CN112514012A

CN112514012A - 电感元件以及包括该电感元件的器件

Info

Publication number: CN112514012A
Application number: CN201980050902.7A
Authority: CN
Inventors: 永长直人; 十仓好纪; 横内智行; 川崎雅司; 大谷义近; M·A·赫希伯格
Original assignee: NATIONAL RESEARCH AND DEVELOPMENT CORP
Current assignee: NATIONAL RESEARCH AND DEVELOPMENT CORP
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2021-03-16
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: EP3832676A1; CN112514012B; US20210383955A1; EP3832676A4; JPWO2020027268A1; WO2020027268A1; JP7385283B2

Abstract

为了得到有利于小型化的电感元件，本公开的实施方式的电感元件1具备金属介质2，金属介质2中有序自旋在空间中取向使得在向某一方向追踪时具有非共线自旋结构。在该电感元件中，电流I以具有该方向的投影分量的方式流动于金属介质。作为用于金属介质的非共线自旋结构而优选的结构包括螺旋结构、摆线结构。

Description

电感元件以及包括该电感元件的器件

技术领域

本公开涉及电感元件以及包括该电感元件的器件。更详细而言，本公开涉及利用了电子的自旋结构的电感元件以及包括该电感元件的器件。

背景技术

基本电子元件中、在所施加的电压与电流之间形成线性关系的电子电路的无源元件通常是R(电阻)、C(电容)和L(电感)各元件。各元件的物理作用是生成附随于电流的热量(R)、通过电荷实现的能量蓄积(C)、和通过磁场实现的能量蓄积(L)。其中，尤其是承担电感L的元件(电感元件)在小型化方面迟缓。例如，表现出最小尺寸和高电感值的产品具有尺寸为0.6×0.3×0.3mm³的尺寸，并实现L＝130nH～270nH左右的电感值。

另一方面，发现了如下的物理现象，其具有与以利用电荷量的多寡为主要的动作原理的以往的基本电子元件不同的动作原理，除电荷量以外主要基于电子的自旋，并正在尝试向无源元件、有源元件、存储设备等的应用。这样的领域也被称为自旋电子学，近来其进展显著。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1:Gen Tatara and Hiroshi Kohno,"Theory of Current-DrivenDomain Wall Motion:Spin Transfer versus Momentum Transfer,"Phys.Rev.Lett.92,086601(2004),DOI:10.1103/PhysRevLett.92.086601

非专利文献2:S.E.Barnes and S.Maekawa,"Generalization of Faraday’s Lawto Include Nonconservative Spin Forces,"Phys.Rev.Lett.98,246601(2007),DOI:10.1103/PhysRevLett.98.246601

非专利文献3:Pham Nam Hai et al.,"Electromotive force and hugemagnetoresistance in magnetic tunnel junctions,"Nature 458,489-492(2009)DOI:10.1038/nature07879

非专利文献4:Jun-ichiro Kishine et al.,"Coherent sliding dynamics andspin motive force driven by crossed magnetic fields in a chiral helimagnet,"Phys.Rev.B 86,214426(2012)DOI:10.1103/PhysRevB.86.214426

非专利文献5:株式会社村田制作所(Murata Manufacturing Co.,Ltd.)LQP03TN_02series webpage,[online]last retrieved:July 18,2019,URL；https://www.murata.com/en-global/products/emiconfun/inductor/2014/02/27/en-20140227-p1

非专利文献6:Anjan Soumyanarayanan et al.,"Tunable room-temperaturemagnetic skyrmions in Ir/Fe/Co/Pt multilayers",Nature Materials 16,898-904(2017)DOI:10.1038/nmat4934

非专利文献7:Seonghoon Woo et al.,"Observation of room-temperaturemagnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallicferromagnets",Nature Materials 15,501-506(2016)DOI:10.1038/nmat4593

发明内容

发明所要解决的课题

在各种电子设备的小型化发展的过程中，对各种电子电路元件的小型化要求仍然有增无减。尤其是，就电感元件而言，在以往的电感元件中为了提高电感值不得不增大体积，能够实现小型化的动作原理本身仍然未知。

本公开以解决至少几个上述问题为课题。本公开通过提供一种利用传递电子在与电子的自旋转结构之间所表现出的量子现象的新的电感元件的原理，从而对采用电感元件的电子电路及包括其的器件的小型化以及高密度化作出贡献。

用于解决课题的手段

本申请发明人认为，只要通过以往的电感元件的动作原理、即、使在空间、磁性体生成的磁性的能量电流耦合的动作原理来进行动作，就难以使电感元件小型化。于是，创造出利用了电子的自旋自由度的全然不同的电感元件的原理及其构成，并完成了本公开。

即，在本公开的一个方案中，提供具备如下的电感元件以及包括该电感元件的电子器件，所述电感元件具有金属介质，金属介质的有序自旋在空间中取向使得在向某一方向追踪时具有非共线自旋结构，电流以具有所述方向的投影分量的方式流动于该金属介质。

