本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
Preferred embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are equivalent. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of components can be made without departing from the scope of the present invention.
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化の方向が変化可能である磁化自由層４を有する磁気抵抗効果素子１ａと、上部電極５と、下部電極６と、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、第１の信号線路７ａと、第２の信号線路７ｂと、インダクタ１０と、直流電流入力端子１１と、周波数設定機構としての磁場印加機構１２とを有している。第１のポート９ａに入力される高周波信号および第２のポート９ｂから出力される高周波信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。第１の信号線路７ａは第１のポート９ａに接続され、第１の信号線路７ａには第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応した高周波電流が流れる。磁気抵抗効果素子１ａは、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁化自由層４に印加されるように配置されている。磁気抵抗効果素子１ａの一端（磁化固定層２側）と第２のポート９ｂは、下部電極６および第２の信号線路７ｂを介して接続され、磁気抵抗効果素子１ａの他端（磁化自由層４側）は、上部電極５および基準電位端子３０を介してグラウンド８に電気的に接続可能になっている。インダクタ１０は、第２のポート９ｂに対して並列に、第２の信号線路７ｂに接続されている。磁気抵抗効果素子１ａに直流電流を印加可能なように、直流電流入力端子１１は磁気抵抗効果素子１ａに接続されている。より具体的には、図１に示すように、直流電流入力端子１１はインダクタ１０とグラウンド８との間に接続されている。つまり、直流電流入力端子１１は、第２のポート９ｂに対して並列に、インダクタ１０を介して第２の信号線路７ｂに接続され、磁気抵抗効果素子１ａとインダクタ１０に直列に接続されている。直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続されることにより、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁気抵抗効果素子１ａ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路を形成可能となっている。また、磁気抵抗効果デバイス１００には、第２のポート９ｂに対して並列に第２の信号線路７ｂおよびグラウンド８に接続された磁気抵抗効果素子が存在しない。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive device 100 according to a first embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect device 100 includes a magnetoresistive effect element 1a having a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4 in which the magnetization direction can be changed, an upper electrode 5, a lower electrode 6, and a high-frequency signal. An input first port 9a, a second port 9b from which a high-frequency signal is output, a first signal line 7a, a second signal line 7b, an inductor 10, a direct current input terminal 11, And a magnetic field application mechanism 12 as a frequency setting mechanism. The high-frequency signal input to the first port 9a and the high-frequency signal output from the second port 9b are signals having a frequency of 100 MHz or more, for example. The first signal line 7a is connected to the first port 9a, and a high-frequency current corresponding to the high-frequency signal input to the first port 9a flows through the first signal line 7a. The magnetoresistive effect element 1 a is arranged so that a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7 a is applied to the magnetization free layer 4. One end (magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1a and the second port 9b are connected via the lower electrode 6 and the second signal line 7b, and the other end (magnetization free layer) of the magnetoresistive effect element 1a. 4 side) can be electrically connected to the ground 8 via the upper electrode 5 and the reference potential terminal 30. The inductor 10 is connected to the second signal line 7b in parallel with the second port 9b. The direct current input terminal 11 is connected to the magnetoresistive effect element 1a so that a direct current can be applied to the magnetoresistive effect element 1a. More specifically, as shown in FIG. 1, the direct current input terminal 11 is connected between the inductor 10 and the ground 8. That is, the DC current input terminal 11 is connected to the second signal line 7b via the inductor 10 in parallel with the second port 9b, and is connected in series to the magnetoresistive effect element 1a and the inductor 10. . By connecting the direct current source 13 to the direct current input terminal 11 and the ground 8, the magnetoresistive effect device 100 includes the magnetoresistive effect element 1 a, the second signal line 7 b, the direct current input terminal 11, and the ground 8. A closed circuit can be formed. Further, the magnetoresistive effect device 100 does not have a magnetoresistive effect element connected to the second signal line 7b and the ground 8 in parallel to the second port 9b.
第１のポート９ａは交流信号である高周波信号が入力される入力ポートである。第１の信号線路７ａは、第１のポート９ａに接続され、さらに基準電位端子３０を介してグラウンド８に接続可能になっており、第１のポート９ａに高周波信号が入力されると、第１の信号線路７ａには第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応した高周波電流が流れ、入力された高周波信号に対応した高周波磁場が第１の信号線路７ａから発生する。この第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁化自由層４に印加され、磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、この磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。また、第２のポート９ｂは高周波信号が出力される出力ポートである。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、入力された高周波信号に対応する高周波信号が磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。
The first port 9a is an input port to which a high frequency signal that is an AC signal is input. The first signal line 7a is connected to the first port 9a and can be connected to the ground 8 via the reference potential terminal 30. When a high-frequency signal is input to the first port 9a, the first signal line 7a A high-frequency current corresponding to the high-frequency signal input to the first port 9a flows through one signal line 7a, and a high-frequency magnetic field corresponding to the input high-frequency signal is generated from the first signal line 7a. A high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to the magnetization free layer 4, and the magnetization of the magnetization free layer 4 vibrates corresponding to the high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a. Due to the magnetoresistive effect, the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a vibrates corresponding to the inputted high frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. The second port 9b is an output port for outputting a high frequency signal. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it corresponds to the input high frequency signal as a voltage that is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b.
上部電極５および下部電極６は、一対の電極としての役目を有し、磁気抵抗効果素子１ａを構成する各層の積層方向に磁気抵抗効果素子１ａを介して配設されている。つまり、上部電極５および下部電極６は、高周波電流および直流電流を磁気抵抗効果素子１ａに対して、磁気抵抗効果素子１ａを構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果素子１ａを構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に流すための一対の電極としての機能を有している。上部電極５および下部電極６は、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、またはこれらの材料のいずれか２つ以上の膜で構成されることが好ましい。
The upper electrode 5 and the lower electrode 6 have a role as a pair of electrodes, and are disposed via the magnetoresistive effect element 1a in the stacking direction of each layer constituting the magnetoresistive effect element 1a. That is, the upper electrode 5 and the lower electrode 6 have a high-frequency current and a direct current applied to the magnetoresistive effect element 1a in a direction intersecting the surface of each layer constituting the magnetoresistive effect element 1a, for example, It has a function as a pair of electrodes for flowing in a direction (stacking direction) perpendicular to the surface of each layer constituting. The upper electrode 5 and the lower electrode 6 are preferably made of Ta, Cu, Au, AuCu, Ru, or any two or more films of these materials.
図２は磁気抵抗効果デバイス１００の構造を示した模式図である。磁気抵効果素子１ａは、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化自由層４がこの順に積層されて構成されており、上部電極５と下部電極６に挟まれる構造となっている。上部電極５と第１の信号線路７ａとの間には絶縁体１５が存在し、第１の信号線路７ａと上部電極５は電気的に隔離されている。図３は磁気抵抗効果素子１ａに第１の信号線路７ａから高周波磁界が印加されていない時の、磁気抵抗効果素子１ａの磁化状態の模式図である。図２、３に示されるように、磁化固定層２の磁化１６の方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度θ１が５度以上６５度以下になるように、第１の信号線路７ａが磁気抵抗効果素子１ａに対して配置されることが好ましい。角度θ１は、２０度以上５５度以下であることがより好ましい。また、第１の信号線路７ａと平行な方向に直流磁場１２ａが磁化自由層４に印加されるように、磁場印加機構１２が配置されている。第１の信号線路７ａから高周波磁界が印加されていない時、磁場印加機構１２から印加される直流磁場１２ａに対し、磁化自由層４の磁化１７は同じ方向を向いている。また、直流磁場１２ａは、その方向が磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４に対して直交するように磁場印加機構１２より印加される。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of the magnetoresistive effect device 100. The magnetoresistive effect element 1 a is configured by laminating a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4 in this order, and is sandwiched between an upper electrode 5 and a lower electrode 6. An insulator 15 exists between the upper electrode 5 and the first signal line 7a, and the first signal line 7a and the upper electrode 5 are electrically isolated. FIG. 3 is a schematic diagram of the magnetization state of the magnetoresistive effect element 1a when a high frequency magnetic field is not applied to the magnetoresistive effect element 1a from the first signal line 7a. 2 and 3, a straight line 2a parallel to the direction of the magnetization 16 of the fixed magnetization layer 2 and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a It is preferable that the first signal line 7a is arranged with respect to the magnetoresistive effect element 1a so that the angle θ1 formed by is between 5 degrees and 65 degrees. The angle θ1 is more preferably 20 degrees or greater and 55 degrees or less. In addition, the magnetic field application mechanism 12 is arranged so that the DC magnetic field 12a is applied to the magnetization free layer 4 in a direction parallel to the first signal line 7a. When a high-frequency magnetic field is not applied from the first signal line 7a, the magnetization 17 of the magnetization free layer 4 is directed in the same direction with respect to the DC magnetic field 12a applied from the magnetic field applying mechanism 12. Further, the DC magnetic field 12 a is applied from the magnetic field applying mechanism 12 so that the direction thereof is orthogonal to the straight line 14 parallel to the direction of the high frequency magnetic field in the magnetization free layer 4.
グラウンド８は、基準電位として機能する。第１の信号線路７ａ、第２の信号線路７ｂおよびグラウンド８の形状は、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）型やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型に規定することが好ましい。マイクロストリップライン形状やコプレーナウェーブガイド形状を設計する際、第１の信号線路７ａまたは第２の信号線路７ｂの特性インピーダンスと回路系のインピーダンスが等しくなるように第１の信号線路７ａまたは第２の信号線路７ｂの信号線幅やグラウンド間距離を設計することにより、第１の信号線路７ａまたは第２の信号線路７ｂを伝送損失の少ない伝送線路とすることが可能となる。第１の信号線路７ａおよび第２の信号線路７ｂは、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｕＣｕ、Ａｇ、またはＡｌ等の電気伝導率の高い材料で構成されることが望ましい。
The ground 8 functions as a reference potential. The shapes of the first signal line 7a, the second signal line 7b, and the ground 8 are preferably defined as a microstrip line (MSL) type or a coplanar waveguide (CPW) type. When designing the microstrip line shape or the coplanar waveguide shape, the first signal line 7a or the second signal line 7a or the second signal line 7b is designed so that the characteristic impedance of the first signal line 7a or the second signal line 7b is equal to the impedance of the circuit system. By designing the signal line width of the signal line 7b and the distance between the grounds, the first signal line 7a or the second signal line 7b can be a transmission line with a small transmission loss. The first signal line 7a and the second signal line 7b are preferably made of a material having high electrical conductivity such as Au, Cu, AuCu, Ag, or Al.
インダクタ１０は、第２の信号線路７ｂとグラウンド８との間に接続され、インダクタ成分により電流の高周波成分をカットすると同時に電流の直流成分を通す機能を有する。インダクタ１０は、チップインダクタまたはパターン線路によるインダクタのどちらでもよい。また、インダクタ成分を有する抵抗素子でもよい。インダクタ１０のインダクタンス値は１０ｎＨ以上であることが好ましい。インダクタ１０は、高周波信号は通さずに直流信号を選択的にグラウンド８に流すことが出来る。直流電流入力端子１１から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子１ａ、第２の信号線路７ｂ、インダクタ１０、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子１ａに効率的に直流電流を印加することができる。
The inductor 10 is connected between the second signal line 7b and the ground 8, and has a function of cutting the high frequency component of the current by the inductor component and simultaneously passing the direct current component of the current. The inductor 10 may be a chip inductor or an inductor based on a pattern line. Further, a resistance element having an inductor component may be used. The inductance value of the inductor 10 is preferably 10 nH or more. The inductor 10 can selectively pass a DC signal to the ground 8 without passing a high-frequency signal. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through a closed circuit including the magnetoresistive effect element 1 a, the second signal line 7 b, the inductor 10, the direct current input terminal 11, and the ground 8. With this closed circuit, a direct current can be efficiently applied to the magnetoresistive effect element 1a.
直流電流入力端子１１は、インダクタ１０とグラウンド８との間に接続されている。直流電流入力端子１１に直流電流源１３が接続されることで、磁気抵抗効果素子１ａに直流電流を印加することが可能になる。
The direct current input terminal 11 is connected between the inductor 10 and the ground 8. By connecting the direct current source 13 to the direct current input terminal 11, a direct current can be applied to the magnetoresistive effect element 1a.
直流電流源１３は、直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続される。直流電流入力端子１１から、磁気抵抗効果素子１ａ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路に、直流電流が印加される。直流電流源１３は、例えば、可変抵抗と直流電圧源との組み合わせの回路により構成され、直流電流の電流値を変化可能に構成されている。直流電流源１３は、一定の直流電流を発生可能な、固定抵抗と直流電圧源との組み合わせの回路により構成されてもよい。
The direct current source 13 is connected to the direct current input terminal 11 and the ground 8. A direct current is applied from the direct current input terminal 11 to a closed circuit including the magnetoresistive effect element 1 a, the second signal line 7 b, the direct current input terminal 11, and the ground 8. The DC current source 13 is constituted by, for example, a circuit of a combination of a variable resistor and a DC voltage source, and is configured to be able to change the current value of the DC current. The direct current source 13 may be configured by a circuit of a combination of a fixed resistor and a direct current voltage source that can generate a constant direct current.
磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａに直流磁場１２ａを印加して、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を設定可能となっている。例えば、磁場印加機構１２は、電圧または電流のいずれかにより、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型あるいはストリップライン型で構成される。また、磁場印加機構１２は、電磁石型あるいはストリップライン型と一定の磁場のみを印加する永久磁石との組み合わせにより構成されていてもよい。また、磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を変化可能となっている。
The magnetic field application mechanism 12 is disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect element 1a, and can set the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 by applying a DC magnetic field 12a to the magnetoresistive effect element 1a. For example, the magnetic field application mechanism 12 is configured as an electromagnet type or a stripline type that can variably control the applied magnetic field intensity by either voltage or current. The magnetic field application mechanism 12 may be configured by a combination of an electromagnet type or stripline type and a permanent magnet that applies only a constant magnetic field. The magnetic field application mechanism 12 can change the effective magnetic field in the magnetization free layer 4 to change the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 by changing the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1a. .
磁化固定層２は、強磁性体材料で構成されており、その磁化方向が実質的に一方向に固定されている。磁化固定層２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金、またはＦｅとＣｏとＢの合金などの高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。また、磁化固定層２は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化固定層２の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、磁化固定層２の磁化１６を固定するために磁化固定層２に接するように反強磁性層を付加してもよい。或いは、結晶構造、形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化固定層２の磁化１６を固定してもよい。反強磁性層には、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒまたはＭｎなどを用いることが出来る。
The magnetization fixed layer 2 is made of a ferromagnetic material, and its magnetization direction is substantially fixed in one direction. The magnetization fixed layer 2 is preferably composed of a high spin polarizability material such as Fe, Co, Ni, an alloy of Ni and Fe, an alloy of Fe and Co, or an alloy of Fe, Co and B. Thereby, a high magnetoresistance change rate can be obtained. Moreover, the magnetization fixed layer 2 may be made of a Heusler alloy. The film thickness of the magnetization fixed layer 2 is preferably 1 to 10 nm. Further, an antiferromagnetic layer may be added so as to be in contact with the magnetization fixed layer 2 in order to fix the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2. Alternatively, the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 may be fixed using magnetic anisotropy due to the crystal structure, shape, or the like. For the antiferromagnetic layer, FeO, CoO, NiO, CuFeS 2 , IrMn, FeMn, PtMn, Cr, Mn, or the like can be used.
スペーサ層３は、磁化固定層２と磁化自由層４の間に配置され、磁化固定層２の磁化１６と磁化自由層４の磁化が相互作用して磁気抵抗効果が得られる。スペーサ層３としては、導電体、絶縁体、半導体によって構成される層、または、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。
The spacer layer 3 is disposed between the magnetization fixed layer 2 and the magnetization free layer 4. The magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 and the magnetization of the magnetization free layer 4 interact to obtain a magnetoresistance effect. The spacer layer 3 is composed of a layer formed of a conductor, an insulator, and a semiconductor, or a layer including a conduction point formed of a conductor in the insulator.
スペーサ層３として非磁性導電材料を適用する場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子１ａには巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発現する。ＧＭＲ効果を利用する場合、スペーサ層３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
When a nonmagnetic conductive material is applied as the spacer layer 3, examples of the material include Cu, Ag, Au, and Ru, and the magnetoresistive effect element 1a exhibits a giant magnetoresistance (GMR) effect. When using the GMR effect, the thickness of the spacer layer 3 is preferably about 0.5 to 3.0 nm.
スペーサ層３として非磁性絶縁材料を適用する場合、材料としてはＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子１ａにはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。磁化固定層２と磁化自由層４との間にコヒーレントトンネル効果が発現するように、スペーサ層３の膜厚を調整することで高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を利用する場合、スペーサ層３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
When a nonmagnetic insulating material is applied as the spacer layer 3, examples of the material include Al 2 O 3 or MgO, and the magnetoresistive effect element 1a exhibits a tunnel magnetoresistance (TMR) effect. A high magnetoresistance change rate can be obtained by adjusting the film thickness of the spacer layer 3 so that a coherent tunnel effect appears between the magnetization fixed layer 2 and the magnetization free layer 4. When utilizing the TMR effect, the thickness of the spacer layer 3 is preferably about 0.5 to 3.0 nm.
スペーサ層３として非磁性半導体材料を適用する場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘまたはＧａ２Ｏｘなどが挙げられ、スペーサ層３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
When a nonmagnetic semiconductor material is applied as the spacer layer 3, examples of the material include ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , ITO, GaO x, and Ga 2 O x, and the thickness of the spacer layer 3 is 1.0. It is preferable to set it to about -4.0 nm.
スペーサ層３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯによって構成される非磁性絶縁体中に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌまたはＭｇなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
When a layer including a conduction point constituted by a conductor in a nonmagnetic insulator is applied as the spacer layer 3, a nonmagnetic insulator constituted by Al 2 O 3 or MgO includes CoFe, CoFeB, CoFeSi, CoMnGe, A structure including a conduction point constituted by a conductor such as CoMnSi, CoMnAl, Fe, Co, Au, Cu, Al, or Mg is preferable. In this case, the thickness of the spacer layer 3 is preferably about 0.5 to 2.0 nm.
磁化自由層４は、外部印加磁場またはスピン偏極電子によってその磁化の方向が変化可能であり、強磁性体材料で構成されている。磁化自由層４は、膜面内方向に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどが挙げられ、厚さは１〜３０ｎｍ程度とすることが好ましい。磁化自由層４は、膜面法線方向に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としてはＣｏ、ＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金またはＴｂＦｅＣｏ合金などが挙げられる。また、磁化自由層４は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化自由層４とスペーサ層３との間に、高スピン分極率材料を挿入しても良い。これによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。高スピン分極率材料としては、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金などが挙げられる。ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金いずれの膜厚も０．２〜１．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
The magnetization free layer 4 can be changed in its magnetization direction by an externally applied magnetic field or spin-polarized electrons, and is made of a ferromagnetic material. In the case where the magnetization free layer 4 is a material having an axis of easy magnetization in the in-plane direction, examples of the material include CoFe, CoFeB, CoFeSi, CoMnGe, CoMnSi, and CoMnAl, and the thickness is about 1 to 30 nm. preferable. When the magnetization free layer 4 is a material having an easy axis in the normal direction of the film surface, the material is Co, a CoCr alloy, a Co multilayer film, a CoCrPt alloy, a FePt alloy, a rare earth-containing SmCo alloy or TbFeCo. An alloy etc. are mentioned. Moreover, the magnetization free layer 4 may be made of a Heusler alloy. A high spin polarizability material may be inserted between the magnetization free layer 4 and the spacer layer 3. This makes it possible to obtain a high magnetoresistance change rate. Examples of the high spin polarizability material include a CoFe alloy and a CoFeB alloy. The film thickness of either the CoFe alloy or the CoFeB alloy is preferably about 0.2 to 1.0 nm.
また、上部電極５と磁気抵抗効果素子１ａとの間、および下部電極６と磁気抵抗効果素子１ａとの間にキャップ層、シード層またはバッファー層を配設しても良い。キャップ層、シード層またはバッファー層としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒまたはこれらの積層膜などが挙げられ、これらの層の膜厚は２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
Further, a cap layer, a seed layer, or a buffer layer may be provided between the upper electrode 5 and the magnetoresistive effect element 1a and between the lower electrode 6 and the magnetoresistive effect element 1a. Examples of the cap layer, seed layer, or buffer layer include Ru, Ta, Cu, Cr, or a laminated film thereof. The thickness of these layers is preferably about 2 to 10 nm.
尚、磁気抵抗効果素子１ａの大きさは、磁気抵抗効果素子１ａの長辺を１００ｎｍ程度、或いは１００ｎｍ以下にすることが望ましい。磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状が長方形（正方形を含む）ではない場合は、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状に最小の面積で外接する長方形の長辺を、磁気抵抗効果素子１ａの長辺と定義する。長辺が１００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層４の磁区の単磁区化が可能となり、高効率な強磁性共鳴現象の実現が可能となる。ここで、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。
The magnetoresistive effect element 1a is preferably about 100 nm or less than 100 nm in the long side of the magnetoresistive effect element 1a. When the planar view shape of the magnetoresistive effect element 1a is not rectangular (including a square), the long side of the rectangle circumscribing the planar view shape of the magnetoresistive effect element 1a with the minimum area is the length of the magnetoresistive effect element 1a. Defined as an edge. When the long side is as small as about 100 nm, the magnetic domain of the magnetization free layer 4 can be made into a single domain, and a highly efficient ferromagnetic resonance phenomenon can be realized. Here, the “planar shape” is a shape viewed in a plane perpendicular to the stacking direction of each layer constituting the magnetoresistive effect element.
ここで、強磁性共鳴現象について説明する。
Here, the ferromagnetic resonance phenomenon will be described.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁化自由層４に印加された場合、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場のうち、周波数が磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動する。この現象を強磁性共鳴現象と呼ぶ。強磁性共鳴周波数は、磁化自由層４における有効磁場によって変化する。磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層４に印加される外部磁場ＨＥ、磁化自由層４における異方性磁場Ｈｋ、磁化自由層４における反磁場ＨＤ、磁化自由層４における交換結合磁場ＨＥＸを用いて、
Ｈｅｆｆ＝ＨＥ＋Ｈｋ＋ＨＤ＋ＨＥＸ
で表される。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａに磁場を印加し、磁化自由層４に外部磁場ＨＥを印加することにより、磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆを設定可能な有効磁場設定機構である。有効磁場設定機構である磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を変化させることが出来る。このように、磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場を変化させると、磁気抵抗効果素子１ａ磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は変化する。一般的な場合、磁気抵抗効果素子（磁化自由層４）に印加される直流磁場が強くなるに従って、強磁性共鳴周波数は高くなる。
When a high frequency magnetic field generated from the first signal line 7 a is applied to the magnetization free layer 4, the frequency of the high frequency magnetic field generated from the first signal line 7 a is near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4. For some, the magnetization of the magnetization free layer 4 oscillates greatly. This phenomenon is called a ferromagnetic resonance phenomenon. The ferromagnetic resonance frequency changes depending on the effective magnetic field in the magnetization free layer 4. The effective magnetic field H eff in the magnetization free layer 4 includes an external magnetic field H E applied to the magnetization free layer 4, an anisotropic magnetic field H k in the magnetization free layer 4, a demagnetizing field H D in the magnetization free layer 4, and a magnetization free layer 4. Using the exchange coupling magnetic field H EX at
H eff = H E + H k + H D + H EX
It is represented by Magnetic field applying mechanism 12, a magnetic field is applied to the magnetoresistive element 1a, by applying an external magnetic field H E the magnetization free layer 4, the effective magnetic field H eff a settable effective magnetic field setting mechanism in the magnetization free layer 4 is there. The magnetic field application mechanism 12, which is an effective magnetic field setting mechanism, changes the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1 a, thereby changing the effective magnetic field in the magnetization free layer 4 to change the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4. I can do it. Thus, when the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1a is changed, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetoresistive effect element 1a magnetization free layer 4 changes. In a general case, the ferromagnetic resonance frequency increases as the DC magnetic field applied to the magnetoresistive element (magnetization free layer 4) increases.
また、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流の電流密度を変化させると、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は変化する。一般的な場合、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流の電流密度が大きくなるに従って、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は低くなる。したがって、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ（磁化自由層４）に印加される直流磁場を変化させるか、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流電流を変化させることにより、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を可変制御することができる。磁気抵抗効果素子に印加される直流電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度よりも小さいことが好ましい。磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度とは、この値以上の電流密度の直流電流の印加により、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化が一定周波数及び一定の振幅で歳差運動を開始し、磁気抵抗効果素子が発振する（磁気抵抗効果素子の出力（抵抗値）が一定周波数及び一定の振幅で変動する）閾値の電流密度のことである。
Further, when the current density of the direct current applied to the magnetoresistive effect element is changed, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is changed. In a general case, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 decreases as the current density of the direct current applied to the magnetoresistive element increases. Therefore, the DC magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1a (magnetization free layer 4) from the magnetic field application mechanism 12 is changed, or the DC current applied to the magnetoresistive effect element 1a from the DC current input terminal 11 is changed. Thus, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 can be variably controlled. The current density of the direct current applied to the magnetoresistive effect element is preferably smaller than the oscillation threshold current density of the magnetoresistive effect element. The oscillation threshold current density of the magnetoresistive effect element is the precession of the magnetization of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element at a constant frequency and a constant amplitude by applying a direct current with a current density equal to or higher than this value. This is the threshold current density at which the magnetoresistive effect element oscillates (the output (resistance value) of the magnetoresistive effect element fluctuates at a constant frequency and a constant amplitude).
また、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場の周波数は第１のポート９ａより入力された高周波信号の周波数に対応する。第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁化自由層４に印加されると、磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動して磁気抵抗効果素子１ａの抵抗値が大きく振動するため、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
The frequency of the high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponds to the frequency of the high frequency signal input from the first port 9a. When a high frequency magnetic field generated from the first signal line 7 a is applied to the magnetization free layer 4, due to the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4, the frequency of the input high frequency signal is ferromagnetic in the magnetization free layer 4. For those in the vicinity of the resonance frequency, the magnetization of the magnetization free layer 4 greatly vibrates and the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a vibrates greatly, so that the frequency in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is large. The high frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b with higher strength than the high frequency signals of other frequencies. That is, the magnetoresistive effect device 100 may have frequency characteristics as a high-frequency filter that can selectively pass a high-frequency signal having a frequency near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 (passband frequency). It becomes possible.
