JP2019103084A - 磁気抵抗効果デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】磁場印加機構として用いられる磁性部材と高周波信号線路との間に存在する、キャパシタンス成分を小さくすることが可能な磁気抵抗効果デバイスを提供する。【解決手段】本発明の磁気抵抗効果デバイス１００は、第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂとの間にスペーサ層１０１Ｃが配置されるように、積層されてなる磁気抵抗効果素子１０１と、積層方向Ｌに平行な方向における、磁気抵抗効果素子１０１の一方の側に配された高周波信号線路１０２と、磁気抵抗効果素子１０１から見て、高周波信号線路１０２より一方の側に遠い位置に配された磁性部材１０３と、を備え、磁性部材１０３が、高周波信号線路１０２との対向面１０３Ａにおいて、高周波信号線路１０２から離間する方向Ｄに凹んでいる凹部１０３Ｂを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した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が増加し、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、新しい高周波用部品への応用が期待されるスピントロニクスの分野の研究が、盛んに行われている。その中で注目されている現象の一つに、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象がある（非特許文献１参照）。
例えば、磁気抵抗効果素子に交流電流を流すのと同時に、磁場印加機構を用いて静磁場を印加することにより、磁気抵抗効果素子に含まれる磁化自由層の磁化に強磁性共鳴を起こすことができ、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。また、磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加することによっても、同様に振動する。磁気抵抗効果素子に印加される静磁場の強さによって、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の高周波帯域に含まれる。
特許文献１では、磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変えることにより、強磁性共鳴周波数を変化させる技術が開示されており、この技術を利用した高周波フィルタのようなデバイスが提案されている。
特開２０１７−６３３９７号公報
Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５
特許文献１では、磁気抵抗効果素子に磁場を印加するための磁場印加機構の例として、電磁石型、ストリップライン型が挙げられているが、その詳細な構成については開示されていない。磁気抵抗効果素子に磁場を印加する方法として、一般的には、ヨーク等の磁性部材から発生する磁場を、磁気抵抗効果素子に印加する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、ヨークと高周波信号線路との間に存在するキャパシタンス成分により、デバイスとしての高周波特性が劣化してしまう虞があることが、本発明者の研究によって分かっている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁場印加機構として用いられる磁性部材と高周波信号線路との間に存在する、キャパシタンス成分を小さくすることが可能な、磁気抵抗効果デバイスを提供することを目的とする。
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）本発明の一態様に係る磁気抵抗効果デバイスは、第１強磁性層と第２強磁性層との間にスペーサ層が配置されるように、積層されてなる磁気抵抗効果素子と、積層方向に平行な方向における、前記磁気抵抗効果素子の一方の側に配された高周波信号線路と、前記磁気抵抗効果素子から見て、前記高周波信号線路より前記一方の側に遠い位置に配された磁性部材と、を備え、前記磁性部材が、前記高周波信号線路との対向面において、前記高周波信号線路から離間する方向に凹んでいる凹部を有している。
（２）上記（１）に記載の磁気抵抗効果デバイスの前記磁性部材において、前記高周波信号線路との対向面のうち、凹んでいない領域の少なくとも一部が、前記積層方向に平行な方向からの平面視において、前記磁気抵抗効果素子と重なっていることが好ましい。
（３）上記（１）または（２）のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイスの前記積層方向に平行な方向において、前記凹部の最深部と前記高周波信号線路との距離が、前記磁性部材と前記高周波信号線路との最短距離の２倍以上であることが好ましい。
本発明の磁気抵抗効果デバイスでは、磁場印加機構を担う磁性部材が、高周波信号線路との対向面において、高周波信号線路から離間する方向に凹んでいる領域、すなわち、局所的に、高周波信号線路との距離が長くなっている領域を有する。そのため、高周波信号線路と磁性部材との間に存在するキャパシタンス成分のうち、この領域に存在する分については、距離の増加に対応した小さいものとなる。したがって、本発明の磁気抵抗効果デバイスでは、全体として、高周波特性の劣化を抑えることができる。
