JP2019103085A - Magnetic resistance effect device - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a magnetoresistive effect device using a magnetoresistive effect element.
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)。 In recent years, with the advancement of mobile communication terminals such as mobile phones, speeding up of wireless communication has been promoted. Since the communication speed is proportional to the bandwidth of the frequency used, the frequency band required for communication increases, and accordingly, the number of high frequency filters required for the mobile communication terminal also increases. In addition, research in the field of spintronics, which is expected to be applied to new high frequency components, is actively conducted. Among them, one of the phenomena that has attracted attention is the spin torque resonance phenomenon due to the magnetoresistance effect element (see Non-Patent Document 1).
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。 For example, ferromagnetic resonance can be generated in the magnetization of the magnetization free layer included in the magnetoresistive element by applying a static magnetic field using a magnetic field application mechanism simultaneously with flowing an alternating current to the magnetoresistive element. The resistance value of the magnetoresistive element vibrates periodically at a frequency corresponding to the ferromagnetic resonance frequency. Further, the resistance value of the magnetoresistive element is similarly vibrated by applying a high frequency magnetic field to the magnetization free layer of the magnetoresistive element. The ferromagnetic resonance frequency changes depending on the strength of the static magnetic field applied to the magnetoresistive element, and the resonance frequency is generally included in a high frequency band of several to several tens of GHz.
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、ヨーク等の軟磁性体およびコイルを用いて発生させた磁場を、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、コイル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。
Although the electromagnet type and the strip line type are mentioned as an example of a magnetic field application mechanism for applying a magnetic field to a magnetoresistive effect element in
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コイル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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a magnetoresistance effect device that can reduce the capacitance component, which is present between a coil used as a magnetic field application mechanism and a high frequency signal line. With the goal.
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。 The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(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、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加するためのコイルと、前記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他方の側に配された高周波信号線路と、を備えている。 (1) A magnetoresistive effect element according to an aspect of the present invention is a magnetoresistive effect element formed by laminating such that a spacer layer is disposed between a first ferromagnetic layer and a second ferromagnetic layer. A coil disposed on one side of the magnetoresistive element in a direction parallel to the stacking direction for applying a magnetic field to the magnetoresistive element, and the magnetoresistive element in a direction parallel to the stacking direction And a high frequency signal line disposed on the other side of
(2)上記(1)に記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子の前記一方の側に配され、前記磁気抵抗効果素子側に突出部を有する第1磁性部材を備え、前記コイルが、前記突出部の周囲に巻かれていてもよい。 (2) In the magnetoresistance effect device according to (1), the coil includes a first magnetic member disposed on the one side of the magnetoresistance effect element and having a protrusion on the magnetoresistance effect element side, the coil May be wound around the protrusion.
(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において、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他方の側に遠い位置に、第2磁性部材が配されていてもよい。 (3) In the magnetoresistive device according to any one of (1) and (2), the second magnetic member may be located at a position farther from the high frequency signal line to the other side when viewed from the magnetoresistive element. May be arranged.
本発明の磁気抵抗効果デバイスでは、高周波信号線路が、磁気抵抗効果素子から見て、積層方向に平行な方向におけるコイル側ではなく、コイルと反対側に配されている。そのため、高周波信号線路とコイルとの距離が、高周波信号線路がコイル側に配されている場合に比べて増加し、高周波信号線路とコイルとの間に存在するキャパシタンス成分が、この距離の増加に対応して小さくなる。したがって、本発明の磁気抵抗効果デバイスでは、高周波特性の劣化を抑えることができる。 In the magnetoresistive device of the present invention, the high frequency signal line is disposed on the side opposite to the coil, not on the coil side in the direction parallel to the stacking direction, as viewed from the magnetoresistive element. Therefore, the distance between the high frequency signal line and the coil is increased compared to the case where the high frequency signal line is disposed on the coil side, and the capacitance component existing between the high frequency signal line and the coil increases the distance. Correspondingly smaller. Therefore, in the magnetoresistance effect device of the present invention, deterioration of high frequency characteristics can be suppressed.
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。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may show enlarged features for convenience for the purpose of making the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them, and can be appropriately modified and implemented within the scope of the effects of the present invention.
