(57)【要約】【課題】高周波フィルタ等の高周波デバイスとして機能する磁気抵抗効果デバイスを提供する。【解決手段】この磁気抵抗効果デバイスは、磁化固定層と、前記磁化固定層の磁化方向に対して相対的に磁化方向が変化可能である磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層と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、高周波電流が流れることで高周波磁場を発生し、前記磁化自由層に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、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電源を接続できる直流印加端子と、を備え、前記磁気抵抗効果素子は、その中を前記磁化固定層から前記磁化自由層に向かって前記直流電流が流れるように、又は、前記磁化固定層が前記磁化自由層よりも高電位となる前記直流電圧が印加されるように、前記直流印加端子に対して配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と、前記磁化固定層の磁化方向に対して相対的に磁化方向が変化可能である磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層と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、
高周波電流が流れることで高周波磁場を発生し、前記磁化自由層に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、
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電源を接続できる直流印加端子と、を備え、
前記磁気抵抗効果素子は、その中を前記磁化固定層から前記磁化自由層に向かって前記直流電流が流れるように、又は、前記磁化固定層が前記磁化自由層よりも高電位となる前記直流電圧が印加されるように、前記直流印加端子に対して配置されている、磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構をさらに有する、請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項３】
前記第１の信号線路が、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ている、請求項１又は２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項４】
前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
複数の磁気抵抗効果素子は互いに並列接続され、
前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、他の磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
複数の磁気抵抗効果素子は互いに並列接続され、
前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれには、それぞれの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
複数の磁気抵抗効果素子は直列接続され、
前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、他の磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項７】
前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
複数の磁気抵抗効果素子は直列接続され、
前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれには、それぞれの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構が設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
複数の磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子から出力される高周波電流を流す出力信号線路をそれぞれ有し、
前記第１の信号線路は、複数の磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加する位置に配設され、
前記出力信号線路は、前記磁気抵抗効果素子と別の磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加する位置に配設されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイスを用いた高周波デバイス。
【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及び高周波デバイスに関する。
【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が、磁気抵抗効果素子による強磁性共鳴現象である（非特許文献１参照）。
【０００４】
磁気抵抗効果素子に含まれる強磁性層に交流磁場を印加すると、強磁性層の磁化に強磁性共鳴を起こすことができる。強磁性共鳴が生じると、強磁性共鳴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。強磁性層に印加される磁場の強さによって、この強磁性共鳴周波数は変化し、一般的にその強磁性共鳴周波数は数〜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】J.-M.L.Beaujour et al., JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 99,08N503 (2006).
【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、強磁性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、強磁性共鳴現象のその他の応用用途についての具体的な検討はまだ十分とは言えない。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、強磁性共鳴現象を利用して、高周波フィルタ等の高周波デバイスとして機能する磁気抵抗効果デバイスを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、強磁性共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスを、高周波デバイスとして利用する方法を検討した。その結果、強磁性共鳴現象により生じる磁気抵抗効果素子の抵抗値変化を利用した磁気抵抗効果デバイスを見出し、この磁気抵抗効果デバイスが高周波デバイスとして機能することを見出した。
【０００９】
また高周波デバイスの出力特性を向上させるためには、磁気抵抗効果素子に直流電流又は直流電圧を印加する方向が重要であることを見出し、出力特性に優れる磁気抵抗効果デバイスの構成を見出した。
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。
【００１０】
（１）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、前記磁化固定層の磁化方向に対して相対的に磁化方向が変化可能である磁化自由層と、前記磁化固定層と前記磁化自由層と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、高周波電流が流れることで高周波磁場を発生し、前記磁化自由層に高周波磁場を印加する第１の信号線路と、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電源を接続できる直流印加端子と、を備え、前記磁気抵抗効果素子は、その中を前記磁化固定層から前記磁化自由層に向かって直流電流が流れるように、又は、前記磁化固定層が前記磁化自由層よりも高電位となる前記直流電圧が印加されるように、前記直流印加端子に対して配置されている。
【００１１】
