JP2022075040A - Magnetoresistive effect device, magnetic sensor, frequency converter, and filter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果デバイス、磁気センサ、周波数変換器およびフィルタに関する。 The present invention relates to magnetoresistive devices, magnetic sensors, frequency converters and filters.
近年の高度情報化社会に伴い、GHzの高周波帯域の高周波部品に注目が集まっている。新しい高周波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。 With the recent advanced information society, attention is focused on high-frequency components in the high-frequency band of GHz. Spintronics is being researched as a field that has the potential to be applied to new high-frequency components.
例えば、特許文献1には、高周波電流を利用した磁気デバイスが記載されている。特許文献1に記載の磁気デバイスは、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の磁化自由層に印加されて動作する。
For example,
特許文献1の磁気デバイスは、大きな高周波磁場を印加して出力を大きくするために大きな高周波電流が必要であり、消費電力が大きくなる。
The magnetic device of
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、消費電力が小さい磁気抵抗効果デバイス、磁気センサ、周波数変換器およびフィルタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive device, a magnetic sensor, a frequency converter, and a filter having low power consumption.
上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The following means are provided to solve the above problems.
(1)第1の態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子と第1強磁性層とを備え、前記磁気抵抗効果素子は、第2強磁性層と、第3強磁性層と、前記第2強磁性層と前記第3強磁性層との間に挟まれたスペーサ層と、を備え、前記第1強磁性層は、高周波電圧が印加されることで高周波磁場を生じ、前記高周波磁場は、前記第2強磁性層に印加される。 (1) The magnetic resistance effect device according to the first aspect includes a magnetic resistance effect element and a first ferromagnetic layer, and the magnetic resistance effect element includes a second ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer, and the like. A spacer layer sandwiched between the second ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer is provided, and the first ferromagnetic layer generates a high-frequency magnetic field by applying a high-frequency voltage, and the high-frequency field is generated. The magnetic field is applied to the second ferromagnetic layer.
(2)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記第1強磁性層は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の少なくとも一方側にあってもよい。 (2) In the magnetoresistive effect device according to the above aspect, the first ferromagnetic layer may be on at least one side in the laminating direction of the magnetoresistive element.
(3)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、金属層と絶縁層とをさらに備えてもよく、前記金属層は、前記絶縁層と前記第1強磁性層とに挟まれ、前記金属層は、5d遷移金属元素を含んでもよい。 (3) The magnetic resistance effect device according to the above embodiment may further include a metal layer and an insulating layer, the metal layer is sandwiched between the insulating layer and the first ferromagnetic layer, and the metal layer is formed. It may contain 5d transition metal elements.
(4)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、絶縁層と電極とをさらに備え、前記電極は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向において、前記第1強磁性層を基準に前記磁気抵抗効果素子と反対側にあり、前記絶縁層は、前記電極と前記第1強磁性層との間に挟まれてもよい。 (4) The magnetoresistive device according to the above embodiment further includes an insulating layer and an electrode, and the electrode is the magnetoresistive element with reference to the first ferromagnetic layer in the stacking direction of the magnetoresistive element. The insulating layer may be sandwiched between the electrode and the first ferromagnetic layer.
(5)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、非磁性層と第4強磁性層とをさらに備え、前記第4強磁性層は、前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層との間に挟まれ、前記非磁性層は、前記第1強磁性層と前記第4強磁性層との間に挟まれ、前記第4強磁性層は、前記第1強磁性層より厚くてもよい。 (5) The magnetic resistance effect device according to the above aspect further includes a non-magnetic layer and a fourth ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer is between the magnetic resistance effect element and the first ferromagnetic layer. The non-magnetic layer may be sandwiched between the first ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer, and the fourth ferromagnetic layer may be thicker than the first ferromagnetic layer.
(6)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記非磁性層は、マグネシウムを含む酸化物を含んでもよい。 (6) In the magnetoresistive device according to the above aspect, the non-magnetic layer may contain an oxide containing magnesium.
(7)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第5強磁性層をさらに備え、前記第5強磁性層は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向と直交する面内のいずれかの方向から見て、前記磁気抵抗効果素子と重なる位置にあってもよい。 (7) The magnetoresistive effect device according to the above aspect further includes a fifth ferromagnetic layer, and the fifth ferromagnetic layer is viewed from any direction in the plane orthogonal to the stacking direction of the magnetoresistive element. Therefore, it may be located at a position where it overlaps with the magnetoresistive element.
(8)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子に高周波電流が印加されてもよい。 (8) In the magnetoresistive device according to the above aspect, a high frequency current may be applied to the magnetoresistive element.
(9)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第1入力ポートと第2入力ポートとをさらに備え、前記第1入力ポートは前記第1強磁性層に接続され、前記第1入力ポートに入力される第1高周波信号により前記第1強磁性層に前記高周波電圧が印加され、前記第2入力ポートは前記磁気抵抗効果素子に接続され、前記第2入力ポートに入力される第2高周波信号により前記磁気抵抗効果素子に前記高周波電流が印加されてもよい。 (9) The magnetic resistance effect device according to the above embodiment further includes a first input port and a second input port, and the first input port is connected to the first ferromagnetic layer and inputs to the first input port. The high frequency voltage is applied to the first ferromagnetic layer by the first high frequency signal to be generated, the second input port is connected to the magnetoresistive effect element, and the second high frequency signal input to the second input port causes the second input port. The high frequency current may be applied to the magnetoresistive effect element.
(10)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第1入力ポートをさらに備え、前記第1入力ポートは、前記第1強磁性層及び前記磁気抵抗効果素子に接続され、前記第1入力ポートに入力される第1高周波信号により前記第1強磁性層に前記高周波電圧が印加され、前記第1入力ポートに入力される前記第1高周波信号により前記磁気抵抗効果素子に前記高周波電流が印加されてもよい。 (10) The magnetic resistance effect device according to the above embodiment further includes a first input port, and the first input port is connected to the first ferromagnetic layer and the magnetic resistance effect element to the first input port. The high frequency voltage is applied to the first ferromagnetic layer by the input first high frequency signal, and the high frequency current is applied to the magnetic resistance effect element by the first high frequency signal input to the first input port. May be good.
(11)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記第1入力ポート、前記第1強磁性層及び前記磁気抵抗効果素子が、直列接続されていてもよい。 (11) In the magnetoresistive device according to the above aspect, the first input port, the first ferromagnetic layer, and the magnetoresistive element may be connected in series.
(12)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第1信号線路と第2信号線路とをさらに備え、前記第1入力ポートは、前記第1信号線路及び前記第2信号線路に接続され、前記第1信号線路は、前記第1強磁性層に接続され、前記第2信号線路は、前記磁気抵抗効果素子に接続されていてもよい。 (12) The magnetoresistive effect device according to the above embodiment further includes a first signal line and a second signal line, and the first input port is connected to the first signal line and the second signal line. The first signal line may be connected to the first ferromagnetic layer, and the second signal line may be connected to the magnetoresistive effect element.
(13)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、ヨークをさらに備え、前記ヨークは、前記第1強磁性層の面直方向から見て前記第1強磁性層を挟み、ギャップ内に生じる磁場を前記第1強磁性層に印加してもよい。 (13) The magnetoresistive device according to the above aspect further includes a yoke, in which the yoke sandwiches the first ferromagnetic layer when viewed from the plane direction of the first ferromagnetic layer, and a magnetic field generated in the gap is generated. It may be applied to the first ferromagnetic layer.
(14)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層とに接続された信号線路と、前記磁気抵抗効果素子から出力された信号が出力される出力ポートと、前記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接続できる直流印加端子と、をさらに備えてもよい。 (14) The magnetic resistance effect device according to the above embodiment is a signal line connected to the magnetic resistance effect element and the first ferromagnetic layer, and an output port from which a signal output from the magnetic resistance effect element is output. And a DC application terminal to which a power source for applying a DC current or a DC voltage can be connected to the magnetic resistance effect element may be further provided.
(15)上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層とをそれぞれ有するユニットを複数有し、前記複数のユニットのそれぞれの前記磁気抵抗効果素子に接続され、異なるユニットの間をそれぞれ接続する複数の信号線路と、前記複数のユニットのいずれかから出力された信号が出力される出力ポートと、一つの直流印加端子又は複数の直流印加端子と、を備え、前記複数のユニットのそれぞれの前記磁気抵抗効果素子は、前記一つの直流印加端子又は前記複数の直流印加端子のうちの一つと接続され、前記一つの直流印加端子又は前記複数の直流印加端子は、接続された前記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接続でき、前記複数の信号線路のそれぞれは、異なるユニットの前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層とを接続し、前記複数のユニットは、前記複数の信号線路によって環状に接続されてもよい。 (15) The magnetic resistance effect device according to the above aspect has a plurality of units each having the magnetic resistance effect element and the first ferromagnetic layer, and is connected to the magnetic resistance effect element of each of the plurality of units. , A plurality of signal lines connecting different units, an output port for outputting a signal output from any of the plurality of units, and one DC application terminal or a plurality of DC application terminals. The magnetic resistance effect element of each of the plurality of units is connected to one of the one DC application terminal or the plurality of DC application terminals, and the one DC application terminal or the plurality of DC application terminals is connected. A power source for applying a direct current or a direct current can be connected to the connected magnetic resistance effect element, and each of the plurality of signal lines has the magnetic resistance effect element of a different unit and the first ferromagnetic layer. The plurality of units may be connected in an annular shape by the plurality of signal lines.
(16)第2の態様にかかる磁気センサは、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスを有する。 (16) The magnetic sensor according to the second aspect has the magnetoresistive effect device according to the above aspect.
(17)第3の態様にかかる周波数変換器は、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスを有する。 (17) The frequency converter according to the third aspect has the magnetoresistive effect device according to the above aspect.
(18)第4の態様にかかるフィルタは、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスを有する。 (18) The filter according to the fourth aspect has the magnetoresistive effect device according to the above aspect.
上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイス、磁気センサ、周波数変換器およびフィルタは、消費電力が小さい。 The magnetoresistive effect device, magnetic sensor, frequency converter and filter according to the above aspect consume low power consumption.
以下、磁気抵抗効果デバイス等について、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。 Hereinafter, the magnetoresistive effect device and the like will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, the featured portion may be enlarged for convenience in order to make the feature easy to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.
