TW202240610A - 薄膜電感器元件及薄膜可變電感器元件 - Google Patents
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Abstract
本發明的目的在於提供一種利用選擇材料之難度不是那麼高且溫度依賴性亦不是那麼高之新型的出射電磁場之薄膜電感器元件。一種薄膜電感器元件，其特徵在於，係具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜，以及一對電極，前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的，前述磁性體層具有大致相同的磁化結構，前述一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端，施加交流電流或者高頻電流。
Description
本發明有關一種薄膜電感器元件及薄膜可變電感器元件。
作為利用線圈中所產生之感應電動勢來保持電路電流恆定之元件，已知有一種電感器元件。電感器元件的第一用途被認為是用於進行變壓的變壓器，但另一方面亦用作小型的電氣設備或電路中之濾波器等高頻電路。對便攜式通信終端等各種電子設備中所使用之電路元件要求小型化・微細化，當然對電感器元件亦產生同樣的要求規格，而對作為電感器元件強度的電感要求一定程度的大小，以實現所期望的功能特性。但是，電感與線圈匝數的平方及線圈截面積成比例，且電感強度與小型化存在折衷關係，因此電感器元件的小型化自然存在極限。
在這種情況下，在期待有助於電氣設備或電路的小型化所需的電感器元件的微細化的同時，近年來，闡明了利用基於自旋電子學技術產生之出射電磁場之作為電感器元件的出射電感器（Emergent Inductor）的原理，並成功地進行了實證。如作為與以往的感應線圈的對比說明的圖9所示，在非專利文獻1中所揭示之出射電感器（Emergent Inductor）不具備電感強度與小型化的折衷關係，相反地，具有元件截面積與電感成反比例且電感隨著小型化的程度而變大的性質。因此，出射電感器被期待為小型化做出巨大貢獻。
[先前技術文獻]
[非專利文獻]
[非專利文獻1]Tomoyuki Yokouchi, Fumitaka Kagawa, Max Hirschberger, Yoshichika Otani, Naoto Nagaosa & Yoshinori Tokura "Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet", Nature, Vol.586, 8 October 2020
[發明所欲解決之問題]
然而，為了產生基於出射電磁場之電感，出射電感器必須形成螺旋磁結構（參照圖9）或臥式錐形磁結構等的非共線的磁結構。在非專利文獻1中，確認到藉由使用Gd
3Ru
4Al
12來形成非共線的磁結構。但是，由於Gd
3Ru
4Al
12很難說是一般的材料，因此出射電感器需要挑選材料以實現上述結構，即使解決挑選適當材料之問題，為了形成螺旋磁結構還需要晶向控制。除此以外，根據先前的研究，亦判明了元件性能的溫度依賴性高。藉此可見，出射電感器在實用性方面，仍然還存在許多課題待解決。
為了解決這些課題，本發明的課題在於提供一種利用選擇材料之難度不是那麼高且溫度依賴性亦不是那麼高之新型的出射電磁場之薄膜電感器元件。
[解決問題之技術手段]
本發明的薄膜電感器元件至少具備以下的構成。
其特徵在於，係具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜，以及一對電極，前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的，前述磁性體層具有大致相同的磁化結構，前述一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端，施加交流電流或者高頻電流。
又，本發明的薄膜可變電感器元件至少具備以下的構成。