（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構をさらに有してもよい。
【００１２】
（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスにおいて、前記第１の信号線路が、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ていてもよい。
【００１３】
（４）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、複数の磁気抵抗効果素子は互いに並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、他の磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なっていてもよい。
【００１４】
（５）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、複数の磁気抵抗効果素子は互いに並列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれには、それぞれの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構が設けられていてもよい。
【００１５】
（６）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、複数の磁気抵抗効果素子は直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、他の磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なってもよい。
【００１６】
（７）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、複数の磁気抵抗効果素子は直列接続され、前記複数の磁気抵抗効果素子のそれぞれには、それぞれの磁気抵抗効果素子の前記磁化自由層の強磁性共鳴周波数を設定可能な周波数設定機構が設けられていてもよい。
【００１７】
（８）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、複数の磁気抵抗効果素子は、前記磁気抵抗効果素子から出力される高周波電流を流す出力信号線路をそれぞれ有し、前記第１の信号線路は、複数の磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加する位置に配設され、前記出力信号線路は、前記磁気抵抗効果素子と別の磁気抵抗効果素子の磁化自由層に高周波磁場を印加する位置に配設されていてもよい。
【００１８】
（９）第２の態様にかかる高周波デバイスは、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスを有している。
【発明の効果】
【００１９】
上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、強磁性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等の高周波デバイスとして用いることができる。
【００２０】
また上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、磁気抵抗効果素子から出力される出力信号に対するノイズを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態に係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２】図１に示す磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍を拡大した斜視図である。
【図３】磁気抵抗効果デバイスの動作時に、磁気抵抗効果素子近傍で生じている現象を模式的に示した図である。
【図４】磁気抵抗効果デバイスに印加された高周波電流と磁気抵抗効果素子の抵抗値の変化を模式的に示した図である。
【図５】磁気抵抗効果素子を積層方向から見た際の磁化固定層の磁化の向きと、磁化自由層の磁化の向きと、磁化自由層の磁化に加わるスピントランスファートルクの向きを模式的に示した図である。
【図６】磁気抵抗効果素子を積層方向から見た際における磁化の挙動を模式的に示した図である。
【図７】磁気抵抗効果素子に印加される直流電流が一定の場合に磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。
【図８】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を模式的に示した図である。
【図９】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成の別の例を模式的に示した図である。
【図１０】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を模式的に示した図である。
【図１１】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成の別の例を模式的に示した図である。
【図１２】第４実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を模式的に示した図である。
【図１３】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの別の例の回路構成を示した模式図である。
【図１４】図１３に示す磁気抵抗効果デバイスの磁気抵抗効果素子近傍を拡大した斜視図である。
【図１５】磁気抵抗効果素子に定電圧を印加した場合に、磁気抵抗効果素子に印加される定電圧の電圧値を変更した際のシミュレーション結果である。
【図１６】磁気抵抗効果素子に定電流を印加した場合に、磁気抵抗効果素子に流れる定電流の電流値を変更した際のシミュレーション結果である。
【図１７】実施例２及び比較例の信号特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（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、磁気抵抗効果素子１０と、第１の信号線路２０と、直流印加端子４０とを有する。磁気抵抗効果デバイス１００は、第１のポート１から信号が入力され、第２のポート２から信号を出力する。出力する信号は、周波数設定機構５０によって変化させることができる。
【００２４】
＜第１のポート及び第２のポート＞
第１のポート１は、磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子である。第１のポート１は、第１の信号線路２０の一端に対応する。第１のポート１に交流信号源（図示略）を接続することで、磁気抵抗効果デバイス１００に交流信号（高周波信号）を印加できる。磁気抵抗効果デバイス１００に印加される高周波信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。
【００２５】
第２のポート２は、磁気抵抗効果デバイス１００の出力端子である。第２のポート２は、磁気抵抗効果素子１０から出力する信号を伝える出力信号線路（第２の信号線路）３０の一端に対応する。第２のポート２に高周波測定器（図示略）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。高周波測定器には、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。
【００２６】
＜磁気抵抗効果素子＞
磁気抵抗効果素子１０は、磁化固定層１１と、磁化自由層１２と、スペーサ層１３とを有する。スペーサ層１３は、磁化固定層１１と磁化自由層１２との間に位置する。磁化固定層１１の磁化は、磁化自由層１２の磁化より動きにくく、所定の磁場環境下では一方向に固定される。磁化固定層１１の磁化の向きに対して磁化自由層１２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１０として機能する。
【００２７】