「第1実施形態」
(磁気抵抗効果デバイス)
図1は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス100の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス100は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とを備える。図1に示す磁気抵抗効果デバイス100は、その他に、第1入力ポートp1と第2入力ポートp2と出力ポートp3と基準電位端子pr1,pr2とコンデンサCとフィルタFと信号線路L1~L5とを有する。図1に示す高周波電流IRの矢印は、電流の正の向きを表している。後述する他の図面についても同様である。
"First embodiment"
(Magnetic resistance effect device)
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of the
図1において、信号線路L1は、第1入力ポートp1と第1強磁性層20とを接続する。本明細書において「接続する」とは、2つの物体が直接的に接続されている場合に限られない。例えば、物体Aを流れる信号に起因した電圧又は電流が物体Bに印加されれば、物体Aと物体Bとが接続されていると言える。第1入力ポートp1は、信号線路L1を介して第1強磁性層20に接続されている。信号線路L2は、第1強磁性層20と基準電位端子pr1とを接続する。信号線路L3は、第2入力ポートp2と磁気抵抗効果素子10とを接続する。第2入力ポートp2は、信号線路L3を介して磁気抵抗効果素子10と接続されている。信号線路L4は、信号線路L3と出力ポートp3とを接続する。信号線路L5は、磁気抵抗効果素子10と基準電位端子pr2とを接続する。コンデンサCは、信号線路L3上における信号線路L4との分岐点より第2入力ポートp2側にある。フィルタFは、信号線路L4上にある。
In FIG. 1, the signal line L1 connects the first input port p1 and the first
<磁気抵抗効果素子>
磁気抵抗効果素子10は、第2強磁性層1と第3強磁性層2とスペーサ層3とを備える。スペーサ層3は、第2強磁性層1と第3強磁性層2との間に位置する。以下、第2強磁性層1、第3強磁性層2及びスペーサ層3の積層方向を単に「積層方向」という場合がある。
<Magnetic resistance effect element>
The
第2強磁性層1は、例えば、磁化自由層(第1の磁化自由層)である。第3強磁性層2は、例えば、磁化固定層又は磁化自由層(第2の磁化自由層)である。第3強磁性層2が磁化固定層として機能する場合、第3強磁性層2の保磁力は、例えば、第2強磁性層1の保磁力よりも大きい。磁化自由層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが変化する磁性体からなる層であり、磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力である。
The second
磁気抵抗効果素子10は、第2強磁性層1の磁化の向きと第3強磁性層2の磁化の向きとの相対角の変化に応じて、積層方向の抵抗値(積層方向に電流を流した場合の抵抗値)が変化する。第3強磁性層2の磁化の向きに対する第2強磁性層1の磁化の向きの相対角が変化すれば、第3強磁性層2は磁化固定層でも磁化自由層でもよい。
The magnetic
第2強磁性層1及び第3強磁性層2は、強磁性体を含む。例えば第2強磁性層1及び第3強磁性層2は、Cr、Mn、Co、Fe、Ni等の金属、または、これらの金属元素を1種以上含む合金を構成材料として用いることができる。また第2強磁性層1及び第3強磁性層2に、上記の金属元素と、B、C及びNから選択される少なくとも1種以上の元素と、の合金を用いてもよい。例えば、第2強磁性層1及び第3強磁性層2は、磁化自由層として機能する場合にはCoFeB合金を主成分として有してもよい。第2強磁性層1及び第3強磁性層2はそれぞれ、複数の層から構成されていてもよい。
The second
また第2強磁性層1及び第3強磁性層2は、XYZまたはX2YZの化学組成で表される金属間化合物(ホイスラー合金)でもよい。Xは周期表上でCo、Fe、Ni又はCuの族の遷移金属元素または貴金属元素である。YはMn、V、Cr又はTiの族の遷移金属元素またはXで表記される元素である。ZはIII族からV族の典型元素である。例えば、Co2FeSi、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b(0≦a≦1、0≦b≦1)等が、ホイスラー合金として知られている。
Further, the second
第2強磁性層1及び第3強磁性層2は、膜面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。
The second
強磁性層を面内磁化膜とするためには、強磁性層に接触する層を、界面磁気異方性を発現させにくい材料で構成する。界面磁気異方性を発現させにくい材料は、例えばRu、Cu等が挙げられる。一方、強磁性層を垂直磁化膜とするためには、強磁性層に接触する層を、界面磁気異方性を発現させやすい材料で構成する。界面磁気異方性を発現させやすい材料は、例えばMgO、W、Ta、Mo等が挙げられる。強磁性層に接触するこれらの材料の層は、強磁性層の膜面直方向の一方側に設けてもよい。また、強磁性層に接触するこれらの材料の層を複数の強磁性層の間に挟んだ積層膜により、第2強磁性層1又は第3強磁性層2を構成するようにしてもよい。
In order to use the ferromagnetic layer as an in-plane magnetization film, the layer in contact with the ferromagnetic layer is made of a material that does not easily exhibit interfacial magnetic anisotropy. Examples of the material that does not easily develop interfacial magnetic anisotropy include Ru and Cu. On the other hand, in order to make the ferromagnetic layer a vertical magnetization film, the layer in contact with the ferromagnetic layer is made of a material that easily develops interfacial magnetic anisotropy. Examples of the material that easily develops interfacial magnetic anisotropy include MgO, W, Ta, Mo and the like. The layer of these materials in contact with the ferromagnetic layer may be provided on one side of the ferromagnetic layer in the direct direction of the film surface. Further, the second
第3強磁性層2が磁化固定層として機能する場合、第3強磁性層2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第3強磁性層2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。
When the third
スペーサ層3は、第2強磁性層1と第3強磁性層2との間に配置される非磁性層である。スペーサ層3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。
The
例えば、スペーサ層3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:Tunnel Magnetoresistance)効果素子となり、スペーサ層3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。
For example, when the
スペーサ層3が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化シリコン等の材料を用いることができる。第2強磁性層1と第3強磁性層2との間に高いTMR効果が発現するようにスペーサ層3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3の膜厚は、0.5~10.0nm程度としてもよい。
When the
スペーサ層3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3の膜厚は、0.5~3.0nm程度としてもよい。
When the
スペーサ層3を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はITO等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層3の膜厚は1.0~4.0nm程度としてもよい。
When the
スペーサ層3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、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウム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3の膜厚は、0.5~2.0nm程度としてもよい。
When a layer including a current-carrying point composed of a conductor in a non-magnetic insulator is applied as the
磁気抵抗効果素子10への通電性を高めるために、磁気抵抗効果素子10の積層方向の両面に電極を設けてもよい。磁気抵抗効果素子10の積層方向における両端面に電極を設けることで、各線路と磁気抵抗効果素子10との接触が面になり、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。
In order to increase the electrical conductivity to the
磁気抵抗効果素子10は、その他の層を有してもよい。例えば、磁気抵抗効果素子10は、第3強磁性層2の第2強磁性層1と反対側の面に、シード層又はバッファ層を有してもよい。また磁気抵抗効果素子10は、第2強磁性層1の第3強磁性層2と反対側の面に、キャップ層を有してもよい。キャップ層、シード層またはバッファ層としては、MgO、W、Mo、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程度としてもよい。
The
<第1強磁性層>
第1強磁性層20は、高周波電圧が印加されることで高周波磁場を生じる。例えば、図1において、第1入力ポートp1に第1高周波信号S1が入力されると、基準電位に対する第1入力ポートp1の電位が変動し、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。第1強磁性層20の磁気異方性は、電圧制御磁気異方性(VCMA:Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy)効果により、電界によって変化する。従って、第1強磁性層20の磁気異方性は、高周波電圧VRにより周期的に変化し、第1強磁性層20の磁化は歳差運動する。第1強磁性層20の磁化の歳差運動は、高周波磁場HRを生じる。第1強磁性層20は、高周波電圧VRにより高周波磁場HRを生じる。第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRは、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1に印加される。第1強磁性層20は、第2強磁性層1に高周波磁場HRを印加する磁場印加層と称してもよい。
<First ferromagnetic layer>
The first
第1強磁性層20は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の少なくとも一方側にある。第1強磁性層20は、例えば、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1側にある。第1強磁性層20と第2強磁性層1との距離が近いと、第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRを第2強磁性層1に効率的に印加できる。図1では、第1強磁性層20は、磁気抵抗効果素子10と離間している。後述するが、第1強磁性層20と磁気抵抗効果素子10とは、接していてもよい。
The first
第1強磁性層20は、例えば、磁気抵抗効果素子10と絶縁体を介して離間している。絶縁体は、絶縁物でも、空間でもよい。第1強磁性層20は、高周波電圧が印加されることで生じる高周波磁場HRを第2強磁性層1に印加できる位置に配置されている。
The first
第1強磁性層20は、例えば、軟磁性体を含む。第1強磁性層20は、例えば、絶縁性を有する強磁性体である。第1強磁性層20は、例えば、フェライト等のセラミックスである。第1強磁性層20は、例えば、希土類鉄ガーネット(RIG)である。イットリウム鉄ガーネット(YIG)は、希土類鉄ガーネット(RIG)の一例である。第1強磁性層20は、例えば、パーマロイ等の金属でもよい。第1強磁性層20は、例えば、Cr、Mn、Co、Fe、Ni等の金属、または、これらの金属元素を1種以上含む合金でもよい。第1強磁性層20は、上記の金属元素と、B、C及びNから選択される少なくとも1種以上の元素と、の合金を用いてもよい。例えば、第1強磁性層20は、CoFeB合金を主成分として有してもよい。
The first
図2は、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの別の例の回路構成を示す図である。図2は、第1強磁性層20が導電性を有する場合の例である。図2に示す磁気抵抗効果デバイス101は、絶縁層30と電極40とを有する。
FIG. 2 is a diagram showing a circuit configuration of another example of the magnetoresistive device according to the first embodiment. FIG. 2 is an example of the case where the first
