利用自旋電子技術(shù)實(shí)現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矩二極管（STD）注1）。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所還利用構造與該STD基本相同的元件，開(kāi)發(fā)出了性能達到實(shí)用化水平的自旋轉矩振蕩器（STO）。
本文引用地址：http://dyxdggzs.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度。由于是在電阻值為定值（50Ω等）的基礎上來(lái)測量輸出電壓，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(chēng)。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（MTJ，magnetictunneljuction）為基本構造的應用元件，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。此次的自旋轉矩二極管元件達到了現有半導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。因為由MTJ的其中一個(gè)磁性體層中的自旋構成的磁極會(huì )在交流電場(chǎng)的作用下進(jìn)行歲差運動(dòng)，所以元件的電阻值會(huì )發(fā)生變化，從而可對電流進(jìn)行整流。
大阪大學(xué)等開(kāi)發(fā)的自旋轉矩二極管（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(yōu)化了磁極的歲差運動(dòng)，使靈敏度達到了傳統STD的約27倍、半導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，遠遠比不上半導體二極管。而此次的開(kāi)發(fā)品為1.2萬(wàn)V/W，達到了半導體二極管產(chǎn)品最高值3800V/W的三倍以上，靈敏度大幅提高。此次的STD之所以能夠實(shí)現高靈敏度，是因為通過(guò)向STD施加直流電流，優(yōu)化了磁極歲差運動(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(zhù)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也達到了可實(shí)用化的程度
另一方面，產(chǎn)綜研還制作了構造與該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(cháng)久保田均表示，“已經(jīng)接近于可用于STO磁頭*的數值”。以前，STO的輸出功率與Q值為此消彼長(cháng)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(cháng)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)始達到能夠實(shí)用化的范圍。
*STO磁頭＝東芝正在開(kāi)發(fā)的使用STO的高密度硬盤(pán)磁頭。通過(guò)檢測出STO振蕩的頻率在硬盤(pán)磁場(chǎng)的影響下發(fā)生的變化，來(lái)實(shí)現高S/N數據讀取。
STO還有采用“Sombrero型”構造的。盡管性能高于此次的STO，但元件為4μm寬，嵌入硬盤(pán)磁頭的話(huà)尺寸太大。久保田稱(chēng)，此次的STO還不到其1/30，而且“性能在不斷提高”。
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