(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサー層を介して配設された磁化固定層と磁化自由層とを備えた磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子の積層方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、
前記磁気抵抗効果素子に磁界を印加する磁界印加機構と、
前記磁気抵抗効果素子に、少なくとも第１の周波数の成分と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の成分を含む周波数変調信号を供給する入力端子と、
前記磁気抵抗効果素子から出力電圧を取り出す出力端子と、前記出力電圧を検出する検出部と、を備え、
前記一対の電極は、前記入力端子および前記出力端子と電気的に接続され、
前記磁界印加機構は、前記第１の周波数に対応する前記出力電圧としての第１の出力電圧と前記第２の周波数に対応する前記出力電圧としての第２の出力電圧との電圧差が存在するような大きさの前記磁界を印加し、
前記出力電圧に基づいて前記周波数変調信号の前記第１の周波数の成分と前記第２の周波数の成分とを区別して検波し、前記第１の周波数の成分の検波と前記第２の周波数の成分の検波は、前記磁気抵抗効果素子に同じ大きさの前記磁界が印加されている状態で行われることを特徴とする検波器。
【請求項２】
前記磁界印加機構は、前記磁化自由層の磁化の強磁性共鳴周波数を前記第１の周波数および前記第２の周波数のいずれか一方と一致させるような大きさの前記磁界を印加することを特徴とする請求項１に記載の検波器。
【請求項３】
前記磁界印加機構は、前記磁気抵抗効果素子に印加する磁界を可変制御することを特徴とする請求項１または２に記載の検波器。
【請求項４】
前記検波器は、前記磁気抵抗効果素子にバイアス電流を印加するバイアス電流印加機構を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の検波器。
【請求項５】
前記バイアス電流は、磁化自由層から磁化固定層の方向に印加されることを特徴とする請求項４に記載の検波器。
【請求項６】
前記磁化自由層の膜厚をｔ１、前記磁化固定層の膜厚をｔ２とした場合、０．４ｎｍ＜ｔ１＜ｔ２を満たすことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の検波器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無配線信号伝達、通信用機能素子などに応用される検波器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、無線通信システムの受信装置において、小型化、低消費電力化が求められ、多くの機能がＩＣ化されている。その一方で、受信感度の高感度化も急速に進んでいて、検波回路の高感度化が受信装置を構成する上で重要な課題の一つとなっている。例えば、特許文献１には、位相比較器、ローパスフィルター、アンプ、ＣＣＯ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）およびＦＳＫ検波器電流源を有するＦＳＫ検波器が提案されている。
【０００３】
また、電子の電荷を応用したエレクトロニクスの分野に対して、電子の電荷とスピンを同時に利用するスピントロニクスの分野が、近年、注目されていて、高周波信号を直流電圧に整流するスピントルクダイオード効果が知られている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１２９０１
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｎａｔｕｒｅ，  Ｖｏｌ．  ４３８，  Ｎｏ．  ７０６６，  ｐａｇｅｓ  ３３９−３４２  （２００５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のＦＳＫ検波器は、位相比較器、ローパスフィルター、アンプ、ＣＣＯ（Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）およびＦＳＫ検波器電流源を有する。位相比較器は、一例として、フリップフロップ回路とＮＡＮＤ回路で構成される。ローパスフィルターは、一例として、入力信号に対して並列接続されたコンデンサーと、入力信号に対して直列接続された抵抗とで構成される。アンプのゲインは、基準電源、外付け抵抗、トランジスター、定電流源、および外部調整端子を有する制御ブロックからの電流により制御される。ＣＣＯは、一例として、抵抗、コンデンサー、インダクター、トランジスターから構成される。従って、特許文献１に記載のＦＳＫ検波器には、回路構成が複雑になるという課題がある。この場合、製造コストのアップ、歩留りの低下といった問題を避けられない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決すべく本発明に係る検波器は、スペーサー層を介して配設された磁化固定層と磁化自由層とを備えた磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の積層方向に前記磁気抵抗効果素子を介して配設された一対の電極と、前記磁気抵抗効果素子に磁界を印加する磁界印加機構と、前記磁気抵抗効果素子に、少なくとも第１の周波数の成分と、前記第１の周波数とは異なる第２の周波数の成分を含む周波数変調信号を供給する入力端子と、前記磁気抵抗効果素子から出力電圧を取り出す出力端子と、前記出力電圧を検出する検出部と、を備え、前記一対の電極は、前記入力端子および前記出力端子と電気的に接続され、前記磁界印加機構は、前記第１の周波数に対応する前記出力電圧としての第１の出力電圧と前記第２の周波数に対応する前記出力電圧としての第２の出力電圧との電圧差が存在するような大きさの前記磁界を印加し、前記検出部は前記出力電圧に基づいて前記周波数変調信号を検波することを特徴とする。
