JP2019134409A - 磁気抵抗効果デバイス及び磁気抵抗効果モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】遮断特性に優れた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、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に直列に接続された第１回路ユニット及び第２回路ユニットと、基準電位端子と、直流印加端子と、を備え、前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットは、磁気抵抗効果素子と、その一端に接続された導体と、を備え、前記導体の第１端部は高周波電流の入力側に接続され、前記第１導体の第２端部が前記基準電位端子に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗効果デバイス及び磁気抵抗効果モジュールに関する。

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。

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が、磁気抵抗効果素子による強磁性共鳴現象である。

磁気抵抗効果素子に含まれる強磁性層に交流電流または交流磁場を印加すると、強磁性層の磁化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、強磁性共鳴周波数で周期的に磁気抵抗効果素子の抵抗値が振動する。強磁性層に印加される磁場の強さによって、この強磁性共鳴周波数は変化し、一般的にその強磁性共鳴周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。

例えば特許文献１には、強磁性共鳴現象を利用した高周波フィルタ等の高周波デバイスとして利用できる磁気抵抗効果デバイスが記載されている。

特開２０１７−０６３３９７号公報

しかしながら、磁気抵抗効果デバイスを用いた高周波フィルタは、遮断特性が充分とは言えなかった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、遮断特性に優れた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、複数の回路ユニット（素子）を直列に接続し、それぞれの素子を基準電位端子に接続した。このような接続関係を満たすことで、入力信号の電力を複数回フィルタリングすることで、磁気抵抗効果デバイスの遮断特性が改善されることを見出した。
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の態様にかかる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、前記第１のポートと前記第２のポートとの間に直列に接続された第１回路ユニット及び第２回路ユニットと、前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットに、それぞれ又は共通して接続された基準電位端子と、前記第１回路ユニットの第１磁気抵抗効果素子及び前記第２回路ユニットの第２磁気抵抗効果素子に、直流電流又は直流電圧を印加するための電源をそれぞれ又は共通して接続できる直流印加端子と、を備え、前記第１回路ユニット
は、磁化固定層と磁化自由層とこれらに挟まれたスペーサ層とを備える前記第１磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子の一端に接続された第１導体と、を備え、前記第１導体は、高周波電流が前記第１磁気抵抗効果素子及び前記基準電位端子に対して分岐して流れるように、前記第１導体の第１端部が高周波電流の入力側に接続され、前記第１導体の第２端部が前記基準電位端子に接続され、前記第２回路ユニットは、磁化固定層と磁化自由層とこれらに挟まれたスペーサ層とを備える前記第２磁気抵抗効果素子と、前記第２磁気抵抗効果素子の一端に接続された第２導体と、を備え、前記第２導体は、高周波電流が前記第２磁気抵抗効果素子及び前記基準電位端子に対して分岐して流れるように、前記第２導体の第１端部が高周波電流の入力側に接続され、前記第２導体の第２端部が前記基準電位端子に接続されている。

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１磁気抵抗効果素子の前記第１導体と対向する端部に接続される対向電極と、前記第２導体とが、共通した金属層により構成されていてもよい。

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とは、前記直流印加端子を基準に並列な接続関係にあってもよい。

（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とは、前記直流印加端子を基準に直列な接続関係にあってもよい。

（５）第２の態様にかかる磁気抵抗効果モジュールは、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスと、前記磁気抵抗効果デバイスの前記直流印加端子に接続された直流電流源又は直流電圧源と、を備える。

上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、優れた遮断特性を得ることができる。

第１実施形態に係る磁気抵抗効果モジュールの回路構成を示した模式図である。 第１回路ユニット及び第２回路ユニットが単独の場合の信号特性と、第１回路ユニット及び第２回路ユニットが直列に接続された場合の信号特性を示す模式図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例の回路構成を示した模式図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例の回路構成を示した模式図である。 第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例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モジュールの変形例の回路構成を示した模式図である。 図３に示す磁気抵抗効果モジュールの変形例の回路構成を示した模式図である。 図４に示す磁気抵抗効果モジュールの変形例の回路構成を示した模式図である。 図５に示す磁気抵抗効果モジュールの変形例の回路構成を示した模式図である。

以下、磁気抵抗効果モジュールについて、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モジュールの回路構成を示した模式図である。磁気抵抗効果デバイスは、第１のポート１と、第２のポート２と、第１回路ユニット１０と、第２回路ユニット２０と、基準電位端子３Ａ、３Ｂと、直流印加端子４と、を備える。直流印加端子４に電源９０が接続されることで、磁気抵抗効果モジュール１００となる。磁気抵抗効果モジュール１００は、第１のポート１から信号が入力され、第２のポート２から信号を出力する。

