WO2006101040A1 - マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子及びマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子 - Google Patents

マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子及びマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子 Download PDF

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WO2006101040A1
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microwave
magnetic
layer
magnetoresistive element
frequency
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Yoshishige Suzuki
Shinji Yuasa
Akio Fukushima
Ashwin Tulapurkar
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Japan Science And Technology Agency
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
    • H01P11/003—Manufacturing lines with conductors on a substrate, e.g. strip lines, slot lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance

Definitions

  • the present invention relates to an element capable of generating a microwave or an element capable of detecting a microwave.
  • a typical microwave oscillation source is a Gunn oscillator.
  • the Gunn oscillator has the advantages of being able to operate at low voltage, having a good oscillation vector purity, and having a low ratio of frequency components that differ from the desired oscillation frequency! Due to defects such as poor oscillation efficiency (output power Z input power is 1% or less), the method of obtaining high frequencies by multiplying oscillations by semiconductor elements such as transistors and pin diodes has become the mainstream. Yes.
  • Non-patent Document 1 Flip-chip Gunn diode that can be fabricated on a flat substrate
  • the major problems of the microwave oscillator using semiconductor elements are the low oscillation efficiency and the impedance mismatch between the oscillator and the transmission circuit.
  • the frequency purity of the oscillation output should be improved.
  • the CPP-GMR element means a planar giant magnetoresistive element, and a magnetic multilayer film having a magnetization free layer, a Z intermediate layer, and a Z magnetization fixed layer is processed into a columnar shape in the direction perpendicular to the film surface, and the current flows.
  • Magnetoresistance is a phenomenon in which the direction of the magnetic field of the magnetic layer is changed by applying an external magnetic field, and as a result, the resistance value of the element changes.
  • Non-Patent Document 2 reports on the generation of microwaves in a CPP-GMR element consisting of three layers of CoZCuZCo.
  • the microwave oscillation frequency obtained in this experiment was about 10 GHz to about 25 GHz.
  • microwave detection the square detection characteristic of a semiconductor diode is usually used.
  • In order to perform detection with high efficiency In the conductor, it is necessary that there is no delay in the movement of electrons. For this reason, high mobility, semiconductors, pin diodes, and the like are used.
  • high mobility, semiconductors, pin diodes, and the like are used.
  • it is possible to increase the frequency by shortening the electron channel length (thinning the element) such inevitably increases the junction capacitance.
  • the element area is reduced to reduce the junction capacitance, the element resistance increases, and if the sensitivity decreases due to an impedance mismatch with the transmission circuit, a problem arises.
  • Patent Document 1 JP 2000-353920 (P2000-353920A), name: Gunn diode oscillator.
  • Non-Patent Document 1 Flip-chip type Gunn diode, Jun Nakagawa's Kenichi Watanabe, “Flip-Chip Gunn Diode” Applied Physics, 69 ⁇ , No. 2, (2000) 182 pages.
  • Non-patent document 2 Microwave oscillation experiment by direct current in CPP-GMR element, S ⁇ Ki selev, J. 3 ⁇ 4ankey, INKrivorotov, N. Emley, RJbchoelkopf, RABuhrman & D. Ralph, Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current, 'Nature vol.425, (2003) pp. 380.
  • the problem to be solved by the present invention is to improve the efficiency and miniaturization of the microwave generation part and the microwave detection part of the electronic circuit.
  • the ratio of the magnetic resonance to occur is not necessarily the entire magnetic layer free layer (100%).
  • the state of magnetization can be changed macroscopically, so that sufficient performance for forming a microwave device can be obtained.
  • the microwave element of the present invention uses the above-described minute magnetoresistive element that can be expected to be a single magnetic domain, and further, the magnetoresistive element is directly installed on the microwave transmission circuit. Doing is the main feature.
  • a minute ferromagnetic multilayer magnetoresistive element to the extent that resonant vibration of the magnetic field is generated by passing a current is directly installed on the microwave transmission circuit.
  • a microwave generating element is provided.
  • the size of the ferromagnetic multilayer magnetoresistive element is such that the magnetic free layer is formed into a single magnetic domain.
  • a microwave transmission circuit having a signal electrode and a ground electrode, and a ferromagnetic multilayer magnetoresistive element arranged in the microwave transmission circuit, A small ferromagnetic multilayer magnetoresistive element that is large enough to cause resonance vibration of the microwave and does not cause a change in the characteristic impedance of the microwave transmission circuit itself, and the signal electrode to the strong magnetic field.
  • a microwave generating element comprising: an electrode formed at a position where a current can flow through the magnetic multilayer film magnetoresistive element to the ground electrode.
  • the oscillation element is installed on a fine microwave transmission circuit that is extremely small compared to the size of the microwave transmission circuit (for example, less than 1/1000 in volume ratio). This changes the impedance of the original microwave transmission circuit line. (Or the rate of change due to installation is negligible, less than 1/1000).
  • the former value volume ratio is the value obtained when the element size is 1 ⁇ m for the minimum strip line width (about 10 ⁇ m), and the latter value (rate of change) is the state in which the element is insulated. This is a value indicating that the impedance variation is negligible when installed on the microwave transmission circuit.
  • the size of the element is such that a single magnetic domain can be formed to some extent, for example, the cross-sectional area in the film surface direction (cross-sectional area viewed from the direction perpendicular to the film surface) force is smaller than 200 nm square. Of these, a fine one having an lOOnm angle or less is desirable. In the experiment in the following example, an element having a cross-sectional area of 150 nm ⁇ 50 nm is used.
  • the resistance value of the magnetoresistive element is minimized in order to minimize the loss due to impedance mismatch at the junction between the magnetoresistive element and the microwave transmission circuit.
  • the impedance value of a micro transmission circuit eg, coaxial cable
  • the impedance value of a micro transmission circuit is approximately 50 ⁇ force to 300 ⁇ .
  • the desired resistance range of the magnetoresistive element is between 1 ⁇ force and lk Q, and more preferably, 50 ⁇ force is in the range of 300 ⁇ .
  • the magnetoresistive element used in the present invention has a feature that its resistance value can be set to some extent by adjusting the thickness of a tunnel barrier that is an intermediate layer of the magnetoresistive element, for example. Therefore, it is actually possible to make the resistance value of the element coincide with the impedance value of the microwave transmission circuit. Therefore, it is preferable to design in the direction that matches the resistance value of the element with the impedance value of the microwave transmission circuit to be used.
  • a substrate for forming the above microwave transmission circuit a silicon substrate, a silicon substrate with a thermal oxide film, an oxide substrate (such as magnesium oxide, sapphire, and alumina), a plastic substrate, a polyimide substrate, A flexible substrate or the like can be used.
  • the ferromagnetic multilayer magnetoresistive element it is possible to use a deviation of a plane perpendicular giant magnetoresistive (CPP-GMR) element and a tunneling magnetoresistive (TMR) element!
  • CPP-GMR plane perpendicular giant magnetoresistive
  • TMR tunneling magnetoresistive
  • the microwave transmission circuit can be a coplanar type (impedance is 25 ⁇ force to 100 ⁇ ) or slot line type (impedance is 100 ⁇ force to lk ⁇ )!
  • the resistance of the element By matching the resistance of the element to the impedance of the microwave transmission circuit, the power loss of the microwave can be reduced.
  • a microwave transmission circuit integrated microphone mouth wave generating element characterized in that a TMR element having MgO as a tunnel barrier is used as a magnetoresistive element in addition to a microwave generating element.
  • the TMR element with MgO tunnel barrier has the characteristics of high MR (magnetoresistance) ratio and low impedance, so that the oscillation efficiency of the element can be increased.
  • the magnetization direction of the magnetization free layer is a plane (film) parallel to the two layers with respect to the magnetization direction of the magnetic layer
  • a microwave generation element integrated with a microwave transmission circuit characterized in that the microwave generation element is oriented in a direction perpendicular to the plane.
  • the angle between the magnetization of the magnetic layer free layer and the magnetic layer of the magnetic layer fixed layer is preferably 90 degrees (the state in which the directions of the two magnetic layers are orthogonal).
  • ⁇ Vector force Magnetism ⁇ ⁇ Oscillation efficiency increases if it has a component orthogonal to the direction of the magnetism of the fixed layer.
  • the direction of the vector should be 45 degrees so that the plane parallel force also faces the perpendicular direction.
  • the oscillation efficiency can be further increased.
  • the magnetic vector of the magnetic pinned layer has a component perpendicular to the plane (film surface) parallel to the two layers, and the magnetic free layer is flat on the film surface.
  • the Q layer of oscillation is remarkably improved by sufficiently widening the ferromagnetic multilayer film portion of the magnetoresistive element and making the cross-sectional area of the upper or lower end electrode 200 nm square or less.
  • a microwave oscillation element integrated with a microwave transmission circuit.
  • the size of the ferromagnetic multilayer film portion is at least twice that of the smaller electrode portion.
  • the microwave transmission circuit is characterized in that the microwave generation frequency is increased by using a substance having a high magnetic resonance frequency in the magnetization free layer as the magnetoresistive element.
  • An integrated microwave generator is provided.
  • the frequency of the generated microwave is equal to the magnetic resonance frequency of the magnetic free layer. It is possible to double the oscillation frequency by using force iron, which currently uses cobalt, cobalt ferrous iron, cobalt ferrous iron and the like.
  • the oscillation frequency can be increased by a factor of about 4 by using a ferromagnetic Z nonmagnetic multilayer film (eg, Fe / Cr, CoZCu) for the free layer. That is, if a magnetic resonance frequency material or a ferromagnetic Z nonmagnetic multilayer film is used for the magnetic free layer, the generated frequency can be increased.
  • a ferrimagnetic material can be used for the magnetic layer.
  • a ferrimagnetic material is a magnetic material in which the basic structure (sublattice) of magnets is coupled in an antiparallel direction and the sum of the magnets remains at a finite value (see Fig. 13).
  • ferrimagnetic materials include freight and iron garnet, and its magnetic resonance frequency is known to be higher than that of ferromagnetic materials (for example, 50 GHz or more for ferrite). By using such a material in the magnetic free layer, a microwave generating element having a higher oscillation frequency can be configured.
  • the oscillation frequency is proportional to the DC bias current, and the lower limit of the oscillation frequency is approximately the current. It is determined by the critical current value (hereinafter referred to as I) in the reversal of the injected magnet. Paraphrasing
  • the shape of the magnetization free layer may be set so that the demagnetizing field in the magnetic free layer is uniform.
  • Planar shapes in which the demagnetizing field is ideally uniform include circles and ellipses, but squares and rectangles may be used for ease of manufacturing. This facilitates the collective excitation motion of magnetization in the magnetization free layer, and can lower the detection frequency of microwaves.
  • the aspect ratio is desirably 3 or less.
  • the aspect ratio is the ratio of the long side to the short side (or the major axis to the minor axis).
  • the shape magnetic anisotropy in the magnetic layer is increased, resulting in a disadvantage that the oscillation efficiency is lowered.
  • a substance having a small magnetic field is used for the magnetic layer.
  • the magnetic field since the magnetic field only needs to be small in the entire magnetic layer, for example, a multilayer structure having a component distribution in the magnetic layer, a multilayer structure, or an antiferromagnetic coupling is provided. Decrease the magnetization in the magnetic free layer by a technique such as holding it.
  • a substance having a magnetization of a perpendicular component is used for either or both of the magnetic pinned layer and the magnetic free layer.
  • the oscillation frequency can be lowered by the above methods (1) to (4) or a combination thereof.
  • the microwave generating element In the microwave generating element according to the present invention, oscillation is caused by applying a DC bias current to the magnetoresistive element. At this time, the DC bias current density is extremely large (at least 10 6 AZcm 2 ) because the cross-sectional area of the element is very small. In such an element, the element may be deteriorated or destroyed due to heat generated by resistance (Joule heat generation).
  • the present inventor applied cooling to a metal junction having a shape similar to that of the magnetoresistive element of the present invention (called a CPP structure because of a structure in which current flows in a direction perpendicular to the film surface). It has been reported that a rejection effect appears (reference paper: A. Fukushima et al, JJAP, vol.4 4, pp 12-14).
  • the CPP structure As described in the above reference paper! /, the combination of the material of the upper electrode and the lower electrode is selected, so that the CPP part (the narrowest element in the device) The cooling effect due to the current can be exhibited in the portion).
  • the magnetoresistive element in the microwave generating element for example, gold is used for the upper electrode, and the lower electrode (which may be the same as the magnetic pinned layer) may be used.
  • the current value is several mA, a cooling effect of several tens of watts can be obtained.
  • a microwave transmission circuit is provided with a radiation plate at one or both ends of the microwave transmission circuit, which serves as an antenna.
  • a circuit-integrated microwave generator is provided.
  • the antenna may be a widened microwave transmission circuit on the same substrate, or an external antenna matched to the impedance of the microwave transmission circuit is connected to the end of the microwave transmission circuit with a connector or the like. It may be installed separately.
  • means for applying an external magnetic field is provided as means for changing the oscillation frequency of the microwave with respect to the magnetoresistive element.
  • An integrated microwave generator is provided.
  • Devices for applying an external magnetic field include an electromagnet (coil), a magnet (permanent magnet), a combination of both, and a magnetic field generated by passing a current through an electric wire installed near the element (current-induced magnetic field) ) May be used.
  • an electric circuit for providing a direct current bias is provided as a means for changing the oscillation frequency of the microwave with respect to the magnetoresistive element.
  • a circuit-integrated microwave generator is provided.
  • a microwave oscillation source using the microwave generation element and an external reference signal source A frequency standard, a difference signal detector for detecting a difference signal between the output of the microwave oscillation source and the output of the frequency standard, and a means for controlling the frequency in accordance with the difference signal.
  • a wave generation circuit is provided.
  • the frequency signal source a rubidium frequency standard or a high-precision microwave synthesizer can be used.
  • As the frequency control method either a method of applying an external magnetic field by a magnetic field generator or a method of adding a current noise may be used.
  • accuracy 10_ about 7 the frequency generating device (normal use range integration time at room temperature fluctuation is less than 10 degrees environment about 1 minute), use microwave Widely used for research on physical properties and development of microwave products. These devices are produced and sold by manufacturers such as Anritsu and Agilent Technologies. In addition, these products have a pin for inputting a more accurate time base (reference frequency) to stabilize the oscillation frequency to a higher degree. Examples of products are Anritsu Corporation, RF / microwave signal generator MG3690B series.
  • the microwave generation circuit may further include a synchronization unit that synchronizes the oscillation frequency with an external reference signal.
  • the synchronization means includes a feedback circuit that applies negative feedback to the microwave oscillation source using the frequency control means so that the difference signal becomes zero. Thereby, the accuracy of the oscillation frequency of the microwave generation circuit can be increased to the same level as the external frequency standard.
  • a minute ferromagnetic multilayer magnetoresistive element to the extent that magnetic resonance is generated by applying microwaves is directly installed on the microwave transmission circuit.
  • a microwave detection element is provided.
  • the size of the ferromagnetic multilayer magnetoresistive element is such that the magnetic free layer is formed into a single magnetic domain.
  • a substrate for forming a microwave transmission circuit for installing the microwave detection element a silicon substrate, a silicon substrate with a thermal oxide film, an oxide substrate (acid magnesium, sapphire) , Alumina, etc.), plastic substrates, polyimide substrates, flexible substrates, etc. can be used.
  • the magnetoresistive element either a surface perpendicular giant magnetoresistive (CPP—GMR) element or a tunnel magnetoresistive (TMR) element can be used.
  • the detection circuit can be reduced in size by directly installing the microwave detection element using a minute magnetoresistive element on the microwave transmission circuit.
  • the distance between the detection element and the microphone mouth wave transmission circuit (or antenna) By minimizing the distance between the detection element and the microphone mouth wave transmission circuit (or antenna), transmission loss can be minimized.
  • the resonance vibration of the magnetic free layer having a high Q value is used, the sensitivity can be increased.
  • the microwave detection element integrated with a microwave transmission circuit, wherein the resistance of the magnetoresistive element is matched with the impedance of the microwave transmission circuit. Is done.
  • the microwave transmission circuit may be either a coplanar type (impedance is 25 ⁇ force to 100 ⁇ ) or a slot line type (impedance is 100 ⁇ force to lk ⁇ ). Since the element resistance can be changed freely, impedance matching with the microwave transmission circuit can be achieved, and loss can be reduced.
  • a microwave detection element integrated with a microwave transmission circuit characterized in that a TMR element having an MgO tunnel barrier is used as a magnetoresistive element in addition to the microwave detection element.
