(57)【要約】【課題】  磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用した磁気デバイス及び周波数アナライザを提供する。【解決手段】  交流電流ｉの極性は時間と共に変化するので、磁化の向きＦは、交流電流ｉの大きさと周波数に影響を受けて振動する。磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦの磁化の向きＦの振動数ｆＦと、磁気抵抗効果素子１Ａを流れる交流電流ｉの周波数ｆが一致した場合、磁化の向きＦの振動が共振し、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２の間の電圧Ｖが増加する。磁気ヨーク１Ｂは共振が生じるような磁場Ｈをフリー層１ＡＦに与えている。電流制御回路１Ｄから出力される電流Ｉを直流とし、この直流電流Ｉを掃引すると、特定の共振周波数毎の電圧Ｖがモニタ回路２によって検出される。【選択図】  図１
2008170416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子に磁場を与えるように設けられた磁気ヨークと、
前記磁気ヨークを介して前記磁気抵抗効果素子に磁場を与える磁場印加用配線と、
前記磁気抵抗効果素子に交流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、
前記磁場印加用配線を流れる電流を制御する電流制御回路と、
を備えることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項２】
前記磁気抵抗効果素子は、
固定層と、
フリー層と、
前記固定層と前記フリー層との間に配置された非磁性層と、
を備え、
前記交流信号は、前記磁気抵抗効果素子の膜面に対して垂直な方向に流れることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項３】
前記磁気ヨークによって前記磁気抵抗効果素子に与えられる磁場の向きと、前記固定層の磁化の向きが、その膜面内において５度以上の角度で交差するよう、前記磁気ヨークと前記固定層の磁化方向との相対位置関係が決定されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の磁気デバイス。
【請求項４】
前記磁場印加用配線に流れる電流を制御することにより、前記交流信号と前記磁気抵抗効果素子の共振周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項５】
前記磁場印加用配線に流れる電流を制御することにより、前記交流信号に含まれる特定の周波数成分を選択することを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項６】
前記磁場印加用配線に流れる電流を時系列に変化させることにより、前記交流信号に含まれる複数の特定の周波数成分に対応する直流電圧を時系列に出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気デバイス。
【請求項７】
請求項１に記載の磁気デバイスを備え、
前記電流制御回路から出力される直流電流を掃引しつつ、前記出力端子から出力される電圧をモニタするモニタ回路を更に備える、
ことを特徴とする周波数アナライザ。
【請求項８】
前記モニタ回路と前記磁気抵抗効果素子との間に介在するローパスフィルタを更に備える、ことを特徴とする請求項７に記載の周波数アナライザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気デバイス及び周波数アナライザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気抵抗効果素子として、磁化の向きが固定された固定層と、磁化の向きが自由に変化するフリー層との間に非磁性導電層を介在させてなるＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。また、別の磁気抵抗効果素子として、固定層とフリー層との間に非磁性絶縁層を介在させてなるＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。これらの磁気抵抗効果素子に電流を流すと、スピン偏極電流が流れ、フリー層内に蓄積されたスピンとの相互作用によりトルクが発生し、スピン偏極電流の極性に応じて、フリー層の磁化の向きが変更する。一定の磁場内に配置されたフリー層では、その磁化の向きを変更しようとしても、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するように、磁化の向きにトルクが働く。この磁化の向きの運動は、重力によって引っ張られた振り子の重りが、特定の力で揺らされると、ゆらゆらと振動するのに似ており、歳差運動と呼ばれる。
