JPWO2017056559A1 - 磁気抵抗効果デバイス - Google Patents

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Abstract

磁気抵抗効果素子を利用した高周波フィルタを実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供する。
磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層、スペーサ層および磁化の方向が変化可能である磁化自由層を有する磁気抵抗効果素子と、第１のポートと、第２のポートと、信号線路と、直流電流入力端子と、コンデンサとを有し、第１のポートおよび第２のポートが信号線路を介して接続され、磁気抵抗効果素子は、第２のポートに対して並列に、信号線路およびグラウンドに接続され、直流電流入力端子は信号線路に接続され、磁気抵抗効果素子、信号線路、グラウンドおよび直流電流入力端子を含む閉回路が形成され、磁気抵抗効果素子は、直流電流入力端子から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子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配置され、コンデンサは、閉回路と第１のポートとの間および閉回路と第２のポートとの間の少なくとも一方に、信号線路を介して第１のポート１および第２のポートと直列に接続されることを特徴とする。

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ものである。
近年、携帯電話等の移動通信端末の高機能化に伴い、無線通信の高速化が進められている。通信速度は使用する周波数帯に比例するため、通信に必要な周波数帯は拡大し、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、近年新しい高周波用部品に応用できる可能性のある分野として研究されているのがスピントロニクスであり、その中で注目されている特有の現象の一つが、スペーサ層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴効果である（非特許文献１参照）。この構造の磁気抵抗効果素子に交流電流を流すことで、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすことができ、スピントルク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。磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、磁気抵抗効果素子のスピントルク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の高周波帯域である。
Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２００５
磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴効果を利用して高周波デバイスに応用することが考えられるが、高周波フィルタに応用するための構成は従来示されていない。本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した高周波フィルタ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、磁化固定層、スペーサ層および磁化の方向が変化可能である磁化自由層を有する磁気抵抗効果素子と、高周波信号が入力される第１のポートと、高周波信号が出力される第２のポートと、信号線路と、直流電流入力端子と、コンデンサとを有し、前記第１のポートおよび前記第２のポートが前記信号線路を介して接続され、前記磁気抵抗効果素子は、前記第２のポートに対して並列に、前記信号線路およびグラウンドに接続され、前記直流電流入力端子は前記信号線路に接続され、前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路が形成され、前記磁気抵抗効果素子は、前記直流電流入力端子から入力される直流電流が、前記磁気抵抗効果素子の中を前記磁化固定層から前記磁化自由層の方向に流れるように配置され、前記コンデンサは、前記閉回路と前記第１のポートとの間および前記閉回路と前記第２のポートとの間の少なくとも一方に、前記信号線路を介して前記第１のポートおよび前記第２のポートと直列に接続されることを第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、磁気抵抗効果素子に第１のポートから信号線路を介して高周波信号が入力されることにより、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を誘起させることが出来る。このスピントルク共鳴と同時に、磁気抵抗効果素子の中を磁化固定層から磁化自由層の方向に直流電流が流れることにより、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数に対する素子インピーダンスが増加する。磁気抵抗効果素子は、第２のポートに対して並列に、信号線路およびグラウンドに接続されているので、第１のポートから入力された高周波信号のうち磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、磁気抵抗効果素子に流れにくくなり、第２のポートには流れやすくなる。このように、第１のポートから入力された高周波信号を、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数では、第２のポートに対して通過させることが出来る。つまり、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
また、直流電流入力端子から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子、信号線路、グラウンドおよび直流電流入力端子を含んで形成される閉回路を流れる。この閉回路により、磁気抵抗効果素子に効率的に直流電流を印加することが出来る。磁気抵抗効果素子はこの直流電流が印加されることにより、磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスの変化量が増加するため、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、遮断特性と通過特性のレンジが大きな高周波フィルタとして機能することが可能となる。
また、信号線路を介して第１のポートおよび第２のポートと直列に接続されたコンデンサは、直流電流入力端子から印加された直流電流の第１のポートまたは第２のポートへの流出を阻止することができるため、第１のポートまたは第２のポートに他の電子回路が接続された場合に、他の電子回路への直流電流の混入を防ぐことが可能となる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を設定可能な周波数設定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は、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を任意の周波数にすることができるため、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、任意の周波数帯のフィルタとして機能することが可能となる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記周波数設定機構は、前記磁化自由層における有効磁場を設定可能な有効磁場設定機構であり、前記有効磁場を変化させて前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化可能であることを第３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、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を可変制御することができるため、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続されていることを第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、互いにスピントルク周波数の異なる複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されているので、ある幅を持った通過周波数帯域を設けることができる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを第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、複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に制御することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子同士が並列接続されているので、ある幅を持った通過周波数帯域を設けることができる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続されていることを第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、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続されているので、ある幅を持った通過周波数帯域を設けることができる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを第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、複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構を複数有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に制御することが可能となる。さらに、複数の磁気抵抗効果素子同士が直列接続されているので、ある幅を持った通過周波数帯域を設けることができる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる前記複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なることを第８の特徴とする。ここで、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。また、「平面視形状のアスペクト比」とは、磁気抵抗効果素子の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の、短辺の長さに対する長辺の長さの比率のことである。
上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子を構成する層を一括で成膜形成することができる。