<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、磁気抵抗効果素子に磁場を印加するためのコイル102と、高周波電流が流れる高周波信号線路103と、を備えている。磁気抵抗効果デバイス100は、コイル102から発生する磁場(静磁場)、および高周波信号線路103から発生する磁場(高周波磁場)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。
First Embodiment
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a
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。
The
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103との距離が短くなるように配置されることが好ましい。
When one of the first
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。
The first
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。 Moreover, in order to obtain a higher output, it is preferable to use a Heusler alloy such as Co 2 FeSi. The Heusler alloy comprises an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ. X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni or Cu group on the periodic table, Y is a transition metal of Mn, V, Cr or Ti group or the same element as X, Z is a typical element of Group III to Group V. Examples of the Heusler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, and Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b .
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。 In order to fix the magnetization of the ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) functioning as the magnetization fixed layer, an antiferromagnetic layer may be added to be in contact with the magnetization fixed layer. In addition, the magnetization of the magnetization fixed layer may be fixed by utilizing the magnetic anisotropy caused by the crystal structure, the shape, and the like. For the antiferromagnetic layer, FeO, CoO, NiO, CuFeS 2 , IrMn, FeMn, PtMn, Cr or Mn can be used.
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。 It is preferable to use a nonmagnetic material for the spacer layer 101C. The spacer layer 101C is formed of a layer formed of a conductor, an insulator or a semiconductor, or a layer including a conduction point formed of a conductor in the insulator.
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。
For example, in the case where the spacer layer 101C is formed of an insulator, the
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の膜厚は、0.5〜3.0nm程度が好ましい。
When an insulating material is applied as the spacer layer 101C, an insulating material such as Al 2 O 3 or MgO can be used. A high magnetoresistance change rate can be obtained by adjusting the film thickness of the spacer layer 101C so that a coherent tunnel effect is exhibited between the first
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。 When the spacer layer 101C is formed of a conductive material, a conductive material such as Cu, Ag, Au, or Ru can be used. In order to use the GMR effect efficiently, the thickness of the spacer layer 101C is preferably about 0.5 to 3.0 nm.
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。 When the spacer layer 101C is formed of a semiconductor, a material such as ZnO, In 2 O 3 , SnO 2 , ITO, GaO x, or Ga 2 O x can be used. In this case, the thickness of the spacer layer 101C is preferably about 1.0 to 4.0 nm.
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。 In the case where a layer including a conduction point constituted by a conductor in the insulator is applied as the spacer layer 101C, CoFe, CoFeB, CoFeSi, CoMnGe, CoMnSi, CoMnAl, or the like is contained in the insulator constituted by Al 2 O 3 or MgO. It is preferable to have a structure including a conduction point constituted by a conductor such as Fe, Co, Au, Cu, Al or Mg. In this case, the thickness of the spacer layer 101C is preferably about 0.5 to 2.0 nm.
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。
In the
コイル102は、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)に配されている。「磁気抵抗効果素子101の一方の側」は、積層方向Lに平行な方向における磁気抵抗効果素子101の一方の端面を含む平面を境にして、磁気抵抗効果素子101を含まない側を意味している。つまり、積層方向Lを鉛直方向に揃えた場合に、「磁気抵抗効果素子101の一方の側」には、磁気抵抗効果素子101の直上だけではなく、斜め上も含まれることになる。
The
コイル102としては、螺旋状、渦巻き状に巻回させた金属パターンが用いられる。図1では、渦巻き状に巻回させた金属パターンの例を示している。ここでは、コイル102の奥行き部分の図示を省略している。コイル102の巻回方向については特に限定されないが、磁気抵抗効果素子101の積層方向Lに平行な軸の周りに巻回する方向であることが好ましい。磁気抵抗効果素子101に対し、コイル102から発生する磁場を効率的に印加する上では、積層方向Lと平行な方向からの平面視において、コイル102の巻回の中心が、磁気抵抗効果素子101と重なるように配置されていることが好ましい。コイル102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。
