(57)【要約】【課題】検波出力や発振出力等の点で、著しい特性向上は困難である。【解決手段】マイクロ波素子１００は、面内磁化膜の磁化自由層１０３と、面内磁化膜の磁化固定層１０５と、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の間に設けられたトンネルバリア層１０４とを有する磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子において、磁気抵抗素子の膜面直方向の軸から３°以上３０°以下の外部磁界を印加する外部磁界印加機構３０２と、磁化固定層１０５の膜面直方向の反磁界に対する磁化自由層１０３の膜面直方向の反磁界の比が０．５以下であることを特徴とする。【選択図】図１
2011181756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内磁化膜の磁化自由層と、面内磁化膜の磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子において、
前記磁気抵抗素子の膜面直方向の軸から３°以上３０°以下の外部磁界を印加する外部磁界印加機構と、
前記磁化固定層の膜面直方向の反磁界に対する前記磁化自由層の膜面直方向の反磁界の比が０．５以下であることを特徴とするマイクロ波素子。
【請求項２】
前記トンネルバリア層は、酸化マグネシウム層であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波素子。
【請求項３】
前記磁化固定層に隣接して設けられた反強磁性層を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波素子。
【請求項４】
前記磁化固定層を積層フェリ構造にした請求項１に記載のマイクロ波素子。
【請求項５】
前記磁化自由層は、コバルト-鉄-ボロン合金からなり、鉄の含有量がコバルトの含有量に対して４０％以上含まれることを特徴とした請求項１に記載のマイクロ波素子。
【請求項６】
前記外部磁界印加機構によって、前記磁化自由層および前記磁化固定層の磁化の相対角が７０°以上で、マイクロ波の検波を行なうことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波素子。
【請求項７】
前記外部磁界印加機構は、電流磁界を発生するための電流磁界印加機構と、前記電流磁界印加機構に電流を流すとともに、該電流を制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記相対角を７０°以下になるように制御するものであることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子に関する。本出願は、平成２１年度、総務省、「スピン注入トルクを用いた超高速非線形素子の開発」に係る研究開発委託契約、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願である。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果を発現する巨大磁気抵抗素子（GMR）やトンネル磁気抵抗素子（TMR）は、センサーやメモリ素子としての応用が進められている。これは、磁気抵抗素子の抵抗値が、磁気抵抗素子中の磁化自由層と磁化固定層の磁気モーメントの相対角度によって変化することを利用しており、外部磁界の変化を抵抗値の変化として検知できる(センサー効果)、磁気ヒステリシスが抵抗値のヒステリシス（メモリ効果）になるという特徴を利用したものである。
【０００３】
磁気抵抗素子の抵抗値は、磁気モーメントの向きが固定された固定層と、磁気モーメントの向きを自由に変化させることができる磁化自由層とにおける各磁気モーメントの相対角によって変化する。磁気抵抗素子の抵抗の逆数であるコンダクタンスＧについては、一般的にはつぎの関係式が成り立つ。
【数１】
2011181756.tif 000003
ただし、Gはコンダクタンスで抵抗値の逆数、G0は平行状態のコンダクタンスと反平行状態のコンダクタンスの平均値、ΔGは平行状態のコンダクタンスと反平行状態のコンダクタンスの差を２で割った値である。
【０００４】
（１）式から分かるように、磁化の相対角を変化させることで磁気抵抗値に非線形性を持たせることができる。この相対角を外部磁界で制御することによってセンサー効果やメモリ効果が得られる。
【０００５】
さらに最近では、外部磁界を用いず、スピン注入トルクによって相対角を変化させる技術開発が進められている。スピン注入トルクは非特許文献１などにあるように、強磁性体中にスピン偏極電流を流すことにより、伝導電子と局在電子の角運動量の交換が起こり、局在磁気モーメントに生じる磁気トルクのことである。
【０００６】
スピン注入トルクを利用することによって、外部磁界を利用せずに相対角を変化させることができるため、外部磁界を用いた場合よりもエネルギー効率のよい磁化反転方法（スピン注入磁化反転）やスピン注入トルクによって磁化の歳差運動が誘起され、これによって生じる非線形効果を利用したマイクロ波発振器、マイクロ波検波素子などの新しいアプリケーションが提案されている。(特許文献１)
【０００７】
特に、スピン注入トルク非線形効果を積極的に利用した磁気抵抗素子のマイクロ波デバイス応用は、ナノスケールで動作する、周波数特性がチューナブル、半導体よりもキャリア数に優れているなどの利点があるため、盛んに研究されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開2006-295908号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Slonczewski, J. C. Current-driven excitation of magnetic multilayers. J. Magn. Magn. Mater. 159, L1-L7 (1996).
