(57)【要約】【課題】感度を向上させた、電圧駆動型ＴＭＲ素子を用いたマイクロ波検波器の及びマイクロ波検波方法と提供する。【解決手段】マイクロ波検波器は、磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子と、直流外部磁場を印加しない状態での前記磁化固定層の磁化の素子面内成分の方向と、直流外部磁場の前記素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場印加手段と、前記直流外部磁場印加手段により前記直流外部磁場を印加した状態で、マイクロ波により発生する、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間の直流の出力電圧を測定する電圧測定手段とを備える。【選択図】図１
2016096377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子と、
直流外部磁場を印加しない状態での前記磁化固定層の磁化の素子面内成分の方向と、直流外部磁場の前記素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場印加手段と、
前記直流外部磁場印加手段により前記直流外部磁場を印加した状態で、マイクロ波により発生する、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間の直流の出力電圧を測定する電圧測定手段とを、
備えることを特徴とするマイクロ波検波器。
【請求項２】
前記角度φが４０度以上１６０度以下、又は２００度以上３２０度以下であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項３】
前記直流外部磁場印加手段は磁場強度可変で磁場強度を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数を可変にすることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項４】
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加する直流電圧源を備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項５】
前記直流電圧源は、電圧が可変であり、電圧を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数及び出力電圧の少なくとも一方を可変にすることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波検波器。
【請求項６】
アンテナ及び増幅器を備え、前記アンテナで受けたマイクロ波を前記増幅器で増幅して高周波電圧となし、該高周波電圧を前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に印加することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項７】
前記直流外部磁場印加手段が薄膜状の永久磁石であり、該永久磁石が前記素子と一体化されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項８】
前記絶縁トンネル障壁層が、単位面積当たりの抵抗値が１０Ωμｍ2以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項９】
前記磁化固定層又は磁化自由層が、面内磁気異方性、面直磁気異方性、又は面内方向と面直方向との中間磁気異方性を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項１０】
磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子に、外部磁場の素子面内成分の方向と前記外部磁場を印加しない状態での前記固定層の磁化の素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場を印加し、マイクロ波により発生する前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に出力される直流の電圧を検出することを特徴とするマイクロ波検波方法。
【請求項１１】
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加することを特徴とする請求項１０記載のマイクロ波検波方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧駆動型のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ素子ともいう。）を用いたマイクロ波検波器及びマイクロ波検波方法に関する。マイクロ波とは、周波数１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚの電磁波である。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ素子は、既に実用化されており、基本的に磁化固定層（以下、単に固定層ともいう。）、絶縁層（トンネル障壁層ともいう。）及び磁化自由層（以下、単に自由層ともいう。）を備えている。固定層と自由層との間に直流電圧を印加すると、量子力学的効果により絶縁層を通して微小なトンネル電流が流れる。トンネル電流の流れ易さ（抵抗）が固定層の磁化の方向と自由層のそれとの相対角に依存して大きく変化することをトンネル磁気抵抗効果という。両層の磁化の向きが平行（パラレル）のときに抵抗は低く、反平行（アンチパラレル）のときに抵抗が高い。
【０００３】
