(57)【要約】【課題】周波数特性が安定で動作エネルギーを大幅に低減した、周波数可変の磁気抵抗効果素子、およびこれを利用したデバイスを提供することを目的とする。【解決手段】周波数可変磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子と、前記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と、前記磁気抵抗効果素子に電場を印加するための電場印加機構と、前記電場印加機構に接続され、前記電場印加機構に大きさおよび／または極性の異なる電圧を供給するための制御端子とを備える。前記磁気抵抗効果素子は、電気磁気効果を有する反強磁性体、またはフェリ磁性体を含む。前記磁気抵抗効果素子は、前記制御端子より供給される電圧の大きさおよび／または極性を変化させることによって、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数もしくはスピントルク共鳴周波数が制御される。【選択図】図１
2018061025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子と、
前記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と、
前記磁気抵抗効果素子に電場を印加するための電場印加機構と、
前記電場印加機構に接続され、前記電場印加機構に大きさおよび／または極性が変化する電圧を供給するための制御端子と、を備え
前記磁気抵抗効果素子は、電気磁気効果を有する反強磁性体またはフェリ磁性体を含み、
前記磁気抵抗効果素子は、前記制御端子より供給される電圧の大きさおよび／または極性を変化させることによって、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数もしくはスピントルク共鳴周波数が制御されること、を特徴とする周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子が、制御層と、前記制御層と磁気的に接続され、磁化の方向が変化可能である磁化自由層とを含み、前記制御層が前記反強磁性体または前記フェリ磁性体を含むこと、を特徴とする請求項１に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記制御層が前記反強磁性体または前記フェリ磁性体よりもネール温度の高い第２の反強磁性体を含むことを特徴とする請求項２に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記制御端子に接続され、前記制御端子に印加する電圧とその極性を制御する機能を有する制御機構を備えること、を特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子の入力もしくは出力信号のいずれか一方もしくは両方を検出し、所望の前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数になるように前記制御機構にフィードバックを施すフィードバック回路を備えることを特徴とする請求項４に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁場印加機構が永久磁石であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁化自由層が面内方向の磁気異方性を有し、
前記磁場印加機構から印加される印加磁場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して垂直方向に印加され、
前記電場印加機構から印加される印加電場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対して垂直方向に印加され、
前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場は、概平行または、概反平行の関係となるように重畳して印加され、
前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させることを特徴とする、
請求項２または３に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁化自由層が面内方向の磁気異方性を有し、
前記磁場印加機構から印加される印加磁場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加され、
前記電場印加機構から印加される印加電場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加され、
前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場は、概平行、または概反平行の関係となるように重畳して印加され、
前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させることを特徴とする、
請求項２または３に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記磁化自由層が積層面に対して垂直方向の磁気異方性を有し、
前記磁場印加機構から印加される印加磁場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加され、
前記電場印加機構から印加される印加電場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加され、
前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場は、概平行、または概反平行の関係となるように重畳して印加され、
前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させることを特徴とする、
請求項２または３に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記反強磁性体が、Ｃｒ２Ｏ３、ＹＭｎＯ３およびＢｉＦｅＯ３からなる群より選ばれる少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記フェリ磁性体が、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子を含み、
前記磁気抵抗効果素子は、直流信号の入力を受けて交流信号を出力する機能を有し、
前記磁気抵抗効果素子から出力される前記交流信号の周波数は、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記印加電場の大きさまたは方向の変化によって変更されること、
を特徴とする周波数可変発振器。
【請求項１３】
請求項２、３、７、８または９に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子を含み、
前記磁気抵抗効果素子における前記磁化自由層のスピントルク共鳴周波数が、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記印加電場の大きさまたは方向の変化によって変更され、
前記磁気抵抗効果素子は、交流信号の入力を受け、前記交流信号のうち前記スピントルク共鳴周波数と同じ周波数をもつ信号に応答して直流信号を出力すること、
を特徴とする周波数可変検波器。
【請求項１４】
請求項２、３、７、８または９に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子を含み、
前記磁気抵抗効果素子における前記磁化自由層のスピントルク共鳴周波数が、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記印加電場の大きさまたは方向の変化によって変更され、
前記磁気抵抗効果素子が交流信号の入力を受けた際に、前記交流信号のうち前記スピントルク共鳴周波数と同じ周波数をもつ信号を減衰させた交流信号を出力すること、
を特徴とする周波数可変フィルタ。
【請求項１５】
請求項２、３、７、８または９に記載の周波数可変磁気抵抗効果素子を含み、
前記磁気抵抗効果素子における前記磁化自由層のスピントルク共鳴周波数が、前記磁気抵抗効果素子に印加される前記印加電場の大きさまたは方向の変化によって変更され、
前記磁気抵抗効果素子が交流信号の入力を受けた際に、前記交流信号のうち前記スピントルク共鳴周波数と同じ周波数をもつ信号を選択的に透過させること、
を特徴とする周波数可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線通信に必要な発振器・検波器・フィルタなどに利用可能な、磁気抵抗効果を用いた周波数可変磁気抵抗効果素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン等のモバイル端末の小型化、高機能化に伴い、端末に使用される電子部品の点数や占有可能エリアは減少する傾向にある。一方で、通信速度の高速化や、アプリケーションの多様化などにより、使用する周波数や周波数バンド数は増加する傾向にある。これらの要求を満たすため、単一部品で複数の周波数バンドを制御可能なマルチバンド対応の高周波部品が強く求められている。
【０００３】
磁気抵抗効果を利用した発振（または共振）素子は、従来用いられるＬＣＲ回路のような電気回路と比較して、非常に小さなサイズで、より高周波に対応することができる。加えて、その動作周波数を磁場によって変えることができることから、次世代の高周波部品としての利用が期待されている（特許文献１）。
【０００４】
従来知られている発振（または共振）周波数の制御手段は、磁場制御方式と電場制御方式とに大別される。特許文献１や特許文献２には、調整用の磁場印加機構として、電磁石を用いる方式が開示されている。また特許文献３には、磁気抵抗効果素子と、電磁石と、電磁石からの磁界を印加するための導磁路を含む、磁場制御方式の具体的な構造が開示されている。この磁場制御方式では、コイル（電磁石）に流れる電流を変えることで磁場強度を変化させ、発振周波数を制御する。また、非特許文献１には、外場として電界を用いる方式が開示されている。電場制御方式は、磁場のかわりに電場を印加することで、スピンの歳差運動の周波数を制御する技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１０／１１９５６９号公報
【特許文献２】特許第４７４３１１３号
【特許文献３】特開２００６−３０３０９７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｗ．  Ｓｋｏｗｒｏｎｓｋｉ  ｅｔ．ａｌ．，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  １０５，  ０７２４０９（２０１４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、本発明者の検討によれば、これら従来技術にかかわる周波数可変手段では、周波数制御中は印加する磁場もしくは電場を、変動することなく安定に維持することが求められ、デバイスに用いるには不向きという課題がある。また、制御用の磁場に電磁石を用いる場合、動作中は電磁石を常に励磁するためにコイルに電流を流し続ける必要がある。その結果、素子の動作エネルギーが大幅に増加してしまうという課題も存在する。加えて発振素子の近傍に電磁石を設ける必要があるため、全体の占有面積が大幅に増加してしまう傾向にある。これらの課題の解決のため、周波数を変更する時にのみエネルギーを消費し、周波数変更後の状態をエネルギー消費なしに保持できる仕組みが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてされたものであって、エネルギー消費のほぼ存在しない電場を用いて磁気抵抗効果素子のスピン歳差運動の周波数を制御し、さらに電場を除いたあとも周波数が変化した状態を保持できる仕組みを実現することで、上記課題を解決する。これによって、周波数特性が安定で動作エネルギーを大幅に低減した、周波数可変の磁気抵抗効果素子、およびこれを利用したデバイスを提供することが可能となる。
【０００９】
具体的には、本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子と、前記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と、前記磁気抵抗効果素子に電場を印加するための電場印加機構と、前記電場印加機構に接続され、前記電場印加機構に大きさおよび／または極性が変化する電圧を供給するための制御端子とを備える。前記磁気抵抗効果素子は、電気磁気効果を有する反強磁性体またはフェリ磁性体を含む。このとき、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数もしくはスピントルク共鳴周波数は、前記制御端子より供給される電圧の大きさおよび／または極性の変化によって制御される。
【００１０】