【非特許文献２】PHYSICAL REVIEW B 79, 224416 _2009_C. Wang,1  Bias and angular dependence of spin-transfer torque in magnetic tunnel junctions
【非特許文献３】Tulapurkar, A. A. et al. Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions. Nature 438, 339-342 (2005).
【非特許文献４】JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105, 07D131 (2009), S. Yakata et. al., ‘Influence of perpendicular magnetic anisotropy on spin-transfer switchingcurrent in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions’
【００１０】
磁気抵抗素子を利用したマイクロ波検波素子の動作原理は、非特許文献３に示されるように、ホモダイン検波方式である。入力交流信号に対して直流電圧を検出することができる。これは、磁気抵抗素子に印加された交流信号によって誘起されたスピン注入トルクによって、磁化自由層の磁気モーメントが歳差運動を引き起こし、磁気抵抗素子の抵抗値が周期的変化する事によって生じる。ちなみに、抵抗変化の周波数は入力された交流信号の周波数に等しい。非特許文献３では、これを利用してホモダイン検波を行っているが、もうひとつ重要な技術を用いている。それは、スピン注入トルクによって生じる強磁性共鳴効果を利用していることである。微小交流信号は、電流値が非常に小さいため、誘起される磁化の歳差運動も非常に小さく、出力直流電圧は非常に小さい。しかし、入力交流信号の周波数が磁化自由層の持つ強磁性共鳴周波数付近になると共鳴効果により磁化の歳差運動が増幅される。これによって抵抗値の振動振幅が大きくなり、より大きな直流電圧を検波することが可能になる。この磁気抵抗素子を用いた検波機能をスピントルクダイオード効果という。このように、強磁性共鳴がスピン注入トルクによっても起こり、さらに強磁性共鳴を利用する事で磁気抵抗素子の非線形効果が十分に発揮される、外部磁界などによって検波周波数をコントロールできることなどから、マイクロ波帯での応用が期待されている。
【００１１】
非特許文献４には、外部磁場を膜面に垂直方向に印加することで検波スペクトルの形状がきれいになり、周波数選択性に優れることが報告されている。
【００１２】
このように、スピン注入トルクによって生じる強磁性共鳴を利用するデバイス応用の場合、磁化自由層の磁化の向きと磁化固定層の磁化の向きとの相対角を適切に選ぶことは重要である。例えば、非特許文献４には、面内磁化膜の磁化自由層を有する磁気抵抗素子に膜面に垂直方向に磁場を印加することで検波スペクトルが単一のローレンツ型のピークになる事が報告されている。また、非特許文献２には、スピン注入トルク角度依存性が報告されており、検波出力、検波スペクトル形状の制御には、外部磁場の向きおよび磁化自由層と磁化固定層の磁化の相対角が重要であることが知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の技術では、検波出力や発振出力等の点で、著しい特性向上は困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係るマイクロ波素子は、面内磁化膜の磁化自由層と、面内磁化膜の磁化固定層と、前記磁化自由層と前記磁化固定層の間に設けられたトンネルバリア層とを有する磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子において、前記磁気抵抗素子の膜面直方向の軸から３°以上３０°以下の外部磁界を印加する外部磁界印加機構と、前記磁化固定層の膜面直方向の反磁界に対する前記磁化自由層の膜面直方向の反磁界の比が０．