(57)【要約】【課題】  磁気抵抗効果素子を利用した高周波フィルタ等の高周波デバイスを実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供する。【解決手段】  磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子と、磁化自由層接続電極と、磁化固定層接続電極と、磁化自由層と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部と、磁化自由層接続電極の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部と、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、直流電圧入力端子と、第１の基準電圧端子を有している。第１のポート、磁化自由層接続電極、磁気抵抗効果素子、磁化固定層接続電極および第２のポートが信号線路を介して直列接続されている。【選択図】図１
2018046080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部は、第１の基準電圧端子に接続され、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部は、前記磁化自由層接続電極に直流電圧を入力する直流電圧入力端子に接続されたことを特徴とする共振素子。
【請求項２】
請求項１に記載の共振素子と、信号線路とを備え、前記磁気抵抗効果素子が前記信号線路に対して直列接続されていることを特徴とする共振器。
【請求項３】
請求項１に記載の共振素子と、信号線路と、第２の基準電圧端子を備え、前記磁気抵抗効果素子が前記信号線路に対して並列接続されていることを特徴とする共振器。
【請求項４】
磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極と、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、第１のインダクタまたは抵抗素子と、第２のインダクタまたは抵抗素子と、直流電圧入力端子と、第１の基準電圧端子とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部と前記磁化固定層接続電極が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のポートに直列接続され、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部は、前記直流電圧入力端子に接続され、前記第１の基準電圧端子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部が接続された前記信号線路に前記第１のインダクタまたは前記第１の抵抗素子を介して接続され、前記第２のインダクタまたは前記第２の抵抗素子は、前記磁化固定層接続電極が接続された前記信号線路とグラウンドとに接続されたことを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項５】
磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極と、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、第１のインダクタまたは抵抗素子と、直流電圧入力端子と、第１の基準電圧端子と第２の基準電圧端子とを有し、
前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、
前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部と前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部が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のポートに直列接続され、前記第１の基準電圧端子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部が接続された前記信号線路に前記第１のインダクタまたは前記第１の抵抗素子を介して接続され、前記直流電圧入力端子は、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部が接続された前記信号線路に接続され、前記磁化固定層接続電極は、前記第２の基準電圧端子に接続されたことを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項６】
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４または請求項５に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項７】
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６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、磁気抵抗効果素子を利用した共振素子、共振器および磁気抵抗効果デバイスに関するものである。
【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、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現象の一つが、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象である（非特許文献１参照）。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出来、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】
【０００３】
【非特許文献１】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】
【０００４】
磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴現象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、高周波フィルタ等の高周波デバイスに応用するための具体的な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等の高周波デバイス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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための本発明に係る共振器は、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部は、第１の基準電圧端子に接続され、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部は、前記磁化自由層接続電極に直流電圧を入力する直流電圧入力端子に接続されたことを第１の特徴とする。
【０００６】
上記特徴の共振器によれば、磁気抵抗効果素子は、スピントルク共鳴周波数で、磁気抵抗効果素子のインピーダンスが大きく変化するため、上記特徴の共振器は、共振器としての周波数特性をもつことが可能となる。
【０００７】
さらに、本発明に係る共振器は、共振素子と、信号線路とを備え、前記磁気抵抗効果素子が前記信号線路に対して直列接続されていることを第２の特徴とする。
【０００８】
上記特徴の共振器によれば、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数での共振に対して、高周波信号を非共鳴周波数では第２のポートに対し遮断し、共鳴周波数では第２のポート側に通過させることが出来るため、上記特徴の共振器は、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。
【０００９】
さらに、本発明に係る共振器は、共振素子と、信号線路と、第２の基準電圧端子とを備え、前記磁気抵抗効果素子が前記信号線路に対して並列接続されていることを第３の特徴とする。
【００１０】
上記特徴の共振器によれば、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数での共振に対して、高周波信号を非共鳴周波数では第２のポートに対し通過し、共鳴周波数では第２のポート側に遮断させることが出来るため、上記特徴の共振器は、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。
【００１１】
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極と、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、第１のインダクタまたは抵抗素子と、第２のインダクタまたは抵抗素子と、直流電圧入力端子と、第１の基準電圧端子とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部と前記磁化固定層接続電極が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のポートに直列接続され、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部は、前記直流電圧入力端子に接続され、前記第１の基準電圧端子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部が接続された前記信号線路に前記第１のインダクタまたは前記第１の抵抗素子を介して接続され、前記第２のインダクタまたは前記第２の抵抗素子は、前記磁化固定層接続電極が接続された前記信号線路とグラウンドとに接続されたことを第４の特徴とする。
【００１２】
上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、磁化自由層接続電極を平面に流れる直流電流によって、スピン軌道トルク（SOT）を誘起させ、磁化自由層接続電極から磁化固定層接続電極に流れる直流電流によってスピントランスファートルク（STT）を誘起させることが出来るため、スピントルク共鳴周波数での磁気抵抗効果素子の共振特性が向上し、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、通過特性がよく、通過特性と遮断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。
【００１３】
さらに、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層、磁化自由層およびこれらの間に配置されたスペーサ層を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁化自由層が接続された磁化自由層接続電極と、前記磁化固定層が接続された磁化固定層接続電極と、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、第１のインダクタまたは抵抗素子と、直流電圧入力端子と、第１の基準電圧端子と、第２の基準電圧端子とを有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記磁化自由層接続電極と前記磁化固定層接続電極との間に配置され、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極が前記磁化自由層と接続された接続部を挟んで第１の電極端部および第２の電極端部を有し、前記磁化自由層接続電極は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部と前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部が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のポートに直列接続され、前記第１の基準電圧端子は、前記磁化自由層接続電極の第１の電極端部が接続された前記信号線路に前記第１のインダクタまたは前記第１の抵抗素子を介して接続され、前記直流電圧入力端子は、前記磁化自由層接続電極の第２の電極端部が接続された前記信号線路に接続され、前記磁化固定層接続電極は、前記第２の基準電圧端子に接続されたことを第５の特徴とする。