本発明の第一実施形態に係る、磁気抵抗効果デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の第一実施形態に係る、磁気抵抗効果デバイスの構成例を模式的に示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）本発明の第一実施形態に係る、磁気抵抗効果デバイスの他の構成例を模式的に示す平面図である。 本発明の第一実施形態の変形例１に係る、磁気抵抗効果デバイスの構成を模式的に示す断面図である。 本発明の磁気抵抗効果デバイスを適用した、高周波デバイスの回路の構成例を示す図である。
以下、本発明について、図面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、本発明の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等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。
＜第一実施形態＞
図１は、本発明の第一実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００の構成例を、模式的に示す断面図である。磁気抵抗効果デバイス１００は、少なくとも、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）１０１と、高周波電流が流れる高周波信号線路１０２と、磁性部材（第１磁性部材）１０３と、を備えている。磁気抵抗効果デバイス１００は、高周波信号線路１０２から発生する磁場（高周波磁場）、および磁性部材１０３から発生する磁場（静磁場）が、磁気抵抗効果素子１０１に印加されるように構成されている。
磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂとの間にスペーサ層（非磁性層等）１０１Ｃが配置されるように、積層されてなる。第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂとは、一方が磁化固定層として機能し、他方が磁化自由層として機能する。この場合、磁化固定層の磁化の向きに対して磁化自由層の磁化の向きが相対的に変化する。第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂとは、保磁力が互いに異なっており、磁化固定層として機能する層の保磁力の方が磁化自由層として機能する層の保磁力よりも大きい。第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂの厚さは、１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂの一方を磁化自由層とし、他方を磁化固定層とする場合、磁化自由層の方が、磁化固定層よりも、高周波信号線路１０２との距離が短くなるように配置されることが好ましい。
第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂは、互いに保磁力が異なるように、強磁性を有する公知の材料、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属、およびこれらの金属を１種類以上含む強磁性合金等から選択される材料からなる。また、第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂは、これらの金属と、Ｂ、Ｃ、およびＮのうち、少なくとも１種類以上の元素とを含む合金（具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ）等からなる場合もある。
また、より高い出力を得るためには、Ｃｏ２ＦｅＳｉ等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属、または、Ｘと同じ元素であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉやＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ等が挙げられる。
磁化固定層として機能する強磁性層（磁化固定層）の磁化を固定するために、磁化固定層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。
スペーサ層１０１Ｃには、非磁性の材料を用いることが好ましい。スペーサ層１０１Ｃは、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、または、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層によって構成されている。
例えば、スペーサ層１０１Ｃが絶縁体によって構成される場合は、磁気抵抗効果素子１０１はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子となり、スペーサ層１０１Ｃが金属によって構成される場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子となる。
