JP5680903B2 - 発振器及びその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、発振器及びその動作方法に関する。

発振器（oscillator）は、一定の周期の信号を発生させる装置であり、主に移動通信端末機、衛星及びレーダ通信機器、無線ネットワーク機器、自動車用通信機器など、無線通信システムに使われ、アナログ音響合成装置などにも使われる。あらゆる移動通信機器は、特定周波数帯域の情報を伝達するが、ここで、特定周波数帯域を作りだす機器が電圧制御発振器（ＶＣＯ：voltage controlled oscillator）である。

発振器で重要な要素としては、出力電力（output power）、品質係数（quality factor）及び位相ノイズ（phase noise）などがある。出力電力と品質係数は高いほど、位相ノイズは小さいほど、発振器は優れた特性を有する。最近、通信機器の高性能化及び小型化の要求が高まり、動作周波数帯域が高まるにつれて、小型であり、かつ高い品質係数及び低い位相ノイズを有する高出力発振器の開発が要求されている。

米国特許出願公開第２００８／０１５０６４３号明細書

本発明の一つの課題は、スピン転移トルク（spin transfer torque）現象を利用するものであり、高い出力電力を有する発振器を提供することである。

本発明の別の課題は、前記発振器の動作方法を提供することである。

本発明の一側面（aspect）によれば、第１自由層と、前記第１自由層上の第１非磁性層と、前記第１非磁性層上の前記第１自由層に対向する第２自由層と、を含む発振器が提供される。

前記第１自由層及び前記第２自由層は、垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）を有することができる。

前記第１自由層及び前記第２自由層は、水平磁気異方性（in-plane magnetic anisotropy）を有することができる。

前記第１非磁性層は、導電層または絶縁層でありうる。

前記第１自由層及び前記第２自由層は、同じ厚さを有することができる。

前記第１自由層及び前記第２自由層のうち少なくとも１層は、単層構造を有することができる。

前記第１自由層及び前記第２自由層のうち少なくとも１層は、多層構造を有することができる。

前記第１自由層及び前記第２自由層が多層構造を有する場合、前記第１自由層は、前記第１非磁性層の下に順に積層された第１層及び第２層を含むことができ、前記第２自由層は、前記第１非磁性層の上に順に積層された第３層及び第４層を含むことができる。

前記第１層は、前記第３層と等価であり、前記第２層は、前記第４層と等価でありうる。

前記第１自由層は、前記第２層によって垂直磁気異方性を有することができ、前記第２自由層は、前記第４層によって垂直磁気異方性を有することができる。

前記第２自由層上に、第２非磁性層と第３自由層とが少なくとも１回交互に積層されうる。

前記第３自由層は、前記第１自由層及び前記第２自由層と同じ材料から構成されうる。

前記第２非磁性層は、前記第１非磁性層と同じ材料から構成されうる。

本発明の他の側面によれば、第１自由層、前記第１自由層上に第１非磁性層、及び前記第１非磁性層上に前記第１自由層に対向する第２自由層を含む発振器の動作方法が提供される。前記動作方法は、前記発振器に電流を印加する段階と、前記発振器の抵抗変化を検出する段階と、を含むことができる。

前記電流は、直流電流でありうる。

前記電流は、前記第１自由層及び前記第２自由層を通過するように印加されうる。

前記第１自由層及び前記第２自由層は、垂直磁気異方性を有することができる。

前記第１自由層及び前記第２自由層は、水平磁気異方性を有することができる。

前記第２自由層上に、第２非磁性層と第３自由層とが少なくとも１回交互に積層されうる。

本発明によれば、出力電力が高いスピントルク発振器を具現できる。前記発振器は、簡単な方法で動作させることができる。

本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。 本発明の実施形態による発振器の動作方法を示す断面図である。 本発明の実施形態による発振器に電流を印加したとき、自由層の磁化方向がいかように変化するかを示す図面である。 本発明の実施形態による発振器に電流を印加したときの経時的な自由層の磁化量Ｍｚ変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による発振器に電流を印加したときの経時的な発振器の抵抗変化を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。 本発明の実施形態による発振器の動作方法を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態による発振器及びその動作方法について、添付された図面を参照しつつ詳細に説明する。この過程で図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確さのために多少誇張して図示されていることがある。詳細な説明全体において同じ参照番号は、同じ又は類似の構成要素を示す。

