JP7087587B2 - Magnetoresistive device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a magnetoresistive effect device using a magnetoresistive effect element.
近年、携帯電話等の移動通信端末の高機能化に伴い、無線通信の高速化が進められている。通信速度は使用する周波数の帯域幅に比例するため、通信に必要な周波数バンドが増加し、それに伴って、移動通信端末に必要な高周波フィルタの搭載数も増加している。また、新しい高周波用部品への応用が期待されるスピントロニクスの分野の研究が、盛んに行われている。その中で注目されている現象の一つに、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象がある(非特許文献1参照)。 In recent years, along with the sophistication of mobile communication terminals such as mobile phones, the speed of wireless communication has been increasing. Since the communication speed is proportional to the bandwidth of the frequency used, the frequency band required for communication is increasing, and the number of high-frequency filters required for the mobile communication terminal is also increasing accordingly. In addition, research in the field of spintronics, which is expected to be applied to new high-frequency components, is being actively conducted. One of the phenomena attracting attention among them is the spin torque resonance phenomenon due to the magnetoresistive element (see Non-Patent Document 1).
例えば、磁気抵抗効果素子に交流電流を流すのと同時に、磁場印加機構を用いて静磁場を印加することにより、磁気抵抗効果素子に含まれる磁化自由層の磁化に強磁性共鳴を起こすことができ、強磁性共鳴周波数に対応した周波数で周期的に、磁気抵抗効果素子の抵抗値が振動する。また、磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加することによっても、同様に振動する。磁気抵抗効果素子に印加される静磁場の強さによって、強磁性共鳴周波数は変化し、一般的にその共鳴周波数は数~数十GHzの高周波帯域に含まれる。 For example, by applying a static magnetic field using a magnetic field application mechanism at the same time as passing an alternating current through a magnetic resistance effect element, ferromagnetic resonance can be caused in the magnetization of the magnetization free layer contained in the magnetic resistance effect element. , The resistance value of the magnetic resistance effect element vibrates periodically at the frequency corresponding to the ferromagnetic resonance frequency. Further, the resistance value of the magnetoresistive sensor also vibrates when a high frequency magnetic field is applied to the magnetization free layer of the magnetoresistive sensor. The ferromagnetic resonance frequency changes depending on the strength of the static magnetic field applied to the magnetoresistive sensor, and the resonance frequency is generally included in the high frequency band of several to several tens of GHz.
特許文献1では、磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変えることにより、強磁性共鳴周波数を変化させる技術が開示されており、この技術を利用した高周波フィルタのようなデバイスが提案されている。
特許文献1では、磁気抵抗効果素子に磁場を印加するための磁場印加機構の例として、電磁石型、ストリップライン型が挙げられているが、その詳細な構成については開示されていない。磁気抵抗効果素子に磁場を印加する方法として、一般的には、ヨーク等の磁性部材から発生する磁場を磁気抵抗効果素子に印加する方法が考えられる。
In
ここで、磁気抵抗効果素子に電流又は電圧を印加するため、又は、磁気抵抗効果素子から出力される信号を伝えるために、素子の上端及び下端には線路(導電性を高める目的等で磁気抵抗効果素子の上端及び下端にそれぞれ電極が設けられることがあるが、以下では、この電極も含めて当該線路を「電極配線」という)が接続される。
図1は、磁気抵抗効果素子近傍の構成を模式的に示す断面図である。
図1(a)に示すヨーク(磁性部材)102は、基部102Aの磁気抵抗効果素子101側に突出部102Bを備える構成である。符号106はコイルであり、磁気抵抗効果素子101は、第1強磁性層101A、第2強磁性層101B、スペーサ層101Cを含んでなる。電極配線107及び電極配線108は、磁気抵抗効果素子101の上端及び下端に接続され、電極配線107及び電極配線108の少なくとも一方を介して、磁気抵抗効果素子101に電流又は電圧が印加される。また、電極配線107及び電極配線108の少なくとも一方は、磁気抵抗効果素子101から出力される信号を伝える。
Here, in order to apply a current or voltage to the magnetoresistive sensor, or to transmit a signal output from the magnetoresistive sensor, lines (magnetic resistance for the purpose of increasing conductivity, etc.) are placed at the upper and lower ends of the element. Electrodes may be provided at the upper and lower ends of the effect element, respectively, but in the following, the line including these electrodes is referred to as "electrode wiring").
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration in the vicinity of a magnetoresistive effect element.
The yoke (magnetic member) 102 shown in FIG. 1A has a configuration in which a
ここで、磁気抵抗効果素子101にかかる磁場を大きくするためには、図1(b)に示すように、磁性部材102に近い側の電極配線107を薄く形成することによって、磁性部材102(この図の構成では、突出部102B)と磁気抵抗効果素子101(この図の構成では、第1強磁性層101A)との間隔dを縮めることが好ましい。しかしながら、電気抵抗(以下、単に「抵抗」ということがある)は断面積に反比例することから、電極配線107を薄くすると電極配線107の抵抗が大きくなってしまい、高周波特性が劣化してしまう。
Here, in order to increase the magnetic field applied to the
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子への大きな強度の磁場印加と電極配線の低抵抗化が両立された磁気抵抗効果デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect device that achieves both application of a large magnetic field to a magnetoresistive element and reduction of resistance of electrode wiring.
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The present invention provides the following means for solving the above problems.
(1)本発明の一態様に係る磁気抵抗効果デバイスは、第1強磁性層と第2強磁性層との間にスペーサ層が配置されるように、積層してなる磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に配され、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する第1磁性部材と、前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に接続された第1電極配線と、を備え、前記第1磁性部材は、積層方向における前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第1強磁性層の前記第1磁性部材側の面を含む第1の仮想平面との距離が変動するように形成されてなり、前記第1電極配線は、前記積層方向から平面視して前記第1磁性部材と重なる範囲において、前記第1磁性部材の前記磁気抵抗効果素子側の面と前記第1の仮想平面との距離が最も近接する第1の最近接範囲における部分よりも厚い部分を前記第1の最近接範囲の外に有する。
ここで、「第1強磁性層側に接続された第1電極配線」とは、第1強磁性層に直接接続された場合と他の層を介して間接的に接続された場合とを両方含む。
(1) The magnetic resistance effect device according to one aspect of the present invention includes a magnetic resistance effect element laminated so that a spacer layer is arranged between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. The first magnetic member arranged on the first ferromagnetic layer side of the magnetic resistance effect element and applying a magnetic field to the magnetic resistance effect element is connected to the first ferromagnetic layer side of the magnetic resistance effect element. The first magnetic member includes a first electrode wiring, and the surface of the first magnetic member on the magnetic resistance effect element side in the stacking direction includes a surface of the first ferromagnetic layer on the first magnetic member side. The first electrode wiring is formed so that the distance from the plane fluctuates, and the first electrode wiring is the magnetic resistance effect element of the first magnetic member within a range where the first magnetic member overlaps with the first magnetic member when viewed in a plan view from the stacking direction. The portion thicker than the portion in the first closest range where the distance between the side surface and the first virtual plane is closest is provided outside the first closest range.
Here, the "first electrode wiring connected to the first ferromagnetic layer side" is both a case where it is directly connected to the first ferromagnetic layer and a case where it is indirectly connected via another layer. include.
(2)上記(1)に記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記第1磁性部材は、前記積層方向における前記磁気抵抗効果素子側に階段状に突出する突出部を有し、前記突出部の前記磁気抵抗効果素子側の面の少なくとも一部が前記第1の仮想平面に最も近接していてもよい。 (2) In the magnetoresistive effect device according to (1) above, the first magnetic member has a projecting portion that projects stepwise toward the magnetoresistive effect element in the stacking direction, and the projecting portion is said to be the same. At least a part of the surface on the magnetoresistive element side may be closest to the first virtual plane.
(3)上記(1)または(2)のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記第1電極配線は、互いに厚みが異なる部分間で厚みが漸次近づいて連結されていてもよい。 (3) In the magnetoresistive device according to any one of (1) or (2) above, the first electrode wiring may be connected so that the thicknesses gradually approach each other in portions having different thicknesses.
(4)上記(1)~(3)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記積層方向から平面視して前記第1磁性部材と重ならない領域において、前記第1電極配線と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが前記第1電極配線よりも厚い第1パッド部を備えてもよい。 (4) In the magnetic resistance effect device according to any one of (1) to (3) above, in a region that does not overlap with the first magnetic member in a plan view from the stacking direction, with the first electrode wiring. A first pad portion having a thickness thicker than that of the first electrode wiring may be provided so as to be electrically connected and electrically connected to the outside.
