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KR101107155B1 - 주파수 변환 장치 및 방법 - Google Patents

주파수 변환 장치 및 방법 Download PDF

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KR101107155B1
KR101107155B1 KR1020097024121A KR20097024121A KR101107155B1 KR 101107155 B1 KR101107155 B1 KR 101107155B1 KR 1020097024121 A KR1020097024121 A KR 1020097024121A KR 20097024121 A KR20097024121 A KR 20097024121A KR 101107155 B1 KR101107155 B1 KR 101107155B1
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히로키 마에하라
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캐논 아네르바 가부시키가이샤
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    • H03B15/00—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects
    • H03B15/006—Generation of oscillations using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, or using superconductivity effects using spin transfer effects or giant magnetoresistance
    • H—ELECTRICITY
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Abstract

자기-저항 소자를 사용하고 Si계 MMIC 및 GaAs계 MMIC에 대응할 수 있는 주파수 변환 소자가 제공된다. 본 발명에 따른 주파수 변환 장치는 자화 자유층, 중간층 및 자화 고정층을 포함하는 자기-저항 소자로 이루어진 주파수 변환 소자; 주파수 변환 소자로 자기장을 인가하기 위한 자기장 인가 메커니즘; 주파수 변환 소자에 국부 발진 신호를 인가하기 위한 국부 발진기; 및 주파수 변환 소자에 전기적으로 연결되고, 외부 입력 신호를 입력하는데 사용되는 입력 단자를 포함한다.
자기-저항 소자, 자화 자유층, 자화 고정층, 주파수 변환 소자

Description

주파수 변환 장치 및 방법{Frequency conversion apparatus and frequency conversion method}
본 발명은 무선 통신 장치 등에서 주파수 변환을 수행하는데 사용되는 주파수 변환 장치, 및 주파수 변환 방법에 관한 것이다.
반도체 다이오드 및 FET와 같은, 비선형 소자는 통상적 주파수 변환 소자로서 사용된다. 주파수 변환의 목적은 주파수 변환 소자로 소정의 주파수를 가지는 신호를 입력하고, 주파수 변환 소자로부터 입력 신호의 것과 다른 주파수 성분을 가지는 신호를 출력하는 것이다.
주파수 변환이 비선형 소자에 의해 수행되는 가장 간단한 예로서, 전류가 비선형 저항 r(i)에 인가되는 경우가 고려된다. 비선형 저항의 전류-전압 특성은
[식 1]
Figure 112009071112454-pct00001
에 의해 표현된 바와 같이 동작점 (i0, v0) 주변의 x=i-i0 점에서 테일러 전개에 종속될 수 있다.
[식 2]
x=mcosωt으로 표현된 바와 같이 주파수 ω를 가지는 사인파의 전류가 이와 같은 비선형 저항성 소자로 흐르도록 된 경우,
[식 3]
Figure 112011045632321-pct00002
에 의해 표현된 전압은 비선형 저항성 소자의 양끝에서 가로질러 발생된다. 출력 파형에서의 왜곡 때문에, 주파수 2ω, 3ω 등의 고조파(harmonic wave) 성분이 입력 전류에 비례하는 주파수 ω의 성분 외에 추가로 추출될 수 있다.
다음으로, 비선형 소자로 입력된 신호가 다른 주파수 ω1, ω2를 가지는 2 개의 신호의 합인 경우를 고려한다. 입력 전류가
[식 4]
x=ma cos ωat + mb cos ωbt에 의해 표현되는 경우,
[식 5]
Figure 112009071112454-pct00003
에 의해 표현된 전압은 비선형 저항성 소자의 양끝을 가로질러 발생된다. 따라서, 입력 신호의 주파수 차인 주파수(ω1 - ω2), 및 입력 신호의 주파수의 합인 주파수(ω1+ω2)를 추출하는 것이 가능하다.
특히, 입력 신호의 주파수의 합을 추출하는 소자는 업-컨버터로 언급되는 반면, 입력 신호의 주파수 차를 추출하는 소자는 다운-타운터로 언급된다.
이 방식으로, 주파수 변환은 입력 신호의 것과 다른 주파수를 가지는 신호를 발생시키는 것을 의미한다. 식 1에 의해 표현된 바와 같이 입력 신호의 소정의 주파수의 2배 또는 정수배의 주파수를 추출하는, 주파수 변환은 주파수 체배(frequency multiplication)로 언급된다. 본 발명에 따른 주파수 변환은 주파수 체배를 포함하도록 가정된다.
주파수 변환은 매우 중요한 기술이다. 예를 들어, 주파수 변환 소자는 무선 통신 분야에서 송신기 또는 수신기에서 주파수 혼합을 위해 사용된다. 또한, 이들 주파수 대역을 가지는 신호를 직접 발생시킬 수 있는 어떠한 적합한 발진기도 없기 때문에, 마이크로 발진기 및 주파수 체배 소자의 결합은 밀리미터 파 신호 또는 서브-밀리미터 파 신호를 발생하는데 사용된다.
일반적으로는, 주파수 변환에 사용된 비선형 소자로, 다이오드 및 FET와 같은,반도체 소자에 의해 제시된 비선형 특성이 주로 사용된다. 대부분 경우에, 쇼트키 다이오드는 절연 기판상에 이산 소자를 설치함으로써 형성된 마이크로웨이브 집적 회로(MIC)에 사용되는 주파수 변환 소자로서 사용된다. 또한, 주파수 체배를 위해 사용된 주파수 변환 소자로서, 역으로 바이어스된 다이오드는 대부분의 경우에 비선형 용량성 소자(버랙터(varactor))로서 사용된다.
