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JP7560871B2 - Inductor element and device including same - Google Patents
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JP7560871B2 - Inductor element and device including same - Google Patents

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本開示はインダクター素子およびそれを含む機器に関する。さらに詳細には本開示は、電子のスピン構造を利用した実用性の高いインダクター素子およびそれを含む機器に関する。 This disclosure relates to an inductor element and a device including the same. More specifically, this disclosure relates to a highly practical inductor element that utilizes the spin structure of electrons and a device including the same.

基本電子素子のうち、印加される電圧と電流との間に線形的な関係をもたらす電気回路の受動素子は、一般にR(抵抗)、C(電気容量)、L(インダクタンス)の各素子である。各素子の物理的作用は、電流に付随する熱の生成(R)、電荷によるエネルギー蓄積(C)、磁場によるエネルギー蓄積(L)というものである。この中で特にインダクタンスLを担う素子(インダクター素子)は小型化が遅れている。例えば、最小のサイズと高いインダクタンス値を示す製品は、0.6×0.3×0.3mmのサイズをもち、L=130nH~270nH程度のインダクタンス値を実現している。 Among basic electronic elements, passive elements of an electric circuit that bring about a linear relationship between applied voltage and current are generally R (resistance), C (capacitance), and L (inductance) elements. The physical action of each element is the generation of heat accompanying current (R), energy storage due to electric charge (C), and energy storage due to magnetic field (L). Among these, the element that is responsible for inductance L (inductor element) is particularly lagging behind in miniaturization. For example, a product that shows the smallest size and high inductance value has a size of 0.6 x 0.3 x 0.3 mm3 and achieves an inductance value of about L = 130 nH to 270 nH.

他方、主要な動作原理として電荷量の多寡を利用している従来の基本電子素子とは異なる動作原理をもち、電荷量に加え主に電子のスピンに基づく物理現象も発見され、受動素子、能動素子、記憶などへの適用が試みられている。このような分野は、スピントロニクスとも呼ばれており、近時その進展が著しい。 On the other hand, spintronics operates on a different principle from conventional basic electronic elements, which use the amount of electric charge as their main operating principle. Physical phenomena based primarily on the spin of electrons in addition to the amount of electric charge have been discovered, and attempts are being made to apply them to passive elements, active elements, memory, and more. This field is also known as spintronics, and has made remarkable progress in recent years.

本発明者を含むグループでは、非共線スピン構造をもつように秩序スピンが空間的に配向している金属媒体を備えるインダクター素子を創出している(特許文献1)。そのインダクター素子では、金属媒体の非共線スピン構造とよぶ磁気秩序を利用しており、電流が非共線となる方向の射影成分をもつように金属媒体を流されることにより、インダクター素子の電気的機能が実現する。 A group including the present inventor has created an inductor element with a metallic medium in which ordered spins are spatially oriented to have a non-collinear spin structure (Patent Document 1). This inductor element utilizes the magnetic order of the metallic medium, known as the non-collinear spin structure, and the electrical function of the inductor element is realized by passing a current through the metallic medium so that it has a projected component in a non-collinear direction.

国際公開第2020/027268号International Publication No. 2020/027268

株式会社村田製作所(Murata Manufacturing Co., Ltd.)LQP03TN_02 series webpage, [online] last retrieved: January 28, 2021, URL; https://www.murata.com/en-global/products/emiconfun/inductor/2014/02/27/en-20140227-p1Murata Manufacturing Co., Ltd. LQP03TN_02 series webpage, [online] last retrieved: January 28, 2021, URL; https://www.murata.com/en-global/products/emiconfun/inductor/2014/02/27/en-20140227-p1 T. Yokouchi et al., "Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet", Nature 586, 232 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2775-xT. Yokouchi et al., "Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet", Nature 586, 232 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2775-x Nirmal J. Ghimire et al., "Competing magnetic phases and fluctuation-driven scalar spin chirality in the kagome metal YMn6Sn6", Science Advances, Vol. 6, no. 51, eabe2680 (2020), DOI: 10.1126/sciadv.abe2680Nirmal J. Ghimire et al., "Competing magnetic phases and fluctuation-driven scalar spin chirality in the kagome metal YMn6Sn6", Science Advances, Vol. 6, no. 51, eabe2680 (2020), DOI: 10.1126/sciadv.abe2680 G. Venturini et al., "Incommensurate magnetic structures of RMn6Sn6(R = Sc, Y, Lu) compounds from neutron diffraction study", Journal of Alloys and Compounds 236 (1996) 102-110 DOI: 10.1016/0925-8388(95)01998-7G. Venturini et al., "Incommensurate magnetic structures of RMn6Sn6(R = Sc, Y, Lu) compounds from neutron diffraction study", Journal of Alloys and Compounds 236 (1996) 102-110 DOI: 10.1016/0925-8388(95 )01998-7

種々の電子機器の小型化が進展する中、各種電子回路素子の小型化に対する要請も弱まる気配がない。インダクター素子は、従来のものではインダクタンス値を高めるには体積の増大を伴う。これに対し特許文献1に開示されるインダクター素子は、小型化を実現しうる動作原理をもつ有望なものといえる。しかしながら、その動作原理の下で実用性の高いインダクター素子を作製するための材料が限られている。 As various electronic devices continue to become smaller, the demand for miniaturization of various electronic circuit elements shows no sign of weakening. With conventional inductor elements, increasing the inductance value entails an increase in volume. In contrast, the inductor element disclosed in Patent Document 1 is a promising element that has an operating principle that can achieve miniaturization. However, there are only limited materials available for producing a highly practical inductor element based on that operating principle.

本開示は上記問題の少なくともいずれかを解決することを課題とする。本開示は、伝導電子が電子のスピン構造との間で示す量子現象を利用するインダクター素子の動作原理に適する新規な材料を提供することにより、インダクター素子を採用する電子回路やそれを含む機器の小型化および高密度化に貢献するものである。
The present disclosure aims to solve at least one of the above problems by providing a novel material suitable for the operating principle of inductor elements that utilizes the quantum phenomenon exhibited between conduction electrons and the spin structure of electrons, thereby contributing to the miniaturization and high density of electronic circuits that employ inductor elements and devices that include such circuits.

