JPH11330585A

JPH11330585A - 磁化制御方法、磁気機能素子、情報記録方法、情報記録素子及び可変抵抗素子

Info

Publication number: JPH11330585A
Application number: JP10130711A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Iwasaki; 洋岩崎; Kazuhiro Bessho; 和宏別所
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】磁気メモリ等を実現するのに好適な磁化制御
方法として、微細化に伴うクロストークの発生や保磁力
の低下といった問題を回避することが可能な磁化制御方
法を提供する。また、そのような磁化制御方法を採用し
た各種素子を提供する。【解決手段】導電性を有する材料を含む導電体層が磁
性層の間に位置するように、導電体層と複数の磁性層と
が積層されてなる積層体を構成する。そして、上記積層
体の導電体層に電流を流すことで、磁性層間の磁気的結
合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁性体の磁化制御
方法に関する。また、本発明は、磁性体を利用した磁気
機能素子に関する。また、本発明は、磁性体の磁化を制
御することにより情報を記録する情報記録方法及び情報
記録素子に関する。また、本発明は、磁性体の磁化を制
御することにより電気抵抗を制御する可変抵抗素子に関
する。

【０００２】

【従来の技術】磁性体を利用した素子は、半導体デバイ
スに比較して、二つの点で魅力を持っている。第１に、
素子の要素として導電性を有する金属を利用できるの
で、高いキャリア密度及び低い抵抗値を実現できるとい
う点である。そのため、磁性体を利用した素子は、微細
化及び高集積化に適すると期待される。第２に、磁性体
がもつ磁化方向の双安定性を不揮発性メモリに利用でき
る可能性があるという点である。すなわち、磁性体がも
つ磁化方向の双安定性を利用すれば、回路の電源を切っ
ても記憶した情報が失われない固体不揮発性メモリを実
現できるものと期待される。

【０００３】なお、回路の電源を切っても記憶した情報
が失われない固体不揮発性メモリは、究極の省電力メモ
リとして、様々な分野で実用化が期待されている。具体
的には例えば、固体不揮発性メモリは、非活動時に電力
消費がないので、携帯電子情報機器等におけるバッテリ
ーの容量及び重量を減らすキーテクノロジーとして期待
されている。また、固体不揮発性メモリは、衛星メディ
アビジネスの立ち上がりを背景に、太陽電池が使用不可
となる地球の影の中での衛星の活動を支えるものとして
も需要が高い。

【０００４】そして、磁性体を利用した素子には、
（１）不揮発性を有すること、（２）繰り返しによる劣
化がないこと、（３）高速書き込みが可能であること、
（４）小型化及び高密度化に適していること、（５）放
射線耐性に優れていること、などの利点がある。以下、
これらの利点について説明する。

【０００５】（１）不揮発性を有する磁気テープや磁気ディスク等の磁気記録媒体がそうであ
るように、磁性体自体がもつ磁化方向の双安定性（bist
ability）のおかげで、磁化方向として書き込まれた情
報は、駆動力がなくなってもそのまま保たれる。

【０００６】（２）繰り返しによる劣化がない磁性体と同様に双安定性を示す強誘電体を用いたメモリ
（Ｆ−ＲＡＭ：Ferroelectric Random Access Memory）
も、固体不揮発性メモリの候補として提案されている。
Ｆ−ＲＡＭでは、自発誘電分極を反転させることによ
り、メモリ状態を書き換えることとなる。しかし、メモ
リ状態の書き換えに対応する自発誘電分極の反転には、
結晶格子中でのイオン移動を伴うので、書き換えを百万
回以上にわたって繰り返すと、結晶欠陥が発達してしま
う。そのため、Ｆ−ＲＡＭでは、材料の疲労により超え
られない素子寿命が問題となっている。一方、磁性体の
磁化反転は、イオン移動などを伴わないので、磁性体を
利用した素子では、材料の疲労に制限されることなく、
ほぼ無限に書き換えを繰り返すことができる。

【０００７】（３）高速書き込みが可能磁性体の磁化反転の速さは、１ｎｓ程度以下と非常に速
い。したがって、この速いスイッチング速度を活かすこ
とで、高速書き込みが可能となる。

【０００８】（４）小型化及び高密度化に適している磁性合金は、組成や組織を選択することで、磁気特性を
様々に変化させることができる。したがって、磁性体を
利用した素子では、設計の自由度が極めて高くなる。そ
して、磁性体を利用した素子では、例えば、導電性を有
する磁性合金を利用することも可能である。導電性を有
する磁性合金を利用した場合は、半導体を用いた場合に
比べて、素子中の電流密度を高くとれるので、半導体素
子よりも更に小型化及び高密度化を進めることが可能と
なる。

【０００９】なお、このような特徴を利用した素子とし
て、例えば、日本応用磁気学会誌Vol.19,684(1995)に記
載されているように、スピントランジスタが提案されて
いる。スピントランジスタでは、図１８に示すように、
磁性体Ｅによってエミッタを構成し、磁性体Ｃによって
コレクタを構成し、非磁性体Ｂによってベースを構成す
る。このような構成のスピントランジスタでは、磁性体
Ｃ，Ｅから非磁性体Ｂにしみ出す偏極密度によって、磁
性体Ｃ，Ｅの磁化方向に依存する出力電圧が生じる。な
お、図１８に示すスピントランジスタでは、出力電圧が
磁性体Ｃ，Ｅの磁化方向に依存する構造を作っている
が、それらの磁化方向の変更は、磁化用電流線１００に
磁化用電流パルスＰを供給し、当該磁化用電流パルスＰ
が作る磁界を、磁性体Ｃ，Ｅに印加することにより行う
ようにしている。

