JP4139348B2 - Element using carrier-induced ferromagnet or high-frequency element - Google Patents
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Description
本発明は、キャリア誘起強磁性体を用いた強磁性共鳴周波数の制御方法に関し、特に、磁性半導体を用いたキャリア制御に基づいて変化する強磁性共鳴周波数を利用したマイクロ波素子に関する。 The present invention relates to a method for controlling a ferromagnetic resonance frequency using a carrier-induced ferromagnet, and more particularly to a microwave device using a ferromagnetic resonance frequency that changes based on carrier control using a magnetic semiconductor.
近年、電子機器の発達が著しく、それらのデジタル化・IC化等に伴い、その電子回路が発生するノイズによる回路内の相互干渉、あるいは他の電子機器への影響が大きな問題となっている。この対策として、インダクタンス部品をフィルタとして利用し、高周波数のインピーダンスZ値を増大させることにより、高周波成分を含むノイズ成分は減衰させ、低周波の信号成分のみを伝達させることが行われている。電子回路の小型化に伴って電子部品の小型化が要請から、フェライト層とコイル用導体を交互に印刷積層するチップインダクタが用いられている。フェライト系材料は、飽和磁束密度が低いが、電気抵抗率は、金属系材料に比べてはるかに高く、渦電流に起因する磁気損失が高周波数まで比較的小さい。 2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have been remarkably developed, and with their digitization / IC conversion, mutual interference in the circuit due to noise generated by the electronic circuit, or influence on other electronic devices has become a major problem. As a countermeasure, an inductance component is used as a filter to increase a high frequency impedance Z value, thereby attenuating a noise component including a high frequency component and transmitting only a low frequency signal component. In response to the demand for miniaturization of electronic components with miniaturization of electronic circuits, chip inductors in which ferrite layers and coil conductors are alternately printed and laminated are used. Ferrite-based materials have a low saturation magnetic flux density, but their electrical resistivity is much higher than that of metal-based materials, and magnetic losses due to eddy currents are relatively small up to high frequencies.
そのために、透磁率は高周波まで維持する。またフェライト系材料は、複雑形状のものも容易に作ることができ、かつ、低コストであるといった利点を持つため、10MHz以上のノイズフィルタとして用いられている。強磁性体の強磁性共鳴はGHz帯の周波数領域で起こるため、マイクロ波帯域で動作する素子として利用することが出来る(例えば、特許文献1参照)。また、最近では、強磁性体における強磁性共鳴を利用した高周波ノッチフィルタに関する提案もなされてきている。
近年、通信技術の中でも、無線LANなどの高周波通信が主流になってきている。無線LANでは、2.4GHz帯又は5GHz帯などの高周波帯が用いられ、ノイズ対策用の高周波フィルタとしては、従来から用いられてきた高周波フェライト(300MHz付近のノイズ対策には適する)では不十分である。これは、高周波フェライトではフェリ磁性におけるゼロ磁場での自発磁化が小さいためである。 In recent years, high-frequency communication such as wireless LAN has become mainstream among communication technologies. In a wireless LAN, a high frequency band such as 2.4 GHz band or 5 GHz band is used, and a high frequency ferrite (which is suitable for noise suppression in the vicinity of 300 MHz) that has been conventionally used is not sufficient as a high frequency filter for noise suppression. is there. This is because high-frequency ferrite has a small spontaneous magnetization in a zero magnetic field in ferrimagnetism.
また、上述のように従来から提案されている金属強磁性体を用いた素子における強磁性共鳴の共鳴周波数を用いた素子の場合でも、共鳴周波数は材料のg因子・磁化・磁気異方性・外部磁場で決まる固有の値であり、磁場と温度とによってのみしか共鳴周波数を制御することができなかった。 In addition, as described above, even in the case of an element using the resonance frequency of ferromagnetic resonance in an element using a conventionally proposed metal ferromagnet, the resonance frequency is determined by the g factor, magnetization, magnetic anisotropy, It is a unique value determined by an external magnetic field, and the resonance frequency can be controlled only by the magnetic field and temperature.
本発明は、GHz帯などの高周波におけるノイズ対策に有効なマイクロ波素子を提供することにある。また、共鳴周波数を外部からの制御により変調可能な周波数フィルタを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a microwave device effective for noise countermeasures at high frequencies such as the GHz band. Another object of the present invention is to provide a frequency filter that can modulate the resonance frequency by external control.
本発明に係る素子は、キャリア誘起型強磁性体と、該キャリア誘起型強磁性体のキャリア濃度を変調する制御を行う制御手段とを有する。キャリア濃度を変調することにより、強磁性共鳴周波数を制御することができる。強磁性共鳴周波数を制御するためには、キャリア誘起型強磁性体の異方性磁場を変調するか、キャリア誘起型強磁性体の磁化を変調する。キャリア誘起強磁性体は、動作温度付近において発現するように材料とキャリア濃度を調節するか、常磁性を用いる。 The element according to the present invention includes a carrier-induced ferromagnet and control means for performing control to modulate the carrier concentration of the carrier-induced ferromagnet. By modulating the carrier concentration, the ferromagnetic resonance frequency can be controlled. In order to control the ferromagnetic resonance frequency, the anisotropic magnetic field of the carrier-induced ferromagnet is modulated, or the magnetization of the carrier-induced ferromagnet is modulated. The carrier-induced ferromagnet adjusts the material and the carrier concentration so as to appear near the operating temperature, or uses paramagnetism.