＜第１のポート及び第２のポート＞
第１のポート１は、磁気抵抗効果モジュール１００の入力端子である。第１のポート１に交流信号源（図示略）を接続することで、磁気抵抗効果モジュール１００に交流信号（高周波信号）を印加できる。磁気抵抗効果モジュール１００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２は、磁気抵抗効果モジュール１００の出力端子である。

＜第１回路ユニット＞
第１回路ユニット１０は、第１のポート１と第２のポート２との間に接続される。第１回路ユニット１０には、電流分岐型素子１１が組み込まれている。電流分岐型素子１１は、第１磁気抵抗効果素子１２と第１導体１４とを備える。第１導体１４は第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向の一端に接続されている。第１導体１４の第１端部１４ａは第１回路ユニット１０の高周波電流の入力側に接続され、第１導体１４の第２端部１４ｂは基準電位端子３Ａに接続されている。第１導体１４を流れる高周波電流Ｉ_ＲＣは、第１磁気抵抗効果素子１２及び基準電位端子３Ａに分岐して流れる。

＜第１導体＞
第１導体１４は、高周波電流Ｉ_ＲＣを通電するための配線であると共に、第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向に設けられた電極として機能する。第１導体１４は、導電性を有する材料により構成される。例えば第１導体１４には、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、Ａｌ等を用いることができる。また第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向の他端には、対向電極１５を設けてもよい。この場合、対向電極１５は、第１磁気抵抗効果素子１２の第１導体１４と対向する端部に接続される。対向電極１５には、第１導体１４で例示したものと同様のものを用いることができる。第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向の他端は、対向電極１５を介して第１回路ユニット１０における高周波電流Ｉ_ＲＣの出力側に接続されている。

＜磁気抵抗効果素子＞
第１磁気抵抗効果素子１２は、磁化固定層１２Ａと、磁化自由層１２Ｂと、スペーサ層１２Ｃとを有する。スペーサ層１２Ｃは、磁化固定層１２Ａと磁化自由層１２Ｂとの間に位置する。磁化固定層１２Ａの磁化は、磁化自由層１２Ｂ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１２Ａの磁化の向きに対して磁化自由層１２Ｂの磁化の向きが相対的に変化することで、第１磁気抵抗効果素子１２として機能する。

磁化固定層１２Ａは、強磁性体材料で構成されている。磁化固定層１２Ａ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、第１磁気抵抗効果素子１２の磁気抵抗変化率が大きくなる。また磁化固定層１２Ａは、ホイスラー合金で構成されても良い。磁化固定層１２Ａの膜厚は、１〜２０ｎｍとすることが好ましい。

磁化固定層１２Ａの磁化固定方法は、特に問わない。例えば、磁化固定層１２Ａの磁化を固定するために磁化固定層１２Ａ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１２Ａの磁化を固定してもよい。反強磁性層には、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ_２、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１２Ｂは、外部印加磁場もしくはスピン偏極電流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１２Ｂの材料として、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＡｌ、ＦｅＢ、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１２Ｂは、ホイスラー合金で構成されても良い。

磁化自由層１２Ｂの厚さは、０．５〜２０ｎｍ程度とすることが好ましい。また磁化自由層１２Ｂとスペーサ層１２Ｃ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１２Ｃは、磁化固定層１２Ａと磁化自由層１２Ｂの間に配置される層である。スペーサ層１２Ｃは、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、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。スペーサ層１２Ｃは、非磁性層であることが好ましい。

例えば、スペーサ層１２Ｃが絶縁体からなる場合は、第１磁気抵抗効果素子１２はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子となり、スペーサ層１２Ｃが金属からな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１２Ｃとして絶縁材料を適用する場合、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４等の絶縁材料を用いることができる。磁化固定層１２Ａと磁化自由層１２Ｂ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１２Ｃ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１２Ｃの膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度が好ましい。

スペーサ層１２Ｃを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１２Ｃの膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度が好ましい。

スペーサ層１２Ｃを半導体材料で構成する場合、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＩＴＯ、ＧａＯ_ｘ又はＧａ_２Ｏ_ｘ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層１２Ｃの膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度が好ましい。

スペーサ層１２Ｃ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、Ａｌ_２Ｏ_３またはＭｇＯ等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１２Ｃの膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度が好ましい。