本発明者は、電子のスピンの自由度を利用したインダクター素子の原理に基づいて動作する新規な材料を見いだし、本開示を完成させた。 The inventors have discovered a new material that operates based on the principle of an inductor element that utilizes the spin degree of freedom of electrons, and have completed this disclosure.

すなわち、本開示のある態様においては、ある方向にたどったときに非共線スピン構造をもつように秩序スピンが空間的に配向している組成式RMnで与えられる金属媒体を備え、ここで、RはMg、Sc、Y、Zr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、およびHfからなる群から選択される少なくとも一つの元素、XはSn、Geからなる群から選択される少なくとも一つの元素であり、電流が該方向の射影成分をもつように該金属媒体を流されるインダクター素子、およびそれを含む電子機器が提供される。 That is, in one aspect of the present disclosure, there is provided an inductor element comprising a metallic medium having a composition formula of RMn6X6 in which ordered spins are spatially oriented to have a non-collinear spin structure when traced in a certain direction, where R is at least one element selected from the group consisting of Mg, Sc, Y, Zr, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn and Ge, in which a current is passed through the metallic medium such that it has a projected component in the direction, and an electronic device including the same.

以下特に断りのない場合、インダクター素子は、リアクタンス素子、リアクトルなどとも呼ばれる素子や装置を含む。また、出願書面の表記上の制約から、文中にて変数を示すアルファベットに「ベクトル」の用語を付すことにより、アルファベット上方に矢印を表示することに代えることがある。同様に表記上の制約から、文中にてh-barと記して、h-barはプランク定数hを2πで割った値を意味することがある。さらに同様に表記上の制約から、定数と変数のうち変数を斜体で表示して区別するといった学術上の慣用についても、文字列では表現せず、埋め込まれたイメージでのみ表現されている。これらの表記上の制約による慣用との不一致や、書面中での見かけ上の不一致は、表記上の制約に起因している以上、本開示の開示や権利範囲の解釈に影響すべきものではない。 Unless otherwise specified below, the inductor element includes elements and devices also called reactance elements, reactors, etc. In addition, due to notational constraints in application documents, the term "vector" may be added to the alphabet indicating a variable in the text, instead of displaying an arrow above the alphabet. Similarly, due to notational constraints, h-bar may be written in the text, and h-bar may mean the value obtained by dividing Planck's constant h by 2π. Furthermore, due to notational constraints, the academic convention of distinguishing between constants and variables by displaying variables in italics is not expressed as a string of characters, but only as an embedded image. Inconsistencies with conventions due to notational constraints and apparent inconsistencies in documents are due to notational constraints, and should not affect the disclosure of this disclosure or the interpretation of the scope of rights.

本開示のある態様では、電子のスピンの自由度を利用した小型化が容易なインダクター素子の実用性を高めることができ、実用性の高い電子機器が提供される。 In one aspect of the present disclosure, it is possible to improve the practicality of inductor elements that utilize the freedom of electron spin and are easily miniaturized, thereby providing highly practical electronic devices.

図1は従来のインダクター素子の動作原理を説明するための説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the operating principle of a conventional inductor element. 図2A、Bは、本開示の実施形態にて提案されるらせん構造のスピン構造を例示する説明図であり、電流を流す前のスピンの配置(図2A)、伝導電子との相互作用の結果生じるスピンの面直方向への起き上がりの様子(図2B)をそれぞれ示す。2A and 2B are explanatory diagrams illustrating the helical spin structure proposed in an embodiment of the present disclosure, showing the spin configuration before current is passed (FIG. 2A) and the state in which the spins rise up in the perpendicular direction resulting from interaction with conduction electrons (FIG. 2B), respectively. 図3は、本開示の実施形態のインダクター素子の構成例を示す構成図である。FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of an inductor element according to an embodiment of the present disclosure. 図4は、本開示の実施形態における非共線スピン構造の典型例を示す説明図であり、らせん構造、強磁性スパイラル(ferromagnetic spiral)、傾斜らせん(skewed spiral)、反強磁性スパイラル(anti-ferromagnetic skewed spiral)を示す。FIG. 4 is an explanatory diagram showing typical examples of non-collinear spin structures according to the embodiments of the present disclosure, including a helical structure, a ferromagnetic spiral, a skewed spiral, and an anti-ferromagnetic skewed spiral. 図5は、本開示の実施形態におけるインダクター素子のサンプルのSEM(走査型電子顕微鏡)像である。FIG. 5 is a SEM (scanning electron microscope) image of a sample inductor element according to an embodiment of the present disclosure. 図6A、Bはインダクター素子サンプル110の300Kでの測定結果を示すグラフであり、外部磁場に対する電気抵抗率虚部Im(ρ)の依存性(図6A)および外部磁場がない場合のインダクタンスの周波数依存性(図6B)である。6A and 6B are graphs showing the measurement results of inductor element sample 110 at 300 K, showing the dependence of the imaginary part of electrical resistivity Im(ρ) on an external magnetic field (FIG. 6A) and the frequency dependence of inductance in the absence of an external magnetic field (FIG. 6B). 図7は、本開示の実施形態におけるインダクター素子のサンプルにおいて温度を変化させて測定したインダクタンスの周波数特性のグラフである。FIG. 7 is a graph showing the inductance vs. frequency characteristics measured at different temperatures for a sample of an inductor element according to an embodiment of the present disclosure.

以下図面を参照し、本開示に係るインダクター素子の実施形態を説明する。全図を通じ当該説明に際し特に言及がない限り、共通する部分または要素には共通する参照符号が付される。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。 Below, with reference to the drawings, an embodiment of an inductor element according to the present disclosure will be described. Throughout all the drawings, common parts or elements are given common reference symbols unless otherwise specified in the description. Furthermore, in the drawings, the elements of each embodiment are not necessarily shown to scale.