５以下である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のマイクロ波素子によれば、磁化抵抗素子の膜面直方向の軸から３°以上３０°以下の外部磁界を印加する外部磁界印加機構を用い、かつ磁化固定層の反磁界に対する前記磁化自由層の反磁界の比が０．５以下とすることで、磁化自由層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向の相対角度を大きくし、結果的に、検波出力を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る磁気抵抗素子を構成する磁気抵抗薄膜の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る磁気抵抗素子が示す抵抗値の外部磁場依存性を説明する図である。
【図３】本発明に係る磁気抵抗素子の面直方向に外部磁場を印加した場合の強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性測定結果を説明する図である。
【図４】本発明に係る磁気抵抗素子に９０°、８５°、及び４５°の外部磁場を印加した場合の磁化自由層の磁化と磁化固定層の相対角に対する検波出力を示す図である。
【図５】比較例における磁気抵抗素子が示す抵抗値の外部磁場依存性を説明する図である。
【図６】比較例における強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性を説明する図である。
【図７】本発明に係るマイクロ波素子の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子の一例として、検波素子の場合を示す。
【００１８】
面内磁化膜である(Co20Fe80)80B20を磁化自由層に持つ磁気抵抗素子１００を作製した。図１に本実施形態に係る磁気抵抗素子を構成する磁気抵抗薄膜の断面図を示す。
【００１９】
図１の１０１はRu(７nm)からなる第１保護層、１０２はTa(８nm)からなる第２保護層、１０３はコバルト-鉄-ボロン合金(Co20Fe80)80B20 (２nm)からなる磁化自由層、１０４は酸化マグネシウム層（MgO；１．０nm）からなるトンネルバリア層、１０５はコバルト-鉄-ボロン合金(Co70Fe30)80B20(３nm)からなる磁化固定層、１０６はRu(０．８５nm)、１０７はコバルト-鉄合金Co70Fe30(２nm)、１０８は、１０７に隣接したPtMn(１５nm)からなる反強磁性層、１０９はTa(５nm)、１１０はSi基板である。
なお、１２０は、積層フェリ構造として機能する。
なお、トンネルバリア層１０４としては、アルミナ（Al2O3）等も用いることができるが、７０％以上のＭＲ比を得るためには、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層を用いることが望ましい。
【００２０】
磁気抵抗薄膜はスパッタリング法を用いて作製した。磁気抵抗薄膜中の金属膜である第１保護層（Ru層）１０１、第２保護層（Ta層）１０２、磁化自由層１０３、磁化固定層１０５、Ru層１０６、Co70Fe30層１０７、反強磁性層（PtMn層）１０８、Ｔａ層１０９の成膜にはDCマグネトロンスパッタリング法を用いて作製した。ＭｇＯからなるトンネルバリア層の成膜にはＭｇＯターゲットを用いたRFスパッタリング法によって作製した。金属膜の成膜は０．１Pa以下の圧力下で行うことで、良質な膜質を有する磁気抵抗薄膜を形成することができる。また、本実施例ではＭｇＯからなるトンネルバリア層を形成するのにRFスパッタリングを用いたが、例えば金属マグネシウムを酸化する方法で形成することも可能である。
【００２１】
つぎに作製した磁気抵抗薄膜１００に微細加工を施し、短軸が５０nm、長軸が１５０nmの楕円状の磁気抵抗素子１００を形成した。本実施例では楕円形状としたが、本発明を実施するにあたり、この形状に限るわけではない。ただし、磁化自由層に十分なスピン注入トルクを働かせるために、トンネル接合部の面積は、０．２５μm2以下、好ましくは０．０８μm2以下にすることが良い。
【００２２】