  • a TMR element having an MgO tunnel barrier is used as a magnetoresistive element in addition to the microwave detection element.
  • the magnetization direction of the magnetization free layer is a plane (film surface) parallel to the two layers with respect to the direction of the magnetic layer of the magnetic pinned layer.
  • a microwave detection element integrated with a microwave transmission circuit is provided, characterized in that the microwave detection element is oriented in a direction perpendicular to the inside of the bracket.
  • the angle between the magnetization of the magnetic layer free layer and the magnetic layer of the magnetic layer fixed layer is preferably 90 degrees (the state in which the directions of the two magnetic layers are orthogonal). ⁇ Vector force Magnetism ⁇ ⁇ If there is a component orthogonal to the direction of the magnetism of the fixed layer, the detection efficiency increases. Note that the direction of the magnetic layer of the magnetized free layer is oriented in a direction perpendicular to the magnetic layer of the magnetic pinned layer. , Resonance vibration due to microwaves can easily occur, and detection efficiency increases.
  • the magnetic vector of the magnetic layer has a component perpendicular to the plane parallel to the two layers (film surface)
  • the vector direction is 45 degrees from the film surface parallel direction to the perpendicular direction. This can further increase the detection efficiency.
  • the detection efficiency is improved by making the magnetic vector of the magnetic layer fixed layer have a perpendicular component and the free layer of the magnetic layer has a magnetic vector parallel to the film surface. It is possible to obtain
  • the ferromagnetic multilayer film portion of the magnetoresistive element is sufficiently widened, and the cross-sectional area of the electrode at the upper or lower end is made 200 nm square or less, thereby significantly improving the resonance Q value.
  • a microwave detection element integrated with a microwave transmission circuit it is desirable that the size of the ferromagnetic multilayer film portion is at least twice that of the smaller electrode portion.
  • the microwave detection element is characterized in that the detection frequency of the microwave is increased by using a substance having a high magnetic resonance frequency in the magnetic layer as a magnetoresistive element as a magnetoresistive element.
  • a microwave detection circuit-integrated microwave detection element is provided.
  • the frequency of the microphone mouth wave that can be detected is equal to the magnetic resonance frequency of the magnetic free layer.
  • the detection frequency can be doubled by using force iron, which currently uses cobalt, cobalt ferrous iron, cobalt ferrous iron and the like.
  • force iron which currently uses cobalt, cobalt ferrous iron, cobalt ferrous iron and the like.
  • a ferromagnetic Z nonmagnetic multilayer film eg, Fe / Cr, CoZCu
  • the detection frequency can be increased by using a substance having a high magnetic resonance frequency.
  • the resonance frequency is about 6 to 10 GHz, whereas when cobalt is used in the magnetic free layer, 12 to 23 GHz. It is shown that.
  • a ferrimagnetic material can be used in the magnetic layer.
  • a ferrimagnetic material is a magnetic material in which the basic structure (sublattice) of magnets is coupled in an antiparallel direction and the sum of the magnets remains at a finite value. Examples include ferrite and iron garnet. Ferrimagnetic materials have a higher magnetic resonance frequency than ferromagnetic materials (for example, 50 GHz or higher). By using such a substance in the magnetic free layer, a microwave detection element having a higher detection frequency can be configured.
  • the detection frequency is proportional to the DC bias current, and the lower limit of the oscillation frequency is generally determined by the critical current value (hereinafter referred to as I) in the current injection magnetic field inversion.
  • the magnetic anisotropy of the magnetic layer free layer is reduced.
  • the shape of the magnetization free layer may be set so that the demagnetizing field in the magnetic free layer is uniform.
  • Planar shapes in which the demagnetizing field is ideally uniform include circles and ellipses, but squares and rectangles may be used for ease of manufacturing.
  • the aspect ratio is 3 or less.
  • the aspect ratio is a ratio of a long side and a short side (or a major axis and a minor axis). As the aspect ratio increases, the shape magnetic anisotropy in the magnetic free layer increases, so that the detection efficiency (resonance efficiency) decreases, resulting in a disadvantage.
  • a material having a small magnetic field is used for the magnetic layer.
  • the magnetic field since the magnetic field only needs to be small in the entire magnetic layer, for example, a multilayer structure having a component distribution in the magnetic layer, a multilayer structure, or an antiferromagnetic coupling is provided. Decrease the magnetization in the magnetic free layer by a technique such as holding it.
  • a substance having a perpendicular component magnetization is used for either the magnetic pinned layer or the magnetic free layer, or both.
  • a substance having a small magnetic relaxation constant (damping factor) is used for the magnetic free layer.
  • the detection frequency can be lowered by any of the above methods or a combination thereof.
  • the resonance frequency (frequency to be detected) can be changed by applying a DC bias current to the magnetoresistive element.
  • the DC bias current density becomes extremely large (small At least 10 6 AZcm 2 ).
  • the element may be deteriorated or broken due to heat generated by resistance (Joule heat generation).
  • the inventor has found that a cooling effect due to electric current appears in a metal joint having a shape similar to that of the magnetoresistive element of the present invention (called a CPP structure).
  • the cooling effect by the current can be expressed in the CPP part (the narrowest part of the device) by selecting the combination of the upper and lower electrode materials.
  • the magnetoresistive element in the microwave detecting element according to the present invention to which this configuration is applied for example, when the upper electrode is made of gold and the lower electrode (which may be the same as the magnetic pinned layer) is made of cobalt.
  • the current value is several mA, it is possible to obtain a cooling effect of several tens of watts.
  • a receiving plate is provided at one or both ends of the microwave transmission circuit to form an antenna.
  • a microwave detection circuit-integrated microwave detection element is provided.
  • the antenna can be a wide microwave transmission circuit on the same substrate, and an external antenna whose impedance is matched to the microwave transmission circuit is connected to one end of the microwave transmission circuit with a connector, etc. It may be installed.
  • a microphone mouth wave characterized in that means for applying an external magnetic field is provided as means for changing the resonance frequency of the microwave with respect to the magnetoresistive element.
  • a microwave detection element integrated with a transmission circuit is provided.
  • Devices that apply an external magnetic field include an electromagnet (coil), a magnet (permanent magnet), a combination of both, or a magnetic field generated by flowing current through an electric wire installed near the element (current-induced magnetic field). ) May be used.
  • an electric circuit for providing a direct current bias is provided as means for changing the resonance frequency of the microwave with respect to the magnetoresistive element.
  • a microwave detection element integrated with a transmission circuit is provided.
  • a local microphone having the microwave generating element in the same module or on the same substrate It is possible to provide a single-chip electron spin resonance analysis module characterized by having a chromowave oscillator and a microwave detector having the microwave detection element. As an application example thereof, an on-chip electron spin resonance analyzer can be considered. For example, by installing both the microwave oscillator of the present invention and the microwave detector in the same module, an electron spin resonance analyzer having a size that can be accommodated in 1 mm square can be constructed.
  • the microwave generating element of the present invention since a minute magnetoresistive element is directly installed on the microwave transmission circuit, 1) downsizing of the apparatus, 2) wiring to the oscillation element force transmission circuit exists. Therefore, there is no loss in the wiring. 3) Since the resonance of the magnetization of the magnetization free layer of the magnetoresistive element is used for the oscillation of the microwave, there is an advantage that the efficiency is good.
  • the microwave detection element of the present invention has a minute magnetoresistive element installed directly on the microwave transmission circuit, 1) miniaturization of the apparatus, 2) wiring to the antenna force detector is minimized. 3) There is an advantage that the sensitivity is good because the resonance vibration of the magnetic layer of the free layer of the magnetoresistive element is used for microwave detection. .
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave oscillation or microwave detection according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a perspective view of the magnetoresistive element shown in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave oscillation or microwave detection according to an embodiment of the present invention, and shows an example of etching up to an intermediate layer.
  • FIG. 2B is a perspective view of the magnetoresistive element shown in FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave generation or microwave detection according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a perspective view of the magnetoresistive element shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example in which a magnetoresistive element A is arranged at the end of a microwave transmission circuit
  • FIG. 6 is a diagram showing an example in which a magnetoresistive element is installed in one side short-circuit portion of a coplanar type transmission circuit.
  • FIG. 6 is a diagram showing an application example of a microwave transmission circuit integrated microwave oscillation device according to the present embodiment. It is a figure which shows the example which spread
  • FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration example of an experimental circuit related to a microwave detection element integrated with a microwave transmission circuit according to the present embodiment.
  • FIG. 8 Using the measurement circuit shown in Fig. 7, TMR elements are irradiated with microwaves of 0.2 to 20 GHz, and resonance vibration due to microwave irradiation is performed using a noasti (a type of high-frequency branch circuit).
  • FIG. 6 is a diagram showing a result of measurement of a detection output (DC voltage) obtained from the graph, and a diagram showing a relationship between a microwave frequency and an output voltage.
  • FIG. 9 is a diagram showing an application example in which the microwave oscillating device according to the present embodiment is applied to an oscillation circuit that can be synchronized with an external reference frequency source.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of an on-chip electron spin resonance analyzer that combines a microwave oscillation element and a microwave detection element according to the present embodiment, and uses a magnetoresistive element on a transmission circuit. It is a figure which shows the example of an electron spin resonance analysis module. ⁇ 11] This is an enlarged cross-sectional view of the magnetoresistive element, where the magnetic field vector of the magnetic field free layer has a component perpendicular to the magnetic field free layer and the magnetization fixed layer (plane perpendicular component). It is the figure which showed the structural example.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of an element structure in which a current cooling effect (Peltier effect) appears in the magnetoresistive element part when a current is passed by combining the upper electrode and the lower electrode.
  • a current cooling effect Peltier effect
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a ferromagnet, in which FIG. 13 (a) shows a front ferromagnetism, FIG. 13 (b) shows a ferriferromagnet, and FIG. 13 (c) shows an antiferromagnetism.
  • FIGS. 14 (a) to 14 (d) are diagrams showing examples of the preferred shape of the magnetic free layer.
  • FIGS. 14 (a) to 14 (d) are diagrams showing examples of the preferred shape of the magnetic free layer.
  • Experimental results according to an embodiment of the present invention in which a tunnel magnetoresistive element having an MgO tunnel barrier is used as a ferromagnetic multilayer magnetoresistive element, and a microwave oscillation is excited by applying a DC current bias. It is a figure which shows a result. Explanation of symbols
  • the microwave transmission circuit refers to a circuit in which a signal electrode and a ground electrode are arranged via an insulator (including a vacuum) so that it can be regarded as a distributed constant circuit.
  • insulator including a vacuum
  • a broad concept that includes stripline, slotline, coaxial cable, waveguide, etc. on a planar substrate.
  • ferromagnetic materials include a ferrous magnetic material and a ferrimagnetic material.
  • Fugue magnetic material refers to a material in which all the spin directions are aligned in one direction. Examples include magnetic metals such as iron, cobalt, and nickel, and iron-cobalt and iron-nickel alloys.
  • Ferrimagnetism is composed of multiple components (sublattices), and the spin directions of each component are antiparallel, but their sizes are not uniform, so the entire material is finite. This refers to the substance in which the magnetization of is generated.
  • Antiferromagnetism refers to a material in which the spin of the material is composed of multiple component forces, but the spin direction of each component is antiparallel and the entire material has zero magnetic field.
  • Figures 13 (a) to 13 (c) show examples of the spin arrangement in each of the magnetostriction, ferrimagnetism, and diamagnetism states.
  • the ferromagnetic material described in claim 1 and the like includes both a ferrous magnetic material and a ferrimagnetic material.
  • the inventor has the purpose of reducing the mismatch with the transmission circuit, miniaturization, high efficiency, I realized that this can be realized by using the resonant vibration of the magnetoresistive element and by installing the magnetoresistive element directly on the microwave transmission circuit.
  • TMR elements having MgO as a barrier have been developed by the inventors so far (for example, S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki & K. Ando, "Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe / MgO / Fe magnetic tunnel junctions," Nature material vol3 (2004).).
  • MgO barrier Compared with conventional CPP-GMR elements and TMR elements with alumina barriers, TMR elements are more than 100% up to a low impedance region (regions with a resistance value of 10 ⁇ per square micrometer). Due to the high MR ratio, the actual resistance of the magnetoresistive element can be set to the same value as the impedance of the microwave transmission circuit (from 50 ⁇ to several hundred ⁇ ).
  • the inventor has such a magnitude that resonance vibration of magnetization is generated in the microwave transmission circuit having the signal electrode and the ground electrode, and changes the characteristic impedance of the microwave transmission circuit itself. It has been found that the characteristics of the microwave generation element and the microwave detection element can be greatly improved by arranging minute ferromagnetic multilayer magnetoresistive elements that are not generated. For example, by using a TMR element having MgO noria with low impedance and high MR ratio as a microwave oscillation source or microwave detection element, the efficiency of the microwave oscillator or microwave detector can be reduced. I realized I could improve it further.
  • a minute magnetoresistive element as a microwave oscillation source or a microwave detection element, the following characteristics can be obtained.
  • the resonance frequency of magnetization can be changed by an external magnetic field and a direct current bias.
  • a direct current bias it is possible to synchronize the oscillation frequency to the outside.
  • PLL circuit phase-lock loop circuit
  • the ferromagnetic multilayer magnetoresistive element according to the present embodiment is formed on a substrate by a magnetic free layer Z intermediate layer Z magnetic layer fixed layer (the upper and lower sides of the magnetic layer free layer and the magnetic layer fixed layer).
  • a direct current is used as a microwave oscillation element.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave generation or microwave detection according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a perspective view of the magnetoresistive element.
  • the magnetoresistive element A according to the present embodiment forms a lower electrode 1, a layer 3 for forming a columnar magnetoresistive element on the lower electrode 1, and a magnetoresistive element.
  • the layer 3 forming the magnetoresistive element includes a magnetic pinned layer 3a, an intermediate layer 3b, and a magnetic free layer 3c in order of the lower electrode 1 side force.
  • the order of the magnetic layer fixed layer and the magnetic layer free layer) may be reversed.
  • the magnetic free layer 3c needs to cause resonance vibration by direct current or microwave irradiation, and preferably has a thickness of about 1 to 5 nm, for example. If the magnetization fixed layer 3a is made of a single material, it needs to be about 10 times thicker than the magnetic free layer 3c.
  • As the magnetic pinned layer 3a a magnetic metal multilayer film utilizing antiferromagnetic coupling can be used.
  • the portion indicated by the symbol X can be filled with an insulator (for example, SiO 2).
  • Magnetoresistive elements used for microwave generation or microwave detection include a plane perpendicular giant magnetoresistive (CPP-GMR) element or a tunneling magnetoresistive (TMR). Any of the elements can be used.
  • the CPP-GMR element uses, for example, a non-magnetic metal such as copper for the intermediate layer, and a magnetic metal such as cobalt, iron, nickel, and chromium and its alloy as a magnetic free layer and a magnetic fixed layer, or An alloy in which magnetization is reduced by mixing boron into a magnetic alloy, or a magnetic metal multilayer film using antiferromagnetic coupling (for example, a multilayer film of cobalt iron, ruthenium, and cobalt iron) can be used. .
  • the TMR element includes a tunnel barrier layer, a first ferromagnetic layer having a BCC structure formed on the first surface side of the tunnel barrier layer, and a second surface side of the tunnel barrier layer.
  • a magnetic tunnel junction structure having a second ferromagnetic layer having a BCC structure can be used.
  • Tunnel barrier layer force Single crystal MgO (001) or (001) It is preferable that the (001) crystal plane is formed by a polycrystalline MgO (0 ⁇ x ⁇ 1) layer (hereinafter referred to as “MgO layer”). .
  • MgO layer polycrystalline MgO (0 ⁇ x ⁇ 1) layer
  • the atoms constituting the second ferromagnetic layer are arranged on O of the MgO tunnel barrier layer.
  • an insulating film (alumina or acid magnesium (MgO)) is used for the intermediate layer, and magnetic materials such as cobalt, iron, nickel and chromium are used as materials for the magnetic free layer and magnetic fixed layer.
  • magnetic materials such as cobalt, iron, nickel and chromium are used as materials for the magnetic free layer and magnetic fixed layer.
  • the cross-sectional area is smaller than 1 micron square.
  • the value is preferably 1 ⁇ or more and 10 k ⁇ or less in terms of DC resistance in order to match the microwave transmission circuit.
  • the processed shape may be a structure in which even the intermediate layer 3b is etched.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave generation or microwave detection according to the present embodiment etched up to the intermediate layer 3b
  • FIG. 2B is a perspective view of the magnetoresistive element.