【００１４】
上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、磁化自由層接続電極を平面に流れる直流電流によって、スピン軌道トルクを誘起させ、磁化自由層接続電極から磁化固定層接続電極に流れる直流電流によってスピントランスファートルクを誘起させることが出来るため、スピントルク共鳴周波数での磁気抵抗効果素子の共振特性が向上し、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスは、遮断特性がよく、通過特性と遮断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。
【００１５】
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を設定可能な周波数設定機構を有することを第６の特徴とする。
【００１６】
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。
【００１７】
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７の特徴とする。
【００１８】
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。
【発明の効果】
【００１９】
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等の高周波デバイスを実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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。
【図２】第１の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子のインピーダンスと周波数との関係を示したグラフである。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの直流電流に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図８】第３の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの磁場強度に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図９】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。
【図１０】第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの直流電流に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図１１】第４の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの磁場強度に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図１２】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。
【図１３】第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの直流電流に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図１４】第５の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの磁場強度に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図１５】第６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。
【図１６】第６の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの直流電流に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【図１７】第６の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの磁場強度に対する周波数と減衰量との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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出来る。
【００２２】
（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１０１の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１と、磁化自由層４が接続された磁化自由層接続電極５と、磁化固定層２が接続された磁化固定層接続電極６と、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａと、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、信号線路７と、直流電圧入力端子１１と、第１の基準電圧端子１４ａを有している。第１のポート９ａ、磁化自由層接続電極５、磁気抵抗効果素子１、磁化固定層接続電極６および第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。また、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが第１の基準電圧端子１４ａを介してグラウンド８に接続され、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂが直流電圧入力端子１１を介して直流電圧源１３に接続されている。
【００２３】
第１のポート９ａ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９ｂは高周波信号が出力される出力ポートである。磁気抵抗効果素子１は、磁化自由層接続電極５および磁化固定層接続電極６を介して信号線路７と電気的に接続されている。第１のポート９ａから入力される高周波信号は、磁気抵抗効果素子１を通過し第２のポート９ｂに出力される。また、高周波信号が第１のポート９ａから第２のポート９ｂ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。
【００２４】
磁化自由層接続電極５および磁化固定層接続電極６は、一対の電極としての役目を有し、磁気抵抗効果素子１を構成する各層の積層方向に磁気抵抗効果素子１を介して配設されている。つまり、磁化自由層接続電極５および磁化固定層接続電極６は、信号（電流）を磁気抵抗効果素子１に対して、磁気抵抗効果素子１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１を構成する各層の主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。磁気抵抗効果素子１は、一端（磁化自由層４側）が磁化自由層接続電極５を介して信号線路７に電気的に接続され、他端（磁化固定層２側）が磁化固定層接続電極６を介して信号線路７に電気的に接続されている。
【００２５】
磁化固定層接続電極６は、電気伝導体金属で構成されることが好ましい。電気伝導体金属は、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、またはこれらの材料のいずれか２つ以上の膜で構成される。
【００２６】
磁化自由層接続電極５は、重金属で構成されることが好ましい。重金属は、スピン軌道相互作用の大きい重金属、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ、あるいは、これらの合金から構成される。また、重金属として、導電性の材料に、これらの重金属又は合金をドープしたものを使用してもよい。また、所望の電気特性や構造を得るため、適宜、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等の材料を重金属に添加してもよい。
【００２７】
グラウンド８は、基準電位として機能する。信号線路７とグラウンド８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７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７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７を伝送損失の少ない伝送線路とすることが可能となる。
【００２８】
直流電圧入力端子１１は、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂを挟んで磁化自由層接続電極５に接続されている。直流電圧入力端子１１に直流電圧源１３が接続されることで、磁気抵抗効果素子１に直流電圧を印加し、直流電流を流すことが可能になる。また、直流電圧入力端子１１と直流電圧源１３との間に、高周波信号をカットするための、インダクタまたは抵抗素子が直列に接続されてもよい。
【００２９】
直流電圧源１３は、グラウンド８及び直流電圧入力端子１１に接続され、グラウンド８、第１の基準電圧端子１４ａ、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂおよび直流電圧入力端子１１を含む閉回路が形成されている。直流電圧源１３は、直流電圧入力端子１１から、上記の閉回路に、直流電圧を印加し、直流電流を入力する。直流電圧源１３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、直流電圧の電圧値を変化可能に構成されている。直流電圧源１３は、一定の電圧電流を発生可能な、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。
【００３０】
磁化固定層２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２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出来る。また、磁化固定層２は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化固定層２の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、磁化固定層２の磁化を固定するために磁化固定層２に接するように反強磁性層を付加してもよい。または、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２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。
【００３１】
スペーサ層３は、磁化固定層２と磁化自由層４の間に配置され、磁化固定層２の磁化と磁化自由層４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３としては、導電体、絶縁体、半導体によって構成される層、または、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。
【００３２】
スペーサ層３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３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３３】
スペーサ層３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、磁気抵抗効果素子にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。磁化固定層２と磁化自由層４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３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３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３４】