(5)上記(1)~(4)のいずれか一つに記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子の前記第2強磁性層側に配され、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する第2磁性部材と、前記磁気抵抗効果素子の前記第2強磁性層側に接続された第2電極配線と、を備え、前記第2磁性部材は、積層方向における前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第2強磁性層の前記第2磁性部材側の面を含む第2の仮想平面との距離が変動するように形成されてなり、前記第2電極配線は、前記積層方向から平面視して前記第2磁性部材と重なる範囲において、前記第2磁性部材の前記前記磁気抵抗効果素子側の面と前記第2の仮想平面との距離が最も近接する第2の最近接範囲における部分よりも厚い部分を前記第2の最近接範囲の外に有してもよい。
ここで、「第2強磁性層側に接続された第2電極配線」とは、第2強磁性層に直接接続された場合と他の層を介して間接的に接続された場合とを両方含む。
(5) In the magnetic resistance effect device according to any one of (1) to (4) above, the magnetic resistance effect device is arranged on the second ferromagnetic layer side of the magnetic resistance effect element, and a magnetic field is applied to the magnetic resistance effect element. A second magnetic member to be applied and a second electrode wiring connected to the second ferromagnetic layer side of the magnetic resistance effect element are provided, and the second magnetic member is on the magnetic resistance effect element side in the stacking direction. The surface is formed so that the distance from the second virtual plane including the surface of the second ferromagnetic layer on the second magnetic member side varies, and the second electrode wiring is from the stacking direction. In the range where the second magnetic member overlaps with the second magnetic member in a plan view, in the second closest range where the distance between the surface of the second magnetic member on the magnetic resistance effect element side and the second virtual plane is closest. A portion thicker than the portion may be provided outside the second closest range.
Here, the "second electrode wiring connected to the second ferromagnetic layer side" means both the case of being directly connected to the second ferromagnetic layer and the case of being indirectly connected via another layer. include.
(6)上記(5)に記載の磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記積層方向から平面視して前記第2磁性部材と重ならない領域において、前記第2電極配線と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが前記第2電極配線よりも厚い第2パッド部を備えてもよい。 (6) In the magnetic resistance effect device according to (5) above, in a region that does not overlap with the second magnetic member in a plan view from the stacking direction, the device is electrically connected to the second electrode wiring and is externally connected. A second pad portion having a thickness thicker than that of the second electrode wiring may be provided so as to be electrically connected to the second electrode wiring.
本発明の磁気抵抗効果デバイスでは、磁気抵抗効果素子への大きな強度の磁場印加と電極配線の低抵抗化が両立することができる。 In the magnetoresistive device of the present invention, it is possible to both apply a large magnetic field to the magnetoresistive element and reduce the resistance of the electrode wiring.
以下、本発明について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may be enlarged for convenience in order to make the features of the present invention easy to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. be. 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.
「第一実施形態」
図2は、第一実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの構成例を模式的に示す断面模式図であり、要部の拡大図も図示している。図3は、図2に示した磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍を拡大した断面模式図である。
図2に示す磁気抵抗効果デバイス100は少なくとも、磁気抵抗効果素子101(MR素子)と、磁場印加機構20と、第1電極配線7と、第2電極配線8と、を備える。なお、電極配線7、8は要部拡大図にのみ図示している。
磁気抵抗効果デバイス100は、磁場印加機構20から発生する磁場(静磁場)が、磁気抵抗効果素子101に印加されるように構成されている。
なお、高周波電流が流れる高周波信号線路をさらに備え、この高周波信号線路から発生する磁場(高周波磁場)も、磁気抵抗効果素子101に印加されるように構成されてもよい。
以下、図の説明において、磁気抵抗効果素子101の積層方向をz方向、z方向と垂直な平面の面内方向のうち任意の方向をx方向、x方向及びz方向のいずれとも直交する方向をy方向とする。
"First embodiment"
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing a configuration example of the magnetoresistive effect device according to the first embodiment, and also shows an enlarged view of a main part. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional schematic view of the vicinity of the magnetoresistive element of the magnetoresistive device shown in FIG.
The
The
A high-frequency signal line through which a high-frequency current flows may be further provided, and a magnetic field (high-frequency magnetic field) generated from this high-frequency signal line may also be configured to be applied to the magnetic
Hereinafter, in the description of the figure, the stacking direction of the magnetic
<磁気抵抗効果素子>
磁気抵抗効果素子101は、第1強磁性層101Aと第2強磁性層101Bとの間にスペーサ層(非磁性層等)101Cが配置されるように、積層されてなる。第1強磁性層101Aと第2強磁性層101Bとは、一方が磁化固定層として機能し、他方が磁化自由層として機能する。例えば、第1強磁性層101Aが磁化自由層として機能し、第2強磁性層101Bが磁化固定層として機能する。この場合、磁化固定層の磁化の向きに対して磁化自由層の磁化の向きが相対的に変化する。第1強磁性層101Aと第2強磁性層101Bとは、保磁力が互いに異なっており、磁化固定層として機能する層の保磁力の方が磁化自由層として機能する層の保磁力よりも大きい。第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bの厚さは、1~10nm程度とすることが好ましい。
<Magnetic resistance effect element>
The
第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bは、互いに保磁力が異なるように、強磁性を有する公知の材料、例えば、Cr、Mn、Co、Fe、Ni等の金属、およびこれらの金属を1種類以上含む強磁性合金等から選択される材料からなる。また、第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bは、これらの金属と、B、C、およびNのうち、少なくとも1種類以上の元素とを含む合金(具体的には、Co-FeやCo-Fe-B)等からなる場合もある。
The first
また、より高い出力を得るためには、Co2FeSi等のホイスラー合金を用いることが好ましい。ホイスラー合金は、X2YZの化学組成をもつ金属間化合物を含む。Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属、または、Xと同じ元素であり、Zは、III族からV族の典型元素である。ホイスラー合金としては、例えば、Co2FeSi、Co2MnSiやCo2Mn1-aFeaAlbSi1-b(0≦a≦1、0≦b≦1)等が挙げられる。 Further, in order to obtain a higher output, it is preferable to use a Whistler alloy such as Co 2 FeSi. Whisler alloys include intermetallic compounds with a chemical composition of X 2 YZ. X is a transition metal element or noble metal element of Group Co, Fe, Ni, or Cu on the periodic table, and Y is a transition metal of Group Mn, V, Cr, or Ti, or the same element as X. Z is a typical element of groups III to V. Examples of the Whisler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) and the like.
磁化固定層として機能する強磁性層(磁化固定層)の磁化を固定するために、磁化固定層に接するように反強磁性層を付加してもよい。また、結晶構造、形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化固定層の磁化を固定してもよい。反強磁性層には、FeO、CoO、NiO、CuFeS2、IrMn、FeMn、PtMn、CrまたはMnなどを用いることができる。 In order to fix the magnetization of the ferromagnetic layer (magnetization fixed layer) that functions as the magnetization fixing layer, an antiferromagnetic layer may be added so as to be in contact with the magnetization fixing layer. Further, the magnetization of the magnetization fixing layer may be fixed by utilizing the magnetic anisotropy caused by the crystal structure, shape and the like. For the antiferromagnetic layer, FeO, CoO, NiO, CuFeS 2 , IrMn, FeMn, PtMn, Cr, Mn or the like can be used.