スペーサ層１０１Ｃとして絶縁材料を適用する場合、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯ等の絶縁材料を用いることができる。第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂ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１０１Ｃ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効果を効率よく利用するためには、スペーサ層１０１Ｃの厚さは、０．５〜３．０ｎｍ程度であることが好ましい。
スペーサ層１０１Ｃが導電材料によって構成される場合、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１０１Ｃの厚さは、０．５〜３．０ｎｍ程度であることが好ましい。
スペーサ層１０１Ｃが半導体によって構成される場合、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１０１Ｃの厚さは、１．０〜４．０ｎｍ程度であることが好ましい。
スペーサ層１０１Ｃとして、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１０１Ｃの厚さは、０．５〜２．０ｎｍ程度であることが好ましい。
磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂの両方ともを磁化自由層とし、２つの磁化自由層とこれら２つの磁化自由層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することもできる。この場合、第１強磁性層１０１Ａと第２強磁性層１０１Ｂは、互いの磁化方向が相対的に変化可能である。一例として、２つの磁化自由層同士が、スペーサ層を介して磁気的に結合した磁気抵抗効果素子を挙げることができる。より具体的には、外部磁場が印加されない状態で２つの磁化自由層の磁化の方向が互いに反平行になるように、２つの磁化自由層同士がスペーサ層を介して磁気的に結合する例が挙げられる。
高周波信号線路１０２は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向Ｌに平行な方向における磁気抵抗効果素子１０１の一方の側（図１では磁気抵抗効果素子１０１より上側）に配され、所定の方向に延在する。高周波信号線路１０２の延在方向は、積層方向Ｌに平行な方向、積層方向Ｌと交差する方向のいずれを含んでいてもよい。
高周波信号線路１０２の本数が限定されることはなく、１本であってもよいし、複数本であってもよい。複数本である場合、高周波信号線路１０２は、それぞれから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１０１の位置で強め合うように、配置されることが好ましい。
磁気抵抗効果素子１０１の積層方向Ｌの両端には、それぞれ、線路１０６、１０７が接続されている。線路１０６および線路１０７の少なくとも一方を介して、磁気抵抗効果素子１０１に電流又は電圧が印加される。また、線路１０６および線路１０７の少なくとも一方は、磁気抵抗効果素子１０１から出力される信号を伝える。例えば、磁気抵抗効果素子１０１には、線路１０６および線路１０７を介して直流電流又は直流電圧が印加される。また、例えば、信号線路１０７は、磁気抵抗効果素子１０１から出力される信号（高周波電流または高周波電圧）を伝える。
磁気抵抗効果素子１０１への通電性を高める上で、磁気抵抗効果素子１０１の両端に、電極が設けられていることが好ましい。ここでは、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向における上端に設けられた電極を上部電極１０８、下端に設けられた電極を下部電極１０９と呼ぶ。線路１０６、線路１０７、上部電極１０８および下部電極１０９の材料としては、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、Ａｌ等の導電性を有するものを用いることができる。
磁性部材１０３は、磁気抵抗効果素子１０１に対して静磁場を印加するための、磁場印加機構として機能する部材である。磁性部材１０３は、磁気抵抗効果素子１０１から見て、高周波信号線路１０２より、磁気抵抗効果素子１０１の一方の側に遠い位置に配されている。つまり、高周波信号線路１０２、磁性部材１０３のいずれも、積層方向Ｌに平行な方向における、磁気抵抗効果素子１０１の同じ一方の側に配されているが、磁性部材１０３と磁気抵抗効果素子１０１との積層方向Ｌに平行な方向の距離は、高周波信号線路１０２と磁気抵抗効果素子１０１との積層方向Ｌに平行な方向の距離より大きい。
磁性部材１０３は、高周波信号線路１０２との対向面１０３Ａにおいて、高周波信号線路１０２から離間する方向Ｄに凹んでいる凹部１０３Ｂを有している。凹む方向Ｄについては、当該対向面１０３Ａに対して垂直な方向に限定されない。ここでいう対向面１０３Ａとは、最も高周波信号線路１０２側に位置する磁性部材１０３の最表面を含む平面を意味している。この対向面１０３Ａには、凹部１０３Ｂの開口面が含まれるが、凹部１０３Ｂの内表面（内壁面、内底面）は含まれない。