其特徵在於，係具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜、阻擋層、用於施加交流電流或者高頻電流的一對電極、以及閘極電極層，前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的，前述磁性體層具有大致相同的磁化結構，前述一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端，施加交流電流或者高頻電流，前述阻擋層設置成進一步積層於前述非磁性體層或前述反強磁性體層側的面上，前述閘極電極層設置成進一步積層於前述阻擋層，藉由對前述閘極電極層施加正負偏壓來實現電感調變動作。
而且，本發明的薄膜可變電感器元件至少具備以下的構成。
其特徵在於，係具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜、用於施加交流電流或者高頻電流的一對電極、以及圍繞前述積層膜之薄膜線圈，前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的，前述磁性體層具有大致相同的磁化結構，藉由切換前述薄膜線圈的通斷及/或電流的方向來控制外部磁場，從而實現電感調變動作。
這些發明的共同之處在於，“積層膜”當然包括由磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層構成之雙層膜，除此以外，還包括添加了基底層或覆蓋層（cap layer）等附加膜之膜。又，“任意的形狀”是指可以為正方形、圓形、橢圓形、長方形等任何形狀，但意在即使選擇任意的形狀均可顯現電感。又，“一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端”是指，還包括與在設置有電極之積層方向上的高度位置無關，且各個電極彼此的高度位置不一致之態樣。而且，“大致相同的磁化結構”是指，相鄰之磁矩以共線的方式排列之磁結構，而不是在非專利文獻1中成為實現出射電感之必要條件之螺旋磁結構或臥式錐形磁結構等非共線的磁結構，還包括由溫度或材料的不完全性引起之若干非均勻性。
本發明的實施形態之薄膜電感器元件及薄膜可變電感器元件與作為先行技術之出射電感器同樣地，利用自旋電子學技術以及出射電磁場。出射電感器藉由利用自旋轉移矩（STT:Spin-transfer torque）及作為其逆過程的自旋電動勢的組合，首次發現了作為電感器的用途。當然，並不是著眼於自旋軌道矩（SOT:Spin-orbit torque）。另一方面，本發明的實施形態利用自旋軌道矩（SOT:Spin-orbit torque）及其逆過程的組合。再者，自旋軌道矩（SOT:Spin-orbit torque）在磁阻式隨機存取記憶體等領域中已經進行了研究開發。
以下，利用附圖對本發明的實施形態進行說明，但需要注意的是，以下的附圖係為了說明而製作之概念圖，不一定表示所實施的原本的態樣。
（薄膜電感器元件的構成）
圖1係表示本發明的實施形態之薄膜電感器元件的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。電感器由在磁性體層上積層重金屬層而成之積層膜形成。沿x方向延伸，在其兩端設置未圖示之電極，施加交流電流或者高頻電流。設置電極之z位置可以是靠近重金屬層、靠近磁性體層、兩者的邊界附近的任意位置。又，重金屬層與磁性體層的上下関係亦係任意的，即使替換為圖示的上下位置，亦能夠以相同條件作為電感器發揮作用。然而，若考慮與後述之薄膜可變電感器元件的共通模塊化等，則設為圖示之上下関係係有利的。如圖1的白色箭頭所示，磁性體的磁化方向具有在與積層方向平行的方向上穩定之磁各向異性。然而，關於該磁各向異性，已經對實施形態進行了說明，如已經說明的那樣，只要形成大致相同的磁化結構，就會顯現電感。再者，實際上，磁化的方向朝向圖中的z方向、或者與x方向平行的方向時，可得到較大電感。又，並不限定於重金屬層，只要是能夠顯現自旋軌道矩之非磁性體層，就會產生電感。當然，不需要磁阻式隨機存取記憶體的磁性反轉動作所要求的外部磁場。
（薄膜電感器元件的製造方法）
薄膜的沉積方法中使用超高真空濺射法等。薄膜沉積後，可以在磁場中進行熱處理，在本實施形態之薄膜電感器元件中，在300℃的氛圍下，進行了2小時的處理。