반도체 공정을 사용함으로써 동일 기판상에, 능동 소자, 수동 소자, 수동 능동 소자 등을 총체적으로 집적하여 제조함으로써 실현되는 모노리식 마이크로웨이브 집적 회로(MMIC)가 공지되어 있다. MMIC에서, 대부분 FET는 증폭기 및 발진기와 같은 능동 소자에 사용되어, 제조 공정에서 일관성을 위한 제한 때문에 MMIC로의 주파수 변화에 대해 배타적으로 설계된 다이오드를 통합하는 것은 어렵다. 그러므로, 대부분의 경우에, FET의 비선형성은 MMIC에서 주파수 변환 소자에 대해 사용된다. 또한, 주파수 변환 소자가 MMIC로 통합되는 경우에, 집적도(degree of integration)의 관점으로부터 회로 영역에서의 제한이 존재한다. 그러므로, 주파수 변환 소자가 또한 작은 스케일을 가질 것이 요구된다. MMIC는 Si계 소자에 의해 구성된 유형 및 화합물 반도체 소자로 구성된 유형으로 크게 분할된다. Si계 소자 및 화합물 반도체 소자 모두는 장점 및 단점을 가진다. 그러나, MMIC에서, 동일한 기판상에 이들 소자를 혼합하여 설치하는 것은 어렵다. 이는 대부분의 경우에 소자 각각의 필름-형성 공정에서 필수적인 에피텍시얼 성장에서, 실리콘 기판이 Si-계 MMIC에 사용되고, GaAS 등으로 이루어진 기판이 화합물 반도체에 사용되기 때문이다. Si-계 소자 및 화합물 반도체 소자의 제조 공정 사이의 호환성은 상당히 낮다.
또한, 일반적으로, 반도체를 사용하는 주파수 변환 소자는 주파수 변환 소자 자체에서 주파수 선택도(selectivity)를 가지지 않는다. 그러므로, 주파수 변환이 소정의 특정 주파수와 관련하여서만 수행되도록 요구되는 경우에, 필터 등을 제공하는 것이 필요하다. 반도체를 사용하는 주파수 변환 소자에서, 주파수 변환 기능 자체에 스위칭 기능을 제공하는 것이 가능하지 않다.
반면, 자기-저항 효과를 나타내는 GMR(giant magneto-resistive device) 및 TMR(tunnel magneto-resistive device)는 메모리 소자 및 센서로서 적용된다. 이는 자기-저항 소자의 저항값이 자기-저항 소자에서 자화 고정층 및 자화 자유층의 자기 모멘트 사이의 상대각(relative angle)에 대응하여 변경된다는 사실에 기초하여, 외부 자기장에서의 변화는 저항값에서의 변화(센서 효과)로서 검출될 수 있고, 자기 이력 현상은 저항값의 이력 현상(메모리 효과)으로서 얻어진다는 특성을 활용한 것이다. 또한, 최근 몇 년 동안, 스핀 주입 토크가 자기-저항 효과에 추가로 사용되는 소자의 응용이 진행되어 왔다. 비특허 문서 1에 설명된 바와 같이, 스핀 주입 토크는 전도 전자 및 국부 전자 사이의 각 운동량의 교환에 의해 국부 자기 모멘트에서 발생되는 자기 토크를 의미하며, 스핀 편광 전류가 강자성 재료로 흐르도록 된 경우 이때 교환이 야기된다. 이를 이유로, 마이크로웨이브 발진기, 마리크로웨이브 검출 소자, 마이크로웨이브 증폭기 등의 응용이 활성화되었고, 이는 외부 자기장을 이용하지 않고 자화 반전을 가능하게 하는 스핀 주입 자화 반전에 의해 야기된 비선형 효과, 스핀 주입 토크에 의해 야기된 자화의 세차에 의해 야기된 비선형 효과를 사용한다(특허 문서 2).
비특허 문서 3에 설명되어 있는 마이크로웨이브 검출 소자 및 호모다인(homodyne) 검출 방법에 기초하는 동작 원리는 입력 AC 전류 신호에 대응하는 DC 전압을 검출할 수 있다. 마이크로파 검출 소자는 자기-저항 소자의 자기 모멘트가 자기-저항 소자에 인가된 AC 신호에 의해 야기된 스핀 토크에 의해 진행하도록(precess) 야기되는 경우 자기-저항 소자의 저항값이 주기적으로 변경되는 비-선형 효과를 사용한다. 저항값에서의 변화의 주파수는 입력된 AC 신호의 주파수와 동일하고, 식 1에 의해 표현된 바와 같이 효과가 나타낸다. 비특허 문서 3은 호모다인 검출이 이와 같은 비선형 효과를 사용함으로써 수행되었음을 설명하며, 또한 다른 중요한 기술이 설명되어 있다. 즉, 비특허 문서 3은 스핀 주입 FMR 효과를 사용하는 기술을 설명하고 있다. 순간 AC 전휴의 경우에, 전류값은 매우 작다. 따라서, 자화의 야기된 세차도 매우 작아, 출력 DC 전압은 매우 작다. 그러나, 입력 AC 전류 신호의 주파수가 강자성 공진 주파수의 근처에 있는 경우, 자화의 세차는 공진 효과에 의해 증폭된다. 이에 의해, 더 큰 DC 전압이 검출될 수 있다. 이와 같은 자기-저항 소자를 사용함으로써 실현된 검출 기능은 스핀 토크 다이오드 효과로서 언급된다. 이 방식으로, 강자성 공진은 스핀 주입 토크에 의해 야기되며, 또한 자기-저항 소자의 비선형 효과는 강자성 공진을 사용함으로써 전체적으로 나타낸다. 그러므로, 이와 같은 효과는 마이크로파 대역에 인가되도록 예상된다.
비특허 문서 1: Slonczewski, J.C. 자기 다층의 전류-구동 여기(Current-driven excitation of magnetic multilayers). J. Magn. Magn. mater.159, L1-L7(1996).
비특허 문서 3: Tulapurkar, A.A. 등. 자기 터널 정션에서의 스핀-토크 다이오드 효과(Spin-torque diode effect in magnetic tunnel hunctions). Nature 438, 339-342(2005).