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記信号線路を介して前記第１のポートおよび前記第２のポートと直列に接続された磁気抵抗効果素子が存在しないことを第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、信号線路を介して第１のポートおよび第２のポートと直列に接続された磁気抵抗効果素子が存在しないため、信号線路を介して第１のポートおよび第２のポートと直列に接続された磁気抵抗効果素子による損失に起因した、通過特性の悪化を防ぐことができる。このことにより、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、通過周波数帯域での通過特性がよい高周波フィルタとして機能することが可能となる。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子を利用した高周波フィルタ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の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの構成を示した断面模式図である。 第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。 第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。 第２の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの構成を示した断面模式図である。 第２の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。 第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの構成を示した断面模式図である。 第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの上面図である。 第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。 第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの構成を示した断面模式図である。 第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。 第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの構成を示した断面模式図である。 第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの上面図である。 第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
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、置換又は変更を行うことができる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化自由層１０４を有する磁気抵抗効果素子１０１、上部電極１０５、下部電極１０６、信号線路１０７、第１のポート１０９ａ、第２のポート１０９ｂ、直流電流入力端子１１０、コンデンサ１１１および周波数設定機構としての磁場供給機構１１２を有している。第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、磁気抵抗効果素子１０１は、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されている。直流電流入力端子１１０は信号線路１０７に接続され、直流電流入力端子１１０にグラウンド１０８に接続された直流電流源１１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１０１、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路１１４が形成される。また、コンデンサ１１１は、閉回路１１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路１１４と第２のポート１０９ｂとの間に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されている。また、磁気抵抗効果デバイス１００には、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続された磁気抵抗効果素子が存在しない。
第１のポート１０９ａは交流信号である高周波信号が入力される入力ポートであり、第２のポート１０９ｂは高周波信号が出力される出力ポートである。信号線路１０７は、上部電極１０５を介して磁気抵抗効果素子１０１に電気的に接続されており、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の一部が磁気抵抗効果素子１０１に入力され、一部が第２のポート１０９ｂに出力される。また、高周波信号が第１のポート１０９ａから第２のポート１０９ｂに通過する際の電力比（出力電力／入力電力）のｄＢ値である減衰量（Ｓ２１）は、ネットワークアナライザなどの高周波測定器により測定することが出来る。
上部電極１０５および下部電極１０６は、一対の電極としての役目を有し、磁気抵抗効果素子１０１を構成する各層の積層方向に磁気抵抗効果素子１０１を介して配設されている。つまり、上部電極１０５および下部電極１０６は、信号（電流）を磁気抵抗効果素子１０１に対して、磁気抵抗効果素子１０１を構成する各層の面と交差する方向、例えば、磁気抵抗効果素子１０１を構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に流すための一対の電極としての機能を有している。上部電極１０５および下部電極１０６は、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、もしくはこれらの材料のいずれか２つ以上の膜で構成されることが好ましい。磁気抵抗効果素子１０１は、一端（磁化固定層１０２側）が上部電極１０５を介して信号線路１０７に電気的に接続され、他端（磁化自由層１０４側）が下部電極１０６を介してグラウンド１０８に電気的に接続されている。
また、グラウンド１０８は基準電位として機能する。信号線路１０７とグラウンド１０８との形状は、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）型やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型に規定することが好ましい。マイクロストリップライン形状やコプレーナウェーブガイド形状を設計する際、信号線路１０７の特性インピーダンスと回路系のインピーダンスが等しくなるように信号線路１０７の信号線幅やグラウンド間距離を設計することにより、信号線路１０７を伝送損失の少ない伝送線路とすることが可能となる。
直流電流入力端子１１０は、信号線路１０７に接続されている。直流電流入力端子１１０に直流電流源１１３が接続されることで、磁気抵抗効果素子１０１に直流電流を印加することが可能になる。磁気抵抗効果素子１０１は、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１０１の中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置されている。また、直流電流入力端子１１０と直流電流源１１３の間には、高周波信号をカットするためのチョークコイル（インダクタ）または抵抗素子が直列に接続されてもよい。
直流電流源１１３は、グラウンド１０８及び直流電流入力端子１１０に接続され、直流電流入力端子１１０から、磁気抵抗効果素子１０１、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路１１４に、直流電流を印加する。直流電流源１１３は、例えば、可変抵抗と直流電圧源との組み合わせの回路により構成され、直流電流の電流値を変化可能に構成されている。直流電流源１１３は、一定の直流電流を発生可能な、固定抵抗と直流電圧源との組み合わせの回路により構成されてもよい。
コンデンサ１１１は、直流電流をカットすると同時に、高周波電流を通す機能を有する。コンデンサ１１１は、チップコンデンサまたはパターン線路によるコンデンサのどちらでもよい。コンデンサ１１１の容量値は１μＦ以上であることが好ましい。このコンデンサ１１１により、磁気抵抗効果デバイス１００に第１のポート１０９ａもしくは第２のポート１０９ｂを介して接続されている他の電子回路に直流電流源１１３からの直流電流が漏洩することを防止し、磁気抵抗効果素子１０１に効率的に直流電流を印加することができる。また、コンデンサ１１１により、他の電子回路から漏洩した不要な直流電流から磁気抵抗効果素子１０１を保護することもできる。
磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子１０１の近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１０１に磁場を印加して、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を設定可能となっている。例えば、磁場供給機構１１２は、電圧もしくは電流のいずれかにより、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型あるいはストリップライン型で構成される。また、磁場供給機構１１２は、電磁石型あるいはストリップライン型と一定の磁場のみを供給する永久磁石との組み合わせにより構成されていてもよい。また、磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子１０１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層１０４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。
磁化固定層１０２は、強磁性体材料で構成されており、その磁化方向が実質的に一方向に固定されている。磁化固定層１０２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＮｉとＦｅの合金、ＦｅとＣｏの合金、またはＦｅとＣｏとＢの合金などの高スピン分極率材料から構成されることが好ましい。これにより、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。また、磁化固定層１０２は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化固定層１０２の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、磁化固定層１０２の磁化を固定するために磁化固定層１０２に接するように反強磁性層を付加してもよい。或いは、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１０２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出来る。
スペーサ層１０３は、磁化固定層１０２と磁化自由層１０４の間に配置され、磁化固定層１０２の磁化と磁化自由層１０４の磁化が相互作用して磁気抵抗効果が得られる。スペーサ層１０３としては、導電体、絶縁体、半導体によって構成される層、もしくは、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。
スペーサ層１０３として非磁性導電材料を適用する場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子１０１には巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発現する。ＧＭＲ効果を利用する場合、スペーサ層１０３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
スペーサ層１０３として非磁性絶縁材料を適用する場合、材料としてはＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子１ａにはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。磁化固定層１０２と磁化自由層１０４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１０３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効果を利用する場合、スペーサ層１０３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
スペーサ層１０３として非磁性半導体材料を適用する場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘまたはＧａ２Ｏｘなどが挙げられ、スペーサ層１０３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