As the
高周波信号線路103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他方の側(図1では磁気抵抗効果素子101の下側)に配されている。「磁気抵抗効果素子101の他方の側」は、積層方向Lに平行な方向における磁気抵抗効果素子101の他方の端面を含む平面を境にして、磁気抵抗効果素子101を含まない側を意味している。つまり、積層方向Lを鉛直方向に揃えた場合に、「磁気抵抗効果素子101の他方の側」には、磁気抵抗効果素子101の直下だけではなく、斜め下も含まれることになる。
The high
高周波信号線路103は、用途に応じて所定の方向に延在している。高周波信号線路103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。
The high
高周波信号線路103の本数について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103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。
The number of high
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104、105が接続されている。線路104および線路105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104および線路105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104および線路105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105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106、下端に設けられた電極を下部電極107と呼ぶ。線路104、線路105、上部電極106および下部電極107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。
In order to enhance the conductivity of the
図2(a)、(b)は、コイル102が、積層方向Lに平行な軸の周りに巻回するように配置されている場合に、図1に示す磁気抵抗効果素子101を、積層方向Lに平行な方向(図1に示すL1側またはL2側)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。
2A and 2B show the
コイル102から発生する磁場を磁気抵抗効果素子101に効率的に印加する上で、当該平面視において、磁気抵抗効果素子101のうち少なくとも一部がコイルで囲まれた領域102Aと重なっていることが好ましい。磁気抵抗効果素子101がコイルで囲まれた領域102Aと重なる部分は大きいほど好ましく、図2(a)、(b)に示すように、磁気抵抗効果素子101の全部がこの領域102Aに重なっていれば最も好ましい。
In order to efficiently apply the magnetic field generated from the
高周波信号線路103は、磁気抵抗効果素子101に対し、当該平面視において図2(a)に示すように重なるように配置されていてもよいし、図2(b)に示すように重ならないように配置されていてもよい。ただし、高周波信号線路103から発生する磁場を、磁気抵抗効果素子101に対して効率的に印加する観点から、高周波信号線路103は当該平面視において磁気抵抗効果素子101に重なっている方が好ましい。
The high
コイル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、コイル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、コイル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。図1には、コイル102側に配されている場合の高周波信号線路を、コイル102から距離d2離れた位置にある点線として示している。この場合には、コイル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が大きいため、磁気抵抗効果デバイスの高周波特性の劣化が大きくなる。
There is a path through which a high frequency current flows between the coil and the high frequency signal line due to the influence of the capacitance component existing between the coil and the high frequency signal line, so if this capacitor component is large, the high frequency characteristics of the magnetoresistive device are It may deteriorate. For example, part of the high frequency current flowing through the high frequency signal line may be diverted to the coil side, and the strength of the high frequency magnetic field applied to the magnetoresistive element may be reduced. Therefore, when the magnetoresistance effect device is applied to, for example, a high frequency filter to be described later, the pass characteristic of the high frequency filter may be deteriorated. In FIG. 1, the high-frequency signal line when disposed on the side of the
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、高周波信号線路103が、磁気抵抗効果素子101から見て、積層方向Lに平行な方向におけるコイル102側(一方の側)ではなく、コイル102と反対側(他方の側)に配されている。そのため、高周波信号線路103とコイル102との距離d1が、コイル102側に配されている場合の距離d2(図1参照)に比べて増加し、高周波信号線路103とコイル102との間に存在するキャパシタンス成分が、この距離の増加に対応して小さくなる。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、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。
On the other hand, in the
(変形例1、2)
図3、4は、それぞれ、第一実施形態の変形例1、2に係る磁気抵抗効果デバイス110、120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。
(
3 and 4 are cross-sectional views schematically showing configuration examples of the
(変形例1)
図3の磁気抵抗効果デバイス110では、磁気抵抗効果素子101の一方の側、すなわち、磁気抵抗効果素子101から見てコイル102と同じ側に、第1磁性部材108が配されている。第1磁性部材108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。第1磁性部材108以外の構成は、上述した実施形態の構成と同様である。
(Modification 1)
In the
第1磁性部材108を軟磁性体(ヨーク)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。
When the first
第1磁性部材108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のように第1磁性部材108の周囲にコイルを巻いてもよいし、巻かなくてもよい。第1磁性部材118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、第1磁性部材108として用いることができる。その場合には、図1のように第1磁性部材108の周囲にコイルを巻いてもよいし、巻かなくてもよい。
A hard magnetic material (magnet) may be used as the first