특허 문서 2: 일본 특허 출원 공개 제 2006-295908호.
반도체 다이오드나 FET과 같은 반도체를 사용하는 주파수 변환 소자는 넓은 주파수 대역을 가지기 때문에, 주파수 선택 방식으로 주파수 변환을 수행할 수 없다. 또한, 이와 같은 주파수 변환 소자에서 스위칭 기능은 주파수 변환 기능으로 주어질 수 없다.
반도체 소자를 사용하는 통상적 주파수 변환 소자에서, 제조 공정의 관점에서, Si계 MMIC 및 GaAs계 MMIC에 사용될 수 있는 소자 및 재료에 제한이 존재한다. 그러나, 자기-저항 소자를 사용함으로써, Si계 MMIC 및 GaAs계 MMIC 모두에 사용될 수 있는 주파수 변환 소자를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 주파수 변환 장치는:
자화 자유층, 중간층 및 자화 고정층을 포함하는 자기-저항 소자로 이루어진 주파수 변환 소자;
주파수 변환 소자로 자기장을 인가하기 위한 자기장 인가 메커니즘;
주파수 변환 소자에 국부 발진 신호를 인가하기 위한 국부 발진기; 및
주파수 변환 소자에 전기적으로 연결되고, 외부 입력 신호를 입력하는데 사용되는 입력 단자를 포함한다.
자기장 인가 메커니즘은 영구 자석이다. 또한, 영구 자석에 의해 인가된 자기장의 방향은 주파수 변환 장치의 자화 고정층의 용이축 방향에 평행하지 않다.
자기장 인가 메커니즘은 전류 자기장을 발생하기 위한 전류 자기장 인가 메커니즘; 및 전류 자기장 인가 메커니즘에 전류를 인가하기 위한 전력원을 더 포함함으로써 구성되며,
전류 자기장의 인가 방향은 주파수 변환 소자의 자화 고정층의 용이축 방향과 평행하지 않도록 구성된다.
본 발명에 따르는 주파수 변환 장치는 전류 자기장 필드 인가 메커니즘에 인가된 전류를 제어함으로써 주파수 변환 소자에 인가된 자기장을 제어할 수 있는 제어 섹션을 더 포함한다.
본 발명에 따른 주파수 변환 장치는 주파수 변환 소자의 출력을 검출하고, 강자성 공진 주파수가 원하는 주파수로 설정되도록 제어 섹션으로 피드백 인가하는 피드백 회로를 더 포함한다.
제어 섹션은 전류 자기장 인가 메커니즘에 인가된 전류를 턴 온 및 턴 오프함으로써 주파수 변환 소자에 인가된 자기장을 턴 온 및 턴 오프하도록 구성된다.
본 발명의 또다른 태양에 따른 주파수 변환 방법은 자화 자유층, 중간층 및 자화 고정층을 포함하는 자기-저항 소자로 이루어진 주파수 변환 소자로 국부 발진 신호 및 외부 입력 신호를 입력하고, 외부 입력 신호의 주파수를 변환하는 방법이다. 상기 방법은 외부 입력 신호의 주파수 및 국부 발진 신호의 주파수 중 하나가 주파수 변환 장치의 자화 자유층의 강자성 공진 주파수 대역에 포함되는 것을 특징으로 한다.
주파수 변환 방법에서, 주파수 변환 소자의 자화 고정층의 용이축 방향에 평행하지 않은 자기장이 인가된다.
복수의 입력 신호 중 하나의 신호 주파수가 자기-저항 소자의 자화 자유층의 자기 공진 주파수의 근처에 있는 경우, 자화의 세차는 스핀 주입 토크에 의해 증폭되어, 하나의 입력 신호의 주파수 변환은 자기-저항 소자의 저항의 비선형성에 의해 수행되고, 비선형성은 자화의 증폭된 세차에 의해 야기된다. 자기 공진 주파수의 주파수 대역이 좁기 때문에, 자기-저항 소자저항 소자 복수의 입력 신호중 적어도 하나의 주파수가 강자성 공진 주파수의 근처에 있는 경우에만 주파수 변환은 수행되는 반면, 입력 신호의 주파수가 강자성 공진 주파수 대역으로부터 벗어나는 경우 주파수 변환이 수행되지 않는다. 이들 효과를 사용하여, 주파수 선택 방식으로 주파수 변환을 수행하는 것이 가능하다. 또한, 주파수 변환 소자에 인가된 자기장의 크기를 변경함으로써, 주파수 변환 효과에서 스위칭 기능을 제공하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 주파수 장치는 스핀 주입 토크에 의해 야기된 자기 공진 주파수를 사용하여, 특정 주파수를 선택함으로써 주파수 변환을 수행할 수 있다.
