記スピントルクダイオード素子の磁化共鳴周波数が互いに異なるように構成され、
前記加算回路は、各前記スピントルクダイオード素子が出力する前記第１電圧と前記第２電圧を加算する
ことを特徴とする請求項３記載の整流器。
【請求項８】
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１電圧線と前記第２電圧線の組は互いに並列接続されており、
前記加算回路は、
各前記スピントルクダイオード素子それぞれについて、前記第１抵抗と前記第２抵抗を備え、
各前記スピントルクダイオード素子それぞれについて、前記第１電流と前記第２電流を直列加算することによって得られる電流を電圧値に変換することにより前記第１電圧と前記第２電圧の和を取得する
ことを特徴とする請求項７記載の整流器。
【請求項９】
請求項７記載の整流器と、
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の組に交流電流を供給する導波路と、
を備え、
前記導波路は、
各前記スピントルクダイオード素子の前記第１磁化自由層と前記第２磁化自由層の組に前記交流電流を同時に供給する
ことを特徴とする発電モジュール。
【国際調査報告】
2013108357.tif 000015
2013108357.tif 000016