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JP6569349B2 - Magnetoresistive device - Google Patents

Magnetoresistive device Download PDF

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JP6569349B2 JP2015143211A JP2015143211A JP6569349B2 JP 6569349 B2 JP6569349 B2 JP 6569349B2 JP 2015143211 A JP2015143211 A JP 2015143211A JP 2015143211 A JP2015143211 A JP 2015143211A JP 6569349 B2 JP6569349 B2 JP 6569349B2
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Description

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に関する。 The present invention relates to a magnetoresistive effect device using a magnetoresistive effect element.

(強磁性共鳴の説明)
強磁性体の磁化は、印加された磁界に対して動くため、振動する外部交流磁界が印加された場合、強磁性体の磁化は、外部交流磁界の周波数に応じて振動する。例えば、非特許文献1にあるように、印加された外部交流磁界の周波数が、強磁性体の持つ共鳴周波数に近い時、振動する強磁性体の磁化の振幅は非常に大きくなることが知られており、この現象は強磁性共鳴(FMR)と呼ばれている。強磁性共鳴において、印加される外部交流磁界の周波数に対する、強磁性体の磁化の振幅のスペクトルは、共鳴周波数にピークを持つ形状となっている。
(Description of ferromagnetic resonance)
Since the magnetization of the ferromagnetic material moves relative to the applied magnetic field, when a vibrating external AC magnetic field is applied, the magnetization of the ferromagnetic material vibrates according to the frequency of the external AC magnetic field. For example, as described in Non-Patent Document 1, it is known that when the frequency of the applied external AC magnetic field is close to the resonance frequency of the ferromagnetic material, the magnetization amplitude of the vibrating ferromagnetic material becomes very large. This phenomenon is called ferromagnetic resonance (FMR). In ferromagnetic resonance, the spectrum of the amplitude of magnetization of the ferromagnetic material with respect to the frequency of the applied external AC magnetic field has a shape having a peak at the resonance frequency.

磁気抵抗効果素子として、スペーサー層である非磁性導電層が強磁性層で挟まれたGMR(Giant Magneto Resistive Effect)素子や、スペーサー層である非磁性絶縁層が強磁性層で挟まれたTMR(Tunnel Magneto Resistance Effect)素子などが知られている。磁気抵抗効果素子に外部交流磁界が印加されると、磁化自由層の磁化の変化に応じて、磁化固定層の磁化と磁化自由層の磁化のなす角度が変化し、磁気抵抗効果により磁気抵抗効果素子の抵抗が変化する。そのため、印加される外部交流磁界の周波数に対する、磁気抵抗効果素子の抵抗変化のスペクトルは、磁化自由層の磁化の共鳴周波数にピークを持つ形状となる。また、このスペクトルの半値幅は、例えば、数十MHzから数GHzとなる。   As a magnetoresistive effect element, a GMR (Giant Magneto Resistive Effect) element in which a nonmagnetic conductive layer as a spacer layer is sandwiched between ferromagnetic layers, or a TMR (non-magnetic insulating layer as a spacer layer is sandwiched between ferromagnetic layers). A Tunnel Magneto Resistance Effect element or the like is known. When an external AC magnetic field is applied to the magnetoresistive effect element, the angle between the magnetization of the magnetization fixed layer and the magnetization of the magnetization free layer changes according to the change in the magnetization of the magnetization free layer, and the magnetoresistance effect The resistance of the element changes. Therefore, the spectrum of the resistance change of the magnetoresistive element with respect to the frequency of the applied external alternating magnetic field has a shape having a peak at the resonance frequency of magnetization of the magnetization free layer. Further, the half width of this spectrum is, for example, several tens of MHz to several GHz.

(スピン注入磁化発振素子の説明)
一方、TMR素子やGMR素子のような磁気抵抗効果素子に、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する直流電流が流れるとき、スピントルクにより磁化自由層の磁化が振動する現象が知られている。この磁化自由層の磁化の振動は、磁気抵抗効果により磁化の振動周波数に応じた交流信号として出力させることができる。例えば、特許文献1や特許文献2などでは、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流を印加し、高周波帯域の出力を取り出す発振器として磁気抵抗効果素子を用いることが提案されている。このような磁気抵抗効果素子は特にスピン注入磁化発振素子と呼ばれる。スピントルクによる磁化の振動では、一般的に磁化自由層の磁化の振動周波数は数〜数十GHzの高周波帯域である。また、振動する磁化自由層の磁化の振幅を、周波数のスペクトルで表すと、磁化自由層の磁化の共鳴周波数に対応したピークを持つ形状となる。さらに、磁気抵抗効果による抵抗変化を周波数のスペクトルにとると、同様に磁化自由層の磁化の共鳴周波数にピークを持つ形状となる。このスペクトルの半値幅は、例えば、数MHzから数百MHzであり、一般的に、上述した外部交流磁界による磁化自由層の磁化の振動による抵抗変化のスペクトルの半値幅よりも小さくなる。
(Description of spin injection magnetization oscillation element)
On the other hand, when a direct current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density flows through a magnetoresistive effect element such as a TMR element or a GMR element, a phenomenon is known in which the magnetization of the magnetization free layer oscillates due to spin torque. The magnetization vibration of the magnetization free layer can be output as an AC signal corresponding to the magnetization vibration frequency by the magnetoresistance effect. For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 propose using a magnetoresistive effect element as an oscillator that applies a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density to the magnetoresistive effect element and extracts an output in a high frequency band. ing. Such a magnetoresistive effect element is particularly called a spin injection magnetization oscillation element. In the magnetization vibration due to the spin torque, the magnetization vibration frequency of the magnetization free layer is generally in a high frequency band of several to several tens GHz. Moreover, when the magnetization amplitude of the oscillating magnetization free layer is represented by a frequency spectrum, it has a shape having a peak corresponding to the resonance frequency of the magnetization of the magnetization free layer. Further, when the resistance change due to the magnetoresistive effect is taken as a frequency spectrum, the shape similarly has a peak at the resonance frequency of magnetization of the magnetization free layer. The full width at half maximum of this spectrum is, for example, several MHz to several hundred MHz, and is generally smaller than the full width at half maximum of the spectrum of resistance change due to the vibration of magnetization of the magnetization free layer due to the external AC magnetic field.

特許第4677589号Japanese Patent No. 4767589 特許第5443783号Patent No. 5434783

J. −M. L. Beaujour et al., J. Appl. Phys. 99, 08N503 (2006)J. et al. -M. L. Beaujour et al. , J. et al. Appl. Phys. 99, 08N503 (2006)

スピン注入磁化発振素子は、水晶発振器の置き換えや無線通信用送信機などの用途が考えられる。ただし、それらの用途に用いるためには高出力が必要となり、既存のスピン注入磁化発振素子では、この要求を満足できない。スピン注入磁化発振素子が高出力化できない理由として、TMR素子とGMR素子には、スピン注入磁化発振素子として、それぞれ異なる問題点がある。スピントルクによる磁化の振動は、磁気抵抗効果素子に印加される電流の電流密度を大きくするほど振幅が大きくなるという特徴があるが、GMR素子は、磁気抵抗効果が小さいため、磁化自由層の磁化が大きく振動しても、取り出すことができる電気的な高周波出力は小さいという問題がある。一方、スピントルクによる磁化の振動を起こすためには、磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する非常に大きな電流を流す必要があるが、TMR素子は耐圧が小さく、大きな電流密度の電流を流すと素子が壊れてしまうため、大きな電流密度の電流を流して磁化自由層の磁化を大きく発振させることはできないという問題がある。本発明は、発振閾値電流密度を小さく抑えつつ高い発振出力を実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供することを目的とする。   The spin-injection magnetization oscillating element can be used for a crystal oscillator replacement or a wireless communication transmitter. However, a high output is required for use in these applications, and existing spin-injection magnetization oscillation elements cannot satisfy this requirement. TMR elements and GMR elements have different problems as spin-injection magnetization oscillation elements because the spin-injection magnetization oscillation element cannot increase the output. The vibration of magnetization due to spin torque is characterized in that the amplitude increases as the current density of the current applied to the magnetoresistive effect element increases. However, since the GMR element has a small magnetoresistive effect, the magnetization of the magnetization free layer There is a problem that the electrical high-frequency output that can be taken out is small even if the vibration is large. On the other hand, in order to cause magnetization vibration due to spin torque, it is necessary to pass a very large current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density to the magnetoresistive effect element. However, the TMR element has a small withstand voltage and a large current density. If the current is applied, the element is broken. Therefore, there is a problem that the magnetization of the magnetization free layer cannot be greatly oscillated by supplying a current having a large current density. An object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect device capable of realizing a high oscillation output while keeping the oscillation threshold current density small.

上記目的を達成するための本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、第1の磁化自由層、第1の磁化固定層および前記第1の磁化自由層と前記第1の磁化固定層との間に配置された第1のスペーサー層を有する第1の磁気抵抗効果素子と、第2の磁化自由層、第2の磁化固定層および前記第2の磁化自由層と前記第2の磁化固定層との間に配置された第2のスペーサー層を有する第2の磁気抵抗効果素子と、前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構とを有し、前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層が磁気的に結合しており、さらに、前記第1の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第1の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、前記第2の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第2の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きくなっており、前記第1の磁気抵抗効果素子には、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されることを特徴とすることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a magnetoresistive device according to the present invention includes a first magnetization free layer, a first magnetization fixed layer, and a gap between the first magnetization free layer and the first magnetization fixed layer. A first magnetoresistive element having a first spacer layer disposed; a second magnetization free layer; a second magnetization fixed layer; and the second magnetization free layer and the second magnetization fixed layer. A second magnetoresistive element having a second spacer layer disposed therebetween, a magnetic field application mechanism for applying an external magnetic field to the first magnetization free layer and the second magnetization free layer, The first magnetization free layer and the second magnetization free layer are magnetically coupled, and a straight line parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer is applied to the first magnetization free layer. Than the angle formed by a straight line parallel to the direction of the external magnetic field to be generated. An angle formed by a straight line parallel to the direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the second magnetization free layer is large, and the first magnetoresistive element has an oscillation threshold current density equal to or greater than A first characteristic is that a current having a current density of 1 is applied.

なお、本発明において、「磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線のなす角度」とは、磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線がなす角度のうち小さいほうの角度である。 In the present invention, “an angle formed by a straight line parallel to the magnetization direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field” is smaller than an angle formed by a straight line parallel to the magnetization direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field. This is the angle.

磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が小さいほど発振閾値電流密度が小さくなる。また、磁気抵抗効果素子は、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きいほど磁化自由層の磁化の振動に対する抵抗変化が大きくなる。従って、上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁気抵抗効果素子において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第2の磁気抵抗効果素子よりも小さいことで、発振閾値電流密度が小さくなる。第1の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流を流すことで、第1の磁化自由層の磁化を振動させることができ、これに伴い、第1の磁化自由層と磁気的に結合した第2の磁化自由層の磁化も振動する。また、第2の磁気抵抗効果素子において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第1の磁気抵抗効果素子よりも大きいことで、第2の磁化自由層の磁化の振動に対する抵抗変化が大きくなるので、第2の磁気抵抗効果素子から高い発振出力を得ることができる。このように、第1の磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度を小さく抑えつつ、第2の磁気抵抗効果素子から高い発振出力を得ることができる。 In the magnetoresistive effect element, the oscillation threshold current density decreases as the angle formed by the straight line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer decreases. In addition, the magnetoresistive effect element has a resistance change to the vibration of the magnetization of the magnetization free layer as the angle between the line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer increases. Becomes larger. Therefore, according to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, in the first magnetoresistive effect element, a straight line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer are formed. An oscillation threshold current density becomes small because an angle is smaller than a 2nd magnetoresistive effect element. By causing a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density to flow through the first magnetoresistive effect element, the magnetization of the first magnetization free layer can be oscillated, and accordingly, the first magnetization free layer and The magnetization of the magnetically coupled second magnetization free layer also vibrates. In the second magnetoresistive effect element, the angle formed by the straight line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer is greater than that of the first magnetoresistive effect element. Is larger, the resistance change with respect to the vibration of the magnetization of the second magnetization free layer becomes larger, so that a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element. Thus, a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistive element while suppressing the oscillation threshold current density of the first magnetoresistive element.

さらに本発明に係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と前記第2の磁気抵抗効果素子は電気的に独立していることを第2の特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive effect device according to the present invention is characterized in that the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically independent.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子が電気的に独立しているため、第1の磁気抵抗効果素子および第2の磁気抵抗効果素子のそれぞれに、最適な条件で電流を印加することができる。   According to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically independent from each other. A current can be applied to each element under optimum conditions.

さらに本発明に係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と前記第2の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されていることを第3の特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive effect device according to the present invention is characterized in that the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically connected in parallel.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されることで、電流を印加する電源の数を抑制することができる。   According to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically connected in parallel, thereby suppressing the number of power supplies to which current is applied. it can.

さらに本発明に係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と前記第2の磁気抵抗効果素子が電気的に直列に接続されていることを第4の特徴とする。   Furthermore, the magnetoresistive effect device according to the present invention is characterized in that the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically connected in series.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子が電気的に直列に接続される構造をとることで、素子作製のプロセスが容易になるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。   According to the magnetoresistive effect device having the characteristics described above, the structure of the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element being electrically connected in series facilitates the element fabrication process. The number of power supplies to which current is applied can be suppressed.

さらに本発明に係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の磁化固定層との距離に対し、前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層との距離の方が小さくなるように、前記第1の磁気抵抗効果素子の膜面内方向に、前記第2の磁気抵抗効果素子が配置されたことを第5の特徴とする。   Furthermore, in the magnetoresistive effect device according to the present invention, the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer with respect to the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization fixed layer. The fifth feature is that the second magnetoresistive element is arranged in the in-plane direction of the first magnetoresistive element so that the smaller is smaller.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁化自由層と第2の磁化固定層との距離に対し、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層との距離の方が小さくなるように第1の磁気抵抗効果素子および第2の磁気抵抗効果素子を配置することで、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の磁気的結合を強くすることができる。さらに、第1の磁気抵抗効果素子の膜面内方向に、第2の磁気抵抗効果素子を配置することで、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の磁気的結合をより一層強くすることができる。   According to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer is smaller than the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization fixed layer. By arranging the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element as described above, the magnetic coupling between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer can be strengthened. Furthermore, by arranging the second magnetoresistive element in the in-plane direction of the first magnetoresistive element, the magnetic coupling between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer is further enhanced. can do.

さらに本発明に係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の磁化固定層との距離に対し、前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層との距離の方が小さくなるように、前記第1の磁気抵抗効果素子の膜面直方向に、前記第2の磁気抵抗効果素子が配置されたことを第6の特徴とする。   Furthermore, in the magnetoresistive effect device according to the present invention, the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer with respect to the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization fixed layer. The sixth feature is that the second magnetoresistive element is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element so as to be smaller.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、第1の磁化自由層と第2の磁化固定層との距離に対し、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層との距離の方が小さくなるように第1の磁気抵抗効果素子および第2の磁気抵抗効果素子を配置することで、第1の磁化自由層と第2の磁化自由層の磁気的結合を強くすることができる。さらに、第1の磁気抵抗効果素子の膜面直方向に、第2の磁気抵抗効果素子を配置することで、素子作製プロセスを容易にできる。   According to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer is smaller than the distance between the first magnetization free layer and the second magnetization fixed layer. By arranging the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element as described above, the magnetic coupling between the first magnetization free layer and the second magnetization free layer can be strengthened. Furthermore, the element manufacturing process can be facilitated by disposing the second magnetoresistive element in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element.

さらに本発明に係る磁気抵抗効果デバイスは、前記第2の磁気抵抗効果素子を複数有し、前記第1の磁化自由層と前記複数の第2の磁気抵抗効果素子の各々の前記第2の磁化自由層とが磁気的に結合していることを第7の特徴とする。   The magnetoresistive effect device according to the present invention further includes a plurality of the second magnetoresistive effect elements, and the second magnetization of each of the first magnetization free layer and the plurality of second magnetoresistive effect elements. A seventh feature is that the free layer is magnetically coupled.

上記特徴の磁気抵抗効果デバイスによれば、各々の第2の磁気抵抗効果素子同士が電気的に接続され、各々の第2の磁気抵抗効果素子からの出力が合算されることで、より高い発振出力を得ることができる。   According to the magnetoresistive effect device having the above characteristics, the second magnetoresistive effect elements are electrically connected to each other, and the outputs from the respective second magnetoresistive effect elements are added together, so that higher oscillation is achieved. Output can be obtained.

本発明によれば、発振閾値電流密度を小さく抑えつつ高い発振出力を実現できる磁気抵抗効果デバイスを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the magnetoresistive effect device which can implement | achieve a high oscillation output, suppressing oscillation threshold current density small can be provided.

第1実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。It is the schematic of the magnetoresistive effect device of 1st Embodiment. 第1実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。In the first embodiment, the magnetizations of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element. It is a schematic diagram of a state. 第1実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加された時の、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。In the first embodiment, the magnetization states of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element. FIG. 第1実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit containing the magnetoresistive effect device of 1st Embodiment. 第1実施形態の出力端子で出力される電圧の時間波形を示す図である。It is a figure which shows the time waveform of the voltage output at the output terminal of 1st Embodiment. 第1の磁化自由層に印加される外部磁場と第1の磁化固定層の磁化の成す角度に対する第1の磁気抵抗効果素子の発振閾値電流密度の依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence of the oscillation threshold current density of a 1st magnetoresistive effect element with respect to the angle which the external magnetic field applied to a 1st magnetization free layer and the magnetization of a 1st magnetization fixed layer make. 第2の磁化自由層の磁化と第2の磁化固定層の磁化の成す角度に対する第2の磁気抵抗効果素子の抵抗の依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the dependence of the resistance of a 2nd magnetoresistive effect element with respect to the angle which the magnetization of a 2nd magnetization free layer and the magnetization of a 2nd magnetization fixed layer form. 第2実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。It is the schematic of the magnetoresistive effect device of 2nd Embodiment. 第2実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。In the second embodiment, magnetization of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element. It is a schematic diagram of a state. 第2実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加された時の、第1の磁気抵抗効果素子と第2の磁気抵抗効果素子の磁化状態の模式図である。In the second embodiment, the magnetization states of the first magnetoresistive element and the second magnetoresistive element when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element. FIG. 第3実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。It is the schematic of the magnetoresistive effect device of 3rd Embodiment. 第3実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit containing the magnetoresistive effect device of 3rd Embodiment. 第4実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。It is the schematic of the magnetoresistive effect device of 4th Embodiment. 第4実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit containing the magnetoresistive effect device of 4th Embodiment. 第5実施形態の磁気抵抗効果デバイスの概略図である。It is the schematic of the magnetoresistive effect device of 5th Embodiment. 第5実施形態の磁気抵抗効果デバイスを含む回路の模式図である。It is a schematic diagram of the circuit containing the magnetoresistive effect device of 5th Embodiment.

本発明を実施するための好適な形態につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換または変更を行うことができる。   Preferred embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the contents described in the following embodiments. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those that are equivalent. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of the components can be made without departing from the scope of the present invention.

図1に、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100の概略図を示す。磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7とを有している。第1の磁気抵抗効果素子2は、第1の磁化自由層2a、第1の磁化固定層2cおよび第1の磁化自由層2aと第1の磁化固定層2cとの間に配置された第1のスペーサー層2bを有し、TMR素子またはGMR素子として機能する。第2の磁気抵抗効果素子7は、第2の磁化自由層7a、第2の磁化固定層7cおよび第2の磁化自由層7aと第2の磁化固定層7cとの間に配置された第2のスペーサー層7bを有し、TMR素子またはGMR素子として機能する。   In FIG. 1, the schematic of the magnetoresistive effect device 100 of 1st Embodiment is shown. The magnetoresistance effect device 100 includes a first magnetoresistance effect element 2 and a second magnetoresistance effect element 7. The first magnetoresistive effect element 2 includes a first magnetization free layer 2a, a first magnetization fixed layer 2c, and a first magnetization fixed layer 2c disposed between the first magnetization free layer 2a and the first magnetization fixed layer 2c. The spacer layer 2b functions as a TMR element or a GMR element. The second magnetoresistance effect element 7 includes a second magnetization free layer 7a, a second magnetization fixed layer 7c, and a second magnetization fixed layer 7c disposed between the second magnetization free layer 7a and the second magnetization fixed layer 7c. The spacer layer 7b and functions as a TMR element or a GMR element.

図1に示すように、第1の磁気抵抗効果素子2はさらに第1の反強磁性層2dを有し、第2の磁気抵抗効果素子7はさらに第2の反強磁性層7dを有している。   As shown in FIG. 1, the first magnetoresistance effect element 2 further includes a first antiferromagnetic layer 2d, and the second magnetoresistance effect element 7 further includes a second antiferromagnetic layer 7d. ing.

図1に示すように、磁気抵抗効果デバイス100では、第1の磁気抵抗効果素子2に電流を印加するために、第1の磁気抵抗効果素子2の積層方向の両側には第1の上部電極1および第1の下部電極4が接続されている。また、第2の磁気抵抗効果素子7に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第2の磁気抵抗効果素子7の積層方向の両側には第2の上部電極6および第2の下部電極8が接続されている。   As shown in FIG. 1, in the magnetoresistive effect device 100, in order to apply a current to the first magnetoresistive effect element 2, first upper electrodes are formed on both sides in the stacking direction of the first magnetoresistive effect element 2. 1 and the first lower electrode 4 are connected. Further, in order to apply a current to the second magnetoresistive effect element 7 and to extract an output, the second upper electrode 6 and the second lower electrode are disposed on both sides of the second magnetoresistive effect element 7 in the stacking direction. 8 is connected.

