(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の材料からなるスペーサー層と前記スペーサー層を介して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に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、
前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、
前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきよりも、前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきが小さくなるように、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２】
前記直列素子部分の少なくとも１つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項３】
前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項４】
磁性ナノコンタクトを備えたスペーサー層と前記スペーサー層を介して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に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、
前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、
前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきよりも、前記各磁気抵抗効果素子からの出力電流の周波数のばらつきが小さくなるように、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度の大小関係が反対であることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項５】
前記直列素子部分の少なくとも１つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする請求項４に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項６】
前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする請求項４または５に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スピントロニクス特有の現象を応用した製品の研究が進められており、その中で注目されている現象の一つが、スペーサー層を介して磁化固定層と磁化自由層を備えた磁気抵抗効果素子によるスピントルク発振である。この構造の磁気抵抗効果素子に直流電流を流すのと同時に、磁場印加機構によって磁場を印加することで、磁気抵抗効果素子にスピントルク発振を起こすことができ、そのスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の交流電流が磁気抵抗効果素子から出力される。このスピントルク発振時においては、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強くなるに従って、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。また、スピントルク発振時において、磁気抵抗効果素子へ流れる直流電流の電流密度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低くなる。スペーサー層に磁性ナノコンタクトが備わっている場合、磁気抵抗効果素子に直流電流を流すと、スピン偏極電流が磁性ナノコンタクト内に流れ、磁性ナノコンタクト内のスピンが歳差運動を始めることで、スピントルク発振が起こるが、この時、磁性ナノコンタクト内に流れる直流電流の電流密度が大きいほど、磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクト内のスピントルク共鳴周波数は高くなる。
【０００３】
磁気抵抗効果素子によるスピントルク発振を用いた発振器のような磁気抵抗効果デバイスが現在検討されている中で、その発振を高出力化する方法の一つとして、先行文献１では磁気抵抗効果素子の直列及び並列接続による集積化が示されている。集積化した全ての磁気抵抗効果素子に同時に磁場と直流電流を印加し、同じスピントルク共鳴周波数で発振させることで、集積化した磁気抵抗効果素子から高出力の発振が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４９５１０８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、集積化された磁気抵抗効果素子に磁場印加機構を用いて磁場を印加する際に、磁場印加機構の構造等による各素子に印加される磁場強度のばらつきや、各素子の構造の違いによる各素子間のスピントルク共鳴周波数のばらつき等によって、各素子のスピントルク共鳴周波数のばらつきが大きくなると、集積化した磁気抵抗効果素子からの発振出力が低下してしまうことが問題となる。本発明はこのような問題を解決すべくなされたものであり、大きな発振出力を得ることの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】
【０００６】
本発明の磁気抵抗効果デバイスは、単一の材料からなるスペーサー層と前記スペーサー層を介して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に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることを特徴とする。
【０００７】
ここで、任意の２つの直列素子部分（部分Ａ，部分Ｂ）に含まれる各磁気抵抗効果素子に同じ電流密度Ｊ０の直流電流を流した場合の部分Ａと部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数をそれぞれｆａ０、ｆｂ０とし、実際に部分Ａ及び部分Ｂの磁気抵抗効果素子に流れる直流電流の電流密度をそれぞれＪａ、Ｊｂとする。部分Ａ及び部分Ｂの磁気抵抗効果素子に同じ電流密度Ｊ０の直流電流が流れる場合、Ｊａ＝Ｊｂである。ｆａ０＞ｆｂ０の場合、Ｊａ＞Ｊｂにすることで、部分Ａの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合、部分Ｂの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度ＪｂはＪｂ＜Ｊ０となる。従って、この時の部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はｆｂ０より高くなるため、ｆａ０との差を小さくすることが可能となる。また、ｆａ０＜ｆｂ０の場合、Ｊａ＜Ｊｂにすることで、部分Ａの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合、部分Ｂの磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度ＪｂはＪｂ＞Ｊ０となる。従って、この時の部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はｆｂ０より低くなるため、ｆａ０との差を小さくすることが可能となる。よって、この特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、出力電流の周波数のばらつきを抑え、大きな発振出力を得ることが可能となる。
【０００８】
さらに、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、前記直列素子部分の少なくとも１つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする。
【０００９】
これによれば、抵抗素子により各直列素子部分の抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の調整がより簡易になる。
【００１０】
さらに、前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする。本発明における「膜構造が同じ」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の材料および膜厚が同じであり、さらに各層の積層順が同じであることを意味する。
【００１１】
これによれば、すべての磁気抵抗効果素子を一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、製造がより簡易になる。
【００１２】