スペーサ層１０３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、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯ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１０３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
磁化自由層１０４は、外部印加磁場もしくはスピン偏極電子によってその磁化の方向が変化可能であり、強磁性材料で構成されている。磁化自由層１０４は、膜面内方向に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどが挙げられ、厚さは１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。磁化自由層１０４は、膜面法線方向に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としてはＣｏ、ＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金またはＴｂＦｅＣｏ合金などが挙げられる。また、磁化自由層１０４は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化自由層１０４とスペーサ層１０３との間に、高スピン分極率材料を挿入しても良い。これによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。高スピン分極率材料としては、ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金などが挙げられる。ＣｏＦｅ合金またはＣｏＦｅＢ合金いずれの膜厚も０．２〜１．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
また、上部電極１０５と磁気抵抗効果素子１０１との間、および下部電極１０６と磁気抵抗効果素子１０１との間にキャップ層、シード層またはバッファー層を配設しても良い。キャップ層、シード層またはバッファー層としては、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒまたはこれらの積層膜などが挙げられ、これらの層の膜厚は２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
尚、磁気抵抗効果素子１０１の大きさは、磁気抵抗効果素子１０１の平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺を１００ｎｍ程度、或いは１００ｎｍ以下にすることが望ましい。また、磁気抵抗効果素子１０１の平面視形状が長方形ではない場合は、磁気抵抗効果素子１０１の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の長辺を、磁気抵抗効果素子１０１の長辺と定義する。長辺が１００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層１０４の磁区の単磁区化が可能となり、高感度のスピントルク共鳴現象の実現が可能となる。ここで、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。
ここで、スピントルク共鳴現象について説明する。
磁気抵抗効果素子１０１に、磁気抵抗効果素子１０１の固有のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号を入力すると、磁化自由層１０４の磁化がスピントルク共鳴周波数で振動する。この現象をスピントルク共鳴現象と呼ぶ。磁気抵抗効果素子１０１の素子抵抗値は、磁化固定層１０２と磁化自由層１０４との磁化の相対角で決まる。そのため、スピントルク共鳴時の磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は、磁化自由層１０４の磁化の振動に伴い、周期的に変化する。つまり、磁気抵抗効果素子１０１は、スピントルク共鳴周波数で抵抗値が周期的に変化する抵抗振動素子として取り扱うことが出来る。さらに、磁気抵抗効果素子１０１の中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れる直流電流を磁気抵抗効果素子１０１に印加しながら、磁気抵抗効果素子１０１にスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号を入力すると、磁気抵抗効果素子１０１は、入力された高周波信号とは位相が１８０°異なる状態で、スピントルク共鳴周波数で抵抗値が周期的に変化し、この高周波信号に対するインピーダンスは増加する。つまり、磁気抵抗効果素子１０１は、スピントルク共鳴現象により、スピントルク共鳴周波数で高周波信号のインピーダンスが増加する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
スピントルク共鳴周波数は、磁化自由層１０４における有効磁場によって変化する。磁化自由層１０４における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層１０４に印加される外部磁場ＨＥ、磁化自由層１０４における異方性磁場Ｈｋ、磁化自由層１０４における反磁場ＨＤ、磁化自由層１０４における交換結合磁場ＨＥＸを用いて、
Ｈｅｆｆ＝ＨＥ＋Ｈｋ＋ＨＤ＋ＨＥＸ
で表される。磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子１０１に磁場を印加して磁化自由層１０４に外部磁場ＨＥを印加することにより、磁化自由層１０４における有効磁場Ｈｅｆｆを設定可能な有効磁場設定機構である。有効磁場設定機構である磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子１０１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層１０４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を変化させることができる。このように、磁気抵抗効果素子１０１に印加される磁場を変化させると、スピントルク共鳴周波数は変化する。
また、スピントルク共鳴時に磁気抵抗効果素子１０１に直流電流が印加されることにより、スピントルクが増加して、振動する抵抗値の振幅が増加する。振動する抵抗値の振幅が増加することにより、磁気抵抗効果素子１０１の素子インピーダンスの変化量が増加する。また、印加される直流電流の電流密度を変化させると、スピントルク共鳴周波数は変化する。したがって、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数は、磁場供給機構１１２からの磁場を変化させるか、直流電流入力端子１１０からの印加直流電流を変化させることにより変化させることができる。磁気抵抗効果素子１０１に印加される直流電流の電流密度は、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、この値以上の電流密度の直流電流の印加により、磁気抵抗効果素子の磁化自由層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。
第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は、一部が磁気抵抗効果素子１０１を通過してグラウンド１０８に流れ、残りが第２のポート１０９ｂから出力される。この時、スピントルク共鳴現象により、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくはスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、高インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１０１に流れにくくなるため、第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。このように、磁気抵抗効果デバイス１００は、スピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過周波数帯域の高周波フィルタの機能を有することが出来る。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、帯域通過型のフィルタ（バンドパスフィルタ）となる。ここで、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくはスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）において、磁気抵抗効果素子１０１のインピーダンスは、第２のポート１０９ｂに接続される他の電子回路のインピーダンスより大きいことが望ましい。また、スピントルク共鳴周波数およびスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数を除く周波数（遮断帯域の周波数）において、磁気抵抗効果素子１０１のインピーダンスは、第２のポート１０９ｂに接続される他の電子回路のインピーダンスより小さいことが望ましい。
図２および図３に、磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数と減衰量との関係を示したグラフを示す。図２および図３の縦軸は減衰量、横軸は周波数を表している。図２は、磁気抵抗効果素子１０１に印加された磁場が一定の時のグラフである。図２のプロット線１２１は、直流電流入力端子１１０から磁気抵抗効果素子１０１に印加される直流電流値がＩ０の時のものであり、プロット線１２２は、直流電流入力端子１１０から磁気抵抗効果素子１０１に印加される直流電流値がＩ１（＞Ｉ０）の時のものである。また、図３は、磁気抵抗効果素子１０１に印加された直流電流が一定の時のグラフである。図３のプロット線１２３は、磁場供給機構１１２から印加される磁場強度がＨ０の時のものであり、プロット線１２４は、磁場供給機構１１２から印加される磁場強度がＨ１（＞Ｈ０）の時のものである。例えば、図２に示されるように、直流電流入力端子１１０から磁気抵抗効果素子１０１に印加される直流電流値をＩ０からＩ１に大きくした場合、電流値の変化に伴い磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数（通過帯域の周波数）での素子インピーダンスの増加量が増加することで、第２のポート１０９ｂから出力される高周波信号がさらに多くなり、通過量（通過量の絶対値）が大きくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、遮断特性と通過特性のレンジが大きな高周波フィルタを実現することが可能となる。また、直流電流値を大きくすると磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数は周波数ｆ０から周波数ｆ１に、すなわち低周波数側へシフトし、通過周波数帯域は周波数帯域１２０ａから周波数帯域１２０ｂへと低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域の周波数を変化可能な高周波フィルタとして機能することも出来る。
さらに、例えば、図３に示されるように、磁場供給機構１１２から印加される磁場強度をＨ０からＨ１に強くした場合、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数は周波数ｆ２から周波数ｆ３に、すなわち高周波数側へシフトし、通過周波数帯域は周波数帯域１２０ｃから周波数帯域１２０ｄへと高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層１０４における有効磁場Ｈｅｆｆ）を変化させる方が、直流電流値を変化させるよりも大きく通過周波数帯域をシフトさせることができる。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域の周波数を変化可能な高周波フィルタとして機能することが出来る。
