JP2018107344A - 磁気抵抗効果デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】共振器に適用可能な磁気抵抗効果デバイスを提供する。【解決手段】この磁気抵抗効果デバイスは、高周波信号が入力される第１のポートと、第１の方向において順に積層された磁化固着層とスペーサ層と磁化自由層とを含む磁気抵抗効果素子と、第１のポートと磁気抵抗効果素子の一端とを繋ぐ第１の信号線路と、磁気抵抗効果素子の他端と接続された第２の信号線路と、その第２の信号線路と接続され、磁気抵抗効果素子を第１の方向に伝播した高周波信号のうちの一部の高周波成分が出力される第２のポートとを備える。磁気抵抗効果素子は、第１の方向と実質的に直交する第２の方向において互いに対向すると共に第１の方向および第２の方向の双方と実質的に直交する第３の方向にそれぞれ伸びる第１の端面および第２の端面を有し、第１の端面における第３の方向に沿った第１の長さと、第２の端面における第３の方向に沿った第２の長さとが異なる。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を含む磁気抵抗効果デバイスに関する。

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フィルタ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）。

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

磁気抵抗効果素子に対し、交流電流を流すのと同時に、磁場印加機構によって磁場を印加することで、その磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすことができる。その際、磁気抵抗効果素子の抵抗値は、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に振動する。また、磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、その磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は変化する。その共鳴周波数は、例えば数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。このような性質を有する磁気抵抗効果素子を利用して、例えば高周波フィルタなどの共振器に適用可能な磁気抵抗効果デバイスを提供することが望ましい。

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスは、高周波信号が入力される第１のポートと、第１の方向において順に積層された磁化固着層とスペーサ層と磁化自由層とを含む磁気抵抗効果素子と、第１のポートと磁気抵抗効果素子の一端とを繋ぐ第１の信号線路と、磁気抵抗効果素子の他端と接続された第２の信号線路と、その第２の信号線路と接続され、磁気抵抗効果素子を第１の方向に伝播した高周波信号のうちの一部の高周波成分が出力される第２のポートとを備える。磁気抵抗効果素子は、第１の方向と実質的に直交する第２の方向において互いに対向すると共に第１の方向および第２の方向の双方と実質的に直交する第３の方向にそれぞれ伸びる第１の端面および第２の端面を有する。ここで、第１の端面における第３の方向に沿った第１の長さと、第２の端面における前記第３の方向に沿った第２の長さとが異なる。

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスでは、磁気抵抗効果素子は、第３の方向に沿って第１の長さを有する第１の端面および第３の方向に沿って第２の長さを有する第２の端面を有する。このため、高周波信号が第１の端面の近傍を第１の方向に伝播する際の抵抗値と、高周波信号が第２の端面の近傍を第１の方向に伝播する際の抵抗値とが異なる。すなわち、高周波信号が第１の端面の近傍を第１の方向に伝播する際の磁気抵抗効果素子の共振周波数と、高周波信号が第２の端面の近傍を第１の方向に伝播する際の磁気抵抗効果素子の共振周波数とが異なる。

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスでは、磁気抵抗効果素子、第１の信号線路および第２の信号線路と共に閉回路を構成する直流電流入力端子をさらに備え、第１のポート、磁気抵抗効果素子および第２のポートがこの順に直列接続されていてもよい。また、本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスでは、第１の長さをＬ１とし、第２の長さをＬ２とするとき、下記の条件式（１）から（３）を満たすようにするとよい。
−０．４＜（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１＜０．４ ……（１）
Ｌ１≠Ｌ２ ……（２）
Ｌ１，Ｌ２＞０ ……（３）

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスでは、磁気抵抗効果素子の第３の方向における長さは、第１の端面から第２の端面へ向かうにしたがい、単調減少するとよい。また、磁気抵抗効果素子に対し、第３の方向へ磁場を印加する磁場供給部をさらに備えるようにしてもよい。その磁場供給部は、磁気抵抗効果素子に対して印加する磁場の強度を変化させるものであるとよい。その場合、インピーダンス素子をさらに有するとよい。

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスによれば、高周波信号が伝播する部分によって磁気抵抗効果素子の共鳴周波数が異なっている。このため、本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスは、単一の磁気抵抗効果素子を利用しつつ、より広い帯域に対応した共振器として振舞うことができる。
なお、本発明の効果はこれに限定されるものではなく、以下に記載のいずれの効果であってもよい。

