JP2018085633A - 増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果素子を利用した増幅器を提供する。【解決手段】増幅器１０１は、磁気抵抗効果素子１ａと、第１のポート９ａと、第２のポート９ｂと、信号線路７と、インダクタ１０と、直流電流入力端子１１とを有し、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続され、インダクタ１０は、磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７に接続され、さらにグラウンド８に接続可能であり、直流電流入力端子１１は、磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７に接続され、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路を形成可能であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した増幅器に関するものである。

近年、携帯電話等の移動通信端末の高機能化に伴い、無線通信の高速化が進められている。通信速度は使用する周波数の帯域幅に比例するため、通信に必要な周波数バンドは増加し、それに伴って、移動通信端末に必要な高周波デバイスの搭載数も増加している。また、近年新しい高周波用部品に応用できる可能性のある分野として研究されているのがスピントロニクスであり、その中で注目されている現象の一つが、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象である（非特許文献１参照）。磁気抵抗効果素子に交流電流を流すことで、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすことが出来、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に磁気抵抗効果素子の抵抗値が振動する。磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は変化し、一般的にその共鳴周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。

Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５

スピントルク共鳴現象を利用して磁気抵抗効果素子を増幅器に応用するための具体的な構成は従来示されていない。本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した増幅器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る増幅器は、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、高周波信号が入力される第１のポートと、高周波信号が出力される第２のポートと、信号線路と、インダクタまたは抵抗素子と、直流電流入力端子とを有し、前記第１のポート、前記磁気抵抗効果素子および前記第２のポートが前記信号線路を介してこの順に直列接続され、前記インダクタまたは前記抵抗素子は、前記磁気抵抗効果素子と前記第１のポートとの間の前記信号線路または前記磁気抵抗効果素子と前記第２のポートとの間の前記信号線路の一方に接続され、さらにグラウンドに接続可能であり、前記直流電流入力端子は、前記磁気抵抗効果素子と前記第１のポートとの間の前記信号線路または前記磁気抵抗効果素子と前記第２のポートとの間の前記信号線路の他方に接続され、前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記インダクタ、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路、または、前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記抵抗素子、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路を形成可能であることを第１の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、磁気抵抗効果素子に第１のポートから信号線路を介して高周波信号が入力されることにより、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を誘起させることが出来る。これにより、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で磁化自由層の磁化が大きく振動し、磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が大きく振動する素子として扱うことが出来る。また、スピントルク共鳴現象によって、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数に対する磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスが減少する。また、直流電流入力端子から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子、信号線路、インダクタ、グラウンドおよび直流電流入力端子を含んで形成される閉回路、または、磁気抵抗効果素子、信号線路、抵抗素子、グラウンドおよび直流電流入力端子を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子に直流電流を印加することが出来る。スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子に、直流電流入力端子より直流電流を印加することで、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子から出力される。この出力信号は、第１のポートから入力されたスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号が、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子を通過して出力される信号に加算される。したがって、直流電流入力端子より磁気抵抗効果素子に印加された直流電流によって生み出された電力が十分大きい場合、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポートから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポートから出力される。以上のように、上記特徴の増幅器は、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子より印加される直流電流の大きさによって、磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、上記特徴の増幅器は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構を有することを特徴とする請求項１に記載の増幅器。

上記特徴の増幅器は、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を任意の周波数にすることができるため、上記特徴の増幅器は、任意の周波数帯域に対応した増幅器として機能することが可能となる。

さらに、本発明に係る増幅器は、前記周波数設定機構は、前記磁化自由層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、前記有効磁場を変化させて前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化可能であることを第３の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を可変制御することができるため、上記特徴の増幅器は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続または並列接続されている磁気抵抗効果素子群を有することを第４の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が実質的に同じ複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続または並列接続されているので、大きい増幅率が得られる。ここで、「スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ」とは、２つの磁気抵抗効果素子で考えた時に、各々の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が、２つの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の平均値から、その平均値の±１％の範囲内にあることをいう。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子群同士が直列接続されていることを第５の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子群同士が直列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。ここで、磁気抵抗効果素子群のスピントルク共鳴周波数とは、磁気抵抗効果素子群に含まれる複数の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の平均値のことをいう。また、「スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる」とは、２つの磁気抵抗効果素子（または２つの磁気抵抗効果素子群）で考えた時に、各々の磁気抵抗効果素子（または各々の磁気抵抗効果素子群）のスピントルク共鳴周波数が、２つの磁気抵抗効果素子（または２つの磁気抵抗効果素子群）のスピントルク共鳴周波数の平均値から、その平均値の±１％の範囲の外にあることをいう。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子群同士が並列接続されていることを第６の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子群同士が並列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続されていることを第７の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを第８の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を任意に決めることができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続されていることを第９の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを第１０の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を任意に決めることができる。

さらに、本発明に係る増幅器は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる前記複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なることを第１１の特徴とする。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。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。

上記特徴の増幅器によれば、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに実質的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、本発明に係る増幅器は、前記第２のポートに対して並列に前記信号線路および前記グラウンドに接続された磁気抵抗効果素子が存在しないことを第１２の特徴とする。

上記特徴の増幅器によれば、第２のポートに対して並列に信号線路およびグラウンドに接続された磁気抵抗効果素子が存在しないため、第２のポートに対して並列に信号線路およびグラウンドに接続された磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に対するインピーダンス減少による、入力された高周波信号のグラウンドへの流入を防ぐことが出来、高周波信号の損失増加を防ぐことが可能となる。このことにより、上記特徴の増幅器は、増幅率の大きい増幅器として機能することが可能となる。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子を利用した増幅器を提供することが出来る。

第１の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第１の実施形態に係る増幅器の直流電流に対する周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第１の実施形態に係る増幅器の磁場強度に対する周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第２の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第２の実施形態に係る増幅器の周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第３の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第３の実施形態に係る増幅器の上面図である。 第３の実施形態に係る増幅器の周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第４の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第４の実施形態に係る増幅器の周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第２の実施形態の変形例の増幅器の構成を示した断面模式図である。 第３の実施形態の変形例の増幅器の構成を示した断面模式図である。 第４の実施形態の変形例の増幅器の構成を示した断面模式図である。 第５の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第５の実施形態に係る増幅器の上面図である。 第５の実施形態に係る増幅器の周波数と増幅率との関係を示したグラフである。 第６の実施形態に係る増幅器の構成を示した断面模式図である。 第６の実施形態に係る増幅器の周波数と増幅率との関係を示したグラフである。