（電感器動作的原理）
在此，利用圖2對本發明的實施形態之薄膜電感器元件的電感器動作的原理進行說明。電感器動作藉由交替自旋轉矩過程與自旋電動勢過程來實現。若將其理解為由於某種原因而產生感應電流時，電流的流動方向與妨礙感應電流的原因之方向一致這一電磁感應的楞次法則的自旋電子學版，就容易理解。以下，具體進行說明。
首先，在自旋轉矩過程中，向本發明的實施形態之薄膜電感器元件導入電流。此時，在磁性體層與重金屬層界面處蓄積朝紙面縱深方向（y方向）的自旋，自旋軌道矩作用於磁性體層的磁化。其結果，磁化方向從能量穩定的基板垂直方向（z方向）傾斜。作為自旋蓄積之機制，可以舉出“自旋霍爾效應”、“拉什巴效應”等。在此，“自旋霍爾效應”是指，在重金屬層上向+y方向自旋極化之電子與向-y方向自旋極化之電子的軌道在z方向上沿相反方向彎曲之效果，即，在-z方向上產生自旋流之效果。因此，只有在y方向上，向一方向自旋極化之電子流入磁性體層。又，“拉什巴效應”是指，在重金屬層與磁性體層的界面處，產生有效的電場，藉由電場與傳導電子的運動量之間的相互作用，只有在+y、-y中的任一方向上自旋極化之傳導電子蓄積在界面上之效果。圖2中，圖示了藉由自旋霍爾效應產生之自旋流。電流與自旋流的方向的関係由自旋霍爾效應的符號確定。圖2中，圖示了電流沿+x方向流動時，自旋流沿-z方向流動之（相反，電流沿-x方向流動時，自旋流沿+z方向流動）情況，但是該方向的關係根據重金屬層的材料而變化。重要的是，可以舉出自旋流的符號根據電流的符號而變化。藉此，能夠改變蓄積之電子的自旋極化成分，並能夠使作用於磁性體層的磁化之自旋軌道矩的方向相反。因此，藉由輸入交流電流產生交流的轉矩。又，若導入到電感器之電流為交流，則磁性體層的磁化在所輸入之電流的交流頻率上進行歳差運動。
接著，在自旋電動勢過程中，以從能量穩定的基板垂直方向（z）傾斜之磁化所蓄積之磁能量為起源，磁化的歳差運動產生自旋流，藉由自旋霍爾效應、拉什巴效應等逆過程，在抵消導入到電感器之電流之方向上產生反電流。其結果，電感器中流動所導入之電流與反電流之和，從而實現防止電流的變化之作用（電感器）。
（認為合適之材料、尺寸及形狀）
綜上所述可理解，對於重金屬層（或廣泛地一般為非磁性體層），對磁性體層施加自旋軌道矩成為絕對必須的條件。作為該元素，已知有W、Ta、Pd、Pt、Ir，從中選擇為較佳。
又，亦能夠使用反強磁性體而不是重金屬。具體而言，為包含選自包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni之群組中之第一元素和選自包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au之群組中之第二元素之合金，更具體而言，使用Pt-Mn合金、Ir-Mn合金。關於組成，在Pt
XMn
100-X、Ir
XMn
100-X中，較佳為X=30-70at.%。又，重金屬層或反強磁性體層的典型的膜厚為2nm以上且20nm以下。
另一方面，磁性體層由強磁性體、亞鐵磁性體、反強磁性體（注：積層膜亦能夠由反強磁性體層/反強磁性體層這兩層構成）構成，係包括Fe、Co、Ni、Mn之材料。當具有面內易磁化軸之實施形態的情況下，具體而言，能夠使用Ni-Fe合金、Co-Fe-B合金等。當具有垂直易磁化軸之實施形態的情況下，具體而言，能夠使用Co/Ni、Co/Pt、Co/Pd、Co/Au、Fe/Au積層膜、Co-Pt、Co-Cr-Pt、Co-Pd、Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Pt、Fe-Co-Pd合金、CoFeB、FeB合金等，如[Co/Ni]/Ta/CoFeB，亦可以設為積層結構。又，以往存在之磁阻式隨機存取記憶體中所使用之磁性體層的典型的膜厚為0.8nm以上且5nm以下，這是用於使磁化反轉所需的厚度，但是在薄膜電感器元件中，如利用圖2所說明的那樣，只要能夠實現磁化方向從能量穩定的基板垂直方向（z方向）傾斜即可，因此能夠取更廣泛之膜厚的設定範圍。另一方面，即使使膜厚過厚，亦只會成為對電感顯現沒有幫助的無用的厚度部分。其結果，關於膜厚，根據所要求之性能設定適當的尺寸即可。