第1強磁性層20が導電性を有する場合は、例えば、信号線路L1と信号線路L2との間に絶縁層30を設ける。絶縁層30は、例えば、電極40と第1強磁性層20との間に挟まれる。電極40は、例えば、積層方向において、第1強磁性層20を基準に磁気抵抗効果素子10と反対側にある。電極40が第1強磁性層20を基準に磁気抵抗効果素子10と反対側にあると、第1強磁性層20と第2強磁性層1との距離が近づき、第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRを第2強磁性層1に効率的に印加できる。
When the first
<第1入力ポート>
第1入力ポートp1は、磁気抵抗効果デバイス100の一つ目の入力端子である。第1入力ポートp1には、例えば、交流信号源、アンテナ等が接続される。アンテナが磁気抵抗効果デバイスの一部として磁気抵抗効果デバイスと一体化している場合は、アンテナが第1入力ポートとなる。
<1st input port>
The first input port p1 is the first input terminal of the
第1入力ポートp1には第1高周波信号S1が入力される。第1高周波信号S1は、第1強磁性層20に、高周波電圧VRを生みだす。第1高周波信号S1の周波数は、例えば、100MHz以上の周波数を有する信号である。高周波電圧VRの周波数は、第1高周波信号S1の周波数と一致する。
The first high frequency signal S1 is input to the first input port p1. The first high frequency signal S 1 produces a high frequency voltage VR in the first
<第2入力ポート>
第2入力ポートp2は、磁気抵抗効果デバイス100の二つ目の入力端子である。第2入力ポートp2には、例えば交流信号源、アンテナ等が接続される。アンテナが磁気抵抗効果デバイスの一部として磁気抵抗効果デバイスと一体化している場合は、アンテナが第2入力ポートとなる。
<Second input port>
The second input port p2 is the second input terminal of the
第2入力ポートp2には第2高周波信号S2が入力される。第2入力ポートに入力される第2高周波信号S2は、信号線路L3を介して、高周波電流IRとして磁気抵抗効果素子10に印加される。高周波電流IRは、磁気抵抗効果素子10を流れる。第2強磁性層1に印加される高周波磁場HRによる第2強磁性層1の磁化の振動の振幅は、磁気抵抗効果素子10を流れる高周波電流により発生するスピントランスファートルクによる第2強磁性層1の磁化の振動の振幅よりも大きい。第2高周波信号S2の周波数は、例えば、100MHz以上の周波数を有する信号である。高周波電流IRの周波数は、第2高周波信号S2の周波数と一致する。
The second high frequency signal S2 is input to the second input port p2. The second high-frequency signal S 2 input to the second input port is applied to the
<出力ポート>
出力ポートp3は、磁気抵抗効果デバイス100の出力端子である。出力ポートp3には、例えば、出力された信号を処理する信号処理装置、電圧をモニターする例えば電圧計、電流をモニターする電流計又は外部に高周波信号を出力するアンテナ等が接続される。出力ポートp3は、信号線路L3,L4及びフィルタFを介して磁気抵抗効果素子10に接続されている。出力ポートp3からは、磁気抵抗効果素子10からの出力に起因する信号が出力される。
<Output port>
The output port p3 is an output terminal of the
<基準電位端子>
基準電位端子pr1,pr2は基準電位に接続され、磁気抵抗効果デバイス100の基準電位を決める。基準電位端子pr1は、信号線路L2に接続されている。基準電位端子pr2は、信号線路L5に接続されている。図1における基準電位は、グラウンドGである。グラウンドGは磁気抵抗効果デバイス100の外部に設けられてもよい。基準電位は、グラウンドG以外でもよい。
<Reference potential terminal>
The reference potential terminals pr1 and pr2 are connected to the reference potential and determine the reference potential of the
<コンデンサ>
コンデンサCは、信号の高周波成分を通し、信号の不変成分をカットする。コンデンサCは直流信号の流れを抑制したい部分に配置する。図1におけるコンデンサCは、信号線路L3上にある。コンデンサCは、信号線路L3の信号線路L4との分岐点より第2入力ポートp2側にある。コンデンサCには、公知のものを用いることができる。
<Capacitor>
The capacitor C passes the high frequency component of the signal and cuts the invariant component of the signal. The capacitor C is arranged in a portion where the flow of the DC signal is to be suppressed. The capacitor C in FIG. 1 is on the signal line L3. The capacitor C is on the second input port p2 side from the branch point of the signal line L3 with the signal line L4. A known capacitor C can be used.
<フィルタF>
フィルタFは、磁気抵抗効果素子10と出力ポートp3との間にある。フィルタFは、例えば、信号線路L4上にある。フィルタFは、特定の周波数の信号をカットし、特定の周波数の信号のみを通過させる。例えば、磁気抵抗効果デバイス100が、磁気抵抗効果素子10からの出力に起因する直流信号成分(直流電圧または直流電流)を含む信号を出力する場合、フィルタFは信号の高周波信号成分をカットし、直流信号成分を通過させる。フィルタFは、例えば、インダクタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタである。インダクタは、例えば、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でもよい。インダクタのインダクタンスは、例えば10nH以上としてもよい。出力ポートp3に接続される電圧計または電流計が、フィルタ機能を有する場合、フィルタFは無くてもよい。
<Filter F>
The filter F is located between the
<信号線路>
信号線路L1~L5は、磁気抵抗効果デバイス100の構成要素と端子との間又は構成要素間を接続する。信号線路L1~L5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)型に規定してもよい。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L1~L5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してもよい。このように設計することによって信号線路L1~L5の伝送損失を抑えることができる。
<Signal line>
The signal lines L1 to L5 connect between the components of the
(磁気抵抗効果デバイスの用途及び動作)
磁気抵抗効果デバイス100,101は、例えば、磁気センサ、周波数変換器として用いることができる。
(Use and operation of magnetoresistive device)
The
<磁気センサ>
磁気抵抗効果デバイス100,101の磁気センサとしての用途及び動作について説明する。以下、出力ポートp3から出力される信号が、直流電圧の例を基に説明する。磁気センサは、例えば、印加される外部磁場の大きさの変化、外部磁場の値、外部磁場の方向を検出できる。
<Magnetic sensor>
The applications and operations of the
「外部磁場の大きさの変化のセンシング」
図3(a)および図3(b)は、磁気抵抗効果デバイス100の磁気センサとしての動作を説明するための模式図である。図3(a)及び図3(b)はそれぞれ、第1強磁性層20に印加される高周波電圧VR、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10、磁気抵抗効果素子10に印加される高周波電流IR、及び出力ポートp3から出力される直流電圧VDCの時間変化を示す。図3(a)は、磁気抵抗効果素子10にある大きさの外部磁場が印加されている状態(変化前の状態)であり、図3(b)は、磁気抵抗効果素子10に印加された外部磁場が変化した(大きくなった)後の状態である。外部磁場は、磁気抵抗効果デバイス100の各構成以外から磁気抵抗効果素子10に印加された磁場である。
"Sensing changes in the magnitude of the external magnetic field"
3A and 3B are schematic views for explaining the operation of the
まず磁気抵抗効果素子10に印加された外部磁場が変化する前の状態について説明する。第1入力ポートp1に接続された交流信号源から第1入力ポートp1に第1高周波信号S1を入力すると、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。第1強磁性層20への高周波電圧VRの印加により、高周波磁場HRが生じる。高周波磁場HRは、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1に印加される。
First, the state before the change of the external magnetic field applied to the
第2強磁性層1の磁化は、高周波磁場HRを受けて振動する。磁気抵抗効果素子10に印加された外部磁場が変化する前の状態において、一例として、第2強磁性層1の強磁性共鳴周波数は、第2強磁性層1に印加される高周波磁場HRの周波数よりも小さい。磁気抵抗効果素子10の抵抗R10は、第2強磁性層1の磁化が振動することにより変化する(振動する)。高周波電圧VRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相とは、異なってもよいが、図3(a)では一致させた例を示す。高周波電圧VRと磁気抵抗効果素子10の抵抗R10との位相差は、各構成要素の位置、及び、第2強磁性層1に印加される高周波磁場HRの方向と第3強磁性層2の磁化の方向との相対角などにより変えることができる。
The magnetization of the second
第2入力ポートp2に接続された交流信号源から第2入力ポートp2に第2高周波信号S2を入力すると、磁気抵抗効果素子10に高周波電流IRが流れる。高周波電流IRの位相と高周波電圧VRの位相とは、異なってもよいが、図3(a)および図3(b)では一致させた例を示す。つまり、図3(a)に示す例では、高周波電流IRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相とは一致している。
When the second high frequency signal S2 is input to the second input port p2 from the AC signal source connected to the second input port p2, the high frequency current IR flows through the
磁気抵抗効果デバイス100に、第1高周波信号S1及び第2高周波信号S2が入力されると、出力ポートp3から磁気抵抗効果素子10からの出力に起因する直流電圧VDCが出力される。
When the first high frequency signal S1 and the second high frequency signal S2 are input to the
直流電圧VDCは、第1強磁性層20に高周波磁場HRが印加されることで変化する磁気抵抗効果素子10の抵抗R10と磁気抵抗効果素子10を流れる電流(高周波電流IR)との積である電圧V(磁気抵抗効果素子10からの出力電圧)の直流成分である。
IR=A・sin(2πft)、
R10=B・sin(2πft+Δθ1)+R0
とすると、
V=IR×R10=(A・B/2)・{cos(Δθ1)-cos(4πft+Δθ1)}+A・R0・sin(2πft)
である。
The DC voltage VDC is the resistance R 10 of the magnetic
IR = A · sin ( 2πft ),
R 10 = B · sin (2πft + Δθ 1 ) + R 0
Then
V = IR x R 10 = (A · B / 2) · {cos (Δθ 1 ) -cos (4πft + Δθ 1 )} + A · R 0 · sin (2πft)
Is.
直流電圧VDCは、電圧Vの直流成分であり、(A・B/2)・cos(Δθ1)である。Aは高周波電流IRの振幅であり、Bは磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の振幅であり、R0は、磁気抵抗効果素子10の抵抗のうち、第2強磁性層1の磁化と第3強磁性層2の磁化の相対角に依存しない抵抗成分であり、fは周波数であり、tは時間であり、Δθ1は高周波電流IRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相との位相差である。以下、単に「位相差Δθ1」と称する場合がある。また、高周波電圧VRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相との位相差をΔθ2とする(以下、単に「位相差Δθ2」と称する場合がある)。
The DC voltage V DC is a DC component of the voltage V, and is (A · B / 2) · cos (Δθ 1 ). A is the amplitude of the high-frequency current IR, B is the amplitude of the resistance R 10 of the magnetic
図3(a)に示す場合、Δθ1=0(0°)であり、出力ポートp3から出力される直流電圧VDCは、A・B/2となる。 In the case shown in FIG. 3A, Δθ 1 = 0 (0 °), and the DC voltage VDC output from the output port p3 is A / B / 2.
