JP5233201B2 - Magnetic device and frequency detector - Google Patents
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Description
本発明は、磁気デバイス及び周波数検出器に関する。 The present invention relates to a magnetic device and a frequency detector.
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磁化自由層(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。 As a magnetoresistive effect element, a GMR (Giant Magnetoresistive) in which a nonmagnetic conductive layer is interposed between a fixed layer in which the magnetization direction is fixed and a magnetization free layer (free layer) in which the magnetization direction freely changes. Devices are known. As another magnetoresistive element, a TMR (Tunnel Magnetoresistive) element in which a nonmagnetic insulating layer is interposed between a fixed layer and a free layer is known. When a current is passed through these magnetoresistive effect elements, a spin-polarized current flows, and torque is generated by the interaction with the spin accumulated in the free layer. Depending on the polarity of the spin-polarized current, The direction of magnetization changes. In the free layer arranged in a constant magnetic field, even if an attempt is made to change the magnetization direction, torque acts on the magnetization direction so as to restore the stable direction constrained by the magnetic field. This movement in the direction of magnetization resembles that the weight of a pendulum pulled by gravity oscillates swaying with a specific force, and is called precession.
近年、この磁化の向きの歳差運動の固有振動数と、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素子の抵抗値は、フリー層の磁化の向きと、固定層の磁化の向きとが成す角度に依存する。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、TMR素子の抵抗値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TMR素子の抵抗値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て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(スピントルクダイオード効果)。 In recent years, a phenomenon has been discovered in which resonance occurs when the natural frequency of precession in the direction of magnetization coincides with the frequency of the alternating current flowing in the free layer (see Non-Patent Document 1). The resistance value of the TMR element depends on the angle formed by the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the fixed layer. When resonance of the magnetization direction occurs in the free layer, the magnetization direction of the free layer greatly oscillates, and the resistance value of the TMR element fluctuates greatly periodically. On the other hand, when the resistance value of the TMR element greatly fluctuates in synchronization with the input alternating current, the alternating current flowing between both ends of the TMR element fluctuates asymmetrically with respect to the zero level and has a direct current component. Minutes can be extracted as output (spin torque diode effect).
TMR素子に上述の現象を発生させるためには、TMR素子に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。
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。 However, while the phenomenon of the magnetoresistive effect element as described above is known, no magnetic device that can industrially use such a phenomenon is known, and application of discovery is expected.
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検出器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a magnetic device and a frequency detector that industrially utilize the resonance phenomenon of the magnetization direction of the magnetoresistive effect element.
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、固定層及びフリー層を有する磁気抵抗効果素子と、自発的に静磁場を発生し、静磁場がフリー層に印加されるように設けられたバイアス磁界印加層と、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を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, a magnetic device according to the present invention is provided with a magnetoresistive effect element having a fixed layer and a free layer, so as to spontaneously generate a static magnetic field and to apply the static magnetic field to the free layer. And an input terminal for supplying an AC signal to the magnetoresistive effect element, and an output terminal for extracting an output voltage from the magnetoresistive effect element.
本発明によれば、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した磁気デバイスを得ることができる。即ち、上述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。そして、磁気抵抗効果素子のフリー層の磁化の向きの固有振動数と、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、磁気抵抗効果素子の抵抗値がその周波数で急激に変動するため、出力電圧はゼロレベルに対して非対称に変動して直流成分を有することとなる。ここで、共振周波数(固有振動数)は、フリー層に印加される磁場の大きさに依存する。即ち、バイアス磁界印加層がフリー層に印加する静磁場の大きさ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変動して直流成分を有することとなる。 According to the present invention, it is possible to obtain a magnetic device that industrially utilizes the resonance phenomenon of the magnetization direction of the magnetoresistive effect element. That is, when a current is passed through the magnetoresistive effect element described above, a spin-polarized current flows, and torque is generated by interaction with the spin accumulated in the free layer. Depending on the polarity of the spin-polarized current, the free layer The direction of magnetization changes. When the natural frequency of the magnetization direction of the free layer of the magnetoresistive element matches the frequency of the alternating current flowing through the magnetoresistive element, the vibration of the magnetization direction resonates, and the resistance value of the magnetoresistive element , The output voltage fluctuates asymmetrically with respect to the zero level and has a DC component. Here, the resonance frequency (natural frequency) depends on the magnitude of the magnetic field applied to the free layer. That is, the resonance frequency is determined depending on the magnitude of the static magnetic field applied to the free layer by the bias magnetic field application layer, and a signal having a specific frequency corresponding to the determined resonance frequency component among the input AC signals. Will have a direct current component by selectively fluctuating.
