JP2019079876A - 磁気抵抗素子および検波器 - Google Patents

Abstract

【課題】回路規模の拡大を抑制しつつマルチバンドに対応することが可能な磁気抵抗素子および検波器を提供する。【解決手段】磁気抵抗素子は、複数の磁性層１０、１２、１３と、複数の磁性層１０、１２、１３のうちの２つに挟まれた中間層１１と、を備え、入力された交流信号を直流信号に変換する。複数の磁性層１０、１２、１３には、磁化方向が可変とされ、交流信号によって共鳴する複数の磁化共鳴層１２、１３が含まれており、複数の磁化共鳴層１２、１３は、互いに共鳴周波数が異なっている。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気抵抗素子および検波器に関するものである。

近年、通信分野ではマルチバンド化が進んでおり、８００ＭＨｚ、１．７ＧＨｚ、２ＧＨｚ等の周波数帯が使用されている。さらに、５Ｇ世代では６０ＧＨｚ程度の高周波数帯域が使用されることが予測されている。また、自動車の分野でも、現在２４ＧＨｚ、７６ＧＨｚの周波数帯が使用されており、将来は７９ＧＨｚ、１４０ＧＨｚ、３００ＧＨｚの周波数帯の使用が予測されている。このようにマルチバンド化が進む中で、複数の周波数帯の信号を検出する方法が様々に検討されている。

例えば特許文献１では、スピントルクダイオード効果によって交流信号を直流信号に変換する磁気抵抗素子を用いた検波器が提案されている。磁気抵抗素子は、通常、磁化方向が固定された固定層と、非磁性体で構成された中間層と、磁化方向が可変とされた自由層とが順に積層された構成を有しており、磁気抵抗素子を用いた検波器では、自由層のバンドに応じた周波数の交流信号を検出することができる。

特開２０１６−９２７４６号公報

しかしながら、自由層の共鳴線幅は共鳴周波数の１／１０程度と狭く、例えば共鳴周波数が１ＧＨｚであれば共鳴線幅は０．１ＧＨｚ程度となるため、１つの自由層でマルチバンドに対応することは困難である。

特許文献１に記載の検波器では、磁気抵抗素子に外部磁界を印加して自由層の共鳴周波数を変化させているが、この方法による共鳴周波数の変化幅は１０ＧＨｚ程度であり、マルチバンドに対応するには不十分である。

したがって、特許文献１に記載の検波器でマルチバンドに対応するためには、例えば検波器を複数配置する必要があり、回路の規模が大きくなる。

本発明は上記点に鑑みて、回路規模の拡大を抑制しつつマルチバンドに対応することが可能な磁気抵抗素子および検波器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、複数の磁性層（１０、１２、１３、１６）と、複数の磁性層のうちの２つに挟まれた中間層（１１）と、を備え、入力された交流信号を直流信号に変換する磁気抵抗素子であって、複数の磁性層には、磁化方向が可変とされ、交流信号によって共鳴する磁化共鳴層（１２、１３、１６）が複数含まれており、複数の磁化共鳴層は、互いに共鳴周波数が異なっている。

これによれば、複数の磁化共鳴層の共鳴周波数が互いに異なっているので、１つの磁気抵抗素子で複数の周波数帯の交流信号を検出することができる。したがって、回路規模の拡大を抑制しつつマルチバンドに対応することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる検波器の構成を示す図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗素子の断面図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗素子の出力の周波数特性を示す図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗素子の断面図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗素子の出力の周波数特性を示す図である。 第３実施形態にかかる磁気抵抗素子の出力の周波数特性を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。本実施形態の検波器は、複数の周波数帯の電磁波を検出するものであり、図１に示すように、磁気抵抗素子１と、アンテナ２と、バイアスティ回路３と、電圧計４とを備えている。

磁気抵抗素子１は、入力された交流信号をスピントルクダイオード効果により直流信号に変換して出力するものである。アンテナ２は、受信した電磁波を交流信号に変換して磁気抵抗素子１に入力するものであり、磁気抵抗素子１とアンテナ２はバイアスティ回路３を介して接続されている。

バイアスティ回路３は、磁気抵抗素子１に入力される交流信号と磁気抵抗素子１から出力される直流信号とを分離するものであり、キャパシタ５とインダクタ６とを備えている。キャパシタ５は磁気抵抗素子１とアンテナ２との間に接続されており、インダクタ６は磁気抵抗素子１と電圧計４との間に接続されている。