また、図1に示すように、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は、同一平面上に、絶縁体5を挟んで隣り合って配置されており、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。さらに、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は、それぞれ同じ順序で、下から反強磁性層、磁化固定層、スペーサー層、磁化自由層という配置で構成されている。このように、第1の磁化自由層2aと第2の磁化固定層7cとの距離に対し、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aとの距離の方が小さくなるように第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。また、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aは磁気的に結合しており、第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eは磁気的に結合している。 Further, as shown in FIG. 1, the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 are arranged adjacent to each other on the same plane with the insulator 5 interposed therebetween. A second magnetoresistive element 7 is arranged in the in-plane direction of the magnetoresistive element 2. Further, the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 are configured in the same order from the bottom, such as an antiferromagnetic layer, a magnetization fixed layer, a spacer layer, and a magnetization free layer. . Thus, the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a is smaller than the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization fixed layer 7c. The 1st magnetoresistive effect element 2 and the 2nd magnetoresistive effect element 7 are arrange | positioned. The first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a are magnetically coupled, and the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a are magnetic. Is bound to.

第1の上部電極1、第1の磁気抵抗効果素子2および第1の下部電極4は、絶縁体5により、第2の上部電極6、第2の磁気抵抗効果素子7および第2の下部電極8と電気的に隔離されている。 The first upper electrode 1, the first magnetoresistive effect element 2, and the first lower electrode 4 are composed of the second upper electrode 6, the second magnetoresistive effect element 7, and the second lower electrode by an insulator 5. 8 and electrically isolated.

また、磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aに外部磁場を印加する磁場印加機構3を有している。磁場印加機構3は、例えば永久磁石である。   In addition, the magnetoresistive effect device 100 includes a magnetic field application mechanism 3 that applies an external magnetic field to the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a. The magnetic field application mechanism 3 is, for example, a permanent magnet.

第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aは強磁性を示す層であり、その材料は、例えば、高い磁気抵抗変化率を得るため、Fe、Co、Ni、FeCoまたはCoFeB等の強磁性体である高スピン分極率材料であり、垂直磁気異方性を持たせるため、Pt、Pd等が含まれる場合もある。第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aは、膜面内方向に磁気異方性をもつ面内磁化膜でも良く、膜面直方向に磁気異方性をもつ垂直磁化膜でも良い。第1の磁気抵抗効果素子2または第2の磁気抵抗効果素子7をGMR素子として機能させる場合、第1のスペーサー層2bまたは第2のスペーサー層7bは非磁性導電層であり、その材料は例えば、CuまたはAgである。また、第1の磁気抵抗効果素子2または第2の磁気抵抗効果素子7をTMR素子として機能させる場合、第1のスペーサー層2bまたは第2のスペーサー層7bは非磁性絶縁層であり、その材料は例えば、AlO(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)またはMgAl等である。第1の磁化固定層2cと第2の磁化固定層7cは強磁性を示す層であり、その材料は、高い磁気抵抗変化率を得るため、例えば、Fe、Co、Ni、FeCoまたはCoFeB等の強磁性体である高スピン分極率材料であり、垂直磁気異方性を持たせるため、Pt、Pd等が含まれる場合もある。第1の磁化固定層2cと第2の磁化固定層7cは、膜面内方向に磁気異方性をもつ面内磁化膜でも良く、膜面直方向に磁気異方性をもつ垂直磁化膜でも良いが、対応する磁化自由層の磁気異方性と同じ磁気異方性をもつことが好ましい。第1の反強磁性層2dと第2の反強磁性層7dの材料は、交換バイアス効果が発現するよう、例えば、PtMn、IrMnまたはFeMn等の反強磁性材料である。また、第1の反強磁性層2dのブロッキング温度は、第2の反強磁性層磁7dよりも低い。例えば、第1の反強磁性層2dの材料をIrMn、第2の反強磁性層磁7dの材料をPtMnとすることができる。また、第1の反強磁性層2dと第2の反強磁性層磁7dとで同じ反強磁性材料を用い、第1の反強磁性層2dの膜厚を第2の反強磁性層膜厚よりも薄くすることでブロッキング温度を異ならせることもできる。磁場印加機構3を構成する永久磁石の材料は、例えば、CoPtまたはFePtである。さらに、絶縁体5の材料は、例えばAlO(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)またはSiO(酸化シリコン)である。 The first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a are layers exhibiting ferromagnetism, and the material thereof is, for example, Fe, Co, Ni, FeCo or CoFeB in order to obtain a high magnetoresistance change rate. It is a high spin polarizability material that is a ferromagnetic material, and may contain Pt, Pd, etc. in order to have perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a may be an in-plane magnetization film having magnetic anisotropy in the in-plane direction, or a perpendicular magnetization film having magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film plane. good. When the first magnetoresistive element 2 or the second magnetoresistive element 7 is made to function as a GMR element, the first spacer layer 2b or the second spacer layer 7b is a nonmagnetic conductive layer, and its material is, for example, Cu or Ag. When the first magnetoresistive element 2 or the second magnetoresistive element 7 functions as a TMR element, the first spacer layer 2b or the second spacer layer 7b is a nonmagnetic insulating layer, and its material Is, for example, AlO x (aluminum oxide), MgO (magnesium oxide), MgAl 2 O 4 or the like. The first magnetization fixed layer 2c and the second magnetization fixed layer 7c are layers exhibiting ferromagnetism, and the material thereof is, for example, Fe, Co, Ni, FeCo or CoFeB in order to obtain a high magnetoresistance change rate. It is a high spin polarizability material that is a ferromagnetic material, and may contain Pt, Pd, etc. in order to have perpendicular magnetic anisotropy. The first magnetization fixed layer 2c and the second magnetization fixed layer 7c may be in-plane magnetization films having magnetic anisotropy in the in-plane direction of the film, or perpendicular magnetization films having magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the film plane. Although it is good, it is preferable to have the same magnetic anisotropy as that of the corresponding magnetization free layer. The material of the first antiferromagnetic layer 2d and the second antiferromagnetic layer 7d is, for example, an antiferromagnetic material such as PtMn, IrMn, or FeMn so as to exhibit an exchange bias effect. The blocking temperature of the first antiferromagnetic layer 2d is lower than that of the second antiferromagnetic layer magnet 7d. For example, the material of the first antiferromagnetic layer 2d can be IrMn, and the material of the second antiferromagnetic layer magnet 7d can be PtMn. Further, the same antiferromagnetic material is used for the first antiferromagnetic layer 2d and the second antiferromagnetic layer magnet 7d, and the thickness of the first antiferromagnetic layer 2d is changed to the second antiferromagnetic layer film. The blocking temperature can also be made different by making it thinner than the thickness. The material of the permanent magnet that constitutes the magnetic field application mechanism 3 is, for example, CoPt or FePt. Furthermore, the material of the insulator 5 is, for example, AlO x (aluminum oxide), MgO (magnesium oxide), or SiO x (silicon oxide).

図2は、第1実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態の模式図である。また、図3は、第1実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子2に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、一方、第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態の模式図である。ここでは、第1の磁化自由層2a、第2の磁化自由層7a、第1の磁化固定層2cおよび第2の磁化固定層7cが面内磁化膜である例で説明する。図2および図3において、第1の磁化自由層2a、第1の磁化固定層2c、第2の磁化自由層7a、第2の磁化固定層7cの磁化ベクトルは、それぞれ白抜き矢印を用いて、第1の磁化自由層2aの磁化2e、第1の磁化固定層2cの磁化2f、第2の磁化自由層7aの磁化7e、第2の磁化固定層7cの磁化7fとして示される。   FIG. 2 shows the first embodiment when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 in the first embodiment. 6 is a schematic diagram of magnetization states of the magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7. FIG. 3 shows that in the first embodiment, a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistance effect element 2, while the oscillation threshold current is applied to the second magnetoresistance effect element 7. 6 is a schematic diagram of magnetization states of the first magnetoresistance effect element 2 and the second magnetoresistance effect element 7 when a current having a current density equal to or higher than the density is not applied. FIG. Here, an example in which the first magnetization free layer 2a, the second magnetization free layer 7a, the first magnetization fixed layer 2c, and the second magnetization fixed layer 7c are in-plane magnetization films will be described. 2 and 3, the magnetization vectors of the first magnetization free layer 2a, the first magnetization fixed layer 2c, the second magnetization free layer 7a, and the second magnetization fixed layer 7c are respectively shown by using white arrows. , Magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a, magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c, magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a, and magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c.

第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態について以下に述べる。第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aには、磁場印加機構3から外部磁場3aが印加される。第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eは外部磁場3aと同じ方向に向く。 The first magnetoresistive element 2 and the second magnetism when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7. The magnetization state of the resistance effect element 7 will be described below. An external magnetic field 3a is applied from the magnetic field application mechanism 3 to the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a. The magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a are oriented in the same direction as the external magnetic field 3a.

第1の磁化固定層2cの磁化2fは、第1の反強磁性層2dとの交換バイアス効果により、固定されており、外部磁場3aと平行かつ逆の方向を向いている。また、第2の磁化固定層7cの磁化7fは、第2の反強磁性層7dとの交換バイアス効果により、固定されており、外部磁場3aと直交する方向を向いている。このように、第1の磁化固定層2cの磁化2fの方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化7fの方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度が大きくなっている。 The magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c is fixed by the exchange bias effect with the first antiferromagnetic layer 2d, and is parallel and opposite to the external magnetic field 3a. Further, the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c is fixed by the exchange bias effect with the second antiferromagnetic layer 7d, and faces the direction orthogonal to the external magnetic field 3a. Thus, the angle formed by the straight line 2g parallel to the direction of the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c and the straight line 3b parallel to the direction of the external magnetic field 3a applied to the first magnetization free layer 2a The angle formed by the straight line 7g parallel to the direction of the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c and the straight line 3b parallel to the direction of the external magnetic field 3a applied to the second magnetization free layer 7a is large.