  • the magnetic layer is processed into a small magnet without a pointed portion, and the magnetization fixed layer is infinite. It is desired to be flat. In other words, it is ideal to process a three-layered film into a columnar shape just above the magnetic pinned layer.
  • CP P-GMR elements it is difficult to stop etching at a desired depth because the hardness of the material used does not change much between the magnetization free layer, the intermediate layer, and the magnetization fixed layer.
  • the intermediate layer is an oxide (acid magnesium or acid aluminum) and is generally harder than the material used for the magnetic free layer. It is possible to stop etching at the layer.
  • the intermediate layer as shown in FIGS. 2A and 2B, it is possible to realize a configuration in which etching is performed up to the intermediate layer as a more efficient processing shape.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a magnetoresistive element used for microwave generation or microwave detection according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a perspective view of the magnetoresistive element.
  • Figures 3 and 4 show an example of a structure in which only the upper electrode is made smaller and a point contact shape is used.
  • the force lower electrode side can also have a point contact shape.
  • the magnetoresistive element A is formed in a columnar shape on the lower electrode 1, the layer 3 that forms the magnetoresistive element, and the layer 3 that forms the magnetoresistive element.
  • the upper electrode 5 covered in a point contact shape and the insulator 7 formed so as to surround the columnar portion of the upper electrode 5 are provided.
  • Layer 3 forming the magnetoresistive element consists of magnetic pinned layer 3a and intermediate layer 3b in order from the lower electrode 1 side. And a magnetic layer free layer 3c.
  • the magnetic free layer 3c needs to cause resonance vibration by direct current or microwave irradiation, and preferably has a thickness of about 1 to 5 nm, for example.
  • the magnetic pinned layer 3a is made of a single material, the magnetic pinned layer 3a needs to be about 10 times thicker than the magnetic free layer 3c.
  • a magnetic metal multilayer film using antiferromagnetic coupling can be used as the magnetic pinned layer 3a. Fill the space with an insulating film such as SiO.
  • the ferromagnetic multilayer film portion of the magnetoresistive element is sufficiently wider than the contact surface, and its size is at least twice the contact area.
  • a magnetoresistive element is used as a microwave oscillation source (or detection element).
  • the magnetoresistive element can be made extremely small compared to a normal microwave transmission circuit, for example, 1 micron square or less. Therefore, as shown in FIG. 5, the magnetoresistive element A can be installed directly at the end of the microwave transmission circuit by installing it between the lower stripline 11 and the upper stripline 15. . In this case, the lower stripline 11 and the upper stripline 15 are electrically connected only by the magnetoresistive element.
  • FIG. 5 shows an example in which a magnetoresistive element is arranged on a coplanar type strip line as a microwave transmission circuit, but a slot line type strip line may be used. Also in this case, it is preferable that the magnetoresistive element is installed so as to be sandwiched between the lower stripline and the upper stripline and electrically connected only by the magnetoresistive element.
  • FIG. 5 shows an example in which the magnetoresistive element B is arranged at the end of the coplanar type stripline.
  • a ground pattern and a signal pattern are formed at the center of the force coplanar type stripline.
  • a crossing part may be provided while being electrically insulated, and the crossing part may be installed so as to be electrically connected only by the magnetoresistive element.
  • FIG. 6 is a diagram showing an application example of the microwave transmission circuit according to the present embodiment.
  • the strip line of the microwave transmission circuit shown in FIG. 5 can be widely extended toward one end and used as an antenna. That is, the strip lines 11, 15a, 15b of the structure of FIG. 5 (dotted line ⁇ B) are greatly expanded toward the one end side of the reference numerals 11, 15a, 15b.
  • a TMR element having an MgO tunnel barrier is an element made on a coplanar type strip line on a thermal acid silicon substrate, and is composed of a cobalt-iron-ferrous-boron layer on a magnetic layer and a fixed layer.
  • the cross-sectional area is 70 nm X 200 nm.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a circuit configuration example of the experimental circuit.
  • the experimental circuit according to the present embodiment has a TMR element A having an MgO tunnel barrier on a microwave detection element D produced on a microwave transmission circuit, and a bias tee 21 (element for microwave circuit).
  • An element in which a terminal with a capacitor connected in series, a terminal with an inductor connected in series, and a wire-only terminal connecting an external microwave circuit are connected in a three-branch shape (T-type). Only the microwave component can pass through the terminal connected to the inductor, and only the direct current component can pass through the terminal connected to the inductor. Can be branched into a microwave component and a direct current component), and the frequency generator 23 is connected.
  • the frequency generator 23 applies a microwave and sweeps the frequency.
  • the detection component (DC voltage signal) generated in the microwave detection element D that is, the TMR element A having the MgO tunnel barrier created on the microwave transmission circuit
  • the meter 25 can be measured.
  • FIG. 8 shows a measurement circuit shown in FIG. 7.
  • the TMR element A having an MgO tunnel barrier is irradiated with a microwave (frequency f) of 0.2 to 20 GHz, and the bias tee 21 shown in FIG.
  • Use FIG. 6 is a diagram showing the results of measuring a DC offset voltage (V) from which resonance vibration force due to microwave irradiation was also obtained. This experiment shows that the resonance frequency can be changed from 4 to LO GHz by applying an external magnetic field (0 to 800 Oe).
  • the Q value can be essentially increased. As shown in Fig. 8, the current Q value is roughly about 15, but by fabricating single-crystal metal and single-crystal tunnel barrier elements, the Q value can be reduced to, for example, the crystal oscillator (Q value 1 It is possible to make more than 10,000). In that case, the sensitivity of the detector can be further improved by about three orders of magnitude.
  • the resonance frequency (frequency at which the voltage takes a peak) changes almost linearly with respect to the external magnetic field. Therefore, as an application example of the detector, the frequency distribution of the electromagnetic wave to be measured can be obtained directly by sweeping the external magnetic field while the element according to the present embodiment is irradiated with the electromagnetic wave having an unknown frequency. Is possible.
  • the detection element itself has a band-pass filter function. That is, in the present embodiment, the frequency distribution can be obtained directly by changing the resonance frequency of the element itself from the outside in the configuration of the combination of the frequency filter and the detector as in the conventional spectrometer. There is an advantage.
  • the microwave oscillation element according to the present embodiment is characterized in that the oscillation frequency can be changed by an external magnetic field or a current bias. Using this feature, the microwave oscillation frequency can be synchronized with the external reference frequency.
  • a directional coupler 31 is connected to the output terminal of the microwave oscillation circuit B (or C) according to the present embodiment, and the microwave output is branched so as not to affect the output side.
  • the branched output is multiplied by the signal from the external reference frequency source 41 by the mixer 33, and the difference signal is extracted.
  • the microwave signal can be synchronized with the external reference frequency by taking the difference signal into the phase lock circuit 37 and applying feedback by the frequency controller 35 so that the output becomes a set value (for example, zero). I can do it. High frequency accuracy is possible.
  • a rubidium atomic frequency source (or a reference frequency obtained by multiplying and dividing the frequency) is used as the external reference frequency source 41, it is equivalent to an atomic clock using the microwave oscillator according to the present invention.
  • a microwave oscillation source with accuracy can be realized.
  • the rubidium frequency standard machine is a very high precision frequency standard machine (an apparatus that generates a specific frequency with high precision) with an accuracy of 10_1 or less. And is used to maintain the carrier frequency of radio broadcasts.
  • An example of a product with a rubidium frequency standard is Nippon Tsushinki Co., Ltd., Model 3271-10 MHz reference signal generator.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of an on-chip electron spin resonance analyzer (module) using a timing resistor element on a transmission circuit in which a microwave oscillation element and a microwave detection element according to the present embodiment are combined. is there.
  • the microwave oscillation element including the microwave oscillation magnetoresistive element 53
  • the microwave detection element microwave with the antenna shown in FIG. (Including the magnetic resistance element for detection 51).
  • the ground plane portion 57a may be common to the microwave oscillating element and the microwave detecting element, but it is necessary to be electrically insulated from the conducting portions 57b and 57c of the oscillating unit and the detecting unit. Oscillator and detector
  • the conductive portions 57b and 57c are connected to the detection voltmeter 61, the bias current source 63, and the force, respectively.
  • the force shown in the example of using the slot line type microwave transmission circuit 57 is used.
  • a coplanar type microwave transmission circuit can also be used.
  • a sample (analysis target) 55 to be detected is placed in the center of the slot line type microwave transmission circuit 57 (the part where the microwave is transmitted), and the microwave is oscillated by the microwave oscillation circuit. .
  • the electron spin resonance frequency of the sample to be detected can be measured using the fact that the energy of the microwave transmitted to the detection unit is reduced. .
  • the magnetic field vector of the magnetic field free layer 3c in the magnetoresistive element is formed on a plane (film surface) parallel to the two layers.
  • having a magnetization component perpendicular to the film surface is said to have perpendicular magnetic anisotropy.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example according to this example, and the magnetic domain free layer 3c, the intermediate layer 3b, and the magnetic domain fixed layer 3a in the cross-sectional view of FIG. 1 on the right side of the diagram are clearly shown on the left side of the diagram.
  • FIG. As a method of taking the arrangement of magnetic poles as shown in FIG.
  • magnetic anisotropy of crystals there is a method of using magnetic anisotropy of crystals.
  • the magnetic layer pinned layer has perpendicular magnetic anisotropy, or It is possible to improve the oscillation efficiency by giving perpendicular magnetic anisotropy to both the magnetic free layer and the magnetic fixed layer.
  • the perpendicular magnetism is applied to the magnetic free layer, the magnetic fixed layer, or both. By providing anisotropy, the detection efficiency of the microwave detection element can be improved.
  • the principle of oscillation is that a spin-polarized current (spin is polarized by passing through a magnetic layer) is passed through a magnetic layer. It is to give torque to the spin of the magnetic layer and cause resonance.
  • the oscillation frequency is proportional to the DC bias current, and the lower limit of the oscillation frequency is generally determined by the critical current value of current magnetization reversal (hereinafter referred to as I). Ie
  • the oscillation frequency can be lowered by a technique for reducing the field current.
  • a method for lowering the frequency of the microwave oscillation element in the present invention will be exemplified.
  • the magnetization free layer is shaped so that the demagnetizing field in the magnetic layer is uniform.
  • Planar shapes that make the demagnetizing field ideally uniform include circles and ellipses, but squares and rectangles may be used for ease of manufacturing. Examples of the planar shape of the element are shown in Figs. 14 (a) to 14 (d).
  • the aspect ratio should be 3 or less.
  • the aspect ratio is the ratio of the long side to the short side (or the major axis to the minor axis).
  • a material having a small magnetic field is used for the magnetic layer.
  • the magnetic field since the magnetic field only needs to be small in the entire magnetic layer, for example, a multilayer structure having a component distribution in the magnetic layer, a multilayer structure, or an antiferromagnetic coupling is provided. Decrease the magnetization in the magnetic free layer by a technique such as holding it.
  • a substance having a magnetization of a perpendicular component is used for either the magnetic pinned layer or the magnetic free layer, or both.
  • the oscillation frequency of the microwave oscillation element can be lowered by any one of the above methods or any combination thereof.
  • the Peltier effect is a phenomenon in which when current flows through an interface between different materials, heat is generated at the interface according to the difference in thermoelectric power of the materials composing the interface (something is endothermic). Since the amount of heat generation (some! / ⁇ is endothermic) is proportional to the current value, when the current direction is reversed, the heat generation changes to endothermic (or endothermic to exothermic).
  • the microwave generating element according to the present invention oscillates by applying a DC bias current to the magnetoresistive element.
  • the resonance frequency (frequency to be detected) can be changed by applying a DC bias current to the magnetoresistive element. Since the cross-sectional area of the magnetoresistive element is very small (about lOOnm angle), when a bias current (a magnitude of several mA) necessary for oscillation or detection is applied, the current density becomes extremely large (at least 10 6 A value larger than A / cm 2 ), there is a risk that the element will be deteriorated or destroyed by Joule heat generation.
  • the present inventors have found that a cooling effect due to the Peltier effect appears in a metal junction having the same shape as the magnetoresistive element of the present invention (referred to as "CPP structure") (reference paper).
  • CPP structure a metal junction having the same shape as the magnetoresistive element of the present invention
  • reference paper See A. Fukushima et al, JJAP, vol. 44, pp ⁇ 12-14.
  • the cooling effect by the current in the CPP part (the narrowest part of the element) Can be expressed. This effect can be applied to the microwave generating element or the microwave detecting element according to the present invention.
  • the endothermic amount Q due to the Peltier effect is Sa, where Sa is the thermoelectric power of the material used for the upper electrode (also called the Seebeck coefficient), and Sb is the thermoelectric power of the material used for the lower electrode.
  • T absolute temperature
  • I current
  • Q proportional to current
  • the endotherm at the interface changes to heat.
  • thermoelectric power of the upper electrode and the lower electrode In order to maximize the efficiency of heat absorption, there is a difference as much as possible between the thermoelectric power of the upper electrode and the lower electrode, and a combination in which heat absorption occurs in the direction in which the operating current used as an oscillator or detector flows. It is desirable.
  • the lower electrode has a large thermoelectric power with a positive sign (a metal with a large negative thermoelectric power, such as cobalt or nickel).
  • a metal with a large negative thermoelectric power such as cobalt or nickel.
  • Example 10 The experimental results based on the present invention will be described as Example 10 below.
  • Figure 15 shows an experiment in which a microwave magneto-resistive element using a tunnel magneto-resistive element with an MgO tunnel barrier was used to excite microwave oscillation by applying a DC current bias. It is a result.
  • the structure of the tunnel magnetoresistive element used in the experiment consists of an antiferromagnetic coupling film using cobalt-iron-boron and ruthenium as the magnetic pinned layer, magnesium oxide as the intermediate layer, and cobalt as the magnetic free layer. It uses iron boron.
  • the size of the magnetic free layer is 100 nm ⁇ 200 nm square in the plane direction, and the thickness is 3 nm.
  • the resistance value is about 100 ⁇ when the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization free layer is in a parallel state, and about 200 ⁇ in an antiparallel state.
  • Figure 15 shows the result of measuring the frequency dependence of the intensity of the microwave generated by a spectrum analyzer when a DC bias current was passed through this element.
  • the vertical axis of the graph shown in Fig. 15 is the data after amplifying the signal of the element strength (about 40 dBm), so it cannot be determined numerically, but it is generally peak (3 mA, 6 GHz) It can be judged that an output of about InW is obtained. This value is extremely large, about 100 times the experimental value of microwave oscillation using GMR elements reported to date. Multiple oscillation peaks are observed because the same material as the magnetic free layer is used for the antiferromagnetic coupling film, and the same resonance phenomenon occurs from there.
  • the microwave generating element and the microwave detecting element according to the present invention can be used for electronic circuits (oscillators, detectors, etc.) that use microwaves in the information communication industry.