本発明に係る高周波素子は、キャリア誘起型強磁性体と、直流磁場が略一定の場合において異方性磁場と磁化とに依存する共鳴周波数を制御する制御手段とを有する。磁化の変化により異方性磁場が変化するため、共鳴周波数が電界の関数として連続的に変化する。尚、前記キャリア誘起型強磁性体は、半導体に磁性元素を添加した強磁性半導体である。前記制御手段は前記強磁性半導体に対して電界を印加するか又は光を照射する手段である。 The high-frequency element according to the present invention includes a carrier-induced ferromagnet and a control unit that controls a resonance frequency that depends on an anisotropic magnetic field and magnetization when the DC magnetic field is substantially constant. Since the anisotropic magnetic field changes due to the change in magnetization, the resonance frequency changes continuously as a function of the electric field. The carrier-induced ferromagnet is a ferromagnetic semiconductor obtained by adding a magnetic element to a semiconductor. The control means is means for applying an electric field or irradiating light to the ferromagnetic semiconductor.
本発明に係るフィルタ素子は、一軸異方性を有する強磁性半導体であって、該一軸異方性と同じ方向に延在する細線構造を有するキャリア誘起型の強磁性半導体と、該強磁性半導体におけるキャリア濃度を変調する制御を行う制御手段とを有する素子である。 The filter element according to the present invention is a ferromagnetic semiconductor having uniaxial anisotropy, and has a fine wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy, and the ferromagnetic semiconductor And a control means for performing control for modulating the carrier concentration.
本発明によれば、強磁性共鳴周波数を電気的、光学的に制御することができるGHz帯のマイクロ波素子を提供することができる。異方性磁場が大きいため、ゼロ磁場でも高周波領域で用いることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the microwave element of GHz band which can control a ferromagnetic resonance frequency electrically and optically can be provided. Since the anisotropic magnetic field is large, even a zero magnetic field can be used in the high frequency region.
本明細書において、キャリア誘起強磁性体とは、磁性半導体に添加する磁性金属の濃度を、キャリア誘起強磁性を発現するのに適した濃度に調整された強磁性体を称する。磁化とは、外部磁場によって誘起される磁気モーメントの単位堆積当たりの値である。磁化は有効磁場に比例する周波数でラーマー歳差運動を起こす。図1は、ラーマー歳差運動に基づく強磁性体の強磁性共鳴現象の原理を示す図である。図1に示すように、強磁性体Fに対して有効磁場Heffを与えると、有効磁場Heffと磁化Mとにより決まるトルクTに基づいて磁化Mが有効磁場Heffの周りを回転する。強磁性体Fに対して高周波磁場(変調磁場)HACを与えると、歳差運動が継続するいわゆる強磁性共鳴現象が起こる。換言すれば、強磁性体Fに対してある外部磁場Heffを印加した状態において、ある特定の周波数の高周波を吸収するいわゆるフィルタリング効果を示すことになる。この周波数を共鳴周波数と呼び、ωで表される。 In this specification, the carrier-induced ferromagnet refers to a ferromagnet in which the concentration of the magnetic metal added to the magnetic semiconductor is adjusted to a concentration suitable for expressing carrier-induced ferromagnetism. Magnetization is the value per unit of magnetic moment induced by an external magnetic field. Magnetization causes Larmor precession at a frequency proportional to the effective magnetic field. FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of a ferromagnetic resonance phenomenon of a ferromagnet based on Larmor precession. As shown in FIG. 1, when an effective magnetic field H eff is applied to the ferromagnetic material F, the magnetization M rotates around the effective magnetic field H eff based on the torque T determined by the effective magnetic field H eff and the magnetization M. When the ferromagnetic material F gives a high frequency magnetic field (field modulation) H AC, so-called ferromagnetic resonance phenomenon precession continues to occur. In other words, in a state where a certain external magnetic field H eff is applied to the ferromagnetic material F, a so-called filtering effect of absorbing a high frequency of a specific frequency is exhibited. This frequency is called the resonance frequency and is represented by ω.
(1)式より、次の(2)式が導入される。
From the formula (1), the following formula (2) is introduced.