磁化固定層１１は、強磁性体材料で構成されている。磁化固定層１１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。これらの材料を用いることで、磁気抵抗効果素子１０の磁気抵抗変化率が大きくなる。また磁化固定層１１は、ホイスラー合金で構成されても良い。磁化固定層１１の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００２８】
磁化固定層１１の磁化固定方法は、特に問わない。例えば、磁化固定層１１の磁化を固定するために磁化固定層１１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１１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。
【００２９】
磁化自由層１２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。
【００３０】
磁化自由層１２は、磁化自由層１２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１２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１２は、ホイスラー合金で構成されても良い。
【００３１】
磁化自由層１２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１２とスペーサ層１３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。
【００３２】
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。
【００３３】
スペーサ層１３は、磁化固定層１１と磁化自由層１２の間に配置される非磁性層である。スペーサ層１３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、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。
【００３４】
例えば、スペーサ層１３が絶縁体からなる場合は、磁気抵抗効果素子１０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となり、スペーサ層１３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子となる。
【００３５】
スペーサ層１３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料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１３の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度が好ましい。
【００３６】
スペーサ層１３を非磁性半導体材料で構成する場合、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘ又はＧａ２Ｏｘ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層１３の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度が好ましい。
【００３７】
スペーサ層１３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１３の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度が好ましい。
【００３８】
磁気抵抗効果素子１０への通電性を高めるためには、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の両面に電極を設けることが好ましい。以下、磁気抵抗効果素子１０の積層方向の下部に設けられた電極を下部電極１４、上部に設けられた電極を上部電極１５という。下部電極１４及び上部電極１５を設けることで、出力信号線路３０及び線路３１と磁気抵抗効果素子１０の接触が面になり、磁気抵抗効果素子１０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。
【００３９】
下部電極１４及び上部電極１５は、導電性を有する材料により構成される。例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、Ａｌ等を下部電極１４及び上部電極１５に用いることができる。
【００４０】
また磁気抵抗効果素子１０と下部電極１４又は上部電極１５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。
【００４１】
磁気抵抗効果素子１０の大きさは、磁気抵抗効果素子１０の平面視形状が長方形（正方形を含む）の場合、長辺を３００ｎｍ以下にすることが望ましい。磁気抵抗効果素子１０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１０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１０の長辺と定義する。
【００４２】
長辺が３００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層１２の体積が小さくなり、高効率な強磁性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１０を構成する各層の積層方向から見た形状のことである。
【００４３】
＜第１の信号線路＞
図１における第１の信号線路２０は、一端が第１のポート１に接続されている。また、磁気抵抗効果デバイス１００は、第１の信号線路２０の他端が基準電位端子２１を介して基準電位に接続されて用いられる。図１では、基準電位としてグラウンドＧに接続している。グラウンドＧは磁気抵抗効果デバイス１００の外部のものとすることができる。第１のポート１に入力される高周波信号とグラウンドＧとの電位差に応じて、第１の信号線路２０内に高周波電流が流れる。図２は、図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００の磁気抵抗効果素子１０近傍を拡大した斜視図である。第１の信号線路２０内に高周波電流が流れると、第１の信号線路２０から高周波磁場が発生する。磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２には、この高周波磁場が印加される。
【００４４】
第１の信号線路２０は、一本の信号線路に限られず、複数本の信号線路でもよい。この場合、各信号線路から発生する高周波磁場が磁気抵抗効果素子１０の位置で強めあう位置に、複数の信号線路を配設することが好ましい。
【００４５】
＜出力信号線路、線路＞
出力信号線路３０は、磁気抵抗効果素子１０から出力された信号を伝播する。磁気抵抗効果素子１０から出力される信号は、磁化自由層１２の強磁性共鳴を利用して選択された周波数の信号である。図１における出力信号線路３０は、一端が磁気抵抗効果素子１０に接続され、他端が第２のポート２に接続されている。すなわち、図１における出力信号線路３０は、磁気抵抗効果素子１０と第２のポート２とを繋ぐ。
【００４６】
また、電源４１、出力信号線路３０、磁気抵抗効果素子１０、線路３１、グラウンドＧによる閉回路を構成する部分と第２のポート２との間の出力信号線路３０（一例として、インダクタ４２の出力信号線路３０への接続箇所と第２のポート２との間の出力信号線路３０）には、コンデンサを設けてもよい。当該部分にコンデンサを設けることで、第２のポート２から出力される出力信号に、電流の不変成分が加わることを避けることができる。
【００４７】
線路３１は、一端が磁気抵抗効果素子１０に接続されている。また、磁気抵抗効果デバイス１００は、線路３１の他端が基準電位端子２２を介して基準電位に接続されて用いられる。図１では線路３１を、第１の信号線路２０の基準電位と共通のグラウンドＧに接続しているが、その他の基準電位に接続してもよい。回路構成を簡便にするためには、第１の信号線路２０の基準電位と線路３１の基準電位とは共通していることが好ましい。
【００４８】
各線路及びグラウンドＧ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、線路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、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線路の伝送損失を抑えることができる。
【００４９】
