JP2018121150A - Filter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いたフィルタ装置に関する。 The present invention relates to a filter device using a magnetoresistive effect element.
近年、携帯電話機等の移動体通信機器の高機能化に伴い、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帯域の帯域幅に比例するため、通信に必要な周波数帯域の数は増加し、それに伴い、移動体通信機器に搭載されるバンドパスフィルタ等の高周波フィルタの数も増加している。 In recent years, with the enhancement of functions of mobile communication devices such as mobile phones, the speed of wireless communication has been increased. Since the communication speed is proportional to the bandwidth of the frequency band to be used, the number of frequency bands necessary for communication increases, and accordingly, the number of high-frequency filters such as bandpass filters mounted on mobile communication devices also increases. ing.
一方、近年、高周波フィルタ等の高周波デバイスへ応用できる可能性のある技術として、スピントロニクスが注目されている。スピントロニクスの中で特に注目されている技術の1つに、強磁性共鳴を利用した技術がある。磁界中に置かれた強磁性体の磁化は、磁化の方向が変化するような振動を行い得る。この磁化の振動は、例えば歳差運動である。強磁性共鳴は、特定の周波数で変動するエネルギの付与によって、その特定の周波数で磁化が振動し、且つ磁化の振動の振幅が最大になる現象である。以下、磁化の振動の振幅が最大になるときの磁化の振動の周波数を強磁性共鳴周波数と言う。強磁性共鳴を発生させるエネルギとしては、高周波磁界や高周波電流等がある。 On the other hand, in recent years, spintronics has attracted attention as a technology that can be applied to high-frequency devices such as high-frequency filters. One technique that has attracted particular attention in spintronics is a technique using ferromagnetic resonance. The magnetization of a ferromagnetic material placed in a magnetic field can oscillate such that the direction of magnetization changes. This magnetization vibration is, for example, precession. Ferromagnetic resonance is a phenomenon in which magnetization is oscillated at a specific frequency and the amplitude of vibration of the magnetization is maximized by applying energy varying at a specific frequency. Hereinafter, the frequency of magnetization vibration when the amplitude of magnetization vibration becomes maximum is referred to as a ferromagnetic resonance frequency. Examples of energy that generates ferromagnetic resonance include a high-frequency magnetic field and a high-frequency current.
以下、スピントロニクスを利用する素子をスピントロニクス素子と言う。代表的なスピントロニクス素子としては、磁化の方向が固定された磁化固定層と、外部磁界の方向に応じて磁化の方向が変化する磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に配置されたスペーサ層とを含む磁気抵抗効果素子が知られている。 Hereinafter, an element using spintronics is referred to as a spintronic element. As a typical spintronic device, a magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, a magnetization free layer whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field, and a magnetization fixed layer and a magnetization free layer are arranged. A magnetoresistive element including a spacer layer is known.
特許文献1には、磁気抵抗効果素子からなる周波数変換素子と、周波数変換素子に磁界を印加するための機構と、周波数変換素子に局部発振信号を印加するための局部発振器と、周波数変換素子と電気的に接続され、且つ外部入力信号を入力するための入力端子とを備えた周波数変換装置が記載されている。
バンドパスフィルタとしては、弾性波共振器を用いて構成された弾性波フィルタが知られている。弾性波共振器とは、弾性波素子を用いて構成された共振器である。弾性波素子とは、弾性波を利用した素子である。弾性波素子には、弾性表面波を利用する弾性表面波素子や、バルク弾性波を利用するバルク弾性波素子がある。 As a band pass filter, an elastic wave filter configured using an elastic wave resonator is known. The acoustic wave resonator is a resonator configured using an acoustic wave element. An elastic wave element is an element using an elastic wave. There are surface acoustic wave elements that use surface acoustic waves and bulk acoustic wave elements that use bulk acoustic waves.
弾性波フィルタに限らず、一般的なバンドパスフィルタでは、通過帯域を変えることはできない。 The passband cannot be changed with a general bandpass filter, not limited to the acoustic wave filter.
磁気抵抗効果素子の磁化自由層は強磁性共鳴を生じ得ることから、磁気抵抗効果素子を用いた共振器や、この共振器を用いた高周波フィルタを実現できる可能性がある。また、特許文献1に記載されているように、磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、例えば、磁化自由層に印加される外部磁界の大きさを変えることによって変えることができる。そのため、磁気抵抗効果素子を用いて、通過帯域を変えることのできるバンドパスフィルタを実現できる可能性がある。
Since the magnetization free layer of the magnetoresistive effect element can cause ferromagnetic resonance, there is a possibility that a resonator using the magnetoresistive effect element and a high frequency filter using the resonator can be realized. As described in
しかし、磁気抵抗効果素子を用いて、実用的なバンドパスフィルタを実現するためには、通過帯域をいかにして広くするかが問題となる。 However, in order to realize a practical bandpass filter using a magnetoresistive effect element, how to widen the passband becomes a problem.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、磁気抵抗効果素子を用いたフィルタ装置であって、実用的なバンドパスフィルタとして動作させることのできるフィルタ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a filter device using a magnetoresistive effect element, which can be operated as a practical band-pass filter. is there.
本発明のフィルタ装置は、磁気抵抗効果素子と、高周波入力信号が印加される入力ポートと、高周波出力信号が現れる出力ポートと、エネルギ付与部とを備えている。磁気抵抗効果素子は、第1の磁化を有する第1の磁化自由層と、第2の磁化を有する第2の磁化自由層とを含んでいる。第1の磁化の方向は、第1の磁化自由層に作用する第1の有効磁界の方向に応じて変化する。第2の磁化の方向は、第2の磁化自由層に作用する第2の有効磁界の方向に応じて変化する。エネルギ付与部は、第1の磁化と第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギを磁気抵抗効果素子に付与するものである。高周波出力信号は、第1の磁化と第2の磁化の振動に起因するものである。 The filter device of the present invention includes a magnetoresistive effect element, an input port to which a high frequency input signal is applied, an output port in which a high frequency output signal appears, and an energy applying unit. The magnetoresistive effect element includes a first magnetization free layer having a first magnetization and a second magnetization free layer having a second magnetization. The direction of the first magnetization changes according to the direction of the first effective magnetic field that acts on the first magnetization free layer. The direction of the second magnetization changes according to the direction of the second effective magnetic field acting on the second magnetization free layer. The energy applying unit applies energy to the magnetoresistive element for generating vibration based on the high-frequency input signal in the first magnetization and the second magnetization. The high-frequency output signal is caused by vibrations of the first magnetization and the second magnetization.
本発明のフィルタ装置において、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の強磁性共鳴周波数が互いに異なっていてもよい。 In the filter device of the present invention, the ferromagnetic resonance frequencies of the first magnetization free layer and the second magnetization free layer may be different from each other.
また、本発明のフィルタ装置は、更に、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の少なくとも一方に対して外部磁界を印加する少なくとも1つの外部磁界印加部を備えていてもよい。少なくとも1つの外部磁界印加部は、第1の磁化自由層に対して第1の外部磁界を印加する第1の外部磁界印加部と、第2の磁化自由層に対して第2の外部磁界を印加する第2の外部磁界印加部であってもよい。第1の外部磁界と第2の外部磁界は、互いに大きさが異なっていてもよい。 The filter device of the present invention may further include at least one external magnetic field application unit that applies an external magnetic field to at least one of the first magnetization free layer and the second magnetization free layer. The at least one external magnetic field application unit applies a first external magnetic field application unit that applies the first external magnetic field to the first magnetization free layer, and a second external magnetic field to the second magnetization free layer. A second external magnetic field application unit to be applied may be used. The first external magnetic field and the second external magnetic field may have different sizes.
また、本発明のフィルタ装置において、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層は、それらに作用する磁気異方性磁界の大きさが互いに異なっていてもよい。 In the filter device of the present invention, the first magnetization free layer and the second magnetization free layer may have different magnitudes of magnetic anisotropy magnetic fields acting on them.
また、本発明のフィルタ装置において、エネルギ付与部は、高周波入力信号に基づいて発生された高周波磁界を、前記エネルギとして磁気抵抗効果素子に付与してもよい。あるいは、エネルギ付与部は、高周波入力信号を、前記エネルギとして磁気抵抗効果素子に付与してもよい。 In the filter device of the present invention, the energy applying unit may apply a high frequency magnetic field generated based on a high frequency input signal to the magnetoresistive effect element as the energy. Or an energy provision part may provide a high frequency input signal to a magnetoresistive effect element as the said energy.
また、本発明のフィルタ装置において、磁気抵抗効果素子は、更に、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の間に配置されたスペーサ層を含んでいてもよい。この場合、高周波出力信号は、磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化に対応するものであってもよい。 In the filter device of the present invention, the magnetoresistive element may further include a spacer layer disposed between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer. In this case, the high frequency output signal may correspond to a change in the resistance value of the magnetoresistive effect element.
