电子器件、其制造方法及其使用方法

本发明涉及一种电子器件、其制造方法及其使用方法。

背景技术：

1、磁性材料的磁秩序在传统上由磁场控制，但近年来，伴随着同时利用电子所持有的电性质(电荷)及磁性质(自旋)的自旋电子学技术的发展，对通过电流控制磁性材料的磁秩序进行了各种尝试。该现象是通过构成磁秩序的磁矩与传导电子的自旋之间的角动量的授受而导致的，将导入电流时作用于磁秩序之转矩称为自旋转移矩(spin-transfertorque:stt)，或简称为自旋转矩。

2、根据非专利文献1，首次报告了有关由自旋转移矩引起的铁磁性体的磁秩序即磁化的方向的反转的实验结果。该现象被称为自旋转移矩诱导磁化反转等。自旋转移矩磁化反转能够用于将信息写入磁阻随机存取存储器(magnetoresistive random accessmemory:mram)的方法。该技术开始作为stt-mram而实用化。

3、接着，非专利文献2中，报告了通过稳定的(直流的)自旋转移矩能够诱导铁磁性体的磁化在一定周期内的振动。该现象称为自旋转矩振荡(spin-torque oscillation)等。其特征在于，导入直流电流时输出交流电压。

4、关于该自旋转矩振荡现象，已知存在多个自旋转移矩所作用的铁磁性体，当它们接近时，或电连接时，以同相位振动(同步：synchronization)，在较窄的频率范围内输出较大振幅的交流电压。非专利文献3报告了其实验结果。一般来说，振荡元件、振荡电路中的输出振幅强度与振荡频率的半宽度之比被称为q值，但通过同步现象，导致该q值增大，即作为振荡元件的性能得到提高。

5、并且，还已知作为自旋转矩振荡的反效果，在使以一定周期振动的自旋转移矩作用于铁磁性体的磁化时，在某一特定频率中铁磁性体的磁化共振运动，输出直流电压。非专利文献4报告了其实验结果。该现象称为自旋转矩铁磁性共振(spin-torqueferromagnetic resonance)等。其特征在于，导入交流电流时输出直流电压。

6、关于自旋转矩振荡及其同步现象、以及自旋转矩铁磁性共振等现象，期待应用于电磁波的收发等通信技术、雷达、无损检查、电子电路的时钟、硬盘驱动器中的微波辅助磁记录、能量采集、脑型计算机等，从而进行积极的研究开发。这些技术与现有技术相比，具有能够以较小的面积实现相同的功能，且可以以低成本进行制造等优点。

7、此外，还提出利用了铁磁性体的磁化的自旋转矩磁化反转概率或热波动的随机数产生器，并进行研究开发。关于所输出的随机数，由于是真物理随机数，因此无法进行预测，并且具有能够将其通过微细的元件来实现的优点。除了安全技术以外，如非专利文献5所示，近年来还证实了应用于非传统型的计算技术的可能性，并进行研究开发。

8、然而，在具有磁秩序的磁性体中，存在通过自旋平行排列(或具有平行成分而排列)而自发显现净磁化的铁磁性体，除此之外，存在通过相邻的自旋在相互抵消的方向上排列而不具有净磁化的反铁磁性体。进而，若将该反铁磁性体更详细地进行分类，则存在通过相邻的自旋在相互反平行方向上排列而净磁化成为零的线性反铁磁性体及通过3个以上的相邻自旋非线性排列而净磁化成为零(或几乎为零)的非线性反铁磁性体。

9、以往，认识到反铁磁性体不具有净(宏观的)磁化，因此不易根据角动量守恒定律来控制电磁秩序，但在非专利文献6中，示出通过使用通过量子相对论效果显现的自旋转移矩即自旋轨道矩而能够90度旋转线性反铁磁性体的磁秩序(核矢量)。

10、接着，通过非专利文献7，示出了同样地使用自旋轨道矩而能够180度反转非线性反铁磁性体的各副晶格的磁矩。但是，关于非专利文献7中所示的非线性反铁磁性体的磁秩序的电流控制，是构建了元件的结构和对元件的控制的，以使能够实现实际上与铁磁性体的磁秩序的电流控制相同的作用机制，并且其并不利用非线性反铁磁性体所持有的特有行为。除此之外，关于非专利文献7中所示的电流控制，虽然省略其理由，但以在稳定的磁场的存在下存在为前提。

11、现有技术文献

12、非专利文献

13、非专利文献1：e.b.myers,d.c.ralph,j.a.katine,r.n.louie,and r.a.buhrman,“current-induced switching of domains in magnet ic multilayer devices,”science,vol.285,pp.867-870(1999).

14、非专利文献2：s.i.kiselev,j.c.sankey,i.n.krivorotov,n.c.emley,r.j.schoelkopf,r.a.buhrman,and d.c.ralph,“microwav e oscillations of ananomagnet driven by a spin-polarized current,”nature,vol.425,pp.380-383(2003).

15、非专利文献3：s.kaka,m.r.pufall,w.h.rippard,t.j.silva,s.e.russek,andj.a.katine,“mutual phase-locking of microwave spin torque nano-oscillators,”nature,vol.437,pp.389-392(2005).

16、非专利文献4：a.a.tulapurkar,y.suzuki,a.fukushima,h.kubot a,h.maehara,k.tsunekawa,d.d.djayaprawira,n.watanabe,and s.yuasa,“spin-torque diode effectin magnetic tunnel junctions,”nature,vol.438,pp.339-342(2005).