도 1은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 1 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다;
도 2는 본 실시예에 따른 주파수 변환 소자의 개략적 단면도이다;
도 3은 중간층의 필름 두께와 접합 저항 사이의 관계를 설명하기 위한 다이어그램이다;
도 4는 주파수 변환 소자의 임피던스 정합에 기초하여 전송 특성 평가를 설명하기 위한 다이어그램이다;
도 5는 주파수 변환 소자의 강유전체 공진 주파수에 좌우되는 외부 자기장을 설명하기 위한 다이어그램이다;
도 6은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 2 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다어이그램이다;
도 7은 제 2 주파수 변환 장치를 사용함으로써 수행된 주파수 변환의 결과를 나타내는 다이어그램이다;
도 8은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 3 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다;
도 9는 제 3 주파수 변환 장치를 사용함으로써 수행된 주파수 변환의 결과를 나타내는 다이어그램이다;
도 10은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 4 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다; 그리고
도 11은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 5 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 변환 장치의 예를 나타낸다. 주파수 변환 장치(100)는 자기-저항(magneto-resistive) 소자로 이루어진 주파수 변환 소자(10); 주파수 변환 소자(10)에 자기장을 인가하는 자기장 인가 메커니즘(15); 국부 발진기(102); 입력 단자(104); 및 입력 단자(104) 및 국부 발진기(102)의 각각에 주파수 변환 소자(10)을 전기적으로 연결하는 배선(wiring)(103)을 포함한다. 주파수 변환 장치(100)는 국부 발진기(102)에 의해 인가된 고주파수 신호 f2 및 입력 신호원(101)로부터 입력된 고주파수 신호 f1 사이의 차신호(difference signal)를 출력하도록 주파수 변환 소자(10)에 의해 주파수 변환을 수행하는 장치이다. 주파수 변 환 장치(100)는 주파수 변환 소자의 기능을 제어하기 위한 자기장 인가 수단(15)을 포함한다. 본 실시예에서, 자기장 인가 수단(자기장 인가 메커니즘)은 영구 자석, 코일 등에 의해 구성된다. 그러나, 자기장 인가 메커니즘은 메커니즘이 주파수 변환 소자(10)에 자기장을 인가할 수 있는 한 이들에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 주파수 변환 소자(10)는 자화 자유층(강자성 층(ferromagnetic layer)), 중간층, 및 자화 고정층(강자성 층)을 가지는 3중층 구조에 기초한 자기-저항 소자를 포함한다. 중간층의 물질로서, 알루미나, 산화 마그네슘, 구리 등이 열거된다. 주파수 변환 효과를 달성하기 위한 비선형성은 자기-저항 효과에 기초하여 장치 저항 변화로부터 시작한다. 그러므로, 더 큰 자기저항비(100% 또는 이상의 MR 비)를 가지는 자기-저항 소자를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 도 2를 참고하여, 중간층으로서 MgO 장벽층을 가지는 터널 자기-저항 소자를 사용하는 주파수 변환 소자의 구조가 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 수행하는데 있어, 사용되는 자기-저항 소자는 전술한 자기-저항 소자에 제한되는 것이 아니다.
도 2는 본 실시예에 따른 주파수 변환 소자의 개략적 단면도이다.
각각의 층의 특정 구조들은 도 2를 참고로 설명되어 있다. PtMn(15 nm)로 이루어진 반-강자성(dia-ferromagnetic) 층(3)이 하부 전극 층(2)상에 제공되고, 자화 고정층(4)은 CoFe(2.5 nm)/Ru(0.85 nm)/CoFeB(3 nm)로 이루어진 적층된 페리(ferri)-고정 층이다. 참조 번호 4b로 표시된 층은 CoFeB로 이루어지고 자화 고정층에 대응한다. 터널 장벽 층(중간 층)(5)은 MgO(1.0 nm)로 이루어진다. 자화 자유층(6)은 CoFeB(2 nm)이다. Ta(5 nm)/Ru(7 nm)의 적층 구조는 보호층(7)으로 사용된다. 괄호 내의 각각의 숫자가 필름 두께를 나타냄을 유의한다.
본 실시예에서, 자화 고정층 및 자화 자유층의 필름 두께는 각각 3nm 및 2 nm로 설정되어 있지만, 층들의 두께는 이에 제한되지 않는다. 유사하게는, 전술한 필름 두께는 예시적이며 이에 제한되지 않는다. 그러나, 자화 고정층의 자기 모멘트는 자화 자유층의 것보다 더 작을 필요가 있다. 이는 자화 고정층의 자기 모멘트가 자화 자유층의 것보다 더 큰 경우, 세차(precession)가 스핀 주입 토크에 의해 자화 고정층에서 야기되기 때문이다.
주파수 변환 소자는 1㎛2 이하의 접합 영역의 원주 형태로 자기 저항성 박막을 처리함으로써 형성된다. 스핀 주입 토크가 효과적으로 동작하도록 하기 위해, 주파수 변환 소자의 접합 영역을 감소시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 접합 영역은 0.04㎛2 이하로 감소되는 것이다.
주파수 변환 소자(10)로 입력된 신호가 고주파수 신호이기 때문에, 배선(103)으로, 슬롯 라인, 마이크로스트립 라인, 동일평면 도파관 등을 사용하는 것이 바람직하며, 임피던스 정합이 상당히 고려된다. 또한, 입력 신호원(101)에서 주파수 변환 장치(100)로의 배선(103)에서 임피던스 정합이 고려된다는 점이 바람직하다.
또한, 주파수 변환 소자(10)에서의 임피던스 정합을 달성하는 것이 바람직하 다. 도 3은 중간층의 필름 두께와 접합 저항 사이의 관계를 설명하는 다이어그램이다. 주파수 변환 소자(10)의 임피던스는 도 2에 도시된 중간층(5)의 두께 및 장치 크기를 변경함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 산화 마그네슘(MgO)이 중간층으로 사용되는 경우에, 장치의 (1 ㎛ × 1 ㎛의 영역으로의 표준화) 표준화 저항값은 산화 마그네슘 층의 두께를 변경함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 제어될 수 있다. 따라서, 산화 마그네슘의 필름 두께를 적절하게 선택함으로써 바람직한 접합 영역을 가지는 바람직한 저항값을 달성할 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 중간층(5)의 두께가 고정되는 경우, 소자의 접합 영역을 변경함으로써 소자 저항을 제어하여 임피던스 정합을 달성할 수 있다.
도 4를 참고로 하여, 주파수 변환 소자에서 임피던스 정합에 기초한 전송 특성 평가를 설명할 것이다. 40 Ω의 소자 저항을 가지는 샘플 및 300 Ω의 소자 저항을 가지는 샘플은 소자 크기 및 MgO 필름 두께를 변경함으로써 실제로 제공되었다. 이때, 샘플들의 전송 특성은 각각의 샘플의 S11(반사율)을 측정함으로써 평가되었다. 평가 결과는 도 4에 도시되어 있다. 평가 결과에 도시된 바와 같이, (도 4 a) 더 양호한 임피던스 정합을 가지는 소자가 더 양호한 전송 특성을 가지고 있음을 알수 있다. 40 Ω의 소자 저항을 가지는 샘플에서, 전송 효율은 0에서 20 GHz의 전체 주파수 영역에 걸쳐 0.8 이상인 반면, 300Ω의 소자 저항을 가지는 샘플에서, 전송 효율은 0.4 미만이다.