スペーサ層３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３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３５】
スペーサ層３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３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００３６】
磁化自由層４は、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４の磁化の方向は、例えば、外部印加磁場またはスピン偏極電子によって変化可能である。磁化自由層４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４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４は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化自由層４とスペーサ層３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。
【００３７】
また、磁化自由層接続電極５と磁気抵抗効果素子１との間、および磁化固定層接続電極６と磁気抵抗効果素子１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。
【００３８】
尚、磁気抵抗効果素子の大きさは、平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、その長辺を１００ｎｍ程度、または１００ｎｍ以下にすることが望ましい。また、平面視形状が長方形ではない場合は、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４の磁区の単磁区化が可能となり、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。
【００３９】
ここで、スピントルク共鳴現象について説明する。
【００４０】
磁気抵抗効果素子に、磁気抵抗効果素子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。磁気抵抗効果素子の素子抵抗値は、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化との相対角で決まる。そのため、スピントルク共鳴時の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、磁化自由層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。
【００４１】
また、磁気抵抗効果素子１に対し、磁化自由層４から磁化固定層２または、磁化固定層２から磁化自由層４に直流電流を流すことで、スピントランスファートルクを誘起させることが出来る。スピントランスファートルクにより、振動する磁化自由層の磁化の振動角を大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、共振特性の大きな共振器となる。
【００４２】
さらに、磁化自由層４が接する磁化自由層接続電極５の中を水平面内（磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂまたは、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ）に直流電流を流すことで、スピン軌道トルクを誘起させることが出来る。スピン軌道トルクにより、振動する磁化自由層の磁化の振動角を大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、共振特性の大きな共振器となる。
【００４３】
スピントルク共鳴現象により、第１のポート９ａ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１のスピントルク共鳴周波数と一致する、またはスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数成分は、低インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通過し、第２のポート９ｂに出力されやすくなる。一方、高周波信号の高周波成分の中で磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない周波数成分は、高インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１により、第２のポート９ｂに出力されにくくなる。つまり磁気抵抗効果素子は共振器として取り扱うことが出来る。
【００４４】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０１では、第１のポート９ａから入力された、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し遮断され、スピントルク共鳴周波数の近傍の高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し通過する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過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１０１は、帯域通過型のフィルタ（バンドパスフィルタ）となる。
【００４５】
磁気抵抗効果デバイス１０１では、磁気抵抗効果素子１の非共鳴周波数の高周波信号に対するインピーダンス（すなわち、磁気抵抗効果素子１の抵抗値）は高いことが好ましい。
【００４６】
また、磁気抵抗効果デバイス１０１は、直流電圧入力端子１１から入力される直流電圧が一定以上の大きさの場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数において、第１のポート９ａから入力される高周波信号の入力電力よりも、第２のポート９ｂから出力される出力電力を大きく（減衰量を０ｄＢ以上）することが出来る。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０１は、増幅器（アンプ）として機能することも可能となる。
【００４７】
図２に、磁気抵抗効果デバイス１０１に入力される高周波信号の周波数と磁気抵抗効果デバイス１０１の磁気抵抗効果素子のインピーダンスとの関係を示したグラフを示す。図２の縦軸はインピーダンスZ（Ω）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。図２のプロット線１００ａ１は、第１のポート９ａおよび第２のポート９ｂに直列に接続された磁気抵抗効果素子１のインピーダンス特性が示されている。
【００４８】
図３に、磁気抵抗効果デバイス１０１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３の縦軸は減衰量IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。
【００４９】
図３に示されるように、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数でインピーダンスが小さくなるため、スピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号に対する磁気抵抗効果デバイス１０１の通過特性が向上する（減衰量の絶対値が減少する）。
【００５０】
（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１０２の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０２において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１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１０１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１０２は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１に対し、さらに、２の基準電圧端子１４ｂを有している。第１のポート９ａは、信号線路７を介して第２のポート９ｂに接続されている。磁化自由層接続電極５は、信号線路７に接続され、磁化固定層接続電極６は、第２の基準電圧端子１４ｂを介してグラウンド８に接続されている。また、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが第１の基準電圧端子１４ａを介してグラウンド８に接続され、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂが直流電圧入力端子１１を介して直流電圧源１３に接続されている。磁気抵抗効果デバイス１０２のその他の構成は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１と同じである。
【００５１】
直流電圧源１３は、グラウンド８及び直流電圧入力端子１１に接続され、グラウンド８、第１の基準電圧端子１４ａ、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂおよび直流電圧入力端子１１を含む閉回路が形成されている。また、グラウンド８、第２の基準電圧端子１４ｂ、磁化固定層接続電極６、磁気抵抗効果素子１、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂおよび直流電圧入力端子１１を含む閉回路も形成されている。
【００５２】
図５に、磁気抵抗効果デバイス１０２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IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。
【００５３】
図５に示されるように、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数でインピーダンスが小さくなるため、スピントルク共鳴周波数と同じ周波数の高周波信号に対する磁気抵抗効果デバイス１０２の遮断特性が向上する（減衰量の絶対値が増加する）。
【００５４】
（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１０３の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０３において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１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１０１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１０３は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１に対し、さらに第１のインダクタ１０ａと第２のインダクタ１０ｂを有している。磁化自由層接続電極５は、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａを介して、第１のポート９ａ側の信号線路７に接続されている。第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４ａを介してグラウンド８に接続され、第２のインダクタ１０ｂは、磁化固定層接続電極６が接続された信号線路７とグラウンド８との間に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側が第２のポート９ｂ側になるように信号線路７に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。さらに、第１の基準電圧端子１４ａが第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａの方向に流れるように配置されている。磁気抵抗効果デバイス１０３のその他の構成は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０１と同じである。
【００５５】