本発明の磁気抵抗効果デバイスは、磁性ナノコンタクトを備えたスペーサー層と前記スペーサー層を介して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に磁場を印加する磁場印加機構とを有し、前記磁気抵抗効果素子を含む直列素子部分が複数個並列に接続され、前記磁場が前記各磁気抵抗効果素子に印加された状態で前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトに同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の前記各磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の大小関係と、実際に前記各磁気抵抗効果素子の前記磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度の大小関係が反対であることを特徴とする。
【００１３】
ここで、任意の２つの直列素子部分（部分Ａ，部分Ｂ）に含まれる各磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに同じ電流密度Ｊ０の直流電流を流した場合の部分Ａと部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数をそれぞれｆａ０、ｆｂ０とし、実際に部分Ａ及び部分Ｂに含まれる磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度をそれぞれＪａ、Ｊｂとする。部分Ａ及び部分Ｂの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトに同じ電流密度Ｊ０の直流電流が流れる場合、Ｊａ＝Ｊｂである。ｆａ０＞ｆｂ０の場合、Ｊａ＜Ｊｂにすることで、部分Ａの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合、部分Ｂの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度ＪｂはＪｂ＞Ｊ０となる。従って、この時の部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はｆｂ０より高くなるため、ｆａ０との差を小さくすることが可能となる。また、ｆａ０＜ｆｂ０の場合、Ｊａ＞Ｊｂにすることで、部分Ａの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合、部分Ｂの磁気抵抗効果素子の磁性ナノコンタクトを流れる直流電流の電流密度ＪｂはＪｂ＜Ｊ０となる。従って、この時の部分Ｂの磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数はｆｂ０より低くなるため、ｆａ０との差を小さくすることが可能となる。よって、この特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、出力電流の周波数のばらつきを抑え、大きな発振出力を得ることが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明の磁気抵抗効果デバイスは、前記直列素子部分の少なくとも１つは、前記磁気抵抗効果素子と直列に接続された抵抗素子を含むことを特徴とする。
【００１５】
これによれば、抵抗素子により各直列素子部分の抵抗値を調整することで、各直列素子部分に流れる直流電流の電流密度を調整することができるため、電流密度の調整による磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数の調整がより簡易になる。
【００１６】
さらに、前記各磁気抵抗効果素子は、膜構造が同じものであることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、すべての磁気抵抗効果素子を一枚のウエハに一括に薄膜成型することができるため、製造がより簡易になる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、大きな発振出力を得ることのできる磁気抵抗効果デバイスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態１の磁気抵抗効果デバイスの断面図である。
【図２】本発明の実施形態１における磁気抵抗素子に流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係を示す図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態１における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態１における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の実施形態１における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図３Ｄ】本発明の実施形態１における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２の磁気抵抗効果デバイスの断面図である。
【図５】本発明の実施形態２の磁気抵抗効果デバイスの上面図である。
【図６】本発明の実施形態２における磁気抵抗素子に流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係を示す図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態２における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態２における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態２における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の実施形態２における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図８】本発明の実施形態３の磁気抵抗効果デバイスの断面図である。
【図９】本発明の実施形態３における磁気抵抗素子に流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の実施形態３における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施形態３における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施形態３における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力と周波数との関係を示す図である。
【図１０Ｄ】本発明の実施形態３における磁気抵抗効果デバイスからの発振出力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】
【００２０】
以下、本発明における好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、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。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００２１】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る磁気抵抗効果デバイス１００の断面図である。本実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００は、磁気抵抗効果素子１０２と抵抗素子１０３とを備えた複数の直列素子部分１０１と、磁場印加機構１０７とを備える。磁気抵抗効果素子１０２は、単一の材料からなるスペーサー層１０５とスペーサー層１０５を介して磁化固定層１０４と磁化自由層１０６とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス１００は３つの直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを備え、直列素子部分１０１ａは磁気抵抗効果素子１０２ａと抵抗素子１０３ａを有し、直列素子部分１０１ｂは磁気抵抗効果素子１０２ｂと抵抗素子１０３ｂを有し、直列素子部分１０１ｃは磁気抵抗効果素子１０２ｃと抵抗素子１０３ｃを有する。磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂおよび１０２ｃは、全て構成が同じ（膜構造、形状および大きさが同じ）である。
【００２２】
