JP2018186451A - 磁気抵抗効果デバイス及び高周波デバイス - Google Patents

磁気抵抗効果デバイス及び高周波デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】高周波フィルタ等の高周波デバイスとして機能する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、第１のポートと、第２のポートと、磁気抵抗効果素子と、前記第１のポートに接続され、前記磁気抵抗効果素子に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、前記第２のポートと前記磁気抵抗効果素子とを繋ぐ第２の信号線路と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する電源を接続できる直流印加端子と、を備え、前記第１の信号線路は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向又は積層方向と直交する面内方向の位置に、第１の方向に延在する磁場発生部を有し、前記磁場発生部と前記磁気抵抗効果素子とは、前記磁場発生部が配置された前記積層方向又は前記面内方向から見た際に重畳する部分を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果デバイス及び高周波デバイスに関する。
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ている。それに伴い、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る。その中で注目されている現象の一つとして、磁気抵抗効果素子による強磁性共鳴がある（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、磁気抵抗効果素子に強磁性共鳴を起こすことができる。強磁性共鳴が生じると、強磁性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強磁性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。
Ａ．Ａ．Ｔｕｌａｐｕｒｋａｒ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５．
上述のように、強磁性共鳴現象を利用した高周波発振素子の検討は進められている。しかしながら、強磁性共鳴現象のその他の応用用途についての具体的な検討はまだ十分とは言えない。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、強磁性共鳴現象を利用して、高周波フィルタ等の高周波デバイスとして機能する磁気抵抗効果デバイスを提供する。
上記課題を解決するため、強磁性共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波デバイスとして利用する方法を検討した。その結果、強磁性共鳴現象により生じる磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を利用した磁気抵抗効果デバイスを見出し、この磁気抵抗効果デバイスが高周波デバイスとして機能することを見出した。
また高周波デバイスの出力特性を向上させるためには、磁気抵抗効果素子に効率的に大きな高周波磁場を印加し、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化量を大きくすることが好ましい。そこで、磁気抵抗効果素子に効率的に大きな高周波磁場を印加できる磁気抵抗効果デバイスの構成を見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスは、信号が入力される第１のポートと、信号が出力される第２のポートと、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層の間に挟持されたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記第１のポートに接続され、前記第１のポートから入力される信号に対応した高周波電流が流れ、前記磁気抵抗効果素子に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、前記第２のポートと前記磁気抵抗効果素子とを繋ぐ第２の信号線路と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する電源を接続できる直流印加端子と、を備え、前記第１の信号線路は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向又は積層方向と直交する面内方向の位置に、第１の方向に延在する磁場発生部を有し、前記磁場発生部と前記磁気抵抗効果素子とは、前記磁場発生部が配置された前記積層方向又は前記面内方向から見た際に重畳する部分を有する。
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部が配置された前記積層方向又は前記面内方向から見た際に、前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の全面と重畳している、又は、前記磁気抵抗効果素子が前記第１の方向と直交する第２の方向に渡って前記磁場発生部と重畳している構成でもよい。
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の積層方向に設けられている場合に、前記磁場発生部の幅は、前記磁気抵抗効果素子の幅の０．５倍以上１０倍以下であってもよい。
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部の幅は、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であってもよい。
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部の厚みは、５０ ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の面内方向に設けられている場合に、前記磁場発生部の厚みは、前記磁気抵抗効果素子の厚みの３倍以上５０倍以下であってもよい。
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部の幅は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であってもよい。
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部の厚みは、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であってもよい。
（９）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部と前記磁気抵抗効果素子との距離が５００ｎｍ以下であってもよい。
（１０）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部が前記第１の方向に延在する長さが２０μｍ以下であってもよい。
（１１）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層に印加する高周波磁場の方向と、前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層の磁化容易方向とのなす角が、５°以上６５°以下であってもよい。
（１２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子が、前記直流印加端子に対して直列又は並列に複数設けられていてもよい。
（１３）第２の態様にかかる高周波デバイスは、上記態様にかかる記載の磁気抵抗効果デバイスを用いたものである。