なお、磁気抵抗効果素子１０１に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層１０４における有効磁場Ｈｅｆｆ）が大きくなるに従って、磁気抵抗効果素子１０１の振動する抵抗値の振幅が小さくなるので、磁気抵抗効果素子１０１に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層１０４における有効磁場Ｈｅｆｆ）を大きくするのに伴い、磁気抵抗効果素子１０１に印加される直流電流の電流密度を大きくすることが好ましい。
このように、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化の方向が変化可能である磁化自由層１０４を有する磁気抵抗効果素子１０１と、第１のポート１０９ａと、第２のポート１０９ｂと、信号線路１０７と、直流電流入力端子１１０と、コンデンサ１１１とを有し、第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、磁気抵抗効果素子１０１は、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続され、直流電流入力端子１１０は信号線路１０７に接続され、磁気抵抗効果素子１０１、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路１１４が形成され、磁気抵抗効果素子１０１は、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１０１の中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置され、コンデンサ１１１は、閉回路１１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路１１４と第２のポート１０９ｂとの間に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されている。
したがって、磁気抵抗効果素子１０１に第１のポート１０９ａから信号線路１０７を介して高周波信号が入力されることにより、磁気抵抗効果素子１０１にスピントルク共鳴を誘起させることが出来る。このスピントルク共鳴と同時に、磁気抵抗効果素子１０１の中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に直流電流が流れることにより、磁気抵抗効果素子１０１は、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号とは位相が１８０°異なる状態で、スピントルク共鳴周波数に対応した周波数で周期的に抵抗値が振動する素子として扱うことが出来る。この効果により、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数に対する素子インピーダンスが増加する。磁気抵抗効果素子１０１は、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されているので、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号のうち磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数の高周波信号は、磁気抵抗効果素子１０１に流れにくくなり、第２のポート１０９ｂには流れやすくなる。このように、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号を、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数では、第２のポート１０９ｂに対して通過させることが出来る。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、高周波フィルタとしての周波数特性をもつことが可能となる。
また、直流電流入力端子１１０から入力された直流電流は、磁気抵抗効果素子１０１、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含んで形成される閉回路１１４を流れる。この閉回路１１４により、磁気抵抗効果素子１０１に効率的に直流電流を印加することが出来る。磁気抵抗効果素子１０１はこの直流電流が印加されることにより、スピントルクが増加して、振動する抵抗値の振幅が増加する。振動する抵抗値の振幅が増加することにより、磁気抵抗効果素子１０１の素子インピーダンスの変化量が増加するため、磁気抵抗効果デバイス１００は、遮断特性と通過特性のレンジが大きな高周波フィルタとして機能することが可能となる。
遮断特性と通過特性のレンジを大きくするためには、磁化自由層１０４が膜面法線方向に磁化容易軸を有し、磁化固定層１０２が膜面方向に磁化容易軸を有する構成とすることが好ましい。
また、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されたコンデンサ１１１は、直流電流入力端子１１０から印加された直流電流の第１のポート１０９ａまたは第２のポート１０９ｂへの流出を阻止することができるため、第１のポート１０９ａまたは第２のポート１０９ｂに他の電子回路が接続された場合に、他の電子回路への直流電流の混入を防ぐことが可能となる。
さらに、直流電流入力端子１１０から印加される直流電流を変化させることにより、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を可変制御することができるため、磁気抵抗効果デバイス１００は、周波数可変フィルタとして機能することも可能となる。
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構としての磁場供給機構１１２を有するので、磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を任意の周波数にすることができる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１００は、任意の周波数帯のフィルタとして機能することが可能となる。
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、磁場供給機構１１２が、磁化自由層１０４における有効磁場を設定可能な有効磁場設定機構であり、磁化自由層１０４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１０１のスピントルク共鳴周波数を変化可能であるので、周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続された磁気抵抗効果素子が存在しないため、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続された磁気抵抗効果素子による損失に起因した、通過特性の悪化を防ぐことができる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス１００は、通過周波数帯域での通過特性がよい高周波フィルタとして機能することが可能となる。
また、第１の実施形態では、コンデンサ１１１が閉回路１１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路１１４と第２のポート１０９ｂとの間の両方に接続されている例で説明したが、どちらか一方のみにコンデンサ１１１が接続されている形態でもよい。この場合でも、直流電流入力端子１１０から印加された直流電流の、第１のポート１０９ａまたは第２のポート１０９ｂのいずれか一方への流出を阻止することができる。また、第１の実施形態では、コンデンサ１１１が閉回路１１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路１１４と第２のポート１０９ｂとの間に１個ずつ接続されている例で説明したが、コンデンサ１１１はそれぞれの箇所において、複数個接続されていても良い。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス２００の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス２００において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス２００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化自由層１０４を有する２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ、上部電極１０５、下部電極１０６、信号線路１０７、第１のポート１０９ａ、第２のポート１０９ｂ、直流電流入力端子１１０、コンデンサ１１１および２つの周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有している。２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂはその構成が互いに同じであり、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士は上部電極１０５と下部電極１０６との間に並列接続されている。磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂは、それぞれ、第１の実施形態の磁場供給機構１１２と同じ構成であり、磁場供給機構１１２ａは磁気抵抗効果素子１０１ａに磁場を印加し、磁場供給機構１１２ｂは磁気抵抗効果素子１０１ｂに磁場を印加する。このように、磁気抵抗効果デバイス２００は、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有している。第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂは、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されている。直流電流端子１１０は信号線路１０７に接続され、直流電流入力端子１１０にグラウンド１０８に接続された直流電流源１１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１０１ａ、磁気抵抗効果素子１０１ｂ、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路２１４が形成される。直流電流入力端子１１０から入力された直流電流は閉回路２１４を流れ、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂに直流電流が印加される。磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂは、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂの中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置されている。また、コンデンサ１１１は、閉回路２１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路２１４と第２のポート１０９ｂとの間に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されている。
第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は、一部が並列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａと磁気抵抗効果素子１０１ｂを通過してグラウンド１０８に流れ、残りが第２のポート１０９ｂから出力される。この時、スピントルク共鳴現象により、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくは、磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、合成インピーダンスが高インピーダンス状態の、並列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａと磁気抵抗効果素子１０１ｂに流れにくくなるため、第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。つまり、磁気抵抗効果デバイス２００は、磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過周波数帯域の高周波フィルタの機能を有することが出来る。