図２は、磁気抵抗素子が示す抵抗値の外部磁場依存性を説明する図である。磁場の印加方向は磁気抵抗素子１００の膜面に対して垂直方向である。図２に示すように、無磁場下（ゼロ磁場）では磁化自由層１０３の磁化方向と磁化固定層１０５の磁化方向は面内方向を向いて平行配置になっている。そのため、抵抗値が最も低くなる状態にある。
【００２３】
この平行状態から外部印加磁場を大きくすると、抵抗値が増加していくのが分かる。これは磁化自由層１０３の磁化と磁化固定層１０５の磁化の相対角が増加し、反平行配置に近づくためである。おおよそ６kOe程度の外部磁場を印加すると抵抗値の上昇は止まり、それ以上の大きさの外部磁場を印加すると抵抗値が減少する。
【００２４】
さらに、面直方向に印加する外部印加磁場を大きくし、おおよそ１５ｋOe程度に達すると、抵抗値の減少が下げ止まる。この状態は相対角が最も小さい状態、すなわち磁化自由層１０３の磁化と磁化固定層１０５の磁化の配置が膜面直方向を向いて平行状態にある。これは、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の磁化は、それぞれの磁化膜がもつ膜面直方向の反磁界よりも大きな外部磁場が印加されている状態であるためである。
【００２５】
つぎに、磁化自由層１０３である(Co20Fe80)80B20の膜面直方向の反磁界を測定した。磁化自由層１０３の反磁界測定は、強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性を測定し、キッテルの式を用いて解析する方法により行った。
【００２６】
図３に磁気抵抗素子の面直方向に外部磁場を印加した場合の強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性測定結果を示す。横軸は、外部磁場（ｋOe）を示し、縦軸は、磁気抵抗素子１００の磁化自由層１０３の強磁性共鳴周波数を示している。この結果が示すように、(Co20Fe80)80B20の磁化自由層１０３は、４．５kOe程度の反磁界を持つことが分かる。
【００２７】
この結果から、本磁気抵抗素子１００の膜面直方向に６kOeの磁場を印加した場合、(Co20Fe80)80B20磁化自由層１０３の膜面直方向の反磁界よりも大きな外部磁場が印加されることになるため、６kOeの磁場下では磁化自由層１０３の磁化は膜面直方向に向いていることになる。
【００２８】
そのため、面直方向に磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の磁化を向け、さらに平行状態に磁化を配置するのにおおよそ１５kOeの磁場が必要になるのは、磁化固定層１０５の面直方向の反磁界が１５kOe程度であるためである。
【００２９】
このことから、本実施例の磁気抵抗素子１００の磁化自由層１０３および磁化固定層１０５の面直方向の反磁界の大きさの比は、０．３程度になる。(ただし、磁化固定層１０５の反磁界に対する磁化自由層１０３の反磁界の比とする。)このように、面直方向の反磁界の大きさの比が小さくなると（つまり、磁化固定層１０５の面直方向の反磁界に比べて、磁化自由層１０３の面直方向の反磁界が小さくなる）磁化固定層１０５の磁化の向きを面内方向になるべく抑え込んだまま、磁化自由層１０３だけを膜面直方向に向けることができる。これによって磁化自由層１０３の磁化が膜面直方向に向いた状態で磁化自由層と磁化固定層の磁化の相対角を大きくすることができる。ただし、ここで述べた磁化が膜面直方向に向いた状態というのは、完全に面直方向に向いている状態だけを指すわけではなく、膜面内方向の軸から膜面直方向の軸方向に傾きを持っているという意である。
【００３０】
例えば、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の磁化の相対角が４５°になるように外部磁界を印加し、スピントルクダイオード効果の測定を行い検波出力の測定を行った。本実施例では、相対角が４５°になるように、以下の３つの印加方法（印加方向、印加磁場強度）で外部磁場を磁気抵抗素子に印加して、それぞれ検波出力の測定結果を示す。
【００３１】
第一の印加方法では、膜面内で相対角が４５°になるように磁化自由層１０３の面内困難軸方向におおよそ２kOeの磁場を印加した。相対角の見積りは磁気抵抗素子の抵抗値から行っている。この時、磁気抵抗素子１００が示す検波出力は約５μVであった。
