(57)【要約】  磁化自由層（３３）と、磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層（３１）と、磁化自由層と磁化固定層の間に設けられた中間層（３２）とを有する磁気抵抗素子（４０）を具備する増幅装置（１７０）である。磁気抵抗素子の磁化自由層側には第１の電極層（１７１）が設けられ、磁気抵抗素子の磁化固定層側には第２の電極層（１７２）が設けられる。増幅装置はさらに、磁気抵抗素子に直流バイアスを印加する直流バイアス電源（１７４）と負荷抵抗（１７６）とを具備する。増幅装置は、磁化自由層の磁化の向きの変化を連続的に引き起こすことにより磁気抵抗素子が負性抵抗を示し、これにより、入力信号を増幅する。
2009047857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化自由層と、
前記磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層と、
前記磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられた中間層と、
を有する磁気抵抗素子を具備し、前記磁気抵抗素子の磁化自由層側に第１の電極層が設けられ、前記磁気抵抗素子の磁化固定層側に第２の電極層が設けられており、さらに、
信号源回路を具備する増幅装置であって、
前記磁化自由層の磁化の向きの変化を連続的に引き起こすことにより前記磁気抵抗素子が負性抵抗を示し、これにより、入力信号を増幅することを特徴とする増幅装置。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子に電圧が印加されない状態における前記磁化自由層の磁化の向きと、前記磁化固定層の磁化の向きとがなす角が鋭角であり、
前記第１の電極層から電子が流れ込むように電圧を印加して前記磁化自由層の磁化の向きの変化を連続的に引き起こすことによって前記磁気抵抗素子が負性抵抗を示すことを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
【請求項３】
前記磁気抵抗素子に電圧が印加されない状態における前記磁化自由層の磁化の向きと前記磁化固定層の磁化の向きとがなす角が安定的に鋭角となるよう、前記磁気抵抗素子に磁界を印加する手段を具備する請求項２記載の増幅装置。
【請求項４】
前記磁界を印加する手段が永久磁石層からなり、
前記永久磁石層と、前記磁気抵抗素子並びに前記第１及び第２の電極層とを絶縁する絶縁層を具備することを特徴とする請求項３記載の増幅装置。
【請求項５】
前記中間層が、前記磁化自由層の磁化の向きと前記磁化固定層の磁化の向きとがなす角が安定的に鋭角となるような厚さを有することを特徴とする請求項１記載の増幅装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗素子の磁気抵抗比が１００％以上であることを特徴とする請求項１記載の増幅装置。
【請求項７】
前記磁化固定層に隣接して反強磁性層が形成されていることを特徴とする請求項１記載の増幅装置。
【請求項８】
前記磁化固定層に隣接して反強磁性層、強磁性層及び非磁性層の積層構造が形成されていることを特徴とする請求項１記載の増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いた増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からエサキダイオードに代表されるトンネルダイオードが負性抵抗素子として知られている（例えば、特許文献１）。トンネルダイオードが示す負性抵抗はトンネル現象に由来するものであり、例えばエサキダイオードの場合、PN接合型ダイオードにおいてＰ型およびＮ型の不純物濃度を高くすることで実現されている。【０００３】
図１は各種材料（Ｇｅ、ＧａＳｂ、Ｓｉ、ＧａＡｓ）で作製されたエサキダイオードの電流−電圧特性を示す。これらの特性を模式的に示すと図２のようになる。図２中の２１は電流−電圧特性中に現れる負性抵抗領域を表している。このように特異な電気伝導特性である負性抵抗を示す素子は増幅器に応用することが可能である。【０００４】
また、第１の強磁性層、絶縁体層及び第２の強磁性層が積層された強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子を磁気メモリ素子として利用することが提案されている（例えば、特許文献２）。当該磁気抵抗効果素子もまた負性抵抗領域を含む電流−電圧特性を有する。
【特許文献１】特公昭３５−００６３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８７５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エサキダイオードの電流−電圧特性は、トンネル電流、過剰電流、拡散電流の三つの異なる成因をもつ電流成分の和で表されることになる。そのため、直線性のよい領域だけでなく、広い範囲にわたって図１の領域２２のような非線形領域を示してしまう。このような非線形領域の存在により、増幅装置への応用の際、安定した利得を得ることができないという問題が生じる。【０００６】
