(57)【要約】  第１の強磁性層（102）と第２の強磁性層（104）と第１のスペーサ層（103）とを有する第１の磁気抵抗効果素子（101）と，金属層（111）と，第１の電極（107）と，入力端子（108）と，出力端子（109）と，基準電位端子（110）とを有し，前記第１の強磁性層，前記第１のスペーサ層，前記第２の強磁性層および前記第１の電極はこの順で配置され，前記第２の強磁性層は前記第１の電極と電気的に接し，前記第１の電極は高周波信号を出力する出力端子に接続され，前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記基準電位端子に流れるように，前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され，前記第１の強磁性層は前記基準電位端子と電気的に接し，前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流，もしくは直流電圧を印加するための印加端子（106）を備える磁気抵抗効果デバイス（1000）を提供する。
2018052062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁化自由層と第１の磁化固定層と第１のスペーサ層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、金属層と、第１の電極と、入力端子と、出力端子と、基準電位端子とを有し、  前記金属層、前記第１の磁化自由層、前記第１のスペーサ層、前記第１の磁化固定層および前記第１の電極はこの順で配置され、  前記第１の磁化固定層は前記第１の電極と電気的に接し、  前記第１の電極は高周波信号を出力する出力端子に接続され、  前記金属層は前記第１の磁化自由層の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、  前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記第１の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、  前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための印加端子を備えることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２】
前記第１の磁気抵抗効果素子のインピーダンスが前記金属層のインピーダンスよりも大きい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】
前記第１の磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を変えることができる周波数設定機構をさらに備え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】
第２の磁気抵抗効果素子を有し、  前記第２の磁気抵抗効果素子は第２の磁化自由層と第２のスペーサ層と第２の磁化固定層とを有し、  前記金属層、前記第２の磁化自由層、前記第２のスペーサ層、前記第２の磁化固定層、前記第１の電極はこの順で配置され、  前記金属層は第２の磁化自由層の積層方向から見て重なる第２の領域を有し、  前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号は前記第２の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続されてい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磁気抵抗効果デバイス。
【請求項５】
前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層の共鳴周波数が異なる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】
第２の電極と、第３の磁気抵抗効果素子とを有し、  前記第３の磁気抵抗効果素子は第３の磁化自由層と第３のスペーサ層と第３の磁化固定層とを有し、  前記第３の磁化固定層は前記第２の電極と電気的に接し、  前記第１の磁化自由層、前記金属層、前記第３の磁化自由層、前記第３のスペーサ層、前記第３の磁化固定層、前記第２の電極はこの順で配置され、  前記金属層は前記第３の磁化自由層の積層方向から見て重なる第３の領域を有し、  前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号は前記第３の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、  前記第２の電極は前記出力端子に接続され、  前記第３の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための手段を有する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磁気抵抗効果デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイスと、  直流電流源、もしくは直流電圧源を有し、  前記印加端子に前記直流電流源、もしくは前記直流電圧源を接続した磁気抵抗効果モジュール。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイスを使用した高周波フィルタ。
【請求項９】
前記第１の磁化自由層の磁化の方向と前記金属層に流れる高周波電流の方向との相対角が１５０度以上１８０度以下、もしくは０度以上３０度以下であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１０】
前記第１の磁化自由層の磁化の方向と前記第１の磁化固定層の磁化の方向との相対角が９０度以上１５０度以下であることを特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１１】
第１の強磁性層と第２の強磁性層と第１のスペーサ層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、金属層と、第１の電極と、入力端子と、出力端子と、基準電位端子とを有し、前記第１の強磁性層、前記第１のスペーサ層、前記第２の強磁性層および前記第１の電極はこの順で配置され、前記第２の強磁性層は前記第１の電極と電気的に接し、前記第１の電極は高周波信号を出力する出力端子に接続され、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記第１の強磁性層は前記基準電位端子と電気的に接し、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための印加端子を備えることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１２】
前記入力端子と前記出力端子間のインピーダンスが前記入力端子と前記基準電位端子間のインピーダンスよりも高いことを特徴とする請求項１１に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１３】
前記入力端子から前記第１の磁気抵抗効果素子を介して、前記出力端子に高周波信号が流れるように前記磁性層１が前記金属層と電気的に接続され、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗RMTJ、前記金属層の抵抗Rlead、特性インピーダンスZ0が式（1）を満たすことを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。【数１】
2018052062.tif 000007
【請求項１４】
前記金属層は前記磁性層１の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波電流のうち、前記磁性層１の前記第１の領域以外の第２の領域の電流密度が前記第１の領域の電流密度よりも大きいことを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１５】
前記金属層がコンデンサを介して前記基準電位端子と接続されていることを特徴とする請求項１１又は１２のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１６】
前記金属層は前記第１の強磁性層の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、  前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記第１の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記入力端子から入力される高周波電流が前記金属層が前記コンデンサと電気的に接続される接続点へ流れる方向に対して、前記第２の強磁性層の磁化の方向が反時計回りに９０度傾いていることを特徴とする請求項１５に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１７】
前記第１の磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を変えることができる周波数設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１から１６のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１８】
第３の強磁性層と第４の強磁性層と第２のスペーサ層とを有する第２の磁気抵抗効果素子を有し、前記金属層、前記第３の強磁性層、前記第２のスペーサ層、前記第４の強磁性層および前記第１の電極はこの順で配置され、前記第４の強磁性層は前記第１の電極と電気的に接し、前記第３の強磁性層は前記基準電位端子と電気的に接することを特徴とする請求項１１から１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項１９】
第２の電極と、第３の磁気抵抗効果素子とを有し、前記第３の磁気抵抗効果素子は第５の強磁性層層、第３のスペーサ層、第６の強磁性層を有し、前記金属層、前記第５の強磁性層、前記第２のスペーサ層、前記第６の強磁性層、前記第２の電極はこの順に配置され、前記第６の強磁性層は前記第２の電極と電気的に接し、前記第２の電極は前記出力端子に接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための手段を有することを特徴とする請求項１１から１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２０】
前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層、前記第３の強磁性層、前記第４の強磁性層、前記第５の強磁性層、前記第６の強磁性層の共鳴周波数のうち、少なくとも１つが他のものと異なることを特徴とする請求項１８又は１９のいずれかに記載の磁気抵抗効果デバイス。
【請求項２１】
請求項１１から２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイスを使用した高周波フィルタ。
【請求項２２】