スペーサ層101Cには、非磁性の材料を用いることが好ましい。スペーサ層101Cは、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、または、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層によって構成されている。
It is preferable to use a non-magnetic material for the
例えば、スペーサ層101Cが絶縁体によって構成される場合は、磁気抵抗効果素子101はトンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magnetoresistance)効果素子となり、スペーサ層101Cが金属によって構成される場合は巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)効果素子となる。
For example, when the
スペーサ層101Cとして絶縁材料を適用する場合、Al2O3またはMgO等の絶縁材料を用いることができる。第1強磁性層101Aと第2強磁性層101Bとの間にコヒーレントトンネル効果が発現するように、スペーサ層101Cの膜厚を調整することで高い磁気抵抗変化率が得られる。TMR効果を効率よく利用するためには、スペーサ層101Cの厚さは、0.5~3.0nm程度であることが好ましい。
When an insulating material is applied as the
スペーサ層101Cが導電材料によって構成される場合、Cu、Ag、Au又はRu等の導電材料を用いることができる。GMR効果を効率よく利用するためには、スペーサ層101Cの厚さは、0.5~3.0nm程度であることが好ましい。
When the
スペーサ層101Cが半導体によって構成される場合、ZnO、In2O3、SnO2、ITO、GaOx又はGa2Ox等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層101Cの厚さは、1.0~4.0nm程度であることが好ましい。
When the
スペーサ層101Cとして、絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、Al2O3またはMgOによって構成される絶縁体中に、CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl、Fe、Co、Au、Cu、AlまたはMgなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、スペーサ層101Cの厚さは、0.5~2.0nm程度であることが好ましい。
When a layer including a current-carrying point composed of a conductor in an insulator is applied as the
磁気抵抗効果素子101は、第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bの両方ともを磁化自由層とし、2つの磁化自由層とこれら2つの磁化自由層の間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子とすることもできる。この場合、第1強磁性層101Aと第2強磁性層101Bは、互いの磁化方向が相対的に変化可能である。一例として、2つの磁化自由層同士が、スペーサ層を介して磁気的に結合した磁気抵抗効果素子を挙げることができる。より具体的には、外部磁場が印加されない状態で2つの磁化自由層の磁化の方向が互いに反平行になるように、2つの磁化自由層同士がスペーサ層を介して磁気的に結合する例が挙げられる。
In the
<磁場印加機構>
図2に示す磁場印加機構20は、第1磁性部材102と第2磁性部材104と支持部113とコイル106とを備える。第1磁性部材102は、磁気抵抗効果素子101の第1強磁性層101A側に配されており、第2磁性部材104は、磁気抵抗効果素子101の第2強磁性層101B側に配されている。コイル106は突出部102Bの周囲に巻回されている。コイル106は磁束を誘起し、誘起された磁束は突出部102Bに集中し、対向する第2磁性部材104に向かう磁場を形成する。図2では、コイル106は、突出部102Bの周囲に渦巻き状に巻回されたスパイラルコイルである。図2では、コイル106はz方向に1層としたが、2層以上に積層してもよい。
図2に示す磁場印加機構20では、第2磁性部材104とコイル106を備えるが、いずれか一方を、又は、両方を備えなくてもよい。また、図2に示す磁場印加機構20では、支持部113を備えるが、支持部113を備えなくてもよい。
<Magnetic field application mechanism>
The magnetic
The magnetic
第1磁性部材102、支持部113及び第2磁性部材104は、磁性体により構成されている。第1磁性部材102、支持部113及び第2磁性部材104には、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の合金などを用いることができる。コイル106は、導電性の高い配線パターンからなり、例えば銅、アルミニウム等を用いることができる。
The first
第1磁性部材102は、素子側面102Aaから突出する突出部102Bを備える。図2に示す第1磁性部材102は、突出部102Bと基部102Aとからなる。基部102Aは、第1磁性部材102の主要部であり、図2ではxy面内方向に延在している部分である。
支持部113は、第1磁性部材102と第2磁性部材104とを繋ぐ部分であり、磁場の流れを安定化させるための部分である。突出部102Bは、その表面から磁束線が流れ出る又はその表面に磁束線が流れ込む部分である。また突出部102Bから流れ出る磁束線又は流れ込む磁束線は、第1磁性部材102及び第2磁性部材104から磁化自由層に印加される磁束線の主を担う。ここで「主を担う」とは、磁場の強度(磁束密度)の観点で主を担うことを意味する。
突出部102Bは、一つに限られず複数あってもよい。図2に示す例においては、素子側面102Aaは、基部102Aの第2磁性部材104側の面である。素子側面102Aaの形状は問わない。
The first
The
The number of
第2磁性部材104は、第1磁性部材102との間に磁気抵抗効果素子101を挟む位置に配設されている。
The second
<第1磁性部材>
図3及び図4を参照して、第1磁性部材について説明する。
第1磁性部材102は、磁気抵抗効果素子101に対して静磁場を印加するための、磁場印加機構として機能する部材であり、磁気抵抗効果素子101の第1強磁性層101A側に配されている。
図3及び図4に示す例では、第1磁性部材102は、水平断面(積層方向Lに対して直交する断面)の面積が一定である基部102Aと、基部102Aの磁気抵抗効果素子101側に配設され、基部102Aの水平断面積よりも小さな水平断面積を有する素子側部分102Bとからなる。図3を用いて説明すると、基部102Aの最も磁気抵抗効果素子101側に配置される部位は符号102Aaで示した面であり、素子側部分102Bはその面102Aaから磁気抵抗効果素子101側に延在する部分である。
以下、第1磁性部材102の、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子側の面を、「第1磁性部材の素子側の面」と略称する場合がある。「第1磁性部材の素子側の面」とは、素子側部分102Bのすべての面(露出面)(図4(a)では、面102S2、面102S4及び面102S5を指し、また、図4(b)では、面102BS1、面102BS2及び面102BS3を指す。)、及び、基部102Aの露出面のうち、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子側の面(図4(a)では、面102S1及び面102S3を指す。図4(b)ではこれに相当する面はない。)を意味する。すなわち、図4(a)では符号102Sで指す面、図4(b)では符号102BSで指す面が、「第1磁性部材の素子側の面」である。
<First magnetic member>
The first magnetic member will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
The first
In the examples shown in FIGS. 3 and 4, the first
Hereinafter, the surface of the first
第1磁性部材102は、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子側の面102S(図4(a))、102BS(図4(b))が、第1強磁性層101Aの第1磁性部材102側の面101Aaを含む第1の仮想平面V-V’(図示の都合上、第1の仮想平面全体を示すことができず、Vで示す点線とV’で示す点線とは離間しているが、それぞれの点線は第1の仮想平面の一部の断面を示したものである。)との距離が変動するように形成されてなる。
ここで、第1の仮想平面V-V’は、第1強磁性層101Aの第1磁性部材102側の面101Aaを含む仮想的な平面である。換言すると、第1強磁性層101Aの第1磁性部材102側の面101Aaに平行であってかつ面101Aaを含む仮想的な平面である。
In the first
Here, the first virtual plane VV'is a virtual plane including the surface 101Aa on the first
基部の代表的な形状としては例えば、円柱状、楕円柱状、角柱状のものが挙げられる。
また、素子側部分は第1磁性部材の素子側の面と第1の仮想平面との距離の変動を担う部分であり、素子側部分の形状はその限りにおいて特に限定はされず、素子側部分の形状が、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子側に階段状に突出する形状の場合(本明細書において、かかる形状の素子側部分を「突出部」という。)、その代表的な形状としては例えば、円柱状、楕円柱状、角柱状、半月柱状のものが挙げられる。
Typical shapes of the base include, for example, cylindrical, elliptical, and prismatic shapes.
Further, the element-side portion is a portion that bears the variation in the distance between the element-side surface of the first magnetic member and the first virtual plane, and the shape of the element-side portion is not particularly limited as long as it is the case, and the element-side portion is not particularly limited. When the shape of the above is a shape that projects stepwise toward the magnetoresistive effect element in the stacking direction L (in the present specification, the element side portion of such a shape is referred to as a “projecting portion”), the typical shape thereof is For example, columnar, elliptical, prismatic, and semi-moon columnar ones can be mentioned.
図4(a)は、図2で示した磁気抵抗効果デバイス100の断面模式図において、第1磁性部材102のみを抽出した断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス100において基部及び素子側部分はいずれも円柱状のものとして説明する。
図4(a)において、基部102Aは積層方向Lに平行な側面102Abを有し、基部の水平断面の直径はDであり、突出部102Bの水平断面の直径はDよりも小さいD1である。
素子側部分は、基部の水平断面積よりも小さな水平断面積を有する形状であれば、特に制限はなく、例えば、図4(b)のように、連続的に縮径する形状でもよい。図4(b)に示す第1磁性部材102は、図4(a)と同形状の基部102Aと、円錐台形状の素子側部分102BBとからなる。この場合、図4(b)のように同じ割合で縮径する形状でもよいし、異なる割合で縮径する形状でもよい。
FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of the
In FIG. 4A, the
The element side portion is not particularly limited as long as it has a shape having a horizontal cross section smaller than the horizontal cross section of the base portion, and may have a shape in which the diameter is continuously reduced as shown in FIG. 4B, for example. The first
次に、図4を用いて、「第1磁性部材の素子側の面」の範囲について説明する。
本発明の第1磁性部材は、素子側の面が、第1強磁性層の第1磁性部材側の面を含む第1の仮想平面との距離が変動するように形成されてなるから、基部の磁気抵抗効果素子側の面(図4に示す例では、面102Aa)よりも磁気抵抗効果素子側に磁気抵抗効果素子に近い部分(図4に示す例では、素子側部分102B(突出部102B)、102BB)を必ず有する。
当該部分が構成する磁気抵抗効果素子側のすべての表面が、素子側の面の一部を構成する。図4(a)で示した例では、突出部102Bがその部分であり、突出部102Bを構成する磁気抵抗効果素子101側のすべての面(102S2、102S4、102S5)が素子側の面の一部を構成する。
さらに、基部102Aの素子側面102Aaのうち、突出部102Bに覆われておらずに露出している部分も素子側の面の一部を構成する。図4(a)で示した例では、面102S1、面102S3も素子側の面の一部を構成する。
以上、図4(a)に示した例では、第1磁性部材102の素子側の面102Sは面102S1~面102S5で構成される。
Next, the range of "the surface of the first magnetic member on the element side" will be described with reference to FIG.