直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃは半導体基板１１３上に積層されており、直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの外側に絶縁体層１１０が配置されている。
【００２３】
磁気抵抗効果素子１０２（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）は、磁気抵抗効果デバイス１００において、入力された直流電流をスピントルク発振によって交流電流に変換する機能を有する。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１０２のスピントルク発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。
【００２５】
磁気抵抗効果素子１０２の発振は磁気抵抗効果素子１０２の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁場印加機構１０７によって磁場を印加するのと同時に、磁気抵抗効果素子１０２の積層面に垂直な方向に磁化自由層１０６からスペーサー層１０５を介して磁化固定層１０４の方向の直流電流を印加することで生じる磁化自由層１０６の磁化の歳差運動によって、高周波で抵抗値が変化する磁気抵抗効果が発生し、およそ１００ＭＨｚから数十ＴＨｚの高周波数で振動する交流電流が発生する。磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、膜面に平行な面の平面視形状がいずれも円形になっている。
【００２６】
次に、磁化固定層１０４、スペーサー層１０５及び磁化自由層１０６について説明する。
【００２７】
磁化固定層１０４は、その磁化の方向が磁場印加機構１０７から発生する磁場によって変化しない機能を有する。磁化固定層１０４は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏまたは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、高出力のスピントルク発振を得ることができる。また、図示しないが、磁化固定層１０４の磁化を固定するために、磁化固定層１０４と接するように、ＰｔＭｎ、ＦｅＭｎまたはＩｒＭｎ等の材料から構成される反強磁性層を付加しても良い。これにより、磁化固定層１０４の磁化の方向の固定強度を強くすることが可能となる。また、磁化固定層１０４の結晶構造、形状などに起因する磁気異方性を利用して磁化を固定してもよい。
【００２８】
スペーサー層１０５は、磁化固定層１０４の磁化と磁化自由層１０６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１０５は単一の材料からなり、Ｃｕまたは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）またはＭｇＡｌ２Ｏ４等の非磁性の絶縁材料で構成されても良い。また、スペーサー層１０５は磁性材料で構成されてもよい。
【００２９】
磁化自由層１０６は、その磁化の方向が磁場印加機構１０７から発生する磁場によって変化する機能を有する。磁化自由層１０６は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、ＦｅＣｏまたは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、高出力のスピントルク発振を得ることができる。
【００３０】
抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、図１に示されるように、それぞれ磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに直列接続されており、直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの抵抗値を調節する。抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは、Ｃｕ、ＡｇまたはＮｉＣｒ等の導電材料で構成されても良いし、ＳｉやＧｅ等の半導体で構成されていても良い。
【００３１】
磁場印加機構１０７は、磁気抵抗効果素子１０２に磁場を印加する。磁気抵抗効果素子１０２に磁場を印加した状態で磁気抵抗効果素子１０２に直流電流を印加することで、スピントルク発振が起こり、磁気抵抗効果素子１０２からスピントルク共鳴周波数と同じ周波数の交流電流が出力される。本実施形態の磁場印加機構１０７は、一つの永久磁石であり、図１に示すように磁気抵抗効果素子１０２ｃの側に配置されている。磁場印加機構１０７は、一つの永久磁石に限らず、複数の永久磁石や電磁石、ループコイルでもよい。
【００３２】
図１に示されるように、磁気抵抗効果素子１０２の積層方向に直列素子部分１０１を介して信号電極層１０８と接地電極層１０９が配設されている。信号電極層１０８には、直流電流入力端子１１１と交流電流出力端子１１２が接続されている。また、信号電極層１０８と接地電極層１０９の間に直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが電気的に並列接続されており、直流電流入力端子１１１が直流電圧源または直流電流源に接続され、接地電極層１０９が直流電圧源または直流電流源のグラウンドに接続されることにより、直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに同時に直流電流が流され、磁場印加機構１０７によって磁場が印加されて磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃがスピントルク発振を起こすことで、交流電流出力端子１１２から交流電流が取り出される。ここで各直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃにおいて、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは信号電極層１０８と接地電極層１０９との間に複数個接続されていてもよい。
【００３３】
抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの抵抗値をＲａ、Ｒｂ，Ｒｃとする。磁気抵抗効果デバイス１００では、Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａとなっている。例えば、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの材料として、不純物を含む半導体を用い、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃそれぞれにおいて不純物の含有率を異ならせることで、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの抵抗値を異なるものとすることができる。磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃの場合には、磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃには同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス１００では、Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度をそれぞれＪａ、Ｊｂ、Ｊｃとすると、Ｊａ＜Ｊｂ＜Ｊｃとなる。
【００３４】
磁場印加機構１０７によって発生する磁場の強度は磁場印加機構１０７からの距離に反比例しており、磁気抵抗効果素子１０２ａが配置されている場所の磁場強度をＨａ、磁気抵抗効果素子１０２ｂが配置されている場所の磁場強度をＨｂ、磁気抵抗効果素子１０２ｃが配置されている場所の磁場強度をＨｃとすると、Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃである。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００では、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに印加される磁場の強度Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃの大小関係（Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃ）と、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに対応した各直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃの抵抗値Ｒａ、Ｒｂ，Ｒｃの大小関係（Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａ）が反対になっており、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに印加される磁場の強度Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃの大小関係（Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃ）と、実際に各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係（Ｊａ＜Ｊｂ＜Ｊｃ）が同じになっている。