本発明の一実施の形態としての磁気抵抗効果デバイスの全体構成を表す断面模式図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子を拡大して表す斜視図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子を拡大して表す平面図である。 図１に示した磁気抵抗効果デバイスの直流電流に対する周波数と減衰量との関係を表す特性図である。 図１に示した磁気抵抗効果デバイスの磁場強度に対する周波数と減衰量との関係を表す特性図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の作用を説明するための説明図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の作用を説明するための他の説明図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子における、寸法比率と帯域との関係を表す特性図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の第１の変形例を表す斜視図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の第２の変形例を表す平面図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の第３の変形例を表す平面図である。 図１に示した磁気抵抗効果素子の第４の変形例を表す平面図である。 参考例としての磁気抵抗効果素子の作用を説明するための説明図である。 参考例としての磁気抵抗効果素子の作用を説明するための他の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．一実施の形態
２．実験例
３．その他の変形例

＜１．一実施の形態＞
［磁気抵抗効果デバイス１００の構成］
図１Ａ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、例えば磁気抵抗効果素子１と、上部電極５と、下部電極６と、第１のポート９Ａと、第２のポート９Ｂと、信号線路７Ａ，７Ｂと、チョークコイル１０と、直流電流入力端子１１と、磁場供給部１２と、直流電流源１３とを有している。

第１のポート９Ａ、磁気抵抗効果素子１および第２のポート９Ｂは、信号線路７Ａ，７Ｂを介してこの順に直列接続されている。すなわち、第１のポート９Ａと磁気抵抗効果素子１とが信号線路７Ａにより接続され、磁気抵抗効果素子１と第２のポート９Ｂとが信号線路７Ｂにより接続されている。チョークコイル１０は、接続点Ｐ２において信号線路７Ｂと接続された一端と、グラウンド８に接続された他端とを有する。直流電流入力端子１１は、接続点Ｐ１において信号線路７Ａと接続された一端と、直流電流源１３と接続された他端とを含んでいる。直流電流源１３は、直流電流入力端子１１と接続された一端と、グラウンド８に接続された他端とを含んでいる。このように磁気抵抗効果デバイス１００においては、信号線路７Ａ、磁気抵抗効果素子１、信号線路７Ｂ、チョークコイル１０、グラウンド８、直流電流源１３および直流電流入力端子１１を含む閉回路が形成されている。

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２のポート９Ｂは、第１のポート９Ａから入力された高周波信号のうち、磁気抵抗効果素子１を通過した一部の高周波成分が出力される出力ポートである。

信号線路７Ａは、第１のポート９Ａと接続された一端と、上部電極５と接続された他端とを含んでいる。信号線路７Ｂは、第２のポート９Ｂと接続された一端と、下部電極６と接続された他端とを含んでいる。上部電極５と下部電極６との間には、それらと電気的に接続されるように磁気抵抗効果素子１が設けられている。また、高周波信号が第１のポート９Ａから第２のポート９Ｂに至る際の電力比（出力電力／入力電力）のｄＢ値である減衰量Ｓ２１は、例えば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できる。

上部電極５および下部電極６は、一対の電極としての機能を有し、磁気抵抗効果素子１を構成する各層の積層方向において磁気抵抗効果素子１を挟んで配設されている。すなわち、上部電極５および下部電極６は、磁気抵抗効果素子１に対し、磁気抵抗効果素子１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１を構成する各層の面に対して垂直をなす方向に信号電流を流すように機能する。上部電極５および下部電極６は、例えばＴａ（タンタル），Ｃｕ（銅），Ａｕ（金），ＡｕＣｕ（金銅合金）もしくはＲｕ（ルテニウム）を主たる材料として含む単層膜、またはこれらを主たる材料として含む単層膜を２以上積層してなる積層膜により構成されることが好ましい。

磁気抵抗効果素子１は、図２Ａに示したように、例えば磁化固着層２とスペーサ層３と磁化自由層４とが下部電極６の上に順に積層された積層構造を有するものである。磁気抵抗効果素子１は、積層方向と直交する上面および底面がいずれも台形状であり、例えば上面から底面に向かうに従って徐々にその平面積を拡大するように傾斜した端面を含む錐台形状をなしている。