上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、強磁性共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波フィルタや増幅器等の高周波デバイスとして用いることができる。
また上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、磁気抵抗効果素子に効率的に大きな高周波磁場を印加することができる。
第１実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍の斜視模式図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス及び磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｚ方向からみて重畳していない磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍をｚ方向から平面視した図である。 ｚ方向からみた際における磁場発生部と磁気抵抗効果素子との重畳状態を変えた際における磁気抵抗効果デバイスの出力信号強度を測定した結果である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁気抵抗効果素子の幅と磁場発生部の幅の相対関係を変化させた際の高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の幅を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の厚みを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部と磁気抵抗効果素子との距離を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の長さを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加される高周波磁場の方向と、磁化固定層の磁化容易方向との関係を示す図である。 磁化自由層に印加される高周波磁場の方向と、磁化固定層の磁化容易方向とのなす角を変更した際に、磁気抵抗効果デバイスが出力する出力電圧の振幅の変化を示す図である。 磁気抵抗効果素子に印加される直流電流が一定の場合に磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。 磁気抵抗効果素子に印加される外部磁場が一定の場合に磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍の斜視模式図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス及び磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｙ方向からみて重畳していない磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍をｙ方向から平面視した図である。 ｙ方向からみた際における磁場発生部と磁気抵抗効果素子との重畳状態を変えた際における磁気抵抗効果デバイスの出力信号強度を測定した結果である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の厚みを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の幅を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部と磁気抵抗効果素子の距離を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて磁場発生部の長さを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。 第３実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。 第４実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。
以下、磁気抵抗効果デバイスについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を示した模式図である。図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００は、第１のポート１と、第２のポート２と、磁気抵抗効果素子１０と、第１の信号線路２０と、第２の信号線路３０と、第３の信号線路３１と、直流印加端子４０と、磁場印加機構５０とを備える。
＜第１のポート及び第２のポート＞
第１のポート１は、磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子である。第１のポート１は、第１の信号線路２０の一端に対応する。第１のポート１に交流信号源（図視略）を接続することで、磁気抵抗効果デバイス１００に交流信号を印加できる。
第２のポート２は、磁気抵抗効果デバイス１００の出力端子である。第２のポート２は、第２の信号線路３０の一端に対応する。第２のポート２に高周波測定器（図視略）を接続することで、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号を測定できる。高周波測定器には、例えば、ネットワークアナライザ等を用いることができる。
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１１と、第２強磁性層１２と、第１強磁性層１１と第２強磁性層１２の間に挟持されたスペーサ層１３とを有する。以下、第１強磁性層を磁化固定層とし、第２強磁性層を磁化自由層として説明するが、第１強磁性層及び第２強磁性層はいずれとして機能してもよい。磁化固定層１１の磁化は、磁化自由層１２の磁化より動きにくく、所定の磁場環境下では一方向に固定される。磁化固定層１１の磁化の向きに対して磁化自由層１２の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子１０として機能する。
磁化固定層１１は、強磁性体材料で構成されている。磁化固定層１１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。これらの材料を用いることで、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率が大きくなる。また磁化固定層１１は、ホイスラー合金で構成されても良い。磁化固定層１１の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
磁化固定層１１の磁化固定方法は、特に問わない。例えば、磁化固定層１１の磁化を固定するために磁化固定層１１に接するように反強磁性層を付加してもよい。また、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１１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できる。
磁化自由層１２は、外部印加磁場もしくはスピン偏極電子によってその磁化の方向が変化可能な強磁性体材料で構成されている。
磁化自由層１２は、磁化自由層１２を積層する積層方向と垂直な面内方向に磁化容易軸を有する場合の材料として、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどを用いることができ、磁化自由層１２の積層方向に磁化容易軸を有する場合の材料として、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合金などを用いることができる。また、磁化自由層１２は、ホイスラー合金で構成されても良い。
磁化自由層１２の厚さは、１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。また磁化自由層１２とスペーサ層１３との間には、高スピン分極率材料を挿入しても良い。高スピン分極率材料を挿入することによって、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。