図１は、本発明の実施形態による発振器を示す断面図である。

図１を参照すれば、非磁性層１５を挟んで互いに離隔された第１自由層１０及び第２自由層２０が備わりうる。第１自由層１０及び第２自由層２０は、磁化方向が変動可能な層であり、磁化方向が固定された固定層（pinned layer）に該当しうる。第１自由層１０及び第２自由層２０は、垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）または水平磁気異方性（in-plane magnetic anisotropy）を有することができる。第１自由層１０及び第２自由層２０が垂直磁気異方性を有する場合、第１自由層１０及び第２自由層２０は、例えば、ＣｏＰｔ及びＣｏＣｒＰｔのように、Ｃｏを含む合金によって形成された合金層であるか、Ｃｏ及びＣｏ合金のうち少なくとも一つを含む層と、Ｐｔ、Ｎｉ及びＰｄのうち少なくとも一つを含む層とが交互に積層された多層構造でありうる。第１自由層１０及び第２自由層２０が水平磁気異方性を有する場合、例えば、ＣｏＦｅＢ及びＮｉＦｅのように、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅのうち少なくとも一つを含む材料層でありうる。第１自由層１０及び第２自由層２０の材料／構成は、ここで例示したところに限定されるものではない。一般的な磁性素子に適用される自由層の材料であるならば、第１自由層１０及び第２自由層２０の材料として適用されうる。第１自由層１０及び第２自由層２０の厚さは、１〜１０ｎｍ程度、例えば、１〜５ｎｍ程度でありうる。第１自由層１０及び第２自由層２０の厚さは、互いに同じであってもよいが、場合によっては異なることもある。

第１自由層１０及び第２自由層２０の間に設けられた非磁性層１５は、導電層または絶縁層でありうる。前記導電層は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの混合物のうち少なくとも１つの金属を含む層でありうる。前記絶縁層は、例えば、ＭｇＯ及びＡｌＯ_ｘのような酸化物を含む層でありうる。非磁性層１５の厚さは、１〜３ｎｍ程度でありうる。

第１自由層１０上に、第１電極１００が設けられており、第２自由層２０上に、第２電極２００が設けられうる。第１電極１００及び第２電極２００は、一般的な電子素子に使われる電極材料から構成されうる。第１電極１００及び第２電極２００の構造及びサイズは、図示されたところに限定されるものではなく、多様に変形されうる。例えば、第１電極１００及び第２電極２００は、第１自由層１０及び第２自由層２０と同幅に形成されうる。第１自由層１０及び第２自由層２０の材料によっては、第１電極１００及び第２電極２００を備えることは、選択的（optional）でありうる。例えば、第１自由層１０及び第２自由層２０の電気抵抗が十分に低い場合、第１自由層１０及び第２自由層２０自体を電極として使用できるので、第１電極１００及び第２電極２００を備えないこともある。

以下、図２及び図３を参照しつつ、図１の構造を有する発振器の動作方法及び原理について説明する。

図２を参照すれば、図１の構造を有する発振器が設けられている。ここで、第１自由層１０及び第２自由層２０は、垂直磁気異方性を有することができる。すなわち、第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化容易軸（magnetization easy axis）は、Ｚ軸に平行になりうる。例えば、第１自由層１０及び第２自由層２０は、Ｚ軸方向に磁化された状態でありうる。第１自由層１０及び第２自由層２０に図示された矢印は、磁化方向を示す。このような発振器の動作のために、第１電極１００及び第２電極２００のうち、いずれか一方から他方に電流Ｉを印加できる。例えば、第１電極１００から第２電極２００に電流Ｉを印加できる。電流Ｉは、直流電流でありうる。電流Ｉの方向と電子ｅ⁻の方向とは逆であるから、電子ｅ⁻は、第２電極２００から第１電極１００に流れる。このように、電子ｅ⁻が第２電極２００から、第２自由層２０と第１自由層１０とを経て、第１電極１００に流れるとき、第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化方向は、所定の時間差をおいて周期的に変化しうる。図３は図２のように電流Ｉを印加したとき、第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化方向が経時的にいかに変化するかを示している。