また、第２のポート９ｂから第１のポート９ｂに高周波信号を入力しても、第１のポート９ａから高周波信号は出力されないため、磁気抵抗効果デバイス１００はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, even if a high frequency signal is input from the second port 9b to the first port 9b, the high frequency signal is not output from the first port 9a, so that the magnetoresistive effect device 100 can also function as an isolator.
図４および図５に、磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数と出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図４および図５の縦軸は出力電圧の振幅、横軸は周波数を表している。図４は、磁気抵抗効果素子１ａに印加された直流磁場１２ａが一定の時のグラフである。図４のプロット線１００ａ１は、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流電流値がＩａ１の時のものであり、プロット線１００ａ２は直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流電流値がＩａ２の時のものである。この時の直流電流値の関係は、Ｉａ１＜Ｉａ２である。また、図５は、磁気抵抗効果素子１ａに印加された直流電流が一定の時のグラフである。図５のプロット線１００ｂ１は、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流磁場１２ａの強度がＨｂ１の時のものであり、プロット線１００ｂ２は磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流磁場１２ａの強度がＨｂ２の時のものである。この時の磁場強度の関係は、Ｈｂ１＜Ｈｂ２である。
4 and 5 are graphs showing the relationship between the frequency of the high-frequency signal input to the magnetoresistive device 100 and the amplitude of the output voltage. 4 and 5, the vertical axis represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents the frequency. FIG. 4 is a graph when the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1a is constant. The plot line 100a1 in FIG. 4 is the one when the DC current value applied to the magnetoresistive effect element 1a from the DC current input terminal 11 is Ia1, and the plot line 100a2 is from the DC current input terminal 11 to the magnetoresistive effect element 1a. When the direct current value applied to is Ia2. The relation of the direct current value at this time is Ia1 <Ia2. FIG. 5 is a graph when the direct current applied to the magnetoresistive element 1a is constant. A plot line 100b1 in FIG. 5 is obtained when the intensity of the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1a from the magnetic field applying mechanism 12 is Hb1, and a plot line 100b2 is indicated by the magnetoresistive effect element 1a from the magnetic field applying mechanism 12. When the intensity of the DC magnetic field 12a applied to is Hb2. The relationship between the magnetic field strengths at this time is Hb1 <Hb2.
例えば、図４に示されるように、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流電流値をＩａ１からＩａ２に大きくした場合、電流値の変化に伴い、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である出力電圧の振幅が大きくなるため、第２のポート９ｂから出力される高周波信号の強度は大きくなる。また、直流電流値をＩａ１からＩａ２に大きくすると磁化自由層４の強磁性共鳴周波数はｆａ１からｆａ２にシフトする。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域の周波数を変化可能な高周波フィルタまたはアイソレータとして機能することも出来る。
For example, as shown in FIG. 4, when the direct current value applied from the direct current input terminal 11 to the magnetoresistive effect element 1a is increased from Ia1 to Ia2, the change of the current value causes the magnetoresistive effect element 1a to change. Since the amplitude of the output voltage that is the product of the oscillating resistance value and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a increases, the strength of the high-frequency signal output from the second port 9b increases. Further, when the direct current value is increased from Ia1 to Ia2, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is shifted from fa1 to fa2. That is, the pass frequency band shifts to the low frequency side. That is, the magnetoresistive effect device 100 can also function as a high frequency filter or isolator that can change the frequency of the pass frequency band.
さらに、例えば、図５に示されるように、磁場印加機構１２から印加される直流磁場１２ａの強度をＨｂ１からＨｂ２に強くした場合、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数はｆｂ１からｆｂ２にシフトする。すなわち、通過周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、直流磁場１２ａの強度（磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆ）を変化させる方が、直流電流値を変化させるよりも大きく通過周波数帯域をシフトさせることができる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域の周波数を変化可能な高周波フィルタまたはアイソレータとして機能することが出来る。
Further, for example, as shown in FIG. 5, when the intensity of the DC magnetic field 12a applied from the magnetic field applying mechanism 12 is increased from Hb1 to Hb2, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is shifted from fb1 to fb2. . That is, the pass frequency band is shifted to the high frequency side. Further, changing the strength of the DC magnetic field 12a (effective magnetic field H eff in the magnetization free layer 4) can shift the pass frequency band more greatly than changing the DC current value. That is, the magnetoresistive effect device 100 can function as a high frequency filter or isolator capable of changing the frequency of the pass frequency band.
さらに、通過周波数帯域が変化する際、通過周波数帯域の任意の周波数１点に注目すると、通過信号の位相が変化する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域（動作帯域）の周波数の信号の位相を変化可能なフェイズシフタとして機能することも出来る。
Further, when the pass frequency band changes, if attention is paid to one arbitrary point in the pass frequency band, the phase of the pass signal changes. That is, the magnetoresistive effect device 100 can also function as a phase shifter capable of changing the phase of a signal having a frequency in the pass frequency band (operation band).
また、直流電流入力端子１１から入力される直流電流が一定以上の大きさの場合、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力される高周波信号の入力電力よりも、第２のポート９ｂから出力される出力電力を大きくすることができる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、増幅器（アンプ）として機能することも出来る。
When the direct current input from the direct current input terminal 11 has a certain magnitude or more, the input of the high frequency signal input from the first port 9a at a frequency near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is performed. The output power output from the second port 9b can be made larger than the power. That is, the magnetoresistive device 100 can also function as an amplifier.
なお、磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流外部磁場ＨＥ（磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆ）が大きくなるに従って、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値の振幅が小さくなるので、磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流外部磁場ＨＥ（磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆ）を大きくするのに伴い、磁気抵抗効果素子１ａに印加される直流電流の電流密度を大きくすることが好ましい。
As the DC external magnetic field H E (effective magnetic field H eff in the magnetization free layer 4) applied to the magnetoresistive effect element 1a increases, the amplitude of the resistance value oscillating of the magnetoresistive effect element 1a decreases. As the DC external magnetic field H E (effective magnetic field H eff in the magnetization free layer 4) applied to the resistive element 1a is increased, the current density of the direct current applied to the magnetoresistive element 1a can be increased. preferable.
また、高周波フィルタとしての遮断特性と通過特性のレンジを大きくするためには、磁化自由層４が膜面法線方向に磁化容易軸を有し、磁化固定層２が膜面方向に磁化容易軸を有する構成とすることが好ましい。
In order to increase the range of the cutoff characteristic and the pass characteristic as the high frequency filter, the magnetization free layer 4 has an easy axis in the normal direction of the film surface, and the fixed magnetization layer 2 has an easy axis of magnetization in the film surface direction. It is preferable to have a configuration having
図６に、磁気抵抗効果デバイス１００における、磁化固定層２の磁化１６方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度θ１と、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数における出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図６の縦軸は出力電圧の振幅、横軸はθ１を表している。ここでは、第１のポート９ａより５ｍＶの高周波信号が入力されている。図６に示されるように、同じ大きさの高周波信号が第１のポート９ａに入力された時、θ１を５度以上６５度以下にすると出力電圧の振幅を大きくすることが出来、θ１を２０度以上５５度以下にすると出力電圧の振幅をさらに大きくすることが出来る。
FIG. 6 shows a straight line 2a parallel to the magnetization 16 direction of the magnetization fixed layer 2 in the magnetoresistive effect device 100, and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a. 2 is a graph showing the relationship between the angle θ1 formed by and the amplitude of the output voltage at the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4. The vertical axis in FIG. 6 represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents θ1. Here, a high frequency signal of 5 mV is inputted from the first port 9a. As shown in FIG. 6, when a high frequency signal of the same magnitude is input to the first port 9a, the amplitude of the output voltage can be increased by setting θ1 to 5 degrees or more and 65 degrees or less. When the angle is not less than 55 degrees and not more than 55 degrees, the amplitude of the output voltage can be further increased.
図７は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００のθ１が０度の場合の構造を示した模式図である。また、図８は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００のθ１が９０度の場合の構造を示した模式図である。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a structure when θ1 of the magnetoresistive effect device 100 according to the first embodiment is 0 degree. FIG. 8 is a schematic diagram showing the structure of the magnetoresistive device 100 according to the first embodiment when θ1 is 90 degrees.
このように、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化の方向が変化可能である磁化自由層４を有する磁気抵抗効果素子１ａと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、第１の信号線路７ａと、第２の信号線路７ｂと、直流電流入力端子１１とを有している。第１の信号線路７ａは第１のポート９ａに接続され、第１の信号線路７ａには第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応した高周波電流が流れ、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁化自由層４に印加される。磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ａが、第２の信号線路７ｂを介して接続され、直流電流入力端子１１は磁気抵抗効果素子１ａに接続されている。
As described above, the magnetoresistive effect device 100 includes the magnetoresistive effect element 1a having the magnetization fixed layer 2, the spacer layer 3, and the magnetization free layer 4 in which the magnetization direction can be changed, and the first to which the high-frequency signal is input. It has a port 9a, a second port 9b from which a high-frequency signal is output, a first signal line 7a, a second signal line 7b, and a direct current input terminal 11. The first signal line 7a is connected to the first port 9a, and a high-frequency current corresponding to the high-frequency signal input to the first port 9a flows through the first signal line 7a, from the first signal line 7a. The generated high frequency magnetic field is applied to the magnetization free layer 4. The magnetoresistive effect element 1a and the second port 9a are connected via the second signal line 7b, and the direct current input terminal 11 is connected to the magnetoresistive effect element 1a.
したがって、第１のポート９ａに高周波信号が入力されると、第１の信号線路７ａに高周波電流が流れる。そのため、入力された高周波信号に対応した第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が第１の信号線路７ａから磁化自由層４に印加され、磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、この磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、入力された高周波信号に対応する高周波信号が磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動するため、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
Therefore, when a high frequency signal is input to the first port 9a, a high frequency current flows through the first signal line 7a. Therefore, a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponding to the input high-frequency signal is applied from the first signal line 7a to the magnetization free layer 4, and the magnetization of the magnetization free layer 4 is changed to the first signal line 7a. Vibrates in response to the high-frequency magnetic field generated from the. Due to the magnetoresistive effect, the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a vibrates corresponding to the inputted high frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it corresponds to the input high frequency signal as a voltage that is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b. Due to the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4, the magnetization of the magnetization free layer 4 oscillates greatly for the input high frequency signal whose frequency is in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4. Therefore, a high-frequency signal having a frequency in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b with a greater strength than high-frequency signals having other frequencies. That is, the magnetoresistive effect device 100 can have frequency characteristics as a high frequency filter that can selectively pass a high frequency signal having a frequency near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4.
また、第２のポート９ｂから第１のポート９ｂに高周波信号を入力しても、第１のポート９ａから高周波信号は出力されないため、磁気抵抗効果デバイス１００はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, even if a high frequency signal is input from the second port 9b to the first port 9b, the high frequency signal is not output from the first port 9a, so that the magnetoresistive effect device 100 can also function as an isolator.
また、直流電流入力端子１１から印加される直流電流を変化させることにより、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を可変制御することができるため、磁気抵抗効果デバイス１００は、周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することも可能となり、さらには、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは、信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, since the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 can be variably controlled by changing the direct current applied from the direct current input terminal 11, the magnetoresistive effect device 100 includes a variable frequency filter or isolator. It is also possible to function as a phase shifter capable of changing the phase of a signal or an amplifier capable of amplifying the signal.
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構としての磁場印加機構１２を有するので、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を任意の周波数にすることができる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、任意の周波数帯のフィルタまたはアイソレータ等として機能することが可能となる。
Furthermore, since the magnetoresistive effect device 100 has the magnetic field application mechanism 12 as a frequency setting mechanism capable of setting the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 is set to an arbitrary frequency. be able to. Therefore, the magnetoresistive effect device 100 can function as a filter or an isolator in an arbitrary frequency band.
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁場印加機構１２が、磁化自由層４における有効磁場を設定可能な有効磁場設定機構であり、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を変化可能であるので、周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは、信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, the magnetoresistive effect device 100 is an effective magnetic field setting mechanism in which the magnetic field application mechanism 12 can set an effective magnetic field in the magnetization free layer 4. The effective magnetic field in the magnetization free layer 4 is changed to change the strength of the magnetization free layer 4. Since the magnetic resonance frequency can be changed, it can function as a variable frequency filter or isolator, and can also function as a phase shifter that can change the phase of the signal or an amplifier that can amplify the signal. It becomes possible.
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、第２のポート９ｂに対して並列に第２の信号線路７ｂおよびグラウンド８に接続された磁気抵抗効果素子が存在しないため、高周波信号が、第２のポート９ｂに対して並列に第２の信号線路７ｂおよびグラウンド８に接続された磁気抵抗効果素子に流入せずに、高周波信号の損失増加を防ぐことが出来る。
Further, since the magnetoresistive effect device 100 has no magnetoresistive effect element connected to the second signal line 7b and the ground 8 in parallel to the second port 9b, the high-frequency signal is transmitted from the second port 9b. On the other hand, it is possible to prevent an increase in loss of the high-frequency signal without flowing into the magnetoresistive effect element connected to the second signal line 7b and the ground 8 in parallel.