1.従来のインダクター素子と非共線スピン構造をもつインダクター素子
図1は、従来のインダクター素子の動作原理を説明するための説明図である。図2A、Bは、本実施形態にて提案される非共線構造の一つであるらせん構造のスピン構造を例示する説明図であり、図2Aは電流を流す前の秩序スピンの配置を示しており、図2Bは、秩序スピンのz軸方向(面直方向)への起き上がりを示している。図3は、本実施形態のインダクター素子の構成例を示す構成図である。
1. Conventional inductor element and inductor element having non-collinear spin structure Fig. 1 is an explanatory diagram for explaining the operating principle of a conventional inductor element. Figs. 2A and 2B are explanatory diagrams illustrating a helical spin structure, which is one of the non-collinear structures proposed in this embodiment, in which Fig. 2A shows the arrangement of ordered spins before current is passed, and Fig. 2B shows the rising of ordered spins in the z-axis direction (perpendicular to the surface). Fig. 3 is a configuration diagram showing an example of the configuration of the inductor element of this embodiment.

図1に示すように、従来のインダクター素子の最も典型的なインダクター素子はコイルである。そのインダクタンスLは、

Figure 0007560871000001
により与えられる。ここで、Nは巻き数、lはコイルの長さである。従来のインダクター素子では、中心に鉄心などの大きな透磁率μをもつ物質を配置して磁束密度B=μHを増大させ、巻き数Nによって大きなインダクタンスを得ることができる。回路の微細化に伴い断面積Sやlが微小であっても十分に大きなインダクタンスLを得ることが要求されている。しかし、式(1)の最右辺に表れているように、単位長さ当たりの巻き数nが一定である場合、インダクタンスLはインダクター素子の体積lSに比例して小さくなってしまう。上述したように、製品化されている最小のサイズと高いインダクタンス値を示すものは、例えば、L=130nH~270nH程度のインダクタンス値を得るために0.6×0.3×0.3mmのサイズを占める(非特許文献1)。従来の原理に基づく限り、さらなる微細化は困難である。 As shown in Figure 1, the most typical inductor element among conventional inductor elements is a coil. Its inductance L is:
Figure 0007560871000001
Here, N is the number of turns, and l is the length of the coil. In conventional inductor elements, a material with a large magnetic permeability μ, such as an iron core, is placed in the center to increase the magnetic flux density B=μH, and a large inductance can be obtained by the number of turns N. As circuits become finer, it is required to obtain a sufficiently large inductance L even if the cross-sectional area S and l are small. However, as shown in the rightmost side of equation (1), when the number of turns n per unit length is constant, the inductance L becomes small in proportion to the volume lS of the inductor element. As mentioned above, the smallest size and high inductance value that has been commercialized occupies a size of 0.6×0.3×0.3 mm 3 to obtain an inductance value of about L=130nH to 270nH (Non-Patent Document 1). As long as it is based on conventional principles, further miniaturization is difficult.

これに対し、図2Aに示すように、本実施形態の非共線スピン構造をもつインダクター素子では、秩序化した電子のスピン(秩序スピン, ordered spin)の配列すなわちスピン構造が利用される。秩序スピンは、例えば図示しない格子点(原子など)に位置が固定されている。ある時刻において、各位置の秩序スピンはある平面(xy平面)の面内を向いており、その向きを、当該平面に垂直な向き(z軸の向き)にたどると、その距離に比例してxy平面内で回転する。スピン構造を取りうる秩序スピンは、典型的には局在している電子のスピン(局在スピン)や、伝導電子自体が磁気秩序を作る場合の伝導電子のスピンであり、局所的な磁気モーメントを与える。一般にスピン構造は、平行(parallel)スピン構造を取る場合や、反平行(anti-parallel)スピン構造を取る場合がある。平行スピン構造、反平行スピン構造は、それぞれが強磁性秩序、反強磁性秩序の起源となり、ともに空間的に一様なものである。平行スピン構造や反平行スピン構造のように、空間的に一様であり平行か反平行かである構造は共線スピン構造(collinear spin structure)とも呼ばれている。これに対し、近くのスピン同士が平行でも反平行でもないような傾いたスピン構造が物質中で実現することも知れられており、非共線スピン構造(non-collinear spin structure)と呼ばれている。本実施形態のインダクター素子の動作には、この非共線スピン構造が関わっている。 In contrast, as shown in FIG. 2A, in the inductor element having a non-collinear spin structure of this embodiment, an arrangement of ordered electron spins (ordered spins), i.e., a spin structure, is used. The ordered spins are fixed at lattice points (atoms, etc.) not shown. At a certain time, the ordered spins at each position are oriented in a certain plane (xy plane), and when the orientation is traced in a direction perpendicular to the plane (the direction of the z axis), it rotates in the xy plane in proportion to the distance. Ordered spins that can have a spin structure are typically localized electron spins (localized spins) or conduction electron spins when the conduction electrons themselves create a magnetic order, and give a local magnetic moment. In general, the spin structure may have a parallel spin structure or an anti-parallel spin structure. The parallel spin structure and the anti-parallel spin structure are the origins of ferromagnetic order and antiferromagnetic order, respectively, and both are spatially uniform. A structure that is spatially uniform and either parallel or antiparallel, such as a parallel spin structure or an antiparallel spin structure, is also called a collinear spin structure. In contrast, it is known that a tilted spin structure in which nearby spins are neither parallel nor antiparallel can be realized in a material, and this is called a non-collinear spin structure. This non-collinear spin structure is involved in the operation of the inductor element of this embodiment.