このような磁気デバイスにおいては、高周波信号の周波数検波・整流が可能となり、工業的な応用が可能となる。また、バイアス磁界印加層は、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、自発的に静磁場を発生するものを用いている。そのため、静磁場を発生させるために、バイアス磁界印加層以外の部材は不要であるため、磁気デバイスの小型化を図ることができる。 In such a magnetic device, frequency detection and rectification of a high frequency signal is possible, and industrial application is possible. The bias magnetic field application layer is provided in place of a conventional large magnetic field application device, and uses a layer that spontaneously generates a static magnetic field. Therefore, no member other than the bias magnetic field application layer is required to generate the static magnetic field, and the magnetic device can be downsized.
さらに、交流信号は、磁気抵抗効果素子の積層方向に流れることが好ましい。これにより、上述の共振現象を容易に生じさせることができる。 Furthermore, it is preferable that the AC signal flows in the stacking direction of the magnetoresistive effect elements. Thereby, the above-described resonance phenomenon can be easily generated.
さらに、バイアス磁界印加層は、フリー層に対して磁気抵抗効果素子の膜面方向に離間した位置に、フリー層を挟むように一対設けられていることが好ましい。これにより、一対のバイアス磁界印加層の間に一様な静磁場が形成されるため、これらの層の間にあるフリー層全体に対して一様な強度のバイアス磁界を印加することができる。その結果、磁気デバイスの動作が安定する。 Furthermore, it is preferable that a pair of bias magnetic field application layers is provided so as to sandwich the free layer at a position separated from the free layer in the film surface direction of the magnetoresistive effect element. Thereby, since a uniform static magnetic field is formed between a pair of bias magnetic field application layers, it is possible to apply a bias magnetic field having a uniform intensity to the entire free layer between these layers. As a result, the operation of the magnetic device is stabilized.
また、バイアス磁界印加層は、フリー層に対して磁気抵抗効果素子の積層方向に離間した位置に、磁気抵抗効果素子と積層して設けられていてもよい。この場合、磁気抵抗効果素子とバイアス磁界層が積層された構造となるため、磁気デバイスの構造が簡略化される。 Further, the bias magnetic field application layer may be provided so as to be laminated with the magnetoresistive effect element at a position separated from the free layer in the laminating direction of the magnetoresistive effect element. In this case, since the magnetoresistive effect element and the bias magnetic field layer are stacked, the structure of the magnetic device is simplified.
さらに、バイアス磁界印加層は、残留磁化を有し、残留磁化によって静磁場を発生することが好ましい。これにより、残留磁化を有することが可能な材料でバイアス磁界印加層を形成するだけで、フリー層に静磁場を印加することが可能となる。 Further, it is preferable that the bias magnetic field application layer has residual magnetization and generates a static magnetic field by the residual magnetization. As a result, it is possible to apply a static magnetic field to the free layer simply by forming the bias magnetic field application layer with a material capable of having residual magnetization.
また、バイアス磁界印加層は、反強磁性層と、反強磁性層と交換結合した強磁性層とを含んでもよい。この場合、反強磁性層と強磁性層とを一体として見ると、バイアス磁界印加層は残留磁界を有しているのと同等である。これにより、バイアス磁界印加層によってフリー層に静磁場を印加することが可能となる。 The bias magnetic field application layer may include an antiferromagnetic layer and a ferromagnetic layer exchange coupled with the antiferromagnetic layer. In this case, when the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer are viewed as one body, the bias magnetic field application layer is equivalent to having a residual magnetic field. This makes it possible to apply a static magnetic field to the free layer by the bias magnetic field application layer.
さらに、バイアス磁界印加層によって印加される静磁場のフリー層内における向きと、固定層の磁化の向きとが、固定層の膜面内において5度以上の角度で交差することが好ましい。これにより、フリー層の磁化の向きが振動し易くなる。即ち、フリー層の磁化の向きは静磁場のフリー層内における向きと一致する。そして、磁気抵抗効果素子に電流を流した場合、フリー層の磁化は固定層の磁化の向きと同一方向又は反対方向にトルクを受ける。そのため、上述の角度が一致している場合、フリー層の磁化の向きの振動が生じ難くなる。この角度が5度以上であれば、フリー層の磁化の向きの振動を容易に生じさせることができる。 Further, it is preferable that the direction of the static magnetic field applied by the bias magnetic field applying layer in the free layer and the direction of magnetization of the fixed layer intersect at an angle of 5 degrees or more in the film surface of the fixed layer. Thereby, the magnetization direction of the free layer is likely to vibrate. That is, the magnetization direction of the free layer matches the direction of the static magnetic field in the free layer. When a current is passed through the magnetoresistive effect element, the magnetization of the free layer receives torque in the same direction as or opposite to the magnetization direction of the fixed layer. For this reason, when the above-mentioned angles match, vibration in the magnetization direction of the free layer hardly occurs. If this angle is 5 degrees or more, vibration in the magnetization direction of the free layer can be easily generated.