磁気抵抗効果素子１は、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。
【００５６】
第１のインダクタ１０ａおよび第２のインダクタ１０ｂは、信号線路７とグラウンド８との間に接続され、インダクタ成分により電流の高周波成分をカットすると同時に電流の直流成分を通す機能を有する。第１のインダクタ１０ａおよび第２のインダクタ１０ｂは、チップインダクタまたはパターン線路によるインダクタのどちらでもよい。また、インダクタ成分を有する抵抗素子でもよい。第１のインダクタ１０ａおよび第２のインダクタ１０ｂのインダクタンス値は１０ｎＨ以上であることが好ましい。第１のインダクタ１０ａにより、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂ、信号線路７、直流電圧入力端子１１、直流電圧源１３、第１のインダクタ１０ａ、第１の基準電圧端子１４ａ、およびグラウンド８を含む閉回路に、直流電圧入力端子１１から印加された直流電流を流すことが出来る。また同時に、第２のインダクタ１０ｂにより、磁化固定層接続電極６、磁気抵抗効果素子１、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂ、信号線路７、直流電圧入力端子１１、直流電圧源１３、第２のインダクタ１０ｂ、およびグラウンド８を含む閉回路に、直流電圧入力端子１１から印加された直流電流を流すことも出来る。また、第１のインダクタ１０ａと第２のインダクタ１０ｂの抵抗成分を調整することで、それぞれの閉回路に流れる電流量を調整することも出来る。
【００５７】
磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１の近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１に磁場を印加して、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、磁場印加機構１２は、電圧また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、磁場印加機構１２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。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。
【００５８】
ここで、スピントルク共鳴現象関係するトルクについて説明する。
【００５９】
磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れる直流電流を磁気抵抗効果素子１に印加しながら、磁気抵抗効果素子１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１は、スピントランスファートルクにより、入力された高周波信号と同位相の状態で、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減少する。つまり、磁気抵抗効果素子１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減少する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００６０】
さらに、磁化自由層４が接する磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来る。スピントランスファートルクとスピン軌道トルクの合成により、振動する磁化自由層の磁化の振幅を更に大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく減少する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００６１】
スピントルク共鳴周波数は、磁化自由層４における有効磁場によって変化する。磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層４に印加される外部磁場ＨＥ、磁化自由層４における異方性磁場Ｈｋ、磁化自由層４における反磁場ＨＤ、磁化自由層４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。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に磁場を印加し、磁化自由層４に外部磁場ＨＥを印加することにより、磁化自由層４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印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化させることが出来る。このように、磁気抵抗効果素子１に印加される磁場を変化させると、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数は変化する。
【００６２】
また、スピントルク共鳴時に磁気抵抗効果素子１に直流電流が印加されることにより、スピントランスファートルクが増加して、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１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１のスピントルク共鳴周波数は、磁場印加機構１２からの磁場を変化させるか、直流電圧入力端子１１から入力される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出来る。磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流の電流密度は、それぞれ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。
【００６３】
また、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。ここで「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。
【００６４】
磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場角度（磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角度）は、９０°以上が好ましい。磁場角度が90°以上の場合、スピントランスファートルクおよびスピン軌道トルクと逆方向で磁化自由層の磁化が歳差運動を維持することが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく変化する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００６５】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０３では、第１のポート９ａから入力された、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し遮断され、スピントルク共鳴周波数の近傍の高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し通過する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過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１０３は、帯域通過型のフィルタ（バンドパスフィルタ）となる。
【００６６】
図７および図８に、磁気抵抗効果デバイス１０３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７および図８の縦軸は減衰量IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。図７は、磁気抵抗効果素子１に印加された磁場が一定の時のグラフである。図７のプロット線１００ｄ１は、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｄ１の時のものであり、プロット線１００ｄ２は直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｄ２の時のものである。この時の直流電流値の関係は、Ｉｄ１＜Ｉｄ２である。また、図８は、磁気抵抗効果素子１に印加された直流電流が一定の時のグラフである。図８のプロット線１００ｅ１は、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｅ１の時のものであり、プロット線１００ｅ２は磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｅ２の時のものである。この時の磁場強度の関係は、Ｈｅ１＜Ｈｅ２である。
【００６７】
例えば、図７に示されるように、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値をＩｄ１からＩｄ２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１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、磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスの変化量が増加することで、第２のポート９ｂから出力される高周波信号がさらに大きくなり、通過損失が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１０３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Ｉｄ１からＩｄ２に大きくすると磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｄ１からｆｄ２にシフトする。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０３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。
【００６８】
さらに、例えば、図８に示されるように、磁場印加機構１２から印加される磁場強度をＨｅ１からＨｅ２に強くした場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｅ１からｆｅ２にシフトする。すなわち、通過周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層４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１０３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。
【００６９】
なお、磁気抵抗効果素子１に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層４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１の振動する抵抗値の振幅が小さくなるので、磁気抵抗効果素子に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層４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１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。
【００７０】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１と、磁化自由層４が接続され磁化自由層接続電極５と、磁化固定層２が接続された磁化固定層接続電極６と、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａと、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、信号線路７と、直流電圧入力端子１１と、第１の基準電圧端子１４ａ、第１のインダクタ１０ａと第２のインダクタ１０ｂを有し、第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４を介してグラウンド８に間に接続され、第２のインダクタ１０ｂは、磁化固定層接続電極６が接続された信号線路７とグラウンド８との間に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側が第２のポート９ｂ側になるように信号線路７に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。さらに、第１の基準電圧端子１４ａが第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａの方向に流れるように配置されている。  