若將雙層膜的各膜的形狀設為同一形狀，則作為積層膜的平面形狀，即使選擇正方形、圓形、楕圓形、長方形等任意的形狀，亦能夠顯現電感。然而，若考慮實際處理，選擇長方形是有利的。
又，在圖中，電感器元件示出由磁性體層與重金屬層這兩層構成，但實際上，亦可以是設置了在製造過程中用於得到所期望的特性而形成這些層的基底層、或在微細加工的過程中用於保護元件的覆蓋層等之積層膜。
（本實施形態的具體的材料、尺寸及測定結果）
作為本發明的實施形態，使用以下的4種積層構成進行實驗，求出將元件尺寸規定為長度100μm、寬度100nm、厚度10nm時的電感。
第一種，從基板側開始形成為Si sub./Ta（3）/CoFeB（1）/MgO（1.3）/Ta（1）之膜構成。此時生成之每個電流密度的自旋軌道矩有效磁場的大小為1.1x10
-11[mT/（A/m
2）]，此時的電感成為0.0065[nH]。
第二種，從基板側開始形成為Si sub./W（3）/CoFeB（1.3）/MgO（1.3）/Ta（1）之膜構成。此時生成之每個電流密度的自旋軌道矩有效磁場的大小為9.0x10
-11[mT/（A/m
2）]，此時的電感成為1.0[nH]。
第三種，從基板側開始形成為Si sub./Ta（2）/Pt（3）/Co（1.6）/MgO（2）/Ta（1）之膜構成。此時生成之每個電流密度的自旋軌道矩有效磁場的大小為1.4x10
-11[mT/（A/m
2）]，此時的電感成為0.04[nH]。
第四種，從基板側開始形成為Si sub./Ta（4）/Pt（2）/PtMn（3）/[Co（0.3）/Ni（0.6）]2/Co（0.3）/MgO（1.5）/Ru（1）之膜構成。此時生成之每個電流密度的自旋軌道矩有效磁場的大小為4.2x10
-11[mT/（A/m
2）]，此時的電感成為0.1[nH]。
（對以往技術之有利效果）
利用經典電磁學的原理，用空芯的螺線管線圈製造相同尺寸的電感器時的電感估計如下。
假設電感器的長度100μm、寬度100nm、厚度10nm，對於螺線管線圈的纏繞密度，作為以現有的微細加工技術能夠實現的值，假設每100nm繞1周。關於螺線管線圈的電感L，若將導磁率設為μ
0、纏繞密度設為n、長度設為l、寬度設為W、厚度設為t，則由L=μ
0n
2lWt給出，求得0.013nH。然而，基於本發明的原理之電感器元件僅藉由將積層膜加工成細線狀就能夠實現，因此與經典的電感器相比，製造成本被大幅抑制。即，本發明的實施形態之薄膜電感器元件與以往的經典的電感器相比，能夠以極低的成本實現同等或優於其之電感。
從省成本這一觀點考慮，對於利用自旋轉移矩（STT: Spin-transfer torque）與作為其逆過程之自旋電動勢的組合之出射電感器，本發明的實施形態之薄膜電感器元件亦是有利的。如上所述，出射電感器必須形成螺旋磁結構等非共線的磁結構，但顯示該結構之材料為特殊材料，不適合大量生產。又，需要藉由晶向控制等來對齊螺旋軸向，而且，螺旋磁結構的磁化旋轉之軸由晶向確定，因此為了作為電感器發揮作用，需要使電流在結晶的特定的軸向上流動，在除此以外的結晶軸向上效果變小或者完全沒有。解決這種諸多條件並得到所期望的電感需要相應的成本。
相對於此，在本發明的實施形態之薄膜電感器元件中，只要使用原本具有共線的磁結構之標準的磁性體即可。此外，易磁化軸由雙重膜的結構確定為膜面垂直，能夠以簡單的成膜製作元件，並且能夠以極低的成本實現電感。
作為出射電感器，從其他觀點而言，在效果上亦有優勢。根據先行研究，出射電感器使用Gd
3Ru
4Al
12等略特殊的材料，在16K以下等超低溫狀態下，顯現電感，但在比其更高的溫度的範圍內，未顯現電感功能。當然，今後可能會發現在更高溫度區域中顯現電感功能之材料，但由於限定在磁狀態相圖上的顯現出包括螺旋磁性之非共線的磁結構之溫度區域，因此對使用環境溫度之限制依然存在。無論如何，在通常溫度或者更高的溫度區域中的利用，還有很大的門檻。
相對於此，在本發明的實施形態之薄膜電感器元件中，能夠使用Ni-Fe合金、Co-Fe-B合金、Co/Ni、Co/Pt、Co/Pd、Co/Au、Fe/Au積層膜、Co-Pt、Co-Cr-Pt、Co-Pd、Fe-Pt、Fe-Pd、Fe-Co-Pt、Fe-Co-Pd合金、CoFeB、FeB合金等一般的材料，這些在通常溫度下充分發揮作用。因此，本發明的實施形態之薄膜電感器元件在實用化方面的阻礙較小。
