JP6569350B2

JP6569350B2 - 磁気抵抗効果デバイス

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Inventors: 健量山根
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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。

（強磁性共鳴の説明）
強磁性体の磁化は、印加された磁界に対して動くため、振動する外部交流磁界が印加された場合、強磁性体の磁化は、外部交流磁界の周波数に応じて振動する。例えば、非特許文献１にあるように、印加された外部交流磁界の周波数が、強磁性体の持つ共鳴周波数に近い時、振動する強磁性体の磁化の振幅は非常に大きくなることが知られており、この現象は強磁性共鳴（ＦＭＲ）と呼ばれている。強磁性共鳴において、印加される外部交流磁界の周波数に対する、強磁性体の磁化の振幅のスペクトルは、共鳴周波数にピークを持つ形状となっている。

磁気抵抗効果素子として、非磁性導電層が強磁性層で挟まれたＧＭＲ（ＧｉａｎｔＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔｉｖｅＥｆｆｅｃｔ）素子や、非磁性絶縁層が強磁性層で挟まれたＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＥｆｆｅｃｔ）素子などが知られている。磁気抵抗効果素子に外部交流磁界が印加されると、磁化自由層の磁化の変化に応じて、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化のなす角度が変化し、磁気抵抗効果により磁気抵抗効果素子の抵抗が変化する。そのため、印加される外部交流磁界の周波数に対する、磁気抵抗効果素子の抵抗変化のスペクトルは、磁化自由層の磁化の共鳴周波数にピークを持つ形状となる。また、このスペクトルの半値幅は、例えば、数十ＭＨｚから数ＧＨｚとなる。

（スピン注入磁化発振素子の説明）
一方、ＴＭＲ素子やＧＭＲ素子のような磁気抵抗効果素子に、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する直流電流が流れるとき、スピントルクにより磁化自由層の磁化が振動する現象が知られている。この磁化自由層の磁化の振動は、磁気抵抗効果により磁化の振動周波数に応じた交流信号として出力させることができる。例えば、特許文献１や特許文献２などでは、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流を印加し、高周波帯域の出力を取り出す発振器として磁気抵抗効果素子を用いることが提案されている。このような磁気抵抗効果素子は特にスピン注入磁化発振素子と呼ばれる。スピントルクによる磁化の振動では、一般的に磁化自由層の磁化の振動周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。また、振動する磁化自由層の磁化の振幅を、周波数のスペクトルで表すと、磁化自由層の磁化の共鳴周波数に対応したピークを持つ形状となる。さらに、磁気抵抗効果による抵抗変化を周波数のスペクトルにとると、同様に磁化自由層の磁化の共鳴周波数にピークを持つ形状となる。このスペクトルの半値幅は、例えば、数ＭＨｚから数百ＭＨｚであり、一般的に、上述した外部交流磁界による磁化自由層の磁化の振動による抵抗変化のスペクトルの半値幅よりも小さくなる。

特許第４６７７５８９号特許第５４４３７８３号

Ｊ． −Ｍ．Ｌ．Ｂｅａｕｊｏｕｒｅｔａｌ．，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９９，０８Ｎ５０３（２００６）

スピン注入磁化発振素子は、水晶発振器の置き換えや無線通信用送信機などの用途が考えられる。ただし、それらの用途に用いるためには高出力が必要となり、既存のスピン注入磁化発振素子では、この要求を満足できない。スピン注入磁化発振素子が高出力化できない理由として、ＴＭＲ素子とＧＭＲ素子には、スピン注入磁化発振素子として、それぞれ異なる問題点がある。スピントルクによる磁化の振動は、磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度を大きくするほど振幅が大きくなるという特徴があるが、ＧＭＲ素子は、磁気抵抗効果が小さいため、磁化自由層の磁化が大きく振動しても、取り出すことができる電気的な高周波出力は小さいという問題がある。一方、スピントルクによる磁化の振動を起こすためには、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する非常に大きな電流を流す必要があるが、ＴＭＲ素子は耐圧が小さく、大きな電流密度の電流を流すと素子が壊れてしまうため、大きな電流密度の電流を流して磁化自由層の磁化を大きく発振させることはできないという問題がある。本発明は、高い発振出力を実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、第１の磁化自由層、第１の磁化固定層および前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固定層との間に配置された非磁性導電層を有する第１の磁気抵抗効果素子と、第２の磁化自由層、第２の磁化固定層および前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固定層との間に配置された非磁性絶縁層を有する第２の磁気抵抗効果素子とを有し、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層が磁気的に結合しており、前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されることを第１の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、磁化自由層と磁化固定層の間に非磁性導電層を有するＧＭＲ素子には大きな電流密度を有する電流を流すことが可能であり、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子に、第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１の磁化自由層の磁化を大きく振動させることができる。第１の磁化自由層と磁気的に結合した第２の磁化自由層の磁化は、振動する第１の磁化自由層の磁化に対応した振動磁界を受けるため、第２の磁化自由層の磁化も大きく振動させることができる。そのため、第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度が、第１の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度よりも小さくても、第２の磁化自由層の磁化を振動させることができるので、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子の大電流印加による破壊を防ぐことができる。また、第２の磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子であるので、第２の磁気抵抗効果素子から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子から高い発振出力を得ることができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構を有することを第２の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構を有することで、第１の磁化自由層の磁化と第２の磁化自由層の磁化を、磁場印加機構から印加される外部磁場の方向に向けることができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第１の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、前記第２の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第２の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線の方向のなす角度が大きいことを第３の特徴とする。なお、本発明において、「磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線のなす角度」とは、磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線がなす角度のうち小さいほうの角度である。

磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が小さいほど発振閾値電流密度が小さくなる。また、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きいほど磁化自由層の磁化の振動に対する抵抗変化が大きくなる。従って、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第２の磁気抵抗効果素子において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第１の磁気抵抗効果素子よりも大きいことで、第２の磁化自由層の磁化の振動に対する抵抗変化が大きくなるので、第２の磁気抵抗効果素子から高い発振出力を得ることができる。また、第１の磁気抵抗効果素子において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第２の磁気抵抗効果素子よりも小さいことで、発振閾値電流密度が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイスの出力効率を向上させることができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子は電気的に独立していることを第４の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子が電気的に独立しているため、第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、最適な条件で電流を印加することができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されていることを第５の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されることで、第１の磁気抵抗効果素子には、第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きな電流密度を有する電流が印加されるようにすることができるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が電気的に直列に接続されており、前記第１の磁気抵抗効果素子の印加される電流の方向に垂直な断面の面積が、前記第２の磁気抵抗効果素子の印加される電流の方向に垂直な断面の面積よりも小さいことを第６の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子が電気的に直列に接続される構造をとることで、素子作製のプロセスが容易になるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。また、第１の磁気抵抗効果素子の印加される電流の方向に垂直な断面の面積が、第２の磁気抵抗効果素子の印加される電流の方向に垂直な断面の面積よりも小さいので、第１の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度を第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きくすることができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化固定層との距離に対し、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層との距離の方が小さくなるように、前記第１の磁気抵抗効果素子の膜面内方向に、前記第２の磁気抵抗効果素子が配置されたことを第７の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁化自由層と第２の磁化固定層との距離に対し、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層との距離の方が小さくなるように第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子を配置することで、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層の磁気的結合を強くすることができる。さらに、第１の磁気抵抗効果素子の膜面内方向に、第２の磁気抵抗効果素子を配置することで、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層の磁気的結合をより一層強くすることができる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化固定層との距離に対し、前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層との距離の方が小さくなるように、前記第１の磁気抵抗効果素子の膜面直方向に、前記第２の磁気抵抗効果素子が配置されたことを第８の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第１の磁化自由層と第２の磁化固定層との距離に対し、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層との距離の方が小さくなるように第１の磁気抵抗効果素子および第２の磁気抵抗効果素子を配置することで、第１の磁化自由層と第２の磁化自由層の磁気的結合を強くすることができる。さらに、第１の磁気抵抗効果素子の膜面直方向に、第２の磁気抵抗効果素子を配置することで、素子作製プロセスを容易にできる。

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第２の磁気抵抗効果素子を複数有し、前記第１の磁化自由層と前記複数の第２の磁気抵抗効果素子の各々の前記第２の磁化自由層とが磁気的に結合していることを第９の特徴とする。

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、各々の第２の磁気抵抗効果素子同士が電気的に接続され、各々の第２の磁気抵抗効果素子からの出力が合算されることで、より高い発振出力を得ることができる。

本発明によれば、高い発振出力を実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供することができる。

第１実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。第１実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。第１実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加された時の、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。第１実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。第１実施形態の出力端子で出力される電圧の時間波形を示す図である。第１の磁化自由層に印加される外部磁場と第１の磁化固定層の磁化の成す角度に対する第１の磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度の依存性を示すグラフである。第２の磁化自由層の磁化と第２の磁化固定層の磁化の成す角度に対する第２の磁気抵抗効果素子の抵抗の依存性を示すグラフである。第２実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。第２実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。第２実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加された時の、第１の磁気抵抗効果素子と第２の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。第３実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。第３実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。第４実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。第４実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。第５実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。第５実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。

図１に、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００の概略図を示す。磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７とを有している。第１の磁気抵抗効果素子２は、第１の磁化自由層２ａ、第１の磁化固定層２ｃおよび第１の磁化自由層２ａと第１の磁化固定層２ｃとの間に配置された非磁性導電層２ｂを有し、ＧＭＲ素子として機能する。第２の磁気抵抗効果素子７は、第２の磁化自由層７ａ、第２の磁化固定層７ｃおよび第２の磁化自由層７ａと第２の磁化固定層７ｃとの間に配置された非磁性絶縁層７ｂを有し、ＴＭＲ素子として機能する。

図１に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２はさらに第１の反強磁性層２ｄを有し、第２の磁気抵抗効果素子７はさらに第２の反強磁性層７ｄを有している。

図１に示すように、磁気抵抗効果デバイス１００では、第１の磁気抵抗効果素子２に電流を印加するために、第１の磁気抵抗効果素子２の積層方向の両側には第１の上部電極１および第１の下部電極４が接続されている。また、第２の磁気抵抗効果素子７に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第２の磁気抵抗効果素子７の積層方向の両側には第２の上部電極６および第２の下部電極８が接続されている。

