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利用自旋电子技术实现超小型二极管和振荡器
Date:2014-02-17

日本大阪大学与产业技术综合研究所利用自旋电子技术,开发出了二极管灵敏度极高的超小型自旋转矩二极管(STD)注1)。产业技术综合研究所还利用构造与该STD基本相同的元件,开发出了性能达到实用化水平的自旋转矩振荡器(STO)。

    注1)二极管灵敏度是指向二极管施加交流电场时输出的正向直流电流强度。由于是在电阻值为定值(50Ω等)的基础上来测量输出电压,因此单位是V/W。

    自旋电子是通过控制电子的磁矩(自旋)来更加高效地控制电子流动的技术总称。迄今为止,业界已开发出多个采用薄型非磁性体层夹在两个磁性体层之间的磁性隧道结(MTJ,magnetictunneljuction)为基本构造的应用元件,部分元件已在推进实用化(图1)。

    图1自旋电子技术的主要用途

图1自旋电子技术的主要用途

    自旋电子技术已实用化的三种主要用途,和此次性能提高的两种主要用途。此次的自旋转矩二极管元件达到了现有半导体二极管灵敏度理论极限值4000V/W的3倍。

灵敏度大幅提高至27倍

    尽管STD及STO等很早以前就已经被开发出来,但性能明显低于现有元件,因此一直未能实用化。此次开发的STD直径非常小,仅为约120nm(图2)。因为由MTJ的其中一个磁性体层中的自旋构成的磁极会在交流电场的作用下进行岁差运动,所以元件的电阻值会发生变化,从而可对电流进行整流。

    图1自旋电子技术的主要用途

图2施加直流电流之后性能大幅提高

    大阪大学等开发的自旋转矩二极管(STD)的构成(a)与施加直流电流的作用和效果(b、c)。施加直流电流优化了磁极的岁差运动,使灵敏度达到了传统STD的约27倍、半导体二极管理论极限值4000V/W的3倍。(图片来源于大阪大学与产综研)

    2005年元件刚刚开发出来时,其灵敏度只有1.4V/W。2012年的试制品为440V/W,远远比不上半导体二极管。而此次的开发品为1.2万V/W,达到了半导体二极管产品最高值3800V/W的三倍以上,灵敏度大幅提高。

    此次的STD之所以能够实现高灵敏度,是因为通过向STD施加直流电流,优化了磁极岁差运动的轴倾斜角度。如果不施加电流,STD的灵敏度仅为630V/W,而沿着二极管的正方向通入0.3mA的直流电流之后,灵敏度就会大幅提高至1.2万V/W。

STO也达到了可实用化的程度

    另一方面,产综研还制作了构造与该STD基本相同的垂直磁化型STO,并获得了0.55μW的输出功率及130的Q值(图3)。产综研纳米自旋电子研究中心金属自旋电子小组研究组长久保田均表示,“已经接近于可用于STO磁头*的数值”。以前,STO的输出功率与Q值为此消彼长关系,存在的课题是如何同时提高两个值。

    图1自旋电子技术的主要用途

图3STO距离实用化还有一步之遥

    尽管自旋转矩振荡器(STO)以前一直无法摆脱Q值与振荡输出功率之间的此消彼长关系,但此次产综研制作的元件等同时提高了振荡输出功率和Q值,开始达到能够实用化的范围。(图(b)来源于产综研)

    *STO磁头=东芝正在开发的使用STO的高密度硬盘磁头。通过检测出STO振荡的频率在硬盘磁场的影响下发生的变化,来实现高S/N数据读取。

    STO还有采用“Sombrero型”构造的。尽管性能高于此次的STO,但元件为4μm宽,嵌入硬盘磁头的话尺寸太大。久保田称,此次的STO还不到其1/30,而且“性能在不断提高”


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