図2Aの秩序スピンは、例えば図示しない格子点(原子など)に位置が固定されている。ある時刻において、各位置の秩序スピンはある平面(xy平面)の面内を向いており、その向きを、当該平面に垂直な向き(z軸の向き)にたどると、その距離に比例してxy平面内で回転する。このらせん軸の向きに位置的な周期2λでスピンの向きが一周するとき、らせん構造の波数QがQ=2π/(2λ)と決定できる。なお、半回転分のλは、スピンが反転するのに要する距離であり、強磁性秩序において隣り合う2つの磁区を仕切る磁壁の厚みに対応している。本発明者は、らせん軸の向きであるz軸方向に時間的に変動する交流電流を流す配置において、創発電場により電圧降下が効率良く生じることを見出した。そのような電流を流すと、伝導電子との相互作用によりそれ自体にも変形が生じる。この典型が、図2Bに示す伝導電子との相互作用の結果生じるスピン構造の変形であり、具体的には秩序スピンのz軸方向(面直方向)への起き上がりである。従前のインダクター素子では磁場エネルギーとしてエネルギーを蓄積する作用が電圧降下(式(1))となって現われていたのに対し、本実施形態のインダクター素子では、らせん構造の局在スピンの起き上がりの変形がエネルギーの蓄積を担う。その際に、そのエネルギー蓄積の原因となった電流を担っている伝導電子は、創発電場による電圧降下を検知するのである。 The ordered spins in FIG. 2A are fixed at positions, for example, at lattice points (atoms, etc.) not shown. At a certain time, the ordered spins at each position are oriented in a certain plane (xy plane), and when the direction is traced in a direction perpendicular to the plane (the direction of the z axis), it rotates in the xy plane in proportion to the distance. When the direction of the spins goes around once in the direction of this helical axis with a positional period of 2λ, the wave number Q of the helical structure can be determined as Q = 2π/(2λ). Note that λ for half a turn is the distance required for the spin to be reversed, and corresponds to the thickness of the domain wall that separates two adjacent magnetic domains in the ferromagnetic order. The inventors have found that in an arrangement in which an alternating current that varies with time flows in the z-axis direction, which is the direction of the helical axis, a voltage drop occurs efficiently due to the emergent electric field. When such a current flows, the current itself also deforms due to interaction with the conduction electrons. A typical example of this is the deformation of the spin structure that occurs as a result of interaction with conduction electrons, as shown in Figure 2B; specifically, the rising of ordered spins in the z-axis direction (perpendicular to the plane). In conventional inductor elements, the action of storing energy as magnetic field energy appears as a voltage drop (Equation (1)), whereas in the inductor element of this embodiment, the deformation of the rising of the localized spins in the helical structure is responsible for storing energy. At that time, the conduction electrons that carry the current that caused the energy storage detect the voltage drop due to the emergent electric field.

図3に示すインダクター素子10は、内部に非共線スピン構造を備える金属媒体2を備えている。スピン構造がらせん構造であれば、最も典型的には、そのらせん構造の波数Qの方向であるz軸(図2A)にそって電流が導かれるように、金属媒体2の外形はz軸にそって延びるようになっている。金属媒体2には電流Iがその延びる向きに向かって流される。これにより、らせん構造(より一般には非共線スピン構造)の秩序スピンに対し、電流Iが創発電場を生じさせ、電流Iを担う伝導電子がそれを検知することとなる。電流Iの方向は、より一般には、非共線スピン構造によって電流から創発電場を生成できる任意の向きである。例えば、ある方向(図3においてz軸方向)にたどったときに局在スピンが非共線スピン構造をもつように空間的に配向しているものでは、金属媒体2の外形は、そこを流れる電流が非共線スピン構造を与えるz軸の方向に射影した成分をもつように形成される。図3には、例示として、図2に示したらせん構造の非共線スピン構造をもつような金属媒体2を採用したインダクター素子10の構成を描いており、図2に示したスピンの向きを示す矢印は示していないが、スピンが含まれている円盤4の表現を描いている。金属媒体2は少なくとも局所的には断面積Sと長さlをもっておりこの断面積を横切るように長さlにわたって電流Iが流される。インダクター素子10は一般には電気回路に接続されるため、電流Iはその電気回路がインダクター素子10に流す電流である。なお、図3では金属媒体2は直方体に描いているが、非共線スピン構造との上記関係が満たされる限り任意の形状や形態を取ることができ、例えば薄膜、フィルム、配線とすることができ、他の任意のパターンや外形形状をもちうる。 The inductor element 10 shown in FIG. 3 includes a metallic medium 2 having a non-collinear spin structure therein. If the spin structure is a helical structure, the contour of the metallic medium 2 is most typically designed to extend along the z-axis (FIG. 2A) so that a current is conducted along the z-axis, which is the direction of the wave number Q of the helical structure. A current I is passed through the metallic medium 2 in the direction of its extension. As a result, the current I generates an emergent electric field for the ordered spins of the helical structure (more generally, the non-collinear spin structure), which is detected by the conduction electrons carrying the current I. More generally, the direction of the current I is any direction in which an emergent electric field can be generated from the current by the non-collinear spin structure. For example, in a case where the localized spins are spatially oriented to have a non-collinear spin structure when traced in a certain direction (z-axis direction in FIG. 3), the contour of the metallic medium 2 is formed so that the current flowing therethrough has a component projected in the direction of the z-axis that gives the non-collinear spin structure. FIG. 3 illustrates, as an example, the configuration of an inductor element 10 that employs a metallic medium 2 having a non-collinear spin structure of a helical structure as shown in FIG. 2. Although the arrows indicating the direction of the spin as shown in FIG. 2 are not shown, a representation of a disk 4 containing spin is illustrated. The metallic medium 2 has at least a local cross-sectional area S and a length l, and a current I is passed across the cross-sectional area over the length l. Since the inductor element 10 is generally connected to an electric circuit, the current I is the current passed through the inductor element 10 by the electric circuit. Note that, although the metallic medium 2 is depicted as a rectangular parallelepiped in FIG. 3, it can have any shape or form as long as the above relationship with the non-collinear spin structure is satisfied, and can be, for example, a thin film, a film, or a wiring, or can have any other pattern or external shape.