（薄膜可變電感器元件的構成）
關於基於本發明的原理之電感器元件，判明能夠從外部控制電感。藉此，能夠實現電感可變之薄膜可變電感器元件。圖3係表示本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。電感器由在磁性體層上積層重金屬層而成之雙層膜形成，沿x方向延伸，在其兩端設置有未圖示之電極，施加交流電流，這一點與圖1所示的薄膜電感器元件相同。設置電極的部位或雙層膜的形狀亦與薄膜電感器元件同樣地，自由度較高。
另一方面，在薄膜可變電感器元件中，與雙層膜的重金屬層的面相鄰地積層有由絕緣體構成之阻擋層。作為材料，可以舉出MgO、Al
2O
3、AlN等，但重要的是藉由阻擋層與記錄層之間的界面磁各向異性顯現垂直磁各向異性，在該觀點上，CoFeB/MgO、FeB/MgO為較佳。但是，如上所述，在薄膜可變電感器元件的情況下，其易磁化軸的方向具有任意性，例如亦可以朝向x方向。
而且，在阻擋層上還積層有由金屬構成之閘極電極層。作為材料，傳導性佳之金屬例如Ta、Ru、Cu等為較佳。作為閘極電極層的形狀，設定成在x-y平面內收納在阻擋層的內側。這是為了使閘極電極層不與電感器電短路。另一方面，作為雙層膜的平面形狀，能夠選擇正方形、圓形、楕圓形、長方形等任意的形狀，這與薄膜電感器元件相同。
如圖3的白色箭頭所示，磁性體的磁化方向具有在與積層方向平行的方向上穩定之磁各向異性。然而，關於該磁各向異性，已經對實施形態進行了說明，只要形成大致相同的磁化結構，就會顯現電感。又，並不限定於重金屬層，只要是能夠顯現自旋軌道矩之非磁性體層，就會產生電感。當然，不需要磁阻式隨機存取記憶體的磁性反轉動作所要求的外部磁場。
（電感調變動作的原理）
利用圖4對本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的電感調變動作的原理進行說明。
若對閘極電極層施加正偏壓，則電子在與電感器的絕緣層的接合面邊界處蓄積，並如C-MOS的閘極下的通道區域那樣產生局部電場。藉由電場效果，作用於電感器之自旋軌道相互作用發生變化，作為電感的確定因素之各種因素被調變。作為因素，可以舉出自旋軌道矩的大小、作為其逆過程的自旋電動勢的大小、支配磁化方向的變化容易度之磁各向異性的大小。作為這些因素的調變作用的結果，在雙層膜境界處產生之電感被調變。
若對閘極電極層施加負偏壓，則電洞在與電感器的絕緣層的接合面邊界處蓄積，並產生與前述相反的局部電場。基於電場效果之自旋軌道相互作用的變化具有與電場成比例之成分和與電場的平方成比例之成分。因此，未必能夠在正偏壓時和負偏壓時始終期待反向的調變作用，但在許多重金屬中確認到了與電場成比例之效果，藉由適當的材料選擇，能夠實現双向的電感調變動作。
（對以往技術之有利效果）
在利用經典電磁學的原理之電感器中，已知有一種能夠進行電感調變者。但是，為此需要使用於提高導磁率的芯可動之機械構件。在這一點上，本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件藉由在偏壓存在下進行電感動作，能夠實現基於不伴隨機械動作之電控制之高速可變電感。
另一方面，當著眼於利用自旋轉移矩（STT: Spin-transfer torque）與作為其逆過程的自旋電動勢的組合之出射電感器的情況下，觀測到了基於溫度與磁場之電感變化，但需要幾特斯拉的大磁場等，伴隨控制之困難性非常高。除此以外，溫度變化過大這一點，在進行控制方面甚至還有缺點。在這一點上，利用簡單的金屬雙層膜之本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的溫度變化小，且能夠藉由與電流路徑正交之電場進行控制，控制性極高。
（基於另一例之薄膜可變電感器元件的構成）
關於圖3的實施例，利用藉由在閘極電極下聚集電荷而產生之局部電場來調變電感的各種因素以及電感，但亦能夠藉由提供外部磁場來控制磁性體的搖擺容易度（運動的容易度），藉此來調變電感。