The first magnetic member of the present invention is formed so that the surface on the element side varies in distance from the first virtual plane including the surface on the first magnetic member side of the first ferromagnetic layer. The portion closer to the magnetoresistive sensor side than the surface on the magnetoresistive effect side (surface 102Aa in the example shown in FIG. 4) (in the example shown in FIG. 4, the
All the surfaces on the magnetoresistive sensor side formed by the portion form a part of the surface on the element side. In the example shown in FIG. 4A, the protruding
Further, of the element side surface 102Aa of the
As described above, in the example shown in FIG. 4A, the
また、図4(b)に示した例では、素子側の面102BSは面102BS1~面102BS3で構成される。なお、図4(b)に示した例では、基部102Aの素子側面102Aaは素子側部分102BBで覆われているので、基部102Aの素子側面102Aaで露出している部分はない。
Further, in the example shown in FIG. 4B, the surface 102BS on the element side is composed of the surface 102BS1 to the surface 102BS3. In the example shown in FIG. 4B, since the element side surface 102Aa of the
基部102Aと突出部102Bとは、一体であってもよいし、別体であってもよい。
突出部102Bは、複数の突出部分が突出方向に積み重ねられてなる多段構造(例えば、異なる直径の円柱群が、直径が大きい順に基部102A側から積み重ねられてなる多段構造)を有してもよい(2段の場合、図6を参照)。
突出部は、突出方向に直交する面の断面積が連続的に変化するものでもよいし、そのような断面積が連続的に変化する部分と、図2に示すような、突出方向に直交する面の断面積が一定の突出部分とからなるものでもよい。
The
The projecting
The protruding portion may be one in which the cross-sectional area of the surface orthogonal to the protruding direction continuously changes, and the protruding portion is orthogonal to the portion in which the cross-sectional area continuously changes and the protruding portion as shown in FIG. It may be composed of a protruding portion having a constant cross-sectional area of the surface.
素子側部分の素子側の面の少なくとも一部は、第1の仮想平面V-V’に平行に対向する平面であってもよい。例えば、図4(a)でいうと、面102S2、図4(b)でいうと、面102BS2である。 At least a part of the element-side surface of the element-side portion may be a plane parallel to the first virtual plane VV'. For example, in FIG. 4A, it is the surface 102S2, and in FIG. 4B, it is the surface 102BS2.
第1磁性部材102の材料としては、軟磁性体、硬磁性体のいずれであってもよい。図2では、第1磁性部材102として軟磁性体(ヨーク)を用いる場合について例示しており、突出部102Bの周囲に、磁気抵抗効果素子に磁場を印加するためのコイル106が巻かれている。この例では、コイル106は金属パターンを渦巻き状に巻回させたスパイラルコイルの例を示しているが、コイル106の種類については限定されない。ここでは、コイル106の奥行き部分の図示を省略している。また、コイル106に流す電流値を調整することにより、磁気抵抗効果素子101に印加される静磁場の大きさを変化させることができる。
The material of the first
なお、図2では、突出部102Bの周囲にコイル106が巻かれている例を示しているが、コイル106は、第1磁性部材102の他の部分に巻かれていてもよい。
Although FIG. 2 shows an example in which the
第1磁性部材102を軟磁性体とする場合には、その材料として、Fe、NiおよびCoのうちの少なくとも1つを含む金属又は合金等の軟磁性材料(一例として、NiFe合金やCoFe合金等)を用いることができる。
When the first
第1磁性部材102を硬磁性体とする場合には、図2のように第1磁性部材102の周囲にコイル106を巻いてもよいし、巻かなくてもよい。第1磁性部材102として硬磁性体を用いる場合には、その材料として、CoPt合金、FePt合金、CoCrPt合金等を用いることができる。また、上記した軟磁性材料にIrMn等の反強磁性体を磁気的に結合させ、軟磁性材料の磁化の方向を固定したものも、第1磁性部材102として用いることができる。その場合には、図2のように第1磁性部材102の周囲にコイルを巻いてもよいし、巻かなくてもよい。
When the first
<高周波信号線路>
高周波信号線路を第1電極配線7及び第2電極配線8とは別に設けてもよい。積層方向Lからの平面視において、高周波信号線路は、磁気抵抗効果素子101の一部または全部と重なっていてもよいし、重なっていなくてもよい。高周波信号線路の本数が限定されることはなく、1本であってもよいし、複数本であってもよい。複数本である場合、高周波信号線路は、それぞれから発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子101の位置で強め合うように、配置されることが好ましい。
<High frequency signal line>
The high frequency signal line may be provided separately from the
<電極配線>
図3に示すように、磁気抵抗効果素子101の積層方向Lの両端すなわち、第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bにそれぞれ、第1電極配線7、第2電極配線8が直接接続されている。第1電極配線7及び第2電極配線8は他の層を介して間接的に第1強磁性層101A、第2強磁性層101Bに接続されてもよい。
第1電極配線7および第2電極配線8の少なくとも一方を介して、磁気抵抗効果素子101に電流又は電圧が印加される。また、第1電極配線7および第2電極配線8の少なくとも一方は、磁気抵抗効果素子101から出力される信号を伝える。例えば、磁気抵抗効果素子101には、第1電極配線7および第2電極配線8を介して直流電流又は直流電圧が印加される。また、例えば、第1電極配線7が磁気抵抗効果素子101から出力される信号(高周波電圧または高周波電流)を伝える構成を採用することで、第1電極配線7が低抵抗化されたことによる高周波特性の劣化が防止される。一方、第1電極配線7が磁気抵抗効果素子101に入力される信号(高周波電圧または高周波電流)を伝える構成を採用することで、第1電極配線7が低抵抗化されたことによる高周波特性の劣化が防止される。
<Electrode wiring>
As shown in FIG. 3, the
A current or voltage is applied to the
第1電極配線7及び第2電極配線8の材料としては、例えば、Ta、Cu、Au、AuCu、Ru、Al等の導電性を有するものを用いることができる。
As the material of the
図5は、本発明の第一実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス100についてさらに詳細に説明するための断面模式図である。なお、図5において支持部113は図示を省略している(図7~図10についても同様)。
図5において、R0~R4は、積層方向Lから平面視したときの範囲を示すものであり、R1~R4の配置は単に図面作成上の都合による。ここで、R0の幅は、第1磁性部材102の基部102Aが図示のように垂直側面を有する構造の場合には基部102Aの水平方向の幅(基部が円柱の場合には直径)に相当する。また、R2の幅は、第1磁性部材102の突出部102Bが図示のように垂直側面を有する構造の場合には突出部102Bの水平方向の幅(突出部が円柱の場合には直径)に相当する。
図5において、第1電極配線7は、厚さで分けると、部分7A(薄い部分)と部分7B(最も厚い部分)とそれらの間において厚さが漸次変わって部分7Aと部分7Bとを連結する部分7Cとからなる。
第1電極配線7は、積層方向Lから平面視して第1磁性部材102と重なる範囲R0において、第1磁性部材102の素子側の面102Sと第1の仮想平面V-V’との距離が最も近接する最近接範囲(第1の最近接範囲)R2における部分である部分7Aよりも厚い部分7Bをその最近接範囲R2の外に有する。
より詳細に説明すると、図2~図5に示した構成において、第1電極配線7のうち、積層方向Lから平面視して、第1磁性部材102と重なる範囲は、図5において範囲R1で示す部分(すなわち、部分7Aと連結部分7Bと部分7Bの一部とからなる部分)である。また、積層方向Lから平面視して、第1磁性部材102と第1の仮想平面V-V’との距離が最も近接する範囲は、第1磁性部材102の素子側の面102Sのうち、突出部102Bの磁気抵抗効果素子101側の面である面102S2に対応する範囲R2である。さらに、最近接範囲R2のうち、積層方向Lから平面視して、第1電極配線7が第1磁性部材102と重なる範囲は範囲R3である。第1電極配線7の最近接範囲R2における部分は符号7Aの部分(第1電極配線7の範囲R3における部分)であり、第1電極配線7は、その部分7Aよりも厚い部分7Bを最近接範囲R2の外に有する。
第1磁性部材102のうち、突出部102Bの磁気抵抗効果素子101側の面の少なくとも一部(図5に示す例では、面102S2の全面)が第1の仮想平面V-V’に最も近接している。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the
In FIG. 5, R 0 to R 4 indicate a range when viewed in a plan view from the stacking direction L, and the arrangement of R 1 to R 4 is simply due to the convenience of drawing. Here, the width of R 0 corresponds to the horizontal width of the
In FIG. 5, when the
The
More specifically, in the configuration shown in FIGS. 2 to 5, the range of the
Of the first
第1電極配線7のうち、部分7Aの厚みは限定するものでないが、例示すると、10nm~100nm程度である。
The thickness of the
また、第1電極配線7のうち、最も厚い部分7Bの厚みは限定するものでないが、例示すると、100nm~1000nm程度である。
The thickness of the
図2~図5に示した構成においては、第1電極配線7は、部分7Aと7Bとの間において、厚さが漸次変わって部分7Aと部分7Bとを連結する部分7Cを有するものとしたが、連結する部分7Cを有さなくもよい。
連結する部分7Cは有さずにその部分を最も厚い部分とした構成とした場合には、低抵抗範囲が広くなるという効果を奏する。
一方、厚さが漸次変わって部分7Aと部分7Bとを連結する部分7Cを有する構成の場合には、厚さが急峻に変わる場合に比べて、高周波信号の伝達のロスが低減するという効果を奏する。
In the configuration shown in FIGS. 2 to 5, the
When the
On the other hand, in the case of the configuration having the
図2~図5に示した構成においては最も厚い部分が1つしかないが、複数あってもよい。
また、第1電極配線7の最近接範囲R2における部分よりも厚い部分については、その厚さは1種類に限らず、複数であってもよい。
最近接範囲R2の外において、部分7Bが部分7Aよりも第1磁性部材102側に突出する部分を有する(部分7Bが部分7Aよりも、少なくとも第1磁性部材102側に厚さが大きくなっている)ことが好ましい。
In the configurations shown in FIGS. 2 to 5, there is only one thickest portion, but there may be a plurality of thick portions.