次に、磁気抵抗効果素子10に印加される外部磁場が変化した(大きくなった)後の状態について説明する。磁気抵抗効果素子10に印加される外部磁場が変化すると、第2強磁性層1の磁化の振動(歳差運動)の状態が変化する。その結果、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相は変化する。高周波電流IRの位相は変化しないため、高周波電流IRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相との間に、位相差Δθ1が生じる。
Next, the state after the external magnetic field applied to the
ここまで、第2強磁性層1の強磁性共鳴周波数が高周波磁場HRの周波数(高周波電圧VRの周波数)よりも十分小さい時に、高周波電圧VRの位相と磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相とが一致している(Δθ2=0(0°)である)例で説明してきた。この例の場合、第2強磁性層1の強磁性共鳴周波数が高周波磁場HRの周波数よりも十分大きい時には、位相差Δθ2はπ(180°)になる。磁気抵抗効果素子10に印加される外部磁場が大きくなり、第2強磁性層1の内部の有効磁場が大きくなると、第2強磁性層1の強磁性共鳴周波数は大きくなる。従って、この例の場合、図4に示すように、磁気抵抗効果素子10に印加される外部磁場の大きさの変化に応じて、位相差Δθ2や位相差Δθ1が変化する。
So far, when the ferromagnetic resonance frequency of the second
上述のように、直流電圧VDCは(A・B/2)・cos(Δθ1)であり、位相差Δθ1が変化すると、直流電圧VDCの出力値は変化する。つまり、磁気抵抗効果デバイス100は、出力ポートp3から出力される直流電圧VDCに基づいて、外部磁場の大きさが変化したことを検出することができ、磁気センサとして機能する。一例として、位相差Δθ1が0(0°)である状態から、位相差Δθ1がπ(180°)である状態への変化を検出するようにすることができる。外部磁場の大きさの変化の前後における位相差Δθ1の値は、0(0°)やπ(180°)に限られず、0~π(0°~180°)の間の任意の値を用いることができる。磁気抵抗効果デバイス100では、高周波電圧VRに起因する高周波磁場HRによって第2強磁性層1の磁化を振動させるため、第2強磁性層1の磁化の振動の振幅を大きくできる。第2強磁性層1の磁化の振動の振幅が大きくなると、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の変化量(振幅)が大きくなり、出力ポートp3から大きな直流電圧VDCを出力できる。また、磁気抵抗効果デバイス100では、第2強磁性層1に大きな高周波磁場を印加するために大きな高周波電流を流す必要がないため、高周波磁場HRを発生させるのに必要な消費電力を抑制することができる。
As described above, the DC voltage VDC is (A · B / 2) · cos (Δθ 1 ), and when the phase difference Δθ 1 changes, the output value of the DC voltage VDC changes. That is, the
「外部磁場の値のセンシング」
また磁気抵抗効果デバイス100は、外部磁場の値(具体的な大きさ)を求めることもできる。図4に示すように、位相差Δθ2や位相差Δθ1は、例えば、外部磁場の大きさが第1の値未満の場合は0(0°)(Δθ1、Δθ2=0)であり、外部磁場の大きさが第2の値(第2の値>第1の値)より大きい場合はπ(180°)(Δθ1、Δθ2=π)である。そして、外部磁場の大きさが第1の値以上第2の値以下の場合は、外部磁場の大きさは急峻に変化する。外部磁場の大きさが第1の値以上第2の値以下の領域では、外部磁場の大きさと位相差Δθ1、Δθ2が1対1の関係にある。すなわち、位相差Δθ1、Δθ2が分かれば、外部磁場の具体的な大きさを検出することができる。位相差Δθ1は、直流電圧VDCの値から導出できる。また直流電圧VDCの値の変化量から、外部磁場の大きさの変化量を求めることもできる。また外部磁場の変化に対する位相差Δθ1、Δθ2の変化は急峻であり、磁気センサは高感度に外部磁場の大きさの変化を検出できる。
"Sensing of external magnetic field values"
The
「外部磁場の方向のセンシング」
次いで、外部磁場の方向を検出する方法について説明する。図5及び図6は、外部磁場Heの方向を検出する際において、第1強磁性層20、第2強磁性層1及び第3強磁性層2の磁化の状態の一例を示す図である。図5、図6において強磁性体の磁化を矢印で表す。図5は外部磁場Heの方向が第1方向である状態であり、図6は外部磁場Heの方向が第1方向と異なる方向である状態である。図5及び図6のそれぞれは、高周波電圧VRの正負が異なり、時間軸の異なるタイミングの2状態を図示している。第3強磁性層2の磁化は、例えば、面内の一方向に固定されている。第1強磁性層20および第2強磁性層1は、例えば、膜面直方向に磁化容易軸を有する。
"Sensing of the direction of the external magnetic field"
Next, a method of detecting the direction of the external magnetic field will be described. 5 and 6 are diagrams showing an example of the magnetization state of the first
第1入力ポートp1に第1高周波信号S1を入力し、第1強磁性層20に周波数fの高周波電圧VRが印加される。高周波電圧VRは第1強磁性層20の磁気異方性Hkを周期的に変化させ、第1強磁性層20の磁化が歳差運動する。第1強磁性層20の磁化の歳差運動は、周波数fの高周波磁場HRを生じる。高周波磁場HRは、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1に印加される。
The first high frequency signal S1 is input to the first input port p1, and the high frequency voltage VR having a frequency f is applied to the first
第2入力ポートp2に第2高周波信号S2を入力し、周波数fの高周波電流IRを磁気抵抗効果素子10に流す。高周波電流IRの位相は、例えば、高周波電圧VRの位相と一致させる。高周波電流IRの位相は、高周波電圧VRの位相と異なっていてもよい。
The second high frequency signal S2 is input to the second input port p2 , and the high frequency current IR of the frequency f is passed through the
磁気抵抗効果素子10の抵抗R10は、第2強磁性層1の磁化と第3強磁性層2の磁化との相対角の変化に応じて変化する。図5及び図6には、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の時間変化も示している。
The resistance R 10 of the
図5及び図6に示す例では、第1強磁性層20が外部磁場の方向を検出する検出層として機能する。外部磁場Heの方向が変化すると、第1強磁性層20の磁化の振動の中心軸(歳差運動の回転軸、以下、単に「磁化の回転軸」と称する場合がある)の向きが変化する。その結果、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10が最大、最小となるタイミングが変化し、図5及び図6に示すように、磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相が変化する。磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の位相が変化すると、抵抗R10の位相と第2高周波電流IR2の位相との間の位相差Δθ1が変化し、出力ポートp3から出力される直流電圧VDCの値が変化する。すなわち、磁気センサは、出力ポートp3から出力される直流電圧VDCを読み出すことで磁気センサに印加された外部磁場Heの方向を検出できる。
In the examples shown in FIGS. 5 and 6, the first
また、ここまで外部磁場の大きさの変化、外部磁場の値、外部磁場の方向の検出に、電圧V(磁気抵抗効果素子10からの出力電圧)の直流成分を利用する例を示したが、電圧の高周波成分を利用してもよい。電圧Vの高周波成分である-(A・B/2)・cos(4πft+Δθ1)は、位相差Δθ1を含むため、この高周波成分から位相差Δθ1を導きだすことができる。位相差Δθ1が分かれば、位相差Δθ1から外部磁場の大きさを検出することができる。また外部磁場の変化に対する位相差Δθ1、Δθ2の変化は急峻であり、磁気センサは高感度に外部磁場の大きさの違いを検出できる。 Further, the example in which the DC component of the voltage V (output voltage from the magnetic resistance effect element 10) is used for detecting the change in the magnitude of the external magnetic field, the value of the external magnetic field, and the direction of the external magnetic field has been shown. High frequency components of voltage may be used. Since-(A · B / 2) · cos (4πft + Δθ 1 ), which is a high frequency component of the voltage V, contains the phase difference Δθ 1 , the phase difference Δθ 1 can be derived from this high frequency component. If the phase difference Δθ 1 is known, the magnitude of the external magnetic field can be detected from the phase difference Δθ 1 . Further, the changes in the phase difference Δθ 1 and Δθ 2 with respect to the change in the external magnetic field are steep, and the magnetic sensor can detect the difference in the magnitude of the external magnetic field with high sensitivity.
<周波数変換器>
次いで、磁気抵抗効果デバイス100,101の周波数変換器としての用途及び動作について説明する。
<Frequency changer>
Next, applications and operations of the
第1入力ポートp1に周波数f1の第1高周波信号S1を入力すると、第1強磁性層20に周波数f1の高周波電圧VRが印加される。高周波電圧VRは第1強磁性層20の磁気異方性Hkを周期的に変化させ、第1強磁性層20の磁化が歳差運動する。第1強磁性層20の磁化の歳差運動は、周波数f1の高周波磁場HRを生じる。高周波磁場HRは、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1に印加される。
When the first high frequency signal S1 having a frequency f1 is input to the first input port p1, a high frequency voltage VR having a frequency f1 is applied to the first
磁気抵抗効果素子10の抵抗は、高周波磁場HRが印加されることで変化する。磁気抵抗効果素子10の抵抗R10は、例えば、R10=C・sin(2πf1t)+R0と表される。Cは磁気抵抗効果素子10の抵抗R10の振幅である。R0は、磁気抵抗効果素子10の抵抗のうち、第2強磁性層1の磁化と第3強磁性層2の磁化の相対角に依存しない抵抗成分である。
The resistance of the
第2入力ポートp2に周波数f2の第2高周波信号S2を入力すると、磁気抵抗効果素子10に高周波電流IRが流れる。高周波電流IRは、例えば、IR=D・sin(2πf2t)で表される。Cは高周波電流IRの振幅であり、f2は第2高周波信号S2の周波数である。
When the second high frequency signal S2 having a frequency f2 is input to the second input port p2, a high frequency current IR flows through the
磁気抵抗効果素子10は、変動する抵抗R10と磁気抵抗効果素子10を流れる高周波電流IRに起因して、電圧Vを出力する。電圧Vは、オームの法則から以下の式で表される。
V=IR×R10
=(C・D/2)・cos(2π・(f2-f1)・t)-(C・D/2)・cos(2π・(f2+f1)・t)+D・R0・sin(2πf2t)
The
V = IR x R 10
= (C ・ D / 2) ・ cos (2π ・ (f2 - f 1 ) ・ t)-(C ・ D / 2) ・ cos (2π ・ (f 2 + f 1 ) ・ t) + D ・ R 0・sin (2πf 2 t)
|f2-f1|の周波数の信号が通過し、f2+f1の周波数の信号がカットされるようにフィルタFの通過周波数を設定すると、電圧Vのうち、上式の右辺第1項である(C・D/2)・cos(2π・(f2-f1)・t)を出力ポートp3から取り出すことができる。 When the passing frequency of the filter F is set so that the signal of the frequency of | f 2 -f 1 | passes and the signal of the frequency of f 2 + f 1 is cut, the first term on the right side of the above equation is set in the voltage V. (C · D / 2 ) · cos (2π · (f2 −f 1 ) · t) can be taken out from the output port p3.
f2+f1の周波数の信号が通過し、|f2-f1|の周波数の信号がカットされるようにフィルタFの通過周波数を設定すると、電圧Vのうち、上式の右辺第2項である-(C・D/2)・cos(2π・(f2+f1)・t)を出力ポートp3から取り出すことができる。 When the passing frequency of the filter F is set so that the signal of the frequency of f 2 + f 1 passes and the signal of the frequency of | f 2 −f 1 | is cut, the second term on the right side of the above equation is obtained in the voltage V. -(C · D / 2) · cos (2π · (f 2 + f 1 ) · t) can be taken out from the output port p3.
