JP5280516B2 - Radio demultiplexer - Google Patents

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Description

本発明は、スピントルクを応用した電波分波器に関するものである。   The present invention relates to a radio wave demultiplexer using spin torque.

近年、従来のダイナミック・ランダム・アクセスメモリ(DRAM)を置きかえる可能性を有するものとして、磁気ランダム・アクセスメモリ(MRAM)が注目されている。また、磁気再生ヘッドで用いられる巨大磁気抵抗効果(GMR)膜やトンネル磁気抵抗効果(TMR)膜に一定以上の電流を流すだけで、自由層の磁化を、磁界を用いずに磁化反転可能であることが、たとえば、Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996)に理論的に示された。その後、例えばPhysical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000)には、二つのCuの電極の間にCo/Cu/Coの多層膜(GMR膜)を含む直径130nmのピラーを形成し、ピラーに流れる電流のスピンからCo層の磁化に与えられるスピントルクを用いて、Co層の磁化を反転する記録方式の実験例が報告されている。さらに、たとえば、Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004)に記載されているように、TMR膜を用いたナノピラーを用いて、スピントルク磁化反転が実証された。特にTMR膜を用いたスピントルク磁化反転では、従来のMRAMと同等以上の出力が得られるため、大いに注目を集めている。   In recent years, magnetic random access memory (MRAM) has been attracting attention as the possibility of replacing conventional dynamic random access memory (DRAM). In addition, the magnetization of the free layer can be reversed without using a magnetic field by simply passing a current of a certain level or more through a giant magnetoresistive (GMR) film or tunnel magnetoresistive (TMR) film used in a magnetic read head. This is theoretically shown in, for example, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996). Thereafter, for example, Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000) describes a diameter of 130 nm including a Co / Cu / Co multilayer film (GMR film) between two Cu electrodes. An example of a recording method in which the magnetization of the Co layer is reversed using spin torque applied to the magnetization of the Co layer from the spin of current flowing in the pillar is reported. Furthermore, as described in Applied Physics Letters, Vol. 84, pp. 2118-2120 (2004), spin torque magnetization reversal has been demonstrated using a nanopillar using a TMR film. In particular, spin torque magnetization reversal using a TMR film has attracted much attention because an output equivalent to or higher than that of a conventional MRAM can be obtained.

また最近、スピントルク効果をマイクロ波帯の発振や受信に用いる方法が注目を集めている。例えば磁気抵抗効果素子の両端に、自由層がスピントルク磁化反転するのに必要な電流より小さい電流Idcを流して、自由層の磁化に歳差運動を励起し、巨大磁気抵抗効果ないしトンネル磁気抵抗効果を介して素子の両端に交流電圧を励起するスピントルク発振器が、たとえばNature, Vol.425, pp.382-385 (2003)で提唱された。さらにまた、磁気抵抗効果素子にバイアスTを介してGHz級の周波数の交流電流を流し、逆にDC電圧Vdcを取り出すスピントルクダイオードと呼ばれる新しい素子が、たとえばNature, Vol.438, pp.339-342 (2005)で提唱された。これらの素子のサイズはμm級と極めて小さいため、極めてサイズの小さな発振・受信器への応用が期待されている。
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996) Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000) Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004) Nature, Vol.425, pp.382-385 (2003) Nature, Vol.438, pp.339-342 (2005) Nature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008)
Recently, a method of using the spin torque effect for microwave band oscillation and reception has attracted attention. For example, a current I dc smaller than the current required for the free layer to reverse the spin torque magnetization flows at both ends of the magnetoresistive effect element to excite precession in the magnetization of the free layer. For example, Nature, Vol. 425, pp. 382-385 (2003) proposed a spin torque oscillator that excites an alternating voltage at both ends of a device through a resistance effect. Furthermore, a new element called a spin torque diode, in which an alternating current with a GHz class frequency is passed through a magnetoresistive effect element via a bias T and a DC voltage V dc is extracted, is disclosed in Nature, Vol. 438, pp.339, for example. -342 (2005). Since the size of these elements is as small as the μm class, it is expected to be applied to an extremely small size oscillator / receiver.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 159, L1-6 (1996) Physical Review Letters, Vol.84, No.14, pp.2149-2152 (2000) Applied Physics Letters, Vol.84, pp.2118-2120 (2004) Nature, Vol.425, pp.382-385 (2003) Nature, Vol.438, pp.339-342 (2005) Nature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008)