第1の磁化固定層2cの磁化2f及び第2の磁化固定層7cの磁化7fを固定する方法について説明する。第1の反強磁性層2d、第1の磁化固定層2c、第1のスペーサー層2b及び第1の磁化自由層2aと、第2の反強磁性層7d、第2の磁化固定層7c、第2のスペーサー層7b及び第2の磁化自由層2aを成膜した後、2回の磁場中アニール処理を行う。第1のアニール処理では、第1の反強磁性層2dのブロッキング温度および第2の反強磁性層7dのブロッキング温度よりも、アニール温度を高くする。第1のアニール処理において、アニール中及びアニール温度からの冷却中に、積層膜全体に外部磁場3aと直交する方向にアニール磁場が印加される。第1のアニール処理後、第1の磁化固定層2cの磁化2fおよび第2の磁化固定層7cの磁化7fは、それぞれ、第1の反強磁性層2dと第2の反強磁性層7dとの交換バイアス効果により、どちらとも外部磁場3aと直交する方向に固定される。次に、第2のアニール処理を行い、このときのアニール温度は第2の反強磁性層7dのブロッキング温度よりも低いが、第1の反強磁性層2dのブロッキング温度よりも高くする。第2のアニール処理においては、アニール中及びアニール温度からの冷却中に、積層膜全体に外部磁場3aと平行かつ逆向きにアニール磁場が印加される。第2のアニール処理後、第1の反強磁性層2dとの交換バイアス効果により、第1の磁化固定層2cの磁化2fは外部磁場3aと平行かつ逆の方向に固定されるが、第2の磁化固定層7cの磁化7fが固定される方向は変わらない。2回のアニール処理後、第1の磁化固定層2cの磁化2fは、外部磁場3aと平行かつ逆の方向に固定され、第2の磁化固定層7cの磁化7fは、外部磁場3aと直交する方向に固定される。   A method of fixing the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c will be described. A first antiferromagnetic layer 2d, a first magnetization fixed layer 2c, a first spacer layer 2b, a first magnetization free layer 2a, a second antiferromagnetic layer 7d, a second magnetization fixed layer 7c, After the second spacer layer 7b and the second magnetization free layer 2a are formed, annealing is performed twice in the magnetic field. In the first annealing treatment, the annealing temperature is set higher than the blocking temperature of the first antiferromagnetic layer 2d and the blocking temperature of the second antiferromagnetic layer 7d. In the first annealing process, an annealing magnetic field is applied to the entire laminated film in a direction orthogonal to the external magnetic field 3a during annealing and cooling from the annealing temperature. After the first annealing treatment, the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c are respectively the first antiferromagnetic layer 2d and the second antiferromagnetic layer 7d. Both are fixed in a direction orthogonal to the external magnetic field 3a by the exchange bias effect. Next, a second annealing process is performed, and the annealing temperature at this time is lower than the blocking temperature of the second antiferromagnetic layer 7d but higher than the blocking temperature of the first antiferromagnetic layer 2d. In the second annealing treatment, during annealing and cooling from the annealing temperature, an annealing magnetic field is applied to the entire laminated film in parallel and in the opposite direction to the external magnetic field 3a. After the second annealing treatment, the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c is fixed in a direction parallel to and opposite to the external magnetic field 3a by the exchange bias effect with the first antiferromagnetic layer 2d. The direction in which the magnetization 7f of the magnetization fixed layer 7c is fixed is not changed. After the annealing process twice, the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c is fixed in a direction parallel to and opposite to the external magnetic field 3a, and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c is orthogonal to the external magnetic field 3a. Fixed in direction.

図4に、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100を含む回路の模式図を示す。第1の磁気抵抗効果素子2に直流電流を印加するため、第1の入力端子9と第1の上部電極1は電気的に接続されており、第1の下部電極4はグランドに接続されている。第2の磁気抵抗効果素子7に直流電流を印加するため、第2の入力端子12はバイアス・ティー10の直流端子を経由し、第2の上部電極6と電気的に接続されている。また、第2の磁気抵抗効果素子7から出力を取り出すため、出力端子11はバイアス・ティー10の交流端子を経由し、第2の上部電極6と電気的に接続されている。第2の下部電極8はグランドに接続されている。このように、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に独立している。バイアス・ティー10は、第2の入力端子12から印加される直流電流が出力端子11に混入することを防ぐとともに、第2の磁気抵抗効果素子7で発生する出力が、第2の入力端子12に混入することを防ぐことを目的として備えられる。   In FIG. 4, the schematic diagram of the circuit containing the magnetoresistive effect device 100 of 1st Embodiment is shown. In order to apply a direct current to the first magnetoresistive effect element 2, the first input terminal 9 and the first upper electrode 1 are electrically connected, and the first lower electrode 4 is connected to the ground. Yes. In order to apply a direct current to the second magnetoresistive effect element 7, the second input terminal 12 is electrically connected to the second upper electrode 6 via the direct current terminal of the bias tee 10. In addition, the output terminal 11 is electrically connected to the second upper electrode 6 via the AC terminal of the bias tee 10 in order to take out the output from the second magnetoresistive effect element 7. The second lower electrode 8 is connected to the ground. Thus, the 1st magnetoresistive effect element 2 and the 2nd magnetoresistive effect element 7 are electrically independent. The bias tee 10 prevents the direct current applied from the second input terminal 12 from being mixed into the output terminal 11, and the output generated by the second magnetoresistive element 7 is the second input terminal 12. It is provided for the purpose of preventing contamination.

ここで、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100の動作原理を説明する。図2は、第1の入力端子9に第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加され、第2の入力端子12に第2の磁気抵抗効果素子7の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加されているときの磁化状態を示している。このとき、第1の磁化自由層2aの磁化2eは振動しないため、第2の磁化自由層7aの磁化7eも振動しない。結果として、出力端子11では出力電圧が発生しない。一方、図3は、第1の入力端子9から第1の磁気抵抗効果素子2に、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、第2の入力端子12から第2の磁気抵抗効果素子7に、第2の磁気抵抗効果素子7の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加されているときの磁化状態を示している。第1の磁気抵抗効果素子2にその発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されると、第1の磁化自由層2aの磁化2eは振動するため、第1の磁化自由層2aと磁気的に結合している第2の磁化自由層7aの磁化7eも振動し、結果として、図5に示されるように、出力端子11では高周波の交流出力電圧(発振出力)が発生する。   Here, the operation principle of the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment will be described. In FIG. 2, a direct current having a current density smaller than the oscillation threshold current density of the first magnetoresistive element 2 is applied to the first input terminal 9, and the second magnetoresistive element is applied to the second input terminal 12. 7 shows a magnetization state when a direct current having a current density smaller than the oscillation threshold current density of 7 is applied. At this time, since the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a does not vibrate, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a also does not vibrate. As a result, no output voltage is generated at the output terminal 11. On the other hand, in FIG. 3, a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 is applied from the first input terminal 9 to the first magnetoresistance effect element 2. The magnetization state when a direct current having a current density smaller than the oscillation threshold current density of the second magnetoresistance effect element 7 is applied from the input terminal 12 to the second magnetoresistance effect element 7 is shown. When a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element 2, the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a vibrates, so that the first magnetization free layer 2a The magnetization 7e of the magnetically coupled second magnetization free layer 7a also vibrates, and as a result, a high-frequency AC output voltage (oscillation output) is generated at the output terminal 11, as shown in FIG.

磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁化固定層2cの磁化方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度が大きいので、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さくすることができ、さらに第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。この点について、以下に詳細に説明する。なお、「磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線のなす角度」とは、磁化方向に平行な直線と外部磁場の方向に平行な直線がなす角度のうち小さいほうの角度である。 The magnetoresistive effect device 100 has an angle formed by a straight line 2g parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 2c and a straight line 3b parallel to the direction of the external magnetic field 3a applied to the first magnetization free layer 2a. Since the angle formed by the straight line 7g parallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 7c and the straight line 3b parallel to the direction of the external magnetic field 3a applied to the second magnetization free layer 7a is large, the first magnetoresistance effect The oscillation threshold current density of the element 2 can be reduced, and a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7. This point will be described in detail below. The “angle between the straight line parallel to the magnetization direction and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field” is the smaller of the angles formed by the straight line parallel to the magnetization direction and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field. is there.

図6は、第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場3aと第1の磁化固定層2cの磁化2fの成す角度θ1に対する第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度jcの依存性を示すグラフである。このグラフで示されるように、外部磁場3aと第1の磁化固定層2cの磁化2fの成す角度が0度、もしくは、180度に近づくほど、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度の絶対値は小さくなる。 6 shows the dependence of the oscillation threshold current density jc of the first magnetoresistance effect element 2 on the angle θ1 formed by the external magnetic field 3a applied to the first magnetization free layer 2a and the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c. It is a graph which shows sex. As shown in this graph, the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 increases as the angle formed by the external magnetic field 3a and the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c approaches 0 degrees or 180 degrees. The absolute value of becomes smaller.

図7は、第2の磁化自由層7aの磁化7eと第2の磁化固定層7cの磁化7fの成す角度θ2に対する第2の磁気抵抗効果素子7の抵抗Rの依存性を示すグラフである。第2の磁化自由層7aの磁化7eと第2の磁化固定層7cの磁化7fの成す角度が90度に近づくほど、第2の磁化自由層7aの磁化7eと第2の磁化固定層7cの磁化7fの成す角度の変化に対する、第2の磁気抵抗効果素子7の抵抗変化が大きくなる。第1の磁気抵抗効果素子2に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時、第2の磁化自由層7aの磁化7eは、第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場3aと同じ方向をむく。ここで、このときの第2の磁化自由層7aの磁化7eと第2の磁化固定層7cの磁化7fの成す角度を初期角度と定義する。第1の磁気抵抗効果素子2に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されたとき、第1の磁化自由層2aの磁化2eの振動に応じて、第2の磁化自由層7aの磁化7eは振動し、第2の磁化自由層7aの磁化7eと第2の磁化固定層7cの磁化7fの成す角度も初期角度を中心に振動する。これにより、第2の磁気抵抗効果素子7の抵抗値が振動する。そのため、第2の磁気抵抗効果素子7は、初期角度が90度に近いほど、すなわち、第2の磁化固定層7cの磁化7fの方向に平行な直線7gと、第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度が大きいほど、第2の磁化自由層7aの磁化7eの振動に対する抵抗変化が大きくなり、高い発振出力が得られる。   FIG. 7 is a graph showing the dependence of the resistance R of the second magnetoresistance effect element 7 on the angle θ2 formed by the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c. The closer the angle formed between the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c approaches 90 degrees, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a and the second magnetization fixed layer 7c The resistance change of the second magnetoresistive element 7 with respect to the change of the angle formed by the magnetization 7f becomes large. When a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistance effect element 2, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a is applied to the second magnetization free layer 7a. Strip in the same direction as the external magnetic field 3a. Here, an angle formed by the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c at this time is defined as an initial angle. When a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element 2, the second magnetization free layer 7a has a current corresponding to the oscillation of the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a. The magnetization 7e vibrates, and the angle formed by the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c also oscillates around the initial angle. As a result, the resistance value of the second magnetoresistive element 7 vibrates. Therefore, the second magnetoresistive element 7 has an initial angle closer to 90 degrees, that is, the straight line 7g parallel to the direction of the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c and the second magnetization free layer 7a. The greater the angle formed by the straight line 3b parallel to the direction of the applied external magnetic field 3a, the greater the resistance change with respect to the vibration of the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a, and a higher oscillation output is obtained.

なお、図6に示す角度θ1と発振閾値電流密度jcとの関係は、第1の磁化自由層2aおよび第1の磁化固定層2cが共に垂直磁化膜の場合にも成り立ち、第1の磁化自由層2aおよび第1の磁化固定層2cの一方が面内磁化膜であり他方が垂直磁化膜の場合にも成り立つ。また、図7に示す角度θ2と抵抗Rとの関係は、第2の磁化自由層7aおよび第2の磁化固定層7cが共に垂直磁化膜の場合にも成り立ち、第2の磁化自由層7aおよび第2の磁化固定層7cの一方が面内磁化膜であり他方が垂直磁化膜の場合にも成り立つ。   The relationship between the angle θ1 and the oscillation threshold current density jc shown in FIG. 6 also holds when the first magnetization free layer 2a and the first magnetization fixed layer 2c are both perpendicular magnetization films, and the first magnetization free This is also the case when one of the layer 2a and the first magnetization fixed layer 2c is an in-plane magnetization film and the other is a perpendicular magnetization film. Further, the relationship between the angle θ2 and the resistance R shown in FIG. 7 also holds when the second magnetization free layer 7a and the second magnetization fixed layer 7c are both perpendicular magnetization films, and the second magnetization free layer 7a and This is also true when one of the second magnetization fixed layers 7c is an in-plane magnetization film and the other is a perpendicular magnetization film.

