CN107919434B - 频率可变磁电阻效应元件以及使用该元件的振荡器、检波器及滤波器 - Google Patents

频率可变磁电阻效应元件以及使用该元件的振荡器、检波器及滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明旨在提供一种频率特性稳定且工作能量被大幅度降低了的频率可变磁电阻效应元件及利用该元件的器件。本发明的频率可变磁电阻效应元件包括：磁电阻效应元件、对所述磁电阻效应元件施加磁场的磁场施加机构、对所述磁电阻效应元件施加电场的电场施加机构、及与所述电场施加机构连接并向所述电场施加机构供给大小及/或极性不同的电压的控制端子。所述磁电阻效应元件包含具有电磁效应的反铁磁性物质或亚铁磁性物质。所述磁电阻效应元件通过改变从所述控制端子供给的电压的大小及/或极性，控制所述磁电阻效应元件的自旋扭矩振荡频率或自旋扭矩共鸣频率。

Description

频率可变磁电阻效应元件以及使用该元件的振荡器、检波器 及滤波器
技术领域
本发明涉及一种利用磁电阻效应的频率可变磁电阻效应元件，该频率可变磁电阻效应元件可以适用于为无线通信所需的振荡器、检波器及滤波器等。
背景技术
近年来，随着智能手机等移动终端的小型化、高功能化，用于终端的电子部件的数量及占有可能面积呈减少趋势。另一方面，由于通信速度的高速化及应用的多样化等，所使用的频率及频带个数呈增加趋势。为了满足这些要求，需要能够用单一部件控制多个频带的对应于多频带的高频部件。
利用磁电阻效应的振荡(或共振)元件，与以往使用的LCR电路等电子电路相比，能够以非常小的尺寸对应于更高的频率。另外，因为能由磁场改变其工作频率，所以期待利用磁电阻效应的振荡(或共振)元件作为新一代的高频部件(专利文献1)。
以往所知的振荡(或共振)频率的控制方法大致分成磁场控制方式和电场控制方式。专利文献1及专利文献2公开了作为调节用的磁场施加机构而使用电磁铁的方式。另外，专利文献3公开了包括磁电阻效应元件、电磁铁及用来施加来自电磁铁的磁场的导磁路径的磁场控制方式的具体结构。在该磁场控制方式中，通过改变在线圈(电磁铁)中流动的电流来改变磁场强度，以控制振荡频率。另外，非专利文献1公开了作为外部原因利用电场的方式。电场控制方式是通过施加电场而代替磁场来控制自旋进动的频率的技术。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】国际专利公开号第WO2010/119569公报
【专利文献2】日本专利号第4743113
【专利文献3】日本专利公开号第2006-303097公报
非专利文献
【非专利文献1】W.Skowronski et.al.,Appl.Phys.Lett.,105,072409(2014)
但是，根据本发明人的研究，有如下问题，在关于这些现有技术的频率可变方法中，需要在控制频率工作时稳定且不变动地维持所施加的磁场或电场，不适合用于器件。另外，在作为控制用的磁场而使用电磁铁的情况下，需要在控制频率工作时为了使电磁铁一直励磁而需持续将电流流向线圈中。结果，导致元件的工作能量大幅度增加的问题。另外，因为需要在振荡元件附近设置电磁铁，所以整体的占有面积呈大幅度增加的趋势。为了解决这些问题，希望仅在改变频率时消耗能量并能够以没有能耗的方式保持改变频率后的状态的机制。
发明内容
鉴于上述问题，本发明是通过实现以下机制来解决上述问题，该机制是：使用几乎没有能耗的电场控制磁电阻效应元件的自旋进动的频率，并且在消除电场之后能够保持频率变化后的状态的机制。由此可以提供一种频率特性稳定且工作能量被大幅度地降低了的频率可变磁电阻效应元件及利用该元件的器件。
具体而言，作为第一技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件包括磁电阻效应元件、用来对所述磁电阻效应元件施加磁场的磁场施加机构、用来对所述磁电阻效应元件施加电场的电场施加机构、以及与所述电场施加机构连接并用来向所述电场施加机构供给大小及/或极性不同的电压的控制端子。所述磁电阻效应元件包括具有电磁效应的反铁磁性物质或亚铁磁性物质。此时，所述磁电阻效应元件的自旋扭矩振荡频率或自旋扭矩共鸣频率由从所述控制端子供给的电压的大小及/或极性变化控制。
在具有上述特征的本发明中，从输入信号线对磁电阻效应元件输入直流信号，使得磁电阻效应元件中产生自旋扭矩振荡效应。通过自旋扭矩振荡效应，磁电阻效应元件能够从输出信号线输出交流信号。或者，从输入信号线对磁电阻效应元件输入交流信号，使得磁电阻效应元件中产生自旋扭矩共鸣效应。通过自旋扭矩共鸣效应，能够将所输入的交流信号中与磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率相同的频率的交流信号转换为直流信号。或者，通过自旋扭矩共鸣效应，能够降低所输入的交流信号中与磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率相同的频率的交流信号的元件阻抗。本发明的频率可变磁电阻效应元件通过根据需要同时施加磁场和电场，能够改变磁电阻效应元件的振荡频率或共鸣频率。此时，通过改变向控制端子供给的施加电压及极性，能够连续地控制振荡频率或共鸣频率。并且，在消除电场和磁场之后也能够保持改变后的状态。结果，与利用磁场持续改变频率的方式相比，本发明的频率可变磁电阻效应元件能够大幅度地降低器件的能耗。此外，与利用电场持续改变频率的方式相比，本发明的频率可变磁电阻效应元件因为能够以不需要继续施加恒定电场的方式保持改变后的状态，所以能够实现频率变化稳定且能耗少的频率控制。
作为第二技术方案，在涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件中，所述磁电阻效应元件可以具有包括控制层、与所述控制层磁连接且磁化方向可变的磁化自由层的结构。此时，所述控制层可以包含所述反铁磁性物质或所述亚铁磁性物质。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于具有这样的结构，通过施加电场和磁场能够有效地改变产生在磁化自由层中的自旋扭矩振荡频率或自旋扭矩共鸣频率并保持改变后的状态。由此能够提供一种能够有效地改变频率的频率可变磁电阻效应元件。
作为第三技术方案，在涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件中，所述控制层可以包含第二反铁磁性物质，该第二反铁磁性物质的奈尔温度比所述反铁磁性物质或所述亚铁磁性物质的奈尔温度高。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件能够提高产生在控制层和磁化自由层之间的交换耦合的热及时间稳定性。
作为第四技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件可以包括控制机构，该控制机构与所述控制端子连接并具有控制对所述控制端子施加的电压和其极性的功能。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于元件自身包括这样的控制机构，能够以不需要来自外部的电源与控制端子连接并控制电压的方式控制频率。由此能够提供一种能够更简便并主动地控制频率的频率可变磁电阻效应元件。
作为第五技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件可以包括反馈电路，该反馈电路检测所述频率可变磁电阻效应元件的输入信号或输出信号的任何一方或双方，并且向所述控制机构进行反馈，以便设定为所希望的自旋扭矩振荡频率或希望的自旋扭矩共鸣频率。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于包括这样的反馈电路，即使由来自外部的磁场变化及温度变化等而频率变动，也通过再次调节来能抵消其变动。由此可以提供一种能够耐受外扰的频率可变磁电阻效应元件。
作为第六技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件作为所述磁场施加机构可以使用永磁铁。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件能够以不消耗能量的方式施加频率控制时需要的磁场。由此能够进一步地降低控制时需要的能量。结果，能够提供一种能耗更低的频率可变磁电阻效应元件。
作为第七技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件也可以具有如下特征：(1)所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性；(2)在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上对所述控制层施加从所述磁场施加机构施加的施加磁场；(3)在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上对所述控制层施加从所述电场施加机构施加的施加电场；(4)以大致平行或大致反向平行的关系对所述控制层重叠地施加所述施加磁场和所述施加电场；并且(5)通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述磁电阻效应元件的自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。这里，“垂直方向”是指：在假设与所述磁电阻效应元件的层叠方向存在有垂直的轴的情况下，位于相对该轴±10°的范围内的大致垂直的方向。另外，垂直方向也可以朝向所述磁电阻效应元件的层叠面内的任何方向。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于具有这样的磁化自由层的磁各向异性，能够有效地将磁化自由层的自旋进动反映于磁电阻的变化。结果，能够提高磁电阻效应元件的振荡效率或共鸣效率，并且有效地利用振荡效应或共鸣效应。另外，能够从控制层向磁化自由层供给面内方向的有效磁场，因此能够通过电场的变化有效地改变振荡频率或共鸣频率。