また、エサキダイオードにおいては、負性抵抗が現れる電圧領域は材料のバンドギャップにより決定される。したがって、負性抵抗が発現する電圧領域は材料により決定されてしまい、同一の材料を用いて異なる電圧領域をもつ負性抵抗素子を作製することはできない。このため、同一の材料を用いて異なる直流バイアスで素動作する増幅装置を実現することができない。【０００７】
特許文献２に開示される強磁性トンネル接合を有する磁気抵抗効果素子もまた負性抵抗を示すが、エサキダイオードと同様、その電流−電圧特性には大きな非線形領域が存在し、増幅装置への応用の際、安定した利得を得ることができない。【０００８】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、トンネル効果とは異なる原理によって負性抵抗を生じる２端子型負性抵抗素子を提供し、この直線性のよい負性抵抗領域をもつ素子を利用した増幅装置を実現することを目的とする。また、同一の材料を利用して多様な直流バイアスで動作する増幅装置を作製可能にすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
磁化自由層、中間層及び磁化固定層からなる磁気抵抗素子において、磁化自由層と磁化固定層の磁化方向がなす角が鋭角（好ましくは平行）である場合に、電流を磁化固定層側から磁化自由層側に流し、スピントルクによって生じる磁化自由層の磁化反転を有効磁界と電圧制御によって抑制することで、磁化反転を連続的に引き起こし、磁気抵抗素子の示す電流−電圧特性中に負性抵抗を生じさせる。このような磁気抵抗素子を利用して増幅装置を実現することができる。【００１０】
本発明の増幅装置は、磁化自由層と、磁化自由層がもつ磁気モーメントよりも大きな磁気モーメントを有する磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層の間に設けられた中間層とを有する磁気抵抗素子を具備する。磁気抵抗素子の磁化自由層側には第１の電極層が設けられ、磁気抵抗素子の磁化固定層側には第２の電極層が設けられる。本発明の増幅装置は、さらに、磁気抵抗素子に直流バイアスを印加する直流バイアス電源と、負荷抵抗とを具備するように構成される。そして、磁化自由層の磁化の向きの変化を連続的に引き起こすことにより磁気抵抗素子が負性抵抗を示し、これにより、入力信号が増幅されることを特徴とする。【００１１】
また、磁気抵抗素子に電圧が印加されない状態における磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとがなす角が鋭角であり、第１の電極層から電子が流れ込むように電圧を印加して前記磁化自由層の磁化の向きの変化を連続的に引き起こすことによって前記磁気抵抗素子が負性抵抗を示すことを特徴とする。【００１２】
この目的のため、本発明の増幅装置は、磁気抵抗素子に電圧が印加されない状態における磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとがなす角が安定的に鋭角となるよう、磁気抵抗素子に磁界を印加する手段を具備するように構成してもよい。【００１３】
さらに、磁界を印加する手段が永久磁石層からなり、永久磁石層と、磁気抵抗素子並びに第１及び第２の電極層とを絶縁する絶縁層を具備するように増幅装置を構成してもよい。【００１４】
別の態様として、磁界を印加する手段を有さない構成も可能である。この場合、増幅装置は、磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとがなす角が安定的に鋭角となるような厚さを上記中間層が有するように構成される。【００１５】
また、磁気抵抗素子の磁気抵抗比は、好ましくは１００％以上である。【００１６】
さらに、磁化固定層に隣接して反強磁性層を形成したり、反強磁性層、強磁性層及び非磁性層の積層構造を形成することにより、磁化固定層の磁化方向を固定してもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明においては、負性抵抗の発現原理がバイアス電圧の加減による磁化のつりあいの位置のずれに起因するものであるため、従来の負性抵抗素子と比較してより直線性のよい負性抵抗領域をもつ負性抵抗素子を提供することができ、したがって、安定した増幅特性をもつ増幅装置を実現できる。また、同一の材料を利用して多様な直流バイアスで動作する増幅装置が作製可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】各種材料で作製されたエサキダイオードの電流−電圧特性を示す図である。
【図２】エサキダイオードの電流−電圧特性を示す模式図である。