また、本発明のフィルタ装置において、磁気抵抗効果素子は、更に、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の間に配置された磁化固定部と、第1の磁化自由層と磁化固定部の間に配置された第1のスペーサ層と、第2の磁化自由層と磁化固定部の間に配置された第2のスペーサ層とを含んでいてもよい。磁化固定部は、方向が固定された磁化を有する少なくとも1つの磁化固定層を含んでいる。この場合、高周波出力信号は、磁化固定部、第1のスペーサ層および第1の磁化自由層を経由する第1の経路と、磁化固定部、第2のスペーサ層および第2の磁化自由層を経由する第2の経路からなる並列回路の抵抗値の変化に対応するものであってもよい。 In the filter device of the present invention, the magnetoresistive effect element further includes a magnetization fixed portion disposed between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer, the first magnetization free layer, and the magnetization fixed. A first spacer layer disposed between the first and second magnetization layers, and a second spacer layer disposed between the second magnetization free layer and the magnetization fixed portion. The magnetization fixed part includes at least one magnetization fixed layer having magnetization whose direction is fixed. In this case, the high-frequency output signal is transmitted through the first fixed path, the first spacer layer, and the first magnetization free layer, and the fixed magnetization section, the second spacer layer, and the second magnetization free layer. It may correspond to a change in the resistance value of the parallel circuit composed of the second route passing through.
本発明のフィルタ装置によれば、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号を得ることができると共に、バンドパスフィルタの通過帯域に相当する所定の周波数帯域において、高周波入力信号の電力に対する高周波出力信号の電力の比を大きくすることができる。従って、本発明のフィルタ装置は、バンドパスフィルタとして動作させることができる。また、本発明のフィルタ装置によれば、第1の磁化自由層の強磁性共鳴周波数と第2の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。これにより、本発明のフィルタ装置では、バンドパスフィルタとして動作させたときの通過帯域を広くすることができる。これらのことから、本発明によれば、実用的なバンドパスフィルタとして動作させることのできるフィルタ装置を実現することができるという効果を奏する。 According to the filter device of the present invention, a high frequency output signal having a frequency equal to the frequency of the high frequency input signal can be obtained, and a high frequency with respect to the power of the high frequency input signal can be obtained in a predetermined frequency band corresponding to the pass band of the band pass filter. The power ratio of the output signal can be increased. Therefore, the filter device of the present invention can be operated as a bandpass filter. According to the filter device of the present invention, the ferromagnetic resonance frequency of the first magnetization free layer and the ferromagnetic resonance frequency of the second magnetization free layer can be made different from each other. As a result, the filter device of the present invention can widen the passband when operated as a bandpass filter. For these reasons, according to the present invention, it is possible to realize a filter device that can be operated as a practical bandpass filter.
[第1の実施の形態]
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。始めに、図1および図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係るフィルタ装置の構成について説明する。図1は、本実施の形態に係るフィルタ装置を模式的に示す説明図である。図2は、本実施の形態おける磁気抵抗効果素子、第1の外部磁界印加部および第2の外部磁界印加部を示す斜視図である。図1に示したように、本実施の形態に係るフィルタ装置1は、磁気抵抗効果素子2と、高周波入力信号が印加される入力ポート3と、高周波出力信号が現れる出力ポート4と、エネルギ付与部5とを備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the configuration of the filter device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is an explanatory diagram schematically showing the filter device according to the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing the magnetoresistive effect element, the first external magnetic field application unit, and the second external magnetic field application unit in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the
図1および図2に示したように、磁気抵抗効果素子2は、第1の磁化を有する第1の磁化自由層21と、第2の磁化を有する第2の磁化自由層23と、第1の磁化自由層21と第2の磁化自由層23の間に配置されたスペーサ層22とを含んでいる。また、磁気抵抗効果素子2は、磁気抵抗効果素子2を構成する複数の層の積層方向の両端に位置する第1の端面2aと第2の端面2bを有している。第2の磁化自由層23、スペーサ層22および第1の磁化自由層21は、第2の端面2b側からこの順に積層されている。なお、図2には、磁気抵抗効果素子2の形状が円柱形状である例を示している。しかし、磁気抵抗効果素子2の形状は、直方体形状等の他の形状であってもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
磁気抵抗効果素子2では、第1の磁化と第2の磁化が相互作用することによって磁気抵抗効果が発現する。具体的に説明すると、第1の磁化の方向と第2の磁化の方向の相対角度が0°から180°に近づくに従って、磁気抵抗効果素子2の抵抗値が大きくなる。
In the
エネルギ付与部5は、第1の磁化と第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギを、磁気抵抗効果素子2に付与するものである。本実施の形態では、上記エネルギとして、高周波入力信号に基づいて発生された高周波磁界を用いる。エネルギ付与部5は、高周波磁界をエネルギとして磁気抵抗効果素子2に付与することができるように構成されている。具体的に説明すると、エネルギ付与部5は、入力ポート3に印加された高周波入力信号を伝送する線路部分51,52,53,54,55を含んでいる。線路部分51,52,53,54,55は、入力ポート3側からこの順に直列に接続されている。線路部分52と線路部分54は、スペーサ層22の両面に平行な方向における磁気抵抗効果素子2の両側に配置されている。線路部分52,54は、高周波入力信号に基づいて高周波磁界を発生する。この高周波磁界が、磁気抵抗効果素子2に付与される。
The energy applying unit 5 applies energy for causing the first magnetization and the second magnetization to vibrate based on a high frequency input signal to the
フィルタ装置1は、更に、第1の磁化自由層21と第2の磁化自由層23の少なくとも一方に対して外部磁界を印加する少なくとも1つの外部磁界印加部を備えている。本実施の形態では特に、少なくとも1つの外部磁界印加部は、第1の磁化自由層21に対して第1の外部磁界を印加する第1の外部磁界印加部6と、第2の磁化自由層23に対して第2の外部磁界を印加する第2の外部磁界印加部7である。図2に示したように、第1の外部磁界印加部6は、第1の磁化自由層21の近傍に配置された導線61を含んでいる。第2の外部磁界印加部7は、第2の磁化自由層23の近傍に配置された導線71を含んでいる。導線61,71は、通電されることによって、その周りに磁界を発生する。導線61によって発生された磁界の一部は第1の外部磁界となり、導線71によって発生された磁界の一部は第2の外部磁界となる。
The
第1の外部磁界印加部6は、導線61に流す電流の大きさを変えることによって、第1の外部磁界の大きさを変えることができる。同様に、第2の外部磁界印加部7は、導線71に流す電流の大きさを変えることによって、第2の外部磁界の大きさを変えることができる。第1および第2の外部磁界印加部6,7によって変えることができる第1および第2の外部磁界の大きさの範囲は、例えば0〜1kOe(1Oeは79.6A/m)である。
The first external magnetic
第1の磁化自由層21には、高周波磁界と第1の外部磁界とが合成された磁界が印加される。第2の磁化自由層23には、高周波磁界と第2の外部磁界とが合成された磁界が印加される。以下、高周波磁界と第1の外部磁界とが合成された磁界を第1の高周波重畳磁界と言い、高周波磁界と第2の外部磁界とが合成された磁界を第2の高周波重畳磁界と言う。
A magnetic field in which a high frequency magnetic field and a first external magnetic field are combined is applied to the first magnetization
第1の磁化自由層21の第1の磁化の方向は、第1の磁化自由層21に作用する第1の有効磁界の方向に応じて変化する。第1の有効磁界は、第1の磁化に作用する全ての種類の磁界が合成されたものである。第1の磁化に作用する磁界には、上記の第1の高周波重畳磁界の他に、磁気異方性磁界、交換磁界、反磁界等がある。本実施の形態では、第1の有効磁界の方向は、第1の高周波重畳磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
The direction of the first magnetization of the first magnetization
後で詳しく説明するが、高周波磁界は、第1の高周波重畳磁界の方向を、第1の外部磁界の方向を中心として振動させるように変化させる。第1の高周波重畳磁界の方向の変化の周波数は、高周波入力信号の周波数と等しい。第1の磁化は、高周波入力信号の周波数で振動する。 As will be described in detail later, the high-frequency magnetic field changes the direction of the first high-frequency superimposed magnetic field to vibrate around the direction of the first external magnetic field. The frequency of change in the direction of the first high-frequency superimposed magnetic field is equal to the frequency of the high-frequency input signal. The first magnetization vibrates at the frequency of the high frequency input signal.