磁化固着層２は、例えば強磁性体材料を主たる材料として含んでおり、その磁化方向が実質的に一方向に固着されている。磁化固着層２に含まれる上記強磁性体材料としては、例えばＦｅ（鉄），Ｃｏ（コバルト）もしくはＮｉ（ニッケル）の単体、またはＮｉとＦｅとの合金、ＦｅとＣｏとの合金、もしくはＦｅとＣｏとＢ（ボロン）との合金などの、高スピン分極率材料が好ましい。そのような高スピン分極率材料を選択することにより、磁気抵抗効果素子１における高い磁気抵抗変化率が得られるからである。

さらに、磁化固着層２を構成する強磁性材料として、例えば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系合金、などを用いることもできる。これらの強磁性材料を主たる構成材料として含む磁化固着層２は、膜面法線方向に沿って固着された磁化を有することとなる。膜面法線方向に沿って固着された磁化を有する磁化固着層２を構成する強磁性材料としては、上記のもののほか、例えばＣｏ／Ｐｔ人工格子膜，Ｃｏ／Ｐｄ人工格子膜，Ｆｅ／Ｐｄ人工格子膜およびＦｅＢなどが挙げられる。また、磁化固着層２は、ホイスラー合金を主たる材料として含むようにしてもよい。磁化固着層２の膜厚は、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができる。また、磁化固着層２の磁化を安定化するために、磁化固着層２の、スペーサ層３と反対側の面と接するように反強磁性層をさらに設けるようにしてもよい。あるいは結晶構造や形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化固着層２の磁化を安定化するようにしてもよい。そのような反強磁性層の構成材料としては、例えばＦｅＯ，ＣｏＯ，ＮｉＯ，ＣｕＦｅＳ₂，ＩｒＭｎ，ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ，Ｃｒ（クロム）またはＭｎ（マンガン）などを用いることができる。

スペーサ層３は、磁化固着層２と磁化自由層４の間に配置される。磁気抵抗効果素子１では、磁化固着層２の磁化と磁化自由層４の磁化とがスペーサ層３を介して相互作用することにより磁気抵抗効果が得られる。スペーサ層３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（電流狭窄層）により構成される。

スペーサ層３として適用される非磁性導電材料としては、例えばＣｕ，Ａｇ（銀），ＡｕまたはＲｕなどが挙げられる。スペーサ層３がそのような非磁性導電材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistive）効果を発現する。その際、スペーサ層３の膜厚は、例えば０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ程度とするとよい。

スペーサ層３として適用される非磁性絶縁材料としては、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ （アルミナ）またはＭｇＯ（酸化マグネシウム）などが挙げられる。スペーサ層３がそのような非磁性絶縁材料からなる場合、磁気抵抗効果素子１はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magneto-Resistive）効果を発現する。その際、磁化固着層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の膜厚が調整される。スペーサ層３の膜厚は、例えば０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ程度とするとよい。

スペーサ層３として適用される非磁性半導体材料としては、例えばＺｎＯ，Ｉｎ₂ Ｏ₃ ,ＳｎＯ_{2 ,}ＩＴＯ、ＧａＯ_xまたはＧａ₂Ｏ_xなどが挙げられる。その場合のスペーサ層３の膜厚は、例えば１．０ｎｍ〜４．０ｎｍ程度とすることが望ましい。

スペーサ層３として適用される電流狭窄層としては、Ａｌ₂ Ｏ₃ またはＭｇＯなどからな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設けるようにした構造を有するものが好ましい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、０．５ｎｍ〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。

磁化自由層４は、外部印加磁場もしくはスピン偏極電子によって変化する磁化方向を有するものであり、強磁性材料により構成されている。磁化自由層４を構成する強磁性材料としては、例えばＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＭｎＧｅ，ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどが挙げられる。これらの強磁性材料を主たる構成材料として含む場合、膜面内方向に沿って磁化容易軸を有することとなる。その場合、磁化自由層４は、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有するとよい。

また、磁化自由層４は、ホイスラー合金により構成されていてもよい。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が挿入されていてもよい。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することにより、磁気抵抗効果素子１においてより高い磁気抵抗変化率を得ることができるからである。そのような高スピン分極率材料としては、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢなどが挙げられる。磁化自由層４は、その構成材料としてＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＢいずれを用いた場合であっても、例えば０．２ｎｍ〜１．０ｎｍ程度の厚さを有するとよい。