Landscapes

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Abstract

電子回路のマイクロ波発生及びマイクロ波検出部分を、高能率化、小型化する。 マイクロ波発生素子Ａは、下部電極１と、下部電極１上に島状に形成された磁気抵抗素子を形成する層３と、磁気抵抗素子を形成する層３の周囲を囲むように下部電極１上に形成された絶縁体７と、絶縁体７及び磁気抵抗素子を形成する層３上に形成された上部電極５と、を有している。磁気抵抗素子を形成する層３は、下部電極１側から順に磁化固定層３ａと中間層３ｂと、磁化自由層３ｃと、を有している。磁化自由層３ｃは、電流によって共鳴振動を起こすことが必要であり、例えば、断面積の大きさで２００ｎｍ角以下、膜厚において１から５ｎｍ程度の厚さであるのが好ましい。磁化固定層３ａは、単一材料であれば、磁化自由層３ｃの１０倍程度以上の厚さを必要とする。尚、磁化固定層３ａとして、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜を用いることも可能である。

Description

明 細 書
マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子及びマイクロ波伝送回路 一体型マイクロ波検出素子
技術分野
[0001] 本発明は、マイクロ波を発生することが可能な素子又はマイクロ波を検出することが 可能な素子に関する。
背景技術
[0002] 電子素子の高速化が進むにつれ、マイクロ波（1GHz帯以上の周波数)を用いた回 路の集積化 (小型化)、高能率ィ匕が重要な課題となっている。代表的なマイクロ波の 発振源としては、ガン発振器がある。ガン発振器には、低電圧動作が出来る、発振ス ベクトルの純度が良 、（希望する発振周波数と異なる周波数成分の割合が少な!/、）と いう利点があるものの、構造上小型化が難しいこと、発振効率が悪いこと（出力電力 Z入力電力で 1%以下)などの欠点から、現在はトランジスタやピンダイオードなどの 半導体素子による発振を遁倍して、高周波を得る方法が主流となってきている。
[0003] さらに、マイクロ波回路においては、発振器 (又は検出器)の発振効率 (検出効率） の向上だけでは不十分であり、周波数が上昇するほどマイクロ波の伝送回路 (ストリツ プラインや同軸ケーブルによる回路)の大きさが小さくなることにより（周波数が高くな ると波長が短くなるため）、伝送回路でのインピーダンス 'ミスマッチによる減衰が大き な問題になっている。
[0004] これまでに、伝送回路との結合効率を良くするために、ガン発振子とストリップライン とをモジュールィヒした発振素子 (特許文献 1)や、半導体素子をマイクロ波伝送回路 上に形成した発振器 (非特許文献 1：平面基板上に作製できるフリップチップ型ガン ダイオード)などが提案されているが、発振効率の点では旧来の技術に比べ著しい 向上は困難である。
[0005] 以上のように、半導体素子によるマイクロ波発振器の大きな問題は、発振効率の低 さと、発振器と伝送回路とのインピーダンス 'ミスマッチにある。また、半導体発振素子 による発振の場合は発振出力の周波数純度も改善すべき問題である。 [0006] 近年、 CPP-GMR (giant magneto- resistance：巨大磁気抵抗）素子において、電 流による磁ィ匕反転が起こることが発見された。ここで CPP— GMR素子とは、面直型 巨大磁気抵抗素子を意味し、磁化自由層 Z中間層 Z磁化固定層を持つ磁性多層 膜を膜面に対し垂直方向に柱状に加工し、電流が膜面に対して垂直方向に流れる 構造を持つ素子のことである。磁気抵抗とは、外部磁界を与えることにより、磁ィ匕自由 層の磁ィ匕の方向が変化し、結果として素子の抵抗値が変化するという現象である。こ れまで、磁気抵抗素子において、抵抗を変化させるためには、外部磁化を与え磁ィ匕 自由層の磁ィ匕の向きを変えることでしかなしえないと考えられていたので、電流のみ により磁ィ匕自由層の磁ィ匕の向きを変えることが出来るということは新規な発見であつ た。
[0007] この電流による磁化反転は、磁ィ匕自由層におけるスピンの共鳴振動によるものであ り、共鳴の励起に伴いマイクロ波が発生していること、その周波数が外部磁場によつ て変化することが報告されている。非特許文献 2では、 CoZCuZCoの 3層からなる CPP—GMR素子に於けるマイクロ波の発生についての報告がなされている。この実 験で得られたマイクロ波の発振周波数は 10GHz程度から 25GHz程度までであった
[0008] 電流注入磁化反転は、磁ィ匕自由層の磁ィ匕が単磁区化するような微小な断面積 (た とえば CoZCuZCo3層膜においては lOOnm X 200nm以下の大きさ）が必要であ ることが報告されている。この反転は、磁化自由層の磁化が、電流を流すことによって 生じるスピントルクによって共鳴振動を起こすことによって起こるものである。磁ィ匕反 転に至らない電流の領域でも、磁ィ匕自由層ではスピントルクにより、マイクロ波の発振 (おおむね 10GHz程度）が起こって!/、ることが報告されて 、る。
[0009] この発振は、磁ィ匕自由層における電子スピンの集団運動によるものであるため、本 質的に Q値 (共鳴回路の共鳴の鋭さを表す指数)が高くなることが期待される。そのた め、この共鳴振動をマイクロ波の発振源として、利用することが出来れば、今までのマ イク口波の発振源に比べて効率が高くなることが期待される。
[0010] 次に、マイクロ波の検出における問題点を説明する。マイクロ波の検波には、通常、 半導体ダイオードの二乗検波特性が用いられる。高効率に検波を行うためには、半 導体内において、電子の運動の遅れが無いことが必要であり、このために移動度の 高 、半導体やピンダイオードなどが利用されて 、る。電子のチャネル長を短くするこ と（素子を薄くすること）により高周波化することは可能であるが、そのような構造にす ると接合容量の増大が避けられない。さらに、接合容量を小さくするために素子面積 を小さくすると素子抵抗が増大し、伝送回路とのインピーダンス ·ミスマッチにより感度 が低下すると 、う問題が起こる。
[0011] さらに、半導体ダイオードの二乗特性は温度に大きく依存するために、安定な感度 を得ることが難しい。それ故、マイクロ波領域での半導体ダイオード検波における上 記の問題 (電子の運動の遅れ、接合容量およびインピーダンス ミスマッチ）を解決 した場合であっても、検波効率の特性は温度で限定されてしまうと 、う問題が残る。 特許文献 1：特開 2000— 353920 (P2000— 353920A)、名称：ガンダイオード発 振器。
非特許文献 1 :フリップチップ型ガンダイオード、中川敦'渡辺健一、「フリップチップガ ンダイオード」応用物理、 69卷、 2号、（2000) 182ページ。
非特許文献 2： CPP-GMR素子に於ける直流電流によるマイクロ波の発振実験、 S丄 Ki selev, J.し. ¾ankey, I.N.Krivorotov, N.し. Emley, R.J.bchoelkopf, R.A.Buhrman &D.し. Ralph, Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current, ' Nature vol.425, (2003) pp. 380.
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] 本発明が解決しょうとする課題は、電子回路のマイクロ波発生部分及びマイクロ波 検出部分を、高能率化、小型化することである。
課題を解決するための手段
[0013] 一般的に、磁気抵抗素子において、磁化自由層に磁区 (単一の磁化と見なされる 磁気的なブロック）が多く形成されると、磁ィ匕自由層はランダムな磁ィ匕状態になる。こ れに対して、磁ィ匕自由層の磁区の数が 1又は少数である磁気抵抗素子、すなわち、 磁ィ匕自由層の大きさを lOOnm程度にした場合、いわゆる単磁区化が生じ、巨視的な 磁ィ匕の共鳴振動が発現するようになる。本発明では、このような巨視的な磁ィ匕の共鳴 振動を利用したマイクロ波素子を製造することを特徴とする。
[0014] 尚、磁ィ匕の共鳴振動を起こす割合は、磁ィ匕自由層の全体（100%)でなくても良い 。例えば、磁ィ匕自由層の 70〜80%が共鳴すれば、磁化の状態を巨視的に変化させ ることができるため、マイクロ波素子を形成するための十分な性能を得ることができる 。本発明のマイクロ波素子は、以上の原理に基づき、上記単磁区化が期待できるよう な微小な磁気抵抗素子を用い、さら〖こ、前記の磁気抵抗素子をマイクロ波伝送回路 上に、直接設置することを最も主要な特徴とする。
[0015] まず、本発明の磁気抵抗素子を利用したマイクロ波発生素子について述べる。
[0016] 本発明の一観点によれば、電流を通電することにより、磁ィ匕の共鳴振動が生じる程 度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上に直接設置した ことを特徴とする、マイクロ波発生素子が提供される。前記強磁性多層膜磁気抵抗素 子の大きさとしては、磁ィ匕自由層が単磁区化される程度であることを特徴とする。
[0017] 上記によれば、マイクロ波発振素子として微小な磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送 回路上に直接設置するため、 1)装置の小型化、 2)発振器までの配線を必要としな いため配線での損失がなくなる、 3)磁気抵抗素子における磁ィ匕自由層の磁ィ匕の共 鳴振動をマイクロ波の発振に使用するため発振電力効率がよい、という利点がある。 尚、磁ィ匕の共鳴振動が起こるような素子の大きさは、材料にもよるが、一般的には、 断面積が 200nm角以下、高さは lOOnm以下である。
[0018] また、本発明の一観点によれば、信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回 路と、前記マイクロ波伝送回路に配置された強磁性多層膜磁気抵抗素子であって、 磁ィ匕の共鳴振動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の 特性インピーダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素 子と、前記信号電極から前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を通って前記接地電極へ と電流を流せる位置に形成された電極と、を有することを特徴とするマイクロ波発生 素子が提供される。
[0019] 上記構成によれば、微細なマイクロ波伝送回路上に、マイクロ波伝送回路の大きさ に比べてきわめて小さな (例えば、体積比にして 1000分の 1以下)発振素子を設置 し、設置することにより元々のマイクロ波伝送回路の線路としてのインピーダンスを変 化させない（あるいは設置したことによる変化率を 1000分の 1以下の無視できる程度 にする）ようにすることができる。前者の値 (体積比）は、最小のストリップライン幅（10 μ m程度に対して素子寸法を 1 μ mとして求めた値であり、後者の値 (変化率）は、素 子を絶縁した状態でマイクロ波伝送回路上に設置した場合に、インピーダンス変ィ匕 が無視できる程度であることを示す値である。
[0020] 素子の大きさとしては、単磁区化がある程度可能な大きさ、例えば、膜面方向での 断面積 (膜面に垂直な方向から見た断面積）力 200nm角より小さいものであって、 その中でも lOOnm角以下の微小なものが望ましい。以下の実施例における実験で は、断面積が 150nm X 50nmの大きさの素子を使用している。
[0021] マイクロ波の発生効率、あるいは検出効率を向上させるためには、磁気抵抗素子と マイクロ波伝送回路での接合部におけるインピーダンス ·ミスマッチによる損失を最小 とするために、磁気抵抗素子の抵抗値を、マイクロ波伝送回路のインピーダンス値に 一致させることが望ま 、。一般に用いられて 、るマイクロ伝送回路 (例えば同軸ケ 一ブル）のインピーダンス値は、概ね 50 Ω力ら 300 Ωである。本発明の素子の場合、 磁気抵抗比に応じて抵抗が変化するため、少なくともその抵抗値の変化の範囲が、 前述の抵抗値の範囲と重なることが望ましい。それゆえ、磁気抵抗素子の望ましい抵 抗値の範囲は、 1 Ω力も lk Qの間であり、より好ましくは、 50 Ω力も 300 Ωの範囲で ある。
[0022] また、本発明に使用する磁気抵抗素子は、例えば磁気抵抗素子の中間層であるト ンネルバリアの厚みを調整することにより、その抵抗値をある程度自由に設定すること が出来るという特徴を持っため、素子の抵抗値をマイクロ波伝送回路のインピーダン ス値に一致させることが現実に可能である。それ故、使用するマイクロ波伝送回路の インピーダンス値に素子の抵抗値を合わせる方向に設計することが好まし 、。
[0023] 上記のマイクロ波伝送回路を形成する基板としては、シリコン基板、熱酸化膜付き シリコン基板、酸ィ匕物基板 (酸ィ匕マグネシウム、サフアイャ、アルミナなど）、プラスチッ ク基板、ポリイミド基板、フレキシブル基板などが使用可能である。強磁性多層膜磁 気抵抗素子としては、面垂直型巨大磁気抵抗 (CPP— GMR)素子、トンネル磁気抵 抗 (TMR)素子の 、ずれを用いても良!、。 [0024] マイクロ波伝送回路上に、微小な磁気抵抗素子によるマイクロ波発生素子を、直接 設置することにより、発振回路の小型化が出来る。発振素子とマイクロ波伝送回路と の距離を短くすることにより、伝送損失を少なくすることが出来る。磁ィ匕自由層の共鳴 振動を利用するため、 Q値を高くすること、すなわち発振効率と周波数純度を高くす ることが出来る。
[0025] さらに、マイクロ波発生素子の抵抗値を、マイクロ波伝送回路のインピーダンスに整 合させることが好ましい。マイクロ波伝送回路としては、コプレナ一型 (インピーダンス は 25 Ω力ら 100 Ω )、スロットライン型（インピーダンスは 100 Ω力ら lk Ω )の!、ずれで も良い。素子の抵抗をマイクロ波伝送回路のインピーダンスに一致させることで、マイ クロ波の電力損失を少なくすることができる。
[0026] また、マイクロ波発生素子にぉ 、て、磁気抵抗素子として、 MgOをトンネルバリアと して有する TMR素子を利用したことを特徴とする、マイクロ波伝送回路一体型マイク 口波発生素子が提供される。 MgOトンネルバリアを持つ TMR素子は、高 MR (磁気 抵抗)比、低インピーダンスという特徴を持っため、素子の発振効率を高くすることが 出来る。
[0027] また、マイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子として、磁化自由層の磁化の向 きが、磁ィ匕固定層の磁ィ匕の向きに対して、 2つの層に平行な平面 (膜面）内で直交す る方向に向けられたことを特徴とする、マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素 子が提供される。ここで、磁ィ匕自由層の磁化と磁ィ匕固定層の磁ィ匕の角度は 90度（二 つの磁ィ匕の向きが直交する状態）が望ましいが、磁ィ匕自由層の磁ィ匕ベクトル力 磁ィ匕 固定層の磁ィ匕の向きに対して直交する成分を持てば、発振効率は上昇する。磁ィ匕自 由層の磁化の向きを、磁ィ匕固定層の磁ィ匕に対して直交する方向に向けることで、電 流による共鳴振動が起こりやすくすることができ、発振効率が上昇する。
[0028] (垂直成分に関する手段）
磁ィ匕自由層の磁ィ匕ベクトルが 2つの層に平行な平面 (膜面）に対して垂直な成分を 持つ場合、ベクトルの方向を面平行方向力も面直方向に向かい 45度にすることによ り、さらに発振効率を上げることが出来る。また、逆に、磁ィ匕固定層の磁ィ匕ベクトルが 2つの層に平行な平面 (膜面）に対して垂直な成分を持ち、磁ィ匕自由層が膜面に平 行な磁ィ匕ベクトルを持つようにすることにより、発振効率の上昇を得ることが可能であ る。
[0029] 上記マイクロ波発振素子において、磁気抵抗素子の強磁性多層膜部分を十分に 広くし、上部または下部一端の電極の断面積を 200nm角以下とすることにより、発振 の Q値を著しく向上したことを特徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発振 素子が提供される。ここで、強磁性多層膜部分の大きさは小さな方の電極部分の 2倍 以上で有ることが望ましい。
[0030] また、マイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子として、磁化自由層に磁気共鳴 周波数の高い物質を使用することにより、マイクロ波の発生周波数を高くしたことを特 徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子が提供される。この素子にお いて、発生するマイクロ波の周波数は、磁ィ匕自由層の磁気共鳴周波数に等しくなる。 現在はコバルト、コバルト一鉄、コバルト一鉄 ボロンなどが使われている力 鉄を使 うことにより、発振周波数を 2倍程度にすることが可能である。さらに、自由層に強磁 性 Z非磁性多層膜 (例えば、 Fe/Cr, CoZCu)を使うことにより発振周波数を 4倍 程度にすることが可能である。すなわち、磁ィ匕自由層に磁気共鳴周波数の高い物質 、あるいは強磁性 Z非磁性多層膜を使用すると、発生周波数を高くすることが出来る
[0031] (フェリ磁性に関する手段）
発振周波数を上昇させる手段として、磁ィ匕自由層にフェリ磁性体を使用することが 出来る。フェリ磁性体とは、磁ィ匕の基本構成 (副格子）が反平行方向に結合し、かつ その磁ィ匕の和が有限の値で残る磁性体である（図 13参照)。フェリ磁性体の例として は、フ ライト、鉄ガーネットなどがあり、その磁気共鳴周波数は強磁性体に比べて高 いこと (例えばフェライトで 50GHz以上）が知られている。このような物質を磁ィ匕自由 層に使うことにより、より高い発振周波数を持つマイクロ波発生素子を構成することが 出来る。
[0032] (周波数を低くする手段）
また、発振周波数を低くすることも可能である。本発明によるマイクロ波発生素子に おいて、発振周波数は直流バイアス電流に比例し、発振周波数の下限は、概ね電流 注入磁ィ匕反転における臨界電流値 (以下 I と表記する）によって決まる。言い換える