【００１０】（５）放射線耐性に優れているＤ−ＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）のように
電気容量への充電によってメモリ状態をつくっている素
子は、電離放射線が素子中を通過すると放電が生じ、メ
モリ情報を失ってしまう。これに対して、磁性体の磁化
方向は、電離放射線によって乱されるようなことがない
ので、磁性体を利用した素子は、放射線耐性に優れてい
る。したがって、磁性体を利用した素子は、通信衛星な
どのように、高い放射線耐性が要求される用途において
特に有用である。実際に、磁性体を利用したメモリの一
つである磁気バブルメモリは、通信衛星に搭載されるメ
モリとして既に使用されており多くの実績がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、磁性体
を利用した素子には様々な利点があるが、一方でいくつ
かの問題点もある。以下、磁性体を利用した素子におけ
る問題点について、磁性体を利用したメモリであるＭ−
ＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）を例に挙げ
て説明する。なお、以下に説明する問題はいずれも、書
き込みのために記憶担体に磁界を印加していることに起
因している。

【００１２】（１）クロストークが生じる従来のＭ−ＲＡＭにおいて、メモリへの書き込みは磁界
印加によっているが、磁界は遠距離力なので、記憶担体
が高密度に集積された場合には、選択された記録担体に
隣接する領域にも無視できない影響が及んでしまい、ク
ロストークが生じる。これを防ぐために、例えば「Z.G.
Wang,et al.,IEEE Trans Magn.,Mag33,4498(1997)」に
おいて、磁界遮蔽構造をもつメモリセルの設計例も報告
されているが、構造が複雑になるという欠点がある。

【００１３】（２）微細化に伴い保磁力が低下する従来のＭ−ＲＡＭにおいて、書き込み磁界の発生は電流
によっているが、導線の運びうる電流密度ｉ[A/m²]に
は、材料で決まる限界がある。したがって、デザインル
ールが微細化し、導線径が細くなるに従って、利用でき
る電流の上限値は減少する。

【００１４】ここで、導線の直径をＤ[m]とすると、こ
の導線の中心から距離Ｌ[m]だけ離れた位置での磁界強
度Ｈ[A/m]は、下記式（１）で表される。

【００１５】Ｈ＝（πｉＤ²／４）／（２πＬ）・・・（１）導線と記憶担体のそれぞれの中心間の距離は、Ｄよりも
大幅に小さくなるようなことはないので、Ｌ＝Ｄとおく
と、記録担体に印加される磁界強度Ｈ[A/m]は、下記式
（２）で表される。

【００１６】Ｈ＝（πｉＤ²／４）／（２πＬ）＝ｉＤ／８・・・（２）そして、許容電流密度をｉ＝１０⁷[A/cm²]＝１０¹¹[A/m
²]とし、Ｄ’[μｍ]＝Ｄ[m]×１０⁶とすると、記録担体
に印加される磁界強度Ｈ[A/m]は、下記式（３）で表さ
れる。

【００１７】Ｈ＝１２５００×Ｄ’[A/m]＝１５６×Ｄ’[Oe] ・・・（３）このように、微細化によって記憶担体である磁性体を導
線の中心により近く配置することで記録担体が磁界発生
源に近くなる効果を勘案したとしても、利用できる最大
磁界は、概ねデザインルールに比例して減少することに
なる。

【００１８】一方、記憶担体の保磁力は、外部から印加
される磁界で磁化反転が達成されるように設計されなく
てはならない。そのため、微細化に伴い記録担体に印加
できる磁界が小さくなると、それに伴い、記録担体の保
磁力を小さくする必要がある。すなわち、Ｍ−ＲＡＭで
は、微細化に伴い、記録担体の保磁力を小さくする必要
がある。しかしながら、記録担体の保磁力があまりに小
さくなると、信頼性が低下してしまう。このことは、特
に周囲から外乱磁界を受ける環境で使用されることが多
い携帯電子機器用メモリとしては、大きな問題である。

【００１９】ところで、上述した問題点は、記憶担体の
磁化を反転させるために外部から磁界を印加することに
起因しており、Ｍ−ＲＡＭの場合に限定されるものでは
ない。例えば、図１８に示したようなスピントランジス
タにおいても、同様な問題がある。スピントランジスタ
では、出力が素子構成要素の磁化方向に依存して変化す
るという機能を実現しているが、入力操作（すなわち
「出力決定にあずかる磁性体要素の磁化方向を変える手
段」）は、Ｍ−ＲＡＭの場合と同様に、近傍の電流から
の磁界印加によっている。したがって、Ｍ−ＲＡＭにつ
いて指摘した上記二つの問題は、スピントランジスタに
おいても同様に存在する。

【００２０】本発明は、以上のような従来の実情に鑑み
て提案されたものであり、微細化に伴うクロストークの
発生や保磁力の低下といった問題を回避することが可能
な磁化制御方法を提供することを目的としている。ま
た、本発明は、そのような磁化制御方法を採用した磁気
機能素子、情報記録方法、情報記録素子及び可変抵抗素
子を提供することも目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る磁化制御方
法では、導電性を有する材料を含む導電体層が磁性層の
間に位置するように導電体層と複数の磁性層とが積層さ
れてなる積層体を構成する。そして、本発明に係る磁化
制御方法では、上記積層体の導電体層に電流を流すこと
で、磁性層間の磁気的結合状態を変化させて、磁性層の
磁化方向を制御する。