請求項１１から２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果デバイスと、直流電流源、もしくは直流電圧源を有し、前記印加端子に前記直流電流源、もしくは前記直流電圧源を接続した磁気抵抗効果モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、磁気抵抗効果素子を利用した磁気抵抗効果デバイスおよび磁気抵抗効果モジュールに関する。  本願は、２０１６年９月１４日に、日本に出願された特願２０１６−１７９１２４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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として、磁気抵抗効果素子によるスピントルク共鳴現象がある（非特許文献１参照）。【０００４】  磁気抵抗効果素子に交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共鳴を起こすことができる。この際、スピントルク共鳴周波数に対応した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。磁気抵抗効果素子に印加される磁場の強さによって、磁気抵抗効果素子のスピントルク共鳴周波数は変化し、一般的にその共鳴周波数は数〜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】Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４３８、Ｎｏ．７０６６、ｐｐ．３３９−３４２、１７  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００５
【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、スピントルク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、スピントルク共鳴現象のその他の応用用途についての具体的な構成については、検討がまだ十分に進んでいない。【０００７】  本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、スピントルク共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスおよび磁気抵抗効果モジュールを、高周波フィルタや増幅器として機能させるための構成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】
【０００８】  本発明は、上記課題を解決するため、スピン軌道トルク共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスおよび磁気抵抗効果モジュールを、高周波フィルタや増幅器として機能させられることを見出した。  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。【０００９】  本発明の第１の態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第１の磁化自由層と第１の磁化固定層と第１のスペーサ層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、金属層と、第１の電極と、入力端子と、出力端子と、基準電位端子とを有し、前記金属層、前記第１の磁化自由層、前記第１のスペーサ層、前記第１の磁化固定層、前記第１の電極はこの順で配置され、前記第１の磁化固定層は前記第１の電極と電気的に接し、前記第１の電極は高周波信号を出力する前記出力端子に接続され、前記金属層は前記第１の磁化自由層の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記第１の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための印加端子を備えることを特徴とする。【００１０】  上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスによれば、入力端子からの信号が金属層の第１の領域に流れることでスピンホール効果が発生し、スピン偏極したスピン流が第１の磁化自由層に注入される。スピン偏極したスピン流は第１の磁化自由層の磁化にスピン軌道トルクとして作用し、第１の磁化自由層の磁化は向きを変える。この時、高周波信号が金属層に流れることで第１の磁化自由層に注入されるスピンの向きが高周波で変化する。高周波信号が第１の磁化自由層の共鳴周波数と同じ周波数であれば、第１の磁化自由層の磁化は共鳴し、強く振動する。第１の磁化自由層の磁化が強く振動することで第１の磁化自由層の磁化と第１の磁化固定層の磁化との相対角度が振動し、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値が高周波信号と同じ周波数で振動する。振動する抵抗は第１の磁気抵抗効果素子に印加する直流電流もしくは直流電圧によって、交流信号となって出力端子に出力される。高周波信号が第１の磁化自由層の共鳴周波数から離れた周波数の場合、スピン偏極したスピン流によって第１の磁化自由層の磁化は強く振動せず、第１の磁気抵抗効果素子は上記のような交流信号を発生させない。従って、磁気抵抗効果デバイスは共鳴周波数における信号を伝送し、共鳴周波数から離れた信号を減衰する帯域通過フィルタとして動作する。【００１１】  さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは前記第１の磁気抵抗効果素子のインピーダンスが前記金属層のインピーダンスよりも大きくてもよい。【００１２】この磁気抵抗効果デバイスによれば、高周波信号が金属層から基準電位端子により多く流れるので、磁気抵抗効果デバイスに強度の大きな高周波信号を入力しても第１の磁気抵抗効果素子が破壊されにくくなり、磁気抵抗効果デバイスは、入力電力が大きい場合に対応した帯域通過フィルタとして動作する。さらに、高周波信号は基準電位端子により多く流れるので、帯域外の遮断特性が向上する。【００１３】  さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは前記第１の磁化自由層の共鳴周波数を変えることができる周波数設定機構をさらに備えてもよい。【００１４】この磁気抵抗効果デバイスによれば、周波数設定機構によって第１の磁化自由層の共鳴周波数を変えることで、磁気抵抗効果デバイスは周波数可変帯域遮断フィルタとして動作する。【００１５】さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは第２の磁気抵抗効果素子を有し、前記第２の磁気抵抗効果素子は第２の磁化自由層と第２のスペーサ層と第２の磁化固定層とを有し、前記金属層、前記第２の磁化自由層、前記第２のスペーサ層、前記第２の磁化固定層、前記第１の電極はこの順で配置され、前記金属層は第２の磁化自由層の積層方向から見て重なる第２の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号は前記第２の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続されていてもよい。【００１６】この磁気抵抗効果デバイスによれば、複数の磁気抵抗効果素子の磁化自由層が高周波信号によって共鳴することで、より大きな交流信号が発生し、磁気抵抗効果デバイスが出力する信号強度が向上する。【００１７】さらに上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは前記第１の磁化自由層と前記第２の磁化自由層の共鳴周波数が異なってもよい。【００１８】  この磁気抵抗効果デバイスによれば、複数の磁化自由層の共鳴周波数が異なることで、共鳴する周波数帯域が広がり、磁気抵抗効果デバイスは広帯域の帯域通過フィルタとして動作する。【００１９】  さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは第２の電極と、第３の磁気抵抗効果素子とを有し、前記第３の磁気抵抗効果素子は第３の磁化自由層と第３のスペーサ層と第３の磁化固定層とを有し、前記第３の磁化固定層は前記第２の電極と電気的に接し、前記第１の磁化自由層、前記金属層、前記第３の磁化自由層、前記第３のスペーサ層、前記第３の磁化固定層、前記第２の電極はこの順で配置され、前記金属層は前記第３の磁化自由層の積層方向から見て重なる第３の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号は前記第３の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記第２の電極は前記出力端子に接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための手段を有してもよい。【００２０】この磁気抵抗効果デバイスによれば、スピンホール効果によって金属層の上下面にはスピン偏極したスピン流が流れる。上下面に流れるスピン流が第１の磁化自由層と第３の磁化自由層にそれぞれ注入されることで、より大きな交流信号を発生させ、磁気抵抗効果デバイスの出力する信号強度が向上する。【００２１】本発明の第２の様態にかかる磁気抵抗効果モジュールは第１の様態にかかる磁気抵抗効果デバイスを具備し、前記印加端子に直流電流源、もしくは直流電圧源を接続したことを特徴とする。【００２２】上記態様にかかる磁気抵抗効果モジュールによれば、磁気抵抗効果デバイスに直流電流、もしくは直流電圧を印加し、磁気抵抗効果モジュールは、帯域通過フィルタ、もしくは増幅器として機能する。【００２３】本��明の第３の様態にかかる高周波フィルタは、第１の様態にかかる磁気抵抗効果デバイスを使用したものである。【００２４】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化自由層の磁化の方向と前記金属層に流れる高周波電流の方向との相対角が１５０度以上１８０度以下、もしくは０度以上３０度以下であってもよい。【００２５】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁化自由層の磁化の方向と前記第１の磁化固定層の磁化の方向との相対角が９０度以上１５０度以下であってもよい。【００２６】本発明の第４の態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第１の強磁性層と第２の強磁性層と第１のスペーサ層とを有する第１の磁気抵抗効果素子と、金属層と、第１の電極と、入力端子と、出力端子と、基準電位端子とを有し、前記第１の強磁性層、前記第１のスペーサ層、前記第２の強磁性層および前記第１の電極はこの順で配置され、前記第２の強磁性層は前記第１の電極と電気的に接し、前記第１の電極は高周波信号を出力する出力端子に接続され、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記第１の強磁性層は前記基準電位端子と電気的に接し、前記第１の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための印加端子を備えることを特徴とする。【００２７】この磁気抵抗効果デバイスによれば、磁気抵抗効果素子にスピントルク共鳴を起こすために、入力端子からの高周波電流が金属層を流れることでスピンホール効果に基づき生成した、高周波でスピンの向きが変わる純スピン流がスピン軌道トルク（ＳＯＴ）として強磁性層の磁化に作用する効果（高周波ＳＯＴの効果）、入力端子からの高周波電流が金属層を流れることで生成する高周波の磁場が強磁性層の磁化に作用する効果（高周波磁場（ＲＦ磁場）の効果）、磁気抵抗効果素子の抵抗の振動を高周波信号として出力端子から取り出すための直流電流又は直流電圧がスピントランスファトルク（ＳＴＴ）として強磁性層の磁化に作用する効果（直流ＳＴＴの効果）、入力端子からの高周波電流が磁気抵抗効果素子に流れることでスピントランスファトルク（ＳＴＴ）として強磁性層の磁化に作用する効果（高周波ＳＴＴの効果）、磁気抵抗効果素子の抵抗の振動を高周波信号として出力端子から取り出すための直流電流が金属層に流れることで発生するスピン軌道トルク（ＳＯＴ）として強磁性層の磁化に作用する効果（直流ＳＯＴの効果）を利用することができる。【００２８】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記入力端子と前記出力端子間のインピーダンスが前記入力端子と前記基準電位端子間のインピーダンスよりも高くてもよい。【００２９】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記入力端子から前記第１の磁気抵抗効果素子を介して、前記出力端子に高周波信号が流れるように前記磁性層１が前記金属層と電気的に接続され、第１の磁気抵抗効果素子の抵抗RMTJ、前記金属層の抵抗Rlead、特性インピーダンスZ0が式（1）を満たしてもよい。【数１】