図５に、磁気抵抗効果デバイス２００に入力される高周波信号の周波数と減衰量との関係を示したグラフを示す。図５の縦軸は減衰量、横軸は周波数を表している。例えば、図５に示すように、磁気抵抗効果素子１０１ａのスピントルク共鳴周波数をｆａ，磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数をｆｂとすると、磁気抵抗効果素子１０１ａに印加されている磁場強度より磁気抵抗効果素子１０１ｂに印加されている磁場強度が大きい場合、ｆａ＜ｆｂとなる。ここで、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が並列接続されているので、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂのうち、少なくとも１つがスピントルク共鳴現象により高インピーダンス状態になると、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの両方がスピントルク共鳴を起こさない場合に比べて、並列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａと磁気抵抗効果素子１０１ｂの合成インピーダンスは高くなるため、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。したがって、図５に示されるように、磁気抵抗効果素子１０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図５に示す通過周波数帯域２２０ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図５に示す通過周波数帯域２２０ｂ）の一部が重なるように磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場強度を調整することによって、磁気抵抗効果デバイス２００は、図５に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図５に示す通過周波数帯域２２０）を持つことができる。さらに、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２ａ，１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス２００は、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
このように、磁気抵抗効果デバイス２００は、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に制御することができる。さらに磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が並列接続されているので、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍における、並列接続された複数の磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの合成インピーダンスを増加させることが出来るため、ある幅を持った通過周波数帯域２２０を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス２００は、ある幅を持った通過周波数帯域を備え、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
また、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００では、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が並列に接続されており、各磁気抵抗素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に２つの周波数設定機構（磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂ）が備えられているが、３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が並列に接続されており、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に３つ以上の周波数設定機構（磁場供給機構）が備えられていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
また、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス２００では、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの構成が互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、構成が互いに異なっていてもよい。
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス３００の概略断面図である。磁気抵抗効果デバイス３００において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス３００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化自由層１０４を有する２つの磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂ、上部電極１０５、下部電極１０６、信号線路１０７、第１のポート１０９ａ、第２のポート１０９ｂ、直流電流入力端子１１０、コンデンサ１１１および周波数設定機構としての磁場供給機構１１２を有している。磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂ同士は上部電極１０５と下部電極１０６との間に並列接続されている。磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂは、同一の磁場および同一の電流密度の直流電流が印加された状態でのスピントルク共鳴周波数が互いに異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂは、膜構成が互いに同じで、平面視形状はともに長方形であるが、平面視形状のアスペクト比が互いに異なっている。ここで「膜構成が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。また、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。また、「平面視形状のアスペクト比」とは、磁気抵抗効果素子の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の、短辺の長さに対する長辺の長さの比率のことである。
第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、磁気抵抗効果素子３０１ａおよび磁気抵抗効果素子３０１ｂは、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されている。直流電流入力端子１１０は信号線路１０７に接続され、直流電流入力端子１１０にグラウンド１０８に接続された直流電流源１１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子３０１ａ、磁気抵抗効果素子３０１ｂ、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路３１４が形成される。直流電流入力端子１１０から入力された直流電流は閉回路３１４を流れ、磁気抵抗効果素子３０１ａおよび磁気抵抗効果素子３０１ｂに直流電流が印加される。磁気抵抗効果素子３０１ａおよび磁気抵抗効果素子３０１ｂは、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子３０１ａおよび磁気抵抗効果素子３０１ｂの中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置されている。また、コンデンサ１１１は、閉回路３１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路３１４と第２のポート１０９ｂとの間に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されている。
磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに同時に同一の磁場を印加する。また、磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの磁化自由層１０４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。
磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの膜構成は第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１０１と同じである。図７は、磁気抵抗効果デバイス３００の上面図である。図７に示すように、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ０は同じであるが、磁気抵抗効果素子３０１ａの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘａと磁気抵抗効果素子３０１ｂの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘｂは異なっており、Ｘａ＜Ｘｂであることから、磁気抵抗効果素子３０１ａの平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）より、磁気抵抗効果素子３０１ｂの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ０）は大きい。同一の磁場および同一の電流密度の直流電流が磁気抵抗効果素子に印加された状態で考えると、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子３０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂは磁気抵抗効果素子３０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａよりも高くなる。このように、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに異ならせることで、膜構成が互いに同じであってもスピントルク共鳴周波数を互いに異ならせることができるため、同一の成膜プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子を構成する層を一括で成膜形成することができる。
第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は、一部が並列接続された磁気抵抗効果素子３０１ａと磁気抵抗効果素子３０１ｂを通過してグラウンド１０８に流れ、残りが第２のポート１０９ｂから出力される。この時、スピントルク共鳴現象により、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子３０１ａまたは磁気抵抗効果素子３０１ｂのスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくは、磁気抵抗効果素子３０１ａまたは磁気抵抗効果素子３０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、合成インピーダンスが高インピーダンス状態の、並列接続された磁気抵抗効果素子３０１ａまたは磁気抵抗効果素子３０１ｂに流れにくくなるため、第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。つまり、磁気抵抗効果デバイス３００は、磁気抵抗効果素子３０１ａまたは磁気抵抗効果素子３０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過周波数帯域の高周波フィルタの機能を有することが出来る。