作为第八技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件也可以具有如下特征：(1)所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性；(2)从所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层；(3)从所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层；(4)所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层；并且(5)通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于具有这样的磁化自由层的磁各向异性，能够有效地将磁化自由层的自旋进动反映于磁电阻的变化。结果，能够提高磁电阻效应元件的振荡效率或共鸣效率，并且能够有效地利用振荡效应或共鸣效应。另外，能够从控制层向磁化自由层供给沿着层叠方向的有效磁场，因此能够通过电场的变化更有效地改变振荡频率或共鸣频率。
作为第九技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件也可以具有如下特征：(1)所述磁化自由层具有对层叠面垂直方向的磁各向异性；(2)从所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层；(3)从所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层；(4)所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层；并且(5)通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件由于具有这样的磁化自由层的磁各向异性，能够更有效地将磁化自由层的自旋进动反映于磁电阻的变化。结果，能够提高磁电阻效应元件的振荡効率或共鸣効率，并且能够有效地利用振荡效应或共鸣效应。另外，能够从控制层向磁化自由层供给沿着层叠方向的有效磁场，因此能够通过电场的变化更有效地改变振荡频率或共鸣频率。
作为第十技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件也可以具有如下特征：作为所述反铁磁性物质包含Cr2O3、YMnO3及BiFeO3中的至少一个氧化物。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件通过将这些材料用于控制层，能够减小为频率的控制所需的电场强度。另外，能够提高控制层的绝缘性。结果，能够将控制层的泄漏电流抑制得较低，因此能够提供能耗更低的频率可变磁电阻效应元件。
作为第十一技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件也可以具有如下特征：作为所述亚铁磁性物质包含Al1-x-yGaxFe1+yO3(0≤x≤1、0≤y≤0.3、0≤x+y≤1)。
具有上述特征的频率可变磁电阻效应元件能够减小为频率的控制所需的电场强度。另外，能够提高控制层的绝缘性。结果，能够将控制层的泄漏电流抑制得较低，因此能够提供能耗更低的频率可变磁电阻效应元件。
作为第十二技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件可以用于频率可变振荡器。该频率可变振荡器具有如下特征：(1)包括以上所说明的频率可变磁电阻效应元件；(2)频率可变磁电阻效应元件的磁电阻效应元件接收直流信号的输入并输出具有与自旋进动的频率相同的频率的交流信号；并且(3)从磁电阻效应元件输出的所述交流信号的频率由于施加于磁电阻效应元件的电场的大小或方向的变化而变化。
在具有上述特征的频率可变振荡器中，通过对磁电阻效应元件输入直流信号，能够在磁电阻效应元件中产生自旋扭矩振荡效应。通过自旋扭矩振荡效应，磁电阻效应元件能够从输出信号线输出具有与磁化自由层的自旋进动的频率相同的频率的交流信号。此时，通过改变所施加的电场强度及方向能够改变磁电阻效应元件的振荡频率。另外，在消除电场及磁场之后也能够保持改变后的状态。因此，与使用利用电磁铁持续性地一直改变振荡频率的方式的磁电阻效应元件的现有技术的振荡器相比，具有上述特征的频率可变振荡器能够大幅度地降低器件的能耗。
作为第十三技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件可以用于频率可变检波器。该频率可变检波器具有如下特征：(1)包括以上所说明的频率可变磁电阻效应元件；(2)频率可变磁电阻效应元件的磁电阻效应元件接收交流信号的输入，响应于交流信号中具有与自旋进动的频率相同的频率的信号而输出直流信号；并且(3)“自旋进动的频率”，即能够进行检波的频率是磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率，并由于所述施加电场的大小或方向的变化而变化。
在具有上述特征的频率可变检波器中，通过对磁电阻效应元件输入交流信号，能够在磁电阻效应元件中产生自旋扭矩共鸣效应。由自旋扭矩共鸣效应，磁电阻效应元件能够将所输入的交流信号中具有与磁化自由层的自旋进动的频率相同的频率的交流信号转换为直流信号。此时，通过改变所施加的电场强度及方向能够改变磁电阻效应元件的响应频率。另外，在消除电场及磁场之后也能够保持改变后的状态。因此，与使用利用电磁铁持续性地一直改变共鸣频率的方式的磁电阻效应元件的现有技术的检波器相比，具有上述特征的频率可变检波器能够大幅度地降低器件的能耗。
作为第十四技术方案，涉及本发明的频率可变磁电阻效应元件能够用于频率可变滤波器。该频率可变滤波器具有如下特征：(1)包括以上所说明的频率可变磁电阻效应元件；(2)在频率可变磁电阻效应元件的磁电阻效应元件接收交流信号的输入时，输出该交流信号中具有与自旋进动的频率(磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率)相同的频率的成分被选择性地衰减的交流信号；并且(3)通过改变所述施加电场的大小或方向来改变被衰减的信号的频率(磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率)。
在具有上述特征的频率可变滤波器中，通过对磁电阻效应元件输入交流信号，能够在磁电阻效应元件中产生自旋扭矩共鸣效应。此时，磁电阻效应元件可以作为其电阻值以对应于自旋扭矩共鸣频率的频率周期性地振动的元件而使用。由于该效应，与磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率相同的频率的元件阻抗减小。通过使该磁电阻效应元件与输入信号线及输出信号线并联连接，从输入信号线输入的交流信号中具有磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率附近的频率的交流信号容易流向磁电阻效应元件而难以流向输出信号线一侧。就是说，能够使从输入信号线输入的交流信号以磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率附近的频率对于输出信号线衰减。结果，具有上述特征的频率可变滤波器可以获得使与自旋进动的频率相同的频率的交流信号衰减的滤波器的功能。此时，通过改变所施加的电场强度及方向，能够改变磁电阻效应元件的衰减频率。另外，在消除电场及磁场之后也能够保持改变后的状态。因此，与使用利用电磁铁持续性地一直改变共鸣频率的方式的磁电阻效应元件的现有技术的滤波器相比，具有上述特征的频率可变滤波器能够大幅度地降低器件的能耗。
并且，作为第十五技术方案，涉及本发明的频率可变滤波器可以具有如下特征：(1)包括以上所说明的频率可变磁电阻效应元件；(2)在频率可变磁电阻效应元件的磁电阻效应元件接收交流信号的输入时，使该交流信号中具有与自旋进动的频率(磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率)相同的频率的交流信号透过并输出；并且(3)通过改变所述施加电场的大小或方向来改变所透过的交流信号的频率(磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率)。
在具有上述特征的频率可变滤波器中，通过对磁电阻效应元件输入交流信号，能够在磁电阻效应元件中产生自旋扭矩共鸣效应。此时，磁电阻效应元件可以作为其电阻值以对应于自旋扭矩共鸣频率的频率周期性地振动的元件而使用。由于该效应，与磁电阻效应元件的自旋扭矩共鸣频率相同的频率的元件阻抗减小。通过使该磁电阻效应元件与输入信号线及输出信号线串联连接，能够使交流信号以高阻抗的非共鸣频率阻断并以低阻抗的共鸣频率通过。结果，具有上述特征的频率可变滤波器可以获得使与自旋进动的频率相同的频率的交流信号通过的滤波器的功能。此时，通过改变所施加的电场强度及方向，能够改变磁电阻效应元件的通过频率。另外，在消除电场及磁场之后也能够保持改变后的状态。因此，与使用利用电磁铁持续性地一直改变共鸣频率的方式的磁电阻效应元件的现有技术的滤波器相比，具有上述特征的频率可变滤波器能够大幅度地降低器件的能耗。
本发明的有益效果是：能够提供一种能够大幅度地降低为频率控制所需的工作能量并维持改变后的频率的频率可变磁电阻效应元件；并且，能够提供一种利用这些频率可变磁电阻效应元件的节能的频率可变振荡器、检波器及滤波器。
附图说明
图1是示出涉及第一实施方式的频率可变磁电阻效应元件的结构的示意图；
图2是示出涉及第一实施方式的磁电阻效应元件的结构的示意图；
图3是示出涉及第一实施方式的磁电阻效应元件的自旋进动频率的频率特性的曲线图；
图4是示出涉及第二实施方式的磁电阻效应元件的磁化自由层的易磁化轴的方向与电场及磁场的施加方向的关系的示意图；
图5是示出涉及第三实施方式的磁电阻效应元件的磁化自由层的易磁化轴的方向与电场及磁场的施加方向的关系的示意图；
图6是示出涉及第四实施方式的磁电阻效应元件的磁化自由层的易磁化轴的方向与电场及磁场的施加方向的关系的示意图；
图7是示出涉及第五实施方式的频率可变振荡器的结构的示意图；
图8是示出涉及第五实施方式的频率可变振荡器的振荡频率的变化的曲线图；
图9是示出涉及第六实施方式的频率可变检波器的结构的示意图；
图10是示出涉及第六实施方式的频率可变检波器的响应频率的变化的曲线图；
图11是示出涉及第七实施方式的频率可变滤波器的结构的示意图；
图12是示出涉及第七实施方式的频率可变滤波器的信号透过特性的频率依赖性的曲线图；
图13是示出涉及第八实施方式的频率可变滤波器的结构的示意图；
图14是示出涉及第八实施方式的频率可变滤波器的信号透过特性的频率依赖性的曲线图；
图15是示出涉及实验例的样品的形状和结构的概略图；
图16是示出在改变涉及实验例的样品的施加电压时的反常霍尔效应测定结果的差异的概略图；
图17是示出涉及模拟例的磁电阻效应元件模型的概略图；
