利用自旋電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)超小型二極管和振蕩器
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
日本大阪大學(xué)與產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所利用自旋電子技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了二極管靈敏度極高的超小型自旋轉(zhuǎn)矩二極管（STD）注1）。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所還利用構(gòu)造與該STD基本相同的元件，開(kāi)發(fā)出了性能達(dá)到實(shí)用化水平的自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器（STO）。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/328360.htm注1）二極管靈敏度是指向二極管施加交流電場(chǎng)時(shí)輸出的正向直流電流強(qiáng)度。由于是在電阻值為定值（50Ω等）的基礎(chǔ)上來(lái)測(cè)量輸出電壓，因此單位是V/W。
自旋電子是通過(guò)控制電子的磁矩（自旋）來(lái)更加高效地控制電子流動(dòng)的技術(shù)總稱。迄今為止，業(yè)界已開(kāi)發(fā)出多個(gè)采用薄型非磁性體層夾在兩個(gè)磁性體層之間的磁性隧道結(jié)（MTJ，magnetictunneljuction）為基本構(gòu)造的應(yīng)用元件，部分元件已在推進(jìn)實(shí)用化。
自旋電子技術(shù)已實(shí)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(zhuǎn)矩二極管元件達(dá)到了現(xiàn)有半導(dǎo)體二極管靈敏度理論極限值4000V/W的3倍。
靈敏度大幅提高至27倍
盡管STD及STO等很早以前就已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但性能明顯低于現(xiàn)有元件，因此一直未能實(shí)用化。此次開(kāi)發(fā)的STD直徑非常小，僅為約120nm。因?yàn)橛蒑TJ的其中一個(gè)磁性體層中的自旋構(gòu)成的磁極會(huì)在交流電場(chǎng)的作用下進(jìn)行歲差運(yùn)動(dòng)，所以元件的電阻值會(huì)發(fā)生變化，從而可對(duì)電流進(jìn)行整流。
大阪大學(xué)等開(kāi)發(fā)的自旋轉(zhuǎn)矩二極管（STD）的構(gòu)成（a）與施加直流電流的作用和效果（b、c）。施加直流電流優(yōu)化了磁極的歲差運(yùn)動(dòng)，使靈敏度達(dá)到了傳統(tǒng)STD的約27倍、半導(dǎo)體二極管理論極限值4000V/W的3倍。（圖片來(lái)源于大阪大學(xué)與產(chǎn)綜研）
2005年元件剛剛開(kāi)發(fā)出來(lái)時(shí)，其靈敏度只有1.4V/W。2012年的試制品為440V/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上半導(dǎo)體二極管。而此次的開(kāi)發(fā)品為1.2萬(wàn)V/W，達(dá)到了半導(dǎo)體二極管產(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)高靈敏度，是因?yàn)橥ㄟ^(guò)向STD施加直流電流，優(yōu)化了磁極歲差運(yùn)動(dòng)的軸傾斜角度。如果不施加電流，STD的靈敏度僅為630V/W，而沿著二極管的正方向通入0.3mA的直流電流之后，靈敏度就會(huì)大幅提高至1.2萬(wàn)V/W。
STO也達(dá)到了可實(shí)用化的程度
另一方面，產(chǎn)綜研還制作了構(gòu)造與該STD基本相同的垂直磁化型STO，并獲得了0.55μW的輸出功率及130的Q值。產(chǎn)綜研納米自旋電子研究中心金屬自旋電子小組研究組長(zhǎng)久保田均表示，“已經(jīng)接近于可用于STO磁頭*的數(shù)值”。以前，STO的輸出功率與Q值為此消彼長(zhǎng)關(guān)系，存在的課題是如何同時(shí)提高兩個(gè)值。
盡管自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器（STO）以前一直無(wú)法擺脫Q值與振蕩輸出功率之間的此消彼長(zhǎng)關(guān)系，但此次產(chǎn)綜研制作的元件等同時(shí)提高了振蕩輸出功率和Q值，開(kāi)始達(dá)到能夠?qū)嵱没姆秶?/span>
*STO磁頭＝東芝正在開(kāi)發(fā)的使用STO的高密度硬盤磁頭。通過(guò)檢測(cè)出STO振蕩的頻率在硬盤磁場(chǎng)的影響下發(fā)生的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)高S/N數(shù)據(jù)讀取。
STO還有采用“Sombrero型”構(gòu)造的。盡管性能高于此次的STO，但元件為4μm寬，嵌入硬盤磁頭的話尺寸太大。久保田稱，此次的STO還不到其1/30，而且“性能在不斷提高”。
評(píng)論