【０００３】
近年、この磁化の向きの歳差運動の振動数と、フリー層に流れる交流電流の周波数とが一致すると、共振が生じる現象が発見された（非特許文献１参照）。ＴＭＲ素子の磁気抵抗は、フリー層の磁化の向きと、固定層の磁化の向きの相違によって決定される。フリー層において磁化の向きの共振が生じると、フリー層の磁化の向きは大きく振動し、磁気抵抗が周期的に大きく変動する。一方、入力される交流電流に同期して磁気抵抗が大きく変動すると、ＴＭＲ素子の両端間を流れる交流電流がゼロレベルに対して非対称に変動し、直流成分を有するようになり、変動分を出力として取り出すことができる。
【０００４】
ＴＭＲ素子に上述の現象を発生させるためには、ＴＭＲ素子に大きな磁場を印加しておく必要があるが、通常は、ＴＭＲ素子を磁場印加装置内に配置し、実験を行っている。
【非特許文献１】Nature, Vol.438, 17 November,2005, pp.339-342
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のような磁気抵抗効果素子の現象が知られつつも、このような現象を工業的に利用できる磁気デバイスは知られておらず、発見の応用が期待されている。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用した磁気デバイス及び周波数アナライザ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】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係る磁気デバイスは、磁気抵抗効果素子と、磁気抵抗効果素子に磁場を与えるように設けられた磁気ヨークと、磁気ヨークを介してＴＭＲ素子のフリー層に磁場を与える磁場印加用配線と、磁気抵抗効果素子に交流信号を供給する入力端子と、磁気抵抗効果素子から出力電圧を取り出す出力端子と、磁場印加用配線を流れる電流を制御する電流制御回路とを備えることを特徴とする。
【０００８】
ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化の向きの振動数と、磁気抵抗効果素子を流れる交流電流の周波数が一致した場合、磁化の向きの振動が共振し、磁気抵抗が急激に変動し、出力電圧が急激に変動する。ここで、共振周波数は、磁気抵抗効果素子に印加される磁場の大きさに依存して上昇する。磁場の大きさは、磁場印加用配線を流れる電流に依存して増加する。したがって、磁場印加用配線を流れる電流を電流制御回路によって増加させると、共振周波数が上昇する。すなわち、磁場印加用の電流に依存して共振周波数が決定され、入力された交流信号のうち、決定された共振周波数の成分に対応する特定の周波数の信号の電圧が選択的に出力される。
【０００９】
このような磁気デバイスにおいては、通常のＳｉ半導体技術では得られないＧＨｚ帯の周波数検波が可能となり、工業的な応用が可能となる。特に、磁気ヨークは、従来の大型の磁場印加装置に代えて設けられるものであり、磁気デバイスの小型化を達成している。
【００１０】
また、磁気抵抗効果素子は、固定層と、フリー層と、固定層とフリー層との間に配置された非磁性層とを備え、上記交流信号は、磁気抵抗効果素子の膜面に対して垂直な方向に流れることを特徴とする。この素子では共振現象が好適に生じている。
【００１１】
また、本発明の磁気デバイスは、磁場印加用配線に流れる電流を制御することにより、交流信号と磁気抵抗効果素子の共振周波数を変化させることを特徴とする。磁気ヨークに流れる電流（制御電流）を制御することにより、共振周波数を制御することが確認できた。すなわち、特定の周波数を制御電流によって選択することができる。
【００１２】
換言すれば、本発明の磁気デバイスは、磁場印加用配線に流れる電流を制御することにより、交流信号に含まれる特定の周波数成分を選択するものである。
【００１３】
また、本発明の磁気デバイスは、磁場印加用配線に流れる電流を時系列に変化させることにより、交流信号に含まれる複数の特定の周波数成分に対応する直流電圧を時系列に出力することを特徴とする。本願発明者よれば、制御電流は、共振周波数に対して比例することが判明した。すなわち、ランプ回路などを用いて制御電流を一次関数的に増加又は減少させれば、複数の周波数成分のそれぞれに対応する直流電圧を時系列に出力することができる。
