JP2006295908A - マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子及びマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マイクロ波発生素子Aは、下部電極1と、下部電極1上に島状に形成された磁気抵抗素子を形成する層3と、磁気抵抗素子を形成する層3の周囲を囲むように下部電極1上に形成された絶縁体7と、絶縁体7及び磁気抵抗素子を形成する層3上に形成された上部電極5と、を有している。磁気抵抗素子を形成する層3は、下部電極1側から順に磁化固定層3aと中間層3bと、磁化自由層3cと、を有している。磁化自由層3cは、電流によって共鳴振動を起こすことが必要であり、例えば、断面積の大きさで200nm角以下、膜厚において1から5nm程度の厚さであるのが好ましい。磁化固定層3aは、単一材料であれば、磁化自由層3cの10倍程度以上の厚さを必要とする。尚、磁化固定層3aとして、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜を用いることも可能である。
【選択図】図1A
Description
本発明の一観点によれば、電流を通電することにより、磁化の共鳴振動が生じる程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上に直接設置したことを特徴とする、マイクロ波発生素子が提供される。前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさとしては、磁化自由層が単磁区化される程度であることを特徴とする。
磁化自由層の磁化ベクトルが2つの層に平行な平面(膜面)に対して垂直な成分を持つ場合、ベクトルの方向を面平行方向から面直方向に向かい45度にすることにより、さらに発振効率を上げることが出来る。また、逆に、磁化固定層の磁化ベクトルが2つの層に平行な平面(膜面)に対して垂直な成分を持ち、磁化自由層が膜面に平行な磁化ベクトルを持つようにすることにより、発振効率の上昇を得ることが可能である。
発振周波数を上昇させる手段として、磁化自由層にフェリ磁性体を使用することが出来る。フェリ磁性体とは、磁化の基本構成(副格子)が反平行方向に結合し、かつその磁化の和が有限の値で残る磁性体である(図13参照)。フェリ磁性体の例としては、フェライト、鉄ガーネットなどがあり、その磁気共鳴周波数は強磁性体に比べて高いこと(例えばフェライトで50GHz以上)が知られている。このような物質を磁化自由層に使うことにより、より高い発振周波数を持つマイクロ波発生素子を構成することが出来る。
また、発振周波数を低くすることも可能である。本発明によるマイクロ波発生素子において、発振周波数は直流バイアス電流に比例し、発振周波数の下限は、概ね電流注入磁化反転における臨界電流値(以下Ic0と表記する)によって決まる。言い換えると、小さな臨界電流値を得ることと、低い発振周波数を得ることは物理的に等価である。Ic0を低減する手法としては、以下の手法が知られている。
素子を効率よく発振させるためには、アスペクト比は3以下であることが望ましい。ここでアスペクト比とは、長辺と短辺(あるいは、長径と短径)の比である。アスペクト比が大きくなると、磁化自由層での形状磁気異方性が大きくなるため、発振効率が低くなるという欠点が生じる。
(2)磁化自由層に磁化の小さな物質を用いる。この場合、磁化自由層全体で磁化が小さくなればよいので、例えば、磁化自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁化自由層での磁化を減少させてもよい。
(3)磁化固定層あるいは、磁化自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直成分の磁化を持つ物質を用いる。
(4)磁気自由層に磁気緩和定数(ダンピングファクター)の小さな物質を用いる。
本発明によるマイクロ波発生素子においては、磁気抵抗素子に直流バイアス電流を与えることにより発振を起こす。このとき、素子の断面積が微小であるため、直流バイアス電流密度はきわめて大きくなる(少なくとも106A/cm2)。このような素子においては、抵抗による発熱(ジュール発熱)により、素子の劣化や破壊が起こるおそれがある。一方、本発明者により、本発明の磁気抵抗素子と同様な形状(電流が膜面垂直方向に流れる構造のためCPP構造と呼ばれる)の金属接合において、電流による冷却効果が発現することが報告されている(参考論文:A.Fukushima et al., JJAP, vol.44, pp.L12-14)。
さらに、上記マイクロ波発生素子によるマイクロ波発振源と、基準信号源としての外部周波数標準器と、前記マイクロ波発振源の出力と前記周波数標準器の出力との差信号を検出する差信号検出器と、該差信号に応じて、周波数を制御する手段と、を有するマイクロ波発生回路が提供される。周波数信号源としては、ルビジウム周波数標準器、高精度マイクロ波シンセサイザーなどが使用できる。周波数の制御方法としては、磁場発生装置により外部磁場をかける方法、電流バイアスを加える方法のいずれを利用しても良い。
本発明の一観点によれば、マイクロ波を与えることにより、磁化の共鳴振動が生じる程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上に直接設置したことを特徴とする、マイクロ波検出素子が提供される。前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさとしては、磁化自由層が単磁区化される程度であることを特徴とする。
磁化自由層の磁化ベクトルが2つの層に平行な平面(膜面)に対して垂直な成分を持つ場合、ベクトルの方向を膜面平行方向から面直方向に向かい45度にすることにより、さらに検出効率を上げることが出来る。また、逆に、磁化固定層の磁化ベクトルが面直成分を持ち、磁化自由層が膜面平行な磁化ベクトルを持つようにすることにより、検出効率の上昇を得ることが可能である。
検出周波数を上昇させる手段として、磁化自由層にフェリ磁性体を使用することが出来る。フェリ磁性体とは、磁化の基本構成(副格子)が反平行方向に結合し、かつ、その磁化の和が有限の値で残る磁性体である。例えば、フェライト、鉄ガーネットなどがある。フェリ磁性体の磁気共鳴周波数は強磁性体に比べて高いこと(例えばフェライトで50GHz以上)が知られている。このような物質を磁化自由層に使うことにより、より高い検出周波数を持つマイクロ波検出素子を構成することが出来る。
また、検出周波数を低くすることも可能である。本発明によるマイクロ波検出素子において、検出周波数は直流バイアス電流に比例し、発振周波数の下限は、概ね電流注入磁化反転における臨界電流値(以下Ic0と表記する)によって決まる。言い換えると、小さな臨界電流値を得ることと、低い検出周波数を得ることは物理的に等価である。Ic0を低減する手法としては、以下の手法が知られている。
