利用自旋電子技術實現超小型二極體和振蕩器

2020-11-27 電子產品世界

日本大阪大學與產業技術綜合研究所利用自旋電子技術，開發出了二極體靈敏度極高的超小型自旋轉矩二極體（STD）注1）。產業技術綜合研究所還利用構造與該STD基本相同的元件，開發出了性能達到實用化水平的自旋轉矩振蕩器（STO）。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/328360.htm

注1）二極體靈敏度是指向二極體施加交流電場時輸出的正向直流電流強度。由於是在電阻值為定值（50Ω等）的基礎上來測量輸出電壓，因此單位是V/W。

自旋電子是通過控制電子的磁矩（自旋）來更加高效地控制電子流動的技術總稱。迄今為止，業界已開發出多個採用薄型非磁性體層夾在兩個磁性體層之間的磁性隧道結（MTJ，magnetictunneljuction）為基本構造的應用元件，部分元件已在推進實用化。

自旋電子技術已實用化的三種主要用途，和此次性能提高的兩種主要用途。此次的自旋轉矩二極體元件達到了現有半導體二極體靈敏度理論極限值4000V/W的3倍。

靈敏度大幅提高至27倍

儘管STD及STO等很早以前就已經被開發出來，但性能明顯低於現有元件，因此一直未能實用化。此次開發的STD直徑非常小，僅為約120nm。因為由MTJ的其中一個磁性體層中的自旋構成的磁極會在交流電場的作用下進行歲差運動，所以元件的電阻值會發生變化，從而可對電流進行整流。

大阪大學等開發的自旋轉矩二極體（STD）的構成（a）與施加直流電流的作用和效果（b、c）。施加直流電流優化了磁極的歲差運動，使靈敏度達到了傳統STD的約27倍、半導體二極體理論極限值4000V/W的3倍。（圖片來源於大阪大學與產綜研）

2005年元件剛剛開發出來時，其靈敏度只有1.4V/W。2012年的試製品為440V/W，遠遠比不上半導體二極體。而此次的開發品為1.2萬V/W，達到了半導體二極體產品最高值3800V/W的三倍以上，靈敏度大幅提高。此次的STD之所以能夠實現高靈敏度，是因為通過向STD施加直流電流，優化了磁極歲差運動的軸傾斜角度。如果不施加電流，STD的靈敏度僅為630V/W，而沿著二極體的正方向通入0.3mA的直流電流之後，靈敏度就會大幅提高至1.2萬V/W。

STO也達到了可實用化的程度

另一方面，產綜研還製作了構造與該STD基本相同的垂直磁化型STO，並獲得了0.55μW的輸出功率及130的Q值。產綜研納米自旋電子研究中心金屬自旋電子小組研究組長久保田均表示，「已經接近於可用於STO磁頭*的數值」。以前，STO的輸出功率與Q值為此消彼長關係，存在的課題是如何同時提高兩個值。

儘管自旋轉矩振蕩器（STO）以前一直無法擺脫Q值與振蕩輸出功率之間的此消彼長關係，但此次產綜研製作的元件等同時提高了振蕩輸出功率和Q值，開始達到能夠實用化的範圍。

*STO磁頭＝東芝正在開發的使用STO的高密度硬碟磁頭。通過檢測出STO振蕩的頻率在硬碟磁場的影響下發生的變化，來實現高S/N數據讀取。

STO還有採用「Sombrero型」構造的。儘管性能高於此次的STO，但元件為4μm寬，嵌入硬碟磁頭的話尺寸太大。久保田稱，此次的STO還不到其1/30，而且「性能在不斷提高」。

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