以下在没有特别提及的情况下，电感元件包括也被称为电抗元件、电抗器等的元件和装置。另外，因为申请文件书面的表述上的限制，有时通过在文中对表示变量的字母附加“矢量”的术语，来代替在字母上方显示箭头。同样地因为表述上的限制，在文中记为h-bar，h－bar有时意味着普朗克常数h除以2π而得的值。进一步，同样地因为表述上的限制，关于常数和变量中的变量用斜体来表示加以区别这样的学术上的惯例，不用字符串来表达，而是仅通过嵌入的图片来表达。与因这些表述上的限制产生的惯用的不一致、书面中的感官上的不一致，起因于表述上的限制，不应该对本公开的揭示、权利要求的解释造成影响。

发明的效果

在本公开的一个方案中，提供了基于新的动作原理而容易小型化的电感元件以及包括该电感元件的电子器件。

附图说明

图1是用于对以往的电感元件的动作原理进行说明的说明图。

图2是对本公开的实施方式中提案的螺旋结构的自旋结构进行例示的说明图，分别示出流动电流之前的自旋配置(图2A)、和与传导电子的相互作用的结果所产生的自旋向垂直于纸面的方向抬升的情形(图2B)。

图3是示出本公开的实施方式的电感元件的构成例的构成图。

图4是在本公开的实施方式中、在角频率ω的各范围内集中示出仰角φ₀的说明图。

图5是对本公开的实施方式的非共线自旋结构进行说明的说明图，与螺旋结构(图5A)作对比地示出摆线结构的自旋结构(图5B)。

图6是本公开的实施方式中的电感元件的样本的SEM(扫描型电子显微镜)像。

图7是示出本公开的实施方式的电感元件的样本的电压降低的频率特性的测定结构的曲线图，为直线刻度(图7A)以及对数刻度(图7B)。

具体实施方式

以下参照附图，对本公开的电感元件的实施方式进行说明。在通过所有附图进行该说明时只要没有特别提及，就对共通的部分或要素标注共通的附图标记。另外，在图中，各实施方式的各个要素未必以彼此的比例尺示出。

1.原理

1－1.以往的电感元件的微细化困难性

图1是用于对以往的电感元件的动作原理进行说明的说明图。在电感元件中，由于电磁感应而产生与电流I的时间变化成比例的电位差V。该关系利用电感L表达为式(1)。

[式1]

作为典型的电感元件是图1所示的线圈。在中心配置铁芯等具有大的磁导率μ的物质而使磁通密度B＝μH增大，通过卷数N使式(1)的电位差V变大。图1所示的线圈中，将n＝N/l设为每单位长度的卷数，通过下述的式(2)得出电感L。

[式2]

伴随电路的微细化，要求即使A、l微小也得到足够大的电感L。然而，如式(2)的最右边所示那样，在每单位长度的卷数n一定的情况下，电感L会与电感元件的体积IA成比例地减小。如上述那样，产品化的表现出最小尺寸和高电感值的电感元件，为了得到例如L＝130nH～270nH左右的电感值而占据0.6×0.3×0.3mm³的尺寸。基于以往的原理而言，进一步的微细化就很困难。

1－2.传导电子与有序自旋的相互作用所产生的电感(原理)

在本实施方式中，利用的动作原理与以往的完全不同，其利用电子的自旋与传导电子的相互作用。

电子作为微小的磁体活动，这起因于具有角动量h－bar/2。需要说明的是，h－bar是普朗克常数h除以2π所得的值。一般而言，电子的自旋会成为用于呈现强磁性等物质的磁性性质的高阶结构(磁结构或磁序)的构成要素。决定物质中的磁序的是有序化的电子的自旋(有序自旋,ordered spin)的排列即自旋结构。可以采取自旋结构的有序自旋，典型的是局域的电子的自旋(局域自旋)、传导电子本身形成磁序的情况下的传导电子的自旋。自旋结构有时采取平行(parallel)自旋结构的情况，有时采取反平行(anti-parallel)自旋结构。平行自旋结构和反平行自旋结构分别成为强磁序和反强磁序的起源，两者在空间上是一样的。如平行自旋结构、反平行自旋结构那样、在空间上一样且为平行或反平行的结构也被称为共线自旋结构(collinear spin structure)。与此相对，也已知附近的自旋既不平行也不反平行那样的倾斜的自旋结构在材料中实现，并被称为非共线自旋结构(non-collinear spin structure)。该非共线自旋转结构关系到本实施方式的电感元件的动作。