磁気抵抗素子１の詳細な構成について説明する。磁気抵抗素子１は、図示しない基板上に複数の層が積層されて構成されており、複数の層には、複数の磁性層と、複数の磁性層のうちの２つに挟まれた非磁性層とが含まれている。また、複数の磁性層には、磁化方向が可変とされ、交流信号によって共鳴する磁化共鳴層が複数含まれている。

本実施形態では、磁気抵抗素子１は２つの磁化共鳴層を備えており、磁化共鳴層とは異なる磁性層と、非磁性層と、一方の磁化共鳴層と、他方の磁化共鳴層とが順に積層されている。

具体的には、図２に示すように、磁気抵抗素子１は、下部電極７と、下地層８と、反強磁性層９と、参照層１０と、中間層１１と、磁化共鳴層１２と、磁化共鳴層１３と、キャップ層１４と、上部電極１５とを備えている。

下部電極７は、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｃｕ（銅）、ＣｕＮ、Ａｕ（金）等の導電性材料で構成されており、図示しない基板上に薄膜状に形成されている。下地層８は、Ｔａ（タンタル）、Ｒｕ等で構成されており、下部電極７上に薄膜状に形成されている。下地層８は、結晶性、配向性を向上させて反強磁性層９を成膜するための下地となるものである。

反強磁性層９は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等で構成されており、下地層８上に薄膜状に形成されている。反強磁性層９は、交換結合により、参照層１０の磁化方向を固定するためのものである。

参照層１０は、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）等の強磁性材料で、または強磁性材料とＢ（ホウ素）とで構成されており、反強磁性層９上に薄膜状に形成されている。参照層１０は、反強磁性層９との交換結合により、磁化方向が厚さ方向に垂直な方向に固定されている。参照層１０は、磁性層に相当する。

中間層１１は、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、Ａｌ−Ｏ_ｘ（酸化アルミニウム）、Ｃｕ、Ａｇ（銀）等の非磁性体で構成され、参照層１０上に薄膜状に形成されている。

磁化共鳴層１２は、例えばＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等の強磁性材料で構成されており、中間層１１上に薄膜状に形成されている。磁化共鳴層１２は、磁化方向が可変とされており、交流信号によって磁化が歳差運動する。

磁化共鳴層１３は、例えばＣｏＰｔの多層膜で構成されており、磁化共鳴層１２上に薄膜状に形成されている。磁化共鳴層１３は、磁化方向が可変とされており、交流信号によって磁化が歳差運動する。

磁気抵抗素子１のうち参照層１０〜磁化共鳴層１３で構成される部分は、参照層１０の磁化方向と磁化共鳴層１２、磁化共鳴層１３の磁化方向との間の角度によって抵抗値が変化する。また、この部分は、交流信号が入力されると、スピントルクダイオード効果によって交流信号を直流信号に変換して出力する。そして、交流信号の周波数によっては、磁化共鳴層１２または磁化共鳴層１３が共鳴し、出力信号が大きくなる。

本実施形態では、磁化共鳴層１２と磁化共鳴層１３は互いに共鳴周波数が異なっている。共鳴周波数は材料パラメータに比例するので、磁化共鳴層１２と磁化共鳴層１３を異なる材料で構成することにより、磁化共鳴層１２と磁化共鳴層１３の共鳴周波数が異なる値となる。

例えば、磁化共鳴層１２をＣｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ等で構成した場合、磁化共鳴層１２の共鳴周波数は９ＧＨｚ等になり、磁化共鳴層１３をＣｏＰｔの多層膜で構成した場合、磁化共鳴層１３の共鳴周波数は２０ＧＨｚ、４０ＧＨｚ等になる。

中間層１１に接する磁性層を、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂのうち少なくとも１つを含む材料で構成することにより、磁気抵抗素子１の磁気抵抗比が高くなり、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。本実施形態のように中間層１１が参照層１０、磁化共鳴層１２と接する場合には、参照層１０、磁化共鳴層１２のいずれか一方または両方を、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂのうち少なくとも１つを含む材料で構成することにより、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、複数の磁化共鳴層のバンドが重ならないように周波数特性が設計されている。共鳴周波数がバンドの中心にある場合には、次のように材料を選択することで、複数の磁化共鳴層のバンドが重ならないようにすることができる。すなわち、磁気抵抗素子１が備える磁化共鳴層の数をＮとし、ｎをＮ以下の自然数とし、ｎ番目の磁化共鳴層の共鳴周波数、共鳴線幅をそれぞれｆ_ｎ、Δｆ_ｎとする。また、ｍをＮ以下のｎとは異なる自然数とし、ｍ番目の磁化共鳴層の共鳴周波数、共鳴線幅をそれぞれｆ_ｍ、Δｆ_ｍとする。そして、｜ｆ_ｎ−ｆ_ｍ｜＞（Δｆ_ｎ＋Δｆ_ｍ）／２となるように各磁化共鳴層の材料を選択する。

