(57)【要約】【課題】高周波フィルタや増幅器として機能できる磁気抵抗効果デバイス。【解決手段】磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に挟持されたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、入力端子に接続される第１端子と、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層又は前記磁化自由層に接続される第２端子と、出力端子に接続される第３端子と、を有する信号制御素子と、前記磁気抵抗効果素子の第２端子に接続された面と反対側の面に接続される基準電位端子と、磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加するための直流印加端子と、を備え、信号制御素子は、第１端子から入力された信号を第２端子へ出力し、第２端子から入力された信号を第３端子へ出力し、入力端子から入力される信号と、磁気抵抗効果素子から戻ってくる信号とを分離する。【選択図】図１
2018046441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に挟持されたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、
入力端子に接続される第１端子と、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層又は前記磁化自由層に接続される第２端子と、出力端子に接続される第３端子と、を有する信号制御素子と、
前記磁気抵抗効果素子の前記第２端子に接続された面と反対側の面に接続される基準電位端子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加するための直流印加端子と、を備え、
前記信号制御素子は、前記第１端子から入力された信号を前記第２端子へ出力し、前記第２端子から入力された信号を第３端子へ出力し、前記入力端子から入力される信号と、前記磁気抵抗効果素子から戻ってくる信号とを分離する、磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２】
以下の一般式（１）を満たし、前記出力端子から出力される信号が、前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴しない場合より共鳴する場合において大きくなる請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス；
【数１】
2018046441.tif 000037
（一般式（１）において、Ｒｒｅｓは前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｒ０は前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｚ０は前記入力端子と前記磁気抵抗効果素子を繋ぐ信号線路の特性インピーダンスである。）。
【請求項３】
以下の一般式（１．１）をさらに満たす請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【数２】
2018046441.tif 000038
【請求項４】
以下の一般式（１．２）をさらに満たす請求項３に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【数３】
2018046441.tif 000039
【請求項５】
一般式（１）において、Ｒ０＝Ｚ０である請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項６】
一般式（１）において、Ｒｒｅｓが負であり、前記入力端子から入力された信号を前記出力端子から増幅して出力する請求項２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項７】
以下の一般式（２）を満たし、前記出力端子から出力される信号が、前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴しない場合より共鳴する場合において小さくなる請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス；
【数４】
2018046441.tif 000040
（一般式（２）において、Ｒｒｅｓは前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｒ０は前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｚ０は前記入力端子と前記磁気抵抗効果素子を繋ぐ信号線路の特性インピーダンスである。）。
【請求項８】
以下の一般式（２．１）をさらに満たす請求項７に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【数５】
2018046441.tif 000041
【請求項９】
以下の一般式（２．２）をさらに満たす請求項８に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【数６】
2018046441.tif 000042
【請求項１０】
一般式（２）において、Ｒｒｅｓ＝Ｚ０である請求項７に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１１】
前記直流印加端子に接続された電流印加手段を有し、
前記電流印加手段は、前記磁化自由層から前記磁化固定層に向けて直流電流を印加でき、
前記磁化固定層の磁化と前記磁化自由層の磁化との相対角が、９０°以上である請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１２】
前記直流印加端子に接続された電流印加手段を有し、
前記電流印加手段は、前記磁化固定層から前記磁化自由層に向けて直流電流を印加でき、
前記磁化固定層の磁化と前記磁化自由層の磁化との相対角が、９０°未満である請求項１から１０のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１３】
前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変えることができる周波数設定手段をさらに備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１４】
前記信号制御素子が、サーキュレータである請求項１から１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の移動通信端末の高機能化に伴い、無線通信の高速化が進められている。通信速度は使用する周波数の帯域幅に比例するため、通信に必要な周波数バンドは増加している。それに伴い、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。
【０００３】
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る。その中で注目されている現象の一つとして、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象がある（非特許文献１参照）。
【０００４】
磁気抵抗効果素子に交流電流を流すのと同時に、磁場印加機構によって磁場を印加することで、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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ａ．Ａ．Ｔｕｌａｐｕｒｋａｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、スピントルク共鳴現象を利用した高周波発振素子の検討は進められている。しかしながら、スピントルク共鳴現象のその他の応用用途についての具体的な構成については、検討がまだ十分に進んでいない。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピントルク共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波フィルタや増幅器として機能させるための構成を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するため、信号線路と磁気抵抗効果素子とのインピーダンス特性の整合に伴う信号特性の変化を利用して、スピントルク共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波フィルタや増幅器として機能させられることを見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【０００９】