同様に、第2の磁化自由層23の第2の磁化の方向は、第2の磁化自由層23に作用する第2の有効磁界の方向に応じて変化する。第2の有効磁界は、第2の磁化に作用する全ての種類の磁界が合成されたものである。第2の磁化に作用する磁界には、上記の第2の高周波重畳磁界の他に、磁気異方性磁界、交換磁界、反磁界等がある。本実施の形態では、第2の有効磁界の方向は、第2の高周波重畳磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
Similarly, the direction of the second magnetization of the second magnetization
後で詳しく説明するが、高周波磁界は、第2の高周波重畳磁界の方向を、第2の外部磁界の方向を中心として振動させるように変化させる。第2の高周波重畳磁界の方向の変化の周波数は、高周波入力信号の周波数と等しい。第2の磁化は、高周波入力信号の周波数で振動する。 As will be described in detail later, the high-frequency magnetic field changes the direction of the second high-frequency superimposed magnetic field to vibrate around the direction of the second external magnetic field. The frequency of change in the direction of the second high frequency superimposed magnetic field is equal to the frequency of the high frequency input signal. The second magnetization vibrates at the frequency of the high frequency input signal.
高周波出力信号は、第1の磁化と第2の磁化の振動に起因するものである。本実施の形態では特に、高周波出力信号は、磁気抵抗効果素子2の抵抗値の変化に対応するものである。すなわち、第1の磁化と第2の磁化が振動すると、第1の磁化の方向と第2の磁化の方向の相対角度が変化し、その結果、磁気抵抗効果素子2の抵抗値が変化する。高周波出力信号は、この磁気抵抗効果素子2の抵抗値の変化によって生成される。
The high-frequency output signal is caused by vibrations of the first magnetization and the second magnetization. Particularly in the present embodiment, the high-frequency output signal corresponds to a change in the resistance value of the
フィルタ装置1は、更に、出力信号線路8を備えている。出力信号線路8は、磁気抵抗効果素子2において生成された高周波出力信号を、出力ポート4に伝送する。これにより、高周波出力信号が出力ポート4に現れる。
The
フィルタ装置1は、更に、第1の電極11と、第2の電極12と、グランド電極13とを備えている。第1の電極11と第2の電極12は、それらの間に磁気抵抗効果素子2が介在するように設けられている。第1の電極11と第2の電極12は、後述する直流電流を、磁気抵抗効果素子2に流すために用いられる。第1の電極11は、磁気抵抗効果素子2の第1の端面2aに接している。第2の電極12は、磁気抵抗効果素子2の第2の端面2bに接している。直流電流は、磁気抵抗効果素子2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2を構成する各層の面に対して垂直な方向に流れる。
The
図1に示した例では、入力ポート3は、一対の端子31,32を有している。線路部分51,52の接続点とは反対側の線路部分51の端部は、端子31に電気的に接続されている。
In the example shown in FIG. 1, the
また、図1に示した例では、出力ポート4は、一対の端子41,42を有している。出力信号線路8の一端は、端子41に電気的に接続されている。出力信号線路8の他端は、第1の電極11に電気的に接続されている。高周波出力信号は、端子41の電位の変化として現れる。
In the example shown in FIG. 1, the output port 4 has a pair of
線路部分54,55の接続点とは反対側の線路部分55の端部と、入力ポート3の端子32と、出力ポート4の端子42は、グランド電極13に電気的に接続されている。グランド電極13の電位は、基準電位として用いられる。
The end of the
第1および第2の電極11,12は、例えば、Al、Ta、Cu、Au、AuCuおよびRuのうちのいずれかよりなる単層の膜によって構成されていてもよいし、それぞれこれらの材料のうちのいずれかよりなる複数の膜の積層体によって構成されていてもよい。
The first and
フィルタ装置1は、更に、チョークコイル14と、直流電流線路15と、直流電流入力端子16とを備えている。チョークコイル14の一端は、出力信号線路8に電気的に接続されている。チョークコイル14の他端は、グランド電極13に電気的に接続されている。直流電流線路15の一端は、第2の電極12に電気的に接続されている。直流電流線路15の他端は、直流電流入力端子16に電気的に接続されている。回路構成上、磁気抵抗効果素子2は、直流電流入力端子16とチョークコイル14の間に位置している。直流電流入力端子16には直流電流が入力され、この直流電流が磁気抵抗効果素子2に供給される。出力信号線路8および直流電流線路15と、グランド電極13は、マイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドによって構成されていてもよい。
The
チョークコイル14は、インダクタンスを有している。これにより、チョークコイル14のインピーダンスは、チョークコイル14を通過する電流の周波数が高くなるほど大きくなる。従って、チョークコイル14は、出力信号線路8を通過する直流電流を通過させてグランド電極13に流すと共に、出力信号線路8を通過する高周波出力信号に対しては高いインピーダンスを示す。
The
チョークコイル14としては、例えば、チップインダクタまたは線路が用いられる。チョークコイル14のインダクタンスは、10nH以上であることが好ましい。なお、フィルタ装置1は、チョークコイル14の代わりに、インダクタンス成分を有する抵抗素子を備えていてもよい。
As the
フィルタ装置1を動作させる際には、図1に示したように、直流電流入力端子16とグランド電極13の間に直流電流源17が設けられる。これにより、直流電流源17、直流電流入力端子16、直流電流線路15、磁気抵抗効果素子2、出力信号線路8、チョークコイル14およびグランド電極13を含む閉回路が形成される。直流電流源17は、この閉回路を流れる直流電流を発生する。磁気抵抗効果素子2では、第2の磁化自由層23から第1の磁化自由層21に向かう方向に直流電流が流れる。
When the
直流電流源17は、例えば、直流電圧源と抵抗とを組み合わせた回路によって構成される。抵抗としては、可変抵抗または固定抵抗が用いられる。可変抵抗を用いた場合には、直流電流の大きさを変えることができる。固定抵抗を用いた場合には、直流電流は、一定値になる。
The direct
ここで、磁気抵抗効果素子2を構成する各層の材料について説明する。磁気抵抗効果素子2の第1および第2の磁化自由層21,23は、強磁性材料によって構成されている。第1および第2の磁化自由層21,23は、例えば、CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAlまたはホイスラー合金よりなる膜によって構成することができる。この膜の厚みは、1〜10nmの範囲内であることが好ましい。
Here, the material of each layer which comprises the
磁気抵抗効果素子2のスペーサ層22は、その全体が非磁性材料によって構成されていてもよい。スペーサ層22を構成する非磁性材料は、導電材料でもよいし、絶縁材料でもよいし、半導体材料でもよい。スペーサ層22を構成する非磁性の導電材料としては、Cu、Ag、Au、Ru等が挙げられる。スペーサ層22を構成する非磁性の絶縁材料としては、Al2O3、MgO等が挙げられる。スペーサ層22の全体が非磁性の導電材料または絶縁材料によって構成されている場合、スペーサ層22の厚みは、0.5〜3.0nmの範囲内であることが好ましい。
The
スペーサ層22を構成する非磁性の半導体材料としては、例えば、Zn、In、Sn、Gaのうちの1つ以上を含む酸化物半導体が挙げられる。スペーサ層22の全体が非磁性の半導体材料によって構成されている場合、スペーサ層22の厚みは、1.0〜4.0nmの範囲内であることが好ましい。
Examples of the nonmagnetic semiconductor material that forms the
スペーサ層22は、絶縁材料よりなる絶縁部と、導電材料よりなり、絶縁部中に設けられた1つ以上の通電部とを含んでいてもよい。絶縁部を構成する絶縁材料としては、Al2O3、MgO等が挙げられる。通電部を構成する導電材料としては、CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl、Fe、Co、Au、Cu、Al、Mg等が挙げられる。この場合、スペーサ層22の厚みは、0.5〜2.0nmの範囲内であることが好ましい。
The
次に、図2および図3を参照して、第1の磁化自由層21の第1の磁化の方向と、第2の磁化自由層23の第2の磁化の方向について説明する。以下の説明では、第1の磁化の方向を記号D1で表し、第2の磁化の方向を記号D2で表す。図3は、第1の磁化の方向D1と第2の磁化の方向D2を示している。
Next, the first magnetization direction of the first magnetization
ここで、図2に示したように、X方向、Y方向、Z方向を定義する。X方向、Y方向、Z方向は、互いに直交する。本実施の形態では、スペーサ層22の両面に垂直な一方向(図2では上側に向かう方向)を、Z方向とする。X方向とY方向は、いずれも、スペーサ層22の両面に対して平行な方向である。図3にも、図2に示したX,Y,Zの各方向を示している。