しかし、従来のスピントルクを用いた発振・受信器には、以下のような問題がある。まず発振器では、出力が小さいという問題がある。当初提案された巨大磁気抵抗効果を用いたスピントルク発振器では、その出力は僅か数nW程度であった。最近、MgOを障壁層として用いたトンネル磁気抵抗効果素子を用いて、μW級の出力が得られたことがNature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008)で報告された。しかし、これ以上に出力を増大させるには、1000%を越える磁気抵抗比を有するトンネル磁気抵抗効果素子が必要とされており、実現は非常に困難と考えられる。また、スピントルク効果を発振器として用いるには、発振周波数を極めて高い精度で制御する必要があるが、現実には材料特性や素子形状のばらつきなどの影響で発振周波数を制御することは容易ではない。したがってスピントルク効果を発振器に応用することは、工業的に現実的でないと考えられる。   However, the conventional oscillator / receiver using spin torque has the following problems. First, the oscillator has a problem that the output is small. In the spin torque oscillator using the giant magnetoresistive effect that was originally proposed, the output was only a few nW. Recently, it was reported in Nature Physics, Vol.4, pp.803-809 (2008) that a μW class output was obtained using a tunnel magnetoresistive effect element using MgO as a barrier layer. However, in order to further increase the output, a tunnel magnetoresistive effect element having a magnetoresistance ratio exceeding 1000% is required, which is considered to be very difficult to realize. In addition, in order to use the spin torque effect as an oscillator, it is necessary to control the oscillation frequency with extremely high accuracy, but in reality, it is not easy to control the oscillation frequency due to the influence of variations in material characteristics and element shapes. . Therefore, it is considered industrially impractical to apply the spin torque effect to an oscillator.

一方、スピントルクダイオードは、高周波の交流を入力として直流電圧を取り出すことが出来るので、一種の受信器として用いることが可能である。しかし、受信周波数を高い精度で制御することは困難であるため、このままで受信器として用いることは難しい。   On the other hand, a spin torque diode can take out a direct-current voltage with high-frequency alternating current as an input, and thus can be used as a kind of receiver. However, since it is difficult to control the reception frequency with high accuracy, it is difficult to use the reception frequency as it is.

本発明は、スピントルク効果を応用した工業的に生産可能な受信器及び電波分波器を提供する。   The present invention provides an industrially producible receiver and radio wave demultiplexer that apply the spin torque effect.

本発明の電波分波器は、直流電流源とアンテナとが並列に接続された1本のビット線と、それぞれが、非磁性層を強磁性体からなる固定層と強磁性体からなる自由層とで挟んだ構造を有し、ビット線に接続された複数の磁気抵抗効果素子と、複数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ接続された複数のソース線と、複数のソース線にそれぞれ接続された複数の増幅器と、複数の増幅器の出力を混合するミキサーと、複数の磁気抵抗効果素子の自由層にそれぞれ独立して磁界を印加するための複数のデジット線と、各デジット線に所定の電流を印加するための電流ドライバーと、デジット線に印加する電流の大きさを記憶しているメモリとを有する。直流電流源は、磁気抵抗効果素子の各自由層に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの電流を供給する。   A radio wave demultiplexer according to the present invention includes a single bit line in which a direct current source and an antenna are connected in parallel, and a nonmagnetic layer, a fixed layer made of a ferromagnetic material, and a free layer made of a ferromagnetic material, respectively. A plurality of magnetoresistive effect elements connected to the bit line, a plurality of source lines connected to the plurality of magnetoresistive effect elements, and a plurality of source lines connected to the plurality of source lines, respectively. Amplifiers, mixers that mix the outputs of multiple amplifiers, multiple digit lines for applying magnetic fields independently to the free layers of multiple magnetoresistive elements, and a predetermined current applied to each digit line And a memory storing the magnitude of the current applied to the digit line. The direct current source supplies each of the free layers of the magnetoresistive effect element with a current that does not cause magnetization reversal due to the spin torque effect.

磁気抵抗効果素子の固定層と自由層の磁化方向は略垂直である。磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗効果素子、あるいは巨大磁気抵抗効果素子とすることができる。また、i番目の磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数fiを、i番目の磁気抵抗効果素子に隣接して配置されたデジット線を流れる電流で発生される大きさHiの磁界を用いて設定する。The magnetization directions of the fixed layer and the free layer of the magnetoresistive element are substantially perpendicular. The magnetoresistive element can be a tunnel magnetoresistive element or a giant magnetoresistive element. Further, the magnetic resonance frequency f i of the i-th magnetoresistive element is used as the magnetic field of magnitude H i generated by the current flowing through the digit line disposed adjacent to the i-th magnetoresistive element. To set.

本発明によれば、スピントルク効果を応用した、小型でかつ受信周波数の制御が容易な電波分波器を構成できる。   According to the present invention, it is possible to configure a small-sized radio wave demultiplexer that applies the spin torque effect and can easily control the reception frequency.

スピントルク効果を応用した本発明の電波分波器を示す図である。It is a figure which shows the electromagnetic wave duplexer of this invention which applied the spin torque effect. 分波器を構成する磁気抵抗効果素子の基本構造を示す図である。It is a figure which shows the basic structure of the magnetoresistive effect element which comprises a splitter. 磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を調整するデジット線を含む素子の摸式図である。It is a model diagram of an element including a digit line for adjusting the resonance frequency of the magnetoresistive effect element. 磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と印加磁界の大きさの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resonance frequency of a magnetoresistive effect element, and the magnitude | size of an applied magnetic field. 共鳴周波数の設定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a setting of the resonant frequency. 磁気抵抗効果素子の平面形状を示す図である。It is a figure which shows the planar shape of a magnetoresistive effect element.