以上説明した第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００に対しては、様々な構成要素を追加することができる。例えば、第２のポート９ｂに接続された高周波回路に直流信号が流れるのを防ぐために、直流電流入力端子１１（またはインダクタ１０）の第２の信号線路７ｂへの接続部と第２のポート９ｂとの間の第２の信号線路７ｂに直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続してもよい。
Various components can be added to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment described above. For example, in order to prevent a direct current signal from flowing through the high-frequency circuit connected to the second port 9b, the connection portion of the direct current input terminal 11 (or the inductor 10) to the second signal line 7b and the second port 9b. A capacitor for cutting a DC signal may be connected in series to the second signal line 7b between the two.
（第２の実施形態）
図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１０１の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０１において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化自由層４を有する２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、上部電極５、下部電極６、第１のポート９ａ、第２のポート９ｂ、第１の信号線路７ａ、第２の信号線路７ｂ、インダクタ１０、直流電流入力端子１１および周波数設定機構としての磁場印加機構１２を有している。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場がそれぞれの磁化自由層４に印加されるように配置されている。磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂ同士は、上部電極５と下部電極６との間に並列接続されており、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４は同一の上部電極５に接続されており、また磁化固定層２は同一の下部電極６に接続されている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一端（磁化固定層２側）と第２のポート９ｂは、下部電極６および第２の信号線路７ｂを介して接続され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの他端（磁化自由層４側）は、上部電極５および基準電位端子３０を介してグラウンド８に電気的に接続可能になっている。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect device 101 according to the second embodiment of the present invention. In the magnetoresistive effect device 101, differences from the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment will be mainly described, and description of common matters will be omitted as appropriate. Elements common to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of the common elements is omitted. The magnetoresistive effect device 101 includes two magnetoresistive effect elements 1a, 1b, an upper electrode 5, a lower electrode 6, a first port 9a, and a second port, each having a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4. 9b, a first signal line 7a, a second signal line 7b, an inductor 10, a direct current input terminal 11, and a magnetic field application mechanism 12 as a frequency setting mechanism. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are arranged such that a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to each magnetization free layer 4. The magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b are connected in parallel between the upper electrode 5 and the lower electrode 6, and the magnetization free layers 4 of the magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b are the same. The magnetization fixed layer 2 is connected to the same lower electrode 6 and is connected to the upper electrode 5. One end (magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1a, 1b and the second port 9b are connected via the lower electrode 6 and the second signal line 7b, and the other end of the magnetoresistive effect element 1a, 1b. The (magnetization free layer 4 side) can be electrically connected to the ground 8 via the upper electrode 5 and the reference potential terminal 30.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、同一の直流磁場１２ａおよび同一の電流密度の直流電流が印加された状態での磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、膜構成が互いに同じで、平面視形状はともに長方形であるが、平面視形状のアスペクト比が互いに異なっている。ここで「膜構成が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。また、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。また、「平面視形状のアスペクト比」とは、磁気抵抗効果素子の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の、短辺の長さに対する長辺の長さの比率のことである。
The magnetoresistive elements 1a and 1b have different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 in a state where the same DC magnetic field 12a and a DC current having the same current density are applied. More specifically, the magnetoresistive elements 1a and 1b have the same film configuration and are rectangular in plan view, but have different aspect ratios in the plan view. Here, “the film configuration is the same” means that the material and film thickness of each layer constituting the magnetoresistive effect element are the same, and the stacking order of each layer is the same. In addition, the “planar shape” is a shape viewed in a plane perpendicular to the stacking direction of each layer constituting the magnetoresistive effect element. The “aspect ratio of the planar view shape” is the ratio of the length of the long side to the length of the short side of the rectangle circumscribing the planar view shape of the magnetoresistive effect element with a minimum area.
インダクタ１０は、第２の信号線路７ｂとグラウンド８との間に接続されている。直流電流入力端子１１は、並列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとインダクタ１０に直列に接続されており、第２のポート９ｂに対して並列に、インダクタ１０を介して第２の信号線路７ｂに接続されている。直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続されることにより、磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路を形成可能となっており、直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流が入力される。
The inductor 10 is connected between the second signal line 7 b and the ground 8. The direct current input terminal 11 is connected in series to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b and the inductor 10 connected in parallel, and is connected in parallel to the second port 9b via the inductor 10 to the second signal line. 7b. By connecting the direct current source 13 to the direct current input terminal 11 and the ground 8, the magnetoresistive effect device 101 includes the magnetoresistive effect element 1a, the magnetoresistive effect element 1b, the second signal line 7b, and the direct current input terminal. 11 and the ground 8 including the ground 8 can be formed. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through the closed circuit, and the direct current is input to the magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b. Is done.
磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の直流磁場１２ａを印加して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を設定可能となっている。また、磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を変化可能となっている。
The magnetic field application mechanism 12 is disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and simultaneously applies the same DC magnetic field 12a to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, thereby magnetizing each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. The ferromagnetic resonance frequency of the free layer 4 can be set. The magnetic field application mechanism 12 changes the effective magnetic field in the magnetization free layer 4 of each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b by changing the magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. The ferromagnetic resonance frequency of each magnetization free layer 4 of 1a and 1b can be changed.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成は第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１ａと同じである。図１０は、磁気抵抗効果デバイス１０１の上面図である。図１０に示すように、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ０は同じであるが、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘａと磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘｂは異なっており、Ｘａ＜Ｘｂであることから、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）より、磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ０）は大きい。同一の直流磁場１２ａおよび同一の電流密度の直流電流が磁気抵抗効果素子に印加された状態で考えると、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆｂは磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆａよりも高くなる。このように、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに異ならせることで、膜構成が互いに同じであっても磁化自由層の強磁性共鳴周波数を互いに異ならせることができるため、同一の成膜プロセスで磁化自由層の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子を構成する層を一括で成膜形成することができる。
The film configuration of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is the same as that of the magnetoresistive effect element 1a of the first embodiment. FIG. 10 is a top view of the magnetoresistive effect device 101. As shown in FIG. 10, the magnetoresistive elements 1a, dimension Y 0 in the Y direction is a short side direction of the plan view shape of 1b but is the same in the longitudinal direction of the plan view shape of the magnetoresistive element 1a A dimension Xa in a certain X direction is different from a dimension Xb in the X direction which is the long side direction of the planar view shape of the magnetoresistive effect element 1b, and Xa <Xb. from the aspect ratio (Xa / Y 0), the aspect ratio of the plan view shape of the magnetoresistive element 1b (Xb / Y 0) is large. Considering a state in which a DC current having the same DC magnetic field 12a and the same current density is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element increases as the aspect ratio of the planar view shape of the magnetoresistive effect element increases. Therefore, the ferromagnetic resonance frequency fb of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b is higher than the ferromagnetic resonance frequency fa of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a. In this way, by making the aspect ratios of the plurality of magnetoresistive elements in plan view different from each other, the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer can be made different from each other even if the film configuration is the same. A plurality of magnetoresistive elements having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer can be manufactured by the same film forming process. That is, since the film configuration of the plurality of magnetoresistive effect elements can be made the same, the layers constituting the plurality of magnetoresistive effect elements can be collectively formed.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に同時に印加され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、これらの磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。同様に、直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ｂの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ｂを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。
A high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is simultaneously applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and the magnetization of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is changed to the first signal line. It vibrates corresponding to the high frequency magnetic field generated from 7a. Due to the magnetoresistive effect, the resistance values of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b vibrate in response to the input high-frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it is input to the first port 9a as a voltage which is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b. Similarly, when a direct current is applied from the direct current input terminal 11, the first port 9a is set as a voltage that is a product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1b oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1b. A high frequency signal corresponding to the high frequency signal input to is output from the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化固定層２の磁化１６の方向は同じになっている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂについて、磁化固定層２の磁化１６の方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度が５度以上６５度以下になるように、第１の信号線路７ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに対して配置されることが好ましい。この角度は、２０度以上５５度以下であることがより好ましい。また、第１の信号線路７ａと平行な方向に直流磁場１２ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されるように、磁場印加機構１２が配置されている。
The directions of the magnetizations 16 of the magnetization fixed layers 2 of the magnetoresistive elements 1a and 1b are the same. Regarding the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, a straight line 2a parallel to the direction of the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a. It is preferable that the first signal line 7a is arranged with respect to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b so that the angle formed is 5 degrees or more and 65 degrees or less. This angle is more preferably not less than 20 degrees and not more than 55 degrees. Further, the magnetic field application mechanism 12 is arranged so that the DC magnetic field 12a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b in a direction parallel to the first signal line 7a.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場の周波数は第１のポート９ａより入力された高周波信号の周波数に対応する。第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されると、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁気抵抗効果素子１ａまたは１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動して磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの抵抗値が大きく振動するため、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
The frequency of the high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponds to the frequency of the high-frequency signal input from the first port 9a. When a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the input is caused by the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. Among the generated high frequency signals, when the frequency is in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or 1b, the magnetization of the magnetization free layer 4 vibrates greatly and the magnetoresistive effect Since the resistance value of the element 1a or the magnetoresistive effect element 1b vibrates greatly, a high frequency signal having a frequency near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b Is output from the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b with a greater strength than the high frequency signal. That is, the magnetoresistive effect device 101 selectively passes a high-frequency signal having a frequency (passband frequency) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b. It is possible to have frequency characteristics as a high frequency filter capable of
また、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス１０１はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, like the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the magnetoresistive effect device 101 can also function as an isolator.
図１１に、磁気抵抗効果デバイス１０１に入力される高周波信号の周波数と出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図１１の縦軸は出力電圧の振幅、横軸は周波数を表している。図１１に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１１に示す通過周波数帯域２００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図１１に示す通過周波数帯域２００ｂ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、磁気抵抗効果デバイス１０１は、図１１に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１１に示す通過周波数帯域２００）を持つことができる。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the frequency of the high-frequency signal input to the magnetoresistive effect device 101 and the amplitude of the output voltage. The vertical axis in FIG. 11 represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents the frequency. As shown in FIG. 11, a part of the frequency (pass frequency band 200a shown in FIG. 11) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency fa of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a and the magnetization of the magnetoresistive effect element 1b. When the aspect ratios of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b in plan view are made different so that a part of the frequency (pass frequency band 200b shown in FIG. 11) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency fb of the free layer 4 overlaps, As shown in FIG. 11, the resistance effect device 101 can have a wider pass frequency band (pass frequency band 200 shown in FIG. 11) than the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment.
さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される磁場強度を変化させることでその帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス１０１は、通過周波数帯域２００を任意に変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、通過周波数帯域２００を動作帯域とする、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは、信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, the band can be arbitrarily changed by changing the direct current applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b or the magnetic field strength applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from the magnetic field applying mechanism 12. It becomes. As a result, the magnetoresistive effect device 101 can function as a frequency variable filter or isolator capable of arbitrarily changing the pass frequency band 200, and further, the magnetoresistive effect device of the first embodiment. Similarly to 100, it is also possible to function as a phase shifter capable of changing the phase of a signal having the pass frequency band 200 as an operation band or an amplifier capable of amplifying the signal.
このように、磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が並列接続されているので、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍において、強度の大きな高周波信号が第２のポート９ｂに出力されるため、ある幅を持った通過周波数帯域２００を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流、あるいは磁場を変化させることで、通過周波数帯域２００の位置を変更することが可能となる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０１は、通過周波数帯域２００の位置を変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、通過周波数帯域２００を動作帯域とするフェイズシフタまたは増幅器として機能することも可能となる。
As described above, in the magnetoresistive effect device 101, the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 are connected in parallel. Since a high-intensity high-frequency signal is output to the second port 9b in the vicinity of a plurality of frequencies that are the same as the four ferromagnetic resonance frequencies, a pass frequency band 200 having a certain width can be provided. Furthermore, the position of the pass frequency band 200 can be changed by changing the direct current or magnetic field applied to the magnetoresistive effect element. That is, the magnetoresistive effect device 101 can function as a frequency variable filter or isolator capable of changing the position of the pass frequency band 200, and further, a phase shifter or an operation band having the pass frequency band 200 as an operating band. It can also function as an amplifier.
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０１は、複数の磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスで磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを構成する層を一括で成膜形成することができる。
Furthermore, since the magnetoresistive effect device 101 has a plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b having different aspect ratios in plan view, the magnetoresistive effect frequency of the magnetization free layer 4 is different from each other in the same process. The elements 1a and 1b can be manufactured. That is, since the film configurations of the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be made the same, the layers constituting the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be collectively formed.
また、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１では、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂが並列に接続されているが、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子が並列に接続されていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
In the magnetoresistive effect device 101 of the second embodiment, two magnetoresistive elements 1a and 1b having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 are connected in parallel. Three or more magnetoresistive elements having different ferromagnetic resonance frequencies may be connected in parallel. In this case, the width of the pass frequency band can be further expanded.
また、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成は互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、膜構成が互いに異なっていてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに同じにしつつ膜構成を互いに異ならせて、複数の磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を互いに異ならせるようにしても良い。
In the magnetoresistive effect device 101 of the second embodiment, the film configurations of the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b are the same. However, the plurality of magnetoresistive effect elements may have different film configurations. Good. In this case, while the aspect ratios of the plurality of magnetoresistive effect elements in plan view are made the same, the film configurations are made different from each other, and the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layers of the plurality of magnetoresistive effect elements are made different from each other. May be.