また、図１に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は、同一平面上に、絶縁体５を挟んで隣り合って配置されており、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。さらに、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は、それぞれ同じ順序で、下から反強磁性層、磁化固定層、非磁性層（非磁性導電層２ｂまたは非磁性絶縁層７ｂ）、磁化自由層という配置で構成されている。このように、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化固定層７ｃとの距離に対し、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａとの距離の方が小さくなるように第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。また、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａは磁気的に結合しており、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは磁気的に結合している。

第１の上部電極１、第１の磁気抵抗効果素子２および第１の下部電極４は、絶縁体５により、第２の上部電極６、第２の磁気抵抗効果素子７および第２の下部電極８と電気的に隔離されている。

また、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａに外部磁場を印加する磁場印加機構３を有している。磁場印加機構３は、例えば永久磁石である。

第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａは強磁性を示す層であり、その材料は、例えば、高い磁気抵抗変化率を得るため、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏまたはＣｏＦｅＢ等の強磁性体である高スピン分極率材料であり、垂直磁気異方性を持たせるため、Ｐｔ、Ｐｄ等が含まれる場合もある。第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａは、膜面内方向に磁気異方性をもつ面内磁化膜でも良く、膜面直方向に磁気異方性をもつ垂直磁化膜でも良い。非磁性導電層２ｂの材料は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発現するよう、例えば、ＣｕまたはＡｇである。非磁性絶縁層７ｂの材料は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現するよう、例えば、ＡｌＯ_ｘ（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）またはＭｇＡｌ_２Ｏ_４等である。また、第１の磁化固定層２ｃと第２の磁化固定層７ｃは強磁性を示す層であり、その材料は、高い磁気抵抗変化率を得るため、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏまたはＣｏＦｅＢ等の強磁性体である高スピン分極率材料であり、垂直磁気異方性を持たせるため、Ｐｔ、Ｐｄ等が含まれる場合もある。第１の磁化固定層２ｃと第２の磁化固定層７ｃは、膜面内方向に磁気異方性をもつ面内磁化膜でも良く、膜面直方向に磁気異方性をもつ垂直磁化膜でも良いが、対応する磁化自由層の磁気異方性と同じ磁気異方性をもつことが好ましい。第１の反強磁性層２ｄと第２の反強磁性層７ｄの材料は、交換バイアス効果が発現するよう、例えば、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎまたはＦｅＭｎ等の反強磁性材料である。また、第１の反強磁性層２ｄのブロッキング温度は、第２の反強磁性層磁７ｄよりも低い。例えば、第１の反強磁性層２ｄの材料をＩｒＭｎ、第２の反強磁性層磁７ｄの材料をＰｔＭｎとすることができる。また、第１の反強磁性層２ｄと第２の反強磁性層磁７ｄとで同じ反強磁性材料を用い、第１の反強磁性層２ｄの膜厚を第２の反強磁性層膜厚よりも薄くすることでブロッキング温度を異ならせることもできる。磁場印加機構３を構成する永久磁石の材料は、例えば、ＣｏＰｔまたはＦｅＰｔである。さらに、絶縁体５の材料は、例えばＡｌＯ_ｘ（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）またはＳｉＯ_ｘ（酸化シリコン）である。

図２は、第１実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態の模式図である。また、図３は、第１実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子２に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、一方、第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態の模式図である。ここでは、第１の磁化自由層２ａ、第２の磁化自由層７ａ、第１の磁化固定層２ｃおよび第２の磁化固定層７ｃが面内磁化膜である例で説明する。図２および図３において、第１の磁化自由層２ａ、第１の磁化固定層２ｃ、第２の磁化自由層７ａ、第２の磁化固定層７ｃの磁化ベクトルは、それぞれ白抜き矢印を用いて、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅ、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆ、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅ、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆとして示される。

第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態について以下に述べる。第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａには、磁場印加機構３から外部磁場３ａが印加される。第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは外部磁場３ａと同じ方向に向く。

第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆは、第１の反強磁性層２ｄとの交換バイアス効果により、固定されており、外部磁場３ａと平行かつ逆の方向を向いている。また、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆは、第２の反強磁性層７ｄとの交換バイアス効果により、固定されており、外部磁場３ａと直交する方向を向いている。このように、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆの方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度が大きくなっている。

第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆ及び第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆを固定する方法について説明する。第１の反強磁性層２ｄ、第１の磁化固定層２ｃ、非磁性導電層２ｂ及び第１の磁化自由層２ａと、第２の反強磁性層７ｄ、第２の磁化固定層７ｃ、非磁性絶縁層７ｂ及び第２の磁化自由層２ａを成膜した後、２回の磁場中アニール処理を行う。第１のアニール処理では、第１の反強磁性層２ｄのブロッキング温度および第２の反強磁性層７ｄのブロッキング温度よりも、アニール温度を高くする。第１のアニール処理において、アニール中及びアニール温度からの冷却中に、積層膜全体に外部磁場３ａと直交する方向にアニール磁場が印加される。第１のアニール処理後、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆおよび第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆは、それぞれ、第１の反強磁性層２ｄと第２の反強磁性層７ｄとの交換バイアス効果により、どちらとも外部磁場３ａと直交する方向に固定される。次に、第２のアニール処理を行い、このときのアニール温度は第２の反強磁性層７ｄのブロッキング温度よりも低いが、第１の反強磁性層２ｄのブロッキング温度よりも高くする。第２のアニール処理においては、アニール中及びアニール温度からの冷却中に、積層膜全体に外部磁場３ａと平行かつ逆向きにアニール磁場が印加される。第２のアニール処理後、第１の反強磁性層２ｄとの交換バイアス効果により、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆは外部磁場３ａと平行かつ逆の方向に固定されるが、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆが固定される方向は変わらない。２回のアニール処理後、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆは、外部磁場３ａと平行かつ逆の方向に固定され、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆは、外部磁場３ａと直交する方向に固定される。