圖5係表示藉由提供外部磁場而發揮作用之薄膜可變電感器元件的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。電感器由在磁性體層上積層重金屬層而成之雙層膜形成，沿x方向延伸，在其兩端設置有未圖示之電極，施加交流電流，這一點與圖3所示的薄膜可變電感器元件相同。設置電極的部位或雙層膜的形狀亦與圖3所示之薄膜可變電感器元件同樣地，自由度較高。即，作為雙層膜的平面形狀，能夠選擇正方形、圓形、楕圓形、長方形等任意的形狀。
如圖5的白色箭頭所示，磁性體的磁化方向具有在與積層方向平行的方向上穩定之磁各向異性。然而，關於該磁各向異性，已經對實施形態進行了說明，只要形成大致相同的磁化結構，就會顯現電感。又，並不限定於重金屬層，只要是能夠顯現自旋軌道矩之非磁性體層，就會產生電感。
與圖3所示之薄膜可變電感器元件的不同之處在於，代替閘極電極具備包圍積層膜之薄膜線圈。藉由控制該薄膜線圈之電路，能夠藉由切換電流的通斷或電流的朝向來控制在積層方向上貫穿電感器元件之厄斯特磁場。
（電感調變動作的原理）
利用圖6對藉由提供外部磁場而發揮作用之薄膜可變電感器元件的電感調變動作的原理進行說明。
若在控制電路中向+z方向施加正磁場，則電感器的磁性體中之有效磁各向異性增加（磁性體的搖擺容易度減小），電感減小。若向相反方向施加負磁場，則電感器的磁性體中之有效磁各向異性減小（磁性體的搖擺容易度增加），電感增加。因此，藉由一邊施加由控制電流產生之外部磁場，一邊進行前述電感動作，能夠實現基於如以往技術那樣的不伴隨機械動作之電控制之可變電感。再者，在此，假設磁性體的易磁化軸的方向位於z方向的情況，並對其原理進行了說明，但當磁性體的易磁化軸向發生變化的情況下，施加之磁場的方向亦隨之改變。
（對以往技術之有利效果）
在此，若對基於局部電場之薄膜可變電感器元件及基於外部磁場之薄膜可變電感器元件共通的有利效果進行說明，則可以舉出使用頻率帶寬這一點。根據非專利文獻1，判明使用自旋轉移矩之先行研究的出射電感器中，電感在30kHz以上的頻率下急劇減少。該使用極限頻率由妨礙螺旋磁性的平行運動之局部紊亂規定，即使反覆改良，認為例如使其能夠在GHz帶中使用亦是非常困難的。相對於此，本發明不使用如螺旋磁性那樣的磁空間圖案的平行運動而使用均勻的磁歳差運動，因此元件的紊亂不直接乾預。作為結果，在本發明的情況下，能夠在從幾Hz到幾GHz的超寬範圍的區域內，提供恆定的電感。這一點作為高頻用途尤為重要。
（動作原理與特性）
對目前為止所說明之成為現象的基礎之動作原理進行說明。動作原理能夠作為藉由以下進行說明之導出過程得到之公式來進行說明。
已知拉什巴自旋軌道結合（Rashba spin-orbit coupling：以下，稱為“RSOC”。）在反轉對稱性破缺之材料體系例如重金屬與異種材料的界面等處產生，帶來自旋軌道矩或自旋電動勢等電子自旋的控制手段。已知特別是在磁性體與重金屬的界面中，傳導電子在RSOC下感應到如下有效的電場（自旋電場）。
[數式1]
在此，m
e為電子質量、η
R為表徵RSOC的大小之參數、e為元電荷、m（向量）為表示均勻的磁化方向之單位向量、e
z（向量）為膜厚方向（z方向）的單位向量、β為表徵傳導電子自旋的非絕熱動力之無因次參數。[數式1]左邊的上標及右邊的整體的符號（解碼順序）表示對應於磁性體中之多數自旋的電子與少數自旋的電子之間的區別，且自旋電場根據電子的自旋方向改變符號。現在，設為磁化的運動由施加於x方向上之交流電流引起。此時，藉由[數式1]的自旋電場而在電流方向產生[數式2]的電壓。
[數式2]
l為x方向的磁性體與重金屬複合膜的長度、P為傳導電子的自旋極化率（多數自旋與少數自旋之差的程度）。後者負責藉由多數自旋與少數自旋對自旋電場進行平均化，並轉換為實際電場。已知藉由自旋電場產生之電壓為自旋電動勢（Spin motive force：以下，稱為“SMF”。）。如下詳細敘述那樣，該SMF提供出射電感。
假設磁化進行圍繞z方向的小角歳差運動。即，[數式3]所表示。
[數式3]
在此，ω設為從外部輸入之交流電流的角頻率。此時，SMF計算為[數式4]。
[數式4]
因此，藉由根據定義計算[數式5]來求出由SMF引起之電感L。
[數式5]