さらに、交流信号が含む周波数成分のうち、フリー層に印加される静磁場の大きさに依存するフリー層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分と、フリー層の磁化方向とが共振し、固有振動数に対応する周波数成分を変動させて直流電圧を出力することが好ましい。これにより、フリー層に印加される静磁場が所定の大きさになるように磁気デバイスを製造すれば、交流信号が含む周波数成分のうちの所定の周波数成分を選択的に変動させて直流電圧を出力する磁気デバイスを得ることができる。 Furthermore, among the frequency components included in the AC signal, the frequency component corresponding to the natural frequency of the magnetization direction of the free layer, which depends on the magnitude of the static magnetic field applied to the free layer, and the magnetization direction of the free layer resonate. It is preferable to output a DC voltage by varying the frequency component corresponding to the natural frequency. As a result, if the magnetic device is manufactured so that the static magnetic field applied to the free layer has a predetermined magnitude, the DC voltage is changed by selectively changing the predetermined frequency component of the frequency components included in the AC signal. An output magnetic device can be obtained.
さらに、それぞれ独立した出力端子を有し、固有振動数がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子を有することが好ましい。これにより、交流信号が複数の周波数成分を含んでいる場合に、複数の固有振動数に対応した複数の周波数成分を変動させ、それに対応して複数の直流電圧をそれぞれ出力する磁気デバイスを得ることができる。 Furthermore, it is preferable to have a plurality of magnetoresistive elements each having an independent output terminal and having different natural frequencies. As a result, when an AC signal includes a plurality of frequency components, a plurality of frequency components corresponding to a plurality of natural frequencies are varied, and a magnetic device that outputs a plurality of DC voltages corresponding to the frequency components is obtained. Can do.
さらに、交流信号を発生させるための信号発生装置をさらに備えることが好ましい。これにより、信号発生装置から発生する信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。 Furthermore, it is preferable to further include a signal generator for generating an AC signal. Thereby, the magnetic device which processes the signal which generate | occur | produces from a signal generator can be obtained.
さらに、信号発生装置がアンテナであることが好ましい。これにより、アンテナで受信した信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。 Furthermore, the signal generator is preferably an antenna. Thereby, the magnetic device which processes the signal received with the antenna can be obtained.
本発明に係る周波数検出器は、上述のいずれかの磁気デバイスと、出力端子から出力される電圧をモニタするモニタ回路とを備える。本発明によれば、入力された交流信号のうち、特定の周波数の信号の電圧がモニタ回路によって検出される。そのため、この装置は周波数検出器として機能する。 A frequency detector according to the present invention includes any one of the magnetic devices described above and a monitor circuit that monitors a voltage output from an output terminal. According to the present invention, the voltage of a signal having a specific frequency among the input AC signals is detected by the monitor circuit. Therefore, this device functions as a frequency detector.
さらに、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。これにより、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ことができる。即ち、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、ローパスフィルタを設けることにより、交流信号のうち選択的に変動した特定の周波数の信号の直流電圧のみを取り出すことができる。 Furthermore, it is preferable to further include a low-pass filter interposed between the monitor circuit and the magnetoresistive effect element. As a result, only the DC component from the magnetoresistive effect element can be transmitted and input to the monitor circuit. That is, since an AC signal is applied between both ends of the magnetoresistive effect element, by providing a low-pass filter, only a DC voltage of a signal having a specific frequency selectively varied among the AC signals can be extracted. .
本発明の磁気デバイス及び周波数検出器によれば、磁気抵抗効果素子のフリー層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。 According to the magnetic device and the frequency detector of the present invention, it is possible to industrially use the resonance phenomenon of the magnetization direction of the free layer of the magnetoresistive effect element.
以下、実施の形態に係る磁気デバイス及び周波数検出器について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、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。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。 Hereinafter, a magnetic device and a frequency detector according to embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in each drawing, the same code | symbol is used for the same element and the overlapping description is abbreviate | omitted. In addition, the dimensional ratios in the components in the drawings and between the components are arbitrary for easy viewing of the drawings.