符号の説明Explanation of symbols

1 電流ドライバー
2 メモリ
3 デジット線
4 直流電源
5 インダクタンス
6 容量
7 アンテナ
8 ビット線
9 磁気抵抗効果素子
10 アンプ
21 無線電波
22 バイアスT
23 自由層
24 障壁層
25 固定層
31 デジット線電流で発生された磁界
32 金属プレート
33 ソース線
1 Current Driver 2 Memory 3 Digit Line 4 DC Power Supply 5 Inductance 6 Capacity 7 Antenna 8 Bit Line 9 Magnetoresistive Element 10 Amplifier 21 Radio Wave 22 Bias T
23 Free layer 24 Barrier layer 25 Fixed layer 31 Magnetic field generated by digit line current 32 Metal plate 33 Source line

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。磁気抵抗効果素子としては巨大磁気抵抗効果素子を用いることも可能であるが、以下では大きな出力が得られるトンネル磁気抵抗効果素子を用いた例について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Although a giant magnetoresistive element can be used as the magnetoresistive element, an example using a tunnel magnetoresistive element capable of obtaining a large output will be described below.

図1に、本発明によるスピントルクを応用した電波分波器の回路図を示す。1は電流ドライバー、2はデジット線に流す電流の大きさを記憶するメモリ、3は磁気抵抗効果素子に印加する磁界を発生させる電流を流すデジット線、4は直流電流源、5は直流のみを通すインダクタンス、6は交流のみを通す容量、7はアンテナ、8はビット線、9は磁気抵抗効果素子、10はアンプ、11はミキサーである。図2は、磁気抵抗効果素子の部分をさらに詳細に示した図である。21は無線電波、22はインダクタンス5と容量6からなるバイアスT、23はスピントルク効果によって磁化が歳差運動を行う自由層、24は障壁層、25は磁化の方向が、自由層の磁化の方向と垂直に固定された固定層である。直流電流源4は、磁気抵抗効果素子の各自由層23に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの直流電流を供給する。図3は、実際のデバイスの摸式図である。磁気抵抗効果素子9は、ビット線8と金属のプレート32の間に形成される。磁気抵抗効果素子9の直下には、自由層23に印加する磁界31を発生させるためのデジット線3がビット線と垂直方向に形成されている。磁気抵抗効果素子9で発生した信号は、ソース線33を介して受信デバイス本体の周辺部に作製されたアンプ10へ導かれる。   FIG. 1 shows a circuit diagram of a radio wave demultiplexer to which a spin torque according to the present invention is applied. 1 is a current driver, 2 is a memory for storing the magnitude of a current flowing through a digit line, 3 is a digit line through which a current for generating a magnetic field applied to the magnetoresistive effect element is passed, 4 is a direct current source, and 5 is a direct current Inductance to be passed, 6 is a capacity for passing only alternating current, 7 is an antenna, 8 is a bit line, 9 is a magnetoresistive effect element, 10 is an amplifier, and 11 is a mixer. FIG. 2 is a diagram showing the portion of the magnetoresistive effect element in more detail. 21 is a radio wave, 22 is a bias T composed of an inductance 5 and a capacitor 6, 23 is a free layer in which magnetization precesses due to the spin torque effect, 24 is a barrier layer, 25 is the direction of magnetization, and the magnetization of the free layer It is a fixed layer fixed perpendicular to the direction. The direct current source 4 supplies a direct current of a magnitude that does not cause magnetization reversal due to the spin torque effect to each free layer 23 of the magnetoresistive effect element. FIG. 3 is a schematic diagram of an actual device. The magnetoresistive effect element 9 is formed between the bit line 8 and the metal plate 32. A digit line 3 for generating a magnetic field 31 to be applied to the free layer 23 is formed immediately below the magnetoresistive effect element 9 in a direction perpendicular to the bit line. A signal generated by the magnetoresistive effect element 9 is guided to the amplifier 10 manufactured in the peripheral portion of the receiving device body through the source line 33.