ここで、Hanは、単結晶の異方性に基づく異方性磁場である。すなわち、強磁性体の単結晶膜を高周波ノッチフィルタとして利用することができることがわかる。式(2)より、外部から与えられた磁化(結晶が発生する磁束密度)により、共鳴周波数ωを制御することができること、すなわち外部磁化方向により共鳴周波数とフィルタのオン/オフとを操作することができることがわかる。 Here, Han is an anisotropic magnetic field based on the anisotropy of a single crystal. That is, it can be seen that a ferromagnetic single crystal film can be used as a high-frequency notch filter. From equation (2), the resonance frequency ω can be controlled by externally applied magnetization (the magnetic flux density generated by the crystal), that is, the resonance frequency and the on / off of the filter are controlled by the external magnetization direction. You can see that
発明者は、上記の知見に加えて、キャリアによって強磁性が誘起されるキャリア誘起強磁性体、すなわち磁性半導体を用いると、外部からの制御手段によりキャリア濃度を変調させることができること、従って、異方性磁場Hanや磁化Mを変えることができるため強磁性共鳴周波数を制御することが可能であると考えた。尚、外部からの制御手段とは、例えば、電界又は光照射などである。電界又は光照射により、磁化や異方性の大きさを変えることにより、広範囲にわたり強磁性共鳴周波数を電気的・光学的に制御することが出来る。尚、強磁性半導体の磁化の値は、強磁性金属の磁化の値に比べて小さいが、異方性磁場が比較的大きいため、ゼロ磁場でも高周波領域での適用が可能な点も特徴となる。 In addition to the above knowledge, the inventor can use carrier-induced ferromagnets, in which ferromagnetism is induced by carriers, that is, magnetic semiconductors, to modulate the carrier concentration by external control means. Since the isotropic magnetic field Han and the magnetization M can be changed, it was considered that the ferromagnetic resonance frequency can be controlled. The external control means is, for example, an electric field or light irradiation. By changing the magnitude of magnetization or anisotropy by electric field or light irradiation, the ferromagnetic resonance frequency can be controlled electrically and optically over a wide range. The magnetization value of the ferromagnetic semiconductor is smaller than the magnetization value of the ferromagnetic metal. However, since the anisotropic magnetic field is relatively large, it can be applied in a high frequency region even with a zero magnetic field. .
上記考察に基づき、本発明の実施の形態による強磁性共鳴周波数の制御方法及び高周波フィルタ素子について、図面を参照しつつ説明を行う。まず、適用可能な材料としては、キャリアによって強磁性が誘起される磁性半導体を用いる。例えば、GaAs、InAs、GaNなどIII-V族化合物半導体に磁性原子(遷移金属や希土類金属)を添加した磁性半導体である。また、SiやGeなどIV族半導体に磁性原子(遷移金属や希土類金属)を添加した強磁性半導体を用いることも可能である。さらに、II−VI族半導体に磁性元素(遷移金属や希土類金属)を添加した強磁性半導体でも良い。添加する磁性元素の濃度は、キャリア誘起強磁性を発現するのに適した濃度である。 Based on the above consideration, the ferromagnetic resonance frequency control method and the high-frequency filter element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, as an applicable material, a magnetic semiconductor in which ferromagnetism is induced by carriers is used. For example, a magnetic semiconductor in which a magnetic atom (transition metal or rare earth metal) is added to a III-V group compound semiconductor such as GaAs, InAs, or GaN. It is also possible to use a ferromagnetic semiconductor in which a magnetic atom (transition metal or rare earth metal) is added to a group IV semiconductor such as Si or Ge. Furthermore, a ferromagnetic semiconductor obtained by adding a magnetic element (transition metal or rare earth metal) to a II-VI group semiconductor may be used. The concentration of the magnetic element to be added is a concentration suitable for expressing carrier-induced ferromagnetism.
次に、素子構造の概要について説明する。本実施の形態による強磁性共鳴制御素子の構造は、例えば、以下の構成を有している。詳細な構成は、以下の実施例において説明する。 Next, an outline of the element structure will be described. The structure of the ferromagnetic resonance control element according to the present embodiment has the following configuration, for example. Detailed configuration will be described in the following examples.
1)導電性あるいは半絶縁性基板上に絶縁半導体層を積層し、この絶縁半導体層上に上記の強磁性半導体を積層した強磁性半導体多層膜構造である。2)強磁性半導体多層膜構造は、分子線エピタキシー法、有機金属気相成長法、或いは、スパッタ法等の薄膜作製技術で作製する。3)強磁性半導体層上に絶縁層を積層する。4)電界による制御手段としてのゲート電極(電界印加手段)又は光による制御手段としての光照射装置を設ける。高周波フィルタ素子においては導電性基板を用い、さらに導電性基板とゲート電極からなる平行金属板構造を有するストリップライン構造を形成する。 1) A ferromagnetic semiconductor multilayer structure in which an insulating semiconductor layer is stacked on a conductive or semi-insulating substrate, and the above-described ferromagnetic semiconductor is stacked on the insulating semiconductor layer. 2) The ferromagnetic semiconductor multilayer structure is produced by a thin film production technique such as molecular beam epitaxy, metal organic vapor phase epitaxy, or sputtering. 3) An insulating layer is stacked on the ferromagnetic semiconductor layer. 4) A gate electrode (electric field applying means) as a control means by an electric field or a light irradiation device as a control means by light is provided. In the high frequency filter element, a conductive substrate is used, and a strip line structure having a parallel metal plate structure composed of a conductive substrate and a gate electrode is formed.
