特開 2022-121030 磁気抵抗効果デバイス及び周波数変換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022121030

(43)【公開日】2022-08-19

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果デバイス及び周波数変換器

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/08 20060101AFI20220812BHJP

【ＦＩ】

H01L43/08 U

H01L43/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021018157

(22)【出願日】2021-02-08

(71)【出願人】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(72)【発明者】

【氏名】出川 直通

【テーマコード（参考）】

5F092

【Ｆターム（参考）】

5F092AA20

5F092AB10

5F092AC05

5F092AC08

5F092AC12

5F092AC14

5F092AD23

5F092AD24

5F092BB10

5F092BB22

5F092BB23

5F092BB30

5F092BB31

5F092BB34

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB37

5F092BB42

5F092BB43

5F092BB53

5F092BC04

5F092BC07

5F092BC12

5F092BC13

5F092DA01

(57)【要約】

【課題】光を利用した新たな磁気抵抗効果デバイス及び周波数変換器を提供する。
【解決手段】この磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子を有し、高周波電流が前記磁気抵抗効果素子を流れ、高周波信号を含む光強度変化する光が前記磁気抵抗効果素子に照射される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁気抵抗効果素子を有し、
高周波電流が前記磁気抵抗効果素子を流れ、高周波信号を含む光強度変化する光が前記磁気抵抗効果素子に照射される、磁気抵抗効果デバイス。

【請求項2】

前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
前記磁気抵抗効果素子のうち第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とには、同一の前記光が照射され、
前記第１磁気抵抗効果素子を流れる高周波電流と前記第２磁気抵抗効果素子を流れる高周波電流とは、周波数が異なる、請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。

【請求項3】

前記磁気抵抗効果素子を複数有し、
前記磁気抵抗効果素子のうち第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とには、同一の周波数の高周波電流が流れ、
前記第１磁気抵抗効果素子に照射される前記光と前記第２磁気抵抗効果素子に照射される前記光とは、波長が異なる、請求項１に記載の磁気抵抗効果デバイス。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果デバイスを用いた周波数変換器。

【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及び周波数変換器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の高度情報化社会に伴い、ＧＨｚの高周波帯域の高周波部品に注目が集まっている。新しい高周波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。

【0003】

例えば、特許文献１には、高周波電流及び高周波磁場を利用した混合器が記載されている。特許文献１に記載の混合器は、２つの高周波信号を乗算して乗算信号を生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９－２４６６１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ミリ波等で送受信した信号の周波数を処理しやすい周波数に変換することが行われている。当該処理は、周波数変換器で行われる。情報通信技術の発展に伴い、新たな周波数変換器の開発が求められている。

【0006】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光を利用した新たな磁気抵抗効果デバイス及び周波数変換器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】

上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

【0008】

（１）第１の態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、磁気抵抗効果素子を有し、高周波電流が前記磁気抵抗効果素子を流れ、高周波信号を含む光強度変化する光が前記磁気抵抗効果素子に照射される。

【0009】

（２）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、前記磁気抵抗効果素子のうち第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とには、同一の前記光が照射され、前記第１磁気抵抗効果素子を流れる高周波電流と前記第２磁気抵抗効果素子を流れる高周波電流とは、周波数が異なってもよい。

【0010】

（３）上記態様にかかる磁気抵抗効果デバイスは、前記磁気抵抗効果素子を複数有し、前記磁気抵抗効果素子のうち第１磁気抵抗効果素子と第２磁気抵抗効果素子とには、同一の周波数の高周波電流が流れ、前記第１磁気抵抗効果素子に照射される前記光と前記第２磁気抵抗効果素子に照射される前記光とは、波長が異なってもよい。

【発明の効果】

【0011】

この磁気抵抗効果デバイス及び周波数変換器は、光を利用した新たな素子である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】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模式的に示す図である。

【図2】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。

【図3】第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の抵抗変化の第１メカニズムを説明するための図である。

【図4】第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子の抵抗変化の第２メカニズムを説明するための図である。

【図5】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を模式的に示す図である。

【図6】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイスの回路構成を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、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。

【0014】

「第１実施形態」
（磁気抵抗効果デバイス）
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１００の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス１００は、磁気抵抗効果素子１０を備える。磁気抵抗効果素子１０には、高周波電流Ｉ_Ｒが流れ、光Ｌが照射される。図に示す高周波電流Ｉ_Ｒの矢印は、電流の正の向きを表している。

【0015】

本明細書における光Ｌは、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。可視光線の波長は例えば、３８０ｎｍ以上８００ｎｍ未満である。赤外線の波長は例えば、８００ｎｍ以上１ｍｍ以下である。紫外線の波長は例えば、２００ｎｍ以上３８０ｎｍ未満である。光Ｌは、高周波信号を含み、光強度が変化する。高周波信号は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。