当初、開発されたＴＭＲ素子は電流駆動型であり、固定層と自由層の間に直流電流を流すことにより、自由層の磁化を反転させることができる。しかし、この電流駆動型は消費電力が大きい欠点があった。そこで、最近、原理的に電流を流さない（流れない）電圧駆動型のＴＭＲ素子が開発された。電流が流れないので、この素子は消費電力が小さい。もっとも全く流れないと、磁気抵抗変化を読み出せないので、僅かな電流は流れる。
【０００４】
ところで、自由層の磁化（磁気モーメント）は、外部から所定周波数のマイクロ波を受けると、一種の共鳴現象が起き、歳差運動を起こす。そのため、磁化固定層と磁化自由層との間に出力電圧（直流）が発生する。これによりマイクロ波を検波することができる。
【０００５】
ＴＭＲ素子を用いたマイクロ波検波器にも、その素子の種類に従い、電流駆動型（例えば、特許文献１、非特許文献１）と電圧駆動型（例えば、特許文献２や特許文献３）がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９５９０８号公報
【特許文献２】特開２０１３−４５８４０号公報
【特許文献３】国際公開２００９／１３３６５０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】S. Miwa et al., Nature Materials 13, 50 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電流駆動型ＴＭＲ素子では、高周波信号の強度が大きくなると、素子に流れる電流密度が大きくなる。そのため、自由層の磁化が不安定になる臨界電流密度付近又はそれ以上の電流密度では、出力電圧が飽和してしまうという問題がある。これは、臨界電流密度以上では感度が低下することを意味している。例えば、非特許文献１では、１μＷ程度で出力電圧が飽和している。
【０００９】
電圧駆動型ＴＭＲ素子を用いたマイクロ波検波器は、消費電力が小さい利点を有するものの、感度が低いという問題がある。
【００１０】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、本発明は、電圧駆動型ＴＭＲ素子を用いた感度の向上したマイクロ波検波器を提供することを目的とする。また、本発明は、電圧駆動型ＴＭＲ素子を用いて、感度の向上したマイクロ波検波方法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】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
【００１２】
本発明のマイクロ波検波器は、磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子と、直流外部磁場を印加しない状態での前記磁化固定層の磁化の素子面内成分の方向と、直流外部磁場の前記素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場印加手段と、前記直流外部磁場印加手段により前記直流外部磁場を印加した状態で、マイクロ波により発生する、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間の直流の出力電圧を測定する電圧測定手段とを備えることを特徴とする。例えば、前記角度φが４０度以上１６０度以下、又は２００度以上３２０度以下である。例えば、前記直流外部磁場印加手段として、磁場強度可変のものを用いて、磁場強度を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数を可変にすることができる。
【００１３】
本発明のマイクロ波検波器は、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加する直流電圧源を備えてもよい。前記直流電圧源として、電圧が可変のものを用いて、電圧を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数及び出力電圧の少なくとも一方を可変にすることができる。
【００１４】
本発明のマイクロ波検波器は、アンテナ及び増幅器を備え、前記アンテナで受けたマイクロ波を前記増幅器で増幅して高周波電圧となし、該高周波電圧を前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に印加する構造でもよい。
【００１５】
本発明のマイクロ波検波器は、前記直流外部磁場印加手段が薄膜状の永久磁石であり、該永久磁石が前記素子と一体化されている構造でもよい。
【００１６】
本発明のマイクロ波検波器は、例えば、前記絶縁トンネル障壁層が、単位面積当たりの抵抗値が１０Ωμｍ2以上である。また、例えば、前記磁化自由層が、厚さ３ｎｍ以下の超薄膜である。また、例えば、前記磁化固定層又は磁化自由層が、面内磁気異方性、面直磁気異方性、又は面内方向と面直方向との中間磁気異方性を有する。
【００１７】
本発明のマイクロ波検波方法は、磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子に、外部磁場の素子面内成分の方向と前記外部磁場を印加しない状態での前記固定層の磁化の素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場を印加し、マイクロ波により発生する前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に出力される直流の電圧を検出することを特徴とする。前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のマイクロ波検波器は、従来の電圧駆動型ＴＭＲ素子を用いた検波器に比べて、マイクロ波検波の際の出力電圧が増大するので、非常に小型な素子でありながら、感度が高く、高性能である。また、本発明のマイクロ波検波方法によれば、感度が高く高性能な検波を実現できる。
【００１９】
従来の電流駆動型ＴＭＲを用いたマイクロ波検波器では、マイクロ波の強度が高くなるにつれて、出力電圧が飽和し、直線的ではなくなるのに対して、本発明のマイクロ波検波器では、マイクロ波の強度（電力）が高くなるにつれて比例的（直線的）に出力電圧（直流）も高くなるという利点もある。