【００１４】
また、フリー層の磁化の向きを振動させるためには、磁場の向きと固定層の磁化の向きとが一致していないことが好ましい。すなわち、これらが一致している場合には、固定層の磁化の向きに関連づけられるフリー層の磁化の向きの振動が生じ難いからである。固定層の磁化向きに対して平行にフリー層の容易磁化軸を設定した場合には、固定層の磁化の向きと磁気ヨークの磁場の向きの相対関係は、フリー層の容易磁化軸の磁化の向きと磁気ヨークの磁場の向きの相対関係に一致する。固定層の磁化向きに対して垂直にフリー層の容易磁化軸を設定した場合においても、フリー層の磁化の向きの安定な容易磁化軸に対して磁気ヨークによる磁場の向きがずれることになるので、フリー層の磁化の向きの振動を生ぜしめることが可能である。
【００１５】
本発明の磁気デバイスでは、磁気ヨークによって磁気抵抗効果素子に与えられる磁場の向きと、固定層の磁化の向きが、膜面内において５度以上の角度で交差するよう、磁気ヨークと固定層の磁化方向との相対位置関係が決定されている。膜面は、各層の表面で規定される。
【００１６】
磁気ヨークによってフリー層に与えられる磁場の向きは、膜面からずれている場合には、５度以上とは、この磁場の向きの膜面への投影ベクトルと、固定層の磁化の向きの成す角度が膜面内において、５度以上であることを意味するものとする。
【００１７】
また、本発明に係る周波数アナライザは、上記磁気デバイスを備え、電流制御回路から出力される直流電流を掃引しつつ、出力端子から出力される電圧をモニタするモニタ回路を更に備えることを特徴とする。
【００１８】
電流制御回路から出力される電流を直流とし、この直流電流を掃引すると、特定の共振周波数毎の電圧がモニタ回路によって検出される。すなわち、交流信号に含まれる特定の周波数毎のスペクトルが得られ、この装置は周波数アナライザとして機能する。
【００１９】
また、本発明の周波数アナライザは、モニタ回路と磁気抵抗効果素子との間に介在するローパスフィルタを更に備えることが好ましい。磁気抵抗効果素子の両端間には交流信号が印加されているため、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗（共振周波数）に応じた直流電圧のみを選択的に取り出すために、ローパスフィルタを設けている。ローパスフィルタは、磁気抵抗効果素子からの直流成分のみを透過させてモニタ回路に入力させる。簡単なローパスフィルタは、コイルから構成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の磁気デバイス及び周波数アナライザによれば、磁気抵抗効果素子の磁化の向きの共振現象を工業的に利用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、実施の形態に係る磁気デバイス及び周波数アナライザについて説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２２】
図１は、本発明に係る磁気デバイス１を備えた周波数アナライザ１００の斜視図である。図２は、磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦの近傍の拡大斜視図である。
【００２３】
本例の磁気抵抗効果素子１Ａは、ＴＭＲ素子であるとする。磁気デバイス１は、磁気抵抗効果素子１Ａと、磁気抵抗効果素子１Ａに磁場を与えるように設けられた磁気ヨーク１Ｂと、磁気ヨーク１Ｂを介して磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦに磁場を与える磁場印加用配線１Ｃと、磁気抵抗効果素子１Ａの両端間に交流信号を供給する一対の入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２と、磁気抵抗効果素子１Ａの両端間出力電圧Ｖを取り出す一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２と、磁場印加用配線１Ｃを流れる直流電流（制御電流）Ｉを制御する電流制御回路１Ｄとを備えている。なお、入力端子ＩＮＰＵＴ２及び出力端子ＯＵＴＰＵＴ２は、基準端子ＶＲＥＦであり、グランドに接続されている。
【００２４】