(2)磁化自由層に磁化の小さな物質を用いる。この場合、磁化自由層全体で磁化が小さくなればよいので、例えば、磁化自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁化自由層での磁化を減少させてもよい。
(3)磁化固定層あるいは、磁化自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直成分の磁化を持つ物質を用いる。
(4)磁気自由層に磁気緩和定数(ダンピングファクター)の小さな物質を用いる。
本発明によるマイクロ波検出素子においては、磁気抵抗素子に直流バイアス電流を与えることにより共鳴周波数(検出すべき周波数)を変えることが出来る。このとき、素子の断面積が微小であるため、直流バイアス電流密度はきわめて大きくなる(少なくとも106A/cm2)。このような素子においては、抵抗による発熱(ジュール発熱)により、素子の劣化や破壊が起こるおそれがある。
1)素子のサイズがきわめて小さいため、マイクロ波伝送回路の上に直接作製することが出来る。
2)素子の抵抗値をマイクロ波伝送回路のインピーダンスと一致させることで、発振源、あるいは検出素子とマイクロ波伝送回路間での、インピーダンス−ミスマッチによる損失を少なくすることが出来る。この目的に対しては、素子の抵抗値の可変範囲が広い、MgOバリアを有するTMR素子を使用することで性能が向上する。
3)磁化自由層の共鳴振動を利用するため、本質的にQ値が高い。この目的に対しては、MR比が高いほど出力は大きくなるため、MgOバリアを有するTMR素子を使用することで性能が向上する。
4)外部磁場、直流電流バイアスによって、磁化の共鳴周波数を変化することが出来る。すなわち、発振周波数を外部に同期させることが可能であり、例えば、高精度外部信号とフェイズロックループ回路(PLL回路)を構成することにより、発振周波数の精度を外部信号源と同等まで安定化することが可能である。
(1)磁化自由層の磁気異方性を小さくする。より具体的には、磁化自由層の形状を磁化自由層における反磁界が一様となるようにする。反磁界が理想的に一様となる平面形状には円形、楕円形があるが、製造上の容易さから正方形や長方形などでもよい。素子の平面形状の例を図14(a)から(d)に示す。素子を効率よく発振させるためには、アスペクト比は3以下であることが望ましい。ここでアスペクト比とは、長辺と短辺(あるいは、長径と短径)の比である。アスペクト比が大きくなると、磁化自由層での形状磁気異方性が大きくなってしまうため、発振効率が低くなるという欠点がある。
(2)磁化自由層に磁化の小さな物質を用いる。この場合、磁化自由層全体で磁化が小さくなればよいので、例えば、磁化自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁化自由層での磁化を減少させてもよい。
(3)磁化固定層あるいは、磁化自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直成分の磁化を持つ物質を用いる。
(4)磁気自由層に磁気緩和定数(ダンピングファクター)の小さな物質を用いる。
Q = (Sb−Sa)×T×I
で与えられる。ここで。Tは絶対温度、Iは電流である。Qは電流に比例するため、電流の方向を逆にすると、界面での吸熱が発熱に変化する。
Claims (50)
- 信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回路と、
前記マイクロ波伝送回路に配置された強磁性多層膜磁気抵抗素子であって、磁化の共鳴振動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の特性インピーダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子と、
前記信号電極から前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を通って前記接地電極へと電流を流せる位置に形成された電極と
を有することを特徴とするマイクロ波発生素子。 - 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子として、MgO(酸化マグネシウム)をトンネルバリアとして有するTMR(トンネル磁気抵抗)素子を利用したことを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記TMR素子は、トンネル障壁層と、トンネル障壁層の第1面側に形成されたBCC構造を有する第1の強磁性体層と、トンネル障壁層の第2面側に形成されたBCC構造を有する第2の強磁性体層と、を有する磁気トンネル接合構造を有し、
前記トンネル障壁層が、単結晶MgOx(001)あるいは(001)結晶面が優先配向した酸素欠陥を有する多結晶MgOx(0<x<1)層(以下、「MgO層」と称する。)により形成され、前記第2の強磁性体層を構成する原子がMgOトンネル障壁層のO上に配置されていることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ波発生素子。 - 前記トンネル障壁層を挟んで形成される磁化自由層および磁化固定層の材料として、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金としてボロンを混入して磁化を下げた合金、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜(例えばコバルト鉄−ルテニウム−コバルト鉄の多層膜)を使用することを特徴とする請求項3に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記磁化自由層側の前記電極として非磁性材料を用いることを特徴とする請求項4に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を、前記マイクロ波伝送回路を構成するストリップライン上に作り込むことにより形成したことを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさが、積層膜構造の面内方向において200nm角より小さく、かつ、面直方向において100nmより小さいことを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさが、積層膜構造の面内方向において100nm角より小さく、かつ、面直方向において100nmよりも小さいことを特徴とする請求項1から6までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値を、前記マイクロ波伝送回路のインピーダンス値に整合させるように調整したことを特徴とする請求項1から8までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値が、10Ωから1kΩまでの間の値であることを特徴とする請求項1から9までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値が、50Ωから300Ωまでの間の値であることを特徴とする請求項1から9までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子は、外部からの制御により、磁化の共鳴振動を生じさせる強磁性多層膜磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項1から11までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜に電流を直接通電することにより、前記強磁性多層膜磁気抵抗素子に磁化の共鳴振動を生じさせる手段を有することを特徴とする請求項1から12までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を構成する磁化自由層の大きさが単一磁区になる程度の大きさであることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を構成する磁化自由層における磁化の向きが、磁化固定層の磁化の向きに対して、2つの層に平行な面内方向において直交する方向に向けられた磁気抵抗素子を備えたことを特徴とする、請求項1から14までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 磁気抵抗素子として、磁化自由層に磁気共鳴周波数の高い物質を用いることを特徴とする、請求項1から14までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 前記マイクロ波伝送回路の一端又は両端にアンテナとして機能する放射板を設けたことを特徴とする請求項1から16までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子。
- 請求項1から17までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発振周波数を変化させる手段として、外部磁場を加えるための手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項1から17までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発振周波数を変化させる手段として、電流バイアスを印加する手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項1から19までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子によるマイクロ波発振源と、基準信号源としての周波数標準器と、前記マイクロ波発振源と前記周波数標準器との差信号を検出する差信号検出器と、該差信号に応じて周波数を制御することにより基準信号源に同期したマイクロ波を発生する手段と
を有するマイクロ波発生回路。 - 前記周波数信号源として、ルビジウム周波数標準器又は高精度マイクロ波シンセサイザーを使用することを特徴とする請求項20に記載のマイクロ波発生回路。
- 周波数の制御方法として、請求項18に記載の外部磁場を印加する手段、又は、請求項19に記載の電流バイアスを加える手段のうちの少なくともいずれか一方を利用することを特徴とするマイクロ波発生回路。
- さらに、マイクロ波の発振周波数を基準信号に同期させる同期手段を有することを特徴とする、請求項20から22までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生回路。
- 前記同期手段として、外部に設けられた周波数信号源と、該周波数発振源に基づく発振をフィードバックするフィードバック回路と、を備えることを特徴とする、請求項23に記載のマイクロ波発生回路。
- 信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回路と、
前記マイクロ波伝送回路に配置された強磁性多層膜磁気抵抗素子であって、磁化の共鳴振動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の特性インピーダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子と、
前記信号電極から前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を通って前記接地電極へと電流を流せる位置に形成された電極と
を有することを特徴とするマイクロ波検出素子。 - 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子として、MgO(酸化マグネシウム)をトンネルバリアとして有するTMR(トンネル磁気抵抗)素子を利用したことを特徴とする請求項25に記載のマイクロ波検出素子。
- 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を、前記マイクロ波伝送回路を構成するストリップライン上に作り込むことにより形成したことを特徴とする請求項25又は26に記載のマイクロ波検出素子。
- 前記磁気抵抗素子の抵抗値を、前記マイクロ波伝送回路のインピーダンスに整合させるように調整されたことを特徴とする請求項25又は26に記載のマイクロ波検出素子。
- 磁化自由層の磁化の向きが、磁化固定層の磁化の向きに対して、2つの層に平行な平面(膜面)内で直交する方向に向けられた磁気抵抗素子を備えることを特徴とする、請求項25から28までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子。
- 前記磁気抵抗素子として、磁化自由層に磁気共鳴周波数の高い物質を使用することにより、マイクロ波の検出周波数を高くしたことを特徴とする、請求項25から29までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子。
- マイクロ波伝送回路の一端又は両端に、外部からのマイクロ波を効率よく導入するために受信板を設けてアンテナとしたことを特徴とする、請求項25から30までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子。