［１］本発明の第１の態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層と、磁化自由層と、磁化固定層と磁化自由層の間に挟持されたスペーサ層とを有する磁気抵抗効果素子と、入力端子に接続される第１端子と、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化固定層又は前記磁化自由層に接続される第２端子と、出力端子に接続される第３端子と、を有する信号制御素子と、前記磁気抵抗効果素子の前記第２端子に接続された面と反対側の面に接続される基準電位端子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加するための直流印加端子と、を備え、前記信号制御素子は、前記第１端子から入力された信号を前記第２端子へ出力し、前記第２端子から入力された信号を第３端子へ出力し、前記入力端子から入力される信号と、前記磁気抵抗効果素子から戻ってくる信号とを分離する。
【００１０】
［２］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、以下の一般式（１）を満たし、前記出力端子から出力される信号が、前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴しない場合より共鳴する場合において大きくなる構成でもよい。
【００１１】
【数１】
2018046441.tif 000003
【００１２】
一般式（１）において、Ｒｒｅｓは前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｒ０は前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｚ０は前記入力端子と前記磁気抵抗効果素子を繋ぐ信号線路の特性インピーダンスである。
【００１３】
［３］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、以下の一般式（１．１）をさらに満たしてもよい。
【００１４】
【数２】
2018046441.tif 000004
【００１５】
［４］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、以下の一般式（１．２）をさらに満たしてもよい。
【００１６】
【数３】
2018046441.tif 000005
【００１７】
［５］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおける一般式（１）において、Ｒ０＝Ｚ０であってもよい。
【００１８】
［６］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおける一般式（１）において、Ｒｒｅｓが負であり、前記入力端子から入力された信号を前記出力端子から増幅して出力する構成でもよい。
【００１９】
［７］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、以下の一般式（２）を満たし、前記出力端子から出力される信号が、前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴しない場合より、共鳴する場合において小さくなる構成でもよい。
【００２０】
【数４】
2018046441.tif 000006
【００２１】
一般式（２）において、Ｒｒｅｓは前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｒ０は前記磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と前記入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における前記磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｚ０は前記入力端子と前記磁気抵抗効果素子を繋ぐ信号線路の特性インピーダンスである。
【００２２】
［８］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、以下の一般式（２．１）をさらに満たしてもよい。
【００２３】
【数５】
2018046441.tif 000007
【００２４】
［９］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、以下の一般式（２．２）をさらに満たしてもよい。
【００２５】
【数６】
2018046441.tif 000008
【００２６】
［１０］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおける一般式（２）において、Ｒｒｅｓ＝Ｚ０であってもよい。
【００２７】
［１１］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記直流印加端子に接続された電流印加手段を有し、前記電流印加手段は、前記磁化自由層から前記磁化固定層に向けて直流電流を印加でき、前記磁化固定層の磁化と前記磁化自由層の磁化との相対角が、９０°以上であってもよい。
【００２８】
［１２］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記直流印加端子に接続された電流印加手段を有し、前記電流印加手段は、前記磁化固定層から前記磁化自由層に向けて直流電流を印加でき、前記磁化固定層の磁化と前記磁化自由層の磁化との相対角が、９０°未満であってもよい。
【００２９】
［１３］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数を変えることができる周波数設定手段をさらに備えてもよい。
【００３０】
［１４］上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記信号制御素子が、サーキュレータであってもよい。
【発明の効果】
【００３１】
上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、スピントルク共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波フィルタや増幅器として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。
【図２】第１実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの機能を説明するための模式図である。
【図３】第１の例の磁気抵抗効果デバイスの入力端子から出力端子への信号の伝送特性を示した図である。
【図４】第２の例の磁気抵抗効果デバイスの入力端子から出力端子への信号の伝送特性を示した図である。
【図５】磁気抵抗効果素子に印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子における磁化固定層と磁化自由層の相対角との関係の一例を示す図である。
【図６】磁気抵抗効果素子に印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子における磁化固定層と磁化自由層の相対角との関係の別の例を示す図である。
【図７】磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化のスピンの方向を長さが固定の球面座標系で示した図である。