【００２２】なお、上記磁化制御方法において、上記導
電体層には、例えば、単相で磁気秩序を示す物質と非磁
性の物質との両方を含む複合材料を用いても良いし、ま
た、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域とを交互に形
成した積層薄膜又は組成変調膜を用いても良いし、ま
た、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域とが３次元的
に混じり合った構造のものを用いても良い。

【００２３】また、上記磁化制御方法では、上記導電体
層の上層及び下層に、当該導電体層よりも電気抵抗の高
い材料からなる層を配するようにしても良い。上記導電
体層の上層及び下層に当該導電体層よりも電気抵抗の高
い材料からなる層を配した場合には、上記積層体に電流
を流したときに、当該電流が導電体層に集中することと
なる。

【００２４】また、本発明に係る磁気機能素子は、導電
性を有する材料を含む導電体層が磁性層の間に位置する
ように導電体層と複数の磁性層とが積層されてなる積層
体を備える。そして、上記積層体の導電体層に電流を流
すことで、磁性層間の磁気的結合状態を変化させて、磁
性層の磁化方向を制御する。この磁気機能素子では、例
えば、磁気光学的カー効果やファラデー効果等の磁気光
学効果を用いて、磁性層の磁化状態に対応した出力を行
う。

【００２５】なお、上記磁気機能素子において、上記導
電体層は、例えば、単相で磁気秩序を示す物質と非磁性
の物質との両方を含む複合材料からなるものであっても
良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域と
を交互に形成した積層薄膜又は組成変調膜からなるもの
であっても良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組
成の領域とが３次元的に混じり合った構造のものであっ
ても良い。

【００２６】また、上記磁気機能素子は、上記導電体層
の上層及び下層に、当該導電体層よりも電気抵抗の高い
材料からなる層を備えていても良い。上記導電体層の上
層及び下層に当該導電体層よりも電気抵抗の高い材料か
らなる層を備えている場合には、上記積層体に電流を流
したときに、当該電流が導電体層に集中することとな
る。

【００２７】また、本発明に係る情報記録方法では、導
電性を有する材料を含む導電体層が磁性層の間に位置す
るように導電体層と複数の磁性層とが積層されてなる積
層体を構成する。そして、本発明に係る方法記録方法で
は、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、磁性層
間の磁気的結合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を
制御し、磁性層の磁化の向きにより、二値もしくはそれ
以上の多値記録を行う。

【００２８】なお、上記情報記録方法において、上記導
電体層には、例えば、単相で磁気秩序を示す物質と非磁
性の物質との両方を含む複合材料を用いても良いし、ま
た、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域とを交互に形
成した積層薄膜又は組成変調膜を用いても良いし、ま
た、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域とが３次元的
に混じり合った構造のものを用いても良い。

【００２９】また、上記情報記録方法では、上記導電体
層の上層及び下層に、当該導電体層よりも電気抵抗の高
い材料からなる層を配するようにしても良い。上記導電
体層の上層及び下層に当該導電体層よりも電気抵抗の高
い材料からなる層を配した場合には、上記積層体に電流
を流したときに、当該電流が導電体層に集中することと
なる。

【００３０】また、本発明に係る情報記録素子は、導電
性を有する材料を含む導電体層が磁性層の間に位置する
ように導電体層と複数の磁性層とが積層されてなる積層
体を備える。そして、上記積層体の導電体層に電流を流
すことで、磁性層間の磁気的結合状態を変化させて、磁
性層の磁化方向を制御し、磁性層の磁化の向きにより、
二値もしくはそれ以上の多値記録を行う。この情報記録
素子では、例えば、磁気光学的カー効果やファラデー効
果等の磁気光学効果を利用して磁性層の磁化の向きが検
出されることで、記録された情報が読み出される。

【００３１】なお、上記情報記録素子において、上記導
電体層は、例えば、単相で磁気秩序を示す物質と非磁性
の物質との両方を含む複合材料からなるものであっても
良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域と
を交互に形成した積層薄膜又は組成変調膜からなるもの
であっても良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組
成の領域とが３次元的に混じり合った構造のものであっ
ても良い。

【００３２】また、上記情報記録素子は、上記導電体層
の上層及び下層に、当該導電体層よりも電気抵抗の高い
材料からなる層を備えていても良い。上記導電体層の上
層及び下層に当該導電体層よりも電気抵抗の高い材料か
らなる層を備えている場合には、上記積層体に電流を流
したときに、当該電流が導電体層に集中することとな
る。

【００３３】また、本発明に係る可変抵抗素子は、第１
の磁性層と、導電体層と、第２の磁性層と、非磁性層
と、第３の磁性層とが積層されてなる積層体を備える。
そして、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、第
１の磁性層と第２の磁性層との間の磁気的結合状態を変
化させて、第２の磁性層の磁化方向を制御するととも
に、第２の磁性層の磁化方向を制御することで、第２の
磁性層、非磁性層及び第３の磁性層に至る経路の電気抵
抗を制御する。

【００３４】なお、上記可変抵抗素子において、上記導
電体層は、例えば、単相で磁気秩序を示す物質と非磁性
の物質との両方を含む複合材料からなるものであっても
良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組成の領域と
を交互に形成した積層薄膜又は組成変調膜からなるもの
であっても良いし、また、強磁性組成の領域と非磁性組
成の領域とが３次元的に混じり合った構造のものであっ
ても良い。