磁化自由層１２Ｂと第１導体１４との間には、キャップ層を設けてもよい。また第１磁気抵抗効果素子１２と対向電極１５との間には、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等の金属膜、ＭｇＯ等の酸化物膜またはこれらの積層膜などが挙げられる。これらの層が酸化物膜からなる場合は、これらの層厚は電流を流すことができる程度に薄い。例えば、第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向に３Ｖの電圧を印加した際に電流（トンネル電流を含む）が流れる程度の厚みであることが好ましく、具体的には５ｎｍ以下であることが好ましい。

第１磁気抵抗効果素子１２の大きさは、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状の長辺を５００ｎｍ以下にすることが望ましい。また、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状の短辺は５０ｎｍ以上にすることが望ましい。第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状が長方形（正方形を含む）ではない場合は、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の長辺を、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状の長辺と定義し、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の短辺を、第１磁気抵抗効果素子１２の平面視形状の短辺と定義する。

長辺が５００ｎｍ以下と小さい場合、磁化自由層１２Ｂ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、第１磁気抵抗効果素子１２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２回路ユニット＞
第２回路ユニット２０は、第１のポート１と第２のポート２との間に接続される。図１における第２回路ユニット２０は、第１回路ユニット１０と第２のポート２との間に接続されており、第１回路ユニット１０と第２回路ユニット２０とは直列に接続されている。第２回路ユニット２０には、第１回路ユニット１０に組み込まれている電流分岐型素子１１と同様の電流分岐型素子２１が組み込まれている。

図１に示す電流分岐型素子２１は、第２磁気抵抗効果素子２２と第２導体２４とを備える。第２導体２４は第２磁気抵抗効果素子２２の積層方向の一端に接続されている。第２導体２４の第１端部２４ａは第２回路ユニット２０における高周波電流Ｉ_ＲＣの入力側に接続され、第２導体２４の第２端部２４ｂは基準電位端子３Ｂに接続されている。第２導体２４を流れる高周波電流Ｉ_ＲＣは、第２磁気抵抗効果素子２２及び基準電位端子３Ｂに分岐して流れる。第２磁気抵抗効果素子２２は、磁化固定層２２Ａと、磁化自由層２２Ｂと、スペーサ層２２Ｃとを有し、積層方向の一端には第２導体２４、積層方向の他端には対向電極２５が設けられている。第２磁気抵抗効果素子２２、第２導体２４及び対向電極２５は、第１磁気抵抗効果素子１２、第１導体１４及び対向電極１５で例示したものと同様のものが用いられる。図１では、第２導体２４は第１回路ユニット１０の対向電極１５とビア配線９５により接続されている。第２磁気抵抗効果素子２２の積層方向の他端は、対向電極２５を介して第２回路ユニット２０における高周波電流Ｉ_ＲＣの出力側（第２のポート２）に接続されている。

＜基準電位端子＞
基準電位端子３Ａ、３Ｂのそれぞれは、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０のぞれぞれに接続される。基準電位端子３Ａ、３Ｂは基準電位に接続され、磁気抵抗効果モジュール１００の基準電位を決める。図１では、基準電位としてグラウンドＧＮＤに接続している。グラウンドＧＮＤは磁気抵抗効果モジュール１００の外部に設けられる。図１では、基準電位端子３Ａはコンデンサ９４を介して第１回路ユニット１０に接続されて（交流的に（高周波的に）接続されて）おり、基準電位端子３Ｂは第２回路ユニット２０に接続されている。また図１では、基準電位端子３Ｂは、第２回路ユニット２０を介して第１回路ユニット１０に接続されている。第１のポート１に入力される高周波電流Ｉ_ＲＣは、基準電位との電位差に応じて、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０内を流れる。図１では、基準電位端子３を第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０のそれぞれに対して分けて設けているが、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０に対して共通して一つにまとめてもよい（例えば、後述する変形例）。

＜直流印加端子＞
直流印加端子４は、電源９０に接続され、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する。第１磁気抵抗効果素子１２は、第１磁気抵抗効果素子１２に直流電流又は直流電圧を印加するための電源９０を接続できる直流印加端子４に接続されている。第２磁気抵抗効果素子２２は、第２磁気抵抗効果素子２２に直流電流又は直流電圧を印加するための電源９０を接続できる直流印加端子４に接続されている。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９０は直流電流源でも、直流電圧源でもよい。電源９０は、一定の直流電流を発生可能な直流電流源でも、一定の直流電圧を発生可能な直流電圧源でもよい。また、電源９０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もよく、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もよい。図１に示す磁気抵抗効果モジュール１００において、第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２との内部を流れる直流電流の流れ方向は同じであり、直流電流は、磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂ、スペーサ層１２Ｃ、２２Ｃ、磁化固定層１２Ａ、２２Ａの順で流れる。