キャリア誘起強磁性体の共鳴周波数ωは、HanとMとに依存するため、キャリア濃度を制御することができる制御手段によりキャリア誘起強磁性半導体のキャリア濃度を変調させることにより、共鳴周波数ωを変化させることができる。例えば、キャリア濃度が高くなる方向に制御すると、HanとMとが大きくなる。従って、共鳴周波数ωも大きくなる。キャリア濃度を低くするように制御すると、共鳴周波数ωが小さくなる。制御手段は、キャリア濃度を制御可能なものであれば、特に限定されるものではないが、下記の実施例に挙げた手段を用いることで、制御性の良い素子を簡単に形成することができる。 Since the resonance frequency ω of the carrier-induced ferromagnet depends on Han and M, by modulating the carrier concentration of the carrier-induced ferromagnetic semiconductor by a control means that can control the carrier concentration, the resonance frequency ω is Can be changed. For example, if the carrier concentration is controlled to increase, Han and M increase. Accordingly, the resonance frequency ω is also increased. When the control is performed so that the carrier concentration is lowered, the resonance frequency ω is reduced. The control means is not particularly limited as long as the carrier concentration can be controlled, but an element with good controllability can be easily formed by using the means listed in the following examples. .
以上説明したように、キャリア濃度を制御することができる制御手段でキャリア誘起強磁性半導体のキャリア濃度を変調させることにより、共鳴周波数を変調することができる。この際、制御手段による制御量を変更することにより所望の周波数における吸収を起こすことができる。すなわち、外部から制御可能な周波数フィルタなどを構成することができる。 As described above, the resonance frequency can be modulated by modulating the carrier concentration of the carrier-induced ferromagnetic semiconductor by the control means capable of controlling the carrier concentration. At this time, absorption at a desired frequency can be caused by changing the control amount by the control means. That is, a frequency filter that can be controlled from the outside can be configured.
本実施例1は、電界効果による強磁性共鳴周波数の制御技術に関するものであり、例えば、GaMnAsを用いた電界効果による強磁性共鳴周波数の制御技術に関する。図2は、本実施例による強磁性共鳴制御素子の断面構造を示す概略的な断面図である。図2に示すように、本実施例1による強磁性共鳴制御素子は、例えば、n+−GaAsからなる導電性あるいはGaAs半絶縁性基板1上にi−Ga1−yAlyAs(0≦y≦1:図ではyを省略している。以下同様。)からなる絶縁層3を積層し、次いで、強磁性半導体(GaAsに磁性元素であるMnをドーピングした半導体)Ga1−xMnxAs層(図ではxを省略している。以下同様。)の薄膜5をその上に積層した多層構造を有している。尚、GaAs層中のMn濃度xは、金属的な電気伝導を示す濃度であるx≧0.03である。Ga1−xMnxAs層5に対して絶縁膜、例えば、Al2O3、SiO2などの絶縁層7を形成する。尚、絶縁層7として、Ga1−xMnxAs層5上に絶縁性半導体薄膜、例えばアンドープのAlGaAs層(絶縁層)を積層してもよい。上記の絶縁膜7上に、電界印加用の金属電極(Au、Alなどからなる)11を形成する。図2に示す構造は、分子線エピタキシー法(MBE法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)又はスパッタリング法などの一般的な方法により作製することができる。導電性基板を用いる場合は基板を接地し、半絶縁基板を用いる場合は、Ga1−xMnxAs層5を接地する。
The first embodiment relates to a technique for controlling a ferromagnetic resonance frequency by a field effect, for example, a technique for controlling a ferromagnetic resonance frequency by a field effect using GaMnAs. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional structure of the ferromagnetic resonance control element according to this embodiment. As shown in FIG. 2, the ferromagnetic resonance control device according to the first embodiment, for example, n i-Ga on the conductive or GaAs
上記の構造を有する強磁性共鳴制御素子の共鳴制御方法について以下に説明する。まず、磁化(容易軸)方向([110])に直流磁場を印加する。尚、直流磁場はゼロでもよい。次いで、素子に対してマイクロ波を照射する。電場ベクトルが磁化と平行(磁場は直行)の場合は磁化と結合し、電場ベクトルが磁化と直交する場合は磁化と結合しない。外部磁場・磁化・異方性定数で決まる共鳴周波数ω((2)式)におけるマイクロ波の吸収が起こる。 A resonance control method of the ferromagnetic resonance control element having the above structure will be described below. First, a DC magnetic field is applied in the magnetization (easy axis) direction ([110]). The DC magnetic field may be zero. Next, the element is irradiated with microwaves. When the electric field vector is parallel to the magnetization (the magnetic field is perpendicular), it is coupled with the magnetization, and when the electric field vector is orthogonal to the magnetization, it is not coupled with the magnetization. Microwave absorption occurs at a resonance frequency ω (equation (2)) determined by an external magnetic field, magnetization, and anisotropy constant.
