国立先进产业技术综合研究所【会长中钵良二】（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心【研究中心主任汤浅信司】金属自旋电子学团队研究员常木住人、研究团队组长药师寺敬、研究中心久保田仁志研究主任分别是旋转扭矩振荡元件的高频输出超过 10 微瓦 (μW)。
自旋扭矩振荡元件为纳米尺寸磁阻元件微波炉这次，磁涡式磁化结构(磁涡旋矩振荡器)磁阻比190%，我们作为自旋扭矩振荡器首次实现了超过 10 μW 的输出。这通常用于无线通信晶体单元相当的高输出预计小型且廉价的自旋扭矩振荡元件的实际应用将进一步加速，有助于高频器件的小型化。
该结果详情请参阅美国学术期刊应用物理快报的在线版本即将发布。
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| 自旋扭矩振荡元件微波输出的变化 |
近年来，下一代无线通信设备、车载雷达等高频设备的小型化和低成本化的需求不断增加。这些器件中许多采用晶体振荡器作为参考信号源，但虽然其频率稳定性极高，但器件尺寸较大，达到毫米级，这阻碍了高频器件的小型化。另一方面，自旋扭矩振荡元件是自振荡它在传统振荡器中是不可或缺的，因为它可以做到谐振器不再需要，并且器件尺寸可以减小到微米尺寸或更小。此外，该器件制造工艺与现有的半导体制造工艺高度兼容，并且有望以低成本制造。由于这些原因，自旋转矩振荡元件有望成为小型、廉价、高性能的下一代高频信号源。然而，自旋转矩振荡元件存在高频输出低、振荡频率稳定性差等问题，需要提高基本性能。
10095_10239磁性隧道结元件的发展迄今为止，产业技术研究所已取得多项成果，正在进行世界一流的旋转扭矩振荡装置的研究开发。 (2008 年 8 月 28 日、2014 年 1 月 8 日、2015 年 12 月 14 日 AIST 新闻稿）
自旋扭矩振荡元件的高频输出实际上需要10μW以上，但迄今为止最大输出约为1μW。这次，我们致力于开发一种具有大磁阻比的磁隧道结元件，目的是从结构和材料方面提高高频输出。
这项研究和开发得到了独立行政机构日本学术振兴会“科学研究补助金（S）/高频自旋电子学研究（2011-2017 财年）”的部分支持。
由于自旋扭矩振荡元件的高频输出与磁阻比的平方成正比，因此增大磁阻比对于增大输出是有效的。通过将约1纳米的超薄氧化镁绝缘体层与铁合金铁磁层相结合，并将铁磁层厚至4纳米，创建了如图1示意图所示的具有螺旋磁化结构（磁涡旋）的磁涡旋自旋扭矩振荡器。由于此类元件具有较厚的铁磁层，因此很容易获得较大的磁阻比和高频输出。这次，我们在磁涡旋扭矩振荡器的绝缘体层和铁合金铁磁层之间的界面处插入了晶体铁钴合金层。结果，我们能够将磁阻率提高到 190%，大约是传统产品的两倍。
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| 图1新研制的磁涡旋矩振荡器示意图 |
| 箭头代表磁化方向。为了增加磁阻比，在铁合金层和绝缘体层之间的界面处插入铁钴合金层。 |
当直流电流通过磁涡流型自旋扭矩振荡器时，磁涡流中心如图2(a)所示旋转。这种旋转运动通过磁阻效应转换为电信号，产生大约 200 兆赫兹 (MHz) 的交流电压。图2(b)显示了新制作的磁涡旋自旋矩振荡器的振荡输出特性。高频输出101μW（电压幅度22mV均方根)，与晶体谐振器的振荡输出相当。另外，功率密度光谱线宽频率约为100千赫兹(kHz)，频率稳定性高。
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图2(a)自旋转矩振荡器的高频测量电路示意图，以及
(b)新制作的磁涡旋自旋矩振荡器的输出信号 |
| 当施加电流时，磁涡流中心开始旋转。当磁涡流中心旋转时，电阻发生变化，产生交流电压。 |
当传统的晶体谐振器用于振荡电路时，需要将芯片放置在基板上并对芯片和基板进行布线，并且基板需要具有较大的面积。另一方面，自旋转矩振荡元件不需要半导体振荡元件中使用的谐振电路，因此振荡元件可以小型化至纳米尺寸。另外，能够在制作振荡电路时的前工序中制造振荡元件，并且由于没有布线，因此还能够减少装置所需的面积。因此，如果磁涡自旋扭矩振荡元件投入实际使用，预计振荡装置将明显更小、更便宜（图3）。
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| 图3 在振荡电路中嵌入自旋转矩振荡元件的优点及示意图 |
我们的目标是进一步提高自旋扭矩振荡器元件的高频特性，并实现廉价且紧凑的高频振荡器。未来，我们将把频率稳定性提高到适合实际使用的水平，我们将针对2-4GHz频段进行研究，这是目前正在开发的高端晶体单元的频段。