【0016】

図１に示す磁気抵抗効果デバイス１００は、その他に、入力ポートｐ１と出力ポートｐ２と基準電位端子ｐｒ１とコンデンサＣとフィルタＦと信号線路ＳＬ１～ＳＬ３とを有する。

【0017】

図１において、信号線路ＳＬ１は、入力ポートｐ１と磁気抵抗効果素子１０とを接続する。信号線路ＳＬ２は、磁気抵抗効果素子１０と出力ポートｐ２とを接続する。信号線路ＳＬ３は、信号線路ＳＬ２と基準電位端子ｐｒ１とを接続する。コンデンサＣは、例えば、信号線路ＳＬ３にある。フィルタＦは、例えば、信号線路ＳＬ２にある。

【0018】

＜磁気抵抗効果素子＞
図２は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の断面図である。図２では、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２を同時に図示し、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。磁気抵抗効果素子１０は、照射される光Ｌの状態が変化すると、光Ｌの状態の変化に応じて積層方向の抵抗値が変化する。積層方向は、磁気抵抗効果素子１０の積層方向であり、以下ｚ方向と称する。またｚ方向と直交する一方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向と直交する方向をｙ方向と称する。

【0019】

磁気抵抗効果素子１０は、少なくとも第１強磁性層１と第２強磁性層２とスペーサ層３とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に位置する。磁気抵抗効果素子１０は、これらの他に、第３強磁性層４、磁気結合層５、下地層６、垂直磁化誘起層７、キャップ層８、側壁絶縁層９を有してもよい。

【0020】

磁気抵抗効果素子１０は、外部からの光が照射されると抵抗値が変化する光検知素子である。磁気抵抗効果素子１０は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の状態との相対的な変化に応じて、ｚ方向の抵抗値（ｚ方向に電流を流した場合の抵抗値）が変化する。

【0021】

第１強磁性層１は、外部から光が照射されると磁化の状態が変化する光検知層である。第１強磁性層１は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が変化する磁性体を含む層である。所定の外部からのエネルギーは、例えば、外部から照射される光、磁気抵抗効果素子１０の積層方向に流れる電流、外部磁場である。第１強磁性層１の磁化Ｍ１は、照射される光の強度に応じて状態が変わる。

【0022】

第１強磁性層１は、強磁性体を含む。第１強磁性層１は、例えば、Ｃｏ、ＦｅまたはＮｉ等の磁性元素のいずれかを少なくとも含む。第１強磁性層１は、上述のような磁性元素と共に、Ｂ、Ｍｇ、Ｈｆ、Ｇｄ等の非磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層１は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第１強磁性層１は、複数の層から構成されていてもよい。第１強磁性層１は、例えば、ＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＦｅＢ合金層をＦｅ層で挟んだ積層体、ＣｏＦｅＢ合金層をＣｏＦｅ層で挟んだ積層体である。

【0023】

第１強磁性層１は、膜面内方向（ｘｙ面内のいずれかの方向）に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向（ｚ方向）に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。

【0024】

第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。第１強磁性層１の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合、第１強磁性層１の膜厚が薄いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が強まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高まる。つまり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が高いと、磁化Ｍ１がｚ方向に配向しようとする力が強まる。一方、第１強磁性層１の膜厚が厚いと、第１強磁性層１の上下にある層からの垂直磁気異方性印加効果が相対的に弱まり、第１強磁性層１の垂直磁気異方性が弱まる。

【0025】

第１強磁性層１の膜厚が薄くなると強磁性体としての体積は小さくなり、厚くなると強磁性体としての体積は大きくなる。外部からのエネルギーが加わったときの第１強磁性層１の磁化の反応しやすさは、第１強磁性層１の磁気異方性（Ｋｕ）と体積（Ｖ）との積（ＫｕＶ）に反比例する。つまり、第１強磁性層１の磁気異方性と体積との積が小さくなると、光に対する反応性が高まる。このような観点から、光に対する反応を高めるためには、第１強磁性層１の磁気異方性を適切に設計したうえで第１強磁性層１の体積を小さくすることが好ましい。

【0026】

第１強磁性層１の膜厚が２ｎｍより厚い場合は、例えばＭｏ，Ｗからなる挿入層を第１強磁性層１内に設けてもよい。すなわち、ｚ方向に強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第１強磁性層１としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第１強磁性層１全体の垂直磁気異方性が高まる。挿入層の膜厚は、例えば、０．１ｎｍ～０．６ｎｍである。

【0027】

第２強磁性層２は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の状態が磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい。また、例えば、磁化固定層は、所定の外部からのエネルギーが印加された際に磁化の大きさが磁化自由層よりも変化しにくい。第２強磁性層２の保磁力は、例えば、第１強磁性層１の保磁力よりも大きい。第２強磁性層２は、例えば第１強磁性層１と同じ方向に磁化容易軸を有する。第２強磁性層２は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。

