JP7258332B2

JP7258332B2 - スピントルク発振素子

Info

Publication number: JP7258332B2
Application number: JP2018218165A
Authority: JP
Inventors: 澄人常木; 章雄福島; 均久保田; 拓己安藤; 大貴鈴木
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2023-04-17
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: WO2020105263A1; JP2020088088A

Description

特許法第３０条第２項適用刊行物名平成２９年度卒業論文スピントルク発振素子における電気的位相同期公開者安藤拓己発行年月日平成３０年２月５日〔刊行物等〕刊行物名平成２９年度卒業論文スピントルク発振素子における電気的位相同期公開者安藤拓己、鈴木大貴発行年月日平成３０年２月５日〔刊行物等〕集会名２０１７年度電子工学コース卒論最終発表会公開者安藤拓己、鈴木大貴開催年月日平成３０年２月１０日

本発明は、一般的にはマイクロ波発振器に関し、より具体的には、マイクロ波発振器として用いるスピントルク発振素子（ＳＴＯ）に関する。

携帯電話やタブレット、ノートパソコンなどの携帯型電子機器は、内部の発振器によって高周波（マイクロ波）信号を生成して高速な演算や無線通信を行っている。最近、携帯型電子機器の高速化、無線信号の高周波化などが一層進んだことから、より小型なマイクロ波発振器の必要性が高まっている。

従来の半導体とＬＣ共振器を用いたマイクロ波発振器は、小型のものでもそのサイズはマイクロメートル（μｍ）レベルである。一方、スピントルク発振素子（以下、ＳＴＯと呼ぶ）は、そのサイズをナノメートル（ｎｍ）レベルまで小型化できる。したがって、ＳＴＯは有望な小型のマイクロ波発振器として着目されている。例えば、非特許文献１は、自由層（発振層）に垂直磁化膜、固定層に面内磁化膜を用いたＴＭＲ素子を用いて、発振パワー０．５５μＷ、半値幅４７ＭＨ_Ｚのマイクロ波を発振させることができるＳＴＯを開示している。

ＳＴＯは、印加する磁界や電圧によって発振周波数等を制御することができる。しかし、非特許文献１のＳＴＯを含め従来のＳＴＯでは、その発振パワーが１μＷ程度である。したがって、携帯型電子機器への搭載等の実用化にあたって、小型でかつより高出力なＳＴＯが求められている。

ＳＴＯの出力（発振パワー）を高めるために、複数のＳＴＯを配列化することが提案されている（例えば特許文献１）。配列化では各ＳＴＯの発振周波数およびその位相が同じ場合にのみ大きな出力が望める。しかし、ＳＴＯはｎｍレベルの非常に小さな素子であるため、製造ばらつきに起因するわずかなサイズの違いによって発振周波数が変わってしまう。ＳＴＯの発振周波数の製造ばらつきに起因する個体間のばらつきは例えば８ＭＨｚ（１σの場合）程度ある。その結果、ＳＴＯ間で同期するマイクロ波が歪んでしまい大きな出力を得ることができない。

この問題を解決するために、ＳＴＯ間の発振周波数を揃えることができる位相同期という現象を利用する技術が提案されている。この複数の発振素子を位相同期させる技術として、例えば、特許文献２には、複数の高周波の発振を行うスピンバルブ素子において位相同期させる際にインピーダンスマッチングを実現するため、絶縁体または非磁性体からなる中間層を一対の強磁性層により挟持した磁性素子を複数含む並列または直列磁性素子群を、さらに直列または並列につないでスピンバルブ素子を得て、並列と直列とを組み合わせて接続する磁性素子群を用いることにより、スピンバルブ素子のインピーダンスを所望の値にマッチングさせることができることを開示している。

しかし、特許文献２に示す技術は、各素子で発生する高周波磁場の相互作用に起因する位相ロッキング現象を前提とした技術であって、直接的な相互作用の効果を高めるためには、各素子間で相互に作用するパラメータ等を考慮して最適化をする必要があり、大規模最適化問題となり容易ではない。

特開２００８－５３９１５号公報国際公開ＷＯ２００９／０５４１８２

H. Kubota et al., Appl. Phys. Express 6, 103003 (2013)

本発明の目的は、ＳＴＯの構造の最適化を図ることにより、ＳＴＯの高周波出力を利用した相互作用に起因するＳＴＯ間の位相同期を採ることができる周波数差（以下、同期幅と呼ぶ）を広げて製造ばらつきによる影響を緩和しＳＴＯの出力（発振パワー）を向上させることである。