上述のように、磁気抵抗効果デバイス100,101は、第1入力ポートp1及び第2入力ポートp2から2つの周波数の高周波信号が入力され、2つの周波数の差分又は和分の周波数の信号が出力ポートp3から出力されている。つまり、磁気抵抗効果デバイス100,101は、周波数変換器として機能している。
As described above, in the magnetic
以上、上述の磁気抵抗効果デバイス100,101を例に、第1実施形態について図面を参照して詳述したが、第1実施形態はこの例に限られるものではない。
As described above, the first embodiment has been described in detail with reference to the drawings by taking the above-mentioned
(第1変形例)
図7は、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス102において、磁気抵抗効果デバイス100,101と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(First modification)
FIG. 7 is a diagram showing a circuit configuration of the
磁気抵抗効果デバイス102において、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とは接している。
In the
磁気抵抗効果デバイス102は、信号線路L1~L4を備える。図7において信号線路L2は、第1強磁性層20と基準電位端子pr1とを接続し、かつ、磁気抵抗効果素子10と基準電位端子pr1とを接続する。信号線路L2は、図1における信号線路L2及び信号線路L5の機能を兼ねている。
The
図8は、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102の磁気抵抗効果素子10の近傍の拡大図である。第1強磁性層20は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の少なくとも一方側にある。
FIG. 8 is an enlarged view of the vicinity of the
磁気抵抗効果デバイス102は、絶縁層30と電極40,41,42とを有する。絶縁層30は絶縁性を有するものであればよく、電極40,41,42は導体であればよい。絶縁層30は、例えば、電極40と第1強磁性層20との間に挟まれる。絶縁層30は、例えば、非磁性体であり、酸化マグネシウム(MgO)、スピネル(MgAl2O4)等のマグネシウムを含む酸化物である。電極40は、例えば、積層方向において、第1強磁性層20を基準に磁気抵抗効果素子10と反対側にある。電極41は、磁気抵抗効果素子10の第1強磁性層20と接する面と反対側の面に接する。電極42は、第1強磁性層20と接する。電極40は、例えば、信号線路L1と接続される。電極41は、例えば、信号線路L3と接続される。電極42は、例えば、信号線路L2と接続される。電極40と電極42との間に高周波電圧VRが印加され、電極41と電極42との間を高周波電流IRが流れる。
The
第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102は、磁気抵抗効果デバイス100,101と同様に、磁気センサ、周波数変換器として利用できる。また第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102は、高周波磁場HRを第1強磁性層20に印加される高周波電圧VRを用いて生じさせるため、消費電力を小さくできる。さらに、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102は、高周波磁場HRによって第2強磁性層1を振動させることで第2強磁性層1の磁化の振幅を大きくでき、出力ポートp3からの出力を大きくできる。
The
(第2変形例)
図9は、第2変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス103の磁気抵抗効果素子10の近傍の拡大図である。磁気抵抗効果デバイス103において、磁気抵抗効果デバイス102と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(Second modification)
FIG. 9 is an enlarged view of the vicinity of the
磁気抵抗効果デバイス103は、金属層50を有する。金属層50は、絶縁層30と第1強磁性層20との間に挟まれる。金属層50は、5d遷移金属元素を有する。5d遷移金属元素としては、例えば、Pt、Au、W、Ta、Ir、Gd等が挙げられる。金属層50は、絶縁層30と第1強磁性層20とに接している。例えば、絶縁層30は、酸化マグネシウム(MgO)、スピネル(MgAl2O4)等のマグネシウムを含む酸化物である。
The
第2変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス103は、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102と同様の効果が得られる。またスピン軌道相互作用が大きい金属層50が絶縁層30と第1強磁性層20との間に存在することで、高周波電圧VRが印加された際における第1強磁性層20の磁気異方性の変化量が大きくなる。第1強磁性層20の磁化は磁気異方性の変化に基づいて歳差運動を行うため、磁気異方性の変化量が大きくなると、第1強磁性層20で生じる高周波磁場HRが大きくなる。その結果、高周波磁場HRによる第2強磁性層1の磁化の振幅を大きくでき、出力ポートp3からの出力を大きくできる。
The
ここでは、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とが接する構造に金属層50を適用する例を説明したが、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とが離れている第1実施形態における磁気抵抗効果デバイス101に、金属層50を適用してもよい。
Here, an example in which the
(第3変形例)
図10は、第3変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス104の磁気抵抗効果素子10の近傍の拡大図である。磁気抵抗効果デバイス104において、磁気抵抗効果デバイス102と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(Third modification example)
FIG. 10 is an enlarged view of the vicinity of the
磁気抵抗効果デバイス104は、非磁性層21と第4強磁性層22とを有する。第4強磁性層22は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20との間に挟まれる。非磁性層21は、第1強磁性層20と第4強磁性層22との間に挟まれる。
The
非磁性層21は、例えば、スペーサ層3と同様の材料を用いることができる。非磁性層21は、例えば、マグネシウムを含む酸化物を含む。非磁性層21がマグネシウムを含む酸化物を含むと、第1強磁性層20及び第4強磁性層22の磁気異方性を大きくなる。非磁性層21は、例えば、酸化マグネシウム(MgO)、スピネル(MgAl2O4)等のマグネシウムを含む酸化物である。第4強磁性層22は、例えば、第1強磁性層20と同様の材料を用いることができるが、第1強磁性層20よりも飽和磁化が大きいことが好ましい。強磁性層の飽和磁化は、例えば合金の組成を変えることで変化させることができる。
For the
第1強磁性層20と第4強磁性層22とは磁気結合している。第1強磁性層20は、高周波電圧VRが印加されることで磁気異方性が変化し、高周波磁場HRを生じる。第4強磁性層22の磁化は、第1強磁性層20の磁化に従って歳差運動する。第4強磁性層22の磁化は、第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRを受けて歳差運動し、高周波磁場HR1を生じる。第4強磁性層22で生じた高周波磁場HR1は、第2強磁性層1の磁化を歳差運動させる。
The first
高周波電圧VRによる第1強磁性層20の磁気異方性の変化は、第1強磁性層20の厚みが薄いほど大きくなる。他方、第4強磁性層22の磁化量が多いほど高周波磁場HR1は大きくなる。したがって、第4強磁性層22は、例えば、第1強磁性層20より厚いことが好ましい。
The change in the magnetic anisotropy of the first
第3変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス104は、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス102と同様の効果が得られる。また磁気抵抗効果デバイス104が第1強磁性層20と第4強磁性層22とを有することで、磁気異方性の変化により高周波磁場HRを生み出す部分と、第2強磁性層1に印加する高周波磁場HR1を生み出す部分とで機能を分けることができる。その結果、それぞれの機能に適した材料、構成を第1強磁性層20及び第4強磁性層22に適用できる。その結果、高周波磁場HR,HR1による第2強磁性層1の磁化の振幅を大きくでき、出力ポートp3からの出力を大きくできる。
The
ここでは、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とが接する構造に非磁性層21及び第4強磁性層22を適用する例を説明したが、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とが離れている第1実施形態における磁気抵抗効果デバイス100、101に非磁性層21及び第4強磁性層22を適用してもよい。
Here, an example in which the
また図11に示す磁気抵抗効果デバイス104Aのように、絶縁層30と第1強磁性層20との間、第1強磁性層20と非磁性層21の間、非磁性層21と第4強磁性層22との間に、第2変形例における金属層50を設けてもよい。金属層50は、これらの間の全てにある必要はなく、いずれかの間にのみあってもよい。金属層50により第1強磁性層20及び第4強磁性層22の磁気異方性の変化量が大きくなる。
Further, as in the
(第4変形例)
図12は、第4変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス105の磁気抵抗効果素子10の近傍の拡大図である。磁気抵抗効果デバイス105において、磁気抵抗効果デバイス104と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(Fourth modification)
FIG. 12 is an enlarged view of the vicinity of the
磁気抵抗効果デバイス105は、第5強磁性層23を有する。第5強磁性層23は、磁気抵抗効果素子10の積層方向と直交する面内のいずれかの方向から見て、磁気抵抗効果素子10と重なる位置にある。図13は、磁気抵抗効果デバイス105を積層方向の磁気抵抗効果素子10側から見た図である。図13に示すように、第5強磁性層23は、磁気抵抗効果素子10の周囲を囲んでもよい。また図14に示すように、第5強磁性層23は、磁気抵抗効果素子10を挟む構造でもよい。図13及び図14において、電極41と電極42は省略している。第5強磁性層23は、例えば、第4強磁性層22と同様の材料を用いることができる。第5強磁性層23の磁化は、第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRを受けて歳差運動し、高周波磁場を生じる。第5強磁性層23で生じた高周波磁場は、第2強磁性層1の磁化を歳差運動させる。
The
第4変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス105は、第3変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス104と同様の効果が得られる。また磁気抵抗効果デバイス105は第5強磁性層23を有することで、第2強磁性層1により大きな高周波磁場を印加することができる。その結果、第4変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス105は、第2強磁性層1の磁化の振幅をより大きくでき、出力ポートp3からの出力を大きくできる。
The
図14では、磁気抵抗効果素子10と第4強磁性層22とが接している例を示したが、これらは互いに離れていてもよい。例えば、図15に示す磁気抵抗効果デバイス105Aは、第4強磁性層22と磁気抵抗効果素子10との間に非磁性層24をさらに有する。非磁性層24は、例えば、第4強磁性層22と第5強磁性層23との間にも挟まれる。第4強磁性層22と磁気抵抗効果素子10とが離れている場合は、第4強磁性層22と第5強磁性層23とは離れていることが好ましい。当該構成により第4強磁性層22から第2強磁性層1に印加される高周波磁場と、第5強磁性層23から第2強磁性層1に印加される高周波磁場とが、互いに強め合う関係になる。
Although FIG. 14 shows an example in which the
(第5変形例)
図16は、第5変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス106の回路構成を模式的に示す図である。磁気抵抗効果デバイス106において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(Fifth modification)
FIG. 16 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the
磁気抵抗効果デバイス106は、ヨークYを備える。ヨークYは、第1強磁性層20の面直方向から見て、第1強磁性層20を挟む。ヨークYは、軟磁性体を含む。ヨークYは、例えば、Fe、Co、Ni、NiとFeの合金、FeとCoの合金、またはFeとCoとBの合金等である。
The
図17は、磁気抵抗効果デバイス106の第1強磁性層20の近傍を第1強磁性層20の面直方向から見た図である。図17に示すように、ヨークYは、第1強磁性層20の周囲を囲んでもよい。また図18に示すように、ヨークYは、第1強磁性層20を挟む構造でもよい。第1強磁性層20の面直方向から見て、ヨークYの間には、ギャップGpがある。
FIG. 17 is a view of the vicinity of the first
磁気抵抗効果デバイス106に外部磁場Heが印加されると、ヨークYが磁束を誘導し、ギャップGp内に磁束を集中させる。ヨークYは、外部磁場HeによってギャップGp内に生じる磁場を第1強磁性層20に印加する。第1強磁性層20の磁化は、ギャップGp内に生じる磁場の影響を受ける。ギャップGp内に生じる磁場の方向は、外部磁場Heの方向に応じて変化する。磁気抵抗効果デバイス106は、外部磁場Heの方向を検知する磁気センサに特に適用できる。
When an external magnetic field He is applied to the
(第6変形例)
図19は、第6変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス107の回路構成を模式的に示す図である。磁気抵抗効果デバイス107において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
(6th modification)
FIG. 19 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the
磁気抵抗効果デバイス107は、第1強磁性層20が磁気抵抗効果素子10の積層方向と異なる位置にある。第1強磁性層20は、例えば、第1強磁性層20の面直方向から見て、磁気抵抗効果素子10を挟む。第1強磁性層20は、例えば、磁気抵抗効果素子10の周囲を囲んでいてもよい。
In the
第6変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス107は、第1変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス100と同様の効果が得られる。第1強磁性層20が磁気抵抗効果素子10の積層方向にある方が第1強磁性層20で生じた高周波磁場HRによって第2強磁性層1の磁化を効率的に歳差運動させることができるが、第1強磁性層20が磁気抵抗効果素子10の積層方向と異なる位置にある場合でも、高周波磁場HRによって第2強磁性層1の磁化を効率的に歳差運動させることができる。