本発明者は、伝導電子とスピン構造が相互作用することによってスピン構造にどの程度の変形が生じるかを見積もることより、インダクター素子10が持ちうるインダクタンスを算出した(特許文献1)。その結果、

Figure 0007560871000002
との関係を見いだした。ただし、h-barはプランク定数を2πで割った値、lは長さ、eは電荷素量、λはスピンの向きが一周する周期の1/2、Sは断面積である。つまり、インダクター素子のインダクタンスLの値は、
Figure 0007560871000003
となって、従来と全く異なるサイズに関するスケーリング則を示す。断面積Sに対するインダクタンス値の依存性をみると、従来は式(1)に示したようにLがSに比例しているのに対し、本実施形態のインダクター素子では式(3)に表れているようにLがSに反比例している。つまり、本実施形態の原理で動作するインダクター素子は、断面積Sを小さくすることでLを増大できる、という素子の微細化に対し極めて好ましい性質を生まれながらに備えている。この性質は、らせん構造のみならず、他の非共線スピン構造においても同様である。 The inventors calculated the inductance that the inductor element 10 can have by estimating the degree of deformation that occurs in the spin structure due to the interaction between the conduction electrons and the spin structure (Patent Document 1).
Figure 0007560871000002
Here, h-bar is the Planck constant divided by 2π, l is the length, e is the elementary charge, λ is half the period of one revolution of the spin direction, and S is the cross-sectional area. In other words, the value of the inductance L of an inductor element is
Figure 0007560871000003
which shows a scaling law regarding size that is completely different from the conventional one. Looking at the dependency of the inductance value on the cross-sectional area S, whereas in the conventional case, L is proportional to S as shown in formula (1), in the inductor element of this embodiment, L is inversely proportional to S as shown in formula (3). In other words, the inductor element that operates according to the principle of this embodiment is inherently endowed with a property that is extremely favorable for miniaturization of elements, that is, L can be increased by reducing the cross-sectional area S. This property is true not only for the helical structure, but also for other non-collinear spin structures.

2.非共線スピン構造をもつ材料群
本実施形態のインダクター素子10を実現しうる材質として、本発明者はすでにGdRuAl12が有力であることを開示している(非特許文献2)。ただし、その動作温度範囲は20K未満であり、より実用的な温度範囲においてインダクター素子10に採用しうる金属媒体2が求められている。
2. Materials with non-collinear spin structures The present inventors have already disclosed that Gd3Ru4Al 12 is a promising material for realizing the inductor element 10 of this embodiment (Non-Patent Document 2). However, its operating temperature range is below 20K, and there is a demand for a metallic medium 2 that can be used in the inductor element 10 in a more practical temperature range.

本実施形態では、一般に、非共線スピン構造をとる物質を採用することができる。非共線スピン構造は、ジャロシンスキー・守谷相互作用に代表されるスピン軌道相互作用によって強磁性秩序から変調を生じた局在スピンのスピン構造で、例えばらせん構造など上述したものから選択される。このような物質は、典型的には遷移金属を含む合金から選択できる。スピン軌道相互作用とは別の生成メカニズムであるRKKY相互作用の結果として局在スピン間に非共線スピン構造を実現する物質も採用する事ができる。さらに、非共線スピン構造は、磁気的フラストレーションによっても局在スピン間に実現され、そのような物質群からも本実施形態のインダクター素子に適する材質を選択することができる。 In this embodiment, generally, a material having a non-collinear spin structure can be used. The non-collinear spin structure is a spin structure of localized spins that is modulated from the ferromagnetic order by spin-orbit interaction, such as the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, and is selected from the above-mentioned structures, such as the helical structure. Such a material can typically be selected from alloys containing transition metals. It is also possible to use a material that realizes a non-collinear spin structure between localized spins as a result of the RKKY interaction, which is a generation mechanism other than the spin-orbit interaction. Furthermore, a non-collinear spin structure can also be realized between localized spins by magnetic frustration, and a material suitable for the inductor element of this embodiment can be selected from such a group of materials.

そこで本発明者は非共線スピン構造を持ちうる材料を鋭意探索し、GdRuAl12に加え、マンガン化合物、組成式RMnで与えられる金属媒体がインダクター素子100のための金属媒体2として有望であることを見いだした。ただし、RはMg(マグネシウム)、Sc(スカンジウム)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Lu(ルテチウム)、およびHf(ハウニウム)からなる群から選択される少なくとも一つの元素、XはSn(スズ)、Ge(ゲルマニウム)からなる群から選択される少なくとも一つの元素である。表1に、これらの組成式を示す。また、表2に、各材料についての典型的なスピン構造を示している。ただし、表2に示すスピン構造は、外部磁場が0で、それぞれが異なる温度での典型的な磁気秩序を示した、非限定的なものである。例えばコリニア(collinear)と記しているものでも、非共線スピン構造を別の条件で取る場合がある。

Figure 0007560871000004
Figure 0007560871000005
Therefore, the present inventors have intensively searched for materials that can have a non-collinear spin structure, and have found that, in addition to Gd 3 Ru 4 Al 12 , a manganese compound, a metal medium given by the composition formula RMn 6 X 6, is promising as the metal medium 2 for the inductor element 100. Here, R is at least one element selected from the group consisting of Mg (magnesium), Sc (scandium), Y (yttrium), Zr (zirconium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy (dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Lu (lutetium), and Hf (haunium), and X is at least one element selected from the group consisting of Sn (tin) and Ge (germanium). Table 1 shows these composition formulas. Table 2 also shows typical spin structures for each material. However, the spin structures shown in Table 2 are non-limiting, showing typical magnetic orders at different temperatures with an external magnetic field of 0. For example, even if something is described as collinear, it may have a non-collinear spin structure under different conditions.
Figure 0007560871000004
Figure 0007560871000005

また、図4は、本実施形態における非共線スピン構造の典型例を示す説明図であり、典型的ならせん構造、強磁性スパイラル(ferromagnetic spiral)、傾斜らせん(skewed spiral)、反強磁性スパイラル(anti-ferromagnetic skewed spiral)を示す。ここでは、典型的な材料における結晶軸(a軸、b軸、c軸)のうち、c軸に関して非共線スピン構造を取る場合のスピンの配向が矢印により示されている。これら以外にも、distorted spiral、サイクロイダル構造、ファン構造といった各種の非共線スピン構造が報告されており、いずれも本実施形態のインダクター素子のために採用することができる。 Figure 4 is an explanatory diagram showing typical examples of non-collinear spin structures in this embodiment, showing typical spiral structures, ferromagnetic spiral, skewed spiral, and anti-ferromagnetic skewed spiral. Here, the arrows indicate the orientation of spins when a non-collinear spin structure is formed with respect to the c-axis among the crystal axes (a-axis, b-axis, c-axis) in a typical material. In addition to these, various non-collinear spin structures such as distorted spiral, cycloidal structure, and fan structure have been reported, and any of these can be adopted for the inductor element of this embodiment.