スペーサ層１３は、磁化固定層１１と磁化自由層１２の間に配置される非磁性層である。スペーサ層１３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。
例えば、スペーサ層１３が絶縁体からなる場合は、磁気抵抗効果素子１０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となり、スペーサ層１３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となる。
スペーサ層１３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層１３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度が好ましい。
スペーサ層１３を非磁性半導体材料で構成する場合、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘ又はＧａ２Ｏｘ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層１３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度が好ましい。
スペーサ層１３として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯによって構成される非磁性絶縁体中に、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｌまたはＭｇなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、スペーサ層１３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度が好ましい。
磁気抵抗効果素子１０への通電性を高めるためには、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の両面に電極を設けることが好ましい。以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の下部に設けられた電極を下部電極１４、上部に設けられた電極を上部電極１５という。下部電極１４及び上部電極１５を設けることで、第２の信号線路３０及び第３の信号線路３１と磁気抵抗効果素子１０の接触が面になり、磁気抵抗効果素子１０の面内方向いずれの位置においても、信号（電流）の流れが積層方向に沿う。
下部電極１４及び上部電極１５は、導電性を有する材料により構成される。例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ等を下部電極１４及び上部電極１５に用いることができる。
また磁気抵抗効果素子１０と下部電極１４又は上部電極１５との間には、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る。これらの層の膜厚は、それぞれ２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
磁気抵抗効果素子１０の大きさは、磁気抵抗効果素子１０の平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺を３００ｎｍ以下にすることが望ましい。磁気抵抗効果素子１０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１０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１０の長辺と定義する。
長辺が３００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層１２の体積が小さくなり、高効率な強磁性共鳴現象の実現が可能となる。ここで、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子１０を構成する各層の積層方向から見た形状のことである。
＜第１の信号線路＞
第１の信号線路２０は、一端が第１のポート１に接続され、他端が基準電位に接続されている。図１では、基準電位としてグラウンドＧに接続している。第１のポート１に入力される高周波信号とグラウンドＧとの電位差に応じて、第１の信号線路２０内に高周波電流が流れる。第１の信号線路２０内に高周波電流が流れると、第１の信号線路２０から高周波磁場が発生する。磁気抵抗効果素子１０には、この高周波磁場が印加される。
図２は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００の磁気抵抗効果素子１０近傍の斜視模式図である。以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向をｚ方向、ｚ方向と直交する面内の一方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向に直交する方向をｙ方向と言う。
図２に示すように、第１の信号線路２０は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の位置にｘ方向（第１の方向）に延在する磁場発生部２１を有する。ここで磁場発生部２１とは、高周波電流が流れることで高周波磁場を発生する部分を意味し、第１の信号線路２０全体が磁場発生部でもよい。
図３は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス及び磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｚ方向からみて重畳していない磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子１０近傍をｚ方向から平面視した図である。図３に示すように、ｚ方向から平面視した際に、磁気抵抗効果素子１０と磁場発生部２１とが重畳する態様としてはいくつかの場合がある。
第１の態様は、図３（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０の一部と磁場発生部２１の一部とが重畳する場合である。第２の態様は、図３（ｂ）に示すように、磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０の全面と重畳する場合であり、平面視で磁気抵抗効果素子１０は磁場発生部２１の範囲内に内包されている。第３の態様は、図３（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０がｙ方向に渡って磁場発生部２１と重畳している場合であり、磁気抵抗効果素子１０は平面視で磁場発生部２１をｙ方向に横断している。また図３（ｄ）には、磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｚ方向からみて重畳していない場合の態様を模式的に示した。
図４は、ｚ方向からみた際における磁場発生部と磁気抵抗効果素子との重畳状態を変えた際における磁気抵抗効果デバイスの出力信号強度を測定した結果である。図４における実施例１−１は図３（ａ）に示す第１の態様の場合の結果であり、実施例１−２は、図３（ｂ）に示す第２の態様の場合の結果であり、実施例１−３は、図３（ｃ）に示す第３の態様の場合の結果であり、比較例１−１は図３（ｄ）に示す他の態様の場合の結果である。図４の検討は、以下のような条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