Further, the thickness of the portion thicker than the portion in the closest range R2 of the
Outside the closest range R2 , the
図6は、図3で示した磁気抵抗効果デバイス100において、第1電極配線の形状の変形例を示す断面模式図である。
図6に示す磁気抵抗効果デバイス100’の第1電極配線7’では、平面視して磁気抵抗効果素子101を挟んで両側に、第1の最近接範囲における部分7A’よりも厚い部分7B、7B’を有する。すなわち、第1電極配線7’は、厚さで分けると、部分7A’(薄い部分)と、それを挟むように部分7B、7B’(最も厚い部分)と、それらの間において厚さが漸次変わって部分7Aと部分7Bとを連結する部分7C、7C’とからなる。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the shape of the first electrode wiring in the
In the first electrode wiring 7'of the magnetoresistive device 100'shown in FIG. 6, a
図7に示す例は、第1磁性部材が3段である(突出部は2段である)場合である。
第1磁性部材112は、基部112Aと、第1突出部102Bと、第2突出部112Cとからなる。
この例では、第1電極配線17は、部分17A(薄い部分)と部分17B(最も厚い部分)とそれらの間において厚さが漸次変わって部分17Aと部分17Bとを連結する部分17Cとからなる。
第1電極配線17は、積層方向Lから平面視して、第1磁性部材112と重なる範囲R0であってかつ第1磁性部材112の素子側の面112と第1の仮想平面V-V’との距離が最も近接する最近接範囲(第1の最近接範囲)R5における部分である部分17Aよりも厚い部分17Bをその最近接範囲R5の外に有する。
The example shown in FIG. 7 is a case where the first magnetic member has three stages (the protruding portion has two stages).
The first magnetic member 112 includes a
In this example, the
The
図7に示す例では、最も厚い部分17Bは、積層方向Lの両側(図で上側及び下側)に厚さが大きくなっているが、部分17Aに対して厚くなる態様には特に限定はない。最近接範囲R5の外において、部分17Bが部分17Aよりも第1磁性部材112側に突出する部分を有する(部分17Bが部分17Aよりも、少なくとも第1磁性部材112側に厚さが大きくなっている)ことが好ましい。
In the example shown in FIG. 7, the
「第二実施形態」
図8は、本発明の第二実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス200の構成例を、模式的に示す断面図である。
磁気抵抗効果デバイス200は、第一実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス100で示した構成に加えて、積層方向Lから平面視して第1磁性部材102と重ならない領域(図5で示す範囲R0以外の領域)において、第1電極配線7と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが第1電極配線7よりも厚い第1パッド部120をさらに備える点が異なる。図8に示す例では、第1パッド部120は積層方向Lに延在している。
"Second embodiment"
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the
In addition to the configuration shown in the magnetic
第1パッド部120は、積層方向Lの端面の少なくとも一部が露出しており、外部接続用ワイヤ又はバンプをボンディングするボンディング用パッドとして用いたり、また、製造工程中の検査において、その第1パッド部にプローブ(検査針)を当てて検査を行うことができる。
The
第1パッド部120の形状は、上記目的を果たす限り、特に限定はされない。
第1パッド部120の機能に基づくと、第1パッド部120の平面視のサイズは限定するものではないが、例えば、平面視が円形状である場合、その直径を例示すると、50μm~150μm程度であり、また、その厚み(積層方向Lの厚さ)は限定するものではないが、例示すると、2μm~50μm程度である。
The shape of the
Based on the function of the
第1パッド部120の材料としては、例えば、Ta、Cu、Au、AuCu、Ru、Al等の導電性を有するものを用いることができる。
As the material of the
「第三実施形態」
図9は、本発明の第三実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス300の構成例を、模式的に示す断面図である。
磁気抵抗効果デバイス300は、第一実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス100で示した構成に加えて、磁気抵抗効果素子101の第2強磁性層101B側に配され、磁気抵抗効果素子101に磁場を印加する第2磁性部材104が突出部104Bをさらに備えると共に、第2電極配線18についても第1電極配線と同様に、積層方向Lから平面視して第2磁性部材104と重なる範囲であってかつ第2磁性部材104の素子側の面104Sと第2の仮想平面V1-V1’との距離が最も近接する最近接範囲(第2の最近接範囲)における部分である部分18Aよりも厚い部分18Bをその最近接範囲の外に有する点が異なる。図9において、第2電極配線18は、互いに厚みの異なる部分18Aと部分18Bと、それらの間において厚さが漸次変わって部分18Aと部分18Bとを連結する部分18Cとからなる。
ここで、第2の仮想平面V1-V1’は、第2強磁性層101Bの第2磁性部材104側の面101Baを含む仮想的な平面である。
第2磁性部材104の材料としては、第1磁性部材102の材料として例示したものと同様なものを用いることができる。また、第2磁性部材104の材料と第1磁性部材102の材料は同じであっても異なっていてもよい。また、図9においては第2磁性部材104の周囲にコイルが巻かれていない例を示しているが、突出部104Bの周囲や第2磁性部材104のその他の部分に巻かれていてもよい。第2磁性部材104及びコイルについては、第一実施形態及び第二実施形態で第1磁性部材102及びコイルについて記載したことを適用可能である。
"Third embodiment"
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the
In addition to the configuration shown in the magnetic
Here, the second virtual plane V1-V1'is a virtual plane including the surface 101Ba on the second
As the material of the second
「第四実施形態」
図10は、本発明の第四実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス400の構成例を、模式的に示す断面図である。
磁気抵抗効果デバイス400は、第三実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス300で示した構成に加えて、積層方向Lから平面視して第1磁性部材102と重ならない領域(図5で示す範囲R0以外の領域)において、第1電極配線7と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが第1電極配線7よりも厚い第1パッド部120と、積層方向Lから平面視して第2磁性部材104と重ならない領域において、第2電極配線18と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが第2電極配線18よりも厚い第2パッド部130とをさらに備える点が異なる。図10に示す例では、第1パッド部120及び第2パッド部130は積層方向Lに延在している。
"Fourth embodiment"
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of the
In addition to the configuration shown in the magnetic
第2パッド部130も、積層方向Lの端面の少なくとも一部が露出しており、第1パッド部120と同様な機能を有するものであり、そのサイズや厚みも同程度とすることができる。
第2パッド部130も第1パッド部120と同様に、例えば、Ta、Cu、Au、AuCu、Ru、Al等の導電性を有するものを用いることができる。
The
As for the
(適用例1)
図11は、上記磁気抵抗効果デバイス100を適用した、高周波デバイス250の回路の一例を示している。磁気抵抗効果デバイス100を、他の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス200、300、400に置き換えてもよい。なお、上述した磁気抵抗効果素子、電極配線、高周波信号線路、第1磁性部材、第2磁性部材、支持部、コイルとともに、他の回路素子等が組み込まれた高周波デバイス250を総称して、磁気抵抗効果デバイスと呼ぶことがある。高周波デバイス250は、磁気抵抗効果素子101と、第1磁性部材102と、第2磁性部材104と、支持部(図11~図15では図示省略)と、コイル106と、高周波信号線路103と、直流印加端子119とを備える。高周波デバイス250は、第1のポート150から信号が入力され、第2のポート121から信号を出力する。
(Application example 1)
FIG. 11 shows an example of a circuit of a
<磁気抵抗効果素子、磁場印加機構>
図11に示す例では磁気抵抗効果素子101の両端に上部電極109と下部電極110とが形成されている。本適用例1では、第2強磁性層101Bが磁化固定層として機能し、第1強磁性層101Aが磁化自由層として機能する例で説明する。後述する適用例2~5についても同様である。
<Magnetic resistance effect element, magnetic field application mechanism>
In the example shown in FIG. 11, the
図11に示す第1磁性部材102は、基部102Aと、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子101側(基部の一面102Aa側)に突き出た突出部102Bと、を有している。突出部102Bは、基部の一面102Aaから、積層方向Lにおける磁気抵抗効果素子101側に突出している。
The first
磁場印加機構(第1磁性部材102、第2磁性部材104、支持部及びコイル106)を用いて、出力信号の周波数を設定することができる。出力信号の周波数は、磁化自由層として機能する第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数によって変化する。第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数は、第1強磁性層101Aにおける有効磁場によって変化する。第1強磁性層101Aにおける有効磁場は、外部磁場(静磁場)によって変えることができる。そのため、磁場印加機構から第1強磁性層101Aに印加する外部磁場の大きさを変えることで、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数を変えることができる。