図1は、本発明に係る磁気デバイス30を備えた周波数検出器100の斜視図である。なお、図1においては、図面の見易さのため、後述のシリコン基板10、非磁性絶縁層16及び保護層22の図示を省略している(図2参照)。
FIG. 1 is a perspective view of a
磁気デバイス30は、磁気抵抗効果素子14と、磁気抵抗効果素子14に静磁場を印加するように設けられた一対のバイアス磁界印加層18と、磁気抵抗効果素子14の両端間に交流信号iを供給する一対の入力端子INPUT1,INPUT2と、磁気抵抗効果素子14の両端間出力電圧Vを取り出す一対の出力端子OUTPUT1,OUTPUT2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。
The
磁気抵抗効果素子14の積層方向を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。磁気抵抗効果素子14に対して、磁気抵抗効果素子14の膜面方向(XY平面方向)の一つであるX軸方向に離間した位置に、磁気抵抗効果素子14を挟むように一対のバイアス磁界印加層18が設けられている。磁気抵抗効果素子14のZ軸方向の両端には、それぞれ上部電極層20及び下部電極層12が接触し、磁気抵抗効果素子14に電気的に接続されている。上部電極層20及び下部電極層12は、突部を有する板状の電極であり、それぞれの突部間に磁気抵抗効果素子14が配置されている。下部電極層12と、一対のバイアス磁界印加層18は離間しており、電気的に絶縁されている。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。
The stacking direction of the
上部電極層20及び下部電極層12には、それぞれ一対の上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24が電気的に接続されている。なお、上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24の一部は、それぞれ保護層22(図1においては図示せず。図2参照)内に埋設されているが、図1においては、上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24のうち、保護層22内に埋設されている部分を破線で示している。
A pair of upper
一方の上部電極層用パッド28と一方の下部電極層用パッド24間には、入力端子INPUT1,INPUT2を介して信号源Sから交流信号iが印加される。一方の上部電極層用パッド28と一方の下部電極層用パッド24間に直流が印加されないように、一方の入力端子INPUT1と一方の上部電極層用パッド28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。
An AC signal i is applied from the signal source S between the one upper
図2は、図1におけるII−II線に沿った端面図である。図2に示すように、下部電極層12、磁気抵抗効果素子14及び上部電極層20は、この順にシリコン基板10上に積層されている。また、一対のバイアス磁界印加層18は、磁気抵抗効果素子14に対して、X軸方向に離間した位置に磁気抵抗効果素子14を挟むように設けられている。そして、一対のバイアス磁界印加層18と磁気抵抗効果素子14との間、及び一対のバイアス磁界印加層18と下部電極層12との間には、非磁性絶縁層16が設けられている。さらに、上部電極層20、一対のバイアス磁界印加層18及び非磁性絶縁層16を覆うように、保護層22が形成されている。
2 is an end view taken along line II-II in FIG. As shown in FIG. 2, the
図3及び図4を用いて、磁気抵抗効果素子14、非磁性絶縁層16及び一対のバイアス磁界印加層18の詳細について説明する。図3は、図2の磁気抵抗効果素子14付近の拡大端面図であり、図4は図3のIV−IV線に沿った磁気抵抗効果素子14付近の端面図である。
Details of the
図3に示すように、磁気抵抗効果素子14は、フリー層5を含む素子である。具体的には、磁気抵抗効果素子14は、下地層1と、反強磁性層2と、反強磁性層2と交換結合して磁化の向き3AMがY軸方向に固定された下部強磁性層3Aと、Ruなどの導電性金属からなる非磁性層3Bと、非磁性層3Bを介して磁化の向き3CMが下部強磁性層3Aの磁化の向き3AMと反対向き(Y軸と反対方向)に固定された上部強磁性層3Cと、非磁性層4と、強磁性体からなるフリー層5と、キャップ層9とがこの順に積層された構成を含んでいる。ここで、下部強磁性層3Aと非磁性層3Bと上部強磁性層3Cとで固定層3となるが、固定層3の磁化の向きとは、固定層3の2つの強磁性層のうちフリー層5に近い方である上部強磁性層3Cの磁化の向き3CMを意味するものとする。
As shown in FIG. 3, the
磁気抵抗効果素子14がTMR素子からなる場合には、非磁性層4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14がCPP(Current Perpendicular Plane)型のGMR素子からなる場合には、非磁性層4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、電流は磁気抵抗効果素子14の積層方向(Z軸方向)に流れる。
When the
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2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4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。なお、磁気抵抗効果素子14は、下地層1及びキャップ層9を含んでいなくてもよい。
Ferromagnetism is the magnetism of a substance that has adjacent spins aligned in the same direction and has a large magnetic moment as a whole, and a ferromagnet has spontaneous magnetization even in the absence of an external magnetic field. Materials that exhibit ferromagnetism at room temperature include Fe, Co, Ni, and Gd. As the ferromagnetic material, Co, Ni—Fe alloy, Co—Fe alloy, or the like can be preferably used. As the antiferromagnetic material constituting the
また、フリー層5の膜厚は、1〜10nmとすることができ、磁気抵抗効果素子14全体の膜厚は、10〜100nmとすることができる。
The film thickness of the
そして、磁気抵抗効果素子14に対してX軸に離間した位置に、フリー層5を挟むように一対のバイアス磁界印加層18が設けられている。バイアス磁界印加層は、CoCrPt等の硬磁性材料で構成されており、その残留磁化18M1の方向が図3のX軸方向に向くように着磁されている。そのため、バイアス磁界印加層18は、自発的に静磁場18M2を図3のX軸方向に発生し、この静磁場18M2はバイアス磁界としてフリー層5に印加される。その結果、フリー層5の磁化の方向5Mは、静磁場18M2のフリー層5内における向き、即ち、X軸の方向を向くことになる。また、バイアス磁界印加層18の厚さは、後述するように共振周波数f0が所定の値になるように調整されるが、例えば1〜100nmとすることができる。
Then, a pair of bias magnetic field application layers 18 are provided so as to sandwich the
また、図3のIV−IV線に沿った端面図である図4に示すように、静磁場18M2のフリー層5内における向きと、固定層3の磁化方向3CMとが固定層3の膜面内において成す角度θは、本実施形態の場合90度となっている。
Further, as shown in FIG. 4 which is an end view taken along line IV-IV in FIG. 3, the direction of the static magnetic field 18M2 in the
次に、磁気デバイス及び周波数検出器の動作について、図1〜図3を用いて説明する。 Next, operations of the magnetic device and the frequency detector will be described with reference to FIGS.