【図３】本発明において負性抵抗素子として利用される磁気抵抗素子の構成を示す図である。
【図４】合成反強磁性結合を磁化固定層に設けたスピンバルブ構造の磁気抵抗素子の構成を示す図である。
【図５】スピンバルブ構造の磁気抵抗素子の抵抗−外部磁界特性を示す図である。
【図６】図４の磁気抵抗素子が平行状態で安定になるように外部磁界を印加し、その後外部磁界を印加しない状態において測定した電流−電圧特性を示す図である。
【図７】図４の磁気抵抗素子に平行状態のみを安定点として取りえる外部磁界を印加して測定した電流−電圧特性を示す図である。
【図８】磁界を印加する手段を具備する負性抵抗素子の構成の一例を示す図である。
【図９】磁界を印加する手段を具備する負性抵抗素子の構成の一例を示す図である。
【図１０】図５の場合と比較して中間層の膜厚を薄くした場合の抵抗−外部磁界特性を示す図である。
【図１１】ＭｇＯからなる中間層４５の厚さを変化させた場合の抵抗−外部磁界特性のシフト量を示す図である。
【図１２】図１０の抵抗−外部磁界特性をもつ磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１３】ＭＲ比が約８０％である図４の磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１４】ＭＲ比が約１００％である図４の磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１５】磁化自由層の膜面内方向の形状が長方形であり、その長辺と短辺の比が２：１である場合の図４の磁気抵抗素子の電流−電圧特性を示す図である。
【図１６】磁気抵抗素子に印加する外部磁界を変化させて測定した微分コンダクタンス（ｄＩ／ｄＶ）をプロットした図である。
【図１７】磁気抵抗素子を用いた本発明の増幅装置の構成例である。
【図１８】本発明の増幅装置の利得の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
２１  負性抵抗領域
２２  非線形領域
３０  磁気抵抗素子
３１  磁化固定層
３２  中間層
３３  磁化自由層
３４  磁化固定層及び磁化自由層の磁化方向
４０  スピンバルブ構造の磁気抵抗素子
４１  反強磁性層
４２  第１の磁化固定層
４３  非磁性層
４４  第２の磁化固定層
４５  非磁性層（中間層）
４６  磁化自由層
４７  合成反強磁性結合
５１  ヒステリシス領域
８０  負性抵抗素子
８１  磁化固定層
８２  中間層
８３  磁化自由層
８４、８５  電極層
８６、８６ａ、８６ｂ  絶縁層
８７、８７ａ、８７ｂ  永久磁石層
８８  磁化固定層の磁気モーメントの方向
８９  磁気抵抗素子
９０  負性抵抗素子
９８  磁化固定層の磁気モーメントの方向
１０１  ヒステリシス領域
１７０  増幅装置
１７１、１７２  電極層
１７３  負性抵抗素子
１７４  直流バイアス電源
１７５  交流電源
１７６  負荷抵抗
１７７  キャパシタンス
１７８  電圧計
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の増幅装置に用いられる負性抵抗素子は、磁気抵抗素子において電子スピン注入により引き起こされる磁化反転を抑制することによって、磁化方向の連続的な変化を起こさせるものである。こうすることで、電流−電圧特性中に負性抵抗領域が現れ、磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子が実現され、増幅装置に利用できる。【００２１】
本発明により実現される負性抵抗の諸特性のうち、特性電圧（負性抵抗の開始電圧）の値はスピン注入磁化反転を起こす臨界電流値によって決定され、電流比（電流−電圧特性におけるピークバレイ比）は磁気抵抗素子の示す磁気抵抗比によって決まる。本発明により実現される負性抵抗領域は、磁化のつりあいの位置の連続的な変化に起因するものであるために、従来の負性抵抗素子と比較して直線性が改善される。【００２２】
まず、図３を参照して、本発明の増幅装置に利用される、負性抵抗を示す磁気抵抗素子の構成について説明する。磁気抵抗素子３０は、磁化固定層３１、中間層３２及び磁化自由層３３からなり、中間層３２が磁化固定層３１及び磁化自由層３３の間に配置された構造を有する。図３において、磁化固定層３１と磁化自由層３３の磁化の向きが矢印３４で表されている。以下、本明細書において、「磁化自由層」及び「磁化固定層」という用語は、磁化自由層の磁気モーメントが磁化固定層の磁気モーメントよりも小さいものとして定義される。【００２３】
磁気抵抗素子３０は、これに印加する電圧を適切に制御することにより、負性抵抗素子として機能する。一例として、図３中の矢印３４のように磁化自由層３３の磁気モーメントが磁化固定層３１の磁気モーメントと平行状態にある場合には、磁化自由層３３側から磁化固定層３１へと電子を流れ込ませるべく、磁化固定層３１側から電流が流れ込むよう、磁気抵抗素子３０に電圧を印加する。【００２４】