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出来る。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る増幅器１００の断面模式図である。増幅器１００は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１ａ、上部電極５、下部電極６、第１のポート９ａ、第２のポート９ｂ、信号線路７、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。第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。インダクタ１０は、磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。直流電流入力端子１１は、磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されている。増幅器１００は、グラウンド８に接続された時に、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路を形成可能になっている。より具体的には、増幅器１００は、インダクタ１０が基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続され、直流電流入力端子１１にグラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路を形成可能になっている。また、増幅器１００には、第２のポート９ｂに対して並列に信号線路７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。

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り、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。第１のポート９ａに入力される高周波信号及び第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。信号線路７は、磁気抵抗効果素子１ａを挟むように、上部電極５および下部電極６を介して磁気抵抗効果素子１ａに電気的に接続され、第１のポート９ａから入力された高周波信号は磁気抵抗効果素子１ａに流され、第２のポート９ｂに出力される。また、高周波信号が第１のポート９ａから第２のポート９ｂに通過する際の電力比（出力電力／入力電力）のｄＢ値である増幅率は、ネットワークアナライザなどの高周波測定器により測定することが出来る。

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、信号（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。磁気抵抗効果素子１ａは、一端（磁化自由層４側）が上部電極５を介して信号線路７に電気的に接続され、他端（磁化固定層２側）が下部電極６を介して信号線路７に電気的に接続されている。

グラウンド８は、基準電位として機能する。信号線路７とグラウンド８との形状は、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、信号線路７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信号線路７の信号線幅やグラウンド間距離を設計することにより、信号線路７を伝送損失の少ない伝送線路とすることが可能となる。

インダクタ１０は、信号線路７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。このインダクタ１０により、磁気抵抗効果素子１ａを通過する高周波信号の特性を劣化させることなく、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路に、直流電流入力端子１１から印加された直流電流を流すことができる。

直流電流入力端子１１は、磁気抵抗効果素子１ａに対してインダクタ１０の信号線路７への接続箇所とは反対側の箇所の信号線路７に接続されている。より具体的には、直流電流入力端子１１は、磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７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。図１に示す増幅器１００では、磁気抵抗効果素子１ａに、磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れる直流電流が印加される。また、直流電流入力端子１１と直流電流源１３との間に、高周波信号をカットするための、インダクタまたは抵抗素子が直列に接続されてもよい。

直流電流源１３は、グラウンド８及び直流電流入力端子１１に接続され、直流電流入力端子１１から、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路に、直流電流を印加する。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。

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に磁場を印加して、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク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、電圧もしく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また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、電磁石型またはストリップライン型と一定の磁場のみを供給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気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

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。

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、もしくは、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。

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。

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Ａｌ_２Ｏ_３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。

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、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ、ＧａＯ_ｘまたはＧａ_２Ｏ_ｘ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。

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、Ａｌ_２Ｏ_３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。

磁化自由層４は、その磁化の方向が変化可能であり、強磁性材料で構成されている。磁化自由層４の磁化の方向は、例えば、外部印加磁場またはスピン偏極電子によって変化可能である。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。

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。

尚、磁気抵抗効果素子１ａの大きさは、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺を１００ｎｍ程度、或いは１００ｎｍ以下にすることが望ましい。また、磁気抵抗効果素子１ａの平面視形状が長方形ではない場合は、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、高効率なスピントルク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。

ここで、スピントルク共鳴現象について説明する。

磁気抵抗効果素子に、磁気抵抗効果素子の固有のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号を入力すると、磁化自由層の磁化がスピントルク共鳴周波数で振動する。この現象をスピントルク共鳴現象と呼ぶ。磁気抵抗効果素子の素子抵抗値は、磁化固定層と磁化自由層との磁化の相対角で決まる。そのため、スピントルク共鳴時の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁化自由層の磁化の振動に伴い、周期的に変化する。つまり、磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴周波数で抵抗値が周期的に変化する抵抗振動素子として取り扱うことが出来る。さらに、抵抗振動素子にスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号を入力すると、それぞれの位相が同期し、この高周波信号に対するインピーダンスは減少する。つまり、磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴現象により、スピントルク共鳴周波数で高周波信号のインピーダンスが低減する抵抗素子として取り扱うことが出来る。

スピントルク共鳴周波数は、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Ｈ_ｅｆｆは、磁化自由層に印加される外部磁場Ｈ_Ｅ、磁化自由層４における異方性磁場Ｈ_ｋ、磁化自由層４における反磁場Ｈ_Ｄ、磁化自由層４における交換結合磁場Ｈ_ＥＸを用いて、
Ｈ_ｅｆｆ＝Ｈ_Ｅ＋Ｈ_ｋ＋Ｈ_Ｄ＋Ｈ_ＥＸ
で表される。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａに磁場を印加して磁化自由層４に外部磁場Ｈ_Ｅを印加することにより、磁化自由層４における有効磁場Ｈ_ｅｆｆ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気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数を変化させることができる。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、スピントルク共鳴周波数は変化する。

また、スピントルク共鳴時に磁気抵抗効果素子１ａに直流電流が印加されることにより、スピントルクが増加して、振動する抵抗値の振幅が増加する。振動する抵抗値の振幅が増加することにより、磁気抵抗効果素子１ａの素子インピーダンスの変化量が増加する。また、印加される直流電流の電流密度を変化させると、スピントルク共鳴周波数は変化する。したがって、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数は、磁場印加機構１２からの磁場を変化させるか、直流電流入力端子１１からの印加直流電流を変化させることにより変化させることができる。磁気抵抗効果素子１ａに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。

スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａを通過して出力される、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算される。したがって、直流電流入力端子１１より磁気抵抗効果素子１ａに印加された直流電流によって生み出された電力が十分大きい場合、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。この現象を磁気抵抗効果素子１ａのインピーダンスで考えると、スピントルク共鳴現象によって減少した、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数に対する磁気抵抗効果素子１ａのインピーダンスが、磁気抵抗効果素子１ａへの直流電流の印加によりさらに減少し、マイナスの値を持つと考えることができる。以上のように、増幅器１００は、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、磁気抵抗効果素子１ａの素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１００は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

図２および図３に、増幅器１００に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図２および図３の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図２は、磁気抵抗効果素子１ａに印加された磁場が一定の時のグラフである。図２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。この時の印直流電流値の関係は、Ｉａ１＜Ｉａ２である。また、図３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３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に印加される磁場強度が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に印加される磁場強度が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。

例えば、図２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のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数での素子インピーダンスの低下量が増加することで、第２のポート９ｂから出力される高周波信号がさらに大きくなり、増幅率が大きくなる。このように、増幅器１００は、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、磁気抵抗効果素子１ａの素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１００は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。また、直流電流値をＩａ１からＩａ２に大きくすると磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数はｆａ１からｆａ２にシフトする。つまり、増幅器１００は、対応する周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することも出来る。

さらに、例えば、図３に示されるように、磁場印加機構１２から印加される磁場強度をＨｂ１からＨｂ２に強くした場合、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数はｆｂ１からｆｂ２にシフトする。すなわち、増幅可能な周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層４における有効磁場Ｈ_ｅｆｆ）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増幅可能な周波数帯域をシフトさせることができる。つまり、増幅器１００は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが出来る。

なお、磁気抵抗効果素子１ａに印加される外部磁場Ｈ_Ｅ（磁化自由層４における有効磁場Ｈ_ｅｆｆ）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に印加される外部磁場Ｈ_Ｅ（磁化自由層４における有効磁場Ｈ_ｅｆｆ）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。

このように、増幅器１００は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１ａと、第１のポート９ａと、第２のポート９ｂと、信号線路７と、インダクタ１０と、直流電流入力端子１１とを有し、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続され、インダクタ１０は、磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらにグラウンド８に接続可能であり、直流電流入力端子１１は、磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続され、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路を形成可能である。

したがって、磁気抵抗効果素子１ａに第１のポート９ａから信号線路７を介して高周波信号が入力されることにより、磁気抵抗効果素子１ａにスピントルク共鳴を誘起させることが出来る。これにより、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で磁化自由層４の磁化が大きく振動し、磁気抵抗効果素子１ａは、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が大きく振動する素子として扱うことが出来る。また、スピントルク共鳴現象によって、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数に対する磁気抵抗効果素子１ａの素子インピーダンスが減少する。また、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、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１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に直流電流を印加することが出来る。スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力されたスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号が、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａを通過して出力される信号に加算される。したがって、直流電流入力端子１１より磁気抵抗効果素子１ａに印加された直流電流によって生み出された電力が十分大きい場合、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。以上のように、増幅器１００は、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、磁気抵抗効果素子１ａの素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１００は、増幅率を調整可能な増幅器として機能することができる。

増幅率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。

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、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数を可変制御することができるため、増幅器１００は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することも可能となる。

さらに、増幅器１００は、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク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、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク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、増幅器１００は、任意の周波数帯域に対応した増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器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気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数を変化可能であるので、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１００は、第２のポート９ｂに対して並列に信号線路７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、第２のポート９ｂに対して並列に信号線路７およびグラウンド８に接続された磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に対するインピーダンス減少による、入力された高周波信号のグラウンド８への流入を防ぐことが出来、高周波信号の損失増加を防ぐことが可能となる。このことにより、増幅器１００は、増幅率が大きな増幅器として機能することが可能となる。

以上説明した第１の実施形態の増幅器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１のポート９ａ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の信号線路７への接続部と第１のポート９ａとの間の信号線路７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。また、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、インダクタ１０の信号線路７への接続部と第２のポート９ｂとの間の信号線路７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。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る増幅器１０１の断面模式図である。増幅器１０１において、第１の実施形態の増幅器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の実施形態の増幅器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。増幅器１０１は、第１の実施形態の増幅器１００の磁気抵抗効果素子１ａにかえて、磁気抵抗効果素子群１４ａを有している。磁気抵抗効果素子群１４ａは磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂを有している。磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂ同士は直列接続されており、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、および第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂはそれぞれ、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有している。また、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂのそれぞれを挟むように上部電極５および下部電極６が配置されている。磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。ここで、「スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ」とは、２つの磁気抵抗効果素子で考えた時に、各々の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が、２つの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の平均値から、その平均値の±１％の範囲内にあることをいう。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂは、膜構成および平面視形状が互いに同じであり、同一の磁場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スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。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。

インダクタ１０は、直列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。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と第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されており、直流電流入力端子１１に、グラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｂ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成され、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に直流電流が印加される。

磁気抵抗効果素子１ａの磁化固定層２が接続されている下部電極６と、磁気抵抗効果素子１ｂの磁化自由層４が接続されている上部電極５とが電気的に接続されており、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ同士は直列接続されている。

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に同時に同一の磁場を印加する。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のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

増幅器１０１のその他の構成は第１の実施形態の増幅器１００と同じである。

各々のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを通過して出力される、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算され、第１の実施形態の増幅器１００の場合と同様にして、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりもさらに大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。ここで、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数とが実質的に同じであるので、第１の実施形態の増幅器１００の場合よりも、信号が加算される効果が大きくなる。従って、増幅器１０１によれば、大きい増幅率が得られる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、各磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１０１は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

図５に、増幅器１０１に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図５の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図５のプロット線２００ａ１は、増幅器１０１に磁気抵抗効果素子１ｂおよび磁気抵抗効果素子１ｂのいずれか一方がない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｂのいずれか一方に電流値Ｉ１の直流電流が印加された時のものである。また、図５のプロット線２００ａ３は、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ａに電流値Ｉ１の直流電流が印加された時のものである。図５に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａと、磁気抵抗効果素子１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂが実質的に同じであるため、増幅器１０１は、図５に示されるように、第１の実施形態の増幅器１００よりも大きい増幅率が得られる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、または磁場印加機構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、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数を任意に変更することが可能となる。このことにより、増幅器１０１は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