2018052062.tif 000003
【００３０】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記金属層は前記磁性層１の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波電流のうち、前記磁性層１の前記第１の領域以外の第２の領域の電流密度が前記第１の領域の電流密度よりも大きくてもよい。【００３１】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記金属層がコンデンサを介して前記基準電位端子と接続されていてもよい。【００３２】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記金属層は前記第１の強磁性層の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、前記入力端子から前記金属層に流れる高周波信号が前記第１の領域を介して、前記基準電位端子に流れるように、前記金属層は前記入力端子と前記基準電位端子に接続され、前記入力端子から入力される高周波電流が前記金属層が前記コンデンサと電気的に接続される接続点へ流れる方向に対して、第２の強磁性層の磁化の方向が反時計回りに９０度傾いていてもよい。【００３３】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を変えることができる周波数設定手段をさらに備えてもよい。【００３４】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第３の強磁性層と第４の強磁性層と第２のスペーサ層とを有する第２の磁気抵抗効果素子を有し、前記金属層、前記第３の強磁性層、前記第２のスペーサ層、前記第４の強磁性層および前記第１の電極はこの順で配置され、前記第４の強磁性層は前記第１の電極と電気的に接し、前記第３の強磁性層は前記基準電位端子と電気的に接していてもよい。【００３５】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、第２の電極と、第３の磁気抵抗効果素子とを有し、前記第３の磁気抵抗効果素子は第５の強磁性層層、第３のスペーサ層、第６の強磁性層を有し、前記金属層、前記第５の強磁性層、前記第２のスペーサ層、前記第６の強磁性層、前記第２の電極はこの順に配置され、前記第６の強磁性層は前記第２の電極と電気的に接し、前記第２の電極は前記出力端子に接続され、前記第３の磁気抵抗効果素子に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための手段を有してもよい。【００３６】上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記第１の強磁性層、前記第２の強磁性層、前記第３の強磁性層、前記第４の強磁性層、前記第５の強磁性層、前記第６の強磁性層の共鳴周波数のうち、少なくとも１つが他のものと異なってもよい。【００３７】本発明の第５の様態にかかる高周波フィルタは、第４の様態にかかる磁気抵抗効果デバイスを使用したものである。【００３８】本発明の第６の様態にかかる磁気抵抗効果モジュールは、第４の様態にかかる磁気抵抗効果デバイスと、直流電流源、もしくは直流電圧源を有し、前記印加端子に前記直流電流源、もしくは前記直流電圧源を接続したものである。
【発明の効果】
【００３９】本発明によれば、高周波のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）共鳴現象を利用した磁気抵抗効果デバイスおよび、磁気抵抗効果モジュールを、高周波フィルタや増幅器として用いることができる。  本発明によれば、高周波のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）共鳴現象、高周波磁場共鳴現象、高周波のスピントランスファトルク（ＳＴＴ）共鳴現象、直流電流に基づくスピントランスファトルク（ＳＴＴ）、直流電流に基づくスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を利用した磁気抵抗効果デバイスおよび、磁気抵抗効果モジュールを、高周波フィルタや増幅器として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。
【図２】第２実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。
【図３】第３実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの模式図である。
【図４】第３実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの変形例の模式図である。
【図５】ＬＬＧシミュレーションによって、磁化固定層及び磁化自由層が膜面内方向に磁化容易軸を有する場合に、磁気抵抗効果素子の抵抗値の振動の大きさについて、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角、及び、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角、に対する依存性を調べた結果である。
【図６】ＬＬＧシミュレーションによって、磁化固定層及び磁化自由層が膜面直方向に磁化容易軸を有する場合に、磁気抵抗効果素子の抵抗値の振動の大きさについて、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角、及び、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角、に対する依存性を調べた結果である。
【図７】第４実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの一例の模式図である。
【図８】図７で示した例の磁気抵抗効果デバイスにおいて、高周波電流の流れる方向、及び、直流電流の流れる方向を示した模式図である。
【図９】磁気抵抗効果デバイスの簡易的な等価回路である。
【図１０】第４実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの他の例の模式図である。
【図１１】磁化自由層の磁化に対して、直流電流によるＳＴＴの効果と直流電流によるＳＯＴの効果とが強め合う条件を説明するための模式図であり、（ａ）は時計回りに直流電流を流した場合（磁化自由層から磁化固定層に直流電流を流した場合）、（ｂ）は反時計回りに直流電流を流した場合（磁化固定層から磁化自由層に直流電流を流した場合）である。
【図１２】磁化自由層の磁化に対して、高周波電流によるＳＴＴの効果と高周波電流によるＳＯＴの効果とが強め合う条件を説明するための模式図であり、（ａ）は時計回りに瞬間的に高周波電流が流れるとき（磁化自由層から磁化固定層に瞬間的に高周波電流がとき）、（ｂ）は反時計回りに瞬間的に高周波電流が流れるとき（磁化固定層から磁化自由層に瞬間的に高周波電流が流れるとき）である。
【図１３】第５実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの一例の模式図である。
【図１４】第６実施形態に係る磁気抵抗効果デバイスの一例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】  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。
【００４２】（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（第１の磁気抵抗効果素子）１と、金属層１１と、電極（第１の電極）７と、入力端子８と、出力端子９と、基準電位端子１０と、印加端子６とを備える。磁気抵抗効果素子１は磁化自由層２、スペーサ層３、磁化固定層４を有する。
【００４３】＜磁化自由層＞磁化自由層は、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であり、強磁性材料で構成されている。磁化自由層は、膜面内方向に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としてはＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｉまたはＣｏＭｎＡｌなどが挙げられ、厚さは１〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。磁化自由層は、膜面法線方向（膜面直方向）に磁化容易軸を有する材料の場合、材料としては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合金などが挙げられる。また、磁化自由層は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化自由層とスペーサ層との間に、高スピン分極率材料を挿入しても良い。これによって、高い磁気抵抗変化率を得ることが可能となる。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。
【００４４】＜磁化固定層＞磁化固定層は、強磁性体材料で構成されており、その磁化方向が実質的に一方向に固定されている。磁化固定層は、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。これにより、高い磁気抵抗変化率を得ることが出来る。また、磁化固定層は、ホイスラー合金で構成されても良い。また、磁化固定層の膜厚は、１〜１０ｎｍとすることが好ましい。また、磁化固定層の磁化を固定するために磁化固定層に接するように反強磁性層を付加してもよい。或いは、磁化固定層、中間層、強磁性層、反強磁性層をこの順に配置して積層体を成し、磁化固定層と強磁性層のＲＫＫＹ相互作用によって磁化固定層の磁化を固定してもよい。或いは結晶構造、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出来る。
【００４５】＜スペーサ層＞スペーサ層は、磁化自由層と磁化固定層の間に配置され、磁化自由層の磁化と磁化固定層の磁化が相互作用して磁気抵抗効果が得られる。スペーサ層としては、導電体、絶縁体、半導体によって構成される層、もしくは、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。
【００４６】スペーサ層として非磁性導電材料を適用する場合、材料としてはＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＲｕなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子には巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果が発現する。ＧＭＲ効果を利用する場合、スペーサ層の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４７】スペーサ層として非磁性絶縁材料を適用する場合、材料としてはＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯなどが挙げられ、磁気抵抗効果素子にはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果が発現する。磁化固定層と磁化自由層との間にコヒーレントトンネル効果が発現するように、スペーサ層の膜厚を調整することで高い磁気抵抗変化率が得られる。ＴＭＲ効果を利用する場合、スペーサ層の膜厚は、０．５〜３．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４８】スペーサ層として非磁性半導体材料を適用する場合、材料としてはＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＩＴＯ、ＧａＯｘまたはＧａ２Ｏｘなどが挙げられ、スペーサ層の膜厚は１．０〜４．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００４９】スペーサ層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、スペーサ層の膜厚は、０．５〜２．０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５０】また、電極と磁気抵抗効果素子との間、もしくは金属層１１と磁気抵抗効果素子との間にキャップ層、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、これらの層の膜厚は２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。