共鳴周波数がバンドの中心から離れている場合もあるが、この場合にも、上記の式を目安として用いて各磁化共鳴層の材料を選択することにより、複数の磁化共鳴層のバンドが重なることを抑制することができる。

磁化共鳴層が２つ配置された本実施形態では、ｆ_２−ｆ_１＞（Δｆ_１＋Δｆ_２）／２となるように各磁化共鳴層の材料が選択されている。なお、ｆ_１、ｆ_２はそれぞれ磁化共鳴層１２、磁化共鳴層１３の共鳴周波数である。また、共鳴線幅は図３に示すように設定されている。すなわち、アンテナ２が受信した電磁波、および、磁気抵抗素子１に入力される交流信号の周波数をｆとし、磁気抵抗素子１が出力する直流電圧をＶとする。そして、ｆ＝ｆ_１のときの電圧をＶ_１とし、ｆ_１付近でＶ≧Ｖ_１／２となる周波数ｆの範囲の幅をΔｆ_１とする。同様に、ｆ＝ｆ_２のときの電圧をＶ_２とし、ｆ_２付近でＶ≧Ｖ_２／２となる周波数ｆの範囲の幅をΔｆ_２とする。

キャップ層１４は、磁化共鳴層１３を保護するためのものであり、Ｔａ、Ｒｕ等で構成され、磁化共鳴層１３上に薄膜状に形成されている。上部電極１５は、Ａｕ、Ｃｕ、ＣｕＮ、Ｒｕ等の導電性材料で構成されており、キャップ層１４上に薄膜状に形成されている。

このように、磁気抵抗素子１は、複数の層を挟むように配置された下部電極７および上部電極１５を備えている。そして、上部電極１５にはバイアスティ回路３のキャパシタ５を介してアンテナ２の出力端子が接続されており、下部電極７は接地されている。また、下部電極７および上部電極１５にはバイアスティ回路３のインダクタ６を介して電圧計４が接続されている。

なお、このように磁気抵抗素子１とアンテナ２とを接続する場合には、磁気抵抗素子１とアンテナ２とのインピーダンス整合をとることが望ましい。例えば、アンテナ２のインピーダンスが一般的な高周波の通信機器と同様に５０Ωとされている場合には、磁気抵抗素子１のインピーダンスを５０Ωとすることが望ましい。

前述したように、磁気抵抗素子１の抵抗値は参照層１０の磁化方向と磁化共鳴層１２、１３の磁化方向との間の角度によって変化するが、磁気抵抗素子１の平均の抵抗値をＲ_０として、Ｒ_０が５０Ωとなるように磁気抵抗素子１を設計すればよい。

磁気抵抗素子１の磁気抵抗比をＭＲとし、参照層１０と磁化共鳴層１２、１３の磁化方向が平行であるときの磁気抵抗素子１の抵抗値をＲ_Ｐとする。また、共鳴前の平衡状態において参照層１０と磁化共鳴層１２、１３の磁化方向のなす角をθとすると、Ｒ_０＝２（１＋ＭＲ）Ｒ_Ｐ／（２＋ＭＲ＋ＭＲｃｏｓθ）となる。なお、参照層１０と磁化共鳴層１２、１３の磁化が反平行のときの磁気抵抗素子１の抵抗をＲ_ＡＰとして、ＭＲ＝（Ｒ_ＡＰ−Ｒ_Ｐ）／Ｒ_Ｐとなる。

また、磁気抵抗素子１の上面の面積をＡとし、面積抵抗比をＲＡとすると、ＲＡ＝Ｒ_Ｐ×Ａとなる。したがって、ＲＡ、ＭＲ、θがわかれば、Ａを調整することにより、磁気抵抗素子１のインピーダンスを５０Ωとすることができる。

例えば、中間層１１をＭｇＯで構成し、参照層１０および磁化共鳴層１２をＣｏＦｅＢで構成した場合、中間層１１の膜厚をｔとすると、ＲＡ＝０．０１１１×１０^−１２ｅｘｐ（７．９×１０^９・ｔ）となる（参考文献：Ikhtiar et al., APL 108, 242416 (2016)）。したがって、中間層１１の膜厚ｔが０．８０ｎｍのとき、ＲＡは６．１７Ωμｍ^２となる。そして、ＭＲを１００％とし、高感度化のためにθを９０°とすると、磁気抵抗素子１の上面を直径０．４６μｍの円形状とし、上面の面積Ａを０．１６μｍ^２とすることで、Ｒ_０が約５０Ωとなる。