The frequency of the output signal can be set by using the magnetic field application mechanism (first
<第1のポート及び第2のポート>
第1のポート150は、高周波デバイス250の入力端子である。第1のポート150は、高周波信号線路103の一端に対応する。第1のポート150に交流信号源(図示略)を接続することで、高周波デバイス250に交流信号(高周波信号)を印加することができる。高周波デバイス250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。
<1st port and 2nd port>
The
第2のポート121は、高周波デバイス250の出力端子である。第2のポート121は、磁気抵抗効果素子101から出力される信号を伝える出力信号線路122の一端に対応する。出力信号線路122は、図1に示した線路8に対応する。
The
<高周波信号線路>
図11における高周波信号線路103は、一端が第1のポート150に接続されている。
また、高周波デバイス250は、高周波信号線路103の他端が基準電位端子123を介して基準電位に接続されて用いられる。図11では、基準電位としてグラウンドGに接続している。グラウンドGは、高周波デバイス250の外部に付設されるものとすることができる。第1のポート150に入力される高周波信号とグラウンドGとの電位差に応じて、高周波信号線路103内に高周波電流が流れる。高周波信号線路103内に高周波電流が流れると、高周波信号線路103から高周波磁場が発生する。磁気抵抗効果素子101の第1強磁性層101Aには、この高周波磁場が印加される。
<High frequency signal line>
One end of the high
Further, the
<出力信号線路、線路>
出力信号線路122は、磁気抵抗効果素子101から出力された信号を伝播する。出力信号線路122及び上部電極109は、図3に示した第1電極配線7に対応する。磁気抵抗効果素子101から出力される信号は、磁化自由層として機能する第1強磁性層101Aの強磁性共鳴を利用して選択された周波数の信号である。図11における出力信号線路122は、一端が上部電極109を介して磁気抵抗効果素子101に接続され、他端が第2のポート121に接続されている。すなわち、図11における出力信号線路122は、磁気抵抗効果素子101と第2のポート121とを繋ぐ。
<Output signal line, line>
The
また、電源127、出力信号線路122、磁気抵抗効果素子101、線路124、グラウンドGによる閉回路を構成する部分と、第2のポート121との間の出力信号線路122(一例として、インダクタ125の出力信号線路122への接続箇所と第2のポート121との間の出力信号線路122)には、コンデンサを設けてもよい。当該部分にコンデンサを設けることで、第2のポート121から出力される出力信号に、電流の不変成分が加わることを避けることができる。
Further, the output signal line 122 (for example, the inductor 125) between the
線路124は、一端が下部電極110を介して磁気抵抗効果素子101に接続されている。線路124及び下部電極110は、図3に示した第2電極配線8に対応する。また、高周波デバイス250は、線路124の他端が基準電位端子126を介して基準電位に接続されて用いられる。図11では線路124を、高周波信号線路103の基準電位と共通のグラウンドGに接続しているが、その他の基準電位に接続してもよい。回路構成を簡便にするためには、高周波信号線路103の基準電位と線路124の基準電位とは共通していることが好ましい。
One end of the
各線路及びグラウンドGの形状としては、マイクロストリップライン(MSL)型やコプレーナウェーブガイド(CPW)型を適用することが好ましい。マイクロストリップライン(MSL)型やコプレーナウェーブガイド(CPW)型を適用する場合、線路の特性インピーダンスと、回路系のインピーダンスとが等しくなるように、線路幅やグラウンド間距離を設計することが好ましい。このように設計することによって、線路の伝送損失を抑えることができる。 As the shape of each line and the ground G, it is preferable to apply a microstrip line (MSL) type or a coplanar waveguide (CPW) type. When applying the microstrip line (MSL) type or the coplanar waveguide (CPW) type, it is preferable to design the line width and the ground-to-ground distance so that the characteristic impedance of the line and the impedance of the circuit system are equal to each other. By designing in this way, it is possible to suppress the transmission loss of the line.
<直流印加端子>
直流印加端子119は、電源127に接続され、磁気抵抗効果素子101の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する。本明細書において直流電流とは、時間によって方向が変化しない電流であり、時間によって大きさが変化する電流を含む。また、直流電圧とは、時間によって方向が変化しない電圧であり、時間によって大きさが変化する電圧も含む。電源127は、直流電流源であってもよいし、直流電圧源であってもよい。
<DC application terminal>
The
電源127は、一定の直流電流を発生可能な直流電流源であってもよいし、一定の直流電圧を発生可能な直流電圧源であってもよい。また、電源127は、発生する直流電流値の大きさが変化可能な直流電流源であってもよいし、発生する直流電圧値の大きさが変化可能な直流電圧源であってもよい。
The
磁気抵抗効果素子101に印加される電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子101の発振閾値電流密度よりも小さいことが好ましい。磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度とは、磁気抵抗効果素子の磁化自由層として機能する強磁性層の磁化が、一定周波数および一定の振幅で歳差運動を開始し、磁気抵抗効果素子が発振する(磁気抵抗効果素子の出力(抵抗値)が一定周波数及び一定の振幅で変動する)閾値となる電流密度を意味している。
The current density of the current applied to the
直流印加端子119と出力信号線路122との間には、インダクタ125が配設されている。インダクタ125は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。インダクタ125により磁気抵抗効果素子101から出力された出力信号(高周波信号)は第2のポート121に効率的に流れる。また、インダクタ125により、電流の不変成分は、電源127、出力信号線路122、磁気抵抗効果素子101、線路124、グラウンドGで構成される閉回路を流れる。
An
インダクタ125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125のインダクタンスは10nH以上であることが好ましい。
As the
<高周波デバイスの機能>
高周波デバイス250に第1のポート150から高周波信号が入力されると、高周波信号に対応する高周波電流が高周波信号線路103内を流れる。高周波信号線路103内を流れる高周波電流により発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子101の第1強磁性層101Aに印加される。
<Functions of high frequency devices>
When a high frequency signal is input to the
磁化自由層として機能する第1強磁性層101Aの磁化は、高周波信号線路103により第1強磁性層101Aに印加された高周波磁場の周波数が、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数に近い場合に大きく振動する。この現象が、強磁性共鳴現象である。
In the magnetization of the first
第1強磁性層101Aの磁化の振動が大きくなると、磁気抵抗効果素子101における抵抗値変化が大きくなる。例えば、直流印加端子119から、一定の直流電流が磁気抵抗効果素子101に印加される場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値変化は、上部電極109と下部電極110との間の電位差の変化として、第2のポート121から出力される。また、例えば、直流印加端子119から一定の直流電圧が磁気抵抗効果素子101に印加される場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値変化は、下部電極110と上部電極109との間を流れる電流値の変化として第2のポート121から出力される。
When the vibration of the magnetization of the first
すなわち、第1のポート150から入力された高周波信号の周波数が、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数に近い周波数である場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値の変動量が大きく、第2のポート121から大きな信号が出力される。これに対し、高周波信号の周波数が、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数から外れている場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値の変動量が小さく、第2のポート121から信号がほとんど出力されない。すなわち、高周波デバイス250は、特定の周波数の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとして機能する。
That is, when the frequency of the high-frequency signal input from the
<他の用途>
また、上記適用例では、高周波デバイス250を高周波フィルタとして用いる場合を提示したが、高周波デバイス250はアイソレータ、フェイズシフタ、増幅器(アンプ)等の高周波デバイスにも適用することができる。
<Other uses>
Further, in the above application example, the case where the
高周波デバイス250をアイソレータとして用いる場合には、第2のポート121から信号を入力する。第2のポート121から信号を入力しても、第1のポート1から出力されることはないため、アイソレータとして機能する。
When the
また、高周波デバイス250をフェイズシフタとして用いる場合は、出力される周波数帯域が変化する場合において、出力される周波数帯域の任意の1点の周波数に着目する。
出力される周波数帯域が変化する際に、特定の周波数における位相は変化するため、フェイズシフタとして機能する。
When the
When the output frequency band changes, the phase at a specific frequency changes, so it functions as a phase shifter.