また、上部電極５と磁気抵抗効果素子１との間、および下部電極６と磁気抵抗効果素子１との間に、それぞれキャップ層、シード層またはバッファー層を配設してもよい。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もしくはＣｒなどからなる単層膜、またはそれらの単層膜が複数積層されてなる積層膜などが挙げられる。キャップ層、シード層またはバッファー層の膜厚は、いずれも１ｎｍ〜２０ｎｍ程度とすることが好ましい。

磁気抵抗効果素子１は、その積層方向と直交する断面において、図２Ｂに示したように例えば台形状の平面形状を有する。すなわち、磁気抵抗効果素子１は、積層方向であるＺ軸方向と実質的に直交するＸ軸方向において互いに対向すると共に、Ｚ軸方向およびＸ軸方向の双方と実質的に直交するＹ軸方向にそれぞれ伸びる端面Ｓ１および端面Ｓ２を有している。なお、本実施の形態において、Ｚ軸方向が本発明の「第１の方向」に対応する一具体例であり、Ｘ軸方向が本発明の「第２の方向」に対応する一具体例であり、Ｙ軸方向が本発明の「第３の方向」に対応する一具体例である。ここで、端面Ｓ１の、Ｙ軸方向に沿った長さＬ１と、端面Ｓ２におけるＹ軸方向に沿った長さＬ２とが異なっている（Ｌ１≠Ｌ２，Ｌ１＞０，Ｌ２＞０）。図２Ｂでは、長さＬ１が長さＬ２よりも大きい場合を表している。ここで、長さＬ１と長さＬ２との差分は、長さＬ１の４０％よりも大きいことが望ましい。すなわち、磁気抵抗効果素子１は、下記の条件式（１）から（３）を満たす関係を有することが望ましい。

−０．４＜（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１＜０．４ ……（１）
Ｌ１≠Ｌ２ ……（２）
Ｌ１，Ｌ２＞０ ……（３）

図２Ｂでは、磁気抵抗効果素子１のＹ軸方向の長さＬは、端面Ｓ１から端面Ｓ２へ向かうにしたがい単調減少する場合を例示している。なお、端面Ｓ１が本発明の「第１の端面」に対応する一具体例であり、端面Ｓ２が本発明の「第２の端面」に対応する一具体例である。また、長さＬ１が本発明の「第１の長さ」に対応する一具体例であり、長さＬ２が本発明の「第２の長さ」に対応する一具体例である。

グラウンド８は、基準電位として機能する。信号線路７Ａ，７Ｂおよびグラウンド８の形状は、例えば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）型であるとよい。信号線路７Ａ，７Ｂの特性インピーダンスと、閉回路におけるその他のインピーダンスとが等しくなるように信号線路７Ａ，７Ｂの幅や信号線路７Ａ，７Ｂとグラウンド８との距離を設計することにより、伝送損失の少ない信号線路７Ａ，７Ｂが実現される。

チョークコイル１０は、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。本明細書において、「チョークコイル」という用語は、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素子の総称として用いる。チョークコイル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。チョークコイル１０のインダクタンス値は１０ｎＨ以上であることが好ましい。チョークコイル１０の存在により、磁気抵抗効果素子１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１、信号線路７Ａ，７Ｂ、チョークコイル１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１などを含む閉回路に、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１を挟んでチョークコイル１０とは反対側の信号線路７Ａ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１に直流電流を印加することができる。図１に示した磁気抵抗効果デバイス１００では、磁気抵抗効果素子１に、磁化自由層４から磁化固着層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、チョークコイル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およ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１、信号線路７Ａ，７Ｂ、チョークコイル１０、グラウンド８および直流電流入力端子１１などを含む閉回路に対し直流電流を印加するものである。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。

磁場供給部１２は、磁気抵抗効果素子１の近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１に対し例えばＹ軸方向の磁場を印加するものである。磁場供給部１２は、例えば電圧もしくは電流のいずれかを変化させること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の磁場印加装置である。また、磁場供給部１２は、電磁石型あるいはストリップライン型の磁場印加装置と、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。磁場供給部１２は、磁気抵抗効果素子１に対し磁場を印加することにより、磁気抵抗効果素子１にスピントルク共鳴現象を誘起することができる。また、磁場供給部１２は、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させることで磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化することができる。