さらに、磁気抵抗素子３０に印加される電圧が徐々に上昇するよう電圧制御を行う。このような制御を行う場合の磁気抵抗素子３０の動作は以下のように説明される。
１）印加電圧が上昇すると、磁気抵抗素子３０を流れる電流値も上昇する。
２）電流値が上昇すると、磁化自由層３３の磁気モーメントにかかるスピントルクが上昇する。
３）負性抵抗素子を流れる電流値が、磁化自由層３３が磁化反転を起こす臨界電流値（以下、当該臨界電流値をＩ１とし、このとき素子３０に印加される電圧値をＶ１とする。）に達すると、磁化自由層３３の磁気モーメントにかかるスピントルクが十分な値（以下、ｆ１とする。）となり、当該磁気モーメントは磁化反転を起こそうとする。
４）磁化自由層３３の磁気モーメントが反転しかけると、磁化自由層３３の磁気モーメントと磁化固定層３１の磁気モーメントとが平行状態でなくなり、磁気抵抗効果により磁気抵抗素子３０の抵抗値が上昇する。
５）当該抵抗値の上昇により、磁気抵抗素子３０を流れる電流値は減少する。後述するが、磁気抵抗素子３０の磁気抵抗比（ＭＲ比）がある程度大きな値であれば、素子３０を流れる電流値をＩ２、印加される電圧値をＶ２とすると、Ｉ２＜Ｉ１及びＶ１＜Ｖ２という関係になる。すなわち、素子３０の電流−電圧特性の傾きは負となり、負性抵抗が生じる。
６）素子３０を流れる電流値の減少により、磁化自由層３３の磁気モーメントにかかるスピントルクを起こすための電子も減少する。これにより当該スピントルクが弱まり、このときのスピントルクをｆ２とすると、ｆ２＜ｆ１となる。
７）スピントルクが弱まるため、反転しかけた磁化自由層３３の磁気モーメントは有効磁界とつりあった位置に停止する。
８）素子３０への印加電圧は徐々に上昇するよう制御されているので、再び１）に戻り上述の１）〜７）の動作が繰り返される。１）〜７）の動作が繰り返されるたびに、磁化自由層３３の磁気モーメントは磁化固定層３１の磁気モーメントに対して反平行となる状態へと徐々に移っていく。【００２５】
以上のように、本発明によれば、磁気抵抗素子３０において印加電圧を連続的に上昇するよう制御することにより、磁化自由層３３の磁化反転が連続的に起こるような状態（すなわち、磁化固定層３１の磁気モーメントに対する磁化自由層３３の磁気モーメントの方向が、反平行状態へと連続的に変化する状態）が生じる。制御電圧の連続的な上昇に伴って素子３０の抵抗値も連続的に上昇するために微分抵抗値が負となり、負性抵抗を実現できる。一方、磁気抵抗素子３０が負性抵抗を示す電圧領域において、印加電圧を連続的に下降させれば、磁化自由層３３の磁気モーメントの方向は、磁化固定層３１の磁気モーメントの方向に対して反平行な状態から平行な状態へと連続的に変化する。この場合には素子３０の抵抗値が連続的に下降するため、やはり微分抵抗値が負となり、負性抵抗を実現できる。【００２６】
なお、このようにスピン注入磁化反転で磁化反転を起こすためには、本明細書における上述の定義のとおり、磁化反転を起こす磁化自由層３３（強磁性層）の磁気モーメントを磁化固定層３１の磁気モーメントよりも小さくする必要がある。【００２７】
さらに、本願発明者は、磁気抵抗素子３０を利用した負性抵抗素子の実現にとって重要な条件を見出した。当該条件を見出した実験につき以下に説明する。【００２８】
本発明に利用可能な磁気抵抗素子として、合成反強磁性結合（Synthetic-anti-ferrocoupling）を磁化固定層に設けたスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０を図４に示す。磁気抵抗素子４０は、白金マンガン（ＰｔＭｎ）からなる反強磁性層４１、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）からなる強磁性層である第１の磁化固定層４２、ルテニウム(Ｒｕ）からなる非磁性層４３、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）からなる強磁性層である第２の磁化固定層４４、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる非磁性層（中間層）４５及びＣｏＦｅＢからなる磁化自由層４６が積層された構造を有する。第２の磁化固定層４４、中間層４５及び磁化自由層４６が図３の磁化固定層３１、中間層３２及び磁化自由層３３にそれぞれ該当する。第１の磁化固定層４２、非磁性層４３及び第２の磁化固定層４４は合成反強磁性結合を構成する。反強磁性層４１、第１の磁化固定層４２及び非磁性層４３を第２の磁化固定層４４に隣接して形成することにより、第２の磁化固定層４４の磁化方向を固定している。別の構成として、反強磁性層４１のみを第２の磁化固定層４４に隣接するように形成してもよい。【００２９】