本発明の一実施形態のＳＴＯは、ＣｏＦｅＢを含む磁化固定層と、ＭｇＯを含むトンネル障壁層と、ＦｅＢを含む磁化自由層が順番に積層された積層構造において、ＮｉＦｅＢを含むパーマロイ層を磁化固定層とトンネル障壁層の間に設けたことを特徴とする。

本発明の一実施形態のＳＴＯにおいて、例えば、ＮｉＦｅＢにおけるＮｉ組成比は７６～８７ａｔ％の範囲にあり、パーマロイ層は略５Åの厚さを有し、磁化固定層は略２３Åの厚さを有し、トンネル障壁層は略１０Åの厚さを有し、あるいは磁化自由層は略５０Åの厚さを有することができる。

本発明の他の一実施形態として、上述した一実施形態のＳＴＯの複数を配列したＳＴＯアレイを提供する。そのＳＴＯアレイでは、ＳＴＯ間の同期幅は、例えば９～１１ＭＨ_Ｚの範囲にある。その同期幅は、ＳＴＯに印加する磁界が３６０～３９０ｍＴで、電圧が２７０～３００ｍＶの場合に得られる。

本発明のＳＴＯによれば、簡易な構造及びその動作制御によって、ＳＴＯ間の同期幅を例えば９～１１ＭＨ_Ｚの範囲のように広くすることができる。その結果、製造ばらつきによる影響を緩和し複数のＳＴＯ（ＳＴＯアレイ）において同期現象によってその出力（パワースペクトル密度）を向上させることが可能となる。

ＳＴＯの位相同期の状態（ａ：現状（従来）、ｂ：目標）を示す模式図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの測定回路の構成を示す模式図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの周波数とパワースペクトル密度ＰＳＤの関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの周波数ｆ_ＳＴＯと掃引周波数ｆ_ａｃの関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの印加電圧と同期幅の関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの印加磁界と同期幅の関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯの印加電圧と印加磁界と同期幅の関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯのＮｉＦｅＢのＮｉ組成比と同期幅の関係を示す図である。本発明の一実施形態のＳＴＯアレイの構成を示す模式図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。最初に図１を参照しながら本発明が対象とするＳＴＯの位相同期の状態について説明する。図１（ａ）は現状（従来）のＳＴＯの同期前と同期後の出力（パワースペクトル密度、ＰＳＤ）を示す図である。上側の２つのスペクトルＡ、Ｂは位相同期前の２つのＳＴＯ（Ａ、Ｂ）のＰＳＤである。両者の同期幅Δｆは１ＭＨｚ程度と狭く、製造ばらつきによる２つのＳＴＯ（Ａ、Ｂ）の位相同期前の周波数差に比べて同期幅Δｆが狭いため下側の同期後の大きな出力（ＰＳＤ）を得ることができない。（ｂ）は本発明が目標とするＳＴＯの同期前と同期後の出力（ＰＳＤ）を示す図である。上側の２つのスペクトルＡ、Ｂは位相同期前の２つのＳＴＯ（Ａ、Ｂ）のＰＳＤである。この場合は、両者の同期幅Δｆは広く、少なくとも８ＭＨｚ以上、例えば９～１１ＭＨｚ程度であり、製造ばらつきによる２つのＳＴＯ（Ａ、Ｂ）の位相同期前の周波数差に比べて同期幅Δｆが広いため下側の同期後の大きな出力（ＰＳＤ）を得ることができる。本発明は、（ｂ）に示すような同期幅Δｆの広い高出力なＳＴＯ／ＳＴＯアレイを提供する。

図２に本発明の一実施形態のＳＴＯの構成を示す。図２では、例として円柱形のＳＴＯ１０を示しているが、形状は円柱形に限定されず、例えばその断面が楕円、正方形、長方形その他の形状であっても良い。ＳＴＯ１０は、強磁性体からなる磁化固定層１及び磁化自由層４と、両者の中間にある非磁性層からなるトンネル障壁層３と、さらに磁化固定層１とトンネル障壁層３の間にパーマロイ層２を含む。磁化固定層１は、例えばＣｏＦｅＢを含み、磁化自由層４はＦｅＢを含み、トンネル障壁層３はＭｇＯを含み、パーマロイ層２はＮｉＦｅＢを含む。この本発明の一実施形態のＳＴＯ１０では、磁化固定層１とトンネル障壁層３の間にパーマロイ層（ＮｉＦｅＢ）２を設けたことが１つの特徴である。