【００７１】
したがって、磁気抵抗効果素子１に第１のポート９ａから信号線路７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１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１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に直流電流が流れることにより、スピントランスファートルクを誘起させることが出来、磁気抵抗効果素子１は、第１のポートから入力された高周波信号と同位相の状態で、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。さらに、磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来、振動する抵抗の振幅を大きくすることが出来る。この効果により、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数に対する磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスが大きく減少する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０３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。
【００７２】
さらに、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４が膜面法線方向に磁化容易軸を有し、磁化固定層２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。
【００７３】
また、直流電圧入力端子１１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１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１０３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。
【００７４】
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁気抵抗効果素子１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印加機構１２を有するので、磁気抵抗効果素子１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１０３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。
【００７５】
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁場印加機構１２が、磁化自由層４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４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１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。
【００７６】
また、磁気抵抗効果デバイス１０３では、第１のポート９ａ側の信号線路７が磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに接続されている例で説明したが、信号線路７が直接、磁化自由層接続電極５に接続されてもよい。
【００７７】
（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１０４の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０４において、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３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３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３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１０４は、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３に対し、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。さらに、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂの方向に流れるように配置されている。磁気抵抗効果デバイス１０４のその他の構成は、第３の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３と同じである。
【００７８】
磁気抵抗効果素子１は、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。
【００７９】
ここで、スピントルク共鳴現象関係するトルクについて説明する。
【００８０】
磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れる直流電流を磁気抵抗効果素子１に印加しながら、磁気抵抗効果素子１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１は、スピントランスファートルクにより、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１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。
【００８１】
さらに、磁化自由層４が接する磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来る。スピントランスファートルクとスピン軌道トルクの合成により、振動する磁化自由層の磁化の振幅を更に大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく増加する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００８２】
磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場角度（磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角度）は、９０°以下が好ましい。磁場角度が90°以下の場合、スピントランスファートルクおよびスピン軌道トルクと逆方向で磁化自由層の磁化が歳差運動を維持することが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく変化する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００８３】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０４では、第１のポート９ａから入力された、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し通過され、スピントルク共鳴周波数の近傍の高周波信号の周波数成分は、第２のポート９ｂに対し遮断する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０４は、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が遮断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１０４は、帯域遮断型のフィルタ（バンドエリミネーションフィルタ）となる。
【００８４】
図１０および図１１に、磁気抵抗効果デバイス１０４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および図１１の縦軸は減衰量IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。図１０は、磁気抵抗効果素子１に印加された磁場が一定の時のグラフである。図１０のプロット線１００ｇ１は、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｇ１の時のものあり、プロット線１００ｇ２は直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｇ２の時のものである。この時の直流電流値の関係は、Ｉｇ１＜Ｉｇ２である。また、図１１は、磁気抵抗効果素子１に印加された直流電流が一定の時のグラフである。図１１のプロット線１００ｈ１は、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｈ１の時のものであり、プロット線１００ｈ２は磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｈ２の時のものである。この時の磁場強度の関係は、Ｈｈ１＜Ｈｈ２である。
【００８５】
例えば、図１１に示されるように、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値をＩｇ１からＩｇ２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１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数（遮断帯域の周波数）での、磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスの変化量が増加することで、第２のポート９ｂから出力される高周波信号がさらに小さくなり、通過損失が大きくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１０４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Ｉｇ１からＩｇ２に大きくすると磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｇ１からｆｇ２にシフトする。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０４は、遮断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。
【００８６】
さらに、例えば、図１１に示されるように、磁場印加機構１２から印加される磁場強度をＨｈ１からＨｈ２に強くした場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｈ１からｆｈ２にシフトする。すなわち、遮断周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層４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遮断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１０４は、遮断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。