このように、中間層１１の材料および膜厚と、参照層１０および磁化共鳴層１２の材料とによって面積抵抗比ＲＡが変化する。そして、ＲＡ、ＭＲ、θを考慮して磁気抵抗素子１の上面の面積Ａを調整することにより、磁気抵抗素子１のインピーダンスを５０Ωとすることができる。

本実施形態の検波器の作動について説明する。図１に示すように接続された状態でアンテナ２が電磁波を受信すると、アンテナ２は受信した電磁波と周波数が等しい交流信号を出力する。アンテナ２の出力信号はキャパシタ５を介して磁気抵抗素子１に入力され、磁気抵抗素子１でスピントルクダイオード効果によって直流信号が生成される。そして、このときの下部電極７と上部電極１５の間の電圧を電圧計４によって読み取ることで、電磁波を検出することができる。

本実施形態では、周波数ｆがｆ_１付近のときに磁化共鳴層１２が共鳴して電圧Ｖが大きくなり、周波数ｆがｆ_２付近のときに磁化共鳴層１３が共鳴して電圧Ｖが大きくなるので、ｆ_１付近の周波数の電磁波およびｆ_２付近の周波数の電磁波を検出することができる。

このように、共鳴周波数の異なる複数の磁化共鳴層を積層することにより、複数の周波数帯の交流信号を１つの磁気抵抗素子１で検出することができる。したがって、１つの磁気抵抗素子１を備える検波器で複数の周波数帯の電磁波を検出することが可能となり、回路規模の拡大を抑制しつつマルチバンドに対応することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して磁化共鳴層の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図４に示すように、本実施形態では、下地層８と中間層１１の間に、反強磁性層９および参照層１０の代わりに磁化共鳴層１６が配置されている。

磁化共鳴層１６は例えばＣｏＰｔの多層膜で構成されており、共鳴周波数が磁化共鳴層１３よりも高くされている。磁化共鳴層１６の共鳴周波数をｆ_３とすると、磁気抵抗素子１の周波数特性は、図５に示すようになる。

図５に示すように、本実施形態では、ｆ＝ｆ_１、ｆ＝ｆ_２、ｆ＝ｆ_３での電圧Ｖのピーク値は、互いにほぼ等しくされている。また、ｆ_３＞ｆ_２であり、ｆ＝ｆ_３のときの電圧をＶ_３とし、ｆ_３付近でＶ≧Ｖ_３／２となる周波数ｆの範囲の幅をΔｆ_３として、ｆ_３−ｆ_２＞（Δｆ_２＋Δｆ_３）／２とされている。

磁化共鳴層１２、磁化共鳴層１３に加えて磁化共鳴層１６を備える本実施形態では、ｆ_１付近の周波数の電磁波、ｆ_２付近の周波数の電磁波に加えて、ｆ_３付近の周波数の電磁波を検出することができる。このように、磁化共鳴層を中間層１１の両側に配置してもよく、磁化共鳴層の数を増やすことで、検出可能な周波数帯の数を増やすことができる。

なお、磁化共鳴層を中間層１１の両側に配置する場合には、磁化共鳴層の磁化容易軸の方向を次のようにすることで、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。すなわち、中間層１１の一方側に配置された磁化共鳴層のうち少なくとも１つの磁化容易軸を、中間層１１、磁化共鳴層１２等の積層方向に垂直とする。そして、中間層１１の他方側に配置された磁化共鳴層のうち少なくとも１つの磁化容易軸を、中間層１１、磁化共鳴層１２等の積層方向に平行とする。

例えば本実施形態では、磁化共鳴層１２、磁化共鳴層１３の一方または両方の磁化容易軸を各層の積層方向に垂直とし、磁化共鳴層１６の磁化容易軸を各層の積層方向に平行とすることで、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。また、磁化共鳴層１２、磁化共鳴層１３の一方または両方の磁化容易軸を各層の積層方向に平行とし、磁化共鳴層１６の磁化容易軸を各層の積層方向に垂直とすることで、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。