cO
と、小さな臨界電流値を得ることと、低い発振周波数を得ることは物理的に等価であ る。 I を低減する手法としては、以下の手法が知られている。
cO
[0033] (1)磁ィ匕自由層の磁気異方性を小さくする。具体的には、磁化自由層の形状を磁ィ匕 自由層における反磁界が一様となるようにすればよい。反磁界が理想的に一様とな る平面形状には円形、楕円形があるが、製造上の容易さから正方形や長方形などで もよい。これにより、前記磁化自由層内での磁化の集団励起運動を起こりやすくし、 マイクロ波の検出周波数を低くすることができる。
[0034] 素子を効率よく発振させるためには、アスペクト比は 3以下であることが望ましい。こ こでアスペクト比とは、長辺と短辺（あるいは、長径と短径）の比である。アスペクト比 が大きくなると、磁ィ匕自由層での形状磁気異方性が大きくなるため、発振効率が低く なるという欠点が生じる。
[0035] (2)磁ィ匕自由層に磁ィ匕の小さな物質を用いる。この場合、磁ィ匕自由層全体で磁ィ匕が 小さくなればよいので、例えば、磁ィ匕自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造 を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁ィ匕自由層 での磁化を減少させてもょ 、。
[0036] (3)磁ィ匕固定層あるいは、磁ィ匕自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直 成分の磁化を持つ物質を用いる。
[0037] (4)磁気自由層に磁気緩和定数 (ダンピングファクター）の小さな物質を用いる。
[0038] 上記（1)から (4)までの手法、またはその組み合わせにより、発振周波数を下げるこ とが可能である。
[0039] (電流冷却効果を使って発振状態での発熱を低減する手段）
本発明によるマイクロ波発生素子にぉ ヽては、磁気抵抗素子に直流バイアス電流 を与えることにより発振を起こす。このとき、素子の断面積が微小であるため、直流バ ィァス電流密度はきわめて大きくなる（少なくとも 106AZcm2)。このような素子におい ては、抵抗による発熱 (ジュール発熱）により、素子の劣化や破壊が起こるおそれがあ る。一方、本発明者により、本発明の磁気抵抗素子と同様な形状 (電流が膜面垂直 方向に流れる構造のため CPP構造と呼ばれる）の金属接合にぉ 、て、電流による冷 却効果が発現することが報告されている（参考論文: A.Fukushima et al, JJAP, vol.4 4, pp丄 12-14)。
[0040] 上記参考論文に述べられて!/、るように、 CPP構造にぉ 、ては、上部電極と下部電 極の材料の組み合わせを選ぶことにより、 CPP部分 (素子の中でもっとも狭隘となる 部分）において電流による冷却効果を発現させることが出来る。
[0041] 上記現象を本発明によるマイクロ波発生素子における磁気抵抗素子に適用すると 、例えば、上部電極に金を用い、下部電極 (これは磁ィ匕固定層と同一であってもよい )にコノ レトを用いた場合に、電流値が数 mAの場合、数十 ワットの冷却効果が得 られることが、同様の大きさの金一コバルト金属接合による実験力 期待できる。この ような素子の構造を用いることにより、発振素子の信頼性の向上、長寿命化が可能と なる。
[0042] また、マイクロ波発生素子において、発振したマイクロ波を外部に取り出しやすくす るため、マイクロ波伝送回路の一端又は両端に放射板を設けてアンテナとしたことを 特徴とする、マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子が提供される。アンテナ は、同一基板上にてマイクロ波伝送回路の幅を広げたものでも良いし、マイクロ波伝 送回路のインピーダンスに整合させた外部アンテナを、マイクロ波伝送回路端にコネ クタ一などで接続し、別途設置したものでも良い。
[0043] さらに、マイクロ波発生素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発 振周波数を変化させる手段として、外部磁場をかける手段を設けたことを特徴とする マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子が提供される。外部磁場をかけるた めの装置としては、電磁石 (コイル）、マグネット (永久磁石）、その両者を併せたもの、 また、素子近傍に設置した電線に電流を流すことによって発生する磁場 (電流誘因 磁界）を使用しても良い。
[0044] また、マイクロ波発生素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発 振周波数を変化させる手段として、直流電流バイアスを与える電気回路を設けること を特徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発生素子が提供される。
[0045] 尚、上記各構成は、任意に組み合わせが可能である。以下も同様である。
[0046] さらに、上記マイクロ波発生素子によるマイクロ波発振源と、基準信号源としての外 部周波数標準器と、前記マイクロ波発振源の出力と前記周波数標準器の出力との差 信号を検出する差信号検出器と、該差信号に応じて、周波数を制御する手段と、を 有するマイクロ波発生回路が提供される。周波数信号源としては、ルビジウム周波数 標準器、高精度マイクロ波シンセサイザーなどが使用できる。周波数の制御方法とし ては、磁場発生装置により外部磁場をかける方法、電流ノ ィァスを加える方法のい ずれを利用しても良い。
[0047] 高精度マイクロ波シンセサイザーとは、精度が 10_7程度 (通常の使用範囲：室温変 動が 10度未満の環境で積分時間が 1分程度)の周波数発生装置であり、マイクロ波 を用いた物性研究、マイクロ波製品の開発などに広く使われる。これらの装置は、例 えばアンリツ、アジレントテクノロジーなどのメーカーにより生産販売されている。また、 これらの製品には発振周波数をより高度に安定化させるため、より高精度なタイムべ ース (基準周波数)を入力する端子が備わっている。製品の例は、アンリツ株式会社 、 RF/マイクロ波信号発生器 MG3690Bシリーズである。
[0048] さらに、上記マイクロ波発生回路において、前記発振周波数を外部基準信号に同 期させる同期手段を有することができる。前記同期手段としては、上記差信号がゼロ になるように、上記マイクロ波発振源に上記周波数制御手段を用いて負帰還をかけ るフィードバック回路と、を備えることを特徴とする。これにより、上記マイクロ波発生回 路の発振周波数の精度を、上記外部周波数標準器と同等まで高くすることができる。
[0049] 次に、マイクロ波検出素子について述べる。
[0050] 本発明の一観点によれば、マイクロ波を与えることにより、磁ィ匕の共鳴振動が生じる 程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上に直接設置し たことを特徴とする、マイクロ波検出素子が提供される。前記強磁性多層膜磁気抵抗 素子の大きさとしては、磁ィ匕自由層が単磁区化される程度であることを特徴とする。
[0051] 上記によれば、マイクロ波検出素子として微小な磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送 回路上に直接設置するため、 1)装置の小型化、 2)アンテナ力 検出器までの配線 を極力短くできるため、配線での損失を最小限にすることが出来る、 3)磁気抵抗素 子の磁ィ匕自由層の共鳴振動をマイクロ波の発振に使用するため感度がよい、という 利点がある。尚、磁ィ匕の共鳴振動が起こるような素子の大きさは、材料にもよるが、一 般的には、断面積が 200nm角以下、高さは lOOnm以下である。
[0052] 上記マイクロ波検出素子を設置するためのマイクロ波伝送回路を形成する基板とし ては、シリコン基板、熱酸ィ匕膜付きシリコン基板、酸ィ匕物基板 (酸ィ匕マグネシウム、サ フアイャ、アルミナなど）、プラスチック基板、ポリイミド基板、フレキシブル基板などが 使用できる。磁気抵抗素子としては、面垂直型巨大磁気抵抗 (CPP— GMR)素子、 トンネル磁気抵抗 (TMR)素子のどちらでも良!、。
[0053] 以上のように、マイクロ波伝送回路上に、微小な磁気抵抗素子によるマイクロ波検 出素子を、直接設置することにより、検出回路の小型化が出来る。検出素子とマイク 口波伝送回路 (あるいはアンテナ）との距離を最小限にすることにより、伝送損失を最 小限することが出来る。また、 Q値の高い磁ィ匕自由層の共鳴振動を利用するため、感 度を高くすることが出来る。
[0054] 上記マイクロ波検出素子にお!ヽて、前記磁気抵抗素子の抵抗を、前記マイクロ波 伝送回路のインピーダンスに整合させたことを特徴とするマイクロ波伝送回路一体型 マイクロ波検出素子が提供される。マイクロ波伝送回路は、コプレナ一型 (インピーダ ンスは 25 Ω力ら 100 Ω )、スロットライン型（インピーダンスは 100 Ω力ら lk Ω )のどち らでも良い。素子抵抗を自由に変えることが出来るため、マイクロ波伝送回路とのイン ピーダンス整合を取ることが出来、損失を少なくすることが出来る。
[0055] また、マイクロ波検出素子にぉ 、て、磁気抵抗素子として、 MgOトンネルバリアを有 する TMR素子を利用したことを特徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検 出素子が提供される。 MgOトンネルバリアを有する TMR素子（高 MR比、低インピー ダンス）を使用することにより、素子の検出効率を高くすることが出来る。
[0056] 上記マイクロ波検出素子において、磁気抵抗素子として、磁化自由層の磁化の向 きが、磁ィ匕固定層の磁ィ匕の向きに対して、 2つの層に平行な平面 (膜面）内で直交す る方向に向けられたことを特徴とする、マイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素 子が提供される。ここで、磁ィ匕自由層の磁化と磁ィ匕固定層の磁ィ匕の角度は 90度（二 つの磁ィ匕の向きが直交する状態）が望ましいが、磁ィ匕自由層の磁ィ匕ベクトル力 磁ィ匕 固定層の磁ィ匕の向きに対して直交する成分を持てば、検出効率は上昇する。尚、磁 化自由層の磁ィ匕の向きを、磁ィ匕固定層の磁ィ匕に対して直交する方向に向けることで 、マイクロ波による共鳴振動が起こりやすくすることが出来、検出効率が上昇する。
[0057] (垂直成分について）
磁ィ匕自由層の磁ィ匕ベクトルが 2つの層に平行な平面 (膜面）に対して垂直な成分を 持つ場合、ベクトルの方向を膜面平行方向から面直方向に向かい 45度にすることに より、さらに検出効率を上げることが出来る。また、逆に、磁ィ匕固定層の磁ィ匕ベクトル が面直成分を持ち、磁ィ匕自由層が膜面平行な磁ィ匕ベクトルを持つようにすることによ り、検出効率の上昇を得ることが可能である。
[0058] 上記マイクロ波検出素子において、磁気抵抗素子の強磁性多層膜部分を十分に 広くし、上部または下部一端の電極の断面積を 200nm角以下とすることにより、共鳴 の Q値を著しく向上したことを特徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出 素子が提供される。ここで、強磁性多層膜部分の大きさは小さな方の電極部分の 2倍 以上で有ることが望ましい。
[0059] 上記マイクロ波検出素子にぉ ヽて、磁気抵抗素子として、磁ィ匕自由層に磁気共鳴 周波数の高い物質を使用することにより、マイクロ波の検出周波数を高くしたことを特 徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子が提供される。検出できるマ イク口波の周波数は、磁ィ匕自由層の磁気共鳴周波数に等しくなる。現在はコバルト、 コバルト一鉄、コバルト一鉄 ボロンなどが使われている力 鉄を使うことにより、検出 周波数を 2倍程度にすることが可能である。さらに、自由層に強磁性 Z非磁性多層 膜 (例えば、 Fe/Cr, CoZCu)を使うことにより検出周波数を 4倍程度にした素子を 得ることも可能である。すなわち、磁気共鳴周波数が高い物質を使用することにより、 検出周波数を高くすることが出来る。これまでの実験例によると、コバルト鉄ボロンを 磁ィ匕自由層に用いた場合、共鳴周波数は 6から 10GHz程度であり、一方、コバルトを 磁ィ匕自由層に用いた場合では、 12から 23GHzであることが示されている。
[0060] (フェリ磁性に関する記述）
検出周波数を上昇させる手段として、磁ィ匕自由層にフェリ磁性体を使用することが 出来る。フェリ磁性体とは、磁ィ匕の基本構成 (副格子）が反平行方向に結合し、かつ、 その磁ィ匕の和が有限の値で残る磁性体である。例えば、フェライト、鉄ガーネットなど がある。フェリ磁性体の磁気共鳴周波数は強磁性体に比べて高 、こと (例えばフェラ イトで 50GHz以上）が知られている。このような物質を磁ィ匕自由層に使うことにより、よ り高い検出周波数を持つマイクロ波検出素子を構成することが出来る。
[0061] (検出周波数を低くする手段）
また、検出周波数を低くすることも可能である。本発明によるマイクロ波検出素子に おいて、検出周波数は直流バイアス電流に比例し、発振周波数の下限は、概ね電流 注入磁ィ匕反転における臨界電流値 (以下 I と表記する）によって決まる。言い換える
cO
と、小さな臨界電流値を得ることと、低い検出周波数を得ることは物理的に等価であ る。 I を低減する手法としては、以下の手法が知られている。
cO
[0062] (1)磁ィ匕自由層の磁気異方性を小さくする。具体的には、磁化自由層の形状を磁ィ匕 自由層における反磁界が一様となるようにすればよい。反磁界が理想的に一様とな る平面形状には円形、楕円形があるが、製造上の容易さから正方形や長方形などで もよい。素子を効率よく共振させるためには、アスペクト比は 3以下であることが望まし い。ここでアスペクト比とは、長辺と短辺（あるいは、長径と短径）の比である。ァスぺク ト比が大きくなると、磁ィ匕自由層での形状磁気異方性が大きくなつてしまうため、検出 効率 (共振の効率)が低くなると 、う欠点が生じる。
[0063] (2)磁ィ匕自由層に磁ィ匕の小さな物質を用いる。この場合、磁ィ匕自由層全体で磁ィ匕が 小さくなればよいので、例えば、磁ィ匕自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造 を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁ィ匕自由層 での磁化を減少させてもょ 、。
[0064] (3)磁ィ匕固定層あるいは、磁ィ匕自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直 成分の磁化を持つ物質を用いる。
[0065] (4)磁気自由層に磁気緩和定数 (ダンピングファクター）の小さな物質を用いる。
[0066] 上記の手法のいずれか又はそれらの組み合わせにより、検出周波数を下げること が可能である。
[0067] (ペルチェ効果を使って検出状態での発熱を低減する手段）
本発明によるマイクロ波検出素子にぉ ヽては、磁気抵抗素子に直流バイアス電流 を与えることにより共鳴周波数 (検出すべき周波数)を変えることが出来る。このとき、 素子の断面積が微小であるため、直流バイアス電流密度はきわめて大きくなる（少な くとも 106AZcm2)。このような素子においては、抵抗による発熱 (ジュール発熱）によ り、素子の劣化や破壊が起こるおそれがある。
[0068] 発明者は、本発明の磁気抵抗素子と同様な形状 (CPP構造と呼ばれる）の金属接 合において、電流による冷却効果が発現することを見いだした。 CPP構造において は、上部電極と下部電極の材料の組み合わせを選ぶことにより、 CPP部分 (素子の 中でもっとも狭隘となる部分）において電流による冷却効果を発現させることが出来る 。この構成を適用した本発明によるマイクロ波検出素子における磁気抵抗素子では、 例えば、上部電極に金、下部電極 (これは磁ィ匕固定層と同一であってもよい）にコバ ルトを用いた場合、電流値が数 mAの場合、数十 ワットの冷却効果を得ることが可 能である。このような素子の構造を用いることにより、検出素子の信頼性の向上、長寿 命化などが可能となる。
[0069] 上記マイクロ波検出素子において、外部（外部回路、あるいは周りの環境から)から 導入するマイクロ波を効率よく取り込むため、マイクロ波伝送回路の一端又は両端に 受信板を設けてアンテナとしたことを特徴とする、マイクロ波伝送回路一体型マイクロ 波検出素子が提供される。アンテナは、同一基板上においてマイクロ波伝送回路の 幅を広げたものでも良 、し、マイクロ波伝送回路にインピーダンスを整合させた外部 アンテナを、マイクロ波伝送回路の一端にコネクターなどで接続し、別途設置したも のでも良い。
[0070] 上記マイクロ波検出素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対してマイクロ波の共鳴 周波数を変化させる手段として、外部磁場を力 4ナる手段を設けたことを特徴とするマ イク口波伝送回路一体型マイクロ波検出素子が提供される。外部磁場をかける装置と しては、電磁石 (コイル）、マグネット（永久磁石）、その両者を併せたもの、または、素 子近傍に設置した電線に電流を流すことによって発生する磁場 (電流誘因磁界）を 使用しても良い。
[0071] また、上記マイクロ波検出素子に加えて、前記磁気抵抗素子に対して、マイクロ波 の共鳴周波数を変化させる手段として、直流電流バイアスを与える電気回路を設け ることを特徴とするマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子が提供される。
[0072] 同一モジュール内又は同一基板上に、上記マイクロ波発生素子を有する局所マイ クロ波発振器と、上記マイクロ波検出素子を有するマイクロ波検出器とを有することを 特徴とする単一チップ型電子スピン共鳴型分析モジュールを提供することができる。 その応用例としては、オンチップ型電子スピン共鳴分析装置が考えられる。例えば、 本発明のマイクロ波発振器と、マイクロ波検出器の両者を、同一モジュール内に設置 することにより、 1ミリ角に収まる大きさの電子スピン共鳴分析装置を構成することが出 来る。
発明の効果