【０００８】
上記特徴の本発明の検波器によれば、磁気抵抗効果素子の持つスピントルクダイオード効果を発現させることが可能になる。さらに、磁界印加機構が、第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧との電圧差が存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子に印加することで、電圧差を利用して、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することが可能となる。従って、磁気抵抗効果素子を含む比較的簡素な回路構成で周波数変調信号を検波できる。
【０００９】
さらに本発明の検波器は、前記磁界印加機構が、前記磁化自由層の磁化の強磁性共鳴周波数を前記第１の周波数および前記第２の周波数のいずれか一方と一致させるような大きさの前記磁界を印加することを特徴とする。
【００１０】
上記特徴の本発明の検波器によれば、第１の周波数および第２の周波数のいずれか一方を、磁気抵抗効果素子に印加される磁界の大きさに依存する磁化自由層の磁化の強磁性共鳴周波数と同じにすることができるので、第１の出力電圧および第２の出力電圧のいずれか一方を大きくすることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差を大きくすることが可能となる。
【００１１】
さらに本発明の検波器は、前記磁界印加機構が、前記磁気抵抗効果素子に印加する磁界を可変制御することを特徴とする。
【００１２】
上記特徴の本発明の検波器によれば、磁気抵抗効果素子が有するスピントルクダイオード効果の周波数特性をチューナブルに制御することが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数と第２の周波数がある程度変化したとしても、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することができる。
【００１３】
さらに本発明の検波器は、前記磁気抵抗効果素子にバイアス電流を印加するバイアス電流印加機構を有することを特徴とする。
【００１４】
上記特徴の本発明の検波器によれば、磁化自由層の磁化に働くスピントランスファートルクを大きくすることが可能で、スピントルクダイオード感度を大きくすることが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数と第２の周波数の周波数差に対応した電圧差を大きくすることが可能となる。
【００１５】
さらに本発明の検波器は、前記バイアス電流が、前記磁化自由層から前記磁化固定層の方向に印加されることを特徴とする。
【００１６】
上記特徴の本発明の検波器によれば、磁化固定層から磁化自由層に電子が流れるので、磁化自由層の磁化に働くスピントランスファートルクをより大きく働かせることが可能となり、スピントルクダイオード感度をより大きくすることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差をより大きくすることが可能となる。
【００１７】
さらに本発明の検波器は、前記磁化自由層の膜厚をｔ１、前記磁化固定層の膜厚をｔ２とした場合、０．４ｎｍ＜ｔ１＜ｔ２を満たすことを特徴とする。
【００１８】
上記特徴の本発明の検波器によれば、ｔ１＜ｔ２とすることで、磁化自由層の磁化に効率的にスピントランスファートルクが働き、スピントルクダイオード効果を効率的に発現させることが可能となる。また、０．４ｎｍ＜ｔ１とすることで、磁化自由層の飽和磁化低減を防止することができ、スピントルクダイオード効果を効率的に発現させることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差を大きくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、無配線信号伝達、通信用機能素子などに応用される検波器の回路の簡素化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る検波器１００の概略図である。
【図２】スピントルクダイオード効果の周波数特性を示す図である。
【図３】図１に記載の磁気抵抗効果素子３の断面図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態における出力電圧と周波数との関係を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態における出力電圧と周波数との関係を示す図である。
【図５】バイアス電流とスピントルクダイオード感度との関係を示す図である。
【図６Ａ】周波数変調信号の時間波形を示す図である。
【図６Ｂ】出力電圧の時間依存性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る検波器１０２の概略図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における出力電圧と周波数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、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。さらに、本実施形態はその趣旨を逸脱しない限り、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る検波器１００の概略図である。検波器１００は、入力端子１、下部電極２、磁気抵抗効果素子３、上部電極４、磁界印加機構５、バイアス電流印加機構６、出力端子７および検出部８を備えている。
【００２３】
入力端子１は、上部電極４に電気的に接続され、少なくとも第１の周波数の成分と、第１の周波数とは異なる第２の周波数の成分を含む周波数変調信号を磁気抵抗効果素子３に供給する機能を有する。以降、第１の周波数をｆ１、第２の周波数をｆ２と表記することもある。検波器１００はグランド端子１２を備え、グランド端子１２はグランドに接続され、入力端子１の基準電位として機能する。