在有序自旋采取非共线自旋转结构时，在其中传播的传导电子的波函数上，通过互感耦合(Hund's coupling)显示出有序自旋转的空间结构的影响而产生自旋贝里相位。以对传导电子的作用来看，自旋贝里相位与电磁场的矢量势同样地发挥作用。因此，也可以将上述自旋贝里相位对于传导电子的作用通过作为具有与其等效作用的矢量势的电磁场(“突现电磁场”emergent electromagnetic fields)来记述。典型的，引入表示物质中的局域电子的自旋取向等所形成的自旋结构的向量n。就矢量n而言，关于在xyz直角坐标系中的各位置，方向确定为一个，并具有时间依赖性。记述自旋结构

[式3]

给传导电子带来的作用的突现电磁场一般可以记述为式(4)。

[式4]

在此，下标i、j、k表示是否是直角坐标x、y、z中的哪个轴的成分并且循环地被选择，e_i、b_i分别是突现电场、突现磁场的成分，

分别是对空间坐标i的偏微分和对时间t的偏微分。传导电子的运动根据除外部电磁场之外、还重合了这样求出的突现电磁场的情形来决定。将电阻率设为ρ，该突现电场矢量e＝(e_x，e_y，e_z)得出的下述的电流密度J矢量。

[式5]

据此，在传导电子产生的电压降V成为式(6)。

[式6]

在此，电流密度矢量J与电流流动的线路的朝向一致，将突现电场矢量e的该朝向的分量设为e，进而将该线路的长度设为l。

已知成为非共线自旋结构而引发电压降的那样的结构之一是将相邻的磁畴隔开的畴壁。畴壁可以通过电流来驱动，这在理论上已有研讨，在实验中也已确认。为了说明该电压降而对电荷施加电势的力(电场)，已知为静电力(emf，电动势)(关于理论例如有非专利文献1及2，关于实验确认有非专利文献3)。还预言说在作为另一种非共线自旋转结构的螺旋结构(helical structure)中可能在整个晶体物质产生电压降(非专利文献4)。在非专利文献4中，从理论上指出，螺旋结构中的电压降是由于磁场使螺旋结构的自旋结构变形而产生。

本发明人注意到，如果使电流在采取非共线自旋结构的物质中流动，则在其内部产生emf，并且在自旋结构本身也产生变形。而且，还注意到，该电压降不是单纯的电阻，可能关系到电感的动作。尤其是，还发现，就进行这样的动作的电感元件而言，性能对于元件尺寸的依赖性有利于微细化。

1－3.螺旋结构的定式化

图2是对本实施方式中所提案的螺旋结构的自旋结构进行例示的说明图，图2A示出流动电流之前的有序自旋的配置。有序自旋的位置固定于例如未图示的晶格点(原子等)。在某一时刻，各位置的有序自旋朝向某一平面(xy平面)的面内，若使该朝向跟随垂直于该平面的朝向(z轴的朝向)，则与该距离成比例地在xy平面内旋转。在自旋的朝向向该螺旋轴的朝向以位置性周期2λ转一周时，螺旋结构的波矢Q可以确定为Q＝2π/(2λ)。需要说明的是，半旋转量的λ是自旋反转所需要的距离，与在强磁序下将相邻的两个磁畴分隔开的畴壁的厚度相对应。即使将z轴确定为该螺旋结构所具有的周期结构的波矢Q的轴，一般而言也是不会有损失的，所以本公开中的说明将直角坐标假定为这样的朝向。需要说明的是，在施加以往的磁场而在磁畴部分产生电位差的理论预测(非专利文献2)和观测(非专利文献3)中确认了，在图2A所示的螺旋结构中，平行于xy平面的畴壁由于朝向垂直于z轴的朝向(例如x轴)的外部磁场的作用而向z方向动。这些仅揭示了仅通过磁场来控制磁畴。

1－4.采取螺旋结构的自旋结构的变形以及运动

本发明人发现，在沿作为螺旋轴的朝向的z轴方向上流动随时间变动的交流电流的配置中，电压降(式(6))由于突现电场e(式(4))而高效地发生。当流动这样的电流时，承担电流的传导电子与自旋结构进行相互作用。其一为如图2A的使自旋结构整体绕z轴转动那样的旋转作用。进一步，在进行旋转的自旋结构中，由于以传导电子的相互作用而在其自身也发生变形。图2B示出由于与传导电子的相互作用的结果而产生的自旋结构的变形、也就是有序自旋向z轴方向(垂直于纸面的方向)的抬升。在以往的电感元件中，作为磁场能量而蓄积能量的作用成为电压降(式(1))而显现，与此相对，在本实施方式的电感元件中，螺旋结构的局域自旋的抬升变形承担起能量的蓄积。此时，承担着成为该能量蓄积的原因的电流的传导电子检测到因突现电场而起的电压降。