Here, as shown in FIG. 2, an X direction, a Y direction, and a Z direction are defined. The X direction, the Y direction, and the Z direction are orthogonal to each other. In the present embodiment, one direction perpendicular to both surfaces of the spacer layer 22 (the direction toward the upper side in FIG. 2) is defined as the Z direction. Both the X direction and the Y direction are parallel to both surfaces of the
図2に示したように、第1の磁化自由層21と第1の外部磁界印加部6の導線61は、Z方向にこの順に並んでいる。導線61は、X方向に延びている。フィルタ装置1を動作させる際には、導線61においてX方向に電流が流れるように、導線61に電源V1が接続される。この場合、第1の外部磁界の方向は、Y方向になる。図3には、第1の磁化の方向D1が、第1の外部磁界の方向(Y方向)と一致している状態を示している。
As shown in FIG. 2, the first magnetization
また、図2に示したように、第2の外部磁界印加部7の導線71と第2の磁化自由層23は、Z方向にこの順に並んでいる。導線71は、Y方向に延びている。フィルタ装置1を動作させる際には、導線71においてY方向に電流が流れるように、導線71に電源V2が接続される。この場合、第2の外部磁界の方向は、X方向になる。従って、第2の外部磁界の方向は、第1の外部磁界の方向に対して直交している。図3には、第2の磁化の方向D2が、第2の外部磁界の方向(X方向)と一致している状態を示している。
Further, as shown in FIG. 2, the
次に、本実施の形態に係るフィルタ装置1の作用および効果について説明する。始めに、第1の磁化自由層21の第1の磁化と第2の磁化自由層23の第2の磁化の挙動について説明する。一般的に、磁界が作用する強磁性体の磁化の挙動は、LLG(Landau Lifshitz Gilbert)方程式を用いて表される。スピントランスファートルクを考慮したLLG方程式は、磁化に作用する歳差トルク、ダンピングトルクおよびスピントランスファートルクを表している。第1の磁化には第1の有効磁界が作用し、第2の磁化には第2の有効磁界が作用する。そのため、第1および第2の磁化の各々には、歳差トルクとダンピングトルクとが作用する。本実施の形態では、磁気抵抗効果素子2に直流電流が流される。これにより、第1および第2の磁化の各々には、更にスピントランスファートルクが作用する。スピントランスファートルクとは、スピン流の流入または流出が生じた強磁性体において、スピン流の変化分におけるスピン角運動量の変化と逆方向に強磁性体の磁化を回転させるように強磁性体の磁化に作用するトルクである。
Next, the operation and effect of the
本実施の形態では、エネルギ付与部5によって、第1および第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギが磁気抵抗効果素子2に付与される。本実施の形態では、上記エネルギは高周波磁界である。本実施の形態では、高周波磁界の方向が第1の外部磁界の方向に対してなす角度と、高周波磁界の方向が第2の外部磁界の方向に対してなす角度は等しい。すなわち、これらの角度は、いずれも、45°または135°である。
In the present embodiment, the energy applying unit 5 applies energy to the
磁気抵抗効果素子2に高周波磁界が付与されると、第1および第2の有効磁界の方向が高周波入力信号の周波数で変化する。その結果、第1および第2の磁化に作用するそれぞれのダンピングトルクが変化する。これにより、第1および第2の磁化は、それらの方向が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。これにより、第1の磁化の方向と第2の磁化の方向の相対角度が変化して、磁気抵抗効果素子2の抵抗値が変化する。その結果、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号が発生する。
When a high frequency magnetic field is applied to the
本実施の形態に係るフィルタ装置1によれば、上述のように高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号を得ることができる。また、このフィルタ装置1によれば、以下で説明するように、バンドパスフィルタの通過帯域に相当する所定の周波数帯域において、高周波入力信号の電力に対する高周波出力信号の電力の比を大きくすることができる。従って、フィルタ装置1は、バンドパスフィルタとして動作させることができる。
According to the
本実施の形態に係るフィルタ装置1では、第1の磁化自由層21の強磁性共鳴周波数と第2の磁化自由層23の強磁性共鳴周波数を互いに異ならせることができる。以下、これについて詳しく説明する。第1の磁化自由層21は第1の強磁性共鳴周波数f1を有し、第2の磁化自由層23は第2の強磁性共鳴周波数f2を有している。第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2は、それぞれ第1および第2の有効磁界の大きさによって変化する。本実施の形態によれば、第1および第2の外部磁界の大きさを互いに異ならせることによって、第1および第2の有効磁界の大きさを互いに異ならせ、その結果、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を互いに異ならせることができる。
In the
高周波入力信号の周波数が第1の強磁性共鳴周波数f1と等しい場合には、第1の磁化自由層21において強磁性共鳴が生じて、第1の磁化の振動の振幅が最大になる。高周波入力信号の周波数が第2の強磁性共鳴周波数f2と等しい場合には、第2の磁化自由層23において強磁性共鳴が生じて、第2の磁化の振動の振幅が最大になる。
When the frequency of the high frequency input signal is equal to the first ferromagnetic resonance frequency f1, ferromagnetic resonance occurs in the first magnetization
ここで、高周波入力信号の電力に対する高周波出力信号の電力の比を、入出力電力比と言う。図4は、フィルタ装置1における入出力電力比の周波数特性を模式的に示す特性図である。図4において、横軸は周波数を示し、縦軸は入出力電力比を示している。図4に示したように、入出力電力比の周波数特性は、第1の強磁性共鳴周波数f1と第2の強磁性共鳴周波数f2においてそれぞれ極大値をとる。
Here, the ratio of the power of the high frequency output signal to the power of the high frequency input signal is referred to as the input / output power ratio. FIG. 4 is a characteristic diagram schematically showing the frequency characteristic of the input / output power ratio in the
図4に示した入出力電力比の周波数特性において、入出力電力比が所定値以上となる周波数帯域は、バンドパスフィルタの通過帯域に相当する。所定値は、例えば、入出力電力比の最大値の1/2である。本実施の形態に係るフィルタ装置1によれば、図4に示したように、入出力電力比の周波数特性が2つの周波数f1,f2において極大値をとることにより、入出力電力比の周波数特性が1つの周波数のみにおいて極大値をとる場合に比べて、バンドパスフィルタの通過帯域に相当する所定の周波数帯域を広くすることができる。このように、本実施の形態に係るフィルタ装置1では、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を互いに異ならせることにより、バンドパスフィルタとして動作させたときの通過帯域を広くすることができる。
In the frequency characteristic of the input / output power ratio shown in FIG. 4, the frequency band in which the input / output power ratio is equal to or higher than a predetermined value corresponds to the pass band of the bandpass filter. The predetermined value is, for example, 1/2 of the maximum value of the input / output power ratio. According to the
以上のことから、本実施の形態によれば、実用的なバンドパスフィルタとして動作させることのできるフィルタ装置1を実現することができる。
From the above, according to the present embodiment, it is possible to realize the
また、本実施の形態によれば、第1および第2の外部磁界の大きさを変えることによって、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を変えることができる。これにより、本実施の形態に係るフィルタ装置1によれば、バンドパスフィルタとして動作させたときの通過帯域を変えることができる。