【００８７】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０４は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１と、磁化自由層４が接続され磁化自由層接続電極５と、磁化固定層２が接続された磁化固定層接続電極６と、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａと、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、信号線路７と、直流電圧入力端子１１と、第１の基準電圧端子１４ａ、第１のインダクタ１０ａと第２のインダクタ１０ｂを有し、第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４ａを介しグラウンド８に間に接続され、第２のインダクタ１０ｂは、磁化固定層接続電極６が接続された信号線路７とグラウンド８との間に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側が第２のポート９ｂ側になるように信号線路７に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。さらに、第１の基準電圧端子１４ａが第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂの方向に流れるように配置されている。
【００８８】
したがって、磁気抵抗効果素子１に第１のポート９ａから信号線路７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１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１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に直流電流が流れることにより、スピントランスファートルクを誘起させることが出来、磁気抵抗効果素子１は、第１のポートから入力された高周波信号と１８０°位相が異なった状態で、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。さらに、磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来、振動する抵抗の振幅を大きくすることが出来る。この効果により、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数に対する磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスが大きく増加する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０４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。
【００８９】
（第５の実施形態）
図１２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１０５の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０５において、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０２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２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０２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１０５は、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０３に対し、さらに第１のインダクタ１０ａと、第２の基準電圧端子１４ｂとを有している。第１のポート９ａ、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂおよび第２のポート９ｂが信号線路７を介してこの順に直列接続されている。第１の基準電圧端子１４ａは、第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１は、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂが接続された信号線路７に接続されている。第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４ａを介してグラウンド８に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側が第２の基準電圧端子１４ｂを介し、グラウンド８に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。さらに、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａの方向に流れるように配置されている。磁気抵抗効果デバイス１０５のその他の構成は、第２の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０２と同じである。
【００９０】
磁気抵抗効果素子１は、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。
【００９１】
第１のインダクタ１０ａは、信号線路７とグラウンド８との間に接続され、インダクタ成分により電流の高周波成分をカットすると同時に電流の直流成分を通す機能を有する。第１のインダクタ１０ａは、チップインダクタまたはパターン線路によるインダクタのどちらでもよい。また、インダクタ成分を有する抵抗素子でもよい。第１のインダクタ１０ａのインダクタンス値は１０ｎＨ以上であることが好ましい。第１のインダクタ１０ａにより、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａ、磁化自由層接続電極５、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂ、信号線路７、直流電圧入力端子１１、直流電圧源１３、第１のインダクタ１０ａ、第１の基準電圧端子１４ａ、およびグラウンド８を含む閉回路に、直流電圧入力端子１１から印加された直流電流を流すことが出来る。また、第１のインダクタ１０ａの抵抗成分と磁気抵抗効果素子１および磁化固定層接続電極６とグラウンド８間の抵抗成分を調整することで、磁化自由層接続電極の中に流れる電流量を調整することも出来る。
【００９２】
磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１の近傍に配設され、磁気抵抗効果素子１に磁場を印加して、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、磁場印加機構１２は、電圧また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、磁場印加機構１２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。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化可能となっている。
【００９３】
ここで、スピントルク共鳴現象関係するトルクについて説明する。
【００９４】
磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れる直流電流を磁気抵抗効果素子１に印加しながら、磁気抵抗効果素子１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１は、スピントランスファートルクにより、入力された高周波信号と同位相の状態で、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減少する。つまり、磁気抵抗効果素子１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減少する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００９５】
さらに、磁化自由層４が接する磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来る。スピントランスファートルクとスピン軌道トルクの合成により、振動する磁化自由層の磁化の振幅を更に大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく減少する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【００９６】
スピントルク共鳴周波数は、磁化自由層４における有効磁場によって変化する。磁化自由層４における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層４に印加される外部磁場ＨＥ、磁化自由層４における異方性磁場Ｈｋ、磁化自由層４における反磁場ＨＤ、磁化自由層４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。磁場印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に磁場を印加し、磁化自由層４に外部磁場ＨＥを印加することにより、磁化自由層４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印加機構１２は、磁気抵抗効果素子１に印加する磁場を変化させることで、磁化自由層４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数を変化させることが出来る。このように、磁気抵抗効果素子１に印加される磁場を変化させると、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数は変化する。
【００９７】
また、スピントルク共鳴時に磁気抵抗効果素子１に直流電流が印加されることにより、スピントランスファートルクが増加して、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１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１のスピントルク共鳴周波数は、磁場印加機構１２からの磁場を変化させるか、直流電圧入力端子１１から入力される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出来る。磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流の電流密度は、それぞれ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。
【００９８】
また、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。ここで「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。
【００９９】
磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場角度（磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角度）は、９０°以上が好ましい。磁場角度が90°以上の場合、スピントランスファートルクおよびスピン軌道トルクと逆方向で磁化自由層の磁化が歳差運動を維持することが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく変化する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【０１００】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０５では、第１のポート９ａから入力された、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない高周波信号の周波数成分は、高インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通ることなく、第２のポート９ｂに対し通過する。また、第１のポート９ａから入力された、スピントルク共鳴周波数の近傍の高周波信号の周波数成分は、低インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通りグランド８に流れ、第２のポート９ｂに対し遮断する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０５は、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が遮断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１０５は、帯域遮断型のフィルタ（バンドエリミネーションフィルタ）となる。