【００５１】  ＜磁気抵抗効果素子＞  磁気抵抗効果素子の大きさは、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。また、平面視形状が長方形ではない場合は、平面視形状に最小の面積で外接する長方形の長辺を、磁気抵抗効果素子の長辺と定義する。長辺が１００ｎｍ程度と小さい場合、磁化自由層の磁区の単磁区化が可能となり、高効率なスピントルク共鳴現象の実現が可能となる。ここで、「平面視形状」とは、磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層方向に垂直な平面で見た形状のことである。
【００５２】  磁気抵抗効果素子は、磁化自由層と、磁化固定層と、磁化自由層と磁化固定層との間に挟持されたスペーサ層とを有する。  磁化固定層の磁化は一方向に固定されている。磁化固定層の磁化の向きに対して、磁化自由層の磁化の向きが相対的に変化することで、磁気抵抗効果素子として機能する。
【００５３】  入力端子８から入力される高周波信号は金属層１１の領域（第１の領域）５を介して、基準電位端子１０に流れる。
【００５４】＜高周波信号＞  高周波信号は、１００ＭＨｚ以上の周波数成分を持つ信号である。高周波信号の電力は概ね−１５０ｄＢｍから４０ｄＢｍの範囲である。高周波信号は変調信号であり、振幅や周波数、位相、もしくは振幅と位相の組み合わせ等によって変調される。
【００５５】＜電極＞電極７および金属層１１は、一対の電極としての役目を有し、磁気抵抗効果素子１を構成する各層の積層方向に磁気抵抗効果素子１を介して配設されている。つまり、電極７および金属層１１は、信号（電流）を磁気抵抗効果素子１に対して、構成する各層の面と交差する方向、例えば、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。電極７は、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、ＡｕＣｕ、Ｒｕ、もしくはこれらの材料のいずれか２つ以上の膜で構成されることが好ましい。
【００５６】＜端子＞磁気抵抗効果素子１は、一端（磁化自由層２側）が金属層１１を介して入力端子８、基準電位端子１０に電気的に接続され、他端（磁化固定層４側）が電極７を介して出力端子９と印加端子６に電気的に接続されている。
【００５７】電気的な接続を次のように定義する。他端と出力端子９間に電位差が生じた際に、他端と出力端子９に電流が流れることを他端と出力端子９が電気的に接続されていると定義する。例えば他端と出力端子９間に絶縁物が配置されていたり、空間的な隔たりがあったとしても、その厚みが非常に薄く、他端と出力端子９間に電流が流れる場合は他端と出力端子９が電気的に接続されているとする。
【００５８】＜直流電流源、電圧源＞印加端子６に直流電流源１２もしくは直流電圧源が接続されることで、磁気抵抗効果素子１に直流電流を印加することが可能になる。また、直流入力端子６と直流電流源１２との間に、高周波信号をカットするための、インダクタまたは抵抗素子が直列に接続されてもよい。また、直流電流源１２からの直流電流が磁気抵抗効果素子１に効率的に印加されるように入力端子８と電極７の間と、金属層１１と出力端子９の間に直流信号をカットするコンデンサを直列に接続してもよい。直流電流源１２は、一定の直流電流を発生可能な、固定抵抗と直流電圧源との組み合わせの回路により構成されてもよい。また直流電流源１２に変えて、直流電圧源を接続し、磁気抗効果素子１に直流電圧を印加してもよい。
【００５９】＜基準電位端子＞基準電位端子１０は、基準電位として機能する。例えば、基準電位端子１０をグラウンドと接続することで、基準電位が決定する。基準電位端子１０は金属層１１に接続される。
【００６０】電極７、金属層１１及び基準電位端子１０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、電極７、金属層１１、基準電位端子１０で構成される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、信号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伝送損失を抑えることができる。
【００６１】＜金属層＞  金属層１１には磁気抵抗効果素子１が磁化自由層２、スペーサ層３、磁化固定層４の順で配置され、積層体を成す。金属層１１は磁化自由層２の積層方向から見て重なる領域５を有する。
【００６２】  ここで、スピン軌道トルク共鳴について説明する。入力端子８から入力される高周波信号が金属層１１に流れることでスピンホール効果が発生し、スピン偏極した電流を伴わないスピン流であるスピン流（純スピン流）が高周波信号の流れる向きと直交する方向、例えば、図１中の金属層１１から上方向と、下方向にそれぞれ流れる。この高周波信号が金属層１１の領域５に流れることで、上方向に流れる純スピン流は磁化自由層２に注入される。
【００６３】  スピン流のスピン偏極の向きは電流の向きで変化する。例えば、入力端子８から基準電位端子１０の向きに直流電流を印加した場合、上向きにスピン偏極されたスピン流が磁化自由層２に注入される。一方、基準電位端子１０から入力端子８の向きに直流電流を印加した場合、下向きにスピン偏極されたスピン流が磁化自由層２に注入される。
【００６４】  金属層１１は磁化自由層２に直接接続していてもよいが、金属層１１から磁化自由層２に純スピン流が流れ込む限り、金属層１１と磁化自由層２の間に他の層が配置されていてもよい。
【００６５】金属層１１は電流が流れるとスピンホール効果によって純スピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、金属層１１中にスピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、純スピン流が生成される材料で構成される部分と純スピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるもの等であってもよい。
【００６６】  また、金属層１１は非磁性の重金属を含んでもよい。重金属は、スピン軌道相互作用の大きい重金属、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｂ、あるいは、これらの合金から構成される。また、重金属として、導電性の材料に、これらの重金属又は合金をドープしたものを使用してもよい。また、所望の電気特性や構造を得るため、適宜、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等の材料を重金属に添加してもよい。金属層１１は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
【００６７】また、金属層１１は磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、金属層１１に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。金属層１１は反強磁性金属だけからなってもよい。
【００６８】スピン偏極したスピン流は磁化自由層２の磁化にスピン軌道トルク（Spin Orbit Torque：ＳＯＴ）として作用し、磁化自由層２の磁化は向きを変えることができる。高周波信号を金属層１１に流すことで磁化自由層２に注入されるスピンの向きが高周波で変化し、磁化自由層２の磁化の向きが高周波で変化する。磁化自由層２の磁化が強く振動することで磁化自由層２の磁化と磁化固定層４の磁化との相対角度が振動し、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が高周波信号と同じ周波数で振動する。振動する抵抗は磁気抵抗効果素子１に印加する直流電流、もしくは直流電圧によって交流信号となる。例えば磁気抵抗効果素子１に直流電流を印加した場合、交流信号の強度は振動する抵抗値と印加した直流電流の値との積で表される。交流信号は出力端子９に出力される。
【００６９】この時、高周波信号の周波数が磁化自由層２の共鳴周波数に近ければ、磁化自由層２の磁化は高周波信号に共鳴し、強く振動するスピン軌道トルク共鳴が発生する。磁化自由層２の磁化が強く振動することで、大きな交流信号が出力端子９に出力される。
【００７０】一方、高周波信号の周波数が磁気抵抗効果素子１の共鳴周波数から離れている場合、スピン軌道トルクによって磁化自由層２の磁化は強く振動せず、上記のような大きな交流信号を発生させない。
【００７１】従って、磁気抵抗効果デバイス１００は共鳴周波数付近における信号を伝送し、共鳴周波数から離れた信号を減衰する帯域通過フィルタとして動作する。
【００７２】帯域通過フィルタの挿入損は磁気抵抗効果素子１によって出力される交流信号の強度に依存し、交流信号の強度が大きいほど、挿入損は小さくなる。
【００７３】また、磁気抵抗効果素子１によって出力される交流信号の強度が入力端子８から入力した高周波信号の強度よりも大きい場合、磁気抵抗効果デバイス１００は入力した信号を増幅する増幅器として動作する。
【００７４】  磁気抵抗効果素子１に印加する直流電流、もしくは直流電圧は磁化自由層２の磁化にスピントランスファトルクとしても作用する。
【００７５】磁化自由層２の磁化と磁化固定層４の磁化との相対角度が概ね９０度以上の場合、磁化自由層２から磁化固定層４の向きに電流を印加するほうが好ましい。この場合、スピントランスファトルクは磁化自由層２の磁化のダンピングを小さくするように作用し、磁化自由層２の磁化の振動が大きくなる。
【００７６】また、磁化自由層２の磁化と磁化固定層４の磁化との相対角度が概ね９０度未満の場合、磁化固定層４から磁化自由層２の向きに電流を印加するほうが好ましい。この場合、スピントランスファトルクは磁化自由層２の磁化のダンピングを小さくするように作用し、磁化自由層２の磁化の振動が大きくなる。
【００７７】  また、磁化自由層２の磁化と磁化固定層４の磁化との相対角度が概ね９０度の時、単位磁化振幅あたりの抵抗の振動の大きさは最大となる。
【００７８】＜磁場供給機構（手段）＞  磁気抵抗効果デバイス１００の動作時には、磁気抵抗効果素子１に外部磁場を印加してもよい。つまり、磁気抵抗効果素子１に外部磁場を印加する磁場供給機構１３をさらに設けてもよい。磁場供給機構１３は、磁気抵抗効果素子１に外部磁場を印加し、磁気抵抗効果素子１にスピン軌道トルク共鳴現象を誘起する。
【００７９】  磁場供給機構１３は、磁気抵抗効果素子１の近傍に配設されることが好ましい。磁場供給機構１３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。
【００８０】さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は磁気抵抗効果素子１のインピーダンスが金属層１１のインピーダンスよりも大きくてもよい。
【００８１】  磁気抵抗効果素子１のインピーダンスを金属層１１のインピーダンスよりも大きくするには、磁気抵抗効果素子１の面積抵抗を大きくする、素子サイズを小さくする、もしくはスペーサ層３に非磁性絶縁材料を用いて磁気抵抗効果素子１のインピーダンスを大きくしてもよい。
【００８２】  また、金属層１１の膜厚を厚くしたり、面積を大きくして金属層１１のインピーダンスを小さくしてもよい。
【００８３】これによって入力端子８からの高周波信号が金属層１１から基準電位端子１０により多く流れるので、磁気抵抗効果デバイス１００は以下の２つの効果を有する。