【００２０】
本発明のマイクロ波検波器によれば、直流外部磁場印加手段の磁場強度を可変することにより、検出可能なマイクロ波の周波数を可変にすることができる。また、直流電圧源の電圧を可変にすることにより、検出可能なマイクロ波の周波数や出力電圧を可変にすることができる。
【００２１】
外部磁場印加手段として薄膜状の永久磁石を使用する場合は、非常に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】外部磁場とＴＭＲ素子の固定層の磁化との関係を説明する図である。
【図２】ＴＭＲ素子の積層構造を示す模式図である。
【図３】第１の実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。
【図４】第１の実施の形態にかかるマイクロ波検波器の構成及び直流外部磁場印加手段の角度と出力電圧の関係を調べるための装置を示す概念図である。
【図５】外部磁場の面内回転角をφ＝９０度（実施例）、φ＝０度（比較例）にした時の素子の出力電圧を測定した図である。
【図６】外部磁場の面内回転角をφ＝２７０度（実施例）、φ＝１８０度（比較例）にした時の素子の出力電圧を測定した図である。
【図７】角度φが０度から３６０度の範囲における出力電圧の信号強度を示す図である。
【図８】印加する高周波信号の周波数を２.０ＧＨｚ、５.０ＧＨｚ、１０.０ＧＨｚ、１５.０ＧＨｚに変化させた時の素子の出力電圧を測定した図である。
【図９】共鳴周波数の磁場依存性を示した図である。
【図１０】第２の実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。
【図１１】直流電圧を０.０Ｖ、−０.６Ｖ、−１.０Ｖに変化させた時の素子の出力電圧を測定した図である。
【図１２】共鳴時の出力電圧の直流電圧依存性を示した図である。
【図１３】直流電圧を０.０Ｖ、−１.０Ｖに変化させた時の、共鳴時の出力電圧の高周波信号の強度依存性を示した図である。
【図１４】第３の実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２４】
本発明の実施形態のマイクロ波検波器は、少なくとも、トンネル磁気抵抗効果素子と直流外部磁場印加手段とを備える。
【００２５】
本発明のＴＭＲ素子は、基本的に、磁化固定層、絶縁層及び磁化自由層を備え、電圧駆動型ＴＭＲ素子である。本発明で用いる電圧駆動型ＴＭＲ素子について詳しく説明する。
【００２６】
［磁化固定層］
磁化固定層は、外部磁場の印加を受けても、磁化の方向の動きは実質的に無視できる層である。固定層として従来から知られている材料を用いることができる。例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの元素を含む金属層、前記元素のうち少なくとも２つの元素を含む合金層、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂなどの希土類元素を含む金属、合金又は化合物の層、或いはこれらの層を含む積層構造体を用いる。例えば、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金が挙げられる。
【００２７】
固定層は、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれでも良い。結晶、特に（００１）ＢＣＣ型結晶がより好ましい。固定層は単層に限ることなく、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｒｈ及びＩｒなどの反強磁性結合を示す積層構造体でも良い。例えば、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅが挙げられる。
【００２８】
固定層の厚さは、例えば強い反強磁性結合を得るという点で、１〜１０ｎｍが好ましい。さらに、加工の容易性という点で２〜５ｎｍがより好ましい。
【００２９】
固定層の磁気異方性は、面内磁気異方性でも、面内方向と面直（垂直）方向との中間磁気異方性でも良い。磁気異方性は、既に知られているように材料、組成、膜厚、素子の形状、上層及び／又は下層の特性又はそれらと固定層との結合力、製法などで制御することができる。下層に反強磁性層を配置して固定層の磁気異方性を面内とすることもできる。反強磁性層として、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、Ｃｒ2Ｏ3などのＭｎ又はＣｒ元素を含む化合物又は合金等が挙げられる。
【００３０】
固定層は、スパッタリング、イオンプレーティング、物理的又は化学蒸着などの真空薄膜形成技術を使って、基板、例えば、Ｓｉ基板、シリカ基板、Ｓｉコートシリカ基板、酸化マグネシウム基板、ガラス基板の上に、成膜される。
【００３１】
固定層の膜質を平坦にするためや外部導線との接続のために、基板と固定層との間、又は基板と反強磁性層との間に、バッファ層を介在させても良い。バッファ層としては、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄなどの、貴金属元素や遷移金属元素からなる金属層、これらの元素のうち、少なくとも２つの元素を含む合金層、又は前記金属層や前記合金層の積層構造を挙げることができる。例えば、ＴａとＲｕの積層構造が挙げられる。バッファ層の厚さは、例えば、平坦性および低抵抗化の点で、１〜２００ｎｍが好ましい。さらに、加工の容易性という点で１０〜１００ｎｍがより好ましい。
【００３２】
［絶縁層］