上記特徴の本発明によれば、磁気抵抗効果素子に、入力信号線から直流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発振効果を発生させることが出来る。スピントルク発振効果により、磁気抵抗効果素子は出力信号線から交流信号を出力することが出来る。あるいは、磁気抵抗効果素子に、入力信号線から交流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効果を発生させることが出来る。スピントルク共鳴効果により、入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数をもつ交流信号を、直流信号に変換することが出来る。あるいは、スピントルク共鳴効果により、入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数をもつ交流信号の、素子インピーダンスを低下させることが出来る。本発明の周波数可変磁気抵抗効果素子は、必要に応じて磁場と電場を同時に印加することで、磁気抵抗効果素子の発振周波数あるいは共鳴周波数を変化することが出来る。その際、制御端子に供給する印加電圧や極性を変化させることで、発振周波数あるいは共鳴周波数を連続的に制御することが出来る。さらに、一度変化させた状態を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。その結果、本発明の周波数可変磁気抵抗効果素子は、磁場を用いて持続的に周波数を変化させる方式と比べて、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。また、電場を用いて持続的に周波数を変化させる方式と比べて、一定の電場を印加し続けることなく変化を保持可能なため、周波数変化の安定した消費エネルギーの少ない周波数制御が可能となる。
【００１１】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子では、前記磁気抵抗効果素子を、制御層と、前記制御層と磁気的に接続され、磁化の方向が変化可能である磁化自由層とを含む構造とすることが出来る。このとき、前記制御層が、前記反強磁性体または前記フェリ磁性体を含むようにすることが出来る。
【００１２】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、このような構造をとることにより、電場と磁場の印加によって効果的に磁化自由層に発生するスピントルク発振または共鳴周波数を変更し、その変化を保持することができる。このことにより、効果的に周波数を変更可能な周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子では、前記制御層が前記反強磁性体または前記フェリ磁性体よりもネール温度の高い第２の反強磁性体を含むことが出来る。
【００１４】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、制御層と磁化自由層との間に発現する交換結合の熱的・時間的安定性を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子では、前記制御端子に接続されて前記制御端子に印加する電圧とその極性とを制御する機能を有する制御機構を、備えることが出来る。
【００１６】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、素子自身がこのような制御機構を備えることにより、外部から制御端子に電源を接続して電圧制御を行うことなく周波数制御を行うことができる。このことにより、より簡便で能動的に周波数制御が可能な周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子では、前記磁気抵抗効果素子の入力もしくは出力信号のいずれか一方もしくは両方を検出し、所望の前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数になるように前記制御機構にフィードバックを施すフィードバック回路を備えていることが出来る。
【００１８】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、このようなフィードバック回路を備えることにより、外部からの磁場の変化や温度変化などによって周波数が変動しても、再調整によってその変動を打ち消すことが出来る。このことにより、外場による擾乱に強い周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００１９】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子では、前記磁場印加機構として永久磁石を用いることが出来る。
【００２０】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、周波数制御の際に必要な磁場を、エネルギーを消費することなく供給することが出来る。このことにより、制御時に必要なエネルギーをより低減することが出来る。結果として、より消費エネルギーの低い周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００２１】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、（１）前記磁化自由層が面内方向の磁気異方性を有していること、（２）前記磁場印加機構から印加される印加磁場を、前記制御層に対して、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対し垂直の方向に印加すること、（３）前記電場印加機構から印加される印加電場を、前記制御層に対して、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に対し垂直の方向に印加すること、（４）前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場とを、概平行または、概反平行の関係となるように重畳して印加することとし、（５）前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させること、を特徴としてもよい。ここで、「垂直方向」とは、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に垂直な軸を想定した場合に、その軸に対して±１０°の範囲内にある略垂直な方向を言う。なお、垂直方向は、前記磁気抵抗効果素子の積層面内のどの方向を向いていてもよい。
【００２２】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、このような磁化自由層の磁気異方性をもつことにより、磁化自由層のスピンの歳差運動を、効果的に磁気抵抗の変化に反映することが出来る。結果として、磁気抵抗効果素子の発振効率あるいは共鳴効率を向上させ、効果的に発振効果あるいは共鳴効果を利用することができる。加えて、制御層から磁化自由層に対し、面内方向への有効磁場を供給することができ、電場の変化によって効果的に発振周波数あるいは共鳴周波数を変化させることが可能となる。
【００２３】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、（１）前記磁化自由層が面内方向の磁気異方性を有していること、（２）前記磁場印加機構から印加される印加磁場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加されること、（３）前記電場印加機構から印加される印加電場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加されること、（４）前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場は、概平行、または概反平行の関係となるように重畳して印加されること、（５）前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させること、を特徴としてもよい。
【００２４】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、このような磁化自由層の磁気異方性をもつことにより、磁化自由層のスピンの歳差運動を、効果的に磁気抵抗の変化に反映することが出来る。結果として、磁気抵抗効果素子の発振効率あるいは共鳴効率を向上させ、効果的に発振効果あるいは共鳴効果を利用することができる。加えて、制御層から磁化自由層に対し、積層方向への有効磁場を供給することができ、電場の変化によってより効果的に発振周波数あるいは共鳴周波数を変化させることが可能となる。
【００２５】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、（１）前記磁化自由層が積層面に対して垂直方向の磁気異方性を有すること、（２）前記磁場印加機構から印加される印加磁場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加されること、（３）前記電場印加機構から印加される印加電場が、前記制御層に、前記磁気抵抗効果素子の積層方向の成分を含むように印加されること、（４）前記制御層に印加される前記印加磁場と前記印加電場は、概平行、または概反平行の関係となるように重畳して印加されること、（５）前記印加電場の大きさ、または印加方向を変化させることによって、前記スピントルク発振周波数もしくは前記スピントルク共鳴周波数を変化させること、を特徴としてもよい。
【００２６】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、このような磁化自由層の磁気異方性をもつことにより、磁化自由層のスピンの歳差運動を、より効果的に磁気抵抗の変化に反映することが出来る。結果として、磁気抵抗効果素子の発振効率あるいは共鳴効率を向上させ、効果的に発振効果あるいは共鳴効果を利用することができる。加えて、制御層から磁化自由層に対し、積層方向への有効磁場を供給することができ、電場の変化によってより効果的に発振周波数あるいは共鳴周波数を変化させることが可能となる。
【００２７】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、前記反強磁性体として、Ｃｒ２Ｏ３、ＹＭｎＯ３およびＢｉＦｅＯ３のうちの少なくとも一つの酸化物を含むことを特徴としてもよい。
【００２８】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、これらの材料を制御層に用いることによって、周波数の制御に必要な電界強度を小さくすることが出来る。加えて、制御層の絶縁性を高めることが出来る。結果として、制御層のリーク電流を低く抑えることが可能となり、より消費エネルギーの低い周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００２９】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、前記フェリ磁性体として、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含むことを特徴としてもよい。
【００３０】
上記特徴の周波数可変磁気抵抗効果素子によれば、周波数の制御に必要な電界強度を小さくすることが出来る。加えて、制御層の絶縁性を高めることが出来る。結果として、制御層のリーク電流を低く抑えることが可能となり、より消費エネルギーの低い周波数可変磁気抵抗効果素子を供給することが可能となる。
【００３１】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、周波数可変発振器に用いることが出来る。この周波数可変発振器は、（１）これまで説明した周波数可変磁気抵抗効果素子を含むこと、（２）周波数可変磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果素子が、直流信号の入力を受けてスピンの歳差運動の周波数と同じ周波数をもつ交流信号を出力すること、（３）磁気抵抗効果素子から出力される前記交流信号の周波数が、磁気抵抗効果素子へ印加される電場の大きさまたは方向の変化よって変更されること、を特徴とする。
【００３２】
上記特徴の周波数可変発振器によれば、磁気抵抗効果素子に、直流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発振効果を発生させることが出来る。スピントルク発振効果により、磁気抵抗効果素子は出力信号線から、磁化自由層のスピンの歳差運動の周波数と同じ周波数をもつ交流信号を出力することが出来る。その際、磁気抵抗効果素子の発振周波数は、印加する電場の強さや方向を変えることで、変化させることが出来る。さらに、一度変化させた状態を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。従って、上記特徴の周波数可変発振器は、従来用いられる、電磁石を用いて持続的に発振周波数を変化させ続ける方式の磁気抵抗効果素子を用いた発振器と比べて、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。
【００３３】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、周波数可変検波器に用いることが出来る。この周波数可変検波器は、（１）これまで説明した周波数可変磁気抵抗効果素子を含むこと、（２）周波数可変磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果素子に交流信号が入力されて交流信号のうちのスピンの歳差運動の周波数と同じ周波数をもつ信号に応答して直流信号を出力すること、（３）「スピンの歳差運動の周波数」すなわち検波可能な周波数は、磁化自由層のスピントルク共鳴周波数であり、前記印加電場の大きさまたは方向を変化させることによって変更すること、を特徴とする。
【００３４】