3.実施例
本実施形態の実施例として、上述の材料群のうち、特にYMnSnについて、インダクタンス特性に対応する性質を調査した。なお、YMnSnは組成式RMnにおいて、RをY、XをSnとするものである。
3. Examples As examples of this embodiment, the properties corresponding to the inductance characteristics were investigated for the above-mentioned material group, particularly for YMn 6 Sn 6. Note that YMn 6 Sn 6 has a composition formula of RMn 6 X 6 , where R is Y and X is Sn.

YMnSnは調査されており、空間群P6/mmmの対称性を持つ結晶構造つまりMgFeGeタイプの結晶構造をもち、磁性元素であるMnがカゴメ格子をなしている(非特許文献3)。また、非特許文献3には、外部磁場、温度に関するYMnSnの磁気秩序(スピン構造)の相図も報告されており、インダクター素子のために利用するほぼゼロの外部磁場において、高い温度(333K、つまり約60℃)程度のネール温度Tを持ちうることも示唆されている。なお、ゼロ付近の外部磁場において、YMnSnはdistorted spiral(DS)と呼ばれる磁気秩序を示す(非特許文献3、非特許文献4)。これは、Mnの束縛3d電子のスピンによる磁気モーメントが、結晶のc軸上で進むにつれて、単純ならせんから歪みを持つような秩序であり、非共線スピン構造の一例である。本発明者は、ネール温度Tが高い本材料が、本実施形態のインダクター素子の実施に適するものと見込み、結晶を作製して電圧電流特性を詳細に調査した。 YMn 6 Sn 6 has been investigated and has a crystal structure with symmetry of space group P6/mmm, that is, a MgFe 6 Ge 6 type crystal structure, in which the magnetic element Mn forms a kagome lattice (Non-Patent Document 3). In addition, Non-Patent Document 3 also reports a phase diagram of the magnetic order (spin structure) of YMn 6 Sn 6 with respect to external magnetic field and temperature, and suggests that it may have a high Neel temperature T N of about 333 K, i.e., about 60° C., in an external magnetic field of nearly zero used for an inductor element. In addition, in an external magnetic field near zero, YMn 6 Sn 6 exhibits a magnetic order called distorted spiral (DS) (Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4). This is an order in which the magnetic moment due to the spin of the bound 3d electrons of Mn becomes distorted from a simple spiral as it progresses along the c-axis of the crystal, and is an example of a non-collinear spin structure. The inventors anticipated that this material, which has a high Neel temperature T N , would be suitable for implementing the inductor element of this embodiment, and prepared crystals to investigate the voltage-current characteristics in detail.

図5は、本実施形態においてインダクター素子10のサンプルのSEM(走査型電子顕微鏡)像である。インダクター素子サンプル110ではYMnSnの厚み4.8 μm、幅9.3μm、長さ37.2μmの直方体に形成したものを金属媒体102とした。なお、電極間距離は、電圧端子の端子幅などがあるため、25.0μmである。具体的には、シリコン基板に収束イオンビームによるマイクロサンプリング法により矩形のYMnSnを形成した。さらに、金属媒体102の両短辺(全幅)と両長辺(各辺において電極間距離6.5μmとなる位置)にはタングステンによる電極114~128を形成した。各電極には、外部回路との接続のための金薄膜配線134、136、142、144、146、148を接続している。具体的には、金薄膜配線134、136、142、144、146、148は、電子ビーム蒸着法により成膜し、UVリソグラフィーとリフトオフ法によりパターニングした。また、電極114~128は、収束イオンビームアシスト蒸着法により、金薄膜配線134、136、142、144、146、148と金属媒体102とをつなぐように形成した。短辺のものはインダクター素子サンプル110に電流を流す駆動電極114、116、長辺のものは、長さ方向での電圧降下を計測するためのプローブ電極122、124、126、128である。 FIG. 5 is a SEM (scanning electron microscope) image of a sample of the inductor element 10 in this embodiment. In the inductor element sample 110, YMn 6 Sn 6 was formed into a rectangular parallelepiped with a thickness of 4.8 μm, a width of 9.3 μm, and a length of 37.2 μm to form the metal medium 102. The distance between the electrodes was 25.0 μm due to the terminal width of the voltage terminal. Specifically, a rectangular YMn 6 Sn 6 was formed on a silicon substrate by a microsampling method using a focused ion beam. Furthermore, electrodes 114 to 128 made of tungsten were formed on both short sides (full width) and both long sides (positions where the distance between the electrodes is 6.5 μm on each side) of the metal medium 102. Gold thin film wiring 134, 136, 142, 144, 146, and 148 for connection to an external circuit are connected to each electrode. Specifically, the gold thin film wirings 134, 136, 142, 144, 146, and 148 were formed by electron beam deposition and patterned by UV lithography and lift-off. The electrodes 114 to 128 were formed by focused ion beam assisted deposition so as to connect the gold thin film wirings 134, 136, 142, 144, 146, and 148 to the metal medium 102. The electrodes on the short sides are the drive electrodes 114 and 116 that pass a current through the inductor element sample 110, and the electrodes on the long sides are the probe electrodes 122, 124, 126, and 128 for measuring the voltage drop in the longitudinal direction.

測定対象は、駆動電極114、116間に交流電流を印加した状態での、プローブ電極122、124間、またはプローブ電極126、128間での電圧降下である。電圧降下は、印加した交流電流のものと同一周波数の成分を測定している。測定値は、金属媒体102の形状に基づいて複素比抵抗(複素体積抵抗率)ρに換算した。 The measurement subject is the voltage drop between probe electrodes 122 and 124, or between probe electrodes 126 and 128, when an AC current is applied between drive electrodes 114 and 116. The voltage drop is measured as the component with the same frequency as that of the applied AC current. The measurement value is converted to complex resistivity (complex volume resistivity) ρ based on the shape of the metal medium 102.