[0073] 本発明のマイクロ波発生素子は、微小な磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上 に直接設置するため、 1)装置の小型化、 2)発振素子力 伝送回路までの配線が存 在しないため、配線でのロスがなくなる、 3)磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化の共 鳴振動をマイクロ波の発振に使用するため効率が良 、と 、う利点がある。
[0074] 本発明のマイクロ波検出素子は、微小な磁気抵抗素子を、マイクロ波伝送回路上 に直接設置するため、 1)装置の小型化、 2)アンテナ力 検出器までの配線を最小 限に出来るため、配線でのロスを最小限にすることが出来る、 3)磁気抵抗素子の磁 化自由層の磁ィ匕の共鳴振動をマイクロ波の検出に使用するため感度が良いという利 点がある。
図面の簡単な説明
[0075] [図 1A]本発明の実施の形態によるマイクロ波発振、あるいはマイクロ波検出に用いら れる磁気抵抗素子の構成例を示す断面図である。
[図 1B]図 1 Aに示す磁気抵抗素子の斜視図である。
[図 2A]本発明の実施の形態によるマイクロ波発振、あるいはマイクロ波検出に用いら れる磁気抵抗素子の構成例を示す断面図であり、中間層までエッチングした例を示 す図である。
[図 2B]図 2Aに示す磁気抵抗素子の斜視図である。
[図 3]本実施の形態によるマイクロ波発生、あるいはマイクロ波検出に用いられる磁気 抵抗素子の構成例を示す断面図である。
[図 4]図 3に示す磁気抵抗素子の斜視図である。
[図 5]磁気抵抗素子 Aをマイクロ波伝送回路の終端部に配置した例を示す図であり、 コプレナ一型伝送回路の片側短絡部に磁気抵抗素子を設置した例を示す図である 圆 6]本実施の形態によるマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波発振素子の応用例を 示す図であり、コプレナ一型伝送回路の片側を広げてアンテナにした例を示す図で ある。
[図 7]本実施の形態によるマイクロ波伝送回路一体型マイクロ波検出素子に関する実 験回路の回路構成例を示す図である。
[図 8]図 7に示す測定回路を用いて、 TMR素子に 0. 2〜20GHzのマイクロ波を照射 し、ノ ィアスティ一（高周波分岐回路の一種)を用いて、マイクロ波の照射による共鳴 振動から得られた検波出力（DC電圧)を測定した結果を示す図であり、マイクロ波周 波数と出力電圧との関係を示す図である。
圆 9]本実施の形態によるマイクロ波発振素子を、外部基準周波数源に同期できる発 振回路へ適用した応用例を示す図である。
圆 10]本実施の形態によるマイクロ波発振素子とマイクロ波検出素子とを組み合わせ た、オンチップ型電子スピン共鳴分析装置の構成例を示す図であり、伝送回路上の 磁気抵抗素子を用いた、電子スピン共鳴分析モジュールの例を示す図である。 圆 11]磁気抵抗素子部分の拡大断面図であり、磁ィ匕自由層の磁ィ匕ベクトルが、磁ィ匕 自由層、磁化固定層に対して垂直な成分 (面直成分)を持つ場合の構成例を示した 図である。
[図 12]上部電極、下部電極の組み合わせにより、電流を流した際に磁気抵抗素子部 分で電流冷却効果 (ペルチ 効果)が発現するようにした素子構造例を示す図である
[図 13]強磁性体の説明図であり、図 13 (a)はフ 口強磁性、図 13 (b)はフェリ強磁性 、図 13 (c)は反強磁性を示す図である。
[図 14]図 14 (a)から (d)までは磁ィ匕自由層の好ま 、形状の例を示す図である。 圆 15]本発明の実施例による実験結果であり、強磁性多層膜磁気抵抗素子として M gOトンネル障壁を持つトンネル磁気抵抗素子を用い、直流電流バイアスを与えること によってマイクロ波の発振を励起した実験結果を示す図である。 符号の説明
[0076] A…マイクロ波発生素子、 1…下部電極、 3…磁気抵抗素子を形成する層、 3a…磁 化固定層、 3b…中間層、 3c…磁ィ匕自由層、 5…上部電極、 7…絶縁体。
発明を実施するための最良の形態
[0077] 本明細書にぉ 、て、マイクロ波伝送回路とは、信号電極と接地電極とを絶縁物 (真 空を含む)を介して配置し、分布定数回路として見なせるようにした回路を指す。平面 基板上でのストリップライン、スロットライン、または同軸ケーブル、導波管などが含ま れる広い概念である。
[0078] また、物理学の用語として、強磁性体には、フエ口磁性体とフェリ磁性体がある。フエ 口磁性体はその物質すベてのスピンの向きが一方向にそろっている物質を指す。例 えば、鉄、コバルト、ニッケルなどの磁性金属、鉄—コバルト、鉄—ニッケル合金など がその例である。フェリ磁性とは、その物質のスピンが複数の成分 (副格子)から構成 され、それぞれの成分のスピンの向きが反平行であるが、それらの大きさが一様でな いため、物質全体では有限の磁化が発生している物質を指す。反強磁性は、その物 質のスピンが複数の成分力 構成されるが、それぞれの成分のスピンの向きが反平 行であり、物質全体として磁ィ匕がゼロになる物質を指す。フエ口磁性、フェリ磁性、反 磁性のそれぞれ状態におけるスピンの配列の一例を図 13 (a)から図 13 (c)までに示 す。尚、請求項 1等に記載の強磁性体は、フエ口磁性体と、フェリ磁性体と、の両方を 含むものとする。
[0079] 発明者は、電子回路におけるマイクロ波発振およびマイクロ波検出において、小型 ィ匕、高能率化、伝送回路とのミスマッチを減少させるという目的を、マイクロ波発生お よびマイクロ波検出部分に、磁気抵抗素子の共鳴振動を利用し、かつ、磁気抵抗素 子をマイクロ波伝送回路上に直接設置するという手法で実現することができることに 思い至った。
[0080] また、これまでに、発明者らにより、 MgOをバリアとして有する TMR素子が開発さ れてきている（例えば、 S.Yuasa, T.Nagahama, A.Fukushima, Y.Suzuki &K.Ando, "Gi ant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tu nnel junctions," Nature material vol3 (2004). を参照）。この MgOバリアを有する TMR素子は、従来の CPP— GMR素子、アルミナバリアを有する TMR素子と比較し て、低インピーダンス領域 (面積あたりの抵抗値で 1平方マイクロメートル辺り 10 Ω以 下の領域)まで、 100%以上の高 MR比を持つという特徴があるため、磁気抵抗素子 の実抵抗をマイクロ波伝送回路のインピーダンスと同じ値 (50 Ωから数百 Ωまで）に することが可能である。
[0081] 発明者は、信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回路に、磁化の共鳴振 動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の特性インピー ダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子を配置する ことにより、マイクロ波発生素子、マイクロ波検出素子の特性を大きく向上させることが できることを見いだした。例えば、低インピーダンスかつ高 MR比を持つ MgOノリア を有する TMR素子を、マイクロ波の発振源、あるいはマイクロ波の検出素子として使 用することで、マイクロ波発振器、あるいはマイクロ波検出器の効率を、さらに向上さ せることができることに思い至った。
[0082] 微小な磁気抵抗素子をマイクロ波の発振源、あるいはマイクロ波の検出素子として 用いることにより、以下のような特徴を持たせることができる。
[0083] 1)素子のサイズがきわめて小さいため、マイクロ波伝送回路の上に直接作製すること が出来る。
[0084] 2)素子の抵抗値をマイクロ波伝送回路のインピーダンスと一致させることで、発振源 、あるいは検出素子とマイクロ波伝送回路間での、インピーダンス ミスマッチによる 損失を少なくすることが出来る。この目的に対しては、素子の抵抗値の可変範囲が広 い、 MgOノリアを有する TMR素子を使用することで性能が向上する。
[0085] 3)磁ィ匕自由層の共鳴振動を利用するため、本質的に Q値が高い。この目的に対して は、 MR比が高いほど出力は大きくなるため、 MgOノリアを有する TMR素子を使用 することで性能が向上する。
[0086] 4)外部磁場、直流電流バイアスによって、磁化の共鳴周波数を変化することが出来 る。すなわち、発振周波数を外部に同期させることが可能であり、例えば、高精度外 部信号とフェイズロックループ回路 (PLL回路)を構成することにより、発振周波数の 精度を外部信号源と同等まで安定ィ匕することが可能である。 実施例
[0087] [実施例 1]
以下、本発明の一実施の形態によるマイクロ波発生素子およびマイクロ波検出素 子について説明を行う。本実施の形態による強磁性多層膜磁気抵抗素子は、基板 上に製膜された、磁ィ匕自由層 Z中間層 Z磁ィ匕固定層 (磁ィ匕自由層と磁ィ匕固定層の 上下位置は反対になっても良い）を、膜を貫くように電流が流れる構造 (例えば多層 膜面直方向に微小な断面積を持つ柱状構造)の内、マイクロ波発振素子としては直 流電流を流した際、磁ィ匕の共鳴振動によるマイクロ波の発生が起こるものとし、マイク 口波検出素子としては、マイクロ波を照射した際、磁ィ匕の共鳴振動による検波作用に て直流電圧を発生するものとする。
[0088] まず、本実施の形態によるマイクロ波発生素子およびマイクロ波検出素子に用いら れる磁気抵抗素子の構造例について、図面を参照しつつ説明を行う。図 1Aは、本 実施の形態によるマイクロ波発生、あるいはマイクロ波検出に用いられる磁気抵抗素 子の構成例を示す断面図であり、図 1Bは、該磁気抵抗素子の斜視図である。図 1A 、図 1Bに示すように、本実施例による磁気抵抗素子 Aは、下部電極 1と、下部電極 1 上に柱状に形成された磁気抵抗素子を形成する層 3と、磁気抵抗素子を形成する層 3の周囲を囲むように下部電極 1上に形成された絶縁体 7と、絶縁体 7及び磁気抵抗 素子を形成する層 3上に形成された上部電極 5と、を有している。磁気抵抗素子を形 成する層 3は、下部電極 1側力 順に磁ィ匕固定層 3aと中間層 3bと、磁ィ匕自由層 3cと 、を有して!/、る。磁ィ匕固定層と磁ィ匕自由層の順番湘対位置）は逆でも良 、。磁ィ匕自 由層 3cは、直流電流、あるいはマイクロ波の照射によって共鳴振動を起こすことが必 要であり、例えば、 1から 5nm程度の厚さであるのが好ましい。磁化固定層 3aは、単 一材料であれば、磁ィ匕自由層 3cの 10倍程度以上の厚さを必要とする。尚、磁ィ匕固 定層 3aとして、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜を用いることも可能である。 符号 Xの部分は、絶縁体 (例えば SiO )で埋めることができる。以下の図 2B、図 4に
2
おいても、符号 Xは同様の意味で用いている。
[0089] 本実施例によるマイクロ波発生、あるいはマイクロ波検出に用いられる磁気抵抗素 子としては、面垂直型巨大磁気抵抗 (CPP— GMR)素子又はトンネル磁気抵 (TMR )素子のいずれを用いることもできる。 CPP— GMR素子は、例えば、中間層に銅など 非磁性金属を使用し、磁ィ匕自由層および磁ィ匕固定層として、コバルト、鉄、ニッケル 、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金にボロンを混入して磁化をさげ た合金、又は、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜 (例えばコバルト鉄—ルテ -ゥム—コバルト鉄の多層膜)などを使用することができる。
[0090] TMR素子としては、トンネル障壁層と、トンネル障壁層の第 1面側に形成された BC C構造を有する第 1の強磁性体層と、トンネル障壁層の第 2面側に形成された BCC 構造を有する第 2の強磁性体層と、を有する磁気トンネル接合構造を用いることがで きる。トンネル障壁層力 単結晶 MgO (001)あるいは (001)結晶面が優先配向した 多結晶 MgO (0<xく 1)層（以下、「MgO層」と称する。）により形成されているのが 好ましい。また、第 2の強磁性体層を構成する原子が MgOトンネル障壁層の O上に 配置されているのが好ましい。例えば、中間層に絶縁膜 (アルミナや酸ィ匕マグネシゥ ム（MgO) )を使用し、磁ィ匕自由層および磁ィ匕固定層の材料としては、コバルト、鉄、 ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金としてボロンを混入して 磁ィ匕を下げた合金、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜 (例えばコバルト鉄— ルテニウム—コバルト鉄の多層膜)など使用することができる。
[0091] 尚、磁気抵抗素子の形状に関しては、磁ィ匕自由層の共鳴運動を起こさせるために は、その断面積 (接合面積)が 1ミクロン角よりも小さいものが好ましぐ素子の抵抗値 としては、マイクロ波伝送回路との整合を取るため、直流抵抗値において、 1 Ω以上、 10k Ω以下であることが好まし 、。
[0092] 尚、加工形状としては、中間層 3bまでエッチングした構成でも良い。図 2Aは、中間 層 3bまでエッチングした本実施の形態によるマイクロ波発生、あるいはマイクロ波検 出に用いられる磁気抵抗素子の構成例を示す断面図であり、図 2Bは、該磁気抵抗 素子の斜視図である。
[0093] 電流注入磁化反転、または電流による磁ィ匕の際差運動 (本発明にお 、てマイクロ 波の発振 '検出に用いる現象）は、磁ィ匕自由層に不均一な磁場力 Sかかると、均一な 際差運動が妨げられるため、効率が悪くなる。そのため、磁ィ匕自由層にはできるだけ 不均一な磁場力 Sかからな 、ようにする必要がある。 [0094] し力しながら、磁性体を微細加工すると、その形状において、どうしてもとがった部 分 (あるいはパターンの端の部分)で磁束が集中し、不均一な磁場ができてしまう。そ のため、本実施の形態の対象となる三層構造の磁気抵抗素子において、理想的に は、磁ィ匕自由層はとがつた部分のない小さな磁石に加工し、かつ磁化固定層は無限 平面になることが望まれる。すなわち、三層構造の膜を磁ィ匕固定層の直上まで柱状 に加工することが理想的である。し力しながら、実際には、そのような理想的な微細加 ェを行うことは難しぐ磁ィ匕固定層の直上でエッチングを止めるよりは、図 1Aのように 磁ィ匕固定層までエッチングしてしまった方がよい結果を得られることが多い。特に CP P— GMR素子においては、使用する材料の堅さが磁化自由層、中間層、磁化固定 層であまり変わらないため、所望の深さでエッチングを止めることが難しい。
[0095] しかし、 TMR素子の場合は中間層が酸化物（酸ィ匕マグネシウムや酸ィ匕アルミ-ゥ ム）であり、一般的に磁ィ匕自由層に使用する材料よりも堅いため、中間層でエツチン グを止めることが可能である。特に TMR素子の場合には、より効率のよい加工形状と して、図 2A、図 2Bに示すように、中間層までエッチングする構成を実現することが可 能である。
[0096] [実施例 2]
次に、本実施の形態によるマイクロ波発生素子およびマイクロ波検出素子に用いら れる磁気抵抗素子において、上部電極 (あるいは下部電極)のみを小さくし、磁気抵 抗素子を形成する多層膜と微小な断面積で接触する構造 (ポイントコンタクト形状と 呼ばれる構造）について、図面を参照しつつ説明を行う。図 3は、本実施の形態によ るマイクロ波発生、あるいはマイクロ波検出に用いられる磁気抵抗素子の構成例を示 す断面図であり、図 4は、該磁気抵抗素子の斜視図である。図 3、 4は上部電極のみ を小さくし、ポイントコンタクト形状にした構造例である力 下部電極側をポイントコンタ タト形状とすることも可能である。図 3、図 4に示すように、本実施例による磁気抵抗素 子 Aは、下部電極 1と、磁気抵抗素子を形成する層 3と、磁気抵抗素子を形成する層 3上に柱状に形成し、ポイントコンタクト形状にカ卩ェされた上部電極 5と、上部電極 5 の柱状に形成された部分の周囲を囲むように形成された絶縁体 7と、を有して ヽる。 磁気抵抗素子を形成する層 3は、下部電極 1側カゝら順に磁ィ匕固定層 3aと中間層 3bと 、磁ィ匕自由層 3cと、を有している。磁ィ匕自由層 3cは、直流電流、あるいはマイクロ波 の照射によって共鳴振動を起こすことが必要であり、例えば、 1から 5nm程度の厚さ であるのが好ましい。磁ィ匕固定層 3aは、単一材料であれば、磁ィ匕自由層 3cの 10倍 程度以上の厚さを必要とする。尚、磁ィ匕固定層 3aとして、反強磁性結合を利用する 磁性金属多層膜を用いることも可能である。空間は SiOなどの絶縁膜で埋めること
2
ができる。
[0097] 前記の本実施の形態によるマイクロ波発生素子およびマイクロ波検出素子に用い られる、上部電極 (あるいは下部電極)をポイントコンタクト形状にカ卩ェした磁気抵抗 素子マイクロ波発振素子においては、その接触面の断面積を 200nm角以下とするこ とが好ましい。また、磁気抵抗素子の強磁性多層膜部分は接触面に比べ十分に広く し、その大きさは接触面積の 2倍以上で有ることが好ましい。
[0098] [実施例 3]
次に、マイクロ波伝送回路上の磁気抵抗素子として上記磁気抵抗素子を用いた例 について説明を行う。本実施の形態では、マイクロ波の発振源 (あるいは検出素子）と して磁気抵抗素子を使用する。この場合の磁気抵抗素子は、通常のマイクロ波伝送 回路に比べてきわめて小さぐ例えば 1ミクロン角以下の大きさにすることができる。従 つて、図 5に示すように、磁気抵抗素子 Aを、下部ストリップライン 11と上部ストリップラ イン 15との間に設置することにより、マイクロ波伝送回路の終端部に直接設置するこ とが出来る。この場合、下部ストリップライン 11と上部ストリップライン 15は、磁気抵抗 素子によってのみ電気的に接続されるものとする。尚、図 5においては、マイクロ波伝 送回路として、コプレナ一型のストリップライン上に磁気抵抗素子を配置した例を示し ているが、スロットライン型のストリップラインを使用しても良い。この場合も、磁気抵抗 素子は下部ストリップラインと上部ストリップラインに挟まれる様に設置し、磁気抵抗素 子のみによって電気的に接続することが好ましい。