【００２４】
出力端子７は、上部電極４と電気的に接続され、磁気抵抗効果素子３で発生した第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧を取り出す機能を有する。検波器１００はグランド端子７２を備え、グランド端子７２はグランドに接続され、出力端子７の基準電位として機能する。
【００２５】
検出部８は、出力端子７から取り出される出力電圧を検出する機能を有する。第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差（以降ΔＶとも呼ぶ）があれば、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することが可能となる。
【００２６】
下部電極２および上部電極４は、一対の電極としての役目を備え、磁気抵抗効果素子３の積層方向に磁気抵抗効果素子３を介して配設されている。つまり、電流を磁気抵抗効果素子３に対して、磁気抵抗効果素子３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３を構成する各層の面に対して垂直な方向（積層方向）に流すための一対の電極としての機能を有している。下部電極２はグランドに接続される。また、下部電極２は磁気抵抗効果素子３を介して入力端子１および出力端子７に電気的に接続されている。
【００２７】
下部電極２および上部電極４は、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ等の高導電率材料から構成されることが好ましい。また、下部電極２および上部電極４の平面視形状は、マイクロストリップライン型やコプレーナウエーブガイド型に規定することが好ましい。これにより、周波数変調信号の伝送損失低減が可能となる。
【００２８】
磁気抵抗効果素子３は、入力端子１から入力された周波数変調信号を、スピントルクダイオード効果により、第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧に変換する機能を有する。磁気抵抗効果素子３は、磁化固定層３１、スペーサー層３２、磁化自由層３３を備えており、磁化固定層３１と磁化自由層３３は、スペーサー層３２を介して配設されている。また、磁気抵抗効果素子３は、周知のフォトリソグラフィー法およびエッチング法により、その平面視形状が円形、楕円形、正方形、長方形等の形状になるように加工される。さらに、平面視形状が円形の場合にはその直径、楕円形の場合にはその短軸と長軸のうち少なくとも短軸、正方形の場合にはその一辺、長方形の場合にはその短辺と長辺のうち少なくとも短辺は、１００ｎｍ以下とすることが好ましい。これにより、磁化自由層３３の磁区の単磁区化が可能となり、スピントルクダイオード効果を効果的に発現させることが可能となる。
【００２９】
ここで、スピントルクダイオード効果について説明する。
【００３０】
磁気抵抗効果素子３に高周波信号を入力すると、信号の振幅の２乗に比例する直流電圧（以降、出力電圧と呼ぶ）が発生する。この整流作用がスピントルクダイオード効果である。図２は、スピントルクダイオード効果の周波数特性を示す図である。横軸は高周波信号の周波数、縦軸は出力電圧である。図２から分かる通り、高周波電流の周波数の成分が磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（以降、ｆ０とも呼ぶ）と一致すると大きな出力電圧が発生する。この作用をスピントルク強磁性共鳴と呼び、出力電圧は、磁気抵抗効果素子３の磁気抵抗変化率に比例して大きくなる。また、入力した高周波信号の電力に対する出力電圧の比をスピントルクダイオード感度と呼ぶ。
【００３１】
ここで、強磁性共鳴周波数ｆ０について説明する。ｆ０は以下の式（１）として表すことができる。
【数１】
0006617402.tif 000002
ここで、γは磁気ジャイロ定数、Ｍｓは磁化自由層３３の飽和磁化、Ｈｋは磁化自由層３３の異方性磁界、Ｈｅｘｔは磁化自由層３３に印加される外部磁界である。
【００３２】
次に、磁化固定層３１、スペーサー層３２、磁化自由層３３について説明する。
【００３３】
磁化固定層３１は、その磁化の方向が磁界印加機構５から発生する磁界によって変化しない機能を有する。磁化固定層３１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢ等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３１の膜厚は、１ｎｍ〜１０ｎｍとすることが好ましい。膜厚が薄すぎると磁気抵抗変化率が減少する傾向が生じ、膜厚が厚すぎると磁化固定層３１の磁化の方向が磁界印加機構５から発生する磁界によって変化しやすくなる。また、図示しないが、磁化固定層３１と下部電極２の間に、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ等の材料から構成される反強磁性層を挿入しても良い。これにより、磁化固定層３１の磁化の方向の固定強度を強くすることが可能となる。
【００３４】