図３を参照すれば、初期段階（以下、第１段階）（Ｓ１）で、第１自由層１０及び第２自由層２０は、Ｚ軸方向に磁化された状態である。このとき、第１自由層１０及び第２自由層２０は、平行（parallel）状態である。電流Ｉが印加されれば、まず、第２自由層２０の磁化方向がＺ軸の逆方向にスイッチングされうる。これを第２段階（Ｓ２）とする。第２段階（Ｓ２）で第１自由層１０及び第２自由層２０は、反平行（antiparallel）状態である。次に、第１自由層１０の磁化方向がＺ軸の逆方向にスイッチングされうる。これを第３段階（Ｓ３）とする。第３段階（Ｓ３）で第１自由層１０及び第２自由層２０は、平行状態である。第４段階（Ｓ４）で第２自由層２０の磁化方向がＺ軸方向にスイッチングされ、第５段階（Ｓ５）で第１自由層１０の磁化方向がＺ軸方向にスイッチングされうる。従って、第４段階（Ｓ４）で第１自由層１０及び第２自由層２０は、反平行状態であり、第５段階（Ｓ５）で第１自由層１０及び第２自由層２０は、平行状態である。第５段階（Ｓ５）は、第１段階（Ｓ１）と同一である。第５段階（Ｓ５）後、第２段階ないし第５段階（Ｓ２〜Ｓ５）が反復されうる。このように、電流Ｉによって、第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化方向が時間差をおいて周期的に変化しうる。従って、第１自由層１０の磁化方向と第２自由層２０の磁化方向とが同じになる平行状態と、第１自由層１０の磁化方向と第２自由層２０の磁化方向とが反対になる反平行状態とが、周期的に反復されうる。

第１自由層１０及び第２自由層２０が平行状態にあるとき、発振器の抵抗（すなわち、第１電極及び第２電極間の電気抵抗）は最小であり、第１自由層１０及び第２自由層２０が反平行状態にあるとき、発振器の抵抗は最大である。従って、発振器の抵抗は、第１段階（Ｓ１）、第２段階（Ｓ２）、第３段階（Ｓ３）、第４段階（Ｓ４）及び第５段階（Ｓ５）で、それぞれ最小（Ｌ）、最大（Ｈ）、最小（Ｌ）、最大（Ｈ）及び最小（Ｌ）となる。すなわち、発振器の抵抗は、最小（Ｌ）と最大（Ｈ）とを反復して往来する。従って、本発明の実施形態による発振器は、高い出力電力（output power）を有し、特定周波数帯域の信号を発振させることができる。

図３は、第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化方向がいかに変化しうるか、その一例を示すものである。第１自由層１０及び第２自由層２０の磁化方向が変化する態様は、図３に図示されたところに限定されるものではない。

図４は、図２のように、発振器に電流Ｉを印加したときの、第１自由層１０及び第２自由層２０それぞれの垂直成分磁化量Ｍｚの経時的な変化を示している。このとき、第１自由層１０及び第２自由層２０としては、垂直磁気異方性を有するＣｏＣｒＰｔ層を使用した。また、発振器の平行状態での抵抗Ｒｐと、自由層１０または２０のＸＹ面断面積Ａとの積である「Ｒｐ・Ａ」は、０．２μΩ・ｃｍ^２であった。磁気抵抗比（magnetoresistance ratio）（％）は、１００％と仮定した。

図４を参照すれば、第１自由層１０の磁化量Ｍｚと、第２自由層２０の磁化量Ｍｚは、約−４５０ｅｍｕ／ｃｃと４５０ｅｍｕ／ｃｃとの間で、一定の時間差をおいて周期的に変化していることが分かる。

図５は、図２のように、発振器に電流Ｉを印加したときの、経時的な発振器の抵抗変化、すなわち、第１電極１００及び第２電極２００間の抵抗変化を示している。

図５を参照すれば、発振器の抵抗が一定の周期を有して反復して変化していることを確認することができる。従って、特定周波数帯域の信号が発振されうる。このとき、抵抗変化量ΔＲが７００Ω程度であるから、１ＭＡ／ｃｍ^２の電流を使用した場合、出力電力は、〜２μＷ程度に高くなりうる。

従来の発振器は、一般的に１層の自由層と、それに対応する固定層とを使用する。その場合、出力電力が〜１ｎＷ程度と低いために、多様な分野に有用に適用され難い。特に、前記固定層と自由層とが水平磁気異方性を有する場合、発振器の動作のために、電流（交流電流）と共に磁場を印加しなければならないので、構成が複雑になり、動作の制御が容易ではないという問題がある。さらに、前記固定層の磁化方向を固定するためには、反強磁性層（anti-ferromagnetic layer）のような追加的な材料層が要求されるので、それによって、発振器の構造が複雑になり、サイズが大きくなりうる。