図８に、磁気抵抗効果デバイス３００に入力される高周波信号の周波数と減衰量との関係を示したグラフを示す。図８の縦軸は減衰量、横軸は周波数を表している。２つの磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂ同士が並列接続されているので、磁気抵抗効果素子３０１ａおよび磁気抵抗効果素子３０１ｂのうち、少なくとも１つがスピントルク共鳴現象により高インピーダンス状態になると、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの両方がスピントルク共鳴を起こさない場合に比べて、並列接続された磁気抵抗効果素子３０１ａと磁気抵抗効果素子３０１ｂの合成インピーダンスは高くなるため、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。したがって、図８に示されるように、磁気抵抗効果素子３０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図８に示す通過周波数帯域３２０ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子３０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図８に示す通過周波数帯域３２０ｂ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、磁気抵抗効果デバイス３００は、図８に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図８に示す通過周波数帯域３２０）を持つことができる。
さらに、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス３００は、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
このように、磁気抵抗効果デバイス３００は、互いにスピントルク周波数の異なる磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂ同士が並列接続されているので、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍における、並列接続された複数の磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの合成インピーダンスを増加させることが出来るため、ある幅を持った通過周波数帯域３２０を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その通過周波数帯域の位置を変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス３００は、ある幅を持った通過周波数帯域を備え、通過周波数帯域の位置を変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
さらに、磁気抵抗効果デバイス３００は、磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂを作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂを構成する層を一括で成膜形成することができる。
また、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００では、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる２つの磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂ同士が並列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が並列に接続されていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
また、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００では、２つの磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂの膜構成は互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、膜構成が互いに異なっていてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに同じにしつつ膜構成を互いに異ならせて、複数の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を互いに異ならせるようにしても良い。
また、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００では、磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子３０１ａ、３０１ｂに同時に同一の磁場を印加しているが、第２の実施形態と同様に、各磁気抵抗効果素子に個別に磁場を印加するための磁場供給機構が備えられていても良い。
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス４００の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス４００において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス４００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化自由層１０４を有する２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ、上部電極１０５ａ、１０５ｂ、下部電極１０６ａ、１０６ｂ、信号線路１０７、第１のポート１０９ａ、第２のポート１０９ｂ、直流電流入力端子１１０、コンデンサ１１１および２つの周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有している。上部電極１０５ａおよび下部電極１０６ａは磁気抵抗効果素子１０１ａを挟むように配置され、上部電極１０５ｂおよび下部電極１０６ｂは磁気抵抗効果素子１０１ｂを挟むように配置されている。２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂはその構成が互いに同じであり、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士は直列接続されている。磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂは、それぞれ、第１の実施形態の磁場供給機構１１２と同じ構成であり、磁場供給機構１１２ａは磁気抵抗効果素子１０１ａに磁場を印加し、磁場供給機構１１２ｂは磁気抵抗効果素子１０１ｂに磁場を印加する。このように、磁気抵抗効果デバイス４００は、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有している。第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、直列接続された２つの磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂは、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されている。直流電流端子１１０は信号線路１０７に接続され、直流電流入力端子１１０にグラウンド１０８に接続された直流電流源１１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路４１４が形成される。直流電流入力端子１１０から入力された直流電流は閉回路４１４を流れ、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂに直流電流が印加される。磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂは、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂの中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置されている。また、コンデンサ１１１は、閉回路４１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路４１４と第２のポート１０９ｂとの間に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと直列に接続されている。
第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は、一部が直列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂを通過してグラウンド１０８に流れ、残りが第２のポート１０９ｂから出力される。この時、スピントルク共鳴現象により、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくは、磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、合成インピーダンスが高インピーダンス状態の、直列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに流れにくくなるため、第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。つまり、磁気抵抗効果デバイス４００は、磁気抵抗効果素子１０１ａまたは磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過周波数帯域の高周波フィルタの機能を有することが出来る。
図１０に、磁気抵抗効果デバイス４００に入力される高周波信号の周波数と減衰量との関係を示したグラフを示す。図１０の縦軸は減衰量、横軸は周波数を表している。例えば、図１０に示すように、磁気抵抗効果素子１０１ａのスピントルク共鳴周波数をｆａ、磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数をｆｂとすると、磁気抵抗効果素子１０１ａに印加されている磁場強度より磁気抵抗効果素子１０１ｂに印加されている磁場強度が大きい場合、ｆａ＜ｆｂとなる。ここで、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が直列接続されているので、磁気抵抗効果素子１０１ａおよび磁気抵抗効果素子１０１ｂのうち、少なくとも１つがスピントルク共鳴現象により高インピーダンス状態になると、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの両方がスピントルク共鳴を起こさない場合に比べて、直列接続された磁気抵抗効果素子１０１ａと磁気抵抗効果素子１０１ｂの合成インピーダンスは高くなるため、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。したがって、図１０に示されるように、磁気抵抗効果素子１０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１０に示す通過周波数帯域４２０ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子１０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図５に示す通過周波数帯域４２０ｂ）の一部が重なるように磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場強度を調整することによって、磁気抵抗効果デバイス４００は、図１０に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１０に示す通過周波数帯域４２０）を持つことができる。さらに、磁場供給機構１１２ａ，１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス４００は、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