ここで、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに同じ大きさの電流密度Ｊ０の直流電流を流した場合の磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのスピントルク発振周波数をそれぞれｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０とすると、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強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ので、ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０となる。
【００３５】
図２は各磁気抵抗素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係である。図２における直線Ａは、磁気抵抗効果素子１０２ａに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子１０２ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの関係を表している。図２における直線Ｂは、磁気抵抗効果素子１０２ｂに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子１０２ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの関係を示している。図２における直線Ｃは、磁気抵抗効果素子１０２ｃに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子１０２ｃのスピントルク共鳴周波数ｆｃの関係を示している。図２に示すように、単一の材料からなるスペーサー層を有する磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度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低くなる。
【００３６】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄは磁気抵抗効果デバイス１００からの発振出力の周波数分布を示している。図３Ａは、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃの抵抗値をＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃとし、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合の磁気抵抗効果デバイス１００からの発振出力の周波数分布である。この時、図３Ａに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
【００３７】
まず、直列素子部分１０１ａに含まれている抵抗素子１０３ａの抵抗値Ｒａを直列素子部分１０１ｂに含まれている抵抗素子１０３ｂの抵抗値Ｒｂより大きくすると、磁気抵抗効果素子１０２ｂを流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子１０２ａを流れる直流電流Ｊａの電流密度はＪ０（＝Ｊｂ）より小さくなり、図３Ｂに示されるように、ｆａをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分１０１ｃに含まれている抵抗素子１０３ｃの抵抗値Ｒｃを直列素子部分１０１ｂに含まれている抵抗素子１０３ｂの抵抗値Ｒｂより小さくすると、磁気抵抗効果素子１０２ｂを流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子１０２ｃを流れる直流電流の電流密度ＪｃはＪ０（＝Ｊｂ）より大きくなり、図３Ｃに示されるように、ｆｃをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。従って、磁場印加機構１０７が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに印加された状態で各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに同じ大きさの電流密度の直流電流Ｊ０を流した際の各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのスピントルク発振周波数ｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０の大小関係（ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０）と、実際に各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係が同じ、すなわちＪａ＜Ｊｂ＜Ｊｃであることで、図３Ｄに示されるように、磁気抵抗効果デバイス１００からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子１０３ａの抵抗値Ｒａは、図２に示されるようにＪａ≒Ｊ１となるように、抵抗素子１０３ｃの抵抗値Ｒｃは、図２に示されるようにＪｃ≒Ｊ２となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス１００によれば、磁場印加機構１０７が印加する磁場の強度のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
【００３８】
磁気抵抗効果デバイス１００では、直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃが磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと直列に接続された抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを含んでいるので、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃにより各直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
【００３９】
さらに、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス１００はその製造が簡易である。
【００４０】
実施形態１では、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ、１０３ｃがそれぞれ直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに含まれているが、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは必ずしも直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分１０１ｃは磁気抵抗素子１０２ｃのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分１０１ｃには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分１０１ｃの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
【００４１】
また、実施形態１では、磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ間でスペーサー層１０５の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの抵抗値を異ならせて、抵抗素子１０３ａ，１０３ｂ、１０３ｃを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係を調整しても良い。
【００４２】