従って、磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁気抵抗効果素子2において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第2の磁気抵抗効果素子7よりも小さいことで、発振閾値電流密度が小さくなる。第1の磁気抵抗効果素子2に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流を流すことで、第1の磁化自由層2aの磁化を振動させることができ、これに伴い、第1の磁化自由層2aと磁気的に結合した第2の磁化自由層7aの磁化も振動する。また、第2の磁気抵抗効果素子7において、磁化固定層の磁化方向に平行な直線と磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が、第1の磁気抵抗効果素子2よりも大きいことで、第2の磁化自由層7aの磁化の振動に対する抵抗変化が大きくなるので、第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。このように、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さく抑えつつ、第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。 Therefore, in the magnetoresistive effect device 100, in the first magnetoresistive effect element 2, the angle formed by the straight line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer is By being smaller than the second magnetoresistance effect element 7, the oscillation threshold current density is reduced. By causing a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density to flow through the first magnetoresistive element 2, the magnetization of the first magnetization free layer 2a can be oscillated. The magnetization of the second magnetization free layer 7a magnetically coupled to the layer 2a also vibrates. In the second magnetoresistive element 7, the angle formed by the straight line parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the magnetization free layer is the first magnetoresistive element. Since the resistance change with respect to the vibration of the magnetization of the second magnetization free layer 7a is increased by being larger than 2, a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7. Thus, a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7 while suppressing the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 to be small.

特にTMR素子は、大きな磁気抵抗効果を有し、磁化自由層の磁化の振動に対する抵抗変化が大きいので、第2の磁気抵抗効果素子7からより高い発振出力を得ることができる点で、第2の磁気抵抗効果素子7としてTMR素子を用いることが好ましい。   In particular, the TMR element has a large magnetoresistive effect and has a large resistance change with respect to the vibration of magnetization of the magnetization free layer. Therefore, the second magnetoresistive element 7 can obtain a higher oscillation output. It is preferable to use a TMR element as the magnetoresistive element 7.

さらに、磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に独立しているので、第1の磁気抵抗効果素子2、および第2の磁気抵抗効果素子7のそれぞれに、最適な条件で電流を印加することができる。   Further, in the magnetoresistive effect device 100, the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are electrically independent from each other. A current can be applied to each of the resistance effect elements 7 under optimum conditions.

さらに、磁気抵抗効果デバイス100は、第1の磁化自由層2aと第2の磁化固定層7cとの距離に対し、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aとの距離の方が小さくなるように、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。そのため、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aの磁気的結合を強くすることができる。また、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に、第2の磁気抵抗効果素子7を配置することで、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aの磁気的結合をより一層強くすることができる。 Furthermore, the magnetoresistive effect device 100 has a distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a with respect to the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization fixed layer 7c. The second magnetoresistive effect element 7 is arranged in the in-plane direction of the first magnetoresistive effect element 2 so that becomes smaller. Therefore, the magnetic coupling between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a can be strengthened. Further, by arranging the second magnetoresistive element 7 in the in-plane direction of the first magnetoresistive element 2, the magnetic coupling between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a is achieved. Can be made even stronger.

次に、第2実施形態について、第1実施形態と異なる部分について説明し、第1実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図8に、第2実施形態の磁気抵抗効果デバイス200の概略図を示す。図8に示すように、磁気抵抗効果デバイス200では、第1の磁気抵抗効果素子2に電流を印加するために、第1の磁気抵抗効果素子2の積層方向の両側には第1の上部電極1および第1の下部電極4が接続されている。また、第2の磁気抵抗効果素子7に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第2の磁気抵抗効果素子7の積層方向の両側には第2の上部電極6および第2の下部電極8が接続されている。 Next, regarding the second embodiment, parts different from the first embodiment will be described, and the same or corresponding parts with respect to the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted as appropriate. FIG. 8 shows a schematic diagram of the magnetoresistive effect device 200 of the second embodiment. As shown in FIG. 8, in the magnetoresistive effect device 200, in order to apply a current to the first magnetoresistive effect element 2, first upper electrodes are formed on both sides in the stacking direction of the first magnetoresistive effect element 2. 1 and the first lower electrode 4 are connected. Further, in order to apply a current to the second magnetoresistive effect element 7 and to extract an output, the second upper electrode 6 and the second lower electrode are disposed on both sides of the second magnetoresistive effect element 7 in the stacking direction. 8 is connected.

次に、第2実施形態について、第1実施形態と異なる部分について説明し、第1実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図8に、第2実施形態の磁気抵抗効果デバイス200の概略図を示す。図8に示すように、磁気抵抗効果デバイス200では、第1の磁気抵抗効果素子2に電流を印加するために、第1の磁気抵抗効果素子2の積層方向の両側には第1の上部電極1および第1の下部電極4が接続されている。また、第2の磁気抵抗効果素子7に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第2の磁気抵抗効果素子7の積層方向の両側には第2の上部電極6および第2の下部電極8が接続されている。 Next, regarding the second embodiment, parts different from the first embodiment will be described, and the same or corresponding parts with respect to the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted as appropriate. FIG. 8 shows a schematic diagram of the magnetoresistive effect device 200 of the second embodiment. As shown in FIG. 8, in the magnetoresistive effect device 200, in order to apply a current to the first magnetoresistive effect element 2, first upper electrodes are formed on both sides in the stacking direction of the first magnetoresistive effect element 2. 1 and the first lower electrode 4 are connected. Further, in order to apply a current to the second magnetoresistive effect element 7 and to extract an output, the second upper electrode 6 and the second lower electrode are disposed on both sides of the second magnetoresistive effect element 7 in the stacking direction. 8 is connected.

また、図8に示すように、第1の磁気抵抗効果素子2は、絶縁体5を挟んで、第2の磁気抵抗効果素子7の直上に配置されている。第2の磁気抵抗効果素子7は第2の下部電極8側から、第2の反強磁性層7d、第2の磁化固定層7c、第2のスペーサー層7b、第2の磁化自由層7aの順序の配置で構成されている。一方、第1の磁気抵抗効果素子2は第1の下部電極4側から、第1の磁化自由層2a、第1のスペーサー層2b、第1の磁化固定層2c、第1の反強磁性層2dの順序の配置で構成されている。つまり、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7とでは、反強磁性層、磁化固定層、スペーサー層および磁化自由層の、同じ方向から見た配置の順序が反対になっている。このように、第1の磁化自由層2aと第2の磁化固定層7cとの距離に対し、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aとの距離の方が小さくなるように、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。また、ここでは、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aは磁気的に結合しており、第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eは磁気的に結合している。 Further, as shown in FIG. 8, the first magnetoresistive element 2 is arranged immediately above the second magnetoresistive element 7 with the insulator 5 interposed therebetween. The second magnetoresistive element 7 includes a second antiferromagnetic layer 7d, a second magnetization fixed layer 7c, a second spacer layer 7b, and a second magnetization free layer 7a from the second lower electrode 8 side. Consists of an ordered arrangement. On the other hand, the first magnetoresistive effect element 2 includes a first magnetization free layer 2a, a first spacer layer 2b, a first magnetization fixed layer 2c, and a first antiferromagnetic layer from the first lower electrode 4 side. It is configured in an arrangement of 2d order. That is, in the first magnetoresistance effect element 2 and the second magnetoresistance effect element 7, the arrangement order of the antiferromagnetic layer, the magnetization fixed layer, the spacer layer, and the magnetization free layer in the same direction is reversed. It has become. Thus, the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a is smaller than the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization fixed layer 7c. The second magnetoresistive element 7 is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element 2. Also, here, the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a are magnetically coupled, and the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a. Are magnetically coupled.

第1の上部電極1、第1の磁気抵抗効果素子2および第1の下部電極4は、絶縁体5により、第2の上部電極6、第2の磁気抵抗効果素子7および第2の下部電極8と電気的に隔離されている。 The first upper electrode 1, the first magnetoresistive effect element 2, and the first lower electrode 4 are composed of the second upper electrode 6, the second magnetoresistive effect element 7, and the second lower electrode by an insulator 5. 8 and electrically isolated.

さらに、磁気抵抗効果デバイス200は、第1の磁化自由層2aに外部磁場を印加する第1の磁場印加機構13と、第2の磁化自由層7aに外部磁場を印加する第2の磁場印加機構14を有している。第1の磁場印加機構13および第2の磁場印加機構14は、例えば永久磁石である。第1の磁場印加機構13および第2の磁場印加機構14を構成する永久磁石の材料は、例えば、CoPtまたはFePtである。   Furthermore, the magnetoresistive effect device 200 includes a first magnetic field application mechanism 13 that applies an external magnetic field to the first magnetization free layer 2a, and a second magnetic field application mechanism that applies an external magnetic field to the second magnetization free layer 7a. 14. The first magnetic field application mechanism 13 and the second magnetic field application mechanism 14 are, for example, permanent magnets. The material of the permanent magnet that constitutes the first magnetic field application mechanism 13 and the second magnetic field application mechanism 14 is, for example, CoPt or FePt.

図9は、第2実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態の模式図である。また、図10は、第2実施形態において、第1の磁気抵抗効果素子2に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され、一方、第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態の模式図である。ここでは、第1の磁化自由層2a、第2の磁化自由層7a、第1の磁化固定層2cおよび第2の磁化固定層7cが面内磁化膜である例で説明する。   FIG. 9 shows the first embodiment when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 in the second embodiment. 6 is a schematic diagram of magnetization states of the magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7. FIG. FIG. 10 shows that in the second embodiment, a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive effect element 2, while the oscillation threshold current is applied to the second magnetoresistive effect element 7. 6 is a schematic diagram of magnetization states of the first magnetoresistance effect element 2 and the second magnetoresistance effect element 7 when a current having a current density equal to or higher than the density is not applied. FIG. Here, an example in which the first magnetization free layer 2a, the second magnetization free layer 7a, the first magnetization fixed layer 2c, and the second magnetization fixed layer 7c are in-plane magnetization films will be described.

第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7に発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されていない時の、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態について以下に述べる。第1の磁化自由層2aには、第1の磁場印加機構13から第1の外部磁場13aが印加される。第1の磁化自由層2aの磁化2eは第1の外部磁場13aと同じ方向に向く。一方、第2の磁化自由層7aには、第1の磁場印加機構14から第2の外部磁場14aが印加される。第2の磁化自由層7aの磁化7eは第2の外部磁場14aと同じ方向に向く。このとき、第1の外部磁場13aと第2の外部磁場14aの方向は、互いに逆向きとなっている。 The first magnetoresistive element 2 and the second magnetism when a current having a current density equal to or higher than the oscillation threshold current density is not applied to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7. The magnetization state of the resistance effect element 7 will be described below. A first external magnetic field 13a is applied from the first magnetic field application mechanism 13 to the first magnetization free layer 2a. The magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a is oriented in the same direction as the first external magnetic field 13a. On the other hand, a second external magnetic field 14a is applied from the first magnetic field application mechanism 14 to the second magnetization free layer 7a. The magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a is oriented in the same direction as the second external magnetic field 14a. At this time, the directions of the first external magnetic field 13a and the second external magnetic field 14a are opposite to each other.