＜直流印加端子＞
直流印加端子４０は、電源４１に接続され、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に直流電流又は直流電圧を印加する。本明細書において直流電流とは、時間によって方向が変化しない電流であり、時間によって大きさが変化する電流を含む。また、直流電圧とは、時間によって方向が変化しない電圧であり、時間によって大きさが変化する電圧も含む。電源４１は直流電流源でも、直流電圧源でもよい。電源４１は、一定の直流電流を発生可能な直流電流源でも、一定の直流電圧を発生可能な直流電圧源でもよい。また、電源４１は、発生する直流電流値の大きさが変化可能な直流電流源でもよく、発生する直流電圧値の大きさが変化可能な直流電圧源でもよい。磁気抵抗効果素子１０に印加される電流の電流密度は、磁気抵抗効果素子１０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１０の発振閾値電流密度とは、この値以上の電流密度の電流が印加されることにより、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２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１０が発振する（磁気抵抗効果素子１０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。
【００５０】
直流印加端子４０と出力信号線路３０との間には、インダクタ４２が配設されている。インダクタ４２は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。インダクタ４２により磁気抵抗効果素子１０から出力された出力信号は第２のポート２に効率的に流れる。またインダクタ４２により電流の不変成分は、電源４１、出力信号線路３０、磁気抵抗効果素子１０、線路３１、グラウンドＧという閉回路を流れる。
【００５１】
インダクタ４２には、チップインダクタ、パターン線路によるインダクタ、インダクタ成分を有する抵抗素子等を用いることができる。インダクタ４２のインダクタンスは１０ｎＨ以上であることが好ましい。
【００５２】
電源４１が直流電流源の場合は、直流電流が磁気抵抗効果素子１０の中を磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって流れるように、電源４１を直流印加端子４０に接続する。すなわち、磁気抵抗効果素子１０は、その中を磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって直流印加端子４０から印加される直流電流が流れるように、直流印加端子４０に対して配置されている。
電源４１が直流電圧源の場合は、磁化固定層１１が磁化自由層１２より高電位となる直流電圧が直流印加端子４０から印加されるように、電源４１を直流印加端子４０に接続する。すなわち、磁気抵抗効果素子１０は、磁化固定層１１が磁化自由層１２よりも高電位となる直流電圧が直流印加端子４０から印加されるように、直流印加端子４０に対して配置されている。
【００５３】
＜周波数設定機構＞
周波数設定機構５０は、磁気抵抗効果素子１０に静磁場である外部磁場を印加する磁場印加機構であり、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数を設定する。磁気抵抗効果デバイス１００が出力する信号の周波数は、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数により変動する。そのため、周波数設定機構５０により出力信号の周波数を設定できる。
【００５４】
周波数設定機構５０は、磁気抵抗効果素子１０の近傍に配設されることが好ましい。周波数設定機構５０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の磁場印加機構で構成される。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の磁場印加機構と、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。
【００５５】
＜磁気抵抗効果デバイスの機能＞
磁気抵抗効果デバイス１００に第１のポート１から高周波信号が入力されると、高周波信号に対応する高周波電流が第１の信号線路２０内を流れる。第１の信号線路２０内を流れる高周波電流により発生する高周波磁場が、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加される。
【００５６】
磁化自由層１２の磁化は、第１の信号線路２０により磁気抵抗効果素子１０に印加された高周波磁場の周波数が、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に大きく振動する。この現象が、強磁性共鳴現象である。
【００５７】
磁化自由層１２の磁化の振動が大きくなると、磁気抵抗効果素子１０における抵抗値変化が大きくなる。例えば直流印加端子４０から一定の直流電流が磁気抵抗効果素子１０に印加される場合には、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化は、下部電極１４と上部電極１５との間の電位差の変化として第２のポート２から出力される。また、例えば直流印加端子４０から一定の直流電圧が磁気抵抗効果素子１０に印加される場合には、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化は、下部電極１４と上部電極１５との間を流れる電流値の変化として第２のポート２から出力される。
【００５８】
すなわち、第１のポート１から入力された高周波信号の周波数が磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数近傍の場合は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の変動量が大きく、第２のポート２から大きな信号が出力される。これに対し、高周波信号の周波数が磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数から外れている場合は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値の変動量が小さく、第２のポート２から信号がほとんど出力されない。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は特定の周波数の高周波信号を選択的に通過させることができる高周波フィルタとして機能する。
【００５９】
また、高周波フィルタとしての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１２の磁化容易軸が膜面法線方向成分を有し、磁化固定層１１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。
【００６０】
＜直流電流又は直流電圧の印加方向による影響＞
磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化は、磁気抵抗効果素子１０に直流電流又は直流電圧を印加することで読み出される。なお、磁気抵抗効果素子１０に、例えば一定の直流電圧を印加した場合には、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値変化に伴い、時間によって大きさが変化するが方向は変化しない直流電流が、磁気抵抗効果素子１０に流れる。磁気抵抗効果素子１０に直流電流又は直流電圧を印加するいずれの場合においても、磁気抵抗効果素子１０内を流れる直流電流の方向は、磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かう方向である。当該方向に直流電流が流れると、高周波磁場により振動する磁化自由層１２の磁化の振動を安定化することができ、その結果、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号のノイズを抑制できることを発明者は見出した。発明者が考察したその理由を、具体的に説明する。
【００６１】
図３は、磁気抵抗効果デバイス１００の動作時に、磁気抵抗効果素子１０近傍で生じている現象を模式的に示した図である。図３に示すように、磁化自由層１２には第１の信号線路２０で発生した高周波磁場ＲＦが印加される。高周波磁場ＲＦは、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２を振動させる。磁化自由層１２の磁化Ｍ１２は歳差運動する。