このように、増幅器１０１は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ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磁気抵抗効果素子群１４ａを有するので、大きい増幅率が得られる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される直流電流、または磁場強度を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数を可変制御することができるため、増幅器１０１は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１０１は、複数の磁気抵抗効果素子１ａおよび１ｂの膜構成、平面視形状ともに、互いに同じであるため、同一プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じであ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。つまり、増幅器１０１は、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、製造コストを抑えることが可能となる。

また、第２の実施形態の増幅器１０１では、磁気抵抗効果素子群１４ａにおいて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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、さらに大きい増幅率が得られる。

また、第２の実施形態の増幅器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設けられていても良い。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る増幅器１０２の断面模式図である。増幅器１０２において、第２の実施形態の増幅器１０１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２の実施形態の増幅器１０１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。増幅器１０２は、第２の実施形態の増幅器１０１に対し、さらに磁気抵抗効果素子群１４ｂを有している。磁気抵抗効果素子群１４ｂは磁気抵抗効果素子１ｃおよび磁気抵抗効果素子１ｄを有している。磁気抵抗効果素子１ｃおよび磁気抵抗効果素子１ｄ同士は直列接続されている。磁気抵抗効果素子１ｃおよび磁気抵抗効果素子１ｄはそれぞれ、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有している。また、磁気抵抗効果素子１ｃおよび磁気抵抗効果素子１ｄのそれぞれを挟むように上部電極５および下部電極６ が配置されている。磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄはスピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄは、膜構成および平面視形状が互いに同じであり、同一の磁場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スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。磁気抵抗効果素子群１４ａと磁気抵抗効果素子群１４ｂは信号線路７を介して直列接続されており、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子群１４ａ、磁気抵抗効果素子群１４ｂ、および第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。

インダクタ１０は、直列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。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、１ｃ、１ｄと第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されており、直流電流入力端子１１に、グラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成され、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、１ｂ、１ｃ、１ｄに直流電流が印加される。

磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに同時に同一の磁場を印加する。また、磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ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、１ｃ、１ｄ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、１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数）と磁気抵抗効果素子群１４ｂ（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数）のスピントルク共鳴周波数は、互いに実質的に異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと、磁気抵抗効果素子群１４ｂの構成要素である磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄとは、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、磁気抵抗効果素子群のスピントルク共鳴周波数とは、磁気抵抗効果素子群に含まれる複数の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の平均値のことをいう。 また、「スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる」とは、２つの磁気抵抗効果素子群で考えた時に、各々の磁気抵抗効果素子群のスピントルク共鳴周波数が、２つの磁気抵抗効果素子群のスピントルク共鳴周波数の平均値から、その平均値の±１％の範囲の外にあることをいう。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。

図７は、増幅器１０２の上面図である。図７に示すように、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと、磁気抵抗効果素子群１４ｂの構成要素である１ｃ、１ｄの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ_０は同じであるが、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ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１ｃ、１ｄ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、１ｂの平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ_０）より、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ_０）は大きい。同一の磁場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スピントルク共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数は磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数よりも高くなる。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スピントルク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スピントルク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、増幅器１０１では、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ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、１ｂの方が磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄ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、１ｂの方が磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄ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、磁気抵抗効果素子のスピントルク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気抵抗効果素子のスピントルク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気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に与える影響の方が大きい場合には、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数ｆｂ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂ）は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆａ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数ｆａ）よりも高くなる。

増幅器１０２のその他の構成は第２の実施形態の増幅器１０１と同じである。

各々のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを通過して出力される、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算され、第１の実施形態の増幅器１００の場合と同様にして、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。以上のように、増幅器１０２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数および磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、各磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１０２は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

図８に、増幅器１０２に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図８の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図８のプロット線３００ａ１は、増幅器１０２に磁気抵抗効果素子群１４ｂがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ａのみに電流値Ｉ３の直流電流が印加された時のものである。プロット線３００ｂ１は、増幅器１０２に磁気抵抗効果素子群１４ａがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ｂのみに電流値Ｉ３の直流電流が印加された時のものである。また、図８のプロット線３００ａｂは、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｂのそれぞれに電流値Ｉ３の直流電流が印加された時のものである。図８に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆａ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数ｆａ）の近傍の周波数（図８に示す周波数帯域３００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数ｆｂ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂ）の近傍の周波数（図８に示す周波数帯域３００ｂ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと、磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、増幅器１０２は、図８に示す周波数帯域３００のように、第２の実施形態の増幅器１０１よりも増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに印加される直流電流、または磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに印加される磁場強度を変化させることで磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄのスピントルク共鳴周波数を任意に変更することが可能となる。このことにより、増幅器１０２は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

このように、増幅器１０２は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｂ同士が直列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。さらに、増幅器１０２は、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流、または磁場を変化させることで、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１０２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄとで平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク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。つまり、増幅器１０２は、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ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、１ｃ、１ｄを構成する層を一括で成膜形成することができ、製造コストを抑えることが可能となる。

また、第３の実施形態の増幅器１０２では、磁気抵抗効果素子群１４ａにおいて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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。同様に、第３の実施形態の増幅器１０２では、磁気抵抗効果素子群１４ｂにおいて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである２つの磁気抵抗効果素子１ｃ、１ｄが直列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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。これらの場合、さらに大きい増幅率が得られる。

また、第３の実施形態の増幅器１０２では、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる２つの磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｂ同士が直列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子群同士が直列に接続されていてもよい。この場合、増幅器として機能する周波数帯域をさらに広くすることができる。