【図８】実施例１における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図９】実施例２における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１０】実施例３における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１１】実施例４における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１２】実施例５における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１３】実施例６における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１４】実施例７における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１５】実施例８における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【図１６】実施例９における磁気抵抗効果デバイスの入力端子から入力された信号が、出力端子へ出力された伝送特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、磁気抵抗効果デバイスについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００３４】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を示した模式図である。図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００は、入力端子１と、出力端子２と、サーキュレータ１０と、磁気抵抗効果素子２０と、基準電位端子３０と、直流印加端子４０と、を備える。各素子及び端子間は、信号線路３で接続されている。
【００３５】
＜入力端子及び出力端子＞
入力端子１は、サーキュレータ１０の第１端子１１に接続される。入力端子１に交流信号源５０（図２参照）を接続することで、磁気抵抗効果デバイス１００に交流信号を印加できる。
【００３６】
出力端子２は、サーキュレータ１０の第３端子１３に接続される。出力端子２に図示略の高周波測定器６０（図２参照）を接続することで、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号を測定できる。高周波測定器６０としては、例えば、ネットワークアナライザ等を用いることができる。
【００３７】
＜サーキュレータ＞
サーキュレータ１０は、交流信号の伝送方向を制御する信号制御素子である。図１に示すサーキュレータ１０は、第１端子１１と、第２端子１２と、第３端子１３と、を有する。第１端子１１は入力端子１に接続され、第２端子１２は磁気抵抗効果素子２０に接続され、第３端子は、出力端子２に接続される。
【００３８】
図１に示すサーキュレータ１０は、第１端子１１から入力された信号を第２端子１２へ出力し、第２端子１２から入力された信号を第３端子１３へ出力する。そのため、サーキュレータ１０は、入力端子１から入力される信号（入力信号）を磁気抵抗効果素子２０へ出力し、磁気抵抗効果素子２０から戻ってくる信号（反射信号）を第３端子１３へ出力する。つまり、サーキュレータ１０は、入力信号と反射信号を分配する。
【００３９】
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子２０は、磁化固定層２１と、磁化自由層２２と、磁化固定層２１と磁化自由層２２の間に挟持されたスペーサ層２３とを有する。
磁化固定層２１の磁化は一方向に固定されている。磁化固定層２１の磁化の向きに対して、磁化自由層２２の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子２０として機能する。
【００４０】
磁気抵抗効果素子２０は、サーキュレータ１０の第２端子１２に接続される。図１では、磁気抵抗効果素子２０の磁化自由層２２と第２端子１２が信号線路３によって接続されている例を示すが、磁気抵抗効果素子２０の向きを反転し、磁化固定層２１と第２端子１２とを信号線路３によって接続してもよい。
【００４１】
磁化固定層２１は、強磁性体材料で構成されている。磁化固定層２１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２１は、ホイスラー合金で構成されても良い。磁化固定層２１の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００４２】
磁化固定層２１の磁化固定方法は、特に問わない。例えば、磁化固定層２１の磁化を固定するために磁化固定層２１に接するように反強磁性層を付加してもよい。また、結晶構造、形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化固定層２１の磁化を固定してもよい。
反強磁性層には、ＦｅＯ、ＣｏＯ、ＮｉＯ、ＣｕＦｅＳ２、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒまたはＭｎなどを用いることができる。
【００４３】
磁化自由層２２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な強磁性体材料で構成されている。
【００４４】
磁化自由層２２は、磁化自由層２２を積層する積層方向と垂直な面内方向に磁化容易軸を有する場合の材料として、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどを用いることができ、磁化自由層２２の積層方向に磁化容易軸を有する場合の材料として、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合金などを用いることができる。また、磁化自由層２２は、ホイスラー合金で構成されても良い。
【００４５】
磁化自由層２２の厚さは、１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。また、磁化自由層２２とスペーサ層２３との間には、高スピン分極率材料を挿入しても良い。高スピン分極率材料を挿入することによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。
【００４６】
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。
【００４７】
スペーサ層２３は、磁化固定層２１と磁化自由層２２の間に配置される非磁性層である。スペーサ層２３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。
【００４８】
例えば、スペーサ層２３が絶縁体からなる場合は、磁気抵抗効果素子２０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となり、スペーサ層２３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となる。
【００４９】
スペーサ層２３を非磁性導電材料で構成する場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどを用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層２３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度が好ましい。
【００５０】
スペーサ層２３を非磁性半導体材料で構成する場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘまたはＧａ２Ｏｘなどを用いることができる。この場合、スペーサ層２３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度が好ましい。
【００５１】
スペーサ層２３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２３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度が好ましい。
【００５２】