In addition, according to the present embodiment, the first and second ferromagnetic resonance frequencies f1 and f2 can be changed by changing the magnitudes of the first and second external magnetic fields. Thereby, according to the
また、本実施の形態における磁気抵抗効果素子2は、磁化固定層を含んでいない。そのため、本実施の形態に係るフィルタ装置1によれば、熱等の要因によって磁化固定層の磁化の方向が変化することによる機能の低下が生じることがない。
Further, the
次に、図5ないし図11を参照して、本実施の形態に係るフィルタ装置1の製造方法について説明する。図5ないし図11は、フィルタ装置1の製造過程における積層体の上面の一部を示している。フィルタ装置1の製造方法では、まず、図示しない基板の上に、図示しない第1の絶縁層と線路部分53を順に形成する。図5は、線路部分53を形成した後の積層体を示している。
Next, with reference to FIG. 5 thru | or FIG. 11, the manufacturing method of the
図6は、次の工程を示す。この工程では、まず、線路部分53および第1の絶縁層を覆うように、絶縁層91を形成する。次に、絶縁層91の上に、第2の外部磁界印加部7の導線71を形成する。
FIG. 6 shows the next step. In this step, first, the insulating
図7は、次の工程を示す。この工程では、まず、導線71および絶縁層91を覆うように、図示しない第2の絶縁層を形成する。次に、第2の絶縁層の上に、第2の電極12を形成する。なお、第2の電極12は、後述する第3、第4、第7および第8の孔が形成される予定の領域とその近傍の部分には形成されない。
FIG. 7 shows the next step. In this step, first, a second insulating layer (not shown) is formed so as to cover the
図8は、次の工程を示す。この工程では、まず、第2の電極12の上に、磁気抵抗効果素子2を形成する。磁気抵抗効果素子2は、例えば、後にパターニングされることによって磁気抵抗効果素子2となる積層膜を形成した後、この積層膜をパターニングすることによって形成される。次に、磁気抵抗効果素子2の周囲に、絶縁層92を形成する。
FIG. 8 shows the next step. In this step, first, the
図9は、次の工程を示す。この工程では、磁気抵抗効果素子2および絶縁層92の上に、第1の電極11を形成する。なお、第1の電極11は、後述する第2ないし第4、第7、第8の孔が形成される予定の領域とその近傍の部分には形成されない。
FIG. 9 shows the next step. In this step, the
図10は、次の工程を示す。この工程では、まず、第1の電極11および絶縁層92の上に、絶縁層93を形成する。次に、絶縁層93の上に、第1の外部磁界印加部6の導線61を形成する。
FIG. 10 shows the next step. In this step, first, the insulating
図11は、次の工程を示す。この工程では、まず、導線61および絶縁層93を覆うように、絶縁層94を形成する。次に、第1ないし第8の孔8H,15H,52H,53H,62H,63H,72H,73Hを形成する。第1の孔8Hは、絶縁層93,94を貫通して、第1の電極11を露出させる。第2の孔15Hは、絶縁層92〜94を貫通して、第2の電極12を露出させる。第3および第4の孔52H,53Hは、磁気抵抗効果素子2の近傍において絶縁層91〜94および第2の絶縁層を貫通して、線路部分53を露出させる。第5および第6の孔62H,63Hは、絶縁層94を貫通して、導線61の長手方向の両端の近傍を露出させる。第7および第8の孔72H,73Hは、絶縁層92〜94および第2の絶縁層を貫通して、導線71の長手方向の両端の近傍を露出させる。
FIG. 11 shows the next step. In this step, first, an insulating
次に、第1の電極11に接続されるように、第1の孔8H内に、出力信号線路8の一部を形成する。また、第2の電極12に接続されるように、第2の孔15H内に、直流電流線路15の一部を形成する。また、線路部分53に接続されるように、第3および第4の孔52H,54H内に、それぞれ線路部分52,54を形成する。また、導線61に接続されるように、第5および第6の孔62H,63H内に、それぞれ柱状導体部62,63を形成する。また、導線71に接続されるように、第7および第8の孔72H,73H内に、それぞれ柱状導体部72,73を形成する。図2に示した電源V1は、柱状導体部62,63を介して導線61に接続される。図2に示した電源V2は、柱状導体部72,73を介して導線71に接続される。
Next, a part of the
図5に示した工程から図11に示した工程までの一連の工程によって、フィルタ装置1の主要部分1Mが完成する。図12は、フィルタ装置1の主要部分1Mを示す側面図である。なお、図12では、絶縁層91〜94、第1の絶縁層、第2の絶縁層および基板を省略している。図12に示したフィルタ装置1の主要部分1Mに、フィルタ装置1の残りの部分を接続することによって、フィルタ装置1が完成する。
The
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。本実施の形態では、磁気抵抗効果素子2の構成と形状が、第1の実施の形態と異なっている。以下、図13および図14を参照して、本実施の形態における磁気抵抗効果素子2の第1および第2の例について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the configuration and shape of the
図13は、磁気抵抗効果素子2の第1の例を示している。図14は、磁気抵抗効果素子2の第2の例を示している。図13および図14に示したように、磁気抵抗効果素子2は、第1の磁化自由層21、第2の磁化自由層23およびスペーサ層22の他に、第1の金属層24と第2の金属層25とを含んでいる。第1の金属層24は、第1の磁化自由層21と第1の電極11(図1参照)の間に設けられている。第2の金属層25は、第2の磁化自由層23と第2の電極12(図1参照)の間に設けられている。第1の金属層24は、キャップ層として用いられている。第2の金属層25は、シード層またはバッファ層として用いられている。第1および第2の金属層24,25は、例えば、Ru、Ta、CuおよびCrのうちの1つ以上を含む単層膜または多層膜によって構成されている。第1および第2の金属層24,25の厚みは、2〜10nmの範囲内であることが好ましい。
FIG. 13 shows a first example of the
図13および図14に示したように、磁気抵抗効果素子2の第1および第2の端面2a,2bの形状は、矩形である。本実施の形態では特に、第1の端面2aの形状は長方形であり、第2の端面2bの形状は正方形または長方形である。
As shown in FIGS. 13 and 14, the shape of the first and second end faces 2 a and 2 b of the
磁気抵抗効果素子2は、第1および第2の端面2a,2bの他に、Y方向における互いに反対側に位置する2つの側面2c,2dを有している。側面2c,2dは、Y方向に対して垂直である。図13に示したように、第1の例では、側面2c,2dの形状は、台形である。図14に示したように、第2の例では、側面2c,2dの形状は、2つの台形を積み重ねたような形状である。
In addition to the first and second end faces 2a and 2b, the
本実施の形態では、第1の磁化自由層21の下面の形状は長方形であり、第2の磁化自由層23の下面の形状は正方形または長方形である。以下、第1の磁化自由層21の下面のX方向の寸法とY方向の寸法をそれぞれ記号Xa,Yaで表し、第2の磁化自由層23の下面のX方向の寸法とY方向の寸法をそれぞれ記号Xb,Ybで表す。XaはXbよりも小さい。Ya,Ybは互いに等しい。
In the present embodiment, the shape of the lower surface of the first magnetization
比Yb/Xbは、1であるか、1に近い値である。比Ya/Xaは、1よりも大きく、且つ比Yb/Xbよりも大きい。そのため、第1の磁化自由層21の形状磁気異方性によって第1の磁化自由層21に作用する磁気異方性磁界(以下、第1の磁気異方性磁界と言う。)は、第2の磁化自由層23の形状磁気異方性によって第2の磁化自由層23に作用する磁気異方性磁界(以下、第2の磁気異方性磁界と言う)よりも大きい。第1の磁気異方性磁界の方向は、Y方向に対して平行な方向である。
The ratio Yb / Xb is 1 or a value close to 1. The ratio Ya / Xa is greater than 1 and greater than the ratio Yb / Xb. Therefore, the magnetic anisotropy magnetic field (hereinafter referred to as the first magnetic anisotropy magnetic field) acting on the first magnetization
図13および図14に示したように、第2の例における比Ya/Xaは、第1の例における比Ya/Xaよりも大きい。そのため、第2の例における第1の磁気異方性磁界は、第1の例における第1の磁気異方性磁界よりも大きくなる。 As shown in FIGS. 13 and 14, the ratio Ya / Xa in the second example is larger than the ratio Ya / Xa in the first example. Therefore, the first magnetic anisotropy field in the second example is larger than the first magnetic anisotropy field in the first example.