【0028】

第２強磁性層２を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。第２強磁性層２は、例えば、０．４ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏ、０．１ｎｍ～０．５ｎｍの厚みのＭｏ、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＣｏＦｅＢ合金、０．３ｎｍ～１．０ｎｍの厚みのＦｅが順に積層された積層体でもよい。

【0029】

第２強磁性層２の磁化は、例えば、磁気結合層５を介した第３強磁性層４との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第２強磁性層２、磁気結合層５及び第３強磁性層４を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。

【0030】

第３強磁性層４は、例えば、第２強磁性層２と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、ＲＫＫＹ相互作用により生じる。第３強磁性層４を構成する材料は、例えば、第１強磁性層１と同様である。第３強磁性層４は、例えば、ＣｏとＰｔとが交互に積層された積層膜、ＣｏとＮｉとが交互に積層された積層膜である。磁気結合層５は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ等である。磁気結合層５の膜厚は、例えば、ＲＫＫＹ相互作用によって第２強磁性層２と第３強磁性層４とが反強磁性的に結合する膜厚である。

【0031】

スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に配置される非磁性層である。スペーサ層３は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、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。スペーサ層３の膜厚は、後述する初期状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の配向方向に応じて調整できる。

【0032】

例えば、スペーサ層３が絶縁体からなる場合は、磁気抵抗効果素子１０はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子となり、スペーサ層３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果素子となる。

【0033】

スペーサ層３が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化ケイ素等を含む材料を用いることができる。また、これら絶縁材料に、Ａｌ、Ｂ、Ｓｉ、Ｍｇなどの元素や、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素を含んでもよい。第１強磁性層１と第２強磁性層２との間に高いＴＭＲ効果が発現するようにスペーサ層３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効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。

【0034】

スペーサ層３を非磁性導電材料で構成する場合、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ又はＲｕ等の導電材料を用いることができる。ＧＭＲ効果を効率よく利用するためには、スペーサ層３の膜厚は、０．５～５．０ｎｍ程度としてもよく、２．０～３．０ｎｍ程度としてもよい。

【0035】

スペーサ層３を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はＩＴＯ等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層３の膜厚は１．０～４．０ｎｍ程度としてもよい。

【0036】

スペーサ層３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、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌなどの非磁性の導体によって構成される通電点を含む構造としてもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどの磁性元素によって導体を構成してもよい。この場合、スペーサ層３の膜厚は、１．０～２．５ｎｍ程度としてもよい。通電点は、例えば、膜面に垂直な方向からみたときの直径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下の柱状体である。

【0037】

図２に示す下地層６は、例えば、第２電極Ｅ２上にある。下地層６は、シード層又はバッファ層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｚｒ、ＮｉＦｅＣｒである。シード層の膜厚は、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｒ、Ｈｆ又はこれらの元素の窒化物である。バッファ層の膜厚は、例えば、１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。

【0038】

垂直磁化誘起層７は、第１強磁性層１が垂直磁化膜の場合に形成される。垂直磁化誘起層７は、第１強磁性層１上に積層される。垂直磁化誘起層７は、第１強磁性層１の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層７は、例えば酸化マグネシウム、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ等である。垂直磁化誘起層７が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層７の膜厚は、例えば、０．５ｎｍ以上２．０ｎｍ以下である。

【0039】

キャップ層８は、第１強磁性層１と第１電極Ｅ１との間にある。キャップ層８は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層８の膜厚は、第１強磁性層１に十分な光が照射されるように、例えば３ｎｍ以下である。

【0040】

側壁絶縁層９は、第１強磁性層１及び第２強磁性層２を含む積層体の周囲を覆う。側壁絶縁層９は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｇの酸化物、窒化物、酸窒化物である。側壁絶縁層９は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_ｘ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ_ｘ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化ケイ素（ＳｉＣＮ）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

【0041】

図２では磁気抵抗効果素子１０の一例を示したが、磁気抵抗効果素子は光の照射により磁化が変化する強磁性体を有し、磁化の変化に伴い抵抗値が変化するものであればよい。磁気抵抗効果素子には、例えば、上述のトンネル磁気抵抗効果素子又は巨大磁気抵抗効果素子のほか、異方性磁気抵抗（AMR：Anisotronipic Magnetoresistance)効果素子、超巨大磁気抵抗（CMR：Colossal Magnetoresistance）効果素子等を用いることができる。

【0042】

第１電極Ｅ１は、例えば、磁気抵抗効果素子１０に照射される光の波長域に対して透過性を有する。第１電極Ｅ１は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を含む透明電極である。第１電極Ｅ１は、こられの透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。この場合、第１電極Ｅ１の膜厚は、例えば１０ｎｍ～３００ｎｍである。