【００３２】
第二の印加方法では、膜面直方向におおよそ５．５kOeの磁場を印加し、相対角を４５°になるようにした。この磁場の場合、前述のように、磁化自由層１０３の反磁界４．５kOeよりも十分大きな磁場であるため、磁化自由層１０３の磁化はほぼ膜面直方向に向いている。同様に、磁化固定層１０５の磁化が面内方向から面直方向に向き始め、相対角が４５°になっている。この角度も磁気抵抗素子１００の抵抗値より算出した。この時、磁気抵抗素子が示す検波出力は約６μVであった。
【００３３】
第三の印加方法では、膜面直方向におおよそ３．６kOeの外部磁場を印加し、相対角を４５°になるようにした。この磁場の場合、前述のように、磁化自由層１０３の反磁界４．５kOeよりも小さな磁場であるため、磁化自由層１０３の磁化は膜面直方向には向ききっていない。同様に、磁化固定層１０５の磁化は磁化固定層１０５が持つ面直方向の反磁界よりも十分小さいため、面内方向からほとんど面直方向へは立ち上がっていない。この時、磁気抵抗素子が示す検波出力は約５６μＶであった。
【００３４】
以上により、３つの条件はすべて、ほぼ４５°の相対角になるように設定したが、第三の印加方法で、一番大きな検波出力を得られた。つまり、磁化自由層１０３の磁化の向きを、面内方向から面直方向に向かせるとともに、磁化固定層１０５の磁化が面内方向から面直方向になるべく傾かない方が、検波出力が格段に大きくなることが示された。
【００３５】
このように、外部磁場の向きや大きさを変化させることによって磁化固定層１０３と磁化自由層１０５の磁化の相対角とその方位をコントロールすることができる。特に、磁化固定層１０５の磁化方向が膜面内方向からあまり傾けず、かつ磁化自由層の磁化との相対角を大きくすることによって、検波出力を増大させることができる。そのため、磁化固定層１０５の磁化の面直方向の向きをあまり変化させず、面直方向に磁化自由層１０３の磁化の向きを向けるためには、磁化固定層１０５と磁化自由層１０３が持つ面直方向の反磁界の大きさの比が小さい（つまり、磁化固定層１０５の面直方向の反磁界が磁化自由層１０３の面直方向の反磁界よりも十分大きい）ほうが良いと言える。磁化固定層１０５と磁化自由層１０３が持つ面直方向の反磁界の大きさの比がどの程度小さければよいかについては、後述する。
【００３６】
さらに、本実施例の磁気抵抗素子に、印加する膜面直方向の外部磁界の大きさと、向き（膜面直方向から傾けて磁場を印加した）を変化させて、最も検波出力が大きくなる条件を以下に示す。
【００３７】
図４は、本発明に係る磁気抵抗素子に９０°、８５°、及び４５°の外部磁場を印加した場合の磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化との相対角に対する検波出力を示す図である。
図４（Ａ）は、膜面に対して完全に垂直方向（０°）に磁場を印加した場合を示している。図４（Ｂ）は、５°は膜面直方向から５°だけ傾けて磁場を印加した場合を示している。図４（Ｃ）は、膜面直方向から４５°傾けて磁場を印加した場合を示している。また、図４の横軸の角度は磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の磁化の相対角である。縦軸は、ダイオード電圧（μＶ）を示している。この相対角は磁気抵抗素子１００の抵抗値から算出した。
【００３８】
この実験により、最も大きな検波出力が得られたのは、図４（Ｂ）に示すように膜面直方向から５°傾けておおよそ４．５ｋOeの外部磁場を印加し、磁化自由層１０３の磁化と磁化固定層１０５の磁化との相対角を８０°とした場合であった。この時の検波出力は６００μVにもなり、同じ磁気抵抗素子であっても、磁場印加角度と相対角を調整することで、検波出力を数十倍から数百倍程度大きくすることができる。
【００３９】
一方、磁場印加方向が９０°、すなわち完全に膜面直方向に向いている場合、磁化固定層１０５が膜面直方向に向き始めてしまうため、磁化自由層１０３の磁化が面直方向を向いた状態で６０°以上の相対角を実現できなかった。
【００４０】