実施例１−１〜１−３及び比較例１−１のいずれにおいても磁気抵抗効果素子１０の平面視の形状は円形とし、直径を２００ｎｍとした。また磁場発生部２１のｙ方向の幅は２００ｎｍとした。実施例１−１では磁場発生部２１のｙ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の中心軸との距離は１５０ｎｍとした。また実施例１−２及び１−３では、磁場発生部２１のｙ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の中心軸とは一致させた。さらに比較例１−１では、磁場発生部２１のｙ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の中心軸とは２００ｎｍとした。磁場発生部２１に流す高周波電流の周波数は３．６ＧＨｚ、入力電力は−３６ｄＢｍとした。また磁場発生部２１は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向上方１００ｎｍの位置に設けた。
図４に示すように、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０とが磁場発生部２１が配置されたｚ方向から見た際に重畳する部分を有する実施例１−１〜１−３は、重畳する部分を有さない比較例１−１より磁気抵抗効果デバイスの出力特性に優れていた。また第２の態様（図３（ｂ）、実施例１−２）や第３の態様（図３（ｃ）、実施例１−３）のように、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の中心軸と磁場発生部２１のｙ方向の中心軸とが一致すると、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号強度がより強くなった。さらに第２の態様（図３（ｂ）、実施例１−２）に示すように、平面視で磁気抵抗効果素子１０は磁場発生部２１の範囲内に内包されている場合は、特に磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号強度がより強くなった。この重畳状態と磁気抵抗効果デバイスから出力される信号強度との関係は、磁場発生部の幅、磁気抵抗効果素子の直径等を変化させても同様の傾向が確認された。
磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０とが重畳する部分を有すると、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号が大きくなる理由は明確ではない。しかしながら、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量に依存する。そのため、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に適切な方向から適切な強度の高周波磁場が印加され、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量が大きくなったと考えられる。
このように磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０との関係は、磁気抵抗効果デバイスの出力特性に影響を及ぼす。第１実施形態における磁気抵抗効果デバイスにおいて、磁場発生部２１の幅は、磁気抵抗効果素子１０の幅の０．５倍以上１０倍以下であることが好ましく、０．７５倍以上４倍以下であることがより好ましく、１．０倍であることがさらに好ましい。
ここで「幅」とは、磁気抵抗効果素子１０が積層するｚ方向に直交するｘｙ面内において磁場発生部２１内を流れる電流（ｘ方向）と直交する方向（ｙ方向）の幅を意味する。例えば磁気抵抗効果素子１０の幅は、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向の一端を通りｘ方向と平行な直線に向けてｙ方向の他端から下した垂線の長さを意味する。
図５は、磁気抵抗効果素子１０の幅と磁場発生部２１の幅の相対関係を変化させた際の高周波磁場の強度の関係を示した図である。図５の検討は、以下のような条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
磁場発生部２１は、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向上方１００ｎｍの位置に設けた。磁気抵抗効果素子１０の中心は、磁場発生部２１のｙ方向の中心線上に設けた。磁場発生部２１の長さは３μｍ、ｚ方向の厚みは１００ｎｍとした。磁場発生部２１に流す高周波電流の周波数は３．６ＧＨｚ、入力電力は−３６ｄＢｍとした。
磁気抵抗効果素子１０の平面視形状は円形とし、その直径を１００ｎｍφ、２００ｎｍφ、４００ｎｍφの３つの場合において、磁場発生部２１のｙ方向の幅を変えた際に磁気抵抗効果素子１０に加わる高周波磁場のｘｙ面内成分が最大値をとる条件を求めた。
図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０の幅に対して磁場発生部２１の幅が１倍となる点近傍で、磁気抵抗効果素子１０に印加される磁場は最大値を示した。磁気抵抗効果素子１０の平面視の直径を変えた場合でも、同様の傾向が確認された。
磁場発生部２１の幅は、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましく、１２５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがより好ましく、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図６は、磁場発生部２１の幅を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図６の検討は、図５の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図６に示すように、磁気抵抗効果素子１０のｘｙ面内方向の成分は、磁場発生部２１の幅が所定の値で極大値を示した。上述の磁気抵抗効果素子１０の幅と磁場発生部２１の幅との関係でも示したように、極大値を示す磁場発生部２１の幅は磁気抵抗効果素子１０の幅と略一致した。
磁場発生部２１のｚ方向の厚みは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、７５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図７は、磁場発生部２１の厚みを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図７の検討は、磁場発生部２１の幅を２００ｎｍで固定し、磁場発生部２１の厚みを変更した点以外は図５の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図７に示すように、磁気抵抗効果素子１０のｘｙ面内方向の成分は、磁場発生部２１の厚みが１００ｎｍ近傍で高周波磁場の強度が極大値を示した。この極大値を示す磁場発生部２１の厚みは、磁気抵抗効果素子１０の大きさによらず一定であった。
また磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離は、５００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図８は、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図８の検討は、磁場発生部２１の幅を２００ｎｍで固定し、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離を変更した点以外は図５の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図８に示すように、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０との距離が近ければ近いほど、大きな磁場を磁気抵抗効果素子１０に与えることができた。
また磁場発生部２１がｘ方向に延在する長さは、２０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以下であることがさらに好ましい。
図９は、磁場発生部２１のｘ方向の長さを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図９の検討は、磁場発生部２１の幅を２００ｎｍで固定し、磁場発生部２１のｘ方向の長さを変更した点以外は図５の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図９に示すように、磁場発生部２１のｘ方向の長さが長くなると、磁気抵抗効果素子１０に印加される磁場の大きさは小さくなる。