［磁気抵抗効果デバイス１００の動作］
次に、磁気抵抗効果デバイス１００の動作について説明する。ここでは、まず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１に対し磁場供給部１２により磁場を印加すると同時に、磁気抵抗効果素子１に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第１のポート９Ａへ入力すると、磁化自由層４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１の素子抵抗値は、磁化固着層２と磁化自由層４との磁化の相対角で決定される。そのため、スピントルク共鳴時の磁気抵抗効果素子１の抵抗値は、磁化自由層４の磁化の振動に伴い、周期的に変化する。すなわち磁気抵抗効果素子１は、スピントルク共鳴周波数においてその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できる。さらに、その抵抗振動素子（磁気抵抗効果素子１）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、磁化自由層４の磁化の振動の位相と、入力した高周波信号の位相とが同期し、この高周波信号に対するインピーダンスは減少する。すなわち、磁気抵抗効果素子１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において高周波信号のインピーダンスが減少する抵抗素子（共振器）として取り扱うことができる。また、磁気抵抗効果素子１に印加される磁場が強くなるに従ってスピントルク共鳴周波数は高くなる。

また、スピントルク共鳴時に磁気抵抗効果素子１に直流電流が印加されることにより、磁気抵抗効果素子１におけるスピントルクが増加し、振動する磁気抵抗効果素子１の抵抗値の振幅が増加する。振動する磁気抵抗効果素子１の抵抗値の振幅が増加することにより、磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスの変化量が増加する。また、磁気抵抗効果素子１に対して印加される直流電流の電流密度が大きくなるに従い、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数は低くなる。したがって、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子１に対し磁場供給部１２により印加される磁場の強度を変化させたり、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に対し印加される直流電流を変化させたりすることで、変化させることができる。

スピントルク共鳴現象により、第１のポート９Ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくはスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、低インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通過したのち、第２のポート９Ｂから出力される。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数帯域を通過帯域とする高周波フィルタとして機能する。

図３および図４は、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減衰量Ｓ２１との関係を示した特性図である。図３および図４の縦軸は減衰量Ｓ２１、横軸は周波数を表している。図３は、磁気抵抗効果素子１に印加された磁場が一定である場合の、高周波信号の周波数と減衰量Ｓ２１との関係を表している。図３において、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１に対して印加される直流電流値がＩａ１である場合に対応し、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１に対して印加される直流電流値がＩａ２である場合に対応する。ここで、直流電流値Ｉａ２は直流電流値Ｉａ１よりも大きい（Ｉａ１＜Ｉａ２）。一方、図４は、磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値が一定である場合の、高周波信号の周波数と減衰量Ｓ２１との関係を表している。図４のプロット線１００ｂ１は、磁場供給部１２から磁気抵抗効果素子１に対し印加される磁場強度がＨｂ１である場合に対応し、プロット線１００ｂ２は磁場供給部１２から磁気抵抗効果素子１に対し印加される磁場強度がＨｂ２である場合に対応する。ここで、磁場強度Ｈｂ２は磁場強度Ｈｂ１よりも大きい（Ｈｂ１＜Ｈｂ２）。

例えば、図３に示したように、直流電流入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加する直流電流値をＩａ１からＩａ２に増大させた場合、その直流電流値の変化に伴い磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）での素子インピーダンスの低下量が増加する。そのため、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、減衰量Ｓ２１の絶対値が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、遮断特性のレンジおよび通過特性のレンジが大きな高周波フィルタとして機能する。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１のスピントルク共鳴周波数はｆａ１からｆａ２へ低下する。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。したがって、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することのできる高周波フィルタとしても機能する。

さらに、図４に示したように、磁場供給部１２から印加される磁場強度をＨｂ１からＨｂ２に高めた場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｂ１からｆｂ２へ高まる。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、磁場強度を変化させる場合のほうが、直流電流値を変化させる場合よりも通過周波数帯域を大きくシフトさせることができる。このように、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁場強度を変化させることで通過周波数帯域の周波数を変化可能な高周波フィルタとして機能することもできる。