图18A是示出模拟例的结果的曲线图；
图18B是纵轴为振荡频率且横轴为交换偏置场的强度的曲线图。
符号说明
1a 输入信号线
1b 输出信号线
2 上部电极
3 下部电极
10 磁电阻效应元件
11 控制层
12 磁化自由层
13 中间层
14 磁化固定层
21 磁场施加机构
31 电场施加机构
32 控制端子
33 控制机构
40 反馈电路
51 上部电极
52 下部电极
53 基板
54 电源装置
100 频率可变磁电阻效应元件
200 频率可变振荡器
300 频率可变检波器
400 频率可变滤波器
500 频率可变滤波器
具体实施方式
下面参照附图对为实施本发明的方式的例子作详细说明。以下说明只是例示了本发明的实施方式的一部分，本发明并不限于以下实施方式，并且各实施方式只要具有本发明的技术思想则包含在本发明的范围内。各实施方式中的各结构及其组合等只是本发明的一个例子，在不脱离本发明的主旨的范围内，可以追加、省略、置换或改变构成要素。
第一实施方式
图1是示出涉及本发明的第一实施方式的频率可变磁电阻效应元件100的结构的示意图。频率可变磁电阻效应元件100包括磁电阻效应元件10、磁场施加机构21、电场施加机构31及控制端子32。输入信号线1a及输出信号线1b连接于磁电阻效应元件10。输入信号线1a及输出信号线1b分别用来传输输入信号及输出信号。控制端子32连接于电场施加机构31，并且通过从控制端子32施加正电压或负电压，能够经由电场施加机构31对磁电阻效应元件施加具有预定大小及方向的电场。在本实施方式中，磁场施加机构21由利用线圈的电磁铁或永磁铁等构成，但是不局限于此，只要是能够对磁电阻效应元件10施加磁场的机构即可。此外，电场施加机构31可以具有与磁电阻效应元件10直接连接的结构，但是不局限于此，只要是能够对磁电阻效应元件10施加电场的结构即可。
并且，频率可变磁电阻效应元件可以包括与控制端子32连接的控制机构33、及与控制机构33连接的反馈电路40。由于包括这些构成要素，频率可变磁电阻效应元件能够对应于从外部输入的控制信号主动地改变频率。此外，由于包括反馈电路，即使输入频率或输出频率变化，也能够一直以自旋扭矩振荡效应或自旋扭矩共鸣效应的频率为目标值来进行自动修改，因此能够稳定并有效地控制频率。
下面，以本实施方式为例对频率可变磁电阻效应元件的功能进行说明。频率可变磁电阻效应元件100具有如下功能：通过从输入信号线1a输入直流信号，使磁电阻效应元件10产生具有频率f0的成分的自旋进动，从输出信号线1b输出具有频率f0的成分的交流信号。并且，频率可变磁电阻效应元件100还具有如下功能：通过从输入信号线1a输入具有频率f0的成分的交流信号，使磁电阻效应元件10产生自旋扭矩共鸣效应，输出直流信号。并且，频率可变磁电阻效应元件100还具有如下功能：通过从输入信号线1a输入包含第一频率成分和第二频率成分的交流信号，该第一频率成分至少具有使自旋扭矩共鸣效应产生的频率f0，该第二频率成分具有与第一频率不同的第二频率成分，由自旋扭矩共鸣效应使所输入的交流信号中具有频率f0的信号成分衰减而输出该被衰减的交流信号。并且，频率可变磁电阻效应元件100还具有如下功能：通过从输入信号线1a输入包含第一频率成分和第二频率成分的交流信号，该第一频率成分至少具有使自旋扭矩共鸣效应产生的频率f0，该第二频率成分具有与第一频率不同的第二频率成分，由自旋扭矩共鸣效应使所输入的交流信号中具有频率f0的信号成分通过而输出该被通过的交流信号。
下面，以本实施方式为例对频率控制的方法进行说明。在本实施方式中，公开如下技术：通过对磁电阻效应元件10同时施加磁场和电场来控制磁电阻效应元件10的自旋进动的频率。“同时施加磁场和电场”是指对磁电阻效应元件10临时形成磁场和电场重叠的状态(重合的状态)。此外，在本说明书中，“电磁(ME)操作”定义为“对磁电阻效应元件10产生磁场和电场的相乘，控制电场或磁场的任何一方或双方的大小及方向，以操作磁电阻效应元件的自旋进动的频率的方法”。
图2是示出涉及本发明的第一实施方式的磁电阻效应元件10的具体结构的示意图。磁电阻效应元件10包括控制层11、磁化自由层12、中间层13及磁化固定层14。控制层11具有控制磁化自由层12的自旋进动的频率的功能。
以本实施方式为例对控制层11进行说明。控制层11主要包含具有电磁效应(ME效应)的反铁磁性物质或亚铁磁性物质。控制层11通过交换耦合与磁化自由层12磁连接，并且具有对应于电磁操作改变磁化自由层12的自旋进动的频率的功能。作为控制层11优选的特性，可以举出：电磁耦合系数大；以及能够在宽温度范围内与磁化自由层12之间形成其强度足够的交换耦合。上述特性虽然能够通过使用具有上述优良特性的电磁效应的单种材料来实现，但是也能够通过使用组合具有电磁效应的反铁磁性材料和具有更高的奈尔温度的其他反铁磁性材料的复合材料来实现。在此情况下，在控制层11和磁化自由层12之间的交换耦合的热及时间稳定性表现出呈提高的趋势。可以调节这些复合材料的结构、层厚度、磁特性(反铁磁性物质的各向异性能量及奈尔温度等)，使得预定温度区域中的交换耦合的值为最大。另外，在本实施方式中，因为在根据自旋的排列方法来进行区别的情况下，双方的性质近似，所以也可以使用具有电磁效应的亚铁磁性物质而代替具有电磁效应的反铁磁性物质。
作为控制层11，例如可以使用(a)包含Cr2O3、BiFeO3等的具有电磁效应的氧化物反铁磁性物质、或Al1-x-yGaxFe1+yO3(0≤x≤1、0≤y≤0.3、0≤x+y≤1)等的具有电磁效应的氧化物亚铁磁性物质的至少一个的薄膜材料。另外，也可以使用(b)以Cr2O3、BiFeO3等的具有电磁效应的氧化物反铁磁性物质、或Al1-x-yGaxFe1+yO3(0≤x≤1、0≤y≤0.3、0≤x+y≤1)等的具有电磁效应的氧化物亚铁磁性物质的至少一种为主体的混晶体。另外，也可以使用(c)具有电磁效应的氧化物反铁磁性物质、氧化物亚铁磁性物质中的至少一种、及其奈尔温度比这些具有电磁效应的氧化物反铁磁性体物质或氧化物亚铁磁性物质高的反铁磁性材料的复合材料(层叠体或混合体)。作为上述反铁磁性材料，可以适当地选择使用公知的奈尔温度高的反铁磁性材料。典型地说，可以使用Fe2O3、(1-x)Fe2O3-xRh2O3、(1-x)Fe2O3-xRuO2、(1-x)Fe2O3-xIrO2(注意，x满足0＜x＜1)等的氧化物反铁磁性物质等。控制层11的厚度只要控制层11能够在与磁化自由层12之间产生交换耦合就没有限制，但是，鉴于能对控制层11施加电场而不使绝缘破坏发生，并鉴于将对控制层11的施加电压抑制为低，优选为1nm至1μm左右。
以本实施方式为例对磁化自由层12进行说明。磁化自由层12主要包含通过交换耦合与控制层11磁连接的铁磁性金属。磁化自由层12是其磁化方向由于外加磁场或自旋偏极电流而变化的层。在作为磁化自由层12利用在膜面内方向上具有易磁化轴的材料的情况下，作为其材料可以举出CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoFeMnSi、CoMnGe、CoMnSi或CoMnAl等，磁化自由层12的厚度优选为1至10nm左右。在作为磁化自由层12利用具有垂直磁各向异性的材料的情况下，作为其材料可以举出Co、CoCr类合金、Co多层膜、CoCrPt类合金、FePt类合金、包含稀土类的SmCo类合金、TbFeCo合金及一部分赫斯勒合金如MnGa及MnGe等。或者，磁化自由层12在具有垂直磁各向异性的情况下，除了材料的特性以外，例如还可以具有如下界面垂直磁各向异性，该界面垂直磁各向异性在作为中间层13使用氧化物材料的情况下产生在铁磁性物质和氧化物的界面。作为此情况的材料的组合，可以举出Fe和MgO、CoFeB和MgO、及Co基赫斯勒合金和MgO等，磁化自由层12的厚度优选为1至10nm左右。
也可以在磁化自由层12和控制层11之间插入交换耦合调节层。由此能够调节交换耦合的大小。作为交换耦合调节层，例如可以优选地使用除了铁磁性金属以外的Ru、Pt、Pd、Cr等过渡金属元素、Al、Mg等的轻金属元素、Si等的半导体元素。调节层的厚度虽然在磁化自由层12和控制层11之间的磁性连接不间断的条件下可以自由地设定，但是从适当地调节交换耦合的大小的观点来看，优选设定为0.1至1.0nm左右。
也可以在磁化自由层12和中间层13之间插入高MR效应材料。由此能够得到更高的磁电阻变化率。作为高MR效应材料，可以举出CoFe合金、CoFeB合金等。CoFe合金及CoFeB合金的双方的膜厚度都优选为0.2至1.0nm左右。
以本实施方式为例对中间层13进行说明。中间层13配置在磁化自由层12和磁化固定层14之间，并具有使磁化自由层12的磁化和磁化固定层14的磁化互相作用来得到磁电阻效应的功能。作为中间层13可以举出：由导电体材料构成的层、由绝缘体材料构成的层、由半导体材料构成的层、或在绝缘体中包括由导体构成的通电点的层。
在作为中间层13使用非磁性金属的情况下，作为其材料可以举出Cu、Ag、Au和Ru等。此时在磁电阻效应元件10中产生巨磁电阻(GMR)效应。在利用GMR效应的情况下，中间层13的厚度优选为0.5至3.0nm左右。
在作为中间层13使用绝缘材料的情况下，作为其材料可以举出Al2O3、MgO或MgAl2O4等尖晶石类氧化物等。此时在磁电阻效应元件10中产生隧道磁电阻(TMR)效应。通过调节中间层13的结晶结构、方位及厚度，以便在磁化自由层12和磁化固定层14之间产生相干隧道效应，可以获得更高的磁电阻变化率。在利用TMR效应的情况下，中间层13的厚度优选为0.5至3.0nm左右。
在作为中间层13使用半导体材料的情况下，作为其材料可以举出ZnO、In2O3、SnO2、ITO、GaOx或Ga2Ox等，中间层13的厚度优选为1.0至4.0nm左右。
在作为中间层13使用在绝缘体中包括由导体构成的通电点的层的情况下，优选采用在由Al2O3或MgO构成的绝缘体中包括由CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl、Fe、Co、Au、Cu、Al或Mg等导体构成的通电点的结构。在此情况下，中间层13的厚度优选为0.5至2.0nm左右。
磁化固定层14由铁磁性材料构成，其磁化方向，实质上被固定为一个方向。磁化固定层14优选由Fe、Co、Ni、Ni和Fe的合金、Fe和Co的合金或Fe、Co和B的合金等高自旋极化率材料构成。由此能够得到高磁电阻变化率。此外，磁化固定层14的厚度优选为1至10nm。此外，为了固定磁化固定层14的磁化，也可以附加与磁化固定层14接触的反铁磁层。或者，也可以利用起因于结晶结构、形状等的磁各向异性来固定磁化固定层14的磁化。作为反铁磁层可以使用FeO、CoO、NiO、CuFeS2、IrMn、FeMn、PtMn、Cr或Mn等。