本実験結果から、磁化自由層１０３の磁化が面直方向を向いた状態で、より大きな検波出力が得られる７０°以上の相対角（図４参照）を実現するには、磁気抵抗素子に印加する外部磁場の角度は、面直方向の軸から３°以上３０°以下に傾ける必要がある。
【００４１】
（比較例）
以下、本発明の磁気抵抗素子と比較例の磁気抵抗素子を比較して、磁化固定層１０５と磁化自由層１０３が持つ面直方向の反磁界の大きさの比がどの程度小さければよいかについて詳述する。
比較例として、図１に示す磁化自由層１０３の組成比を(Co75Fe25)80B20に変え、磁化自由層１０３以外の膜構成は、図１に示すものと同じ構造である磁気抵抗素子を作製した。比較例における磁気抵抗素子が示す抵抗値の外部磁場依存性を図５に示す。磁場の印加方向は膜面に対して垂直方向である。この磁気抵抗素子では、無磁場下（ゼロ磁場）では磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の磁化方向は反平行配置になっている。
【００４２】
外部磁界を印加すると、おおよそ２０kOe程度で抵抗値が最小になる。このときの磁化配置は平行状態である。この結果から、この磁気抵抗素子では磁化固定層１０５の面直方向の反磁界の大きさは２０kOe程度であることがわかる。
【００４３】
また、この磁気抵抗素子１００についても、比較例における強磁性共鳴周波数の外部磁場依存性を測定し、磁化自由層の面直方向の反磁界の大きさを見積った。図６に実験結果を示す。この結果から、(Co75Fe25)80B20磁化自由層１０３の面直方向の反磁界は１１kOeであった。
【００４４】
これらの結果から、(Co75Fe25)80B20磁化自由層１０３の場合、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の面直方向の反磁界の大きさの比はおおよそ０．５５である。
【００４５】
この磁気抵抗素子を用いて、前述のように検波出力の外部磁界印加方向と磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の相対角の依存性について調査した。しかし、磁化自由層１０３の磁化が膜面直方向に向いた状態で、磁化固定層１０５との相対角を７０°以上にすることができなかった。
【００４６】
検波出力も最大で１８０μＶ程度しか得ることができなかった。
【００４７】
以上より、最も検波出力の大きい条件（磁場印加角度８５°、相対角８０°）では、磁化自由層１０３がほぼ膜面直方向に向いている条件であるため、磁化固定層１０５の磁化の向きはほぼ面内方向に向いている。このような条件を実現するには磁化固定層１０５と、磁化自由層１０３が持つ面直方向の反磁界の大きさの比がおおよそ０．５以下であることが好ましいことを見出した。
【００４８】
磁化固定層１０５と、磁化自由層１０３が持つ面直方向の反磁界の大きさの比が大きい場合（反磁界の比が０．５よりも大きい場合）、相対角を７０°以上にするためには磁化固定層１０５の磁化方向が膜面直方向の軸からの傾きが３０°以内でないと実現できないが、磁化自由層１０３の磁化の向きが膜面直方向から３０°以内の傾きになるように磁場を印加すると、磁化固定層の磁化の向きも面内方向から面直方向へ傾いてしまうため、相対角が７０°以上にならない。
【００４９】
このようなことが起こるのは、磁化自由層１０３の面直方向の反磁界の大きさと磁化固定層の面直方向の反磁界の大きさの差が十分でないため、磁化自由層１０３の磁化を面直方向に向けるための外部磁場によって磁化固定層の磁化も面内方向から面直方向に傾き始めてしまうためである。
【００５０】
磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の反磁界の大きさの比がおおよそ０．５以下であると、磁場印加角度と大きさをコントロールすることで、磁化自由層１０３の磁化の向きを膜面直方向に向けかつ相対角が７０°以上になる条件を見いだせる。
【００５１】
磁化自由層１０３にCoFeB強磁性合金を用いる場合、例えば本実施例で用いた磁化固定層１０５を用いる場合には、Coに対するFeの組成比が４０％以上であることが必要で、好ましくはFeの組成比がCoに対して７０％以上であることが良い。
【００５２】