【００８４】強度の大きな高周波信号を磁気抵抗効効果デバイス１００に入力しても磁気抵抗効果素子１が破壊されにくい。高周波信号を磁気抵抗効果デバイス１００に入力した際に、入力端子８からの高周波信号は磁気抵抗効果素子１に流れるよりも基準電位端子１０の方により多く流れ、磁気抵抗効果素子１に大きな強度の信号が流れにくいため、磁気抵抗効果素子１が破壊されにくい。
【００８５】さらに、高周波信号は磁気抵抗効果素子１に流れるよりも基準電位端子１０により多く流れるので、帯域通過フィルタの帯域外の遮断特性を向上させることができる。高周波信号の周波数が磁化自由層２の共鳴周波数から離れている時、入力した高周波信号は磁気抵抗効果素子１に流れにくいため、出力端子９に出力される信号を小さくすることができ、帯域外の遮断特性を向上させることができる。
【００８６】さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイス１００は磁化自由層２の共鳴周波数を変化させる周波数設定機構を備える。＜周波数設定機構（手段）＞
【００８７】  周波数設定機構として、磁場供給機構１３を利用してもよい。磁化自由層２の共鳴周波数は、磁場供給機構１３から供給される外部磁場の周波数等を変更することで、自由に設定することができる。すなわち、磁場供給機構１３は、周波数設定機構として機能する。
【００８８】共鳴周波数は、外部磁場以外の方法によっても変えることができる。例えば、以下のような方法を用いることができる。
【００８９】一つの例として、磁気抵抗効果素子１に電場を印加し、その電場を変化させてもよい。印加する電場を変化させることにより、磁化自由層２における異方性磁場Ｈｋが変化する。その結果、磁化自由層２における有効磁場が変化し、磁化自由層２の共鳴周波数を変化させることができる。この場合、磁気抵抗効果素子１に電場を印加する機構が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。
【００９０】また別の例として、磁化自由層２の近傍に圧電体を設けてもよい。圧電体に電場を印加し、圧電体を変形させ、磁化自由層２を歪ませる。その結果、磁化自由層２における異方性磁場Ｈｋが変化し，磁化自由層２における有効磁場が変化し、磁化自由層２の共鳴周波数を変化させることができる。この場合、圧電体に電場を印加する機構および圧電体が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。
【００９１】また別の例として、電気磁気効果を有する反強磁性体またはフェリ磁性体である制御膜を磁化自由層２に磁気的に結合するように設けてもよい。制御膜に磁場と電場を印加し、制御膜に印加する磁場と電場の少なくとも一方を変化させることにより、磁化自由層２における交換結合磁場ＨＥＸを変化させる。その結果、磁化自由層２における有効磁場が変化し、磁化自由層２の共鳴周波数を変化させることができる。この場合、制御膜に磁場を印加する機構、制御膜に電場を印加する機構および制御膜が、周波数設定機構（有効磁場設定機構）となる。
【００９２】このように磁気抵抗効果デバイス１００は、磁化自由層２と磁化固定層４とスペーサ層３とを有する磁気抵抗効果素子１と、金属層１１と、電極７と、入力端子８と、出力端子９と、基準電位端子１０とを有し、金属層１１、磁化自由層２、スペーサ層３、磁化固定層４、電極７はこの順で配置され、磁化固定層４は電極７と電気的に接し、電極７は高周波信号を出力する出力端子９に接続され、金属層１１は磁化自由層２の積層方向からみて重なる領域（第１の領域）５を有し、入力端子８から金属層１１に流れる高周波信号が領域５を介して、基準電位端子１０に流れるように、金属層１１は入力端子８と基準電位端子１０に接続され、磁気抵抗効果素子１に直流電流、もしくは直流電圧を印加するための印加端子６を備える。
【００９３】したがって、入力端子８からの信号が金属層１１の領域５に流れることでスピンホール効果が発生し、スピン偏極したスピン流が磁化自由層２に注入される。スピン偏極したスピン流は磁化自由層２の磁化にスピン軌道トルクとして作用し、磁化自由層２の磁化は向きを変える。高周波信号を金属層１１に流すことで磁化自由層２に注入されるスピンの向きが高周波で変化する。高周波信号が磁化自由層２の共鳴周波数と同じ周波数であれば、磁化自由層２の磁化は共鳴し、強く振動する。磁化自由層２の磁化が強く振動することで磁化自由層２の磁化と磁化固定層４の磁化との相対角度が振動し、磁気抵抗効果素子１の抵抗値が高周波信号と同じ周波数で振動する。振動する抵抗は磁気抵抗効果素子１に印加する直流電流、もしくは直流電圧によって交流信号となって出力端子９に出力される。高周波信号が磁気抵抗効果素子１の共鳴周波数から離れた周波数の場合、スピン偏極したスピン流によって磁化自由層２の磁化は強く振動せず、上記のような交流信号を発生させない。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は共鳴周波数における信号を伝送し、共鳴周波数から離れた信号を減衰する帯域通過フィルタとして動作する。
【００９４】さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は磁気抵抗効果素子１のインピーダンスが金属層１１のインピーダンスよりも大きくてもよい。
【００９５】この場合、高周波信号は金属層１１から基準電位端子１０により多く流れるので、強度の大きな高周波信号を磁気抵抗効果デバイス１００に入力しても、磁気抵抗効果素子１が破壊されにくくなり、磁気抵抗効果デバイス１００は入力電力が大きい場合に対応した帯域通過フィルタとして動作する。さらに、高周波信号は基準電位端子１０により多く流れるので、帯域外の遮断特性が向上する。
【００９６】さらに、磁気抵抗効果デバイス１００は磁化自由層２の共鳴周波数を変化させる周波数設定機構をさらに備えてもよい。
【００９７】この場合、磁化自由層２の共鳴周波数を変えることができ、磁気抵抗効果デバイス１００は周波数可変帯域遮断フィルタとして動作する。
【００９８】（第２実施形態）図２は、本発明の第２の実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス２００の模式図である。磁気抵抗効果デバイス２００において、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１実施形態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。磁気抵抗効果デバイス２００は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００に対し、さらに、第２の磁気抵抗効果素子２１を有する。第２の磁気抵抗効果素子２１は第２の磁化自由層２２と、第２のスペーサ層２３と、第２の磁化固定層２４を有する。磁気抵抗効果デバイス２００のその他の構成は、第１実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同じである。
【００９９】  金属層１１は第２の磁化自由層２２、第２のスペーサ層２３、第２の磁化固定層２４、電極７がこの順で配置され、積層体を成す。金属層１１は第２の磁化自由層２２の積層方向から見て重なる第２の領域２５を有する。
【０１００】＜電極＞電極７および金属層１１は、一対の電極としての役目を有し、第２の磁気抵抗効果素子２１を構成する各層の積層方向に第２の磁気抵抗効果素子２１を介して配設されている。つまり、電極７および金属層１１は、信号（電流）を第２の磁気抵抗効果素子２１に対して、構成する各層の面と交差する方向、例えば、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。
【０１０１】＜端子＞第２の磁気抵抗効果素子２１は、一端（第２の磁化自由層２２側）が金属層１１を介して入力端子８、基準電位端子１０に電気的に接続され、他端（第２の磁化固定層２４側）が電極７を介して出力端子９と印加端子６に電気的に接続されている。入力端子８から入力される高周波信号は第２の領域２５を介して基準電位端子１０に流れるように金属層１１は入力端子８と基準電位端子１０に接続される。
【０１０２】第２の磁気抵抗効果素子２１には磁気抵抗効果素子１と同様に高周波信号が第２の領域２５に流れることで、スピン偏極したスピン流が第２の磁化自由層２２に注入されて、スピン軌道トルク共鳴が発生し、第２の磁気抵抗効果素子２１の抵抗が振動し、磁気抵抗効果素子２１に印加する直流電流もしくは直流電圧によって交流信号を発生させる。磁気抵抗効果素子１と第２の磁気抵抗効果素子２１による交流信号が出力端子９に出力されるので、磁気抵抗効果デバイス２００の出力する信号強度が向上する。
【０１０３】さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイス２００は磁化自由層２と第２の磁化自由層２２の共鳴周波数が異なってもよい。
【０１０４】共鳴周波数は各磁化自由層の有効磁場によって変化する。磁化自由層２と第２の磁化自由層２２の共鳴周波数を異なるようにするには、例えば周波数設定機構が活用できる。磁気抵抗効果素子（第１の磁気抵抗効果素子）１と第２の磁気抵抗効果素子２１の一方、または両方に周波数設定機構を設け、それぞれの有効磁場をずらすことで共鳴周波数が異なるように周波数を設定する。
【０１０５】または、磁気抵抗効果素子の素子サイズで共鳴周波数を変化させてもよい。磁気抵抗効果素子の素子サイズを変化させると、磁化自由層の形状磁気異方性が変化し、有効磁場が変化する。例えば第２の磁気抵抗効果素子２１の素子サイズを磁気抵抗効果素子１よりも小さくすることでそれぞれの共鳴周波数が異なるように設定することができる。
【０１０６】磁化自由層２と第２の磁化自由層２２の共鳴周波数が異なることによって、磁化自由層２と第２の磁化自由層２２は入力した高周波信号のうち、異なる周波数で強く共鳴し、交流信号を出力端子９に出力するため、磁気抵抗効果デバイス２００は広帯域の帯域通過フィルタとして動作する。
【０１０７】このように、磁気抵抗効果デバイス２００は第２の磁気抵抗効果素子２１を有し、第２の磁気抵抗効果素子２１は第２の磁化自由層２２と第２のスペーサ層２３と第２の磁化固定層２４とを有し、金属層１１、第２の磁化自由層２２、第２のスペーサ層２３、第２の磁化固定層２４、電極７はこの順で配置され、金属層１１は第２の磁化自由層２２の積層方向から見て重なる第２の領域２５を有し、入力端子８から金属層１１に流れる高周波信号は第２の領域２５を介して、基準電位端子１０に流れるように金属層１１は入力端子８と基準電位端子１０に接続されていることを特徴とする。
【０１０８】  したがって、複数の磁気抵抗効果素子の磁化自由層が高周波信号によって共鳴し、より大きな交流信号を発生させることで磁気抵抗効果デバイス２００の信号強度が向上する。
【０１０９】さらに、磁気抵抗効果デバイス２００は磁化自由層２と第２の磁化自由層２２の共鳴周波数が異なってもよい。
【０１１０】この場合、共鳴する周波数帯域を広げることができ、磁気抵抗効果デバイス２００は広帯域の帯域通過フィルタとして動作する。
【０１１１】（第３実施形態）図３は、本発明の第３実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス３００の模式図である。磁気抵抗効果デバイス３００において、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第１の実施形態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。磁気抵抗効果デバイス３００は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００に対し、さらに、第３の磁気抵抗効果素子３１と、第２の電極３７とを有する。第３の磁気抵抗効果素子３１は第３の磁化自由層３２と、第３のスペーサ層３３と、第３の磁化固定層３４を有する。磁気抵抗効果デバイス３００のその他の構成は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１００と同じである。
【０１１２】磁化自由層２、金属層１１、第３の磁化自由層３２、第３のスペーサ層３３、第３の磁化固定層３４、第２の電極３７がこの順で配置され、積層体を成す。金属層１１は第３の磁化自由層３２の積層方向から見て重なる第３の領域３５を有する。