凹部１０３Ｂの底部１０３Ｄは、具体的には、例えば対向面１０３Ａから１００ｎｍ以上内側に凹んでいることが好ましい。積層方向Ｌに平行な方向において、凹部１０３Ｂの底部１０３Ｄと高周波信号線路１０２との距離ｄ２は、磁性部材１０３と高周波信号線路１０２との最短距離ｄ１の１．１倍以上であることが好ましい。ここでいう最短距離ｄ１および距離ｄ２は、積層方向Ｌに平行な方向成分の距離である。また、積層方向Ｌに平行な方向において、凹部１０３Ｂの底部１０３Ｄの最深部と高周波信号線路１０２との距離は、磁性部材１０３と高周波信号線路１０２との最短距離ｄ１の２倍以上であることが好ましい。凹部１０３Ｂには、酸化アルミニウムや酸化シリコン等の非磁性の絶縁体が充填されていることが好ましい。
図１では、磁性部材１０３として軟磁性体（ヨーク）を用いる場合について例示しており、磁性部材１０３の凹部１０３Ｂで囲まれた凹んでいない部分１０３Ｃの周囲に、コイル１０４が巻かれている。この例では、コイル１０４は金属パターンを渦巻き状に巻回させたスパイラルコイルの例を示しており、ここでは、コイル１０４の奥行き部分の図示を省略している。この場合、コイル１０４に流す電流値を調整することにより、磁気抵抗効果素子１０１に印加される静磁場の大きさを変化させることができる。
なお、図１では、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃの周囲に、コイル１０４が巻かれている例を示しているが、コイル１０４は、磁性部材の他の部分に巻かれていてもよい。
磁性部材１０３を軟磁性体とする場合には、その材料として、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｏのうちの少なくとも1つを含む金属又は合金等の軟磁性材料（一例として、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金等）を用いることができる。
磁性部材１０３としては硬磁性体（磁石）を用いてもよく、その場合には、図１のように磁性部材１０３の周囲にコイルを巻いてもよいし、巻かなくてもよい。磁性部材１０３として硬磁性体を用いる場合には、その材料として、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金等を用いることができる。また、上記した軟磁性材料にＩｒＭｎ等の反強磁性体を磁気的に結合させ、軟磁性材料の磁化の方向を固定したものも、磁性部材１０３として用いることができる。その場合には、図１のように磁性部材１０３の周囲にコイルを巻いてもよいし、巻かなくてもよい。
図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を、積層方向Ｌ（図１に示すＬ１側またはＬ２側）に平行な方向から平面視した場合の構成例を示すものである。ここでは、磁気抵抗効果素子１０１として、第１強磁性層１０１Ａ、第２強磁性層１０１Ｂ及びスペーサ層１０１Ｃの３つの層が重なっている部分のみを示している。
磁性部材１０３において、高周波信号線路１０２との対向面１０３Ａのうち、凹んでいない部分１０３Ｃがどの領域に含まれている場合であっても、後述する本実施形態の効果を得る上では有効である。ただし、図２（ａ）に示すように、当該平面視において、凹んでいない部分１０３Ｃの少なくとも一部が、磁気抵抗効果素子１０１と重なる領域に含まれている（磁気抵抗効果素子１０１と重なっている）場合には、磁性部材１０３と磁気抵抗効果素子１０１との距離ｄ３の小さい部分が形成され、この部分において、磁気抵抗効果素子１０１に印加される磁場が強まるため、好ましい。
磁気抵抗効果素子１０１に印加される磁場を強める上では、当該平面視において、磁気抵抗効果素子１０１のうち、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと重なる領域の面積が大きいほど好ましく、図２（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子１０１の全領域が磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと重なっていれば最も好ましい。
図２（ｂ）では、当該平面視において、磁性部材の凹んでいない部分１０３Ｃが磁気抵抗効果素子１０１を包含し、磁性部材の凹んでいない部分１０３Ｃの周縁部が、磁気抵抗効果素子１０１の周縁部の外側にある場合の構成を例示している。この場合、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃから発生する磁場のうち、端部の影響を受けていない一様な磁場だけを磁気抵抗効果素子１０１に印加させることができるため、好ましい。
図２（ｃ）は、積層方向Ｌに平行な方向からの平面視において、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと高周波線路１０２とが重なっていない場合の構成を例示している。この場合には、磁気抵抗効果素子１０１が磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃの少なくとも一部と重なり、高周波信号線路１０２が、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと重ならないように構成することができる。つまり、高周波信号線路１０２の全体が磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと重ならないように、磁性部材１０３を配置し、高周波信号線路１０２の全体にわたって、磁性部材１０３との距離を広げることができる。したがって、当該平面視において、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと高周波線路１０２とが重なっている場合よりも、高周波線路１０２と磁性部材１０３との間のキャパシタンス成分を小さくすることができる。
