JP2017050727A

JP2017050727A - 高周波発振器

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Publication number: JP2017050727A
Application number: JP2015173096A
Authority: JP
Inventors: 知大谷口; Tomohiro Taniguchi; 久保田　均; Hitoshi Kubota; 均久保田; 章雄福島; Akio Fukushima
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-02
Also published as: JP6643612B2

Abstract

【課題】磁気抵抗素子の自励発振を利用する高周波発振器において発振周波数を大きく変化させる。
【解決手段】本発明の高周波発振器１００は、第一の磁気抵抗素子１と、第一の磁気抵抗素子１を自励発振させるための第一の電流源３と、第一の磁気抵抗素子１に直列接続する第二の磁気抵抗素子２と、第二の磁気抵抗素子２が発する磁界を変化させるための第二の電流源４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波発振器に関し、より具体的には、磁気抵抗素子の自励発振を利用する高周波発振器に関する。

マイクロ波帯(例えば、1GHzから100GHzの範囲の周波数)の通信は、近年重要になり、携帯電話、無線通信、衛星放送、車載レーダなど、多岐にわたって利用されている。その利用において、より小型で安価な高周波発振器の需要はますます大きくなっている。しかし、従来の半導体とLC共振器を用いた高周波発振器では、数GHz以上での周波数領域での小型化が難しいため、新しい原理による(あるいはLC共振器を必要としない)高周波発振器が望まれている。

新しい原理による高周波発振として、微小な磁気抵抗素子に外部磁界下で直流電流を流すことでGHz帯の自励発振が起こることが見出され(非特許文献１)、その後、磁気抵抗素子の自励発振を用いた発振素子(以下、スピントルクオシレータ(STOと略す))においてより大きな出力を得るために、磁気抵抗比の大きな酸化マグネシウム(MgO)バリアを持つトンネル磁気抵抗素子でのマイクロ波発振の実現(非特許文献２)や、MgOバリアを持つトンネル磁気抵抗素子を構成要素とするマイクロ波発振器の提案(特許文献１)等が既になされている。また、最近では、STOに位相同期をかけ、より高いQ値の発振回路として用いる試みも行われている。

従来のSTOの開示では、STOの発振周波数は、磁気抵抗素子の材料によって決まりおおよそ数GHzから十数GHzの範囲であること、外部磁界下で与える直流電流の大きさにより発振周波数と振幅が変化することが示されている。しかし、STOが安定して発振する電流範囲は限られており、電流により発振周波数を大きく(例えば発振周波数の数分の一以上)変化させることは不可能であった。すなわち、外部磁界下で直流電流を制御するだけではSTOの発振周波数の制御に限界があった。

特開2006-295908号公報

S. I. Kiselev, et al. "Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current", Nature, vol 425 (2003) 380, published 25 Sept. 2003 A. M. Deac, et al. "Bias-driven high-power microwave emission from MgO-based tunnel magnetoresistance devices", Nature Physics 4 (2008) 803, published 10 Aug. 2008

本発明の目的は、上述した従来の技術の課題を解決/改善することであり、具体的には、STOを用いた高周波発振器において、発振周波数を大きく変化させることである。

本発明の一態様では、第一の磁気抵抗素子と、第一の磁気抵抗素子を自励発振させるための第一の電流源と、第一の磁気抵抗素子に直列接続する第二の磁気抵抗素子と、第二の磁気抵抗素子が発する磁界を変化させるための第二の電流源と、を備える高周波発振器を提供する。

本発明の一態様によれば、第一の磁気抵抗素子の自励発振の状態を第一の電流源からの電流に加えて、第二の磁気抵抗素子が発する磁界(漏れ磁界)により制御することにより、言い換えれば外部磁界が無い状態で２つの電流源が供給する電流の制御により、発振周波数を大きく変化させることが可能な高周波発振器を提供することができる。

本発明の一態様では、第一の磁気抵抗素子に直列接続する第二の磁気抵抗素子に代えて、第一の磁気抵抗素子に並列接続する少なくとも一つの第二の磁気抵抗素子を備えることができる。