上記特徴の周波数可変検波器によれば、磁気抵抗効果素子に、交流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効果を発生させることが出来る。スピントルク共鳴効果により、入力された交流信号のうち、磁化自由層のスピンの歳差運動の周波数と同じ周波数をもつ交流信号を、直流信号に変換することが出来る。その際、磁気抵抗効果素子の応答周波数は、印加する電場の強さや方向を変えることで、変化させることが出来る。さらに、一度変化させた状態を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。従って、上記特徴の周波数可変検波器は、従来用いられる、電磁石を用いて持続的に共鳴周波数を変化させ続ける方式の磁気抵抗効果素子を用いた検波器と比べて、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。
【００３５】
本発明に係る周波数可変磁気抵抗効果素子は、周波数可変フィルタに用いることが出来る。この周波数可変フィルタは、（１）これまで説明した周波数可変磁気抵抗効果素子を含むこと、（２）周波数可変磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果素子に交流信号が入力された際に、その信号のうちのスピンの歳差運動の周波数（磁化自由層のスピントルク共鳴周波数）と同じ周波数をもつ成分を選択的に減衰させた交流信号を出力すること、（３）減衰される信号の周波数（磁化自由層のスピントルク共鳴周波数）を前記印加電場の大きさまたは方向を変化させることによって変更すること、を特徴とする。
【００３６】
上記特徴の周波数可変フィルタによれば、磁気抵抗効果素子に、交流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効果を発生させることが出来る。このとき、磁気抵抗効果素子は、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、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の素子インピーダンスが減少する。この磁気抵抗効果素子を入力および出力信号線に対して並列接続させることにより、入力信号線から入力された交流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交流信号は、磁気抵抗効果素子に流れやすくなり、出力信号線側には流れにくくなる。すなわち、入力信号線から入力された交流信号を、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、出力信号線に対して減衰することが出来る。この結果、スピンの歳差運動の周波数と同じ周波数の交流信号を減衰させるフィルタとしての機能を得ることが出来る。その際、磁気抵抗効果素子の減衰周波数は、印加する電場の強さや方向を変えることで、変化させることが出来る。さらに、一度変化させた状態を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。従って、上記特徴の周波数可変フィルタは、従来用いられる、電磁石を用いて持続的に共鳴周波数を変化させ続ける方式の磁気抵抗効果素子を用いたフィルタと比べて、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。
【００３７】
さらに、本発明に係る周波数可変フィルタは、（１）これまで説明した周波数可変磁気抵抗効果素子を含むこと、（２）周波数可変磁気抵抗効果素子の磁気抵抗効果素子に交流信号が入力された際に、その交流信号のうちのスピンの歳差運動の周波数（磁化自由層のスピントルク共鳴周波数）と同じ周波数をもつ交流信号を透過して出力すること、（３）透過する交流信号の周波数（磁化自由層のスピントルク共鳴周波数）を前記印加電場の大きさまたは方向を変化させることによって変更すること、を特徴としてもよい。
【００３８】
上記特徴の周波数可変フィルタによれば、磁気抵抗効果素子に、交流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効果を発生させることが出来る。このとき、磁気抵抗効果素子は、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、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の素子インピーダンスが減少する。この磁気抵抗効果素子を入力および出力信号線に対して直列接続させることにより、交流信号を高インピーダンスの非共鳴周波数では遮断し、低インピーダンスの共鳴周波数では通過させることが出来る。この結果、スピンの歳差運動の周波数と同じ周波数の交流信号を通過させるフィルタとしての機能を得ることが出来る。その際、磁気抵抗効果素子の通過周波数は、印加する電場の強さや方向を変えることで、変化させることが出来る。さらに、一度変化させた状態を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。従って、上記特徴の周波数可変フィルタは、従来用いられる、電磁石を用いて持続的に共鳴周波数を変化させ続ける方式の磁気抵抗効果素子を用いたフィルタと比べて、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、周波数制御のための動作エネルギーを大幅に低減し、さらに変更した周波数を維持可能な周波数可変磁気抵抗効果素子を提供することができる。また、それらの周波数可変磁気抵抗効果素子を用いた、省エネルギーの周波数可変発振器、検波器、フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る周波数可変磁気抵抗効果素子の構成を示した模式図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を示した模式図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子のスピンの歳差運動周波数の周波数特性を示したグラフである。
【図４】図４は、第２の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化容易軸の方向と、電場と磁場の印加方向の関係を示した模式図である。
【図５】図５は、第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化容易軸の方向と、電場と磁場の印加方向の関係を示した模式図である。
【図６】図６は、第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化容易軸の方向と、電場と磁場の印加方向の関係を示した模式図である。
【図７】図７は、第５の実施形態に係る周波数可変発振器の構成を示した模式図である。
【図８】図８は、第５の実施形態に係る周波数可変発振器の発振周波数の変化を示したグラフである。
【図９】図９は、第６の実施形態に係る周波数可変検波器の構成を示した模式図である。
【図１０】図１０は、第６の実施形態に係る周波数可変検波器の応答周波数の変化を示したグラフである。
【図１１】図１１は、第７の実施形態に係る周波数可変フィルタの構成を示した模式図である。
【図１２】図１２は、第７の実施形態に係る周波数可変フィルタの信号透過特性の周波数依存性を示したグラフである。
【図１３】図１３は、第８の実施形態に係る周波数可変フィルタの構成を示した模式図である。
【図１４】図１４は、第８の実施形態に係る周波数可変フィルタの信号透過特性の周波数依存性を示したグラフである。
【図１５】図１５は、実験例に係るサンプルの形状と構成を示した概略図である。
【図１６】図１６は、実験例に係るサンプルの印加電圧を変化させた場合の異常ホール効果の測定結果の変化を示した概略図である。
【図１７】図１７は、シミュレーション例に係る磁気抵抗効果素子モデルを示した概略図である。
【図１８】図１８（ａ）は、シミュレーション例の結果を示すグラフである。図１８（ｂ）は、縦軸に発振周波数を、横軸に交換バイアス磁場の強度を、それぞれプロットしたグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、図面を用いて本発明を実施するための形態の例を説明する。なお、以下の説明は本発明の実施形態の一部を例示するものであり、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【００４２】
（第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に係る周波数可変磁気抵抗効果素子１００の構成を示した模式図である。周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０、磁場印加機構２１、電場印加機構３１および制御端子３２を備える。入力信号線１ａと出力信号線１ｂが磁気抵抗効果素子１０に接続されている。入力信号線１ａと出力信号線１ｂは入力および出力信号を流すためのものである。制御端子３２は、電場印加機構３１に接続され、制御端子３２からプラスあるいはマイナスの電圧を加えることで、電場印加機構３１を介して磁気抵抗効果素子に所定の大きさと方向をもった電界を印加することができる。本実施の形態では、磁場印加機構２１はコイルを用いた電磁石、あるいは永久磁石などで構成されているが、磁気抵抗効果素子１０に磁場の印加が可能な機構であれば、これに限定されるものではない。また、電場印加機構３１は、磁気抵抗効果素子１０に直接接続された構成をとることができるが、磁気抵抗効果素子１０に電場の印加が可能な機構であれば、これに限定されるものではない。
【００４３】
さらに、周波数可変磁気抵抗効果素子は、制御端子３２に接続された制御機構３３、制御機構３３に接続されたフィードバック回路４０を備えることができる。これらを備えることで、周波数可変磁気抵抗効果素子は、外部からの制御信号の入力に応じて能動的に周波数を変更することが可能になる。またフィードバック回路を備えることで、入力あるいは出力周波数が変化しても、スピントルク発振効果あるいは共鳴効果の周波数を、常に目標とするように自動的に修正することができ、安定で効果的な周波数制御を行うことが可能になる。
【００４４】
ここで、本実施形態を例に周波数可変磁気抵抗効果素子の機能について説明する。周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、入力信号線１ａから直流信号を入力することで、磁気抵抗効果素子１０に周波数ｆ０の成分を有するスピンの歳差運動を発生させ、出力信号線１ｂから周波数ｆ０の成分を有する交流信号を出力する機能を有する。また、入力信号線１ａから周波数ｆ０の成分を有する交流信号を入力することで、磁気抵抗効果素子１０にスピントルク共鳴効果を発生させ、直流信号を出力する機能を有する。また、入力信号線１ａから、少なくともスピントルク共鳴効果を発生させる周波数ｆ０を有する第１の周波数成分と、第１の周波数とは異なる第２の周波数成分を含む交流信号を入力することで、スピントルク共鳴効果により、入力された交流信号のうち、周波数ｆ０をもった信号成分を減衰させた交流信号を出力する機能を有する。また、入力信号線１ａから、少なくともスピントルク共鳴効果を発生させる周波数ｆ０を有する第１の周波数成分と、第１の周波数とは異なる第２の周波数成分を含む交流信号を入力することで、スピントルク共鳴効果により、入力された交流信号のうち、周波数ｆ０をもった信号成分を通過させた交流信号を出力する機能を有する。
【００４５】
次に、本実施形態を例に周波数制御の方法について説明する。本実施形態では、磁気抵抗効果素子１０のスピンの歳差運動の周波数を、磁気抵抗効果素子１０に対して、磁界と電界とを同時に印加することによって制御する技術を開示する。「磁界と電界とを同時に印加する」とは、磁化抵抗効果素子１０に対して、磁界と電界とが重なった状態（重ねあわされた状態）を一時的に形成することを意味する。また、本明細書において「電気磁気（ＭＥ）操作」とは、「磁気抵抗効果素子１０に対して、磁界と電界との掛け合わせを生じさせ、電界または磁界のいずれか一方、または両方の、大きさや方向を制御することによって磁気抵抗効果素子のスピンの歳差運動の周波数を操作する手法」と定義する。
【００４６】
図２は、本発明の第１の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の具体的な構成を示した模式図である。磁気抵抗効果素子１０は、制御層１１、磁化自由層１２、中間層１３、磁化固定層１４、を備える。制御層１１は、磁化自由層１２のスピンの歳差運動の周波数を制御する機能を有する。
【００４７】
本実施形態を例に制御層１１について説明する。制御層１１は、電気磁気効果（ＭＥ効果）を有する反強磁性体あるいはフェリ磁性体を主として含む。制御層１１は磁化自由層１２と交換結合を介して磁気的に接続されており、電気磁気操作に応じて、磁化自由層１２のスピンの歳差運動の周波数を変化させる機能を有する。制御層１１に好適な特性としては、電気と磁気の結合係数が大きいこと、および広い温度範囲で磁化自由層１２との間に十分な強度の交換結合を発生できること、を挙げることができる。この特性は、単一で特性に優れた電気磁気効果を有する材料を用いることでも対処できるが、電気磁気効果を有する反強磁性体材料と、より高いネール温度を持つ別の反強磁性体材料と、を組み合わせた複合材料を用いることで対処することもできる。この場合、制御層１１と磁化自由層１２との間に発現する交換結合の熱的・時間的安定性が向上する傾向にある。これらの複合材料は、所定の温度領域での交換結合の値を最大にできるように、材料の構造や層の厚み、磁気特性（反強磁性体の異方性エネルギーやネール温度など）などを調整できる。なお本実施の形態では、スピンの並び方から区別した場合、その２つの性質が近似することから、電気磁気効果をもつ反強磁性体の代わりに、電気磁気効果をもつフェリ磁性体を用いることも可能である。