図6A、Bはインダクター素子サンプル110の300Kでの測定結果を示すグラフであり、c軸に垂直方向の外部磁場に対する、周波数500Hzにおける複素比抵抗ρの依存性(図6A)および外部磁場がない場合(磁束密度0T)のインダクタンスLの周波数依存性(図6B)である。図6Aは、300Kの温度で、印加電流を11mA(電流密度2.5×10A/m)として測定したものである。まず、外部磁場が強い環境では複素比抵抗ρの虚数成分は生じない。外部磁場が、絶対値で約4T程度の磁束密度を持つ程度に弱まると虚数成分が生じ始め、その絶対値が約4Tから1.5T程度の磁束密度では正の虚数成分を持つ。そして、虚数成分は、外部磁場が絶対値が1.5T程度の磁束密度で急減して負の値になり、0T付近で負の値をもつ。強い外部磁場での振る舞いは、非特許文献3において、300Kの温度で強い外部磁場では磁気モーメントすべてが外部磁場方向に揃う強制強磁性秩序(Forced Ferromagnetic order; FF)となること、そこから磁場を弱めるにつれてTCL(transverse conical spiral)構造、さらにDS、と磁気秩序が遷移すると報告されていることと矛盾しない。さらに、FFは、スピン構造がパラレルになっているので共線スピン構造(colinear spin structure)であり、本発明者の解析ではインダクタンスを持たない。これが、図6Aに電気抵抗率ρの虚数成分が0となって現われている。これに対し、TCLとDSの磁気秩序は非共線スピン構造であり、複素比抵抗ρの虚数成分が非0となってインダクタンスが生じていることも、本発明者の解析と合致している。 6A and 6B are graphs showing the measurement results of the inductor element sample 110 at 300K, showing the dependence of the complex resistivity ρ at a frequency of 500 Hz on the external magnetic field perpendicular to the c-axis (FIG. 6A) and the frequency dependence of the inductance L in the absence of an external magnetic field (magnetic flux density 0 T) (FIG. 6B). FIG. 6A shows measurements at a temperature of 300K and an applied current of 11 mA (current density 2.5×10 8 A/m 2 ). First, in an environment with a strong external magnetic field, the imaginary component of the complex resistivity ρ does not occur. When the external magnetic field weakens to a level where it has a magnetic flux density of about 4 T in absolute value, the imaginary component begins to occur, and when the magnetic flux density has an absolute value of about 4 T to 1.5 T, it has a positive imaginary component. Then, the imaginary component suddenly decreases and becomes negative when the external magnetic field has a magnetic flux density of about 1.5 T in absolute value, and has a negative value near 0 T. The behavior in a strong external magnetic field is consistent with the report in Non-Patent Document 3 that at a temperature of 300K, in a strong external magnetic field, all magnetic moments are aligned in the direction of the external magnetic field, resulting in a forced ferromagnetic order (FF), and that as the magnetic field is weakened, the magnetic order transitions to a transverse conical spiral (TCL) structure and then to a DS structure. Furthermore, since the spin structure of the FF is parallel, it is a collinear spin structure, and the inventor's analysis shows that it has no inductance. This is shown in FIG. 6A, where the imaginary component of the electrical resistivity ρ is 0. In contrast, the magnetic orders of the TCL and DS are non-collinear spin structures, and the imaginary component of the complex resistivity ρ is non-zero, which also coincides with the inventor's analysis.

図6Bには、外部磁場がない場合(磁束密度0T)に、印加電流を16mA(電流密度3.3×10A/m)として測定したインダクタンスの周波数特性を示す。実際に、上限を10kHz程度とする低周波領域において、インダクタンスLが実際に観測されている。そのインダクタンスの値は、105Hzで約-2μH程度である。 6B shows the frequency characteristics of inductance measured when there is no external magnetic field (magnetic flux density 0 T) and an applied current of 16 mA (current density 3.3×10 8 A/m 2 ). In fact, inductance L is actually observed in the low frequency region with an upper limit of about 10 kHz. The inductance value is about -2 μH at 105 Hz.

図7は、インダクター素子サンプル110において温度を10K~350Kまで変化させて測定したインダクタンスの周波数特性であり、各温度の測定結果をその温度の105Hzにおけるインダクタンスで規格化して示している。いずれの曲線も、1kHz程度より高周波側では、高周波になるにつれて単調にインダクタンスが低下している。ただし、10K、20K程度の低温では、その周波数増大でのインダクタンスの低下が、それらの温度より高温の場合に比べてより緩やかである。しかし、350K程度の高温までインダクタンスが観測された。このように、YMnSnのサンプルでは、300Kを超す温度でのインダクタンスが生じることを実証した。 7 shows the frequency characteristics of inductance measured at inductor element sample 110 while changing the temperature from 10K to 350K, and the measurement results at each temperature are shown normalized by the inductance at 105Hz at that temperature. In each curve, the inductance decreases monotonically as the frequency increases on the high frequency side above about 1kHz. However, at low temperatures of about 10K and 20K, the decrease in inductance with increasing frequency is more gradual than at temperatures higher than those temperatures. However, inductance was observed up to a high temperature of about 350K . In this way, it was demonstrated that in the YMn6Sn6 sample, inductance occurs at temperatures above 300K.