本発明の一態様によれば、第一の磁気抵抗素子の周りに(平面上の周囲に)隣接して第二の磁気抵抗素子を複数配置することができ、その結果、第二の磁気抵抗素子からの漏れ磁界の大きさを複数のレベルで離散的に変化させ、STOの動作周波数を三つあるいは四つの周波数へと増やすことが可能である。

上記した本発明の一態様の各々では、第一の磁気抵抗素子は、磁化自由層、非磁性中間層、及び磁化固定層を含むトンネル磁気抵抗素子とし、第二の磁気抵抗素子は、磁化自由層、非磁性中間層、及び磁化固定層を含む巨大磁気抵抗素子とすることができる。

本発明の一態様によれば、大きな磁気抵抗比を有するトンネル磁気抵抗素子によりSTOとして大きな発振出力を得ることができ、同時に、大きな電流を流すことができる巨大磁気抵抗素子により大きな漏れ磁界を発生/可変させてSTOの発振周波数を大きく変化させることが可能となる。

本発明の一実施形態の高周波発振器の構成(実施例１)を示す図である。本発明の一実施形態の第一の磁気抵抗素子１の発振の概念図である。本発明の一実施形態の第一の磁気抵抗素子１の発振の概念図である。本発明の一実施形態の第二の磁気抵抗素子２の磁化反転の概念図である。本発明の一実施形態の高周波発振器の他の構成(実施例２)を示す図である。図５の本発明の一実施形態(実施例２)の高周波発振器の周波数特性の計算結果を示す図である。本発明の一実施形態の高周波発振器の他の構成(実施例３)を示す図である。本発明の一実施形態の高周波発振器の他の構成(実施例４)を示す図である。本発明の一実施形態の高周波発振器の他の構成(実施例５)を示す図である。

図１〜図９を参照しながら本発明の実施形態(実施例)について以下に説明する。

図１は、自励発振を行うとして働く第一の磁気抵抗素子１と、漏れ磁界を発生させる第二の磁気抵抗素子２からなる高周波発振器１００の一例である。図１の例では、第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２が直列接続されていることを特徴とする。第一の磁気抵抗素子１は、磁化自由層１１と、トンネルバリア層(非磁性中間層)１２と、磁化固定層１３を含む。第二の磁気抵抗素子２は、磁化自由層２１と、非磁性中間層２２と、磁化固定層２３を含む。第一の磁気抵抗素子１には自励発振を励起するための電流源３と、第二の磁気抵抗素子２にはその磁化配置(方向)を変化させるための電流源４が接続されている。

第一の磁気抵抗素子１はSTOとして高い出力を得ることが望ましいので、高い磁気抵抗比(以下MR比と記する)をもつ、トンネル磁気抵抗素子を用いることが望ましい。また、第二の磁気抵抗素子２を反転させるのに必要な電流に対して、第一の磁気抵抗素子１の耐電圧が十分大きければ、第二の磁気抵抗素子２への電流源４を省略することが可能である。しかし、現状ではそのような高耐電圧のトンネル磁気抵抗素子は存在しないので、図１に示すように第二の磁気抵抗素子２への電源４を別に設けることが望ましい。さらに、第二の磁気抵抗素子２は漏れ磁界を発生させるためであり、高い磁気抵抗比を備える必要はない。そのため、トンネル磁気抵抗素子に比べて大きな電流を流すことができる巨大磁気抵抗素子を用いることが望ましい。

したがって、第一の磁気抵抗素子１としては、例えば、FeBを磁化自由層１１、MgOをトンネルバリア層１２、CoFeBを磁化固定層１３とするトンネル磁気抵抗素子を利用することができる。第二の磁気抵抗素子２としては、例えば、FePtを磁化自由層２１、Auを非磁性中間層２２、FePtを磁化固定層２３とする巨大磁気抵抗素子を利用することができる。なお、これらの各層の材料はあくまで一例であって、後述する第一の磁気抵抗素子１及び第二の磁気抵抗素子２の動作が可能であれば、他の材料及びその組み合わせを利用することができる。