【００４８】
制御層１１は、例えば（ａ）Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３等の電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体、又は、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）等の電気磁気効果を有する酸化物フェリ磁性体の少なくとも一つを含む薄膜材料とすることが可能である。また、（ｂ）Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３等の電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体、又は、Ａｌ１−ｘ―ｙＧａｘＦｅ１＋ｙＯ３（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦０．３、０≦ｘ＋ｙ≦１）等の電気磁気効果を有する酸化物フェリ磁性体の少なくとも１種を母体とする混晶体も可能である。また、（ｃ）電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体及び酸化物フェリ磁性体のうちの少なくとも１種と、これら電気磁気効果を有する酸化物反強磁性体又は酸化物フェリ磁性体より高いネール温度を有する反強磁性材料との複合材料（積層体、又は混合体）としてもよい。上記反強磁性材料としては、公知のネール温度の高い反強磁性材料を適宜選択して用いることができる。代表的にはＦｅ２Ｏ３、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＲｈ２Ｏ３、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＲｕＯ２、（１−ｘ）Ｆｅ２Ｏ３−ｘＩｒＯ２（ただしｘは０＜ｘ＜１）のような酸化物反強磁性体などを用いることができる。制御層１１の厚みは、制御層１１が磁化自由層１２との間に交換結合を発生できる限りにおいては特に制限されないが、絶縁破壊を起こさずに制御層１１に電界を印加することができること、および制御層１１への印加電圧を低く抑えることを鑑みて、１ｎｍ〜１μｍ程度であることが望ましい。
【００４９】
本実施形態を例に磁化自由層１２について説明する。磁化自由層１２は、制御層１１と交換結合を介して磁気的に接続された強磁性金属を主として含む。磁化自由層１２は、外部印加磁場もしくはスピン偏極電流によって、その磁化の方向が変化する層である。磁化自由層１２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、ＣｏＦｅＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉ、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１２は、垂直磁気異方性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、ＴｂＦｅＣｏ合金、およびＭｎＧａやＭｎＧｅなどの一部のホイスラー合金などが挙げられる。あるいは、磁化自由層１２は、垂直磁気異方性を有する場合として、材料としての特性だけでなく、例えば中間層１３に酸化物材料を用いた場合には、強磁性体と酸化物との界面に発生する界面垂直磁気異方性を用いることができる。この場合の組合せとしては、ＦｅとＭｇＯ、ＣｏＦｅＢとＭｇＯ、Ｃｏ基ホイスラー合金とＭｇＯ、などが挙げられ、厚さは１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５０】
磁化自由層１２と制御層１１の間には、交換結合調整層を挿入しても良い。これによって、交換結合の大きさを調整することが可能となる。交換結合調整層としては、例えば、強磁性金属を除くＲｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｒなどの遷移金属元素、Ａｌ、Ｍｇなどの軽金属元素、Ｓｉなどの半導体元素、を好適に用いることができる。調整層の膜厚は、磁化自由層１２と制御層１１の間の磁気的な接続が切れない限りにおいて自由に設定可能であるが、交換結合の大きさを適宜調整する観点から、０．１〜１．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５１】
磁化自由層１２と中間層１３との間には、高ＭＲ効果材料を挿入しても良い。これによって、より高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。高ＭＲ効果材料としては、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、などが挙げられる。ＣｏＦｅ合金、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。
【００５２】
本実施形態を例に中間層１３について説明する。中間層１３は、磁化自由層１２と磁化固定層１４の間に配置され、磁化自由層１２の磁化と磁化固定層１４の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得る機能を有する。中間層１３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。
【００５３】
中間層１３として非磁性金属を適用する場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどが挙げられる。このとき磁気抵抗効果素子１０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、中間層１３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５４】
中間層１３として絶縁材料を適用する場合、材料としてはＡｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、あるいはＭｇＡｌ２Ｏ４のようなスピネル系酸化物などが挙げられる。このとき磁気抵抗効果素子１０にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。磁化自由層１２と磁化固定層１４との間にコヒーレントトンネル効果が発現するように、中間層１３の結晶構造や方位、膜厚を調整することで、より高い磁気抵抗変化率を得ることができる。ＴＭＲ効果を利用する場合、中間層１３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５５】
中間層１３として半導体材料を適用する場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘ、Ｇａ２Ｏｘなどが挙げられ、中間層１３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５６】
中間層１３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や、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、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、中間層１３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５７】
磁化固定層１４は、強磁性体材料で構成されており、その磁化方向は実質的に一方向に固定されている。磁化固定層１４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１４の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、磁化固定層１４の磁化を固定するために磁化固定層１４に接するように反強磁性層を付加してもよい。あるいは、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１４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、Ｍｎなどを用いることが出来る。
【００５８】
なお、磁気抵抗効果素子１０の大きさは、磁気抵抗効果素子１０の形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺が１００ｎｍ程度、あるいは１００ｎｍ以下にすることが望ましい。また、磁気抵抗効果素子１０の形状が長方形から構成されない場合は、磁気抵抗効果素子１０に最小の面積で外接する長方形の長辺を、磁性発振素子１０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１２の磁区の単磁区化が可能となり、効率の良いスピンの歳差運動が可能となる。
【００５９】
次に、本実施形態を例に、スピンの歳差運動現象を利用したスピントルク発振効果およびスピントルク共鳴効果を説明する。
【００６０】
磁気抵抗効果素子に対して直流電流を流した場合、磁化固定層にてスピン偏極を受けた電子が、磁化自由層へ流入することにより、スピントルクがトランスファーされ、磁化自由層にてスピンの歳差運動が誘起される。このとき、磁気抵抗効果素子からは、スピンの歳差運動の周期に対応した周波数の交流信号が出力される。この現象をスピントルク発振効果と呼ぶ。スピントルク発振効果の周波数は、外部印加磁場によって変更可能であることが一般的に知られている。
【００６１】
一方、磁気抵抗効果素子に、磁気抵抗効果素子のスピンの歳差運動の周波数と同じ周波数の交流信号を入力すると、磁化自由層にてスピンの歳差運動が誘起することができる。この現象をスピントルク共鳴効果と呼ぶ。スピントルク共鳴効果の周波数は、外部印加磁場によって変更可能であることが一般的に知られている。スピントルク共鳴状態では、磁気抵抗効果素子は、入力された交流信号の振幅の２乗に比例する直流電圧が発生する。この整流作用を利用したものを、特にスピントルクダイオード効果と呼ぶ。スピントルクダイオード効果により出力される直流電圧は、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率に比例して大きくなる。あるいは、磁気抵抗効果素子は、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も扱うことが出来る。このとき、磁気抵抗効果素子の素子インピーダンスは、スピントルク共鳴周波数近傍で減少する。これを利用することで、スピントルク共鳴周波数近傍の高周波信号を、磁気抵抗効果素子に対して通過させやすくすることが出来る。
【００６２】
したがって、周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、入力信号線１ａから直流電流を入力することにより、磁気抵抗効果素子１０にスピントルク発振効果を発生させ、スピンの歳差運動の周期に対応した周波数の交流信号を、出力信号線１ｂから出力することが出来る。また、この発振周波数は磁場印加機構２１と電場印加機構３１から印加される磁場と電場を用いた、電気磁気操作によって変更することが出来る。このとき、周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、通信機器やＩＣタグや車載レーダーなどへの応用が期待される、高周波帯域に適応した周波数可変型の発振器として利用することが可能となる。
【００６３】
また、周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、スピントルク共鳴効果を用いることで、入力信号線１ａから入力された交流信号の周波数成分の中で、磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の周波数と一致する周波数成分を、直流電圧に変換することが可能となる。あるいは、入力された交流信号の周波数成分の中で、磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の周波数と一致する周波数近傍の素子インピーダンスを低下させることが可能となる。出力信号線１ｂから直流信号を出力する場合、周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、高周波帯域に適応した周波数可変型の検波器として利用することが可能となる。一方、出力信号線１ｂから交流信号を出力する場合、入力された交流信号のうち磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の共鳴周波数と一致する周波数成分を減衰、あるいは通過させた高周波信号を出力することが可能となる。したがって、周波数可変磁気抵抗効果素子１００は、磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の共鳴周波数の交流信号を減衰させる周波数可変型のバンドエリミネーションフィルタ、あるいは磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の共鳴周波数の交流信号を通過させる周波数可変型のバンドパスフィルタとして利用することが可能となる。
【００６４】