また、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１では、磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の磁場を印加しているが、各磁気抵抗効果素子に個別に磁場を印加するための磁場印加機構が備えられていても良い。
In the magnetoresistive effect device 101 of the second embodiment, the magnetic field applying mechanism 12 applies the same magnetic field to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b at the same time. However, a magnetic field is individually applied to each magnetoresistive effect element. A magnetic field application mechanism may be provided.
（第３の実施形態）
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１０２の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０２において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス１０２は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化自由層４を有する２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、上部電極５、下部電極６、第１のポート９ａ、第２のポート９ｂ、第１の信号線路７ａ、第２の信号線路７ｂ、インダクタ１０、直流電流入力端子１１および２つの周波数設定機構としての２つの磁場印加機構１２を有している。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場がそれぞれの磁化自由層４に印加されるように配置されている。２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂはその構成が互いに同じであり、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士は、上部電極５と下部電極６との間に並列接続されている。磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４は同一の上部電極５に接続されており、また磁化固定層２は同一の下部電極６に接続されている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの一端（磁化固定層２側）と第２のポート９ｂは、下部電極６および第２の信号線路７ｂを介して接続され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの他端（磁化自由層４側）は、上部電極５および基準電位端子３０を介してグラウンド８に電気的に接続可能になっている。各々の磁場印加機構１２は、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に個別の直流磁場１２ａを印加する。このように、磁気抵抗効果デバイス１０２は、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場印加機構１２を２つ備えている。
(Third embodiment)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect device 102 according to the third embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect device 102 will mainly be described with respect to differences from the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, and description of common matters will be omitted as appropriate. Elements common to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of the common elements is omitted. The magnetoresistive effect device 102 includes two magnetoresistive effect elements 1a, 1b, an upper electrode 5, a lower electrode 6, a first port 9a, and a second port, each having a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4. 9b, a first signal line 7a, a second signal line 7b, an inductor 10, a DC current input terminal 11, and two magnetic field application mechanisms 12 as two frequency setting mechanisms. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are arranged such that a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to each magnetization free layer 4. The two magnetoresistive elements 1 a and 1 b have the same configuration, and the two magnetoresistive elements 1 a and 1 b are connected in parallel between the upper electrode 5 and the lower electrode 6. The magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1 a and the magnetoresistive effect element 1 b is connected to the same upper electrode 5, and the magnetization fixed layer 2 is connected to the same lower electrode 6. One end (magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1a, 1b and the second port 9b are connected via the lower electrode 6 and the second signal line 7b, and the other end of the magnetoresistive effect element 1a, 1b. The (magnetization free layer 4 side) can be electrically connected to the ground 8 via the upper electrode 5 and the reference potential terminal 30. Each magnetic field application mechanism 12 applies an individual DC magnetic field 12a to each of the two magnetoresistive elements 1a and 1b. Thus, the magnetoresistive effect device 102 includes the magnetic field applying mechanism 12 as a frequency setting mechanism so that the ferromagnetic resonance frequency of each magnetization free layer 4 of the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be individually set. Two are provided.
インダクタ１０は、第２の信号線路７ｂとグラウンド８との間に接続されている。直流電流入力端子１１は、並列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとインダクタ１０に直列に接続されており、第２のポート９ｂに対して並列に、インダクタ１０を介して第２の信号線路７ｂに接続されている。直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続されることにより、磁気抵抗効果デバイス１０２は、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路を形成可能となっており、直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流が入力される。
The inductor 10 is connected between the second signal line 7 b and the ground 8. The direct current input terminal 11 is connected in series to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b and the inductor 10 connected in parallel, and is connected in parallel to the second port 9b via the inductor 10 to the second signal line. 7b. By connecting the direct current source 13 to the direct current input terminal 11 and the ground 8, the magnetoresistive effect device 102 includes the magnetoresistive effect element 1a, the magnetoresistive effect element 1b, the second signal line 7b, and the direct current input terminal. 11 and the ground 8 including the ground 8 can be formed. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through the closed circuit, and the direct current is input to the magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b. Is done.
磁気抵抗効果デバイス１０２では、各々の磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に個別に直流磁場１２ａが印加された状態で、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、２つの磁気抵抗効果素子１ａ，１ｂの磁化自由層４に同時に印加される。例えば、磁気抵抗効果素子１ａに印加する直流磁場１２ａの強度を磁気抵抗効果素子１ｂに印加する直流磁場１２ａの強度よりも小さくする。この場合、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数よりも低くなる。
In the magnetoresistive effect device 102, a high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is 2 in a state where the DC magnetic field 12a is individually applied to each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from each magnetic field applying mechanism 12. The two magnetoresistive elements 1a and 1b are simultaneously applied to the magnetization free layer 4. For example, the intensity of the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1a is made smaller than the intensity of the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1b. In this case, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a is lower than the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に同時に印加され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、これらの磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。同様に、直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ｂの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ｂを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。
A high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is simultaneously applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and the magnetization of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is changed to the first signal line. It vibrates corresponding to the high frequency magnetic field generated from 7a. Due to the magnetoresistive effect, the resistance values of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b vibrate in response to the input high-frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it is input to the first port 9a as a voltage which is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b. Similarly, when a direct current is applied from the direct current input terminal 11, the first port 9a is set as a voltage that is a product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1b oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1b. A high frequency signal corresponding to the high frequency signal input to is output from the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化固定層２の磁化１６の方向は同じになっている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂについて、磁化固定層２の磁化１６の方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度が５度以上６５度以下になるように、第１の信号線路７ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに対して配置されることが好ましい。この角度は、２０度以上５５度以下であることがより好ましい。また、第１の信号線路７ａと平行な方向に直流磁場１２ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されるように、各々の磁場印加機構１２が配置されている。
The directions of the magnetizations 16 of the magnetization fixed layers 2 of the magnetoresistive elements 1a and 1b are the same. Regarding the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, a straight line 2a parallel to the direction of the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a. It is preferable that the first signal line 7a is arranged with respect to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b so that the angle formed is 5 degrees or more and 65 degrees or less. This angle is more preferably not less than 20 degrees and not more than 55 degrees. Further, each magnetic field application mechanism 12 is arranged so that a DC magnetic field 12a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b in a direction parallel to the first signal line 7a.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場の周波数は第１のポート９ａより入力された高周波信号の周波数に対応する。各々の磁場印加機構１２から各々の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに個別に直流磁場１２ａが印加された状態で、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されると、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁気抵抗効果素子１ａまたは１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動して磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの抵抗値が大きく振動するため、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０２は、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
The frequency of the high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponds to the frequency of the high-frequency signal input from the first port 9a. In a state where the DC magnetic field 12a is individually applied from the magnetic field applying mechanism 12 to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is magnetized by the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. When applied to the free layer 4, due to the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or 1b has a frequency among the input high frequency signals. Since the magnetization of the magnetization free layer 4 greatly vibrates and the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b vibrates greatly, the magnetoresistive effect element 4 The high-frequency signal having a frequency in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of 1a or the magnetoresistive effect element 1b has a greater strength than the high-frequency signals having other frequencies. Or output from the magnetoresistive element 1b to the second port 9b. In other words, the magnetoresistive effect device 102 selectively passes a high-frequency signal having a frequency (passband frequency) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b. It is possible to have frequency characteristics as a high frequency filter capable of
また、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス１０２はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, like the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the magnetoresistive effect device 102 can also function as an isolator.
図１３に、磁気抵抗効果デバイス１０２に入力される高周波信号の周波数と出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図１３の縦軸は出力電圧の振幅、横軸は周波数を表している。例えば図１３に示すように、磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場を他方の磁気抵抗効果素子１ｂに印加する磁場強度よりも小さくした場合の、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数をｆ１、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数をｆ２とすると、ｆ１＜ｆ２となる。図１３に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆ１の近傍の周波数（図１３に示す通過周波数帯域３００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆ２の近傍の周波数（図１３に示す通過周波数帯域３００ｂ）の一部が重なるように各々の磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に印加する磁場強度を調整すると、磁気抵抗効果デバイス１０２は、図１３に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１３に示す通過周波数帯域３００）を持つことができる。
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the frequency of the high-frequency signal input to the magnetoresistive effect device 102 and the amplitude of the output voltage. The vertical axis in FIG. 13 represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents the frequency. For example, as shown in FIG. 13, the ferromagnetism of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a when the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1a is made smaller than the magnetic field strength applied to the other magnetoresistive effect element 1b. If the resonance frequency is f1, and the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b is f2, then f1 <f2. As shown in FIG. 13, a part of the frequency (pass frequency band 300a shown in FIG. 13) near the ferromagnetic resonance frequency f1 of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a and the magnetization of the magnetoresistive effect element 1b. The magnetic field applied by each magnetic field applying mechanism 12 to each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b so that a part of the frequency (pass frequency band 300b shown in FIG. 13) near the ferromagnetic resonance frequency f2 of the free layer 4 overlaps. When the strength is adjusted, the magnetoresistive effect device 102 has a wider pass frequency band (pass frequency band 300 shown in FIG. 13) than the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, as shown in FIG. be able to.
さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは各々の磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に印加される磁場強度を変化させることでその帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス１０２は、通過周波数帯域３００を任意に変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、通過周波数帯域３００を動作帯域とする、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは、信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, the band is arbitrarily changed by changing the direct current applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b or the magnetic field strength applied to each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from the respective magnetic field application mechanisms 12. It becomes possible to do. Accordingly, the magnetoresistive effect device 102 can function as a frequency variable filter or isolator capable of arbitrarily changing the pass frequency band 300. Furthermore, the magnetoresistive effect device according to the first embodiment can be used. Similarly to 100, it is also possible to function as a phase shifter capable of changing the phase of a signal having the pass frequency band 300 as an operation band or an amplifier capable of amplifying the signal.
このように、磁気抵抗効果デバイス１０２は、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場印加機構１２を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に制御することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が並列接続されているので、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍において、強度の大きな高周波信号が第２のポート９ｂに出力されるため、ある幅を持った通過周波数帯域３００を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０２は、通過周波数帯域３００を任意に変更することが出来る、周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、通過周波数帯域３００を動作帯域とするフェイズシフタまたは増幅器として機能することも可能となる。
Thus, the magnetoresistive effect device 102 includes the magnetic field applying mechanism 12 as a frequency setting mechanism so that the ferromagnetic resonance frequency of each of the magnetization free layers 4 of the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be individually set. Since there are a plurality, it becomes possible to individually control the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistance effect element. Furthermore, since the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in parallel, a high-frequency signal having a high intensity is generated in the vicinity of the same frequency as the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistive effect element. Since the signal is output to the second port 9b, a pass frequency band 300 having a certain width can be provided. Furthermore, the band can be arbitrarily changed by changing the direct current or magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. That is, the magnetoresistive effect device 102 can function as a variable frequency filter or isolator that can arbitrarily change the pass frequency band 300, and further, a phase shifter having the pass frequency band 300 as an operating band. Alternatively, it can function as an amplifier.
また、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０２では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が並列に接続されており、各磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に２つの周波数設定機構（磁場印加機構１２）が備えられているが、３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が並列に接続されており、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に３つ以上の周波数設定機構（磁場印加機構１２）が備えられていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
In the magnetoresistive effect device 102 of the third embodiment, the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in parallel, and the ferromagnetic resonance of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistive effect element 1a and 1b. Two frequency setting mechanisms (magnetic field applying mechanism 12) are provided so that the frequencies can be individually set, but three or more magnetoresistive elements are connected in parallel, Three or more frequency setting mechanisms (magnetic field application mechanisms 12) may be provided so that the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 can be individually set. In this case, the width of the pass frequency band can be further expanded.
また、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０２では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの構成が互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、構成が互いに異なっていてもよい。
Moreover, in the magnetoresistive effect device 102 of 3rd Embodiment, although the structure of two magnetoresistive effect elements 1a and 1b is mutually the same, a some magnetoresistive effect element may mutually differ.