第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２に印加される直流電流の電流密度は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の発振閾値電流密度よりも小さいことが好ましい。第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の発振閾値電流密度とは、この値以上の電流密度の電流が印加されることにより、磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂの磁化が一定周波数及び一定の振幅で歳差運動を開始し、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２が発振する（第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の出力（抵抗値）が一定周波数及び一定の振幅で変動する）閾値の電流密度のことである。

＜その他の構成＞
磁気抵抗効果モジュール１００には、インダクタ９２及びコンデンサ９４が配設されている。インダクタ９２は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ９４は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ９２は高周波電流Ｉ_ＲＣの流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ９４は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。図１においてインダクタ９２は、第１のポート１から印加された高周波電流が基準電位に流れ、散逸することを抑制する。またコンデンサ９４は、電源９０から印加された直流電流が、第１のポート１及び第２のポート２に流れ、散逸することを抑制するととともに、電源９０から印加された直流電流が、基準電位端子３Ａから第１導体１４に流れることを抑制する。

インダクタ９２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９２のインダクタンスは１０ｎＨ以上であることが好ましい。コンデンサ９４には、公知のものを用いることができる。

各回路ユニット及び各端子は、信号線路によって接続されている。信号線路の形状は、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、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。

また磁気抵抗効果モジュール１００は、周波数設定機構８０を有することが好ましい。周波数設定機構８０は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２に静磁場である外部磁場を印加する磁場印加機構である。周波数設定機構８０は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂの強磁性共鳴周波数を設定する。磁気抵抗効果モジュール１００が出力する信号の周波数は、磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂの強磁性共鳴周波数により変動する。つまり、周波数設定機構８０により出力信号の周波数を設定できる。

周波数設定機構８０は、第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２のそれぞれに設けてもよいし、共通して設けてもよい。周波数設定機構８０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の磁場印加機構で構成される。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の磁場印加機構と、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＞
磁気抵抗効果モジュール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Ｉ_ＲＣが第１回路ユニット１０に流れる。高周波電流Ｉ_ＲＣは、第１磁気抵抗効果素子１２と基準電位端子３Ａとに分岐して流れる。

磁化自由層１２Ｂの磁化は、主に、第１導体１４を流れる高周波電流Ｉ_ＲＣが生み出す高周波磁場を受けて振動する。強磁性共鳴現象により磁化自由層１２Ｂの磁化は、高周波電流Ｉ_ＲＣの周波数が、磁化自由層１２Ｂの強磁性共鳴周波数の近傍の場合に大きく振動する。磁化自由層１２Ｂの磁化の振動が大きくなると、第１磁気抵抗効果素子１２における抵抗値変化が大きくなる。この抵抗値変化は、第１磁気抵抗効果素子１２の積層方向に直流電流を印加することで、第１磁気抵抗効果素子１２（第１回路ユニット１０）から出力される。この強磁性共鳴現象に起因した抵抗値変化による出力と、第1磁気抵抗効果素
子１２に分岐して流れる高周波電流Ｉ_ＲＣによる出力との和が、第１磁気抵抗効果素子１２（第１回路ユニット１０）から出力される。

次いで、第１回路ユニット１０から出力された高周波電流Ｉ_ＲＣは、第２回路ユニット２０に流れる。第２回路ユニット２０においても第１回路ユニット１０と同様に、高周波電流Ｉ_ＲＣは、第２磁気抵抗効果素子２２と基準電位端子３Ｂとに分岐して流れる。そして、磁化自由層２２Ｂの磁化は、高周波電流Ｉ_ＲＣの周波数が、磁化自由層２２Ｂの強磁性共鳴周波数の近傍の場合に大きく振動する。

磁化自由層２２Ｂの磁化の振動が大きくなると、第２磁気抵抗効果素子２２における抵抗値変化が大きくなる。この抵抗値変化は、第２磁気抵抗効果素子２２の積層方向に直流電流を印加することで、第２磁気抵抗効果素子２２（第２回路ユニット２０）から出力される。この強磁性共鳴現象に起因した抵抗値変化による出力と、第２磁気抵抗効果素子２２に分岐して流れる高周波電流Ｉ_ＲＣによる出力との和が、第２磁気抵抗効果素子２２（第２回路ユニット２０）から出力され、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の周波数が磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂの強磁性共鳴周波数近傍の場合は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２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、高周波信号の周波数が磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている場合は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２の抵抗値の変動量が小さく、強磁性共鳴現象に起因した抵抗値変化による出力は第２のポート２からほとんど出力されない。