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。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数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ーとして機能することもできる。

このように、磁気抵抗効果デバイス１００では、磁気抵抗効果素子１に対し第１のポート９Ａから信号線路７Ａを介して高周波信号が入力されると同時に、磁場供給部１２から磁気抵抗効果素子１に対し磁場が印加されることにより、磁気抵抗効果素子１にスピントルク共鳴を誘起させることができる。そのスピントルク共鳴により、磁気抵抗効果素子１は、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に抵抗値が振動する素子として扱うことができる。このため、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数に対する素子インピーダンスが減少する。第１のポート９Ａ、磁気抵抗効果素子１および第２のポート９Ｂがこの順に直列接続されることにより、高周波信号を高インピーダンスの非共鳴周波数では遮断し、低インピーダンスの共鳴周波数では通過させることができる。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は、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。

また、信号線路７Ｂとグラウンド８とを繋ぐチョークコイル１０（インピーダンス素子）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に流すことができる。これにより、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１、信号線路７Ａ，７Ｂ、チョークコイル１０（インピーダンス素子）、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１に効率的に直流電流を印加することができる。磁気抵抗効果素子１は、この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１の素子インピーダンスの変化量が増加するため、磁気抵抗効果デバイス１００は、遮断特性のレンジと通過特性のレンジとが大きな高周波フィルタとして機能することが可能となる。

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１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。このため、磁気抵抗効果デバイス１００は、周波数可変フィルタとしても機能する。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁場供給部１２が、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化可能であるので、周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００には、第２のポート９Ｂに対して並列に信号線路７Ａ，７Ｂおよびグラウンド８と接続された磁気抵抗効果素子が存在しない。信号線路７Ａ，７Ｂおよびグラウンド８に、第２のポート９Ｂに対して並列に接続された磁気抵抗効果素子を設けた場合、その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の影響により、高周波信号の損失増加が生じる。磁気抵抗効果デバイス１００では、そのような高周波信号の損失増加を防ぐことができる。これにより、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過特性のよい高周波フィルタとして機能することができる。

また、本実施の形態の磁気抵抗効果デバイス１００では、磁気抵抗効果素子１がＸ軸方向において互いに対向すると共にＹ軸方向にそれぞれ伸びる端面Ｓ１および端面Ｓ２を有し、端面Ｓ１の長さＬ１と端面Ｓ２の長さＬ２とが異なるようにした。このため、磁気抵抗効果素子１に対して例えばＹ軸方向に沿った磁場が印加されている状態において、磁気抵抗効果素子１の積層方向（Ｚ軸方向）へ信号電流を流すと、端面Ｓ１近傍における抵抗値と端面Ｓ２近傍における抵抗値との差が生じる。すなわち、高周波信号が端面Ｓ１の近傍をＺ軸方向に伝播する際の磁気抵抗効果素子１の共振周波数Ｆ１と、高周波信号が端面Ｓ２の近傍をＺ軸方向に伝播する際の磁気抵抗効果素子１の共振周波数Ｆ２とが異なる。

例えば図５Ａおよび図５Ｂに示したように、Ｘ軸方向において異なる位置Ｘ１〜Ｘ５での磁気抵抗効果素子１の共鳴周波数Ｆ１〜Ｆ５は互いに異なる。図５Ａは磁気抵抗効果素子１における位置を表し、図５Ｂは磁気抵抗効果素子１におけるスピントルク共鳴現象のピーク位置およびピーク強度を表す模式図である。図５Ｂにおいて、横軸は周波数［Hz］を表し、縦軸は減衰量Ｓ２１［ｄB］を表している。図５ＢにおけるピークＰＫ１〜ＰＫ５は、それぞれ、図５Ａに示した磁気抵抗効果素子１における位置Ｘ１〜Ｘ５でのスピントルク共鳴現象を表している。このように、同一の磁気抵抗効果素子１でありながら、スピントルク共鳴現象が生じるスピントルク共鳴周波数の帯域がＦ１〜Ｆ５の範囲に広がっている。

したがって、本実施の形態の磁気抵抗効果デバイス１００によれば、高周波信号が伝播する部分によって磁気抵抗効果素子１の共鳴周波数が異なるようにしたので、単一の磁気抵抗効果素子１を利用しつつ、より広い帯域に対応した共振器として振舞うことができる。このため、複数の磁気抵抗効果素子を設ける必要がないので、磁気抵抗効果デバイス１００の全体構成の簡素化および小型化を実現できる。