（第４の実施形態）
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１０３の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０３において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化自由層４を有する２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、上部電極５ａ、５ｂ、下部電極６、第１のポート９ａ、第２のポート９ｂ、第１の信号線路７ａ、第２の信号線路７ｂ、インダクタ１０、直流電流入力端子１１および周波数設定機構としての磁場印加機構１２を有している。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場がそれぞれの磁化自由層４に印加されるように配置されている。上部電極５ａおよび下部電極６ａは磁気抵抗効果素子１ａを挟むように配置され、上部電極５ｂおよび下部電極６ｂは磁気抵抗効果素子１ｂを挟むように配置されている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士は直列接続されており、磁気抵抗効果素子１ｂの一端（磁化固定層２側）と第２のポート９ｂは、下部電極６ｂおよび第２の信号線路７ｂを介して接続され、磁気抵抗効果素子１ａの一端（磁化固定層２側）と磁気抵抗効果素子１ｂの他端（磁化自由層４側）は、下部電極６ａおよび上部電極５ｂを介して電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１ａの他端（磁化自由層４側）は、上部電極５ａおよび基準電位端子３０を介してグラウンド８に電気的に接続可能になっている。
(Fourth embodiment)
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect device 103 according to the fourth embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect device 103 will be mainly described with respect to differences from the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, and description of common matters will be omitted as appropriate. Elements common to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of the common elements is omitted. The magnetoresistive effect device 103 includes two magnetoresistive effect elements 1a, 1b, upper electrodes 5a, 5b, a lower electrode 6, a first port 9a, a second, which have a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4. Port 9b, first signal line 7a, second signal line 7b, inductor 10, DC current input terminal 11, and magnetic field applying mechanism 12 as a frequency setting mechanism. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are arranged such that a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to each magnetization free layer 4. The upper electrode 5a and the lower electrode 6a are disposed so as to sandwich the magnetoresistive effect element 1a, and the upper electrode 5b and the lower electrode 6b are disposed so as to sandwich the magnetoresistive effect element 1b. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in series, and one end (the magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1b and the second port 9b are connected via the lower electrode 6b and the second signal line 7b. One end (magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1a and the other end (magnetization free layer 4 side) of the magnetoresistive effect element 1b are electrically connected via the lower electrode 6a and the upper electrode 5b. The other end (magnetization free layer 4 side) of the magnetoresistive effect element 1a can be electrically connected to the ground 8 via the upper electrode 5a and the reference potential terminal 30.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、同一の直流磁場１２ａおよび同一の電流密度の直流電流が印加された状態での磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、膜構成が互いに同じで、平面視形状はともに長方形であるが、平面視形状のアスペクト比が互いに異なっている。ここで「膜構成が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。また、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。また、「平面視形状のアスペクト比」とは、磁気抵抗効果素子の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の、短辺の長さに対する長辺の長さの比率のことである。
The magnetoresistive elements 1a and 1b have different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 in a state where the same DC magnetic field 12a and a DC current having the same current density are applied. More specifically, the magnetoresistive elements 1a and 1b have the same film configuration and are rectangular in plan view, but have different aspect ratios in the plan view. Here, “the film configuration is the same” means that the material and film thickness of each layer constituting the magnetoresistive effect element are the same, and the stacking order of each layer is the same. Further, the “planar shape” is a shape viewed in a plane perpendicular to the stacking direction of the layers constituting the magnetoresistive effect element. The “aspect ratio of the planar view shape” is the ratio of the length of the long side to the length of the short side of the rectangle circumscribing the planar view shape of the magnetoresistive effect element with a minimum area.
インダクタ１０は、第２の信号線路７ｂとグラウンド８との間に接続されている。直流電流入力端子１１は、直列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとインダクタ１０に直列に接続されており、第２のポート９ｂに対して並列に、インダクタ１０を介して第２の信号線路７ｂに接続されている。直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続されることにより、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路を形成可能となっており、直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流が入力される。
The inductor 10 is connected between the second signal line 7 b and the ground 8. The DC current input terminal 11 is connected in series to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b and the inductor 10 connected in series, and is connected in parallel to the second port 9b via the inductor 10 to the second signal line. 7b. By connecting the direct current source 13 to the direct current input terminal 11 and the ground 8, the magnetoresistive effect device 103 includes the magnetoresistive effect element 1a, the magnetoresistive effect element 1b, the second signal line 7b, and the direct current input terminal. 11 and the ground 8 including the ground 8 can be formed. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through the closed circuit, and the direct current is input to the magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b. Is done.
磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の直流磁場１２ａを印加して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を設定可能となっている。また、磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を変化可能となっている。
The magnetic field application mechanism 12 is disposed in the vicinity of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and simultaneously applies the same DC magnetic field 12a to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, thereby magnetizing each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. The ferromagnetic resonance frequency of the free layer 4 can be set. The magnetic field application mechanism 12 changes the effective magnetic field in the magnetization free layer 4 of each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b by changing the magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. The ferromagnetic resonance frequency of each magnetization free layer 4 of 1a and 1b can be changed.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成は第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１ａと同じである。図１５は、磁気抵抗効果デバイス１０３の上面図である。図１５に示すように、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ０は同じであるが、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘａと磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘｂは異なっており、Ｘａ＜Ｘｂであることから、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）より、磁気抵抗効果素子１ｂの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ０）は大きい。同一の直流磁場１２ａおよび同一の電流密度の直流電流が磁気抵抗効果素子に印加された状態で考えると、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆｂは磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆａよりも高くなる。このように、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに異ならせることで、膜構成が互いに同じであっても磁化自由層の強磁性共鳴周波数を互いに異ならせることができるため、同一の成膜プロセスで磁化自由層の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子を構成する層を一括で成膜形成することができる。さらに、磁気抵抗効果デバイス１０３では、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士は直列接続されており、直流電流の流れる方向に垂直な断面の面積は、磁気抵抗効果素子１ａの方が磁気抵抗効果素子１ｂよりも小さいので、印加される直流電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子１ａの方が磁気抵抗効果素子１ｂよりも大きくなる。したがって、印加される直流電流の電流密度が大きくなるに従って、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が低くなる場合、または、印加される直流電流の電流密度の違いが磁化自由層の強磁性共鳴周波数に与える影響よりも、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比の違いが磁化自由層の強磁性共鳴周波数に与える影響の方が大きい場合には、平面視形状のアスペクト比が、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｂとで異なることにより、ｆａ＜ｆｂとなる。
The film configuration of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is the same as that of the magnetoresistive effect element 1a of the first embodiment. FIG. 15 is a top view of the magnetoresistive effect device 103. As shown in FIG. 15, the magnetoresistive elements 1a, dimension Y 0 in the Y direction is a short side direction of the plan view shape of 1b but is the same in the longitudinal direction of the plan view shape of the magnetoresistive element 1a A dimension Xa in a certain X direction is different from a dimension Xb in the X direction which is the long side direction of the planar view shape of the magnetoresistive effect element 1b, and Xa <Xb. from the aspect ratio (Xa / Y 0), the aspect ratio of the plan view shape of the magnetoresistive element 1b (Xb / Y 0) is large. Considering a state in which a DC current having the same DC magnetic field 12a and the same current density is applied to the magnetoresistive effect element, the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element increases as the aspect ratio of the planar view shape of the magnetoresistive effect element increases. Therefore, the ferromagnetic resonance frequency fb of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b is higher than the ferromagnetic resonance frequency fa of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a. In this way, by making the aspect ratios of the plurality of magnetoresistive elements in plan view different from each other, the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer can be made different from each other even if the film configuration is the same. A plurality of magnetoresistive elements having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer can be manufactured by the same film forming process. That is, since the film configuration of the plurality of magnetoresistive effect elements can be made the same, the layers constituting the plurality of magnetoresistive effect elements can be collectively formed. Further, in the magnetoresistive effect device 103, the magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in series, and the area of the cross section perpendicular to the direction in which the direct current flows is larger in the magnetoresistive effect element 1a. Therefore, the magnetoresistive effect element 1a has a higher current density than the magnetoresistive effect element 1b. Therefore, as the current density of the applied DC current increases, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer decreases, or the difference in the current density of the applied DC current becomes the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer. If the difference in aspect ratio of the magnetoresistive effect element in the planar view shape has a greater effect on the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer than the effect exerted, the aspect ratio of the magnetoresistive effect element Because of the difference between 1a and magnetoresistive effect element 1b, fa <fb.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に同時に印加され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、これらの磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。同様に、直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ｂの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ｂを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。
A high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is simultaneously applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and the magnetization of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is changed to the first signal line. It vibrates corresponding to the high frequency magnetic field generated from 7a. Due to the magnetoresistive effect, the resistance values of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b vibrate in response to the input high-frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it is input to the first port 9a as a voltage which is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b. Similarly, when a direct current is applied from the direct current input terminal 11, the first port 9a is set as a voltage that is a product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1b oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1b. A high frequency signal corresponding to the high frequency signal input to is output from the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化固定層２の磁化１６の方向は同じになっている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂについて、磁化固定層２の磁化１６の方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度が５度以上６５度以下になるように、第１の信号線路７ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに対して配置されることが好ましい。この角度は、２０度以上５５度以下であることがより好ましい。また、第１の信号線路７ａと平行な方向に直流磁場１２ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されるように、磁場印加機構１２が配置されている。
The directions of the magnetizations 16 of the magnetization fixed layers 2 of the magnetoresistive elements 1a and 1b are the same. Regarding the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, a straight line 2a parallel to the direction of the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a. It is preferable that the first signal line 7a is arranged with respect to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b so that the angle formed is 5 degrees or more and 65 degrees or less. This angle is more preferably not less than 20 degrees and not more than 55 degrees. Further, the magnetic field application mechanism 12 is arranged so that the DC magnetic field 12a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b in a direction parallel to the first signal line 7a.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場の周波数は第１のポート９ａより入力された高周波信号の周波数に対応する。第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されると、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁気抵抗効果素子１ａまたは１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動して磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの抵抗値が大きく振動するため、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
The frequency of the high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponds to the frequency of the high-frequency signal input from the first port 9a. When a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the input is caused by the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. Among the generated high frequency signals, when the frequency is in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or 1b, the magnetization of the magnetization free layer 4 vibrates greatly and the magnetoresistive effect Since the resistance value of the element 1a or the magnetoresistive effect element 1b vibrates greatly, a high frequency signal having a frequency near the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b Is output from the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b with a greater strength than the high frequency signal. That is, the magnetoresistive effect device 103 selectively passes a high-frequency signal having a frequency (passband frequency) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b. It is possible to have frequency characteristics as a high frequency filter capable of
また、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス１０３はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, like the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the magnetoresistive effect device 103 can also function as an isolator.
図１６に、磁気抵抗効果デバイス１０３に入力される高周波信号の周波数と出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図１６の縦軸は出力電圧の振幅、横軸は周波数を表している。図１６に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１６に示す通過周波数帯域４００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図１６に示す通過周波数帯域４００ｂ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、磁気抵抗効果デバイス１０３は、図１６に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１６に示す通過周波数帯域４００）を持つことができる。
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the frequency of the high-frequency signal input to the magnetoresistive effect device 103 and the amplitude of the output voltage. The vertical axis in FIG. 16 represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents the frequency. As shown in FIG. 16, a part of the frequency (pass frequency band 400a shown in FIG. 16) near the ferromagnetic resonance frequency fa of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a and the magnetization of the magnetoresistive effect element 1b. When the aspect ratios of the magnetoresistive elements 1a and 1b in plan view are made different so that a part of the frequency (pass frequency band 400b shown in FIG. 16) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency fb of the free layer 4 overlaps, As shown in FIG. 16, the resistance effect device 103 can have a wider pass frequency band (pass frequency band 400 shown in FIG. 16) than the magnetoresistance effect device 100 of the first embodiment.
さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される磁場強度を変化させることでその帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス１０３は、通過周波数帯域４００を任意に変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、通過周波数帯域４００を動作帯域とする、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, the band can be arbitrarily changed by changing the direct current applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b or the magnetic field strength applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from the magnetic field applying mechanism 12. It becomes. Accordingly, the magnetoresistive effect device 103 can function as a frequency variable filter or isolator capable of arbitrarily changing the pass frequency band 400, and further, the magnetoresistive effect device of the first embodiment. Similarly to 100, it is also possible to function as a phase shifter capable of changing the phase of a signal or an amplifier capable of amplifying the signal, with the pass frequency band 400 as an operating band.
このように、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が直列接続されているので、各磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍において、強度の大きな高周波信号が第２のポート９ｂに出力されるため、ある幅を持った通過周波数帯域４００を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場を変化させることで、通過周波数帯域４００の位置を変更することが可能となる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０３は、通過周波数帯域４００の位置を変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、通過周波数帯域４００を動作帯域とするフェイズシフタまたは増幅器として機能することも可能となる。
As described above, in the magnetoresistive effect device 103, since a plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 are connected in series, each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is connected. In the vicinity of a plurality of frequencies that are the same as the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4, a high-frequency signal having high intensity is output to the second port 9 b, so that a pass frequency band 400 having a certain width can be provided. Furthermore, the position of the pass frequency band 400 can be changed by changing the direct current or magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. That is, the magnetoresistive effect device 103 can function as a frequency variable filter or isolator capable of changing the position of the pass frequency band 400, and further, a phase shifter or an isolator having the pass frequency band 400 as an operating band. It can also function as an amplifier.
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０３は、複数の磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスで磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを構成する層を一括で成膜形成することができる。
Further, since the magnetoresistive effect device 103 has a plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b having different aspect ratios in plan view, the magnetoresistive effect frequency of the magnetization free layer 4 is different from each other in the same process. The elements 1a and 1b can be manufactured. That is, since the film configurations of the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be made the same, the layers constituting the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be collectively formed.
また、第４の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３では、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が互いに異なる２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂが直列に接続されているが、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が互いに異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子が直列に接続されていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
In the magnetoresistive effect device 103 of the fourth embodiment, two magnetoresistive elements 1a and 1b having different ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer are connected in series. Three or more magnetoresistance effect elements having different resonance frequencies may be connected in series. In this case, the width of the pass frequency band can be further expanded.
また、第４の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの膜構成は互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、膜構成が互いに異なっていてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに同じにしつつ膜構成を互いに異ならせて、複数の磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を互いに異ならせるようにしても良い。
Further, in the magnetoresistive effect device 103 of the fourth embodiment, the film configurations of the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b are the same, but the plurality of magnetoresistive effect elements may have different film configurations. Good. In this case, while the aspect ratios of the plurality of magnetoresistive effect elements in plan view are made the same, the film configurations are made different from each other, and the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layers of the plurality of magnetoresistive effect elements are made different from each other. May be.