【００３５】また、上記可変抵抗素子は、上記導電体層
の上層及び下層に、当該導電体層よりも電気抵抗の高い
材料からなる層を備えていても良い。上記導電体層の上
層及び下層に当該導電体層よりも電気抵抗の高い材料か
らなる層を備えている場合には、上記積層体に電流を流
したときに、当該電流が導電体層に集中することとな
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００３７】１．本発明の原理本発明では、外部からの磁界印加に依ることなく、固体
中の磁気的な相互作用（交換相互作用：exchange inter
action）を駆動力として、素子の構成要素である磁性層
に磁化反転を生じさせるようにする。ここで、磁化反転
が生じる磁性層は、磁化方向が変化することから「可動
磁性層」と呼ぶこともできるし、情報記録素子を想定す
れば「記録担体」と呼ぶこともできる。

【００３８】交換相互作用は、強磁性体の内部で原子の
磁気モーメントを一方向に揃えている起源にほかならな
い。また、図１に示すように、磁性体Ａと磁性体Ｂとが
接触しているときには、両者の間にも、接触する界面Ｓ
を通じて交換相互作用が働く。更に、図２に示すよう
に、磁性体Ａと磁性体Ｂとが直接接触しておらず、磁性
体Ａと磁性体Ｂとの間に中間層Ｃが存在していたとして
も、磁性体Ａと磁性体Ｂとの間の交換相互作用が、中間
層Ｃを介して伝搬する場合がある。ここで、中間層Ｃが
磁性体の場合は、当然の事ながら交換相互作用が伝搬す
るが、中間層Ｃが、それ自身では磁性を示さないＣｕ，
Ａｕなどの非磁性金属やＳｉ，Ｇｅのような半導体の場
合であっても、中間層Ｃを介して交換相互作用が伝搬す
ることが確認されている。そして、そのような交換相互
作用の伝搬の起源を説明する理論（ＲＫＫＹモデルな
ど）も提案されている。

【００３９】そして、本発明では、このような交換相互
作用を利用して、磁性体の磁化方向を制御するようにし
ている。以下、交換相互作用を利用して磁化方向を制御
する方法について、具体的な例を挙げて説明する。

【００４０】図２に示したように、磁性体Ａと磁性体Ｂ
とが直接接触しておらず、磁性体Ａと磁性体Ｂとの間に
中間層Ｃが存在しているとする。ここで、磁性体Ａは、
磁化方向が変化しやすい軟磁性体であるとする。また、
磁性体Ｂは、固定した磁化方向をもつ永久磁石であると
する。また、磁性体Ａと磁性体Ｂと間の中間層Ｃは、強
磁性体であるが、それ以上の温度では磁気秩序を失うキ
ュリー温度Ｔｃが低い材料であるとする。

【００４１】このとき、温度が中間層Ｃのキュリー温度
Ｔｃよりも高い環境下では、中間層Ｃの中に磁気秩序が
ないので、磁性体Ａには磁性体Ｂからの影響が伝わら
ず、磁性体Ａの磁化は外場によって勝手な方向を向いて
いる。このまま温度を下げてキュリー温度Ｔｃよりも低
い温度になると、中間層Ｃの中に磁気秩序が生じ、中間
層Ｃを介して、磁性体Ａ，Ｂに磁化方向を揃えようとす
る相互作用が働く。このとき、磁性体Ｂは永久磁石なの
で、それまで勝手な方向を向いていた磁性体Ａの磁化方
向が、磁性体Ｂの磁化方向に揃うように変化する。この
磁性体Ａの磁化方向の変化は、外部磁界によるものでな
く、固体中の交換相互作用によって引き起こされたもの
である。

【００４２】本発明に係る磁化制御方法では、このよう
な交換相互作用を駆動力として、磁性体の磁化方向を制
御するようにしている。なお、本発明では、交換相互作
用を上述の例のように環境温度によって変化させるので
はなく、電気的入力によって制御するようにしている。

【００４３】そして、本発明に係る磁気機能素子は、こ
のような交換相互作用を駆動力として磁化方向を変化さ
せる操作を利用する素子である。換言すれば、本発明に
係る磁気機能素子は、磁性材料を含む複数の薄膜の多層
構造と電気的入出力の端子とから構成される素子であっ
て、素子の動作に強磁性体の磁化方向が変わる過程を含
んでいる。そして、強磁性体の磁化方向の変化が、強磁
性体に印加される外部磁界の変化に起因するものではな
く、固体中の交換相互作用の変化に基づくことを特徴と
している。

【００４４】以上のように、本発明に係る磁化制御方法
では、固体中の交換相互作用を駆動力として、磁性体の
磁化方向を制御するようにしており、これを利用するこ
とで、例えば、情報記録素子を構成することができる。
なお、情報記録素子を構成するときは、磁化方向が適度
に変化しやすい数十Ｏｅの保磁力を有する磁性体Ａを記
録担体として用い、永久磁石からなる磁性体Ｂを記録担
体への書き込み操作の駆動源として用いる。そして、磁
性体Ａの磁化の向きにより、二値もしくはそれ以上の多
値記録を行う。

【００４５】ここで、磁化方向が適度に変化しやすい数
十Ｏｅの保磁力を有する磁性体Ａを記録担体として用い
るとともに、永久磁石からなる磁性体Ｂを記録担体への
書き込み操作の駆動源として用いた情報記録素子におけ
る交換相互作用について説明する。