また磁場発生部２１の配設方向は、磁気抵抗効果素子１０に印加される高周波磁場の方向と磁化固定層１１の磁化容易方向とを考慮して決定することが好ましい。図１０は、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加される高周波磁場の方向と、磁化固定層１１の磁化容易方向との関係を示す図である。図１０では、理解を容易にするために、磁気抵抗効果素子１０の磁化固定層１１及び磁化自由層１２のみを抜き出して図示している。
磁化固定層１１の磁化Ｍ１１は、磁化容易方向１１ａに固定される。一方で、磁化自由層１２には、磁場発生部２１（図２参照）から高周波磁場が印加される。磁場発生部２１は、アンペールの法則から磁場発生部２１が延在する方向を軸とする回転方向に磁場を生み出す。図２では、磁場発生部２１がｘ方向に延在するため、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加する高周波磁場の方向はｙ方向となる。図１０では、この磁化自由層１２に高周波磁場が印加される方向を符号２１ａとして図示する。
磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加する高周波磁場の方向２１ａと、磁気抵抗効果素子１０の磁化固定層１１の磁化容易方向１１ａとのなす角θ１は５°以上６５°以下であることが好ましく、２０°以上５５°以下であることがより好ましい。
図１１は、磁化自由層１２に印加される高周波磁場の方向２１ａと、磁化固定層１１の磁化容易方向１１ａとのなす角θ１を変更した際に、磁気抵抗効果デバイス１００が出力する出力電圧の振幅の変化を示す図である。図１１に示すように、磁化自由層１２に印加される高周波磁場の方向２１ａと、磁化固定層１１の磁化容易方向１１ａとのなす角θ１が上記の範囲内であると、出力電圧の振幅が大きくなる。
＜第２の信号線路、第３の信号線路＞
第２の信号線路３０は、一端が磁気抵抗効果素子１０に接続され、他端が第２のポート２に接続されている。すなわち、第２の信号線路３０は、磁気抵抗効果素子１０と第２のポート２とを繋ぐ。第２の信号線路３０は、磁気抵抗効果素子１０の強磁性共鳴を利用して選択された周波数の信号を第２のポート２から出力する。
第３の信号線路３１は、一端が磁気抵抗効果素子１０に接続され、他端が基準電位に接続されている。図１では第３の信号線路３１を、第１の信号線路２０の基準電位と共通のグラウンドＧに接続しているが、その他の基準電位に接続してもよい。回路構成を簡便にするためには、第１の信号線路２０の基準電位と第３の信号線路３１の基準電位とは共通していることが好ましい。
各信号線路及びグラウンドＧ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（ＭＳＬ）型やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型に設計する場合、信号線路の特性インピーダンスと、回路系のインピーダンスとが等しくなるように、信号線路幅やグラウンド間距離を設計することが好ましい。このように設計することによって信号線路の伝送損失を抑えることができる。
＜直流印加端子＞
直流印加端子４０は、電源４１に接続され、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する。電源４１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。また電源４１は直流電流源でも、直流電圧源でもよい。
直流印加端子４０と第２の信号線路３０との間には、インダクタ４２が配設されている。インダクタ４２は、電流の高周波成分をカットし、電流の直流成分のみを通す。インダクタ４２により磁気抵抗効果素子１０から出力された出力信号は第２のポート２に効率的に流れる。またインダクタ４２により直流電流は、電源４１、第２の信号線路３０、磁気抵抗効果素子１０、第３の信号線路３１、グラウンドＧという閉回路を流れる。
インダクタ４２には、チップインダクタ、パターン線路によるインダクタ、インダクタ成分を有する抵抗素子等を用いることができる。インダクタ４２のインダクタンスは１０ｎＨ以上であることが好ましい。
＜磁場印加機構＞
磁場印加機構５０は、磁気抵抗効果素子１０に外部磁場を印加し、磁気抵抗効果素子１０の共鳴周波数を変調する。磁気抵抗効果デバイス１００が出力する信号は、磁気抵抗効果素子１０の共鳴周波数により変動する。そのため、出力信号を可変にするためには、磁場印加機構をさらに有することが好ましい。
磁場印加機構５０は、磁気抵抗効果素子１０の近傍に配設されることが好ましい。磁場印加機構５０は、例えば、電圧又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又はストリップライン型で構成される。また、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型又はストリップライン型と、一定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もよい。
「磁気抵抗効果デバイスの機能」
磁気抵抗効果デバイス１００に第１のポート１から高周波信号が入力されると、高周波信号に対応する高周波電流が第１の信号線路２０内を流れる。第１の信号線路２０内を流れる高周波電流は、磁気抵抗効果素子１０に高周波磁場を印加する。第１の信号線路２０は、磁気抵抗効果素子１０に対して所定の位置に設けられており、磁気抵抗効果素子１０に対して大きな高周波磁場を印加する。
磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２の磁化は、第１の信号線路２０により磁気抵抗効果素子１０に印加された高周波磁場が、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に大きく振動する。この現象が、強磁性共鳴現象である。
磁化自由層１２の振動が大きくなると、磁気抵抗効果素子１０における抵抗値変化が大きくなる。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化は、下部電極１４と上部電極１５との間の電位差として第２のポート２から出力される。
すなわち、第１のポート１から入力された高周波信号が磁化自由層１２の共鳴周波数近傍の場合は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の変動量が大きく、第２のポート２から大きな信号が出力される。これに対し、高周波信号が磁化自由層１２の共鳴周波数から外れている場合は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の変動量が小さく、第２のポート２から信号がほとんど出力されない。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は特定の周波数の高周波信号のみを選択的に通過できる高周波フィルタとして機能する。
磁気抵抗効果デバイス１００が選択する周波数は、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数を変えることで変調できる。強磁性共鳴周波数は、磁化自由層１２における有効磁場によって変化する。磁化自由層１２における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層１２に印加される外部磁場をＨＥ、磁化自由層１２における異方性磁場をＨｋ、磁化自由層１２における反磁場をＨＤ、磁化自由層１２における交換結合磁場をＨＥＸとすると、以下の式で表される。
Ｈｅｆｆ＝ＨＥ＋Ｈｋ＋ＨＤ＋ＨＥＸ
上式で示すように、磁化自由層１２における有効磁場は、外部磁場ＨＥの影響を受ける。外部磁場ＨＥの大きさは、磁場印加機構５０により調整できる。図１２は、磁気抵抗効果素子１０に印加される直流電流が一定の場合に磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。
