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発表・掲載日:2015/12/14

磁気抵抗素子を用いたマイクロ波発振器の周波数を安定化

-スピントルク発振素子の実用化が大きく前進-

ポイント

  • 強磁性トンネル接合を用いたスピントルク発振素子に特化した位相同期回路を開発
  • 発振周波数の揺らぎを測定限界以下にまで低減
  • 超小型電圧制御型発振器としての実用化に期待


概要

 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 田丸 慎吾 招へい研究員、同研究センター 久保田 均 総括研究主幹、福島 章雄 副研究センター長は、スピントルク発振素子の周波数を安定化するため、スピントルク発振素子の特性にあわせた位相同期回路(PLL)を開発し、安定したマイクロ波発振を実現した。

 スピントルク発振素子は、直流電圧を加えることによりマイクロ波を発振できるナノメートルサイズの磁気抵抗デバイスである。今回、開発した位相同期回路により153 MHzの低い周波数の基準信号により7.344 GHzの高い発振周波数の揺らぎを抑制し、スペクトル線幅を測定限界値(1 Hz)以下にまで低減できた。発振周波数が数GHz以上の場合、単一のスピントルク発振素子のスペクトル線幅は、産総研が実現した約3 MHzがこれまで最小であったが、今回開発した位相同期回路により周波数安定性が飛躍的に向上した。今回の成果により、スピントルク発振素子の電圧制御型発振器としての実用化が加速すると期待される。

 なお、この成果は、Nature Publishing Groupの学術誌Scientific Reportsオンライン版で近く公開される。

開発した位相同期回路の写真とマイクロ波発振器の発振スペクトルの図
開発した位相同期回路の写真とマイクロ波発振器の発振スペクトル


開発の社会的背景

 近年、携帯電話、無線LANなどのマイクロ波帯の無線通信が広く普及している。これらのデバイスでは、半導体素子と共振器からなる電圧制御型発振器が使われている。しかし、共振器は数百マイクロメートルとサイズが大きく、集積化、低コスト化の面で課題がある。これに対して、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から構成されており、共振器が不要であるため、従来の電圧制御型発振器に比べて非常に小型の発振器として期待されている。しかし、これまでは発振周波数の安定性が低くスピントルク発振素子の実用化には至っていなかった。

研究の経緯

 産総研は、磁気メモリーの開発で培ったスピントロニクス素子技術を応用してスピントルク発振素子の薄膜材料技術、微細素子構造作製技術の開発を進めてきた。スピントルク発振素子を実用化するには、発振出力の高出力化と発振周波数の高安定化の両立が必須である。そのため、発振出力が高い強磁性トンネル接合素子をベースに、発振周波数の安定化を目指している。これまでに、スピントルク発振素子としては当時世界最高の発振出力、また、単一素子で当時世界最高の周波数安定性を実現してきた(2008年8月28日産総研プレス発表2014年1月8日産総研プレス発表)。

 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。

研究の内容

 今回、スピントルク発振素子を電圧制御型発振器とするため、スピントルク発振素子の発振特性の改善とスピントルク発振素子に適合した位相同期回路の開発を行った。スピントルク発振素子には、約1ナノメートルの極薄MgO層絶縁体と、鉄を含むアモルファス合金強磁性層を組み合わせた強磁性トンネル接合を用いた。このMgO層と強磁性層との界面では、界面に垂直な方向にスピンが向く性質があり、この性質を利用してスピンの歳差運動の軌道を安定化させた。このスピントルク発振素子は、加える電圧を高くすると発振周波数が低くなる。図1に位相同期回路の模式図と写真を示す。この位相同期回路は、スピントルク発振素子の発振周波数を1/48にして、その位相を153 MHzの周波数の基準信号の位相と比較し、スピントルク発振素子に加える電圧にフィードバックして位相を調整する機能を持つ。また、フィードバック信号に含まれる高周波のノイズによってスピントルク発振素子の発振が乱されることを防ぐ機能も付加して発振周波数の高安定化を実現した。

開発した位相同期回路を含む電圧制御型スピントルク発振器の回路模式図
(a)
 
開発した位相同期回路を含む電圧制御型スピントルク発振器の写真
(b)
図1 開発した位相同期回路を含む電圧制御型スピントルク発振器の (a)回路模式図、(b)写真

 図2に今回開発したマイクロ波発信器の発振スペクトルを示す。発振の中心周波数は、7.344 GHzである。発振周波数の揺らぎを示すスペクトル線幅が非常に小さく、測定器の測定限界である1 Hz以下であり、高い周波数安定性が得られている。

開発したマイクロ波発信器の発振スペクトルの図
図2 開発したマイクロ波発信器の発振スペクトル

今後の予定

 今後は、さらに磁気抵抗素子の発振特性の向上、特に周波数の電圧による制御性を向上し、併せて位相同期回路の周波数特性を改善して、電圧制御型発振器としての性能の向上を図る。スピントルク発振素子を電圧制御型発振器として実用化し、安価で小型のマイクロ波発振器の実現を目指す。



用語の説明

◆スピントルク発振素子
磁気抵抗デバイスを微細加工プロセスによって形成した微小な素子。この素子に直流電流を流すと、電子が持つ磁石の性質により、素子に含まれる強磁性体中のスピンが歳差運動をおこし、素子の両端には交流電圧が生じる。半導体素子とは異なり、スピントルク発振素子は共振器や周波数を高めるための回路などを必要とせず、マイクロ波帯の交流信号を直接発生させることができる。[参照元へ戻る]
◆位相同期回路(PLL)
周波数が低く安定な交流信号を基準として、高い周波数を持つ発振器の信号を安定化させる電子回路のこと。[参照元へ戻る]
◆マイクロ波
300メガヘルツ(MHz)~3テラヘルツ(THz)の周波数帯の交流信号のこと。携帯電話では900 MHz~2ギガヘルツ(GHz)の周波数が使われている。[参照元へ戻る]
◆磁気抵抗デバイス
強磁性体/非磁性体/強磁性体の積層薄膜を基本構造とし、強磁性体中の磁石(スピン)の向きによって抵抗値が変化する性質を持つ薄膜。一般的に磁気トンネル接合膜の方が大きな抵抗変化を示すことが知られている。[参照元へ戻る]
◆スペクトル線幅
周波数の安定性を示す指標の一つ。スペクトル線幅が狭いほど周波数が安定であることを示す。[参照元へ戻る]
◆電圧制御型発振器
入力電圧により発振周波数を変化させることができる発振器のこと。[参照元へ戻る]
◆強磁性トンネル接合
磁気抵抗デバイスの一種であり、非磁性体が絶縁体からなるもの。産総研では、極薄MgOを用いた接合を2004年に開発している。[参照元へ戻る]
◆アモルファス合金
原子が不規則に配列された合金のこと。[参照元へ戻る]
◆歳差運動
コマの首振り運動のように、自ら回転している物の回転軸が円を描くように動く運動のこと。[参照元へ戻る]


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