図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を、積層方向Ｌ（Ｌ１側またはＬ２側）から平面視した場合の他の構成例を示すものである。磁性部材の凹んでいない部分１０３Ｃが、図３（ａ）では磁気抵抗効果素子１０１の一部と重なっており、図３（ｂ）では磁気抵抗効果素子１０１の全部と重なっている。
凹部１０３Ｂは、磁性部材１０３と高周波信号線路１０２との間に存在するキャパシタンス成分を小さくするためのものである。存在するキャパシタンス成分は、図１の視点で言うと高周波信号線路１０２の直上、すなわち、当該平面視において磁性部材１０３と高周波信号線路１０２とが重なる領域において大きく、この領域から離れるにつれて小さくなってゆく。したがって、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、磁性部材１０３と高周波信号線路１０２とが重なる領域から離れた領域においては、磁性部材１０３に凹部１０３Ｂを有していなくてもよい。
図３（ｃ）では、当該平面視において、高周波信号線路１０２の大部分が、磁性部材１０３の凹んでいない部分１０３Ｃと重なっている。すなわち、高周波信号線路１０２の大部分にわたって、図１の視点で言うと直上の磁性部材１０３が凹部１０３Ｂを有していない。このような場合であっても、同図に示すように、高周波信号線路１０２と重なっていない（図１の視点で言うと斜め上の）磁性部材１０３がわずかでも凹部１０３Ｂを有していれば、全く凹部１０３Ｂを有していない場合に比べ、キャパシタンス成分を減少させる効果を得ることができる。
磁性部材と高周波信号線路との間に存在するキャパシタンス成分の影響によって、磁性部材と高周波信号線路との間に高周波電流が流れる経路ができるため、このキャパシタン成分が大きいと磁気抵抗効果デバイスの高周波特性が劣化することがある。例えば、高周波信号線路を流れる高周波電流の一部が、磁性部材側に分流してしまい、磁気抵抗効果素子に印加される高周波磁界の強度が低下することがある。そのため、磁気抵抗効果デバイスを例えば後述する高周波フィルタに適用する場合には、高周波フィルタの通過特性が劣化することがある。
これに対し、本実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００では、磁場印加機構を担う磁性部材１０３が、高周波信号線路１０２との対向面１０３Ａにおいて、高周波信号線路１０２から離間する方向Ｄに凹んでいる凹部１０３Ｂ、すなわち、局所的に、高周波信号線路１０２との距離が長くなっている領域を有する。そのため、高周波信号線路１０２と磁性部材１０３との間に存在するキャパシタンス成分のうち、この領域に存在する分については、距離の増加に対応した小さいものとなる。したがって、本実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００では、全体として、上述した高周波特性（例えば通過特性）の劣化を抑えることができる。
（変形例１）
図４は、本実施形態の変形例１に係る磁気抵抗抵抗効果デバイス１１０の構成例を、模式的に示す断面図である。第一実施形態と同じ箇所は、同じ符号で示している。磁気抵抗効果デバイス１１０は、磁気抵抗効果素子１０１を挟んで第１磁性部材１０３と反対側に、第２磁性部材１０５が配されている。第１磁性部材１０３と第２磁性部材１０５とは、コイル１０４の外周部より外側の領域において、直接または他の磁性部材を介して連結されていることが好ましい。
図４では、磁気抵抗効果素子１０１および高周波信号線路１０２が、２つの磁性部材（第１磁性部材１０３、第２磁性部材１０５）で挟まれている場合について例示しているが、高周波信号線路１０２は、２つの磁性部材に挟まれていない場合もある。第２磁性部材１０５以外の構成は、上述した実施形態の構成（図１）と同様である。第２磁性部材１０５の材料としては、第１磁性部材１０３の材料として例示したものと同様のものを用いることができる。第２磁性部材１０５の材料は、第１磁性部材１０３の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
この場合、第２磁性部材１０５が配されていることにより、第１磁性部材１０３から発生する磁束の多くが、この第２磁性部材１０５に向かって延び、その途中にある磁気抵抗効果素子１０１を貫通する。その結果として、磁気抵抗効果素子１０１に対してさらに強い磁場が印加されることになり、その分、第１磁性部材１０３と高周波信号線路１０２との距離をさらに広げることができる。したがって、第１磁性部材１０３と高周波信号線路１０２との間に存在するキャパシタンス成分をさらに減らすことができる。
（適用例）