另外，关于磁电阻效应元件10的尺寸，在磁电阻效应元件10的形状是长方形(包括正方形)的情况下，其长边优选为100nm左右或100nm以下。此外，在磁电阻效应元件10的形状不是长方形的情况下，将以最小面积与磁电阻效应元件10外接的长方形的长边定义为磁电阻效应元件10的长边。在长边是100nm左右等小的情况下，能够实现磁化自由层12的磁区的单磁区化，并且能够实现高效率的自旋进动。
下面，以本实施方式为例，对利用自旋进动现象的自旋扭矩振荡效应及自旋扭矩共鸣效应进行说明。
在对磁电阻效应元件流入直流电流的情况下，由于在磁化固定层中受到自旋偏极的电子流向磁化自由层，自旋扭矩被转移，在磁化自由层中引起自旋进动。此时，从磁电阻效应元件输出与自旋进动的周期对应的频率的交流信号。将该现象称为自旋扭矩振荡效应。一般已知的是，自旋扭矩振荡效应的频率可以由外加磁场而改变。
另一方面，通过对磁电阻效应元件输入与磁电阻效应元件的自旋进动的频率相同的频率的交流信号，能够在磁化自由层中引起自旋进动。将该现象称为自旋扭矩共鸣效应。一般已知的是，自旋扭矩共鸣效应的频率可以由外加磁场而改变。在自旋扭矩共鸣状态下，磁电阻效应元件产生与所输入的交流信号的振幅的二乘成正比例的直流电压。将利用该整流作用的效应特别称为自旋扭矩二极管效应。由自旋扭矩二极管效应输出的直流电压与磁电阻效应元件的磁电阻变化率成正比例地增大。或者，磁电阻效应元件可以作为其电阻值以对应于自旋扭矩共鸣频率的频率周期性地振动的元件而使用。此时，磁电阻效应元件的元件阻抗在自旋扭矩共鸣频率附近减少。通过利用该现象，能够使自旋扭矩共鸣频率附近的高频信号相对磁电阻效应元件容易通过。
因此，频率可变磁电阻效应元件100通过从输入信号线1a输入直流电流，能够对磁电阻效应元件10产生自旋扭矩振荡效应，从输出信号线1b输出与自旋进动的周期对应的频率的交流信号。并且，通过利用从磁场施加机构21和电场施加机构31施加的磁场和电场的电磁操作，能够改变该振荡频率。此时，频率可变磁电阻效应元件100能够作为适应高频带的频率可变振荡器而使用，该频率可变振荡器被期待着应用于通信设备、IC标签及车载雷达等。
并且，频率可变磁电阻效应元件100通过利用自旋扭矩共鸣效应，能够将从输入信号线1a输入的交流信号的频率成分中与磁电阻效应元件10的自旋进动的频率相同的频率成分转换为直流电压。或者，频率可变磁电阻效应元件100能够降低所输入的交流信号的频率成分中与磁电阻效应元件10的自旋进动的频率相同的频率附近的元件阻抗。在从输出信号线1b输出直流信号的情况下，频率可变磁电阻效应元件100能够作为适合高频带的频率可变检波器而使用。另一方面，在从输出信号线1b输出交流信号的情况下，能够输出使所输入的交流信号中与磁电阻效应元件10的自旋进动的共鸣频率相同的频率成分衰减或通过的高频信号。因此，频率可变磁电阻效应元件100能够作为使磁电阻效应元件10的自旋进动的共鸣频率的交流信号衰减的频率可变带阻滤波器、或者使磁电阻效应元件10的自旋进动的共鸣频率的交流信号通过的频率可变带通滤波器而使用。
下面，以本实施方式为例对频率控制的原理进行说明。以自旋进动为代表的自旋动力学可以由磁化的运动方程的朗道-利夫席茨-吉尔伯特(Landau-Lifshitz-Gilbert；LLG)方程记述。一般来说，在某种扭矩对朝向磁场的方向的磁矩起作用时，磁矩开始进动。已知的是，作为引起这样的动力的扭矩，存在有对铁磁性物质的每个自旋起作用的有效磁场(Heff)及自旋转移扭矩。由施加扭矩而引起的自旋进动一边散失能量一边缓和能量，再次向基态返回。此时，通过继续施加具有与系统的固有振动频率相同的频率的能量，能够继续自旋进动。利用该现象的效应有自旋扭矩振荡效应、或自旋扭矩共鸣效应。考虑到自旋转移扭矩的LLG方程由下列公式1表示。
【公式1】
Figure BDA0001425599680000171
这里考虑由两个铁磁性电极构成的系统。电子从磁化固定层的铁磁性电极(FM1)流向磁化自由层的铁磁性电极(FM2)，传递自旋角动量，进而对磁化自由层的磁化起作用。在此，M2表示FM2的磁化向量。在公式1中，右边第一项表示有效磁场Heff的扭矩(γ表示磁旋比)。右边第二项是表示对磁化的旋转进动的制动的阻尼项，并是为了表示磁化的缓和过程而导入的现象论性的项。在满足α≠0的情况下，磁化的进动缓和并向有效磁场的方向收敛。右边第三项是自旋转移扭矩的项。有效磁场Heff，如下公式2那样，由外加磁场(HE)、各向异性磁场(HK)、由磁化的反磁场(HD)构成。
【公式2】
Heff＝HE+HK+HD
已知的是，此时的自旋进动的频率可以由基特尔(Kittel)公式表记，并且由有效磁场变化。例如，在面内方向上具有易磁化轴的系统中，铁磁性物质的共鸣频率可以由下列公式3表记。
【公式3】
Figure BDA0001425599680000181
另一方面，有效磁场中的反磁场及各向异性磁场的项依赖于材料及元件形状而确定，因此，一般采用由外加磁场HE主动地改变频率的方法。
在此考虑引起自旋进动的铁磁性物质与反铁磁性物质邻接的情况。在此情况下，有效磁场除了包含上述的外加磁场、各向异性磁场及反磁场以外，还可以包含由产生在铁磁性物质和反铁磁性物质的界面的交换耦合的交换偏置场(HEB)作为有效成分(公式4)。
【公式4】
Heff＝HE+HK+HD+HEB
因此，若由外部原因而能够改变产生在铁磁性物质和反铁磁性物质的界面的交换偏置场，则与改变外加磁场的情况同样，能够改变自旋进动的频率。
下面，对控制交换偏置场的方法进行说明。主要包含具有电磁效应的反铁磁性物质或亚铁磁性物质的控制层11通过交换耦合与磁化自由层12磁连接。就是说，磁化自由层12从控制层11接收作为有效磁场的交换偏置场的供给。从反铁磁性物质施加于铁磁性物质的交换偏置场反映反铁磁性物质一侧的磁有序状态是已知的。一般来说，反铁磁性物质的磁有序对外部磁场非常稳定，除非进行伴随跨奈尔温度的温度操作的磁场热处理(在该领域中，主要作为钉扎退火(pinning annealing)周知的操作)或者要不施加非常强的磁场，否则不能简单地操作。但是，在使用具有电磁效应的反铁磁性物质的情况下，通过从外部施加电场和磁场的相乘，能够主动地操作该反铁磁性物质的磁有序。因此，控制层11能够通过电磁操作改变交换偏置场。结果，控制层11能够通过电磁操作控制磁化自由层12的自旋进动的频率。
此时，从控制层11供给的交换偏置场的方向不是根据所施加的电场和磁场的任何一种单独的方向来变化，而是根据所施加的电场和磁场的关系是否大致平行或大致反向平行来变化。就是说，通过固定磁场方向而切换电场，通过固定电场方向而切换磁场，或者通过切换磁场和电场的双方，能够改变交换偏置场。在本发明的実施中，电场和磁场只要可以利用电磁效应，则可以以互相稍微倾斜的方式被施加于磁电阻效应元件。通过改变电场和磁场的积能够调节交换偏置场的强度。并且，控制层11在消除电场和磁场之后也能够保持改变后的交换偏置场。结果，在涉及本实施方式的频率可变磁电阻效应元件100中，与持续利用电场和磁场改变频率的方式相比，能够大幅度地降低器件的能耗。
对磁场施加机构21进行说明。作为磁场施加机构21使用利用线圈的电磁铁或永磁铁，但是不局限于此，只要是可以对磁电阻效应元件10施加磁场的机构即可。在作为磁场施加机构使用永磁铁的情况下，磁场的方向和大小被固定为一个方向，通过改变电场的方向和大小能操作交换偏置场。在此情况下，能够以不消耗能量的方式施加频率控制时需要的磁场。由此能够进一步地降低控制时需要的能量。结果，能够提供能耗更低的频率可变磁电阻效应元件100。
对电场施加机构31进行说明。作为电场施加机构31，例如，可以采用如下结构：在隔着控制层11与磁化自由层12相反一侧设置作为对置电极的电极层，通过对该电极层和磁化自由层12之间施加电压，而能够在与层叠方向平行的方向上施加电场；或者通过在控制层11的两边设置两个电极层，而能够在与层叠方向垂直的方向上施加电场。电场施加机构31只要是实际上能够对磁电阻效应元件10施加电场的机构即可，而不局限于上述结构。
图3是示出本实施方式的磁化自由层12的自旋进动的频率和振幅的关系的曲线图。在图3中，纵轴表示振幅，横轴表示频率。共鸣频率f0是交换偏置场HEB是0时的共鸣频率。从控制层11施加的交换偏置场可以为0、或者正或负的有限值。结果，磁化自由层12的自旋进动的频率特性，如图3所示那样，以共鸣频率f0为中心，能够向高频一侧或低频一侧转移。换言之，能够使磁电阻效应元件10的振荡频率或共鸣频率向高频一侧或低频一侧转移。例如，在从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场是正的情况下，在提高交换偏置场的强度时，磁电阻效应元件10的自旋进动的频率向高一侧转移。结果，能够将利用磁电阻效应元件的振荡器、检波器及滤波器的工作频率调节为高频一侧。另一方面，在从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场是负的情况下，在提高交换偏置场的强度时，磁电阻效应元件10的振荡频率或共鸣频率向低频一侧转移。结果，能够将利用磁电阻效应元件的振荡器、检波器及滤波器的工作频率调节为低频一侧。
以上，在第一实施方式中对涉及本发明的实施的最基本的方式进行了说明。尤其是，对本发明的特征部分即利用能够由电磁效应控制从控制层11供给的交换偏置场的方式进行了说明。在以下的第二至第四实施方式中，根据各实施方式，对为了利用自旋进动的磁化自由层12和磁化固定层13的磁化配置，及电场和磁场的有效的施加方向进行说明。
第二实施方式
图4是示出涉及本发明的第二实施方式的磁电阻效应元件10与磁场施加机构21及电场施加机构31的位置关系的概略图。磁电阻效应元件10包括控制层11、磁化方向可变的磁化自由层12、中间层13及磁化方向不变的磁化固定层14。磁化固定层14由铁磁性材料构成，其磁化方向实际上被固定为磁化固定层的面内的一个方向。磁场施加机构21具有在与层叠方向垂直的方向上对控制层11施加磁场的功能。电场施加机构31具有在与层叠方向垂直的方向上对控制层11施加电场的功能。在图4中，虚线表示从磁场施加机构21及电场施加机构31施加的电场及磁场的施加方向，点划线表示磁化自由层12的磁各向异性的方向。磁场施加机构21及电场施加机构31只要具有对控制层11实际上施加电场及磁场的功能，则可以以与控制层11接触的方式配置，也可以以与控制层11之间有空间的方式配置。