また、高周波デバイス250を増幅器として用いる場合には、電源127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150から入力される信号より、第2のポート121から出力される信号が大きくなり、増幅器として機能する。
When the
上述のように、高周波デバイス250は、高周波フィルタ、アイソレータ、フェイズシフタ、増幅器等の高周波デバイスとして機能させることができる。
As described above, the
図11では磁気抵抗効果素子101が一つである場合を例示したが、磁気抵抗効果素子101は複数あってもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子101は、互いに並列接続されていてもよいし、直列接続されていてもよい。例えば、強磁性共鳴周波数の異なる磁気抵抗効果素子101を複数利用することで、選択周波数の帯域(通過周波数帯域)を広くすることができる。また、一つの磁気抵抗効果素子100からの出力信号を出力する出力信号線路122で発生した高周波磁場を、別の磁気抵抗効果素子101に印加する構成としてもよい。このような構成にすると、出力される信号が複数回に渡ってフィルタリングされるため、高周波信号のフィルタリング精度を高めることができる。
Although FIG. 11 illustrates the case where the
(適用例2)
図11で示した高周波デバイス250は、高周波信号線路103からの高周波磁場を第1強磁性層101Aに印加することで駆動するタイプのものであったが、高周波デバイスは、このタイプに限られない。図11は、高周波信号線路に流れる高周波電流を磁気抵抗効果素子101に印加することによって、駆動するタイプの高周波デバイス260の回路の一例を示している。上述した図11に示す高周波デバイス250と同様の構成については、同様の符号を付す。後述する適用例3~5についても同様である。
(Application example 2)
The high-
高周波デバイス260は、磁気抵抗効果素子101と、第1磁性部材102と、第2磁性部材104と、支持部と、コイル106と、直流印加端子119と、入力信号線路128と、出力信号線路129とを備える。入力信号線路128及び上部電極109は、図3に示した第1電極配線7に対応する。出力信号線路129及び下部電極110は、図3に示した第2電極配線8に対応する。入力信号線路128は、第1のポート150と上部電極109の間の配線であり、出力信号線路129は、第2のポート121と下部電極110との間の配線である。
The high-
高周波デバイス260は、第1のポート150から信号が入力され、第2のポート121から信号を出力する。図12に示す高周波デバイス260では、磁気抵抗効果素子101の積層方向Lに高周波電流を流すことで生じるスピントランスファートルクにより、第1強磁性層101Aの磁化が振動する。入力される高周波信号が、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数(この場合、磁気抵抗効果素子101のスピントルク共鳴周波数ともいう)と同じである場合、第1強磁性層101Aの磁化は大きく振動する。第1強磁性層101Aの磁化が周期的に振動することで、磁気抵抗効果素子101の抵抗値が周期的に変化する。
The
図12に示すように、直流電流が磁気抵抗効果素子101の中を磁化自由層から磁化固定層の方向に流れるように、直流印加端子119から直流電流又は直流電圧を印加する場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値は高周波電流と同位相で周期的に変化する。このため、磁気抵抗効果素子101の抵抗値の変動量が大きいほど、第2のポート121から大きな出力信号(出力電力)が得られる。
As shown in FIG. 12, when a DC current or a DC voltage is applied from the
つまり、第1のポート150から入力された高周波信号の周波数が、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数に近い周波数である場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値の変動量が大きく、第2のポート121から大きな信号が出力される。これに対し、高周波信号の周波数が第1強磁性層101A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101の抵抗値の変動量が小さく、第2のポート121から信号がほとんど出力されない。すなわち、高周波デバイス260も、特定の周波数の高周波信号を選択的に通過させる高周波フィルタとして機能させることができる。
That is, when the frequency of the high-frequency signal input from the
また、直流電流が磁気抵抗効果素子101の中を磁化固定層から磁化自由層の方向に流れるように、直流印加端子119から直流電流又は直流電圧を印加する場合には、磁気抵抗効果素子101の抵抗値は高周波電流から180°ずれた位相で周期的に変化する。この場合、磁気抵抗効果素子101の抵抗値の変動量が大きいほど、第2のポート121からの出力信号(出力電力)が小さくなるようにすることもできる。この場合、高周波デバイス260を、特定の周波数の高周波信号を選択的に遮断する高周波フィルタとして機能させることができる。
Further, when a DC current or a DC voltage is applied from the
高周波デバイス260は、高周波デバイス250と同様に、フェイズシフタ、増幅器等の高周波デバイスとして機能させることもできる。
Like the
(適用例3)
例えば、図13に示すように、第1のポート150と基準電位端子123に接続された高周波信号線路160が、磁気抵抗効果素子101に接続された下部電極110又は上部電極109を兼ねてもよい。図13は、高周波信号線路160が、磁気抵抗効果素子101に接続された上部電極109を兼ねる高周波デバイス270の模式図である。高周波信号線路160及び上部電極109は、図7に示した第1電極配線7’に対応する。高周波信号線路122及び下部電極110は、図7に示した第2電極配線8に対応する。この場合、高周波信号線路160内を流れる高周波電流により高周波信号線路160から発生し磁気抵抗効果素子101(第1強磁性層101A)に印加される高周波磁場を利用して、第1強磁性層101Aの磁化を振動させることができる。また、高周波信号線路160から印加され、磁気抵抗効果素子101の積層方向Lに流れる高周波電流により生じるスピントランスファートルクを利用して第1強磁性層101Aの磁化を振動させてもよい。また、高周波信号線路160の上部電極に相当する部分を流れる高周波電流の流れる向きと直交する方向に生じるスピン流によるスピンオービットトルクを利用して、第1強磁性層101Aの磁化を振動させてもよい。つまり、これら高周波磁場、スピントランスファートルクおよびスピンオービットトルクのうち少なくとも1つを利用して、第1強磁性層101Aの磁化を振動させることができる。
(Application example 3)
For example, as shown in FIG. 13, the high
高周波デバイス270は、高周波デバイス250と同様に、高周波フィルタ、フェイズシフタ、増幅器等の高周波デバイスとして機能させることができる。
Like the
上記適用例1~3において、直流印加端子119は、それぞれインダクタ125とグラウンドGとの間に接続されてもよいし、上部電極109とグラウンドGとの間に接続されてもよい。
In the above application examples 1 to 3, the
また、上記適用例1~3におけるインダクタ125にかえて、抵抗素子を用いてもよい。この抵抗素子は、抵抗成分により電流の高周波成分をカットする機能を有する。この抵抗素子は、チップ抵抗またはパターン線路による抵抗のいずれであってもよい。この抵抗素子の抵抗値は、出力信号線路122、129の特性インピーダンス以上であることが好ましい。例えば、出力信号線路122、129の特性インピーダンスが50Ωであり、抵抗素子の抵抗値が50Ωである場合は、45%の高周波電力を抵抗素子によりカットすることができる。また、出力信号線路122、129の特性インピーダンスが50Ωであり、抵抗素子の抵抗値が500Ωである場合は、90%の高周波電力を抵抗素子によりカットすることができる。この場合でも、磁気抵抗効果素子101から出力された出力信号を、第2のポート121に効率的に流すことができる。
Further, a resistance element may be used instead of the
また、上記適用例1~3において、直流印加端子119に接続される電源127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125は無くても良い。この場合でも、磁気抵抗効果素子101から出力された出力信号を、第2のポート121に効率的に流すことができる。
Further, in the above application examples 1 to 3, if the
(適用例4)
以上では、本発明の磁気抵抗効果デバイスをフィルタとして用いる場合について例示したが、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子に直流電流を印加することにより、磁化自由層の磁化に振動が発生するスピントルク発振効果を利用した、発振器にも適用可能である。図14は、本発明の磁気抵抗効果デバイスを発振器として適用した、高周波デバイス280の回路の構成例を示す図である。適用例1~3と同じ箇所については、同じ符号で示している。
(Application example 4)
In the above, the case where the magnetoresistive device of the present invention is used as a filter has been illustrated, but in the magnetoresistive device of the present invention, vibration is generated in the magnetization of the magnetization free layer by applying a DC current to the magnetoresistive element. It can also be applied to an oscillator that utilizes the generated spin torque oscillation effect. FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a circuit of a
高周波デバイス280では、磁気抵抗効果素子101に直流電流を印加した際に発生するスピントルクにより、磁化自由層として機能する第1強磁性層101Aの磁化が振動(発振)する。このとき、磁気抵抗効果素子101から、第1強磁性層101Aの強磁性共鳴周波数に対応した高周波電圧が発生し、磁気抵抗効果素子101に接続された第2のポート(出力ポート)121側の高周波信号線路131に、磁気抵抗効果素子101から出力される高周波電流が流れる。図14の例では、直流入力端子119側の線路132にインダクタ125が接続され、高周波信号線路131にコンデンサ133が接続されている。高周波信号線路131及び上部電極109は、図3に示した第1電極配線7に対応する。線路136及び下部電極110は、図3に示した第2電極配線8に対応する。
In the
(適用例5)
また、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子に高周波電流(交流電流)を印加した際に直流電圧が発生するスピントルクダイオード効果を用いた整流器や検波器にも適用可能である。図15は、本発明の磁気抵抗効果デバイスを整流器として適用した、高周波デバイス290の回路の構成例を示す図である。適用例1~3と同じ箇所については、同じ符号で示している。
(Application example 5)
Further, the magnetic resistance effect device of the present invention can also be applied to a rectifier or a detector using a spin torque diode effect in which a DC voltage is generated when a high frequency current (alternating current) is applied to the magnetic resistance effect element. FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of a circuit of a