図５は、上記磁気抵抗効果デバイス１００を適用した、高周波デバイス１２０の回路の一例を示している。高周波デバイス１２０は、磁気抵抗効果素子１０１と、高周波信号線路１０２と、第１磁性部材（磁場印加機構）１０３と、直流印加端子１２１とを備える。高周波デバイス１２０は、第１のポート１２２から信号が入力され、第２のポート１２３から信号を出力する。なお、上述した磁気抵抗効果素子、高周波信号線路、第１磁性部材とともに、他の回路素子等が組み込まれた高周波デバイス１２０を総称して、磁気抵抗効果デバイスと呼ぶことがある。
＜磁気抵抗効果素子、磁場印加機構＞
磁気抵抗効果素子１０１と第１磁性部材１０３には、一例として、上述の第一実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００の構成を満たすものが用いられる。本適用例では、第１強磁性層１０１Ａが磁化固定層として機能し、第２強磁性層１０１Ｂが磁化自由層として機能する例で説明する。
第１磁性部材１０３を用いて、出力信号の周波数を設定することができる。出力信号の周波数は、磁化自由層として機能する第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数によって変化する。第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数は、第２強磁性層１０１Ｂにおける有効磁場によって変化する。第２強磁性層１０１Ｂにおける有効磁場は、外部磁場（静磁場）の影響を受ける。そのため、第１磁性部材１０３から第２強磁性層１０１Ｂに印加する外部磁場の大きさを変えることで、第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数を変えることができる。
＜第１のポート及び第２のポート＞
第１のポート１２２は、高周波デバイス１２０の入力端子である。第１のポート１２２は、高周波信号線路１０２の一端に対応する。第１のポート１２２に交流信号源（図示略）を接続することで、高周波デバイス１２０に交流信号（高周波信号）を印加することができる。高周波デバイス１２０に印加される高周波信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。
第２のポート１２３は、高周波デバイス１２０の出力端子である。第２のポート１２３は、磁気抵抗効果素子１０１から出力される信号を伝える出力信号線路１２５の一端に対応する。出力信号線路１２５は、図１に示した線路１０７に対応する。
＜高周波信号線路＞
図５における高周波信号線路１０２は、一端が第１のポート１２２に接続されている。また、高周波デバイス１２０は、高周波信号線路１０２の他端が基準電位端子１２４を介して基準電位に接続されて用いられる。図５では、基準電位としてグラウンドＧに接続している。グラウンドＧは、高周波デバイス１２０の外部に付設されるものとすることができる。第１のポート１２２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、高周波信号線路１０２内に高周波電流が流れる。高周波信号線路１０２内に高周波電流が流れると、高周波信号線路１０２から高周波磁場が発生する。磁気抵抗効果素子１０１の第２強磁性層１０１Ｂには、この高周波磁場が印加される。
＜出力信号線路、線路＞
出力信号線路１２５は、磁気抵抗効果素子１０１から出力された信号を伝播する。磁気抵抗効果素子１０１から出力される信号は、第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴を利用して選択された周波数の信号である。図５における出力信号線路１２５は、一端が磁気抵抗効果素子１０１に接続され、他端が第２のポート１２３に接続されている。すなわち、出力信号線路１２５は、磁気抵抗効果素子１０１と第２のポート１２３とを繋ぐ。
また、電源１２６、出力信号線路１２５、磁気抵抗効果素子１０１、線路１２７、グラウンドＧによる閉回路を構成する部分と、第２のポート１２３との間の出力信号線路１２５（一例として、インダクタ１２９の出力信号線路１２５への接続箇所と第２のポート１２３との間の出力信号線路１２５）には、コンデンサを設けてもよい。当該部分にコンデンサを設けることで、第２のポート１２３から出力される出力信号に、電流の不変成分が加わることを避けることができる。
線路１２７は、一端が磁気抵抗効果素子１０１に接続されている。線路１２７は、図１に示した線路１０６に対応する。また、高周波デバイス１２０は、線路１２７の他端が基準電位端子１２８を介して基準電位に接続されて用いられる。図８では線路１２７を、高周波信号線路１０２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、高周波信号線路１０２の基準電位と線路１２７の基準電位とは共通していることが好ましい。