이하, 본 발명에 따른 자기-저항 소자를 사용하는 주파수 변환 소자가 가지는, 주파수 변환 소자가 기판 물질의 제한 없이 기판 상에 생성될 수 있는 중요한 특징이 설명되어 있다.
예로서, GaAs 기판상에 제조된 주파수 변환 소자와 실리콘 기판상에 제조된 주파수 변환 소자(10) 사이의 표준화 저항값 및 자기-저항비가 비교되었다. 비교 결과가 표 1에 도시되어 있다. GaAs 기판상에 제조된 주파수 변환 소자와 실리콘 기판상에 제조된 주파수 변환 소자 사이의 표준화 저항값과 자기 저항비의 비교로부터, 개별 소자들에 대해 달성된 특성들이 서로 유사함을 알 수 있다. 또한, 주파수 변환 소자는 열적으로 산화된 실리콘을 가지는 실리콘 기판, AlTiC 기판(세라믹), MgO 기판, 유리 기판, 사파이어 기판, 및 질화 실리콘을 가지는 실리콘 기판 각각 상에 유사하게 제조되었다. 이때 이들 소자들 사이의 표준화 저항값과 자기-저항비가 비교되었다. 그 결과, 모든 주파수 변환 소자의 표준화 저항값이 약 3 Ω이며, 표준화 저항값의 변화량은 1Ω 미만임을 알 수 있다. 모든 주파수 변환 소자의 자기-저항비가 100% 이상임을 또한 알 수 있다. 이로부터, 본 발명에 따른 주파수 변환 소자가 사용되는 경우, 기판 재료에 부과된 제한들이 통상의 반도체 주파수 변환 장치와 달리 제거될 수 있음을 알 수 있다.
[표 1]
표준화 저항값 자기-저항비
Si 3.2Ω 112%
Si+SiO2 2.9Ω 108%
AlTiC 2.8Ω 109%
GaAs 2.9Ω 110%
MgO 3.4Ω 102%
유리 기판 3.6Ω 106%
사파이어 기판 2.6Ω 101%
Si+SiN 2.9Ω 106%
주파수 변환 소자(10)로 입력된 복수의 신호 중 하나의 신호의 주파수가 주파수 변환 소자에서 자화 자유층의 강자성 공진주파수 대역에 포함되는 경우, 자화의 세차는 소자 저항에서 비선형성을 야기하도록 스핀 주입 토크에 의해 증폭된다. 이에 의해, 입력 신호의 주파수가 소자 저항의 비선형성에 의해 변환된다. 강자성 공진 주파수의 주파수 대역은 좁다. 따라서, 자기-저항성 소자로 입력된 복수의 신호 중 적어도 하나의 신호의 주파수가 강자성 공진 주파수의 근처의 주파수 대역에 있는 경우에만, 주파수 변환이 수행되고, 반면 모든 입력 신호의 주파수가 강자성 공진 주파수 대역으로부터 벗어나는 경우, 주파수 변환이 수행되지 않는다. 그러므로, 자기-저항 소자를 사용하는 주파수 변환 소자를 사용함으로써 주파수 변환을 실행하기 위해, 입력 신호 중 적어도 하나의 주파수가 강자성 공진 주파수 대역에 포함되는 것이 필수적이다. 자화 자유층(6)의 강자성 공진 주파수 대역은 재료에 좌우되는 파라미터이지만, 도 2에 도시된 자화 자유층(6)에 외부 자기장을 인가함으로써 변경될 수 있다. 예로서, 이때 제조된 주파수 변환 소자의 강자성 공진 주파수의 외부 자기장 의존성이 도 5에 도시되어 있다. 스핀 토크 다이오드 효과는 강자성 공진 주파수의 측정을 위해 사용되었다. 측정 결과에 나타난 바와 같이, 강자성 공진 주파수는 외부 자기장을 인가함으로써 약 2GHz에서 약 9GHz의 범위에서 변경될 수 있다. 측정 결과는 예이며, 더 높은 공진 주파수가 더 큰 자기장을 인가하여 얻어질 수 있다.
도 6은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 2 주파수 변환 소자의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 강자성 공진 주파수는 영구 자석(15)이 주파수 변환 소자(10)로 적절한 외부 자기장을 인가하도록 주파수 변환 소자(10)로부터 약간의 거리에서 배열되도록 4.72 GHz로 설정된다. 그러나, 외부 자기장의 인가 방향은 자화 고정층(4)의 자화 및 자화 자유층(6)의 자화가 지향되려는, 자화 고정층(4)의 용이축(easy axis) 방향에 관하여 약 30°기울어진 방향으로 설정된다. 본 실시예에서, 외부 자기장의 인가 방향은 30°로 기울어진 방향으로 설정되지만, 0°또는 180° 이외의 임의 각도가 선택될 수 있다. 이는 외부 자기장의 인가 방향이 0°또는 180°로 기울어진 방향으로 설정되는 경우, 및 자화 자유층(6)의 자화가 회전 축으로서 자기 고정 층(4)의 용이축 방향으로 전진하는 경우, 자화 자유층(6)의 자화가 회전 대칭 이동을 수행하여, 자화 자유층(6)과 자화 고정층(4)의 자기 모멘트 사이의 상대각이 거의 변경되지 않아 자기-저항 소자의 저항이 변경되지 않기 때문이다.
하나의 영구 자석(15)만이 도 6에서 주파수 변환 장치의 일 측면 상에 배열되어 있지만, 영구 자석(15)이 주파수 변환 장치의 양 측면상에 또한 배열될 수 있음을 유의한다.