しかし、本発明の実施形態によれば、複数の自由層を使用し、高い出力電力を示す発振器を具現できる。このような発振器は、固定層を使用しないために、その構成が単純でありうる。また、直流電流を印加する単純な方法で、動作が行われうる。

図１では、発振器が２層の自由層１０，２０を備えた場合について図示したが、他の実施形態によれば、３層以上の自由層が使われうる。その例が、図６及び図７に図示されている。図６及び図７の構造は、図１において変形されたものである。

図６を参照すれば、第１電極１００及び第２電極２００の間に、３層の自由層（以下、第１自由層１０，第２自由層２０及び第３自由層３０）が順に積層されうる。第１自由層１０と第２自由層２０との間に、第１非磁性層１５が設けられ、第２自由層２０と第３自由層３０との間に、第２非磁性層２５が設けられうる。図６の第１自由層１０，第２自由層２０及び第３自由層３０は、図１の第１自由層１０及び第２自由層２０と同じ層又は実質的に同じ層であり、図６の第１非磁性層１５及び第２非磁性層２５は、図１の非磁性層１５と同じ層又は実質的に同じ層でありうる。換言すれば、図６の構造は、図１の第２自由層２０と第２電極２００との間に、第２非磁性層２５と第３自由層３０とがさらに積層された構造といえる。

図７を参照すれば、第１電極１００及び第２電極２００の間に、４層の自由層（以下、第１自由層１０，第２自由層２０，第３自由層３０及び第４自由層４０が設けられうる。第１自由層１０と第２自由層２０との間に、第１非磁性層１５が、第２自由層２０と第３自由層３０との間に、第２非磁性層２５が、第３自由層３０と第４自由層４０との間に、第３非磁性層３５が設けられうる。図７の第１自由層１０，第２自由層２０，第３自由層３０及び第４自由層４０は、図１の第１自由層１０及び第２自由層２０と同じ層又は実質的に同じ層であり、図７の第１非磁性層１５，第２非磁性層２５及び第３非磁性層３５は、図１の非磁性層１５と同じ層又は実質的に同じ層でありうる。換言すれば、図７の構造は、図１の第２自由層２０と第２電極２００との間に、第２非磁性層２５、第３自由層３０、第３非磁性層３５及び第４自由層４０がさらに積層された構造といえる。

ここで、図示されていないが、５層以上の自由層を備える発振器も可能である。すなわち、図７の第４自由層４０と第２電極２００との間に、別途の非磁性層と別途の自由層とを１回以上反復積層しうる。

図６及び図７のように、３層以上の自由層を使用した場合にも、発振器の動作方法は、図２を参照して説明したところと類似している。すなわち、第１電極１００及び第２電極２００を介して、自由層を通過する電流を印加することによって、発振器を動作させることができる。このように、自由層の数を増加させれば、発振器の出力電力がさらに増大しうる。

図８は、本発明の他の実施形態による発振器を示す断面図である。図８の構造は、図１で変形されたものである。

図８を参照すれば、非磁性層１５’上に、第１層１０ａと第２層１０ｂとが順に積層され、非磁性層１５’上に、第３層２０ａと第４層２０ｂとが順に積層されうる。第１層１０ａと第２層１０ｂは、第１自由層１０’を構成でき、第３層２０ａと第４層２０ｂは、第２自由層２０’を構成できる。第１層１０ａは、ＣｏＦｅＢ層のように、水平磁気異方性を有する材料層であり、第２層１０ｂは、垂直磁気異方性を有する材料層でありうる。このように、水平磁気異方性を有する材料層（すなわち、第１層１０ａ）に、垂直磁気異方性を有する材料層（すなわち、第２層１０ｂ）が接触した場合、これらによって構成された第１自由層１０’は、垂直磁気異方性を有することができる。それは、前記垂直磁気異方性を有する材料層（すなわち、第２層１０ｂ）によって、前記水平磁気異方性を有する材料層（すなわち、第１層１０ａ）の磁化容易軸が垂直に変化しうるためである。第３層２０ａは、第１層１０ａと同じ層であり、第４層２０ｂは、第２層１０ｂと同じ層でありうる。従って、第３層２０ａ及び第４層２０ｂによって構成された第２自由層２０’は、垂直磁気異方性を有することができる。第２層１０ｂ及び第４層２０ｂは、単層または多層構造を有することができる。一方、非磁性層１５’は、ＭｇＯ及びＡｌＯ_ｘのような絶縁層であるが、場合によっては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ及びそれらの混合物のうち少なくとも一つを含む導電層でもある。図８のような自由層１０’、２０’が３層以上備えた発振器も可能である。