【0043】

第１電極Ｅ１として上記のような透明電極材料を用いることは必須ではなく、Ａｕ、ＣｕまたはＡｌなどの金属材料を薄い膜厚で用いることで、外部からの光を第１強磁性層１に到達させるようにしてもよい。第１電極Ｅ１の材料として金属を用いる場合、第１電極Ｅ１の膜厚は、例えば、３～１０ｎｍである。特にＡｕは、青色近辺の波長の光の透過率が他の金属材料よりも高い。また第１電極Ｅ１は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。

【0044】

第２電極Ｅ２は、導電性を有する材料からなる。第２電極Ｅ２は、例えば、Ｃｕ、ＡｌまたはＡｕなどの金属により構成される。これらの金属の上下にＴａやＴｉを積層してもよい。また、ＣｕとＴａの積層膜、ＴａとＣｕとＴｉの積層膜、ＴａとＣｕとＴａＮの積層膜を用いてもよい。また、第２電極Ｅ２として、ＴｉＮやＴａＮを用いてもよい。第２電極Ｅ２の膜厚は、例えば２００ｎｍ～８００ｎｍである。

【0045】

第２電極Ｅ２は、磁気抵抗効果素子１０に照射される光に対して透過性を有するようにしてもよい。第２電極Ｅ２の材料として、第１電極Ｅ１と同様に、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）等の酸化物の透明電極材料を用いてもよい。第１電極Ｅ１のほうから光が照射される場合においても、光の強度によっては光が第２電極Ｅ２まで到達する場合もありうるが、この場合、第２電極Ｅ２が酸化物の透明電極材料を含んで構成されていることで、第２電極Ｅ２が金属で構成されている場合に比べて、第２電極Ｅ２とそれに接する層との界面における光の反射を抑制できる。

【0046】

＜入力ポート＞
入力ポートｐ１は、磁気抵抗効果デバイス１００の入力端子である。入力ポートｐ１には、例えば、交流信号源、アンテナ等が接続される。アンテナが磁気抵抗効果デバイスの一部として磁気抵抗効果デバイスと一体化している場合は、アンテナが第１入力ポートとなる。

【0047】

入力ポートｐ１には高周波信号Ｓ_１が入力される。高周波信号Ｓ_１は、信号線路ＳＬ１を介して、高周波電流Ｉ_Ｒとして磁気抵抗効果素子１０に印加される。高周波電流Ｉ_Ｒは、磁気抵抗効果素子１０を流れる。高周波信号Ｓ_２の周波数は、例えば、１００ＭＨｚ以上の周波数を有する信号である。高周波電流Ｉ_Ｒの周波数は、高周波信号Ｓ_１の周波数と一致する。

【0048】

＜出力ポート＞
出力ポートｐ２は、磁気抵抗効果デバイス１００の出力端子である。出力ポートｐ２には、例えば、出力された信号を処理する信号処理装置、電圧をモニターする例えば電圧計、電流をモニターする電流計又は外部に高周波信号を出力するアンテナ等が接続される。出力ポートｐ２は、信号線路ＳＬ２及びフィルタＦを介して磁気抵抗効果素子１０に接続されている。出力ポートｐ２からは、磁気抵抗効果素子１０からの出力に起因する信号が出力される。

【0049】

＜基準電位端子＞
基準電位端子ｐｒ１は基準電位に接続され、磁気抵抗効果デバイス１００の基準電位を決める。基準電位端子ｐｒ１は、信号線路ＳＬ３に接続されている。図１における基準電位は、グラウンドＧである。グラウンドＧは磁気抵抗効果デバイス１００の外部に設けられてもよい。基準電位は、グラウンドＧ以外でもよい。

【0050】

＜コンデンサ＞
コンデンサＣは、信号の高周波成分を通し、信号の不変成分をカットする。コンデンサＣは直流信号の流れを抑制したい部分に配置する。図１におけるコンデンサＣは、信号線路ＳＬ３にある。コンデンサＣは、信号線路ＳＬ２の信号線路ＳＬ３との分岐点より入力ポートｐ１側にあってもよい。コンデンサＣには、公知のものを用いることができる。

【0051】

＜フィルタＦ＞
フィルタＦは、磁気抵抗効果素子１０と出力ポートｐ２との間にある。フィルタＦは、例えば、信号線路ＳＬ２にある。フィルタＦは、特定の周波数の信号をカットし、特定の周波数の信号のみを通過させる。フィルタＦは、例えば、インダクタ、ハイパスフィルタ、ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、バンドエリミネーションフィルタである。インダクタは、例えば、チップインダクタ、パターン線路によるインダクタ、インダクタ成分を有する抵抗素子等でもよい。インダクタのインダクタンスは、例えば１０ｎＨ以上としてもよい。出力ポートｐ２に接続される電圧計または電流計が、フィルタ機能を有する場合、フィルタＦは無くてもよい。