このように、磁気抵抗効果デバイス４００は、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に周波数設定機構としての磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂを有しているため、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に制御することができる。さらに磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が直列接続されているので、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍における、直列接続された複数の磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの合成インピーダンスを増加させることが出来るため、ある幅を持った通過周波数帯域４２０を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂが磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス４００は、ある幅を持った通過周波数帯域を備え、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
また、第４の実施形態の磁気抵抗効果デバイス４００では、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂ同士が直列に接続されており、各磁気抵抗素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に２つの周波数設定機構（磁場供給機構１１２ａ、１１２ｂ）が備えられているが、３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が直列に接続されており、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に３つ以上の周波数設定機構（磁場供給機構）が備えられていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
また、第４の実施形態の磁気抵抗効果デバイス４００では、２つの磁気抵抗効果素子１０１ａ、１０１ｂの構成が互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、構成が互いに異なっていてもよい。
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス５００の概略断面図である。磁気抵抗効果デバイス５００において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と共通している要素は同じ符号を用いており、共通している要素の説明は省略する。磁気抵抗効果デバイス５００は、磁化固定層１０２、スペーサ層１０３および磁化自由層１０４を有する２つの磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ、上部電極１０５ａ、１０５ｂ、下部電極１０６ａ、１０６ｂ、信号線路１０７、第１のポート１０９ａ、第２のポート１０９ｂ、直流電流入力端子１１０、コンデンサ１１１および周波数設定機構としての磁場供給機構１１２を有している。上部電極１０５ａおよび下部電極１０６ａは磁気抵抗効果素子５０１ａを挟むように配置され、上部電極１０５ｂおよび下部電極１０６ｂは磁気抵抗効果素子５０１ｂを挟むように配置されている。磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ同士は直列接続されている。磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂは、同一の磁場および同一の電流密度の直流電流が印加された状態でのスピントルク共鳴周波数が互いに異なる。より具体的には、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂは、膜構成が互いに同じで、平面視形状はともに長方形であるが、平面視形状のアスペクト比が互いに異なっている。ここで「膜構成が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。また、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。また、「平面視形状のアスペクト比」とは、磁気抵抗効果素子の平面視形状に最小の面積で外接する長方形の、短辺の長さに対する長辺の長さの比率のことである。
第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂが信号線路１０７を介して接続され、磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂは、第２のポート１０９ｂに対して並列に、信号線路１０７およびグラウンド１０８に接続されている。直流電流入力端子１１０は信号線路１０７に接続され、直流電流入力端子１１０にグラウンド１０８に接続された直流電流源１１３が接続されることにより、磁気抵抗効果素子５０１ａ、磁気抵抗効果素子５０１ｂ、信号線路１０７、グラウンド１０８および直流電流入力端子１１０を含む閉回路５１４が形成される。直流電流入力端子１１０から入力された直流電流は閉回路５１４を流れ、磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂに直流電流が印加される。磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂは、直流電流入力端子１１０から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂの中を磁化固定層１０２から磁化自由層１０４の方向に流れるように配置されている。また、コンデンサ１１１は、閉回路５１４と第１のポート１０９ａとの間および閉回路５１４と第２のポート１０９ｂとの間に直列に、信号線路１０７を介して第１のポート１０９ａおよび第２のポート１０９ｂと接続されている。
磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの近傍に配設され、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに同時に同じ強度の磁場を印加する。また、磁場供給機構１１２は、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに印加する磁場を変化させることで、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの磁化自由層１０４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂのスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。
磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの膜構成は第１の実施形態の磁気抵抗効果素子１０１と同じである。図１２は、磁気抵抗効果デバイス５００の上面図である。図１２に示すように、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの平面視形状の短辺方向であるＹ方向の寸法Ｙ０は同じであるが、磁気抵抗効果素子５０１ａの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘａと磁気抵抗効果素子５０１ｂの平面視形状の長辺方向であるＸ方向の寸法Ｘｂは異なっており、Ｘａ＜Ｘｂであることから、磁気抵抗効果素子５０１ａの平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）より、磁気抵抗効果素子５０１ｂの平面視形状のアスペクト比（Ｘｂ／Ｙ０）は大きい。同一の磁場および同一の電流密度の直流電流が磁気抵抗効果素子に印加された状態で考えると、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比が大きくなるに従って磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は高くなるため、磁気抵抗効果素子５０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂは磁気抵抗効果素子５０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａよりも高くなる。このように、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに異ならせることで、膜構成が互いに同じであってもスピントルク共鳴周波数を互いに異ならせることができるため、同一の成膜プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子を作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子を構成する層を一括で成膜形成することができる。さらに、磁気抵抗効果デバイス５００では、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ同士は直列接続されており、直流電流の流れる方向に垂直な断面の面積は、磁気抵抗効果素子５０１ａの方が磁気抵抗効果素子５０１ｂよりも小さいので、印加される直流電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子５０１ａの方が磁気抵抗効果素子５０１ｂよりも大きくなる。したがって、印加される直流電流の電流密度が大きくなるに従って、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が低くなる場合、または、印加される直流電流の電流密度の違いが磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に与える影響よりも、磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比の違いが磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数に与える影響の方が大きい場合には、平面視形状のアスペクト比が、磁気抵抗効果素子５０１ａと磁気抵抗効果素子５０１ｂとで異なることにより、ｆａ＜ｆｂとなる。
第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は、一部が直列接続された磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂを通過してグラウンド１０８に流れ、残りが第２のポート１０９ｂから出力される。この時、スピントルク共鳴現象により、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子５０１ａまたは磁気抵抗効果素子５０１ｂのスピントルク共鳴周波数と一致する、もしくは、磁気抵抗効果素子５０１ａまたは磁気抵抗効果素子５０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、合成インピーダンスが高インピーダンス状態の、直列接続された磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに流れにくくなるため、第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。つまり、磁気抵抗効果デバイス５００は、磁気抵抗効果素子５０１ａまたは磁気抵抗効果素子５０１ｂのスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過周波数帯域の高周波フィルタの機能を有することが出来る。