図２は、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０が単独の場合の信号特性と、第１回路ユニット１０と第２回路ユニット２０とが直列に接続された磁気抵抗効果モジュール１００の信号特性を示す模式図である。信号特性は、入力電力に対する出力電力の比に対応する。図２に示すように、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０は、単独ではアンチローレンチアン状の信号特性を示す。アンチローレンチアンの信号特性とは、反対称型のコーシー・ローレンツ分布によりフィッティングできる信号特性であり、アンチローレンチアン状の信号特性とは、通過特性が向上するピークと低下するピークとの二つのピークを有する信号特性である。

図２に示すように、第１回路ユニット１０と第２回路ユニット２０とが直列に接続された磁気抵抗効果モジュール１００の信号特性は、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０を単独で用いた場合の信号特性と比較して遮断特性に優れる。これは第１導体１４の第２端部１４ｂ及び第２導体２４の第２端部２４ｂが、それぞれ基準電位端子３Ａ、３Ｂに接続されていることに起因すると考えられる。

磁化自由層１２Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている周波数については、第１磁気抵抗効果素子１２に分岐して流れる高周波電流Ｉ_ＲＣによる出力が、第１回路ユニット１０から出力され第２回路ユニット２０に入力される。第２回路ユニット２０に入力される高周波電流Ｉ_ＲＣは、第２磁気抵抗効果素子２２と基準電位端子３Ｂとに分岐して流れる。磁化自由層２２Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている周波数については、第２磁気抵抗効果素子２２に分岐して流れる高周波電流Ｉ_ＲＣによる出力が、第２回路ユニット２０から出力され第２のポート２から出力される。

磁化自由層１２Ｂの強磁性共鳴周波数および磁化自由層２２Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている周波数の高周波電流Ｉ_ＲＣは、第１回路ユニット１０（電流分岐型素子１１）および第２回路ユニット２０（電流分岐型素子１２）において分岐する度に小さくなる。その結果、磁化自由層１２Ｂの強磁性共鳴周波数および磁化自由層２２Ｂの強磁性共鳴周波数から外れている周波数については、第２のポート２からの出力が小さくなる。このように、高周波電流Ｉ_ＲＣの分岐が繰り返されることで、磁気抵抗効果モジュール１００の遮断特性が向上する。磁気抵抗効果モジュール１００の信号特性は、通過帯域以外の周波数領域での遮断特性に優れたものとなる。この信号特性を利用して、磁気抵抗効果モジュール１００（または磁気抵抗効果デバイス）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用いることができる。

ここで、第１磁気抵抗効果素子１２の磁化自由層１２Ｂ及び第２磁気抵抗効果素子２２の磁化自由層２２Ｂの強磁性共鳴周波数の関係（周波数の大小関係）は特に問わない。２つの強磁性共鳴周波数が同じ又は近い場合は、通過帯域幅は狭くなり、通過特性と遮断特性との差（ΔＳ２１）が大きくなる。他方、２つの強磁性共鳴周波数が離れると、通過帯域幅は広くなり、ΔＳ２１は小さくなる。そのため、求められる用途、使用態様に応じて、適宜設計できる。

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。

図１では、第１回路ユニット１０と第２回路ユニット２０とを直列に接続したが、三つ以上の電流分岐型素子（電流分岐型素子を備える三つ以上の回路ユニット）を直列に接続してもよい。当該構成では、高周波電流Ｉ_ＲＣの分岐がより繰り返されるため、磁気抵抗効果モジュールの遮断特性がより向上する。

図３は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例の回路構成を示した模式図である。図３において、図１と同様の構成には同一の符号を付す。図３に示す磁気抵抗効果モジュール１０１は、第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２とで、直流印加端子４及び電源９０を共有している点が、図１に示す磁気抵抗効果モジュール１００と異なる。磁気抵抗効果モジュール１０１は、直流印加端子４及び電源９０が共有されていることで、素子構成が簡素化され、小型化が可能である。