また、実施形態１では、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃは、電流方向に垂直な断面の面積は同じであるが、電流方向に垂直な断面の面積を異ならせても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの膜構造を同じとし、電流方向に垂直な断面の断面形状を相似形とし（断面形状のアスペクト比を同じとし）、電流方向に垂直な断面の断面積を異ならせるようにしても良い。この場合、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを用いずに磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのみを並列に接続した場合には、各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃには同じ大きさの電流密度の直流電流が流れるので、実施形態１と同様に、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを用いて、実際に各磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係を調整することができる。ここで、アスペクト比とは、断面の形状もしくは平面視形状が、楕円形の場合にはその長軸の長さと短軸の長さの比（長軸の長さ／短軸の長さ）であり、長方形の場合にはその長辺の長さと短辺の長さの比（長辺の長さ／短辺の長さ）である。断面の形状もしくは平面視形状が、円形または正方形の場合はアスペクト比は１である。
【００４３】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る磁気抵抗効果デバイス４００の断面図である。磁気抵抗効果デバイス４００において、実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００と共通する事項は適宜説明を省略する。実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００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。本実施形態２の磁気抵抗効果デバイス４００は、実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００における直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃにかえて直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを有し、磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにかえて磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを有し、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃにかえて抵抗素子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃを有し、磁場印加機構１０７にかえて磁場印加機構４０７を有する。磁気抵抗効果デバイス４００は、磁気抵抗効果素子４０２と抵抗素子４０３とを備えた複数の直列素子部分４０１と、磁場印加機構４０７とを備える。磁気抵抗効果素子４０２は、単一の材料からなるスペーサー層１０５とスペーサー層１０５を介して磁化固定層１０４と磁化自由層１０６とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス５００は３つの直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを備え、直列素子部分４０１ａは磁気抵抗効果素子４０２ａと抵抗素子４０３ａを有し、直列素子部分４０１ｂは磁気抵抗効果素子４０２ｂと抵抗素子４０３ｂを有し、直列素子部分４０１ｃは磁気抵抗効果素子４０２ｃと抵抗素子４０３ｃを有する。
【００４４】
磁場印加機構４０７は、２つの永久磁石からなり、図４に示すように２つの永久磁石が磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの両側を挟むように配置されている。磁場印加機構４０７の永久磁石にかえて電磁石やループコイルを用いてもよい。この場合、磁場印加機構４０７から各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに印加される磁場の強度は、互いに等しくなっている。
【００４５】
磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの膜構造は実施形態１の磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと同じである。磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは、膜面に平行な面の平面視形状が長方形であるが、それぞれアスペクト比が異なっている。図５は、磁気抵抗効果デバイス４００の上面図である。磁場印加機構４０７によって磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに印加される磁場の磁場強度は同じであり、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの膜面に平行な面の平面視形状の長辺方向と実質的に同じ方向の磁場が磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに印加される。図５に示すように、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの膜面に平行な面の平面視形状のＹ方向の寸法は同じであるが、長辺方向であるＸ方向の寸法が異なっている。ここで、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのＹ方向の寸法をＹ０，磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのＸ方向の寸法をそれぞれＸａ，Ｘｂ，Ｘｃとすると、アスペクト比（Ｘ／Ｙ）の大小関係が（Ｘａ／Ｙ０）＜（Ｘｂ／Ｙ０）＜（Ｘｃ／Ｙ０）となる。この場合、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに同じ大きさの電流密度Ｊ０の直流電流を流した場合の各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのスピントルク共鳴周波数をそれぞれｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０とすると、磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面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ので、ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０となる。
【００４６】
抵抗素子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃの抵抗値をＲａ、Ｒｂ、Ｒｃとする。磁気抵抗効果デバイス４００では、Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａとなっている。磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃの場合には、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃには同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス４００では、Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを流れる直流電流の電流密度をそれぞれＪａ、Ｊｂ、Ｊｃとすると、Ｊａ＜Ｊｂ＜Ｊｃとなる。
【００４７】
磁気抵抗効果デバイス４００では、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）、（Ｘｂ／Ｙ０）、（Ｘｃ／Ｙ０）の大小関係（（Ｘａ／Ｙ０）＜（Ｘｂ／Ｙ０）＜（Ｘｃ／Ｙ０））と、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに対応した各直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの抵抗素子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃの抵抗値Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの大小関係（Ｒｃ＜Ｒｂ＜Ｒａ）が反対になっており、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比（Ｘａ／Ｙ０）、（Ｘｂ／Ｙ０）、（Ｘｃ／Ｙ０）の大小関係（（Ｘａ／Ｙ０）＜（Ｘｂ／Ｙ０）＜（Ｘｃ／Ｙ０））と、実際に各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係（Ｊａ＜Ｊｂ＜Ｊｃ）が同じになっている。