以下、本実施例において、磁気抵抗素子４０の膜面方向（膜面と平行な方向）の形状は、縦横とも約１００ｎｍの正方形状とした。また、各層の厚さは、反強磁性層４１が１５ｎｍ、第１の磁化固定層４２が３ｎｍ、非磁性層４３が０．８５ｎｍ、第２の磁化固定層４４が３ｎｍ、中間層４５が１．１ｎｍ、磁化自由層４６が２ｎｍとした。磁化自由層４６の膜厚を第２の磁化固定層４４よりも薄くすることにより、磁化自由層４６の磁気モーメントが第２の磁化固定層４４の磁気モーメントよりも小さくなるようにしている。【００３０】
このスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０の抵抗−外部磁界（Ｒ−Ｈ）特性を図５に示す。磁気抵抗素子４０に、ヒステリシス領域５１の内側の外部磁界を印加する場合（例えば、外部磁界が０の場合）、磁化自由層４６と磁化固定層４７の磁化方向は、平行状態（抵抗値が低い状態）と、反平行状態（抵抗値が高い状態）のどちらでも安定点として選ぶことができる。以下、本実施例においては、磁化自由層４６と磁化固定層４７の磁化方向が平行となる状態とした上で磁気抵抗素子４０の電流−電圧特性の測定を行うものとする。【００３１】
まず、当該磁化方向が平行状態で安定になるように外部磁界を印加し、その後外部磁界を印加しない状態（外部磁界が０の状態）で電流−電圧特性の測定を行った。測定結果を図６に示す。磁気抵抗素子４０を流れる電流値が磁化自由層４６の臨界電流値に達して、磁化自由層４６において磁化反転が始まると、図６のように磁気抵抗素子４０の抵抗値がランダムに変化し、明瞭な負性抵抗が観測されなかった。これは、本実験条件の有効磁界においては図５のように平行状態も反平行状態も安定状態としてとりえるので、バイアス印加によって生じる熱エネルギーを受けて、平行状態から反平行状態、あるいは反平行状態から平行状態へのジャンプが生じてしまい、磁化反転が連続的に引き起こされないためであると考えられる。【００３２】
この実験により、磁気抵抗素子が感じる有効磁界の値がＲ−Ｈ特性のヒステリシス領域（例えば、図５の５１）の内側にある場合、つまり磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とが平行である状態と反平行である状態の両方において安定点をとりうる場合には、印加電圧の制御によって良好な負性抵抗を実現することができないということが見出された。【００３３】
次に、図４の磁気抵抗素子４０に印加する外部磁界を図５の５２に示すように設定し、平行状態のみを安定点として取りえる状況において電流−電圧特性を測定した。測定結果を図７に示す。このように、徐々に上昇するよう印加電圧を制御し、さらに外部磁界による磁化反転の抑制をすることで、磁化自由層における平行状態から反平行状態への磁化方向の連続的な変化を生じさせることができ、負性抵抗が実現される。図７中の負性抵抗領域は良好な直線性を示しており、従来の負性抵抗素子と比較して非線形性の問題が改善されている。このように、本願発明による磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子は、適切な印加磁界を設定することによって安定した負性抵抗を示すことができ、増幅器への応用の際、安定した利得を得ることができる。【００３４】
上述のように、本発明において安定した負性抵抗を得るためには、負性抵抗素子において利用する磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向が磁化固定層の磁化方向に対して平行な状態のみが安定点として存在する状態にする必要がある。【００３５】
このような条件を満たす負性抵抗素子の一例を図８に示す。図８の負性抵抗素子８０は、磁化固定層８１、中間層８２及び磁化自由層８３からなる磁気抵抗素子８９と、当該磁気抵抗素子８９に電圧を印加するための電極層８４及び８５とを具備する。電極層８４及び８５は銅や金などの導電性の高い金属からなる。さらに、磁気抵抗素子８９の近傍に、磁気抵抗素子８９に対して外部磁界を印加する手段を具備している。例えば、磁気抵抗素子８９の片側に永久磁石層８７を設け、永久磁石層８７と電極層８４、８５及び磁気抵抗素子８９との間でショートを起こさないように、絶縁層８６を設ける。【００３６】
図８において、磁化固定層８２の磁気モーメントの向きは矢印８８で示すように右向きとしている。上述のとおり、磁化自由層８３の磁化方向が磁化固定層８１の磁化方向に対して平行な状態のみが安定点として存在する状態とする必要があるので、図８においては、永久磁石層８７の磁気抵抗素子８９に近い側がＮ極、遠い側がＳ極となるようにしている。このような構成により、磁化固定層８１の磁気モーメントの向き（矢印８８の向き）に外部磁界をかけることができ、磁化自由層８３の磁気モーメントが磁化固定層８１の磁気モーメントに対して平行状態になるように外部磁界を印加することができる。電極層８４及び８５を介して磁化固定層８１側から電流が流れ込むように磁気抵抗素子８９に電圧を印加し、当該印加電圧を上昇していくように制御することにより、素子８０は負性抵抗素子として機能する。【００３７】