本实施方式的磁化自由层12具有面内方向的单轴磁各向异性，并且其磁化方向朝向磁化自由层的面内方向。图4中的箭头分别表示磁化自由层12和磁化固定层14的磁化方向。磁化自由层12由于自旋偏极电流的流入能够引起自旋进动，由此能够得到自旋扭矩振荡效应及自旋扭矩共鸣效应。在对磁电阻效应元件10施加电流之前的状态下，磁化自由层12的磁化朝向磁化自由层12中的有效磁场的方向。如公式4所示，有效磁场是磁化自由层12内的外加磁场、各向异性磁场、反磁场及交换偏置场的和。在图4中，磁化自由层12的磁化方向与磁化固定层14的磁化方向朝向相反的方向，但是这些磁化方向只要是互相不同的方向即可而不局限于此。
本实施方式的控制层11具有使磁化自由层12产生面内方向的交换偏置场的功能。并且，控制层11具有对应于利用沿着与层叠方向垂直的方向的电场及磁场的ME操作来改变并保持交换偏置场的功能。由此，磁电阻效应元件10通过ME操作能够改变自旋扭矩振荡频率及自旋扭矩共鸣频率。
本实施方式的磁电阻效应元件10在振荡阈值电流密度以上的直流电流流入的情况下，产生所谓的自旋扭矩振荡效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以面内方向为中心振动，通过磁电阻效应能够取得对应于磁化的振动频率的交流信号。另外，磁电阻效应元件10在与共鸣频率相同的交流信号流入到磁电阻效应元件的情况下，产生所谓的自旋扭矩共鸣效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以面内方向为中心振动，能够对应于磁化的振动频率将交流信号转换为直流并获取，或者能够降低对应于磁化的振动频率的频率成分的阻抗。一般来说，由于这样的自旋扭矩引起的磁化的振动的磁化自由层的磁化振动频率位于几至几十GHz的高频带。
第三实施方式
图5是示出涉及本发明的第三实施方式的磁电阻效应元件10与磁场施加机构21及电场施加机构31的位置关系的概略图。磁电阻效应元件10包括控制层11、磁化方向可变的磁化自由层12、中间层13及磁化方向不变的磁化固定层14。磁化固定层14由铁磁性材料构成，其磁化方向实际上被固定为磁化固定层的面内的一个方向。磁场施加机构21具有在平面垂直方向上对控制层11施加磁场的功能。电场施加机构31具有在平面垂直方向上对控制层11施加电场的功能。在图5中，虚线表示从磁场施加机构21及电场施加机构31施加的电场及磁场的施加方向，点划线表示磁化自由层12的磁各向异性的方向。磁场施加机构21及电场施加机构31只要具有对控制层11实际上施加电场及磁场的功能，则可以以与控制层11接触的方式配置，也可以以与控制层11之间有空间的方式配置。
本实施方式的磁化自由层12具有面内方向的单轴磁各向异性。图5中的箭头分别表示磁化自由层12和磁化固定层14的磁化方向。磁化自由层12由于自旋偏极电流的流入能够引起自旋进动，由此能够得到自旋扭矩振荡效应及自旋扭矩共鸣效应。在对磁电阻效应元件10施加电流之前的状态下，磁化自由层12的磁化朝向磁化自由层12中的有效磁场的方向。有效磁场是磁化自由层12内的外加磁场、各向异性磁场、反磁场及交换偏置场的和。在图5中作为一个例子示出磁化自由层12的磁化方向和磁化固定层14的磁化方向，但是这些磁化方向只要是互相不同的方向即可而不局限于此。
本实施方式的控制层11具有使磁化自由层12产生沿着平面垂直方向的交换偏置场的功能。并且，控制层11还具有如下功能，即，利用ME效应对应于沿着层叠面内的方向被相乘的电场和磁场而改变交换偏置场并保持其状态的功能。
本实施方式的磁电阻效应元件10在振荡阈值电流密度以上的直流电流流入的情况下，能够得到所谓的自旋扭矩振荡效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以面内方向为中心振动，通过磁电阻效应能够获取对应于磁化的振动频率的交流信号。另外，磁电阻效应元件10在与共鸣频率相同的交流信号流入到磁电阻效应元件的情况下，产生所谓的自旋扭矩共鸣效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以面内方向为中心振动，能够对应于磁化的振动频率将交流信号转换为直流并获取，或者能够降低对应于磁化的振动频率的频率成分的阻抗。一般来说，由于这样的自旋扭矩引起的磁化的振动的磁化自由层的磁化振动频率位于几至几十GHz的高频带。
第四实施方式
图6是示出涉及本发明的第四实施方式的磁电阻效应元件10与磁场施加机构21及电场施加机构31的位置关系的概略图。磁电阻效应元件10包括控制层11、磁化方向可变的磁化自由层12、中间层13及磁化方向不变的磁化固定层14。磁化固定层14由铁磁性材料构成，其磁化方向实际上被固定为磁化固定层的面内的一个方向。磁场施加机构21具有在平面垂直方向上对控制层11施加磁场的功能。电场施加机构31具有在平面垂直方向上对控制层11施加电场的功能。在图6中，虚线表示从磁场施加机构21及电场施加机构31施加的电场及磁场的施加方向，点划线表示磁化自由层12的磁各向异性的方向。磁场施加机构21及电场施加机构31只要具有对控制层11实际上施加电场及磁场的功能，则可以以与控制层11接触的方式配置，也可以以与控制层11之间有空间的方式配置。
本实施方式的磁化自由层12具有沿着层叠方向的单轴磁各向异性，并且其磁化方向朝向磁化自由层的层叠方向。图6中的箭头分别表示磁化自由层12和磁化固定层14的磁化方向。磁化自由层12由自旋偏极电流的流入能够引起自旋进动，由此能够得到自旋扭矩振荡效应及自旋扭矩共鸣效应。在对磁电阻效应元件10施加电流之前的状态下，磁化自由层12的磁化朝向磁化自由层12中的有效磁场的方向。有效磁场是磁化自由层12内的外加磁场、各向异性磁场、反磁场及交换偏置场的和。在图6中作为一个例子示出磁化自由层12的磁化方向和磁化固定层14的磁化方向，但是这些磁化方向只要是互相不同的方向即可而不局限于此。
本实施方式的控制层11具有使磁化自由层12产生沿着平面垂直方向的交换偏置场的功能。并且，控制层11具有如下功能，即，利用ME效应对应于沿着平面垂直方向被相乘的电场和磁场而改变交换偏置场并保持其状态的功能。
本实施方式的磁电阻效应元件10在振荡阈值电流密度以上的直流电流流入到磁电阻效应元件的情况下，能够得到所谓的自旋扭矩振荡效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以平面垂直方向为中心振动，通过磁电阻效应能够获取对应于磁化的振动频率的交流信号。另外，磁电阻效应元件10在与共鸣频率相同的交流信号流入到磁电阻效应元件的情况下，产生所谓的自旋扭矩共鸣效应，即，通过自旋扭矩，磁化自由层12的磁化主要以平面垂直方向为中心振动，能够对应于磁化的振动频率将交流信号转换为直流并获取，或者能够降低对应于磁化的振动频率的频率成分的阻抗。一般来说，由于这样的自旋扭矩引起的磁化的振动的磁化自由层的磁化振动频率位于几至几十GHz的高频带，并且位于比平面垂直方向上的振动更高的频带。
在上述第一至第四实施方式中，对磁电阻效应元件10包括磁化自由层12、磁化固定层14及配置在这两层之间的中间层13的例子进行了说明，但是也可以采用包括两个磁化自由层及配置在该两个磁化自由层之间的中间层的磁电阻效应元件来代替磁电阻效应元件10。作为一个例子，可以举出两个磁化自由层通过中间层互相磁耦合的磁电阻效应元件。更具体而言，可以举出如下例子：以两个磁化自由层的磁化方向互相反向平行的方式，两个磁化自由层通过中间层互相磁耦合。在这样的磁电阻效应元件中，两个磁化自由层中的一个磁化自由层与控制层磁连接即可，但是也可以设置与两个磁化自由层分别磁连接的控制层。
下面，作为本发明的优选实施方式，对涉及具体元件的实施方式进行说明。在第五实施方式中说明频率可变振荡器的例子，在第六实施方式中说明频率可变检波器的例子，并且在第七及第八实施方式中说明频率可变滤波器的例子。
第五实施方式
图7是涉及第五实施方式的频率可变振荡器200的概略图。振荡器200包括输入信号线1a、上部电极2、频率可变磁电阻效应元件100、下部电极3及输出信号线1b。注意，在图7中，仅示出频率可变磁电阻效应元件100中的磁电阻效应元件10而省略频率可变磁电阻效应元件100中的其他构成要素。
本实施方式的输入信号线1a与上部电极2电连接，并且具有向磁电阻效应元件10供给直流电流的功能。输出信号线1b与上部电极2电连接，并且具有获取在磁电阻效应元件10中产生的频率f0的交流信号的功能。
本实施方式的上部电极2和下部电极3具有作为一对电极的功能，并且在磁电阻效应元件10的叠层方向上隔着磁电阻效应元件10配置。就是说，上部电极2和下部电极3具有如下作为一对电极的功能，即，在交叉于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向上，例如垂直于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向(叠层方向)上，使电流流向磁电阻效应元件10。下部电极3与地线连接。
本实施方式的上部电极2和下部电极3优选由Cu、Au、AuCu等高介电常数材料构成。并且，上部电极2及下部电极3的俯视形状优选规定为微带线(microstripline，MSL)型及共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)型。由此能够降低交流信号的传送损失。
在对本实施方式的频率可变磁电阻效应元件100的磁电阻效应元件10输入直流电流时，由自旋扭矩振荡效应产生具有与自旋进动的频率相同的频率的交流信号。
图8是示出本实施方式的磁电阻效应元件10中的自旋扭矩振荡效应的频率特性的图。横轴表示被输出的交流信号的频率，纵轴表示振荡输出。如图8所示那样，以与磁电阻效应元件10的自旋扭矩振荡频率f0相同的频率能够得到大振荡输出。此时，振荡输出与磁电阻效应元件10的磁电阻变化率(MR)成正比例地增大。
并且，频率可变振荡器200通过改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够使自旋扭矩振荡效应向高频一侧或低频一侧转移。就是说，通过从控制层11对磁化自由层12施加交换偏置场，使得磁化自由层12的磁化的自旋扭矩振荡频率f0成为所希望的振荡频率，能够可调地控制从磁电阻效应元件10输出的自旋扭矩振荡效应的频率特性。
例如，在需要使所输出的交流信号的频率向更高的一侧转移的情况下，通过向增强有效磁场Heff的方向改变本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩振荡频率f0设定为高。结果，能够提高被振荡的交流信号的频率。在需要使所输出的交流信号的频率向更低的一侧转移的情况下，通过向减弱有效磁场Heff的方向改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩振荡频率f0设定为低。结果，能够降低被振荡的交流信号的频率。由此可以得到以所设定的频率获得最大振荡输出的频率可变的振荡器。