【0052】

＜信号線路＞
信号線路ＳＬ１～ＳＬ３は、磁気抵抗効果デバイス１００の構成要素と端子との間又は構成要素間を接続する。信号線路ＳＬ１～ＳＬ３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）型に規定してもよい。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、信号線路ＳＬ１～ＳＬ５の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、線路幅やグラウンド間距離を設計してもよい。このように設計することによって信号線路ＳＬ１～ＳＬ３の伝送損失を抑えることができる。

【0053】

（磁気抵抗効果デバイスの用途及び動作）
磁気抵抗効果デバイス１００は、例えば、周波数変換器として用いることができる。

【0054】

磁気抵抗効果素子１０の抵抗値は、第１強磁性層１に光Ｌが照射されることにより変化する。光Ｌは、例えば、図示略の光照射部から照射される。光照射部は、光源から伝搬した光Ｌが出射する部分である。光Ｌは高周波信号を含む。そのため、光Ｌの強度は、高周波信号に応じて変化する。光Ｌの強度は、例えば、第１強度と第２強度との間で変化する。第２強度の光の強度は、第１強度の光の強度より大きいものとする。第１強度は、第１強磁性層１に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。

【0055】

図３及び図４は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０の第１強磁性層１に光Ｌが照射された際の磁化Ｍ１，Ｍ２の状態の変化を示す図である。図３は、第１メカニズムを説明するための図であり、図４は、第２メカニズムを説明するための図である。図３及び図４の上のグラフは、縦軸が第１強磁性層１に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図３及び図４の下のグラフは、縦軸が磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値であり、横軸が時間である。

【0056】

まず第１強磁性層１に第１強度の光が照射された状態（以下、初期状態と称する）において、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第２強磁性層２の磁化Ｍ２とは平行の関係にあり、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は第１抵抗値Ｒ_１を示す。

【0057】

次いで、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化する。第２強度は、第１強度より大きく、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は初期状態から変化する。第１強磁性層１に光が照射されていない状態における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と、第２強度における第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態とは異なる。磁化Ｍ１の状態とは、例えば、ｚ方向に対する傾き角、大きさ等である。

【0058】

例えば、図３に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１はz方向に対して傾く。また例えば、図４に示すように、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度から第２強度に変化すると、磁化Ｍ１の大きさが小さくなる。例えば、第１強磁性層１の磁化Ｍ１が光の照射強度によってｚ方向に対して傾く場合、その傾き角度は、０°より大きく９０°より小さい。

【0059】

第１強磁性層１の磁化Ｍ１が初期状態から変化すると、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は第２抵抗値Ｒ_２を示す。第２抵抗値Ｒ_２は、第１抵抗値Ｒ_１より大きい。第２抵抗値Ｒ_２は、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行である場合の抵抗値（第１抵抗値Ｒ_１）と、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行である場合の抵抗値との間である。

【0060】

図３に示す場合は、第１強磁性層１は垂直磁化膜である。第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化すると、第１強磁性層１の垂直磁気異方性により磁化Ｍ１は磁化Ｍ２と平行状態に戻り、磁気抵抗効果素子１０は初期状態に戻る。図４に示す場合は、第１強磁性層１に照射される光の強度が第１強度に戻ると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の大きさは元に戻り、磁気抵抗効果素子１０は初期状態に戻る。いずれの場合も磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、第１抵抗値Ｒ_１に戻る。つまり、第１強磁性層１に照射される光の強度が第２強度から第１強度に変化した際に、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、第２抵抗値Ｒ_２から第１抵抗値Ｒ_１へ変化する。

【0061】

ここでは初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが平行な場合を例に説明したが、初期状態において磁化Ｍ１と磁化Ｍ２とが反平行でもよい。この場合、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、磁化Ｍ１の状態が変化するほど（例えば、磁化Ｍ１の初期状態からの角度変化が大きくなるほど）小さくなる。

【0062】

磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、第１強磁性層１に照射される光の強度の変化に対応して変化する。第１強磁性層１に照射される光の強度は、光Ｌに含まれる高周波信号の周波数ｆ_１に応じて変化する。従って、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向の抵抗値は、周波数ｆ_１で変化する。例えば、磁気抵抗効果素子１０の抵抗Ｒ_１０は、Ｒ_１０＝Ｃ・ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）＋Ｒ_０と表される。Ｃは磁気抵抗効果素子１０の抵抗Ｒ_１０の振幅である。Ｒ_０は、磁気抵抗効果素子１０の抵抗のうち、第１強磁性層１の磁化Ｍ１の状態と第２強磁性層２の磁化Ｍ２の状態との相対的な変化に依存しない抵抗成分である。