以下、本発明の分波器の動作を説明する。受信すべき無線信号は、まず受信器外部にあるアンテナ7でキャッチされる。この無線信号は、あらかじめ設定された周波数f(周波数帯は通常1〜30GHzに設定する)の高周波の上に、ビデオ信号、音声信号等の情報がさらに低い周波数で重畳された信号である。アンテナ7で受信された信号に、バイアスT22で、容量6とインダクタンス5を介して、直流電流源4で発生された直流が重畳されてビット線8に導かれる。この信号電流は、ビット線8から、チャンネル1〜nまでの磁気抵抗効果素子9すべてに印加される。このとき、チャンネルi(i=1〜n)のトンネル磁気抵抗効果素子9の両端には、
i=Iisin(2πfit)×ΔR・sin(2πfit+φ)
で表される電圧Vjがスピントルク効果により励起される。ここでfiは、i番目のチャンネルに接続されている磁気抵抗効果素子の自由層の強磁性共鳴周波数、φは入力信号と強磁性共鳴振動の位相差、Iiは直流電源により発生された直流電流Iが、n個のチャンネルに分流されたのち、i番目のチャンネルに流れ込んできた部分の電流の値、ΔRはトンネル磁気抵抗効果による抵抗変化の量である。もしfとfiの値が一致していると、上式は
=(1/4)IiΔRcos(φ)
となり、一致していない場合には出力ゼロになる。したがって、各チャンネルの強磁性共鳴周波数fiを、ビデオ信号や音声信号等の信号を搬送する高周波の周波数fに設定しておけば、特定の周波数に重畳された信号のみを分波し、検出できる。
The operation of the duplexer of the present invention will be described below. A radio signal to be received is first caught by an antenna 7 outside the receiver. This radio signal is a signal in which information such as a video signal and an audio signal is superimposed at a lower frequency on a high frequency of a preset frequency f (frequency band is usually set to 1 to 30 GHz). The direct current generated by the direct current source 4 is superimposed on the signal received by the antenna 7 via the capacitor 6 and the inductance 5 at the bias T 22 and guided to the bit line 8. This signal current is applied to all the magnetoresistive effect elements 9 from the bit line 8 to the channels 1 to n. At this time, both ends of the tunnel magnetoresistive element 9 of the channel i (i = 1 to n)
V i = I i sin (2πf i t) × ΔR · sin (2πf i t + φ)
In the voltage V j represented it is excited by the spin torque effect. Here, f i is the ferromagnetic resonance frequency of the free layer of the magnetoresistive effect element connected to the i-th channel, φ is the phase difference between the input signal and the ferromagnetic resonance vibration, and I i is generated by a DC power source. After the direct current I is divided into n channels, the value of the current flowing into the i-th channel, ΔR, is the amount of resistance change due to the tunnel magnetoresistance effect. If the values of f and f i match, V i = (1/4) I i ΔRcos (φ)
If there is no match, the output is zero. Thus, the ferromagnetic resonance frequency f i of each channel, by setting the frequency of the frequency f that carry signals such as video signals and audio signals, only the signal superimposed on a specific frequency demultiplexes the detection it can.

それぞれの磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数fiは、自由層の飽和磁化Msとデジット線を流れる電流によって発生される磁場Hiに対応して、以下のように設定できる。式中、γは磁気回転比、μ0は真空の透磁率である。The frequency f i of the ferromagnetic resonance of each magnetoresistive element can be set as follows corresponding to the saturation magnetization Ms of the free layer and the magnetic field H i generated by the current flowing through the digit line. In the equation, γ is a magnetic rotation ratio, and μ 0 is a vacuum permeability.

i〜γ/(2π)μ0i 1/2Ms1/2
図4に、外部磁場Hiと強磁性共鳴周波数fiの関係の一例を示す。1mTから10mTの磁界の変化で、3.2GHzから20GHzまで共鳴周波数を変化できることがわかる。強磁性共鳴の共鳴線幅は通常数10MHz程度なので、3.2GHzから20GHzの間に、図5のように共鳴周波数f1からf10までの、10本程度の共鳴周波数を分散させることが可能である。このように、この分波器を用いて、10局程度の異なった無線信号を分波・検出できる。
f i -γ / (2π) μ 0 H i 1/2 Ms 1/2
FIG. 4 shows an example of the relationship between the external magnetic field H i and the ferromagnetic resonance frequency f i . It can be seen that the resonance frequency can be changed from 3.2 GHz to 20 GHz by changing the magnetic field from 1 mT to 10 mT. Since the resonance line width of ferromagnetic resonance is usually about several tens of MHz, about ten resonance frequencies from resonance frequencies f 1 to f 10 can be dispersed between 3.2 GHz and 20 GHz as shown in FIG. It is. Thus, it is possible to demultiplex and detect about 10 different radio signals using this demultiplexer.