各線路及びグラウンドＧの形状としては、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）型を適用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）型を適用する場合、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、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、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１２１は、電源１２６に接続され、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する。本明細書において直流電流とは、時間によって方向が変化しない電流であり、時間によって大きさが変化する電流を含む。また、直流電圧とは、時間によって方向が変化しない電圧であり、時間によって大きさが変化する電圧も含む。電源１２６は、直流電流源であってもよいし、直流電圧源であってもよい。
電源１２６は、一定の直流電流を発生可能な直流電流源であってもよいし、一定の直流電圧を発生可能な直流電圧源であってもよい。また、電源１２６は、発生する直流電流値の大きさが変化可能な直流電流源であってもよいし、発生する直流電圧値の大きさが変化可能な直流電圧源であってもよい。
磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度よりも小さいことが好ましい。磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度とは、磁気抵抗効果素子の磁化自由層として機能する強磁性層の磁化が、一定周波数およ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）閾値となる電流密度を意味している。
直流印加端子１２１と出力信号線路１２５との間には、インダクタ１２９が配設されている。インダクタ１２９は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。インダクタ１２９により磁気抵抗効果素子１０１から出力された出力信号（高周波信号）は第２のポート１２３に効率的に流れる。また、インダクタ１２９により、電流の不変成分は、電源１２６、出力信号線路１２５、磁気抵抗効果素子１０１、線路１２７、グラウンドＧで構成される閉回路を流れる。
インダクタ１２９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１２９のインダクタンスは１０ｎＨ以上であることが好ましい。
＜高周波デバイスの機能＞
高周波デバイス１２０に第１のポート１２２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高周波信号線路１０２内を流れる。高周波信号線路１０２内を流れる高周波電流により発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１０１の第２強磁性層１０１Ｂに印加される。
磁化自由層として機能する第２強磁性層１０１Ｂの磁化は、高周波信号線路１０２により第２強磁性層１０１Ｂに印加された高周波磁場の周波数が、第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数に近い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。
第２強磁性層１０１Ｂの磁化の振動が大きくなると、磁気抵抗効果素子１０１における抵抗値変化が大きくなる。例えば、直流印加端子１２１から、一定の直流電流が磁気抵抗効果素子１０１に印加される場合には、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化は、上部電極１０８と下部電極１０９との間の電位差の変化として、第２のポート１２３から出力される。また、例えば、直流印加端子１２１から一定の直流電圧が磁気抵抗効果素子１０１に印加される場合には、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化は、上部電極１０８と下部電極１０９との間を流れる電流値の変化として第２のポート１２３から出力される。
すなわち、第１のポート１２２から入力された高周波信号の周波数が、第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数に近い周波数である場合には、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値の変動量が大きく、第２のポート１２３から大きな信号が出力される。これに対し、高周波信号の周波数が、第２強磁性層１０１Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている場合には、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値の変動量が小さく、第２のポート１２３から信号がほとんど出力されない。すなわち、高周波デバイス１２０は、特定の周波数の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとして機能する。
＜他の用途＞
また、上記適用例では、高周波デバイス１２０を高周波フィルタとして用いる場合を提示したが、高周波デバイス１２０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にも適用することができる。