【０１１３】第３の磁気抵抗効果素子３１は、一端（第３の磁化自由層３２側）が金属層１１を介して入力端子８、基準電位端子１０に電気的に接続され、他端（第３の磁化固定層３４側）が第２の電極３７を介して出力端子９と印加端子６に電気的に接続されている。入力端子８から入力される高周波信号は第３の領域３５を介して基準電位端子１０に流れるように金属層１１は入力端子８と基準電位端子１０に接続される。
【０１１４】第３の磁気抵抗効果素子３１に直流電流もしくは直流電圧を印加するために、第２の電極３７は印加端子６に接続される。印加端子６に直流電流源１２を接続し、磁気抵抗効果素子１と第３の磁気抵抗効果素子３１に直流電流を印加する。
【０１１５】一方、磁気抵抗効果素子１と第３の磁気抵抗効果素子３１に印加する電流値を個別に調整するために図４のように磁気抵抗効果デバイス３００は第２の印加端子３６をさらに有し、第２の電極３７は第２の印加端子３６に接続されていてもよい。印加端子６に直流電流源１２を接続し、第２の印加端子３６に第２の直流電流源３８を接続し、各直流電流源を制御することで各磁気抵抗効果素子に印加する直流電流を個別に調整することができる。また、第２の印加端子３６に直流電流源１２を接続し、第２の印加端子３６と直流電流源１２の間に可変抵抗を接続してもよく、可変抵抗の抵抗値を調整することでも各磁気抵抗効果素子に印加する直流電流を個別に調整することができる。
【０１１６】また、直流電流源の代わりに直流電圧源を接続し、各磁気抵抗効果素子に直流電圧を印加してもよい。
【０１１７】  磁気抵抗効果デバイス３００の入力端子８に高周波信号を入力すると、高周波信号は金属層１１を流れ、領域５と第３の領域３５にはスピンホール効果が発生する。領域５において図３中の上方向に流れるスピン偏極したスピン流は磁化自由層２に注入され、さらに第３の領域３５において下方向に流れるスピン偏極したスピン流は第３の磁化自由層３２に注入されることで、各磁化自由層にはスピン軌道トルクが作用する。これによって磁気抵抗効果素子１と第３の磁気抵抗効果素子３１はそれぞれ交流信号を発生させ、出力端子９に出力されるので、磁気抵抗効果デバイス３００の信号強度が向上する。
【０１１８】  領域５と第３の領域３５は重なっていてもよい。入力端子８から入力される高周波信号は金属層１１でスピンホール効果が発生し、金属層１１の図３中の上方向と下方向にスピン偏極したスピン流が流れるため、領域５と第３の領域３５が重なっていても、効果的に磁化自由層２と第３の磁化自由層３２の磁化にスピン軌道トルクを作用させることができる。
【０１１９】このように、磁気抵抗効果デバイス３００は第３の磁気抵抗効果素子３１と、第２の電極３７とを有し、第３の磁気抵抗効果素子３１は第３の磁化自由層３２と第３のスペーサ層３３と第３の磁化固定層３４とを有し、磁化自由層２、金属層１１、第３の磁化自由層３２、第３のスペーサ層３３、第３の磁化固定層３４、第２の電極３７はこの順で配置され、金属層１１は第３の磁化自由層３２の積層方向から見て重なる第３の領域３５を有し、入力端子８から金属層１１に流れる高周波信号は第３の領域３５を介して、基準電位端子１０に流れるように金属層１１は入力端子８と基準電位端子１０に接続され、第３の磁化固定層３４は第２の電極３７と電気的に接し、第２の電極３７は出力端子９に接続され、第３の磁気抵抗効果素子３１に直流電流、もしくは直流電圧を印加する手段を有する。
【０１２０】したがって、スピンホール効果によって金属層１１の上下面にはスピン偏極したスピン流が流れ、上下面に流れるスピン流をそれぞれ磁気抵抗効果素子の磁化自由層に注入することで、より大きな交流信号を発生させ、磁気抵抗効果デバイス３００の信号強度が向上する。
【０１２１】  （磁気抵抗効果モジュール）本発明の磁気抵抗効果モジュールについて説明する。この磁気抵抗効果モジュールは第１実施形態から第３実施形態の磁気抵抗効果デバイスの少なくとも一つの磁気抵抗効果デバイスと、直流電流源を有する。直流電流源は直流電流印加端子に接続され、磁気抵抗効果素子に直流電流を印加する。
【０１２２】直流電流源の代わりに直流電圧源を接続し、磁気抵抗効果素子に直流電圧を印加してもよい。
【０１２３】また、磁気抵抗効果モジュールは複数の直流電流源を有してもよい。例えば、磁気抵抗効果モジュールは第３実施形態の磁気抵抗効果デバイス３００と、直流電流源１２と、第２の直流電流源３８を有し、直流電流源１２は印加端子６と、第２の直流電流源３８は第２の印加端子３６と接続されてもよい。もしくは、磁気抵抗効果モジュールはさらに第２の直流電流源３８を有し、直流電流源１２は直流電流印加端子６に接続され、第２の直流電流源３８は第２の直流電流印加端子３６に接続されてもよい。
【０１２４】したがって、磁気抵抗効果モジュールでは、磁気抵抗効果デバイスに直流電流、もしくは直流電圧を印加し、帯域通過フィルタ、もしくは増幅器の機能を有する磁気抵抗効果モジュールとして機能する。
【０１２５】  図５に、ＬＬＧシミュレーションを用いて、磁化固定層及び磁化自由層が膜面内方向に磁化容易軸を有する場合に、磁気抵抗効果素子の抵抗値の振動の大きさ（スピントルク共鳴の大きさ）について、金属層に電流が流れることで生成された純スピン流の電子のスピン（以下、「ＳＯＴスピン」ということがある）の方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角、及び、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角、に対する依存性を調べた結果を示す。  図５において、横軸はＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角、縦軸は磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角を示し、濃淡が磁気抵抗効果素子の抵抗値の振動の大きさを示す。
【０１２６】  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：１２０ｎｍφ、円柱形状磁化自由層の厚さ：２ｎｍ  ダンピング定数α：０．０２  磁化自由層の飽和磁化Ｍｓ：１．３１×１０６Ａ／ｍ  磁化自由層の垂直磁気異方性磁場Ｈｕ：１．１９×１０６Ａ／ｍ  磁化自由層に印加される静磁場の外部磁場：８７０Ｏｅ磁化固定層のスピン分極率Ｐ：０．５１  磁気抵抗効果素子に印加する直流電流：１０−４Ａ純スピン電流：１０−６Ａ
【０１２７】  図５に示す結果から、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角が９０°のときに最もスピントルク共鳴が大きいことがわかった。また、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角が１２０°のときに最もスピントルク共鳴が大きいことがわかった。
【０１２８】  図６に、磁化固定層及び磁化自由層が膜面直方向に磁化容易軸を有する場合についても、ＬＬＧシミュレーションを用いて、図５と同様の依存性を調べた結果を示す。
【０１２９】  図５の場合と異なるシミュレーションの条件は、以下の通りである。磁化自由層の垂直磁気異方性磁場Ｈｕ：１．３１×１０６Ａ／ｍ  磁化自由層に印加される静磁場の外部磁場：１０００Ｏｅ
【０１３０】  図６に示す結果から、磁化固定層及び磁化自由層が膜面直方向に磁化容易軸を有する場合についても、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角が９０°のときに最もスピントルク共鳴が大きいこと、また、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角が１２０°のときに最もスピントルク共鳴が大きいことがわかった。
【０１３１】図５及び図６の結果から、より強いトルクが働き、磁化が大きく振動し、通過特性が改善されるためには、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角が６０°以上１２０°以下であることが好ましいことがわかった。金属層に流れる高周波電流の方向はＳＯＴスピンの方向から９０°回転しているので、ＳＯＴスピンの方向と磁化自由層の磁化の向きとの相対角が６０°以上１２０°以下の場合とは、金属層に流れる高周波信号（電流）の方向と磁化自由層の磁化の方向との相対角が１５０°以上１８０°以下、又は、０°以上３０°以下の場合に相当する。
【０１３２】図５及び図６の結果から、より共鳴の強度が強まり、通過特性が改善されるためには、磁化固定層の磁化の向きと磁化自由層の磁化の向きとの相対角が９０°以上１５０°以下であることが好ましいことがわかった。
【０１３３】（第４実施形態）  図７は、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の一例を示した模式図である。図７に示す磁気抵抗効果デバイス１０００は、第１の磁気抵抗効果素子１０１と、金属層１１１と、第1の電極１０７と、入力端子１０８と、出力端子１０９と、基準電位端子１１０と、印加端子１０６とを備える。第１の磁気抵抗効果素子１０１は第１の強磁性層１０２、第１のスペーサ層１０３、第２の強磁性層１０４を有する。第１の強磁性層及び第２の強磁性層は一方が磁化自由層、他方が磁化固定層である構成や両方が磁化自由層である構成であってもよいが、以下では、第１の強磁性層が磁化自由層、第２の強磁性層が磁化固定層の場合を例に説明する。
【０１３４】図７に示す磁気抵抗効果デバイス１０００は、金属層１１１、第１の強磁性層１０２、第１のスペーサ層１０３、第２の強磁性層１０４および第１の電極１０７はこの順で配置されている。また、第２の強磁性層１０４は第１の電極１０７と電気的に接し、第１の電極１０７は高周波信号を出力する出力端子１０９に接続されている。また、高周波電流印加手段（図示せず）に接続された入力端子１０８から金属層１１１に流れる高周波信号が基準電位端子１１０に流れるように、金属層１１１は入力端子１０８と基準電位端子１１０とに接続されている。また、第１の強磁性層１０２は基準電位端子１１０と電気的に接している。また、第１の磁気抵抗効果素子１０１に直流電流又は直流電圧を印加するための印加端子１０６を備える。符号１１２は、直流電流源である。また、符号１１３は、磁場印加機構（周波数設定機構）である。
【０１３５】  図７に示す磁気抵抗効果デバイス１０００では、入力端子１０８から入力される高周波信号が金属層１１１に流れることでスピンホール効果が発生し、スピン偏極した、電流を伴わないスピン流であるスピン流（純スピン流）が高周波信号の流れる向きと直交する方向、例えば、図７中の金属層１１１から上方向と、下方向にそれぞれ流れる。純スピン流も入力端子１０８から入力される高周波信号と同じ周波数を有する。上方向に流れた純スピン流は磁化自由層である第１の強磁性層１０２に注入される。入力端子１０８から金属層１１１に流れる高周波電流が第１の強磁性層１０２（および／または第２の強磁性層１０４）の磁化自由層の共鳴周波数と同じ周波数であれば、第１の強磁性層１０２（および／または第２の強磁性層１０４）の磁化は共鳴し、強く振動する。第１の磁気抵抗効果素子の抵抗値は第１の強磁性層１０２と第２の強磁性層１０４との相対角度で変化するので、磁化が強く振動することで第１の第１磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値が大きく変化しながら振動する。この時、第１の第１磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は高周波信号と同じ周波数で振動する。振動する抵抗値は第１の磁気抵抗効果素子に印加する直流電流もしくは電圧によって、交流信号となって出力端子１０９に出力される。高周波信号が前記共鳴周波数から離れた周波数の場合、磁化は強く振動せず、大きな交流信号を発生させない。さらに入力端子から磁気抵抗効果デバイスに入力した高周波信号は基準電位端子に流れるため、出力端子に流れる信号の強度は減衰する。従って磁気抵抗効果デバイスは共鳴周波数における信号を伝送し、共鳴周波数から離れた信号を減衰する帯域通過フィルタとして動作する。高周波信号が金属層に流れる際に電流による磁場が第１の強磁性層１０２の磁化に印加されることで第１の強磁性層１０２の磁化の有効磁場が高周波で変化し、第１の強磁性層１０２の磁化が振動する強磁性共鳴が起こり、入力端子から入力した高周波信号が磁性層１の共鳴周波数と一致した時、大きな交流が出力端子に出力され、フィルタの通過特性が改善される。