【００４８】
図６は各磁気抵抗素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係である。図６における直線Ａは、磁気抵抗効果素子４０２ａに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子４０２ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの関係を表している。図６における直線Ｂは、磁気抵抗効果素子４０２ｂに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子４０２ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの関係を示している。図６における直線Ｃは、磁気抵抗効果素子４０２ｃに流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子４０２ｃのスピントルク共鳴周波数ｆｃの関係を示している。図６に示すように、単一の材料からなるスペーサー層を有する磁気抵抗効果素子では、磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度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低くなる。
【００４９】
図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃ、図７Ｄは磁気抵抗効果デバイス４００からの発振出力の周波数分布を示している。図７Ａは、抵抗素子４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃの抵抗値をＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃとし、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合の磁気抵抗効果デバイス４００からの発振出力の周波数分布である。この時、図７Ａに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
【００５０】
まず、直列素子部分４０１ａに含まれている抵抗素子４０３ａの抵抗値Ｒａを直列素子部分４０１ｂに含まれている抵抗素子４０３ｂの抵抗値Ｒｂより大きくすると、磁気抵抗効果素子４０２ｂを流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子４０２ａを流れる直流電流の電流密度ＪａはＪ０（＝Ｊｂ）より小さくなり、図７Ｂに示されるように、ｆａをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分４０１ｃに含まれている抵抗素子４０３ｃの抵抗値Ｒｃを直列素子部分４０１ｂに含まれている抵抗素子４０３ｂの抵抗値Ｒｂより小さくすると、磁気抵抗効果素子４０２ｂを流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子４０２ｃを流れる直流電流の電流密度ＪｃはＪ０（＝Ｊｂ）より大きくなり、図７Ｃに示されるように、ｆｃをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。従って、磁場印加機構４０７が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに印加された状態で各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃに同じ大きさの電流密度の直流電流Ｊ０を流した際の各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのスピントルク発振周波数ｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０の大小関係（ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０）と、実際に各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係が同じ、すなわちＪａ＜Ｊｂ＜Ｊｃであることで、図７Ｄに示されるように、磁気抵抗効果デバイス４００からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子４０３ａの抵抗値Ｒａは、図６に示されるようにＪａ≒Ｊ１となるように、抵抗素子４０３ｃの抵抗値Ｒｃは、図６に示されるようにＪｃ≒Ｊ２となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス４００によれば、各磁気抵抗素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの平面視形状のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
【００５１】
磁気抵抗効果デバイス４００では、直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃが磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃと直列に接続された抵抗素子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃを含んでいるので、抵抗素子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃにより各直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
【００５２】
さらに、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス４００はその製造が簡易である。
【００５３】
実施形態２では、抵抗素子４０３ａ，４０３ｂ、４０３ｃがそれぞれ直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに含まれているが、抵抗素子４０３ａ，４０３ｂ、４０３ｃは必ずしも直列素子部分４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分４０１ｃは磁気抵抗素子４０２ｃのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分４０１ｃには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分４０１ｃの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
【００５４】
また、実施形態２では、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ間でスペーサー層１０５の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃの抵抗値を異ならせて、抵抗素子４０３ａ，４０３ｂ、４０３ｃを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係を調整しても良い。
【００５５】
実施形態１においては、各磁気抵抗効果素子に印加される磁場強度が異なる例で説明し、実施形態２においては、各磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比が異なる例で説明したが、各磁気抵抗効果素子に印加される磁場強度が異なり、かつ、各磁気抵抗効果素子の膜面に平行な面の平面視形状のアスペクト比が異なるようにしても良い。このような場合でも、磁場印加機構が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子に印加された状態で各磁気抵抗効果素子に同じ大きさの電流密度の直流電流を流した際の各磁気抵抗効果素子のスピントルク発振周波数の大小関係と、実際に各磁気抵抗効果素子を流れる直流電流の電流密度の大小関係が同じであることで、大きな発振出力を磁気抵抗効果デバイスから得ることが可能となる。
【００５６】
（実施形態３）