スペーサー層３２は、磁化固定層３１の磁化と磁化自由層３３の磁化を相互作用させて磁気抵抗効果を得る機能を有する。スペーサー層３２はＣｕ、Ａｇ等の非磁性の導電材料で構成されても良いし、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、ＭｇＡｌ２Ｏ４等の非磁性の絶縁材料で構成されても良い。スペーサ―層３２が導電材料で構成される場合、磁気抵抗効果素子３には巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果が発現し、スペーサー層３２が絶縁材料で構成される場合、磁気抵抗効果素子３にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果が発現する。高い磁気抵抗変化率を得るためには、ＴＭＲ効果を利用した方が好ましい。ＴＭＲ効果を利用する場合、スペーサー層３２の膜厚は、０．５ｎｍ〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。膜厚が薄すぎると、スペーサー層３２にピンホールが生じるとリーク電流が流れてしまい好ましくない。膜厚が厚すぎると、磁気抵抗効果素子３の抵抗値が大きくなるため、入力端子１のインピーダンスと磁気抵抗効果素子３のインピーダンスとの差が大きくなる。そのため、入力端子１と磁気抵抗効果素子３とのインピーダンス整合が取りにくくなり、入力端子１から入力される周波数変調信号が磁気抵抗効果素子３で反射してしまい、周波数変調信号が磁気抵抗効果素子３に十分入力されなくなる。
【００３５】
さらに、スペーサ―層３２は、絶縁層中に電流狭窄パスが存在する電流狭窄構造としても良い。この場合、絶縁層としてＡｌＯｘやＭｇＯなどを用いることができ、電流狭窄パスとしてＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕなどの非磁性の導電材料や、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＡｌの合金、ＦｅとＣｏとＡｌとＳｉの合金などの磁性の導電材料を用いることができる。
【００３６】
磁化自由層３３は、その磁化の方向が磁界印加機構５から発生する磁界によって変化する機能を有する。磁化自由層３３は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏ、ＣｏＦｅＢ等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。図３は、図１に記載の磁気抵抗効果素子３の断面図である。磁化自由層３３の膜厚をｔ１として、磁化固定層３１の膜厚をｔ２とした場合、０．４ｎｍ＜ｔ１＜ｔ２とすることが好ましい。ｔ１が０．４ｎｍより小さくなると、磁化自由層３３の飽和磁化量が著しく減少するため、磁気抵抗変化率が著しく減少する。ｔ１がｔ２より大きくなると、スピントルクが磁化自由層３３の磁化ではなく磁化固定層３１の磁化に働くように作用するため、磁化自由層３３においてスピントルクダイオード効果が十分得られなくなる。
【００３７】
また、図示しないが、下部電極２と磁気抵抗効果素子３との間、および磁気抵抗効果素子３と上部電極４との間にキャップ層、シード層またはバッファー層などを含んでも良い。キャップ層、シード層またはバッファー層は、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ｃｒ、およびこれらの積層膜などから構成されることが好ましい。
【００３８】
磁界印加機構５は、磁気抵抗効果素子３に磁界を印加する。磁気抵抗効果素子３に磁界が印加された状態で磁気抵抗効果素子３に周波数変調信号が入力されると、磁気抵抗効果素子３は出力端子７から周波数変調信号の第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧を出力する。さらに磁界印加機構５は、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶが存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加する機能を有する。
【００３９】
磁界印加機構５は、図１に示す通り、コイル５１、コイル電流源５１１および軟磁性層５２とで構成される。さらに、コイル５１は軟磁性層５２に巻かれている。この場合、コイル電流源５１１からコイル５１に電流を流すと、電流に比例した磁束がコイル５１に発生し、この磁束は軟磁性層５２へ伝搬し、磁気抵抗効果素子３の近傍に配置された軟磁性層５２の先端部で集中し、軟磁性層５２の先端部から発生した磁界が磁気抵抗効果素子３に印加される。
【００４０】
コイル５１は、Ａｕ、Ｃｕ、ＡｕＣｕなどの高導電性材料から構成されることが好ましい。これにより、所望の磁界を得るためにコイル５１に流す電流を低くすることが可能となる。また軟磁性層５２は、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等のＮｉＦｅ合金や、ＦｅＣｏ合金等の低保磁力且つ高飽和磁化の特性を有する材料が好ましい。これにより、コイル５１で発生した磁束をより多く軟磁性層５２に取り込むことが可能となるので、磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を大きくすることが可能となる。
【００４１】
本第１の実施形態では、磁界印加機構５は、図４Ａおよび図４Ｂに示す通り、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を第１の周波数（ｆ１）および第２の周波数（ｆ２）のいずれか一方（図４Ａおよび図４Ｂに示す例ではｆ２）と、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を一致させるような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加する。これにより、第２の周波数に対応する第２の出力電圧を大きくすることが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００４２】