尚、(2)式は、一軸異方性を持ち容易軸方向に磁場を印加した場合の式である。単純な一軸異方性([110]容易軸)を仮定すれば(Han=2Ku/M、a=2.2×105m/As)、ゼロ磁場では4 GHz(Han≒0.2T、Ku≒5×103Jm−3、M≒0.07T(Mnx=0.05)を仮定)となる。ここで、素子に対して電界をかけて磁化の値を変える。電界により強磁性から常磁性状態まで変調可能である。尚、ゼロ磁場ではM=0〜NmgμBSm(Nm:磁性元素濃度、g:磁性元素のg因子、μB:ボーア磁子、Sm:磁性元素の磁気モーメント)である。磁化の変化により(2)式の異方性磁場と反磁場とが変化し、共鳴周波数が電界の関数として連続的に変化する。この様子を図3及び図4に示す。 In addition, (2) Formula is a formula when it has uniaxial anisotropy and a magnetic field is applied in the easy axis direction. Assuming simple uniaxial anisotropy ([110] easy axis) (H an = 2K u / M, a = 2.2 × 10 5 m / As), 4 GHz (H an ≈0. 2T, K u ≈5 × 10 3 Jm −3 , and M≈0.07T (Mnx = 0.05)). Here, the value of magnetization is changed by applying an electric field to the element. It can be modulated from a ferromagnetic state to a paramagnetic state by an electric field. Note that in the zero magnetic field, M = 0 to N m gμ B S m (N m : concentration of magnetic element, g: g factor of magnetic element, μ B : Bohr magneton, S m : magnetic moment of magnetic element). Due to the change in magnetization, the anisotropic magnetic field and the demagnetizing field in the equation (2) change, and the resonance frequency continuously changes as a function of the electric field. This is shown in FIG. 3 and FIG.
図3に示すように、電界をE=0からE1からE4まで変化させると(E1、E2は負であり、E3、E4は正である。)、印加した電界に応じて透過率のノッチの周波数位置は、それぞれ減少(ω3、ω4)又は増加(ω1、ω2)する。図4は、電界Eと共鳴周波数との関係を示す図である。図5に示すように、共鳴周波数ωは電界Eに対してほぼ単調に減少し、電界Eに基づいて共鳴周波数を制御できることがわかる。尚、強い正電界をかけて強磁性でなくなった状態(M=0)ではゼロ磁場では共鳴が得られないのでこの場合にはオフ状態となる。また、本実施例1においては、強磁性半導体としてGaMnAsを用いたが、他の強磁性半導体、例えばInMnAsなどを用いても、同様に電界効果による強磁性共鳴周波数制御も可能である。GaMnAsに例えば電子をドープしGaMnAs中の正孔濃度を実効的に下げた常磁性半導体を用いると、電界を印加しない状態ではオフ状態(M=0)で、負電界を印加すると強磁性が発現しオン状態(M≠0)となり、共鳴が起こる。オン状態では電界による共鳴周波数の制御が可能である。常磁性状態は、強磁性を示す試料作製条件で作製中にSn、Si、GaTeなどのn型不純物を添加して正孔を補償し、正孔濃度を低くすることで動作温度において常磁性状態を実現できる。 As shown in FIG. 3, when the electric field is changed from E = 0 to E 1 to E 4 (E 1 and E 2 are negative, and E 3 and E 4 are positive), the electric field depends on the applied electric field. Thus, the frequency position of the transmittance notch decreases (ω 3 , ω 4 ) or increases (ω 1 , ω 2 ), respectively. FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the electric field E and the resonance frequency. As shown in FIG. 5, the resonance frequency ω decreases almost monotonously with respect to the electric field E, and the resonance frequency can be controlled based on the electric field E. Note that in a state in which a strong positive electric field is applied and no ferromagnetism is present (M = 0), resonance cannot be obtained with a zero magnetic field, and in this case, the state is turned off. In the first embodiment, GaMnAs is used as the ferromagnetic semiconductor. However, even if another ferromagnetic semiconductor, for example, InMnAs, is used, the ferromagnetic resonance frequency can be controlled by the field effect. For example, when a paramagnetic semiconductor in which GaMnAs is doped with electrons and the hole concentration in GaMnAs is effectively reduced is used, ferromagnetism develops when a negative electric field is applied in an off state (M = 0) when no electric field is applied. Then, the on state (M ≠ 0) is established, and resonance occurs. In the on state, the resonance frequency can be controlled by the electric field. The paramagnetic state is a paramagnetic state at the operating temperature by adding holes of n-type impurities such as Sn, Si, and GaTe to compensate for holes and lowering the hole concentration during preparation under the sample preparation conditions exhibiting ferromagnetism. Can be realized.