図３に示す磁気抵抗効果モジュール１０１において、対向電極２５は、インダクタ９２を介して基準電位端子３Ｃと接続されている。また、第１のポート１と第１導体１４の第１端部１４ａとの間、第１導体１４の第２端部１４ｂと基準電位端子３Ａとの間、第２導体２４の第２端部２４ｂと基準電位端子３Ｂとの間及び対向電極２５と第２のポート２との間にはコンデンサ９４が設けられている。図３では、基準電位端子３Ａはコンデンサ９４を介して第１回路ユニット１０に接続されて（交流的に（高周波的に）接続されて）おり、基準電位端子３Ｂはコンデンサ９４を介して第２回路ユニット２０に接続されている（交流的に（高周波的に）接続されている）。また図３では、基準電位端子３Ｃは、インダクタ９２を介して第２回路ユニット２０に接続されている（直流的に接続されている）。また図３では、基準電位端子３Ｃは、インダクタ９２及び第２回路ユニット２０を介して第１回路ユニット１０に接続されている（直流的に接続されている）。電源９０から印加された直流電流は、コンデンサ９４により、基準電位端子３Ａから第１導体１４に流れることが抑制され、基準電位端子３Ｂから第２導体２４に流れることが抑制され、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２に流れる。第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２は直流印加端子４を基準に直列な接続関係にあり、電源９０から印加された直流電流は、対向電極２５、第２磁気抵抗効果素子２２、第２導体２４、ビア配線９５、対向電極１５、第１磁気抵抗効果素子１２の順に流れる。また高周波電流Ｉ_ＲＣの流れは、図１に示す構成と同様である。従って、図３に示す磁気抵抗効果モジュール１０１は遮断特性に優れる。

また図４は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例の回路構成を示した模式図である。図４において、図３と同様の構成には同一の符号を付す。図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２は、第１磁気抵抗効果素子１２の対向電極１５と第２磁気抵抗効果素子２２の第２導体２４とが共通した金属層３０である点が、図３に示す磁気抵抗効果モジュール１０１と異なる。図４では、基準電位端子３Ａは第１回路ユニット１０に接続されており、基準電位端子３Ｂはコンデンサ９４を介して第２回路ユニット２０に接続されている（交流的に（高周波的に）接続されている）。また図４では、基準電位端子３Ｃは、インダクタ９２を介して第２回路ユニット２０に接続されている（直流的に接続されている）。

図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２は、対向電極１５と第２導体２４とが共通しているため、これらをビア配線９５（図１参照）で接続する必要がない。ビア配線９５は、素子抵抗を増大させる一因となりうる。対向電極１５と第２導体２４とが共通した金属層３０となることで、素子抵抗の増大を抑制できる。またビア配線９５を設けるためのスペースが不要になり、磁気抵抗効果モジュール１０２の小型化が可能となる。

図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２において、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２は、金属層３０の同一面に積層されている。第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２とは、金属層３０の異なる面に接続されていてもよいが、金属層３０の同一面に積層されていることが好ましい。

金属層３０の同一面に第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２が積層されていると、磁気抵抗効果モジュール１０２の製造が容易になる。第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２とは、磁化固定層１２Ａ，２２Ａ、スペーサ層１２Ｃ，２２Ｃ、磁化自由層１２Ｂ，２２Ｂの積層順が同じである。すなわち、対向電極１５と第２導体２４とが共通した金属層３０上に第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２となる層を積層し、フォトリソグラフィー等の技術により不要部を除去することで、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２を一度に製造できる。

図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２において、金属層３０の第１端部３０ａが直流印加端子４に接続されている。また、コンデンサ９４は、第１のポート１と第１導体１４の第１端部１４ａとの間、金属層３０の第２端部３０ｂと基準電位端子３Ｂとの間および対向電極２５と第２のポート２との間に設けられている。当該位置にコンデンサ９４が配設されていることで、電源９０から印加された直流電流は、基準電位端子３Ａから第１導体１４、第１磁気抵抗効果素子１２及び金属層３０を介して直流印加端子４に流れるとともに、基準電位端子３Ｃからインダクタ９２、対向電極２５、第２磁気抵抗効果素子２２及び金属層３０を介して直流印加端子４に流れる。つまり、直流印加端子４を基準に、第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２とは並列な接続関係にあり、電源９０から印加された直流電流は第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２とに分岐して流れる。第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２との内部を流れる直流電流の流れ方向は同じであり、直流電流は、磁化自由層１２Ｂ、２２Ｂ、スペーサ層１２Ｃ、２２Ｃ、磁化固定層１２Ａ、２２Ａの順で流れる。