第1の磁化固定層2cの磁化2fは、第1の反強磁性層2dとの交換バイアス効果により、固定されており、第1の外部磁場13aと平行かつ逆の方向を向いている。また、第2の磁化固定層7cの磁化7fは、第2の反強磁性層7dとの交換バイアス効果により、固定されており、第2の外部磁場14aと直交する方向を向いている。このように、第1の磁化固定層2cの磁化2fの方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される第1の外部磁場13aの方向に平行な直線13bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化7fの方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される第2の外部磁場14aの方向に平行な直線14bのなす角度が大きくなっている。第1の磁化固定層2cの磁化2f及び第2の磁化固定層7cの磁化7fを固定する方法は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100の場合と同じである。   The magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c is fixed by the exchange bias effect with the first antiferromagnetic layer 2d, and faces in the direction parallel to and opposite to the first external magnetic field 13a. Further, the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c is fixed by the exchange bias effect with the second antiferromagnetic layer 7d, and is directed in a direction orthogonal to the second external magnetic field 14a. Thus, from the angle formed by the straight line 2g parallel to the direction of the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c and the straight line 13b parallel to the direction of the first external magnetic field 13a applied to the first magnetization free layer 2a. However, the angle formed by the straight line 7g parallel to the direction of the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c and the straight line 14b parallel to the direction of the second external magnetic field 14a applied to the second magnetization free layer 7a increases. ing. The method of fixing the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c and the magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c is the same as that of the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment.

磁気抵抗効果デバイス200に接続される回路は、図4に示す第1実施形態のものと同じである。   The circuit connected to the magnetoresistive effect device 200 is the same as that of the first embodiment shown in FIG.

磁気抵抗効果デバイス200では、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100とは異なり、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aが膜面直方向に配置されているため、外部磁場14aは外部磁場13aに対して逆の方向に印加され、第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eは、互いに逆方向を向くように磁気的結合する。 In the magnetoresistive effect device 200, unlike the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a are arranged in the direction perpendicular to the film surface. 14a is applied in the opposite direction to the external magnetic field 13a, and the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a are magnetically coupled so as to face in opposite directions.

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に対して、第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eの磁気的な結合の状態が異なるため、第1の磁化自由層2aの磁化2eの振動に対する、第2の磁化自由層7aの磁化7eの振動の状態は異なる。例えば、第1の磁化自由層2aの磁化2eが時計回りに振動する場合、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100では、第2の磁化自由層7aの磁化7eは時計回りに振動するが、磁気抵抗効果デバイス200では、第2の磁化自由層7aの磁化7eは反時計回りに振動する。上記の点を除いて、磁気抵抗効果デバイス200の動作原理は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同じである。   The magnetoresistive effect device 200 is different from the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment in the state of magnetic coupling between the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a. Therefore, the vibration state of the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a is different from the vibration of the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a. For example, when the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a vibrates clockwise, in the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a vibrates clockwise. In the magnetoresistive effect device 200, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a vibrates counterclockwise. Except for the above points, the operating principle of the magnetoresistive effect device 200 is the same as that of the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment.

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と同様に、第1の磁化固定層2cの磁化方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場13aの方向に平行な直線13bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場14aの方向に平行な直線14bのなす角度が大きいので、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さくすることができ、さらに第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。 The magnetoresistive effect device 200 is similar to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment in that the external magnetic field applied to the straight line 2g parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 2c and the first magnetization free layer 2a. A straight line 7g parallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 7c and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field 14a applied to the second magnetization free layer 7a than the angle formed by the straight line 13b parallel to the direction 13a. Since the angle formed by 14b is large, the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 can be reduced, and a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7.

さらに、磁気抵抗効果デバイス200は、第1の磁化自由層2aと第2の磁化固定層7cとの距離に対し、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aとの距離の方が小さくなるように、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。そのため、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aの磁気的結合を強くすることができる。さらに、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に、第2の磁気抵抗効果素子7を配置することで、素子作製プロセスを容易にできる。   Furthermore, in the magnetoresistive effect device 200, the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a is greater than the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization fixed layer 7c. The second magnetoresistive element 7 is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element 2 so as to be small. Therefore, the magnetic coupling between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a can be strengthened. Furthermore, by disposing the second magnetoresistive element 7 in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element 2, the element manufacturing process can be facilitated.

次に、第3実施形態について、第2実施形態と異なる部分について説明し、第2実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図11に、第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス300の概略図を示す。図11に示すように、磁気抵抗効果デバイス300では、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に直列に接続されている。第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7に電流を印加するとともに、出力を取り出すために、第1の磁気抵抗効果素子2の積層方向の上側には、上部電極15が接続されており、第2の磁気抵抗効果素子7の積層方向の下側には、下部電極17が接続されている。 Next, in the third embodiment, parts different from the second embodiment will be described, and the same or corresponding parts with respect to the second embodiment will be denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted as appropriate. In FIG. 11, the schematic of the magnetoresistive effect device 300 of 3rd Embodiment is shown. As shown in FIG. 11, in the magnetoresistive effect device 300, the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are electrically connected in series. In order to apply a current to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 and to take out an output, an upper electrode 15 is disposed above the first magnetoresistive element 2 in the stacking direction. The lower electrode 17 is connected to the lower side of the second magnetoresistive element 7 in the stacking direction.

また、図11に示すように、第1の磁気抵抗効果素子2は、非磁性導電バッファ層16を挟んで、第2の磁気抵抗効果素子7の直上に配置されている。非磁性導電バッファ層16の材料は、例えばAu、CuまたはAgである。第2の磁気抵抗効果素子7は下部電極17側から、第2の反強磁性層7d、第2の磁化固定層7c、第2のスペーサー層7b、第2の磁化自由層7aの順序の配置で構成されている。一方、第1の磁気抵抗効果素子2は非磁性導電バッファ層16側から、第1の磁化自由層2a、第1のスペーサー層2b、第1の磁化固定層2c、第1の反強磁性層2dの順序の配置で構成されている。つまり、第2実施形態の磁気抵抗効果デバイス200と同様に、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7とでは、反強磁性層、磁化固定層、スペーサー層および磁化自由層の、同じ方向から見た配置の順序が反対になっている。このように、第1の磁化自由層2aと第2の磁化固定層7cとの距離に対し、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aとの距離の方が小さくなるように、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。また、ここでは、第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aは磁気的に結合しており、第1の磁化自由層2aの磁化2eと第2の磁化自由層7aの磁化7eは磁気的に結合している。 As shown in FIG. 11, the first magnetoresistive element 2 is disposed immediately above the second magnetoresistive element 7 with the nonmagnetic conductive buffer layer 16 interposed therebetween. The material of the nonmagnetic conductive buffer layer 16 is, for example, Au, Cu, or Ag. The second magnetoresistance effect element 7 is arranged in the order of the second antiferromagnetic layer 7d, the second magnetization fixed layer 7c, the second spacer layer 7b, and the second magnetization free layer 7a from the lower electrode 17 side. It consists of On the other hand, the first magnetoresistive element 2 has a first magnetization free layer 2a, a first spacer layer 2b, a first magnetization fixed layer 2c, and a first antiferromagnetic layer from the nonmagnetic conductive buffer layer 16 side. It is configured in an arrangement of 2d order. That is, as with the magnetoresistive effect device 200 of the second embodiment, the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 have an antiferromagnetic layer, a magnetization fixed layer, a spacer layer, and a magnetization free layer. The order of the layers, viewed from the same direction, is reversed. Thus, the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a is smaller than the distance between the first magnetization free layer 2a and the second magnetization fixed layer 7c. The second magnetoresistive element 7 is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element 2. Also, here, the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a are magnetically coupled, and the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a. Are magnetically coupled.

図12は、第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス300を含む回路の模式図である。第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7に直流電流を印加するため、入力端子18と上部電極15は電気的に接続されており、下部電極17はグランドに接続されている。また、直流電流は、入力端子18より、バイアス・ティー10の直流端子及び上部電極15を経由し、第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7に印加される。また、出力を取り出すため、出力端子11はバイアス・ティー10の交流端子を経由し、上部電極15と電気的に接続されている。第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に直列に接続されているため、それぞれには同じ大きさの電流が流れる。バイアス・ティー10は、入力端子18から印加される直流電流が出力端子11に混入することを防ぐとともに、出力が、入力端子18に混入することを防ぐことを目的として備えられる。磁気抵抗効果デバイス300のその他の構成や、第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態は、第2実施形態の磁気抵抗効果デバイス200と同じである。 FIG. 12 is a schematic diagram of a circuit including the magnetoresistive effect device 300 of the third embodiment. In order to apply a direct current to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7, the input terminal 18 and the upper electrode 15 are electrically connected, and the lower electrode 17 is connected to the ground. Yes. The direct current is applied to the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 from the input terminal 18 via the DC terminal of the bias tee 10 and the upper electrode 15. Further, in order to take out the output, the output terminal 11 is electrically connected to the upper electrode 15 via the AC terminal of the bias tee 10. Since the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are electrically connected in series, the same current flows through each of them. The bias tee 10 is provided for the purpose of preventing the direct current applied from the input terminal 18 from mixing into the output terminal 11 and preventing the output from mixing into the input terminal 18. Other configurations of the magnetoresistive effect device 300 and the magnetization states of the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are the same as those of the magnetoresistive effect device 200 of the second embodiment.

ここで、第3実施形態の磁気抵抗効果デバイス300の動作原理を説明する。入力端子18に、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度より小さく、第2の磁気抵抗効果素子7の発振閾値電流密度よりも小さい電流密度を有する直流電流が印加されているとき、第1の磁化自由層2aの磁化2eは振動しないため、第2の磁化自由層7aの磁化7eも振動しない。結果として、出力端子11では出力電圧が発生しない。一方、入力端子18に、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度より大きく、第2の磁気抵抗効果素子7の発振閾値電流密度より小さい電流密度を有する直流電流が印加されているとき、第1の磁化自由層2aの磁化2eは振動する。そのため、第1の磁化自由層2aと磁気的に結合している第2の磁化自由層7aの磁化7eも振動し、結果として、図5に示されるように、出力端子11では高周波の交流出力電圧(発振出力)が発生する。 Here, the operation principle of the magnetoresistive effect device 300 of the third embodiment will be described. When a direct current having a current density smaller than the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 and smaller than the oscillation threshold current density of the second magnetoresistance effect element 7 is applied to the input terminal 18, Since the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a does not vibrate, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a also does not vibrate. As a result, no output voltage is generated at the output terminal 11. On the other hand, when a direct current having a current density larger than the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 and smaller than the oscillation threshold current density of the second magnetoresistance effect element 7 is applied to the input terminal 18. The magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a vibrates. For this reason, the magnetization 7e of the second magnetization free layer 7a magnetically coupled to the first magnetization free layer 2a also vibrates, and as a result, as shown in FIG. Voltage (oscillation output) is generated.