通过从磁场施加机构21和电场施加机构31对控制层11同时施加预定磁场和电场，能够设定本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场。并且，在消除施加的磁场和电场之后也能够保持被设定后的状态的交换偏置场。因此，在消除磁场和电场之后也能够保持改变后的自旋扭矩振荡频率。并且，即使在设定振荡频率之后由于外扰等的影响而振荡频率偏离，通过再次调节交换偏置场的大小，也能够再次使振荡频率以预定频率振荡。因此，即使受到外乱等的影响，也能容易维持振荡输出是大的状态。
第六实施方式
图9是涉及第六实施方式的频率可变检波器300的概略图。检波器300包括输入信号线1a、上部电极2、频率可变磁电阻效应元件100、下部电极3及输出信号线1b。注意，在图9中，仅示出频率可变磁电阻效应元件100中的磁电阻效应元件10而省略频率可变磁电阻效应元件100中的其他构成要素。
本实施方式的输入信号线1a与上部电极2电连接，并且具有向磁电阻效应元件10供给包含频率f0的成分的交流信号的功能。输出信号线1b与上部电极2电连接，并且具有获取在磁电阻效应元件10中产生的对应于频率f0的输出电压的功能。
本实施方式的上部电极2和下部电极3具有作为一对电极的功能，并且在磁电阻效应元件10的叠层方向上隔着磁电阻效应元件10配置。就是说，上部电极2和下部电极3具有如下作为一对电极的功能，即，在交叉于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向上，例如垂直于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向(叠层方向)上，使电流流向磁电阻效应元件10。下部电极3与地线连接。
本实施方式的上部电极2和下部电极3优选由Cu、Au、AuCu等高介电常数材料构成。并且，上部电极2及下部电极3的俯视形状优选规定为微带线(microstripline，MSL)型及共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)型。由此能够降低交流信号的传送损失。
在对本实施方式的频率可变磁电阻效应元件100的磁电阻效应元件10输入具有自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率的交流信号时，由自旋扭矩二极管效应产生与信号振幅的二乘成正比例的直流电压(以后称为输出电压)。
图10是示出本实施方式的磁电阻效应元件10中的自旋扭矩二极管效应的频率特性的图。横轴表示交流信号的频率，纵轴表示输出电压。由图10可知，在交流信号的频率成分与磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0相同时，产生大的输出电压。此时，输出电压与磁电阻效应元件10的磁电阻变化率(MR)成正比例地增大。
并且，频率可变检波器300通过改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够使自旋扭矩共鸣效应向高频一侧或低频一侧转移。就是说，通过从控制层11对磁化自由层12施加交换偏置场，使得磁化自由层12的磁化的自旋扭矩共鸣频率f0转移为与所输入的交流信号的频率相同，能够可调地控制从磁电阻效应元件10获得的自旋扭矩二极管效应的频率特性。
例如，在所输入的交流信号的频率相比自旋扭矩共鸣频率f0较低的情况下，通过向减弱有效磁场Heff的方向改变本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为低。结果，能够使磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0与所输入的交流信号的频率相同。另一方面，在所输入的交流信号的频率相比自旋扭矩共鸣频率f0较高的情况下，通过向增强有效磁场Heff的方向改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为高。结果，能够使磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0与所输入的交流信号的频率相同。由此能够使对应于所输入的交流信号的频率的输出电压成为最大。就是说，可以得到即使所输入的交流信号的频率变化也能得到最大的输出信号的频率可变的检波器。
通过从磁场施加机构21和电场施加机构31对控制层11同时施加预定的磁场和电场，能够设定本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场。并且，在消除施加的磁场和电场之后也能够保持被设定后的状态的交换偏置场。因此，在消除磁场和电场之后也能够保持改变后的自旋扭矩共鸣频率f0。并且，即使在使自旋扭矩共鸣频率和所输入的交流信号的频率相同之后由于外扰等的影响而使双方的频率互相不同，通过再次调节交换偏置场的大小，也能够再次使双方的频率相同。因此，即使受到外乱等的影响，也能容易维持输出信号是大的状态。
第七实施方式
图11是涉及第七实施方式的频率可变滤波器400的概略图。频率可变滤波器400包括输入信号线1a、上部电极2、频率可变磁电阻效应元件100、下部电极3及输出信号线1b。注意，在图11中，仅示出频率可变磁电阻效应元件100中的磁电阻效应元件10而省略频率可变磁电阻效应元件100中的其他构成要素。
本实施方式的输入信号线1a与上部电极2电连接，并且具有向磁电阻效应元件10供给至少包含第一频率成分和与该第一频率不同的第二频率成分的交流信号的功能。以下，将第一频率表示为f1，并将第二频率表示为f2。输出信号线1b与上部电极2电连接，并且具有获取从磁电阻效应元件10输出的交流信号的功能。
本实施方式的上部电极2和下部电极3具有作为一对电极的功能，并且在磁电阻效应元件10的叠层方向上隔着磁电阻效应元件10配置。就是说，上部电极2和下部电极3具有如下作为一对电极的功能，即，在交叉于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向上，例如垂直于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向(叠层方向)上，使电流流向磁电阻效应元件10。下部电极3与地线连接。
本实施方式的上部电极2和下部电极3优选由Cu、Au、AuCu等高介电常数材料构成。并且，上部电极2及下部电极3的俯视形状优选规定为微带线(microstripline，MSL)型及共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)型。由此能够降低交流信号的传送损失。
在对本实施方式的频率可变滤波器400的磁电阻效应元件10输入具有自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率的交流信号时，能够使磁电阻效应元件10产生自旋扭矩共鸣效应。此时，磁电阻效应元件10可以作为其电阻值以对应于自旋扭矩共鸣频率f0的频率周期性地振动的元件而使用。由该效应，与磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0相同的频率的元件阻抗减小。通过使该磁电阻效应元件10与输入信号线1a及输出信号线1b并联连接，从输入信号线1a输入的交流信号中具有磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率的交流信号容易流向磁电阻效应元件10而难以流向输出信号线1b一侧。就是说，能够将从输入信号线1a输入的交流信号以磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率对于输出信号线1b阻断。
图12是示出本实施方式的频率可变滤波器400的频率特性的图。横轴表示交流信号的频率，纵轴表示信号透过系数。由图12可知，在交流信号的频率成分与磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0相同的频率附近，信号透过系数大幅度地衰减。就是说，频率可变滤波器400能够具有所谓的带阻滤波器的功能，即，使所输入的交流信号中具有与磁电阻效应元件10的自旋进动的共鸣频率f0相同的频率成分的交流信号衰减的功能。
并且，本实施方式的频率可变滤波器400通过改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够使自旋扭矩共鸣效应向高频一侧或低频一侧转移。就是说，通过从控制层11对磁化自由层12施加交换偏置场，使得磁化自由层12的磁化的自旋扭矩共鸣频率f0成为所希望的阻断频率，能够可调地控制频率可变滤波器400的频率特性。
例如，在需要使频率可变滤波器400所阻断的交流信号的频率向更高的一侧转移的情况下，通过向增强有效磁场Heff的方向改变本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为高。结果，能够提高被阻断的交流信号的频率。或者，在需要使频率可变滤波器400所阻断的交流信号的频率向更低的一侧转移的情况下，通过向减弱有效磁场Heff的方向改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为低。结果，能够降低被阻断的交流信号的频率。由此可以得到以所设定的频率获得最大阻断特性的频率可变的滤波器。例如，通过将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为与第一频率f1相同的频率，如图11所示那样，频率可变滤波器400在磁电阻效应元件10接收包含第一频率成分和第二频率成分的交流信号的输入时，能够输出第一频率成分的信号被衰减的信号(在这个例子中，相当于以第二频率成分为主的交流信号)。注意，在此情况下，在频率可变滤波器400中，与图9所示的频率可变检波器300同样地产生直流电压，但是在需要截断该直流电压的情况下，在输出信号线1b上串联连接电容器即可。
通过从磁场施加机构21和电场施加机构31对控制层11同时施加预定的磁场和电场，能够设定从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场。并且，在消除施加的磁场和电场之后也能够保持被设定后的状态的交换偏置场。因此，在消除磁场和电场之后也能够保持改变后的自旋扭矩共鸣频率f0。并且，即使在设定阻断频率之后由于外扰等的影响而阻断频率偏离，通过再次调节交换偏置场的大小，也能够再次以预定的频率阻断。因此，即使受到外乱等的影响，也能容易维持阻断特性是大的状态。