図２の本発明の一実施形態のＳＴＯ１０の構成についてはさらに後述するが、その前にＳＴＯ１０の測定回路について説明する。図３は、本発明の一実施形態のＳＴＯの同期現象の測定回路の構成を示す模式図である。測定回路では、ＳＴＯ１０を発振させるための、磁界Ｈを印加するための高周波用プローバー（図示無し）と、直流電圧Ｖ_ＤＣを印加するための直流電源１２とに加えて、同期現象を起こすために外部からＳＴＯ１０に高周波信号ｆ_ａｃを印加するための高周波信号発生器１３と、ＳＴＯ１０の発振信号（周波数ｆ_ＳＴＯ、ＰＳＤ）を測定するためのスペクトラムアナライザ１４を含む。これらの各機器はパーソナルコンピューター（ＰＣ）１５によって制御することができる。

図３の測定回路では、さらに直流電源１２による信号がＳＴＯ１０以外へ行かないようにするために、インダクタＬとコンデンサＣからなるバイアスティーを含む。一般的に、高周波信号発生器１３の信号強度はＳＴＯ１０の高周波信号に比べて大きい。このため、高周波信号発生器１３から出力する高周波信号の周波数Ｆ_ａｃとＳＴＯ１０の発振周波数ｆ_ＳＴＯをほぼ同じにする同期実験を行うと、ＳＴＯ１０の信号を解析できなくなってしまう。

これを回避するために、高周波信号発生器１３から出力する高周波信号の周波数Ｆ_ａｃは、ＳＴＯ１０の周波数ｆ_ＳＴＯに対しておおよそ２逓倍になるように値を設定している。周波数ｆ_ａｃをｆ_ａｃ＝Ｆ_ａｃ／２と定義し、この周波数ｆ_ａｃを高周波信号発生器１３の周波数ｆ_ａｃとして説明に用いる。同期幅の評価では、｜ｆ_ａｃ－ｆ_ＳＴＯ｜が同期幅Δｆに対して十分に大きくなるようにｆ_ａｃを掃引している。また、高周波信号発生器１３の高周波信号をＳＴＯ１０に入力し、同時にＳＴＯ１０の発振信号を測定するために、パワーディバイダ１６を用いることができる。図３の各機器は同軸ケーブルを用いて接続している。

図２の本発明の一実施形態のＳＴＯ１０の構成において、パーマロイ層にＮｉＦｅＢを用い、その組成比と膜厚を変えて実際にＳＴＯを作製した。その際のＮｉＦｅＢのＮｉ組成比（ａｔ％）と膜厚（Å）を下記の表１に示す。Ｎｉ組成比はより正確にはＮｉの原子組成百分率（ａｔ％）を意味する。例えば、表中の７０Ｎｉ／ＦｅＢは、ＮｉＦｅＢ中のＮｉ組成比は７０ａｔ％であり、ＦｅＢが３０ａｔ％であることを示している。ＦｅＢはＦｅ（鉄）とＢ（ボロン）の合金であり、その原子組成百分率（ａｔ％）の比は８０：２０である。作製した円柱形のＳＴＯ１０の直径は約３５０ｎｍである。磁化固定層１はＣｏＦｅＢで約２３Åの厚さを有し、トンネル障壁層３はＭｇＯで約１０Åの厚さを有し、磁化自由層４はＦｅＢで約５０Åの厚さを有する。

図４に、作製したＳＴＯについて図３の測定回路を用いた位相同期実験の結果（周波数とパワースペクトル密度ＰＳＤの関係）を示す。図４は表１のＮｉの組成比が８５ａｔ％（８５Ｎｉ／ＦｅＢ）のＳＴＯにおいて、磁界Ｈ＝３６０ｍＴ、直流電圧Ｖ_ＤＣ＝２７０ｍＶを印加した状態で、ｆ_acを持つ高周波信号をＳＴＯに印加した際のＳＴＯのパワースペクトル密度ＰＳＤの変化を示している。図４のＡでは、ｆ_ａｃ＝３７３．５ＭＨｚにおいて同期がとれていない、すなわちＳＴＯの発振周波数ｆ_ＳＴＯ≠ｆ_ａｃの状態である。