- 請求項25から31までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波検出素子。
- 請求項32に記載のマイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段として、請求項25から31までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子に対して、外部磁場を加える手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波検出素子。
- 請求項32に記載のマイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段として、請求項25から31までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子に対して、電流バイアスを加える手段を設けることを特徴とする、マイクロ波検出素子。
- 同一モジュール内又は同一基板上に、請求項1から24までのいずれか1項に記載のマイクロ波発生素子を有する局所マイクロ波発信器と、請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子を有するマイクロ波検出器と、を設けることを特徴とする単一チップ型電子スピン共鳴型分析モジュール。
- 請求項1から24までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子として、磁化自由層あるいは磁化固定層のうち少なくともいずれか一方に面直成分の磁化を持つ物質を用いたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項16に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子を構成する磁化自由層としてフェリ磁性体を用いたことを特徴とするマイクロ波発生素子。
- 請求項1から14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、マイクロ波発生素子を構成する磁気抵抗素子において、磁化自由層の形状を、その反磁界が略一様となる形状としたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項1から14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、飽和磁化の小さな物質を使用したことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項1から14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、磁気緩和定数(ダンピングファクター)の小さな物質を使用したことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項1から14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子の構造として、CPP(current perpendicular to plane:電流が面直方向に流れる構造を指す)構造を持ち、上部電極と下部電極の材料の組み合わせとして、CPP構造全体において電流冷却効果(ペルチェ冷却効果)が発現する材料の組み合わせを用いたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
- 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、磁気抵抗素子として、磁化自由層あるいは磁化固定層のうち少なくともいずれか一方に面直成分(2つの層を構成する膜面に対して垂直方向の成分)の磁化を持ち、マイクロ波の検出周波数を低くできる物質を用いることを特徴とする、マイクロ波検出素子。
- 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、磁気抵抗素子を構成する磁化自由層としてフェリ磁性体を用いたことを特徴とするマイクロ波検出素子。
- 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、
マイクロ波検出素子を構成する磁気抵抗素子において、その磁化自由層の反磁界が略一様となる形状を持つことを特徴とするマイクロ波検出素子。 - 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、
磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、飽和磁化の小さな物質を使用したことを特徴とするマイクロ波検出素子。 - 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、
磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、磁気緩和定数(ダンピングファクター)の小さな物質を使用したことを特徴とする、マイクロ波検出素子。 - 請求項25から34までのいずれか1項に記載のマイクロ波検出素子において、
磁気抵抗素子の構造として、CPP(current perpendicular to plane:電流が面直方向に流れる構造を指す)構造を持ち、上部電極と下部電極の材料の組み合わせとして、CPP構造全体において電流冷却効果(ペルチェ冷却効果)が発現する材料の組み合わせを用いたことを特徴とする、マイクロ波検出素子。 - 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けられた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置されていることを特徴とするマイクロ波発振素子。 - 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けられた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置されていることを特徴とするマイクロ波発検出素子。 - 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けられた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置され、前記ストリップラインが、前記終端部と反対の一端側に向けて大きく広げられていることを特徴とするアンテナ。
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