磁気抵抗効果素子２０への通電性を高めるためには、磁気抵抗効果素子２０の積層方向の両面に電極層を設けることが好ましい。電極層を設けることで、信号線路３と磁気抵抗効果素子２０の接触が面になり、磁気抵抗効果素子２０の面内方向いずれの位置においても、信号（電流）の流れが積層方向に沿う。
【００５３】
電極層は、導電性を有する材料により構成される。電極層には、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ等を用いることが好ましい。
【００５４】
また磁気抵抗効果素子２０と電極層との間には、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る。これらの層の膜厚は、それぞれ２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５５】
磁気抵抗効果素子２０の大きさは、磁気抵抗効果素子２０の平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺を３００ｎｍ程度、又は３００ｎｍ以下にすることが望ましい。
磁気抵抗効果素子２０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２０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２０の長辺と定義する。
【００５６】
長辺が３００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層２２の体積が小さくなり、高効率な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２０を構成する各層の積層方向から見た形状のことである。
【００５７】
＜基準電位端子＞
基準電位端子３０は、基準電位として機能する。例えば、基準電位端子３０をグラウンドと接続することで、基準電位が決定する。基準電位端子３０は、信号線路３を介して、磁気抵抗効果素子２０に接続される。
【００５８】
信号線路３と基準電位端子３０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（ＭＳＬ）型やコプレーナウェーブガイド（ＣＰＷ）型に設計する場合、信号線路３の特性インピーダンスと、回路系のインピーダンスとが等しくなるように、信号線路幅やグラウンド間距離を設計することが好ましい。このように設計することによって信号線路３の伝送損失を抑えることができる。
【００５９】
＜直流印加端子＞
直流印加端子４０は、磁気抵抗効果素子２０の積層方向両端に接続される。直流印加端子４０を直流電流源７０（図２参照）に接続し、磁気抵抗効果素子２０の積層方向に直流電流を印加する。直流電流源７０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。また直流電流源７０に変えて、直流電圧源を接続してもよい。
【００６０】
図１では、直流印加端子４０に接続される信号線路３と、第２端子１２に接続される信号線路３とは、互いに合流しているが、それぞれ分離された信号線路３としてもよい。
【００６１】
＜磁場供給機構＞
磁気抵抗効果デバイス１００の動作時には、磁気抵抗効果素子２０に外部磁場を印加する。そのため、磁気抵抗効果素子２０に外部磁場を印加する磁場供給機構８０（図２参照）をさらに設ける。磁場供給機構８０は、磁気抵抗効果素子２０に外部磁場を印加し、磁気抵抗効果素子２０にスピントルク共鳴現象を誘起する。
【００６２】
磁場供給機構８０は、磁気抵抗効果素子２０の近傍に配設されることが好ましい。磁場供給機構８０は、例えば、電圧又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又はストリップライン型で構成される。また、印加磁場強度を可変制御できる電磁石型又はストリップライン型と、一定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もよい。またサーキュレータ１０に用いられるマグネットやフェライトから生じる磁場を利用してもよい。
【００６３】
磁場供給機構８０は、磁気抵抗効果素子２０のスピントルク共鳴周波数を変える周波数設定手段としても機能する。
【００６４】
＜磁気抵抗効果デバイスの機能＞
まず、磁気抵抗効果デバイス１００に入力される信号の流れについて説明する。
図２は、磁気抵抗効果デバイスの機能を説明するための模式図である。磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子１には交流信号源５０、出力端子２には高周波測定器６０、直流印加端子４０には直流電流源７０、磁気抵抗効果素子２０の近傍には磁場供給機構８０が設けられている。
【００６５】
磁気抵抗効果デバイス１００には、交流信号が入力端子１から入力される。交流信号は、交流信号源５０から交流電流として入力端子１に入力される。
【００６６】
入力端子１に入力された入力信号Ａ１は、信号線路３を介してサーキュレータ１０の第１端子１１に入力する。サーキュレータ１０は、第１端子１１から入力された信号を第２端子１２へ出力する。サーキュレータ１０の第２端子１２から出力された交流信号Ａ２は、磁気抵抗効果素子２０へ入力される。
【００６７】
磁気抵抗効果素子２０に入力された交流信号は、基準電位端子３０に伝送される信号成分Ａ３（以下、入射信号Ａ３という）と、第２端子１２に戻る信号成分Ａ４（以下、反射信号Ａ４という）とに分かれる。第２端子１２に戻った反射信号Ａ４は、サーキュレータ１０により第３端子１３へ出力される。第３端子から出力された反射信号Ａ４は出力端子２から高周波測定器６０に出力され、高周波測定器６０で測定される。
【００６８】
入射信号Ａ３と反射信号Ａ４の比率によって、出力端子２から出力される信号量は変化する。反射信号Ａ４が、特定の周波数で増加する場合は、磁気抵抗効果デバイス１００はバンドパスフィルタとなる。この逆に、反射信号Ａ４が、特定の周波数で減少する場合は、磁気抵抗効果デバイス１００は、バンドエリミネーションフィルタとして機能する。また入力端子１から入力された入力信号Ａ１に対して出力端子２から出力される反射信号Ａ４が増加する場合は、磁気抵抗効果デバイス１００は、増幅器として機能する。
【００６９】
ここで、磁気抵抗効果素子２０における入射信号Ａ３と反射信号Ａ４の比が変化することについて説明する。
【００７０】
磁気抵抗効果素子２０における入射信号Ａ３と反射信号Ａ４の比は、磁気抵抗効果素子２０の見かけの抵抗値によって変化する。「磁気抵抗効果素子２０の見かけの抵抗値」とは、直流電流源７０と、磁気抵抗効果素子２０と、これらを繋ぐ信号線路３によって形成される閉回路Ｃ１のインピーダンスに対応する。
【００７１】
交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンスが整合すると、磁気抵抗効果素子２０を通過する信号が増加する。すなわち、入射信号Ａ３の比率が高まる。
【００７２】
これに対し、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンスが整合しない（不整合）場合は、閉回路Ｃ１との接合点で信号の一部が反射する。厳密には、実際に信号が反射しているわけではないが、信号の一部が戻る。すなわち、反射信号Ａ４の比率が高まる。
【００７３】
交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンスとの整合、不整合は、磁気抵抗効果素子２０がスピントルク共鳴現象を起こしているか否かによって変わる。
【００７４】
スピントルク共鳴現象とは、磁気抵抗効果素子２０の磁化自由層２２における磁化が、印加される交流信号と共鳴して振動する現象をいう。すなわち、磁化自由層２２における磁化は、印加される交流信号が磁気抵抗効果素子２０に固有の振動数と共鳴した場合に振動する。この磁気抵抗効果素子２０に固有の振動数をスピントルク共鳴周波数と言う。スピントルク共鳴周波数は、印加する外部磁場を変えることにより可変である。
【００７５】
磁気抵抗効果素子２０の素子抵抗値は、磁化固定層２１と磁化自由層２２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２０の素子抵抗値は、磁化自由層２２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２０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できる。