【００４６】なお、磁性体Ａ，Ｂは、積層膜とされてい
るとする。積層膜では、磁性体の体積に比して接触面が
大きく、交換相互作用を効果的に伝えることができる。
そして、以下の説明では、磁化方向が適度に変化しやす
い数十Ｏｅの保磁力を有する磁性体Ａの層は、記録担体
として用いられるので、記録担体層と称する。また、永
久磁石からなる磁性体Ｂの層は、磁化方向が一定の方向
を向くように固定されているので、固定磁性層と称す
る。また、本発明に係る情報記録素子は、小さな素子と
することを考えているので、記憶担体層は、単磁区構造
であるとする。

【００４７】一般に２層間の交換相互作用によるポテン
シャルエネルギーＵ_exは、界面の面積Ｓに比例する。そ
して、記録担体層の磁化方向をθ，固定磁性層の磁化方
向をθ_flxとすると、２層間の交換相互作用によるポテ
ンシャルエネルギーＵ_exは、係数Ｊを用いて下記式（１
−１）のように表される。

【００４８】Ｕ_ex＝−Ｓ・Ｊ・ｃｏｓ（θ−θ_flx）・・・（１−１）一方、記録担体層は、外部磁界Ｈの中では、当該外部磁
界Ｈによるポテンシャルエネルギー（Zeeman Energy）
Ｕ_Zをもつ。このポテンシャルエネルギーＵ_Zは、記録担
体層の飽和磁束密度をＭ_S，厚さをｔとし、外部磁界Ｈ
の方向をθ_Hとすると、下記式（１−２）のように表さ
れる。

【００４９】Ｕ_Z＝−Ｓ・ｔ・Ｍ_S・Ｈ・ｃｏｓ（θ−θ_H）・・・（１−２）上記式（１−１）及び式（１−２）に示すように、交換
相互作用によるポテンシャルエネルギーＵ_exと、外部磁
界によるポテンシャルエネルギーＵ_Zとは、同じ形をし
ている。すなわち、交換相互作用も外部磁界と同じよう
に記録担体層の磁化方向を変える働きをもつ。したがっ
て、交換相互作用の大きさを磁界換算値Ｈ_exとして扱う
ことができる。すなわち、θ_flxとθ_Hを等値とし、ま
た、Ｕ_exとＵ_Zを等値すれば、下記式（１−３）が成り
立つ。

【００５０】 −Ｓ・Ｊ・ｃｏｓ（θ−θ_H）＝−Ｓ・ｔ・Ｍ_S・Ｈ_ex・ｃｏｓ（θ−θ_H）・・・（１−３）したがって、交換相互作用の大きさを磁界に換算した値
Ｈ_exは、下記式（１−４）で表すことができる。

【００５１】Ｈ_ex＝Ｊ／（Ｍ_s・ｔ）・・・（１−４）そして、記録担体層の保磁力Ｈ_cが、上記磁界換算値Ｈ
_exよりも小さければ、交換相互作用によって磁化反転を
生じさせることが可能となる。

【００５２】ところで、従来は、導線に電流を流すこと
で発生する磁界を記録担体に印加するようにしていた
が、導線に電流を流すことで記録担体に印加できる磁界
強度Ｈは、上述したように、式（３）で表される。すな
わち、導線に電流を流すことで記録担体に磁界を印加す
るようにしたとき、利用できる磁界の大きさは、導線の
径Ｄ’に比例する。

【００５３】Ｈ＝１２５００×Ｄ’[A/m]＝１５６×Ｄ’[Oe] ・・・（３）一方、上記式（１−４）から分かるように、交換相互作
用による磁化反転の作用は、界面の面積に依らない。し
たがって、素子のサイズが微細化する技術動向の過程で
いずれ必ず、本発明の交換相互作用による磁化反転の作
用が、従来の磁界印加の作用を凌駕するようになる。

【００５４】例えば、交換相互作用の値として、Ｊ＝
０．０５ｍＪ／ｍ²，記録担体層の厚さｔ＝１０ｎｍ，
記録担体層の飽和磁束密度Ｍ_s＝１Ｔとし、これらの値
を上記式（１−４）式に代入すると、交換相互作用の磁
界換算値Ｈ_ex＝５０００Ａ／ｍ＝６３Ｏｅとなる。一
方、上記式（３）で表される磁界強度Ｈが６３Ｏｅとな
るのは、導線の径Ｄ’＝０．４μｍの場合である。

【００５５】すなわち、本発明に係る磁化制御方法が、
導線に電流を流すことで発生する磁界を利用するような
方法よりも有効となる素子サイズは、サブミクロンの領
域である。そして、近年の技術動向を考えると、磁気メ
モリ等において、やがてデザインルールがサブミクロン
のオーダーになるのは確実である。したがって、本発明
に係る磁化制御方法が、導線に電流を流すことで発生す
る磁界を利用するような方法を、やがて凌駕するように
なるのは明らかである。

【００５６】ここで、情報記録素子のセル寸法Ｌと、記
録担体の駆動に用いることができる駆動磁界Ｈとの関係
について、導線に電流を流すことで発生する磁界を利用
する電流磁界方式と、固体中の交換相互作用を利用する
交換結合方式とを比較して図３に示す。なお、電流磁界
方式において、導線の径Ｄ’はセル寸法の０．８倍と仮
定した。図３に示すように、電流磁界方式では、セル寸
法が小さくなるにつれて、導線から印加できる磁界が小
さくなる。一方、積層構造での交換相互作用はセル寸法
に依らないので、交換結合方式は微細化が進むと有利に
なる。