本実施例の負性抵抗素子において、永久磁石層８７は磁気抵抗素子８９の片側に配置するだけでも機能するが、磁気抵抗素子８９の両側に配置することも可能である。このような構成の負性抵抗素子を図９に示す。図９の負性抵抗素子９０は、図８の磁気抵抗素子８９と、電極層８４及び８５と、磁気抵抗素子８９の両側に配置された永久磁石層８７ａ及び８７ｂと、絶縁層８６ａ及び８６ｂとを具備する。磁化固定層８１の磁気モーメントの向きは矢印９８により示される。永久磁石層８７ａの磁気抵抗素子８９に近い側をＮ極とし、永久磁石層８７ｂの磁気抵抗素子８９に近い側をＳ極としている。図９の構成によれば、図８の構成と比較して、磁束がより揃った磁界を磁気抵抗素子８９に印加することが可能である。【００３８】
以上、本実施例の負性抵抗素子は、電圧を印加しない状態における磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とが平行状態（つまり、これらの磁化方向のなす角が０°）であるものとして説明された。しかし、本実施例の負性抵抗素子はこのような構成に限定されるものではなく、上記２つの磁化方向のなす角が鋭角であればよい。これにより磁化自由層の磁気モーメントにスピントルクが働き、負性抵抗を実現することができる。【００３９】
上記の例においては、磁気抵抗素子に外部磁界を印加することにより磁化自由層と磁化固定層の磁化方向が平行状態のみで安定となる状態を実現し、磁化自由層の磁化反転の抑制を行い、これによって磁化反転が連続的に起こるようにした。しかし、磁化反転の抑制は、外部磁界を印加することなく、抵抗−外部磁界特性におけるヒステリシス領域のシフトを利用することによっても達成できる。【００４０】
図４に示すスピンバルブ構造の磁気抵抗素子４０に基づいて説明する。磁気抵抗素子４０の中間層４５の膜厚を変える（厚くしたり薄くしたりする）ことによって、図５に示すヒステリシス領域５１がグラフ上で左右にシフトする。図５の場合と比較して中間層４５の膜厚を１．０２ｎｍ程度と薄くした場合の抵抗−外部磁界（Ｒ−Ｈ）特性を図１０に示す。ヒステリシス領域１０１が、平行状態をより好む方向（グラフの右方向）にシフトすることが分かる。【００４１】
このようなシフトが生じるのは、中間層４５が図４に示すようにＭｇＯからなる場合においては、ネールカップリングによって磁化自由層４６と磁化固定層４７とが強磁性的結合を起こすためである。ここで、ネ−ルカップリングとは、磁気抵抗素子の中間層の表面に荒れ（すなわち、ラフネス）がある等の場合に当該中間層と磁化自由層との間に発生する相互作用である。【００４２】
また、中間層が例えば銅のような金属である場合には、磁気抵抗素子の中間層の膜厚を変化させることで、ＲＫＫＹ相互作用による層間結合により、磁化自由層と磁化固定層との間に反強磁性的結合を生じさせることもできる。この場合にも、Ｒ−Ｈ特性におけるヒステリシス領域が左右にシフトする。ここでＲＫＫＹ相互作用とは、強磁性層を構成する強磁性原子の局在磁気モーメント同士の磁気相互作用を、非磁性層を構成する非磁性原子の自由電子が媒介することで生じる相互作用である。【００４３】
また、磁気抵抗素子の膜面方向（膜面と平行な方向）のサイズがエッジドメインの大きさを無視できないサイズになると、磁化自由層と磁化固定層の間でのダイポールカップリングによっても反強磁性的結合が生じる。【００４４】
上述のヒステリシスのシフトは、これらの結合磁界の和で表される。そのため、ネールカップリングを大きくすれば、外部磁界が印加されていない状態（外部磁界がゼロの状態）で平行状態を好む方向（図５における右方向）にヒステリシスはシフトする。また、ＲＫＫＹ相互作用による層間結合やダイポールカップリングを大きくすれば、外部磁界が印加されていない状態で反平行状態を好む方向（図５における左方向）にヒステリシスはシフトする。【００４５】
このようにして、結合力の大きさをコントロールすることによって、磁気抵抗素子に外部磁界を印加することなく、平行状態のみもしくは反平行状態のみが安定である状態を実現でき、負性抵抗素子として利用することが可能となる。【００４６】
一例として、ＭｇＯからなる中間層４５の厚さを変化させ、素子の膜面方向のサイズを１００ｎｍ×１００ｎｍ程度にした磁気抵抗素子４０の示すＲ−Ｈ特性のシフト量を図１１に示す。磁気抵抗素子４０の面内方向のサイズがエッチドメインの大きさを無視できないサイズになっているため、この場合の磁界シフト量は、ネールカップリングとダイポールカップリングとの合成で表される。図１１の結果から分かるように、Ｒ−Ｈ特性は中間層の膜厚を変えることでシフトすることができる。【００４７】
図１０のＲ−Ｈ特性をもつ磁気抵抗素子４０の電流−電圧特性を図１２に示す。外部磁界は印加されていない。図１０のようにＲ−Ｈ特性におけるヒステリシス領域をシフトさせることにより、外部磁界を印加せずに平行状態のみが安定点である状態を作ることができる。したがって、外部磁界がない状態でも実効的には磁化反転の抑制が起こり、連続的な磁化反転が生じるため、図１２に示すように、電流−電圧特性において負性抵抗領域が明瞭に現れる。このように、中間層の膜厚を適切に設定した本発明の磁気抵抗素子は、図８及び図９に示すような永久磁石層８７、９７ａ及び９７ｂがなくても負性抵抗素子として機能する。【００４８】