交流電流iを磁気抵抗効果素子14に供給すると、磁気抵抗効果素子14のフリー層5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5の磁化の向き5Mが変化する。フリー層5の磁化の向き5Mは、交流電流が供給されていないときには、バイアス磁界印加層18から発生する静磁場18M2のフリー層5内での方向に一致している。磁気抵抗効果素子14の固定層3側からフリー層5に偏極スピンが注入される場合、上部強磁性層3Cの磁化の向き3CM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5に注入され、フリー層5は、フリー層5の磁化の向き5Mを上部強磁性層3Cの磁化の向き3CMと平行になる方向に回転させるようなトルクを受ける。これとは逆向きにフリー層5に電子を注入した場合には、上部強磁性層3Cの磁化の向き3CMに揃った極性のスピンはフリー層5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5に注入され、フリー層5は、フリー層5の磁化の向き5Mを上部強磁性層3Cの磁化の向き3CMと反平行になる方向に回転させるようなトルクを受ける。
When an alternating current i is supplied to the
交流電流iの極性は時間と共に変化するので、フリー層5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14のフリー層5の磁化の向き5Mの固有振動数fFと、磁気抵抗効果素子14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5の磁化の向き5Mの振動が共振し、磁気抵抗効果素子14の素子の抵抗値が急激に変動し、交流電流iの電圧が変動して直流成分を有し、
他方の上部電極層用パッド28と他方の下部電極層用パッド24にそれぞれ接続された出力端子OUTPUT1,OUTPUT2の間の電圧として出力される。
Since the polarity of the alternating current i changes with time, the magnetization direction of the
The voltage is output as a voltage between output terminals OUTPUT1 and OUTPUT2 connected to the other upper
共振周波数f0は、磁気抵抗効果素子14のフリー層5に印加される静磁場18M2の大きさに依存して上昇する。この静磁場18M2の大きさは、バイアス磁界印加層18の材質、膜厚等に依存する。これらの条件を調節して静磁場18M2の大きさを増大させると(18M2a<18M2b<18M2c)、共振(共鳴)周波数f0が上昇する(図5参照)。すなわち、バイアス磁界印加層18の材質、膜厚等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が選択的に変動して直流成分を有し、出力端子OUTPUT1,OUTPUT2の間に現れる(図6参照)。
The resonance frequency f 0 increases depending on the magnitude of the static magnetic field 18M2 applied to the
また、本実施形態の周波数検出器100は、磁気デバイス30を備えており、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40を更に備えている。交流電流iを磁気抵抗効果素子14に供給すると、フリー層5の固有振動数fFに対応した特定の共振周波数の電圧Vがモニタ回路40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を検出する周波数検出器として機能する。
Further, the
また、周波数検出器100は、モニタ回路40と磁気抵抗効果素子14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14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からフリー層5の磁化の向き5Mの固有振動数fFに対応した特定の周波数の信号電圧の直流電圧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14からの直流成分のみを透過させてモニタ回路40に入力させる。本例では、ローパスフィルタLは、上部電極層用パッド28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。
The
図7は、図1に示した磁気抵抗効果素子14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。
7 shows the relationship between the external magnetic field (Oe) and the output voltage (μV) when the TMR element is used as the
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。 As is apparent from this graph, the magnitude of the external magnetic field corresponding to the resonance frequency exists, and it can be seen that the required external magnetic field increases as the frequency increases.