【００７６】
磁気抵抗効果素子２０の抵抗値が振動すると、磁気抵抗効果素子２０に直流電流源７０から印加される直流電流と磁気抵抗効果素子２０の振動成分との積により、交流信号Ａ２と同じ周波数の交流電圧が磁気抵抗効果素子２０で発生する。この場合、閉回路Ｃ１内にモデル上の交流源が生じたと見なすことができる。すなわち、閉回路Ｃ１の回路構成が、スピントルク共鳴現象を起こしている場合と、起こしていない場合とで変化し、閉回路Ｃ１のインピーダンス特性（磁気抵抗効果素子２０の見かけの抵抗値）が変化する。
【００７７】
また、直流電圧源を接続した場合は、直流電圧源から印加される直流電圧と磁気抵抗効果素子２０の振動成分の商より、交流信号Ａ２と同じ周波数の交流電流が磁気抵抗効果素子２０で発生する。この場合も、閉回路Ｃ１内にモデル上の交流源が生じたとみなすことができる。
【００７８】
例えば、第１の例として、磁気抵抗効果素子２０がスピントルク共鳴現象を起こしている場合に、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンスとが整合するように、磁気抵抗効果デバイス１００を設計する。
【００７９】
図３は、第１の例の磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子１から出力端子２への信号の伝送特性を示した図である。
【００８０】
図３に示すように、第１の例では、磁気抵抗効果素子２０に特定のスピントルク共鳴周波数（図３では１ＧＨｚ）が印加された場合に、伝送特性が劣化している。すなわち、入力端子１に印加した信号のうち、出力端子２へ出力された信号量が低下しており、反射信号Ａ４の割合が低下している。
【００８１】
この場合、図３に示すように、磁気抵抗効果デバイス１００は、特定のスピントルク共鳴周波数において伝送特性が低下するバンドエリミネーションフィルタ（ＢＥＦ）として機能する。
【００８２】
これに対し、例えば、第２の例として、磁気抵抗効果素子２０がスピントルク共鳴現象を起こしていない場合に、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンスとが整合するように、磁気抵抗効果デバイス１００を設計する。
【００８３】
図４は、第２の例の磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子１から出力端子２への信号の伝送特性を示した図である。
【００８４】
図４に示すように、第２の例では、磁気抵抗効果素子２０に特定のスピントルク共鳴周波数（図３では１ＧＨｚ）が印加された場合に、伝送特性が向上している。すなわち、入力端子１に印加した信号のうち、出力端子２へ出力された信号量が増加しており、反射信号Ａ４の割合が増加している。
【００８５】
この場合、図４に示すように、磁気抵抗効果デバイス１００は、特定のスピントルク共鳴周波数において伝送特性が向上するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）として機能する。
【００８６】
上述のように、出力端子２から出力される反射信号Ａ４の伝送比率は、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスと、閉回路Ｃ１のインピーダンス（磁気抵抗効果素子２０の見かけの抵抗値）との関係によって決まる。交流信号Ａ２を伝送する信号線路３のインピーダンスをＺ０、磁気抵抗効果素子２０の見かけの抵抗値をＲとすると、以下の式で表すことができる。
【００８７】
【数７】
2018046441.tif 000009
【００８８】
バンドパスフィルタとして機能する場合、反射信号の伝送比率は磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合に大きくなるため、以下の一般式（１）が成り立つ。これに対し、バンドエリミネーションフィルタとして機能する場合は、反射信号の伝送比率は磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合に小さくなるため、以下の一般式（２）が成り立つ。
【００８９】
【数８】
2018046441.tif 000010
【００９０】
【数９】
2018046441.tif 000011
【００９１】
一般式（１）及び（２）において、Ｒｒｅｓは、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値であり、Ｒ０は、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値である。
【００９２】
磁気抵抗効果デバイス１００をバンドパスフィルタとして用いる場合は、一般式（１）の右辺の値が０．１以下であることが好ましく、０．０１以下であることがより好ましく、Ｒ０＝Ｚ０を満たすことがさらに好ましい。
【００９３】
一般式（１）の右辺の値が０．１以下であればフィルタの遮断特性を２０ｄＢ以上にすることができ、一般式（１）の右辺の値が０．０１以下であればフィルタの遮断特性を４０ｄＢ以上にすることができる。また、Ｒ０＝Ｚ０を満たすということは、すなわち、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合において、反射信号の伝送比率が０になることを意味する。すなわち、特定の周波数の信号のみを伝送できる信号遮断特性の高いバンドパスフィルタが得られる。
【００９４】
これに対し、磁気抵抗効果デバイス１００をバンドエリミネーションフィルタとして用いる場合は、一般式（２）の左辺の値が０．１以下であることが好ましく、０．０１以下であることがより好ましく、Ｒｒｅｓ＝Ｚ０を満たすことがさらに好ましい。
【００９５】
一般式（２）の左辺の値が０．１以下であればフィルタの遮断特性を２０ｄＢ以上にすることができ、一般式（２）の左辺の値が０．０１以下であればフィルタの遮断特性を４０ｄＢ以上にすることができる。また、Ｒｒｅｓ＝Ｚ０を満たすということは、すなわち、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合において、反射信号の伝送比率が０になることを意味する。すなわち、特定の周波数の信号のみを遮断する信号遮断特性の高いバンドエリミネーションフィルタが得られる。
【００９６】
また一般式（１）において、Ｒｒｅｓ＜０を満たすように構成してもよい。この場合、反射信号の伝送比率が１を超え、入力端子１から入力された信号が、出力端子２から増幅されて戻ってくる。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は、特定の周波数の信号を増幅する増幅器として機能する。
【００９７】
磁気抵抗効果デバイス１００がバンドパスフィルタとして機能するか、バンドエリミネーションフィルタとして機能するかは、上述のＲ０、Ｚ０、Ｒｒｅｓと、磁気抵抗効果素子２０に印加する直流電流の方向によって決定される。以下の表１は、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００がバンドパスフィルタ又はバンドエリミネーションフィルタのいずれとして機能するかをまとめた表である。
【００９８】
【表１】
2018046441.tif 000012
【００９９】
表１において、磁気抵抗効果素子２０の磁化自由層２２から磁化固定層２１へ向けて直流電流が流れる場合を「正」、磁気抵抗効果素子２０の磁化固定層２１から磁化自由層２２へ向けて直流電流が流れる場合を「負」として表記した。
【０１００】
また磁気抵抗効果デバイス１００のフィルタとしての特性は、磁気抵抗効果素子２０に印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子２０における磁化固定層２１と磁化自由層２２の相対角との関係によっても変わる。
【０１０１】
図５は、磁気抵抗効果素子２０に印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子２０における磁化固定層２１と磁化自由層２２の相対角との関係の一例を示す図であり、図６は、別の例を示す図である。
【０１０２】