次に、本発明の第2実施例について説明する。第2実施例は、GaMnAsを用いた光照射による強磁性共鳴周波数の制御技術に関する実施例である。本実施例による強磁性共鳴制御素子の構成例を図5に示す。基本的には、図2に示す構造と同様であるが、GaMnAsに対して電圧の代わりに光を照射するため、SiO2、Auが不要になる。すなわち、例えば、n+−GaAsからなる導電性あるいはGaAs半絶縁性基板21上にi−Ga1−yAlyAs(0≦y≦1)からなる絶縁層23を積層し、次いで、強磁性半導体(GaAsに磁性元素であるMnをドーピングした半導体)Ga1−xMnxAs層の薄膜25をその上に積層した多層構造を有している。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 2nd Example is an Example regarding the control technique of the ferromagnetic resonance frequency by light irradiation using GaMnAs. A configuration example of the ferromagnetic resonance control element according to the present embodiment is shown in FIG. Basically, the structure is the same as that shown in FIG. 2, but since GaMnAs is irradiated with light instead of voltage, SiO 2 and Au are not required. That is, for example, by laminating the insulating
次に、強磁性共鳴制御素子の動作について説明する。まず、直流磁場を磁化(容易軸)方向([110])に印加する。印加する直流磁場はゼロ磁場でもよい。次いで、強磁性半導体に対してマイクロ波を照射する。マイクロ波により発生する電場ベクトルが磁化と平行(磁場は直交)の場合は磁化と結合し、電場ベクトルが直交(磁場と平行)する場合は磁化と結合しない。これにより、外部磁場Hと、磁化Mと、異方性定数と、で決まる共鳴周波数(上述の(2)式)のマイクロ波の吸収が起こる。尚、(2)式は、一軸異方性を持ち、容易軸方向に磁場を印加した場合の式である。ここで、単純な一軸異方性([110]容易軸)を仮定すれば(Han=2Ku/M、 γ=2.2×105 m/As)、ゼロ磁場では4GHz(Han≒0.2T、Ku≒5×103Jm−3、M≒0.07T(Mnx=0.05)を仮定して求めた。)となる。光照射によりキャリア(正孔)を生成することにより、Mn間の強磁性相互作用の増加と共に、磁化の値が増加し、反磁場が変化する。キャリア濃度の変化により(2)式の異方性磁場Hanも変化するため共鳴周波数ωが変化し、吸収が起こる周波数が照射光強度の関数として連続的に変化する。 Next, the operation of the ferromagnetic resonance control element will be described. First, a DC magnetic field is applied in the magnetization (easy axis) direction ([110]). The DC magnetic field to be applied may be a zero magnetic field. Next, the ferromagnetic semiconductor is irradiated with microwaves. When the electric field vector generated by the microwave is parallel to the magnetization (the magnetic field is orthogonal), it is combined with the magnetization, and when the electric field vector is orthogonal (parallel to the magnetic field), it is not combined with the magnetization. Thereby, the absorption of the microwave of the resonance frequency (the above-mentioned formula (2)) determined by the external magnetic field H, the magnetization M, and the anisotropy constant occurs. In addition, (2) Formula has a uniaxial anisotropy, and is a formula at the time of applying a magnetic field to an easy axis direction. Here, if simple uniaxial anisotropy ([110] easy axis) is assumed (H an = 2K u / M, γ = 2.2 × 10 5 m / As), 4 GHz (H an ≒ 0.2T, K u ≈5 × 10 3 Jm −3 , M≈0.07T (Mnx = 0.05). By generating carriers (holes) by light irradiation, the value of magnetization increases and the demagnetizing field changes as the ferromagnetic interaction between Mn increases. The change in carrier concentration (2) anisotropic magnetic field H an, also the resonance frequency ω is changed to change of absorption occurs frequency continuously varies as a function of the irradiation light intensity.
図6及び図7は、異なる光照射強度Pに対する吸収特性(透過率)を示す図である。図6に示すように、P=0、P1、P2において、共鳴周波数ωに対応する透過率のノッチの位置する周波数が異なり、照射する光の強度により共鳴周波数ωを制御(ω0、ω1、ω2)することができることがわかる。図7は、光強度Pに対する共鳴周波数の関係を示す図である。図7に示すように、光強度Pにより共鳴周波数ωを制御することができることがわかる。尚、正孔濃度をn型不純物添加により低くした常磁性素子を用いると、光照射により常磁性(M=0、オフ状態)から強磁性(M≠0、オン状態)まで変調することが可能であり、強磁性状態では光照射による強磁性共鳴周波数制御が可能となる。 6 and 7 are diagrams illustrating absorption characteristics (transmittance) with respect to different light irradiation intensities P. FIG. As shown in FIG. 6, the frequency at which the notch of the transmittance corresponding to the resonance frequency ω is different at P = 0, P 1 , P 2 , and the resonance frequency ω is controlled by the intensity of the irradiated light (ω 0 , ω 1 , ω 2 ). FIG. 7 is a diagram showing the relationship of the resonance frequency with respect to the light intensity P. In FIG. As shown in FIG. 7, it can be seen that the resonance frequency ω can be controlled by the light intensity P. If a paramagnetic element whose hole concentration is lowered by adding an n-type impurity is used, it can be modulated from paramagnetism (M = 0, off state) to ferromagnetism (M ≠ 0, on state) by light irradiation. In the ferromagnetic state, the ferromagnetic resonance frequency can be controlled by light irradiation.