ｆ_ａｃを３７３．５ＭＨｚから大きくしていくと、図４のＢ、Ｃ、Ｄに示すように、ＰＳＤのスペクトルはｆ_ａｃ（＝３７７ＭＨｚ、３８１．５ＭＨｚ、３８６ＭＨｚ）に追従していく形、つまりｆ_ＳＴＯ＝ｆ_ａｃとなり同期している状態となる。そこからさらにｆ_ａｃを高周波数へ掃引していくと、図４のＥに示すように、ｆ_ａｃ＝３９０．５ＭＨｚでは既に同期していないＰＳＤのスペクトルに戻っている。図４のＡ～Ｅの各グラフから同期現象が確かに起きていることがわかる。

図４の結果に最小二乗法を用いてローレンツ関数の曲線回帰を行い、ＳＴＯの発振周波数ｆ_ＳＴＯを評価し、高周波信号発生器１３の周波数ｆ_ａｃを横軸にプロットした結果を図５に示す。図５の中央の右上がりの直線部分がＳＴＯ１０と高周波信号発生器１３が同期しているｆ_ＳＴＯ＝ｆ_ａｃである状態を示している。この時の同期幅は３７６ＭＨｚ程度から３８７ＭＨｚ程度の範囲の１１ＭＨｚ近くとなっている。これは、図１（ａ）を参照しながら説明した従来の同期幅Δｆ＝１ＭＨｚ程度に比べて約１０倍広い同期幅が得られていることを示している。

図６に作製した本発明の一実施形態のＳＴＯの印加電圧と同期幅の関係を例示する。図６は、表１のＮｉの組成比が７８ａｔ％（７８Ｎｉ／ＦｅＢ）のＳＴＯにおいて、磁界Ｈ＝３８０ｍＴを印加した状態で、印加する直流電圧Ｖ_ＤＣを２５０～３００ｍＶまで変化させた場合の同期幅（ＭＨｚ）を示している。ＳＴＯに印加する直流電圧Ｖ_ＤＣの変化に応じて同期幅が大きく変化していることがわかる。図６から例えば同期幅９ＭＨｚ以上を得るには約２７０～３００ｍＶの範囲の直流電圧Ｖ_ＤＣを印加する必要があることがわかる。

図７に作製した本発明の一実施形態のＳＴＯの印加磁界と同期幅の関係を例示する。図７は、図６の場合と同じ表１のＮｉの組成比が７８ａｔ％（７８Ｎｉ／ＦｅＢ）のＳＴＯにおいて、直流電圧Ｖ_ＤＣ＝２９０ｍＶを印加した状態で、印加する磁界Ｈを３６０～６００ｍＴまで変化させた場合の同期幅（ＭＨｚ）を示している。この場合もＳＴＯに印加する磁界Ｈの変化に応じて同期幅が大きく変化していることがわかる。図７から例えば同期幅９ＭＨｚ以上を得るには約３６０～３９０ｍＴの範囲の磁界Ｈを印加する必要があることがわかる。

図８に作製した本発明の一実施形態のＳＴＯの印加電圧と印加磁界と同期幅の関係を示す。図８は、図６と図７のグラフを１つの図にまとめたもので、図中の斜線で囲んだ範囲が図６、図７でも例示した同期幅が広い約９ＭＨｚ以上の範囲を示している。その範囲は、磁界Ｈが約３６０～３９０ｍＴで、直流電圧が約２７０～３００ｍＶの範囲である。図６～図８に測定結果を示した表１のＮｉの組成比が７８ａｔ％（７８Ｎｉ／ＦｅＢ）のＳＴＯの最大同期幅は約１０．２ＭＨｚであった。

図９に本発明の一実施形態のＳＴＯのＮｉＦｅＢのＮｉ組成比と同期幅の関係を示す。図９（ａ）の表は上記した表１と同じである。（ｂ）のグラフは、ＮｉＦｅＢの膜厚が２．５Åで同じでＮｉの組成比を７０、７８、８５ａｔ％と変えた場合の最大同期幅を示している。図９のグラフからＮｉが７０ａｔ％のＳＴＯでは大きな同期幅を得られないが、Ｎｉが８５ａｔ％で約９ＭＨｚ、７８ａｔ％で約１０ＭＨｚ以上の同期幅を得ることができている。図９のグラフから例えば９ＭＨｚ以上の同期幅を得るにはＮｉの組成比が約７６～８５ａｔ％の範囲であればよい。