以上、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の相対角と磁化自由層１０３の磁化の向きおよび磁化固定層１０５の磁化の向きについて、検波素子（スピントルクダイオード効果）について実施例を述べたが、磁化自由層１０３と磁化固定層１０５の反磁界の大きさの比のについては、磁気抵抗素子を用いたマイクロ波素子の他の一例として、発振素子として応用した場合や周波数変換素子として応用した場合、高出力ナノサイズ発振素子として使用した場合についても有効である。
【００５３】
これは、スピン注入トルクによって誘起される歳差運動と、強磁性共鳴を利用したデバイスの場合、その磁化状態によって大きく特性が左右されるためであり、磁化固定層の磁化の向きを膜面内方向からほぼ傾けずに、磁化自由層の磁化方向を膜面直方向に向け、かつ相対角を十分にコントロールし、７０°以上にすることができるとスピン注入効率を向上させることができるからである。
【００５４】
本発明の実施例では、磁気抵抗素子にトンネル磁気抵抗素子を用いたが、金属で構成された所謂巨大磁気抵抗素子を用いても構わない。
【００５５】
また、磁化固定層１０５にPtMnを用いたが、当然のことながらこれに限定されるものではない。また、磁化固定層１０５が積層構造を有するが、これも一例であり、これに限定されるものではない。
【００５６】
例えば、磁化固定層にIrMnを用いることでも同様の効果を得ることができる。この場合も、磁化自由層にCoFeB強磁性薄膜を用いる場合、Feの組成比がCoの組成比に対して」４０％以上であること必要である。
【００５７】
本発明を実現するため、図７に示すように磁気抵抗素子３０１に外部磁場を印加する手段を具備した外部磁場印加機構３０２および３０３を有する、マイクロ波素子を形成することが可能である。
【００５８】
図７のマイクロ波素子では外部磁場印加機構３０２および３０３の２つを有するが、外部磁場印加機構はどちらか一つだけでも構わないし、３つ以上あっても構わない。重要なのは合成磁場の方向が磁気抵抗素子３０１の面直方向軸から３°〜３０°の範囲にある事である。
【００５９】
外部磁場印加機構３０２、及び３０３は、永久磁石によって構成することが可能である。
【００６０】
また、外部磁場印加機構３０２は、コイルからなる電流磁界印加機構と、コイルに流す電流を制御するための制御用電源（制御部）とから構成されている。同様に、外部磁場印加機構３０３は、コイルからなる電流磁界印加機構と、コイルに流す電流を制御するための制御用電源（制御部）とから構成されている。
【００６１】
本実施例による磁化自由層と磁化固定層の面直方向の反磁界の比が０．５以下になるような磁気抵抗素子を用いた場合、検波機能にスイッチング機能を持たせることができる。
【００６２】
例えば、図７に示すように磁気抵抗素子３０１の膜面直方向から５°程度傾けて磁場を印加することができる、コイルによって形成された外部磁場印加機構３０２および３０３を設け、磁化自由層と磁化固定層の相対角が８０°以上になるように印加磁場をセットする。
【００６３】
この場合、前述したように非常に大きな検波出力が得られる。この状態から、例えば相対角が６０°程度になるように印加磁場の大きさを変化させるようにコイルに印加される電流を変化させると、検波出力は６００mVから１０μＶ以下に減少する。このように、印加する外部磁界の大きさをコントロールすることで検波機能にスイッチング機能を持たせることができる。
【００６４】
前述の実施例では、相対角を６０°にしたが、相対角を７０°以下にするように制御すれば、スイッチング機能を持たせことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１００  磁気抵抗素子
１０１  第一保護層
１０２  第二保護層
１０３  磁化自由層
１０４  トンネルバリア層
１０５  磁化固定層
１０８  反強磁性層
１２０  積層フェリ構造
３０２、３０３  外部磁場印加機構
【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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