本実施形態においては、外部磁場(静磁場18M2(図3参照))をバイアス磁界印加層18によってフリー層5に印加しているが、この場合も同様に考えることができる。
In the present embodiment, an external magnetic field (static magnetic field 18M2 (see FIG. 3)) is applied to the
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4.5GHz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。 Even when a CPP type GMR element is used in place of the TMR element, in consideration of the resonance principle of the spin vibration, the same action as the TMR element is performed according to the vibration of the magnetization direction. When a similar experiment was performed using a CPP type GMR element, the same result as in the case of the TMR element was obtained. That is, for example, when the applied voltage frequency is 4.5 GHz, the peak of the output voltage is observed at 4.5 GHz, and the voltage value exceeds 230 μV.
次に、本実施形態に係る磁気デバイス30の製造方法を、図9〜15を用いて説明する。図9〜15の(A)は磁気デバイス30の中間体の平面図である。また、図9〜14の(B)及び図15の(B)(C)は、各図の平面図(A)における所定の線に沿った磁気デバイス30の中間体の端面図である。
Next, a method for manufacturing the
まず、図9に示すように、シリコン基板10上に所定形状にパターニングされたCu等の導電性材料からなる下部電極層12を形成し、全面に磁気抵抗効果素子14を形成し、将来磁気抵抗効果素子14を残す部分にパターニングされたレジストマスク15を形成する。ここで、下部電極層12及び磁気抵抗効果素子14は、例えばスパッタリング装置を用いて成膜することができる。また、磁気抵抗効果素子14内のフリー層5(図9においては図示せず。図3参照)を成膜する際、将来静磁場18M2が印加されることとなる方向(図9の左右の方向)に磁場を印加しながら成膜し、フリー層5に対してその方向に誘導磁気異方性を付与してもよい。
First, as shown in FIG. 9, a
続いて、図10に示すように、磁気抵抗効果素子14のうちレジストマスク15によってマスクされていない部分を、イオンミリング等によって除去する。これにより、磁気抵抗効果素子14のパターンが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 10, a portion of the
次に、図11に示すように、磁気抵抗効果素子14の側面と、下部電極層12とシリコン基板10の露出表面に、SiO2等の非磁性絶縁層16を形成した後、磁気抵抗効果素子14の両側面に磁気抵抗効果素子14と離間するようにパターニングされた一対のバイアス磁界印加層18を形成する。ここで、非磁性絶縁層16は、例えばSi(OC2H5)4を用いたCVD装置によって成膜することができる。
Next, as shown in FIG. 11, a nonmagnetic insulating
そして、図12に示すように、保護層22aを全面に成膜した後、磁気抵抗効果素子14及びバイアス磁界印加層18が露出するまでCMP等によって表面をラッピングすることにより、凹部に保護層22aを埋め、全面を平坦にする。
Then, as shown in FIG. 12, after the
続いて、図13に示すように、所定形状にパターニングされたCu等の導電性材料からなる上部電極層20を、磁気抵抗効果素子14と電気的に接触するように形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 13, an
次に、図14に示すように、全体に保護層22bを形成した後に、表面をCMP等によってラッピングして平坦化する。
Next, as shown in FIG. 14, after the
そして、図15に示すように、保護層22(=保護層22a+保護層22b)の表面に、将来上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24を形成する領域以外をレジストでマスクし、マスクされていない領域の保護層22を、例えばC4F8等を用いた反応性イオンエッチング装置等によって除去して上部電極層20及び下部電極層12に達するスルーホールを形成し、スパッタ装置等によってAu等の導電性材料を成膜して一対の上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24を形成する。
Then, as shown in FIG. 15, the surface of the protective layer 22 (=
その後、固定層3の上部強磁性層3C及び下部強磁性層3Aの磁化方向を固定するために、Y軸方向に磁場を印加した状態で反強磁性層2のブロッキング温度程度まで加熱した後に冷却する(図3参照)。また、その後、X軸方向に磁場を印加しながら加熱・冷却を行い、フリー層5の磁化容易軸をX軸方向に設定するのが好ましい。この際、固定層3の磁化方向3CMを変化させないように、上述の固定層3の磁化方向3CMの固定のための処理の場合と比較して、印加磁場を弱く、加熱温度を低くする。
Thereafter, in order to fix the magnetization directions of the upper
そして、図1に示すように、一対の上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24の一方に一対の入力端子INPUT1,INPUT2を接続し、一対の上部電極層用パッド28及び下部電極層用パッド24の他方に一対の出力端子OUTPUT1,OUTPUT2を接続することにより、磁気デバイス30が完成する。
As shown in FIG. 1, a pair of input terminals INPUT1 and INPUT2 are connected to one of a pair of upper
