成果報告書詳細
管理番号20120000000982
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究 チップ間信号伝送用マイクロ波発振素子の開発
公開日2012/10/18
報告書年度2009 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本挑戦研究では、異種ならびに同種の多数チップを積層実装するシステムインパッケージ(3次元実装、3次元集積)を実現するため、信号の送受信原理が単純で簡素、かつ高効率な低消費電力型のチップ間無線通信技術を開発することを最終的な目標とし、国立大学法人・東北大学、独立行政法人・産業技術総合研究所の2研究機関が共同で、そのために最も重要な要素技術となる「チップ間信号伝送用超小型マイクロ波発振素子の開発」を行い、スピン注入自励発振・共鳴型である微小磁性体(ナノ接点磁壁型磁気抵抗)を用いた新規なマイクロ波発振素子の研究開発に取り組み、本研究開発の目標である「1μW級の発振出力と1000以上のQ値」に対して、以下の実績を挙げることに成功した。
1,微小磁性体であるナノ接点磁壁型磁気抵抗素子の開発において、平成21年度に導入した「イオンビームデポジッション装置」と「イオンビームエッチング装置」を駆使し、面積抵抗0.5Ωμm2、磁気抵抗比40%の磁気抵抗素子特性を得ることに成功するとともに、平成21年度と平成22年度に導入した「高性能CADシステム装置」、「イオンビームエッチング装置」と「電子ビーム描画装置」により0.1μm角の素子化プロセスを確立した。これらの成果は、IEEE INTERMAG 2011 TAIPEI、2012 VANCOUVER、56th Annual Conference on MMM 2011などで発表、IEEE Trans. Magn.、JAPなどの学術論文誌にも掲載された。
2,発振素子の試作研究では、ナノ接点磁壁型磁気抵抗を用いた直流電流駆動自励発振素子の開発に取り組み、Vortex(磁気渦)型の磁化配置において、世界で最も高いダイナミック磁気抵抗(2.5%)を得、磁気抵抗換算にして世界最高の発振出力1μW(dR/R=0.2で0.2μW)と600のQ値を得ることに成功した。 併せて、SlavinのAuto Oscillation Modelによる発振の解析を行い、更なる高出力化と高Q値化の設計指針として、閾値電流を下げることが有効であることを示した。 さらに、本開発項目の共同受託先である産業技術総合研究所の今村裕志博士らの理論・シミュレーショングループとの共同で、発振機構がナノ接点に狭窄された磁壁駆動型であることを解明、更なる高周波化および高Q値化の設計指針を得た。これらの成果は、IEEE INTERMAG 2011 TAIPEI、2012 VANCOUVER、56th Annual Conference on MMM 2011などで発表、Applied Phys. Lett.などの学術論文誌にも掲載された。
3,電気・磁気結合フェーズロック機構の開発では、平成21年度、平成22年度、平成23年度に産業技術研究所がそれぞれ導入した「超小型マイクロ波発振素子解析装置」、「スピンダイナミクス可視化装置」、「発振位相同期解析装置」を用い、統合シミュレーションツールを開発、ナノ接点磁壁型磁気抵抗素子内での磁気結合フェーズロックを解析し、その可視化に成功、フェーズロック機構による発振出力の増幅設計指針を得た。 また、ナノ接点磁壁型磁気抵抗素子への外部マイクロ波投入による電気結合フェーズロックの検証を行い、素子の発振線幅および発振出力とフェーズロックのための閾値電力の関係を明らかにし、電気結合フェーズロックの設計を確立した。 これらの成果は、INTERMAGなどの国際会議で発表するともに、IEEE TRANS. MAGなどの学術論文誌に掲載された。4,スピンナノトランスファーFMR新伝送方式による無線信号伝送の評価・検証では、ナノ接点磁壁型磁気抵抗素子を用いた「STT-FMR受信」特性評価を前倒しで行い、発振と同一周波数での受信動作の確認とマイクロ波信号の受信出力特性を明らかにし、1.5V/Wの受信性能を得ることに成功した。 また、電気結合フェーズロックと電磁共鳴アンテナ(コイル)との組み合わせで、低消費電力信号伝送(10mW以下)の設計検証を完了した。
研究機関の分担においては、主として「全体統括とナノ接点磁壁型磁気抵抗素子の開発、発振素子の試作研究、スピントランスファートルクFMR新伝送方式の開発」を国立大学法人・東北大学が、「電気・磁気結合フェーズロック機構の開発」を独立行政法人・産業技術総合研究所が、それぞれ担当した。
英文要約1. Research Subject: Development of the microwave oscillator for wireless chip to chip interconnection in 3D-Integration-Technology
2. Entrusted group: Graduate School of Engineering, Tohoku University
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
To realize "More Than Moore Technology", the digital communication techniques with high speed and low power consumption, enabling higher interconnectivity between circuit components such as the integration of a new generation of System-in Package (SiP), are highly requested in the Silicon 3D-Integration Technology field. In sight of this background, the purpose of this project is to develop a breakthrough technique for the wireless interconnection between chips by using of "Spin-Torque Oscillator (STO) and ST-FMR Receiver". "Nano-Constriction Structured Spin Transportation Systems" such as Nano-Contacts magnetoresistive (NCMR) devices with "Nano-Confined Domain Wall" is regarded as one of the most promising next-generation "Spin-Torque Oscillator and ST-FMR Receiver" that could enable the realization of future communication with high speed and low power consumption between chips. However, in the Nano-Constriction Structured Spin Transportation System, a novel structure consisting of nanometer-sized constricted dots/channels as well as a new physical scheme for electron/spin transportation should be devised. In this research project, a strong collaboration between two groups of Tohoku University and National Institute of Advanced Industrial Science with specialties in material science, device physics, characterization/simulation and evaluation/analysis will promote an establishment of the output power of ~1μW with high Q value: i.e. (f/Δf)≧1000 of STO device. The final target of output power is set to ~10μW by using a phase locking technology for the development of the Nano-Constriction Structured STO and ST-FMR Receiver" for high speed and low consumption-power communication techniques. In this year, we have succeeded in confirming higher MR ratio of nearly 40% with the resistance area product of 1Ωμm2 in self-assembling NCMR devices with "Nano-Confined Domain Wall". Furthermore, several unique characteristic microwave oscillations and modulation effect were observed in the NCMR elements with a spin-valve structure. Especially, we have succeeded in realizing high- power microwave oscillations of ~70nW with narrow line-width of ~6MHz in the specific angle (?140°) between free and reference layer magnetizations. This angled field effect well agrees with the results from the simulation of geometrically confined domain wall by AIST group. From the results, it is confirmed that the coherent oscillation in NCMR SV element originates from the geometrically nano-confined DW, which is also verified as ARC image of MFM observation.
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