JP2008053915A - マイクロ波発振素子及びその製造方法、並びに該マイクロ波発振素子を備えたマイクロ波発振装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のマイクロ波発振素子は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層もしくは前記第2の電極のどちらか一方がナノ粒子からなっている。これにより、従来と比較してより簡易な加工プロセス、成膜プロセスを用いて、高出力、低コスト、及び、量産性に優れたマイクロ波発振素子を実現することができる。
【選択図】図1
Description
Physical Review B vol.70 pp.100406 Nature vol.425 pp.380 Nature vol.437 pp.389 Nature vol.437 pp.393
本発明に係るマイクロ波発振素子、及びマイクロ波発振装置についての一実施形態を説明する。なお、以下の説明では、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲が以下の実施形態および図面に限定されるものではない。
(1)Fe、Co、Ni、または、Fe、Co、Ni、Mn及びCrよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金
(2)「パーマロイ」と呼ばれるNiFe系合金、CoNbZr系合金、FeTaC系合金、CoTaZr系合金、FeAlSi系合金、FeB系合金、CoFeB系合金などの軟磁性材料
(3)ホイスラー合金、CrO2 、Fe3 O4 、La1―X SrX MnO3 などのハーフメタル磁性材料
磁化固定層12、磁化自由層14の材料としては、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
(1)Cu、Au、Ag、Ruあるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金
(2)Al、Ti、Ta、Co、Ni、Si、Mn及びFeよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物
(3)フッ化物からなる絶縁体
尚、中間層13には、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記第2の電極にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記第2の電極は、前記磁化自由層と接している面に絶縁体に囲まれた複数の導電性ナノ粒子を有しており、前記磁化自由層と前記第2の電極とが前記導電性ナノ粒子、又は凝集したナノ粒子の塊によって、電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。
さらに、上記の構成においては、前記ナノコンタクトの接触面積は、70nm×70nm以下であることが好ましい。
また、上記の場合においては、前記導電性ナノ粒子が金属粒子であることが好ましい。
本発明にかかる他の実施の形態について、図4ないし図6に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態1との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態1で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
ここで、磁性ナノ粒子26のサイズについて述べる。上述したように、図12(b)、図13(b)のマイクロ波発振素子500、500Bにおいては、磁化自由層114を微細化し電流パスの断面積を小さくしている。これにより、電流密度が大きくなるため、マイクロ波発振に必要となる電流の大きさを低減する効果を持つ。また、磁化自由層14を微細化する理由として、磁化自由層14の単磁区化と電流分布およびジュール熱による温度分布の均一化が挙げられる。本実施の形態の場合は、磁性ナノ粒子26の寸法が電流パスの断面積を決定することになる。また、磁性ナノ粒子26を単磁区にするための寸法は、直径100nm程度である。従って、磁性ナノ粒子26を単磁区にし、且つ、電流密度を大きくしてマイクロ波発振に必要な電流を低減する為には、磁性ナノ粒子26の直径を100nm以下にする必要がある。
次に、第2の電極10bとのショートを防ぐため、反強磁性体層11から絶縁体層25に囲まれた磁性ナノ粒子26を含んだ層を覆う様に絶縁膜20としてSiNを形成する。
すなわち、マイクロ波発振素子及びこれを用いたマイクロ波発振装置は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含むことを特徴としていると換言することができる。
また、上記の構成においては、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第2の電極と前記磁性微粒子とが電気的に複数のナノコンタクトを形成していることが好ましい。
本発明にかかる他の実施の形態について、図7ないし図10に基づいて説明すれば以下の通りである。なお、本実施の形態では、上記実施の形態2との相違点について説明するため、説明の便宜上、実施の形態2で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
すなわち、マイクロ波発振素子は、第1の電極と、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層と、第2の電極とが、この順に積層されて構成されるマイクロ波発振素子において、前記磁化自由層にナノ粒子を含み、前記磁化自由層が絶縁体に囲まれた複数の磁性微粒子からなり、前記第2の電極と前記磁化自由層との間に、磁化方向が固定された第2の磁化固定層を配置していることを特徴としていると換言することができる。
1b・b’ マイクロ波発振素子
1c マイクロ波発振素子
10a 第1の電極
10b 第2の電極
11 反強磁性体層
11a 第1の反強磁性体層
11b 第2の反強磁性体層
12 磁化固定層
12a 第1の磁化固定層
12b 第2の磁化固定層
13 中間層
14 磁化自由層
15 絶縁体層
16 導電性ナノ粒子
17 電極層
18 ナノコンタクト
19 基板
20 絶縁膜
21 コンタクトホール