また、本実施形態では、中間層１１に接する磁性層である磁化共鳴層１２および磁化共鳴層１６のいずれか一方または両方を、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｂのうち少なくとも１つを含む材料で構成することにより、磁気抵抗素子１の感度を向上させることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して磁気抵抗素子１の出力の周波数特性を変更したものであり、その他については第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、周波数ｆが１つの磁化共鳴層の共鳴周波数に等しいときの電圧Ｖの大きさは、周波数ｆが他の１つの磁化共鳴層の共鳴周波数に等しいときの電圧Ｖの大きさと異なっている。

具体的には、図６に示すように、ｆ＝ｆ_１での電圧Ｖのピーク値が１００Ｖよりも大きくされており、ｆ＝ｆ_２での電圧Ｖのピーク値が１００Ｖとされており、ｆ＝ｆ_３での電圧Ｖのピーク値が５０Ｖとされている。

受信する電磁波の周波数が図６に示された範囲内にあることがわかっている場合、電圧Ｖが１００Ｖ以上であればｆ≒ｆ_１であることがわかり、電圧Ｖが５０〜１００Ｖであればｆ≒ｆ_２であることがわかる。また、電圧Ｖが所定の閾値以上５０Ｖ以下であれば、ｆ≒ｆ_３であることがわかる。

このように、共鳴周波数ごとに電圧Ｖのピーク値が異なる周波数特性を持つように磁気抵抗素子１を設計することで、受信した電磁波の周波数を検出することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態において、ｆ＝ｆ_１、ｆ＝ｆ_２とで電圧Ｖのピーク値が異なっていてもよい。

また、中間層１１に対して下部電極７と同じ側に複数の磁化共鳴層が配置されていてもよい。また、中間層１１の両側に磁化共鳴層を配置する場合には、中間層１１に対して上部電極１５と同じ側に磁化共鳴層を１つのみ配置してもよい。

また、磁気抵抗素子１を図示しない基板上に上部電極１５から順に積層してもよい。

また、上記第１、第２実施形態では、複数の磁化共鳴層のバンドが重ならないように各磁化共鳴層の材料を選択したが、複数の磁化共鳴層のバンドが重なっていてもよい。

１０ 参照層
１１ 中間層
１２ 磁化共鳴層
１３ 磁化共鳴層
１６ 磁化共鳴層

Claims (8)

1. 複数の磁性層（１０、１２、１３、１６）と、複数の前記磁性層のうちの２つに挟まれた中間層（１１）と、を備え、入力された交流信号を直流信号に変換する磁気抵抗素子であって、
   複数の前記磁性層には、磁化方向が可変とされ、交流信号によって共鳴する磁化共鳴層（１２、１３、１６）が複数含まれており、
   複数の前記磁化共鳴層は、互いに共鳴周波数が異なっている磁気抵抗素子。
2. 前記磁化共鳴層の数をＮとし、
   ｎをＮ以下の自然数とし、
   ｎ番目の前記磁化共鳴層の共鳴周波数、共鳴線幅をそれぞれｆ_ｎ、Δｆ_ｎとし、
   ｍをＮ以下のｎとは異なる自然数とし、
   ｍ番目の前記磁化共鳴層の共鳴周波数、共鳴線幅をそれぞれｆ_ｍ、Δｆ_ｍとして、
   ｜ｆ_ｎ−ｆ_ｍ｜＞（Δｆ_ｎ＋Δｆ_ｍ）／２とされている請求項１に記載の磁気抵抗素子。
3. 前記磁化共鳴層が前記中間層の両側に配置されている請求項１または２に記載の磁気抵抗素子。
4. 前記中間層の一方側に配置された前記磁化共鳴層のうち少なくとも１つは、磁化容易軸が前記磁性層および前記中間層の積層方向に垂直とされており、
   前記中間層の他方側に配置された前記磁化共鳴層のうち少なくとも１つは、磁化容易軸が前記磁性層および前記中間層の積層方向に平行とされている請求項３に記載の磁気抵抗素子。
5. 交流信号によって１つの前記磁化共鳴層が共鳴したときに出力される直流信号の大きさは、他の１つの前記磁化共鳴層が共鳴したときに出力される直流信号の大きさと異なる請求項１ないし４のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。
6. 前記中間層に接する前記磁性層は、コバルト、鉄、ホウ素のうち少なくとも１つを含む材料で構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の磁気抵抗素子を備える検波器。
8. 受信した電磁波を交流信号に変換して前記磁気抵抗素子に入力するアンテナ（２）を備え、
   前記磁気抵抗素子と前記アンテナとのインピーダンス整合がとられている請求項７に記載の検波器。

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