高周波デバイス290では、磁気抵抗効果素子101に、第1のポート(入力ポート)120から交流電流(高周波電流)が印加され、第1のポート(入力ポート)120側の高周波信号線路134を流れる高周波電流が磁気抵抗効果素子101に印加された際に、磁気抵抗効果素子101から直流電圧が発生し、線路135を介して第2のポート(出力ポート)121から直流電圧が出力される。図15の例では、高周波信号線路134にコンデンサ133が接続され、線路135にインダクタ125が接続されている。高周波信号線路134及び上部電極109は、図3に示した第1電極配線7に対応する。線路137及び下部電極110は、図3に示した第2電極配線8に対応する。
In the high-
7、7’、17 第1電極配線
7A、17A 第1の最近接範囲における部分
7B、7B’、17B 第1の最近接範囲における部分よりも厚い部分
8、18 第2電極配線
18A 第2の最近接範囲における部分
18B 第2の最近接範囲における部分よりも厚い部分
20 磁場印加機構
100、200、300、400 磁気抵抗効果デバイス
101 磁気抵抗効果素子
101A 第1強磁性層
101B 第2強磁性層
101C スペーサ層
102、112 第1磁性部材
102A 基部
102Aa 素子側面
102B 突出部
102S、102BS 素子側の面
104 第2磁性部材
104A 基部
104B 突出部
120 第1パッド部
130 第2パッド部
V-V’ 第1の仮想平面
V1-V1’ 第2の仮想平面
7, 7', 17
Claims (6)
前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に配され、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する第1磁性部材と、
前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に接続された第1電極配線と、を備え、
前記第1磁性部材は、積層方向における前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第1強磁性層の前記第1磁性部材側の面を含む第1の仮想平面との距離が変動するように形成されてなり、
前記第1電極配線は、前記積層方向から平面視して前記第1磁性部材と重なる範囲において、前記第1磁性部材の前記磁気抵抗効果素子側の面と前記第1の仮想平面との距離が最も近接する第1の最近接範囲における部分よりも厚い部分を前記第1の最近接範囲の外に有し、
前記積層方向から平面視して前記第1磁性部材と重ならない領域において、
前記第1電極配線と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが前記第1電極配線よりも厚い第1パッド部を備える、磁気抵抗効果デバイス。 A magnetoresistive element laminated so that a spacer layer is arranged between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer,
A first magnetic member arranged on the first ferromagnetic layer side of the magnetoresistive element and applying a magnetic field to the magnetoresistive element, and
A first electrode wiring connected to the first ferromagnetic layer side of the magnetoresistive element is provided.
In the first magnetic member, the distance between the surface on the magnetoresistive element side in the stacking direction and the first virtual plane including the surface on the first magnetic member side of the first ferromagnetic layer varies. Being formed,
In the first electrode wiring, the distance between the surface of the first magnetic member on the magnetoresistive effect element side and the first virtual plane is within a range where the first magnetic member overlaps with the first magnetic member in a plan view from the stacking direction. A portion thicker than the portion in the closest first closest range is provided outside the first closest range .
In the region that does not overlap with the first magnetic member when viewed in a plan view from the stacking direction,
A magnetoresistive device comprising a first pad portion that is electrically connected to the first electrode wiring and is thicker than the first electrode wiring so that it can be electrically connected to the outside .
前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に配され、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する第1磁性部材と、A first magnetic member arranged on the first ferromagnetic layer side of the magnetoresistive element and applying a magnetic field to the magnetoresistive element, and
前記磁気抵抗効果素子の前記第1強磁性層側に接続された第1電極配線と、を備え、A first electrode wiring connected to the first ferromagnetic layer side of the magnetoresistive element is provided.
前記第1磁性部材は、積層方向における前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第1強磁性層の前記第1磁性部材側の面を含む第1の仮想平面との距離が変動するように形成されてなり、In the first magnetic member, the distance between the surface on the magnetoresistive element side in the stacking direction and the first virtual plane including the surface on the first magnetic member side of the first ferromagnetic layer varies. Being formed,
前記第1電極配線は、前記積層方向から平面視して前記第1磁性部材と重なる範囲において、前記第1磁性部材の前記磁気抵抗効果素子側の面と前記第1の仮想平面との距離が最も近接する第1の最近接範囲における部分よりも厚い部分を前記第1の最近接範囲の外に有し、In the first electrode wiring, the distance between the surface of the first magnetic member on the magnetoresistive effect element side and the first virtual plane is within a range where the first magnetic member overlaps with the first magnetic member in a plan view from the stacking direction. A portion thicker than the portion in the closest first closest range is provided outside the first closest range.
前記磁気抵抗効果素子の前記第2強磁性層側に配され、前記磁気抵抗効果素子に磁場を印加する第2磁性部材と、A second magnetic member arranged on the second ferromagnetic layer side of the magnetoresistive sensor and applying a magnetic field to the magnetoresistive element, and a second magnetic member.
前記磁気抵抗効果素子の前記第2強磁性層側に接続された第2電極配線と、を備え、A second electrode wiring connected to the second ferromagnetic layer side of the magnetoresistive element is provided.
前記第2磁性部材は、積層方向における前記磁気抵抗効果素子側の面が、前記第2強磁性層の前記第2磁性部材側の面を含む第2の仮想平面との距離が変動するように形成されてなり、In the second magnetic member, the distance between the surface on the magnetoresistive element side in the stacking direction and the second virtual plane including the surface on the second magnetic member side of the second ferromagnetic layer varies. Being formed,
前記第2電極配線は、前記積層方向から平面視して前記第2磁性部材と重なる範囲において、前記第2磁性部材の前記磁気抵抗効果素子側の面と前記第2の仮想平面との距離が最も近接する第2の最近接範囲における部分よりも厚い部分を前記第2の最近接範囲の外に有する、磁気抵抗効果デバイス。In the second electrode wiring, the distance between the surface of the second magnetic member on the magnetoresistive effect element side and the second virtual plane is within a range where the second magnetic member overlaps with the second magnetic member when viewed in a plan view from the stacking direction. A magnetoresistive effect device having a portion thicker than the portion in the closest second closest range outside the second closest range.
前記第2電極配線と電気的に接続されると共に、外部と電気的に接続できるように厚さが前記第2電極配線よりも厚い第2パッド部を備える、請求項4又は5のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。 In the region that does not overlap with the second magnetic member when viewed in a plan view from the stacking direction,
3 . The magnetoresistive effect device described.
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