磁気抵抗効果素子１０に任意の外部磁場が印加されると、磁化自由層１２の強磁性強磁性共鳴周波数は外部磁場の影響を受けて変化する。この際の強磁性共鳴周波数をｆｂ１とする。磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数がｆｂ１であるため、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がｆｂ１の際に出力電圧の振幅が大きくなる。そのため、図１２に示すプロット線１００ｂ１のグラフが得られる。
次いで印加する外部磁場を大きくすると、外部磁場の影響を受けて強磁性共鳴周波数がｆｂ１からｆｂ２にシフトする。この際、出力電圧の振幅が大きくなる周波数もｆｂ１からｆｂ２にシフトする。その結果、図１２に示すプロット線１００ｂ２のグラフが得られる。このように、磁場印加機構５０は、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加される有効磁場Ｈｅｆｆを調整し、強磁性共鳴周波数を変調できる。
また電源４１から磁気抵抗効果素子１０に印加される直流電流の電流密度を変えることで、強磁性共鳴周波数を変調することもできる。図１３は、磁気抵抗効果素子１０に印加される外部磁場が一定の場合に磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。
磁気抵抗効果デバイス１００の第２のポート２から出力される出力電圧は、磁気抵抗効果素子１０において振動する抵抗値と、磁気抵抗効果素子１０に流れる直流電流の積で表される。磁気抵抗効果素子に流れる直流電流が大きくなると、出力電圧の振幅（出力信号）は大きくなる。
また磁気抵抗効果素子１０に流れる直流電流量が変わると、磁化自由層１２における磁化の状態が変化し、磁化自由層１２における異方性磁場Ｈｋ、反磁場ＨＤ、磁交換結合磁場ＨＥＸの大きさが変化する。その結果、直流電流が大きくなると強磁性共鳴周波数は低くなる。つまり、図１３に示すように直流電流量が大きくなると、プロット線１００ａ１からプロット線１００ａ２にシフトする。このように、電源４１から磁気抵抗効果素子１０に印加する電流量を変えることで、強磁性共鳴周波数を変調できる。
また上記では磁気抵抗効果デバイスを高周波フィルタとして用いる場合を例に提示したが、磁気抵抗効果デバイスはアイソレータ、フェイズシフタ、増幅器（アンプ）等の高周波デバイスとしても利用できる。
磁気抵抗効果デバイスをアイソレータとして用いる場合は、第２のポート２から信号を入力する。第２のポート２から信号を入力しても第１のポート１から出力されることはないため、アイソレータとして機能する。
また磁気抵抗効果デバイスをフェイズシフタとして用いる場合は、出力される周波数帯域が変化する場合において、出力される周波数帯域の任意の１点の周波数に着目する。出力される周波数帯域が変化する際に、特定の周波数における位相は変化するため、フェイズシフタとして機能する。
また磁気抵抗効果デバイスを増幅器として用いる場合は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量を大きくする。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量は、電源４１から入力する直流電流を所定の大きさ以上にしたり、第１の信号線路２０が磁気抵抗効果素子１０に印加する高周波磁場を大きくすることで、大きくなる。磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量が大きくなると、第１のポート１から入力される信号より第２のポート２から出力される信号が大きくなり、増幅器として機能する。
上述のように、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、高周波フィルタ、アイソレータ、フェイズシフタ、増幅器等の高周波デバイスとして機能できる。
また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の信号線路２０が磁気抵抗効果素子１０に対して所定の位置に設けられており、磁気抵抗効果素子１０に対して大きな高周波磁場を印加できる。その結果、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量を大きくなり、出力特性に優れる磁気抵抗効果デバイス１００が得られる。
（第２実施形態）
図１４は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０１の磁気抵抗効果素子１０近傍の斜視模式図である。第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０の面内方向に配設されている点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。
図１５は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスと磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｙ方向からみて重畳していない磁気抵抗効果素子１０近傍をｙ方向から平面視した図である。図１５に示すように、ｙ方向から平面視した際に、磁気抵抗効果素子１０と磁場発生部２１とが重畳する態様としてはいくつかの場合がある。
第１の態様は、図１５（ａ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０の一部と磁場発生部２１の一部とが重畳する場合である。第２の態様は、図１５（ｂ）に示すように、磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０の全面と重畳する場合であり、平面視で磁気抵抗効果素子１０は磁場発生部２１の範囲内に内包されている。第３の態様は、図１５（ｃ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０がｚ方向に渡って磁場発生部２１と重畳している場合であり、磁気抵抗効果素子１０は平面視で磁場発生部２１をｚ方向に横断している。また図１５（ｄ）には、磁場発生部と磁気抵抗効果素子とがｙ方向からみて重畳していない場合の態様を模式的に示した。
図１６は、ｙ方向からみた際における磁場発生部と磁気抵抗効果素子との重畳状態を変えた際における磁気抵抗効果デバイスの出力信号強度を測定した結果である。図１６における実施例２−１は図１５（ａ）に示す第１の態様の場合の結果であり、実施例２−２は、図１５（ｂ）に示す第２の態様の場合の結果であり、実施例２−３は、図１５（ｃ）に示す第３の態様の場合の結果であり、比較例２−１は図１５（ｄ）に示す他の態様の場合の結果である。図１６の検討は、以下のような条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
実施例２−１〜２−３及び比較例２−１のいずれにおいても磁気抵抗効果素子１０の平面視の形状は円形とし、直径を２００ｎｍ、高さ２０ｎｍとした。また磁場発生部２１のｚ方向の厚みは１００ｎｍとした。実施例２−１では磁場発生部２１のｚ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の中心軸との距離は５５ｎｍとした。また実施例２−２及び２−３では、磁場発生部２１のｚ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の中心軸とは一致させた。さらに比較例２−１では、磁場発生部２１のｚ方向の中心軸と磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の中心軸とは２００ｎｍとした。磁場発生部２１に流す高周波電流の周波数は３．６ＧＨｚ、入力電力は−３６ｄＢｍとした。また磁場発生部２１は、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向側方１００ｎｍの位置に設けた。