これらの結果は、図１（ａ）に例示した従来の同期幅（約１ＭＨｚ）の約１０倍という非常に大きな同期幅を得ることができることを示している。また、図示はしていないが、ＮｉＦｅＢのＮｉ組成比が７０ａｔ％で膜厚を２．５～１０Åの範囲で変えて最大同期幅を比較した場合、約５Åの膜厚で最も広い同期幅を得ることができたが、組成比を変えた場合に比べて大きな変化は見られなかった。

以上述べた実際に作製したＳＴＯの同期現象の測定結果から、ＦｅＢ／ＭｇＯ／ＮｉＦｅＢ／ＣｏＦｅＢの構成を有するＳＴＯにおいて、ＮｉＦｅＢのＮｉ組成比を約７６～８５ａｔ％の範囲とすることによりＳＴＯの同期幅を９～１１ＭＨｚと広くすることができることがわかった。その際のＮｉＦｅＢの膜厚は約５Åであることが望ましく、また、ＳＴＯに印加する磁界は約３６０～３９０ｍＴで、直流電圧は約２７０～３００ｍＶの範囲である必要があることがわかった。

実際に位相同期をとり出力を高めるには複数の本発明のＳＴＯを配列しＳＴＯアレイとして、上述した条件で各ＳＴＯを発振させる必要がある。その際起こる位相同期現象によりＳＴＯ間の周波数が相互作用を通じて揃い合って出力が大きくなる。図１０にそのＳＴＯアレイの配列例を示す。図１０では、ＳＴＯ１０と直流電圧を印加するための直流電源のみを記載している。また、図中の各ＳＴＯ１０では、磁化固定層とトンネル障壁層と磁化自由層の３層のみを示し、トンネル障壁層と磁化自由層の間に在る薄いパーマロイ層は省略している。

図１０（ａ）は、３つのＳＴＯ１０を並列接続した構成である。（ｂ）は３つのＳＴＯ１０を直列接続した構成である。（ｃ）は（ａ）の３つのＳＴＯ１０を並列接続した構成を３組（３行）直列接続して直並列接続構成である。（ｄ）は（ｂ）の３つのＳＴＯ１０を直列接続した構成を３組（３列）並列接続した直並列接続構成である。なお、いずれの場合もＳＴＯの数は３に限定されず、それぞれ少なくとも２以上の任意の数のＳＴＯを用いることができる。

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ＳＴＯ／ＳＴＯアレイは小型で高出力な発振素子として携帯電話、タブレットあるいはノートパソコン等の携帯型電子機器などに幅広く利用することができる。

１磁化固定層（ＣｏＦｅＢ）
２パーマロイ層（ＮｉＦｅＢ）
３トンネル障壁層（ＭｇＯ）
４磁化自由層（ＦｅＢ）
１０スピントルク発振素子（ＳＴＯ）
１２直流電源
１３高周波信号発生器
１４スペクトラムアナライザ
１５パーソナルコンピューター（ＰＣ）
１６パワーディバイダ

Claims

ＣｏＦｅＢを含む磁化固定層と、ＭｇＯを含むトンネル障壁層と、ＦｅＢからなる磁化自由層が順番に積層された積層構造において、前記磁化固定層と前記トンネル障壁層との間に各々に接するように配置したＮｉＦｅＢを含むパーマロイ層を備える、スピントルク発振素子。
前記ＮｉＦｅＢにおけるＮｉ組成比は７６～８５ａｔ％の範囲にある、請求項１に記載のスピントルク発振素子。
前記パーマロイ層は略５Åの厚さを有する、請求項１または２に記載のスピントルク発振素子。
前記磁化固定層は略２３Åの厚さを有し、前記トンネル障壁層は略１０Åの厚さを有し、前記磁化自由層は略５０Åの厚さを有する、請求項１～３のいずれか１項に記載のスピントルク発振素子。
請求項１～４のいずれか１項に記載の複数のスピントルク発振素子を直列、並列、または直並列に配列したスピントルク発振素子アレイ。
前記複数のスピントルク発振素子の同期幅は、９～１１ＭＨｚの範囲にある、請求項５に記載のスピントルク発振素子アレイ。
前記複数のスピントルク発振素子に印加する磁界が３６０～３９０ｍＴで、直流電圧が２７０～３００ｍＶの場合に前記同期幅が得られる、請求項６に記載のスピントルク発振素子アレイ。