本実施の形態では、第1の磁気異方性磁界と第2の磁気異方性磁界の大きさが互いに異なる。本実施の形態では、これを利用して、第1の磁化自由層21に作用する第1の有効磁界と第2の磁化自由層23に作用する第2の有効磁界の大きさを互いに異ならせることが可能である。
In the present embodiment, the magnitudes of the first magnetic anisotropic magnetic field and the second magnetic anisotropic magnetic field are different from each other. In the present embodiment, by utilizing this, the magnitudes of the first effective magnetic field acting on the first magnetization
本実施の形態では、第1および第2の外部磁界の大きさは、第1の実施の形態と同様に互いに異なっていてもよいし、等しくてもよい。本実施の形態では、第1および第2の外部磁界の大きさが等しい場合でも、第1および第2の磁気異方性磁界の大きさが互いに異なることから、第1および第2の有効磁界の大きさを互いに異ならせることができる。なお、第1の磁化自由層21に第1の外部磁界が印加されない場合には、第1の磁気異方性磁界の方向は、Y方向、またはY方向とは反対の方向になる。第1の実施の形態と同様に、第1の外部磁界の方向をY方向とした場合には、第1の磁気異方性磁界の方向はY方向となる。
In the present embodiment, the magnitudes of the first and second external magnetic fields may be different from each other or may be the same as in the first embodiment. In the present embodiment, since the magnitudes of the first and second magnetic anisotropic magnetic fields are different from each other even when the magnitudes of the first and second external magnetic fields are equal, the first and second effective magnetic fields are different. Can be made different in size. When the first external magnetic field is not applied to the first magnetization
また、本実施の形態に係るフィルタ装置1は、第1の実施の形態における第1の外部磁界印加部6(図1参照)を備えていなくてもよい。この場合、第1の磁化自由層21には、第1の実施の形態における第1の外部磁界は印加されない。この場合、第1の有効磁界は、主に、第1の磁気異方性磁界と、エネルギ付与部5(図1参照)による高周波磁界とを合成したものとなる。この場合も、第1および第2の有効磁界の大きさを互いに異ならせることができる。また、第2の外部磁界の方向を、第1の磁気異方性磁界と異なる方向に設定することにより、第1および第2の有効磁界の方向も互いに異ならせることができる。
In addition, the
なお、第1の磁化自由層21に第1の外部磁界が印加されない場合には、第1の磁化自由層21に高周波磁界が印加されていない状態における第1の磁化の方向D1を、予め、Y方向、またはY方向とは反対の方向に設定しておくことが好ましい。例えば、第1の磁化の方向D1を予めY方向に設定した場合には、第1の磁気異方性磁界の方向はY方向となる。
In the case where the first external magnetic field is not applied to the first magnetization
図13および図14には、第1の磁気異方性磁界の方向をY方向とした例を示している。また、図13および図14には、第1の磁化の方向D1が、第1の磁気異方性磁界の方向(Y方向)と一致し、第2の磁化自由層23の第2の磁化の方向D2が、第2の外部磁界の方向(X方向)と一致している状態を示している。
13 and 14 show examples in which the direction of the first magnetic anisotropic magnetic field is the Y direction. Further, in FIGS. 13 and 14, the direction D1 of the first magnetization coincides with the direction of the first magnetic anisotropic magnetic field (Y direction), and the second magnetization of the second magnetization
なお、本実施の形態において、第1および第2の磁気異方性磁界の大きさを互いに異ならせる方法としては、第1および第2の磁化自由層21,23の形状磁気異方性を異ならせることに加えて、あるいはそれに代えて、第1および第2の磁化自由層21,23の組成を異ならせることによって第1および第2の磁化自由層21,23の結晶磁気異方性を異ならせる方法を用いてもよい。
In the present embodiment, as a method of making the magnitudes of the first and second magnetic anisotropic magnetic fields different from each other, the shape magnetic anisotropy of the first and second magnetization
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。 Other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。始めに、図15を参照して、本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成について説明する。本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成は、以下の点で第1の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係るフィルタ装置1は、第1の実施の形態におけるエネルギ付与部5の代わりに、エネルギ付与部105を備えている。また、本実施の形態では、第1の実施の形態における直流電流線路15が設けられていない。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of the
エネルギ付与部105は、第1の磁化と第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギとして、高周波入力信号を、磁気抵抗効果素子2に付与するものである。エネルギ付与部105は、入力信号線路151を含んでいる。
The
入力信号線路151は、入力ポート3に印加された高周波入力信号を、磁気抵抗効果素子2に伝送する。本実施の形態では、入力信号線路151の一端は、入力ポート3の端子31に電気的に接続されている。入力信号線路151の他端は、第2の電極12に電気的に接続されている。入力信号線路151とグランド電極13は、マイクロストリップラインまたはコプレーナウェーブガイドによって構成されていてもよい。
The
本実施の形態では、直流電流入力端子16は、入力信号線路151に電気的に接続されている。フィルタ装置1を動作させる際には、図15に示したように、直流電流入力端子16とグランド電極13の間に直流電流源17が設けられる。これにより、直流電流源17、直流電流入力端子16、入力信号線路151、磁気抵抗効果素子2、出力信号線路8、チョークコイル14およびグランド電極13を含む閉回路が形成される。直流電流源17は、この閉回路を流れる直流電流を発生する。
In the present embodiment, the direct
なお、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子2の第1の磁化自由層21には、第1の実施の形態で説明した高周波磁界は印加されない。第1の実施の形態で説明したように、第1の磁化自由層21の第1の磁化の方向は、第1の磁化自由層21に作用する第1の有効磁界の方向に応じて変化する。本実施の形態では、第1の有効磁界の方向は、第1の外部磁界印加部6によって第1の磁化自由層21に印加される第1の外部磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
In the present embodiment, the high frequency magnetic field described in the first embodiment is not applied to the first magnetization
また、本実施の形態では、磁気抵抗効果素子2の第2の磁化自由層23には、第1の実施の形態で説明した高周波磁界は印加されない。第1の実施の形態で説明したように、第2の磁化自由層23の第2の磁化の方向は、第2の磁化自由層23に作用する第2の有効磁界の方向に応じて変化する。本実施の形態では、第2の有効磁界の方向は、第2の外部磁界印加部7によって第2の磁化自由層23に印加される第2の外部磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
In the present embodiment, the high-frequency magnetic field described in the first embodiment is not applied to the second magnetization
次に、本実施の形態に係るフィルタ装置1の作用および効果について説明する。本実施の形態では、エネルギ付与部105によって、第1および第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギが磁気抵抗効果素子2に付与される。本実施の形態では、上記エネルギは高周波入力信号である。高周波入力信号は、磁気抵抗効果素子2を流れる直流電流に重畳されて、磁気抵抗効果素子2に付与される。高周波入力信号が磁気抵抗効果素子2に付与されると、第1の磁化自由層21における電流密度と第2の磁化自由層23における電流密度が高周波入力信号の周波数で変化し、その結果、第1および第2の磁化に作用するそれぞれのスピントランスファートルクが、高周波入力信号の周波数で変化する。これにより、第1および第2の磁化は、それらの方向が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。これにより、第1の磁化の方向と第2の磁化の方向の相対角度が変化して、磁気抵抗効果素子2の抵抗値が変化する。その結果、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号が発生する。
Next, the operation and effect of the
本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、第1および第2の外部磁界の大きさを変えることによって、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を変えることができる。高周波入力信号の周波数が第1の強磁性共鳴周波数f1と等しい場合には、第1の磁化自由層21において強磁性共鳴が生じて、第1の磁化の振動の振幅が最大になる。高周波入力信号の周波数が第2の強磁性共鳴周波数f2と等しい場合には、第2の磁化自由層23において強磁性共鳴が生じて、第2の磁化の振動の振幅が最大になる。
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the first and second ferromagnetic resonance frequencies f1 and f2 can be changed by changing the magnitudes of the first and second external magnetic fields. . When the frequency of the high frequency input signal is equal to the first ferromagnetic resonance frequency f1, ferromagnetic resonance occurs in the first magnetization
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。 Other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
[第4の実施の形態]
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。始めに、図16および図17を参照して、本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成について説明する。図16は、フィルタ装置1を模式的に示す説明図である。図17は、本実施の形態おける磁気抵抗効果素子、第1の外部磁界印加部および第2の外部磁界印加部を示す斜視図である。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of the
本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成は、以下の点で第1の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係るフィルタ装置1は、第1の実施の形態における磁気抵抗効果素子2の代わりに、磁気抵抗効果素子102を備えている。図16および図17に示したように、磁気抵抗効果素子102は、第1の磁化を有する第1の磁化自由層121と、第2の磁化を有する第2の磁化自由層125と、第1の磁化自由層121と第2の磁化自由層125の間に配置された磁化固定部123と、第1の磁化自由層121と磁化固定部123の間に配置された第1のスペーサ層122と、第2の磁化自由層125と磁化固定部123の間に配置された第2のスペーサ層124とを含んでいる。