ここで、本実施の形態の磁気抵抗効果デバイス１００では、端面Ｓ１および端面Ｓ２がいずれも平坦面であることから、端面Ｓ１および端面Ｓ２が湾曲している場合と比較して、より広い帯域の高周波信号に対応したフィルタとして機能することができる。端面Ｓ１および端面Ｓ２が湾曲面である場合よりも端面Ｓ１および端面Ｓ２が平坦面である場合に、Ｘ軸方向の位置に応じて生じるスピントルク共鳴現象を生じる周波数での減衰量Ｓ２１のばらつきが小さくなるからである。これに対し例えば端面Ｓ１および端面Ｓ２が湾曲している場合、例えば楕円形や円形の平面形状を磁気抵抗効果素子１が有する場合、減衰量Ｓ２１のばらつきが大きくなってしまう。端面Ｓ１および端面Ｓ２が湾曲している場合、ＸＹ平面において、その磁気抵抗効果素子１のうち比較的小さな長さＬを有する部分の占有面積率が、端面Ｓ１および端面Ｓ２が平坦面である場合と比較して小さくなるからである。より具体的には、例えば図９Ａに示した参考例としての磁気抵抗効果素子１０１のようにその平面形状が半楕円形をなす場合、すなわち、端面Ｓ２が湾曲している場合を考える。この場合も図９Ｂに示したように、Ｘ軸方向において異なる位置Ｘ１〜Ｘ５（図９Ａ参照）での磁気抵抗効果素子１０１の共鳴周波数Ｆ１〜Ｆ５は互いに異なる。図９Ａは磁気抵抗効果素子１０１における位置を表し、図９Ｂは磁気抵抗効果素子１０１におけるスピントルク共鳴現象のピーク位置およびピーク強度を表す模式図である。図９Ｂにおいて、横軸は周波数［Hz］を表し、縦軸は減衰量Ｓ２１［ｄB］を表している。図９ＢにおけるピークＰＫ１〜ＰＫ５は、それぞれ、図９Ａに示した磁気抵抗効果素子１０１における位置Ｘ１〜Ｘ５でのスピントルク共鳴現象を表している。このように、磁気抵抗効果素子１０１では、共鳴周波数Ｆ１〜Ｆ５が高くなるほどピークＰＫ１〜ＰＫ５の高さ、すなわち減衰量Ｓ２１が減少する傾向を示すこととなる。より広い帯域の高周波信号に対応したフィルタとしては、図５Ｂに示した挙動を示す磁気抵抗効果素子１がより望ましい。

＜２．実験例＞
次に、本発明の磁気抵抗効果デバイスにおける磁気抵抗効果素子について、シミュレーションにより、磁気抵抗効果素子における長さＬ１と長さＬ２との差と、スピントルク共鳴現象を生じる周波数帯域との関係について調査した。その結果を図６に示す。図６において、横軸が（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１［％］を表し、縦軸が周波数帯域［ＭＨｚ］を表している。

図６に示したように、長さＬ１と長さＬ２との差が大きくなるほど周波数帯域も大きくなることがわかった。ところが、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１［％］が＋４０％を超えたり、（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１［％］が−４０％を下回ったりすると、周波数帯域の変化は小さくなった。これは、端面Ｓ１近傍における抵抗値と端面Ｓ２近傍における抵抗値との差が大きくなりすぎることにより、磁気抵抗効果素子１を流れる信号電流の大半が抵抗値の低い領域を流れるようになるためと考えられる。したがって、上述の条件式（１）を満たすようにすることで、磁気抵抗効果素子１の共鳴周波数の帯域を効果的に広げることができる。

＜３．その他の変形例＞
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明では、軟磁性層の形状は上記実施の形態等のものに限定されない。例えば上記実施の形態では、磁気抵抗効果素子がその積層方向（Ｚ軸方向）において端面が傾斜する錐台形状である場合を例示して説明するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば磁気抵抗効果素子を構成する各層の平面寸法を全て同一としてもよい。