ここで、図２〜図４を参照しながら図１の第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２の動作の概要を説明する。なお、下記に説明する実施例２〜５においても、この２つの磁気抵抗素子１、２の動作は基本的に同様である。図２は、第一の磁気抵抗素子１における発振の概念図である。図２では、磁化自由層１１と磁化固定層１３の両方が面内磁化膜からなる。(ａ)では、電流源３から直流電流を、磁化自由層１１から磁化固定層１３へ向かう方向(図の上から下)に流す。この場合、両層において磁化状態の変化はなく、磁化自由層１１の磁化の向き１５と、磁化固定層１３の磁化の向き１６は、層の面(水平)方向に保持されている。

図２の(ｂ)では、電流源３から比較的小さな直流電流を(ａ)の場合とは逆向きに、すなわち磁化固定層１３から磁化自由層１１へ向かう方向(図の下から上)に流す。この場合、磁化自由層１１の磁化の向き１５が楕円(容易磁化方向)１７内において歳差運動可能な状態となり、外部磁界下で小さな自励発振が起こる。(ｃ)と(ｄ)は、(ｂ)の場合と同じ電流の向きで、直流電流を中電流、大電流へと増やした場合を示す。電流の増加に伴って中程度の発振(ｃ)と大きな発振(ｄ)が発生可能となる。このように、磁化自由層１１と磁化固定層１３の両方が面内磁化膜からなる場合、電流源３からの直流電流の向きと大きさによって、第一の磁気抵抗素子１(磁化自由層１１)の発振の有無とその大きさを制御することができる。なお、本発明では、詳細は後述するように、外部磁界として第二の磁気抵抗素子２が発する漏れ磁界を利用する。

図３では、磁化自由層１１が面内磁化膜からなり、磁化固定層１３が垂直磁化膜からなる場合の発振の概念図である。(ａ)、(ｂ)ともに磁化固定層１３の磁化の向き１６は垂直上向きである。(ａ)では、電流源３から直流電流を磁化自由層１１から磁化固定層１３へ向かう方向(図の上から下)に流す。この場合、磁化自由層１１の磁化の向き１５が楕円(容易磁化方向)１７内において歳差運動可能となり、外部磁界下で自励発振が起こる。

図３の(ｂ)では、電流源３から直流電流を(ａ)の場合とは逆向きに、すなわち磁化固定層１３から磁化自由層１１へ向かう方向(図の下から上)に流す。この場合、同様に磁化自由層１１の磁化の向き１５が楕円(容易磁化方向)１７内において歳差運動可能となり、外部磁界下で自励発振が起こる。このように、磁化自由層１１が面内磁化膜からなり、磁化固定層１３が垂直磁化膜からなる場合、電流源３からの直流電流の向きが上下どちらであっても発振し、直流電流の大きさによって発振の大きさを変えることができる。

図４は、本発明の一実施形態の第二の磁気抵抗素子２の磁化反転の概念図である。(ａ)では、最初に磁化自由層２１の磁化の向き２５と磁化固定層２３の磁化の向き２６が反平行な状態にある。この状態で、電流源４から直流電流を磁化自由層２１から磁化固定層２３へ向かう方向(図の上から下)に流す。すると、(ｂ)に示すように、磁化自由層２１の磁化の向き２５と磁化固定層２３の磁化の向き２６が平行な状態になる。

次に、(ｃ)に示すように、電流源４から直流電流を磁化固定層２３から磁化自由層２１へ向かう方向(図の下から上)に流す。すると、(ｄ)に示すように、磁化自由層２１の磁化の向き２５と磁化固定層２３の磁化の向き２６が反平行な状態になる。このように、第二の磁気抵抗素子２に流す直流電流の向きに応じて磁化の向きを反転させることができる。第二の磁気抵抗素子２は、電流を流さない状態で、(ｂ)の磁化の向きが平行な状態と(ｄ)の磁化の向きが反平行な状態の２つの安定状態を持ち、この２つの状態において漏れ磁界に差が出るように構成される。すなわち、上記の(ｂ)と(ｄ)の磁化状態の変更によって、漏れ磁界の切り替え制御をおこなう。