【００５７】以上のように、交換相互作用の磁界換算値
Ｈ_exはセル寸法に依存しないので、交換相互作用を利用
して記録担体の磁化を制御するようにすれば、微細化が
進んでも、保磁力Ｈ_cが大きい磁性薄膜を記録担体とし
て利用することが可能となる。具体的には、図３からも
分かるように、セル寸法が非常に小さくなっても、保磁
力が数十[Oe]以上の磁性薄膜を記録担体に用いることが
可能となる。なお、飽和磁束密度Ｍ_sの値を下げれば、
記録担体の保磁力を更に大きくすることも可能である。
しかも、本発明を適用したときの磁化反転の作用は、接
触する材料間だけに生じる交換相互作用に基づいている
ので、近隣素子へのクロストークの問題も回避すること
ができる。

【００５８】２．素子の具体例つぎに、以上のような原理を利用した本発明に係る素子
について、具体的な例を挙げて詳細に説明する。

【００５９】２−１磁気機能素子本発明を適用した磁気機能素子の一例を図４及び図５に
示す。この磁気機能素子１０は、図４及び図５に示すよ
うに、ガラス基板１１の上に形成された固定磁性層１２
と、固定磁性層１２の上に形成された導電体層１３と、
導電体層１３の両端にそれぞれ接続された電極１４，１
５と、導電体層１３の上に絶縁層１６を介して形成され
た可動磁性層１７とを備える。

【００６０】ここで、固定磁性層１２は、保磁力の高い
酸化物磁性材料からなり、磁化方向が一定の方向に固定
される。すなわち、固定磁性層１２は、素子動作のなか
で磁化方向が変化せず固定状態にあるという意味で「固
定磁性層」と称している。一方、可動磁性層１７は、保
磁力の小さい磁性材料からなり、この磁気機能素子１０
では、可動磁性層１７の磁化方向の制御が可能となって
いる。すなわち、可動磁性層１７は、素子動作のなかで
磁化方向が可変であるという意味で「可動磁性層」と称
している。

【００６１】導電体層１３は、導電性を有する材料から
なり、固定磁性層１２と可動磁性層１７との磁気的結合
状態を制御するための層である。すなわち、この導電体
層１３は、換言すれば、固定磁性層１２と可動磁性層１
７との磁気的結合状態を制御するための結合制御層であ
るとも言える。

【００６２】この磁気機能素子１０では、導電体層１３
に電極１４，１５を介して電流を流すことで、固定磁性
層１２と可動磁性層１７との間の交換相互作用の状態を
変化させて、可動磁性層１７の磁化方向を制御すること
が可能となっている。換言すれば、この磁気機能素子１
０では、交換相互作用を電気入力で制御して、素子要素
の磁化方向を制御することが可能となっている。

【００６３】ところで、この磁気機能素子１０におい
て、導電体層１３の下層には、電気抵抗の高い酸化物材
料からなる固定磁性層１２が形成されており、導電体層
１３の上層には、電気抵抗の高い絶縁層１６が形成され
ている。このように、導電体層１３の上層及び下層に、
電気抵抗の高い材料からなる層を形成することで、電極
１４，１５から電流を供給したときに、当該電流は導電
体層１３に効果的に集中することとなる。したがって、
この磁気機能素子１０は、低電流で駆動することが可能
となっている。

【００６４】なお、この磁気機能素子１０は、可動磁性
層１７の磁化方向を制御するという機能を備えた素子で
あるが、その用途は特に限定されるものではない。例え
ば、後述するように、電気光学変調器として使用するこ
とも可能であるし、情報記録素子として使用することも
可能であるし、また、可変抵抗素子や増幅素子として使
用することも可能である。

【００６５】２−１−１磁気機能素子の作製方法本発明者は、５源マグネトロンスパッタ装置を用いて、
上記磁気機能素子１０を実際に作製した。以下、その作
製手順について説明する。

【００６６】（ｉ）固定磁性層の形成先ず、ＢＫ−７からなるガラス基板１１の上に、コバル
ト・フェライト薄膜からなる固定磁性層１２を形成し
た。具体的には、２５０℃に加熱したガラス基板１１の
上に、縦（ｙ方向）２０μｍ×横（ｘ方向）２２０μｍ
の長方形の開口部をもつ第１のマスクを通して、コバル
ト・フェライト薄膜を堆積させた。ここで、コバルト・
フェライト薄膜の堆積は、ＣｏＦｅ₂Ｏ₄の焼結体ターゲ
ットを用い、ＲＦ−マグネトロンスパッタリングによ
り、堆積速度０．３ｎｍ／ｓにて、厚さが３００ｎｍと
なるように行った。このとき、スパッタガスには、Ａｒ
にＯ₂を１０％添加したものを用い、その供給量は２０
ｓｃｃｍとし、スパッタガス圧は３ｍＴｏｒｒとした。