実際に分波器を作製すると、磁気抵抗効果素子の作製ばらつきにより、分波器ごとに共鳴周波数がずれる。これをあらかじめ設定された周波数fiに合わせる方法は、以下の通りである。分波器を作製し出荷する前に、設定周波数fiを有する正弦波を重畳した電流をビット線8に通電する。次に、i番目のチャンネルの磁気抵抗効果素子9の直下に設置されたデジット線3に電流を流し、電流の大きさを調整しながら、i番目のチャンネルからの出力が最大になる電流の値を探し、メモリ2に記録する。この作業を、1番目のチャンネルから10番目のチャンネルまですべてで行い、その情報をメモリ2に記録する。実際に分波器として使用する際には、記録した情報をメモリ2から読出し、電流ドライバー1に情報を転送して、それぞれのチャンネルに対し所定の電流値をデジット線に通電する。このようにすることで、磁気抵抗効果素子の作製誤差に関係せず、常に設定周波数fiに重畳された信号のみを分波できる分波器を構成できる。When a duplexer is actually fabricated, the resonance frequency shifts for each duplexer due to manufacturing variations of magnetoresistive elements. A method of matching this with a preset frequency f i is as follows. Before the duplexer is manufactured and shipped, a current superimposed with a sine wave having the set frequency f i is applied to the bit line 8. Next, the value of the current that maximizes the output from the i-th channel while flowing the current through the digit line 3 installed immediately below the i-th channel magnetoresistive effect element 9 and adjusting the magnitude of the current. Is recorded in the memory 2. This operation is performed for all the channels from the first channel to the tenth channel, and the information is recorded in the memory 2. When actually used as a duplexer, the recorded information is read from the memory 2 and transferred to the current driver 1, and a predetermined current value is applied to the digit line for each channel. By doing so, it is possible to configure a duplexer that can always demultiplex only the signal superimposed on the set frequency f i regardless of the manufacturing error of the magnetoresistive effect element.

以下、具体的な磁気抵抗効果素子の膜構造の例を述べる。最もスタンダードな構成は、高い磁気抵抗比を実現できるCoFeB固定層/MgO障壁層/CoFeB自由層からなるトンネル磁気抵抗効果素子である。さらに、CoFeB固定層をMnIr,PtMnなどの反強磁性膜上に形成し、固定層の磁化を一方向に固定する。また、固定層をCoFe,Ru,CoFeBの3層構造からなる積層フェリ構造とすれば、さらに素子の特性が安定化される。以上が基本構成であるが、設定したい周波数によって、自由層をNiFe、あるいはCoFe、又はNiFe/CoFeの多層膜で構成することも可能である。固定層もCoFe、あるいはCoFe/Ru/CoFeの積層フェリ構造とすることも可能である。トンネル磁気抵抗効果素子9の形状であるが、図3のビット線8と平行な方向を長く、それと垂直な方向は短くし、磁化容易軸を図3のビット線8と平行な方向とする。長さの比、すなわちアスペクト比は、長辺/短辺の比で1.5〜2.5程度とするのが望ましい。これはスピントルク効果によって励起される強磁性共鳴による自由層磁化の運動を安定化するためである。また磁気抵抗効果素子の平面形状は、図6のように、楕円、又は長方形の4つの頂点が切り落とされた8角形、ないし6角形であることが望ましい。これにより、強磁性共鳴による自由層磁化の運動がさらに安定化される。   Hereinafter, specific examples of the film structure of the magnetoresistive effect element will be described. The most standard configuration is a tunnel magnetoresistive element composed of a CoFeB fixed layer / MgO barrier layer / CoFeB free layer capable of realizing a high magnetoresistance ratio. Further, a CoFeB fixed layer is formed on an antiferromagnetic film such as MnIr or PtMn, and the magnetization of the fixed layer is fixed in one direction. Further, if the fixed layer has a laminated ferrimagnetic structure having a three-layer structure of CoFe, Ru, and CoFeB, the device characteristics are further stabilized. The above is the basic configuration, but the free layer may be formed of a multilayer film of NiFe, CoFe, or NiFe / CoFe depending on the frequency to be set. The fixed layer can also have a CoFe or CoFe / Ru / CoFe laminated ferrimagnetic structure. The shape of the tunnel magnetoresistive element 9 is such that the direction parallel to the bit line 8 in FIG. 3 is long, the direction perpendicular thereto is shortened, and the easy axis is parallel to the bit line 8 in FIG. The length ratio, that is, the aspect ratio, is preferably about 1.5 to 2.5 as a ratio of long side / short side. This is to stabilize the motion of free layer magnetization due to ferromagnetic resonance excited by the spin torque effect. Further, the planar shape of the magnetoresistive effect element is desirably an octagon or a hexagon in which four vertices of an ellipse or a rectangle are cut off as shown in FIG. Thereby, the motion of the free layer magnetization due to ferromagnetic resonance is further stabilized.

以下、特に高いトンネル磁気抵抗比が得られるCoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFeB(2.5nm)/MgO(1nm)/CoFeB(3nm)からなるトンネル磁気抵抗効果素子の場合を例にとって、詳細な動作条件を述べる。ここで、()内は膜厚を表す。トンネル磁気抵抗効果素子のサイズは80×160nmの楕円とした。   The following is an example of a tunnel magnetoresistive effect element made of CoFe (3 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFeB (2.5 nm) / MgO (1 nm) / CoFeB (3 nm) which can obtain a particularly high tunnel magnetoresistance ratio. Detailed operating conditions will be described. Here, the inside of () represents a film thickness. The size of the tunnel magnetoresistive effect element was an ellipse of 80 × 160 nm.