上述のような本実施形態に係る磁気デバイス及び周波数検出器によってスピンデバイスの共振を用いれば、通常のSi半導体技術では得られない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。また、バイアス磁界印加層18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、自発的に静磁場18M2を発生するものを用いている。そのため、静磁場18M2を発生させるために、バイアス磁界印加層18以外の部材は不要であるため、磁気デバイス30の小型化を図ることができる。
If the resonance of the spin device is used by the magnetic device and the frequency detector according to the present embodiment as described above, frequency analysis in the GHz band that cannot be obtained by a normal Si semiconductor technology can be performed. We can expect development. The bias magnetic
また、本実施形態の磁気デバイス30においては、磁気抵抗効果素子14として、その膜面に垂直に電流を流すタイプの素子を使用している。そのため、上述の共振現象を好適に生じさせることが可能である。
Further, in the
また、本実施形態の磁気デバイス30においては、バイアス磁界印加層18は、フリー層5に対して磁気抵抗効果素子14の膜面方向に離間した位置に、フリー層5を挟むように一対設けられている。これにより、一対のバイアス磁界印加層18の間に一様な静磁場18M2が形成されるため、これらの層の間にあるフリー層5全体に対して一様な強度のバイアス磁界を印加することができる。そのため、磁気デバイス30の動作が安定化されている。
In the
また、本実施形態の磁気デバイス30においては、バイアス磁界印加層18は、残留磁化18M1を有し、残留磁化18M1によって静磁場18M2を発生している。これにより、残留磁化18M1を有することが可能な材料でバイアス磁界印加層18を形成するだけで、フリー層5に静磁場18M2を印加することが可能となっている。
Further, in the
また、本実施形態の磁気デバイス30においては、バイアス磁界印加層18によって印加される静磁場18M2のフリー層5内における向きと、固定層3の磁化の向き3CMとが、固定層3の膜面内における角度θが90度となっている。このため、フリー層5の磁化の向き5Mが振動し易くなる。即ち、フリー層5の磁化の向き5Mは静磁場18M2のフリー層5内における向きと一致する。そして、磁気抵抗効果素子14に電流を流した場合、フリー層5の磁化は固定層3の磁化の向き3CMと同一方向又は反対方向に回転するようにトルクを受ける。そのため、上述の角度が一致している場合、フリー層5の磁化の向き5Mの振動が生じ難くなる。本実施形態では、この角度θが90度であるため、フリー層5の磁化の向き5Mの振動を容易に生じさせることができる。
Further, in the
また、本実施形態の磁気デバイス30においては、交流信号iが含む周波数成分のうち、フリー層5に印加される静磁場18M2の大きさに依存するフリー層5の磁化方向5Mの固有振動数fFに対応する周波数成分と、フリー層5の磁化方向5Mとが共振し、固有振動数fFに対応する周波数成分を変動させて直流電圧Vを出力している。このため、フリー層5に印加される静磁場18M2が所定の大きさになるように磁気デバイス30を製造すれば、交流信号iが含む周波数成分のうちの所定の周波数成分を選択的に変動させて直流電圧を出力する磁気デバイス30が実現される。
In the
また、本実施形態の周波数検出器100は、上述の磁気デバイス30と、一対の出力端子OUTPUT1,OUTPUT2から出力される電圧をモニタするモニタ回路40とを備えている。このため、入力された交流信号iのうち、特定の周波数の信号の電圧がモニタ回路40によって検出されるような周波数検出器が実現されている。
The
また、本実施形態の周波数検出器100は、モニタ回路40と磁気抵抗効果素子14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。このため、磁気抵抗効果素子14からの直流成分のみを透過させてモニタ回路40に入力させることができる。即ち、磁気抵抗効果素子14の両端間には交流信号iが印加されているため、ローパスフィルタLを設けることにより、交流信号iのうち選択的に変動した特定の周波数の信号の直流電圧のみを取り出すことが可能となっている。
Further, the
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形態様が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
上述の実施形態においては、バイアス磁界印加層18によって印加される静磁場18M2のフリー層5内における向きと、固定層3の磁化の向き3CMとが、固定層3の膜面内において成す角度θが90度となっているが、角度θは鋭角や鈍角であってもよい。この角度θは、上述の共振現象を好適に生じさせる観点から、5度以上であることが好ましい。
In the above-described embodiment, the angle θ formed by the orientation of the static magnetic field 18M2 applied by the bias magnetic
また、上述の実施形態においては、バイアス磁界印加層18は硬磁性材料で形成したが、反強磁性層と、これに交換結合した強磁性層との2層構造とすることも可能である。この場合、反強磁性層と強磁性層とを一体として見ると、一層の硬磁性層と同等であるため、本実施形態と同様の効果を得ることができる。また、この場合の強磁性層は硬磁性層の他に軟磁性層であってもよい。
In the above-described embodiment, the bias magnetic
また、図16に示すように、磁気抵抗効果素子14aの固定層3は、一層の強磁性層であってもよい。この場合も、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
Further, as shown in FIG. 16, the fixed
また、図17に示すように、バイアス磁界印加層18aを、非磁性層6を介してフリー層5と積層してもよい。即ち、バイアス磁界印加層18aを、フリー層5に対して磁気抵抗効果素子14bの積層方向に離間した位置に、磁気抵抗効果素子14bと積層して設けてもよい。このバイアス磁界印加層18aは、硬磁性材料で形成すればよい。
In addition, as shown in FIG. 17, the bias magnetic
また、図17に示す態様の変形として、図18に示すように、バイアス磁界印加層18bは、反強磁性層182bと、これと交換結合した強磁性層181bとからなる2層構造でもよい。この場合であっても、反強磁性層182bと強磁性層181bを一体として見ると硬磁性層と同等であり、フリー層5にバイアス磁界を印加することが可能である。