【0063】

また図１に示すように、入力ポートｐ１に周波数ｆ_２の高周波信号Ｓ_１を入力すると、磁気抵抗効果素子１０に高周波電流Ｉ_Ｒが流れる。高周波電流Ｉ_Ｒは、例えば、Ｉ_Ｒ＝Ｄ・ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ）で表される。Ｃは高周波電流Ｉ_Ｒの振幅であり、ｆ_２は高周波信号Ｓ_１の波数である。

【0064】

磁気抵抗効果素子１０は、変動する抵抗Ｒ_１０と磁気抵抗効果素子１０を流れる高周波電流Ｉ_Ｒに起因して、電圧Ｖを出力する。電圧Ｖは、オームの法則から以下の式で表される。
Ｖ＝Ｉ_Ｒ×Ｒ_１０
=（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_２－ｆ_１）・ｔ）－（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_２＋ｆ_１）・ｔ）＋Ｄ・Ｒ_０・ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ）

【0065】

｜ｆ_２－ｆ_１｜の周波数の信号が通過し、ｆ_２＋ｆ_１の周波数の信号がカットされるようにフィルタＦの通過周波数を設定すると、電圧Ｖのうち、上式の右辺第１項である（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_２－ｆ_１）・ｔ）を出力ポートｐ２から取り出すことができる。

【0066】

ｆ_２＋ｆ_１の周波数の信号が通過し、｜ｆ_２－ｆ_１｜の周波数の信号がカットされるようにフィルタＦの通過周波数を設定すると、電圧Ｖのうち、上式の右辺第２項である－（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_２＋ｆ_１）・ｔ）を出力ポートｐ２から取り出すことができる。

【0067】

すなわち、磁気抵抗効果デバイス１００は、光Ｌに含まれる高周波信号の周波数ｆ_１と、入力ポートｐ１から入力される高周波信号Ｓ_１の周波数ｆ_２との、和分又は差分の周波数の信号を出力ポートｐ２から出力する。つまり、磁気抵抗効果デバイス１００は、周波数変換器として機能する。

【0068】

磁気抵抗効果デバイス１００がこれらの周波数の差分｜ｆ_２－ｆ_１｜の周波数を出力する場合、その差分の周波数（｜ｆ_２－ｆ_１｜）は１ＧＨ_ｚ以下であることが好ましい。出力される周波数が１ＧＨ_Ｚ以下であれば、入力された高周波信号は十分ダウンコンバートされており、その後の信号処理が容易になる。

【0069】

以上、上述の磁気抵抗効果デバイス１００を例に、第１実施形態について図面を参照して詳述したが、第１実施形態はこの例に限られるものではない。

【0070】

「第２実施形態」
図５は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１１０の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス１１０は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果デバイス１００を複数有する。磁気抵抗効果デバイス１００のそれぞれの構成は、第１実施形態と同様である。複数の磁気抵抗効果デバイス１００のうちの２つをそれぞれ、第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａ、第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂと称する。

【0071】

磁気抵抗効果デバイス１１０は、複数の磁気抵抗効果素子１０を有する。複数の磁気抵抗効果素子１０のうちの２つを第１磁気抵抗効果素子１０Ａ、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂと称する。第１磁気抵抗効果素子１０Ａは、第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａに属し、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂは、第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂに属する。第１磁気抵抗効果素子１０Ａ及び第２磁気抵抗効果素子１０Ｂの構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同じである。

【0072】

第１磁気抵抗効果素子１０Ａには光Ｌ１が照射され、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂには光Ｌ２が照射されている。光Ｌ１及び光Ｌ２は、スプリッタ５０で分割された光Ｌであり、これらは同一である。光Ｌ１と光Ｌ２とは、例えば、周波数が同一であり、含まれる高周波信号が同一である。スプリッタ５０は、光の周波数等を変化させずに光を分割できるものであればよく、例えばハーフミラーに置き換えることもできる。また第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂを近接させて、スプリッタ５０を省略し、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとが、光Ｌのスポット内に配置されるようにして、第１磁気抵抗効果素子１０Ａと第２磁気抵抗効果素子１０Ｂとに同一の光Ｌが照射されるようにしてもよい。