【０１０１】
図１３および図１４に、磁気抵抗効果デバイス１０５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および図１４の縦軸は減衰量IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。図１３は、磁気抵抗効果素子１に印加された磁場が一定の時のグラフである。図１３のプロット線１００ｉ１は、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｉ１の時のものあり、プロット線１００ｉ２は直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｉ２の時のものである。この時の直流電流値の関係は、Ｉｉ１＜Ｉｉ２である。また、図１４は、磁気抵抗効果素子１に印加された直流電流が一定の時のグラフである。図１４のプロット線１００ｊ１は、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｊ１の時のものであり、プロット線１００ｊ２は磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｊ２の時のものである。この時の磁場強度の関係は、Ｈｊ１＜Ｈｊ２である。
【０１０２】
例えば、図１３に示されるように、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値をＩｉ１からＩｉ２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１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数（遮断帯域の周波数）での、磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスの変化量が増加することで、第２のポート９ｂから出力される高周波信号がさらに小さくなり、通過損失が大きくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１０５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Ｉｉ１からＩｉ２に大きくすると磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｉ１からｆｉ２にシフトする。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０５は、遮断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。
【０１０３】
さらに、例えば、図１４に示されるように、磁場印加機構１２から印加される磁場強度をＨｊ１からＨｊ２に強くした場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｊ１からｆｊ２にシフトする。すなわち、遮断周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層４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遮断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１０５は、遮断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。
【０１０４】
なお、磁気抵抗効果素子１に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層４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１の振動する抵抗値の振幅が小さくなるので、磁気抵抗効果素子に印加される外部磁場ＨＥ（磁化自由層４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１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。
【０１０５】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０５は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１と、磁化自由層４が接続され磁化自由層接続電極５と、磁化固定層２が接続された磁化固定層接続電極６と、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａと、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、信号線路７と、直流電圧入力端子１１と、第１の基準電圧端子１４ａ、第２の基準電圧端子１４ｂ、第１のインダクタ１０ａを有し、第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４ａを介し、グラウンド８に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側が第２の基準電圧端子１４ｂを介し、グラウンド８に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に流れるように配置されている。さらに、第１の基準電圧端子１４ａが第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａの方向に流れるように配置されている。
【０１０６】
したがって、磁気抵抗効果素子１に第１のポート９ａから信号線路７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１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１の中を磁化自由層４から磁化固定層２の方向に直流電流が流れることにより、スピントランスファートルクを誘起させることが出来、磁気抵抗効果素子１は、第１のポートから入力された高周波信号と同位相の状態で、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。さらに、磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂから磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来、振動する抵抗の振幅を大きくすることが出来る。この効果により、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数に対する磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスが減少する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０５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。
【０１０７】
さらに、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４が膜面法線方向に磁化容易軸を有し、磁化固定層２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。
【０１０８】
また、直流電圧入力端子１１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１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１０５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。
【０１０９】
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０５は、磁気抵抗効果素子１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印加機構１２を有するので、磁気抵抗効果素子１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１０５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。
【０１１０】
さらに、磁気抵抗効果デバイス１０５は、磁場印加機構１２が、磁化自由層４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４における有効磁場を変化させて磁気抵抗効果素子１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。
【０１１１】
また、磁気抵抗効果デバイス１０５では、第１のポート９ａ側の信号線路７が磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａに接続されている例で説明したが、信号線路７が直接、磁化自由層接続電極５に接続されてもよい。
【０１１２】
（第６の実施形態）
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１０６の断面模式図である。磁気抵抗効果デバイス１０６において、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０５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５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０５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１０６は、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０５に対し、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。さらに、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂの方向に流れるように配置されている。磁気抵抗効果デバイス１０６のその他の構成は、第５の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０５と同じである。
【０１１３】
磁気抵抗効果素子１は、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。
【０１１４】
ここで、スピントルク共鳴現象関係するトルクについて説明する。
【０１１５】
磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れる直流電流を磁気抵抗効果素子１に印加しながら、磁気抵抗効果素子１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１は、スピントランスファートルクにより、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１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。
【０１１６】
さらに、磁化自由層４が接する磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来る。スピントランスファートルクとスピン軌道トルクの合成により、振動する磁化自由層の磁化の振幅を更に大きくすることが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく増加する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【０１１７】
磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場角度（磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化の相対角度）は、９０°以下が好ましい。磁場角度が90°以下の場合、スピントランスファートルクおよびスピン軌道トルクと逆方向で磁化自由層の磁化が歳差運動を維持することが出来る。つまり、抵抗振動の振幅を増加させることが出来るため、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、更に大きく変化する抵抗素子として取り扱うことが出来る。