第八实施方式
图13是涉及第八实施方式的频率可变滤波器500的概略图。频率可变滤波器500包括输入信号线1a、上部电极2、频率可变磁电阻效应元件100、下部电极3及输出信号线1b。注意，在图13中，仅示出频率可变磁电阻效应元件100中的磁电阻效应元件10而省略频率可变磁电阻效应元件100中的其他构成要素。
本实施方式的输入信号线1a与上部电极2电连接，并且具有向磁电阻效应元件10供给至少包含第一频率成分和与该第一频率不同的第二频率成分的交流信号的功能。以下，将第一频率表示为f1，并将第二频率表示为f2。输出信号线1b与下部电极3电连接，并且具有获取从磁电阻效应元件10输出的交流信号的功能。
本实施方式的上部电极2和下部电极3具有作为一对电极的功能，并且在磁电阻效应元件10的叠层方向上隔着磁电阻效应元件10配置。就是说，上部电极2和下部电极3具有如下作为一对电极的功能，即，在交叉于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向上，例如垂直于构成磁电阻效应元件10的各层的面的方向(叠层方向)上，使电流流向磁电阻效应元件10。
本实施方式的上部电极2和下部电极3优选由Cu、Au、AuCu等高介电常数材料构成。并且，上部电极2及下部电极3的俯视形状优选规定为微带线(microstripline，MSL)型及共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)型。由此能够降低交流信号的传送损失。
在对本实施方式的频率可变滤波器500的磁电阻效应元件10输入具有自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率的交流信号时，能够使磁电阻效应元件10产生自旋扭矩共鸣效应。此时，磁电阻效应元件10可以作为其电阻值以对应于自旋扭矩共鸣频率f0的频率周期性地振动的元件而使用。由该效应，磁电阻效应元件10的与自旋扭矩共鸣频率f0相同的频率的元件阻抗减小。通过使该磁电阻效应元件10与输入信号线1a及输出信号线1b串联连接，从输入信号线1a输入的交流信号中具有磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0附近的频率的交流信号容易透过磁电阻效应元件10而容易流向输出信号线1b一侧。就是说，能够使从输入信号线1a输入的交流信号以高阻抗的非共鸣频率衰减并以低阻抗的共鸣频率通过。
图14是示出本实施方式的频率可变滤波器500的频率特性的图。横轴表示交流信号的频率，纵轴表示信号透过系数。由图14可知，在交流信号的频率成分与磁电阻效应元件10的自旋扭矩共鸣频率f0相同的频率附近，信号透过系数增大。就是说，频率可变滤波器500能够具有所谓的带通滤波器的功能，即，使所输入的交流信号中具有与磁电阻效应元件10的自旋进动的共鸣频率f0相同的频率成分的交流信号透过。
并且，本实施方式的频率可变滤波器500通过改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够使自旋扭矩共鸣效应向高频一侧或低频一侧转移。就是说，通过从控制层11对磁化自由层12施加交换偏置场，使得磁化自由层12的磁化的自旋扭矩共鸣频率f0成为所希望的透过频率，能够可调地控制频率可变滤波器500的频率特性。
例如，在需要使频率可变滤波器500所透过的交流信号的频率向更高的一侧转移的情况下，通过向增强有效磁场Heff的方向改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为高。结果，能够提高被透过的交流信号的频率。或者，在需要使频率可变滤波器500所透过的交流信号的频率向更低的一侧转移的情况下，通过向减弱有效磁场Heff的方向改变从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场，能够将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为低。结果，能够降低被透过的交流信号的频率。由此可以得到以所设定的频率获得最大透过特性的频率可变的滤波器。例如，通过将磁化自由层12的自旋扭矩共鸣频率f0设定为与第一频率f1相同的频率，如图13所示那样，频率可变滤波器500在磁电阻效应元件10接收包含第一频率成分和第二频率成分的交流信号的输入时，能够选择性地使交流信号中的第一频率成分的信号透过。
通过从磁场施加机构21和电场施加机构31对控制层11同时施加预定的磁场和电场，能够设定本实施方式的从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场。并且，在消除施加的磁场和电场之后也能够保持被设定后的状态的交换偏置场。因此，在消除磁场和电场之后也能够保持改变后的自旋扭矩共鸣频率f0。并且，即使在设定透过频率之后由于外扰等的影响而透过频率偏离，通过再次调节交换偏置场的大小，也能够再次以预定的频率透过。因此，即使受到外乱等的影响，也能容易维持透过特性是大的状态。
下面，根据实验例和模拟例更具体地说明本发明。注意，以下说明仅是通过一个实验例及一个模拟例确认本发明的效果的，而不是限定本发明的。应当注意，所实施的产品的方式只要具有本发明的技术思想，该产品则包含在本发明的范围内。
实验例
在实验例中，如图15所示那样，模仿构成频率可变磁电阻效应元件100的控制层11和磁化自由层12的关系来制作样品，并确认其效果。
参照图15对本实验例的样品的结构进行说明。基板53是蓝宝石基板，下部电极52是Pt，控制层11是由Cr2O3构成的具有ME效应的氧化物反铁磁性物质层，磁化自由层12是由Co构成的金属铁磁性物质层，并且上部电极51是Pt。上部电极51及下部电极52与电源装置54连接，能够对控制层11在垂直方向上施加正或负的电场，并且相当于本发明的电场施加机构的一个例子。另外，在样品的上下方向上设置由电磁铁构成的用来施加磁场的磁场施加机构，但是磁场施加机构的详细内容是周知技术而省略其说明。下部电极52、控制层11、磁化自由层12及上部电极51例如可以通过利用溅射法、脉冲激光沉积法(PLD)、离子束沉积法(IBD)或化学气相沉积法(CVD)等任意物理或化学沉积工序来形成。
对样品的制作方法进行说明。在氩气氛下通过dc溅射法对形成有阶梯的c面蓝宝石基板表面形成厚度为25nm的Pt下部电极52。
下面，在500℃、0.3Pa、氩及氧气氛下，以等离子体功率100W的条件，通过利用Cr金属靶材的反应性rf溅射法，对Pt电极表面形成厚度为500nm的Cr2O3(001)层。由该Cr2O3层形成控制层11。
下面，在150℃、氩气氛下通过dc溅射法形成由厚度为1nm的Co金属铁磁性层构成的磁化自由层12。并且，在磁化自由层12上形成由厚度为5nm的Pt金属构成的上部电极51。另外，在这次实验中，为了将交换耦合强度调节为适当的大小，在氩气氛下通过dc溅射法在控制层11和磁化自由层12的界面形成由适当厚度的Cr金属构成的交换耦合调节层。
对所得到的样品的评价方法进行说明。利用反常霍尔效应(AHE)电性地确认到从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场。为了测定反常霍尔效应，上部电极被成形为十字形的霍尔条形状。并且，设置有磁化自由层12的霍尔条形状的交叉部分的面积被加工为40×40μm2的尺寸。在对霍尔条的I1和I2之间流入恒定电流时，在V1和V2之间产生霍尔电压，通过测定该霍尔电压来对反常霍尔效应(AHE)进行了评价。
利用所制作的样品，实际确认到由ME操作引起的交换偏置场的变化。图16示出所制作的样品的反常霍尔效应的测定结果。图中的纵轴表示标准化的AHE的信号，该AHE的信号与样品的磁化方向成正比例。在图16中，作为w/oHEX表示的回线示出在交换偏置场是0的状态下从磁化自由层12得到的AHE回线。另外，最初通过以+10kOe的磁场进行磁场冷却，对样品赋予正的交换偏压，以该状态为初始状态进行了ME操作实验。可以确认到在初始状态的回线中从磁化自由层12得到的AHE回线处于从原点转移+90Oe左右的状态。该结果意味着磁化自由层12处于受到-90Oe的交换偏置场的状态。
在对该样品的控制层11以磁场和电场的关系为平行状态的方式施加磁场和电场的相乘时，交换偏压的值从初始状态逐渐变化，最终能够反转为负值。在本实验例中示出在如下情况下的AHE测定结果，该情况为：将磁场固定为+10kOe，一边渐渐增大施加电压，一边对控制层11施加电场的情况。可以确认到，通过将电压增大为5V、10V，交换偏压的值逐渐减少，在施加70V之后，交换偏压完全反转。就是说，可以确认到，从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场能够在-90Oe至+90Oe的范围内连续地变化。并且，还可以确认到，在以磁场和电场的关系为反向平行状态的方式使电场的方向翻转而施加磁场和电场时，交换偏压的值从负向正转移。就是说，可以确认到，通过在磁场的方向被固定的状态下翻转电场的方向，能够反复往复两个状态。该结果意味着由ME操作能够在从正到负的范围内控制从控制层11对磁化自由层12施加的交换偏置场的大小。
模拟例
关于第一实施方式的磁电阻效应元件，根据LLG方程，对磁电阻效应元件的自旋扭矩进动效应(具体而言，振荡现象)进行了模拟。参照图17对用于模拟的磁电阻效应元件的结构进行说明。磁化自由层12是元件直径为170nm的圆柱形。在此，将固定层的磁化方向设定为x轴，并将z轴方向设定为厚度方向。磁化自由层12及磁化固定层14的材料为CoFe合金。磁化固定层14的磁化由与未图示的反铁磁性物质之间的交换耦合被固定，该反铁磁性物质与磁化固定层14邻接设置。
在此假设以从磁化固定层的磁化方向为179度的角度对磁电阻效应元件10施加200Oe的外加磁场(HE)的状态为初始状态。另外，因为膜厚度可被视为足够薄，所以将反磁场系数设定为Nx＝0、Ny＝0及Nz＝1。
将磁化自由层12的磁化均匀设定。将施加到磁化自由层12的交换偏置场设定为Hexc。另外，在本模拟例中，不考虑磁电阻效应元件10的各向异性磁场(HK＝0)。因此，磁化自由层12中的有效磁场是外加磁场HE、反磁场HD及由交换偏压的交换偏置场HEB的和。另外，为了再现有限温度下的振荡，对LLG方程的磁场的扭矩的项，除了有效磁场以外，还追加以下Hthermal。公式5表示Hthermal。
【公式5】