The
「第2実施形態」
図20は、第2実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス110の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス110は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20と第1入力ポートp1と第2入力ポートp21と出力ポートp3と基準電位端子pr1,pr2とコンデンサCとインダクタLと信号線路L1~L5とを有する。インダクタLは、フィルタFの一態様である。磁気抵抗効果デバイス110において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
"Second embodiment"
FIG. 20 is a diagram showing a circuit configuration of the
第2入力ポートp21には、直流電流IDが入力される。第2入力ポートp21は、直流電流IDが入力されるという点で、第2高周波信号S2が入力される第1実施形態にかかる第2入力ポートp2と異なる。第2入力ポートp21には、例えば、直流電源PSが接続される。直流電源PSは、直流電流源でも、直流電圧源でもよい。第2入力ポートp21は、磁気抵抗効果素子10に直流電流又は直流電圧を印加するための電源を接続できる直流印加端子である。
A direct current ID is input to the second input port p21. The second input port p21 is different from the second input port p2 according to the first embodiment in which the second high frequency signal S2 is input in that the direct current ID is input. For example, a DC power supply PS is connected to the second input port p21. The DC power supply PS may be a DC current source or a DC voltage source. The second input port p21 is a DC application terminal to which a power source for applying a DC current or a DC voltage can be connected to the
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、時間によって極性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。 As used herein, the direct current is a current whose direction does not change with time, and includes a current whose magnitude changes with time. Further, the DC voltage is a voltage whose polarity does not change with time, and includes a voltage whose magnitude changes with time.
第2入力ポートp21に入力された直流電流IDは、信号線路L3を介して、磁気抵抗効果素子10に印加される。図20では、直流電流IDを磁気抵抗効果素子10に印加する例を示したが、直流電圧を磁気抵抗効果素子10に印加してもよい。磁気抵抗効果素子10に印加される直流電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子10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、この値以上の電流密度の電流が印加されることにより、磁気抵抗効果素子の第2強磁性層1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、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)閾値の電流密度のことである。
The direct current ID input to the second input port p21 is applied to the
<フィルタ>
第2実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス110は、例えば、フィルタとして機能する。
<Filter>
The
第1入力ポートp1に第1高周波信号S1を入力すると、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。高周波電圧VRは第1強磁性層20の磁気異方性Hkを周期的に変化させ、第1強磁性層20の磁化が歳差運動する。第1強磁性層20の磁化の歳差運動は、高周波磁場HRを生じる。高周波磁場HRは、磁気抵抗効果素子10の第2強磁性層1に印加される。
When the first high frequency signal S1 is input to the first input port p1, a high frequency voltage VR is applied to the first
第2強磁性層1の磁化は、第2強磁性層1に印加された高周波磁場HRの周波数が、第2強磁性層1の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に大きく振動する。また、第1入力ポートp1から入力された第1高周波信号S1の周波数が第1強磁性層20の強磁性共鳴周波数の近傍の場合にも、第2強磁性層1に印加される高周波磁場HRが大きくなり、第2強磁性層1の磁化は大きく振動する。
The magnetization of the second
第2強磁性層1の磁化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。例えば第2入力ポートp21から一定の直流電流IDが磁気抵抗効果素子10に印加される場合には、磁気抵抗効果素子10の抵抗値変化は、磁気抵抗効果素子10の積層方向の電位差の変化として出力ポートp3から出力される。また、例えば第2入力ポートp2から一定の直流電圧が磁気抵抗効果素子10に印加される場合には、磁気抵抗効果素子10の抵抗値変化は、磁気抵抗効果素子10を流れる電流値の変化として出力ポートp3から出力される。つまり、出力ポートp3からは、第2強磁性層1の磁化の振動に起因した信号が出力される。
When the vibration of the magnetization of the second
すなわち、第1入力ポートp1から入力された第1高周波信号S1の周波数が第2強磁性層1又は第1強磁性層20の強磁性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、出力ポートp3から大きな信号が出力される。これに対し、第1高周波信号S1の周波数が第2強磁性層1及び第1強磁性層20の強磁性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、出力ポートp3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 first high frequency signal S1 input from the first input port p1 is close to the ferromagnetic resonance frequency of the second
以上、上述の磁気抵抗効果デバイス110を例に、第2実施形態について図面を参照して詳述したが、第2実施形態はこの例に限られるものではない。
Although the second embodiment has been described in detail with reference to the drawings by taking the above-mentioned
「第3実施形態」
図21は、第3実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス120の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス120は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20と第1入力ポートp1とコンデンサCとフィルタFと信号線路L1,L6~L8とを備える。磁気抵抗効果デバイス120において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
"Third embodiment"
FIG. 21 is a diagram showing a circuit configuration of the
信号線路L1は、第1入力ポートp1と第1強磁性層20とを接続する。信号線路L6は、信号線路L1と磁気抵抗効果素子10とを接続する。信号線路L7は、磁気抵抗効果素子10と出力ポートp3とを接続する。信号線路L8は、信号線路L7と基準電位端子pr3とを接続する。基準電位端子pr3は、基準電位端子pr1と同様である。
The signal line L1 connects the first input port p1 and the first
第1入力ポートp1は、第1強磁性層20及び磁気抵抗効果素子10に接続されている。第1入力ポートp1と第1強磁性層20とは、信号線路L1で接続されている。第1入力ポートp1と磁気抵抗効果素子10とは、信号線路L1の一部及び信号線路L6で接続されている。
The first input port p1 is connected to the first
第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。第1入力ポートp1に第1高周波信号S1が入力されると、基準電位端子pr3に対する第1入力ポートp1の電位が変動する。基準電位端子pr3に対する第1入力ポートp1の電位の変動により、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。第1強磁性層20に印加された高周波電圧VRにより、高周波磁場HRが生じる。高周波磁場HRは、第2強磁性層1に印加される。
A high frequency voltage VR is applied to the first
第2強磁性層1の磁化は、高周波電圧VRに起因した高周波磁場HRを受けて振動する。磁気抵抗効果素子10の抵抗R10は、第2強磁性層1の磁化が振動することにより変化する(振動する)。
The magnetization of the second
また第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により磁気抵抗効果素子10に高周波電流IRが印加される。第1入力ポートp1に第1高周波信号S1が入力されると、信号線路L6に高周波電流IRが流れる。高周波電流IRは、磁気抵抗効果素子10を流れる。出力ポートp3からは、磁気抵抗効果素子10からの出力に起因する信号が出力される。
Further, a high frequency current IR is applied to the
第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス120は、第1強磁性層20に印加される高周波電圧VR及び磁気抵抗効果素子10に印加される高周波電流IRがいずれも第1高周波信号S1に起因している。第1高周波信号S1は、信号線路L1と信号線路L6に分岐し、第1強磁性層20及び磁気抵抗効果素子10に入力される。第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100は、第1強磁性層20に印加される高周波電圧VRは第1高周波信号S1に起因し、磁気抵抗効果素子10に印加される高周波電流IRは第2高周波信号S2に起因しており、この点が第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス120と異なる。第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス120は、高周波電流IRの発生源は第1実施形態とは異なっているが、第1実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスと同様の効果が得られる。
In the
第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス120は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同様に、磁気センサまたは周波数変換器として利用できる。また第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス120を磁気センサとして用いる場合も、第1実施形態と同様に、外部磁場の大きさの変化、外部磁場の大きさまたは外部磁場の方向を検出できる。
The
また図22に示す磁気抵抗効果デバイス120Aのように、各構成要素の接続関係を変更してもよい。信号線路L9は、第1強磁性層20と基準電位端子pr4とを接続する。信号線路L10は、信号線路L9と磁気抵抗効果素子10とを接続する。基準電位端子pr4は、基準電位端子pr1と同様である。
Further, as in the
(第7変形例)
図23は、第7変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス121の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス121は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20と第1入力ポートp1とコンデンサCとフィルタFと信号線路L1,L5,L11,L12とを備える。磁気抵抗効果デバイス121において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(7th modification)
FIG. 23 is a diagram showing a circuit configuration of the
信号線路L1は、第1入力ポートp1と第1強磁性層20とを接続する。信号線路L11は、第1強磁性層20と磁気抵抗効果素子10とを接続する。信号線路L5は、磁気抵抗効果素子10と基準電位端子pr2とを接続する。第1入力ポートp1と第1強磁性層20と磁気抵抗効果素子10とは、信号線路L1,L11,L5によって直列に接続されている。信号線路L12は、信号線路L11と出力ポートp3とを接続する。
The signal line L1 connects the first input port p1 and the first
第1入力ポートp1は、第1強磁性層20及び磁気抵抗効果素子10に接続されている。第1入力ポートp1と第1強磁性層20とは、信号線路L1で接続されている。第1入力ポートp1と磁気抵抗効果素子10とは、信号線路L1,L11で接続されている。第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。また第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により磁気抵抗効果素子10に高周波電流IRが印加される。
The first input port p1 is connected to the first
第7変形例の磁気抵抗効果デバイス121は、磁気抵抗効果デバイス100と同様の効果が得られる。
The
また図24に示す磁気抵抗効果デバイス121Aのように、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とを直接接続してもよい。
Further, as in the
(第8変形例)