【００６２】
直流電流Ｉは、この歳差運動による抵抗値変化を読み出すことに伴って印加されている。そのため直流電流Ｉは、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２に全く作用しないことが理想的である。しかしながら、直流電流Ｉによって輸送される電子スピンは、スピントランスファートルクＳＴＴを誘起する。
【００６３】
図４は、磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波信号に伴い第１の信号線路２０内に流れる高周波電流Ｉｉｎと磁気抵抗効果素子１０の抵抗値Ｒの変化を模式的に示した図である。図４（ａ）は高周波電流Ｉｉｎの変動を示す図であり、図４（ｂ）は磁気抵抗効果素子１０の抵抗値Ｒの変化を示す図である。高周波電流Ｉｉｎの振動周期は、高周波磁場ＲＦの振動周期と一致する。
【００６４】
スピントランスファートルクＳＴＴが発生していない理想状態では、高周波電流Ｉｉｎの振動周期と磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の振動周期は対応関係を有する（図４（ｂ）点線）。この場合、磁気抵抗効果デバイス１００に入力された高周波信号（高周波電流Ｉｉｎ）に対して磁気抵抗効果デバイス１００から出力される出力信号（抵抗値変化）の応答性が高く、ノイズの少ない信号が出力される。
【００６５】
これに対し、スピントランスファートルクＳＴＴが発生すると、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の理想的な歳差運動が乱される。そのため、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値Ｒの変化が乱され、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される出力信号（抵抗値変化）の応答性が低下する。すなわち、ノイズを含む信号が磁気抵抗効果デバイス１００から出力される。
【００６６】
直流電流Ｉを磁気抵抗効果素子１０の磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって流すと、このスピントランスファートルクＳＴＴの影響を小さくすることができると考えられる。発明者が考察したその理由について以下に説明する。微小時間における磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の挙動は以下の式（１）で表記できる。
【００６７】
【数１】
2019033159.tif 000003
【００６８】
式（１）において、γはジャイロ定数、αはダンピング定数、エイチバー（ｈ−）はディラック定数、ｅは電荷、Ｉｅは電流密度、ｇはトランスファー効率、Ｍ１２は磁化自由層の磁化、ｍ１２は磁化自由層の磁化の単位ベクトル、ｍ１１は磁化固定層の磁化の単位ベクトル、Ｈｅｆｆは磁化自由層における有効磁場である。
【００６９】
式（１）における最初の項は歳差トルクの影響を表し、二つ目の項はダンピングトルクの影響を表し、最後の項はスピントランスファートルクの影響を表す。磁気抵抗効果素子１０を流れる直流電流は、式（１）において電流密度（Ｉｅ）として表記される。すなわち、磁気抵抗効果素子１０を流れる直流電流の向きは、スピントランスファートルクが磁化自由層１２の磁化Ｍ１２に働く向きに影響を及ぼす。
【００７０】
図５は、磁気抵抗効果素子１０を積層方向から見た際の磁化固定層１１の磁化Ｍ１１の向きと、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の向きと、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２に加わるスピントランスファートルクの向きを模式的に示した図である。スピントランスファートルクは、磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の垂直方向に作用するが、磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって直流電流を流した場合は、磁化固定層１１の磁化Ｍ１１の向きと反対方向の成分を有する方向に、スピントランスファートルクは作用する。これに対し、磁化自由層１２から磁化固定層１１に向かって直流電流を流した場合は、磁化固定層１１の磁化Ｍ１１の向きと同一方向の成分を有する方向に、スピントランスファートルクは作用する。
【００７１】
図６は、磁気抵抗効果素子１０を積層方向から見た際における磁化の挙動を模式的に示した図である。磁化固定層１１と磁化自由層１２とは本来重なっているが、図の関係上ずらして図示している。図６（ａ）は、磁気抵抗効果素子１０の中を磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって電流を流した場合の図であり、図６（ｂ）は、磁気抵抗効果素子１０の中を磁化自由層１２から磁化固定層１１に向かって電流を流した場合の図である。
【００７２】
磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって電流を流した場合は、図６（ａ）に示すように、スピントランスファートルクが作用した部分の磁化Ｍａは、磁化固定層１１の磁化Ｍ１１の方向とは反対の方向に向かって動く。すなわち磁化Ｍａが存在する領域Ａの抵抗は、その他の部分より高くなる。
【００７３】
これに対し磁化自由層１２から磁化固定層１１に向かって電流を流した場合は、図６（ｂ）に示すように、スピントランスファートルクが作用した部分の磁化Ｍｂは、磁化固定層１１の磁化Ｍ１１の方向と同じ方向に向かって動く。すなわち磁化Ｍｂが存在する領域Ｂの抵抗値は、その他の部分より低くなる。
【００７４】
領域Ａ及び領域Ｂがスピントランスファートルクの影響を受ける前の領域Ａ及び領域Ｂの抵抗値をＲ１、その他の領域の抵抗値をＲ２とすると、磁気抵抗効果素子１０全体の抵抗値Ｒは、Ｒ＝Ｒ１・Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）で表記される。なお、領域Ａと領域Ｂの面積は等しいとして、これらの抵抗値は同等としている。領域Ａは、スピントランスファートルクの影響を受けると抵抗値が大きくなり、その抵抗値はＲ１＋αになる。これに対し、領域Ｂは、スピントランスファートルクの影響を受けると抵抗値が小さくなり、その抵抗値はＲ１−αになる。なお、ここでは簡単のため、スピントランスファートルクの影響による領域Ａ及び領域Ｂの抵抗値の変動量αが等しいとしている。
【００７５】
スピントランスファートルクの影響を受ける前後の抵抗値変化量｜ΔＲ｜をそれぞれの場合で求めると以下の関係式が成り立つ。
【００７６】
【数２】
2019033159.tif 000004
【００７７】
【数３】
2019033159.tif 000005
【００７８】
式（２）は図６（ａ）のように領域Ａの抵抗値が増えた場合の抵抗値変化量であり、式（３）は図６（ｂ）のように領域Ｂの抵抗値が減った場合の抵抗値変化量である。式（２）と式（３）を比較すると、式（２）の方が分母は大きく、抵抗値変化量は小さい。すなわち、スピントランスファートルクが磁気抵抗効果素子１０全体の抵抗値に及ぼす影響は、図６（ａ）のように領域Ａの抵抗値が増えた場合の方が小さい。
【００７９】
上述のように、式（２）は磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって直流電流を流した場合に対応し、式（３）は磁化自由層１２から磁化固定層１１に向かって直流電流を流した場合に対応する。すなわち、磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって直流電流を流すことで、磁気抵抗効果素子１０の抵抗値にスピントランスファートルクが及ぼす影響を小さくできると考えることができる。
【００８０】
ここまで式を用いてより具体的に説明したが、より観念的に以下のような説明もできる。図６（ａ）の場合は、スピントランスファートルクの影響を受けて領域Ａの抵抗値が増加する。そのため、多くの直流電流は、スピントランスファートルクの影響の少ない領域に流れる。スピントランスファートルクの影響が少ない領域は、ノイズが生じにくい（図４（ｂ）点線参照）。すなわち、この領域に流れる直流電流が支配的になることで、磁気抵抗効果デバイス１００に入力された高周波信号（高周波電流Ｉｉｎ）に対する磁気抵抗効果デバイス１００から出力される出力信号（抵抗値変化）の応答性が高くなると考えることができる。