第1磁性部材108は、基部108Bと、基部108Bから磁気抵抗効果素子101側に突出する突出部108Aとで構成されている。突出部108Aの形状については特に限定されないが、突出部の後端108Cから先端108Dまでの長さ(突出長さ)d4は、100nm以上であることが好ましい。突出部108Aは、そのベースである基部108Bと一体であってもよいし、別体であってもよい。
The first
コイル112は、第1磁性部材の突出部108Aの周囲に巻かれている。コイル112は、その中心軸方向が突出部108Aの突出方向と略一致するように、配置されていることが好ましい。
The coil 112 is wound around the
変形例1では、第1磁性部材108が加わることにより、磁気抵抗効果素子101に対してさらに大きな磁場を印加することができ、その分、コイル102と磁気抵抗効果素子101との距離d3を広げることができるようになる。その結果として、コイル102と高周波信号線路103との距離d1も広げることができる。したがって、コイル102と高周波信号線路103との間に存在するキャパシタンス成分をさらに減らし、高周波特性の劣化を抑えることができる。
In
(変形例2)
図4の磁気抵抗効果デバイス120では、変形例1と同様の構成の第1磁性部材108とともに、第2磁性部材109が配されている。第2磁性部材109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。第1磁性部材108と第2磁性部材109とは、コイル102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。
(Modification 2)
In the
第2磁性部材109は、磁気抵抗効果素子101から見て、高周波信号線路103より他方の側(コイル102と反対側)に遠い位置に配されている。図5では、磁気抵抗効果素子101および高周波信号線路103が、2つの磁性部材(第1磁性部材108、第2磁性部材109)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103は、2つの磁性部材に挟まれていない場合もある。第1磁性部材108、第2磁性部材109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。
The second
第2磁性部材109の材料としては、第1磁性部材108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109の材料は、第1磁性部材108の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
As a material of the 2nd
変形例2では、第2磁性部材109が配されていることにより、第1磁性部材108から発生する磁束の多くが、この第2磁性部材109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、コイル102と高周波信号線路103との距離d1をさらに広げることができる。したがって、コイル102と高周波信号線路103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。
In the second modification, by disposing the second
(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130の回路の一例を示している。高周波デバイス130は、磁気抵抗効果素子101と、コイル(磁場印加機構)102と、高周波信号線路103と、直流印加端子131とを備える。高周波デバイス130は、第1のポート132から信号が入力され、第2のポート133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、コイルとともに、他の回路素子等が組み込まれた高周波デバイス130を総称して、磁気抵抗効果デバイスと呼ぶことがある。
(Example of application)
FIG. 5 shows an example of a circuit of a
<磁気抵抗効果素子、磁場印加機構>
磁気抵抗効果素子101とコイル102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。
<Magnetoresistance effect element, magnetic field application mechanism>
As the
コイル102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、コイル102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。
The
<第1のポート及び第2のポート>
第1のポート132は、高周波デバイス130の入力端子である。第1のポート132は、高周波信号線路103の一端に対応する。第1のポート132に交流信号源(図示略)を接続することで、高周波デバイス130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130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。
<First port and second port>
The
第2のポート133は、高周波デバイス130の出力端子である。第2のポート133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135の一端に対応する。出力信号線路135は、図1に示した線路105に対応する。
The
<高周波信号線路>
図5における高周波信号線路103は、一端が第1のポート132に接続されている。また、高周波デバイス130は、高周波信号線路103の他端が基準電位端子134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130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132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103内に高周波電流が流れる。高周波信号線路103内に高周波電流が流れると、高周波信号線路103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。
<High frequency signal line>
One end of the high
<出力信号線路、線路>
出力信号線路135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135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133に接続されている。すなわち、出力信号線路135は、磁気抵抗効果素子101と第2のポート133とを繋ぐ。
<Output signal line, line>
The
また、電源136、出力信号線路135、磁気抵抗効果素子101、線路137、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133との間の出力信号線路135(一例として、インダクタ139の出力信号線路135への接続箇所と第2のポート133との間の出力信号線路135)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133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。
Further, an
線路137は、一端が磁気抵抗効果素子101に接続されている。線路137は、図1に示した線路104に対応する。また、高周波デバイス130は、線路137の他端が接続された基準電位端子138を介して、基準電位に接続されて用いられる。図5では線路137を、高周波信号線路103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103の基準電位と線路137の基準電位とは、共通していることが好ましい。
One end of the
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。 As a shape of each line and ground G, it is preferable to apply a micro strip line (MSL) type or a coplanar waveguide (CPW) type. When the microstrip line (MSL) type or the coplanar waveguide (CPW) type is applied, it is preferable to design the line width and the distance between the grounds so that the characteristic impedance of the line and the impedance of the circuit system become equal. By designing in this manner, the transmission loss of the line can be suppressed.