磁気抵抗効果素子１Ａの厚み方向をＺ軸方向とし、これに直交する２軸をそれぞれＸ軸及びＹ軸とする。磁場印加用配線１ＣはＹ軸に沿って延びており、磁気抵抗効果素子１Ａと磁気ヨーク１Ｂの頂部磁性体１ＢＴＯＰとの間の空間内に位置している。磁気抵抗効果素子１ＡのＺ軸方向の両端には、それぞれ上部電極（配線）１ＡＵ及び下部電極（配線）１ＡＬが接触し、磁気抵抗効果素子１Ａに電気的に接続されている。上部電極１ＡＵ及び下部電極１ＡＬは、共にＹ軸方向に沿って延びている。なお、上部電極１ＡＵは、磁気抵抗効果素子１Ａと磁場印加用配線１Ｃとの間の空間内に位置している。
【００２５】
磁気ヨーク１Ｂは、頂部磁性体１ＢＴＯＰと、下部磁性体１ＢＬＯＷと、頂部磁性体１ＢＴＯＰ及び下部磁性体１ＢＬＯＷに連続し、これらを接続する中部磁性体１ＢＭとを備えており、下部磁性体１ＢＬＯＷの下面には一対の底部磁性体１ＢＬ，１ＢＲが接触し、底部磁性体１ＢＬ，１ＢＲは、Ｘ軸方向に沿って磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦに向けて延びている。なお、上部及び下部なる用語は、それぞれＺ軸の正側の位置及び負側の位置を意味するものであり、重力の方向とは無関係である。
【００２６】
上部電極１ＡＵと下部電極１ＡＬとの間には、入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２を介して信号源Ｓから交流信号が印加される。上部電極１ＡＵと下部電極１ＡＬに直流が印加されないように、一方の入力端子ＩＮＰＵＴ１と上部電極１ＡＵとの間の配線には、キャパシタＣが直列に挿入されている。
【００２７】
交流電流ｉを磁気抵抗効果素子１Ａに供給すると、磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦ内に特定の極性のスピンが注入され、この注入量に応じて、フリー層１ＡＦの磁化の向きが変化する。フリー層１ＡＦの磁化の向きは、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦに一致している、又は、ＸＹ平面内において、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦに対して直交している。磁気抵抗効果素子１Ａの固定層１ＡＦＭ側からフリー層１ＡＦに偏極スピンが注入される場合、この固定層の磁化の向きＦに、その磁化の向きが揃う向きの極性のスピンがフリー層１ＡＦに注入され、これとは逆向きにフリー層１ＡＦに電子を注入した場合には、固定層１ＡＦＭの磁化の向きに揃った極性のスピンはフリー層１ＡＦ内には注入されないので、上記とは逆の極性のスピンがフリー層１ＡＦに注入され、フリー層１ＡＦのスピンとの相互作用により磁化反転が生じる。
【００２８】
交流電流ｉの極性は時間と共に変化するので、フリー層１ＡＦの磁化の向きは、交流電流ｉの大きさと周波数に影響を受けて振動する。磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦの磁化の向きの振動数ｆＦと、磁気抵抗効果素子１Ａを流れる交流電流ｉの周波数ｆが一致した場合（ｆ０＝ｆＦ＝ｆ）、フリー層１ＡＦの磁化の向きの振動が共振し、磁気抵抗効果素子１Ａの磁気抵抗Ｒが急激に変動し、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２の間の電圧が増加する。共振周波数ｆ０は、磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦに印加される磁場Ｈの大きさに依存して上昇する。
【００２９】
磁場Ｈの大きさは、磁場印加用配線１Ｃを流れる電流Ｉに依存して増加する。すなわち、磁場印加用配線１Ｃを流れる電流Ｉを囲むように磁場が発生するが、この磁場は磁気ヨーク１Ｂ内を通って、底部磁性体１ＢＬ，１ＢＲ間の空間内にも発生する。この空間内には、フリー層１ＡＦが配置されているので、フリー層１ＡＦは定常的に一定の磁場Ｈ内に配置されていることになる。但し、磁場Ｈの大きさは、電流制御回路１Ｄから供給される電流Ｉによって適宜変更される。
【００３０】
したがって、磁場印加用配線１Ｃを流れる電流Ｉを電流制御回路１Ｄによって増加させると、磁場Ｈの大きさが増大し（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）、共振（共鳴）周波数ｆ０が上昇する(図５参照）。すなわち、磁場印加用の電流Ｉに依存して共振周波数ｆ０が決定され、入力された交流信号（交流電流ｉ）のうち、決定された共振周波数ｆ０の成分に対応する電圧Ｖが選択的に出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２の間に現れる（図６参照）。
【００３１】