1－5.电感元件构成

在此，对本实施方式的电感元件的构成进行说明。图3是示出本实施方式的电感元件的构成例的构成图。电感元件10具备在内部具有非共线自旋结构的金属介质2。如果自旋结构是螺旋结构，则最为典型的，金属介质2的外形沿着z轴延伸，使得电流沿着作为该螺旋结构的波矢Q的方向的z轴(图2A)被引导。金属介质2中电流I朝向该延伸的朝向流动。由此，相对于螺旋结构(更一般而言为非共线自旋结构)的有序自旋，电流I使突现电场产生，承担电流I的传导电子检测到该突现电场。电流I的方向，更一般而言是能够通过非共线自旋结构由电流生成突现电场的任意的朝向。例如，在以追踪某一方向(图3中z轴方向)时局域自旋具有非共线自旋结构的方式在空间中进行取向的结构中，金属介质2的外形形成为使得在此流动的电流具有投影到提供非共线自旋结构的z轴的方向上的分量。图3中，作为例示，描绘出采用了具有如图2所示的螺旋结构的非共线自旋结构那样的金属介质2的电感元件10的构成，虽然未示出表示图2所示的自旋的朝向的箭头，但描绘出了包括自旋的圆盘4的形象。金属介质2至少在局部具有截面积A和长度l，以横截该截面积的方式遍及长度l地流动电流I。电感元件10一般而言连接于电气电路，因此电流I是其电气电路在电感元件10流动的电流。需要说明的是，在图3中金属介质2虽然描绘为长方体，但是只要满足与非共线自旋结构的上述关系可以采取任意形状、形态，例如可以设为薄膜、膜、配线，也可以具有其他任意的图案、外形形状。

如果预计到由于传导电子与自旋结构进行相互作用而在自旋结构产生何种左右的变形，则能够对电感的值等电感元件的性能进行评价。在自旋结构产生的变形与由在此流动的传导电子所产生的电流的关系，可以通过关于自旋结构的运动方程式进行解析。示出图2A所示的螺旋结构的自旋结构的矢量n，在xyz直角坐标中仅依赖于z来确定，将矢量e₁、e₂、e₃设为xyz直角坐标各自中的单位矢量，记述为式(7)。

[式7]

示出局域自旋的朝向的矢量n是m为0时朝向xy平面内、且其朝向根据z和螺旋结构的波矢矢量的大小Q而确定的长度为1的各位置处的矢量。当沿着大小Q的波矢矢量的方向(z轴)追踪矢量n时，该矢量顶端画出螺旋。m是向z轴方向的抬升成分，如果m为非零则意味着具有抬升。在此，对z轴的位置代入螺旋结构的并进运动坐标X，设为式(8)。

[式8]

cos(Qz+Ψ)＝cos(Q(zX)) (8)

X反映表示保有波矢Q的螺旋结构的位相的Ψ，换言之，可以说示出螺旋的重心位置。自旋所遵从的运动方程式也作为LLG(Landau-Lifshitz-Gilbert，朗道-栗弗席兹-吉尔伯特)方程式为人所知。若在此基础上进一步考虑由传导电子产生的电流的相互作用，则关于自旋结构的运动方程式，将φ₀设为自旋从xy面向垂直于纸面的z方向抬起的角度(仰角)，成为式(9)。

[式9]

在此，α为吉尔伯特阻尼项，β为非绝热效果项，S为自旋的大小，P为自旋极化率，a为晶格常数，e为电荷量，v_pin为具有速度的维数的量，速度的维数表示钉扎强度，v_c是与自旋异向性能量成比例的量、j是传导电子的电流密度。

[式10]

变量变换为上述式(10)，若设为sin的变量小，则式(9)成为式(11)。

[式11]

若必要的物理量用复数的实部来表达，并利用时间依赖性exp(－iωt)(其中，i为虚数单位)将式(11)线性化，则可以整理为式(12)。

[式12]

式(12)使用2×2的复数矩阵整理出的表达，因此可以使用行列式D(ω)以解析方式分解为式(13)。

[式13]

其中，矩阵D(ω)成为式(14)。

[式14]

若据此来求作为自旋结构的变形的仰角φ₀，则可算出式(15)。

[式15]

式(15)是关于自旋结构的变形的通式。在此，导入基于物理上的考察的两个物理量。它们具有如下与电流密度j相同的物理维度(维数)并具有基于钉扎效应的阈值的一面。

j_int:由固有钉扎(intrinsic pinning)产生的阈值电流密度

ζj_int＝v_c/2

j_pin:由外加钉扎(extrinsic pinning)产生的阈值电流密度

ζβj_pin＝v_pin

在此，j_int为与超过自旋结构自身所具有的自旋的异向性的阈值相对应的电流密度。与此相对，j_pin是与超过由杂质产生的钉扎的阈值相对应的电流密度。进一步，若以特征性的两个频率

ν_int＝v_c/λ

ν_pin＝v_pin/λ

对它们进行置换，则式(15)可被整理为式(16)。

[式16]