As a modification of the embodiment shown in FIG. 17, as shown in FIG. 18, the bias magnetic
また、交流信号を発生させるための信号発生装置を信号源Sとしてさらに備える構成も可能である。これにより、信号発生装置から発生する信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。信号発生装置としてVCO(Voltage Controlled Oscillator)を用いれば、送信機として用いることができる。また、信号発生装置としてアンテナを用いることもできる。この場合、アンテナで受信した信号を処理する磁気デバイスを得ることができる。 Moreover, the structure further provided as the signal source S with the signal generator for generating an alternating current signal is also possible. Thereby, the magnetic device which processes the signal which generate | occur | produces from a signal generator can be obtained. If a VCO (Voltage Controlled Oscillator) is used as the signal generator, it can be used as a transmitter. An antenna can also be used as the signal generator. In this case, a magnetic device that processes a signal received by the antenna can be obtained.
また、図19に示すように、それぞれ独立した出力端子OUTPUT1a、OUTPUT2a、OUTPUT1b、OUTPUT2b、OUTPUT1c、OUTPUT2cを有し、固有振動数fFがそれぞれ異なる複数の磁気デバイス30a、30b、30cを有する周波数検出器100aも可能である。ここで、出力端子OUTPUT1a、OUTPUT1b及びOUTPUT1cは、それぞれ上述の実施形態における出力端子OUTPUT1に対応し、出力端子OUTPUT2a、OUTPUT2b及びOUTPUT2cは、それぞれ上述の実施形態における出力端子OUTPUT2に対応し、磁気デバイス30a、30b及び30cは、それぞれ上述の実施形態における磁気デバイス30に対応する(図1参照)。これにより、交流信号iが複数の周波数成分を含んでいる場合に、複数の固有振動数fFに対応した複数の周波数成分を変動させ、それに対応して複数の直流電圧Va、Vb、Vcをそれぞれ出力する周波数検出器100aを得ることができる。ここで、直流電圧Va、Vb及びVcは、上述の実施形態における直流電圧Vに対応し、周波数検出器100aは、上述の実施形態における周波数検出器100に対応する(図1参照)。
Further, as shown in FIG. 19, each independent output terminal OUTPUT1a, OUTPUT2a, OUTPUT1b, OUTPUT2b, OUTPUT1c, have OUTPUT2c, frequency detection having a plurality of
3・・・固定層、3CM・・・固定層の磁化方向、5・・・フリー層、14 ・・・磁気抵抗効果素子、18 ・・・バイアス磁界印加層、18M2・・・静磁場、INPUT1,INPUT2・・・入力端子、OUTPUT1,OUTPUT2・・・出力端子。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
自発的に静磁場を発生し、前記静磁場が前記フリー層に印加されるように設けられたバイアス磁界印加層と、
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、
を備え、
前記交流信号が含む周波数成分のうち、前記フリー層に印加される静磁場の大きさに依存する前記フリー層の磁化方向の固有振動数に対応する周波数成分と、前記フリー層の磁化方向とが共振し、
前記固有振動数に対応する周波数成分を変動させて直流電圧を出力することを特徴とする磁気デバイス。 A magnetoresistive effect element having a fixed layer and a free layer;
A bias magnetic field application layer provided so as to spontaneously generate a static magnetic field and to apply the static magnetic field to the free layer;
An input terminal for supplying an AC signal to the magnetoresistive element;
An output terminal for extracting an output voltage from the magnetoresistive element;
Equipped with a,
Among the frequency components included in the AC signal, the frequency component corresponding to the natural frequency of the magnetization direction of the free layer depending on the magnitude of the static magnetic field applied to the free layer, and the magnetization direction of the free layer Resonate,
A magnetic device that outputs a DC voltage by varying a frequency component corresponding to the natural frequency .
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と、
を備えることを特徴とする周波数検出器。 The magnetic device according to any one of claims 1 to 10 ,
A monitor circuit for monitoring the voltage output from the output terminal;
A frequency detector comprising:
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