また、第３の実施形態の増幅器１０２では、磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ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または各磁気抵抗効果素子群に個別に磁場を印加するための磁場印加機構が設けられていても良い。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る増幅器１０３の断面模式図である。増幅器１０３において、第２の実施形態の増幅器１０１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２の実施形態の増幅器１０１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。増幅器１０３は、第２の実施形態の増幅器１０１に対し、さらに磁気抵抗効果素子群１４ｃを有している。磁気抵抗効果素子群１４ｃは磁気抵抗効果素子１ｅおよび磁気抵抗効果素子１ｆを有している。磁気抵抗効果素子１ｅおよび磁気抵抗効果素子１ｆ同士は直列接続されている。磁気抵抗効果素子１ｅおよび磁気抵抗効果素子１ｆはそれぞれ、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有している。また、磁気抵抗効果素子１ｅおよび磁気抵抗効果素子１ｆのそれぞれを挟むように上部電極５および下部電極６ が配置されている。磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆはスピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆは、膜構成および平面視形状が互いに同じであり、同一の磁場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スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである。磁気抵抗効果素子群１４ａと磁気抵抗効果素子群１４ｃは信号線路７を介して並列接続されており、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子群１４ａおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続され、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子群１４ｃおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。また、増幅器１０３は、第２の実施形態の増幅器１０１の磁場印加機構１２にかえて、磁場印加機構１２ａと磁場印加機構１２ｂを有している。磁場印加機構１２ａと磁場印加機構１２ｂのそれぞれは、第１の実施形態で説明した磁場印加機構１２と同様のものを用いることができる。

インダクタ１０は、互いに並列に接続された磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと、第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。直流電流入力端子１１は、互いに並列に接続された磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと、第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されており、直流電流入力端子１１に、グラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路と、磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成される。直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこれらの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆに直流電流が印加される。

磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子群１４ｃのスピントルク共鳴周波数は、互いに実質的に異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆは、膜構成および平面視形状が互いに同じであり、磁場印加機構１２ａは磁気抵抗効果素子群１４ａ（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ）に、磁場印加機構１２ｂは磁気抵抗効果素子群１４ｃ（磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆ）に、個別の磁場を印加するが、磁場印加機構１２ａが磁気抵抗効果素子群１４ａに印加する磁場の強度と、磁場印加機構１２ｂが磁気抵抗効果素子群１４ｂに印加する磁場の強度を異ならせることによって、磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子群１４ｃのスピントルク共鳴周波数とが互いに実質的に異なるようにしている。このように、増幅器１０３は、磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に磁場印加機構１２ａ、１２ｂを有している。

磁場印加機構１２ａは、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の磁場を印加する。また、磁場印加機構１２ａは、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子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のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。同様に、磁場印加機構１２ｂは、磁気抵抗効果素子群１４ｃの構成要素である磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子群１４ｂの構成要素である磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆに同時に同一の磁場を印加する。また、磁場印加機構１２ｂは、磁気抵抗効果素子群１４ｃの構成要素である磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆ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１ｅ、１ｆのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

増幅器１０３のその他の構成は第２の実施形態の増幅器１０１と同じである。

各々のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆを通過して出力される、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算され、第１の実施形態の増幅器１００の場合と同様にして、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。以上のように、増幅器１０３は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数および磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、各磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１０３は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

増幅器１０３では、磁場印加機構１２ａ、１２ｂから磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃに個別に磁場が印加された状態で、磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃに信号線路７を介して高周波信号が入力される。例えば、磁気抵抗効果素子群１４ａに印加する磁場印加機構１２ａの磁場強度を、磁気抵抗効果素子群１４ｃに印加する磁場印加機構１２ｂの磁場強度よりも小さくする。この場合、磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃのスピントルク共鳴周波数は互いに実質的に異なる状態になる。

図１０に、増幅器１０３に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図１０の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図１０のプロット線４００ａ１は、増幅器１０３に磁気抵抗効果素子群１４ｃがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ａのみに電流値Ｉ４の直流電流が印加された時のものである。プロット線４００ｃ１は、増幅器１０３に磁気抵抗効果素子群１４ａがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ｃのみに電流値Ｉ４の直流電流が印加された時のものである。また、図１０のプロット線４００ａｃは、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃのそれぞれに電流値Ｉ４の直流電流が印加された時のものである。図１０に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆａ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数ｆａ）の近傍の周波数（図１０に示す周波数帯域４００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆのスピントルク共鳴周波数ｆｃ（すなわち磁気抵抗効果素子群１４ｃのスピントルク共鳴周波数ｆｃ）の近傍の周波数（図１０に示す周波数帯域４００ｃ）の一部が重なるように、磁場印加機構１２ａ、１２ｂのそれぞれが磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃに印加する磁場強度を調整することによって、増幅器１０３は、図１０に示す周波数帯域４００のように、第２の実施形態の増幅器１０１よりも増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆに印加される直流電流または、磁場印加機構１２ａから磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに印加される磁場強度および磁場印加機構１２ｂから磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆに印加される磁場強度を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆの各々のスピントルク共鳴周波数を任意に変更することが可能となる。このことにより、増幅器１０３は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

このように、増幅器１０３は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃ同士が並列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。さらに、増幅器１０３は、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流、または磁場を変化させることで、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１０３は、複数の磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数（磁場印加機構１２ａ、１２ｂ）有しているため、各磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃのスピントルク共鳴周波数を個別に設定することが可能となる。

また、第４の実施形態の増幅器１０３では、磁気抵抗効果素子群１４ａにおいて、スピントルク共鳴周波数が互いに同じである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、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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。同様に、第４の実施形態の増幅器１０３では、磁気抵抗効果素子群１４ｃにおいて、スピントルク共鳴周波数が互いに同じである２つの磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆが直列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じである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。これらの場合、さらに大きい増幅率が得られる。

また、第４の実施形態の増幅器１０３では、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる２つの磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｃ同士が並列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子群同士が並列に接続されていてもよい。この場合、増幅器として機能する周波数帯域をさらに広くすることができる。

また、第４の実施形態の増幅器１０３では、磁場印加機構１２ａが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂに同時に同一の磁場を印加し、磁場印加機構１２ｂが磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆ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設けられていても良い。

また、第４の実施形態の増幅器１０３において、第３の実施形態の増幅器１０２と同様に、磁気抵抗効果素子群１４ａの構成要素である磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂと、磁気抵抗効果素子群１４ｃの構成要素である磁気抵抗効果素子１ｅ、１ｆとで、膜構成が互いに同じで、平面視形状のアスペクト比が互いに異なるようにして、磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子群１４ｃのスピントルク共鳴周波数を異ならせてもよい。この場合には、１つの磁場印加機構が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｅ、１ｆに同時に同一の磁場を印加するようにすることができる。