図５は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果モジュールの別の例の回路構成を示した模式図である。図５において、図４と同様の構成には同一の符号を付す。図５に示す磁気抵抗効果モジュール１０３は、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２が直流印加端子４を基準に直列な接続関係にある点が、図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２と異なる。図５では、基準電位端子３Ａはコンデンサ９４を介して第１回路ユニット１０に接続されて（交流的に（高周波的に）接続されて）おり、基準電位端子３Ｂはコンデンサ９４を介して第２回路ユニット２０に接続されている（交流的に（高周波的に）接続されている）。また図５では、基準電位端子３Ｃは、インダクタ９２を介して第２回路ユニット２０に接続されている（直流的に接続されている）。また図５では、基準電位端子３Ｃは、インダクタ９２及び第２回路ユニット２０を介して第１回路ユニット１０に接続されている（直流的に接続されている）。

図５に示す磁気抵抗効果モジュール１０３において、第１導体１４の第１端部１４ａが直流印加端子４に接続されている。また、コンデンサ９４は、第１のポート１と第１導体１４の第１端部１４ａとの間、第１導体１４の第２端部１４ｂと基準電位端子３Ａとの間、金属層３０の第２端部３０ｂと基準電位端子３Ｂとの間および対向電極２５と第２のポート２との間に設けられている。当該位置にコンデンサ９４が配設されていることで、電源９０から印加された直流電流は、第１磁気抵抗効果素子１２、金属層３０、第２磁気抵抗効果素子２２の順に流れる。第１磁気抵抗効果素子１２と第２磁気抵抗効果素子２２との内部を流れる直流電流の流れ方向は反対であり、第１磁気抵抗効果素子１２では磁化自由層１２Ｂ、スペーサ層１２Ｃ、磁化固定層１２Ａの順に流れ、第２磁気抵抗効果素子２２では磁化固定層２２Ａ、スペーサ層２２Ｃ、磁化固定層２２Ａの順で流れる。

図４と図５に示す磁気抵抗効果モジュール１０２、１０３においてインダクタ９２は、いずれも第１のポート１と直流印加端子４との間および第２のポート２と基準電位端子３Ｃとの間に設けられている。第１のポート１から入力された高周波電流Ｉ_ＲＣは第１導体１４の第２端部１４ｂ及び金属層３０の第２端部３０ｂでそれぞれ基準電位端子３Ａ、３Ｂ側に分岐しながら、第１磁気抵抗効果素子１２及び第２磁気抵抗効果素子２２のそれぞれの内部を流れる。そのため、図４及図５に示す磁気抵抗効果モジュール１０２、１０３においても、高周波電流Ｉ_ＲＣの分岐が繰り返され、遮断特性が向上する。

また図６は、図１に示す磁気抵抗効果モジュール１００の変形例の回路構成を示した模式図である。図７は、図３に示す磁気抵抗効果モジュール１０１の変形例の回路構成を示した模式図である。図８は、図４に示す磁気抵抗効果モジュール１０２の変形例の回路構成を示した模式図である。図９は、図５に示す磁気抵抗効果モジュール１０３の変形例の回路構成を示した模式図である。図６〜９に示す磁気抵抗効果モジュール１００Ａ、１０１Ａ、１０２Ａ、１０３Ａは、第１回路ユニット１０及び第２回路ユニット２０に対して、基準電位端子３が共通して一つにまとめられている。また電源９０が、磁気抵抗効果モジュール１００Ａ、１０１Ａ、１０２Ａ、１０３Ａの回路内に組み込まれている。これらの変形例の構成でも、高周波電流Ｉ_ＲＣの分岐が繰り返され、遮断特性が向上する。

上記実施形態におけるインダクタ９２は、抵抗素子に変えることができる。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もよい。この抵抗素子の抵抗値は、磁気抵抗効果素子から出力される信号線路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、信号線路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の場合は、４５％の高周波電力が抵抗素子によりカットできる。また信号線路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の場合は、９０％の高周波電力を抵抗素子によりカットできる。この場合でも、磁気抵抗効果素子から出力された出力信号を第２のポート２に効率的に流すことができる。

また、上記実施形態において、直流印加端子４に接続される電源９０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９２は無くても良い。この場合でも、磁気抵抗効果素子から出力された出力信号を第２のポート２に効率的に流すことができる。

また、上記実施形態では、周波数設定機構８０を磁場印加機構とする例を基に説明したが、周波数設定機構８０には以下のような他の例も用いることができる。例えば、周波数設定機構として磁気抵抗効果素子に電場を印加する電場印加機構を用いてもよい。電場印加機構により、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加される電場を変化させると、磁化自由層における異方性磁場が変化し、磁化自由層における有効磁場が変化する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。