図５に示すように、磁気抵抗効果素子２０に対して、上述の「正」の方向に直流電流ＩＤＣを印加する場合は、磁化固定層２１の磁化と磁化自由層２２の磁化との相対角は、９０°以上であることが好ましい。この場合、磁気抵抗効果素子２０に印加される直流電流ＩＤＣが、磁気抵抗効果素子２０のダンピングを小さくするように作用する。そのため、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した際の磁化の振動幅が増加し、高周波フィルタのＳＮ比が向上する。
【０１０３】
また図６に示すように、磁気抵抗効果素子２０に対して、上述の「負」の方向に直流電流ＩＤＣを印加する場合は、磁化固定層２１の磁化と磁化自由層２２の磁化との相対角は、９０°未満であることが好ましい。この場合も、磁気抵抗効果素子２０に印加される直流電流ＩＤＣが、磁気抵抗効果素子２０のダンピングを小さくするように作用する。そのため、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した際の磁化の振動幅が増加し、高周波フィルタとしてのＳＮ比が向上する。
【０１０４】
Ｒ０、Ｚ０、Ｒｒｅｓのそれぞれの値は、磁気抵抗効果素子２０の大きさ、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の形状等により自由に設計することができる。
【０１０５】
また磁気抵抗効果素子２０の共鳴周波数は、磁場供給機構８０から供給される外部磁場の周波数等を変更することで、自由に設定することができる。すなわち、磁場供給機構８０は、周波数設定手段として機能する。
【０１０６】
共鳴周波数は、外部磁場以外の方法によっても変えることができる。例えば、以下のような方法を用いることができる。
【０１０７】
一つの例として、磁気抵抗効果素子に電場を印加し、その電場を変化させてもよい。印加する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が変化する。その結果、磁化自由層における有効磁場が変化し、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。
【０１０８】
また別の例として、磁気自由層の近傍に圧電体を設けてもよい。圧電体に電場を印加し、圧電体を変形させ、磁化自由層を歪ませる。その結果、磁化自由層における異方性磁場Ｈｋが変化し，磁化自由層における有効磁場が変化し、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。
【０１０９】
また別の例として、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てもよい。制御膜に磁場と電場を印加し、制御膜に印加する磁場と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を変化させる。その結果、磁化自由層における有効磁場が変化し、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。
【０１１０】
上述のように、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、バンドパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタ、増幅器として機能できる。またいずれとして機能させるかは、Ｒ０、Ｚ０、Ｒｒｅｓの値を設計することで自由に変えることができる。さらに、共鳴周波数も印加する外部磁場等により自由に設定することができる。
【０１１１】
すなわち、本実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、任意の周波数の信号を遮断又は通過する高周波フィルタ、又は、任意の周波数の信号を増幅する増幅器として用いることができる。
【０１１２】
なお、本発明は、上記実施形態として示す磁気抵抗効果デバイス１００の構成に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【０１１３】
例えば、上記実施形態では、信号制御素子としてサーキュレータ１０を用いる場合を示したが、サーキュレータ１０に変えて方向性結合器を用いてもよい。ただし、方向性結合器を用いた場合は、反射信号Ａ４の一部が入力端子１に戻る場合があるため、サーキュレータ１０を用いた方が、信号の伝送損失を抑えることができる。
【実施例】
【０１１４】
上述のＲ０、Ｚ０、Ｒｒｅｓ及び直流電流ＩＤＣの印加方向等を変更させて、磁気抵抗効果デバイスがどのように機能するかをシミュレーションにより確認した。
磁気抵抗効果素子の磁化の微小振動理論に基づいて、閉回路Ｃ１のインピーダンスを解析的に求め、一般式（３）を用いて、磁気抵抗効果デバイスの伝送特性をシミュレーションした。以下に閉回路Ｃ１のインピーダンスを解析的に求める方法を示す。
【０１１５】
磁気抵抗効果素子の磁化自由層の磁化のスピンの方向を図７のように長さが固定の球面座標系によって表す。具体的には以下の座標系を用いる。
【０１１６】
【数１０】
2018046441.tif 000013
【０１１７】
また、計量テンソルｇは、以下のように表される。
【０１１８】
【数１１】
2018046441.tif 000014
【０１１９】
磁気抵抗効果素子に角周波数ωの交流電流δＩを印加した際の磁化自由層の磁化振幅δｘは以下の式で表される。
【０１２０】
【数１２】
2018046441.tif 000015
【０１２１】
ｆは磁気抵抗効果素子に電流を印加することで生じるスピントランスファトルクの大きさを示す値であり、下式で表される。
【０１２２】
【数１３】
2018046441.tif 000016
【０１２３】
ここで、ベクトルｅ１は磁化固定層、ベクトルｅ２は磁化自由層の磁化の単位スピン角運動量である。また、Ｓはスピンの大きさであり、以下の式で表される。
【０１２４】
【数１４】
2018046441.tif 000017
【０１２５】
また、βＳＴはスピントランスファトルク係数であり、以下の式で表される。
【０１２６】
【数１５】
2018046441.tif 000018
【０１２７】
ここで、ｅは素電荷、Ｖは磁化自由層の体積、μＢはボーア磁子である。また、ｇは以下の式で表される。
【０１２８】
【数１６】
2018046441.tif 000019
【０１２９】
式（４．３）のＧはグリーン関数であり、以下のように表される。
【０１３０】
【数１７】
2018046441.tif 000020
【０１３１】
εはエディントンのイプシロンである。ΩはポテンシャルエネルギーＵを以下のように微分して計算する。
【０１３２】
【数１８】
2018046441.tif 000021
【０１３３】
ポテンシャルエネルギーＵは以下の式で表される。
【０１３４】
【数１９】
2018046441.tif 000022
【０１３５】
第１項は反磁場、第２項は垂直磁気異方性磁場、第３項は外部磁場に対応したエネルギーである。各々の磁場の総和である有効磁場の向きと磁化自由層の磁化の向きが揃った時にエネルギーＵは最小となる。
【０１３６】
外部磁場を磁気抵抗効果素子の膜面内（ｘｚ面内）に印加することとし、下式のように表現する。尚、磁化自由層の磁化ベクトルとスピン角運動量のベクトルは１８０度逆を向くので、符号を逆にしている。
【０１３７】
【数２０】
2018046441.tif 000023
【０１３８】
従って、式（４．１０）は以下のように整理できる。
【０１３９】
【数２１】
2018046441.tif 000024
【０１４０】
さらに、式（４．９）は以下のように計算される。
【０１４１】
【数２２】
2018046441.tif 000025
【０１４２】
式の（４．８）のω０は以下の式で表される。
【０１４３】
【数２３】
2018046441.tif 000026
【０１４４】
ω=ω０の時、分母が最小となり、グリーン関数が最大、磁化振幅が最大となる。このω０は共鳴周波数である。
【０１４５】
また、式（４．８）のΔωは磁化振幅の半値幅を示す値であり、下式で表される。
【０１４６】
【数２４】
2018046441.tif 000027
【０１４７】
ここで、Δω０は下式で表される。
【０１４８】
【数２５】
2018046441.tif 000028
【０１４９】