22 中間層
24 磁化自由層
25 絶縁体層
26 磁性ナノ粒子
31 電流
32 電子
51 電源部
52 周波数可変部
53 信号増幅部
54 交流信号
56 外部磁界発生部
60 マイクロ波発振装置
Bs 飽和磁化
V1〜V4 電源
Claims (15)
- 第1の電極と第2の電極との間に、
磁化方向が固定された磁化固定層と、
非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、
磁化方向を変化させることができる磁化自由層とを有し、
上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、
第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子において、
上記電流の経路中に、上記磁化自由層内における所定領域に流れる上記電流の密度を、該所定領域以外の領域に流れる上記電流の密度よりも高くするためのナノ粒子を複数有していることを特徴とするマイクロ波発振素子。 - 上記ナノ粒子は、導電性ナノ粒子であり、
上記第2の電極は、電極層と、上記ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ接続層とを有しており、
上記ナノ粒子が、上記電極層と上記磁化自由層とに電気的に接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。 - 上記電極層と上記磁化自由層との上記ナノ粒子の接触面積は、0を超え、4900nm2 以下であることを特徴とする請求項2に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記接触面積は、0を超え、70nm×70nm以下であることを特徴とする請求項3に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記第1の電極と、磁化固定層と、中間層と、磁化自由層と、第2の電極とがこの順で設けられていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記ナノ粒子は、金属ナノ粒子であることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁性ナノ粒子が、上記第2の電極と上記中間層とに接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。 - 上記ナノ粒子は、磁性ナノ粒子であり、
上記磁化自由層は、上記磁性ナノ粒子を絶縁体によって囲んだ構成となっており、
上記磁化固定層は、互いに磁化方向が逆である第1の磁化固定層と第2の磁化固定層とを備えており、
上記磁化自由層は、上記中間層を介して、上記第1の磁化固定層と上記第2の磁化固定層とに挟まれた構成となっており、
上記磁性ナノ粒子は、各上記中間層と接触していることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波発振素子。 - 上記磁性ナノ粒子は、直径が0を超えて、100nm以下であることを特徴とする請求項7または8に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記第1の電極と、上記磁化固定層との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子。
- 上記第2の電極と第2の磁化固定層との間、及び、上記第1の磁化固定層と第1の電極との間に、反強磁性体層を有していることを特徴とする請求項9または10に記載のマイクロ波発振素子。
- 請求項1から11の何れか1項に記載のマイクロ波発振素子と、外部磁界発生部とを有する周波数可変部を備えていることを特徴とするマイクロ波発振装置。
- 第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
電極層を有する第2の電極と、磁化自由層とを隣接させて互いを電気的に導通させる導通工程を含み、
上記導通工程は、
上記磁化自由層及び上記電極層の何れか一方の層上に、複数の導電性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記導電性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記磁化自由層及び上記電極層のうちの他方の層と、上記導電性ナノ粒子とを電気的に導通させるために、上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。 - 第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記磁化自由層を形成する磁化自由層形成工程を含み、
上記磁化自由層形成工程は、
上記第2の電極もしくは上記中間層の上に、複数の磁性ナノ粒子を形成する粒子形成工程と、
粒子形成工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分を絶縁体で覆う絶縁体形成工程と、
上記絶縁体形成工程で形成された上記絶縁体の一部を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。 - 第1の電極と第2の電極との間に、磁化方向が固定された磁化固定層と、非磁性体もしくは絶縁体である中間層と、磁化方向を変化させることのできる磁化自由層とを有し、上記中間層が、上記磁化固定層と上記磁化自由層によって挟持された構成であり、第1の電極から、該磁化固定層と中間層と磁化自由層とを介して、第2の電極に電流が流れるように構成されているマイクロ波発振素子の製造方法であって、
上記第2の電極もしくは上記磁化固定層の何れか一つの層の上に、絶縁体マトリックスと磁性ナノ粒子の原料とを含む材料を塗布し、該絶縁体マトリックスによって磁性ナノ粒子が上記磁化固定層と離間されるように、該原料から磁性ナノ粒子を形成して、上記中間層および上記磁化自由層を形成する工程と、
上記工程によって形成された上記磁性ナノ粒子の表面の少なくとも一部分の上記絶縁体を除去して該導電性ナノ粒子の表面を露出する露出工程とを含むことを特徴とするマイクロ波発振素子の製造方法。
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