[0099] また、図 5では、磁気抵抗素子 Bをコプレナ一型のストリップラインの終端部に配置 した例を示している力 コプレナ一型のストリップラインの中央部に、グラウンドパター ンと信号パターンが電気的に絶縁しつつ交差する部分を設け、交差部分において磁 気抵抗素子のみにより、両者を電気的に接続するように設置してもよい。 [0100] 図 6は、本実施の形態によるマイクロ波伝送回路の応用例を示す図である。図 6に 示すように、図 5に示すマイクロ波伝送回路のストリップラインを一端側に向けて大きく 広げた構成にして、アンテナとして用いることも可能である。すなわち、図 5の構造 (点 線の範 ^B)のストリップライン 11、 15a, 15bを、符号 11，、 15a，、 15b，【こよう【こ一端 側に向けて大きく広げる。
[0101] [実施例 4]
次に、図 7、図 8を参照しつつ、 MgOトンネルノリアを有する TMR素子における、 マイクロ波検出の実験について説明する。 MgOトンネルバリアを有する TMR素子は 、熱酸ィ匕シリコン基板上のコプレナ一型ストリップライン上に作成された素子であって 、磁ィ匕自由層と磁ィ匕固定層とにコバルト一鉄一ボロンを用い、断面積は 70nm X 200 nmで teる o
[0102] 図 7は、実験回路の回路構成例を示す図である。図 7に示すように、本実施の形態 による実験回路は、 MgOトンネルバリアを有する TMR素子 Aをマイクロ波伝送回路 上に作製したマイクロ波検波素子 Dに、バイアスティー 21 (マイクロ波回路用の素子 の一つで、コンデンサを直列接続した端子と、インダクタを直列接続した端子と、外部 マイクロ波回路を接続する配線のみの端子が、 3分岐の形状 (T型）に接続されてい る素子。コンデンサが接続されている端子にはマイクロ波成分のみが通ることが出来 、インダクタを接続している端子には直流成分のみが通ることが出来る。このことを利 用し、外部マイクロ波素子からの信号を、マイクロ波成分と直流成分に分岐することが できる。）を通して、周波数発生器 23を接続する。周波数発生器 23により、マイクロ波 を与え、その周波数を掃引する。このとき、マイクロ波検波素子 D (すなわちマイクロ 波伝送回路上に作成した MgOトンネルバリアを有する TMR素子 A)に発生する検 波成分 (直流電圧信号)を、バイアスティー 21のインダクタ端子に接続したナノボルト メーター 25により測定することができるように構成されている。図中、便宜上、 3力所 に GND1〜GND3 (0電位点）を記入した力 この 3力所を同一電位にすれば、 0電 位でなくても良い。
[0103] 図 8は、図 7に示す測定回路を用いて、 MgOトンネルバリアを有する TMR素子 Aに 0. 2〜20GHzのマイクロ波（周波数 f)を照射し、図 7に示すバイアスティー 21を用い て、マイクロ波の照射による共鳴振動力も得られた DCオフセット電圧 (V)を測定した 結果を示す図である。尚、本実験より、外部磁場 (0〜800 Oe)を与えることにより、 共鳴周波数を 4〜： LO GHzまで変化させることが出来ることがわかる。
[0104] この実験の場合に、入力電力 15dBm(50 Qにて振幅約 50mVp— p)に対して 、最大 120 Vの直流電圧出力が得られている。この結果を検出器の感度に換算し て考えると、直流電圧測定において、 10nVZ (Hz) 1/2の精度を得ることは、現在の 測定技術において十分可能であるため、実験で使用した素子は、共鳴周波数にお いて、 10_4の精度で入力電圧 (マイクロ波のエネルギー）を測定できる能力を持つ。 この精度の値は、低ノイズの前置増幅器 (プリアンプ)を用いずに測定する手法として は、極めて高感度である。
[0105] 本実施の形態による素子では、磁性金属中における電子の共鳴振動をマイクロ波 の共鳴体に利用するため、本質的に Q値を高くすることができる。図 8に示すように、 現在の Q値はおおむね 15程度であるが、単結晶金属、単結晶トンネルバリアの素子 を作製することより、 Q値を、例えば水晶発振器の発振子程度 (Q値 1万以上）にする ことは可能である。その場合、検出器の感度をさらに 3桁程度向上させることが可能 である。
[0106] また、図 8に示すように、共鳴周波数 (電圧がピークをとる周波数）は、外部磁場に 対してほぼ直線的に変化していることが解る。このことから、検出器の応用例として、 本実施の形態による素子に未知の周波数を有する電磁波を照射した状態で、外部 磁場を掃引することより、測定対象の電磁波の周波数分布を直接に得ることが可能 である。このことは、検出素子自体にバンドパスフィルターの機能が備わっていること を意味する。すなわち、本実施の形態においては、従来のスぺクトロメーターのような 周波数フィルターと検出器の組み合わせの構成ではなぐ素子自体の共鳴周波数を 外部から変化させることで、直接周波数分布を得ることが出来るという利点がある。
[0107] [実施例 5]
次に、本実施の形態によるマイクロ波発振素子であって、外部基準周波数に同期 できるマイクロ波発振器の例を示す。図 9を参照して、本実施の形態によるマイクロ波 発振素子を、外部基準周波数源に同期できる回路へ適用した応用例について説明 する。本実施の形態によるマイクロ波発振素子は、外部磁場又は電流バイアスによつ て、発振周波数を変化させることが出来る点を特徴とする。この特徴を利用して、外 部基準周波数に、マイクロ波の発振周波数を同期させることが出来る。図 9に示すよ うに、本実施の形態によるマイクロ波発振回路 B (あるいは C)の出力端子に、方向性 結合器 31を接続し、出力側に影響がないようにマイクロ波出力を分岐する。分岐した 出力を外部基準周波数源 41からの信号とミキサー 33により乗算し、差信号を取り出 す。差信号を位相ロック回路 37に取り込み、その出力が設定値 (例えばゼロ）になる ように、周波数制御装置 35によってフィードバックをかけることにより、マイクロ波の発 信周波数を外部基準周波数に同期させることが出来る。周波数の高精度化が可能 になる。
[0108] 例えば、外部基準周波数源 41として、ルビジウム原子周波数源 (あるいはその周波 数を遁倍，分周した基準周波数)を用いれば、本発明によるマイクロ波発振素子を用 いて原子時計と同等の精度を持つマイクロ波発振源を実現することができる。
[0109] 尚、ルビジウム周波数標準機とは、精度が 10_1以下の非常に高精度な周波数標 準機 (ある特定の周波数を高精度に発生する装置)であり、具体的には、テレビ放送 やラジオ放送のキャリア周波数を維持するために使われている。尚、ルビジウム周波 数標準機の製品例としては、 日本通信機株式会社、モデル 3271— 10MHz基準信 号発生器がある。
[0110] [実施例 6]
次に、オンチップ型電子スピン共鳴分析装置への応用例について図面を参照しつ つ説明を行う。図 10は、本実施の形態によるマイクロ波発振素子とマイクロ波検出素 子とを組み合わせた、伝送回路上時期抵抗素子用いてオンチップ型電子スピン共鳴 分析装置 (モジュール)の構成例を示す図である。図 10に示すように、図 6に示すァ ンテナを付加したマイクロ波発振素子 (マイクロ波発振用磁気抵抗素子 53を含む）と 、同じく図 6に示すアンテナを付加したマイクロ波検出素子 (マイクロ波検出用磁気抵 抗素子 51を含む）と、を向かい合わせるように配置する。グラウンドプレーンの部分 5 7aはマイクロ波発振素子とマイクロ波検出素子とで共通でよいが、発振部、検出部の 電導部分 57b、 57cとは電気的に絶縁されている必要がある。発振部、検出部の電 導部分 57b、 57cは、検出用電圧計 61と、バイアス用電流源 63と、力 それぞれに 接続されている。図 10に示した例では、スロットライン型のマイクロ波伝送回路 57を 用いた例を示している力 その他、コプレナ一型のマイクロ波伝送回路を用いることも 出来る。
[0111] スロットライン型のマイクロ波伝送回路 57の中央部（マイクロ波が伝わって 、く部分） に、検出すべき試料 (分析対象） 55を設置し、マイクロ波発振回路によってマイクロ波 を発振させる。検出すべき試料 55において、発振したマイクロ波との共鳴が起こると 検出部に伝わるマイクロ波のエネルギーが少なくなることを利用して、検出すべき試 料の電子スピン共鳴周波数を測定することが出来る。
[0112] 従来は、発振回路、検出回路、ともに大が力りな装置を必要とした電子スピン共鳴 測定が、本実施の形態によるマイクロ波発振素子とマイクロ波検出素子とを使用する ことにより、オンチップで極めて小さく（例えば lcm角以下)構成することができる。さ らに、分析装置自身を小さくすることができるため、測定対象となる検出試料の量を 極めて少なくすること (例えば、マイクログラム以下）が出来るという利点もある。
[0113] 従って、マイクロ波を利用する電子材料測定装置の高能率化、小型化、省エネル ギー化が可能になるという利点がある。
[0114] [実施例 7]
本実施の形態によるマイクロ波発振素子であって、発振効率を向上させるために、 磁気抵抗素子における磁ィ匕自由層 3cの磁ィ匕ベクトルとして、 2つの層に平行な面（ 膜面）に対して垂直な成分 (面直成分)を持たせるという方法がある。このように、膜面 に対して垂直な磁化成分を持つことを、垂直磁気異方性が存在するという。図 11は 本実施例による例を示す図であり、図の右側の図 1の断面図における磁ィ匕自由層 3c 、中間層 3b、磁ィ匕固定層 3aを図の左側に明確に示した図である。図 11に示すような 磁ィ匕の配置を取る方法としては、結晶の磁気異方性を用いるという方法がある。例え ば、磁化自由層に白金一鉄合金、白金 コバルト合金、パラジウム一鉄合金、希土 類、希土類を含む合金を使うことにより、垂直磁気異方性を持たせることが可能であ る。その他、磁気自由層にコバルト/パラジウム多層膜を用いて、垂直磁気異方性を 持たせることも可能である。尚、磁ィ匕固定層に垂直磁気異方性を持たせる、あるいは 磁ィ匕自由層と磁ィ匕固定層の両者に垂直磁気異方性を持たせ、発振効率を向上させ ることち可會である。
[0115] 発振効率を向上させる原理は、本発明におけるマイクロ波検出素子の検出効率を 向上させる原理と同じであるため、磁ィ匕自由層、磁ィ匕固定層、あるいはその両者に垂 直磁気異方性を持たせることにより、マイクロ波検出素子の検出効率を向上させるこ とが可能である。
[0116] [実施例 8]
本実施の形態によるマイクロ波発振素子であって、発振の原理は、スピン偏極した 電流 (磁ィ匕固定層を通すことによりスピンが偏極する）を磁ィ匕自由層に流すことにより 、磁ィ匕自由層のスピンにトルクを与え、共鳴を起こさせることである。このマイクロ波発 生素子において、発振周波数は直流バイアス電流に比例し、発振周波数の下限は、 概ね電流磁化反転の臨界電流値 (以下 I と表記する）によって決まる。すなわち、臨
cO
界電流を低減する手法により、発振周波数を低くすることが可能である。以下、本発 明におけるマイクロ波発振素子の周波数を低くする手法を例示する。
[0117] (1)磁ィ匕自由層の磁気異方性を小さくする。より具体的には、磁化自由層の形状を 磁ィ匕自由層における反磁界が一様となるようにする。反磁界が理想的に一様となる 平面形状には円形、楕円形があるが、製造上の容易さから正方形や長方形などでも よい。素子の平面形状の例を図 14 (a)から (d)に示す。素子を効率よく発振させるた めには、アスペクト比は 3以下であることが望ましい。ここでアスペクト比とは、長辺と短 辺（あるいは、長径と短径)の比である。アスペクト比が大きくなると、磁ィ匕自由層での 形状磁気異方性が大きくなつてしまうため、発振効率が低くなるという欠点がある。
[0118] (2)磁ィ匕自由層に磁ィ匕の小さな物質を用いる。この場合、磁ィ匕自由層全体で磁ィ匕が 小さくなればよいので、例えば、磁ィ匕自由層の中で成分分布を持たせる、多層構造 を持たせる、反強磁性結合した多層構造を持たせるなどの手法により、磁ィ匕自由層 での磁化を減少させてもょ 、。
[0119] (3)磁ィ匕固定層あるいは、磁ィ匕自由層のどちらか一方、あるいはその両方に、面直 成分の磁化を持つ物質を用いる。
[0120] (4)磁気自由層に磁気緩和定数 (ダンピングファクター）の小さな物質を用いる。 [0121] 上記の手法のいずれか、または、その任意の組み合わせにより、マイクロ波発振素 子の発振周波数を下げることが可能である。
[0122] [実施例 9]
本実施の形態によるマイクロ波発振素子であって、発振時のジュール発熱を低減 するために、素子部分にペルチェ効果を持たせた場合の例を示す。尚、ペルチェ効 果とは、異種材料界面に電流を流れたときに、界面において、界面を構成する材料 の熱電能の差に応じた発熱 (ある ヽは吸熱）が生じる現象である。発熱 (ある!/ヽは吸 熱）量は電流値に比例するため、電流の方向が逆になると、発熱が吸熱に（または吸 熱が発熱に)変化する。
[0123] 本発明によるマイクロ波発生素子にぉ 、ては、磁気抵抗素子に直流バイアス電流 を与えることにより発振を起こす。また、本発明によるマイクロ波検出素子においては 、磁気抵抗素子に直流バイアス電流を与えることにより共鳴周波数 (検出すべき周波 数)を変えることが出来る。磁気抵抗素子の断面積が微小（lOOnm角程度)であるた め、発振あるいは検出に必要なバイアス電流 (数 mAの大きさ）を流した場合、その電 流密度がきわめて大きくなり（少なくとも 106A/cm2より大きな値）、ジュール発熱によ る素子の劣化や破壊が起こるおそれがある。
[0124] 一方、本発明者らは、本発明の磁気抵抗素子と同様な形状（「CPP構造」と称する 。）の金属接合において、ペルチェ効果による冷却効果が発現することを見いだした (参考論文 (A.Fukushima et al, JJAP, vol.44, pp丄 12-14)を参照）。前記論文に述 ベているように、 CPP構造において、上部電極と下部電極の材料の組み合わせを以 下のように選択すると、 CPP部分 (素子の中でもっとも狭隘となる部分）において電流 による冷却効果を発現させることが出来る。この効果を本発明によるマイクロ波発生 素子あるいはマイクロ波検出素子に応用することが出来る。
[0125] ペルチヱ効果による吸熱量 Qは、上部電極に用いた材料の熱電能 (ゼーベック係 数ともよばれる）を Sa、下部電極に用いた材料の熱電能を Sbとしたとき、
Q = (Sb-Sa) XTX I
で与えられる。ここで。 Tは絶対温度、 Iは電流である。 Qは電流に比例するため、電 流の方向を逆にすると、界面での吸熱が発熱に変化する。 [0126] 吸熱の効率を最大にするためには、上部電極と下部電極の熱電能に出来るだけ大 きな差があり、発振器あるいは検波器として用いる動作電流の流れる方向で吸熱が 起こる組み合わせとすることが望ま 、。
[0127] 具体的には、下部電極にコバルト、上部電極にクロムを用いると、それぞれのゼー ベック係数の符号が逆で、絶対値が大きいため、通常使われる単体金属元素の中で は最良の結果が得られる。
[0128] 図 12に本発明によるマイクロ波発振素子における磁気抵抗素子において、上部電 極 5に金、下部電極 (これは磁ィ匕固定層と同一であってもよい） 1にコバルトを用い、 ペルチヱ冷却効果により、磁気抵抗素子部分におけるジュール発熱を低減すること を可能とした素子構成例を示す。図 12の配置の場合、電流を下部電極 1から上部電 極 5の方向（白抜き矢印で示される方向）に流した場合、冷却効果が発生する。金— コバルトの組み合わせにおいて、電流値が数 mAの場合、数十 ワットの冷却効果 が生じる。また、材料の組み合わせとしては、上部電極と下部電極の熱電能の差が 大きくなるような組み合わせをとることが望ましい。具体的には、動作電流が下部電極 力 上部電極に流れる配置では、下部電極としては熱電能が正の符号を持ちその大 きさが大きいもの（コバルト、ニッケルなど負の大きな熱電能を持つ金属元素、 BiTe などの N型半導体）、上部電極には下部電極より熱電能が小さい、あるいは反対の符 号を持つ材料 (金、銅、白金、チタン、アルミニウムなどの金属元素、クロム、鉄、ユー 口ピウムなど正符号の大きな熱電能を持つ金属元素、 BiSbなどの P型半導体)が望 ましい。このような素子構造を用いることにより、検出素子の信頼性の向上、長寿命化 などが可能である。
[0129] すなわち、磁気抵抗素子につながる上部電極 5、下部電極 1の材料を、電流冷却 効果が発現する組み合わせにすることで、発振器においては発振時、検出器におい ては検出時の発熱を低減することができる。
[0130] [実施例 10]
以下に、本発明に基づく実験結果について、実施例 10として説明する。図 15は、 強磁性多層膜磁気抵抗素子として、 MgOトンネル障壁を持つトンネル磁気抵抗素 子を用い、直流電流バイアスを与えることによってマイクロ波の発振を励起した実験 結果である。
実験に用いたトンネル磁気抵抗素子の構造は、磁ィ匕固定層としてコバルト—鉄— ボロンとルテニウムを用いた反強磁性結合膜、中間層として酸ィ匕マグネシウム、磁ィ匕 自由層としてコバルト一鉄 ボロンを用いたものである。磁ィ匕自由層の大きさは、平 面方向 100nm X 200nm角であり、厚みは 3nmである。抵抗値は、磁化固定層と磁 化自由層との磁ィ匕が平行状態で約 100 Ω、反平行状態で約 200 Ωである。この素子 に対して直流バイアス電流を流し、スペクトルアナライザ一により発生したマイクロ波 の強度の周波数依存性を測定した結果として得られたものが図 15である。
[0131] 図 15に示されるように、周波数が 3GHzから 8GHzまでの領域において明瞭な発 振信号が得られている。電流バイアスのない場合 (OmA)のデータと比較すると、この 発振信号が、直流電流に起因するマイクロ波発振によるものであることは明らかであ る。特に、バイアス電流 3mAにおける 6GHz近傍のピークは顕著であり、このピー クでの SZN比は 100以上と十分に有意な精度で測定できている。
[0132] 信号強度については、図 15に示すグラフの縦軸は素子力もの信号を増幅した (約 40dBm)後のデータであるため数値的には確定できないが、概ねピーク（ 3mA、 6 GHz)において InW程度の出力が得られていると判断できる。この値は、現在までに 報告されている GMR素子を用いたマイクロ波発振の実験値の 100倍程度と、きわめ て大きな値であることがわかる。発振のピークが複数見られるのは、反強磁性結合膜 に磁ィ匕自由層と同じ材料を用いているため、そこからも同様な共鳴現象が起こるため である。