次に、本実施形態を例に、周波数制御の原理について説明する。スピン歳差運動に代表されるスピンダイナミクスは、磁化の運動方程式であるＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ（ＬＬＧ）方程式によって記述できる。一般に、磁場の方向を向いている磁気モーメントに対して、何らかのトルクが働くと、磁気モーメントは歳差運動を始める。このようなダイナミクスを引き起こすトルクとしては、強磁性体の各スピンに働く有効磁場（Ｈｅｆｆ）や、スピントランスファートルクの存在が知られている。トルクを加えることによって引き起こされたスピンの歳差運動は、やがてエネルギーを散逸しつつ緩和し、再び基底状態へと向かう。このとき、系の固有振動数に等しい周波数をもったエネルギーを与え続けると、スピンの歳差運動を続けることが可能となる。これを利用したものが、スピントルク発振効果、あるいはスピントルク共鳴効果である。スピントランスファートルクまでを考慮したＬＬＧ方程式を下記の式（１）に示す。
【数１】
2018061025.tif 000003
【００６５】
ここでは、２つの強磁性電極からなる系を考える。電子は磁化固定層である強磁性電極（ＦＭ１）から磁化自由層である強磁性電極（ＦＭ２）に流れ、スピン角運動量を伝達して磁化自由層の磁化に作用をおよぼす。ここでＭ２はＦＭ２の磁化ベクトルを表す。右辺第１項は有効磁場Ｈｅｆｆによるトルク（γは磁気回転比）を表す。右辺第２項は、磁化の回転歳差運動に対する制動を表すダンピング項であり、磁化の緩和過程を表すために導入された現象論的な項である。α≠０の場合には、磁化の歳差運動は緩和して有効磁場の方向に向かって収束する。右辺第３項はスピントランスファートルクによる項である。有効磁場Ｈｅｆｆは、以下の式（２）のように外部磁場（ＨＥ）、異方性磁場（ＨＫ）、磁化による反磁場（ＨＤ）からなる。
【数２】
2018061025.tif 000004
【００６６】
このときのスピンの歳差運動の周波数は、Ｋｉｔｔｅｌ式によって表記することができ、有効磁場によって変化することが知られている。例えば強磁性体の共鳴周波数は、面内方向に磁化容易軸を持つ系では下記の式（３）で表すことができる。
【数３】
2018061025.tif 000005
【００６７】
一方、有効磁場のうち、反磁場や異方性磁場の項は材料や素子形状に依存して決まるため、一般的には外部磁場ＨＥによって周波数を能動的に変化させる手段が取られている。
【００６８】
ここで、スピンの歳差運動を起こしている強磁性体が、反強磁性体に隣接している場合を考える。この場合、有効磁場は前述の外部磁場・異方性磁場・反磁場に加えて、強磁性体と反強磁性体の界面に発生する交換結合による交換バイアス磁場（ＨＥＢ）を、有効な成分として含めることができる（式（４））。
【数４】
2018061025.tif 000006
【００６９】
したがって、外場により強磁性体と反強磁性体の界面に発生する交換バイアス磁場を変化させることができれば、外部磁場を変化させた場合と同様に、スピン歳差運動の周波数を変更することが可能となる。
【００７０】
次に、交換バイアス磁場を制御する方法について説明する。電気磁気効果を有する反強磁性体あるいはフェリ磁性体を主として含む制御層１１は、交換結合を介して磁化自由層１２と磁気的に接続している。すなわち、磁化自由層１２は、制御層１１から、有効磁場として、交換バイアス磁場を供給されている。反強磁性体から強磁性体に与えられる交換バイアス磁場は、反強磁性体側の磁気秩序の状態を反映することが知られている。一般には、反強磁性体の磁気秩序は外部磁場に対して非常に安定であり、ネール温度をまたぐような温度操作をともなう磁場中熱処理（当該分野では、主にピンアニールとして知られている操作）や、非常につよい磁場を印加しないかぎり、簡単には操作できない。しかしながら、電気磁気効果を有する反強磁性体を用いた場合、外部から電場と磁場を掛け合わせて印加することで、この反強磁性体の磁気秩序を能動的に操作することが出来る。したがって、制御層１１は、電気磁気操作によって交換バイアス磁場を変化させることが可能となる。その結果、制御層１１は、電気磁気操作によって、磁化自由層１２のスピンの歳差運動の周波数を制御することが可能となる。
【００７１】
このとき、制御層１１から供給される交換バイアス磁場は、印加する電場と磁場のいずれか単独の方向によって変化するわけではなく、印加する電場と磁場の関係が、概平行あるいは概反平行であるかによって、その方向を変えることが出来る。すなわち、磁場の方向を固定して電場を切り替える、あるいは電場の方向を固定して磁場を切り替える、あるいは両者を切り替えることで、交換バイアス磁場を変更することが出来る。本発明の実施において、電場と磁場は、電気磁気効果を利用できる限りにおいて、お互いに対して多少の傾きを有して印加されてもよい。交換バイアス磁場の強さは、電場と磁場の積を変化させることによって調整することが出来る。さらに、制御層１１は、一度変化させた交換バイアス磁場を、電場と磁場を除いたあとも保持することが出来る。その結果、本実施形態に係る周波数可変磁気抵抗効果素子１００では、電場や磁場を持続的に用いて周波数を変化させる方式と比べ、大幅にデバイスの消費エネルギーを低減することが可能となる。
【００７２】
磁場印加機構２１について説明する。磁場印加機構２１としては、コイルを用いた電磁石、あるいは永久磁石を用いることができるが、磁気抵抗効果素子１０に対して磁場の印加が可能な機構であれば、これに限定されるものではない。磁場印加機構として永久磁石を用いる場合、磁場の方向と大きさは一方向に固定されるが、電場の向きと大きさを変更することで、交換バイアス磁場を操作することが出来る。この場合、周波数制御の際に必要な磁場を、エネルギーを消費することなく供給することが出来る。このことにより、制御時に必要なエネルギーをより低減することが出来る。結果として、より消費エネルギーの低い周波数可変磁気抵抗効果素子１００を供給することが可能となる。
【００７３】
電場印加機構３１について説明する。電場印加機構３１としては、例えば、制御層１１の磁化自由層１２とは反対の側に対極となる電極層を設置し、この電極層と磁化自由層１２との間に電圧を印加することで、積層方向に平行に電場を印加することができる、あるいは制御層１１の両脇に２つの電極層を設置することで、積層方向とは垂直に電場を印加することができる。電場印加機構３１は、磁気抵抗効果素子１０に対して実質的に電場の印加が可能な機構であれば、これに限定されるものではない。
【００７４】
図３は、本実施形態の磁化自由層１２における、スピンの歳差運動の周波数と振幅との関係を示したグラフである。図の縦軸は振幅、横軸は周波数を表している。共鳴周波数ｆ０は、交換バイアス磁場ＨＥＢが０の場合の共鳴周波数である。制御層１１から与えられる交換バイアス磁場は、０、あるいは正か負の有限の値をとることができる。結果として、磁化自由層１２のスピンの歳差運動の周波数特性は、図３に示すように、共鳴周波数ｆ０を中心に高周波側あるいは低周波側にシフトすることが出来る。言い換えれば、磁気抵抗効果素子１０の発振周波数あるいは共鳴周波数を高周波側あるいは低周波側にシフトすることが出来る。例えば、制御層１１から磁化自由層１２に印加される交換バイアス磁場が正の場合、交換バイアス磁場強度をあげると磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の周波数は高周波側へシフトする。その結果、磁気抵抗効果素子を利用した、発振器、検波器、フィルタの作動周波数を高周波側へ調整することが可能となる。一方、制御層１１から磁化自由層１２に印加される交換バイアス磁場が負の場合、交換バイアス磁界強度あげると磁気抵抗効果素子１０の発振周波数あるいは共鳴周波数は低周波側へシフトする。その結果、磁気抵抗効果素子を利用した、発振器、検波器、フィルタの作動周波数を低周波側へ調整することが可能となる。
【００７５】
以上、第１の実施形態では、本発明の実施に係る最も基本的な態様を説明した。特に本発明の特徴部分である、電気磁気効果によって制御することが可能な制御層１１から供給される交換バイアス磁場を用いた態様について説明した。以下、第２乃至第４の実施形態では、各実施形態をもとに、スピンの歳差運動を利用するための磁化自由層１２と磁化固定層１３の磁化配置、および電場と磁場の効果的な印加方向について説明する。
【００７６】
（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素子１０と、磁場印加機構２１と電場印加機構３１との位置関係の概略図である。磁気抵抗効果素子１０は、制御層１１、磁化方向が可変の磁化自由層１２、中間層１３、および磁化方向が不変の磁化固定層１４を有する。磁化固定層１４は、強磁性材料で構成されており、その磁化方向は実質的に磁化固定層の面内の一方向に固定されている。磁場印加機構２１は、制御層１１に対して積層方向に対して垂直の方向へ磁場を印加する機能を有する。電場印加機構３１は、制御層１１に対して積層方向に対して垂直の方向へ電場を印加する機能を有する。図中の破線は磁場印加機構２１および電場印加機構３１から加えられる電場と磁場の印加方向、一点鎖線は磁化自由層１２の磁気異方性の方向を意味する。磁場印加機構２１、および電場印加機構３１は、制御層１１に対して、実質的に電場および磁場を印加する機能を有するものであれば、制御層１１に接して配置してもよいが、空間をあけて配置することも可能である。
【００７７】
本実施形態の磁化自由層１２は、面内方向への一軸磁気異方性を有し、その磁化方向は磁化自由層の面内方向を向いている。図中の矢印は、磁化自由層１２と磁化固定層１４の磁化の方向を示している。磁化自由層１２は、スピン偏極電流が流れることによりスピンの歳差運動が引き起こすことが可能であり、これによってスピントルク発振効果やスピントルク共鳴効果を得ることが出来る。磁化自由層１２の磁化は、磁気抵抗効果素子１０に電流を印加する前の状態では、磁化自由層１２における有効磁場の方向を向いている。有効磁場は、式４に示されたように、磁化自由層１２内の外部磁場、異方性磁場、反磁場および交換バイアス磁場の和である。図４では、磁化自由層１２の磁化の方向と、磁化固定層１４の磁化の方向が、互いに反対方向を向いているが、これらの方向は互いに異なる方向であれば、これに限られない。
【００７８】
本実施形態の制御層１１は、磁化自由層１２に対して面内方向への交換バイアス磁場を発生させる機能を有する。さらに、制御層１１は、積層方向に対して垂直方向への電界と磁界を用いたＭＥ操作に応じて、交換バイアス磁界を変化させる機能及び、交換バイアス磁界を保持する機能を有する。これにより、磁気抵抗効果素子１０は、ＭＥ操作によってスピントルク発振周波数やスピントルク共鳴周波数を変化可能である。
【００７９】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１０は、発振閾値電流密度以上の直流電流が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が主に面内方向を中心に振動し、磁気抵抗効果により磁化の振動周波数に応じた交流信号を取り出すことが出来る、いわゆるスピントルク発振効果が生じる。また、磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子に共鳴周波数と一致する交流信号が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が面内方向を中心に振動し、磁化の振動周波数に応じて交流信号を直流に変換して取り出すことが出来る、あるいは磁化の振動周波数に応じた周波数成分のインピーダンスを低下することが出来る、いわゆるスピントルク共鳴効果が生じる。一般的には、このようなスピントルクによって引き起こされる磁化の振動における磁化自由層の磁化の振動周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。
【００８０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と、磁場印加機構２１と電場印加機構３１との位置関係の概略図である。磁気抵抗効果素子１０は、制御層１１、磁化方向が可変の磁化自由層１２、中間層１３、および磁化方向が不変の磁化固定層１４を有する。磁化固定層１４は、強磁性材料で構成されており、その磁化方向は実質的に磁化固定層の面内の一方向に固定されている。磁場印加機構２１は、制御層１１に対して面直方向へ磁場を印加する機能を有する。電場印加機構３１は、制御層１１に対して面直方向へ電場を印加する機能を有する。図中の破線は磁場印加機構２１および電場印加機構３１から加えられる電場と磁場の印加方向、一点鎖線は磁化自由層１２の磁気異方性の方向を意味する。磁場印加機構２１、および電場印加機構３１は、制御層１１に対して、実質的に電場および磁場を印加する機能を有するものであれば、制御層１１に接して配置してもよいが、空間をあけて配置することも可能である。
【００８１】
本実施形態の磁化自由層１２は、面内方向への一軸磁気異方性を有している。図中の矢印は、磁化自由層１２と磁化固定層１４の磁化の方向を示している。磁化自由層１２は、スピン偏極電流が流れることによりスピンの歳差運動が引き起こすことが可能であり、これによってスピントルク発振効果やスピントルク共鳴効果を得ることが出来る。磁化自由層１２の磁化は、磁気抵抗効果素子１０に電流を印加する前の状態では、磁化自由層１２における有効磁場の方向を向いている。有効磁場は、磁化自由層１２内の外部磁場、異方性磁場、反磁場および交換バイアス磁場の和である。図５には、一例としての磁化自由層１２の磁化の方向と、磁化固定層１４の磁化の方向が示されているが、これらの方向は互いに異なる方向であれば、これに限られない。
【００８２】
本実施形態の制御層１１は、磁化自由層１２に対して面直方向への交換バイアス磁場を発生させる機能を有する。さらに、制御層１１は、ＭＥ効果を利用して、積層面内の方向への電場と磁場の掛け合わせに応じて交換バイアス磁場を変化させ、その状態を保持する機能を有する。