【００６７】（ii）導電体層の形成次に、固定磁性層１２の上に、Ｃｒ膜とＦｅ−Ａｇ膜と
を繰り返し積層した多層膜からなる導電体層１３を形成
した。具体的には、Ｆｅ−Ａｇモザイクターゲット（中
心角１５゜の扇形Ａｇ板６枚をＦｅターゲット上に並べ
たもの）とＣｒターゲットとのふたつを同時にスパッタ
しながら、固定磁性層１２が形成されたガラス基板１１
が、それぞれのターゲット上に交互に滞在するようにし
て、Ｃｒ膜とＦｅ−Ａｇ膜とが繰り返し積層されてなる
多層膜を室温で堆積した。このとき、各Ｃｒ膜の膜厚は
０．９ｎｍ、各Ｆｅ−Ａｇ膜の膜厚は１．５ｎｍとし
た。また、堆積の順序は、固定磁性層１２の上にＦｅ−
Ａｇ膜から堆積を開始し、１６周期と半分堆積してＦｅ
−Ａｇ膜が一番上になるようにした。

【００６８】（iii）絶縁層の形成次に、導電体層１３の上に、酸化アルミニウムからなる
絶縁層１６を形成した。具体的には、先ず、既に堆積さ
れたパターンの中心に重なるように、縦２０μｍ×横２
０μｍの正方形の開口部を有するＭｏマスクを配した上
で、厚さ０．８ｎｍのＡｌ薄膜を堆積した。その後、ス
パッタ装置の基板エッチング機能を用いて、当該Ａｌ薄
膜をプラズマ酸化させて絶縁層１６とした。なお、Ａｌ
薄膜のプラズマ酸化は、Ａｒに５％のＯ₂を添加した雰
囲気下で、ガス圧を１０ｍＴｏｒｒとして行った。

【００６９】（iv）可動磁性層の形成次に、絶縁層１６の上に、Ｎｉ₇₈Ｆｅ₂₂合金薄膜からな
る可動磁性層１７を形成した。具体的には、既に堆積さ
れたパターンの中心に重なるように、縦３μｍ×横３μ
ｍの正方形の開口部を有するＭｏマスクを配した上で、
ガラス基板１１を１６０℃に加熱しながら、厚さ１０ｎ
ｍのＮｉ₇₈Ｆｅ₂₂合金薄膜を堆積させた。このとき、Ｎ
ｉ₇₈Ｆｅ₂₂合金薄膜の堆積は、当該Ｎｉ₇₈Ｆｅ₂₂合金薄
膜に磁気異方性を付与するために、パターンの縦の辺に
平行な方向（ｙ方向）に５０Ｏｅの磁界を印加しながら
行った。

【００７０】（ｖ）電極の形成次に、導電体層１３の両端上に、Ａｕからなる電極１
４，１５を形成した。具体的には、導電体層１３の両端
上にそれぞれ重なるように（すなわち既に堆積されたパ
ターンの左右両端に重なるように）、縦１００μｍ×横
１００μｍ、厚さ２００ｎｍのＡｕ薄膜を堆積させた。

【００７１】（vi）固定磁性層の着磁最後に、室温にて、電磁石を用いて、パターンの横の辺
に平行な方向（ｘ方向）に２ｋＯｅの磁界を印加し、固
定磁性層１２の磁化方向を＋ｘ方向に揃えて、図４及び
図５に示したような磁気機能素子１０を完成した。

【００７２】２−１−２交換相互作用の確認つぎに、以上のようにして作製した磁気機能素子１０に
外部磁界を印加し、可動磁性層１７の磁化履歴を観測し
て、交換相互作用の存在を確認した結果について説明す
る。

【００７３】可動磁性層１７の磁化履歴の観測には、材
料表面層の磁化に比例する磁気光学的カー効果（ＭＯＫ
Ｅ：Magneto-Optical Kerr Effect）を利用した。すな
わち、図６に示すように、ｘ−ｚ面内，ｙ−ｚ面内のそ
れぞれに一組ずつ、磁気光学的カー効果測定装置を配
し、ｘ方向の磁化成分に比例するカー回転角と、ｙ方向
の磁化成分に比例するカー回転角とをそれぞれ測定し
た。

【００７４】ここで、ｘ方向のカー回転角を測定する磁
気光学的カー効果測定装置は、図６に示すように、波長
６７０ｎｍの可視光レーザーを出射する半導体レーザー
２１ｘと、偏光子２２ｘと、第１のレンズ２３ｘと、第
２のレンズ２４ｘと、検光子２５ｘと、光検出器２６ｘ
とが、ｘ−ｚ面内に配されてなる光学系を備える。そし
て、この磁気光学的カー効果測定装置は、半導体レーザ
ー２１ｘから出射されたレーザ光を、偏光子２２ｘ及び
第１のレンズ２３ｘを介して、磁気機能素子１０の可動
磁性層１７に照射し、その反射光を第２のレンズ２４ｘ
及び検光子２５ｘを介して光検出器２６ｘで検出するこ
とで、ｘ方向の磁化成分に比例するカー回転角を測定す
る。ここで、磁気機能素子１０の可動磁性層１７に照射
するレーザ光の入射角、及び当該レーザ光の偏光面は、
可動磁性層１７による磁気光学的カー効果のみを効率良
く検出できるように設定しておく。

【００７５】一方、ｙ方向のカー回転角を測定する磁気
光学的カー効果測定装置は、図６に示すように、波長６
７０ｎｍの可視光レーザーを出射する半導体レーザー２
１ｙと、偏光子２２ｙと、第１のレンズ２３ｙと、第２
のレンズ２４ｙと、検光子２５ｙと、光検出器２６ｙと
が、ｙ−ｚ面内に配されてなる光学系を備える。そし
て、この磁気光学的カー効果測定装置は、半導体レーザ
ー２１ｙから出射されたレーザ光を、偏光子２２ｙ及び
第１のレンズ２３ｙを介して、磁気機能素子１０の可動
磁性層１７に照射し、その反射光を第２のレンズ２４ｙ
及び検光子２５ｙを介して光検出器２６ｙで検出するこ
とで、ｙ方向の磁化成分に比例するカー回転角を測定す
る。ここで、磁気機能素子１０の可動磁性層１７に照射
するレーザ光の入射角、及び当該レーザ光の偏光面は、
可動磁性層１７による磁気光学的カー効果のみを効率良
く検出できるように設定しておく。