<直流印加端子>
直流印加端子131は、電源136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136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。
<DC application terminal>
The
電源136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136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。
The
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。 The current density of the current applied to the magnetoresistive element is preferably smaller than the oscillation threshold current density of the magnetoresistive element. The oscillation threshold current density of the magnetoresistive element indicates that the magnetization of the ferromagnetic layer functioning as the magnetization free layer of the magnetoresistive element starts precession motion at a constant frequency and a constant amplitude, and the magnetoresistive element oscillates. Current density at which the output (resistance value of the magnetoresistance effect element fluctuates at a constant frequency and a constant amplitude) threshold value.
直流印加端子131と出力信号線路135との間には、インダクタ139が配設されている。インダクタ139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139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133に効率的に流れる。また、インダクタ139により、電流の不変成分は、電源136、出力信号線路135、磁気抵抗効果素子101、線路137、グラウンドGで構成される閉回路を流れる。
An
インダクタ139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139のインダクタンスは10nH以上であることが好ましい。
For the
<高周波デバイスの機能>
高周波デバイス130に第1のポート132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103内を流れる。高周波信号線路103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。
<Function of high frequency device>
When a high frequency signal is input to the
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103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。
In the magnetization of the second
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131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106と下部電極107との間の電位差の変化として、第2のポート133から出力される。また、例えば、直流印加端子131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106と下部電極107との間を流れる電流値の変化として第2のポート133から出力される。
When the oscillation of the magnetization of the second
すなわち、第1のポート132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133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133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130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。
That is, when the frequency of the high frequency signal input from the
<他の用途>
また、上記適用例では、高周波デバイス130を高周波フィルタとして用いる場合を提示したが、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にも適用することができる。
<Other use>
Further, in the application example described above, the
高周波デバイス130をアイソレータとして用いる場合には、第2のポート133から信号を入力する。第2のポート133から信号を入力しても、第1のポート132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。
When the
また、高周波デバイス130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。
When the
また高周波デバイス130を増幅器として用いる場合には、電源136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132から入力される信号より、第2のポート133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。
When the
上述のように、高周波デバイス130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。
As described above, the
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135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。
Although the case where the number of the
また、直流印加端子131は、インダクタ139とグラウンドGとの間に接続されてもよいし、上部電極106とグラウンドGとの間に接続されてもよい。
Further, the
また、上記適用例におけるインダクタ139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135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135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135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133に効率的に流すことができる。
Also, instead of the
また、上記適用例において、直流印加端子131に接続される電源136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139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133に効率的に流すことができる。
Further, in the above application example, when the
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、または変形例2で説明した磁気抵抗効果デバイス120を適用しても良い。
Further, in the application example, in place of the
100、110、120・・・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・・・コイル
102A・・・コイルで囲まれた領域
103・・・高周波信号線路
104、105・・・線路
106・・・上部電極
107・・・下部電極
108・・・第1磁性部材
108A・・・突出部
108B・・・基部
108C・・・突出部の後端
108D・・・突出部の先端
109・・・第2磁性部材
130・・・高周波デバイス
131・・・直流印加端子
132・・・第1のポート
133・・・第2のポート
134、138・・・基準電位端子
135・・・出力信号線路
136・・・電源
137・・・線路
139・・・インダクタ
d1、d2、d3・・・距離
d4・・・突出長さ
L・・・積層方向
100, 110, 120 ...
Claims (3)
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、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加するためのコイルと、
前記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他方の側に配された高周波信号線路と、を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。 A magnetoresistive effect element formed by laminating such that a spacer layer is disposed between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer;
A coil disposed on one side of the magnetoresistive element in a direction parallel to the stacking direction, for applying a magnetic field to the magnetoresistive element;
A magnetoresistive effect device comprising: a high frequency signal line disposed on the other side of the magnetoresistive effect element in a direction parallel to the stacking direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2017235227A JP2019103085A (en) | 2017-12-07 | 2017-12-07 | Magnetic resistance effect device |
Applications Claiming Priority (1)
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