固定層の上には絶縁層が配置される。ＴＭＲ素子における絶縁層は、固定層と自由層の間に設けられる中間層であり、ポテンシャル障壁となる絶縁層であり、トンネル障壁層とも呼ばれる。絶縁層は、スパッタリング、イオンプレーティング、物理的又は化学蒸着などの真空薄膜形成技術を使って固定層の上に成膜される。絶縁層の材料としては、酸化マグネシウム、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ゲルマニウム、窒化ゲルマニウム、希土類酸化物、希土類窒化物などが用いられる。絶縁層は単層でも多層でも良い。なかでも（００１）ＢＣＣ型結晶の酸化マグネシウムが絶縁層として最も好ましい。酸化マグネシウム膜は、原子が規則的に配列した結晶の性質を持つため、電子が散乱されずにトンネルできるので、大きなＭＲ比を得ることができる。本発明で用いるＴＭＲ素子のＭＲ比は、室温において１０％以上特に１００％以上であることが望ましい。ＭＲ比は、大きければ大きいほど良い。
【００３３】
本発明で用いるＴＭＲ素子は、電圧駆動型であり、電流駆動型と比べて、絶縁層に特徴の１つがある。それは余りトンネル電流を通さないことである。単位面積当たりの抵抗値が１０Ωμｍ2以上の絶縁層であることが好ましい。さらに、抵抗値が１００〜１,０００,０００Ωμｍ2の絶縁層であることがより好ましい。例えば、ＭｇＯが挙げられる。
【００３４】
本発明の電圧駆動型ＴＭＲ素子の絶縁層の膜厚は、電流駆動型に比べ、抵抗値を高くするために、比較的厚くする。厚さは、例えば、１.２〜５.０ｎｍが適切である。さらに、より好ましくは、１.５〜３.０ｎｍである。余り厚いと全く電流が流れなくなり、磁気抵抗変化を読み出せないという問題が生じる。
【００３５】
［磁化自由層］
絶縁層の上には磁化自由層が配置される。自由層は、磁化の方向は、外部磁場の方向に従う層である。自由層は、スパッタリング、イオンプレーティング、物理的又は化学蒸着などの真空薄膜形成技術を使って絶縁層の上に成膜される。自由層には、自由層として従来から知られている材料を用いることができる。例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの元素を含む金属層、前記元素のうち少なくとも２つの元素を含む合金層、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂなどの希土類元素を含む金属、合金又は化合物の層、或いはこれらの層を含む積層構造体を用いる。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、ＦｅＧｄ合金が挙げられる。自由層は、単結晶、多結晶、アモルファスのいずれでも良い。結晶、特に（００１）ＢＣＣ型結晶がより好ましい。
【００３６】
本発明で用いるＴＭＲ素子は、電圧駆動型であり、電流駆動型と比べて、自由層に特徴の１つがある。厚さは、電圧を加えた際に伝導電子による電界遮蔽効果が無視できない程度に薄いことである。厚さは、例えば０.２〜５.０ｎｍが適切である。さらに、加工の容易性という点で、０.５〜３.０ｎｍがより好ましい。
【００３７】
自由層は単層に限ることなく、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｒｈ及びＩｒなどの反強磁性結合を示す積層構造体でも良い。例えば、Ｆｅ／Ｃｒ／Ｆｅなどが挙げられる。
【００３８】
自由層の磁気異方性は、面内磁気異方性でも面直（垂直）磁気異方性でもその中間でも良いが、外部磁場の影響を受けて、磁化の方向が面内に対し斜めに立ち仰角を持つ必要がある。斜めに立つことで、自由層の磁化は、外部から所定周波数のマイクロ波を受けると、一種の共鳴現象が起き、歳差運動を起こす。これにより、固定層と自由層との間に、出力電圧（直流）が発生する。これにより、マイクロ波を検波することができる。
【００３９】
自由層の磁気異方性は、既に知られているように、材料、組成、膜厚、上層及び／又は下層の特性又はそれらと固定層との結合力、製法などで制御することができる。自由層の上には、必要に応じて、自由層の磁気異方性を助ける制御層やトップ層が、スパッタリング、イオンプレーティング、物理的又は化学蒸着などの真空薄膜形成技術を使って成膜される。
【００４０】
制御層としては、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄなどの貴金属元素や遷移金属元素を含む金属層、前記元素のうち少なくとも２つの元素を含む合金層、又は前記金属層と前記合金層の積層構造を挙げることができる。制御層の厚さは、例えば、１〜２００ｎｍ（特に１０〜１００ｎｍ）が適当である。
【００４１】
トップ層は、自由層の酸化を防止するためや、外部導線との接続のために設けられる。トップ層の材料としては、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｗ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｐｄなどの、貴金属元素や遷移金属元素からなる金属層、これらの元素のうち、少なくとも２つの元素を含む合金層、又は前記金属層や前記合金層の積層構造を挙げることができる。例えば、ＴａとＲｕの積層構造が挙げられる。トップ層の厚さは、例えば、平坦性および低抵抗化の点から１〜２００ｎｍが適切である。
【００４２】
本発明の実施形態のマイクロ波検波器における直流外部磁場印加手段について詳しく説明する。
【００４３】
直流外部磁場印加手段は、電磁石又は永久磁石を用いることができる。永久磁石の場合、薄膜状のものを用い、素子と一体化しても良い。
【００４４】
図１は、外部磁場とＴＭＲ素子の固定層の磁化との関係を説明する図である。本図は、ｘｙｚ直交座標系を表し、外部磁場の方向は、素子面内（ｘｙ平面）に対しｚ軸方向に角度θ（仰角）で斜めに立った方向とする。外部磁場を印加しない状態の固定層の磁化の「素子面内成分の方向」をｘ軸とする。外部磁場（図中、白抜き矢印でベクトルを表す。）は、その素子面内成分（図中、太い点線矢印でベクトルを表す。）の方向が、ｘ軸からφ度回転した位置で、素子面内に対し斜め角θ（仰角）に立つ方向である。なお、素子と外部磁場は相対的であり、外部磁場を決定する際には、素子又は外部磁場のいずれを回して設定しても良い。
【００４５】