スピントルク磁化反転に用いる電流パルス幅tを変えてスピントルク磁化反転が起こる電流密度Jcを測定すると、ln(t)に対するJcのプロットから、1nsのパルス幅でスピントルク磁化反転させるのに有する電流密度(しきい電流密度)と、熱安定指数Δを求めることができる。本実施例のトンネル磁気抵抗効果素子の、しきい電流密度は2MA/cm2である、熱安定性市指数は60であった。したがって、スピントルク磁化反転のしきい電流値は、約200μAである。スピントルク効果を用いて強磁性共鳴を起こす場合、スピントルク磁化反転のしきい電流値の約半分の直流電流を印加する必要があるので、本実施例ではひとつのチャンネルあたりの電流Iiは100μAとした。よって直流電源4で通電する電流Iの値は、10チャンネルの分波を行う場合、僅か1mAである。When the current density J c at which spin torque magnetization reversal occurs by changing the current pulse width t used for spin torque magnetization reversal, the spin torque magnetization reversal is performed with a pulse width of 1 ns from the plot of J c against ln (t). The current density (threshold current density) and the thermal stability index Δ can be obtained. The tunnel magnetoresistive element of this example had a threshold current density of 2 MA / cm 2 and a thermal stability city index of 60. Therefore, the threshold current value of the spin torque magnetization reversal is about 200 μA. When ferromagnetic resonance is caused by using the spin torque effect, it is necessary to apply a direct current that is about half the threshold current value of the spin torque magnetization reversal. In this embodiment, the current I i per channel is 100 μA. It was. Therefore, the value of the current I energized by the DC power supply 4 is only 1 mA when demultiplexing for 10 channels.

自由層23と固定層25の磁化が直交しているときのトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は約400Ω、自由層23と固定層25の磁化が平行の場合のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は200Ω、反平行の場合の抵抗は600Ωであり、いわゆるトンネル磁気抵抗比は200%である。スピントルク効果によって励起された強磁性共鳴の共鳴周波数は、デジット線を流れる電流が発生する磁界Hiに対し図4のように変化した。デジット線の断面寸法は500nm×500nmの矩形とした。トンネル磁気抵抗素子の自由層23とデジット線の中心までの距離は約300nmである。このとき、1mTの磁界を発生させる電流値は750μA、10mTの磁界を発生させる電流値は7.5mAとなる。本実施例では、チャンネル1の直下のデジット線には約750μAの電流を、チャンネル10の直下のデジット線には7.5mAの電流を流す設定とした、このとき、図5のように、チャンネル1のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は3.2GHz、チャンネル10のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は20GHzとなる。そのほかのチャンネルの共鳴周波数は、隣接する共鳴線の共鳴周波数の間隔が1.87GHzとなるように、デジット線に流す電流値を調整して設定した。The resistance of the tunnel magnetoresistive element when the magnetizations of the free layer 23 and the fixed layer 25 are orthogonal is about 400Ω, and the resistance of the tunnel magnetoresistive element when the magnetizations of the free layer 23 and the fixed layer 25 are parallel is 200Ω. The resistance in the case of antiparallel is 600Ω, and the so-called tunnel magnetoresistance ratio is 200%. Resonant frequency of the excited ferromagnetic resonance by spin torque effect, a current flowing through the digit line is changed as shown in FIG. 4 with respect to the magnetic field H i generated. The cross sectional dimension of the digit line was a rectangle of 500 nm × 500 nm. The distance between the free layer 23 of the tunnel magnetoresistive element and the center of the digit line is about 300 nm. At this time, the current value for generating a magnetic field of 1 mT is 750 μA, and the current value for generating a magnetic field of 10 mT is 7.5 mA. In this embodiment, a current of about 750 μA is applied to the digit line immediately below channel 1 and a current of 7.5 mA is applied to the digit line immediately below channel 10. At this time, as shown in FIG. The resonance frequency of the tunnel magnetoresistive effect element 1 is 3.2 GHz, and the resonance frequency of the tunnel magnetoresistive effect element of the channel 10 is 20 GHz. The resonance frequencies of the other channels were set by adjusting the value of the current flowing through the digit line so that the interval between the resonance frequencies of adjacent resonance lines was 1.87 GHz.

それぞれのチャンネルから得られる信号は約1mV程度であり、これをアンプによって数10倍に増幅して、高周波電波に重畳されている各種の信号の検出を行うことが出来た。デジット線の上面を除く3面に、例えばNiFeのような強磁性薄膜を形成すると、上記の磁界を発生させるために必要な電流の値をさらに半分にでき、一層の低消費電力化を図ることが出来る。また、分波器のサイズは、全体でも数10μm×数10μmと極めて小さく、またリソグラフィー工程を用いて、アンプ等の周辺回路が形成された半導体基板の上に一括形成できるので、製造コストも削減できるという利点がある。   The signal obtained from each channel is about 1 mV, and this was amplified several tens of times by an amplifier, and various signals superimposed on high-frequency radio waves could be detected. For example, if a ferromagnetic thin film such as NiFe is formed on the three surfaces excluding the upper surface of the digit line, the current value necessary for generating the magnetic field can be further halved to further reduce power consumption. I can do it. In addition, the size of the demultiplexer is extremely small as a few tens of μm × several tens of μm as a whole, and can be formed on a semiconductor substrate on which peripheral circuits such as amplifiers are formed by using a lithography process, thereby reducing manufacturing costs. There is an advantage that you can.