また、磁界印加機構５は、コイル５１に流す電流の量を調整することで、磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を可変制御することができる。従って、磁気抵抗効果素子３のスピントルクダイオード効果の周波数特性をチューナブルに制御することが可能となる。図４Ａおよび図４Ｂを参照してこの説明を行う。例えば、周波数変調信号の第２の周波数（ｆ２）が比較的低い場合、コイル５１に流す電流を小さくして磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を小さくすることで、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数ｆ０を低く設定することが可能となる。その結果、図４Ａの通り、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数ｆ０とｆ２を一致させることができる。一方、周波数変調信号の第２の周波数（ｆ２）が比較的高い場合、コイル５１に流す電流を大きくして磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を大きくすることで、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数ｆ０を高く設定することが可能となる。その結果、図４Ｂの通り、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数ｆ０とｆ２を一致させることができる。従って、ｆ２がある程度変化したとしてもｆ２とｆ０を一致させることができるので、ｆ２に対応する第２の出力電圧を大きくすることが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。さらに、ｆ２とｆ０を一致させた後に、外乱等の影響で両者の周波数がずれてしまった場合でも、コイル５１に流す電流の量を再度調整することにより、再び両者の周波数を一致させることが可能となる。従って、外乱等の影響を受けたとしてもΔＶを大きい状態に維持することができる。
【００４３】
本第１の実施形態では、周波数変調信号の第２の周波数（ｆ２）と磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を一致させるような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加する例で説明をしたが、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）と磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を一致させるような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加するようにしてしても良い。
【００４４】
また、本第１の実施形態では、磁界印加機構５においてコイル５１を用いたが、コイル５１にかえてワイアーを用いても良い。この場合、ワイアーを軟磁性層５２近傍に配設させて、ワイアーと軟磁性層５２とを磁気的に接続すれば良い。
【００４５】
バイアス電流印加機構６は、バイアス電流源６１から下部電極２、上部電極４を介して磁気抵抗効果素子３に直流のバイアス電流を印加する機能を有する。図５は、バイアス電流とスピントルクダイオード感度との関係を示す図である。ここで、バイアス電流の符号は、磁化自由層３３から磁化固定層３１へバイアス電流を印加する場合を正、磁化固定層３１から磁化自由層３３へバイアス電流を印加する場合を負とした。図５から分かるように、バイアス電流を印加することで、バイアス電流が０の場合と比較してスピントルクダイオード感度が大きくなることが分かる。特に、バイアス電流が正、すなわち磁化自由層３３から磁化固定層３１へバイアス電流を印加した場合のスピントルクダイオード感度が、バイアス電流が負、すなわち、磁化固定層３１から磁化自由層３３へバイアス電流を印加した場合のスピントルクダイオード感度より大きくなることが分かる。これは、バイアス電流が正の場合、磁化固定層３１でスピン偏極された電子が磁化自由層３３へ注入されるので、磁化自由層３３の磁化に働くスピントランスファートルクをより大きく働かせることが可能となるからである。スピントルクダイオード感度が大きくなることで、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００４６】
出力端子７は、磁気抵抗効果素子３で発生した第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧を取り出す機能を有し、検出部８は出力端子７から出力される出力電圧を検出する機能を有するので、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶがあれば、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することが可能となる。従って、入力端子１に、図６Ａに示すような少なくとも第１の周波数（ｆ１）の成分と、ｆ１とは異なる第２の周波数（ｆ２）の成分を含む周波数変調信号が入力されると、検出部８は、図６Ｂに示す通り、ｆ１に対応する第１の出力電圧（Ｖ１）とｆ２に対応する第２の出力電圧（Ｖ２）を検出することができる。
【００４７】
すなわち、検波器１００では、周波数変調信号の第１の周波数の成分に対応する第１の出力電圧と、第２の周波数の成分に対応する第２の出力電圧とを検出することが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧の電圧差ΔＶがあれば周波数変調信号を検波することが可能となる。
【００４８】
このように、検波器１００は、スペーサー層３２を介して配設された磁化固定層３１と磁化自由層３３とを備えた磁気抵抗効果素子３と、磁気抵抗効果素子３の積層方向に磁気抵抗効果素子３を介して配設された一対の電極（下部電極２および上部電極４）と、磁気抵抗効果素子３に磁界を印加する磁界印加機構５と、磁気抵抗効果素子３に、少なくとも第１の周波数（ｆ１）の成分と、ｆ１とは異なる第２の周波数（ｆ２）の成分を含む周波数変調信号を供給する入力端子１と、磁気抵抗効果素子３から出力電圧を取り出す出力端子７と、出力電圧を検出する検出部８と、を備え、下部電極２および上部電極４は、入力端子１および出力端子７と電気的に接続され、磁界印加機構５は、ｆ１に対応する第１の出力電圧とｆ２に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶが存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加し、検出部８は出力電圧に基づいて周波数変調信号を検波する。