従って、磁化の微小振動を示す式（４．３）は以下のように整理される。
【０１５０】
【数２６】
2018046441.tif 000029
【０１５１】
相対角度θ１２，０の周りをスピンが微小振動している時、ｃｏｓθ１２は以下のように表される。
【０１５２】
【数２７】
2018046441.tif 000030
【０１５３】
式（４．４）に式（４．１８）を代入することで下式が得られる。
【０１５４】
【数２８】
2018046441.tif 000031
【０１５５】
ここで、行列ｃはスピンの微小振動を電気的なコンダクタンスの振動に変換する行列で、下式で表される。
【０１５６】
【数２９】
2018046441.tif 000032
【０１５７】
従って、磁気抵抗効果素子に交流電流δＩと直流電圧Ｖ０を印加した時に磁気抵抗効果素子に係る電圧は以下の式で表される。
【０１５８】
【数３０】
2018046441.tif 000033
【０１５９】
式（４．２１）はオームの法則Ｖ＝ＺＩの関係となっており、右辺の括弧内は閉回路Ｃ１のインピーダンスに対応する。すなわち、閉回路Ｃ１のインピーダンスＺは以下の式で表される。
【０１６０】
【数３１】
2018046441.tif 000034
【０１６１】
（実施例１）
図１に示す磁気抵抗効果素子２０を以下のようなトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）とした。
【０１６２】
磁化自由層２２を構成する材料：ＣｏＦｅＢ
スペーサ層２３を構成する材料：ＭｇＯ
磁化固定層２１を構成する材料：ＣｏＦｅＢ
磁化固定層２１のスペーサ層２３と反対側の面には、ＩｒＭｎからなる反強磁性層を設けた。
【０１６３】
基準電位端子３０はグラウンドに接続し、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０は５０Ωとした。直流電流ＩＤＣは、「負」の方向に１．５ｍＡ印加した。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、１２０°とした。
【０１６４】
また、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを１８１．３Ωとし、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を１６０Ωとした。すなわち、Ｚ０＜ＲｒｅｓかつＺ０＜Ｒ０を満たす。
【０１６５】
図８は、実施例１における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。横軸は印加した信号の周波数（ＧＨｚ）であり、縦軸は、入力端子１から入力された信号の出力端子２から出力される際の伝送減衰比率（ｄＢ）を伝送特性として示している。
【０１６６】
図８に示すように、実施例１の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で、伝送特性が向上しており、バンドパスフィルタとして機能している。
【０１６７】
（実施例２）
実施例２では、Ｚ０＞ＲｒｅｓかつＺ０＞Ｒ０を満たすように、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓと、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０と、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０と、の関係を実施例１から変更した。
【０１６８】
具体的には、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを４７．２Ω、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を４７．９Ωとした。また、直流電流ＩＤＣは、正の方向に０．４２ｍＡとした。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、７０°とした。
【０１６９】
図９は、実施例２における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１７０】
図９に示すように、実施例２の磁気抵抗効果デバイスも実施例１の磁気抵抗効果デバイスと同様に、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が向上しており、バンドパスフィルタとして機能している。
【０１７１】
（実施例３）
印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子２０の磁化の向きと、の関係を実施例２から変更した。実施例３では、磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、１１０°とした。
【０１７２】
図１０は、実施例３における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１７３】
図１０に示すように、実施例３の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が向上しており、バンドパスフィルタとして機能している。実施例３と実施例２を比較すると、図１０に示す実施例３の方が、共鳴時の伝送特性が向上している。磁気抵抗効果素子２０に印加される直流電流ＩＤＣが、磁気抵抗効果素子２０のダンピングを小さくするように作用しているためと考えられる。
【０１７４】
（実施例４）
実施例４では、Ｚ０＝Ｒ０を満たすように、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓと、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０と、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０と、の関係を実施例１から変更した。
【０１７５】
具体的には、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを２２３．７Ω、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を５０Ωとした。また、直流電流ＩＤＣは、負の方向に９．９９ｍＡとした。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、８０°とした。
【０１７６】
図１１は、実施例４における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸は、入力端子から入力した信号量を１とした際に、出力端子から出力された信号量の比を示す。横軸は入力端子から入力した信号の周波数を示す。
【０１７７】
図１１に示すように、実施例４の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が向上しており、バンドパスフィルタとして機能している。図１１に示すように、非共鳴時において、出力端子２から出力される信号量は０であり、フィルタの遮蔽特性が高い。
【０１７８】
（実施例５）
実施例５では、印加する直流電流ＩＤＣの方向を実施例１から変更した。
【０１７９】
具体的には、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを２２６．１Ω、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を２２８．６Ωとした。また、直流電流ＩＤＣは、正の方向に０．１８ｍＡとした。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、６０°とした。
【０１８０】
図１２は、実施例５における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１８１】
図１２に示すように、実施例５の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が低下しており、バンドエリミネーションフィルタとして機能している。
【０１８２】
（実施例６）