図１３に、磁気抵抗効果デバイス５００に入力される高周波信号の周波数と減衰量との関係を示したグラフを示す。図１３の縦軸は減衰量、横軸は周波数を表している。２つの磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ同士が直列接続されているので、磁気抵抗効果素子５０１ａおよび磁気抵抗効果素子５０１ｂのうち、少なくとも１つがスピントルク共鳴現象により高インピーダンス状態になると、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの両方がスピントルク共鳴を起こさない場合に比べて、直列接続された磁気抵抗効果素子５０１ａと磁気抵抗効果素子５０１ｂの合成インピーダンスは高くなるため、第１のポート１０９ａから入力された高周波信号は第２のポート１０９ｂに出力されやすくなる。したがって、図１３に示されるように、磁気抵抗効果素子５０１ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの近傍の周波数（図１３に示す通過周波数帯域５２０ａ）の一部と、磁気抵抗効果素子５０１ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの近傍の周波数（図１３に示す通過周波数帯域５２０ｂ）の一部が重なるように磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの平面視形状のアスペクト比を異ならせると、磁気抵抗効果デバイス５００は、図１３に示されるように、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００よりも広帯域の通過周波数帯域（図１３に示す通過周波数帯域５２０）を持つことができる。
さらに、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その帯域を任意に変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス５００は、通過周波数の帯域を任意に変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
このように、磁気抵抗効果デバイス５００は、互いにスピントルク周波数の異なる磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ同士が直列接続されているので、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ複数の周波数の近傍における、直列接続された複数の磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの合成インピーダンスを増加させることが出来るため、ある幅を持った通過周波数帯域５２０を設けることができる。さらに、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに印加される直流電流、あるいは磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに印加する磁場を変化させることで、その通過周波数帯域の位置を変更することが可能となる。このことにより、磁気抵抗効果デバイス５００は、ある幅を持った通過周波数帯域を備え、通過周波数帯域の位置を変更することが出来る周波数可変フィルタとして機能することが可能となる。
さらに、磁気抵抗効果デバイス５００は、磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの平面視形状のアスペクト比が互いに異なるため、同一プロセスでスピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂを作製することが可能となる。即ち、複数の磁気抵抗効果素子の膜構成を同じにすることができるため、複数の磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂを構成する層を一括で成膜形成することができる。
また、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００では、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる２つの磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂ同士が直列に接続されているが、スピントルク共鳴周波数が互いに異なる３つ以上の磁気抵抗効果素子同士が直列に接続されていてもよい。この場合、通過周波数帯域の幅をさらに広げることが可能となる。
また、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００では、２つの磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂの膜構成は互いに同じであるが、複数の磁気抵抗効果素子は、膜構成が互いに異なっていてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の平面視形状のアスペクト比を互いに同じにしつつ膜構成を互いに異ならせて、複数の磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を互いに異ならせるようにしても良い。
また、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス５００では、磁場供給機構１１２が磁気抵抗効果素子５０１ａ、５０１ｂに同時に同一の磁場を印加しているが、第２の実施形態と同様に、各磁気抵抗効果素子に個別に磁場を印加するための磁場供給機構が備えられていても良い。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上記で説明した実施形態以外にも変更することが可能である。例えば、第１、第３および第５の実施形態では、磁気抵抗効果デバイス１００（３００、５００）が周波数設定機構（有効磁場設定機構）として磁場供給機構１１２を有する例で説明しているが、周波数設定機構（有効磁場設定機構）は、以下に示すような他の例でも良い。例えば、磁気抵抗効果素子に電場を印加し、その電場を変化させることにより、磁化自由層における異方性磁場Ｈｋを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化させることができる。この場合、磁気抵抗効果素子に電場を印加する機構が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。また、磁化自由層の近傍に圧電体を設け、その圧電体に電場を印加して圧電体を変形させ、磁化自由層を歪ませることにより、磁化自由層における異方性磁場Ｈｋを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化させることができる。この場合、圧電体に電場を印加する機構および圧電体が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。また、電気磁気効果を有する反強磁性体またはフェリ磁性体である制御膜を磁化自由層に磁気的に結合するように設け、制御膜に磁場および電場を印加し、制御膜に印加する磁場および電場の少なくとも一方を変化させることにより、磁化自由層における交換結合磁場ＨＥＸを変化させて磁化自由層における有効磁場を変化させ、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化させることができる。この場合、制御膜に磁場を印加する機構、制御膜に電場を印加する機構および制御膜が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。
また、周波数設定機構が無くても（磁場供給機構１１２からの磁場が印加されなくても）、各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数が所望の周波数である場合には、周波数設定機構（磁場供給機構１１２）は無くてもよい。
１００，２００、３００、４００、５００ 磁気抵抗効果デバイス
１０１，１０１ａ、１０１ｂ、３０１ａ、３０１ｂ、５０１ａ、５０１ｂ 磁気抵抗効果素子
１０２ 磁化固定層
１０３ スペーサ層
１０４ 磁化自由層
１０５、１０５ａ、１０５ｂ 上部電極
１０６、１０６ａ、１０６ｂ 下部電極
１０７ 信号線路
１０８ グラウンド
１０９ａ 第１のポート
１０９ｂ 第２のポート
１１０ 直流電流入力端子
１１１ コンデンサ
１１２、１１２ａ、１１２ｂ 磁場供給機構
１１３ 直流電流源
１１４、２１４、３１４、４１４、５１４ 閉回路

Claims (9)

  1. 磁化固定層、スペーサ層および磁化の方向が変化可能である磁化自由層を有する磁気抵抗効果素子と、高周波信号が入力される第１のポートと、高周波信号が出力される第２のポートと、信号線路と、直流電流入力端子と、コンデンサとを有し、
    前記第１のポートおよび前記第２のポートが前記信号線路を介して接続され、
    前記磁気抵抗効果素子は、前記第２のポートに対して並列に、前記信号線路およびグラウンドに接続され、
    前記直流電流入力端子は前記信号線路に接続され、
    前記磁気抵抗効果素子、前記信号線路、前記グラウンドおよび前記直流電流入力端子を含む閉回路が形成され、
    前記磁気抵抗効果素子は、前記直流電流入力端子から入力される直流電流が、前記磁気抵抗効果素子の中を前記磁化固定層から前記磁化自由層の方向に流れるように配置され、
    前記コンデンサは、前記閉回路と前記第１のポートとの間および前記閉回路と前記第２のポートとの間の少なくとも一方に、前記信号線路を介して前記第１のポートおよび前記第２のポートと直列に接続されることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
  2. 前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  3. 前記周波数設定機構は、前記磁化自由層における有効磁場を設定可能な有効磁場設定機構であり、前記有効磁場を変化させて前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変化可能であることを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  4. スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  5. 複数の前記磁気抵抗効果素子同士が並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを特徴とする請求項２または３に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  6. スピントルク共鳴周波数が互いに異なる複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  7. 複数の前記磁気抵抗効果素子同士が直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子の各々のスピントルク共鳴周波数を個別に設定可能な様に前記周波数設定機構を複数有することを特徴とする請求項２または３に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  8. スピントルク共鳴周波数が互いに異なる前記複数の磁気抵抗効果素子は、平面視形状のアスペクト比が互いに異なることを特徴とする請求項４または６に記載の磁気抵抗効果デバイス。
  9. 前記信号線路を介して前記第１のポートおよび前記第２のポートと直列に接続された磁気抵抗効果素子が存在しないことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
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