接下来，以ν_pin、ν_int的关系区分情况，研讨在ω(仰角φ₀的时间依赖性的角频率)的每个值的范围内仰角φ₀的值如何表达。结果，容易理解：根据ν_pin、ν_int的关系大体分为事例A和事例B，在各个事例中以角频率ω的值区分情况(合计分为6种)。需要说明的是，此时，根据α，β＜＜1假定为v_pin＜＜v_int。因此，成为式(16)右边的分母≒ω²+iαων_int－ν_pinν_int。包括这一情况，在没有特别说明时，“分母”“分子”是指式(16)右边的内容。

(A)ν_pin＜＜αν_int＜＜ν_int

A－(i)ω＜＜ν_pin/α＜＜ν_int

该情况下，成为

分母≒－ν_pinν_int，

所以成为式(17)。

[式17]

A－(ii)ν_pin/α＜＜ω＜＜ν_int

该情况下，成为

分母≒iαων_int、分子≒iω(β－α)，

所以成为式(18)。

[式18]

A－(iii)ν_int＜＜ω

该情况下，成为

分母≒ω²、分子≒iω(β－α)，

所以成为式(19)。

[式19]

(B)αν_int＜＜ν_pin＜＜ν_int

B－(i)ω＜＜αν_int＜＜ν_pin＜＜ν_int

该情况下，成为

分母≒iαων_int－ν_pinν_int≒－ν_pinν_int

(∵iαων_int＜＜iα²ν_int)

分子≒ν_pin，

所以成为式(20)。

[式20]

B－(ii)αν_int＜＜ω＜＜(ν_pinν_int)^1/2

该情况下，成为

分母≒－ν_pinν_int

分子：αω/ν_pin＜＜α(ν_int/ν_pin)^1/2＜＜α(1/α)^1/2＝α^1/2

∴分子≒ν_pin，

所以成为式(21)。

[式21]

B－(iii)(ν_pinν_int)^1/2＜＜ω＜＜ν_int

该情况下，成为

分母≒ω²

分子：αω/ν_pin＞＞(ν_int/ν_pin)^1/2＞＞1

∴分子≒iω(β－α)，

所以成为式(22)。

[式22]

将这样求出的仰角φ₀在角频率ω的各范围内集中示出的图4。

1－6.螺旋自旋结构中的突现电场

为了与螺旋的自旋结构对应地整理突现电场，只要针对式(6)所示的自旋磁场结构求出式(4)即可。

成为

[式23]

并将这些代入(4.1)，成为式(24)。

[式24]

在此，关于小的φ₀，m≒φ₀成立。故而，成为式(25)。

[式25]

需要说明的是，成为Q＝2π/(2λ)＝π/λ。另外，式(25)中的时间偏微分，关于角频率ω的成分可以用－iω进行置换。

2.电感元件的性能预测

在定式化的各关系式中适用关于实际物质的物理量的值和现实的值、常数值等而预估相关联的各物理量，预测出电感元件的性能。

2－1.e_z的预估

首先，固有钉扎的自旋的异向性K_⊥为0.03K～2.4K左右。该固有钉扎为对自旋进行钉扎以不使自旋朝向z轴方向抬升的作用，异向性K_⊥付与复原力的强度。可以说是为了自旋实际抬升而必需超过钉扎的量。若基于v_c∽K_⊥的关系，求出阈值电流密度j_int即为了超过钉扎所必需的最小限度的电流阈值，则可以预估为j_int＝5×10¹¹～4×10¹³A/m²。不过，该值是为了通过DC(直流)的电流使抬升发生所需的必要最小限度的电流密度，因此在施加AC(交流)电流的情况下，按与电流值成比例的量发生自旋的抬升。

另外，在式(25)中以各频率对时间偏微分进行置换，取得该实部，从e_z表达为式(26)。

[式26]

在此，若使用上述预估的阈值电流密度j_int进而使用

λ＝20nm＝2×10^－8m

e＝1.6×10^－19C

h-bar＝10^－31J·sec

的各值，则如下述式(27)这样决定突现电场的z成分与电流密度的关系。

[式27]

进一步，若设为样本的长度l＝1mm、电流密度J＝10⁹A/m²，则电压成为

V＝le_z＝1.5×10^－7×ν×10^－3(Volt)

＝1.5×10^－10×ν(Volt)。

若将检出电压降设为nVolt(10^－9V)，则频率ν(＝ω/2π)的下限能够从数Hz左右开始检出，突现电场的发现可以通过实现方式来确认。

2－2.ν_int、ν_pin的预估

接下来，预估ν_int、ν_pin的值。关于一方的ν_int，若设想具有一般的金属的传导特性的物质，则设为局域自旋的大小S～1、电子密度n、作为晶格常数a为na³～1、阈值电流密度j_int～10¹²A/m²，并成为

v_c/2＝ζj_int＝a³Pj_int/2eS。

若使用P＝0.1、a＝4nm，则成为式(28)。

[式28]