また、本実施形態の周波数アナライザ１００は、磁気デバイス１を備えており、電流制御回路１Ｄから出力される直流電流Ｉを掃引しつつ、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２から出力される電圧Ｖをモニタするモニタ回路２を更に備えている。なお、直流電流Ｉの掃引には、例えばランプ回路を用いることができ、これを電流制御回路１Ｄ内に内蔵すればよい。電流制御回路１Ｄから出力される電流Ｉを直流とし、この直流電流Ｉの大きさを掃引すると、特定の共振周波数毎の電圧Ｖがモニタ回路２によって検出される（図６参照）。すなわち、交流信号ｉに含まれる特定の周波数毎のスペクトルが得られ、この装置は周波数アナライザとして機能する。
【００３２】
このように、本例の磁気デバイス１は、磁場印加用配線１Ｃに流れる電流Ｉを制御することにより、入力される交流信号と磁気抵抗効果素子１Ａの共振周波数を変化させている。磁気ヨーク１Ｂに流れる電流（制御電流）を制御することにより、共振周波数を制御することが確認された。本例では、特定の周波数を制御電流によって選択することができる。換言すれば、この磁気デバイス１は、磁場印加用配線１Ｃに流れる電流を制御することにより、交流信号に含まれる特定の周波数成分を選択するものである。
【００３３】
また、磁気デバイス１は、磁場印加用配線１Ｃに流れる電流を時系列に変化させることにより、交流信号に含まれる複数の特定の周波数成分に対応する直流電圧を時系列に出力する。後述のように、制御電流Ｉは、共振周波数に対して比例することが判明した。すなわち、ランプ回路などを用いて制御電流Ｉを一次関数的に増加又は減少させれば、複数の周波数成分のそれぞれに対応する直流電圧Ｖを時系列に出力することができる。
【００３４】
また、周波数アナライザ１００は、モニタ回路２と磁気抵抗効果素子１Ａとの間に介在するローパスフィルタＬを更に備えている。これは、磁気抵抗効果素子１Ａの両端間には、一対の入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２と、一対の出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２が接続されているが、入力端子ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２には交流信号ｉが印加されているため、出力端子ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２からは磁気抵抗効果素子１Ａの磁気抵抗（共振周波数）に応じた直流電圧Ｖのみを選択的に取り出すためである。ローパスフィルタＬは、磁気抵抗効果素子１Ａからの直流成分のみを透過させてモニタ回路２に入力させる。本例では、ローパスフィルタＬは、上部電極１ＡＵと出力端子ＯＵＴＰＵＴ１との間に介在するコイルから構成されている。
【００３５】
また、フリー層１ＡＦの磁化の向きを振動させるためには、フリー層１ＡＦの位置においてＸ軸に沿った磁場Ｈの向きと固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦとが一致していないことが好ましい。すなわち、これらが一致している場合には、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦに関連づけられるフリー層１ＡＦの磁化の向きの振動が生じ難いからである。固定層１ＡＦＭの磁化向きＦに対して平行にフリー層１ＡＦの容易磁化軸を設定した場合には、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦと磁気ヨーク１Ｂの磁場の向きＨの相対関係は、フリー層１ＡＦの容易磁化軸の磁化の向きと磁気ヨーク１Ｂの磁場の向きの相対関係に一致する。固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦに対して垂直にフリー層１ＡＦの容易磁化軸を設定した場合においても、フリー層１ＡＦの磁化の向きの安定な容易磁化軸に対して磁気ヨーク１Ｂによる磁場Ｈの向きがずれることになるので、フリー層１ＡＦの磁化の向きの振動を容易に生ぜしめることが可能である。
【００３６】
本発明の磁気デバイス１では、磁気ヨーク１Ｂによって磁気抵抗効果素子１Ａに与えられる磁場の向きＨと、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦが、膜面（ＸＹ平面）内において５度以上の角度θで交差するよう、磁気ヨーク１Ｂと固定層１ＡＦＭの磁化方向との相対位置関係が決定されている。膜面は、各層の表面で規定される。