【００８３】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１０は、発振閾値電流密度以上の直流電流が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が主に面内方向を中心に振動し、磁気抵抗効果により磁化の振動周波数に応じた交流信号を取り出すことが出来る、いわゆるスピントルク発振効果を得ることが出来る。また、磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子に共鳴周波数と一致する交流信号が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が面内方向を中心に振動し、磁化の振動周波数に応じて交流信号を直流に変換して取り出すことが出来る、あるいは磁化の振動周波数に応じた周波数成分のインピーダンスを低下することが出来る、いわゆるスピントルク共鳴効果が生じる。一般的には、このようなスピントルクによって引き起こされる磁化の振動における磁化自由層の磁化の振動周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域である。
【００８４】
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と、磁場印加機構２１と電場印加機構３１との位置関係の概略図である。磁気抵抗効果素子１０は、制御層１１、磁化方向が可変の磁化自由層１２、中間層１３、および磁化方向が不変の磁化固定層１４を有する。磁化固定層１４は、強磁性材料で構成されており、その磁化方向は実質的に磁化固定層の面内の一方向に固定されている。磁場印加機構２１は、制御層１１に対して面直方向へ磁場を印加する機能を有する。電場印加機構３１は、制御層１１に対して面直方向へ電場を印加する機能を有する。図中の破線は磁場印加機構２１および電場印加機構３１から加えられる電場と磁場の印加方向、一点鎖線は磁化自由層１２の磁気異方性の方向を意味する。磁場印加機構２１、および電場印加機構３１は、制御層１１に対して、実質的に電場および磁場を印加する機能を有するものであれば、制御層１１に接して配置してもよいが、空間をあけて配置することも可能である。
【００８５】
本実施形態の磁化自由層１２は、積層方向への一軸磁気異方性を有し、その磁化方向は磁化自由層の積層方向を向いている。図中の矢印は、磁化自由層１２と磁化固定層１４の磁化の方向を示している。磁化自由層１２は、スピン偏極電流が流れることによりスピンの歳差運動が引き起こすことが可能であり、これによってスピントルク発振効果やスピントルク共鳴効果を得ることが出来る。磁化自由層１２の磁化は、磁気抵抗効果素子１０に電流を印加する前の状態では、磁化自由層１２における有効磁場の方向を向いている。有効磁場は、磁化自由層１２内の外部磁場、異方性磁場、反磁場および交換バイアス磁場の和である。図６には、一例としての磁化自由層１２の磁化の方向と、磁化固定層１４の磁化の方向が示されているが、これらの方向は互いに異なる方向であれば、これに限られない。
【００８６】
本実施形態の制御層１１は、磁化自由層１２に対して面直方向への交換バイアス磁場を発生させる機能を有する。さらに、制御層１１は、ＭＥ効果を利用して、面直方向への電場界と磁場の掛け合わせに応じて交換バイアス磁場を変化させ、その状態を保持する機能を有する。
【００８７】
本実施形態の磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の直流電流が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が面直方向を中心に振動し、磁気抵抗効果により磁化の振動周波数に応じた交流信号を取り出すことが出来る、いわゆるスピントルク発振効果を得ることが出来る。また、磁気抵抗効果素子１０は、磁気抵抗効果素子に共鳴周波数と一致する交流信号が流れた場合、スピントルクにより磁化自由層１２の磁化が面直方向を中心に振動し、磁化の振動周波数に応じて交流信号を直流に変換して取り出すことが出来る、あるいは磁化の振動周波数に応じた周波数成分のインピーダンスを低下することが出来る、いわゆるスピントルク共鳴効果が生じる。一般的には、このようなスピントルクによって引き起こされる磁化の振動における磁化自由層の磁化の振動周波数は数〜数十ＧＨｚの高周波帯域であり、また面直方向における振動よりもより高周波帯域で起きることが知られている。
【００８８】
上記第１〜第４実施形態では、磁気抵抗効果素子１０が、磁化自由層１２、磁化固定層１４およびこれらの間に配置された中間層１３を有する例で説明したが、磁気抵抗効果素子１０にかえて、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中間層を有する磁気抵抗効果素子とすることもできる。一例として、２つの磁化自由層同士が中間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、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中間層を介して磁気的に結合する例が挙げられる。このような磁気抵抗効果素子の場合、２つの磁化自由層のうちの１つの磁化自由層が制御層と磁気的に接続されていれば良いが、２つの磁化自由層のそれぞれに磁気的に接続する制御層が設けられていても良い。
【００８９】
以下、本発明の好ましい実施の形態として、具体的な素子に係る実施の形態を説明する。第５の実施形態では周波数可変発振器の例を、第６の実施形態では周波数可変検波器の例を、第７および第８の実施形態では周波数可変フィルタの例を、それぞれ説明する。
【００９０】
（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る周波数可変発振器２００の概略図である。発振器２００は、入力信号線１ａ、上部電極２、周波数可変磁気抵抗効果素子１００、下部電極３、および出力信号線１ｂを備えている。尚、図７では、周波数可変磁気抵抗効果素子１００のうち磁気抵抗効果素子１０のみを記載し、周波数可変磁気抵抗効果素子１００の残りの構成要素は記載を省略している。
【００９１】
本実施形態の入力信号線１ａは、上部電極２に電気的に接続され、直流電流を磁気抵抗効果素子１０に供給する機能を有する。出力信号線１ｂは、上部電極２と電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１０で発生した周波数ｆ０の交流信号を取り出す機能を有する。
【００９２】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、一対の電極としての役目を備え、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に磁気抵抗効果素子１０を介して配置されている。つまり、電流を磁気抵抗効果素子１０に対して、磁気抵抗効果素子１０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１０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。下部電極３はグランドに接続される。
【００９３】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ等の高導電率材料から構成されることが好ましい。また、上部電極２および下部電極３の平面視形状は、マイクロストリップライン型やコプレーナウエーブガイド型に規定することが好ましい。これにより、交流信号の伝送損失の低減が可能となる。
【００９４】
本実施形態の周波数可変磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗効果素子１０に直流電流を入力すると、スピントルク発振効果によってスピン歳差運動の周波数と同じ周波数をもった交流信号が発生する。
【００９５】
図８は、本実施形態の磁気抵抗効果素子１０におけるスピントルク発振効果の周波数特性を示す図である。横軸は出力される交流信号の周波数、縦軸は発振出力である。図８に示されたように、磁気抵抗効果素子１０のスピントルク発振周波数ｆ０と一致するような周波数において、大きな発振出力を得ることが出来る。このとき、発振出力は磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ）に比例して大きくなる。
【００９６】
さらに、周波数可変発振器２００は、制御層１１から、磁化自由層１２へと与えられる交換バイアス磁場を変化させることで、スピントルク発振効果を高周波数側あるいは低周波数側へとシフトさせることが出来る。すなわち、磁化自由層１２の磁化のスピントルク発振周波数ｆ０が、希望の発振周波数になるよう、制御層１１から磁化自由層１２に対して交換バイアス磁場を与えることで、磁気抵抗効果素子１０から出力されるスピントルク発振効果の周波数特性を、チューナブルに制御することが可能となる。
【００９７】
例えば、出力する交流信号の周波数を、より高い側にシフトさせたい場合、本実施形態の制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを強める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク発振周波数ｆ０を高く設定することが可能となる。その結果、発振される交流信号の周波数を高くすることが出来る。出力する交流信号の周波数を、より低い側にシフトさせたい場合、制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを弱める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク発振周波数ｆ０を低く設定することが可能となる。その結果、発振される交流信号の周波数を低くすることが出来る。これにより、設定の周波数で最大の発振出力を得ることが可能な、周波数可変の発振器を得ることが出来る。
【００９８】
本実施形態の制御層１１からの磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場は、磁場印加機構２１と電場印加機構３１から、制御層１１に所定の磁場と電場を同時に印加することで、設定することが出来る。さらに、一度設定した状態の交換バイアス磁場は、印加していた磁場と電場を除いた後も保持することが出来る。従って、変更したスピントルク発振鳴周波数は、磁場と電場を除いたあとも保持することが出来る。さらに、発振周波数を設定した後に、外乱等の影響で発振周波数がずれてしまった場合でも、交換バイアス磁場の大きさを再度調整することにより、再び所定の周波数で発振させることが可能となる。従って、外乱等の影響を受けたとしても発振出力の大きい状態を容易に維持することができる。
【００９９】
（第６の実施形態）
図９は、第６の実施形態に係る周波数可変検波器３００の概略図である。検波器３００は、入力信号線１ａ、上部電極２、周波数可変磁気抵抗効果素子１００、下部電極３、および出力信号線１ｂを備えている。尚、図９では、周波数可変磁気抵抗効果素子１００のうち磁気抵抗効果素子１０のみを記載し、周波数可変磁気抵抗効果素子１００の残りの構成要素は記載を省略している。
【０１００】
本実施形態の入力信号線１ａは、上部電極２に電気的に接続され、周波数ｆ０の成分を有した交流信号を磁気抵抗効果素子１０に供給する機能を有する。出力信号線１ｂは、上部電極２と電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１０で発生した周波数ｆ０に対応する出力電圧を取り出す機能を有する。
【０１０１】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、一対の電極としての役目を備え、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に磁気抵抗効果素子１０を介して配置されている。つまり、電流を磁気抵抗効果素子１０に対して、磁気抵抗効果素子１０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１０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。下部電極３はグランドに接続される。
【０１０２】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ等の高導電率材料から構成されることが好ましい。また、上部電極２および下部電極３の平面視形状は、マイクロストリップライン型やコプレーナウエーブガイド型に規定することが好ましい。これにより、交流信号の伝送損失の低減が可能となる。
【０１０３】
本実施形態の周波数可変磁気抵抗効果素子１００の磁気抵抗効果素子１０に、スピントルク共鳴周波数ｆ０に近い周波数をもつ交流信号を入力すると、スピントルクダイオード効果によって、信号の振幅の２乗に比例する直流電圧（以降、出力電圧と呼ぶ）が発生する。
【０１０４】
図１０は、本実施形態の磁気抵抗効果素子１０おけるスピントルクダイオード効果の周波数特性を示す図である。横軸は交流信号の周波数、縦軸は出力電圧である。図１０から分かる通り、交流信号の周波数の成分が磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０と一致すると大きな出力電圧が発生する。このとき、出力電圧は、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率（ＭＲ）に比例して大きくなる。
【０１０５】