図４に、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００を含む回路の模式図を示す。第１の磁気抵抗効果素子２に直流電流を印加するため、第１の入力端子９と第１の上部電極１は電気的に接続されており、第１の下部電極４はグランドに接続されている。第２の磁気抵抗効果素子７に直流電流を印加するため、第２の入力端子１２はバイアス・ティー１０の直流端子を経由し、第２の上部電極６と電気的に接続されている。また、第２の磁気抵抗効果素子７から出力を取り出すため、出力端子１１はバイアス・ティー１０の交流端子を経由し、第２の上部電極６と電気的に接続されている。第２の下部電極８はグランドに接続されている。このように、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に独立している。バイアス・ティー１０は、第２の入力端子１２から印加される直流電流が出力端子１１に混入することを防ぐとともに、第２の磁気抵抗効果素子７で発生する出力が、第２の入力端子１２に混入することを防ぐことを目的として備えられる。

ここで、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００の動作原理を説明する。図２は、第１の入力端子９に第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加され、第２の入力端子１２に第２の磁気抵抗効果素子７の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加されているときの磁化状態を示している。このとき、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅは振動しないため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも振動しない。結果として、出力端子１１では出力電圧が発生しない。一方、図３は、第１の入力端子９から第１の磁気抵抗効果素子２に、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、第２の入力端子１２から第２の磁気抵抗効果素子７に、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度よりも小さく、第２の磁気抵抗効果素子７の発振閾値電流密度よりも小さい電流密度を有する直流電流が印加されているときの磁化状態を示している。第１の磁気抵抗効果素子２にその発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されると、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅは振動するため、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと磁気的に結合している第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも振動し、結果として、図５に示されるように、出力端子１１では高周波の交流出力電圧（発振出力）が発生する。

磁化自由層と磁化固定層の間に非磁性導電層を有するＧＭＲ素子には大きな電流密度を有する電流を流すことが可能であり、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子２に、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅを大きく振動させることができる。第１の磁化自由層２ａと磁気的に結合した第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、振動する第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅに対応した振動磁界を受けるため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも大きく振動させることができる。そのため、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度が、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度よりも小さくても、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを振動させることができるので、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子７の大電流印加による破壊を防ぐことができる。また、第２の磁気抵抗効果素子７は、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子であるので、第２の磁気抵抗効果素子７から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａに外部磁場３ａを印加する磁場印加機構３を有するので、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを、磁場印加機構３から印加される外部磁場３ａの方向に向けることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁化固定層２ｃの磁化方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度が大きいので、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。また、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００の出力効率を向上させることができる。この点について、以下に詳細に説明する。なお、「磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線のなす角度」とは、磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線がなす角度のうち小さいほうの角度である。

図６は、第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場３ａと第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆの成す角度θ１に対する第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度ｊｃの依存性を示すグラフである。このグラフで示されるように、外部磁場３ａと第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆの成す角度が０度、もしくは、１８０度に近づくほど、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度の絶対値は小さくなる。

図７は、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅと第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの成す角度θ２に対する第２の磁気抵抗効果素子７の抵抗Ｒの依存性を示すグラフである。第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅと第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの成す角度が９０度に近づくほど、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅと第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの成す角度の変化に対する、第２の磁気抵抗効果素子７の抵抗変化が大きくなる。第１の磁気抵抗効果素子２に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａと同じ方向をむく。ここで、このときの第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅと第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの成す角度を初期角度と定義する。第１の磁気抵抗効果素子２に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されたとき、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅの振動に応じて、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは振動し、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅと第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの成す角度も初期角度を中心に振動する。これにより、第２の磁気抵抗効果素子７の抵抗値が振動する。そのため、第２の磁気抵抗効果素子７は、初期角度が９０度に近いほど、すなわち、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの方向に平行な直線７ｇと、第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度が大きいほど、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅの振動に対する抵抗変化が大きくなり、高い発振出力が得られる。

なお、図６に示す角度θ１と発振閾値電流密度ｊｃとの関係は、第１の磁化自由層２ａおよび第１の磁化固定層２ｃが共に垂直磁化膜の場合にも成り立ち、第１の磁化自由層２ａおよび第１の磁化固定層２ｃの一方が面内磁化膜であり他方が垂直磁化膜の場合にも成り立つ。また、図７に示す角度θ２と抵抗Ｒとの関係は、第２の磁化自由層７ａおよび第２の磁化固定層７ｃが共に垂直磁化膜の場合にも成り立ち、第２の磁化自由層７ａおよび第２の磁化固定層７ｃの一方が面内磁化膜であり他方が垂直磁化膜の場合にも成り立つ。

磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁化固定層２ｃの磁化方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度が大きい。そのため、第１の磁気抵抗効果素子２は、発振閾値電流密度を小さくすることに関して相対的に有利な構造であり、第２の磁気抵抗効果素子７は、磁化自由層の磁化の振動に対し、抵抗変化を大きくして高い発振出力を得ることに相対的に有利な構造である。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、発振閾値電流を小さくしつつ、高い発振出力を得ることができ、高い出力効率を実現することができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に独立しているので、第１の磁気抵抗効果素子２、および第２の磁気抵抗効果素子７のそれぞれに、最適な条件で電流を印加することができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化固定層７ｃとの距離に対し、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａとの距離の方が小さくなるように、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。そのため、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａの磁気的結合を強くすることができる。また、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に、第２の磁気抵抗効果素子７を配置することで、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａの磁気的結合をより一層強くすることができる。

次に、第２実施形態について、第１実施形態と異なる部分について説明し、第１実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図８に、第２実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００の概略図を示す。図８に示すように、磁気抵抗効果デバイス２００では、第１の磁気抵抗効果素子２に電流を印加するために、第１の磁気抵抗効果素子２の積層方向の両側には第１の上部電極１および第１の下部電極４が接続されている。また、第２の磁気抵抗効果素子７に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第２の磁気抵抗効果素子７の積層方向の両側には第２の上部電極６および第２の下部電極８が接続されている。

また、図８に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２は、絶縁体５を挟んで、第２の磁気抵抗効果素子７の直上に配置されている。第２の磁気抵抗効果素子７は第２の下部電極８側から、第２の反強磁性層７ｄ、第２の磁化固定層７ｃ、非磁性絶縁層７ｂ、第２の磁化自由層７ａの順序の配置で構成されている。一方、第１の磁気抵抗効果素子２は第１の下部電極４側から、第１の磁化自由層２ａ、非磁性導電層２ｂ、第１の磁化固定層２ｃ、第１の反強磁性層２ｄの順序の配置で構成されている。つまり、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７とでは、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層（非磁性導電層２ｂまたは非磁性絶縁層７ｂ）および磁化自由層の、同じ方向から見た配置の順序が反対になっている。このように、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化固定層７ｃとの距離に対し、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａとの距離の方が小さくなるように、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。また、ここでは、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａは磁気的に結合しており、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは磁気的に結合している。

さらに、磁気抵抗効果デバイス２００は、第１の磁化自由層２ａに外部磁場を印加する第１の磁場印加機構１３と、第２の磁化自由層７ａに外部磁場を印加する第２の磁場印加機構１４を有している。第１の磁場印加機構１３および第２の磁場印加機構１４は、例えば永久磁石である。第１の磁場印加機構１３および第２の磁場印加機構１４を構成する永久磁石の材料は、例えば、ＣｏＰｔまたはＦｅＰｔである。

図９は、第２実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態の模式図である。また、図１０は、第２実施形態において、第１の磁気抵抗効果素子２に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、一方、第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態の模式図である。ここでは、第１の磁化自由層２ａ、第２の磁化自由層７ａ、第１の磁化固定層２ｃおよび第２の磁化固定層７ｃが面内磁化膜である例で説明する。

第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態について以下に述べる。第１の磁化自由層２ａには、第１の磁場印加機構１３から第１の外部磁場１３ａが印加される。第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅは第１の外部磁場１３ａと同じ方向に向く。一方、第２の磁化自由層７ａには、第１の磁場印加機構１４から第２の外部磁場１４ａが印加される。第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは第２の外部磁場１４ａと同じ方向に向く。このとき、第１の外部磁場１３ａと第２の外部磁場１４ａの方向は、互いに逆向きとなっている。

第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆは、第１の反強磁性層２ｄとの交換バイアス効果により、固定されており、第１の外部磁場１３ａと平行かつ逆の方向を向いている。また、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆは、第２の反強磁性層７ｄとの交換バイアス効果により、固定されており、第２の外部磁場１４ａと直交する方向を向いている。このように、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆの方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される第１の外部磁場１３ａの方向に平行な直線１３ｂのなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆの方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される第２の外部磁場１４ａの方向に平行な直線１４ｂのなす角度が大きくなっている。第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆ及び第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆを固定する方法は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００の場合と同じである。

磁気抵抗効果デバイス２００に接続される回路は、図４に示す第１実施形態のものと同じである。

磁気抵抗効果デバイス２００では、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００とは異なり、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａが膜面直方向に配置されているため、外部磁場１４ａは外部磁場１３ａに対して逆の方向に印加され、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、互いに逆方向を向くように磁気的結合する。

磁気抵抗効果デバイス２００は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００に対して、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅの磁気的な結合の状態が異なるため、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅの振動に対する、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅの振動の状態は異なる。例えば、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅが時計回りに振動する場合、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００では、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは時計回りに振動するが、磁気抵抗効果デバイス２００では、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは反時計回りに振動する。上記の点を除いて、磁気抵抗効果デバイス２００の動作原理は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同じである。