The configuration of the
磁化固定部123は、方向が固定された磁化を有する少なくとも1つの磁化固定層を含んでいる。本実施の形態では、磁化固定部123は、方向が固定された第3の磁化を有する第1の磁化固定層123Aと、方向が固定された第4の磁化を有する第2の磁化固定層123Cと、反強磁性層123Bとを含んでいる。第1の磁化固定層123Aは、第1のスペーサ層122と反強磁性層123Bとの間に配置されている。第2の磁化固定層123Cは、第2のスペーサ層124と反強磁性層123Bとの間に配置されている。反強磁性層123Bは、第1の磁化固定層123Aとの交換結合により第1の磁化固定層123Aの第3の磁化の方向を固定し、第2の磁化固定層123Cとの交換結合により第2の磁化固定層123Cの第4の磁化の方向を固定する。
The magnetization fixed
また、磁気抵抗効果素子102は、磁気抵抗効果素子102を構成する複数の層の積層方向の両端に位置する第1の端面102aと第2の端面102bを有している。第2の磁化自由層125、第2のスペーサ層124、第2の磁化固定層123C、反強磁性層123B、第1の磁化固定層123A、第1のスペーサ層122および第1の磁化自由層121は、第2の端面102b側からこの順に積層されている。
In addition, the
磁気抵抗効果素子102は、磁化固定部123、第1のスペーサ層122および第1の磁化自由層121を経由する第1の経路と、磁化固定部123、第2のスペーサ層124および第2の磁化自由層125を経由する第2の経路からなる並列回路を構成する。磁気抵抗効果素子102では、第1の磁化自由層121の第1の磁化と第1の磁化固定層123Aの第3の磁化が相互作用して、第1の磁化の方向が第3の磁化の方向に対してなす角度が0°から180°に近づくに従って、第1の経路の抵抗値が大きくなる。また、磁気抵抗効果素子102では、第2の磁化自由層125の第2の磁化と第2の磁化固定層123Cの第4の磁化が相互作用して、第2の磁化の方向が第4の磁化の方向に対してなす角度が0°から180°に近づくに従って、第2の経路の抵抗値が大きくなる。
The
本実施の形態では、エネルギ付与部5は、高周波磁界をエネルギとして磁気抵抗効果素子102に付与することができるように構成されている。エネルギ付与部5の具体的な構成と配置は、第1の実施の形態と同様である。
In this Embodiment, the energy provision part 5 is comprised so that a high frequency magnetic field can be provided to the
また、本実施の形態では、第1の外部磁界印加部6は、第1の磁化自由層121に対して第1の外部磁界を印加する。図17に示したように、第1の外部磁界印加部6の導線61は、第1の磁化自由層121の近傍に配置されている。また、第2の外部磁界印加部7は、第2の磁化自由層125に対して第2の外部磁界を印加する。図17に示したように、第2の外部磁界印加部7の導線71は、第2の磁化自由層125の近傍に配置されている。
In the present embodiment, the first external magnetic
第1の磁化自由層121には、高周波磁界と第1の外部磁界とが合成された磁界、すなわち第1の高周波重畳磁界が印加される。第1の磁化自由層121の第1の磁化の方向は、第1の磁化自由層121に作用する第1の有効磁界の方向に応じて変化する。本実施の形態では、第1の有効磁界の方向は、第1の高周波重畳磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
A magnetic field obtained by combining a high-frequency magnetic field and a first external magnetic field, that is, a first high-frequency superimposed magnetic field is applied to the first magnetization
第2の磁化自由層125には、高周波磁界と第2の外部磁界とが合成された磁界、すなわち第2の高周波重畳磁界が印加される。第2の磁化自由層125の第2の磁化の方向は、第2の磁化自由層125に作用する第2の有効磁界の方向に応じて変化する。本実施の形態では、第2の有効磁界の方向は、第2の高周波重畳磁界の方向と一致するか、ほぼ一致する。
A magnetic field obtained by synthesizing a high-frequency magnetic field and a second external magnetic field, that is, a second high-frequency superimposed magnetic field is applied to the second magnetization
また、本実施の形態では、出力信号線路8の一端は、磁化固定部123の反強磁性層123Bに電気的に接続されている。出力信号線路8は、磁気抵抗効果素子102において生成された高周波出力信号を、出力ポート4に伝送する。
In the present embodiment, one end of the
また、本実施の形態では、直流電流線路15は、第1の線路部分15Aと第2の線路部分15Bとを含んでいる。第1の線路部分15Aの一端は、第1の電極11に電気的に接続されている。第1の線路部分15Aの他端は、第2の電極12に電気的に接続されている。第2の線路部分15Bの一端は、第1の線路部分15Aにおける一端と他端の間の部分に電気的に接続されている。第2の線路部分15Bの他端は、直流電流入力端子16に電気的に接続されている。第1の電極11は、磁気抵抗効果素子102の第1の端面102aに接している。第2の電極12は、磁気抵抗効果素子102の第2の端面102bに接している。回路構成上、磁気抵抗効果素子102は、直流電流入力端子16とチョークコイル14の間に位置している。直流電流入力端子16には直流電流が入力され、この直流電流が磁気抵抗効果素子102に供給される。
In the present embodiment, the DC
フィルタ装置1を動作させる際には、図16に示したように、直流電流入力端子16とグランド電極13の間に直流電流源17が設けられる。これにより、直流電流源17、直流電流入力端子16、直流電流線路15、磁気抵抗効果素子102、出力信号線路8、チョークコイル14およびグランド電極13を含む閉回路が形成される。直流電流源17は、この閉回路を流れる直流電流を発生する。磁気抵抗効果素子102に供給された直流電流は、第1の磁化自由層121から磁化固定部123に向かう方向に流れる電流と、第2の磁化自由層125から磁化固定部123に向かう方向に流れる電流とに分かれて、磁気抵抗効果素子102を通過する。
When the
ここで、磁気抵抗効果素子102を構成する各層の材料について説明する。磁気抵抗効果素子102の第1および第2の磁化自由層121,125は、第1の実施の形態における第1および第2の磁化自由層21,23と同様の強磁性材料によって構成されている。また、磁気抵抗効果素子102の第1および第2のスペーサ層122,124の材料は、第1の実施の形態におけるスペーサ層22と同様である。
Here, the material of each layer constituting the
磁化固定部123の第1および第2の磁化固定層123A,123Cは、強磁性材料によって構成されている。第1および第2の磁化固定層123A,123Cを構成する強磁性材料としては、例えば、Fe、Co、Ni、NiFe、FeCo、FeCoB等の高スピン分極率材料や、ホイスラー合金が用いられる。第1および第2の磁化固定層123A,123Cの厚みは、1〜10nmの範囲内であることが好ましい。
The first and second magnetization fixed
磁化固定部123の反強磁性層123Bは、反強磁性材料によって構成されている。反強磁性層123Bを構成する反強磁性材料としては、例えば、FeO、CoO、NiO、CuFeS2、IrMn、FeMn、PtMn、CrおよびMnのいずれかが用いられる。
The
次に、図17および図18を参照して、第1ないし第4の磁化の方向について説明する。以下の説明では、第1ないし第4の磁化の方向を、それぞれ記号D1,D2,D3,D4で表す。図18は、第1ないし第4の磁化の方向D1,D2,D3,D4を示している。図17および図18には、第1の実施の形態における図2に示したX,Y,Zの各方向を示している。なお、本実施の形態では、磁化固定部123の両面に垂直な一方向(図17では上側に向かう方向)を、Z方向とする。 Next, the first to fourth magnetization directions will be described with reference to FIGS. 17 and 18. In the following description, the first to fourth magnetization directions are represented by symbols D1, D2, D3, and D4, respectively. FIG. 18 shows the first to fourth magnetization directions D1, D2, D3, and D4. 17 and 18 show the X, Y, and Z directions shown in FIG. 2 in the first embodiment. In the present embodiment, one direction perpendicular to both surfaces of the magnetization fixed portion 123 (the direction toward the upper side in FIG. 17) is defined as the Z direction.
図17に示したように、第1の磁化自由層121と第1の外部磁界印加部6の導線61は、Z方向にこの順に並んでいる。導線61は、Y方向に延びている。フィルタ装置1を動作させる際には、導線61においてY方向とは反対方向に電流が流れるように、導線61に電源V1が接続される。この場合、第1の外部磁界の方向は、X方向になる。図18には、第1の磁化の方向D1が、第1の外部磁界の方向(X方向)と一致している状態を示している。
As shown in FIG. 17, the first magnetization
また、図17に示したように、第2の外部磁界印加部7の導線71と第2の磁化自由層125は、Z方向にこの順に並んでいる。導線71は、Y方向に延びている。フィルタ装置1を動作させる際には、導線71においてY方向に電流が流れるように、導線71に電源V2が接続される。この場合、第2の外部磁界の方向は、X方向になる。従って、第2の外部磁界の方向は、第1の外部磁界の方向と一致している。図18には、第2の磁化の方向D2が、第2の外部磁界の方向(X方向)と一致している状態を示している。
Moreover, as shown in FIG. 17, the
図18に示したように、第1の磁化固定層123Aの第3の磁化の方向D3と、第2の磁化固定層123Cの第4の磁化の方向D4は、いずれもY方向である。従って、第1の外部磁界の方向は第3の磁化の方向D3と直交し、第2の外部磁界の方向は第4の磁化の方向D4と直交する。
As shown in FIG. 18, the third magnetization direction D3 of the first magnetization fixed
次に、本実施の形態に係るフィルタ装置1の作用および効果について説明する。本実施の形態では、エネルギ付与部5によって、第1および第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギが磁気抵抗効果素子102に付与される。本実施の形態では、上記エネルギは高周波磁界である。高周波磁界の方向は、第1および第2の外部磁界の方向とは異なる方向、例えば第1および第2の外部磁界の方向と直交する方向である。
Next, the operation and effect of the
磁気抵抗効果素子2に高周波磁界が付与されると、第1および第2の磁化に作用するそれぞれの有効磁界の方向が高周波入力信号の周波数で変化する。その結果、第1および第2の磁化に作用するそれぞれのダンピングトルクが変化する。これにより、第1および第2の磁化は、それらの方向D1,D2が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。その結果、第1の磁化の方向D1と第3の磁化の方向D3の相対角度が変化して、第1の経路の抵抗値が変化すると共に、第2の磁化の方向D2と第4の磁化の方向D4の相対角度が変化して、第2の経路の抵抗値が変化する。高周波出力信号は、第1の経路と第2の経路からなる並列回路の抵抗値の変化に対応するものである。すなわち、第1の経路の抵抗値と第2の経路の抵抗値が変化すると、第1の経路と第2の経路からなる並列回路の抵抗値が変化する。その結果、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号が発生する。
When a high frequency magnetic field is applied to the
第1の磁化自由層121は第1の強磁性共鳴周波数f1を有し、第2の磁化自由層125は第2の強磁性共鳴周波数f2を有している。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様に、第1および第2の外部磁界の大きさを互いに異ならせることによって、第1および第2の有効磁界の大きさを互いに異ならせ、その結果、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を互いに異ならせることができる。高周波入力信号の周波数が第1の強磁性共鳴周波数f1と等しい場合には、第1の磁化自由層121において強磁性共鳴が生じて、第1の磁化の振動の振幅が最大になる。高周波入力信号の周波数が第2の強磁性共鳴周波数f2と等しい場合には、第2の磁化自由層125において強磁性共鳴が生じて、第2の磁化の振動の振幅が最大になる。
The first magnetization
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第1の実施の形態と同様である。 Other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the first embodiment.