図８は本発明の実施形態３に係る磁気抵抗効果デバイス８００の断面図である。磁気抵抗効果デバイス８００において、実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００と共通する事項は適宜説明を省略する。実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００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。本実施形態３の磁気抵抗効果デバイス８００は、実施形態１の磁気抵抗効果デバイス１００における直列素子部分１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃにかえて直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃを有し、磁気抵抗効果素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにかえて磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃを有し、抵抗素子１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃにかえて抵抗素子８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃを有する。
【００５７】
磁気抵抗効果デバイス８００は、磁気抵抗効果素子８０２と抵抗素子８０３とを備えた複数の直列素子部分８０１と、磁場印加機構１０７とを備える。磁気抵抗効果素子８０２は、磁性ナノコンタクト８１４を備えたスペーサー層８０５とスペーサー層８０５を介して磁化固定層１０４と磁化自由層１０６とを備える。より具体的には、磁気抵抗効果デバイス８００は３つの直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃを備え、直列素子部分８０１ａは磁気抵抗効果素子８０２ａと抵抗素子８０３ａを有し、直列素子部分８０１ｂは磁気抵抗効果素子８０２ｂと抵抗素子８０３ｂを有し、直列素子部分８０１ｃは磁気抵抗効果素子８０２ｃと抵抗素子８０３ｃを有する。磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂおよび８０２ｃは、全て構成が同じ（膜構造、形状および大きさが同じ）である。
【００５８】
本実施形態に係る磁気抵抗効果素子８０２のスピントルク発振について説明する。ここで発振とは、振動的でない直流電流により電気的振動が誘起される現象である。
【００５９】
磁気抵抗効果素子８０２の発振は磁気抵抗効果素子８０２の磁性層の磁化のダイナミクスにより生じる。磁場印加機構１０７によって磁場を印加するのと同時に、磁気抵抗効果素子８０２の積層面に垂直な方向に磁化自由層１０６からスペーサー層８０５内の磁性ナノコンタクト８１４を介して磁化固定層１０４の方向に直流電流を印加することで、磁性ナノコンタクト８１４内にスピン偏極電流が流れ、それにより生じる磁性ナノコンタクト８１４内のスピンの歳差運動によって、高周波で抵抗値が変化する磁気抵抗効果が発生し、およそ１００ＭＨｚから数十ＴＨｚの高周波数で振動する交流電流が発生する。磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃは、膜面に平行な面の平面視形状がいずれも円形になっている。
【００６０】
磁性ナノコンタクト８１４を備えたスペーサー層８０５は、磁化固定層１０４の磁化と磁化自由層１０６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。磁性ナノコンタクト８１４は、磁化固定層１０４から磁化自由層１０６への導電材料からなるナノサイズの電流狭窄パスである。スペーサー層８０５における磁性ナノコンタクト８１４の周囲の部分８１５の材料には、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）またはＭｇＡｌ２Ｏ４等の非磁性の絶縁材料や、磁性の絶縁材料を用いることができる。磁性ナノコンタクト８１４の材料には、ＦｅとＣｏの合金、ＦｅとＣｏとＡｌの合金または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。
【００６１】
抵抗素子８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃの抵抗値をＲａ、Ｒｂ、Ｒｃとする。磁気抵抗効果デバイス８００では、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃとなっている。磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃは膜構造が同じであり、これらは並列に接続されているので、仮にＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃの場合には、磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４には同じ大きさの電流密度の電流が流れる。磁気抵抗効果デバイス８００では、Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃとなっているので、実際に各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度をそれぞれＪａ、Ｊｂ、Ｊｃとすると、Ｊｃ＜Ｊｂ＜Ｊａとなる。
【００６２】
磁場印加機構１０７によって発生する磁場の強度は磁場印加機構１０７からの距離に反比例しており、磁気抵抗効果素子８０２ａが配置されている場所の磁場強度をＨａ、磁気抵抗効果素子８０２ｂが配置されている場所の磁場強度をＨｂ、磁気抵抗効果素子８０２ｃが配置されている場所の磁場強度をＨｃとすると、Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃである。つまり、磁気抵抗効果デバイス８００では、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃに印加される磁場の強度Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃの大小関係（Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃ）と、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃに対応した各直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃの抵抗素子８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃの抵抗値Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの大小関係（Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ）が同じになっており、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃに印加される磁場の強度Ｈａ、Ｈｂ、Ｈｃの大小関係（Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃ）と、実際に各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係（Ｊｃ＜Ｊｂ＜Ｊａ）が反対になっている。ここで、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４に同じ大きさの電流密度Ｊ０の直流電流を流した場合の磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃのスピントルク発振周波数をそれぞれｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０とすると、磁気抵抗効果素子に印加される磁場が強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ので、ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０となる。
【００６３】
図９は各磁気抵抗素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４に流れる直流電流の電流密度Ｊとスピントルク共鳴周波数ｆの関係である。図９における直線Ａは、磁気抵抗効果素子８０２ａの磁性ナノコンタクト８１４に流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子８０２ａのスピントルク共鳴周波数ｆａの関係を表している。図９における直線Ｂは、磁気抵抗効果素子８０２ｂの磁性ナノコンタクト８１４に流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子８０２ｂのスピントルク共鳴周波数ｆｂの関係を示している。図９における直線Ｃは、磁気抵抗効果素子８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４に流れる直流電流の電流密度Ｊと磁気抵抗効果素子８０２ｃのスピントルク共鳴周波数ｆｃの関係を示している。図９に示すように、スペーサー層に磁性ナノコンタクトを備える磁気抵抗効果素子では、磁気ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度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。（スペーサー層に磁性ナノコンタクトを備える磁気抵抗効果素子は、磁気ナノコンタクトに流れる直流電流の電流密度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が高くなるような性質を示す電流密度の領域で用いられる。）。