고주파수 신호 f1= 3 GHz는 입력 신호원(101)으로부터 주파수 변환 장치(100)로 입력되고, 고주파수 신호 f2= 4.72 GHz는 국부 발진기(102)로부터 주파수 변환 소자(10)로 입력된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 강자성 공진 주파수를 4.72 GHz로 설정하는 자기장은 영구 자석(15)에 의해 주파수 변환 소자(10)에 인가된다. 그러므로, 3 GHz와 4.72 GHz 사이의 차신호는 주파수 변환 소자(10)로부터 출력된다. 차신호를 관측하기 위해, 스펙트럼 분석기(20)는 주파수 변환 장치(100)의 출 력 측에 연결된다.
도 7은 스펙트럼 분석기(20)에 의해 관측된 출력 신호를 나타낸다. 3 GHz의 입력 신호와 4.72 GHz의 국부 발진 신호 사이의 차 신호에 대응하는 1.72 GHz의 신호가 관측된다는 사실로부터, 주파수 변환이 수행되었음을 알 수 있다.
도 8은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 3 주파수 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다. 전술한 실시예에서, 영구 자석은 자기장 인가 메커니즘(15)으로 사용된다. 그러나, 전류 유도 자기장은 또한 도 8에 도시된 바와 같이 코일(21)을 배열함으로써 주파수 변환 소자(10)에 인가될 수 있다. 이 경우에, 자기장의 크기는 코일(21)의 배열 위치에 의해서뿐 아니라 코일(21)로 인가된 전류의 크기 및 코일(21)의 권수에 의해 제어될 수 있다. 그러므로, 코일(21)로 흐르도록 된 전류를 제어하기 위한 제어 전력원(제어 섹션)(25)을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시예에서, 자기장은 코일을 사용하는 방법 이외에, 간단한 전기 배선 등을 사용하는 방법에 의해 실현될 있다. 또한, 코일은 도 8에서의 주파수 변환 소자(10)의 일 측면 상에서만 배열되어 있지만, 코일은 주파수 변환 소자(10)의 양 측면 상에 또한 배열될 수 있다.
또한, 코일(21)이 도 8에 도시된 바와 같이 주파수 변환 소자에 자기장을 인가하기 위한 수단으로 사용되는 경우에, 우도 자기장의 크기는 코일(21)에 인가된 전류의 크기를 변경함으로써 변경될 수 있다. 이를 사용하여, 주파수 변환 소자(10)의 강자성 공진 주파수를 변경하는 것이 가능하다.
다음으로, 본 발명에 따른 주파수 변환 장치에서 스위칭 기능을 제공하는 방 법을 설명한다. 도 8을 참고로 전술한 바와 같이, 주파수 변환 소자(10)의 강자성 공진 주파수 제어 전력원(제어 섹션)(25)을 제어함으로써 코일(21)에 인가된 전류의 크기를 변경하는 것에 의해 변경된다. 또한, 강자성 공진 주파수는 코일(21)에 인가된 전류를 턴온(turn on)하고 턴오프(turn off)함으로써 유도된 자기장을 턴온하고 턴 오프하는 것에 의해 변경될 수 있다. 이 특성을 사용함으로써 입력 신호의 주파수에 대해 강자성 공진 주파수 대역을 시프팅함으로써, 주파수 변환을 수행하는 지 여부를 스위칭하기 위한 스위칭 기능을 동작하는 것이 가능하다.
대안으로는, 스위칭 기능은 또한 다음의 방법으로 제공될 수 있다. 3GHz 및 4.72 GHz의 입력 신호가 주파수 변환 소자로 입력되었던 상태에서 외부 자기장의 방향이 도 6에 도시된 영구 자석(15)을 이동함으로써 (각도는 0°로 설정되어있음) 자화 고정층(4)의 용이축 방향에 평행하게 설정되었던 경우, 차 신호 주파수로서 1.72 GHz의 스펙트럼이 관측될 수 없고(도 9 참고), 주파수 변환 효과가 달성되지 않은 것을 알 수 있다. 전술한 바와 같이, 이는 자화의 세차의 중심축이 자화의 용이축 상에 설정되어, 저항 변화를 달성하지 못하고 이에 의해 주파수 변환 효과를 얻을 수 없기 때문이다.
또한, 자기장의 인가 방향이 자화 고정층(핀층(pin layer))의 용이축 방향과 역평행으로(antiparallel) 유사하게 설정되는 경우에, 차 신호 주파수가 관측되지 않았다. 이 방식으로, 주파수 변환 효과는 자화 고정층의 용이축에 대하여 0°또는 180°로 자기장의 인가 방향을 설정함으로써 턴-오프될 수 있다. 전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 주파수 변환 장치에서, 주파수 변환을 수행할 수 있는지 여부를 스위칭하는 스위칭 기능이 제공될 수 있어, 주파수 변환 소자에 인가된 외부 자기장은 외부 자기장을 인가하기 위해 영구 자석을 이동함으로써 제어된다.
이하 주파수 변환 기능의 스위칭을 수행하기 위한 방법으로 2 개의 방법이 설명된다.
하나의 방법으로서, 주파수 변환 효과가 주파수 변환 소자로 적절한 외부 자기장을 항상 인가함으로써 얻어지는 상태(스위칭 온 상태)는, 외부 자기장을 변경함으로써, 주파수 변환 효과를 달성하지 못하는 상태(스위칭 오프 상태)로 시프팅되거나, 또는 강자성 공진 주파수 대역을 시프트함으로써, 주파수 변환 신호의 주파수가 필요한 주파수 대역으로부터 시프트되는 상태로 시프트되는 방법이다. 이 방법에서, 주파수 변환 기능은 정상 상태에서 동작되어, 이 방법은 "정상-온(normally-on) 방법"으로 정의된다.
도 10은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 4 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다. 정상-온 주파수 변환 장치를 실행하기 위해, 도 10에 도시된 바와 같이 주파수 변환 소자(10) 주위로 2 개의 자기장 인가 메커니즘을 배열하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서, 자기장은 전자석으로 이용하는 코일(21), 및 주파수 변환 소자(10)의 근처에 영구자석(15)을 배열함으로써 인가된다.