【００８１】
これに対し、図６（ｂ）の場合は、スピントランスファートルクの影響を受けて領域Ｂの抵抗値が減少する。そのため、多くの直流電流は、スピントランスファートルクの影響を受ける領域Ｂに流れる。そのため、スピントランスファートルクの影響がノイズとして加わる（図４（ｂ）実線参照）。その結果、磁気抵抗効果デバイス１００に入力された高周波信号（高周波電流Ｉｉｎ）に対する磁気抵抗効果デバイス１００から出力される出力信号（抵抗値変化）の応答性が低下すると考えることができる。
【００８２】
従って、磁気抵抗効果素子１０の磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かう方向に直流電流を印加すると、高周波磁場により振動する磁化自由層１２の磁化Ｍ１２の歳差運動を安定化できる。その結果、磁気抵抗効果デバイス１００から出力される信号のノイズを抑制できると考えられる。
【００８３】
＜強磁性共鳴周波数の変更＞
磁気抵抗効果デバイス１００が選択する周波数（磁気抵抗効果デバイス１００が出力する周波数帯域）は、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数を変えることで変更できる。強磁性共鳴周波数は、磁化自由層１２における有効磁場によって変化する。磁化自由層１２における有効磁場Ｈｅｆｆは、磁化自由層１２に印加される外部磁場をＨＥ、磁化自由層１２における異方性磁場をＨｋ、磁化自由層１２における反磁場をＨＤ、磁化自由層１２における交換結合磁場をＨＥＸとすると、以下の式で表される。
Ｈｅｆｆ＝ＨＥ＋Ｈｋ＋ＨＤ＋ＨＥＸ
【００８４】
上式で示すように、磁化自由層１２における有効磁場は、外部磁場ＨＥの影響を受ける。外部磁場ＨＥの大きさは、周波数設定機構５０により設定できる。つまり、磁化自由層１２における有効磁場は、周波数設定機構５０により設定できる。図７は、磁気抵抗効果素子１０に印加される直流電流が一定の場合に磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数と出力される電圧の振幅との関係を示す図である。
【００８５】
磁気抵抗効果素子１０に周波数設定機構５０から任意の外部磁場が印加されると、磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数は外部磁場の影響を受けて変化する。この際の強磁性共鳴周波数をｆｂ１とする。磁化自由層１２の強磁性共鳴周波数がｆｂ１であるため、磁気抵抗効果デバイス１００に入力される高周波信号の周波数がｆｂ１の際に出力電圧の振幅が大きくなる。そのため、図７に示すプロット線１００ｂ１のグラフが得られる。
【００８６】
次いで印加する外部磁場を大きくすると、外部磁場の影響を受けて強磁性共鳴周波数がｆｂ１からｆｂ２にシフトする。この際、出力電圧の振幅が大きくなる周波数もｆｂ１からｆｂ２にシフトする。その結果、図７に示すプロット線１００ｂ２のグラフが得られる。このように、周波数設定機構５０は、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に印加される外部磁場ＨＥ（すなわち磁化自由層１２における有効磁場Ｈｅｆｆ）を調整し、強磁性共鳴周波数を変えることができる。
【００８７】
＜他の用途＞
また上記では磁気抵抗効果デバイスを高周波フィルタとして用いる場合を例に提示したが、磁気抵抗効果デバイスはアイソレータ、フェイズシフタ、増幅器（アンプ）等の高周波デバイスとしても利用できる。
【００８８】
磁気抵抗効果デバイスをアイソレータとして用いる場合は、第２のポート２から信号を入力する。第２のポート２から信号を入力しても第１のポート１から出力されることはないため、アイソレータとして機能する。
【００８９】
また磁気抵抗効果デバイスをフェイズシフタとして用いる場合は、出力される周波数帯域が変化する場合において、出力される周波数帯域の任意の１点の周波数に着目する。出力される周波数帯域が変化する際に、特定の周波数における位相は変化するため、フェイズシフタとして機能する。
【００９０】
また磁気抵抗効果デバイスを増幅器として用いる場合は、電源４１から印加する直流電流又は直流電圧を所定の大きさ以上にする。このようにすることで、第１のポート１から入力される信号より第２のポート２から出力される信号が大きくなり、増幅器として機能する。
【００９１】
上述のように、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、高周波フィルタ、アイソレータ、フェイズシフタ、増幅器等の高周波デバイスとして機能できる。
【００９２】
また第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は、磁気抵抗効果素子１０に印加する直流電流又は直流電圧の向きを制御している。そのため、磁気抵抗効果デバイス１００に入力した高周波信号（高周波電流Ｉｉｎ）に対する磁気抵抗効果デバイス１００から出力される出力信号（抵抗値変化）の応答性を高くすることができ、ノイズを低減できる。
【００９３】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０１の回路構成を模式的に示した図である。第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０１は、磁気抵抗効果素子１０が複数あり、これらが互いに並列接続されている点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。
【００９４】
図８に示す磁気抵抗効果デバイス１０１は、第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂとを備える。第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂは、第２ポート２及び電源４１に対して互いに並列に接続されている。電源４１から直流電流又は直流電圧が第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂに印加され、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂのいずれにおいても、それらの中を直流電流が磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって流れる。
【００９５】
第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂとは、それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数が異なる。それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数は、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂを積層方向から見た際の平面視形状を変えることで制御することができる。それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数の異なる二つの磁気抵抗効果素子を用いると、それぞれの磁気抵抗効果素子がそれぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数で大きな抵抗値変化を示し、その合算した値に対応した出力が第２のポート２から出力される。そのため、それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数を重ねあわせた範囲の周波数が、磁気抵抗効果デバイス１０１の選択周波数（通過周波数）となり、選択周波数の帯域（通過周波数帯域）が広くなる。
【００９６】
周波数設定機構５０は、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂに対して共通して１つとしてもよいし（図８参照）、それぞれに対して設けてもよい（図９参照）。図９に示す磁気抵抗効果デバイス１０２のように、それぞれの磁気抵抗効果素子に対し周波数設定機構５０をそれぞれ設けると、磁気抵抗効果デバイス１０２の集積性は低下するが、磁気抵抗効果デバイス１０２の選択周波数（通過周波数）の設定の自由度が高まる。