第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス２００においても、磁化自由層と磁化固定層の間に非磁性導電層を有するＧＭＲ素子には大きな電流密度を有する電流を流すことが可能であり、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子２に、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅを大きく振動させることができる。第１の磁化自由層２ａと磁気的に結合した第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、振動する第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅに対応した振動磁界を受けるため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも大きく振動させることができる。そのため、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度が、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度よりも小さくても、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを振動させることができるので、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子７の大電流印加による破壊を防ぐことができる。また、第２の磁気抵抗効果素子７は、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子であるので、第２の磁気抵抗効果素子７から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。

磁気抵抗効果デバイス２００は、第１の磁化自由層２ａに第１の外部磁場１３ａを印加する第１の磁場印加機構１３と、第２の磁化自由層７ａに第２の外部磁場１４ａを印加する第２の磁場印加機構１４を有するので、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅを第１の磁場印加機構１３から印加される第１の外部磁場１３ａの方向に向けることができ、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを第２の第２の磁場印加機構１４から印加される第２の外部磁場１４ａの方向に向けることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス２００は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、第１の磁化固定層２ｃの磁化方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場３ａの方向に平行な直線３ｂのなす角度が大きいので、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。また、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス２００の出力効率を向上させることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス２００は、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化固定層７ｃとの距離に対し、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａとの距離の方が小さくなるように、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。そのため、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａの磁気的結合を強くすることができる。さらに、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に、第２の磁気抵抗効果素子７を配置することで、素子作製プロセスを容易にできる。

次に、第３実施形態について、第２実施形態と異なる部分について説明し、第２実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図１１に、第３実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００の概略図を示す。図１１に示すように、磁気抵抗効果デバイス３００では、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に直列に接続されている。第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第１の磁気抵抗効果素子２の積層方向の上側には、上部電極１５が接続されており、第２の磁気抵抗効果素子７の積層方向の下側には、下部電極１７が接続されている。さらに、第１の磁気抵抗効果素子２の印加される電流の方向に垂直な断面積が、第２の磁気抵抗効果素子７よりも小さくなっている。

また、図１１に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２は、非磁性導電バッファ層１６を挟んで、第２の磁気抵抗効果素子７の直上に配置されている。非磁性導電バッファ層１６の材料は、例えばＡｕ、ＣｕまたはＡｇである。第２の磁気抵抗効果素子７は下部電極１７側から、第２の反強磁性層７ｄ、第２の磁化固定層７ｃ、非磁性絶縁層７ｂ、第２の磁化自由層７ａの順序の配置で構成されている。一方、第１の磁気抵抗効果素子２は非磁性導電バッファ層１６側から、第１の磁化自由層２ａ、非磁性導電層２ｂ、第１の磁化固定層２ｃ、第１の反強磁性層２ｄの順序の配置で構成されている。つまり、第２実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００と同様に、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７とでは、反強磁性層、磁化固定層、非磁性層（非磁性導電層２ｂまたは非磁性絶縁層７ｂ）および磁化自由層の、同じ方向から見た配置の順序が反対になっている。このように、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化固定層７ｃとの距離に対し、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａとの距離の方が小さくなるように、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。また、ここでは、第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａは磁気的に結合しており、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは磁気的に結合している。

図１２は、第３実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００を含む回路の模式図である。第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７に直流電流を印加するため、入力端子１８と上部電極１５は電気的に接続されており、下部電極１７はグランドに接続されている。また、直流電流は、入力端子１８より、バイアス・ティー１０の直流端子及び上部電極１５を経由し、第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７に印加される。また、出力を取り出すため、出力端子１１はバイアス・ティー１０の交流端子を経由し、上部電極１５と電気的に接続されている。第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に直列に接続されているため、それぞれには同じ大きさの電流が流れる。但し、第１の磁気抵抗効果素子２は第２の磁気抵抗効果素子７よりも、印加される電流の方向に垂直な断面積が小さい。そのため、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度は、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度よりも大きい。バイアス・ティー１０は、入力端子１８から印加される直流電流が出力端子１１に混入することを防ぐとともに、出力が、入力端子１８に混入することを防ぐことを目的として備えられる。磁気抵抗効果デバイス３００のその他の構成や、第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態は、第２実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００と同じである。

ここで、第３実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００の動作原理を説明する。入力端子１８に、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度より小さく、第２の磁気抵抗効果素子７の発振閾値電流密度よりも小さい電流密度を有する直流電流が印加されているとき、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅは振動しないため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも振動しない。結果として、出力端子１１では出力電圧が発生しない。一方、入力端子１８に、第１の磁気抵抗効果素子２の発振閾値電流密度より大きく、第２の磁気抵抗効果素子７の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加されているとき、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅは振動する。そのため、第１の磁化自由層２ａと磁気的に結合している第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも振動し、結果として、図５に示されるように、出力端子１１では高周波の交流出力電圧（発振出力）が発生する。

第２実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００と同様に、磁気抵抗効果デバイス３００においても、磁化自由層と磁化固定層の間に非磁性導電層を有するＧＭＲ素子には大きな電流密度を有する電流を流すことが可能であり、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子２に、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅを大きく振動させることができる。第１の磁化自由層２ａと磁気的に結合した第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、振動する第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅに対応した振動磁界を受けるため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも大きく振動させることができる。そのため、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度が、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度よりも小さくても、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを振動させることができるので、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子７の大電流印加による破壊を防ぐことができる。また、第２の磁気抵抗効果素子７は、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子であるので、第２の磁気抵抗効果素子７から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス３００は、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に直列に接続される構造をとっている。そのため、素子作製プロセスが容易になるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。