【００３７】
磁気ヨーク１Ｂによってフリー層１ＡＦに与えられる磁場の向きＨは、膜面からずれている場合には、５度以上とは、この磁場の向きＨの膜面への投影ベクトルと、固定層１ＡＦＭの磁化の向きＦの成す角度θが膜面内において、５度以上であることを意味するものとする。
【００３８】
上述の磁気デバイス１においては、通常のＳｉ半導体技術では得られないＧＨｚ帯の周波数検波が可能となる。したがって、磁気デバイス１の工業的な応用が可能となる。特に、磁気ヨーク１Ｂは、従来の大型の磁場印加装置に代えて設けられるものであり、磁気デバイス１の小型化を達成している。また、磁気ヨーク１Ｂは、磁場印加用の電流Iを大幅に小さくできる。さらに、その外部への磁場の漏れを抑制するため、隣接素子への影響を抑制している。
【００３９】
磁気ヨーク１Ｂは、磁気抵抗効果素子１Ａの形成後、底部磁性層１ＢＬ，１ＢＲを下部電極１ＡＬ上に絶縁層を介して積層し、次に、磁気抵抗効果素子１Ａ上のみに別の絶縁層を積層し、続いて、この上に磁場印加配線１Ｃを形成して、更に別の絶縁層を堆積して磁場印加用配線１Ｃをこの絶縁層内に埋め込んだ後、底部磁性層１ＢＬ，１ＢＲに接触するように、下部磁性体１ＢＬＯＷ、中部磁性体１ＢＭ及び頂部磁性体１ＢＴＯＰを順次積層することで堆積する。これらの堆積にはスパッタ法などを用いることができるが、この堆積領域の設定には適当なホトレジストを用いればよい。
【００４０】
図３は、図１に示した磁気デバイス１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【００４１】
磁気ヨーク１Ｂは、磁場印加用配線１Ｃ、上部電極１ＡＵ及び磁気抵抗効果素子１Ａを囲んでいる。磁気ヨーク１Ｂは、磁気抵抗効果素子１Ａの周囲に設けられており、部分的にこれを囲む形状を有しているが、磁場Ｈが磁気抵抗効果素子１Ａに与えられる構造であれば、これは磁気抵抗効果素子１Ａを完全に囲む形状とすることも可能である。なお、磁場印加用配線１Ｃを流れる電流によって発生した磁場Ｈの磁力線は軟磁性の磁性体からなる磁気ヨーク１Ｂ内を通っており、底部磁性体１ＢＬ，１ＢＲ間の磁場Ｈの強度を高めている。なお、磁気ヨーク１Ｂは、フリー層１ＡＦと同様に軟磁性の強磁性体からなる。
【００４２】
磁気抵抗効果素子１Ａの構造は公知のものでよく、特に限定されないが、以下に説明する。
【００４３】
図４は、磁気抵抗効果素子１Ａの縦断面図である。
【００４４】
磁気抵抗効果素子１Ａは、フリー層１ＡＦを含む素子である。具体的には、磁気抵抗効果素子１Ａは、強磁性体の感磁層である第１磁性層（フリー層１ＡＦ）と、Ｃｕなどの導電性金属からなる非磁性層１ＡＭを介して逆向きの磁化方向が固定された一対の強磁性層（固定層：ピンド層）１ＡＦＭ（１ＡＦＭ１，１ＡＦＭ２）と、下部の強磁性層１ＡＦＭ２に交換結合した反強磁性層１ＡＡＦと、フリー層１ＡＦ及び固定層１ＡＦＭに挟まれた非磁性層１ＡＸとを含んで構成される。なお、強磁性層１ＡＦＭ１，１ＡＦＭ２の磁化の向きは、厚み方向Ｚに垂直な方向に沿っている。
【００４５】
なお、磁気抵抗効果素子１ＡがＴＭＲ素子からなる場合には、非磁性層１ＡＸは、非磁性絶縁層（トンネルバリア層：好適厚み１ｎｍ以下）からなることとし、磁気抵抗効果素子１ＡがＣＰＰ（Current Perpendicular Plane）型のＧＭＲ素子からなる場合には、非磁性層１ＡＸは、Ｃｕなどの非磁性導電層からなるが、いずれの構造であっても、電流は膜面に垂直に流れ、これらの素子で共振現象が好適に生じている。
【００４６】
これらの各層は、下部電極１ＡＬ上に順次積層されている。なお、強磁性とは、隣り合うスピンが同一の方向を向いて整列し、全体として大きな磁気モーメントを持つ物質の磁性であり、強磁性体は外部磁場が無い場合においても自発磁化を有する。室温で強磁性を示す物質としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びＧｄがある。強磁性体としては、Ｃｏ、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ合金等を好適に用いることができる。反強磁性層１ＡＡＦを構成する反強磁性体としては、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ等を適用することができる。非磁性層１ＡＸをＴＭＲ素子用の絶縁層から構成する場合には、絶縁層としてトンネル効果の生じる厚みのＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３やＴｉＯなどのトンネルバリア層を用いることができる。