故而，可以预估出

ν_int＝v_C/λ＝(4×10⁴)/(2×10^－8)＝2×10¹²sec^－1。

关于另一方的ν_pin，若假定j_pin＝10¹⁰A/m，则成为式(30)。

[式29]

若设为α～10^－2则成为ν_pin～αν_int。

2－3.电感L的预估

接下来，对作为电感元件的特性进行说明。对截面积A、长度l的线状导体、其延伸朝向配置螺旋结构的波矢方向而制作的情况(图3)下的电感L进行预估。在式(1)中，设定为V＝le_z、电流值I＝jA，使用式(30)。

[式30]

其中，η为η＝－1/2、或者(β－α/2α)。于是，得到式(31)。

[式31]

据此，推到出式(32)的关系。

[式32]

通过该式(32)来预估L的概数(order)。为此，代入下面这样的近似值(有效数字1位)。设为η～1、l＝1μm、A＝1μm×1μm＝10^－12m²、λ＝20nm＝2×10^－8m、j_int＝10¹²A/m。若也代入此外已经叙述了的物理常数等的值，则可算出

L≒1/2×10^－10[Henry]。

该L的值成为前述的现有产品的值(L＝130nH～270nH左右)的约1/400左右。在此，虽与以往全然不同，但是与电感元件自身的尺寸相关的标度法。观察电感值对截面积A的依赖性，以往如式(2)所示那样L与A成比例，与此相对，在本实施方式的电感元件中，如式(31)、(32)所示那样L与A成反比例。也就是说，以本实施方式的原理动作的电感元件，产生同时具备通过减小截面积A能够增大L这一对元件的微细化而言极其优选的性质。

2－4.Q值的预估

为了本实施方式的电感元件的性能预测，进一步算出作为电感元件的性能指标的Q值。

为Q＝Lω/R＝2πLν/R，

并为R＝ρl/A，

因此如果将式(32)代入它们中，则得到式(33)。

[式33]

若将j_int＝10¹²A/m、λ＝20nm＝2×10^－8m还有其他值代入其中，则成为Q～0.3×10^－8ν/ρ(sec^－1/μΩcm)。因为通过ρ～1μΩcm、ν～10⁹sec^－1能得到Q～3左右的值，所以预测出本实施方式的电感元件能够作为电感元件实际发挥功能。一般而言为了提高Q，使用作为ρ小的良导体、且λ小(即自旋结构的螺旋间距小)的材质。

2－5.其他发现

回到图4，对关于仰角φ₀的发现进行说明。仰角φ₀相对于角频率ω如何活动为图4所示那样。在时间项的角频率ω小且接近DC的动作中，在事例A、B的任一中，电流密度j相对有固有钉扎的阈值电流密度j_int的比例决定了仰角φ₀的标度。这是在DC下阈值电流密度j_int变得重要的理由。不过，还不如说在高频下和阈值电流密度j_int没有关系。另外，有仰角φ₀与β－α成比例的事例(A－(ii)A－(iii)B－(iii))。这意味着，在满足作为衰减项的α与非绝热效应项β变得相等这一特殊条件的情况下，仰角φ₀不会产生。在该仰角φ₀不会产生的情况下，自旋结构所包含的各有序自旋不会因应传导电子的电流而抬升。该情况下的螺旋结构的自旋结构仅相对于z轴方向进行平行移动。需要说明的是，无论仰角如何，螺旋结构的绕z轴的单纯的旋转，无法与螺旋结构自身绕z轴进行平行移动的情况加以区别，被同样看待。另外，在仰角φ₀不会产生的情况下电感也不会产生。然而，在实际的自旋结构中认为β≠α即可，因此能够充分期待仰角φ₀产生的同时电感产生。

3.非共线自旋结构的再研究

本实施方式的电感元件即使采用螺旋结构以外的非共线自旋结构也能同样地发挥功能。这样的自旋结构之一是摆线结构(cycloidal structure)。在图5中，与螺旋结构(别名为固有螺旋结构、图5A)进行对比地示出摆线结构的自旋结构(图5B)。

在典型的摆线结构中，各位置的自旋包含于xz平面，并且周期结构的波矢朝向z轴方向。如上所述，在螺旋结构(固有螺旋结构)中自旋贝里相位作用于传导电子的结果是，在螺旋轴向上产生了仰角φ₀。与此相对，在摆线结构中，若电流在z轴方向上流动，则产生从xz平面朝向y轴方向的仰角φ₁(未图示)。这是因为：摆线结构可以用在针对上述的螺旋结构的式(6)、式(23)、式(24)中替换了单位矢量e₂和单位矢量e₃的成分而得的同样的式子来记述，所以同样地产生与单位矢量e₂的成分也即是仰角φ₁成比例的突现电场e_z。这样，在螺旋结构(固有螺旋结构)中成立的性质，在图5B的摆线结构的情况下也被直接发现。各值的预估也同样。