次に、第４実施形態について、第１実施形態と異なる部分について説明し、第１実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図１３に、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス４００の概略図を示す。

磁気抵抗効果デバイス４００では、図１３に示すように、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、同一平面上に、絶縁体５を挟んで隣り合って配置されており、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に、第２の磁気抵抗効果素子７が配置されている。

第１実施形態との相違点として、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７は、共通の上部電極１５に接続されており、さらに、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７は、共通の下部電極１７に接続されている。

図１４は、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス４００を含む回路の模式図である。第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７に直流電流を印加するため、入力端子１８と上部電極１５は電気的に接続されており、下部電極１７はグランドに接続されている。つまり、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に並列に接続されている。また、直流電流は、入力端子１８より、バイアス・ティー１０の直流端子及び上部電極１５を経由し、第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７に印加される。また、出力を取り出すため、出力端子１１はバイアス・ティー１０の交流端子を経由し、上部電極１５と電気的に接続されている。第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に並列に接続されているため、それぞれには同じ大きさの電圧が印加される。第１の磁気抵抗効果素子２はＧＭＲ素子であり、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子７よりも、単位面積当たりの抵抗が小さい。そのため、並列接続において、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７に同じ大きさの電圧が印加された場合、第１の磁気抵抗効果素子２は第２の磁気抵抗効果素子７よりも、印加される電流の電流密度が大きい。バイアス・ティー１０は、入力端子１８から印加される直流電流が出力端子１１に混入することを防ぐとともに、出力が、入力端子１８に混入することを防ぐことを目的として備えられる。磁気抵抗効果デバイス４００のその他の構成や、第１の磁気抵抗効果素子２及び第２の磁気抵抗効果素子７の磁化状態は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同じである。

磁気抵抗効果デバイス４００の動作原理は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同じである。

第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同様に、磁気抵抗効果デバイス４００においても、磁化自由層と磁化固定層の間に非磁性導電層を有するＧＭＲ素子には大きな電流密度を有する電流を流すことが可能であり、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子２に、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅを大きく振動させることができる。第１の磁化自由層２ａと磁気的に結合した第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅは、振動する第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅに対応した振動磁界を受けるため、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅも大きく振動させることができる。そのため、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度が、第１の磁気抵抗効果素子２に印加される電流の電流密度よりも小さくても、第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅを振動させることができるので、ＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子７の大電流印加による破壊を防ぐことができる。また、第２の磁気抵抗効果素子７は、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子であるので、第２の磁気抵抗効果素子７から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子７から高い発振出力を得ることができる。

さらに、磁気抵抗効果デバイス４００は、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に並列に接続されることで、第１の磁気抵抗効果素子２には、第２の磁気抵抗効果素子７に印加される電流の電流密度より大きな電流密度を有する電流が印加されるようにすることができるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。

以上、本発明をその好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。

例えば、第１〜第４実施形態では、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７に直流電流が印加されることを想定しているが、第１の磁気抵抗効果素子２および第２の磁気抵抗効果素子７にパルス電流や、ランダムな波長で構成される電流が印加されても良い。この場合、バイアス・ティー１０の代わりに、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組合せる手法等を用いることで、第２の入力端子１２（もしくは、入力端子１８）から出力端子１１への信号の混入と第２の磁気抵抗効果素子７から第２の入力端子１２（もしくは、入力端子１８）への信号の混入を防ぐことが出来る。

また例えば、第１〜第４実施形態では、磁場印加機構３、１３、１４に、永久磁石が用いられているが、これらの代わりに電磁石を用いても良い。この場合、電磁石に流す電流を変化させることで、可変の外部磁場を第１の磁化自由層２ａと第２の磁化自由層７ａに、それぞれ印加することが可能である。

また例えば、第１〜第４実施形態では、第１の反強磁性層２ｄと第２の反強磁性層７ｄを用いているが、これらを用いずに、第１の磁化固定層２ｃおよび第２の磁化固定層７ｃを、大きな磁気異方性を示す強磁性層で構成することも可能である。

また例えば、第１〜第４実施形態では、第１の磁化固定層２ｃの磁化２ｆは、第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場と平行かつ逆の方向に固定されており、第２の磁化固定層７ｃの磁化７ｆは、第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場と直交する方向に固定されているが、第１及び第２の磁化固定層の磁化の固定方向はこれに限定されず、第１の磁化固定層２ｃの磁化方向に平行な直線２ｇと第１の磁化自由層２ａに印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、第２の磁化固定層７ｃの磁化方向に平行な直線７ｇと第２の磁化自由層７ａに印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きい、という条件を満たせば、磁気抵抗効果デバイスの出力効率を向上させる効果が得られる。また、第１及び第２の磁化固定層の磁化の固定方向がこの条件を満たさない場合でも、ＧＭＲ素子である第１の磁気抵抗効果素子に、第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する大きな電流を流すことで、第１及び第２の磁化自由層の磁化を大きく振動させ、大きな磁気抵抗効果を有するＴＭＲ素子である第２の磁気抵抗効果素子から大きな電気的出力を得ることができ、第２の磁気抵抗効果素子から高い発振出力を得ることができる。