【００９７】
また磁気抵抗効果素子の数は、二つに限られず、より多くの素子を設けてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を、他の磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なるように設計することが好ましい。なお、強磁性共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の形状で制御してもよいし、周波数設定機構から印加される外部磁場によって設定してもよい。
【００９８】
（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０３の回路構成を模式的に示した図である。第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０３は、磁気抵抗効果素子１０が複数あり、これらが直列接続されている点が、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。
【００９９】
図１０に示す磁気抵抗効果デバイス１０３は、第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂとが、電源４１、出力信号線路３０、線路３１、グラウンドＧによる閉回路内に直列に接続されている。電源４１から直流電流又は直流電圧が第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂに印加され、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂのいずれにおいても、それらの中を直流電流が磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって流れる。
【０１００】
第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂとは、それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数が異なる。並列接続の場合（第２実施形態）と同様に、それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数の異なる二つの磁気抵抗効果素子を直列接続すると、それぞれの磁気抵抗効果素子がそれぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数で大きな抵抗値変化を示すため、その合算した値に対応した出力が第２のポート２から出力される。そのため、それぞれの磁化自由層の強磁性共鳴周波数を重ねあわせた範囲の周波数が、磁気抵抗効果デバイス１０３の選択周波数（通過周波数）となり、選択周波数の帯域（通過周波数帯域）が広くなる。
【０１０１】
直列接続の場合も並列接続（第２実施形態）の場合と同様に、周波数設定機構５０は、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂに対して共通して１つとしてもよいし（図１０参照）、それぞれに対して設けてもよい（図１１参照）。図１１に示す磁気抵抗効果デバイス１０４のように、それぞれの磁気抵抗効果素子に対し周波数設定機構５０をそれぞれ設けると、磁気抵抗効果デバイス１０４の集積性は低下するが、磁気抵抗効果デバイス１０４の選択周波数（通過周波数）の設定の自由度が高まる。
【０１０２】
また磁気抵抗効果素子の数は、二つに限られず、より多くの素子を設けてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子のうち少なくとも一つの磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数を、他の磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数と異なるように設計することが好ましい。なお、強磁性共鳴周波数は、磁気抵抗効果素子の形状で制御してもよいし、周波数設定機構から印加される外部磁場によって設定してもよい。
【０１０３】
（第４実施形態）
図１２は、第４実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０５の回路構成を模式的に示した図である。第４実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１０５は、磁気抵抗効果素子１０が複数あり、各信号線路の配設方法が第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。
【０１０４】
図１２に示す磁気抵抗効果デバイス１０５は、第１磁気抵抗効果素子１０ａと第２磁気抵抗効果素子１０ｂとを備える。それぞれの電源４１から直流電流又は直流電圧が第１磁気抵抗効果素子１０ａおよび第２磁気抵抗効果素子１０ｂに印加され、第１磁気抵抗効果素子１０ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０ｂのいずれにおいても、それらの中を直流電流が磁化固定層１１から磁化自由層１２に向かって流れる。
【０１０５】
第１磁気抵抗効果素子１０ａの磁化自由層１２には、第１の信号線路２０で発生した高周波磁場が印加され、第２磁気抵抗効果素子１０ｂの磁化自由層１２には、第１磁気抵抗効果素子１０ａから出力された出力信号により出力信号線路３０で発生した高周波磁場が印加される。
【０１０６】
第１のポート１から磁気抵抗効果デバイス１０５に入力された高周波信号は、第１磁気抵抗効果素子１０ａによってフィルタリングされる。フィルタリングされた高周波信号は、出力信号線路３０から出力される。この高周波信号は、第２磁気抵抗効果素子１０ｂによってフィルタリングされ、第２のポート２から磁気抵抗効果デバイス１０５の外部に出力される。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１０５の第１のポート１から入力された信号は、第２のポート２から出力されるまでの間に、２回フィルタリングされる。したがって、この磁気抵抗効果デバイス１０５によれば、高周波信号のフィルタリング精度を高めることができる。
【０１０７】
また磁気抵抗効果素子の数は、二つに限られず、より多くの素子を設けてもよい。この場合、複数の磁気抵抗効果素子の少なくとも一つの磁気抵抗効果素子には第１の信号線路からの高周波磁場が印加され、残りの磁気抵抗効果素子には別の磁気抵抗効果素子に接続された出力信号線路からの高周波磁場が印加される。磁気抵抗効果素子の数を増やすことで、高周波信号のフィルタリング精度をより高めることができる。
【０１０８】
また電源４１、出力信号線路３０、線路３１、グラウンドＧによって形成される各閉回路内に配設される磁気抵抗効果素子の数も１つに限られず、複数であってもよい。これらの磁気抵抗効果素子同士は、並列接続でも直列接続でもよい。
【０１０９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、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。
【０１１０】
例えば、第１の信号線路２０が、磁気抵抗効果素子１０に接続された下部電極１４又は上部電極１５を兼ねてもよい。図１３は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの別の例の回路構成を示した模式図である。図１３に示す磁気抵抗効果デバイス１０６は、第１の信号線路２０が、磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に接続されている。
【０１１１】
図１４は、図１３に示す磁気抵抗効果デバイス１０６の磁気抵抗効果素子１０近傍を拡大した斜視図である。図１４に示すように、第１の信号線路２０が磁気抵抗効果素子１０の磁化自由層１２に接続され、第１の信号線路２０の一部が上部電極１５を兼ねている。第１の信号線路２０を磁化自由層１２に接続し、第１の信号線路２０が上部電極１５の一部を兼ねる場合について具体的に説明したが、第１の信号線路２０を磁化固定層１１に接続し、第１の信号線路２０が下部電極１４の一部を兼ねてもよい。また第２実施形態〜第４実施形態のように、磁気抵抗効果素子１０が複数存在する場合は、少なくとも一つの磁気抵抗効果素子１０に対する下部電極１４又は上部電極１５を、第１の信号線路２０が兼ねることができる。