なお、インダクター素子サンプル110のサイズや質量は、極めて小型である。上記サンプルの金属媒体102のもつ電極間距離を考慮した実効体積は、
4.8μm×9.3μm×25.0μm=11×10-7mm
であり、その質量は890nグラムつまり0.000001g以下である。このサイズで、約-2μHのインダクタンスが得られている。インダクター素子サンプル110は、従来技術での最小サイズ(0.6×0.3×0.3mm=54×10-3mm)製品と比較して4桁以上の小さいサイズで、10倍以上の大きさのインダクタンス値を実現している。
The size and mass of the inductor element sample 110 are extremely small. The effective volume of the metal medium 102 of the sample, taking into account the distance between the electrodes, is given by:
4.8 μm x 9.3 μm x 25.0 μm = 11 x 10 -7 mm 3
and its mass is 890 ngrams, or less than 0.000001 g. At this size, an inductance of approximately -2 μH is obtained. Inductor element sample 110 is four orders of magnitude smaller than the minimum size product (0.6×0.3×0.3 mm 3 =54×10 -3 mm 3 ) of the prior art, and achieves an inductance value that is ten times larger.

4.確認されたインダクタンスの利用
本実施形態において実測された負のインダクタンスは、回路の周波数特性を所望の特性に調整する用途に適している。従来、回路に寄生インダクタンスが生じる場合には、インピーダンスの虚数成分において逆符号となるキャパシタンスによって寄生インダクタンス成分を直接的にキャンセルすることが行なわれている。これに対し、本実施形態では、計測された負のインダクタンスが実現するような条件を採用することにより、寄生インダクタンスとは逆符号となる負のインダクタンスが実現できる。このため、正の寄生インダクタンス成分をキャンセルすることが可能となる。
4. Use of Confirmed Inductance The negative inductance actually measured in this embodiment is suitable for applications in which the frequency characteristics of a circuit are adjusted to the desired characteristics. Conventionally, when parasitic inductance occurs in a circuit, the parasitic inductance component is directly cancelled by a capacitance that has an opposite sign in the imaginary component of the impedance. In contrast, in this embodiment, by adopting conditions that realize the measured negative inductance, a negative inductance that has an opposite sign to the parasitic inductance can be realized. This makes it possible to cancel the positive parasitic inductance component.

5.機器
本開示は、上述したインダクター素子を含む電気・電子回路を搭載する機器も含んでいる。上述した実施形態のインタクター素子は、例えば共振回路、フィルター回路を含む一般的な電気・電子回路のための基本素子として採用することができる。上述したインダクター素子が原理的に適用可能なものは特段限定されないが、これらの電子回路を含む一般の電気・電子機器を含み、産業用または家庭用を問わず、電気・電子機器、通信機器、オーディオ・ビジュアル機器、医療関係の電子機器を含んでいる。本開示で提供されるインダクター素子は軽量かつコンパクトに作製しうるため、補聴器、心臓ペースメーカー、およびMEMS(microelectromechanical systems)への適用も可能である。
5. Equipment The present disclosure also includes equipment that includes an electric/electronic circuit including the inductor element described above. The inductor element of the above-mentioned embodiment can be used as a basic element for general electric/electronic circuits including, for example, a resonant circuit and a filter circuit. The inductor element described above can be applied in principle to any device, including, but not limited to, general electric/electronic devices including these electronic circuits, and includes electric/electronic devices, communication devices, audio/visual devices, and medical electronic devices, whether for industrial or home use. The inductor element provided in the present disclosure can be manufactured to be lightweight and compact, and therefore can also be applied to hearing aids, cardiac pacemakers, and MEMS (microelectromechanical systems).

以上、本開示の実施形態を具体的に説明した。上述の実施形態、変形例および実施例は、本開示において開示される発明を説明するために記載されたものであり、本開示の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。実施形態の他の組合せを含む本開示の範囲内に存在する変形例もまた、請求の範囲に含まれるものである。 The above describes the embodiments of the present disclosure in detail. The above-mentioned embodiments, modifications, and examples are described in order to explain the invention disclosed in this disclosure, and the scope of the invention of this disclosure should be determined based on the description of the claims. Modifications that exist within the scope of this disclosure, including other combinations of the embodiments, are also included in the claims.

国際出願番号PCT/JP2019/030236(国際公開第2020/027268号)およびその優先権基礎出願である特願2018-145483の内容は、そこに開示されるすべてをここに引用することにより本出願の開示の一部をなすものとする。 The contents of International Application No. PCT/JP2019/030236 (International Publication No. 2020/027268) and its priority application, Japanese Patent Application No. 2018-145483, are hereby incorporated by reference in their entirety as part of the disclosure of this application.

本開示は、インダクター素子を回路に含む任意の装置に使用可能である。 This disclosure can be used in any device that includes an inductor element in its circuit.

10 インダクター素子
2 金属媒体
4 円盤(非共線スピン構造を示す)
110 インダクター素子サンプル
102 金属媒体
114、116、122、124、126、128 電極
134、136、142、144、146、148 金薄膜配線
10 inductor element 2 metallic medium 4 disk (exhibiting non-collinear spin structure)
110 Inductor element sample 102 Metal medium 114, 116, 122, 124, 126, 128 Electrodes 134, 136, 142, 144, 146, 148 Gold thin film wiring

Claims (4)

ある方向にたどったときに非共線スピン構造をもつように秩序スピンが空間的に配向している組成式RMnで与えられる金属媒体を備え、ここで、
RはMg、Sc、Y、Zr、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、およびHfからなる群から選択される少なくとも一つの元素、
XはSn、Geからなる群から選択される少なくとも一つの元素であり、
電流が該方向の射影成分をもつように該金属媒体を流されるインダクター素子。
A metallic medium having a composition of formula RMn6X6 in which ordered spins are spatially oriented to have a non-collinear spin structure when traced in a direction, wherein:
R is at least one element selected from the group consisting of Mg, Sc, Y, Zr, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, and Hf;
X is at least one element selected from the group consisting of Sn and Ge;
An inductor element in which a current is caused to flow through said metallic medium such that the current has a projected component in said direction.
前記RはYであり、前記XはSnである、請求項1に記載のインダクター素子。 The inductor element of claim 1, wherein R is Y and X is Sn. 前記金属媒体が負のインダクタンスを示すものである、請求項1に記載のインダクター素子。 The inductor element of claim 1, wherein the metallic medium exhibits negative inductance. 請求項1~3のいずれか1項に記載のインダクター素子を含む機器。 A device including an inductor element according to any one of claims 1 to 3.
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