なお、実施例１と同様、本実施例においても、電圧を印加しない状態における磁気抵抗素子の磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向とは必ずしも平行でなくてもよく、鋭角であればよい。【００４９】
磁化自由層及び磁化固定層の磁化方向が平行である場合の磁気抵抗素子の電気抵抗をＲＰ、反平行である場合の電気抵抗をＲＡＰとすると、磁気抵抗素子の磁気抵抗比（ＭＲ比）は、（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰとして定義される。磁気抵抗比の大きさによって電流−電圧特性におけるピークバレイ比が決定される。そのため、大きな磁気抵抗比を示す磁気抵抗素子を用いることで、ピークバレイ比を大きくすることができ、発振器、増幅器、ミキサ、スイッチング素子などへの応用に適した負性抵抗素子が得られる。一方、磁気抵抗比が小さい場合には、たとえ磁化自由層における磁化の連続的な変化が起こっても、十分な負性抵抗特性が生じない場合がある。【００５０】
ＭＲ比を約８０％とした場合の磁気抵抗素子４０に関して測定された電流−電圧特性を図１３に示す。このときの測定条件は、図７の測定時と同様に平行状態のみが安定点となるように外部磁界を印加し、素子４０に印加する電圧の大きさを徐々に上昇させるというものである。図１３においては図６のようなランダムな変化は見られず、磁気抵抗素子４０において、磁化自由層４６の磁化方向が磁化固定層４７の磁化方向に対して平行状態から反平行状態に連続的に変化しているのがわかる。しかし、ＭＲ比が小さいために微分抵抗が負にならず、負性抵抗を示さない。【００５１】
同じ条件のもと、ＭＲ比が約１００％である磁気抵抗素子４０に関して測定された電流−電圧特性を図１４に示す。ＭＲ比が１００％程度の大きさになると、磁気抵抗素子４０が明瞭に負性抵抗を示すことが分かる。このように、本発明において負性抵抗素子を実現するためにはある程度大きな磁気抵抗比が必要である。磁気抵抗比は約１００％以上であることが好ましい。【００５２】
本発明において説明した磁気抵抗素子は、磁化固定層の上に中間層が形成され、その上に磁化自由層が形成される構造を有している。しかし、これらの層の配置は、磁化自由層及び磁化固定層により中間層を挟みこむ構造をしていればよく、磁化自由層と磁化固定層のいずれが上であっても構わない。本発明の磁気抵抗素子を利用した負性抵抗素子の動作の際には、既に述べたとおり、磁気抵抗素子に印加する電圧を次第に大きくしていき、負性抵抗を示す電圧領域に達した後、当該電圧領域内で印加電圧を連続的に大きくしたり小さくしたりするという制御を行うことになる。このとき、磁化固定層側から電流が流れ込む方向（すなわち、磁化自由層側から電子が流れ込む方向）に電圧を印加する必要がある。【００５３】
なお、磁化自由層の膜面内方向（膜面に平行な方向）の大きさ（したがって、磁気抵抗素子の膜面内方向の大きさ）は、横、縦共に２００ｎｍ以下に設定するのが好ましい。これより大きい磁化自由層を用いると、スピン注入による磁化反転が生じない場合がある。【００５４】
磁化自由層の膜面内方向の形状が長方形であり、その長辺と短辺の比がたとえば、２：１である場合の磁気抵抗素子４０の電流−電圧特性を図１５に示す。図１５においては不安定な負性抵抗特性が得られている。したがって、本発明の負性抵抗素子に利用する磁気抵抗素子の面内形状は、安定的な負性抵抗特性を得るため、略円形状もしくは略正方形状であることが好ましい。【００５５】
なお、本発明の磁気抵抗効果を利用した負性抵抗素子において負性抵抗が発現する電圧領域は、エサキダイオードとは異なり、材料のバンドギャップによって決定されない。本発明によれば、磁気抵抗素子に印加される外部磁界の大きさが異なるように負性抵抗素子を構成したり、また磁化自由層の磁気モーメントの大きさが異なるように負性抵抗素子を構成したりすることにより、磁化自由層が磁化反転を起こし始める臨界電流値の異なる負性抵抗素子を同じ材料を用いて実現することができる。したがって、本発明によれば、負性抵抗を発現する電圧領域の異なる負性抵抗素子を同一の材料により作製することができる。【００５６】
このような本発明の効果を示すため、磁気抵抗素子４０に印加する外部磁界を変化させて電流−電圧特性を測定した。横軸を電圧、縦軸を外部磁界として電流−電圧特性の微分コンダクタンス（ｄＩ／ｄＶ）をプロットした図を図１６に示す。この測定結果から分かるように、外部磁界を変化させることで負性抵抗が発現する電圧領域を変化させることができる。【００５７】