次に、磁気抵抗効果素子として巨大磁気抵抗効果素子を用いた場合の例を示す。膜構成は、CoFe(3nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(2.5nm)/Cu(3nm)/CoFe(1nm)/NiFe(2nm)である。ここで、()内は膜厚を表す。巨大磁気抵抗効果素子のサイズは80×160nmの楕円とした。スピントルク磁化反転に用いる電流パルス幅tを変えてスピントルク磁化反転が起こる電流密度Jcを測定すると、ln(t)に対するJcのプロットから、1nsのパルス幅でスピントルク磁化反転させるのに有する電流密度(しきい電流密度)と、熱安定指数Δを求めることができる。本実施例の巨大磁気抵抗効果素子の、しきい電流密度は8MA/cm2である、熱安定性市指数は60であった。したがって、スピントルク磁化反転のしきい電流値は、約800μAである。Next, an example in which a giant magnetoresistive element is used as the magnetoresistive element is shown. The film configuration is CoFe (3 nm) / Ru (0.8 nm) / CoFe (2.5 nm) / Cu (3 nm) / CoFe (1 nm) / NiFe (2 nm). Here, the inside of () represents a film thickness. The size of the giant magnetoresistive element was an ellipse of 80 × 160 nm. When the current density J c at which spin torque magnetization reversal occurs by changing the current pulse width t used for spin torque magnetization reversal, the spin torque magnetization reversal is performed with a pulse width of 1 ns from the plot of J c against ln (t). The current density (threshold current density) and the thermal stability index Δ can be obtained. The giant magnetoresistive element of this example had a threshold current density of 8 MA / cm 2 and a thermal stability city index of 60. Therefore, the threshold current value of the spin torque magnetization reversal is about 800 μA.

スピントルク効果を用いて強磁性共鳴を起こす場合、スピントルク磁化反転のしきい電流値の約半分の直流電流を印加する必要があるので、本実施例ではひとつのチャンネルあたりの電流Iiは400μAとした。よって直流電源4で通電する電流Iの値は、10チャンネルの分波を行う場合、僅か4mAである。自由層と固定層の磁化が直交しているときの巨大磁気抵抗効果素子の抵抗は約50Ω、自由層と固定層の磁化が平行の場合のトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗は50Ω、反平行の場合の抵抗は55Ωであり、いわゆるトンネル磁気抵抗比は10%である。スピントルク効果によって励起された強磁性共鳴の共鳴周波数は、デジット線を流れる電流が発生する磁界Hiに対し図4のように変化した。デジット線の断面寸法は500nm×500nmの矩形とした。巨大磁気抵抗素子の自由層とデジット線の中心までの距離は約300nmである。このとき、1mTの磁界を発生させる電流値は750μA、10mTの磁界を発生させる電流値は7.5mAとなる。本実施例では、チャンネル1の直下のデジット線には約750μAの電流を、チャンネル10の直下のデジット線には7.5mAの電流を流す設定とした。このとき、チャンネル1のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は3.2GHz、チャンネル10のトンネル磁気抵抗効果素子の共鳴周波数は20GHzとなる。そのほかのチャンネルの共鳴周波数は、隣接する共鳴線の共鳴周波数の間隔が1.87GHzとなるように、デジット線に流す電流値を調整して設定した。When ferromagnetic resonance is caused by using the spin torque effect, it is necessary to apply a direct current that is about half the threshold current value of the spin torque magnetization reversal. In this embodiment, the current I i per channel is 400 μA. It was. Therefore, the value of the current I energized by the DC power supply 4 is only 4 mA when performing demultiplexing of 10 channels. The resistance of the giant magnetoresistive element when the magnetization of the free layer and the fixed layer is orthogonal is about 50Ω, and the resistance of the tunnel magnetoresistive element when the magnetization of the free layer and the fixed layer is parallel is 50Ω, antiparallel The resistance in this case is 55Ω, and the so-called tunnel magnetoresistance ratio is 10%. Resonant frequency of the excited ferromagnetic resonance by spin torque effect, a current flowing through the digit line is changed as shown in FIG. 4 with respect to the magnetic field H i generated. The cross sectional dimension of the digit line was a rectangle of 500 nm × 500 nm. The distance from the free layer of the giant magnetoresistive element to the center of the digit line is about 300 nm. At this time, the current value for generating a magnetic field of 1 mT is 750 μA, and the current value for generating a magnetic field of 10 mT is 7.5 mA. In this embodiment, a current of about 750 μA is passed through the digit line immediately below channel 1 and a current of 7.5 mA is passed through the digit line directly below channel 10. At this time, the resonant frequency of the tunnel magnetoresistive element of channel 1 is 3.2 GHz, and the resonant frequency of the tunnel magnetoresistive element of channel 10 is 20 GHz. The resonance frequencies of the other channels were set by adjusting the value of the current flowing through the digit line so that the interval between the resonance frequencies of adjacent resonance lines was 1.87 GHz.