以上において説明したように、本実施例によれば、照射光によりキャリアを変調させ、強磁性体の共鳴周波数を制御することができることがわかった。例えばInMnAsを用いても、同様に光照射による強磁性共鳴周波数制御が可能である。 As described above, according to this example, it was found that the carrier can be modulated by the irradiation light and the resonance frequency of the ferromagnetic material can be controlled. For example, even when InMnAs is used, ferromagnetic resonance frequency control by light irradiation can be performed in the same manner.
次に、本発明の第3実施例について図面を参照しつつ説明を行う。本実施例は、電気的周波数可変広帯域ノッチフィルタ素子に関し、マイクロ波周波数で動作可能なノッチフィルタであり、前述の強磁性共鳴制御素子を使い電界効果により広範囲で吸収周波数を制御できるノッチフィルタ素子である。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The present embodiment relates to a notch filter element that can operate at a microwave frequency, and is a notch filter element that can control the absorption frequency over a wide range by a field effect using the above-described ferromagnetic resonance control element. is there.
図8は、本実施例によるノッチフィルタ素子の構成例を示す斜視図である。図8に示すように、導電性基板(例えばn+−GaAs)41上に、絶縁層(undoped(i)−Ga1-yAlyAs(0≦y≦1)層)43を積層し、その上にGa1−xMnxAs薄膜45を積層した多層構造を形成する。添加するMn濃度xは金属的な電気伝導を示すx≧0.03である。次に、マイクロストリップライン形状の細線に加工して磁化方向の制御を行う。細線形状に加工し縦横比を大きくすることにより磁化Mは細線の延在する方向へ向く。ここで、GaMnAsに特有な磁気異方性を利用して特定の方向(細線方向)へ磁化Mを向けることもできる。例えば、キャリア濃度が高い試料を選べば[110]/[11−0]間の一軸異方性が支配的である。これを利用して[110]方向に細線を作製する。Ga1−xMnxAs層45に絶縁膜46を形成する(Al2O3、SiO2など)。或いは、GaMnAs層45上に絶縁性半導体薄膜(例えばundoped(i)−Ga1-yAlyAs(0≦y≦1))を積層してもよい。次いで、絶縁性半導体薄膜層46上に、電界印加用の金属電極(Au又はAlなど)47を形成する。GaMnAs薄膜45上に電極材料を形成し、電極材料とGaMnAsとを同時に加工して細線を形成しても良い。次いで、GaMnAs層45からなるストリップラインの両端に電極E1、E2を形成し、その後に、例えば、マイクロ波を導波させるため同軸ケーブル51を接続する。 FIG. 8 is a perspective view showing a configuration example of the notch filter element according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, a conductive substrate (e.g., n + -GaAs) over 41, the insulating layer (undoped (i) -Ga 1- y Al y As (0 ≦ y ≦ 1) layer) 43 was laminated, A multilayer structure in which a Ga 1-x Mn x As thin film 45 is laminated thereon is formed. The Mn concentration x to be added is x ≧ 0.03 indicating metallic electrical conduction. Next, the direction of magnetization is controlled by processing the microstrip line into a thin line. By processing into a fine line shape and increasing the aspect ratio, the magnetization M is directed in the direction in which the fine line extends. Here, the magnetization M can be directed in a specific direction (thin line direction) by utilizing the magnetic anisotropy unique to GaMnAs. For example, if a sample having a high carrier concentration is selected, the uniaxial anisotropy between [110] / [11-0] is dominant. Using this, a fine line is produced in the [110] direction. An insulating film 46 is formed on the Ga 1-x Mn x As layer 45 (Al 2 O 3 , SiO 2, etc.). Alternatively, GaMnAs layer 45 insulating semiconductor thin film on (e.g. undoped (i) -Ga 1-y Al y As (0 ≦ y ≦ 1)) may be stacked. Next, a metal electrode (Au or Al or the like) 47 for applying an electric field is formed on the insulating semiconductor thin film layer 46. An electrode material may be formed on the GaMnAs thin film 45, and the electrode material and GaMnAs may be processed simultaneously to form a fine line. Next, electrodes E1 and E2 are formed at both ends of the strip line made of the GaMnAs layer 45, and then, for example, a coaxial cable 51 is connected to guide microwaves.