さらに、周波数可変検波器３００は、制御層１１から、磁化自由層１２へと与えられる交換バイアス磁場を変化させることで、スピントルク共鳴効果を高周波数側あるいは低周波数側の方向へシフトさせることができる。すなわち、磁化自由層１２の磁化のスピントルク共鳴周波数を、入力される交流信号の周波数と一致するようにシフトさせるよう、制御層１１から磁化自由層１２に対して交換バイアス磁場を与えることで、磁気抵抗効果素子１０から得られるスピントルクダイオード効果の周波数特性を、チューナブルに制御することが可能となる。
【０１０６】
例えば、入力交流信号の周波数がスピントルク共鳴周波数ｆ０よりも比較的低い場合、本実施形態の制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを弱める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を低く設定することが可能となる。その結果、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０と入力交流信号の周波数を一致させることができる。一方、入力交流信号の周波数がスピントルク共鳴周波数ｆ０よりも比較的高い場合、制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを強める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を高く設定することが可能となる。その結果、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０と入力交流信号の周波数を一致させることが出来る。これにより、入力される交流信号の周波数に対応する出力電圧を最大にすることが可能となる。すなわち、入力する交流信号の周波数が変化しても、最大の出力信号を得ることが可能な周波数可変の検波器を得ることが出来る。
【０１０７】
本実施形態の制御層１１からの磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場は、磁場印加機構２１と電場印加機構３１から、制御層１１に所定の磁場と電場を同時に印加することで、設定することが出来る。さらに、一度設定した状態の交換バイアス磁場は、印加していた磁場と電場を除いた後も保持することが出来る。従って、変更したスピントルク共鳴周波数ｆ０は、磁場と電場を除いたあとも保持することが出来る。さらに、スピントルク共鳴周波数と入力交流信号の周波数を一致させた後に、外乱等の影響で両者の周波数がずれてしまった場合でも、交換バイアス磁場の大きさを再度調整することにより、再び両者の周波数を一致させることが可能となる。従って、外乱等の影響を受けたとしても出力信号の大きい状態を容易に維持することができる。
【０１０８】
（第７の実施形態）
図１１は、第７の実施形態に係る周波数可変フィルタ４００の概略図である。周波数可変フィルタ４００は、入力信号線１ａ、上部電極２、周波数可変磁気抵抗効果素子１００、下部電極３、および出力信号線１ｂを備えている。尚、図１１では、周波数可変磁気抵抗効果素子１００のうち磁気抵抗効果素子１０のみを記載し、周波数可変磁気抵抗効果素子１００の残りの構成要素は記載を省略している。
【０１０９】
本実施形態の入力信号線１ａは、上部電極２に電気的に接続され、少なくとも第１の周波数成分と、第１の周波数とは異なる第２の周波数成分を含む交流信号を、磁気抵抗効果素子１０に供給する機能を有する。以降、第１の周波数をｆ１、第２の周波数をｆ２と表記する。出力信号線１ｂは、上部電極２と電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１０から出力される交流信号を取り出す機能を有する。
【０１１０】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、一対の電極としての役目を備え、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に磁気抵抗効果素子１０を介して配置されている。つまり、電流を磁気抵抗効果素子１０に対して、磁気抵抗効果素子１０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１０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。下部電極３はグランドに接続される。
【０１１１】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ等の高導電率材料から構成されることが好ましい。また、上部電極２および下部電極３の平面視形状は、マイクロストリップライン型やコプレーナウエーブガイド型に規定することが好ましい。これにより、交流信号の伝送損失の低減が可能となる。
【０１１２】
本実施形態の周波数可変フィルタ４００の磁気抵抗効果素子１０に、スピントルク共鳴周波数ｆ０に近い交流信号が入力されると、磁気抵抗効果素子１０にスピントルク共鳴効果を発生させることが出来る。このとき、磁気抵抗効果素子１０は、スピントルク共鳴周波数ｆ０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１０の、スピントルク共鳴周波数ｆ０と同じ周波数の素子インピーダンスが減少する。この磁気抵抗効果素子１０を入力信号線１ａおよび出力信号線１ｂに対して並列接続させることにより、入力信号線１ａから入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０の近傍の周波数の交流信号は、磁気抵抗効果素子１０に流れやすくなり、出力信号線１ｂ側には流れにくくなる。すなわち、入力信号線１ａから入力された交流信号を、磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０の近傍の周波数では、出力信号線１ｂに対して遮断することが出来る。
【０１１３】
図１２は、本実施形態の周波数可変フィルタ４００の周波数特性を示す図である。横軸は交流信号の周波数、縦軸は信号透過係数である。図から分かる通り、交流信号の周波数の成分が磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０と一致する周波数近傍で、信号透過係数は大きく減衰する。すなわち、周波数可変フィルタ４００は、入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の共鳴周波数ｆ０に一致する周波数成分の交流信号を減衰させる、いわゆるバンドエリミネーションフィルタの機能を有することが出来る。
【０１１４】
さらに、本実施形態の周波数可変フィルタ４００は、制御層１１から、磁化自由層１２へと与えられる交換バイアス磁場を変化させることで、スピントルク共鳴効果を高周波数側あるいは低周波数側の方向へシフトさせることができる。すなわち、磁化自由層１２の磁化のスピントルク共鳴周波数ｆ０が、希望の遮断周波数になるよう、制御層１１から磁化自由層１２に対して交換バイアス磁場を与えることで、周波数可変フィルタ４００の周波数特性を、チューナブルに制御することが可能となる。
【０１１５】
例えば、周波数可変フィルタ４００が遮断する交流信号の周波数を、より高い側にシフトさせたい場合、本実施形態の制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを強める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を高く設定することが可能となる。その結果、遮断される交流信号の周波数を高くすることが出来る。あるいは、周波数可変フィルタ４００が遮断する交流信号の周波数を、より低い側にシフトさせたい場合、制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを弱める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を低く設定することが可能となる。その結果、遮断される交流信号の周波数を低くすることが出来る。これにより、設定の周波数で最大の遮断特性を得ることが可能な、周波数可変のフィルタを得ることが出来る。例えば、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を第１の周波数ｆ１と同じ周波数に設定することで、図１１に示すように、周波数可変フィルタ４００は、磁気抵抗効果素子１０が第１の周波数成分と第２の周波数成分を含む交流信号の入力を受けた際に、第１の周波数成分の信号を減衰させた信号（この例では、第２の周波数成分を主とする交流信号）を出力することができる。尚、この場合、周波数可変フィルタ４００では、図９に示す周波数可変検波器３００と同様に、直流電圧が発生するが、この直流電圧をカットしたい場合には、出力信号線１ｂに直列にコンデンサを接続すればよい。
【０１１６】
制御層１１からの磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場は、磁場印加機構２１と電場印加機構３１から、制御層１１に所定の磁場と電場を同時に印加することで、設定することが出来る。さらに、一度設定した状態の交換バイアス磁場は、印加していた磁場と電場を除いた後も保持することが出来る。従って、変更したスピントルク共鳴周波数ｆ０は、磁場と電場を除いたあとも保持することが出来る。さらに、遮断周波数を設定した後に、外乱等の影響で遮断周波数がずれてしまった場合でも、交換バイアス磁場の大きさを再度調整することにより、再び所定の周波数で遮断させることが可能となる。従って、外乱等の影響を受けたとしても遮断特性の大きい状態を容易に維持することができる。
【０１１７】
（第８の実施形態）
図１３は、第８の実施形態に係る周波数可変フィルタ５００の概略図である。周波数可変フィルタ５００は、入力信号線１ａ、上部電極２、周波数可変磁気抵抗効果素子１００、下部電極３、および出力信号線１ｂを備えている。尚、図１３では、周波数可変磁気抵抗効果素子１００のうち磁気抵抗効果素子１０のみを記載し、周波数可変磁気抵抗効果素子１００の残りの構成要素は記載を省略している。
【０１１８】
本実施形態の入力信号線１ａは、上部電極２に電気的に接続され、少なくとも第１の周波数成分と、第１の周波数とは異なる第２の周波数成分を含む交流信号を、磁気抵抗効果素子１０に供給する機能を有する。以降、第１の周波数をｆ１、第２の周波数をｆ２と表記する。出力信号線１ｂは、下部電極３と電気的に接続され、磁気抵抗効果素子１０から出力される交流信号を取り出す機能を有する。
【０１１９】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、一対の電極としての役目を備え、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に磁気抵抗効果素子１０を介して配置されている。つまり、電流を磁気抵抗効果素子１０に対して、磁気抵抗効果素子１０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１０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。
【０１２０】
本実施形態の上部電極２および下部電極３は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ等の高導電率材料から構成されることが好ましい。また、上部電極２および下部電極３の平面視形状は、マイクロストリップライン型やコプレーナウエーブガイド型に規定することが好ましい。これにより、交流信号の伝送損失の低減が可能となる。
【０１２１】
本実施形態の周波数可変フィルタ５００の磁気抵抗効果素子１０に、スピントルク共鳴周波数ｆ０に近い交流信号が入力されると、磁気抵抗効果素子１０にスピントルク共鳴効果を発生させることが出来る。このとき、磁気抵抗効果素子１０は、スピントルク共鳴周波数ｆ０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１０の、スピントルク共鳴周波数ｆ０と同じ周波数の素子インピーダンスが減少する。この磁気抵抗効果素子１０を入力信号線１ａおよび出力信号線１ｂに対して直列接続させることにより、入力信号線１ａから入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０の近傍の周波数の交流信号は、磁気抵抗効果素子１０を透過しやすくなり、出力信号線１ｂ側に流れやすくなる。すなわち、入力信号線１ａから入力された交流信号を、高インピーダンスの非共鳴周波数では減衰させ、低インピーダンスの共鳴周波数では通過させることが出来る。
【０１２２】
図１４は、本実施形態の周波数可変フィルタ５００の周波数特性を示す図である。横軸は交流信号の周波数、縦軸は信号透過係数である。図から分かる通り、交流信号の周波数の成分が磁気抵抗効果素子１０のスピントルク共鳴周波数ｆ０と一致する周波数近傍で、信号透過係数は大きくなる。すなわち、周波数可変フィルタ５００は、入力された交流信号のうち、磁気抵抗効果素子１０のスピン歳差運動の共鳴周波数ｆ０に一致する周波数成分の交流信号を透過する、いわゆるバンドパスフィルタの機能を有することが出来る。
【０１２３】
さらに、本実施形態の周波数可変フィルタ５００は、制御層１１から、磁化自由層１２へと与えられる交換バイアス磁場を変化させることで、スピントルク共鳴効果を高周波数側あるいは低周波数側の方向へシフトさせることができる。すなわち、磁化自由層１２の磁化のスピントルク共鳴周波数ｆ０が、希望の透過周波数になるよう、制御層１１から磁化自由層１２に対して交換バイアス磁場を与えることで、周波数可変フィルタ５００の周波数特性を、チューナブルに制御することが可能となる。