また、第３の実施形態の増幅器１０２が、第４の実施形態の増幅器１０３と同様に、磁気抵抗効果素子群１４ａ、１４ｂの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に磁場印加機構１２ａ、１２ｂを有するようにして、磁気抵抗効果素子群１４ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子群１４ｂのスピントルク共鳴周波数とを異ならせてもよい。この場合には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、膜構成および平面視形状が互いに同じものとすることができる。

第２〜第４の実施形態では、磁気抵抗効果素子群として、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続されている例で説明したが、第２〜第４の実施形態の磁気抵抗効果素子群にかえて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されている磁気抵抗効果素子群を用いてもよい。

例えば第２の実施形態の増幅器１０１の磁気抵抗効果素子群１４ａにかえて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ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磁気抵抗効果素子群１４ｄを用いた図１１に示すような増幅器１０４としてもよい。この場合でも、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂを通過して出力される各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に、直流電流の印加により磁気抵抗効果素子１ａ、１ｂから出力される各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が加算されるため、第２の実施形態の増幅器１０１の場合と同様にして、増幅器１０４は、大きい増幅率が得られる。

また、例えば第３の実施形態の増幅器１０２の磁気抵抗効果素子群１４ａおよび磁気抵抗効果素子群１４ｂの少なくとも一方にかえて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されている磁気抵抗効果素子群を用いた図１２に示すような増幅器１０５としてもよい。図１２に示す増幅器１０５では、増幅器１０２の磁気抵抗効果素子群１４ａにかえて磁気抵抗効果素子群１４ｄを用い、増幅器１０２の磁気抵抗効果素子群１４ｂにかえて磁気抵抗効果素子群１４ｅを用いている。この場合でも、第３の実施形態の増幅器１０２の場合と同様に、 増幅器１０５によれば、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

また、例えば第４の実施形態の増幅器１０３の磁気抵抗効果素子群１４ａおよび磁気抵抗効果素子群１４ｃの少なくとも一方にかえて、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されている磁気抵抗効果素子群を用いた図１３に示すような増幅器１０６としてもよい。図１３に示す増幅器１０６では、増幅器１０３の磁気抵抗効果素子群１４ａにかえて磁気抵抗効果素子群１４ｄを用い、増幅器１０３の磁気抵抗効果素子群１４ｃにかえて磁気抵抗効果素子群１４ｆを用いている。この場合でも、第４の実施形態の増幅器１０３の場合と同様に、増幅器１０６によれば、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

（第５の実施形態）
図１４は、本発明の第５の実施形態に係る増幅器１０７の断面模式図である。増幅器１０７において、第１の実施形態の増幅器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の実施形態の増幅器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。増幅器１０７は、第１の実施形態の増幅器１００に対し、さらに磁気抵抗効果素子１ｇを有している。磁気抵抗効果素子１ｇは、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有している。また、磁気抵抗効果素子１ｇを挟むように上部電極５および下部電極６が配置されている。磁気抵抗効果素子１ａの磁化固定層２が接続されている下部電極６と、磁気抵抗効果素子１ｇの磁化自由層４が接続されている上部電極５とが電気的に接続されており、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ同士は直列接続されている。このように、磁気抵抗効果素子１ａおよび磁気抵抗効果素子１ｇ同士は直列接続されており、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｇ、および第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。

インダクタ１０は、直列接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇと第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。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、１ｇと第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されており、直流電流入力端子１１に、グラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、磁気抵抗効果素子１ｇ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成され、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１ｇに直流電流が印加される。

磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇに同時に同一の磁場を印加する。また、磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ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、１ｇ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のスピントルク共鳴周波数および磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数は、互いに実質的に異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａと、磁気抵抗効果素子１ｇとは、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、「スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる」とは、２つの磁気抵抗効果素子で考えた時に、各々の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が、２つの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の平均値から、その平均値の±１％の範囲の外にあることをいう。

図１５は、増幅器１０７の上面図である。図１５に示すように、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｇの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ_０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１ｇ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／Ｙ_０）より、磁気抵抗効果素子１ｇの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ_０）は大きい。同一の磁場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スピントルク共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数は磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数よりも高くなる。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スピントルク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スピントルク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、増幅器１０７では、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ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１ｇ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１ｇ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、磁気抵抗効果素子のスピントルク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気抵抗効果素子のスピントルク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気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に与える影響の方が大きい場合には、磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数ｆｇは、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａよりも高くなる。

増幅器１０７のその他の構成は第１の実施形態の増幅器１００と同じである。

各々のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇを通過して出力される、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算され、第１の実施形態の増幅器１００の場合と同様にして、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。以上のように、増幅器１０７は、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数および磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、各磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１０７は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

図１６に、増幅器１０７に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図１６の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図１６のプロット線５００ａ１は、増幅器１０７に磁気抵抗効果素子１ｇがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａのみに電流値Ｉ５の直流電流が印加された時のものである。プロット線５００ｇ１は、増幅器１０７に磁気抵抗効果素子１ａがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ｇのみに電流値Ｉ５の直流電流が印加された時のものである。また、図１６のプロット線５００ａｇは、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇのそれぞれに電流値Ｉ５の直流電流が印加された時のものである。図１６に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１６に示す周波数帯域５００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数ｆｇの近傍の周波数（図１６に示す周波数帯域５００ｇ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子１ａと、磁気抵抗効果素子１ｇの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、増幅器１０７は、図１６に示す周波数帯域５００のように、第１の実施形態の増幅器１００よりも増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇに印加される直流電流、または磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇに印加される磁場強度を変化させることで磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇのスピントルク共鳴周波数を任意に変更することが可能となる。このことにより、増幅器１０７は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

このように、増幅器１０７は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ同士が直列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。さらに、増幅器１０７は、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流、または磁場を変化させることで、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１０７は、磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｇとで平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク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。つまり、増幅器１０７は、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ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、１ｇを構成する層を一括で成膜形成することができ、製造コストを抑えることが可能となる。