[0133] 尚、理論的には、さらに大きな発振信号 (磁気抵抗比の二乗程度、すなわち数千倍 程度）が得られるはずである。この実験において、発振強度が予想値よりも低いのは 、磁ィ匕自由層のすべてのスピンがコヒーレント（同調した状態）に運動していないため ではないかと推測される。今後、素子の構成、形状等を工夫することにより、さらに発 振強度を向上させることが可能である。
産業上の利用可能性
[0134] 本発明によるマイクロ波発生素子およびマイクロ波検出素子は、情報通信産業に おけるマイクロ波を利用する電子回路 (発振器、検出器など）に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回路と、
前記マイクロ波伝送回路に配置された強磁性多層膜磁気抵抗素子であって、磁ィ匕 の共鳴振動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の特性 インピーダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子と、 前記信号電極から前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を通って前記接地電極へと電 流を流せる位置に形成された電極とを有することを特徴とするマイクロ波発生素子。
[2] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子として、 MgO (酸化マグネシウム）をトンネルバリ ァとして有する TMR (トンネル磁気抵抗)素子を利用したことを特徴とする請求項 1に 記載のマイクロ波発生素子。
[3] 前記 TMR素子は、トンネル障壁層と、トンネル障壁層の第 1面側に形成された BC C構造を有する第 1の強磁性体層と、トンネル障壁層の第 2面側に形成された BCC 構造を有する第 2の強磁性体層と、を有する磁気トンネル接合構造を有し、
前記トンネル障壁層力 単結晶 MgO (001)あるいは (001)結晶面が優先配向し た酸素欠陥を有する多結晶 MgO (0<χ< 1)層（以下、「MgO層」と称する。）により 形成され、前記第 2の強磁性体層を構成する原子が MgOトンネル障壁層の O上に 配置されていることを特徴とする請求項 2に記載のマイクロ波発生素子。
[4] 前記トンネル障壁層を挟んで形成される磁ィ匕自由層および磁化固定層の材料とし て、コバルト、鉄、ニッケル、クロムなどの磁性金属とその合金、又は、磁性合金として ボロンを混入して磁ィ匕を下げた合金、反強磁性結合を利用する磁性金属多層膜 (例 えばコバルト鉄 ルテニウム コバルト鉄の多層膜)を使用することを特徴とする請求 項 3に記載のマイクロ波発生素子。
[5] 前記磁化自由層側の前記電極として非磁性材料を用いることを特徴とする請求項 4に記載のマイクロ波発生素子。
[6] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を、前記マイクロ波伝送回路を構成するストリップ ライン上に作り込むことにより形成したことを特徴とする請求項 1から 5までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[7] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさが、積層膜構造の面内方向において 20 Onm角より小さく、かつ、面直方向において lOOnmより小さいことを特徴とする請求 項 1から 6までのいずれ力 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[8] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の大きさが、積層膜構造の面内方向において 10
Onm角より小さく、かつ、面直方向において lOOnmよりも小さいことを特徴とする請 求項 1から 6までのいずれ力 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[9] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値を、前記マイクロ波伝送回路のインピー ダンス値に整合させるように調整したことを特徴とする請求項 1から 8までの ヽずれか
1項に記載のマイクロ波発生素子。
[10] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値が、 10 Ωから lk Ωまでの間の値である ことを特徴とする請求項 1から 9までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[11] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子の抵抗値が、 50 Ωから 300 Ωまでの間の値であ ることを特徴とする請求項 1から 9までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[12] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子は、外部からの制御により、磁化の共鳴振動を生 じさせる強磁性多層膜磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項 1から 11までの
Vヽずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[13] 前記強磁性多層膜に電流を直接通電することにより、前記強磁性多層膜磁気抵抗 素子に磁ィ匕の共鳴振動を生じさせる手段を有することを特徴とする請求項 1から 12ま での 、ずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[14] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を構成する磁化自由層の大きさが単一磁区にな る程度の大きさであることを特徴とする、請求項 1から 13までのいずれ力 1項に記載 のマイクロ波発生素子。
[15] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を構成する磁ィ匕自由層における磁ィ匕の向きが、 磁ィ匕固定層の磁ィ匕の向きに対して、 2つの層に平行な面内方向にぉ 、て直交する 方向に向けられた磁気抵抗素子を備えたことを特徴とする、請求項 1から 14までのい ずれ力 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[16] 磁気抵抗素子として、磁ィ匕自由層に磁気共鳴周波数の高い物質を用いることを特 徴とする、請求項 1から 14までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子。
[17] 前記マイクロ波伝送回路の一端又は両端にアンテナとして機能する放射板を設け たことを特徴とする請求項 1から 16までのいずれ力 1項に記載のマイクロ波発生素子
[18] 請求項 1から 17までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子に加えて、前記 磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発振周波数を変化させる手段として、外部磁場 を加えるための手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[19] 請求項 1から 17までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子に加えて、前記 磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の発振周波数を変化させる手段として、電流バイ ァスを印加する手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[20] 請求項 1から 19までのいずれか 1項に記載のマイクロ波発生素子によるマイクロ波 発振源と、基準信号源としての周波数標準器と、前記マイクロ波発振源と前記周波 数標準器との差信号を検出する差信号検出器と、該差信号に応じて周波数を制御 することにより基準信号源に同期したマイクロ波を発生する手段とを有するマイクロ波 発生回路。
[21] 前記周波数信号源として、ルビジウム周波数標準器又は高精度マイクロ波シンセサ ィザーを使用することを特徴とする請求項 20に記載のマイクロ波発生回路。
[22] 周波数の制御方法として、請求項 18に記載の外部磁場を印加する手段、又は、請 求項 19に記載の電流バイアスを加える手段のうちの少なくともいずれか一方を利用 することを特徴とするマイクロ波発生回路。
[23] さらに、マイクロ波の発振周波数を基準信号に同期させる同期手段を有することを 特徴とする、請求項 20から 22までの 、ずれか 1項に記載のマイクロ波発生回路。
[24] 前記同期手段として、外部に設けられた周波数信号源と、該周波数発振源に基づ く発振をフィードバックするフィードバック回路と、を備えることを特徴とする、請求項 2
3に記載のマイクロ波発生回路。
[25] 信号電極と接地電極とを有するマイクロ波伝送回路と、
前記マイクロ波伝送回路に配置された強磁性多層膜磁気抵抗素子であって、磁ィ匕 の共鳴振動が生じる程度の大きさであり、かつ、前記マイクロ波伝送回路自体の特性 インピーダンスに変化を生じさせない程度の微小な強磁性多層膜磁気抵抗素子と、 前記信号電極から前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を通って前記接地電極へと電 流を流せる位置に形成された電極とを有することを特徴とするマイクロ波検出素子。
[26] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子として、 MgO (酸化マグネシウム）をトンネルバリ ァとして有する TMR (トンネル磁気抵抗)素子を利用したことを特徴とする請求項 25 に記載のマイクロ波検出素子。
[27] 前記強磁性多層膜磁気抵抗素子を、前記マイクロ波伝送回路を構成するストリップ ライン上に作り込むことにより形成したことを特徴とする請求項 25又は 26に記載のマ イク口波検出素子。
[28] 前記磁気抵抗素子の抵抗値を、前記マイクロ波伝送回路のインピーダンスに整合 させるように調整されたことを特徴とする請求項 25又は 26に記載のマイクロ波検出素 子。
[29] 磁ィ匕自由層の磁ィ匕の向き力 磁ィ匕固定層の磁ィ匕の向きに対して、 2つの層に平行 な平面 (膜面）内で直交する方向に向けられた磁気抵抗素子を備えることを特徴とす る、請求項 25から 28までのいずれ力 1項に記載のマイクロ波検出素子。
[30] 前記磁気抵抗素子として、磁ィ匕自由層に磁気共鳴周波数の高い物質を使用する ことにより、マイクロ波の検出周波数を高くしたことを特徴とする、請求項 25から 29ま でのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子。
[31] マイクロ波伝送回路の一端又は両端に、外部からのマイクロ波を効率よく導入する ために受信板を設けてアンテナとしたことを特徴とする、請求項 25から 30までのいず れカ 1項に記載のマイクロ波検出素子。
[32] 請求項 25から 31までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子に加えて、前記 磁気抵抗素子に対して、マイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段を設けたことを特 徴とする、マイクロ波検出素子。
[33] 請求項 32に記載のマイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段として、請求項 25か ら 31までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子に対して、外部磁場を加える 手段を設けたことを特徴とする、マイクロ波検出素子。
[34] 請求項 32に記載のマイクロ波の共鳴周波数を変化させる手段として、請求項 25か ら 31までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子に対して、電流バイアスをカロえ る手段を設けることを特徴とする、マイクロ波検出素子。
[35] 同一モジュール内又は同一基板上に、請求項 1から 24までのいずれか 1項に記載 のマイクロ波発生素子を有する局所マイクロ波発信器と、請求項 25から 34までの 、 ずれ力 1項に記載のマイクロ波検出素子を有するマイクロ波検出器と、を設けることを 特徴とする単一チップ型電子スピン共鳴型分析モジュール。
[36] 請求項 1から 24までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気 抵抗素子として、磁ィ匕自由層あるいは磁ィ匕固定層のうち少なくともいずれか一方に面 直成分の磁ィ匕を持つ物質を用いたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[37] 請求項 16に記載のマイクロ波発生素子において、磁気抵抗素子を構成する磁ィ匕 自由層としてフェリ磁性体を用いたことを特徴とするマイクロ波発生素子。
[38] 請求項 1から 14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、マイク 口波発生素子を構成する磁気抵抗素子において、磁化自由層の形状を、その反磁 界が略一様となる形状としたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[39] 請求項 1から 14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気 抵抗素子の磁ィ匕自由層の材料として、飽和磁ィ匕の小さな物質を使用したことを特徴 とする、マイクロ波発生素子。
[40] 請求項 1から 14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気 抵抗素子の磁ィ匕自由層の材料として、磁気緩和定数 (ダンピングファクター）の小さ な物質を使用したことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[41] 請求項 1から 14までのいずれか一項に記載のマイクロ波発生素子において、磁気 抵抗素子の構造として、 CPP (current perpendicular to plane:電流が面直方向に流 れる構造を指す)構造を持ち、上部電極と下部電極の材料の組み合わせとして、 CP P構造全体にお ヽて電流冷却効果 (ペルチェ冷却効果）が発現する材料の組み合わ せを用いたことを特徴とする、マイクロ波発生素子。
[42] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、磁気 抵抗素子として、磁ィ匕自由層あるいは磁ィ匕固定層のうち少なくともいずれか一方に面 直成分 (2つの層を構成する膜面に対して垂直方向の成分)の磁化を持ち、マイクロ 波の検出周波数を低くできる物質を用いることを特徴とする、マイクロ波検出素子。
[43] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、磁気 抵抗素子を構成する磁ィ匕自由層としてフェリ磁性体を用いたことを特徴とするマイク 口波検出素子。
[44] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、 マイクロ波検出素子を構成する磁気抵抗素子において、その磁化自由層の反磁界 が略一様となる形状を持つことを特徴とするマイクロ波検出素子。
[45] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、 磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、飽和磁化の小さな物質を使用したこと を特徴とするマイクロ波検出素子。
[46] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、 磁気抵抗素子の磁化自由層の材料として、磁気緩和定数 (ダンピングファクター） の小さな物質を使用したことを特徴とする、マイクロ波検出素子。
[47] 請求項 25から 34までのいずれか 1項に記載のマイクロ波検出素子において、 磁気抵抗素子の構造として、 CPP (current perpendicular to plane:電流が面直方 向に流れる構造を指す)構造を持ち、上部電極と下部電極の材料の組み合わせとし て、 CPP構造全体において電流冷却効果 (ペルチェ冷却効果）が発現する材料の組 み合わせを用いたことを特徴とする、マイクロ波検出素子。
[48] 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けら れた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置されてい ることを特徴とするマイクロ波発振素子。
[49] 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けら れた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置されてい ることを特徴とするマイクロ波発検出素子。
[50] 強磁性多層膜磁気抵抗素子と、該強磁性多層膜磁気抵抗素子を挟むように設けら れた下部ストリップラインおよび上部ストリップラインと、を有し、
前記強磁性多層膜磁気抵抗素子がマイクロ波伝送回路の終端部に配置され、前 記ストリップラインが、前記終端部と反対の一端側に向けて大きく広げられていること を特徴とするアンテナ。
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