高周波デバイス１２０をアイソレータとして用いる場合には、第２のポート１２３から信号を入力する。第２のポート１２３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、高周波デバイス１２０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、高周波デバイス１２０を増幅器として用いる場合には、電源１２６から印加する直流電流又は直流電圧を所定の大きさ以上にする。このようにすることで、第１のポート１２２から入力される信号より、第２のポート１２３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、高周波デバイス１２０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させることができる。
図５では磁気抵抗効果素子１０１が一つである場合を例示したが、磁気抵抗効果素子１０１は複数あってもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子１０１は、互いに並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよい。例えば、強磁性共鳴周波数の異なる磁気抵抗効果素子１０１を複数利用することで、選択周波数の帯域（通過周波数帯域）を広くすることができる。また、一つの磁気抵抗効果素子１００からの出力信号を出力する出力信号線路１２５で発生した高周波磁場を、別の磁気抵抗効果素子１０１に印加する構成としてもよい。このような構成にすると、出力される信号が複数回に渡ってフィルタリングされるため、高周波信号のフィルタリング精度を高めることができる。
また、直流印加端子１２１は、インダクタ１２９とグラウンドＧとの間に接続されてもよいし、上部電極１０８とグラウンドＧとの間に接続されてもよい。
また、上記適用例におけるインダクタ１２９にかえて、抵抗素子を用いてもよい。この抵抗素子は、抵抗成分により電流の高周波成分をカットする機能を有する。この抵抗素子は、チップ抵抗またはパターン線路による抵抗のいずれであってもよい。この抵抗素子の抵抗値は、出力信号線路１２５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、出力信号線路１２５の特性インピーダンスが５０Ωであり、抵抗素子の抵抗値が５０Ωである場合は、４５％の高周波電力を抵抗素子によりカットすることができる。また、出力信号線路１２５の特性インピーダンスが５０Ωであり、抵抗素子の抵抗値が５００Ωである場合は、９０％の高周波電力を抵抗素子によりカットすることができる。この場合でも、磁気抵抗効果素子１０１から出力された出力信号を、第２のポート１２３に効率的に流すことができる。
また、上記適用例において、直流印加端子１２１に接続される電源１２６が、電流の高周波成分をカットすると同時に、電流の不変成分を通す機能を有する場合、インダクタ１２９は無くても良い。この場合でも、磁気抵抗効果素子１０１から出力された出力信号を第２のポート１２３に効率的に流すことができる。
また、上記適用例において、磁気抵抗効果デバイス１００にかえて、変形例１で説明した磁気抵抗効果デバイス１１０を適用しても良い。
１００、１１０・・・磁気抵抗効果デバイス
１０１・・・磁気抵抗効果素子
１０１Ａ・・・第１強磁性層
１０１Ｂ・・・第２強磁性層
１０１Ｃ・・・スペーサ層
１０２・・・高周波信号線路
１０３・・・磁性部材（第１磁性部材）
１０３Ａ・・・対向面
１０３Ｂ・・・凹部
１０３Ｃ・・・凹んでいない部分
１０３Ｄ・・・底部
１０４・・・コイル
１０６、１０７・・・線路
１０８・・・上部電極
１０９・・・下部電極
１０５・・・磁性部材（第２磁性部材）
１２０・・・高周波デバイス
１２１・・・直流印加端子
１２２・・・第１のポート
１２３・・・第２のポート
１２４・・・基準電位端子
１２５・・・出力信号線路
１２６・・・電源
１２７・・・線路
１２８・・・基準電位端子
１２９・・・インダクタ
Ｄ・・・高周波信号線路から離間する方向
ｄ１、ｄ２・・・距離
Ｌ・・・積層方向

Claims (3)

  1. 第１強磁性層と第２強磁性層との間にスペーサ層が配置されるように、積層されてなる磁気抵抗効果素子と、
    積層方向に平行な方向における、前記磁気抵抗効果素子の一方の側に配された高周波信号線路と、
    前記磁気抵抗効果素子から見て、前記高周波信号線路より前記一方の側に遠い位置に配された磁性部材と、を備え、
    前記磁性部材が、前記高周波信号線路との対向面において、前記高周波信号線路から離間する方向に凹んでいる凹部を有していることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
  2. 前記磁性部材において、前記高周波信号線路との対向面のうち、凹んでいない領域の少なくとも一部が、前記積層方向に平行な方向からの平面視において、前記磁気抵抗効果素子と重なっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  3. 前記積層方向に平行な方向において、前記凹部の最深部と前記高周波信号線路との距離が、前記磁性部材と前記高周波信号線路との最短距離の２倍以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
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