在此，Im[ ]為取複數的虛部之符號、I（t）=Ajc（t）是流過試樣之總電流、A是沿試樣的x方向垂直的截面積。帶入電壓的[數式4]得到[數式6]。
[數式6]
在此，Re[ ]為去複數的實部的符號。又，值得注意的是，在SMF作用於對外部電流源流過相反電流的方向時，L的符號被定義為正值。
藉由求解[數式7]的運動方程式（Landau-Lifshitz-Gilbert 方程式）得到磁化的運動。
[數式7]
γ為磁旋轉比、h
dc為施加在z方向之外部直流磁場、h
K為由垂直磁各向異性引起之有效磁場、α為吉爾伯特弛豫系數、h
sfe
iωt和h
sde
iωt描述了由電流引起之自旋軌道矩磁場的強度。若使用前述的對磁化運動之假設，則[數式7]能夠線性近似，其解由[數式8]給出。
[數式8]
在此，設為h
z=h
dc+h
K。
藉由將[數式8]帶入[數式6]，可以得到作為出射電感L的公式的[數式9]。
[數式9]
在此，K
eff為磁性體的有效垂直磁各向異性，並且設為K
eff=K+μ
0M
Sh
dc/2，K為垂直磁各向異性常數、μ
0為真空的導磁率、M
S為飽和磁化。這是自旋軌道矩h
sd・h
sf與h
z相比，在充分小的參數區域中一般成立的公式。又，P為磁性體中的傳導電子的自旋極化率、m
e為電子質量、η
R為自旋軌道相互作用的大小、e為元電荷、l為端子電感器層在x方向的長度、A為電感器層的截面積。
作為從[數式9]理解之特徵，在以往技術中，電感的大小與元件截面積成比例，相對於此，本發明的電感的大小與元件截面積成反比例。因此，截面積愈小的小型元件，愈能得到強之電感。該性質與在非專利文獻1中提出並被證實之“利用自旋轉移矩與作為其逆過程的自旋電動勢的組合之出射電感器”相同。在本發明中，第一意義在於藉由簡單的構成要素實現該特性。
而且，第二意義在於實現基於電場之可變電感。作為方式，有已經說明過之2種方式。第一種方式為在上述式的參數內，藉由外部電場調變自旋軌道相互作用的大小η
R。因此，藉由閘極電極對電感器層施加電場，能夠改變電感的大小。圖7示出該情況。
第二種方式為基於磁場之電感的調變。若向元件的膜厚方向施加外部磁場，則式的有效磁各向異性發生變化。藉由該作用，藉由外部磁場，能夠使電感的大小發生變化。圖8示出該情況。
若作為結構，將從在此說明之特徵掌握之技術的思想認為是最高級別的觀念，則成為由積層二種不同之導體而成之積層膜、和配置於與積層方向相交之方向的兩端之一對電極構成之元件。這是因為，如在較佳材料的項中所說明的那樣，還包括由反強磁性體層/反強磁性體層這二層構成之積層膜。將這種積層膜與一對電極設為最小要素之元件本身，可以說是在以往從未存在過的元件。除此以外，對該元件附加閘極電極或薄膜線圈，作為新結構的技術思想亦可以廣泛考慮。
又，若作為功能，將從在此說明之特徵掌握之技術的思想認為是最高級別的觀念，則在提供交流電流時，成為由用於生成自旋軌道矩的層即第1層、和藉由自旋軌道矩產生磁矩的歳差運動之層即第2層構成之元件。除此以外，附加使該元件的第1層產生局部電場之區域之元件、和附加對該元件提供外部磁場之線圈之元件，作為新功能的技術思想亦可以廣泛考慮。
而且，雖然沒有進行作為實施形態的說明，但亦能夠著眼於[數式9]右邊的長度l來擴展技術思想。即，若元件的長度方向的長度l被延長，則電感與其成比例地變強，例如，藉由以“薄膜電容器”那樣的形式，捲繞或積層本發明的元件的基本結構，能夠將元件尺寸保持較小的狀態下增加電流路徑的長度l。若採取多層膜配線的具體態樣、磁動力控制、特別是藉由積層處理不同磁性層磁化之間的經由漏磁場之干擾等必要措施，則基本結構的膜面垂直磁化能夠在層間耦合，並產生與交流電流同相位的歳差運動，原理上能夠增強電感。
以上，參照圖示對本發明的實施形態之薄膜電感器元件及薄膜可變電感器元件進行了詳細敘述，但具體構成並不限於這些實施例，在不脫離本發明的主旨之範圍的設計的變更等亦包括在本發明中。
特別是材料或膜厚尺寸等，只要不限定於在此揭示之例子，則不是不顯現電感功能，而是只要能夠顯現自旋軌道矩（因此，最適於自旋轉矩的顯現之材料亦不是必須的）就能夠進行利用。