第2実施形態の磁気抵抗効果デバイス200と同様に、磁気抵抗効果デバイス300においても、第1の磁化固定層2cの磁化方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場13aの方向に平行な直線13bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場14aの方向に平行な直線14bのなす角度が大きいので、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さくすることができ、さらに第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。 Similar to the magnetoresistive effect device 200 of the second embodiment, also in the magnetoresistive effect device 300, the straight line 2g parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 2c and the external applied to the first magnetization free layer 2a. It is parallel to the direction of the external magnetic field 14a applied to the straight line 7g parallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 7c and the second magnetization free layer 7a than the angle formed by the straight line 13b parallel to the direction of the magnetic field 13a. Since the angle formed by the straight line 14b is large, the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 can be reduced, and a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7.

さらに、磁気抵抗効果デバイス300は、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に直列に接続される構造をとっている。そのため、素子作製プロセスが容易になるとともに、電流を印加する電源の数を抑制することができる。 Further, the magnetoresistive effect device 300 has a structure in which the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are electrically connected in series. Therefore, the element manufacturing process is facilitated and the number of power supplies to which current is applied can be suppressed.

次に、第4実施形態について、第1実施形態と異なる部分について説明し、第1実施形態に対する同一部分または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図13に、第4実施形態の磁気抵抗効果デバイス400の概略図を示す。 Next, regarding the fourth embodiment, parts different from the first embodiment will be described, and the same or corresponding parts with respect to the first embodiment will be denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted as appropriate. In FIG. 13, the schematic of the magnetoresistive effect device 400 of 4th Embodiment is shown.

磁気抵抗効果デバイス400では、図13に示すように、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同様に、同一平面上に、絶縁体5を挟んで隣り合って配置されており、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に、第2の磁気抵抗効果素子7が配置されている。 In the magnetoresistive effect device 400, as shown in FIG. 13, the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are on the same plane as the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment. In addition, the second magnetoresistive element 7 is disposed adjacent to the insulator 5 in the in-film direction of the first magnetoresistive element 2.

第1実施形態との相違点として、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7は、共通の上部電極15に接続されており、さらに、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7は、共通の下部電極17に接続されている。 As a difference from the first embodiment, the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 are connected to a common upper electrode 15, and the first magnetoresistive element 2 is further connected. The second magnetoresistance effect element 7 is connected to a common lower electrode 17.

図14は、第4実施形態の磁気抵抗効果デバイス400を含む回路の模式図である。第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7に直流電流を印加するため、入力端子18と上部電極15は電気的に接続されており、下部電極17はグランドに接続されている。つまり、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に並列に接続されている。また、直流電流は、入力端子18より、バイアス・ティー10の直流端子及び上部電極15を経由し、第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7に印加される。また、出力を取り出すため、出力端子11はバイアス・ティー10の交流端子を経由し、上部電極15と電気的に接続されている。第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に並列に接続されているため、それぞれには同じ大きさの電圧が印加される。バイアス・ティー10は、入力端子18から印加される直流電流が出力端子11に混入することを防ぐとともに、出力が、入力端子18に混入することを防ぐことを目的として備えられる。磁気抵抗効果デバイス400のその他の構成や、第1の磁気抵抗効果素子2及び第2の磁気抵抗効果素子7の磁化状態は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同じである。 FIG. 14 is a schematic diagram of a circuit including the magnetoresistive effect device 400 of the fourth embodiment. In order to apply a direct current to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7, the input terminal 18 and the upper electrode 15 are electrically connected, and the lower electrode 17 is connected to the ground. Yes. That is, the first magnetoresistance effect element 2 and the second magnetoresistance effect element 7 are electrically connected in parallel. The direct current is applied to the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 from the input terminal 18 via the DC terminal of the bias tee 10 and the upper electrode 15. Further, in order to take out the output, the output terminal 11 is electrically connected to the upper electrode 15 via the AC terminal of the bias tee 10. Since the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7 are electrically connected in parallel, the same voltage is applied to each of them. The bias tee 10 is provided for the purpose of preventing the direct current applied from the input terminal 18 from mixing into the output terminal 11 and preventing the output from mixing into the input terminal 18. Other configurations of the magnetoresistive effect device 400 and the magnetization states of the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 are the same as those of the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment.

磁気抵抗効果デバイス400の動作原理は、第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同じである。   The operation principle of the magnetoresistive effect device 400 is the same as that of the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment.

第1実施形態の磁気抵抗効果デバイス100と同様に、磁気抵抗効果デバイス400においても、第1の磁化固定層2cの磁化方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場3aの方向に平行な直線3bのなす角度が大きいので、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さくすることができ、さらに第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる。 Similar to the magnetoresistive effect device 100 of the first embodiment, also in the magnetoresistive effect device 400, the straight line 2g parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 2c and the external applied to the first magnetization free layer 2a. More parallel to the direction of the external magnetic field 3a applied to the straight line 7g parallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 7c and the second magnetization free layer 7a than the angle formed by the straight line 3b parallel to the direction of the magnetic field 3a. Since the angle formed by the straight line 3b is large, the oscillation threshold current density of the first magnetoresistance effect element 2 can be reduced, and a high oscillation output can be obtained from the second magnetoresistance effect element 7.

さらに、磁気抵抗効果デバイス400は、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に並列に接続されることで、電流を印加する電源の数を抑制することができる。 Furthermore, the magnetoresistive effect device 400 can suppress the number of power supplies to which current is applied by electrically connecting the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element 7 in parallel. it can.

以上、本発明をその好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明してきたが、本発明はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。 Although the present invention has been specifically shown and described with reference to preferred embodiments thereof, the present invention is not limited to those embodiments and is within the scope of the gist of the invention described in the claims. Various changes can be made.

例えば、第1〜第4実施形態では、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7に直流電流が印加されることを想定しているが、第1の磁気抵抗効果素子2および第2の磁気抵抗効果素子7にパルス電流や、ランダムな波長で構成される電流が印加されても良い。この場合、バイアス・ティー10の代わりに、ローパスフィルタとハイパスフィルタを組合せる手法等を用いることで、第2の入力端子12(もしくは、入力端子18)から出力端子11への信号の混入と第2の磁気抵抗効果素子7から第2の入力端子12(もしくは、入力端子18)への信号の混入を防ぐことが出来る。   For example, in the first to fourth embodiments, it is assumed that a direct current is applied to the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 7, but the first magnetoresistive element A pulse current or a current having a random wavelength may be applied to the second and second magnetoresistive elements 7. In this case, by using a method of combining a low-pass filter and a high-pass filter instead of the bias tee 10, the signal mixing from the second input terminal 12 (or the input terminal 18) to the output terminal 11 and the first It is possible to prevent a signal from being mixed from the second magnetoresistance effect element 7 to the second input terminal 12 (or the input terminal 18).

また例えば、第1〜第4実施形態では、磁場印加機構3、13、14に、永久磁石が用いられているが、これらの代わりに電磁石を用いても良い。この場合、電磁石に流す電流を変化させることで、可変の外部磁場を第1の磁化自由層2aと第2の磁化自由層7aに、それぞれ印加することが可能である。   Further, for example, in the first to fourth embodiments, permanent magnets are used for the magnetic field application mechanisms 3, 13, and 14, but electromagnets may be used instead. In this case, it is possible to apply a variable external magnetic field to the first magnetization free layer 2a and the second magnetization free layer 7a by changing the current passed through the electromagnet.

また例えば、第1〜第4実施形態では、第1の反強磁性層2dと第2の反強磁性層7dを用いているが、これらを用いずに、第1の磁化固定層2cおよび第2の磁化固定層7cを、大きな磁気異方性を示す強磁性層で構成することも可能である。   Further, for example, in the first to fourth embodiments, the first antiferromagnetic layer 2d and the second antiferromagnetic layer 7d are used, but the first magnetization fixed layer 2c and the second antiferromagnetic layer 7d are not used without using them. It is also possible to configure the second magnetization fixed layer 7c with a ferromagnetic layer exhibiting a large magnetic anisotropy.

また例えば、第1〜第4実施形態では、第1の磁化固定層2cの磁化2fは、第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場と平行かつ逆の方向に固定されており、第2の磁化固定層7cの磁化7fは、第2の磁化自由層7aに印加される外部磁場と直交する方向に固定されているが、第1及び第2の磁化固定層の磁化の固定方向はこれに限定されず、第1の磁化固定層2cの磁化方向に平行な直線2gと第1の磁化自由層2aに印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、第2の磁化固定層7cの磁化方向に平行な直線7gと第2の磁化自由層7cに印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きい、という条件を満たせば、第1の磁気抵抗効果素子2の発振閾値電流密度を小さくすることができ、さらに第2の磁気抵抗効果素子7から高い発振出力を得ることができる効果が得られる。   Also, for example, in the first to fourth embodiments, the magnetization 2f of the first magnetization fixed layer 2c is fixed in a direction parallel and opposite to the external magnetic field applied to the first magnetization free layer 2a. The magnetization 7f of the second magnetization fixed layer 7c is fixed in a direction orthogonal to the external magnetic field applied to the second magnetization free layer 7a, but the magnetization fixed directions of the first and second magnetization fixed layers are However, the present invention is not limited to this. The angle formed by the straight line 2g parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer 2c and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the first magnetization free layer 2a If the condition that the angle formed by the straight line 7g parallel to the magnetization direction of the magnetization fixed layer 7c and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the second magnetization free layer 7c is large is satisfied, the first magnetoresistance effect The oscillation threshold current density of the element 2 can be reduced, and the second magnetism Effect which can obtain a high oscillation output from the resistive element 7 can be obtained.

また、第2実施形態では、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に第2の磁気抵抗効果素子7が配置され、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に独立しているが、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面直方向に第2の磁気抵抗効果素子7が配置され、かつ、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に並列に接続されるようにしてもよい。   In the second embodiment, the second magnetoresistive effect element 7 is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive effect element 2, and the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element are arranged. 7 is electrically independent, but the second magnetoresistive element 7 is arranged in the direction perpendicular to the film surface of the first magnetoresistive element 2, and the first magnetoresistive element 2 and the second magnetoresistive element 2 These magnetoresistive effect elements 7 may be electrically connected in parallel.

また、第4実施形態では、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に第2の磁気抵抗効果素子7が配置され、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に並列に接続されているが、第1の磁気抵抗効果素子2の膜面内方向に第2の磁気抵抗効果素子7が配置され、かつ、第1の磁気抵抗効果素子2と第2の磁気抵抗効果素子7が電気的に直列に接続されるようにしてもよい。   In the fourth embodiment, the second magnetoresistive effect element 7 is arranged in the in-plane direction of the first magnetoresistive effect element 2, and the first magnetoresistive effect element 2 and the second magnetoresistive effect element are arranged. 7 are electrically connected in parallel, but the second magnetoresistive element 7 is disposed in the in-film direction of the first magnetoresistive element 2, and the first magnetoresistive element 2 and The second magnetoresistance effect element 7 may be electrically connected in series.