需要说明的是，电压降不依赖于自旋的旋转面。电感是为了相对于总是在自旋调制的矢量方向上流动的电流在相同的方向上出现电压。另外，在组合螺旋结构和摆线结构而得的结构中，也可以作为电感元件来使用。例如在图3中，如果考虑多维度下的自旋结构，则也可以采取例如组合z轴方向上为螺旋结构、y轴方向上为摆线结构这一组合构成。在这样的构成中，在沿zy平面的某一方向观察时波矢大(波长短)的旋转结构产生于自旋，并成为在追踪该方向时，在从波矢矢量的朝向倾斜的圆盘上进行旋转的自旋结构。在能够追踪自旋方向的旋转的朝向(电子感知非共线自旋结构的朝向)上流动电流的情况下，能够使也包括上述的结构、以及螺旋结构、摆线结构等作为本实施方式的电感元件发挥功能。

另外，即使不是螺旋结构或摆线结构，在作为自旋呈扇形左右摇摆的结构的风扇结构中在原理上也发现了与螺旋结构的情况同样的现象。进一步，由于相同的电感在晶体的螺旋度(右手系、左手系)的任一中不会发生符号反转，所以无需以具有有序自旋的螺旋度致的单一畴的结构的方式制作金属介质。

进一步，为了本实施方式的电感元件，也可以采用其他非共线自旋结构。例如，通过表现出圆锥(锥形，Conical)自旋结构、倾斜圆锥自旋结构的材质，也同样能够实施本实施方式的电感元件，所述圆锥自旋结构为预先以某一角度的仰角从螺旋结构抬升的结构，所述倾斜圆锥自旋结构为自旋的朝向沿着具有从周期结构的波矢方向倾斜的圆锥轴那样的圆锥面的结构。螺旋结构、摆线结构、圆锥自旋结构、倾斜圆锥自旋结构、风扇结构均是非共线自旋结构，进一步，斯格明子(skyrmion)、三维且具有阻挫(frustration)的自旋结构等也可以为了实施本实施方式的电感元件而采用。

4.实证

关于该发明领域作为国立研究开发法人日本科学技术振兴机构战略创造研究推进事业(CREST)课题，在基础申请后的2018年被选中之后，发明人进行了本实施方式中所提案的电感元件的动作实证。图6是本实施方式中电感元件10的样本的SEM(扫描型电子显微镜)。在电感元件样本110中，将把Gd₃Ru₄Al₁₂的厚度0.3μm的薄膜形成为宽度10μm、长度20μm的矩形而得的材料设为金属介质102。具体而言，在硅基板通过利用收敛离子束的微量采样法形成了矩形的Gd₃Ru₄Al₁₂。进一步，金属介质102的两短边(全宽)和两长边(各边中电极间距离成为7μm的位置)形成了由钨制成的电极114～128。在各电极连接有用于与外部电路连接的金薄膜配线134、136、142、144、146、148。具体而言，金薄膜配线134、136、142、144、146、148通过电子束蒸镀法成膜，通过UV光刻法和升降法进行了构图。另外，电极114～128通过收敛离子束辅助蒸镀法，形成为将金薄膜配线134、136、142、144、146、148与金属介质102相连。短边的是在电感元件样本110流动电流的驱动电极114、116，长边的是用于对长度方向上的电压降进行计测的探针电极122、124、126、128。

测定对象是对驱动电极114、116间施加了交流电流的状态下的、处在探针电极122、124间或者探针电极126、128间的电压降。电压降测定出与施加的交流电流同一频率的成分。

图7是示出电感元件样本110的电压降的频率特性的测定结果的曲线图，为直线刻度的(图7A)和对数刻度的(图7B)。两图均为，横轴示出施加的正弦波的交流电流的频率ν(＝ω/2π)，纵轴示出在探针电极122、124间的交流电位差的虚部(位相行进成分)所展现的电压降(－ImV)。在0～10KHz的范围测定频率ν，施加于驱动电极114、116之间的交流电流设为电流密度3.3×10⁸A/m²。就温度环境而言，为了动作的稳定性、测定精度的确保，在5K、15K的各温度下进行了测定。

一般而言，电压降V通过电感元件的电感L、电流I和角频率ω而成立下式的关系

ImV＝ωLI (34)

如果考虑到这一点，则在0～10kHz的频带中观测到与频率成比例的电压降的图7的测定结果所表示的是电感元件样本110实际作为电感元件发挥功能、以及此时的电感(L)大致一定。

如果为了算出电感L的值而使用图7B所示的温度5K的测定值也即是ImV＝5uV(频率10kHz的值)，则电感值L相对于电流密度＝3.3×10⁸A/m²可以评价为约0.08μH、即约80nH。