17、非专利文献5：w.a.borders,a.z.pervaiz,s.fukami,k.y.cams ari,h.ohno,ands.datta,“integer factorization using stochastic magnetic tunnel junctions,”nature,vol.573,pp.390-393(2019).

18、非专利文献6：p.wadley,b.howells,j.zelezny,c.andrews,v.hills,r.p.campion,v.novak,k.olejnik,f.maccherozzi,s.s.dhe si,s.y.martin,t.wagner,j.wunderlich,f.freimuth,y.mokrouso v,j.kunes,j.s.chauhan,m.j.grzybowski,a.w.rushforth,k.w.edmonds,b.l.gallagher,t.jungwirth,“electrical switching ofan antiferromagnet,”science,vol.351,pp.587-590(2016).

19、非专利文献7：h.tsai,t.higo,k.kondou,t.nomoto,a.sakai,a.kobayashi,t.nakano,k.yakushiji,r.arita,s.miwa,y.otani and s.nakatsuji,“electricalmanipulation of a topological antiferrom agnetic state,”nature,vol.580,pp.608-613(2020).

技术实现思路

1、发明要解决的技术课题

2、如上所述，磁性体的磁秩序的电流控制有各种各样的种类，利用了它们的存储器元件、随机数生成元件、振荡元件、检波元件等被提出和证实，也实现了一部分的实用化。另一方面，这些现有技术中也存在几个课题。

3、首先，使用铁磁性体的元件在任何情况下都具有宏观磁化，因此特性相对于外部磁场发生变化，因此在对磁场噪声的耐性这一点上存在课题。除此之外，通过使用了铁磁性体的自旋转矩振荡输出的交流电压的频率、及自旋转矩铁磁性共振中发生共振的输入交流电流的频率被铁磁性材料的磁特性和从外部施加的磁场固定。换言之，为了进行频率的可变控制，除了控制外部磁场外没有其他方法，但无法避免用于设置施加外部磁场的机构的制造成本和尺寸的增大，并且不易按照要求规格进行控制。实质上，没有频率的可变性。

4、并且，铁磁性体中的自旋转矩振荡(非专利文献2)、自旋转矩铁磁性共振(非专利文献4)、及非线性反铁磁性体的磁矩的反转(非专利文献7)均需要从外部施加稳定的磁场，以便进行稳定的动作，但这在实用上并不优选。

5、另一方面，线性反铁磁性体的核矢量的旋转(非专利文献6)并不需要外部磁场，但根据状态的传导特性的变化较小，在产生足够的输出信号这一点上存在课题。

6、本发明鉴于上述课题，其目的在于提供一种电子器件，其不需要外部磁场，且可作为可输出较大的读出信号的随机数生成元件、存储器元件而使用，并且，也能够作为具备输出/输入频率的可变性的振荡/检波元件而使用。

7、用于解决技术课题的手段

8、本发明的电子器件至少具备以下构成。

9、其特征在于，具备本体、输入端子及输出端子，所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序在层叠方向上层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，所述输入端子配置在与所述自旋转矩生成层的层叠面平行的任意一方向的两端，所述非线性反铁磁性层在所述任意的一方向与所述层叠方向所成的平面中具有非线性磁秩序。

10、并且，本发明的电子器件至少具备以下构成。

11、其特征在于，具备本体、第1端子及第2端子，所述本体是在基板上依次或以与其相反的顺序层叠自旋转矩生成层与非线性反铁磁性层而构成的，所述自旋转矩生成层具有实质上固定的磁结构，作为其有效磁化方向定义磁化方向，所述中间层由非磁性材料形成，所述非线性反铁磁性层在与所述磁化方向正交的平面中具有非线性磁秩序，所述自旋转矩生成层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第1端子，所述非线性反铁磁性层中，与所述中间层相反的一侧的面连接于所述第2端子。

12、如在后面详细所述，这些电子器件的发明在利用作为非线性反铁磁性体所持有的特有的行为的手性自旋结构的动力学的观点上，能够称为技术上密切相关的发明、具有对应的特别的技术特征的一组发明。

13、并且，本发明的电子器件的制造方法至少具备以下构成。

14、其特征在于，包括如下工序：将基板搭载在载台、在基板上堆积自旋转矩生成层、在所述载台的表面保持300度以上的状态下堆积非线性反铁磁性层、进行热处理以使所述基板加热到300度以上、进行微细加工。

15、进而，本发明的电子器件的使用方法至少具备以下构成。

16、其特征在于，通过在输入端子之间导入直流电流而用作振荡元件，通过在输入端子之间导入交流电流而用作检波元件，通过在输入端子之间输入脉冲宽度为10纳秒以上的脉冲电流而用作随机数生成元件，或者，通过在输入端子之间输入脉冲宽度为0.1纳秒以上且2纳秒以下的脉冲电流而用作存储器元件。

17、发明效果

18、本发明所涉及的电子器件在无磁场中进行动作，因此解决了使用以往铁磁性体、线性反铁磁性体、非线性反铁磁性体的振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件所具有的课题。并且，由于本发明所涉及的电子器件的特性相对于外部磁场不容易产生变化，因此解决了使用以往铁磁性体或非线性反铁磁性体的振荡元件、检波元件、随机数生成元件、存储器元件所具有的课题。

19、并且，将本发明所涉及的电子器件作为振荡元件而使用时，输出的交流信号的频率可以调制，因此解决了使用以往铁磁性体的振荡元件所具有的课题。

20、并且，将本发明所涉及的电子器件作为检波元件而使用时，能够检测的交流信号的频率可以调制，解决了使用以往铁磁性体的检波元件所具有的课题。