【００６４】
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ、図１０Ｄは磁気抵抗効果デバイス８００からの発振出力の周波数分布を示している。図１０Ａは、抵抗素子８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃの抵抗値をＲａ＝Ｒｂ＝Ｒｃとし、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度がＪ０である場合の磁気抵抗効果デバイス８００からの発振出力の周波数分布である。この時、図１０Ａに示されるように、出力電流の周波数のばらつきによって、高出力が得られない。
【００６５】
まず、直列素子部分８０１ａに含まれている抵抗素子８０３ａの抵抗値Ｒａを直列素子部分８０１ｂに含まれている抵抗素子８０３ｂの抵抗値Ｒｂより小さくすると、磁気抵抗効果素子８０２ｂの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子８０２ａの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度ＪａはＪ０（＝Ｊｂ）より大きくなり、図１０Ｂに示されるように、ｆａをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。それと同様に、直列素子部分８０１ｃに含まれている抵抗素子８０３ｃの抵抗値Ｒｃを直列素子部分８０１ｂに含まれている抵抗素子８０３ｂの抵抗値Ｒｂより大きくすると、磁気抵抗効果素子１０２ｂの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度がＪ０の場合、磁気抵抗効果素子８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度はＪ０（＝Ｊｂ）より小さくなり、図１０Ｃに示されるように、ｆｃをｆｂ（＝ｆｂ０）に近づけることができる。従って、磁場印加機構８０７が印加する磁場が各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃに印加された状態で各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４に同じ大きさの電流密度の直流電流Ｊ０を流した際の各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃのスピントルク発振周波数ｆａ０、ｆｂ０、ｆｃ０の大小関係（ｆａ０＜ｆｂ０＜ｆｃ０）と、実際に各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係が反対、すなわちＪｃ＜Ｊｂ＜Ｊａであることで、図１０Ｄに示されるように、磁気抵抗効果デバイス８００からの発振出力を大きくすることが可能となる。ここで、抵抗素子８０３ａの抵抗値Ｒａは、図９に示されるようにＪａ≒Ｊ２となるように、抵抗素子８０３ｃの抵抗値Ｒｃは、図９に示されるようにＪｃ≒Ｊ１となるように決定されることが望ましい。以上のように磁気抵抗効果デバイス８００によれば、磁場印加機構８０７が印加する磁場の強度のばらつきによる出力電流の周波数のばらつきが抑制され、大きな発振出力を得ることが可能となる。
【００６６】
磁気抵抗効果デバイス８００では、直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃが磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃと直列に接続された抵抗素子８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃを含んでいるので、抵抗素子８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃにより各直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃの抵抗値を調整することができるため、抵抗値による磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃのスピントルク共鳴周波数の調整が簡易である。
【００６７】
さらに、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃは、膜構造が同じものであるので、すべての磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃを一枚のウエハに一括に薄膜形成することができるため、磁気抵抗効果デバイス８００はその製造が簡易である。
【００６８】
実施形態３では、抵抗素子８０３ａ，８０３ｂ、８０３ｃがそれぞれ直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃに含まれているが、抵抗素子８０３ａ，８０３ｂ、８０３ｃは必ずしも直列素子部分８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃに含まれていなくてもよい。例えば、直列素子部分８０１ａは磁気抵抗素子８０２ａのみで構成されているような形態でも良い。この場合、直列素子部分８０１ａには抵抗素子は含まれないが、直列素子部分８０１ａの抵抗素子の抵抗値は最小とみなして各直列素子部分の抵抗素子の抵抗値の大小関係を考える。
【００６９】
また、実施形態３では、磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃは、膜構造が同じものであるが、磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃは同じ膜構造でなくても良い。例えば、各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃ間でスペーサー層８０５の厚さを異ならせることで各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの抵抗値を異ならせて、抵抗素子８０３ａ，８０３ｂ、８０３ｃを用いずに、実際に各磁気抵抗効果素子８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃの磁性ナノコンタクト８１４を流れる直流電流の電流密度Ｊａ、Ｊｂ、Ｊｃの大小関係を調整しても良い。
【００７０】
また、実施形態１〜３において、磁化自由層１０６から磁化固定層１０４の方向に直流電流を流す例について説明したが、磁化固定層１０４から磁化自由層１０６の方向に直流電流を流すようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上のように、本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、発振器などに利用可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１００，４００，８００  磁気抵抗効果デバイス
１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ、４０１，４０１ａ，４０１ｂ、４０１ｃ、８０１ａ，８０１ｂ、８０１ｃ  直列素子部分
１０２，１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ、４０２，４０２ａ，４０２ｂ、４０２ｃ、８０２ａ，８０２ｂ、８０２ｃ  磁気抵抗効果素子
１０３、１０３ａ、１０３ｂ，１０３ｃ、４０３、４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ、８０３ａ、８０３ｂ、８０３ｃ  抵抗素子
１０４  磁化固定層
１０５、８０５  スペーサー層
１０６  磁化自由層
１０７、４０７  磁場印加機構
１０８  信号電極層
１０９  接地電極層
１１０  絶縁体層
１１１  直流電流入力端子
１１２  交流電流出力端子
１１３  半導体基板
８１４  磁性ナノコンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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