需要说明的是，电感元件样本110的尺寸和质量极为小型。上述样本的考虑了金属介质102所具有的电极间距离后的实效体积为

0.3μm×10μm×7μm＝21×10^－9mm³，

其质量为1ng也即是10^－9g以下。具体而言，若根据密度和体积来计算质量，则根据Gd₃Ru₄Al₁₂的密度(10.8g/cm³)和样本的体积(大致10×20×0.3μm³)来计算，从不包括电极或基板的仅金属介质102的尺寸来看，为0.65ng左右。

需要说明的是，非专利文献5所公开的在市场上可以买到的以往类型的130nH～270nH左右的电感元件的体积为

(0.6mm×0.3mm×0.3mm)＝54×10^－3mm³左右。

这样，本实施方式中所提供的电感元件为以往的电感元件的10^－6左右的尺寸以及质量而能具有同等的电感值。

5.实现非共线自旋结构的材料

接下来，关于实现非共线自旋结构、可使其作为本实施方式的电感元件来动作的材料进行说明。根据上述的说明的、相邻的自旋均大致具有强磁序(大体朝向平行的磁序)、并作为从那里开始的调制的结果实现了非共线自旋结构且表现出实用的电导率的金属材料，为典型的选择基准。将满足这样性质的非限定性的材料的例子示于表1。

[表1]

作为它们的一例，MnSi为手性磁性体，可以采取螺旋结构。需要说明的是，MnSi在特定的条件下也能采取斯格明子结构。[Ir(10)/Fe(0－6)/Co(4－6)/Pt(10)]₂₀是具备Ir/Co/Pt或Ir/Fe/Co/Pt的单位结构的铂系异质结构体的复合原料，在单位结构内各金属层具有括弧内的厚度(单位：埃＝0.1nm)。在该例中，具有反复层叠20个单位结构而得的层叠结构。另外，[Pt(3nm)/Co(0.9nm)/Ta(4nm)]₁₅是具备Pt/Co/Ta的单位结构的铂系异质结构体的复合原料异质结构体。在单位结构内各金属层具有括弧内的厚度(以nm为单位)，制作成反复层叠15个单位结构而成的层叠结构。[Ir(10)/Fe(0－6)/Co(4－6)/Pt(10)]₂₀、以及[Pt(3nm)/Co(0.9nm)/Ta(4nm)]₁₅的畴壁宽度的下限值分别为80nm左右(非专利文献6)、以及90nm左右(非专利文献7)。因此，可以期待能够使螺旋结构的间距相当程度地缩短。

在本实施方式中，一般而言，能够采用采取非共线自旋结构的物质。非共线自旋结构是由于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用所代表的自旋轨道相互作用而相对于强磁序产生了调制的局域自旋的自旋结构，从例如螺旋结构等上述的结构中选择。这样的物质，典型地可以从包含过渡金属的合金中选择。可以采用作为与自旋轨道相互作用不同的生成机理的RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)相互作用的结果而在局域自旋之间实现非共线自旋结构的物质。进一步，非共线自旋结构也通过磁阻挫而实现于局域自旋之间，也能够从这样的物质群选择适于本实施方式的电感元件的材质。

6.器件

本公开也包括搭载包括上述的电感元件的电气电子电路的器件。上述的实施方式的电感元件可以作为用于包括例如谐振电路、滤波电路的一般性电气电子电路的基本元件来采用。在原理上可适用上述电感元件的器件，虽然没有特别限定，但包括包含这些电子电路的一般性电气电子器件，无论产业用或家庭用，都包括电气电子器件、通信器件、视频音频器件、医疗相关的电子器件。本公开中所提供的电感元件可以制作得轻量且紧凑，因此向助听器、心脏起搏器、以及MEMS(micro electro mechanical systems，微机电系统)的应用也是可以的。

以上，具体说明了本公开的实施方式。上述的实施方式、变形例以及实施例，是为了对本公开中所公开的发明进行说明而记载的，本公开的发明的范围应该基于权利要求书的记载来确定。存在于包括实施方式的其他组合的本公开范围内的变形例也同样包含于权利要求书。

产业上的利用可能性

本公开可以用于电路中包括电感元件的任意装置。

附图标记说明

10 电感元件

2 金属介质

4 圆盘(示出非共线自旋结构)

110 电感元件样本

102 金属介质

114、116、122、124、126、128 电极

134、136、142、144、146、148 金薄膜配线

Claims

1.电感元件，其具备金属介质，所述金属介质中有序自旋在空间中取向使得在向某一方向追踪时具有非共线自旋结构，电流以具有所述方向的投影分量的方式流动于所述金属介质。

2.根据权利要求1所述的电感元件，其中，

所述金属介质是具备具有所述方向作为波矢方向的螺旋结构的所述空间取向的材质。

3.根据权利要求1所述的电感元件，其中，

所述金属介质是具备具有所述方向作为波矢方向的摆线结构的所述空间取向的材质。

4.根据权利要求1所述的电感元件，其中，

就所述金属介质而言，所述有序自旋相邻的所述金属介质彼此大体具有强磁序。

5.器件，包括权利要求1所述的电感元件。