国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）スピントロニクス研究センター【研究センター長 湯浅 新治】金属スピントロニクスチーム 常木 澄人 研究員、薬師寺 啓 研究チーム長、同研究センター 久保田 均 総括研究主幹は、スピントルク発振素子の高周波出力を、10マイクロワット（μW）を超えるまでに向上させることに成功した。
スピントルク発振素子は、ナノメートルサイズの磁気抵抗素子に直流電流を流してマイクロ波を発生させる高周波発振器である。今回、磁気渦型の磁化構造をもつスピントルク発振素子（磁気渦型スピントルク発振素子）の磁気抵抗比を190 %まで向上させ、スピントルク発振素子として初めて10 μWを超える出力を達成した。これは無線通信などで一般的に用いられる水晶振動子に匹敵する高い出力である。小型で安価なスピントルク発振素子の実用化が一層加速され、高周波デバイスの小型化に貢献すると期待される。
なお、この成果の詳細は、米国の学術誌Applied Physics Lettersのオンライン版で近く公開される。
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スピントルク発振素子のマイクロ波出力の推移 |
近年、次世代無線通信機や車載レーダーなどの高周波デバイスの小型化と低価格化が求められている。これらの多くのデバイスでは基準信号源として水晶振動子が使われているが、周波数の安定度が非常に高い反面、デバイスサイズがミリメートルサイズと大きいことが高周波デバイスの小型化を阻んでいる。これに対して、スピントルク発振素子は、自励発振ができるため従来の発振器では不可欠だった共振器が不要になり、デバイスサイズをマイクロメートルサイズ以下に小型化できる。さらに、デバイス作製プロセスは既存の半導体製造プロセスとの整合性が高く、安価に製造できると見込まれる。これらのことから、スピントルク発振素子は、小型で安価な高性能次世代高周波信号源として期待されている。しかし、スピントルク発振素子は、高周波出力が小さい、発振周波数の安定性が低いといった課題があり、基本性能の向上が求められている。
産総研は、不揮発性磁気メモリー STT-MRAMの開発で培った薄膜材料技術、微細素子構造作製技術を応用し、スピントルク発振素子の実用化研究を行っている。スピントルク発振素子の実用化には、高周波の高出力化と発振周波数の高安定化の両立が必須であり、これらを目指して、高周波発振用磁気トンネル接合素子の開発をすすめてきた。これまでに産総研は、さまざまな成果を挙げており、世界トップレベルのスピントルク発振素子の研究開発を行っている。（2008年8月28日、2014年1月8日、2015年12月14日産総研プレス発表）
スピントルク発振素子の高周波出力は、実用上10 μW以上が必要とされるが、これまでは最大でも1 μW程度であった。今回、構造と材料の両面から高周波出力の高出力化を目指し、大きな磁気抵抗比を示す磁気トンネル接合素子の開発に取り組んだ。
なお、本研究開発の一部は、独立行政法人 日本学術振興会「科学研究費補助金基盤研究（S）／高周波スピントロニクスの研究（平成23～27年度）」による支援を受けて行った。
スピントルク発振素子の高周波出力は磁気抵抗比の2乗に比例するため、高出力化には磁気抵抗比の増大が有効である。約1ナノメートルの極薄の酸化マグネシウム絶縁体層と、鉄合金強磁性層を組み合わせ、強磁性層を4ナノメートルと厚くすると、図1の模式図に示すような渦巻き状の磁化構造（磁気渦）をもつ磁気渦型スピントルク発振素子となる。このタイプの素子は強磁性層が厚いため、大きな磁気抵抗比と高周波出力が得られやすい。今回、磁気渦型スピントルク発振素子の絶縁体層と鉄合金強磁性層の界面に結晶性の鉄コバルト合金層を挿入した。これにより、磁気抵抗比を従来の約2倍の190 %に増大させることができた。
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図1 今回開発した磁気渦型スピントルク発振素子の模式図 |
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矢印は磁化の向きを表す。磁気抵抗比を大きくするために、鉄合金層と絶縁体層との界面に鉄コバルト合金層を挿入した。 |
磁気渦型スピントルク発振素子に直流電流を流すと、図2(a)に示すように磁気渦中心が回転運動する。この回転運動が磁気抵抗効果によって電気信号に変換され、200メガヘルツ（MHz）程度の交流電圧が発生する。図2(b)に、今回作製した磁気渦型スピントルク発振素子の発振出力特性を示す。高周波出力は10.1 μW (電圧の振幅22 mVrms)であり、水晶振動子の発振出力に匹敵する。また、出力密度のスペクトル線幅は100キロヘルツ（kHz）程度であり、周波数安定性も高いことが分かった。
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図2 (a)スピントルク発振素子の高周波測定回路の模式図と、
(b)今回作製した磁気渦型スピントルク発振素子の出力信号 |
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電流を流すと、磁気渦中心が回転運動を始める。磁気渦中心の回転に伴って、電気抵抗が変化し、交流電圧が発生する。 |
従来の水晶振動子を発振回路に用いると、チップの基板への配置とチップと基板との配線が必要であり、基板は大面積が必要であった。これに対して、スピントルク発振素子には半導体発振素子などに用いられる共振回路が不要なので、発振素子をナノメートル単位のサイズに小型化できる。また、発振回路作成時の前工程で発振素子を作製でき、しかも配線がないためデバイスに必要な面積も小さくできる。そのため、磁気渦型スピントルク発振素子が実用化されれば、発振デバイスの大幅な小型化と低価格化が期待される（図3）。
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図3 発振回路にスピントルク発振素子を埋め込む利点と模式図 |
スピントルク発振素子の高周波特性をさらに向上させて、安価で小型の高周波発振器の実現を目指す。今後は実用に耐える程度に周波数安定性を向上させるとともに、開発が進められているハイエンド水晶振動子の周波数帯域である2-4 GHz帯域をターゲットに研究を行う。