本発明のマイクロ波検波において、ＴＭＲ素子に対して印加する直流外部磁場の素子面内成分の、磁化固定層の磁化の素子面内成分に対する角度φが特定の方向であることが、重要である。ｘ軸（外部磁場を印加しない状態での固定層の磁化の素子面内成分の方向）と外部磁場の素子面内成分（図中の太い点線矢印）の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度又は１８０＜φ＜３６０度であることが重要である。限定された角度φを範囲の磁場を印加することにより、具体的に後述するように、感度が飛躍的に向上する。
【００４６】
なお、発明者の一部が共通する特許文献２では、外部磁場として、素子と一体の「バイアス磁性層（永久磁石）」を用いている例が示されているが、φ＝０度に限られる。
【００４７】
外部磁場の方向をφとすることにより、外部磁場を印加した状態での固定層の磁化の面内成分の方向と、自由層の磁化の面内成分の方向との成す角度も実はφ又はその近辺と推測でき、このことが感度の向上という本発明の効果をもたらすものと推測される。
【００４８】
また、斜め角（仰角）θは、０度および９０度の時には電圧が出力されないため、０＜θ＜９０度が好ましい。
【００４９】
外部磁場の強度は、５〜１５００ｍＴが適当である。より好ましくは５０〜３００ｍＴである。その理由は、自由層の磁化が外部磁場の方向に向くだけの磁場強度を印加しつつ、固定層の磁化が向きを変えない程度の弱い磁場が好ましいからである。
【００５０】
直流外部磁場印加手段が電磁石の場合、外部磁場の強度を変える（以下、掃引するともいう。）ことができる。掃引することで、外部磁場が所定強度のとき、自由層の磁化が所定周波数のマイクロ波と共鳴し歳差運動を起こす。これが固定層と自由層との間に出力電圧（直流）となって出力される。所定周波数は１つに限られることなく複数あり得る。また、最初に予備実験又は理論設計をしておけば、外部磁場の所定強度（ひいては検波できる所定周波数）を予め知ることができる。この場合には、印加手段は永久磁石でも良い。なお、後述するが、所定周波数は付加する直流電圧源でも変えることができるので、印加手段は永久磁石でも良い。永久磁石の場合は、これを薄膜状と成すこともできる。その場合には、印加手段を素子と一体にできる利点がある。
【００５１】
［その他の手段］
本発明のマイクロ波検波器には、直流電圧源を付加してもよい。これにより固定層と自由層の間に直流電圧を印加することができる。直流電圧の強度を変えることで、次の２つの作用効果（１）、（２）を得ることができる。
（１）共鳴するマイクロ波の所定周波数を変えることができる。
（２）検波器の出力電圧を高めることができる。
【００５２】
本発明のマイクロ波検波器は、１つの所定周波数に固定されたマイクロ波を検波することもできる。また、本発明のマイクロ波検波器は、（１）外部磁場の強度を掃引又は変えることにより、若しくは（２）直流電圧を掃引又は変えることにより、若しくは（３）外部磁場の強度及び直流電圧の両方を掃引又は変えることにより、周波数を探して所定周波数のマイクロ波を検波することができる。
【００５３】
本発明のマイクロ波検波器は、直接にマイクロ波を受けても検波可能であるが、別途、アンテナと増幅器を付加することが好ましい。アンテナで受けたマイクロ波を増幅器で増幅して強い高周波電圧となし、その高周波電圧を固定層と自由層との間に印加するとよい。
【００５４】
なお、従来技術の特許文献１に示される電流駆動型マイクロ波検波素子では、外部磁場を印加する手段として、磁化自由層の磁化ベクトルを磁化固定層の磁化の向きに対して直交する成分を持つようにすれば、マイクロ波の共鳴振動が起こりやすくすることができ、検出効率が上昇すると記載されているが、本発明において、所定の角度で検出効率が上昇するのは、後述するように、出力電圧のスペクトルの形状が変化するためであり、共鳴振動が起こりやすくなるためではない。
【００５５】
なお、従来技術の特許文献２に示されるマイクロ検波素子では、電圧駆動型ではあるが、磁化固定層を有さず、電極兼強磁性層を備える構造であり、本願発明の構造とは異なっている。
【００５６】
（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態を図を参照して説明する。本実施の形態のマイクロ波検波器は、電圧駆動型のＴＭＲ素子と、直流外部磁場印加手段とを備える。
【００５７】
図２は、ＴＭＲ素子の積層構造を示す模式図である。ＴＭＲ素子は、基板１上に順に、バッファ層２、反強磁性層３、磁化固定層４、絶縁層５、磁化自由層６、キャップ層７を順に積層した積層構造を有する。磁化固定層４は、ｘ軸方向の面内磁気異方性を持っており、外部磁場の印加を受けても、磁化の方向の動きは実質的に無視できる。一方、磁化自由層６は、垂直磁気異方性を有し、面直方向の有効反磁界は弱く、磁化の方向は、外部磁場の方向に従う。反強磁性層３は、隣接した磁化固定層６の磁化の方向を固定するために設けてある。図中のキャップ層７を上部電極、バッファ層２を下部電極として、外部導線を接合することができる。
【００５８】
図３は、本実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。図中、ＴＭＲ素子１０は簡略的に三層のみ図示してあるが、下から磁化固定層（太い矢印で磁化方向を示す。）、絶縁層、磁化自由層（細い矢印で磁化方向を示す。）である。ＴＭＲ素子１０の両側には、外部直流磁場印加手段１１としての電磁石のＮ極Ｓ極を配置し、ＴＭＲ素子に直流の外部磁場（白抜きの太い矢印）を印加する。外部磁場の方向を、素子面内における成分が、面直方向（ｚ軸）の周りにφ回転させた方向になるようにする。また、外部磁場は、素子面内に対し斜め方向（０＜θ＜９０度）に印加する。外部磁場を印加しない状態での固定層の磁化の素子面内成分の方向と外部磁場の素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度又は１８０＜φ＜３６０度であることが重要である。
【００５９】
図３では、図示を省略しているが、ＴＭＲ素子の出力電圧を測定するための手段を設ける。例えば電圧計を、ＴＭＲ素子の上部電極と下部電極に接続するとよい。