以上説明したような磁気抵抗素子を用いて構成される負性抵抗素子を利用した本発明の増幅装置の構成例を図１７に示す。増幅装置１７０は、磁気抵抗素子４０の両端に第１の電極層１７１及び第２の電極層１７２を設けた負性抵抗素子１７３、直流バイアス電源１７４及び負荷抵抗１７６からなる。図１７には、さらに交流電源１７５、キャパシタンス１７７及び電圧計１７８が図示されているが、これらは増幅装置１７０の増幅特性の測定のために用意されている。【００５８】
磁気抵抗素子４０は図４と同様に構成されている。本実施例においては、反強磁性層４１の膜厚を１５ｎｍ、第１の磁化固定層４２の膜厚を２．５ｎｍ、非磁性層４３の膜厚を０．８５ｎｍ、第２の磁化固定層４４の膜厚を３ｎｍ、中間層４５の膜厚を１．２７ｎｍ、磁化自由層４６の膜厚を２ｎｍとした。しかしながら、この膜厚の組み合わせは一例に過ぎず、このほか様々な膜厚構成を本発明の増幅装置１７０に採用することができる。【００５９】
直流バイアス電源１７４は、磁気抵抗素子４０に直流バイアスを印加して、磁気抵抗素子４０を負性抵抗領域で動作させるために使用される。交流電源１７５は、本実験において増幅装置１７０により増幅される入力信号を生成する。実際の増幅装置においては、増幅すべき入力信号を交流電源１７５に代えて図１７の回路に印加することになる。【００６０】
負荷抵抗１７６は、増幅された入力信号を取り出すための負荷である。後述するが、増幅装置１７０が増幅機能をもつためには、負荷抵抗１７６の抵抗値が特定の範囲内にあることが必要となる。したがって、図１７においては、抵抗値の調整ができるよう、負荷抵抗１７６として可変抵抗が使用されている。キャパシタンス１７７は、負荷抵抗１７６の両端の電圧から直流成分を取り除くために使用される。増幅された交流成分が電圧計１７８により測定される。【００６１】
図１７の回路構成を用い、交流電源１７５により印加される入力信号Ｖinputの周波数及び実効値を１０ｋＨｚ及び２０ｍＶに設定し、負荷抵抗１７６の抵抗値を５００Ωに設定した場合の利得の測定結果を図１８に示す。なお、磁気抵抗素子４０に外部磁界を印加して、図５における５２のように平行状態のみを安定点として取りえる状態において測定を行った。図１８において、横軸は直流バイアス電源１７４により印加されるバイアス電圧を示す。縦軸は、交流電源１７５により生成される入力信号の電圧Ｖinputに対する、電圧計１７８により測定された出力電圧Ｖoutputの比（利得）を示す。ＶoutputはＶinputと逆相になるために図１８に示す利得の値は負となっている。横軸のバイアス電圧は、図１７の回路全体に印加される直流バイアスであるので、実際に磁気抵抗素子４０に印加される直流バイアスは横軸の値よりも小さいことに留意されたい。【００６２】
図１８において、バイアス電圧が約１１７０〜１１９０ｍＶの場合に利得の絶対値が１を超えていることが分かる。これは、本発明の増幅装置１７０により、交流電源１７５により印加された入力信号が増幅されて出力されたことを意味しており、したがって、本発明の磁気抵抗素子を利用した増幅装置が増幅特性をもつことが示された。
なお、本願発明者らは、本発明の増幅装置１７０が増幅特性を示すために要求される負荷抵抗１７６の抵抗値の範囲を見出した。具体的には、負荷抵抗１７６の抵抗値ＲＬが、磁気抵抗素子４０の負性抵抗領域における微分抵抗値ＲＤに対して、１／２ＲＤ＜ＲＬ＜ＲＤという関係を有している必要がある。【００６３】
これは、まず回路が安定に動作する必要がある。図式解法を用いると、磁気抵抗素子の静特性曲線と、負荷曲線が負性抵抗領域中で、一点で交差する必要がある。この条件から
｜ＲＤ（＜０）｜＞ＲＬ                （１）
を満たす必要がある。さらに、増幅度はGain = RL / (RL + RD)であるから、式(1)との条件を合わせると、１／２ＲＤ＜ＲＬ＜ＲＤという関係が得られる。【００６４】
上述の実験においては、ＲＤ＝約-７００Ω、ＲＬ＝５００Ωであり、上記の関係式が満たされるので、増幅特性が確認された。【００６５】
本実施例においては図４に示すような磁気抵抗素子を用いて増幅装置を実現したが、本発明の増幅装置の構成はこれに限定されない。例えば、図８及び図９に示したように、磁気抵抗素子に外部磁界を印加する手段をさらに具備するように増幅装置１７０を構成してもよい。また、既に述べたように、中間層が、磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとが安定的に平行状態となるような厚さをもつように、磁気抵抗素子を構成すれば、外部磁界を印加する手段なしに増幅装置１７０を実現することができる。【００６６】
本発明によれば、従来のトンネル効果による負性抵抗素子と比較して直線性のよりよい負性抵抗領域をもつ磁気抵抗素子を利用することで、直線性に優れた増幅特性をもつ増幅装置を実現できる。また、本発明によれば、同一の材料を利用して多様な直流バイアスで動作する増幅装置が作製可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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