【０１３６】  図７に示す磁気抵抗効果デバイス１０００では、入力端子１０８と金属層１１１との間にコンデンサＣ１と、このコンデンサＣ１と金属層１１１との間と基準電位端子１１０との間にインダクタＬ１とを備えており、また、第1の電極１０７と出力端子１０９との間にコンデンサＣ２と、このコンデンサＣ２と第1の電極１０７との間と印加端子１０６との間にインダクタＬ２とを備えた例を示している。インダクタＬ１、Ｌ２は、電流の高周波成分をカットし、電流の直流成分のみを通す。コンデンサＣ１、Ｃ２は、電流の直流成分を通さず、交流成分のみを通す。
【０１３７】  コンデンサＣ１及びインダクタＬ１と、コンデンサＣ２及びインダクタＬ２とを備える構成によって、図８に示すように、入力端子１０８から入力された高周波電流は１点鎖線で示したように流れ、また、直流電流源１１２から印加端子１０６を介して印加された直流電流は２点鎖線で示したように流れる。
【０１３８】  また、入力端子１０８と出力端子１０９間のインピーダンスが入力端子１０８と基準電位端子１１０間のインピーダンスよりも高いことが好ましい。この構成では、入力端子からの高周波信号は基準電位端子に流れやすくなり、フィルタの遮断特性が改善される。
【０１３９】また、入力端子１０８から第１の磁気抵抗効果素子１０１を介して、出力端子１０９に高周波信号が流れるように第１の強磁性層１０２が金属層１１１と電気的に接続され、第１の磁気抵抗効果素子１０１の抵抗RMTJ、金属層１１１の抵抗Rlead、特性インピーダンスZ0が式（１）を満たすことが好ましい。【数２】
2018052062.tif 000004
【０１４０】  式（１）は以下のようにして得られる。  磁気抵抗効果デバイスの簡易的な等価回路は図９のように表される。第１の磁気抵抗効果素子１０１の抵抗RMTJが入力端子、出力端子間に直列に接続される。さらに入力端子と第１の磁気抵抗効果素子１０１の抵抗RMTJ間には金属層１１１の抵抗Rleadの一端が結線され、金属層１１１の抵抗Rleadの他端は接地している。入力端子には高周波信号源Vsと特性インピーダンスに対応した抵抗Z０が接続され、出力端子には特性インピーダンスに対応した抵抗Z０が接続されている。伝送特性Ｓ２１は式（２）で計算される。式（２）より、Ｓ２１が−２０ｄＢ以上の良好な遮断特性を得るためには式（３）の値が１８以上であればよい。【数３】
2018052062.tif 000005
【数４】
2018052062.tif 000006
【０１４１】第１の磁気抵抗効果素子１０１に純スピン流が流れることで第１の強磁性層１０２（および／または第２の強磁性層１０４）はスピントランスファトルクによる強磁性共鳴現象が発生し、入力端子１０８から入力した高周波信号が第１の強磁性層１０２（および／または第２の強磁性層１０４）の共鳴周波数と一致したとき、大きな交流電流が出力端子１０９に出力され、通過特性が改善される。
【０１４２】  金属層１１１の抵抗は金属層の厚みや幅、長さを変化させたり、金属層の材料によって調整することができる。例えば金属層の抵抗が下がるように調整する場合は、金属層を薄くしたり、材料として抵抗率の低いＡｕ、Ｃｕ等を用いてもよく、一方、抵抗が上がるように調整する場合は金属層を厚くしたり、材料として抵抗率の高いＷ、Ｔａ等を用いてもよい。
【０１４３】さらにフィルタの通過特性を向上させるには入力端子より磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波電流が第１の磁気抵抗効果素子１０１により多く流れ込めばよい。このとき、より大きなスピントランスファトルクが第１の強磁性層１０２の磁化に働き、磁化はより強く共鳴し、第１の磁気抵抗効果素子１０１の振動する抵抗成分が大きくなって、出力が向上する。式（３）の値が小さければ良く、３８以下であれば最大値の０．５倍以上の電流が流れ、通過特性の向上が見込める。
【０１４４】また、金属層１１１は第１の強磁性層１０２の積層方向から見て重なる第１の領域（図１参照）を有し、入力端子１０８から金属層１１１に流れる高周波電流のうち、第１の強磁性層１０２の第１の領域以外の第２の領域の電流密度が第１の領域の電流密度よりも大きいこと、すなわち、第２の領域が第１の領域よりも電気抵抗が小さいことが好ましい。金属層１１１に流れる高周波電流の電流密度は第１の領域の方が第２の領域よりも小さいので、第１の領域における発熱が抑えられ、直上の磁気抵抗効果素子が高温になることで素子特性が劣化することを抑制できる。
【０１４５】また、金属層１１１がコンデンサＣ３（図１０参照）を介して基準電位端子１１０と接続されていることが好ましい。金属層１１１と基準電位端子１１０間にコンデンサＣ３を挟むことで、直流電流が基準電位端子１１０と入力端子１０８に分流せず、入力端子１０８側にだけ直流電流が流れることで、その直流電流によって生成したＳＯＴスピンが第１の強磁性層１０２の磁化に働き、共鳴の強度を高められ、信号強度が向上する。
【０１４６】また、金属層１１１がコンデンサＣ３（図１０参照）を介して基準電位端子１１０と接続されている場合において、金属層１１１は第１の強磁性層１０２の積層方向から見て重なる第１の領域を有し、入力端子１０８から金属層１１１に流れる高周波信号が第１の領域を介して基準電位端子１１０に流れるように、金属層１１１は入力端子１０８と基準電位端子１１０とに接続され、入力端子１０８から入力される高周波電流が金属層１１１がコンデンサＣ３と電気的に接続される接続点へ流れる方向に対して、第２の強磁性層１０４の磁化の方向が反時計回りに９０度傾いていることが好ましい。この構成によって、ＳＴＴの効果とＳＯＴの効果とが強め合うからである。
【０１４７】この理由を、まず直流電流（ＤＣ成分）について図１１を用いて説明する。次いで、ＲＦ成分について図１２を用いて説明する。なお、図１１及び図１２において、図１０と同じ部材については符号を省略している。図１１（ａ）は、第１の強磁性層１０２から第２の強磁性層１０４に直流電流を印加した場合である。図１１（ａ）において、左側の図は断面図であり、右側の図は平面図である。電子は第２の強磁性層１０４を通り、第１の強磁性層１０２に流れる。その際に、第２の強磁性層１０４の磁化方向に偏極されたスピンが第１の強磁性層１０２に注入されＳＴＴが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（直流ＳＴＴの効果）。また、直流電流が金属層１１１に流れることでスピンホール効果によって偏極したスピンが第１の強磁性層１０２に注入され、スピン軌道相互作用によるトルクが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（直流ＳＯＴの効果）。この２つのトルクが強め合う条件は偏極方向が同じことであり、第２の強磁性層１０４の磁化の方向が金属層１１１に流れる直流電流の方向に対して、反時計周りに９０度傾いているときである。
【０１４８】  図１１（ｂ）は、第２の強磁性層１０４から第１の強磁性層１０２に直流電流を印加した場合である。図１１（ｂ）において、左側の図は断面図であり、右側の図は平面図である。電子は第１の強磁性層１０２を通り、第２の強磁性層１０４に流れる。その際に、第２の強磁性層１０４の磁化方向に偏極されたスピンは電極に流れ出るが、第２の強磁性層１０４の磁化方向と逆向きのスピンは第１の強磁性層１０２の方向に反射し、第１の強磁性層１０２に注入されＳＴＴが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（直流ＳＴＴの効果）。また、直流電流が金属層に流れることでスピンホール効果によって偏極したスピンが第１の強磁性層１０２に注入され、スピン軌道相互作用によるトルクが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（直流ＳＯＴの効果）。この２つのトルクが強め合う条件は、偏極方向が同じことであり、第２の強磁性層１０４の磁化の方向が金属層に流れる直流電流の方向に対して、時計周りに９０度傾いているときである。
【０１４９】図１２（ａ）は、入力端子１０８より磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波電流について、瞬間的に金属層１１１において電子が右から左へ流れている場合である。図１２（ａ）において、左側の図は断面図であり、右側の図は平面図である。このとき、第２の強磁性層１０４から第１の強磁性層１０２に向かって電子が流れ、その際に、第２の強磁性層１０４の磁化方向に偏極されたスピンが第１の強磁性層１０２に注入されＳＴＴが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（高周波ＳＴＴの効果）。また、電子が金属層に流れることでスピンホール効果によって偏極したスピンが第１の強磁性層１０２に注入され、スピン軌道相互作用によるトルクが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（高周波ＳＯＴの効果）。この２つのトルクが強め合う条件は、偏極方向が同じことであり、第２の強磁性層１０４の磁化の方向が金属層１１１に流れる電子の方向に対して、時計周りに９０°傾いている時である。
【０１５０】図１２（ｂ）は、入力端子１０８より磁気抵抗効果デバイスに入力される高周波電流について、瞬間的に金属層１１１において電子が左から右へ流れている場合である。図１２（ｂ）において、左側の図は断面図であり、右側の図は平面図である。このとき、電子は第１の強磁性層１０２を通り、第２の強磁性層１０４に流れる。その際に、第２の強磁性層１０４の磁化方向に偏極されたスピンは電極に流れ出るが、第２の強磁性層１０４の磁化方向と逆向きのスピンは第１の強磁性層１０２の方向に反射し、第１の強磁性層１０２に注入されＳＴＴが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（高周波ＳＴＴの効果）。また、電子が金属層１１１に流れることでスピンホール効果によって偏極したスピンが第１の強磁性層１０２に注入され、スピン軌道相互作用によるトルクが第１の強磁性層１０２の磁化に働く（高周波ＳＯＴの効果）。この２つのトルクが強め合う条件は、偏極方向が同じことであり、第２の強磁性層１０４の磁化の方向が金属層に流れる電子の方向に対して、反時計周りに９０°傾いている時である。
【０１５１】第１の磁気抵抗効果素子の共鳴周波数を変えることができる周波数設定手段（機構）１１３をさらに備えることができる。周波数設定手段によって磁化自由層の共鳴周波数を変えることで、磁気抵抗効果デバイスは周波数可変帯域遮断フィルタとして動作する。
【０１５２】（第５実施形態）図１３は、本発明の第５実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス２０００の模式図である。磁気抵抗効果デバイス２０００において、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００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。磁気抵抗効果デバイス２０００は、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００に対し、さらに、第２の磁気抵抗効果素子１２１を有する。第２の磁気抵抗効果素子１２１は第３の強磁性層１２２と、第２のスペーサ層１２３と、第４の強磁性層１２４を有する。磁気抵抗効果デバイス２０００のその他の構成は、第１の実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００と同じである。第３の強磁性層及び第４の強磁性層は一方が磁化自由層、他方が磁化固定層である構成や両方が磁化自由層である構成であってもよいが、以下では、第３の強磁性層が磁化自由層（第２の磁化自由層）、第４の強磁性層が磁化固定層（第２の磁化固定層）の場合を例に説明する。
【０１５３】  金属層１１１は第２の磁化自由層１２２、第２のスペーサ層１２３、第２の磁化固定層１２４、第１の電極１０７がこの順で配置され、積層体を成す。