以下、本発明の実施形態による発振器の動作方法について簡略に整理する。本動作方法については、前述の図２及び図３についての説明で言及した。

図９は、本発明の実施形態による発振器の動作方法について説明するためのフローチャートである。

図９を参照すれば、本発明の実施形態による発振器に電流を印加する（Ｓ１０）。例えば、図１及び図６ないし図８の第１電極１００及び第２電極２００間に、前記電流を印加できる。前記電流は、直流電流でありうる。第１電極１００及び第２電極２００を使用しない場合、複数の自由層１０，１０’，２０，２０’，３０，及び４０のうち、両端に位置した２層の自由層間に、前記電流を印加できる。前記電流によって、複数の自由層１０，１０’，２０，２０’，３０，４０の磁化方向が時間差をおいて反復してスイッチングされうる。複数の自由層１０，１０’，２０，２０’，３０，及び４０の磁化方向が時間差をおいて反復してスイッチングされる間、発振器の電気抵抗の変化を検出できる（Ｓ２０）。すなわち、第１電極１００及び第２電極２００の間の電気抵抗の変化を検出できる。前記電気抵抗は、周期的に変化しうる。これについては、図３ないし図５を参照して説明したので、ここで反復して述べない。このような電気抵抗の変化によって、所定周波数を有する信号が発生しうる（Ｓ３０）。前記電流や自由層１０，１０’，２０，２０’，３０４０のサイズ、形状、物性などを調節することによって、発振される周波数が変わりうる。

前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらが発明の範囲を限定するものとするよりも、具体的な実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、本発明が属する技術分野で当業者ならば、図１及び図６ないし図８の構造は多様に変形しうるということが分かり、その動作方法も、多様に変化可能であるということが分かるであろう。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的史上によって定められるものである。

１０，１０’ 第１自由層
１０ａ 第１層
１０ｂ 第２層
１５，１５’ 非磁性層（第１非磁性層）
２０，２０’ 第２自由層
２０ａ 第３層
２０ｂ 第４層
２５ 第２非磁性層
３０ 第３自由層
３５ 第３非磁性層
４０ 第４自由層
１００ 第１電極
２００ 第２電極

Claims (15)

1. 第１自由層と、
   前記第１自由層上の第１非磁性層と、
   前記第１非磁性層上に、前記第１自由層に対向する第２自由層と、を含む発振器であって、
   前記発振器は、それに印加される直流電流によって周波数信号を発振し、前記第１自由層の磁化方向と前記第２自由層の磁化方向とは、前記直流電流により時間差を設けて周期的に変化され、前記第１自由層の磁化方向と前記第２自由層の磁化方向の平行状態と反平行状態が周期的に反復されることによって電気抵抗が周期的に変化され、前記周波数信号を発振させることを特徴とする発振器。
2. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
3. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、水平磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
4. 前記第１非磁性層は、導電層または絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の発振器。
5. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、同じ厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
6. 前記第２自由層上に、第２非磁性層と第３自由層とが少なくとも１回交互に積層されたことを特徴とする請求項１に記載の発振器。
7. 前記第３自由層は、前記第１自由層及び前記第２自由層と同じ材料から構成されたことを特徴とする請求項６に記載の発振器。
8. 前記第１自由層及び前記第２自由層のうち少なくとも１層は、多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の発振器。
9. 前記第１自由層は、前記第１非磁性層の下に順に積層された第１層及び第２層を含み、前記第２自由層は、前記第１非磁性層の上に順に積層された第３層及び第４層を含み、
   前記第１層は、前記第３層と等価であり、前記第２層は、前記第４層と等価であることを特徴とする請求項８に記載の発振器。
10. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項９に記載の発振器。
11. 請求項１ないし請求項１０のうち、いずれか１項に記載の発振器の動作方法において、
    前記発振器に直流電流を印加する段階と、
    前記発振器の抵抗変化を検出する段階と、を含む発振器の動作方法。
12. 前記電流は、前記第１自由層及び前記第２自由層を通過するように印加されることを特徴とする請求項１１に記載の発振器の動作方法。
13. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１１に記載の発振器の動作方法。
14. 前記第１自由層及び前記第２自由層は、水平磁気異方性を有することを特徴とする請求項１１に記載の発振器の動作方法。
15. 前記第２自由層上に、第２非磁性層と第３自由層とが少なくとも１回交互に積層されたことを特徴とする請求項１１に記載の発振器の動作方法。

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