また、第２実施形態では、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に第２の磁気抵抗効果素子７が配置され、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に独立しているが、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面直方向に第２の磁気抵抗効果素子７が配置され、かつ、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に並列に接続されるようにしてもよい。

また、第４実施形態では、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に第２の磁気抵抗効果素子７が配置され、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に並列に接続されているが、第１の磁気抵抗効果素子２の膜面内方向に第２の磁気抵抗効果素子７が配置され、かつ、第１の磁気抵抗効果素子２と第２の磁気抵抗効果素子７が電気的に直列に接続されるようにしてもよい。この場合、第１の磁気抵抗効果素子２の印加される電流の方向に垂直な断面の面積を、第２の磁気抵抗効果素子７の印加される電流の方向に垂直な断面の面積よりも小さくする。

また、第１〜第４実施形態では、１つの第１の磁気抵抗効果素子２に対し１つの第２の磁気抵抗効果素子７が配置されているが、第２の磁気抵抗効果素子７を複数有し、１つの第１の磁気抵抗効果素子２に対し複数の第２の磁気抵抗効果素子７が配置されるようにしてもよい。この場合、第１の磁化自由層２ａと各々の第２の磁化自由層７ａとは磁気的に結合しており、第１の磁化自由層２ａの磁化２ｅと各々の第２の磁化自由層７ａの磁化７ｅとが磁気的に結合している。図１５に、第１実施形態における１つの第２の磁気抵抗効果素子７を複数の第２の磁気抵抗効果素子７に置き換えた、第５実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００を示す。また、図１６は、第５実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００を含む回路の模式図である。磁気抵抗効果デバイス５００では、第１の磁気抵抗効果素子２と複数の第２の磁気抵抗効果素子７とは電気的に独立しており、複数の第２の磁気抵抗効果素子７は電気的に並列に接続されている。

磁気抵抗効果デバイス５００は、第２の磁気抵抗効果素子７を複数有し、第１の磁化自由層２ａと複数の第２の磁気抵抗効果素子７の各々の第２の磁化自由層７ａとが磁気的に結合しているので、各々の第２の磁気抵抗効果素子７同士が電気的に接続され、各々の第２の磁気抵抗効果素子７からの出力が合算されることで、より高い発振出力を得ることができる。

第５実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００は、第１実施形態における１つの第２の磁気抵抗効果素子７を複数の第２の磁気抵抗効果素子７に置き換えたものであるが、第２〜第４実施形態における１つの第２の磁気抵抗効果素子７を複数の第２の磁気抵抗効果素子７に置き換えるようにしてもよい。また、各々の第２の磁気抵抗効果素子７同士は電気的に並列に接続されていても直列に接続されていても良い。

１第１の上部電極
２第１の磁気抵抗効果素子
２ａ第１の磁化自由層
２ｂ非磁性導電層
２ｃ第１の磁化固定層
２ｄ第１の反強磁性層
２ｅ第１の磁化自由層の磁化
２ｆ第１の磁化固定層の磁化
２ｇ第１の磁化固定層の磁化方向に平行な直線
３磁場印加機構
３ａ外部磁場
３ｂ外部磁場の方向に平行な直線
４第１の下部電極
５絶縁体
６第２の上部電極
７第２の磁気抵抗効果素子
７ａ第２の磁化自由層
７ｂ非磁性絶縁層
７ｃ第２の磁化固定層
７ｄ第２の反強磁性層
７ｅ第２の磁化自由層の磁化
７ｆ第２の磁化固定層の磁化
７ｇ第２の磁化固定層の磁化方向に平行な直線
８第２の下部電極
９第１の入力端子
１０バイアス・ティー
１１出力端子
１２第２の入力端子
１３第１の磁場印加機構
１３ａ第１の外部磁場
１３ｂ第１の外部磁場の方向に平行な直線
１４第２の磁場印加機構
１４ａ第２の外部磁場
１４ｂ第２の外部磁場の方向に平行な直線
１５上部電極
１６非磁性導電バッファ層
１７下部電極
１８入力端子
１００、２００、３００、４００、５００磁気抵抗効果デバイス

Claims

第１の磁化自由層、第１の磁化固定層および前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固定層との間に配置された非磁性導電層を有する第１の磁気抵抗効果素子と、
第２の磁化自由層、第２の磁化固定層および前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固定層との間に配置された非磁性絶縁層を有する第２の磁気抵抗効果素子とを有し、
前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層が磁気的に結合しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、
前記第１の磁気抵抗効果素子と前記第２の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
第１の磁化自由層、第１の磁化固定層および前記第１の磁化自由層と前記第１の磁化固定層との間に配置された非磁性導電層を有する第１の磁気抵抗効果素子と、
第２の磁化自由層、第２の磁化固定層および前記第２の磁化自由層と前記第２の磁化固定層との間に配置された非磁性絶縁層を有する複数の第２の磁気抵抗効果素子とを有し、
前記第１の磁化自由層と前記複数の第２の磁気抵抗効果素子の各々の前記第２の磁化自由層が磁気的に結合しており、
前記第１の磁気抵抗効果素子には、前記第２の磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度より大きく、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。