それぞれのチャンネルから得られる信号は約1nV程度であり、これをアンプによって数1000倍に増幅して、高周波電波に重畳されている各種の信号の検出を行うことが出来た。デジット線の上面を除く3面に、例えばNiFeのような強磁性薄膜を形成すると、上記の磁界を発生させるために必要な電流の値をさらに半分にでき、一層の低消費電力化を図ることが出来る。また、分波器のサイズは、全体でも数10μm×数10μmと極めて小さく、またリソグラフィー工程を用いて、アンプ等の周辺回路が形成された半導体基板の上に一括形成できるので、製造コストも削減できるという利点がある。   The signal obtained from each channel is about 1 nV, which was amplified several thousand times by an amplifier, and various signals superimposed on the high-frequency radio wave could be detected. For example, if a ferromagnetic thin film such as NiFe is formed on the three surfaces excluding the upper surface of the digit line, the current value necessary for generating the magnetic field can be further halved to further reduce power consumption. I can do it. In addition, the size of the demultiplexer is extremely small as a few tens of μm × several tens of μm as a whole, and can be formed on a semiconductor substrate on which peripheral circuits such as amplifiers are formed by using a lithography process, thereby reducing manufacturing costs. There is an advantage that you can.

Claims (5)

直流電流源とアンテナとが並列に接続された1本のビット線と、
それぞれが、非磁性層を強磁性体からなる固定層と強磁性体からなる自由層とで挟んだ構造を有し、前記ビット線に接続された複数の磁気抵抗効果素子と、
前記複数の磁気抵抗効果素子にそれぞれ接続された複数のソース線と、
前記複数のソース線にそれぞれ接続された複数の増幅器と、
前記複数の増幅器の出力を混合するミキサーと、
前記複数の磁気抵抗効果素子の自由層にそれぞれ独立して磁界を印加するための複数のデジット線と、
各デジット線に所定の電流を印加するための電流ドライバーと、
前記デジット線に印加する電流の大きさを記憶しているメモリとを有し、
前記直流電流源は前記磁気抵抗効果素子の各自由層に、スピントルク効果による磁化反転を生じさせない大きさの直流電流を供給することを特徴とする電波分波器。
A bit line in which a direct current source and an antenna are connected in parallel;
Each has a structure in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a fixed layer made of a ferromagnetic material and a free layer made of a ferromagnetic material, and a plurality of magnetoresistance effect elements connected to the bit line,
A plurality of source lines respectively connected to the plurality of magnetoresistive elements;
A plurality of amplifiers respectively connected to the plurality of source lines;
A mixer for mixing the outputs of the plurality of amplifiers;
A plurality of digit lines for independently applying a magnetic field to the free layers of the plurality of magnetoresistive elements;
A current driver for applying a predetermined current to each digit line;
A memory storing the magnitude of the current applied to the digit line,
The direct current source supplies a direct current having a magnitude that does not cause magnetization reversal due to the spin torque effect to each free layer of the magnetoresistive effect element.
請求項1記載の電波分波器において、前記磁気抵抗効果素子の前記固定層と前記自由層の磁化方向は略垂直であることを特徴とする電波分波器。   2. The radio wave demultiplexer according to claim 1, wherein magnetization directions of the fixed layer and the free layer of the magnetoresistive effect element are substantially perpendicular. 請求項1又は2記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は絶縁障壁層であることを特徴とする電波分波器。   3. The radio wave demultiplexer according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer is an insulating barrier layer. 請求項1又は2記載の磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層は導電性金属層であることを特徴とする電波分波器。   3. The electromagnetic wave demultiplexer according to claim 1, wherein the nonmagnetic layer is a conductive metal layer. 請求項1〜4のいずれか1項記載の電波分波器において、磁気回転比をγ、真空の透磁率をμ0、自由層の強磁性体の飽和磁化をMsとするとき、i番目のトンネル磁気抵抗効果素子の強磁性共鳴の周波数fiが、前記i番目のトンネル磁気抵抗効果素子に隣接して配置されたデジット線を流れる電流で発生される大きさHiの磁界を用いて、下式で設定されることを特徴とする電波分波器。
i〜γ/(2π)μ0i 1/2Ms1/2
5. The radio wave demultiplexer according to claim 1, wherein a magnetic rotation ratio is γ, a vacuum magnetic permeability is μ 0 , and a saturation magnetization of a ferromagnetic material in a free layer is Ms. The magnetic resonance frequency f i of the tunnel magnetoresistive element uses a magnetic field of magnitude H i generated by a current flowing through a digit line arranged adjacent to the i-th tunnel magnetoresistive element, A radio demultiplexer characterized by the following formula.
f i -γ / (2π) μ 0 H i 1/2 Ms 1/2
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