また例えば、周波数設定機構として圧電体と電場印加機構を組み合わせてもよい。磁気抵抗効果素子の磁化自由層の近傍に圧電体を設け、その圧電体に電場を印加する。電場が印加された圧電体は変形し、磁化自由層を歪ませる。磁化自由層が歪むと、磁化自由層における異方性磁場が変化し、磁化自由層における有効磁場が変化する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。

また例えば、周波数設定機構として、電気磁気効果を有する反強磁性体又はフェリ磁性体である制御膜、制御膜に磁場を印加する機構、及び、制御膜に電場を印加する機構を用いてもよい。磁化自由層と磁気的に結合するように設けられた制御膜に電場及び磁場を印加する。制御膜に印加する電場及び磁場の少なくとも一方を変化させると、磁化自由層における交換結合磁場が変化し、磁化自由層における有効磁場が変化する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。

また周波数設定機構８０が無くても（磁場印加機構から静磁場が印加されなくても）、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数が所望の周波数である場合は、周波数設定機構８０を有さなくてもよい。

＜他の用途＞
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増幅器（アンプ）等の高周波デバイスとしても利用できる。

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、電源９０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、磁気抵抗効果デバイスは、増幅器等の高周波デバイスとして機能できる。

１ 第１のポート
２ 第２のポート
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 基準電位端子
４ 直流印加端子
１０ 第１回路ユニット
２０ 第２回路ユニット
１１、２１ 電流分岐型素子
１２ 第１磁気抵抗効果素子
２２ 第２磁気抵抗効果素子
１２Ａ、２２Ａ 磁化固定層
１２Ｂ、２２Ｂ 磁化自由層
１２Ｃ、２２Ｃ スペーサ層
１４ 第１導体
２４ 第２導体
３０ 金属層
１４ａ、２４ａ、３０ａ 第１端部
１４ｂ、２４ｂ、３０ｂ 第２端部
１５、２５ 対向電極
８０ 周波数設定機構
９０ 電源
９２ インダクタ
９４ コンデンサ
１００、１０１、１０２、１０３、１００Ａ、１０１Ａ、１０２Ａ、１０３Ａ 磁気抵抗効果モジュール

Claims (5)

1. 第１のポートと、
   第２のポートと、
   前記第１のポートと前記第２のポートとの間に直列に接続された第１回路ユニット及び第２回路ユニットと、
   前記第１回路ユニット及び前記第２回路ユニットに、それぞれ又は共通して接続された基準電位端子と、
   前記第１回路ユニットの第１磁気抵抗効果素子及び前記第２回路ユニットの第２磁気抵抗効果素子に、直流電流又は直流電圧を印加するための電源をそれぞれ又は共通して接続できる直流印加端子と、を備え、
   前記第１回路ユニットは、磁化固定層と磁化自由層とこれらに挟まれたスペーサ層とを備える前記第１磁気抵抗効果素子と、前記第１磁気抵抗効果素子の一端に接続された第１導体と、を備え、
   前記第１導体は、高周波電流が前記第１磁気抵抗効果素子及び前記基準電位端子に対して分岐して流れるように、前記第１導体の第１端部が高周波電流の入力側に接続され、前記第１導体の第２端部が前記基準電位端子に接続され、
   前記第２回路ユニットは、磁化固定層と磁化自由層とこれらに挟まれたスペーサ層とを備える前記第２磁気抵抗効果素子と、前記第２磁気抵抗効果素子の一端に接続された第２導体と、を備え、
   前記第２導体は、高周波電流が前記第２磁気抵抗効果素子及び前記基準電位端子に対して分岐して流れるように、前記第２導体の第１端部が高周波電流の入力側に接続され、前記第２導体の第２端部が前記基準電位端子に接続されている、磁気抵抗効果デバイス。
2. 前記第１磁気抵抗効果素子の前記第１導体と対向する端部に接続される対向電極と、前記第２導体とが、共通した金属層により構成されている、請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
3. 前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とは、前記直流印加端子を基準に並列な接続関係にある、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
4. 前記第１磁気抵抗効果素子と前記第２磁気抵抗効果素子とは、前記直流印加端子を基準に直列な接続関係にある、請求項１又は２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイスと、
   前記磁気抵抗効果デバイスの前記直流印加端子に接続された直流電流源又は直流電圧源と、を備える、磁気抵抗効果モジュール。

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