また、第４の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３では、磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の磁場を印加しているが、第３の実施形態と同様に、各磁気抵抗効果素子に個別に磁場を印加するための磁場印加機構が備えられていても良い。
Further, in the magnetoresistive effect device 103 of the fourth embodiment, the magnetic field application mechanism 12 applies the same magnetic field to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b at the same time. A magnetic field application mechanism for individually applying a magnetic field to the resistance effect element may be provided.
（第５の実施形態）
図１７は、本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１０４の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０４において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス１０４は、磁化固定層２、スペーサ層３および磁化自由層４を有する２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、上部電極５ａ、５ｂ、下部電極６、第１のポート９ａ、第２のポート９ｂ、第１の信号線路７ａ、第２の信号線路７ｂ、インダクタ１０、直流電流入力端子１１および２つの周波数設定機構としての２つの磁場印加機構１２を有している。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場がそれぞれの磁化自由層４に印加されるように配置されている。２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂはその構成が互いに同じである。上部電極５ａおよび下部電極６ａは磁気抵抗効果素子１ａを挟むように配置され、上部電極５ｂおよび下部電極６ｂは磁気抵抗効果素子１ｂを挟むように配置されている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士は直列接続されており、磁気抵抗効果素子１ｂの一端（磁化固定層２側）と第２のポート９ｂは、下部電極６ｂおよび第２の信号線路７ｂを介して接続され、磁気抵抗効果素子１ａの一端（磁化固定層２側）と磁気抵抗効果素子１ｂの他端（磁化自由層４側）は、下部電極６ａおよび上部電極５ｂを介して電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１ａの他端（磁化自由層４側）は、上部電極５ａおよび基準電位端子３０を介してグラウンド８に電気的に接続可能になっている。各々の磁場印加機構１２は、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に個別の直流磁場１２ａを印加する。このように、磁気抵抗効果デバイス１０４は、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場印加機構１２を２つ備えている。
(Fifth embodiment)
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect device 104 according to the fifth embodiment of the present invention. The magnetoresistive effect device 104 will be described mainly with respect to differences from the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, and description of common matters will be omitted as appropriate. Elements common to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description of the common elements is omitted. The magnetoresistive effect device 104 includes two magnetoresistive effect elements 1a, 1b, upper electrodes 5a, 5b, a lower electrode 6, a first port 9a, a second, which have a magnetization fixed layer 2, a spacer layer 3, and a magnetization free layer 4. Port 9b, first signal line 7a, second signal line 7b, inductor 10, DC current input terminal 11 and two magnetic field application mechanisms 12 as two frequency setting mechanisms. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are arranged such that a high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is applied to each magnetization free layer 4. The two magnetoresistive elements 1a and 1b have the same configuration. The upper electrode 5a and the lower electrode 6a are disposed so as to sandwich the magnetoresistive effect element 1a, and the upper electrode 5b and the lower electrode 6b are disposed so as to sandwich the magnetoresistive effect element 1b. The magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in series, and one end (the magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1b and the second port 9b are connected via the lower electrode 6b and the second signal line 7b. One end (magnetization fixed layer 2 side) of the magnetoresistive effect element 1a and the other end (magnetization free layer 4 side) of the magnetoresistive effect element 1b are electrically connected via the lower electrode 6a and the upper electrode 5b. The other end (magnetization free layer 4 side) of the magnetoresistive effect element 1a can be electrically connected to the ground 8 via the upper electrode 5a and the reference potential terminal 30. Each magnetic field application mechanism 12 applies an individual DC magnetic field 12a to each of the two magnetoresistive elements 1a and 1b. Thus, the magnetoresistive effect device 104 includes the magnetic field applying mechanism 12 as a frequency setting mechanism so that the ferromagnetic resonance frequency of each of the magnetization free layers 4 of the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be individually set. Two are provided.
インダクタ１０は、第２の信号線路７ｂとグラウンド８との間に接続されている。直流電流入力端子１１は、直列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂとインダクタ１０に直列に接続されており、第２のポート９ｂに対して並列に、インダクタ１０を介して第２の信号線路７ｂに接続されている。直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続されることにより、磁気抵抗効果デバイス１０４は、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含む閉回路を形成可能となっており、直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂに直流電流が入力される。
The inductor 10 is connected between the second signal line 7 b and the ground 8. The DC current input terminal 11 is connected in series to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b and the inductor 10 connected in series, and is connected in parallel to the second port 9b via the inductor 10 to the second signal line. 7b. When the direct current source 13 is connected to the direct current input terminal 11 and the ground 8, the magnetoresistive effect device 104 includes the magnetoresistive effect element 1a, the magnetoresistive effect element 1b, the second signal line 7b, and the direct current input terminal. 11 and the ground 8 including the ground 8 can be formed. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through the closed circuit, and the direct current is input to the magnetoresistive effect element 1a and the magnetoresistive effect element 1b. Is done.
磁気抵抗効果デバイス１０４では、各々の磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に個別に直流磁場１２ａが印加された状態で、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に同時に印加される。例えば、磁気抵抗効果素子１ａに印加する直流磁場１２ａの強度を磁気抵抗効果素子１ｂに印加する直流磁場１２ａの強度よりも小さくする。この場合、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数よりも低くなる。
In the magnetoresistive effect device 104, a high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is 2 in a state where the DC magnetic field 12a is individually applied to each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from each magnetic field applying mechanism 12. The two magnetoresistive elements 1a and 1b are simultaneously applied to the magnetization free layer 4. For example, the intensity of the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1a is made smaller than the intensity of the DC magnetic field 12a applied to the magnetoresistive effect element 1b. In this case, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a is lower than the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に同時に印加され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の磁化は第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場に対応して振動する。磁気抵抗効果により、これらの磁化自由層４の磁化の振動に対応して、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの抵抗値が入力された高周波信号に対応して振動する。直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ａの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ａを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ａから第２のポート９ｂに出力される。同様に、直流電流入力端子１１より直流電流が印加されると、磁気抵抗効果素子１ｂの振動する抵抗値と磁気抵抗効果素子１ｂを流れる直流電流との積である電圧として、第１のポート９ａに入力された高周波信号に対応する高周波信号が、磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。
A high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is simultaneously applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, and the magnetization of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b is changed to the first signal line. It vibrates corresponding to the high frequency magnetic field generated from 7a. Due to the magnetoresistive effect, the resistance values of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b vibrate in response to the input high-frequency signal corresponding to the magnetization vibration of the magnetization free layer 4. When a direct current is applied from the direct current input terminal 11, it is input to the first port 9a as a voltage which is the product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1a. A high-frequency signal corresponding to the high-frequency signal is output from the magnetoresistive effect element 1a to the second port 9b. Similarly, when a direct current is applied from the direct current input terminal 11, the first port 9a is set as a voltage that is a product of the resistance value of the magnetoresistive effect element 1b oscillating and the direct current flowing through the magnetoresistive effect element 1b. A high frequency signal corresponding to the high frequency signal input to is output from the magnetoresistive effect element 1b to the second port 9b.
磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化固定層２の磁化１６の方向は同じになっている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂについて、磁化固定層２の磁化１６の方向に平行な直線２ａと、第１の信号線路７ａから発生する磁化自由層４における高周波磁場の方向に平行な直線１４とのなす角の角度が５度以上６５度以下になるように、第１の信号線路７ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに対して配置されることが好ましい。この角度は、２０度以上５５度以下であることがより好ましい。また、第１の信号線路７ａと平行な方向に直流磁場１２ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されるように、各々の磁場印加機構１２が配置されている。
The directions of the magnetizations 16 of the magnetization fixed layers 2 of the magnetoresistive elements 1a and 1b are the same. Regarding the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, a straight line 2a parallel to the direction of the magnetization 16 of the magnetization fixed layer 2 and a straight line 14 parallel to the direction of the high-frequency magnetic field in the magnetization free layer 4 generated from the first signal line 7a. It is preferable that the first signal line 7a is arranged with respect to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b so that the angle formed is 5 degrees or more and 65 degrees or less. This angle is more preferably not less than 20 degrees and not more than 55 degrees. Further, each magnetic field application mechanism 12 is arranged so that a DC magnetic field 12a is applied to the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b in a direction parallel to the first signal line 7a.
第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場の周波数は第１のポート９ａより入力された高周波信号の周波数に対応する。各々の磁場印加機構１２から各々の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに個別に直流磁場１２ａが印加された状態で、第１の信号線路７ａから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４に印加されると、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴効果により、入力された高周波信号のうち、周波数が磁気抵抗効果素子１ａまたは１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍であるものに対しては、磁化自由層４の磁化は大きく振動して磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの抵抗値が大きく振動するため、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、他の周波数の高周波信号に比べて大きな強度で磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂから第２のポート９ｂに出力される。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０４は、磁気抵抗効果素子１ａまたは磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
The frequency of the high-frequency magnetic field generated from the first signal line 7a corresponds to the frequency of the high-frequency signal input from the first port 9a. In a state where the DC magnetic field 12a is individually applied from the magnetic field applying mechanism 12 to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the high frequency magnetic field generated from the first signal line 7a is magnetized by the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. When applied to the free layer 4, due to the ferromagnetic resonance effect of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b, the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or 1b has a frequency among the input high frequency signals. Since the magnetization of the magnetization free layer 4 greatly vibrates and the resistance value of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b vibrates greatly, the magnetoresistive effect element 4 The high-frequency signal having a frequency in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of 1a or the magnetoresistive effect element 1b has a greater strength than the high-frequency signals having other frequencies. Or output from the magnetoresistive element 1b to the second port 9b. That is, the magnetoresistive effect device 104 selectively passes a high-frequency signal having a frequency (passband frequency) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a or the magnetoresistive effect element 1b. It is possible to have frequency characteristics as a high frequency filter capable of
また、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス１０４はアイソレータとしても機能することが出来る。
Further, like the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the magnetoresistive effect device 104 can also function as an isolator.
図１８に、磁気抵抗効果デバイス１０４に入力される高周波信号の周波数と出力電圧の振幅との関係を示したグラフを示す。図１８の縦軸は出力電圧の振幅、横軸は周波数を表している。例えば図１８に示すように、磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場を磁気抵抗効果素子１ｂに印加する磁場強度よりも小さくした場合の、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数をｆ１、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数をｆ２とすると、ｆ１＜ｆ２となる。図１８に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆ１の近傍の周波数（図１８に示す通過周波数帯域５００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数ｆ２の近傍の周波数（図１８に示す通過周波数帯域５００ｂ）の一部が重なるように各々の磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に印加する磁場強度を調整すると、磁気抵抗効果デバイス１０４は、図１３に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１８に示す通過周波数帯域５００）を持つことができる。
FIG. 18 is a graph showing the relationship between the frequency of the high-frequency signal input to the magnetoresistive effect device 104 and the amplitude of the output voltage. The vertical axis in FIG. 18 represents the amplitude of the output voltage, and the horizontal axis represents the frequency. For example, as shown in FIG. 18, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a when the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 1a is smaller than the magnetic field strength applied to the magnetoresistive effect element 1b. Is f1, and the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1b is f2, f1 <f2. As shown in FIG. 18, a part of the frequency (pass frequency band 500a shown in FIG. 18) in the vicinity of the ferromagnetic resonance frequency f1 of the magnetization free layer 4 of the magnetoresistive effect element 1a and the magnetization of the magnetoresistive effect element 1b. Magnetic fields applied by the magnetic field application mechanisms 12 to the magnetoresistive elements 1a and 1b so that a part of the frequency (pass frequency band 500b shown in FIG. 18) near the ferromagnetic resonance frequency f2 of the free layer 4 overlaps. When the strength is adjusted, the magnetoresistive effect device 104 has a wider pass frequency band (pass frequency band 500 shown in FIG. 18) than the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, as shown in FIG. be able to.
さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは各々の磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々に印加される磁場強度を変化させることでその帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス１０４は、通過周波数帯域５０
０を任意に変更することが出来る周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、通過周波数帯域５００を動作帯域とする、信号の位相を変化可能なフェイズシフタまたは、信号の増幅が可能な増幅器として機能することも可能となる。
Further, the band is arbitrarily changed by changing the direct current applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b or the magnetic field strength applied to each of the magnetoresistive effect elements 1a and 1b from the respective magnetic field application mechanisms 12. It becomes possible to do. Thus, the magnetoresistive effect device 104 has a pass frequency band 50
It is possible to function as a frequency variable filter or isolator that can arbitrarily change 0, and, similarly to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the pass frequency band 500 is an operating band. It is also possible to function as a phase shifter capable of changing the phase of the signal or an amplifier capable of amplifying the signal.
このように、磁気抵抗効果デバイス１０４は、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの各々の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場印加機構１２を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に制御することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が直列接続されているので、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍において、強度の大きな高周波信号が第２のポート９ｂに出力されるため、ある幅を持った通過周波数帯域５００を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０４は、通過周波数帯域５００を任意に変更することが出来る、周波数可変のフィルタまたはアイソレータとして機能することが可能となり、さらには、通過周波数帯域５００を動作帯域とするフェイズシフタまたは増幅器として機能することも可能となる。
Thus, the magnetoresistive effect device 104 includes the magnetic field applying mechanism 12 as a frequency setting mechanism so that the ferromagnetic resonance frequency of each magnetization free layer 4 of the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b can be individually set. Since there are a plurality, it becomes possible to individually control the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistance effect element. Further, since the plurality of magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in series, a high-frequency signal having a high intensity is generated in the vicinity of the same plurality of frequencies as the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistive effect element. Since the signal is output to the second port 9b, a pass frequency band 500 having a certain width can be provided. Furthermore, the band can be arbitrarily changed by changing the direct current or magnetic field applied to the magnetoresistive effect elements 1a and 1b. In other words, the magnetoresistive effect device 104 can function as a variable frequency filter or isolator capable of arbitrarily changing the pass frequency band 500, and further, a phase shifter having the pass frequency band 500 as an operating band. Alternatively, it can function as an amplifier.