上記構造において、金属電極47によりGaMnAs層45に対して電界を印加することで、GaMnAs中のキャリア濃度を変調させ、共鳴周波数ωを調整することにより、同軸ケーブル51を通る高周波信号に対してフィルタリングを行うことができる。本高周波フィルタ素子は、例えばInMnAsを用いても作製することができる。 In the above structure, by applying an electric field to the GaMnAs layer 45 by the metal electrode 47, the carrier concentration in the GaMnAs is modulated and the resonance frequency ω is adjusted, thereby filtering high frequency signals passing through the coaxial cable 51. It can be performed. The high-frequency filter element can also be manufactured using InMnAs, for example.
以上、本発明の実施の形態又は実施例によれば、マイクロ波で動作するノッチフィルタであって、電界効果又は光照射によって、広範囲で吸収周波数を制御できるノッチフィルタを得ることができる。 As described above, according to the embodiment or example of the present invention, it is possible to obtain a notch filter that operates with microwaves and that can control an absorption frequency over a wide range by a field effect or light irradiation.
本発明は、ある特定の周波数のノイズをカットするGHz帯のノッチフィルタやマイクロ波スイッチング素子などに応用することができる。 The present invention can be applied to a GHz band notch filter, a microwave switching element, or the like that cuts noise of a specific frequency.
1…GaAs半絶縁性基板、3…絶縁層、5…Ga1−xMnxAs層の薄膜、7…絶縁膜、11…電界印加用の金属電極、21…GaAs半絶縁性基板、23…絶縁層、25…Ga1−xMnxAs層の薄膜、41…導電性基板、43…絶縁層、45…Ga1−xMnxAs層の薄膜、46…絶縁性半導体薄膜層、47…電界印加用の金属電極、51…同軸ケーブル。 1 ... GaAs semi-insulating substrate, 3: insulating layer, a thin film of 5 ... Ga 1-x Mn x As layer, 7 ... insulating film, 11 ... metal electrodes for electric field application, 21 ... GaAs semi-insulating substrate, 23 ... Insulating layer, 25 ... Ga 1-x Mn x As thin film, 41 ... conductive substrate, 43 ... insulating layer, 45 ... Ga 1-x Mn x As thin film, 46 ... insulating semiconductor thin film layer, 47 ... Metal electrode for electric field application, 51 ... Coaxial cable.
Claims (9)
該強磁性半導体におけるキャリア濃度を変調する制御を行う制御手段と
を有する素子又は高周波素子。 A ferromagnetic semiconductor having uniaxial anisotropy and having a thin wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy;
An element or a high-frequency element having control means for controlling the carrier concentration in the ferromagnetic semiconductor.
該強磁性半導体の異方性磁場と磁化とをキャリア濃度で変調する制御を行う制御手段と
を有する素子又は高周波素子。 A ferromagnetic semiconductor having uniaxial anisotropy and having a thin wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy;
Element or a high frequency device and a control means for controlling for modulating the magnetization ferromagnetic semiconductor anisotropy field at a carrier concentration.
略一定温度において異方性磁場と磁化とに依存する前記強磁性体の共鳴周波数をキャリア濃度変調で制御する制御手段と
を有する素子又は高周波素子。 A ferromagnetic semiconductor having uniaxial anisotropy and having a thin wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy;
An element or a high-frequency element having control means for controlling a resonance frequency of the ferromagnetic material depending on an anisotropic magnetic field and magnetization at a substantially constant temperature by carrier concentration modulation .
直流磁場が略一定の場合において異方性磁場と磁化とに依存する共鳴周波数をキャリア濃度変調で制御する制御手段と
を有する素子又は高周波素子。 A ferromagnetic semiconductor having uniaxial anisotropy and having a thin wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy;
An element or a high-frequency element having control means for controlling the resonance frequency depending on the anisotropic magnetic field and the magnetization by carrier concentration modulation when the DC magnetic field is substantially constant.
該基板上に形成された第1の絶縁層と、
該第1の絶縁層上に形成されたキャリア誘起型強磁性体層と該強磁性体層上に形成された第2の絶縁層と該絶縁層上に形成された導電層との積層構造であって前記強磁性体層の一軸異方性と同じ方向に延在する細線構造を有する積層構造と、
前記細線の両端にそれぞれ形成された第1及び第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に高周波電力を印加する手段と、
前記積層構造に対して電界の印加又は光の照射の少なくともいずれか一方を入力する入力手段と
を有することを特徴とする素子又は高周波素子。 A conductive substrate;
A first insulating layer formed on the substrate;
A laminated structure of a carrier-induced ferromagnetic layer formed on the first insulating layer, a second insulating layer formed on the ferromagnetic layer, and a conductive layer formed on the insulating layer. A laminated structure having a thin wire structure extending in the same direction as the uniaxial anisotropy of the ferromagnetic layer;
First and second electrodes respectively formed on both ends of the thin wire;
Means for applying high frequency power between the first electrode and the second electrode;
An element or a high-frequency element comprising input means for inputting at least one of application of an electric field and irradiation of light to the stacked structure.
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