【０１１８】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０６では、第１のポート９ａから入力された、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍でない高周波信号の周波数成分は、低インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通りグランド８に流れ、第２のポート９ｂに対し遮断する。また、第１のポート９ａから入力された、スピントルク共鳴周波数の近傍の高周波信号の周波数成分は、高インピーダンス状態の磁気抵抗効果素子１を通ることなく、第２のポート９ｂに対し通過する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０６は、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数の近傍の周波数が通過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１０６は、帯域通過型のフィルタ（バンドパスフィルタ）となる。
【０１１９】
図１６および図１７に、磁気抵抗効果デバイス１０６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１６および図１７の縦軸は減衰量IL（ｄB）、横軸は周波数F（Hｚ）を表している。図１６は、磁気抵抗効果素子１に印加された磁場が一定の時のグラフである。図１６のプロット線１００ｋ１は、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｋ１の時のものあり、プロット線１００ｋ２は直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値がＩｋ２の時のものである。この時の直流電流値の関係は、Ｉｋ１＜Ｉｋ２である。また、図１７は、磁気抵抗効果素子１に印加された直流電流が一定の時のグラフである。図１７のプロット線１００ｌ１は、磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｌ１の時のものであり、プロット線１００ｌ２は磁場印加機構１２から磁気抵抗効果素子１に印加される磁場強度がＨｌ２の時のものである。この時の磁場強度の関係は、Ｈｌ１＜Ｈｌ２である。
【０１２０】
例えば、図１６に示されるように、直流電圧入力端子１１から磁気抵抗効果素子１に印加される直流電流値をＩｋ１からＩｋ２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１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、磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスの変化量が増加することで、第２のポート９ｂから出力される高周波信号がさらに大きくなり、通過損失が小さくなる。したがって、磁気抵抗効果デバイス１０６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Ｉｋ１からＩｋ２に大きくすると磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｋ１からｆｋ２にシフトする。すなわち通過周波数帯域は低周波数側へシフトする。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０６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。
【０１２１】
さらに、例えば、図１７に示されるように、磁場印加機構１２から印加される磁場強度をＨｌ１からＨｌ２に強くした場合、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数はｆｌ１からｆｌ２にシフトする。すなわち、通過周波数帯域は高周波数側へシフトする。また、磁場強度（磁化自由層４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１０６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。
【０１２２】
このように、磁気抵抗効果デバイス１０６は、磁化固定層２、磁化自由層４およびこれらの間に配置されたスペーサ層３を有する磁気抵抗効果素子１と、磁化自由層４が接続され磁化自由層接続電極５と、磁化固定層２が接続された磁化固定層接続電極６と、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の一端である磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａと、磁化自由層４と接続された接続部を挟んだ磁化自由層接続電極５の他端である磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂと、高周波信号が入力される第１のポート９ａと、高周波信号が出力される第２のポート９ｂと、信号線路７と、直流電圧入力端子１１と、第１の基準電圧端子１４ａと、第２の基準電圧端子１４ｂと、第１のインダクタ１０ａを有し、第１のインダクタ１０ａは、第１の基準電圧端子１４ａを介し、グラウンド８に接続されている。磁気抵抗効果素子１は磁化固定層２側がグラウンド８に接続されて、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁気抵抗効果素子１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に流れるように配置されている。さらに、第１の基準電圧端子１４ａが第１のインダクタ１０ａを介して、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａが接続された信号線路７に接続され、直流電圧入力端子１１から入力される直流電流が、磁化自由層接続電極５の中を磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂの方向に流れるように配置されている。
【０１２３】
したがって、磁気抵抗効果素子１に第１のポート９ａから信号線路７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１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１の中を磁化固定層２から磁化自由層４の方向に直流電流が流れることにより、スピントランスファートルクを誘起させることが出来、磁気抵抗効果素子１は、第１のポートから入力された高周波信号と１８０°位相が異なった状態で、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。さらに、磁化自由層接続電極５の中を、磁化自由層接続電極の第１の電極端部５ａから磁化自由層接続電極の第２の電極端部５ｂに直流電流を流すことで、スピントランスファートルクと同じ方向に、スピン軌道トルクを誘起させることが出来、振動する抵抗の振幅を大きくすることが出来る。この効果により、磁気抵抗効果素子１のスピントルク共鳴周波数と同じ周波数に対する磁気抵抗効果素子１の素子インピーダンスが大きく増加する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１０６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。
【０１２４】
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や構成要素の追加を行うことが可能である。例えば、第１のポート９ａに接続された高周波回路に直流信号が流れるのを防ぐために、第１〜第６の実施形態における第１のインダクタ１０ａと信号線路７との接続部と第１のポート９ａとの間の信号線路７に、直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続してもよい。また、第２のポート９ｂに接続された高周波回路に直流信号が流れるのを防ぐために、第１〜第６の実施形態における直流電圧入力端子１１と信号線路７との接続部と第２のポート９ｂとの間の信号線路７に、直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続してもよい。
【０１２５】
また、第３〜第６の実施形態では、インダクタ１０を用いた例で説明したが、インダクタ１０にかえて、抵抗素子を用いても良い。この場合、抵抗素子は、信号線路７とグラウンド８との間に接続され、抵抗成分により電流の高周波成分をカットする機能を有する。この抵抗素子は、チップ抵抗またはパターン線路による抵抗のどちらでもよい。この抵抗素子の抵抗値は、信号線路７の特性インピーダンス以上であることが好ましい。例えば、信号線路７の特性インピーダンスが５０Ωの場合、抵抗素子の抵抗値が５０Ωの時は４５％の高周波電力を抵抗素子によりカットし、抵抗素子の抵抗値が５００Ωの時は９０％の高周波電力を抵抗素子によりカットすることが可能となる。この抵抗素子により、磁気抵抗効果素子１を通過する高周波信号の特性を劣化させることなく、磁気抵抗効果素子１、信号線路７、抵抗素子、グラウンド８および直流電圧入力端子１１を含む閉回路に、直流電圧入力端子１１から印加された直流電流を流すことができる。
【０１２６】
インダクタ１０にかえて抵抗素子を用いる場合は、抵抗素子（または第１の基準電圧端子１４ａ）の信号線路７への接続部と第１のポート９ａとの間の信号線路７に、直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続すること、および、直流電圧入力端子１１（または抵抗素子）の信号線路７への接続部と第２のポート９ｂとの間の信号線路７に、直流信号をカットするためのコンデンサを直列に接続することが、磁気抵抗効果素子１、信号線路７、抵抗素子、グラウンド８および直流電圧入力端子１１を含む閉回路に、直流電圧入力端子１１から印加された直流電流を効率的に流すことができる点で好ましい。
【０１２７】
また、第１〜第６の実施形態において、磁気抵抗効果素子の中を流れる高周波信号の磁気抵抗効果素子に対する向きが、第１〜第６の実施形態の説明の中で図示されている向きとは反対になるように磁気抵抗効果素子が配置されていても良い。例えば、第１、第３および第４の実施形態では、磁気抵抗効果素子１の磁化自由層４側が第１のポート９ａ側に接続され、磁化固定層２側が第２のポート９ｂ側に接続されているが、磁気抵抗効果素子１の磁化固定層２側が第１のポート９ａ側に接続され、磁化自由層４側が第２のポート９ｂ側に接続されるようにしてもよい。
【０１２８】
また、第３〜第６の実施形態では、磁気抵抗効果デバイス１０３（１０４、１０５、１０６）が周波数設定機構（有効磁場設定機構）として磁場印加機構１２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。
【０１２９】
また、周波数設定機構が無くても（磁場印加機構１２からの磁場が印加されなくても）、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（磁場印加機構１２）は無くてもよい。
【符号の説明】
【０１３０】
１  磁気抵抗効果素子
２  磁化固定層
３  スペーサ層
４  磁化自由層
５  磁化自由層接続電極
５ａ  磁化自由層接続電極の第１の電極端部
５ｂ  磁化自由層接続電極の第２の電極端部
６  磁化固定層接続電極
７  信号線路
８  グラウンド
９ａ  第１のポート
９ｂ  第２のポート
１０ａ  第１のインダクタ
１０ｂ  第２のインダクタ
１１  直流電圧入力端子
１２  磁場印加機構
１３  直流電圧源
１４ａ  第１の基準電圧端子
１４ｂ  第２の基準電圧端子
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６  磁気抵抗効果デバイス
【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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