実施例６では、Ｒｒｅｓ＜Ｚ０かつＲ０＜Ｚ０を満たすように、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓと、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０と、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０と、の関係を実施例５から変更した。
【０１８３】
具体的には、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを４３．９Ω、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を４０．０Ωとした。また、直流電流ＩＤＣは、負の方向に４．２５ｍＡとした。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、１２０°とした。
【０１８４】
図１３は、実施例６における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１８５】
図１３に示すように、実施例５の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が低下しており、バンドエリミネーションフィルタとして機能している。
【０１８６】
（実施例７）
印加する直流電流の方向と、磁気抵抗効果素子２０の磁化の向きと、の関係を実施例６から変更した。実施例３では、磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、８０°とした。
【０１８７】
図１４は、実施例７における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１８８】
図１４に示すように、実施例７の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が低下しており、バンドエリミネーションフィルタとして機能している。実施例７と実施例６を比較すると、図１４に示す実施例７の方が、共鳴時と非共鳴時の伝送特性の差が大きい。磁気抵抗効果素子２０に印加される直流電流ＩＤＣが、磁気抵抗効果素子２０のダンピングを小さくするように作用しているためと考えられる。
【０１８９】
（実施例８）
実施例８では、Ｚ０＝Ｒｒｅｓを満たすように、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓと、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０と、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０と、の関係を実施例５から変更した。
【０１９０】
具体的には、共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓを５０Ω、非共鳴時の磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒ０を４０．３Ωとした。また、直流電流ＩＤＣは、負の方向に６．６４ｍＡとした。磁化自由層２２の磁化と磁化固定層２１の磁化の相対角は、８０°とした。
【０１９１】
図１５は、実施例８における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸は、入力端子から入力した信号量を１とした際に、出力端子から出力された信号量の比を示す。横軸は入力端子から入力した信号の周波数を示す。
【０１９２】
図１５に示すように、実施例８の磁気抵抗効果デバイスは、４ＧＨｚ近傍で伝送特性が低下しており、バンドエリミネーションフィルタとして機能している。図１５に示すように、共鳴時において出力端子２から出力される信号量は０であり、フィルタの遮蔽特性が高い。
【０１９３】
（実施例９）
図１に示す磁気抵抗効果素子２０を以下のような巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ）とした。実施例９では、磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴した場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値Ｒｒｅｓの値が負となるようにした。
【０１９４】
磁化自由層２２を構成する材料：ＮｉＦｅ
スペーサ層２３を構成する材料：Ｃｕ
磁化固定層２１を構成する材料：ＣｏＦｅ
磁化固定層２１のスペーサ層２３と反対側の面には、ＩｒＭｎからなる反強磁性層を設けた。
【０１９５】
基準電位端子３０はグラウンドに接続し、交流信号Ａ２を伝送する信号線路３の特性インピーダンスＺ０は５０Ωとした。直流電流ＩＤＣは、「負」の方向に５７．９９ｍＡ印加した。
【０１９６】
図１６は、実施例９における磁気抵抗効果デバイスの入力端子１から入力された信号が、出力端子２へ出力された伝送特性を示すグラフである。縦軸及び横軸は図８と同様である。
【０１９７】
図１６に示すように、実施例９の磁気抵抗効果デバイスは、５．５ＧＨｚ近傍で伝送特性が向上し、０ｄＢを超えている。つまり、入力端子１から入力された信号量より多い信号量が出力端子２から出力されている。すなわち、実施例９の磁気抵抗効果デバイスは、信号量が増幅されるバンドパスフィルタであり、増幅器として機能している。
【０１９８】
実施例１〜９の具体的な各条件は、以下の表２にまとめた。
【０１９９】
【表２】
2018046441.tif 000035
【０２００】
表２において、各記号は以下の意味を示す。
ＭＲ：磁気抵抗効果素子のＭＲ比
Ｐ：スピン分極率
α：スピン緩和係数
Ｈｕ：垂直磁気異方性磁場
Ｍｓ：飽和磁化
Ｈｅｘｔ：外部磁場強度
Ｚ０：交流信号を伝送する信号線路のインピーダンス
Ｒ０：磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴していない場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値
Ｒｒｅｓ：磁気抵抗効果素子の共鳴周波数と入力端子から入力される信号の周波数とが共鳴している場合における磁気抵抗効果素子の見かけの抵抗値
ＩＤＣ：磁気抵抗効果素子に印加する直流電流（磁化自由層から磁化固定層へ向けた流れを「正」、磁化固定層から磁化自由層へ向けた流れを「負」として表記）
ＲＡＰ：磁化自由層と磁化固定層の磁化方向が反平行の場合の磁気抵抗効果素子の抵抗値
θＨ：外部磁場角度（磁化固定層の磁化方向と磁化自由層の磁化方向との相対角度）
【０２０１】
なお、相対角θＨは、磁化固定層の磁化と同じ向きに充分強い磁場を印加した時の抵抗値ＲＰと、磁化固定層の磁化の向きと逆向きに充分強い磁場を印加した時の抵抗値ＲＡＰと、磁気抵抗効果素子の抵抗値Ｒから、以下の式（５）に基づき求られる。
【０２０２】
【数３２】
2018046441.tif 000036
【０２０３】
またＺ０の値は、時間領域反射（Time domain reflectometry:TDR）によって求めることができる。Ｒ０及びＲｒｅｓは、インピーダンス測定の結果と、入力端子１から入力した信号のうち入力端子１に戻ってきた信号量との関係から求められる。
【符号の説明】
【０２０４】
１…入力端子、２…出力端子、３…信号線路、１０…サーキュレータ、１１…第１端子、１２…第２端子、１３…第３端子、２０…磁気抵抗効果素子、２１…磁化固定層、２２…磁化自由層、２３…スペーサ層、３０…基準電位端子、４０…直流印加端子、５０…交流信号源、６０…高周波測定器、７０…直流電流源、８０…磁場供給機構、１００…磁気抵抗効果デバイス、Ａ１…入力信号、Ａ２…交流信号、Ａ３…入射信号、Ａ４…反射信号、Ｃ１…閉回路
【図１】
2018046441.tif 000043
【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】
2018046441.tif 000051
【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】
2018046441.tif 000056
【図１５】
2018046441.tif 000057
【図１６】
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