図５は、本発明の一実施形態の高周波発振器１００の他の構成(実施例２)を示す図である。図５の構成は、図１の高周波発振器１００の構成と比較して、第一の磁気抵抗素子１の磁化自由層１１と磁化固定層１３の位置が上下で逆になっている点が異なり、他の構成は両者で同様である。図５の構成では、第一の磁気抵抗素子1の磁化自由層１１を第二の磁気抵抗素子２に近づけることで、第二の磁気抵抗素子２の漏れ磁界を磁化自由層１１に与える効率を高くすることができる。

図６は、図５の本発明の一実施形態(実施例２)の高周波発振器の周波数特性の計算結果を示す図である。図６は、第二の磁気抵抗素子２の漏れ磁界により、STOである第一の磁気抵抗素子１の発振周波数が、どのくらい変化するかを数値計算によって見積もった結果である。図６の(ａ)では、簡便のため第一の磁気抵抗素子１の磁化自由層１１と、磁化自由層１１にかかる漏れ磁界の第二の磁気抵抗素子２の二つの磁性層の磁化の方向を示す矢印２５、２６のみを記している。第二の磁気抵抗素子２の二つの磁性層が平行の場合最も大きな漏れ磁界が発生し、反平行の場合は打ち消し合って漏れ磁界は小さくなる。

この数値計算に用いたパラメータは、以下の通りである。ここで磁化自由層１１の材料としてFeBを仮定している。

・磁化自由層の磁化： 1500emu/c.c.
・磁化自由層のダンピング： 0.01
・磁化自由層の磁気回転比： 17.6 × 10⁶rad/(Ｏｅ s)
・磁化自由層の厚み： 2nm
・スピントルクのスピン偏極率： 0.7
・スピントルクの非対称性：スピントルクのスピン偏極率の2乗
・電流密度： 5×10⁶A/cm²
・漏れ磁界の大きさ: ±600 Ｏｅ

図６(ｂ)のグラフＡ、Ｂより、外部磁界ゼロにおいて、第二の磁気抵抗素子２の漏れ磁界がＡの＋600 ＯｅからＢの−600 Ｏｅへと変化した時、本発明による一実施例の高周波発振器１００の発振周波数は、14GHzから10GHzへと大きく変化することが分かる。図５に示した例では、第二の磁気抵抗素子２からの漏れ磁界が大きな場合(平行状態)と、小さな場合(反平行状態)での変化を検討すべきであるので、周波数の変化は上記の半分程度と見積もることができる。また、この漏れ磁界の大きさ(600 Ｏｅ程度)は、CoPt/Ru/CoPt等の反強磁性結合した垂直磁化膜を利用することで実現可能な大きさである。

図７は、本発明の一実施形態の高周波発振器１００の他の構成(実施例３)を示す図である。図７では、第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２が並列に接合されている。他の構成は図１の構成と同様である。第一の磁気抵抗素子１には自励発振を励起するための電流源３と、第二の磁気抵抗素子２にはその磁化配置を変化させるための電流源４が接続されている。第二の磁気抵抗素子２は、図４を参照しながら既に上述したように、電流を流さない状態で二つの安定状態を持ち、この二つの状態において漏れ磁界に差が出るように構成される。さらに、第二の磁気抵抗素子２の磁化状態を変化させる手法として、電流源４からの第二の磁気抵抗素子２を貫く直流電流を利用する。

第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２を並列に配列することで、図１の実施例１の構成よりも第二の磁気抵抗素子２から第一の磁気抵抗素子１へ漏れ磁界を与える効率は悪くなることが予測される。しかし、第二の磁気抵抗素子２を複数にすること、すなわち漏れ磁界を与える第三の磁気抵抗素子、または第四の磁気抵抗素子を備えることで、漏れ磁界の大きさを離散的に変化させ、STOの動作周波数を三つの周波数、あるいは四つの周波数に増やすことも可能である。

図８は、本発明の一実施形態の高周波発振器１００の他の構成(実施例４)を示す図である。図８では、図１の実施例１の構成と同様に、第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２が直列に接合されている。図１の実施例１の構成と違って、第二の磁気抵抗素子２では、磁化自由層２１が磁化固定層２３の下側に配置されている。第一の磁気抵抗素子１には自励発振を励起するための電流源３が接続されている。第二の磁気抵抗素子２は、図４を参照しながら既に上述したように、電流を流さない状態で２つの安定状態を持ち、この二つの状態において漏れ磁界に差が出るように構成される。