【０１５４】＜電極＞第１の電極１０７および金属層１１１は、一対の電極としての役目を有し、第２の磁気抵抗効果素子１２１を構成する各層の積層方向に第２の磁気抵抗効果素子１２１を介して配設されている。つまり、第１の電極１０７および金属層１１１は、信号（電流）を第２の磁気抵抗効果素子１２１に対して、構成する各層の面と交差する方向、例えば、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。
【０１５５】＜端子＞第２の磁気抵抗効果素子１２１は、一端（第２の磁化自由層１２２側）が金属層１１１を介して入力端子１０８、基準電位端子１１０に電気的に接続され、他端（第２の磁化固定層１２４側）が第１の電極１０７を介して出力端子９と印加端子６に電気的に接続されている。入力端子１０８から入力される高周波信号は基準電位端子１１０に流れるように金属層１１１は入力端子１０８と基準電位端子１１０に接続される。
【０１５６】第２の磁気抵抗効果素子１２１には磁気抵抗効果素子１と同様に高周波信号が流れることで、スピン偏極したスピン流が第２の磁化自由層１２２に注入されて、スピン軌道トルク共鳴が発生し、第２の磁気抵抗効果素子１２１の抵抗が振動し、第２の磁気抵抗効果素子１２１に印加する直流電流もしくは直流電圧によって交流信号を発生させる。第１の磁気抵抗効果素子１０１と第２の磁気抵抗効果素子１２１による交流信号が出力端子１０９に出力されるので、磁気抵抗効果デバイス２０００の出力する信号強度が向上する。
【０１５７】さらに、上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイス２００は第１の磁化自由層１０２と第２の磁化自由層１２２の共鳴周波数が異なってもよい。
【０１５８】共鳴周波数は各磁化自由層の有効磁場によって変化する。第１の磁化自由層１０２と第２の磁化自由層１２２の共鳴周波数を異なるようにするには、例えば周波数設定機構が活用できる。磁気抵抗効果素子１と第２の磁気抵抗効果素子１２１の一方、または両方に周波数設定機構を設け、それぞれの有効磁場をずらすことで共鳴周波数が異なるように周波数を設定する。
【０１５９】または、磁気抵抗効果素子の素子サイズで共鳴周波数を変化させてもよい。磁気抵抗効果素子の素子サイズを変化させると、磁化自由層の形状磁気異方性が変化し、有効磁場が変化する。例えば第２の磁気抵抗効果素子１２１の素子サイズを磁気抵抗効果素子１よりも小さくすることでそれぞれの共鳴周波数が異なるように設定することができる。
【０１６０】第１の磁化自由層１０２と第２の磁化自由層１２２の共鳴周波数が異なることによって、第１の磁化自由層１０２と第２の磁化自由層１２２は入力した高周波信号のうち、異なる周波数で強く共鳴し、交流信号を出力端子１０９に出力するため、磁気抵抗効果デバイス２０００は広帯域の帯域通過フィルタとして動作する。
【０１６１】このように、磁気抵抗効果デバイス２０００は第２の磁気抵抗効果素子１２１を有し、第２の磁気抵抗効果素子１２１は第２の磁化自由層１２２と第２のスペーサ層１２３と第２の磁化固定層１２４とを有し、金属層１１１、第２の磁化自由層１２２、第２のスペーサ層１２３、第２の磁化固定層１２４、第１の電極１０７はこの順で配置され、第２の磁化固定層１２４は第１の電極１０７と電気的に接し、第２の磁化自由層１２２は基準電位端子１１０と電気的に接続されている。
【０１６２】  したがって、複数の磁気抵抗効果素子の磁化自由層が高周波信号によって共鳴し、より大きな交流信号を発生させることで磁気抵抗効果デバイス２０００の信号強度が向上する。
【０１６３】さらに、磁気抵抗効果デバイス２０００は第１の磁化自由層１０２と第２の磁化自由層１２２の共鳴周波数が異なってもよい。
【０１６４】この場合、共鳴する周波数帯域を広げることができ、磁気抵抗効果デバイス２０００は広帯域の帯域通過フィルタとして動作する。
【０１６５】（第６実施形態）図１４は、本発明の第６実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス３０００の模式図である。磁気抵抗効果デバイス３０００において、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００と異なる点について主に説明し、共通する事項は適宜説明を省略する。第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００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。磁気抵抗効果デバイス３０００は、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００に対し、さらに、第３の磁気抵抗効果素子１３１と、第２の電極１３７とを有する。第３の磁気抵抗効果素子１３１は第５の強磁性層３２と、第３のスペーサ層３３と、第６の強磁性層３４を有する。磁気抵抗効果デバイス３０００のその他の構成は、第４実施形態の磁気抵抗効果デバイス１０００と同じである。第５の強磁性層及び第６の強磁性層は一方が磁化自由層、他方が磁化固定層である構成や両方が磁化自由層である構成であってもよいが、以下では、第５の強磁性層が磁化自由層（第３の磁化自由層）、第６の強磁性層が磁化固定層（第３の磁化固定層）の場合を例に説明する。
【０１６６】磁化自由層１０２、金属層１１１、第３の磁化自由層１３２、第３のスペーサ層１３３、第３の磁化固定層１３４、第２の電極１３７がこの順で配置され、積層体を成す。
【０１６７】第３の磁気抵抗効果素子１３１は、一端（第３の磁化自由層１３２側）が金属層１１１を介して入力端子１０８、基準電位端子１１０に電気的に接続され、他端（第３の磁化固定層１３４側）が第２の電極１３７を介して出力端子１０９と印加端子６に電気的に接続されている。入力端子１０８から入力される高周波信号は第３の領域３５を介して基準電位端子１１０に流れるように金属層１１１は入力端子１０８と基準電位端子１１０に接続される。
【０１６８】第３の磁気抵抗効果素子１３１に直流電流もしくは直流電圧を印加するために、第２の電極１３７は印加端子１３６に接続される。
【０１６９】磁気抵抗効果素子１０１と第３の磁気抵抗効果素子１３１に印加する電流値を個別に調整するために、磁気抵抗効果デバイス３０００は第２の印加端子１３６をさらに有し、第２の電極１３７は第２の印加端子１３６に接続されている。印加端子１０６に直流電流源１１２を接続し、第２の印加端子１３６に第２の直流電流源１３８を接続し、各直流電流源を制御することで各磁気抵抗効果素子に印加する直流電流を個別に調整することができる。また、第２の印加端子１３６に直流電流源１１２を接続し、第２の印加端子１３６と直流電流源１１２の間に可変抵抗を接続してもよく、可変抵抗の抵抗値を調整することでも各磁気抵抗効果素子に印加する直流電流を個別に調整することができる。
【０１７０】また、直流電流源の代わりに直流電圧源を接続し、各磁気抵抗効果素子に直流電圧を印加してもよい。
【０１７１】  磁気抵抗効果デバイス３０００の入力端子１０８に高周波信号を入力すると、高周波信号は金属層１１１を流れ、スピンホール効果が発生する。図１４中の上方向に流れるスピン偏極したスピン流は磁化自由層１０２に注入され、さらに下方向に流れるスピン偏極したスピン流は第３の磁化自由層１３２に注入されることで、各磁化自由層にはスピン軌道トルクが作用する。これによって磁気抵抗効果素子１０１と第３の磁気抵抗効果素子１３１はそれぞれ交流信号を発生させ、出力端子１０９に出力されるので、磁気抵抗効果デバイス３０００の信号強度が向上する。
【０１７２】  磁気抵抗効果素子１０１と第３の磁気抵抗効果素子１３１とは積層方向で重なった位置で配しているが、ずれた位置に配置してもよい。入力端子１０８から入力される高周波信号は金属層１１１でスピンホール効果が発生し、金属層１１１の図１４中の上方向と下方向にスピン偏極したスピン流が流れるため、効果的に磁化自由層１０２と第３の磁化自由層１３２の磁化にスピン軌道トルクを作用させることができる。
【０１７３】このように、磁気抵抗効果デバイス３０００は第３の磁気抵抗効果素子１３１と、第２の電極１３７とを有し、第３の磁気抵抗効果素子１３１は第３の磁化自由層１３２と第３のスペーサ層１３３と第３の磁化固定層１３４とを有し、磁化自由層１０２、金属層１１１、第３の磁化自由層１３２、第３のスペーサ層１３３、第３の磁化固定層１３４、第２の電極１３７はこの順で配置され、第３の磁化固定層１３４は第２の電極１３７と電気的に接し、第２の電極１３７は出力端子１０９に接続され、第３の磁気抵抗効果素子１３１に直流電流、もしくは直流電圧を印加する手段を有する。
【０１７４】したがって、スピンホール効果によって金属層１１１の上下面にはスピン偏極したスピン流が流れ、上下面に流れるスピン流をそれぞれ磁気抵抗効果素子の磁化自由層に注入することで、より大きな交流信号を発生させ、磁気抵抗効果デバイス３０００の信号強度が向上する。
【０１７５】第４実施形態から第６実施形態の磁気抵抗効果デバイスにおいて、含まれる複数の強磁性層の共鳴周波数のうち、少なくとも１つが他のものと異なっていてもよい。この場合、強磁性層の共鳴周波数が異なることで、共鳴する周波数帯域を広げることができ、帯域通過フィルタの通過帯域が広がる。
【０１７６】第１実施形態から第６実施形態の磁気抵抗効果デバイスおよび、磁気抵抗効果モジュールを、高周波フィルタや増幅器として用いることができる。
【０１７７】  （磁気抵抗効果モジュール）本発明の磁気抵抗効果モジュールについて説明する。この磁気抵抗効果モジュールは第４実施形態から第６実施形態の磁気抵抗効果デバイスの少なくとも一つの磁気抵抗効果デバイスと、直流電流源を有する。直流電流源は直流電流印加端子に接続され、磁気抵抗効果素子に直流電流を印加する。
【０１７８】直流電流源の代わりに直流電圧源を接続し、磁気抵抗効果素子に直流電圧を印加してもよい。
【０１７９】また、磁気抵抗効果モジュールは複数の直流電流源を有してもよい。例えば、磁気抵抗効果モジュールは第６実施形態の磁気抵抗効果デバイス３０００と、直流電流源１１２と、第２の直流電流源１３８を有し、直流電流源１１２は印加端子１０６と、第２の直流電流源１３８は第２の印加端子１３６と接続されてもよい。もしくは、磁気抵抗効果モジュールはさらに第２の直流電流源１３８を有し、直流電流源１１２は直流電流印加端子１０６に接続され、第２の直流電流源１３８は第２の直流電流印加端子１３６に接続されてもよい。
【０１８０】したがって、磁気抵抗効果モジュールでは、磁気抵抗効果デバイスに直流電流、もしくは直流電圧を印加し、帯域通過フィルタ、もしくは増幅器の機能を有する磁気抵抗効果モジュールとして機能する。
【符号の説明】
【０１８１】１００…磁気抵抗効果デバイス、１…磁気抵抗効果素子、２…磁化自由層、３…スペーサ層、４…磁化固定層、５…領域、６…印加端子、７…電極、８…入力端子、９…出力端子、１０…基準電位端子、１１…金属層、１２…直流電流源、１３…磁場印加機構、２００…磁気抵抗効果デバイス、２１…第２の磁気抵抗効果素子、２２…第２の磁化自由層、２３…第２のスペーサ層、２４…第２の磁化固定層、２５…第２の領域、３００…磁気抵抗効果デバイス、３１…第３の磁気抵抗効果素子、３２…第３の磁化自由層、３３…第３のスペーサ層、３４…第３の磁化固定層、３５…第３の領域、３６…第２の印加端子、３７…第２の電極、３８…第２の直流電流源、１０００…磁気抵抗効果デバイス、１０１…磁気抵抗効果素子、１０２…磁化自由層、１０３…スペーサ層、１０４…磁化固定層、１０６…印加端子、１０７…電極、１０８…入力端子、１０９…出力端子、１１０…基準電位端子、１１１…金属層、１１２…直流電流源、１１３…磁場印加機構、２０００…磁気抵抗効果デバイス、１２１…第２の磁気抵抗効果素子、１２２…第２の磁化自由層、１２３…第２のスペーサ層、１２４…第２の磁化固定層、３０００…磁気抵抗効果デバイス、１３１…第３の磁気抵抗効果素子、１３２…第３の磁化自由層、１３３…第３のスペーサ層、１３４…第３の磁化固定層、１３６…第２の印加端子、１３７…第２の電極、１３８…第２の直流電流源
【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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【国際調査報告】
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