Figure BDA0001425599680000351
表1示出在本模拟例中使用的参数。
【表1】
符号 值 单位
R<sub>AP</sub> 100 Ω
R<sub>P</sub> 50 Ω
磁电阻比MR 100 ％
自旋极化率P 0.577
电流I<sub>O</sub> 4.5 mA
RA 1.14 Ωμm<sup>2</sup>
α 0.02 -
MS 1.31×10<sup>6</sup> A/m
温度 300 K
图18A示出通过本模拟例求得的磁电阻效应元件的振荡频率的交换偏置场(HEB)依赖性。在图18A中，纵轴表示以任意强度表示的振荡输出，横轴表示振荡频率。在图18A中，以f0表示的振荡频谱是在交换偏置场HEB是0且有效磁场Heff是外加磁场HE和反磁场HD的和的情况下的参考振荡频谱。并且，对于f0低频一侧存在的两个频谱分别表示将交换偏置场HEB设定为-50Oe、-100Oe的情况的振荡频谱。并且，对于f0高频一侧存在的两个频谱分别表示将交换偏置场HEB设定为50Oe、100Oe的情况的振荡频谱。图18B示出所设定的交换偏置场HEB和振荡频率的关系。在图18B中，纵轴表示振荡频率，横轴表示交换偏置场的强度。
由图18A明显可知，在赋予正的交换偏置场(图中的HEB＝50Oe、HEB＝100Oe)的情况下，能够以不需要从外部施加磁场的方式使振荡频率向高频一侧转移。与此相反，在赋予负的交换偏置场(图中的HEB＝-50Oe、HEB＝-100Oe)的情况下，能够使振荡频率向低频一侧转移。就是说，通过本模拟例可以确认到由交换偏置场能够控制自旋进动的频率。虽然在本模拟例中，对如下情况进行了计算，该情况为：在预先由永磁铁等施加被固定了的外加磁场的状态下产生自旋扭矩振荡效应，改变交换偏置场来改变其频率的情况，但是即使在如下情况下，也同样地能够控制频率，该情况例如为：在对磁化自由层施加磁各向异性代替外加磁场的状态下产生自旋扭矩振荡效应的情况；以及在施加磁各向异性和外加磁场的双方的状态下产生自旋扭矩振荡效应的情况。并且，虽然在本模拟例中，对自旋扭矩振荡效应进行了模拟，但是根据自旋进动的自旋扭矩共鸣效应也可以期待有同样的效果。就是说，由交换偏置场能够控制自旋扭矩共鸣效应的频率。
如上所述那样，本发明的频率可变磁电阻效应元件能够电性地控制磁电阻效应元件的自旋进动的频率，并且适用于频率可变的振荡器、检波器或滤波器等高频器件。

Claims (24)

1.一种频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
包括：
磁电阻效应元件；
磁场施加机构，对所述磁电阻效应元件施加磁场；
电场施加机构，对所述磁电阻效应元件施加电场；以及
控制端子，与所述电场施加机构连接并向所述电场施加机构供给大小及/或极性不同的电压，
所述磁电阻效应元件包含具有电磁效应的反铁磁性物质或亚铁磁性物质，
并且，所述磁电阻效应元件通过改变从所述控制端子供给的电压的大小及/或极性，控制所述磁电阻效应元件的自旋扭矩振荡频率或自旋扭矩共鸣频率。
2.根据权利要求1所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁电阻效应元件包括控制层及磁化自由层，该磁化自由层与所述控制层磁连接且其磁化方向是可变的，并且所述控制层包含所述反铁磁性物质或所述亚铁磁性物质。
3.根据权利要求2所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述控制层包含第二反铁磁性物质，该第二反铁磁性物质的奈尔温度比所述反铁磁性物质或所述亚铁磁性物质的奈尔温度高。
4.根据权利要求1所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括控制机构，该控制机构与所述控制端子连接并具有控制对所述控制端子施加的电压及其极性的功能。
5.根据权利要求2所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括控制机构，该控制机构与所述控制端子连接并具有控制对所述控制端子施加的电压及其极性的功能。
6.根据权利要求3所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括控制机构，该控制机构与所述控制端子连接并具有控制对所述控制端子施加的电压及其极性的功能。
7.根据权利要求4所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括反馈电路，该反馈电路检测所述磁电阻效应元件的输入信号或输出信号的任何一方或双方，并向所述控制机构进行反馈，以便设定为所希望的自旋扭矩振荡频率或希望的自旋扭矩共鸣频率。
8.根据权利要求5所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括反馈电路，该反馈电路检测所述磁电阻效应元件的输入信号或输出信号的任何一方或双方，并向所述控制机构进行反馈，以便设定为所希望的自旋扭矩振荡频率或希望的自旋扭矩共鸣频率。
9.根据权利要求6所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
还包括反馈电路，该反馈电路检测所述磁电阻效应元件的输入信号或输出信号的任何一方或双方，并向所述控制机构进行反馈，以便设定为所希望的自旋扭矩振荡频率或希望的自旋扭矩共鸣频率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁场施加机构是永磁铁。
11.根据权利要求2所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
12.根据权利要求3所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场在与所述磁电阻效应元件的层叠方向垂直的方向上施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
13.根据权利要求2所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
14.根据权利要求3所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有面内方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
15.根据权利要求2所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有与层叠面垂直的方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
16.根据权利要求3所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述磁化自由层具有与层叠面垂直的方向的磁各向异性，
由所述磁场施加机构施加的施加磁场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
由所述电场施加机构施加的施加电场以包含所述磁电阻效应元件的层叠方向的成分的方式施加于所述控制层，
所述施加磁场和所述施加电场以大致平行或大致反向平行的关系被重叠施加于所述控制层，
并且，通过改变所述施加电场的大小或施加方向，改变所述自旋扭矩振荡频率或所述自旋扭矩共鸣频率。
17.根据权利要求1至9、11至16中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述反铁磁性物质包含选自Cr2O3、YMnO3及BiFeO3中的至少一个氧化物。
18.根据权利要求10所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述反铁磁性物质包含选自Cr2O3、YMnO3及BiFeO3中的至少一个氧化物。
19.根据权利要求1至9、11至16中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述亚铁磁性物质包含Al1-x-yGaxFe1+yO3，其中，满足0≤x≤1、0≤y≤0.3、0≤x+y≤1。
20.根据权利要求10所述的频率可变磁电阻效应元件，其特征在于，
所述亚铁磁性物质包含Al1-x-yGaxFe1+yO3，其中，满足0≤x≤1、0≤y≤0.3、0≤x+y≤1。
21.一种频率可变振荡器，其特征在于，
包括权利要求1至20中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，
所述磁电阻效应元件具有接收直流信号的输入而输出交流信号的功能，
并且，从所述磁电阻效应元件输出的所述交流信号的频率由于施加于所述磁电阻效应元件的所述施加电场的大小或方向的变化而变化。
22.一种频率可变检波器，其特征在于，
包括权利要求2、3、11至16中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，
所述磁电阻效应元件中的所述磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率由于施加于所述磁电阻效应元件的所述施加电场的大小或方向的变化而变化，
并且，所述磁电阻效应元件接收交流信号的输入，响应于所述交流信号中具有与所述自旋扭矩共鸣频率相同的频率的信号而输出直流信号。
23.一种频率可变滤波器，其特征在于，
包括权利要求2、3、11至16中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，
所述磁电阻效应元件中的所述磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率由于施加于所述磁电阻效应元件的所述施加电场的大小或方向的变化而变化，
并且，所述磁电阻效应元件在接收交流信号的输入时，使所述交流信号中具有与所述自旋扭矩共鸣频率相同的频率的信号衰减而输出该被衰减的交流信号。
24.一种频率可变滤波器，其特征在于，
包括权利要求2、3、11至16中任一项所述的频率可变磁电阻效应元件，
所述磁电阻效应元件中的所述磁化自由层的自旋扭矩共鸣频率由于施加于所述磁电阻效应元件的所述施加电场的大小或方向的变化而变化，
并且，所述磁电阻效应元件在接收交流信号的输入时，选择性地使所述交流信号中具有与所述自旋扭矩共鸣频率相同的频率的信号透过。
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