さらに、第二の磁気抵抗素子２の磁化状態を変化させる方法として、第二の磁気抵抗素子２の磁化自由層２１に接した非磁性金属端子６を流れる電流によるスピン軌道トルクを利用することを特徴とする。ここで、非磁性金属としては、TaまたはPtが望ましい。第二の磁気抵抗素子２の磁化配置を変化させるための電流源４は、非磁性金属端子６に電流が流れるように接続されている。このような配置を取る時、STOである第一の磁気抵抗素子１に、第二の磁気抵抗素子２の磁化反転を行うための電流を流さなくても済むという利点がある。

図９は、本発明の一実施形態の高周波発振器１００の他の構成(実施例５)を示す図である。図９では、図１の実施例１の構成と同様に、第一の磁気抵抗素子１と第二の磁気抵抗素子２が直列に接合されている。図１の実施例１の構成と違って、第二の磁気抵抗素子２では、磁化自由層２１が磁化固定層２３の下側に配置されている。第二の磁気抵抗素子２は、電流を流さない状態で２つの安定状態を持ち、この二つの状態において漏れ磁界に差が出るように構成される。さらに、第二の磁気抵抗素子２の磁化状態を変化させる方法として、第二の磁気抵抗素子２の磁化自由層２１の近傍に設けた電線７に直流電流を流すことで生成した磁界を利用することを特徴とする。このような配置を取る時、図８の構成例(実施例４)の場合と同様に、STOである第一の磁気抵抗素子１に、第二の磁気抵抗素子２の磁化反転を行うための電流を流さなくても済むという利点がある。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の高周波発振器は、携帯電話、無線通信、衛星放送、車載レーダなどで使用可能なマイクロ波帯の通信機器の局部発振器として利用することができる。

１：第一の磁気抵抗素子
２：第二の磁気抵抗素子
３、４：電流源
６：非磁性金属端子(層)
７：導電(金属)層
１１、２１：磁化自由層
１２、２２：トンネルバリア層(非磁性中間層)
１３、２３：磁化固定層
１５、１６、２５、２６：磁化の向き
１７：容易磁化方向
１００：高周波発振器

Claims

第一の磁気抵抗素子と、
第一の磁気抵抗素子を自励発振させるための第一の電流源と、
第一の磁気抵抗素子に直列接続する第二の磁気抵抗素子と、
第二の磁気抵抗素子が発する磁界を変化させるための第二の電流源と、
を備える、高周波発振器。
前記第二の電流源は、前記第二の磁気抵抗素子を貫通する直流電流の大きさを変えることにより前記第二の磁気抵抗素子の磁化状態を変化させる、請求項１に記載の高周波発振器。
前記第二の磁気抵抗素子に接合する非磁性金属層をさらに備え、前記第二の電流源は、前記非磁性金属層を流れる直流電流の大きさを変えることにより前記第二の磁気抵抗素子が発する磁界の大きさを変化させる、請求項１に記載の高周波発振器。
前記第二の磁気抵抗素子の近傍に設けられた導線をさらに備え、前記第二の電流源は、前記導線を流れる直流電流の大きさを変えることにより前記第二の磁気抵抗素子が発する磁界の大きさを変化させる、請求項１に記載の高周波発振器。
第一の磁気抵抗素子と、
第一の磁気抵抗素子を自励発振させるための第一の電流源と、
第一の磁気抵抗素子に並列接続する少なくとも一つの第二の磁気抵抗素子と、
第二の磁気抵抗素子が発する磁界を変化させるための第二の電流源と、
を備える、高周波発振器。
前記第二の電流源は、前記第二の磁気抵抗素子を貫通する直流電流の大きさを変えることにより前記第二の磁気抵抗素子の磁化状態を変化させる、請求項５に記載の高周波発振器。
前記第一の磁気抵抗素子は、磁化自由層、非磁性中間層、及び磁化固定層を含むトンネル磁気抵抗素子からなり、
前記第二の磁気抵抗素子は、磁化自由層、非磁性中間層、及び磁化固定層を含む巨大磁気抵抗素子からなる、請求項１から６のいずれかに記載の高周波発振器。