図１６に示すように、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０とが磁場発生部２１が配置されたｙ方向から見た際に重畳する部分を有する実施例２−１〜２−３は、重畳する部分を有さない比較例２−１より磁気抵抗効果デバイスの出力特性に優れていた。また第２の態様（図１５（ｂ）、実施例２−２）や第３の態様（図１５（ｃ）、実施例２−３）のように、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の中心軸と磁場発生部２１のｚ方向の中心軸とが一致すると、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号強度がより強くなった。さらに第２の態様（図１５（ｂ）、実施例２−２）に示すように、ｙ方向から見て磁気抵抗効果素子１０が磁場発生部２１の範囲内に内包されている場合は、特に磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号強度がより強くなった。この重畳状態と磁気抵抗効果デバイスから出力される信号強度との関係は、磁場発生部の厚み、幅、磁気抵抗効果素子の直径等を変化させても同様の傾向が確認された。
磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０とがｙ方向から見て重畳する部分を有すると、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号が大きくなる理由は明確ではない。しかしながら、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量に依存する。そのため、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に適切な方向から適切な強度の高周波磁場が印加され、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化量が大きくなったと考えられる。
このように磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０との関係は、磁気抵抗効果デバイスの出力特性に影響を及ぼす。第１実施形態における磁気抵抗効果デバイスにおいて、磁場発生部２１の厚みは、磁気抵抗効果素子１０の厚みの３倍以上５０倍以下であることが好ましく、５倍以上１０倍以下であることがより好ましい。
また磁場発生部２１のｚ方向の厚みは、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましく、１２５ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがより好ましく、１５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図１７は、磁場発生部２１の厚みを変化させた際に、磁気抵抗効果素子１０に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図１７の検討は、以下のような条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
磁場発生部２１は、磁気抵抗効果素子１０のｙ方向側面１００ｎｍの位置に設けた。磁気抵抗効果素子１０の厚み方向の中心位置と、磁場発生部２１のｚ方向の中心位置とは一致させた。磁場発生部２１の長さは３μｍ、ｚ方向の厚みは１００ｎｍとした。磁場発生部２１に流す高周波電流の周波数は３．６ＧＨｚ、入力電力は−３６ｄＢｍとした。
磁気抵抗効果素子１０の平面視形状は円形とし、その直径を１００ｎｍφ、２００ｎｍφ、４００ｎｍφの３つの場合において、磁場発生部２１のｚ方向の厚みを変えた際に磁気抵抗効果素子１０に加わる高周波磁場の面直成分（ｚ方向）が最大値をとる条件を求めた。磁気抵抗効果素子１０の高さは２０ｎｍとした。
図１７に示すように、磁気抵抗効果素子１０に印加される高周波磁場は、磁場発生部２１の厚みが２００ｎｍの際に極大値を示した。磁気抵抗効果素子１０の高さが２０ｎｍであるため、この場合の磁場発生部２１の厚みは磁気抵抗効果素子１０の厚みの１０倍に対応する。
磁場発生部２１の幅は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、７５ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
図１８は、磁場発生部２１の幅を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図１８の検討は、磁場発生部２１の厚みを１００ｎｍで固定し、磁場発生部２１の幅を変更した点以外は図１７の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。図１８に示すように、磁場発生部２１の幅は狭くなるほど、磁気抵抗効果素子１０に印加される高周波磁場の強度が強くなった。
また図１９は、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離を変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図１９の検討は、磁場発生部２１の厚みを１００ｎｍで固定し、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離を変更した点以外は図１７の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図１９に示すように、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０との距離が近ければ近いほど、磁気抵抗効果素子１０に印加される磁場が大きくなる。すなわち、磁場発生部２１と磁気抵抗効果素子１０の距離は、５００ｎｍ以下であることが好ましく、２００ｎｍ以下であることがより好ましく、１００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
また図２０は、磁場発生部２１のｘ方向の長さを変化させた際に、磁気抵抗効果素子に加わる高周波磁場の強度の関係を示した図である。図２０の検討は、磁場発生部２１の厚みを１００ｎｍで固定し、磁場発生部２１のｘ方向の長さを変更した点以外は図１７の検討と同様の条件のもと電磁界シミュレータを用いてシミュレーションにより行った。
図２０に示すように、磁場発生部２１のｘ方向の長さが長くなると、磁気抵抗効果素子１０に印加される磁場の大きさは小さくなる。
また磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０のｙ方向に存在する場合でも、磁気抵抗効果素子１０に印加される高周波磁場の方向と磁化固定層１１の磁化容易方向との関係は変わらない。すなわち、磁場発生部２１が磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加する高周波磁場の方向と、磁気抵抗効果素子１０の磁化固定層１１の磁化容易方向とのなす角θ１は５°以上６５°以下であることが好ましく、２０°以上５５°以下であることがより好ましい。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
例えば、図２１に示す磁気抵抗効果デバイス１０２のように、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂを、電源４１、第２の信号線路３０、第３の信号線路３１、グラウンドＧによる閉回路内に、複数並列に配設してもよい。すなわち、複数の磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂは、共通の上部電極１５及び下部電極１４に接続される。
それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂの強磁性共鳴周波数を異なるものにすると、磁気抵抗効果デバイス１０２で選択できる選択周波数の帯域を広くできる。それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂは、それぞれの強磁性共鳴周波数で大きな抵抗値変化を示し、その合算した値が第２のポート２から出力される。そのため、それぞれの強磁性共鳴周波数を重ねあわせた範囲の周波数が、磁気抵抗効果デバイス１０２の選択周波数となり、選択周波数の帯域が広くなる。
磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂの強磁性共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂをｚ方向から見た際の平面視形状を変えることで制御することができる。
また磁場印加機構５０は、図２１に示すように複数の磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対して共通して１つとしてもよいし、それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対しそれぞれ設けてもよい。それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対し、それぞれ磁場印加機構５０を設けると、磁気抵抗効果デバイス１０２の集積性は低下するが、磁気抵抗効果デバイス１０２の選択周波数の設定の自由度が高まる。
また例えば、図２２に示す磁気抵抗効果デバイス１０３のように、磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂを、電源４１、第２の信号線路３０、第３の信号線路３１、グラウンドＧによる閉回路内に、複数直列に配設してもよい。
それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂの強磁性共鳴周波数を異なるものにすると、磁気抵抗効果デバイス１０２で選択できる選択周波数の帯域を広くできる。それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂは、それぞれの強磁性共鳴周波数で大きな抵抗値変化を示し、その合算した値が第２のポート２から出力される。そのため、それぞれの強磁性共鳴周波数を重ねあわせた範囲の周波数が、磁気抵抗効果デバイス１０３の選択周波数となり、選択周波数の帯域が広くなる。
また磁場印加機構５０は、図２２に示すように複数の磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対して共通して１つとしてもよいし、それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対しそれぞれ設けてもよい。それぞれの磁気抵抗効果素子１０ａ、１０ｂに対し、それぞれ磁場印加機構５０を設けると、磁気抵抗効果デバイス１０３の集積性は低下するが、磁気抵抗効果デバイス１０３の選択周波数の設定の自由度が高まる。
１…第１のポート、２…第２のポート、１０…磁気抵抗効果素子、１１…磁化固定層、１２…磁化自由層、１３…スペーサ層、１４…下部電極、１５…上部電極、２０…第１の信号線路、２１…磁場発生部、３０…第２の信号線路、３１…第３の信号線路、４０…直流印加端子、４１…電源、４２…インダクタ、Ｇ…グラウンド、１００，１０１，１０２，１０３…磁気抵抗効果デバイス

Claims (13)

  1. 信号が入力される第１のポートと、
    信号が出力される第２のポートと、
    第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層の間に挟持されたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    前記第１のポートに接続され、前記第１のポートから入力される信号に対応した高周波電流が流れ、前記磁気抵抗効果素子に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、
    前記第２のポートと前記磁気抵抗効果素子とを繋ぐ第２の信号線路と、
    前記磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する電源を接続できる直流印加端子と、を備え、
    前記第１の信号線路は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向又は積層方向と直交する面内方向の位置に、第１の方向に延在する磁場発生部を有し、
    前記磁場発生部と前記磁気抵抗効果素子とは、前記磁場発生部が配置された前記積層方向又は前記面内方向から見た際に重畳する部分を有する、磁気抵抗効果デバイス。
  2. 前記磁場発生部が配置された前記積層方向又は前記面内方向から見た際に、前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の全面と重畳している、又は、前記磁気抵抗効果素子が前記第１の方向と直交する第２の方向に渡って前記磁場発生部と重畳している、請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  3. 前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の積層方向に設けられている場合に、
    前記磁場発生部の幅は、前記磁気抵抗効果素子の幅の０．５倍以上１０倍以下である、請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
  4. 前記磁場発生部の幅は、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、請求項３に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  5. 前記磁場発生部の厚みは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項３又は４に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  6. 前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の面内方向に設けられている場合に、
    前記磁場発生部の厚みは、前記磁気抵抗効果素子の厚みの３倍以上５０倍以下である、請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
  7. 前記磁場発生部の幅は、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である、請求項６に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  8. 前記磁場発生部の厚みは、１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である、請求項６又は７に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  9. 前記磁場発生部と前記磁気抵抗効果素子との距離が５００ｎｍ以下である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  10. 前記磁場発生部が前記第１の方向に延在する長さが２０μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  11. 前記磁場発生部が前記磁気抵抗効果素子の前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層に印加する高周波磁場の方向と、前記磁気抵抗効果素子の第１強磁性層又は前記第２強磁性層の磁化容易方向とのなす角が、５°以上６５°以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  12. 前記磁気抵抗効果素子が、前記直流印加端子に対して直列又は並列に複数設けられた、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイスを用いた高周波デバイス。
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