특히, 외부 자기장은 스위칭-오프 상태에 영향을 미치도록 변경될 필요가 있어, 2 개의 전기장 인가 메커니즘 중 적어도 하나는 코일(21)에 의해 인가된 전류-유도 자기장과 같은, 제어가능한 자기장을 인가할 필요가 있다.
정상-온 상태를 실행하는데 필요한 자기장이 영구 자석(15)을 사용함으로써 발생되는 경우, 전력 소모는 감소될 수 있다. 이는 전기 전력이 코일 등을 사용함으로써 전류-유도 자기장을 발생하기 위해 필요되더라도, 영구 자석(15)이 사용되는 경우에 주파수 변환 소자(10)의 측면에서 영구 자석(15)이 단지 배열될 필요가 있기 때문이다.
다른 한편으로는, 주파수 변환의 주파수가 주파수 변환 소자(10)의 강자성 공진 주파수를 변경함으로써 가변될 수 있는 경우에, 코일 등을 사용함으로써 발생된 전류-유도 전기장은 정상-온 상태를 실행하는데 필요하다.
또한, 코일 등을 사용함으로써 발생된 전류-유도 자기장이 정상적-온 상태를 실행하는 데 사용되는 경우에, 2 개의 자기장 인가 메커니즘을 사용하지 않고 스위칭 오프 상태가 실현되는 방법이 또한 있다. 스위칭 오프 상태는 자화 고정층(4)의 자기 비등방성의 방향이 자화 자유층(6)으로 단축 자기 비등방성을 제공함으로써 자화 자유층(6)의 용이축 방향과 일치되는 주파수 변환 소자(10)를 사용함으로써 실현될 수 있다. 이런 방법으로, 코일 등에 인가된 전류가 스위칭 온-상태에서 중단되는 경우, 자기장은 주파수 변환 소자(10)에 더 이상 인가되지 않는다. 이에 의해, 자기 자유 층의 자기 모멘트는 자화 고정층에서 자기 모멘트에 평행하거나 또는 역평행하게 설정되도록, 용이축 방향으로 지향된다.
다른 스위칭 방법으로서, 스위칭-오프 상태가 정상 동작시 영향을 받고, 스위칭-온 상태가 주파수 변환 기능을 필요로 하는 경우에만 영향을 받는 방법이 있다. 이 방법에서, 주파수 변환 기능이 정상 동작시 스위치가 꺼져, 이 방법은 "정상-오프(normally-off) 방법"으로 정의된다.
정상-오프 방법을 실현하기 위해, 코일 등에 의해 발생된 전류-유도 자기장을 사용하는 것이 필수적이다. 자기장은 정상 동작 시에 주파수 변환 소자에 인가되지 않는다. 주파수 변환 기능이 턴온되는 경우, 외부 자기장은 코일 등에 전류를 공급함으로써 주파수 변환 소자에 인가된다. 이에 의해, 주파수 변환 효과를 달성하는 상태가 실현된다. 주파수 변환의 주파수가 가변으로 되는 것이 요구되는 경우에, 코일 등에 의해 발생된 전류-유도 자기장이 제어가능하게 되는 것이 필요하다.
주파수 변환 효과의 존재/부재가 주파수 변환 소자(10)의 일 측에서 코일(15)을 배열함으로써 스위치되는 실시예가 설명되어 있다.
주파수 변환 소자의 강자성 공명 주파수가 4.72 GHz로 설정되도록 전류-유도 자기장을 발생하기 위한 코일에 인가된 전류의 값은 설정된다. 코일은 자화 자유층이 지향될 방향에 평행하고, 자기 고정 층의 용이축에 대해 30 °기울어진 방향으로 배열된다. 3 GHz 및 4.72 GHz의 신호가 이 상태(정상적-온 상태)에서 주파수 변환 소자(10)로 입력되는 경우, 1.72 GHz의 차 신호 주파수는 도 7에 유사하게 관측될 수 있다.
코일(21)에 인가된 전류가 이 상태에서 제어 전력원(25)을 턴오프함으로써 중단되는 경우, 입력 신호의 차신호로서 1.72 GHz의 신호를 관측할 수 없다. 이렇게 하여, 코일(21)에 인가된 전류의 값을 제어함으로써 정상-온 방법을 실행하는 것이 가능하다.
또는, 전류가 코일(21)에 공급되지 않는 상태(정상-오프 상태)에서 전류가 제어 전력원(25)을 켜는 것에 의해 코일(21)에 공급되는 경우, 입력 신호의 차신호 로서 1.72 GHz의 신호를 관측할 수 있다. 이는 정상-오프 상태에서의 동작이다.
이런 방식으로 자기장 인가 수단을 적절하게 선택함으로써, 정상-온 방법 및 정상-오프 방법 모두에 대응할 수 있는 주파수 변환 장치를 실행할 수 있다.
도 11은 주파수 변환 소자를 포함하는 제 5 주파수 변환 장치의 개략적 구성을 나타내는 다이어그램이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 코일(21) 및 코일(21)에 인가된 전류를 제어할 수 있는 제어 전력원(제어 섹션)(25)은 주파수 변환 소자(10)의 근처에 배열된다. 또한, 주파수 변환 소자(10)의 출력 측에 전기적으로 연결되고, 코일에 대한 제어 전력원(25)에 전기적으로 연결되는 피드백 회로(35)가 제공되어 있다.