また、第1〜第4実施形態では、1つの第1の磁気抵抗効果素子2に対し1つの第2の磁気抵抗効果素子7が配置されているが、第2の磁気抵抗効果素子7を複数有し、1つの第1の磁気抵抗効果素子2に対し複数の第2の磁気抵抗効果素子7が配置されるようにしてもよい。この場合、第1の磁化自由層2aと各々の第2の磁化自由層7aとは磁気的に結合しており、第1の磁化自由層2aの磁化2eと各々の第2の磁化自由層7aの磁化7eとが磁気的に結合している。図15に、第1実施形態における1つの第2の磁気抵抗効果素子7を複数の第2の磁気抵抗効果素子7に置き換えた、第5実施形態の磁気抵抗効果デバイス500を示す。また、図16は、第5実施形態の磁気抵抗効果デバイス500を含む回路の模式図である。磁気抵抗効果デバイス500では、第1の磁気抵抗効果素子2と複数の第2の磁気抵抗効果素子7とは電気的に独立しており、複数の第2の磁気抵抗効果素子7は電気的に並列に接続されている。   In the first to fourth embodiments, one second magnetoresistive element 7 is arranged for one first magnetoresistive element 2, but a plurality of second magnetoresistive elements 7 are provided. A plurality of second magnetoresistive elements 7 may be arranged for one first magnetoresistive element 2. In this case, the first magnetization free layer 2a and each second magnetization free layer 7a are magnetically coupled, and the magnetization 2e of the first magnetization free layer 2a and each second magnetization free layer 7a. Are magnetically coupled to the magnetization 7e. FIG. 15 shows a magnetoresistive effect device 500 according to the fifth embodiment in which one second magnetoresistive effect element 7 in the first embodiment is replaced with a plurality of second magnetoresistive effect elements 7. FIG. 16 is a schematic diagram of a circuit including the magnetoresistive effect device 500 of the fifth embodiment. In the magnetoresistive effect device 500, the first magnetoresistive effect element 2 and the plurality of second magnetoresistive effect elements 7 are electrically independent, and the plurality of second magnetoresistive effect elements 7 are electrically Connected in parallel.

磁気抵抗効果デバイス500は、第2の磁気抵抗効果素子7を複数有し、第1の磁化自由層2aと複数の第2の磁気抵抗効果素子7の各々の第2の磁化自由層7aとが磁気的に結合しているので、各々の第2の磁気抵抗効果素子7同士が電気的に接続され、各々の第2の磁気抵抗効果素子7からの出力が合算されることで、より高い発振出力を得ることができる。   The magnetoresistive effect device 500 includes a plurality of second magnetoresistive effect elements 7, and the first magnetization free layer 2 a and the second magnetization free layer 7 a of each of the plurality of second magnetoresistive effect elements 7 are included. Since they are magnetically coupled, the respective second magnetoresistive effect elements 7 are electrically connected to each other, and the outputs from the respective second magnetoresistive effect elements 7 are summed up, resulting in higher oscillation. Output can be obtained.

第5実施形態の磁気抵抗効果デバイス500は、第1実施形態における1つの第2の磁気抵抗効果素子7を複数の第2の磁気抵抗効果素子7に置き換えたものであるが、第2〜第4実施形態における1つの第2の磁気抵抗効果素子7を複数の第2の磁気抵抗効果素子7に置き換えるようにしてもよい。また、各々の第2の磁気抵抗効果素子7同士は電気的に並列に接続されていても直列に接続されていても良い。   A magnetoresistive effect device 500 of the fifth embodiment is obtained by replacing one second magnetoresistive effect element 7 in the first embodiment with a plurality of second magnetoresistive effect elements 7. One second magnetoresistive element 7 in the fourth embodiment may be replaced with a plurality of second magnetoresistive elements 7. In addition, the second magnetoresistive elements 7 may be electrically connected in parallel or in series.

1 第1の上部電極
2 第1の磁気抵抗効果素子
2a 第1の磁化自由層
2b 第1のスペーサー層
2c 第1の磁化固定層
2d 第1の反強磁性層
2e 第1の磁化自由層の磁化
2f 第1の磁化固定層の磁化
2g 第1の磁化固定層の磁化方向に平行な直線
3 磁場印加機構
3a 外部磁場
3b 外部磁場の方向に平行な直線
4 第1の下部電極
5 絶縁体
6 第2の上部電極
7 第2の磁気抵抗効果素子
7a 第2の磁化自由層
7b 第2のスペーサー層
7c 第2の磁化固定層
7d 第2の反強磁性層
7e 第2の磁化自由層の磁化
7f 第2の磁化固定層の磁化
7g 第2の磁化固定層の磁化方向に平行な直線
8 第2の下部電極
9 第1の入力端子
10 バイアス・ティー
11 出力端子
12 第2の入力端子
13 第1の磁場印加機構
13a 第1の外部磁場
13b 第1の外部磁場の方向に平行な直線
14 第2の磁場印加機構
14a 第2の外部磁場
14b 第2の外部磁場の方向に平行な直線
15 上部電極
16 非磁性導電バッファ層
17 下部電極
18 入力端子
100、200、300、400、500 磁気抵抗効果デバイス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st upper electrode 2 1st magnetoresistive effect element 2a 1st magnetization free layer 2b 1st spacer layer 2c 1st magnetization fixed layer 2d 1st antiferromagnetic layer 2e 1st magnetization free layer Magnetization 2f Magnetization 2g of the first magnetization fixed layer Straight line 3 parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer Magnetic field application mechanism 3a External magnetic field 3b Straight line 4 parallel to the direction of the external magnetic field 4 First lower electrode 5 Insulator 6 Second upper electrode 7 Second magnetoresistance effect element 7a Second magnetization free layer 7b Second spacer layer 7c Second magnetization fixed layer 7d Second antiferromagnetic layer 7e Magnetization of second magnetization free layer 7f Magnetization of the second magnetization fixed layer 7g Straight line 8 parallel to the magnetization direction of the second magnetization fixed layer 8 Second lower electrode 9 First input terminal 10 Bias tee 11 Output terminal 12 Second input terminal 13 Second 1 magnetic field applying mechanism 13a first external magnetic field 13b first Straight line 14 parallel to the direction of the external magnetic field of the second magnetic field applying mechanism 14a Second external magnetic field 14b Straight line 15 parallel to the direction of the second external magnetic field 15 Upper electrode 16 Nonmagnetic conductive buffer layer 17 Lower electrode 18 Input terminal 100 , 200, 300, 400, 500 Magnetoresistive device

Claims (3)

第1の磁化自由層、第1の磁化固定層および前記第1の磁化自由層と前記第1の磁化固定層との間に配置された第1のスペーサー層を有する第1の磁気抵抗効果素子と、
第2の磁化自由層、第2の磁化固定層および前記第2の磁化自由層と前記第2の磁化固定層との間に配置された第2のスペーサー層を有する第2の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構とを有し、
前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層が磁気的に結合しており、
さらに、前記第1の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第1の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、前記第2の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第2の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きくなっており、
前記第1の磁気抵抗効果素子には、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子が電気的に並列に接続されていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
1st magnetoresistive effect element which has the 1st magnetization free layer, the 1st magnetization fixed layer, and the 1st spacer layer arranged between the 1st magnetization free layer and the 1st magnetization fixed layer When,
A second magnetoresistive element having a second magnetization free layer, a second magnetization fixed layer, and a second spacer layer disposed between the second magnetization free layer and the second magnetization fixed layer When,
A magnetic field application mechanism for applying an external magnetic field to the first magnetization free layer and the second magnetization free layer,
The first magnetization free layer and the second magnetization free layer are magnetically coupled;
Furthermore, the angle between the straight line parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the first magnetization free layer is greater than that of the second magnetization fixed layer. The angle formed by a straight line parallel to the magnetization direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the second magnetization free layer is large,
A current having a current density equal to or higher than an oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element ,
The magnetoresistive effect device, wherein the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically connected in parallel .
第1の磁化自由層、第1の磁化固定層および前記第1の磁化自由層と前記第1の磁化固定層との間に配置された第1のスペーサー層を有する第1の磁気抵抗効果素子と、
第2の磁化自由層、第2の磁化固定層および前記第2の磁化自由層と前記第2の磁化固定層との間に配置された第2のスペーサー層を有する第2の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構とを有し、
前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層が磁気的に結合しており、
さらに、前記第1の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第1の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、前記第2の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第2の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きくなっており、
前記第1の磁気抵抗効果素子には、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加され
前記第1の磁気抵抗効果素子と前記第2の磁気抵抗効果素子が電気的に直列に接続されていることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
1st magnetoresistive effect element which has the 1st magnetization free layer, the 1st magnetization fixed layer, and the 1st spacer layer arranged between the 1st magnetization free layer and the 1st magnetization fixed layer When,
A second magnetoresistive element having a second magnetization free layer, a second magnetization fixed layer, and a second spacer layer disposed between the second magnetization free layer and the second magnetization fixed layer When,
A magnetic field application mechanism for applying an external magnetic field to the first magnetization free layer and the second magnetization free layer,
The first magnetization free layer and the second magnetization free layer are magnetically coupled;
Furthermore, the angle between the straight line parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the first magnetization free layer is greater than that of the second magnetization fixed layer. The angle formed by a straight line parallel to the magnetization direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the second magnetization free layer is large,
A current having a current density equal to or higher than an oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive element ,
The magnetoresistive effect device, wherein the first magnetoresistive effect element and the second magnetoresistive effect element are electrically connected in series .
第1の磁化自由層、第1の磁化固定層および前記第1の磁化自由層と前記第1の磁化固定層との間に配置された第1のスペーサー層を有する第1の磁気抵抗効果素子と、
第2の磁化自由層、第2の磁化固定層および前記第2の磁化自由層と前記第2の磁化固定層との間に配置された第2のスペーサー層を有する複数の第2の磁気抵抗効果素子と、
前記第1の磁化自由層と前記第2の磁化自由層に外部磁場を印加する磁場印加機構とを有し、
前記第1の磁化自由層と前記複数の第2の磁気抵抗効果素子の各々の前記第2の磁化自由層が磁気的に結合しており、
さらに、前記第1の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第1の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度よりも、前記第2の磁化固定層の磁化方向に平行な直線と前記第2の磁化自由層に印加される外部磁場の方向に平行な直線のなす角度が大きくなっており、
前記第1の磁気抵抗効果素子には、発振閾値電流密度以上の電流密度を有する電流が印加されることを特徴とする磁気抵抗効果デバイス。
1st magnetoresistive effect element which has the 1st magnetization free layer, the 1st magnetization fixed layer, and the 1st spacer layer arranged between the 1st magnetization free layer and the 1st magnetization fixed layer When,
Second magnetization free layer, a plurality of second magnetoresistive having a second spacer layer disposed between the second magnetization pinned layer and the second magnetization free layer and the second magnetization pinned layer An effect element;
A magnetic field application mechanism for applying an external magnetic field to the first magnetization free layer and the second magnetization free layer,
Wherein the first magnetization free layer and the second magnetization free layer of each of the plurality of second magnetoresistive element are magnetically coupled,
Furthermore, the angle between the straight line parallel to the magnetization direction of the first magnetization fixed layer and the straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the first magnetization free layer is greater than that of the second magnetization fixed layer. The angle formed by a straight line parallel to the magnetization direction and a straight line parallel to the direction of the external magnetic field applied to the second magnetization free layer is large,
A magnetoresistive effect device, wherein a current having a current density equal to or higher than an oscillation threshold current density is applied to the first magnetoresistive effect element.
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