【００４９】
検波器１００は、磁界印加機構５が、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶが存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加することで、電圧差ΔＶを利用して、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することが可能となる。従って、磁気抵抗効果素子３を含む比較的簡素な回路構成で周波数変調信号を検波できる。
【００５０】
さらに検波器１００は、磁界印加機構５が、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を第１の周波数（ｆ１）および第２の周波数（ｆ２）のいずれか一方と一致させるような大きさの磁界を印加することで、第１の出力電圧および第２の出力電圧のいずれか一方を大きくすることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００５１】
さらに検波器１００は、磁界印加機構５が、磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を可変制御することで、磁気抵抗効果素子３が有するスピントルクダイオード効果の周波数特性をチューナブルに制御することが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）または第２の周波数（ｆ２）がある程度変化したとしても、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）の成分および第２の周波数（ｆ２）の成分のいずれか一方を磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）と一致させることができ、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００５２】
さらに検波器１００は、磁気抵抗効果素子３に直流のバイアス電流を印加するバイアス電流印加機構６を有することで、磁化自由層３３の磁化に働くスピントランスファートルクを大きくすることが可能で、スピントルクダイオード感度を大きくすることが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）と第２の周波数（ｆ２）の周波数差に対応した電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００５３】
さらに検波器１００は、バイアス電流印加機構６が印加するバイアス電流が、磁化自由層３３から磁化固定層３１の方向に印加されることで、磁化固定層３１から磁化自由層３３に電子が流れるので、磁化自由層３３の磁化に働くスピントランスファートルクをより大きく働かせることが可能となり、スピントルクダイオード感度をより大きくすることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶをより大きくすることが可能となる。
【００５４】
さらに検波器１００は、磁化自由層３３の膜厚をｔ１、磁化固定層３１の膜厚をｔ２とした場合、０．４ｎｍ＜ｔ１＜ｔ２を満たすことで、スピントルクダイオード効果を効率的に発現させることが可能となる。従って、第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶを大きくすることが可能となる。
【００５５】
以上、本発明をその好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。
【００５６】
例えば、第１の実施形態では、磁化固定層３１の膜厚ｔ２と磁化自由層３３の膜厚ｔ１との関係を０．４ｎｍ＜ｔ１＜ｔ２としたが、これに限定されなくても良い。この場合、第１の実施形態と比較して、磁化自由層３３においてスピントルクダイオード効果が十分得られなくなるため、第１の出力電圧および第２の出力電圧は小さくなり、従って第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶも小さくなるが、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することは可能である。
【００５７】
例えば、第１の実施形態では、バイアス電流を正としたが、バイアス電流を負、すなわち磁化固定層３１から磁化自由層３３の方向にバイアス電流を印加しても良い。この場合、図５に示す通り、第１の実施形態と比較して、スピントルクダイオード感度が低下するため、第１の出力電圧および第２の出力電圧は小さくなり、従って第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶも小さくなるが、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することは可能である。
【００５８】
例えば、第１の実施形態では、バイアス電流印加機構６が配設されているが、バイアス電流印加機構６が配設されていなくても良い。この場合、磁気抵抗効果素子３にバイアス電流を印加できないので、図５に示す通り、バイアス電流を印加する場合と比較してスピントルクダイオード感度は低くなる。そのため、第１の実施形態と比較して第１の出力電圧および第２の出力電圧は小さくなり、従って第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶも小さくなるが、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することは可能である。
【００５９】
