JP5125287B2 - 磁気デバイス及び周波数アナライザ - Google Patents

Description

本発明は、磁気デバイス及び周波数アナライザに関する。

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。

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。

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。
Nature, Vol.438, 17 November,2005, pp.339-342

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。

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。

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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、上述のように、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１Ａ_Ｆの近傍の拡大斜視図である。

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１Ａ_Ｆ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。

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１Ｂ_ＴＯＰ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）１Ａ_Ｕ及び下部電極（配線）１Ａ_Ｌ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１Ａ_Ｕ及び下部電極１Ａ_Ｌは、共にＹ軸方向に沿って延びている。なお、上部電極１Ａ_Ｕ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。

磁気ヨーク１Ｂは、頂部磁性体１Ｂ_ＴＯＰと、下部磁性体１Ｂ_ＬＯＷと、頂部磁性体１Ｂ_ＴＯＰ及び下部磁性体１Ｂ_ＬＯＷに連続し、これらを接続する中部磁性体１Ｂ_Ｍとを備えており、下部磁性体１Ｂ_ＬＯＷの下面には一対の底部磁性体１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒが接触し、底部磁性体１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒは、Ｘ軸方向に沿って磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１Ａ_Ｆ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。

上部電極１Ａ_Ｕと下部電極１Ａ_Ｌ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１Ａ_Ｕと下部電極１Ａ_Ｌ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１Ａ_Ｕ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。

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１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆの磁化の向きが変化する。フリー層１Ａ_Ｆの磁化の向きは、固定層１Ａ_ＦＭ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１Ａ_ＦＭ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１Ａ_ＦＭ側からフリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆに注入され、これとは逆向きにフリー層１Ａ_Ｆに電子を注入した場合には、固定層１Ａ_ＦＭの磁化の向きに揃った極性のスピンはフリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆに注入され、フリー層１Ａ_Ｆのスピンとの相互作用により磁化反転が生じる。

交流電流ｉの極性は時間と共に変化するので、フリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆの磁化の向きの振動数ｆ_Ｆ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（ｆ_０＝ｆ_Ｆ＝ｆ）、フリー層１Ａ_Ｆ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ｆ_０は、磁気抵抗効果素子１Ａのフリー層１Ａ_Ｆに印加される磁場Ｈの大きさに依存して上昇する。

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１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒ間の空間内にも発生する。この空間内には、フリー層１Ａ_Ｆが配置されているので、フリー層１Ａ_Ｆ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。

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ｆ_０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ｆ_０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ｆ_０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）。

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。

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。

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。

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。

また、フリー層１Ａ_Ｆの磁化の向きを振動させるためには、フリー層１Ａ_Ｆの位置においてＸ軸に沿った磁場Ｈの向きと固定層１Ａ_ＦＭ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１Ａ_ＦＭの磁化の向きＦに関連づけられるフリー層１Ａ_Ｆの磁化の向きの振動が生じ難いからである。固定層１Ａ_ＦＭの磁化向きＦに対して平行にフリー層１Ａ_Ｆの容易磁化軸を設定した場合には、固定層１Ａ_ＦＭ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１Ａ_Ｆ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１Ａ_ＦＭの磁化の向きＦに対して垂直にフリー層１Ａ_Ｆの容易磁化軸を設定した場合においても、フリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆ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。

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１Ａ_ＦＭ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１Ａ_ＦＭ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。

磁気ヨーク１Ｂによってフリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_ＦＭ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。

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。

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１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒを下部電極１Ａ_Ｌ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１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒに接触するように、下部磁性体１Ｂ_ＬＯＷ、中部磁性体１Ｂ_Ｍ及び頂部磁性体１Ｂ_ＴＯＰ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。

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。

磁気ヨーク１Ｂは、磁場印加用配線１Ｃ、上部電極１Ａ_Ｕ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１Ｂ_Ｌ，１Ｂ_Ｒ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１Ａ_Ｆと同様に軟磁性の強磁性体からなる。

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。

図４は、磁気抵抗効果素子１Ａの縦断面図である。

磁気抵抗効果素子１Ａは、フリー層１Ａ_Ｆ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１Ａ_Ｆ）と、Ｃｕなどの導電性金属からなる非磁性層１Ａ_Ｍ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）１Ａ_ＦＭ（１Ａ_ＦＭ１，１Ａ_ＦＭ２）と、下部の強磁性層１Ａ_ＦＭ２に交換結合した反強磁性層１Ａ_ＡＦと、フリー層１Ａ_Ｆ及び固定層１Ａ_ＦＭに挟まれた非磁性層１Ａ_Ｘとを含んで構成される。なお、強磁性層１Ａ_ＦＭ１，１Ａ_ＦＭ２の磁化の向きは、厚み方向Ｚに垂直な方向に沿っている。

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１Ａ_Ｘ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１Ａ_Ｘ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。

これらの各層は、下部電極１Ａ_Ｌ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１Ａ_ＡＦ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１Ａ_Ｘ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、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＯなどのトンネルバリア層を用いることができる。

ここで、上述の周波数分離について更に説明する。

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。

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ｆ_０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ｆ_０においてピークを有することになる。

図６は、磁場Ｈと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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１に示した磁気デバイス１のＩＩＩ−ＩＩＩ矢印断面図である。 磁気抵抗効果素子１Ａの縦断面図である。 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。 磁場Ｈと電圧Ｖとの関係を示すグラフである。 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７のグラフのデータを示す表である。 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９に示したグラフのデータを示す表である。

符号の説明

１・・・磁気デバイス、１Ａ・・・磁気抵抗効果素子、１Ｂ・・・磁気ヨーク、１Ａ_Ｆ・・・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。

Claims (5)

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、
   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、
   ことを特徴とする磁気デバイス。
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。
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。
4. 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。
5. 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４に記載の周波数アナライザ。

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