所例示之材料作為磁性體的材料是通用的，並且在通常的溫度範圍內具有有效的磁各向異性，並且能夠控制其變化。因此，應當充分理解本發明的意義在於，提供一種藉由一般的材料和簡易的結構，溫度依賴性較小，因此能夠在廣泛之溫度範圍內使用之電感器元件及可變電感器元件。
x:方向
y:方向
z:方向
圖1係表示本發明的實施形態之薄膜電感器元件的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。
圖2係表示本發明的實施形態之薄膜電感器元件的電感動作之說明圖。
圖3係表示本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。
圖4係對本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的電感調變動作進行說明之圖。
圖5係表示本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的另一例的結構概念之立體圖、剖視圖及俯視圖。
圖6係對本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的另一例的電感調變動作進行說明之圖。
圖7係表示本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的電感特性之圖。
圖8係表示本發明的實施形態之薄膜可變電感器元件的另一例的電感特性之圖。
圖9係對比以往的感應線圈與出射電感器而進行說明之圖。
x:方向
y:方向
z:方向
Claims (8)
- 一種薄膜電感器元件，其特徵在於，其具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜、以及一對電極， 前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的， 前述磁性體層具有大致相同的磁化結構， 前述一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端，被施加交流電流或者高頻電流。
- 如請求項1之薄膜電感器元件，其中 前述非磁性體層為適於自旋軌道矩的顯現之組成。
- 如請求項2之薄膜電感器元件，其中 適於前述自旋軌道矩的顯現之組成包括選自W、Ta、Pd、Pt、Ir元素之重金屬。
- 如請求項1之薄膜電感器元件，其中 前述反磁性體層為適於自旋軌道矩的顯現之組成。
- 如請求項4之薄膜電感器元件，其中 適於前述自旋軌道矩的顯現之組成為包含選自包括Cr、Mn、Fe、Co、Ni之群組中之第一元素和選自包括Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au之群組中之第二元素之合金。
- 一種薄膜可變電感器元件，其特徵在於，其具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜、阻擋層、用於施加交流電流或者高頻電流的一對電極、以及閘極電極層， 前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的， 前述磁性體層具有大致相同的磁化結構， 前述一對電極設置於前述積層膜延伸之兩端，被施加交流電流或者高頻電流， 前述阻擋層設置成進一步積層於前述非磁性體層或前述反強磁性體層側的面上， 前述閘極電極層設置成進一步積層於前述阻擋層， 藉由對前述閘極電極層施加正負偏壓來實現電感調變動作。
- 如請求項6之薄膜可變電感器元件，其中 前述閘極電極層在與前述積層方向平行的面內，形成為比前述阻擋層更小之形狀。
- 一種薄膜可變電感器元件，其特徵在於，其具備積層磁性體層與非磁性體層或反強磁性體層而成之積層膜、用於施加交流電流或者高頻電流之一對電極、以及圍繞前述積層膜之薄膜線圈， 前述磁性體層與前述非磁性體層或前述反強磁性體層在與積層方向正交之方向上以任意的形狀延伸，並且前述積層方向的上下朝向亦是任意的， 前述磁性體層具有大致相同的磁化結構， 藉由切換前述薄膜線圈的通斷及/或電流的方向來控制外部磁場，從而實現電感調變動作。
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