また、平面形状についても台形状のものに限定されない。すなわち、図２Ｂでは磁気抵抗効果素子１の平面形状が、一対の対向する端面Ｓ１，Ｓ２と、それらに対して傾斜した端面Ｓ３，Ｓ４とを含む台形状である場合を例示したが、その平面形状は例えば図８Ａ〜８Ｃに示した各種形状であってもよい。図８Ａは、矩形部分２１と矩形部分２２とを組み合わせたＴ形状をなす磁気抵抗効果素子１Ｂの例である。図８Ｂは、矩形部分２１と台形部分２３とを組み合わせた形状をなす磁気抵抗効果素子１Ｃの例である。図８Ｃは、端面Ｓ３が端面Ｓ１および端面Ｓ２と直交する台形状をなす磁気抵抗効果素子１Ｄの例である。磁気抵抗効果素子１Ｄの例のように、対称性を有しない形状であってもよい。

また、上記実施の形態では、インピーダンス素子としてチョークコイル１０を用いた例を説明したが、本発明ではチョークコイル１０に替えて抵抗素子をインピーダンス素子として備えてもよい。この場合、その抵抗素子は、信号線路７Ｂとグラウンド８との間に接続され、その抵抗素子の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。

また、上記実施の形態では、磁場供給部により磁気抵抗効果素子に印加する磁場強度を変化させることで、磁気抵抗効果素子におけるスピントルク共鳴周波数を変化させるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、磁化自由層の磁化の歳差運動の周期（共鳴周波数）を磁場強度変化以外の手法、例えばスピン軌道トルクの変化を利用する方法、直流電流の電圧変化を利用する方法、あるいは高周波電圧の変化を利用する方法により、スピントルク共鳴周波数の選択が行われる磁気抵抗効果デバイスであってもよい。

１００…磁気抵抗効果デバイス、１，１Ａ〜１Ｄ…磁気抵抗効果素子、２…磁化固着層、３…スペーサ層、４…磁化自由層、５…上部電極、６…下部電極、７Ａ，７Ｂ…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…チョークコイル、１１…直流電流入力端子、１２…磁場供給部、１３…直流電流源。

Claims (7)

1. 高周波信号が入力される第１のポートと、
   第１の方向において順に積層された磁化固着層とスペーサ層と磁化自由層とを含む磁気抵抗効果素子と、
   前記第１のポートと前記磁気抵抗効果素子の一端とを繋ぐ第１の信号線路と、
   前記磁気抵抗効果素子の他端と接続された第２の信号線路と、
   前記第２の信号線路と接続され、前記磁気抵抗効果素子を前記第１の方向に伝播した前記高周波信号のうちの一部の高周波成分が出力される第２のポートと
   を備え、
   前記磁気抵抗効果素子は、前記第１の方向と実質的に直交する第２の方向において互いに対向すると共に前記第１の方向および前記第２の方向の双方と実質的に直交する第３の方向にそれぞれ伸びる第１の端面および第２の端面を有し、
   前記第１の端面における前記第３の方向に沿った第１の長さと、前記第２の端面における前記第３の方向に沿った第２の長さとが異なる
   磁気抵抗効果デバイス。
2. 前記磁気抵抗効果素子、前記第１の信号線路および前記第２の信号線路と共に閉回路を構成する直流電流入力端子をさらに備え、
   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のポートがこの順に直列接続されている
   請求項１記載の磁気抵抗効果デバイス。
3. 前記第１の長さをＬ１とし、前記第２の長さをＬ２とするとき、下記の条件式（１）から（３）を満たす
   請求項１または請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
   −０．４＜（Ｌ１−Ｌ２）／Ｌ１＜０．４ ……（１）
   Ｌ１≠Ｌ２ ……（２）
   Ｌ１，Ｌ２＞０ ……（３）
4. 前記磁気抵抗効果素子の前記第３の方向における長さは、前記第１の端面から前記第２の端面へ向かうにしたがい、単調減少する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
5. 前記磁気抵抗効果素子に対し、前記第３の方向へ磁場を印加する磁場供給部をさらに備えた
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
6. 前記磁場供給部は、前記磁気抵抗効果素子に対して印加する前記磁場の強度を変化させる
   請求項５記載の磁気抵抗効果デバイス。
7. インピーダンス素子をさらに有する
   請求項６記載の磁気抵抗効果デバイス。

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