図25は、第8変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス122の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス122は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20と第1入力ポートp1とコンデンサCとフィルタFと分岐部Dと信号線路L2,L13,L14,L15,L4,L5とを備える。磁気抵抗効果デバイス122において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(8th modification)
FIG. 25 is a diagram showing a circuit configuration of the
分岐部Dは、信号を分岐する。分岐部Dは、例えば、方向性結合器である。信号線路L13は、第1入力ポートp1と分岐部Dとに接続されている。信号線路L14は、分岐部Dと第1強磁性層20とに接続されている。信号線路L15は、分岐部Dと磁気抵抗効果素子10とに接続されている。信号線路L14は、第1信号線路の一例である。信号線路L15は、第2信号線路の一例である。第1入力ポートp1は、分岐部Dを介して信号線路L14と信号線路L15とに接続されている。
The branch portion D branches the signal. The branch D is, for example, a directional coupler. The signal line L13 is connected to the first input port p1 and the branch portion D. The signal line L14 is connected to the branch portion D and the first
第1入力ポートp1は、第1強磁性層20及び磁気抵抗効果素子10に接続されている。第1入力ポートp1と第1強磁性層20とは、信号線路L13,L14及び分岐部Dを介して、接続されている。第1入力ポートp1と磁気抵抗効果素子10とは、信号線路L13,L15及び分岐部Dを介して、接続されている。第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。また第1入力ポートp1に入力される第1高周波信号S1により磁気抵抗効果素子10に高周波電流IRが印加される。
The first input port p1 is connected to the first
第8変形例の磁気抵抗効果デバイス122は、磁気抵抗効果デバイス100と同様の効果が得られる。
The
以上、第3実施形態について図面を参照して詳述したが、第3実施形態はこの例に限られるものではない。例えば、第1実施形態にかかる変形例のそれぞれは、第3実施形態においても適用可能である。例えば、第3実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいても、絶縁層30、電極40、金属層50、第4強磁性層22、第5強磁性層23またはヨークYを適用できる。
Although the third embodiment has been described in detail with reference to the drawings, the third embodiment is not limited to this example. For example, each of the modifications according to the first embodiment is also applicable to the third embodiment. For example, in the magnetoresistive device according to the third embodiment, the insulating
「第4実施形態」
図26は、第4実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス200の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス200は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20と第1入力ポートp11とコンデンサCとインダクタLと信号線路L5,L16~L18と出力ポートp3とを備える。磁気抵抗効果デバイス200において、磁気抵抗効果デバイス100と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
"Fourth Embodiment"
FIG. 26 is a diagram showing a circuit configuration of the
信号線路L16は、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とを接続する。信号線路L16は、フィードバックの信号線路である。信号線路L17は、第1強磁性層20と出力ポートp3とを接続する。信号線路L18は、第1入力ポートp11と信号線路L16とを接続する。出力ポートp3は、磁気抵抗効果素子10から出力された信号が出力される。
The signal line L16 connects the
第1入力ポートp11は、磁気抵抗効果素子10に直流電流又は直流電圧を印加するための直流電源PSを接続できる直流印加端子である。第1入力ポートp11には、例えば、直流電源PSが接続され、直流電流IDが入力される。直流電源PSは、直流電流源でも、直流電圧源でもよい。第1入力ポートp11に入力された直流電流IDは、信号線路L18及び信号線路L16の一部を介して、磁気抵抗効果素子10に印加される。
The first input port p11 is a DC application terminal to which a DC power supply PS for applying a DC current or a DC voltage can be connected to the
第4実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス200は、例えば、発振器として機能する。
The
磁気抵抗効果デバイス200の動作について説明する。まず信号線路L16に高周波信号である最初の信号Sg1が生じる。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。最初の信号Sg1は、例えば、ノイズである。ノイズは、例えば、電源を第1入力ポートp11に接続した際に生じる。信号Sg1により、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。高周波電圧VRは、高周波磁場HRを生じる。
The operation of the
高周波磁場HRは、第2強磁性層1に印加される。第2強磁性層1の磁化は、高周波磁場HRを受けて振動する。磁気抵抗効果素子10の抵抗値は、第2強磁性層1の磁化の振動により変化する。第1入力ポートp11は、磁気抵抗効果素子10に直流電流IDを印加する。直流電流IDは、磁気抵抗効果素子10の積層方向に流れる。直流電流IDは、信号線路L5を通りグラウンドGへ流れる。磁気抵抗効果素子10の電位は、オームの法則に従い変化する。磁気抵抗効果素子10の電位の変化(抵抗値の変化)に応じて高周波信号である信号Sg2が生じる。信号Sg2は、磁気抵抗効果素子10から信号線路L16に出力される。
The high frequency magnetic field HR is applied to the second
信号Sg2により、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加され、第1強磁性層20は高周波磁場HRを生じる。磁気抵抗効果素子10は、高周波磁場HRを受けて高周波信号である信号Sg3を信号線路L16に出力する。信号Sg3により、再び第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加され、第1強磁性層20は再び高周波磁場HRを生じる。磁気抵抗効果デバイス200は、このサイクルを繰り返す。
A high frequency voltage VR is applied to the first
高周波信号により第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加され、その高周波電圧VRに起因する高周波磁場HRが第2強磁性層1に印加され、磁気抵抗効果素子10が高周波信号を信号線路L16に出力するサイクルを1サイクルとする。
A high-frequency voltage VR is applied to the first
磁気抵抗効果デバイス200は、第2強磁性層1又は第1強磁性層20の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数で出力が大きく、その他の周波数では出力が小さい。したがって、各サイクルを行うたびに、強磁性共鳴周波数の近傍から外れた周波数の信号に対する強磁性共鳴周波数近傍の周波数の信号の相対強度が増大する(周波数のフィルタリングがされる)。
The
また出力ポートp3から出力される信号の強度は、一定の条件のもと、サイクルを繰り返すたびに増幅される。磁気抵抗効果デバイス200は、磁気抵抗効果素子10からの出力信号(例えば、信号Sgn(nは2以上の自然数))の強度が磁気抵抗効果素子10の出力飽和値に至ると、強磁性共鳴周波数近傍の周波数において安定した強度の信号を出力ポートp3から出力する。このように、磁気抵抗効果デバイス200は、発振帯域とその他の帯域の出力特性の差が大きい発振器として機能する。
Further, the strength of the signal output from the output port p3 is amplified every time the cycle is repeated under certain conditions. In the
以上、第4実施形態について図面を参照して詳述したが、第4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。 Although the fourth embodiment has been described in detail with reference to the drawings, the configurations and combinations thereof in the fourth embodiment are examples, and the configurations may be added or omitted within a range not deviating from the gist of the present invention. , Replacements, and other changes are possible.
(第9変形例)
図27は、第9変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス201の回路構成を模式的に示す図である。図27に示す第9変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス201は、信号線路L16が分岐部Dを有し、出力ポートp3が信号線路L19を介して分岐部Dに接続されている点が、図26に示す磁気抵抗効果デバイス200と異なる。図27に示す磁気抵抗効果デバイス201において、図26に示す磁気抵抗効果デバイス200と同一の構成については同一の符号を付し、共通の構成については説明を省く。
(9th modification)
FIG. 27 is a diagram schematically showing a circuit configuration of the
分岐部Dは、信号線路L16にある。分岐部Dは、信号線路L16と信号線路L19とが接続する接続点を含む部分である。分岐部Dは、信号を分岐できるものであればよい。分岐部Dは、例えば、方向性結合器である。第1強磁性層20には、出力ポートp3に接続される信号線路L17にかえて、基準電位端子pr1に接続される信号線路L2が接続されている。磁気抵抗効果素子10から出力された信号は、信号線路L16を流れ、その一部は分岐部Dで出力ポートp3に至る。
The branch portion D is on the signal line L16. The branch portion D is a portion including a connection point where the signal line L16 and the signal line L19 are connected. The branch portion D may be any as long as it can branch the signal. The branch D is, for example, a directional coupler. The first
第9変形例に係る磁気抵抗効果デバイス201は、磁気抵抗効果デバイス200と同様の効果が得られる。
The
(第10変形例)
図28は、第10変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス202の回路構成を示す図である。第10変形例にかかる磁気抵抗効果デバイス202は、磁気抵抗効果素子10及び第1強磁性層20を含むユニットU1~U4を複数有する。磁気抵抗効果デバイス202において、磁気抵抗効果デバイス200と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。
(10th modification)
FIG. 28 is a diagram showing a circuit configuration of the
ユニットU1は、例えば、磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とインダクタLと第1入力ポートp11と基準電位端子pr2と出力ポートp3と信号線路L5,L16,L17,L18を有する。ユニットU2~U4は、ユニットU1の出力ポートp3にかえて基準電位端子pr1、ユニットU1の信号線路L17にかえて信号線路L2を有する。ユニットU1~U4の数は問わない。それぞれのユニットU1~U4は、信号線路L16によって環状に接続される。信号線路L16は、異なるユニットの磁気抵抗効果素子10と第1強磁性層20とを接続する。出力ポートp3は、少なくとも一つのユニットU1の第1強磁性層20に接続されている。
The unit U1 has, for example, a
まずいずれかの信号線路L16に高周波信号である最初の信号Ssが流れる。信号Ssにより、第1強磁性層20に高周波電圧VRが印加される。高周波電圧VRが印加された第1強磁性層20は、高周波磁場HRを生じる。高周波磁場HRは、ユニットU1の第2強磁性層1に印加される。第2強磁性層1の磁化が振動することで、磁気抵抗効果素子10の電位が変化(抵抗値の変化)し、高周波信号である信号SgA1が生じる。信号SgA1は、信号線路L16に出力される。
First, the first signal Ss, which is a high-frequency signal, flows through one of the signal lines L16. A high frequency voltage VR is applied to the first
信号SgA1は、ユニットU2に入力される。ユニットU2は、信号SgB1を出力する。また信号SgB1は、ユニットU3に入力され、ユニットU3は、信号SgC1を出力する。また信号SgC1は、ユニットU4に入力され、ユニットU4は、信号SgD1を出力する。ユニットU2~U4のそれぞれの動作は、ユニットU1の動作と同様である。 The signal SgA 1 is input to the unit U2. The unit U2 outputs the signal SgB 1 . Further, the signal SgB 1 is input to the unit U3, and the unit U3 outputs the signal SgC 1 . Further, the signal SgC 1 is input to the unit U4, and the unit U4 outputs the signal SgD 1 . The operation of each of the units U2 to U4 is the same as the operation of the unit U1.