【０１２４】
例えば、周波数可変フィルタ５００が透過する交流信号の周波数を、より高い側にシフトさせたい場合、制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを強める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を高く設定することが可能となる。その結果、透過される交流信号の周波数を高くすることが出来る。あるいは、周波数可変フィルタ５００が透過する交流信号の周波数を、より低い側にシフトさせたい場合、制御層１１から磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、有効磁場Ｈｅｆｆを弱める方向に変化させることで、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を低く設定することが可能となる。その結果、透過される交流信号の周波数を低くすることが出来る。これにより、設定の周波数で最大の透過特性を得ることが可能な、周波数可変のフィルタを得ることが出来る。例えば、磁化自由層１２のスピントルク共鳴周波数ｆ０を第１の周波数ｆ１と同じ周波数に設定することで、図１３に示すように、周波数可変フィルタ５００は、磁気抵抗効果素子１０が第１の周波数成分と第２の周波数成分を含む交流信号交流信号の入力を受けた際に、交流信号のうち第１の周波数成分の信号を選択的に透過させることができる。
【０１２５】
本実施形態の制御層１１からの磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場は、磁場印加機構２１と電場印加機構３１から、制御層１１に所定の磁場と電場を同時に印加することで、設定することが出来る。さらに、一度設定した状態の交換バイアス磁場は、印加していた磁場と電場を除いた後も保持することが出来る。従って、変更したスピントルク共鳴周波数ｆ０は、磁場と電場を除いたあとも保持することが出来る。さらに、透過周波数を設定した後に、外乱等の影響で透過周波数がずれてしまった場合でも、交換バイアス磁場の大きさを再度調整することにより、再び所定の周波数で透過させることが可能となる。従って、外乱等の影響を受けたとしても透過特性の大きい状態を容易に維持することができる。
【０１２６】
以下、実験例とシミュレーション例とをもとに、本発明をより具体的に説明する。なお、以下の説明は本発明の効果を一の実験例、一のシミュレーション例によって確認したものであり、本発明を限定するものではない。実施された製品の形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、その製品は本発明の範囲に含まれることに留意すべきである。
【０１２７】
（実験例）
実験例では、図１５に示されるような周波数可変磁気抵抗効果素子１００を構成する制御層１１と、磁化自由層１２の関係を模したサンプルを作製して、その効果を確認した。
【０１２８】
図１５を用いて、本実験例のサンプルの構成を説明する。基板５３はサファイア基板であり、下部電極５２はＰｔであり、制御層１１はＣｒ２Ｏ３からなるＭＥ効果を有する酸化物反強磁性体層であり、磁化自由層１２はＣｏからなる金属強磁性体層であり、上部電極５１はＰｔである。上部電極５１と、下部電極５２は、電源装置５４に接続されており、制御層１１に対して垂直方向に正、あるいは負の電場を印加することができ、本発明における電場印加機構の一例に相当する。また、サンプルの上下方向には、電磁石からなる磁界を印加するための磁界印加機構が設置されるが、磁界印加機構の詳細は周知技術であるため説明は省略する。下部電極５２、制御層１１、磁化自由層１２、および上部電極５１は、例えばスパッタリング法やパルス・レーザー堆積法（ＰＬＤ）、イオンビーム堆積法（ＩＢＤ）、又は化学気相堆積法（ＣＶＤ）など任意の物理的又は化学的堆積プロセスを利用して形成してよい。
【０１２９】
サンプルの作製について説明する。ステップ出しを行なったｃ面サファイア基板表面に、アルゴン雰囲気中で、ｄｃスパッタリング法により、厚さ２５ｎｍのＰｔ下部電極５２を形成した。
【０１３０】
次に、Ｐｔ電極表面に、５００℃、０．３Ｐａ、アルゴン・酸素雰囲気中、プラズマパワー１００Ｗの条件で、Ｃｒ金属ターゲットを用いた反応性ｒｆスパッタリング法により、厚さ５００ｎｍのＣｒ２Ｏ３（００１）層を形成した。このＣｒ２Ｏ３層によって制御層１１が形成される。
【０１３１】
次に、１５０℃、アルゴン雰囲気中で、ｄｃスパッタリング法により、厚さ１ｎｍのＣｏ金属強磁性層からなる磁化自由層１２を形成した。さらに磁化自由層１２の上に、厚さ５ｎｍのＰｔ金属からなる上部電極５１を形成した。また、今回の実験では、交換結合強度を適度な大きさに調整するために、アルゴン雰囲気中の、ｄｃスパッタリング法により、制御層１１と磁化自由層１２の界面に、適度の厚みのＣｒ金属からなる交換結合調整層を形成した。
【０１３２】
得られたサンプルの評価方法を説明する。制御層１１から磁化自由層１２に加えられる交換バイアス磁場は、異常ホール効果（ＡＨＥ）を用いて電気的に確認した。異常ホール効果を測定するため、上部電極は、十字型のホールバー形状に整形されている。また磁化自由層１２が存在するホールバー形状の交差部分の面積は、４０×４０μｍ２のサイズに加工されている。異常ホール効果（ＡＨＥ）は、ホールバーのＩ１とＩ２の間に定電流を流し、このときＶ１とＶ２間に発生するホール電圧を測定することで評価した。
【０１３３】
作製したサンプルを用いて、実際にＭＥ操作による交換バイアス磁場の変化を確認した。図１６は、作製したサンプルの異常ホール効果の測定結果を示したものである。図の縦軸は規格化されたＡＨＥの信号であり、サンプルの磁化の方向と比例する。図中、ｗ／ｏ  ＨＥＸとして示されているループが、交換バイアス磁場が０の状態で、磁化自由層１２から得られるＡＨＥループを示したものである。また、初めに＋１０ｋＯｅの磁場で磁界中冷却を行なうことで、サンプルに正の交換バイアスを付与した状態を初期状態として、ＭＥ操作実験を行なっている。初期状態のループでは、磁化自由層１２から得られるＡＨＥループは、＋９０Ｏｅほど原点からシフトしている状態であることが確認できた。このことは、磁化自由層１２が、−９０Ｏｅの交換バイアス磁場を受けている状態にあることを意味している。
【０１３４】
このサンプルの制御層１１に、磁場と電場の関係が平行状態になるよう、磁場と電場を掛け合わせて印加すると、交換バイアスの値が初期状態から徐々に変化していき、最終的には負の値にまで反転することが出来た。実験では、磁場は＋１０ｋＯｅに固定し、印加電圧を徐々に大きくしながら制御層１１に電場を印加した場合の、ＡＨＥ測定の結果が示されている。５Ｖ、１０Ｖと電圧を大きくしていくことで、交換バイアスの値が徐々に減少していき、７０Ｖを印加した後では、交換バイアスが完全に反転していることが確認できた。すなわち、制御層１１から、磁化自由層１２に与えられる交換バイアス磁場を、−９０Ｏｅから＋９０Ｏｅの範囲で連続して変化出来ることが確認できた。さらに、磁場と電場の関係が反平行状態になるように、電場の方向を入れ替えて磁場と電場を印加していくと、交換バイアスの値が負から正へとシフトすることが確認できた。すなわち、磁場の方向が固定された状態で、電場の方向を入れ替えることで、２つの状態を繰り返し往復できることが確認できた。このことはＭＥ操作によって、制御層１１から磁化自由層１２に加えられる交換バイアス磁場の大きさを、正から負の範囲で制御可能であることを意味している。
【０１３５】
（シミュレーション例）
第１の実施形態の磁気抵抗効果素子について、ＬＬＧ方程式により、磁気抵抗効果素子のスピントルク歳差効果（具体的には発振現象）についてシミュレーションを行なった。図１７を用いて、シミュレーションに用いた磁気抵抗効果素子の構成を説明する。磁化自由層１２は、素子直径１７０ｎｍの円柱状とした。ここでは、固定層の磁化方向にｘ軸をとり、ｚ軸方向を厚み方向とした。磁化自由層１２、磁化固定層１４の材料はＣｏＦｅ合金とした。磁化固定層１４の磁化は、磁化固定層１４に隣接して設けられ、図示しない反強磁性体との交換結合によって固定されているものとした。
【０１３６】
磁気抵抗効果素子１０には、初期状態として磁化固定層の磁化の方向から１７９度の角度で、２００Ｏｅの外部磁場（ＨＥ）が印加されている状態を想定した。また、膜厚は十分薄いとみなせるので、反磁場係数Ｎｘ＝０、Ｎｙ＝０、Ｎｚ＝１とした。
【０１３７】
磁化自由層１２の磁化は一様であるとした。磁化自由層１２にかかる交換バイアス磁場をＨｅｘｃとした。また、本シミュレーション例においては、磁気抵抗効果素子１０には異方性磁場は考慮しないものとした（ＨＫ＝０）。従って、磁化自由層１２における有効磁場は外部磁場ＨＥと反磁場ＨＤ、および交換バイアスによる交換バイアス磁場ＨＥＢの和とした。また有限温度での発振を再現するために、ＬＬＧ方程式の磁場によるトルクの項には、有効磁場に加えて以下のＨｔｈｅｒｍａｌを追加している。Ｈｔｈｅｒｍａｌの式を式（５）に示す。
【数５】
2018061025.tif 000007
【０１３８】
本シミュレーション例で使用したパラメータを表１に示す。
【表１】
2018061025.tif 000008
【０１３９】
図１８（ａ）は、本シミュレーション例によって求めた磁気抵抗効果素子の発振周波数の交換バイアス磁場（ＨＥＢ）依存性を示したものである。図の縦軸は任意強度で示された発振出力であり、横軸は発振周波数である。図中のｆ０で示された発振スペクトルは、交換バイアス磁場ＨＥＢが０であり、有効磁場Ｈｅｆｆが外部磁場ＨＥと反磁場ＨＤの和である場合の基準の発振スペクトルを示している。また、ｆ０に対して低周波数側に存在する２つのスペクトルは、それぞれ交換バイアス磁場ＨＥＢを−５０Ｏｅ、−１００Ｏｅに設定した場合の発振スペクトルを示している。また、ｆ０に対して高周波数側に存在する２つのスペクトルは交換バイアス磁場ＨＥＢを５０Ｏｅ、１００Ｏｅに設定した場合のそれぞれの発振スペクトルである。図１８（ｂ）は、設定した交換バイアス磁場ＨＥＢと発振周波数の関係を示したものである。挿入図の縦軸は発振周波数、横軸は交換バイアス磁場の強度を示している。
【０１４０】
図１８（ａ）から明らかなように、正の交換バイアス磁場（図中のＨＥＢ＝５０Ｏｅ、ＨＥＢ＝１００Ｏｅ）を付与した場合には、外部からの磁場の印加なしに発振周波数を高周波側にシフト出来ることが確認出来た。逆に、負の交換バイアス磁場（図中のＨＥＢ＝−５０Ｏｅ、ＨＥＢ＝−１００Ｏｅ）を付与した場合には、発振周波数を低周波側にシフト出来ることが確認出来た。すなわち、交換バイアス磁場によって、スピンの歳差運動の周波数を制御可能であることが、本シミュレーションより確認出来た。シミュレーション例では、あらかじめ永久磁石等によって固定された外部磁場を与えた状態でスピントルク発振効果を起こし、交換バイアス磁場を変化させることでその周波数を変化させる場合を計算しているが、例えば磁化自由層に、外部磁場の代わりに磁気異方性を与えた状態でスピントルク発振効果を起こす場合や、磁気異方性と外部磁場の両者を与えた状態でスピントルク発振効果を起こす場合でも、同様に周波数を制御することが可能である。また、シミュレーション例では、スピントルク発振効果をシミュレーションしているが、同様の効果はスピン歳差運動に係るスピントルク共鳴効果においても期待することが可能である。すなわち、交換バイアス磁場によって、スピントルク共鳴効果の周波数も制御することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
このように本発明の周波数可変磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子のスピン歳差運動の周波数を、電気的に制御することを可能にし、周波数可変の発振器、検波器、あるいはフィルタのような高周波デバイスに利用することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１ａ・・・入力信号線、１ｂ・・・出力信号線、２・・・上部電極、３・・・下部電極、１０・・・磁気抵抗効果素子、１１・・・制御層、１２・・・磁化自由層、１３・・・中間層、１４・・・磁化固定層、２１・・・磁場印加機構、３１・・・電場印加機構、３２・・・制御端子、３３・・・制御機構、４０・・・フィードバック回路、５１・・・上部電極、５２・・・下部電極、５３・・・基板、５４・・・電源装置、１００・・・周波数可変磁気抵抗効果素子、２００・・・周波数可変発振器、３００・・・周波数可変検波器、４００・・・周波数可変フィルタ、５００・・・周波数可変フィルタ
【図１】
2018061025.tif 000009
【図２】
2018061025.tif 000010
【図３】
2018061025.tif 000011
【図４】
2018061025.tif 000012
【図５】
2018061025.tif 000013
【図６】
2018061025.tif 000014
【図７】
2018061025.tif 000015
【図８】
2018061025.tif 000016
【図９】
2018061025.tif 000017
【図１０】
2018061025.tif 000018
【図１１】
2018061025.tif 000019
【図１２】
2018061025.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2018061025.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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