また、第５の実施形態の増幅器１０７では、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ同士が直列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が直列に接続されていてもよい。この場合、増幅器として機能する周波数帯域をさらに広くすることができる。

また、第５の実施形態の増幅器１０７では、磁場印加機構１２が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇ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設けられていても良い。

（第６の実施形態）
図１７は、本発明の第６の実施形態に係る増幅器１０８の断面模式図である。増幅器１０８において、第１の実施形態の増幅器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の実施形態の増幅器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。増幅器１０５は、第１の実施形態の増幅器１００に対し、さらに磁気抵抗効果素子１ｈを有している。磁気抵抗効果素子１ｈは、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有している。また、磁気抵抗効果素子１ｈを挟むように上部電極５および下部電極６ が配置されている。磁気抵抗効果素子１ａと磁気抵抗効果素子１ｈは信号線路７を介して並列接続されており、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ａおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続され、第１のポート９ａ、磁気抵抗効果素子１ｈおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。また、増幅器１０８は、第１の実施形態の増幅器１００の磁場印加機構１２にかえて、磁場印加機構１２ｃと磁場印加機構１２ｄを有している。磁場印加機構１２ｃと磁場印加機構１２ｄのそれぞれは、第１の実施形態で説明した磁場印加機構１２と同様のものを用いることができる。

インダクタ１０は、互いに並列に接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと、第２のポート９ｂとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の一方）に接続され、さらに基準電位端子２０を介してグラウンド８に接続可能になっている。直流電流入力端子１１は、互いに並列に接続された磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと、第１のポート９ａとの間の信号線路７（磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと第１のポート９ａとの間の信号線路７または磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈと第２のポート９ｂとの間の信号線路７の他方）に接続されており、直流電流入力端子１１に、グラウンド８に接続された直流電流源１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１ａ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路と、磁気抵抗効果素子１ｈ、信号線路７、インダクタ１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成される。直流電流入力端子１１から入力された直流電流はこれらの閉回路を流れ、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに直流電流が印加される。

磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｈのスピントルク共鳴周波数は、互いに実質的に異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈは、膜構成および平面視形状が互いに同じであり、磁場印加機構１２ｃは磁気抵抗効果素子群１ａに、磁場印加機構１２ｄは磁気抵抗効果素子１ｈに、個別の磁場を印加するが、磁場印加機構１２ｃが磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場の強度と、磁場印加機構１２ｄが磁気抵抗効果素子１ｈに印加する磁場の強度を異ならせることによって、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｈのスピントルク共鳴周波数とが互いに実質的に異なるようにしている。このように、増幅器１０８は、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に磁場印加機構１２ｃ、１２ｄを有している。

磁場印加機構１２ｃ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に磁場を印加する。また、磁場印加機構１２ｃ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、磁気抵抗効果素子１ａ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のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。同様に、磁場印加機構１２ｄは、磁気抵抗効果素子１ｈの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１ｈに磁場を印加する。また、磁場印加機構１２ｄは、磁気抵抗効果素子１ｈに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ｈ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１ｈのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。

増幅器１０８のその他の構成は第１の実施形態の増幅器１００と同じである。

各々のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数で周期的に抵抗値が振動する磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに、直流電流入力端子１１より直流電流を印加することで、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の電力が出力信号として磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈから出力される。この出力信号は、第１のポート９ａから入力され、インピーダンスが減少した磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈを通過して出力される、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号に加算され、第１の実施形態の増幅器１００の場合と同様にして、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数において、第１のポート９ａから入力された信号の電力よりも大きな電力の信号が第２のポート９ｂから出力される。以上のように、増幅器１０５は、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数および磁気抵抗効果素子１ｈのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の信号を増幅する増幅器として機能することができる。また、直流電流入力端子１１より印加される直流電流の大きさによって、各磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスを調整できるため、増幅器１０８は、増幅率が調整可能な増幅器として機能することができる。

増幅器１０８では、磁場印加機構１２ｃ、１２ｄから磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに個別に磁場が印加された状態で、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに信号線路７を介して高周波信号が入力される。例えば、磁気抵抗効果素子１ａに印加する磁場印加機構１２ｃの磁場強度を、磁気抵抗効果素子１ｈに印加する磁場印加機構１２ｄの磁場強度よりも小さくする。この場合、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈのスピントルク共鳴周波数は互いに実質的に異なる状態になる。

図１８に、増幅器１０８に入力される高周波信号の周波数と増幅率との関係を示したグラフを示す。図１８の縦軸は増幅率、横軸は周波数を表している。図１８のプロット線６００ａ１は、増幅器１０８に磁気抵抗効果素子１ｈがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａのみに電流値Ｉ６の直流電流が印加された時のものである。プロット線６００ｈ１は、増幅器１０８に磁気抵抗効果素子１ａがない場合を想定した時のものであり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ｈのみに電流値Ｉ６の直流電流が印加された時のものである。また、図１８のプロット線６００ａｈは、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈのそれぞれに電流値Ｉ６の直流電流が印加された時のものである。図１８に示されるように、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１８に示す周波数帯域６００ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１ｈのスピントルク共鳴周波数ｆｈの近傍の周波数（図１８に示す周波数帯域６００ｈ）の一部が重なるように、磁場印加機構１２ｃ、１２ｄのそれぞれが磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに印加する磁場強度を調整することによって、増幅器１０８は、図１８に示す周波数帯域６００のように、第１の実施形態の増幅器１００よりも増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。

さらに、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに印加される直流電流または、磁場印加機構１２ｃから磁気抵抗効果素子１ａに印加される磁場強度および磁場印加機構１２ｄから磁気抵抗効果素子１ｈに印加される磁場強度を変化させることで、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈの各々のスピントルク共鳴周波数を任意に変更することが可能となる。このことにより、増幅器１０８は、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

このように、増幅器１０８は、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈ同士が並列接続されているので、増幅器として機能する周波数帯域を広くすることができる。さらに、増幅器１０８は、磁気抵抗効果素子に印加される直流電流、または磁場を変化させることで、増幅可能な周波数帯域を変化可能な増幅器として機能することが可能となる。