【００６０】
直流外部磁場印加の角度について、次に具体的実施例をもとに詳しく説明する。
【００６１】
図２のように、ＴＭＲ素子の積層構造を作製した。まず、熱酸化膜付Ｓｉ基板１を用意し、マグネトロンスパッタ法を用いて基板１上に順に、膜厚３５ｎｍのバッファ層２、膜厚１０ｎｍのイリジウムマンガン（Ｉｒ17Ｍｎ83）反強磁性層３、膜厚３.０ｎｍのコバルト鉄ボロン（Ｃｏ16Ｆｅ64Ｂ20）からなる磁化固定層４、膜厚２.０ｎｍの酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる絶縁層５、膜厚２.０ｎｍのコバルト鉄ボロン（Ｃｏ16Ｆｅ64Ｂ20）からなる磁化自由層６、膜厚１０ｎｍのキャップ層７を順に積層し、面直方向から見たとき矩形でその寸法が縦１μｍ×横４μｍの微小なＴＭＲ素子を製作した。
【００６２】
固定層４は後述するｘ軸方向の面内磁気異方性を有し、外部磁場の印加を受けても、磁化の方向の動きは実質的に無視できる。それに対して、自由層６は垂直磁気異方性を有し、面直方向の有効反磁界は弱く、磁化の方向は、外部磁場の方向に従う。
【００６３】
なお、バッファ層２の構成は、基板１と反対側から（つまり上から）順に、Ｔａ（厚さ５ｎｍ）／Ｒｕ（厚さ２０ｎｍ）／Ｔａ（厚さ５ｎｍ）／Ｒｕ（厚さ５ｎｍ）の４層である。また、キャップ層７の構成は、基板と反対側から（つまり上から）順に、Ｒｕ（厚さ５ｎｍ）／Ｔａ（厚さ５ｎｍ）の２層である。
【００６４】
イリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）反強磁性層３は、隣接した固定層の磁化の方向を固定するために設けてある。成膜された素子は、１×１０-3Ｐａ以下の真空中で、膜面内に０.６Ｔの磁場を印加しつつ、３００度で２時間の熱処理を行い、磁場をかけたまま冷却した。こうすることで、一方向磁気異方性が得られ、固定層の磁化を固定することができる。作製した本素子は、ＭＲ比が１１４％、抵抗面積値（ＲＡ）が１４ｋΩμｍ2であった。本素子に１.０Ｖの電圧を加えた際に流れる電流密度は１.０×１０8Ａ／ｍ2と非常に僅かで、この素子は電圧駆動型である。
【００６５】
なお、素子のキャップ層７を上部電極、バッファ層２を下部電極として外部導線を接合した。
【００６６】
図４は、本実施の形態にかかるマイクロ波検波器の構成及び直流外部磁場印加手段の角度を調べるための装置を示す概念図である。高周波信号検波特性を確認するために用いたホモダイン検波法を用いている。
【００６７】
ＴＭＲ素子は素子回転台１２のポールピースの中心に固定する。このとき、固定層に磁化の方向をｘｙｚ直交座標のｘに平行に合わせて固定する。素子の両側には、外部直流磁場印加手段としての電磁石のＮ極Ｓ極を配置し、その間に素子回転台１２を置く。この電磁石により、素子に０〜２Ｔの磁場を印加することができる。
【００６８】
素子回転台１２を回転させることによって、Ｎ極からＳ極に向かう磁場を、素子に対して様々な角度から印加することができる。逆に言えば、外部磁場の方向を、素子面内において、面直方向（ｚ軸）の周りに回転させることができる。つまり、外部磁場の方向をｘ軸（φ＝０度）から始まって、例えばｙ軸（φ＝９０度）、φ＝１８０度（ｘ軸）、φ＝２７０度（ｙ軸）、φ＝３６０度（ｘ軸）と自由に変えることができる。更に面内に対し斜め方向（０＜θ＜９０度）及び面直方向（θ＝９０度）に磁場を印加することもできる。
【００６９】
素子の下部電極は、不図示の外部導線を介して接地させる。他方、上部電極は外部導線を介してバイアスティー１３に接合する。直流電圧源８は、その正極をバイアスティー１３を介して素子の上部電極につなぎ、その負極は接地する。
【００７０】
マイクロ波は、ここでは実験を簡単にするため直接に素子に照射せず、マイクロ波に相当する高周波信号を使った。高周波信号は信号発生器９で発生させる。発生させた高周波信号（１〜２０ＧＨｚ）は、バイアスティー１３の高周波ポートを介して素子の上部電極に入る。高周波信号の強度（電力Ｐin）に基づき、素子に印加される電圧Ｖは、理論的に算出することができる。また、高周波信号は振幅変調されており、変調度は５０％である。信号発生器９の変調信号とロックイン増幅器１０の内部発振器は１.０ｋＨｚで同期されているため、変調信号の周波数と同期した出力ＶLIA,outがバイアスティー１３の直流ポートを介してロックイン増幅器１４で検出される。ロックイン増幅器１４の中のデジタル表示電圧計の値から出力電圧（直流）Ｖdetを求めることができる。
【００７１】
［角度φと素子の出力電圧について］
図５、図６は、高周波信号の周波数を２.０ＧＨｚ、強度（電力）を１００μＷ（−１０ｄＢｍ）とし、外部磁場を掃引しながら、素子の出力電圧（直流）を測定（検波）したときのグラフである。但し、この測定では直流電圧を印可していない。外部磁場は、素子面内から面直方向にθ＝５５度傾けている。図５は、φ＝９０度（実施例）、０度（比較例）、図６はφ＝２７０度（実施例）、φ＝１８０度（比較例）で測定（検波）したときの結果である。
【００７２】
グラフ（スペクトル）の形状は自由層の位相を反映しており、比較例でφ＝０度及び１８０度の時には反対称ローレンツ型のスペクトルが観測され、実施例でφ＝９０度及び２７０度の時にはローレンツ型のスペクトルが観測された。但し、０度と１８０度（比較例）との間、９０度と２７０度（実施例）と間ではそれぞれピーク（極大値又は極小値）の符号が反転したスペクトルとなっている。このような特徴は、電流駆動型ＴＭＲ素子では得られない特徴であり、電圧駆動型で外部磁場の方向φを制御することで初めて得られた。
【００７３】