信号SgD1は、ユニットU1の第1強磁性層20において、高周波磁場HRを生じる。高周波磁場HRは、ユニットU1の第2強磁性層1に印加される。第2強磁性層1の磁化が振動することで、磁気抵抗効果素子10の電位が変化(抵抗値が変化)し、高周波信号である信号SgA2が生じる。磁気抵抗効果デバイス202は、このサイクルを繰り返す。
The signal SgD 1 produces a high frequency magnetic field HR in the first
磁気抵抗効果デバイス202のそれぞれのユニットU1~U4は、第2強磁性層1又は第1強磁性層20の強磁性共鳴周波数の近傍の周波数で出力が大きく、その他の周波数では出力が小さい。したがって、信号がユニットU1~U4のそれぞれを通過するたびに、第2強磁性層1及び第1強磁性層20の強磁性共鳴周波数の近傍から外れた周波数の信号に対する第2強磁性層1又は第1強磁性層20の強磁性共鳴周波数近傍の周波数の信号の相対強度が増大する(周波数のフィルタリングがされる)。その結果、磁気抵抗効果デバイス202の周波数選択性が向上する。つまり、磁気抵抗効果デバイス202は、発振帯域とその他の帯域の出力特性の差が大きい発振器として機能する。
Each unit U1 to U4 of the
また図29に示す磁気抵抗効果デバイス203のように、信号線路L16の一つ以上が、出力ポートp3へ至る分岐部Dを有してもよい。また、図28、図29において、磁気抵抗効果デバイス202、203は複数の第1入力ポートp11(直流印加端子)を有し、各ユニットの磁気抵抗効果素子10は複数の第1入力ポートp11のうちの一つと接続されているが、磁気抵抗効果デバイスが複数のユニットで共通の第1入力ポートp11(直流印加端子)を一つ有し、各ユニットの磁気抵抗効果素子10は、その一つの共通の第1入力ポートp11と接続されるようにしてもよい。
Further, as in the
1 第2強磁性層
2 第3強磁性層
3 スペーサ層
10 磁気抵抗効果素子
20 第1強磁性層
21、24 非磁性層
22 第4強磁性層
23 第5強磁性層
30 絶縁層
40、41、42 電極
50 金属層
100、101、102、103、104、104A、105、105A、106、107、110、120、120A、121、121A、122、200、201、202、203 磁気抵抗効果デバイス
C コンデンサ
D 分岐部
F フィルタ
G グラウンド
Gp ギャップ
HR、HR1 高周波磁場
L インダクタ
L1~L19 信号線路
p1、p11 第1入力ポート
p2、p21 第2入力ポート
p3 出力ポート
PS 直流電源
pr1~pr4 基準電位端子
U1~U4 ユニット
Y ヨーク
1 2nd
Claims (18)
前記磁気抵抗効果素子は、第2強磁性層と、第3強磁性層と、前記第2強磁性層と前記第3強磁性層との間に挟まれたスペーサ層と、を備え、
前記第1強磁性層は、高周波電圧が印加されることで高周波磁場を生じ、
前記高周波磁場は、前記第2強磁性層に印加される、磁気抵抗効果デバイス。 It is equipped with a magnetoresistive element and a first ferromagnetic layer.
The magnetoresistive sensor includes a second ferromagnetic layer, a third ferromagnetic layer, and a spacer layer sandwiched between the second ferromagnetic layer and the third ferromagnetic layer.
The first ferromagnetic layer generates a high-frequency magnetic field when a high-frequency voltage is applied.
The high-frequency magnetic field is a magnetoresistive effect device applied to the second ferromagnetic layer.
前記金属層は、前記絶縁層と前記第1強磁性層との間に挟まれ、
前記金属層は、5d遷移金属元素を含む、請求項1又は2に記載の磁気抵抗効果デバイス。 Further equipped with a metal layer and an insulating layer,
The metal layer is sandwiched between the insulating layer and the first ferromagnetic layer.
The magnetoresistive effect device according to claim 1 or 2, wherein the metal layer contains a 5d transition metal element.
前記電極は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向において、前記第1強磁性層を基準に前記磁気抵抗効果素子と反対側にあり、
前記絶縁層は、前記電極と前記第1強磁性層との間に挟まれる、請求項2に記載の磁気抵抗効果デバイス。 Further equipped with an insulating layer and electrodes,
The electrode is on the opposite side of the magnetoresistive element with respect to the first ferromagnetic layer in the stacking direction of the magnetoresistive element.
The magnetoresistive effect device according to claim 2, wherein the insulating layer is sandwiched between the electrode and the first ferromagnetic layer.
前記第4強磁性層は、前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層との間に挟まれ、
前記非磁性層は、前記第1強磁性層と前記第4強磁性層との間に挟まれ、
前記第4強磁性層は、前記第1強磁性層より厚い、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。 Further provided with a non-magnetic layer and a fourth ferromagnetic layer,
The fourth ferromagnetic layer is sandwiched between the magnetoresistive element and the first ferromagnetic layer.
The non-magnetic layer is sandwiched between the first ferromagnetic layer and the fourth ferromagnetic layer.
The magnetoresistive effect device according to any one of claims 1 to 4, wherein the fourth ferromagnetic layer is thicker than the first ferromagnetic layer.
前記第5強磁性層は、前記磁気抵抗効果素子の積層方向と直交する面内のいずれかの方向から見て、前記磁気抵抗効果素子と重なる位置にある、請求項1~6のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。 Further equipped with a fifth ferromagnetic layer,
One of claims 1 to 6, wherein the fifth ferromagnetic layer is located at a position overlapping the magnetoresistive element when viewed from any direction in the plane orthogonal to the laminating direction of the magnetoresistive element. The magnetoresistive effect device described in the section.
前記第1入力ポートは前記第1強磁性層に接続され、前記第1入力ポートに入力される第1高周波信号により前記第1強磁性層に前記高周波電圧が印加され、
前記第2入力ポートは前記磁気抵抗効果素子に接続され、前記第2入力ポートに入力される第2高周波信号により前記磁気抵抗効果素子に前記高周波電流が印加される、請求項8に記載の磁気抵抗効果デバイス。 Further equipped with a first input port and a second input port,
The first input port is connected to the first ferromagnetic layer, and the high frequency voltage is applied to the first ferromagnetic layer by the first high frequency signal input to the first input port.
The magnetism according to claim 8, wherein the second input port is connected to the magnetoresistive element, and the high-frequency current is applied to the magnetoresistive element by a second high-frequency signal input to the second input port. Resistive effect device.
前記第1入力ポートは、前記第1強磁性層及び前記磁気抵抗効果素子に接続され、
前記第1入力ポートに入力される第1高周波信号により前記第1強磁性層に前記高周波電圧が印加され、
前記第1入力ポートに入力される前記第1高周波信号により前記磁気抵抗効果素子に前記高周波電流が印加される、請求項8に記載の磁気抵抗効果デバイス。 With a first input port
The first input port is connected to the first ferromagnetic layer and the magnetoresistive element.
The high frequency voltage is applied to the first ferromagnetic layer by the first high frequency signal input to the first input port.
The magnetoresistive device according to claim 8, wherein the high-frequency current is applied to the magnetoresistive element by the first high-frequency signal input to the first input port.
前記第1入力ポートは、前記第1信号線路及び前記第2信号線路に接続され、
前記第1信号線路は、前記第1強磁性層に接続され、
前記第2信号線路は、前記磁気抵抗効果素子に接続されている、請求項10に記載の磁気抵抗効果デバイス。 Further equipped with a first signal line and a second signal line,
The first input port is connected to the first signal line and the second signal line.
The first signal line is connected to the first ferromagnetic layer.
The magnetoresistive effect device according to claim 10, wherein the second signal line is connected to the magnetoresistive element.
前記ヨークは、前記第1強磁性層の面直方向から見て前記第1強磁性層を挟み、ギャップ内に生じる磁場を前記第1強磁性層に印加する、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。 With more yoke
One of claims 1 to 12, wherein the yoke sandwiches the first ferromagnetic layer when viewed from the plane direction of the first ferromagnetic layer, and applies a magnetic field generated in the gap to the first ferromagnetic layer. The magnetoresistive effect device according to paragraph 1.
前記磁気抵抗効果素子から出力された信号が出力される出力ポートと、
前記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接続できる直流印加端子と、をさらに備える、請求項1~7のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。 A signal line connected to the magnetoresistive element and the first ferromagnetic layer,
An output port to which the signal output from the magnetoresistive sensor is output, and an output port.
The magnetoresistive device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a direct current application terminal to which a power source for applying a direct current or a direct current voltage can be connected to the magnetoresistive element.
前記複数のユニットのそれぞれの前記磁気抵抗効果素子に接続され、異なるユニットの間をそれぞれ接続する複数の信号線路と、
前記複数のユニットのいずれかから出力された信号が出力される出力ポートと、
一つの直流印加端子又は複数の直流印加端子と、を備え、
前記複数のユニットのそれぞれの前記磁気抵抗効果素子は、前記一つの直流印加端子又は前記複数の直流印加端子のうちの一つと接続され、
前記一つの直流印加端子又は前記複数の直流印加端子は、接続された前記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接続でき、
前記複数の信号線路のそれぞれは、異なるユニットの前記磁気抵抗効果素子と前記第1強磁性層とを接続し、前記複数のユニットは、前記複数の信号線路によって環状に接続される、請求項1~7のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。 It has a plurality of units having the magnetoresistive element and the first ferromagnetic layer, respectively.
A plurality of signal lines connected to the magnetoresistive sensor of each of the plurality of units and connected between different units, respectively.
An output port to which a signal output from any of the plurality of units is output, and an output port.
With one DC application terminal or multiple DC application terminals,
The magnetoresistive sensor of each of the plurality of units is connected to one of the one DC application terminal or the plurality of DC application terminals.
The one DC application terminal or the plurality of DC application terminals can be connected to a power source for applying a DC current or a DC voltage to the connected magnetoresistive element.
Claim 1 in which each of the plurality of signal lines connects the magnetoresistive element of a different unit and the first ferromagnetic layer, and the plurality of units are annularly connected by the plurality of signal lines. The magnetoresistive effect device according to any one of 7 to 7.
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JP2020185567A JP2022075040A (en) | 2020-11-06 | 2020-11-06 | Magnetoresistive effect device, magnetic sensor, frequency converter, and filter |
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