例えば、第１の実施形態では、磁界印加機構５はコイル５１と軟磁性層５２とで構成されているが、図７の概略図で示される本発明の第２の実施形態に係る検波器１０２のように、磁界印加機構５はハードバイアス層５３で構成されていても良い。検波器１０２は、磁界印加機構５を除いて第１の実施形態の検波器１００と同じ構成である。
【００６０】
ここで、ハードバイアス層５３は、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金などで構成されても良いし、軟磁性材料と反強磁性材料からなる交換結合膜で構成されても良い。
【００６１】
この場合、ハードバイアス層５３の材料および形状を適切に設計することで磁気抵抗効果素子３に印加する磁界（Ｈｅｘｔ）を設定することができるので、数式（１）に記述される通り、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を設定することができる。従って、一例として周波数変調信号の第２の周波数（ｆ２）と、磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を一致させることが可能となる。その結果、第２の周波数に対応する第２の出力電圧を第１の実施形態と同程度とすることが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数に対応する第１の出力電圧と第２の周波数に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶも第１の実施形態と同程度とすることが可能となる。
【００６２】
また、例えば、第１の実施形態では、磁界印加機構５が、周波数変調信号の第２の周波数（ｆ２）と磁化自由層３３の磁化の強磁性共鳴周波数（ｆ０）を一致させるように磁気抵抗効果素子３に磁界を印加したが、ｆ２とｆ０を一致させなくても良い。図８に本発明の第３の実施形態における出力電圧と周波数の関係を示す。第３の実施形態では、磁界印加機構５は、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）に対応する第１の出力電圧とｆ２に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶが存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加しているが、ｆ１およびｆ２はｆ０と一致させていない。第３の実施形態の検波器は、磁界印加機構５が印加する磁界を除いて、第１の実施形態の検波器１００と同じ構成である。図８に示す通り、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）に対応する第１の出力電圧とｆ２に対応する第２の出力電圧との電圧差ΔＶが存在するような大きさの磁界を磁気抵抗効果素子３に印加する限りにおいては、磁気抵抗効果素子３に印加する磁界は、ｆ１およびｆ２のいずれか一方とｆ０が一致するような磁界である必要はない。この場合、第１の実施形態と比較して第１の出力電圧および第２の出力電圧は小さくなり、従って第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶも小さくなるが、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することは可能である。
【００６３】
第３の実施形態においても、磁界印加機構５が磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を可変制御することで、磁気抵抗効果素子３が有するスピントルクダイオード効果の周波数特性をチューナブルに制御することが可能となる。従って、周波数変調信号の第１の周波数（ｆ１）と第２の周波数（ｆ２）がある程度変化したとしても、その変化に応じて、検波するために必要とされる第１の出力電圧と第２の出力電圧との電圧差ΔＶが得られるように、磁界印加機構５が磁気抵抗効果素子３に印加する磁界を変化させることで、周波数変調信号の第１の周波数の成分と第２の周波数の成分とを区別して検波することができる。
【００６４】
また、第１の実施形態は、第１の周波数（ｆ１）の成分と第２の周波数（ｆ２）の２つの異なる周波数の成分を含む周波数変調信号を磁気抵抗効果素子３に供給する例で説明したが、磁気抵抗効果素子３に供給する周波数変調信号は、それぞれ異なる３つ以上の周波数の成分を含んでいても良い。この場合、それぞれの周波数に対応した磁気抵抗効果素子３からの出力電圧がそれぞれ異なるような大きさの磁界を磁界印加機構５が磁気抵抗効果素子３に印加することにより、それぞれの周波数の成分を区別して検波することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１    入力端子
１２  グランド端子
２  下部電極
３  磁気抵抗効果素子
３１  磁化固定層
３２  スペーサー層
３３  磁化自由層
４  上部電極
５  磁界印加機構
５１  コイル
５１１  コイル電流源
５２  軟磁性層
５３  ハードバイアス層
６  バイアス電流印加機構
６１  バイアス電流源
７  出力端子
７２  グランド端子
８  検出部
１００、１０２  検波器
【図１】
0006617402.tif 000003
【図２】
0006617402.tif 000004
【図３】
0006617402.tif 000005
【図４Ａ】
0006617402.tif 000006
【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
0006617402.tif 000009
【図６Ｂ】
0006617402.tif 000010
【図７】
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【図８】
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