【0073】

また第１磁気抵抗効果素子１０Ａには、高周波電流Ｉ_Ｒ１が流れる。高周波電流Ｉ_Ｒ１は、入力ポートｐ１に入力された高周波信号Ｓ_１１により生じる。例えば、周波数ｆ_１１の高周波信号Ｓ_１１が入力ポートｐ１に入力されると、周波数ｆ_１１の高周波電流Ｉ_Ｒ１が磁気抵抗効果素子１０に流れる。他方、第２磁気抵抗効果素子１０Ｂには、高周波電流Ｉ_Ｒ２が流れる。高周波電流Ｉ_Ｒ２は、入力ポートｐ１に入力された高周波信号Ｓ_１２により生じる。例えば、周波数ｆ_１２の高周波信号Ｓ_１２が入力ポートｐ１に入力されると、周波数ｆ_１２の高周波電流Ｉ_Ｒ２が磁気抵抗効果素子１０に流れる。

【0074】

第１磁気抵抗効果素子１０Ａは、変動する抵抗Ｒ_１０と第１磁気抵抗効果素子１０Ａを流れる高周波電流Ｉ_Ｒ１に起因して、電圧Ｖ_Ａを出力する。
Ｖ_Ａ＝Ｉ_Ｒ１×Ｒ_１０
=（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_１１－ｆ_１）・ｔ）－（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_１１＋ｆ_１）・ｔ）＋Ｄ・Ｒ_０・ｓｉｎ（２πｆ_１１ｔ）

【0075】

第２磁気抵抗効果素子１０Ｂは、変動する抵抗Ｒ_１０と第２磁気抵抗効果素子１０Ｂを流れる高周波電流Ｉ_Ｒ２に起因して、電圧Ｖ_Ｂを出力する。
Ｖ_Ｂ＝Ｉ_Ｒ２×Ｒ_１０
=（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_１２－ｆ_１）・ｔ）－（Ｃ・Ｄ／２）・ｃｏｓ（２π・（ｆ_１２＋ｆ_１）・ｔ）＋Ｄ・Ｒ_０・ｓｉｎ（２πｆ_１２ｔ）

【0076】

第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａは、フィルタＦの通過周波数を設定することで、｜ｆ_１１－ｆ_１｜の情報を持つ信号、又は、ｆ_１１＋ｆ_１の情報を持つ信号を出力ポートｐ２から取り出すことができる。また第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂは、フィルタＦの通過周波数を設定することで、｜ｆ_１２－ｆ_１｜の情報を持つ信号、又は、ｆ_１２＋ｆ_１の情報を持つ信号を出力ポートｐ２から取り出すことができる。

【0077】

光Ｌ（光Ｌ１、光Ｌ２）が複数の周波数の高周波信号を含んでいる場合、例えば、光Ｌが８０ＧＨｚと６０ＧＨｚの高周波信号を有している場合に、第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａに７９．９ＧＨｚの高周波信号Ｓ_１１を入力し、第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂに５９．９ＧＨｚの高周波信号Ｓ_１２を入力する。この場合、第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａ及び第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂからは、フィルタＦを調整することで、それぞれ４つの異なる周波数の信号を取り出すことができる。

【0078】

第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａは、７９．９ＧＨｚの周波数（高周波信号Ｓ_１１の周波数）の信号の他に、１５９．９ＧＨｚ、１３９．９ＧＨｚ、１９．９ＧＨｚ、１００ＭＨｚの４つの周波数の信号を出力できる。第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂは、５９．９ＧＨｚの周波数（高周波信号Ｓ_１２の周波数）の信号の他に、１３９．９ＧＨｚ、１１９．９ＧＨｚ、２０．１ＧＨｚ、１００ＭＨｚの４つの周波数の信号を出力できる。

【0079】

したがって、フィルタＦを調整すれば、第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａ及び第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂのそれぞれから１００ＭＨｚの周波数の信号を取り出すこともできる。第１磁気抵抗効果デバイス１００Ａは、８０ＧＨｚの信号の情報（位相等）を含む信号を１００ＭＨｚの信号に変換して出力する。第２磁気抵抗効果デバイス１００Ｂは、６０ＧＨｚの信号の情報（位相等）を含む信号を１００ＭＨｚの信号に変換して出力する。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１１０全体としては、広い周波数帯域の光Ｌの信号から周波数毎に信号を抽出することができ、大容量の通信が可能である。

【0080】

「第３実施形態」
図６は、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果デバイス１２０の回路構成を示す図である。磁気抵抗効果デバイス１２０は、入力ポートｐ１と、分岐部６０と、分岐部６０にそれぞれ繋がる複数のユニットと、波長分光器７０と、備える。複数のユニットのそれぞれは、磁気抵抗効果素子１０とフィルタＦと出力ポートｐ２とを有する。

【0081】

磁気抵抗効果デバイス１２０は、複数の磁気抵抗効果素子１０を有する。複数の磁気抵抗効果素子１０のうちの２つを第１磁気抵抗効果素子１０Ｃ、第２磁気抵抗効果素子１０Ｄと称する。第１磁気抵抗効果素子１０Ｃ及び第２磁気抵抗効果素子１０Ｄの構成は、第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０と同じである。磁気抵抗効果デバイス１２０のそれぞれの素子は、信号線路ＳＬ４～ＳＬ６で接続されている。