주파수 변환 소자(10)에 설정되는 것이 바람직한 강자성 공진 주파수의 국부 발진 신호가 국부 발진기(102)로부터 입력되고, 고주파수 신호는 외부 신호원(101)으로부터 입력된다. 예를 들어, 강자성 공진 주파수는 4GHz로 설정되고, 외부 입력 신호는 3.8 GHz의 주파수를 가지도록 설정된다. 이에 의해, 0.2 GHz의 신호는 주파수 변환 소자(10)로부터 출력된다. 출력 신호는 피드백 회로(35)에 의해 검출된다. 차신호 주파수가 정확하게 출력되지 않는 경우, 피드백 회로(35)는 원하는 출력을 달성하도록 코일(21)에 의해 발생된 전류유도 자기장의 크기를 제어하기 위해 제어 전력원(25)(제어 섹션)에 피드백 인가할 수 있다. 이렇게 하여, 피드백 회로가 사용되는 경우, 주파수 변환 소자에서 변환 주파수 조절 기능을 제공할 수 있다.
그러나, 3.8 GHz의 신호에 대하여 0.2 GHz의 차신호 주파수를 발생하는데 사용되는 주파수로서, 4GHz의 신호 외에 3.6 GHz의 신호가 존재한다. 그러므로, 전술 한 조절 과정이 단지 한번 수행되는 경우, 설정된 강자성 공진 주파수가 4GHz 또는 3.6 GHz인 지 여부를 식별하는 것은 가능하지 않다. 따라서, 전술한 조절 과정은 3.8 GHz 이외의 주파수로 외부 입력 신호의 주파수 설정함으로써 다시 한번 수행된다. 예를 들어, 외부 입력 신호 f1은 3.4 GHz로 설정된다. 강자성 공진 주파수가 전술된 조절 과정에서 4 GHz로 설정된다면, 0.6 GHz의 신호가 주파수 변환 소자(10)로부터 출력된다. 그러나, 강자성 공진 주파수가 전술한 조절 과정에서 3.6 GHz로 설정되는 경우에, 0.2 GHz의 신호가 출력된다. 이 경우에, 조절 과정을 다시 한번 반복하는 것이 필요하다. 이를 이유로, 코일에 대한 제어 전력원(25) 또는 피드백 회로(35)에 메모리 장치를 설치하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 국부 발진기는 강자성 공진 주파수의 신호를 출력하는데 사용되지만, 외부 신호원의 출력 신호가 또한 강자성 공진 주파수로 사용될 수 있다.
도면의 주요부호 설명
2 하부 전극층
3 반강자성 층(하부 전극 층)
4 자화 고정층
5 터널 장벽 층(중간층)
6 자화 자유층
7 오버코트(overcoat) 층(보호층)
10 주파수 변환 소자
15 자기장 인가 메커니즘
25 제어 전력원(제어 섹션)
101 외부 신호원
102 국부 발진기
103 배선
104 입력 단자
본 발명의 내용에 포함되어 있음.

Claims (9)

  1. 자화 자유층, 중간층 및 자화 고정층을 포함하는 자기-저항 소자;
    외부로부터 상기 자기-저항 소자에 제1 주파수를 갖는 입력 신호를 입력하는 입력 단자;
    상기 자기-저항 소자에 제2 주파수를 갖는 국부 발진 신호를 입력하는 국부 발진기;
    상기 자기-저항 소자에 외부 자기장을 인가하는 자기장 인가 수단; 및
    상기 자기-저항 소자 내의 자화 자유층의 자화 세차에 의해 야기되는 저항 변화에 의해 상기 제1 주파수 및 제2 주파수 사이의 차신호(difference signal) 또는 상기 제1 주파수 및 제2 주파수 사이의 합신호(sum signal)를 출력하는 출력 단자를 포함하는 주파수 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 인가 수단은 제1 자기장 및 제2 자기장 사이에서 외부 자기장을 제어하는 제어 수단을 포함하며, 상기 제1 자기장은 자화 고정층의 용이축 방향에 평행하지 않으며, 상기 자기-저항 소자가 상기 제1 주파수 또는 제2 주파수와 동일한 강자성 공진 주파수를 갖게 하는 크기를 가지고, 상기 제2 자기장은 자화 고정층의 용이축 방향에 평행하거나 역평행하며,
    상기 제어 수단은 상기 제1 자기장이 인가될 때 상기 외부 단자로 차신호 또는 합신호가 전송되는 스위칭 온 상태와 제2 자기장이 인가될 때 상기 외부 단자로 차신호 및 합신호가 전송되지 않는 스위칭 오프 상태 사이에서 스위칭하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 인가 수단은 영구 자석이고,
    상기 영구 자석에 의해 인가된 자기장의 방향은 상기 자기-저항 소자의 자화 고정층의 용이축 방향에 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기장 인가 수단은:
    전류 자기장을 발생시키기 위한 전류 자기장 인가 수단; 및
    상기 전류 자기장 인가 수단에 전류를 인가하기 위한 전력원을 포함하고,
    전류 자기장의 자기장 인가 방향은 상기 자기-저항 소자의 자화 고정층의 용이축 방향과 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 주파수와 제2 주파수에 대하여 상기 자화 자유층의 강자성 공진 주파수 대역를 시프트할 수 있도록 상기 전류 자기장 인가 수단에 인가된 전류를 제어함으로써 상기 자기-저항 소자에 인가된 자기장을 제어하는 제어 수단을 더 포함하며,
    상기 제어 수단은 상기 제1 주파수 또는 제2 주파수가 상기 강자성 공진 주파수 대역 내에 있을 때 상기 외부 단자로 차신호 또는 합신호가 전송되는 스위칭 온 상태와 상기 제1 주파수 또는 제2 주파수가 상기 강자성 공진 주파수 대역 밖에 있을 때 상기 외부 단자로 차신호 및 합신호가 전송되지 않는 스위칭 오프 상태 사이에서 스위칭하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    원하는 강자성 공진 주파수를 가지도록 출력을 설정하기 위해 상기 자기-저항 소자의 출력을 검출하고 상기 제어 수단에 피드백을 인가하는 피드백 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 전류 자기장 인가 수단에 인가되는 전류를 제어함으로써 상기 자기-저항 소자에 인가되는 자기장을 제어하는 것을 특징으로 하는 주파수 변환 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
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