図７は、角度φが０度から３６０度の範囲における出力電圧の信号強度を示す図である。本図は、マイクロ波周波数２.０ＧＨｚ、磁場仰角５５度、直流電圧０Ｖでの、シミュレーションによるものである。角度φが０度と１８０度では、感度が非常に悪いが、それ以外の角度では感度が向上することがわかる。角度φが、０度より大で感度が増大し、１８０度で急に感度が落ち、また１８０度より大で、感度が増大し、３６０度で感度が落ちることがわかる。このことから、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度であることが重要である。また、角度φが、４０度以上１６０度以下、２００度以上３２０度以下の時に、最大信号強度の５割以上の信号強度を実現できるので好ましい。より好ましくは、最大信号強度の８割以上の信号強度を実現できる７０度以上１４０度以下及び２２０度以上２９０度以下の時である。
【００７４】
［角度φ＝９０度の時の外部磁場の強度と出力電圧について］
図８、図９は、直流電圧を印加せずに、高周波信号の周波数を様々に変えて、外部磁場を掃引しながら、素子の出力電圧を測定（検波）したときのグラフである。高周波信号の周波数を２.０ＧＨｚ、強度（電力）を１００μＷ（−１０ｄＢｍ）とし、外部磁場の方向は素子面内から面直方向にθ＝７５度傾けて、φ＝９０度とした。図８では、５.０ＧＨｚ、１０.０ＧＨｚ、１５.０ＧＨｚのときの出力電圧は、小さいので、その数字の右側に（  ）内に示す倍数、例えば、「５.０ＧＨｚ（×３）」の場合は、３倍を乗じた値でその出力電圧をグラフに示している。従って、「５.０ＧＨｚ（×３）」の場合、グラフ上から出力電圧は約−５.５ｍＶと読み取れるが、実際の値は、それを３で割った値（−５.５÷３＝）である約−１.８ｍＶである。図８によれば、共鳴周波数（ＧＨｚ）が高くなるほど、素子の出力（Ｖ）が小さくなる傾向がみられる。これは共鳴周波数（ＧＨｚ）が高くなるほど歳差運動角が小さくなるためであると推測している。図９は共鳴周波数の磁場依存性を示す。外部磁場の強度に依存して共鳴周波数が変化することがわかる。
【００７５】
（第２の実施の形態）
本実施の形態のマイクロ波検波器は、電圧駆動型のＴＭＲ素子と、直流外部磁場印加手段と、磁化固定層と磁化自由層の間に直流電圧を印加する直流電圧源とを備える。本実施の形態は、第１の実施の形態とは、直流電圧源を備えている点で相違しているがその他は第１の実施の形態と同様である。
【００７６】
図１０は、本実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。図中、ＴＭＲ素子１０の両側には、外部直流磁場印加手段１１としての電磁石のＮ極Ｓ極を配置し、ＴＭＲ素子に直流の外部磁場（白抜きの太い矢印）を印加する。さらに、直流電圧源８により、磁化固定層と磁化自由層の間に直流電圧を印加する。
また、直流電圧源の電圧強度を変えることにより、後述するように、共鳴するマイクロ波の所定周波数を変えることや、検波器の出力電圧を高めることができる。直流電圧源として電圧強度可変の直流電圧源手段を用いるとよい。
【００７７】
第１の実施の形態と同様の図４の装置を用いて、直流電圧源８により直流電圧を印加する場合について、次に具体的実施例をもとに詳しく説明する。
【００７８】
［直流電圧と出力電圧について］
図１１は、０.０Ｖ、−０.６Ｖ、又は−１.０Ｖの直流電圧を印加し、外部磁場の強度を掃引しながら、素子の出力電圧を測定（検波）したときのグラフである。高周波信号の周波数を２.０ＧＨｚ、強度（電力）を１００μＷ（−１０ｄＢｍ）とし、外部磁場の方向はθ＝７５、φ＝９０度とした。
図１１によれば、直流電圧を印加することで、出力電圧のピーク（極小値）が高まり、感度が高まることが分かる。
【００７９】
［直流電圧と出力電圧のピーク値について］
直流電圧を細かく変え、図１１と同様（θ＝７５度、φ＝９０度）に外部磁場を掃引しながら、素子の出力電圧を測定（検波）した。図１２は、各直流電圧における出力電圧のピーク値（極小値）を縦軸に、直流電圧を横軸にプロットしたグラフである。図１２によれば、直流電圧を印加することにより、線形的に、出力電圧のピーク（極小値）が高まり、感度が高まることが明確に分かる。また、−１.０Ｖの直流電圧を加えることで、約１.８倍程度、出力電圧を増大できることがわかった。加える直流電圧が大きいほど大きな出力電圧を得ることが出来るが、直流電圧を大きくしていくことで磁気抵抗比が小さくなることや、直流電圧によって自由層の垂直磁気異方性が変調されるため、直流電圧の正負で非対称な傾向が得られる。
【００８０】
［直流電圧と出力電圧とマイクロ波の信号強度について］
図１３は、−１.０Ｖの直流電圧を印加した場合（■）、直流電圧を印加しなかった場合（●）において、出力電圧（ｍＶ）と高周波信号の強度（電力μＷ）との関係を調べたグラフである。測定条件は、図１１と同様（θ＝７５度、φ＝９０度）である。図１３によれば、高周波信号の強度が大きくなっても出力電圧は線形性を保ちながら向上し、１００μＷ付近まで大きくなっても、線形性が維持されている。更に−１.０Ｖの直流電圧を印加した状態では、線形性を維持しつつ出力電圧が増大していることがわかる。一方、電流駆動型ＴＭＲ素子（非特許文献１参照）では、高周波信号の強度が大きくなると、素子に流れる電流密度が大きくなることが知られている。そのため、自由層の磁化が不安定になる臨界電流密度付近又はそれ以上の電流密度では、出力電圧が飽和してしまう。これは、臨界電流密度以上では感度が低下することを意味している。
【００８１】
（第３の実施の形態）
本実施の形態のマイクロ波検波器は、直流外部磁場印加手段として、薄膜状の永久磁石を用いる例である。その他の構成は、第１や第２の実施の形態と同様である。
【００８２】
図１４は、本実施の形態のマイクロ波検波器の概略図である。図は、ＴＭＲ素子１０の下層として、薄膜状の永久磁石１５を設けた場合の積層構造を示す。永久磁石の磁化の向きは、面内及び面直の中間方向に立ったものであり、磁化固定層の磁化に対して面内成分が垂直である。
【００８３】
なお、上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明のマイクロ波検波器及びマイクロ波検波方法は、非常に小型な素子で実現可能であり、かつ高性能であり、携帯電話、スマートフォン、移動型無線機器、テレビ、電波望遠鏡による天体観測機器、レーダーによる移動物体監視システム、カーナビ、ＧＰＳ測位システムなどに適し、産業上有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１      基板    