さらに、増幅器１０８は、複数の磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数（磁場印加機構１２ｃ、１２ｄ）有しているため、各磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈのスピントルク共鳴周波数を個別に設定することが可能となる。

また、第６の実施形態の増幅器１０８では、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる２つの磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈ同士が並列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が並列に接続されていてもよい。この場合、増幅器として機能する周波数帯域をさらに広くすることができる。

また、第６の実施形態の増幅器１０８において、第５の実施形態の増幅器１７と同様に、磁気抵抗効果素子１ａと、磁気抵抗効果素子１ｈとで、膜構成が互いに同じで、平面視形状のアスペクト比が互いに異なるようにして、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｈのスピントルク共鳴周波数を異ならせてもよい。この場合には、１つの磁場印加機構が磁気抵抗効果素子１ａ、１ｈに同時に同一の磁場を印加するようにすることができる。

また、第５の実施形態の増幅器１０７が、第６の実施形態の増幅器１０８と同様に、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に磁場印加機構１２ｃ、１２ｄを有するようにして、磁気抵抗効果素子１ａのスピントルク共鳴周波数と磁気抵抗効果素子１ｇのスピントルク共鳴周波数とを異ならせてもよい。この場合には、磁気抵抗効果素子１ａ、１ｇは、膜構成および平面視形状が互いに同じものとすることができる。

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６の実施形態では、インダクタ１０が、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）と第２のポート９ｂとの間の信号線路７に接続され、直流電流入力端子１１が磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）と第１のポート９ａとの間の信号線路７に接続されている例で説明したが、インダクタ１０が、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）と第１のポート９ａとの間の信号線路７に接続され、直流電流入力端子１１が磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）と第２のポート９ｂとの間の信号線路７に接続されるようにしてもよい。

また、第１〜第６の実施形態では、インダクタ１０を用いた例で説明したが、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、抵抗素子は、信号線路７とグラウンド８との間に接続され、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、信号線路７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、信号線路７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。この抵抗素子により、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）を通過する高周波信号の特性を劣化させることなく、磁気抵抗効果素子１ａ（１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）、信号線路７、抵抗素子、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路に、直流電流入力端子１１から印加された直流電流を流すことができる。

インダクタ１０にかえて抵抗素子を用いる場合は、直流電流入力端子１１（または抵抗素子）の信号線路７への接続部と第１のポート９ａとの間の信号線路７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、および、抵抗素子（または直流電流入力端子１１）の信号線路７への接続部と第２のポート９ｂとの間の信号線路７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、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）、信号線路７、抵抗素子、グラウンド８および直流電流入力端子１１を含む閉回路に、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。

また、第１〜第６の実施形態では、増幅器１００（１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８）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（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）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Ｈ_ｋ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スピントルク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Ｈ_ｋ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スピントルク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Ｈ_ＥＸ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スピントルク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。

また、周波数設定機構が無くても（磁場印加機構１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）からの磁場が印加されなくても）、各磁気抵抗効果素子のスピントルク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（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ））は無くてもよい。

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ 磁気抵抗効果素子
２ 磁化固定層
３ スペーサ層
４ 磁化自由層
５ 上部電極
６ 下部電極
７ 信号線路
８ グラウンド
９ａ 第１のポート
９ｂ 第２のポート
１０ インダクタ
１１ 直流電流入力端子
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 磁場印加機構
１３ 直流電流源
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ 磁気抵抗効果素子群
２０ 基準電位端子
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ 増幅器
１００ａ１、１００ａ２、１００ｂ１、１００ｂ２、２００ａ１、２００ａ３、３００ａ１、３００ｂ１、３００ａｂ、４００ａ１、４００ｃ１、４００ａｃ、５００ａ１、５００ｇ１、５００ａｇ、６００ａ１、６００ｈ１、６００ａｈ プロット線
３００、３００ａ、３００ｂ、４００、４００ａ、４００ｃ、５００、５００ａ、５００ｇ、６００、６００ａ、６００ｈ 周波数帯域
ｆａ、ｆｂ、ｆｃ、ｆａ１、ｆａ２、ｆｂ１、ｆｂ２、ｆｇ、ｆｈ、 スピントルク共鳴周波数

Claims (12)

1. 磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、
   高周波信号が入力される第１のポートと、
   高周波信号が出力される第２のポートと、
   信号線路と、
   インダクタまたは抵抗素子と、
   直流電流入力端子とを有し、
   前記第１のポート、前記磁気抵抗効果素子および前記第２のポートが前記信号線路を介してこの順に直列接続され、
   前記インダクタまたは前記抵抗素子は、前記磁気抵抗効果素子と前記第１のポートとの間の前記信号線路または前記磁気抵抗効果素子と前記第２のポートとの間の前記信号線路の一方に接続され、さらにグラウンドに接続可能であり、
   前記直流電流入力端子は、前記磁気抵抗効果素子と前記第１のポートとの間の前記信号線路または前記磁気抵抗効果素子と前記第２のポートとの間の前記信号線路の他方に接続され、
   前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記インダクタ、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路、または、前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記抵抗素子、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路を形成可能であることを特徴とする増幅器。
2. 前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構を有することを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
3. 前記周波数設定機構は、前記磁化自由層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、前記有効磁場を変化させて前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化可能であることを特徴とする請求項２に記載の増幅器。
4. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に同じ複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続または並列接続されている磁気抵抗効果素子群を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の増幅器。
5. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子群同士が直列接続されていることを特徴とする請求項４に記載の増幅器。
6. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子群同士が並列接続されていることを特徴とする請求項４に記載の増幅器。
7. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の増幅器。
8. 複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを特徴とする請求項２または３に記載の増幅器。
9. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の増幅器。
10. 複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを特徴とする請求項２または３に記載の増幅器。
11. スピントルク共鳴周波数が互いに実質的に異なる前記複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なることを特徴とする請求項７または９に記載の増幅器。
12. 前記第２のポートに対して並列に前記信号線路および前記グラウンドに接続された磁気抵抗効果素子が存在しないことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の増幅器。

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