また、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０４では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士が直列に接続されており、各磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に２つの周波数設定機構（磁場印加機構１２）が備えられているが、３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が直列に接続されており、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数を個別に設定可能な様に３つ以上の周波数設定機構（磁場印加機構１２）が備えられていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
In the magnetoresistive effect device 104 of the fifth embodiment, two magnetoresistive effect elements 1a and 1b are connected in series, and the ferromagnetic resonance of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistive effect element 1a and 1b. Two frequency setting mechanisms (magnetic field applying mechanism 12) are provided so that the frequencies can be individually set, but three or more magnetoresistive elements are connected in series, and each of the magnetoresistive elements Three or more frequency setting mechanisms (magnetic field application mechanisms 12) may be provided so that the ferromagnetic resonance frequencies of the magnetization free layer 4 can be individually set. In this case, the width of the pass frequency band can be further expanded.
また、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０４では、２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの構成が互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、構成が互いに異なっていてもよい。
Further, in the magnetoresistive effect device 104 of the fifth embodiment, the configurations of the two magnetoresistive effect elements 1a and 1b are the same, but the configuration of the plurality of magnetoresistive effect elements may be different from each other.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上記で説明した実施形態以外にも変更することが可能である。例えば、第１〜第５の実施形態では、直流電流入力端子１１がインダクタ１０とグラウンド８との間に接続されている例で説明したが、直流電流入力端子１１が、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）に直列に接続されるように、上部電極５（５ａ）とグラウンド８との間に接続され、直流電流源１３が直流電流入力端子１１とグラウンド８に接続され、インダクタ１０が、第２のポート９ｂに対して並列に第２の信号線路７ｂに接続されるように、第２の信号線路７ｂに接続され、さらに基準電位端子３０を介してグラウンド８に接続可能になるようにしてもよい。
The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, it is possible to change the embodiments other than those described above. For example, in the first to fifth embodiments, the example in which the DC current input terminal 11 is connected between the inductor 10 and the ground 8 has been described, but the DC current input terminal 11 is connected to the magnetoresistive effect element 1a ( 1b) is connected between the upper electrode 5 (5a) and the ground 8, the DC current source 13 is connected to the DC current input terminal 11 and the ground 8, and the inductor 10 is connected to the second electrode 1b). It is connected to the second signal line 7b so as to be connected to the second signal line 7b in parallel with respect to the port 9b, and further to be connectable to the ground 8 via the reference potential terminal 30. Good.
また、第１〜第５の実施形態におけるインダクタ１０にかえて、抵抗素子を用いても良い。この場合、この抵抗素子は、抵抗成分により電流の高周波成分をカットする機能を有する。この抵抗素子は、チップ抵抗またはパターン線路による抵抗のどちらでもよい。この抵抗素子の抵抗値は、第２の信号線路７ｂの特性インピーダンス以上であることが好ましい。例えば、第２の信号線路７ｂの特性インピーダンスが５０Ωの場合、抵抗素子の抵抗値が５０Ωの時は４５％の高周波電力を抵抗素子によりカットし、抵抗素子の抵抗値が５００Ωの時は９０％の高周波電力を抵抗素子によりカットすることが可能となる 。直流電流入力端子１１から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）、第２の信号線路７ｂ、抵抗素子、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）に効率的に直流電流を印加することができる。
Further, instead of the inductor 10 in the first to fifth embodiments, a resistance element may be used. In this case, the resistance element has a function of cutting a high frequency component of the current by the resistance component. This resistance element may be either a chip resistance or a resistance by a pattern line. The resistance value of this resistance element is preferably equal to or higher than the characteristic impedance of the second signal line 7b. For example, when the characteristic impedance of the second signal line 7b is 50Ω, when the resistance value of the resistance element is 50Ω, 45% of high-frequency power is cut by the resistance element, and when the resistance value of the resistance element is 500Ω, it is 90%. It is possible to cut the high-frequency power of the current by the resistance element. The direct current input from the direct current input terminal 11 flows through a closed circuit including the magnetoresistive effect element 1a (1b), the second signal line 7b, the resistance element, the direct current input terminal 11, and the ground 8. . With this closed circuit, a direct current can be efficiently applied to the magnetoresistive effect element 1a (1b).
第１〜第５の実施形態におけるインダクタ１０にかえて抵抗素子を用いる場合は、抵抗素子の第２の信号線路７ｂへの接続部と第２のポート９ｂとの間の第２の信号線路７ｂに直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続することが、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）、第２の信号線路７ｂ、抵抗素子、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含んで形成される閉回路に、直流電流入力端子１１から印加された直流電流を効率的に流すことができる点で好ましい。
When a resistor element is used instead of the inductor 10 in the first to fifth embodiments, the second signal line 7b between the connection portion of the resistor element to the second signal line 7b and the second port 9b. A capacitor for cutting a DC signal is connected in series to the magnetoresistive effect element 1a (1b), the second signal line 7b, the resistance element, the DC current input terminal 11, and the ground 8. It is preferable in that the direct current applied from the direct current input terminal 11 can be efficiently passed through the closed circuit.
また、第１〜第５の実施形態において、直流電流入力端子１１に接続される直流電流源１３が、電流の高周波成分をカットすると同時に電流の直流成分を通す機能を有していれば、インダクタ１０は無くても良い。この場合でも、直流電流入力端子１１から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）、第２の信号線路７ｂ、直流電流入力端子１１およびグラウンド８を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ）に効率的に直流電流を印加することが出来る。
In the first to fifth embodiments, if the DC current source 13 connected to the DC current input terminal 11 has a function of cutting the high frequency component of the current and simultaneously passing the DC component of the current, the inductor 10 may be omitted. Even in this case, the direct current input from the direct current input terminal 11 is a closed circuit formed including the magnetoresistive effect element 1a (1b), the second signal line 7b, the direct current input terminal 11 and the ground 8. Flowing. By this closed circuit, a direct current can be efficiently applied to the magnetoresistive effect element 1a (1b).
また、第１〜第５の実施形態では、磁気抵抗効果デバイス１００（１０１、１０２、１０３、１０４）が周波数設定機構（有効磁場設定機構）として磁場印加機構１２を有する例で説明しているが、周波数設定機構（有効磁場設定機構）は、以下に示すような他の例でも良い。例えば、磁気抵抗効果素子に電場を印加し、その電場を変化させることにより、磁化自由層における異方性磁場Ｈｋを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を変化させることができる。この場合、磁気抵抗効果素子に電場を印加する機構が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。また、磁化自由層の近傍に圧電体を設け、その圧電体に電場を印加して圧電体を変形させ、磁化自由層を歪ませることにより、磁化自由層における異方性磁場Ｈｋを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を変化させることができる。この場合、圧電体に電場を印加する機構および圧電体が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。また、電気磁気効果を有する反強磁性体またはフェリ磁性体である制御膜を磁化自由層に磁気的に結合するように設け、制御膜に磁場および電場を印加し、制御膜に印加する磁場および電場の少なくとも一方を変化させることにより、磁化自由層における交換結合磁場ＨＥＸを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を変化させることができる。この場合、制御膜に磁場を印加する機構、制御膜に電場を印加する機構および制御膜が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。
In the first to fifth embodiments, the magnetoresistive effect device 100 (101, 102, 103, 104) is described as an example having the magnetic field application mechanism 12 as a frequency setting mechanism (effective magnetic field setting mechanism). The frequency setting mechanism (effective magnetic field setting mechanism) may be another example as shown below. For example, by applying an electric field to the magnetoresistive effect element and changing the electric field, the effective magnetic field in the magnetization free layer is changed by changing the anisotropic magnetic field H k in the magnetization free layer, and the magnetization of the magnetoresistive effect element The ferromagnetic resonance frequency of the free layer can be changed. In this case, a mechanism for applying an electric field to the magnetoresistive effect element is a frequency setting mechanism (effective magnetic field setting mechanism). Also, the piezoelectric body is provided in the vicinity of the magnetization free layer, the piezoelectric deforming the piezoelectric element by applying an electric field to, by distorting the magnetization free layer, changing the anisotropy field H k in the magnetization free layer By changing the effective magnetic field in the magnetization free layer, the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element can be changed. In this case, the mechanism for applying an electric field to the piezoelectric body and the piezoelectric body serve as a frequency setting mechanism (effective magnetic field setting mechanism). Also, a control film that is an antiferromagnetic material or a ferrimagnetic material having an electromagnetic effect is provided so as to be magnetically coupled to the magnetization free layer, and a magnetic field and an electric field are applied to the control film, By changing at least one of the electric fields, the exchange coupling magnetic field H EX in the magnetization free layer is changed to change the effective magnetic field in the magnetization free layer, thereby changing the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element. Can do. In this case, the mechanism for applying a magnetic field to the control film, the mechanism for applying an electric field to the control film, and the control film serve as a frequency setting mechanism (effective magnetic field setting mechanism).
また、周波数設定機構が無くても（磁場印加機構１２からの直流磁場が印加されなくても）、各磁気抵抗効果素子の磁化自由層４の強磁性共鳴周波数が所望の周波数である場合には、周波数設定機構（磁場印加機構１２）は無くてもよい。
Further, even if there is no frequency setting mechanism (even if a DC magnetic field from the magnetic field application mechanism 12 is not applied), when the ferromagnetic resonance frequency of the magnetization free layer 4 of each magnetoresistive effect element is a desired frequency. The frequency setting mechanism (magnetic field applying mechanism 12) may be omitted.
また、第１〜第５の実施形態では、磁気抵抗効果デバイス１００（１０１、１０２、１０３、１０４）が、第１の信号線路７ａに接続された抵抗素子、インダクタおよびキャパシタの少なくとも１つを有していても良く、これらによりインピーダンスの調整を行うことにより、第１のポート９ａにおけるインピーダンスマッチングを行うことが出来る。
In the first to fifth embodiments, the magnetoresistance effect device 100 (101, 102, 103, 104) has at least one of a resistance element, an inductor, and a capacitor connected to the first signal line 7a. The impedance matching at the first port 9a can be performed by adjusting the impedance with these.
また、第１〜第５の実施形態では、磁気抵抗効果デバイス１００（１０１、１０２、１０３、１０４）として、第１のポート９ａにシングルエンド信号の高周波信号が入力される形態の例で説明したが、第１のポート９ａに差動信号の高周波信号が入力される形態としても良い。この場合でも、磁気抵抗効果デバイス１００（１０１、１０２、１０３、１０４）が、第１の信号線路７ａに接続された抵抗素子、インダクタおよびキャパシタの少なくとも１つを有していても良く、これらによりインピーダンスの調整を行うことにより、第１のポート９ａにおけるインピーダンスマッチングを行うことが出来る。図１９に、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００を変形して、第１のポート９ａに差動信号の高周波信号が入力される形態とした磁気抵抗効果デバイス１０５の断面模式図を示す。磁気抵抗効果デバイス１０５では、第１の信号線路７ａは、グラウンド８には接続されずに、差動信号の高周波信号が入力される第１のポート９ａに接続され、第１の信号線路７ａには抵抗素子３１が接続されている。磁気抵抗効果デバイス１０５では、第１のポート９ａに差動信号の高周波信号が入力され、第２のポート９ｂからシングルエンド信号の高周波信号が出力されるため、磁気抵抗効果デバイス１０５はバランとして機能することができる。同様に、磁気抵抗効果デバイス１０１、１０２、１０３、１０４を、第１のポート９ａに差動信号の高周波信号が入力される形態に変形したものも、バランとして機能することが出来る。
In the first to fifth embodiments, the magnetoresistive effect device 100 (101, 102, 103, 104) is described as an example in which a single-ended high-frequency signal is input to the first port 9a. However, a high-frequency signal of a differential signal may be input to the first port 9a. Even in this case, the magnetoresistance effect device 100 (101, 102, 103, 104) may include at least one of a resistance element, an inductor, and a capacitor connected to the first signal line 7a. By adjusting the impedance, impedance matching at the first port 9a can be performed. FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of a magnetoresistive effect device 105 in which the magnetoresistive effect device 100 according to the first embodiment is modified so that a high-frequency signal of a differential signal is input to the first port 9a. . In the magnetoresistive effect device 105, the first signal line 7a is not connected to the ground 8, but is connected to the first port 9a to which the high frequency signal of the differential signal is input, and the first signal line 7a is connected to the first signal line 7a. Is connected to a resistance element 31. In the magnetoresistive effect device 105, the high frequency signal of the differential signal is input to the first port 9a, and the high frequency signal of the single end signal is output from the second port 9b. Therefore, the magnetoresistive effect device 105 functions as a balun. can do. Similarly, the magnetoresistive effect devices 101, 102, 103, and 104 modified to have a configuration in which a differential high-frequency signal is input to the first port 9a can also function as a balun.