２      バッファ層
３      反強磁性層
４      磁化固定層
５      絶縁層
６      磁化自由層
７      キャップ層
８      直流電圧源
９      信号発生器
１０    トンネル磁気抵抗素子
１１    直流外部磁場印加手段
１２    素子回転台
１３    バイアスティー
１４    ロックイン増幅器
１５    薄膜状永久磁石
【図１】
2016096377.tif 000003
【図２】
2016096377.tif 000004
【図３】
2016096377.tif 000005
【図４】
2016096377.tif 000006
【図５】
2016096377.tif 000007
【図６】
2016096377.tif 000008
【図７】
2016096377.tif 000009
【図８】
2016096377.tif 000010
【図９】
2016096377.tif 000011
【図１０】
2016096377.tif 000012
【図１１】
2016096377.tif 000013
【図１２】
2016096377.tif 000014
【図１３】
2016096377.tif 000015
【図１４】
2016096377.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【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】
磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子と、
直流外部磁場を印加しない状態での前記磁化固定層の磁化の素子面内成分の方向と、直流外部磁場の前記素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場印加手段と、
前記直流外部磁場印加手段により前記直流外部磁場を印加した状態で、マイクロ波により発生する、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間の直流の出力電圧を測定する電圧測定手段とを、
備えることを特徴とするマイクロ波検波器。
【請求項２】
前記角度φが４０度以上１６０度以下、又は２００度以上３２０度以下であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項３】
前記直流外部磁場印加手段は磁場強度可変で磁場強度を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数を可変にすることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項４】
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加する直流電圧源を備えることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項５】
前記直流電圧源は、電圧が可変であり、電圧を変えることにより、検出可能なマイクロ波の周波数及び出力電圧の少なくとも一方を可変にすることを特徴とする請求項４記載のマイクロ波検波器。
【請求項６】
アンテナ及び増幅器を備え、前記アンテナで受けたマイクロ波を前記増幅器で増幅して高周波電圧となし、該高周波電圧を前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に印加することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項７】
前記直流外部磁場印加手段が薄膜状の永久磁石であり、該永久磁石が前記素子と一体化されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項８】
前記絶縁トンネル障壁層が、単位面積当たりの抵抗値が１０Ωμｍ２以上であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項９】
前記磁化固定層又は磁化自由層が、面内磁気異方性、面直磁気異方性、又は面内方向と面直方向との中間磁気異方性を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波検波器。
【請求項１０】
磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子に、外部磁場の素子面内成分の方向と前記外部磁場を印加しない状態での前記固定層の磁化の素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場を印加し、マイクロ波により発生する前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に出力される直流の電圧を検出することを特徴とするマイクロ波検波方法。
【請求項１１】
前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に直流電圧を印加することを特徴とする請求項１０記載のマイクロ波検波方法。
【請求項１２】
磁化固定層、絶縁トンネル障壁層及び磁化自由層を備えた電圧駆動型トンネル磁気抵抗効果素子と、
直流外部磁場を印加しない状態での前記磁化固定層の磁化の素子面内成分の方向と、直流外部磁場の前記素子面内成分の方向との成す角度φが、０＜φ＜１８０度、又は１８０＜φ＜３６０度である直流外部磁場印加手段とを備え、
前記直流外部磁場を印加した状態で、マイクロ波を受けたときに、前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に生じる直流の出力電圧により、マイクロ波を検波することを特徴とするマイクロ波検波器。