【０１１２】
また上記の実施形態では、直流印加端子４０がインダクタ４２とグラウンドＧとの間に接続されている例で説明した。この他にも、直流印加端子４０を上部電極１５とグラウンドＧとの間に接続してもよい。この場合、直流電流源４１は直流印加端子４０とグラウンドＧとの間に接続され、インダクタ４２は、出力信号線路３０とグラウンドＧとの間に基準電位端子を介して接続される。
【０１１３】
また、上記実施形態におけるインダクタ４２にかえて、抵抗素子を用いてもよい。この抵抗素子は、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いずれでもよい。この抵抗素子の抵抗値は、出力信号線路３０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、出力信号線路３０の特性インピーダンスが５０Ωであり、抵抗素子の抵抗値が５０Ωの場合は、４５％の高周波電力が抵抗素子によりカットできる。また出力信号線路３０の特性インピーダンスが５０Ωであり、抵抗素子の抵抗値が５００Ωの場合は、９０％の高周波電力を抵抗素子によりカットできる。この場合でも、磁気抵抗効果素子１０から出力された出力信号を第２のポート２に効率的に流すことができる。
【０１１４】
また、上記実施形態において、直流印加端子４０に接続される電源４１が、電流の高周波成分をカットすると同時に電流の不変成分を通す機能を有する場合、インダクタ４２は無くても良い。この場合でも、磁気抵抗効果素子１０から出力された出力信号を第２のポート２に効率的に流すことができる。
【０１１５】
また、上記実施形態では、周波数設定機構５０を磁場印加機構とする例を基に説明したが、周波数設定機構５０には以下のような他の例も用いることができる。例えば、周波数設定機構として磁気抵抗効果素子に電場を印加する電場印加機構を用いてもよい。電場印加機構により、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加される電場を変化させると、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する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。
【０１１６】
また例えば、周波数設定機構として圧電体と電場印加機構を組み合わせてもよい。磁気抵抗効果素子の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する。電場が印加された圧電体は変形し、磁化自由層を歪ませる。磁化自由層が歪むと、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する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。
【０１１７】
また例えば、周波数設定機構として、電気磁気効果を有する反強磁性体又はフェリ磁性体である制御膜、制御膜に磁場を印加する機構、及び、制御膜に電場を印加する機構を用いてもよい。磁化自由層と磁気的に結合するように設けられた制御膜に電場及び磁場を印加する。制御膜に印加する電場及び磁場の少なくとも一方を変化させると、磁化自由層における交換結合磁場ＨＥＸが変化し、磁化自由層における有効磁場が変化する。そして、磁化自由層の強磁性共鳴周波数が設定される。
【０１１８】
また周波数設定機構５０が無くても（磁場印加機構から静磁場が印加されなくても）、磁気抵抗効果素子の磁化自由層の強磁性共鳴周波数が所望の周波数である場合は、周波数設定機構５０を有さなくてもよい。
【実施例】
【０１１９】
（実施例１）
磁気抵抗効果素子に直流電流又は直流電圧を印加する方向を変えた場合に、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号のＳ／Ｎを、シミュレーションにより求めた。シミュレーションはＬＬＧシミュレーションを用いて行った。
【０１２０】
シミュレーションは、以下の条件で行った。
磁気抵抗効果素子の形状：４５ｎｍφ、円柱形状
ダンピング定数α：０．０２
磁化自由層の飽和磁化Ｍｓ：１６ｋＯｅ
磁化自由層の異方性磁場Ｈｋ：７ｋＯｅ
磁化自由層に印加される静磁場の外部磁場：１ｋＯｅ（磁化固定層の磁化方向に垂直な方向）
磁化自由層に印加される高周波磁場：２Ｏｅ（１〜７ＧＨｚの間で０．２ＧＨｚ刻みの３１種類の周波数、磁化固定層の磁化方向に平行な方向）
磁化固定層のスピン分極率Ｐ：０．５
【０１２１】
またシミュレーションで求めたＳ／Ｎは、磁化自由層の強磁性共鳴周波数に最も近い周波数（出力される信号が最も大きかった時の高周波磁場の周波数）の高周波磁場を印加した際に出力される信号（Ｓ）と、その他の３０種類の周波数の高周波磁場を印加した際に出力される信号（Ｎ）の平均値との比とした。
【０１２２】
シミュレーションの結果を図１５及び図１６に示す。図１５は、磁気抵抗効果素子に定電圧を印加した場合に、磁気抵抗効果素子に印加される定電圧の電圧値を変更した際のシミュレーション結果であり、図１６は、磁気抵抗効果素子に定電流を印加し場合に、磁気抵抗効果素子に流れる定電流の電流値を変更した際のシミュレーション結果である。図１５及び図１６における横軸は、所定の電圧又は電流を基準とし、その基準に対する電圧又は電流の比を示す。電圧及び電流は、磁化固定層から磁化自由層に向かって電流が流れる向きに印加した場合を負、磁化自由層から磁化固定層に向かって電流が流れる向きに印加した場合を正としている。また図１５及び図１６における縦軸はＳ／Ｎを示す。
【０１２３】
図１５及び図１６のいずれにおいても、磁化自由層から磁化固定層に向かって電流が流れる向きに電圧または電流を印加すると、所定値以上でＳ／Ｎ比が低下することが確認された。これに対し、磁化固定層から磁化自由層に向かって電流が流れる向きに電圧または電流を印加した場合は、Ｓ／Ｎの低下が抑制されることが確認された。
【０１２４】
（実施例２及び比較例）
実際に磁気抵抗効果デバイスを作製して、出力される信号特性を求めた。磁気抵抗効果デバイスは、図１に示す回路構成とした。磁気抵抗効果素子は直径１８０ｎｍの円柱状とした。磁化固定層は、積層順に、ＣｏＦｅ（１８Å）／Ｒｕ（８Å）／ＣｏＦｅ（８Å）／ＣｏＦｅＢ（１０Å）の積層構造とした。またスペーサ層はＭｇＯ（９．５Å）とし、自由層はＣｏＦｅＢ（２０Å）とした。さらに、磁化固定層のスペーサ層と反対側の面には、反強磁性層としてＩｒＭｎ（７０Å）を設けた。
【０１２５】
そして磁気抵抗効果素子の磁化固定層から磁化自由層に向かって直流電流が流れるように、０．２５Ｖの直流電圧を印加した場合を実施例２、磁化自由層から磁化固定層に向かって直流電流が流れるように０．２５Ｖの直流電圧を印加した場合を比較例とした。そして、磁気抵抗効果素子に印加する高周波磁場の周波数を変えながら、磁気抵抗効果デバイスから出力される信号の特性を求めた。
【０１２６】
図１７は、実施例２及び比較例の信号特性を示す図である。図１７において縦軸は磁気抵抗効果デバイスの通過特性を常用対数表記したもの（Ｓ２１）であり、横軸は印加する高周波磁場の周波数である。磁気抵抗効果デバイスの通過特性は、磁気抵抗効果デバイスから出力される電力を磁気抵抗効果デバイスに入力する電力で割ったものである。すなわち、Ｓ２１＝１０×ｌｏｇ１０（［出力信号の電力］／［入力信号の電力］）が成り立つ。
【０１２７】
図１７に示すように、実施例２では比較例と比較して大きなピークが確認された。すなわち、実施例２に示す磁気抵抗効果デバイスは、所定の周波数において高い通過特性を示す高周波フィルタとして機能していると言える。
【符号の説明】
【０１２８】
１…第１のポート、２…第２のポート、１０…磁気抵抗効果素子、１０ａ…第１磁気抵抗効果素子、１０ｂ…第２磁気抵抗効果素子、１１…磁化固定層、１２…磁化自由層、１３…スペーサ層、１４…下部電極、１５…上部電極、２０…第１の信号線路、３０…出力信号線路（第２の信号線路）、３１…線路、４０…直流印加端子、４１…電源、４２…インダクタ、５０…周波数設定機構、Ｇ…グラウンド、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６…磁気抵抗効果デバイス、Ｍ１１，Ｍ１２…磁化、ＲＦ…高周波磁場
【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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