【００４７】
ここで、上述の周波数分離について更に説明する。
【００４８】
図５は、交流電流ｉの周波数ｆと出力電圧Ｖとの関係を示すグラフである。
【００４９】
交流電流ｉの周波数ｆが上昇すると、この周波数ｆと共振する周波数ｆ０を与える磁場Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３が大きくなる（Ｈ１＜Ｈ２＜Ｈ３）。磁場が一定であれば、電圧Ｖは、特定の共振周波数ｆ０においてピークを有することになる。
【００５０】
図６は、磁場Ｈと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。
【００５１】
交流電流ｉは、例えば、高速通信に用いられる信号であり、各種の周波数成分を含んでいる。特定の周波数成分が大きい場合には、これに共振する周波数を与える磁場における電圧Ｖの大きさが高くなる。なお、特定の周波数成分が小さい場合には、これに共振する周波数を与える磁場における電圧Ｖの大きさが小さくなることはいうまでもない。すなわち、入力された交流電流ｉの大きさは、周波数毎に分離され、図１に示したモニタ回路２によってモニタされる。
【００５２】
図７は、図１に示した磁気抵抗効果素子１Ａとして、ＴＭＲ素子を用いた場合の外部磁場（Ｏｅ）と、出力電圧（μＶ）の関係を、入力される高周波信号の周波数（ＧＨｚ）毎に示すグラフであり、図８は、図７のグラフのデータを示す表であり、最上行と最左列を除く表内の数値は出力電圧（μＶ）を示している。
【００５３】
このグラフからも明らかように、共振周波数に対応する外部磁場の大きさが存在しており、周波数が高くなるほど、必要とされる外部磁場が大きくなることが分かる。外部磁場は、磁場印加用配線１Ｃを流れる制御電流の大きさに比例する。
【００５４】
図９は、この制御電流（ｍＡ）と共振周波数（ＧＨｚ）の関係を示すグラフであり、図１０は、図９に示したグラフのデータを示す表である。
【００５５】
制御電流が増加するに伴って、直線的に共振周波数が増加していることが分かる。すなわち、制御電流と共振周波数は比例している。これにより、制御電流の制御によって、容易に共振周波数を選択することができることが判明した。
【００５６】
なお、ＴＭＲ素子の代わりにＣＰＰ型のＧＭＲ素子を用いた場合も、スピン振動の共鳴の原理を考慮すると、磁化の向きの振動に応じてＴＭＲ素子と同様に作用する。ＣＰＰ型のＧＭＲ素子を用いて同様の実験を行った場合、ＴＭＲ素子の場合と同様の結果が得られた。すなわち、例えば印加電圧周波数を４．５Ｇｚとした場合、４．５ＧＨｚにおいて出力電圧のピークが観察され、その電圧値は２３０μＶを超えるものが観察された。
【００５７】
上述のように、スピンデバイスの共振を用いれば、ＧＨｚ帯の周波数解析を行うことができるため、通信技術の更なる発展を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】磁気デバイス１を備えた周波数アナライザ１００の斜視図である。
【図２】磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１ＡＦの近傍の拡大斜視図である。
【図３】図１に示した磁気デバイス１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子１Ａの縦断面図である。
【図５】交流電流ｉの周波数ｆと出力電圧Ｖとの関係を示すグラフである。
【図６】磁場Ｈと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。
【図７】図１に示した磁気抵抗効果素子１Ａとして、ＴＭＲ素子を用いた場合の外部磁場（Ｏｅ）と、出力電圧（μＶ）の関係を、入力される高周波信号の周波数（ＧＨｚ）毎に示すグラフである。
【図８】図７のグラフのデータを示す表である。
【図９】制御電流（ｍＡ）と共振周波数（ＧＨｚ）の関係を示すグラフである。
【図１０】図９に示したグラフのデータを示す表である。
【符号の説明】
【００５９】
１・・・磁気デバイス、１Ａ・・・磁気抵抗効果素子、１Ｂ・・・磁気ヨーク、１ＡＦ・・・フリー層、１Ｃ・・・磁場印加用配線、ＩＮＰＵＴ１，ＩＮＰＵＴ２・・・入力端子、ＯＵＴＰＵＴ１，ＯＵＴＰＵＴ２・・・出力端子、１Ｄ・・・電流制御回路。
【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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