【0082】

図６において、信号線路ＳＬ４は、入力ポートｐ１と分岐部６０とを接続する。信号線路ＳＬ５は、分岐部６０と出力ポートｐ２とを接続する。信号線路ＳＬ６は、信号線路ＳＬ５と磁気抵抗効果素子１０とを接続する。コンデンサＣは、例えば、信号線路ＳＬ４上にある。フィルタＦは、例えば、信号線路ＳＬ５上の信号線路ＳＬ６との分岐より出力ポートｐ２側のそれぞれにある。

【0083】

分岐部６０は、信号を分岐する。分岐部６０は、例えば、方向性結合器である。信号線路ＳＬ４を流れる高周波電流Ｉ_Ｒは、分岐部６０で分岐され、信号線路ＳＬ５のそれぞれに流れる。

【0084】

波長分光器７０は、光Ｌを波長ごとに分光する。波長分光器７０は、例えば、プリズム、回折格子、分波器、カプラ、カラーフィルター等である。波長分光器７０は、例えば、光Ｌを赤色光ＬＲと青色光ＬＢに分光する。赤色光ＬＲは、例えば、波長が６００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。青色光ＬＢは、例えば、波長が３８０ｎｍ以上４５０ｎｍ未満である。

【0085】

例えば、第１磁気抵抗効果素子１０Ｃには赤色光ＬＲが照射され、第２磁気抵抗効果素子１０Ｄには青色光ＬＢが照射される。第１磁気抵抗効果素子１０Ｃと第２磁気抵抗効果素子１０Ｄとは、異なる波長の光が照射されている。第１磁気抵抗効果素子１０Ｃは、赤色光ＬＲの強度変化に応じて抵抗値が変化する。第２磁気抵抗効果素子１０Ｄは、青色光ＬＢの強度変化に応じて抵抗値が変化する。

【0086】

また第１磁気抵抗効果素子１０Ｃ及び第２磁気抵抗効果素子１０Ｄには、それぞれ高周波電流Ｉ_Ｒが流れる。高周波電流Ｉ_Ｒは、分岐部６０で分岐し、第１磁気抵抗効果素子１０Ｃと第２磁気抵抗効果素子１０Ｄとのそれぞれを流れる。第１磁気抵抗効果素子１０Ｃと第２磁気抵抗効果素子１０Ｄには、同一周波数の高周波電流Ｉ_Ｒが流れる。

【0087】

第１磁気抵抗効果素子１０Ｃは、赤色光ＬＲに基づいて変動する抵抗Ｒ_１０Ｃと第１磁気抵抗効果素子１０Ｃを流れる高周波電流Ｉ_Ｒに起因して、電圧Ｖ_Ｃを出力する。第２磁気抵抗効果素子１０Ｄは、青色光ＬＢに基づいて変動する抵抗Ｒ_１０Ｄと第２磁気抵抗効果素子１０Ｄを流れる高周波電流Ｉ_Ｒに起因して、電圧Ｖ_Ｄを出力する。

【0088】

磁気抵抗効果デバイス１２０は、複数の波長の光が含まれ、波長ごとに高周波信号を含む光Ｌを用いた場合、光Ｌから波長ごとに信号を取り出すことができる。すなわち、磁気抵抗効果デバイス１２０は、光Ｌから多数の信号を取り出すことができ、大容量の通信が可能である。

【符号の説明】

【0089】

１…第１強磁性層、２…第２強磁性層、３…スペーサ層、４…第３強磁性層、５…磁気結合層、６…下地層、７…垂直磁化誘起層、８…キャップ層、９…側壁絶縁層、１０…磁気抵抗効果素子、１０Ａ，１０Ｃ…第１磁気抵抗効果素子、１０Ｂ，１０Ｄ…第２磁気抵抗効果素子、５０…スプリッタ、６０…分岐部、７０…波長分光器、１００，１１０，１２０…磁気抵抗効果デバイス、１００Ａ…第１磁気抵抗効果デバイス、１００Ｂ…第２磁気抵抗効果デバイス、Ｃ…コンデンサ、Ｅ１…第１電極、Ｅ２…第２電極、Ｆ…フィルタ、Ｉ_Ｒ，Ｉ_Ｒ１，Ｉ_Ｒ２…高周波電流、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…光、ＬＢ…青色光、ＬＲ…赤色光、Ｍ１，Ｍ２…磁化、ｐ１…入力ポート、ｐ２…出力ポート、ｐｒ１…基準電位端子、Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_１１，Ｓ_１２…高周波信号、ＳＬ１～ＳＬ６…信号線路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】