[第5の実施の形態]
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。始めに、図19を参照して、本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成について説明する。本実施の形態に係るフィルタ装置1の構成は、以下の点で第3の実施の形態と異なっている。本実施の形態に係るフィルタ装置1は、第3の実施の形態における磁気抵抗効果素子2の代わりに、第4の実施の形態で説明した磁気抵抗効果素子102を備えている。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. First, the configuration of the
また、本実施の形態では、エネルギ付与部105の入力信号線路151は、第1の線路部分151Aと第2の線路部分151Bとを含んでいる。第1の線路部分151Aの一端は、第1の電極11に電気的に接続されている。第1の線路部分151Aの他端は、第2の電極12に電気的に接続されている。第2の線路部分151Bの一端は、第1の線路部分151Aにおける一端と他端の間の部分に電気的に接続されている。第2の線路部分151Bの他端は、入力ポート3の端子31に電気的に接続されている。第1の電極11は、磁気抵抗効果素子102の第1の端面102aに接している。第2の電極12は、磁気抵抗効果素子102の第2の端面102bに接している。
Moreover, in this Embodiment, the input signal track |
また、本実施の形態では、出力信号線路8の一端は、磁化固定部123の反強磁性層123Bに電気的に接続されている。出力信号線路8は、磁気抵抗効果素子102において生成された高周波出力信号を、出力ポート4に伝送する。
In the present embodiment, one end of the
また、本実施の形態では、直流電流入力端子16は、入力信号線路151の第2の線路部分151Bに電気的に接続されている。フィルタ装置1を動作させる際には、図19に示したように、直流電流入力端子16とグランド電極13の間に直流電流源17が設けられる。これにより、直流電流源17、直流電流入力端子16、入力信号線路151、磁気抵抗効果素子102、出力信号線路8、チョークコイル14およびグランド電極13を含む閉回路が形成される。直流電流源17は、この閉回路を流れる直流電流を発生する。磁気抵抗効果素子102に供給された直流電流は、第1の磁化自由層121から磁化固定部123に向かう方向に流れる電流と、第2の磁化自由層125から磁化固定部123に向かう方向に流れる電流とに分かれて、磁気抵抗効果素子102を通過する。
In the present embodiment, the direct
次に、本実施の形態に係るフィルタ装置1の作用および効果について説明する。本実施の形態では、エネルギ付与部105によって、第1および第2の磁化に高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギが磁気抵抗効果素子102に付与される。本実施の形態では、上記エネルギは高周波入力信号である。高周波入力信号は、磁気抵抗効果素子102を流れる直流電流に重畳されて、磁気抵抗効果素子102に付与される。
Next, the operation and effect of the
高周波入力信号が磁気抵抗効果素子102に付与されると、第1の磁化自由層121における電流密度と第2の磁化自由層125における電流密度が高周波入力信号の周波数で変化し、その結果、第1および第2の磁化に作用するそれぞれのスピントランスファートルクが、高周波入力信号の周波数で変化する。これにより、第1および第2の磁化は、それらの方向D1,D2が変化するように、高周波入力信号の周波数で振動する。その結果、第1の磁化の方向D1と第3の磁化の方向D3の相対角度が変化して、第1の経路の抵抗値が変化すると共に、第2の磁化の方向D2と第4の磁化の方向D4の相対角度が変化して、第2の経路の抵抗値が変化する。その結果、第1の経路と第2の経路からなる並列回路の抵抗値が変化して、高周波入力信号の周波数と等しい周波数の高周波出力信号が発生する。
When the high-frequency input signal is applied to the
本実施の形態では、第4の実施の形態と同様に、第1および第2の外部磁界の大きさを変えることによって、第1および第2の強磁性共鳴周波数f1,f2を変えることができる。 In the present embodiment, as in the fourth embodiment, the first and second ferromagnetic resonance frequencies f1 and f2 can be changed by changing the magnitudes of the first and second external magnetic fields. .
本実施の形態におけるその他の構成、作用および効果は、第3または第4の実施の形態と同様である。 Other configurations, operations, and effects in the present embodiment are the same as those in the third or fourth embodiment.
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、本発明における外部磁界印加部は、1つ以上の導線の代わりに、1つ以上の電磁石を含んでいてもよいし、1つ以上の永久磁石を含んでいてもよい。 In addition, this invention is not limited to said each embodiment, A various change is possible. For example, the external magnetic field application unit in the present invention may include one or more electromagnets instead of one or more conductors, or may include one or more permanent magnets.
第4および第5の実施の形態では、第1の外部磁界の方向と第2の外部磁界の方向が一致しているため、第1および第2の外部磁界印加部6,7の代わりに、1つの外部磁界印加部を設けてもよい。
In the fourth and fifth embodiments, since the direction of the first external magnetic field and the direction of the second external magnetic field coincide with each other, instead of the first and second external magnetic
また、第4および第5の実施の形態において、第2の外部磁界の方向を、第1の外部磁界の方向とは異なる方向、例えば第1の外部磁界の方向とは反対方向にしてもよい。 In the fourth and fifth embodiments, the direction of the second external magnetic field may be different from the direction of the first external magnetic field, for example, the direction opposite to the direction of the first external magnetic field. .
1…フィルタ装置、2…磁気抵抗効果素子、3…入力ポート、4…出力ポート、5…エネルギ付与部、6…第1の外部磁界印加部、7…第2の外部磁界印加部、8…出力信号線路、11…第1の電極、12…第2の電極、13…グランド電極、14…チョークコイル、15…直流電流線路、16…直流電流入力端子、17…直流電流源、21…第1の磁化自由層、22…スペーサ層、23…第2の磁化自由層、51,52,53,54,55…線路部分。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
高周波入力信号が印加される入力ポートと、
高周波出力信号が現れる出力ポートと、
エネルギ付与部とを備えたフィルタ装置であって、
前記磁気抵抗効果素子は、第1の磁化を有する第1の磁化自由層と、第2の磁化を有する第2の磁化自由層とを含み、
前記第1の磁化の方向は、前記第1の磁化自由層に作用する第1の有効磁界の方向に応じて変化し、
前記第2の磁化の方向は、前記第2の磁化自由層に作用する第2の有効磁界の方向に応じて変化し、
前記エネルギ付与部は、前記第1の磁化と前記第2の磁化に前記高周波入力信号に基づく振動を生じさせるためのエネルギを前記磁気抵抗効果素子に付与するものであり、
前記高周波出力信号は、前記第1の磁化と前記第2の磁化の振動に起因することを特徴とするフィルタ装置。 A magnetoresistive element;
An input port to which a high-frequency input signal is applied;
An output port where a high frequency output signal appears;
A filter device comprising an energy applying unit,
The magnetoresistive element includes a first magnetization free layer having a first magnetization, and a second magnetization free layer having a second magnetization,
The direction of the first magnetization changes according to the direction of the first effective magnetic field acting on the first magnetization free layer,
The direction of the second magnetization changes according to the direction of the second effective magnetic field acting on the second magnetization free layer,
The energy applying unit applies energy to the magnetoresistive element for generating vibration based on the high-frequency input signal in the first magnetization and the second magnetization,
The filter device, wherein the high-frequency output signal is caused by vibrations of the first magnetization and the second magnetization.
前記第1の外部磁界と前記第2の外部磁界は、互いに大きさが異なることを特徴とする請求項3記載のフィルタ装置。 The at least one external magnetic field application unit includes a first external magnetic field application unit that applies a first external magnetic field to the first magnetization free layer, and a second external magnetic field application unit to the second magnetization free layer. A second external magnetic field application unit for applying an external magnetic field;
The filter device according to claim 3, wherein the first external magnetic field and the second external magnetic field have different sizes.
前記磁化固定部は、方向が固定された磁化を有する少なくとも1つの磁化固定層を含むことを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のフィルタ装置。 The magnetoresistive element further includes a magnetization pinned portion disposed between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer, and between the first magnetization free layer and the magnetization pinned portion. A first spacer layer disposed; and a second spacer layer disposed between the second magnetization free layer and the magnetization pinned portion;
The filter device according to claim 1, wherein the magnetization fixed unit includes at least one magnetization fixed layer having magnetization whose direction is fixed.
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