【００７６】また、可動磁性層１７の磁化履歴を観測す
るために、大きさや方向を変化させて、磁気機能素子１
０に対して外部磁界を印加した。ここで、磁気機能素子
１０への外部磁界の印加は、図６に示すように、磁気機
能素子１０を両側から挟むように配置された一対のコイ
ル２７，２８によって行った。そして、コイル２７，２
８に流す電流や、当該コイル２７，２８の位置を変化さ
せることで、磁気機能素子１０に印加する磁界の大きさ
や方向を変化させた。

【００７７】ところで、前もって試料振動型磁力計（Ｖ
ＳＭ：Vibrating Sample Magnetometer）で固定磁性層
１２の面内磁化曲線を測定したところ、当該磁化曲線は
良好な角形を有し、保磁力は１０６０Ｏｅであった。そ
こで、磁気光学的カー効果による可動磁性層１７の磁化
履歴の観測は、＋ｘ方向に着磁された固定磁性層１２の
磁化状態を変化させないように、印加磁界強度±５０Ｏ
ｅまでの範囲で行った。そして、可動磁性層１７の磁化
履歴の観測は、導電体層１３に電流を供給していないと
きのｘ方向の磁化履歴と、導電体層１３に電流を供給し
ていないときのｙ方向の磁化履歴と、導電体層１３に電
流を供給しているときのｘ方向の磁化履歴と、導電体層
１３に電流を供給しているときのｙ方向の磁化履歴との
４通りについて行った。

【００７８】先ず、導電体層１３に電流を供給していな
いときの可動磁性層１７の磁化履歴を観測した。ｘ方向
の磁化履歴の観測結果を図７の上段左側に示すととも
に、ｙ方向の磁化履歴の観測結果を図７の上段右側に示
す。図７の上段左側に示したｘ方向の磁化履歴は、左右
対称な履歴曲線が左側にずれた形となっている。このこ
とから、可動磁性層は、＋ｘ方向に磁化されやすいよう
なバイアスを受けていることが分かる。一方、図７の上
段右側に示したｙ方向の磁化履歴から分かるように、導
電体層１３に電流を供給していないとき、零磁界ではｙ
方向の残留磁化が非常に小さくなっている。これらのこ
とから、零磁界において、可動磁性層１７の磁化方向
は、ほぼｘ方向を向いていることが分かる。

【００７９】次に、導電体層１３に１．２ｍＡの電流を
供給しながら、可動磁性層１７の磁化履歴を観測した。
ｘ方向の磁化履歴の観測結果を図７の下段左側に示すと
ともに、ｙ方向の磁化履歴の観測結果を図７の下段右側
に示す。これらの観測結果から分かるように、導電体層
１３に電流を供給すると、可動磁性層１７はｙ方向に磁
化容易な特性を示した。

【００８０】なお、電流供給を止めて再び可動磁性層１
７の磁化履歴を観測すると、可動磁性層１７は、再び図
７の上段に示したような磁化履歴を示した。したがっ
て、導電体層１７に電流を供給するか否かによる磁気特
性の変化は、可逆であることが分かった。

【００８１】ここで、比較のために、非磁性基板上にＮ
ｉ−Ｆｅ合金薄膜だけを形成し、当該Ｎｉ−Ｆｅ合金薄
膜の磁化履歴を観測した結果を図８に示す。なお、この
観測のための試料は、可動磁性層１７を形成するときと
同様にｙ方向に磁界を印加した環境下にて、Ｎｉ−Ｆｅ
合金薄膜をガラス基板の上に直接堆積させることにより
作製した。図８に示すように、ｙ方向に磁界を印加した
環境下にて作製されたＮｉ−Ｆｅ合金薄膜のｙ方向の磁
化曲線は、保磁力も残留磁化も大きく、このＮｉ−Ｆｅ
合金薄膜には、ｙ方向に磁化容易な磁気異方性が作り込
まれていることが分かる。

【００８２】図８からも分かるように、磁界中で堆積さ
れたＮｉ−Ｆｅ合金薄膜は、その印加磁界の方向に磁化
容易軸をもつようになる。したがって、磁気機能素子１
０の可動磁性層１７も単独ではｙ方向に磁化容易なはず
であり、図７に示した観測結果の特性は、下地層からの
影響を反映しているものと考えられる。

【００８３】上述したように、導電体層１３に電流を供
給していない場合、可動磁性層１７は零磁界で＋ｘ方向
に磁化を向けやすいバイアスを受けているが、これは、
＋ｘ方向に磁化した下地層から磁化方向を同じ向きに揃
えようとする強磁性的な相互作用の伝搬があること示唆
している。一方、導電体層１３に電流を供給している場
合、可動磁性層１７は、図８に示した比較用試料の観測
結果に似た特性を示し、可動磁性層自身のもつ特性がよ
り顕著に現れている。このことから、導電体層１３に電
流を流すことで、下地層からの影響が弱くなることが分
かる。

【００８４】以上の観測結果から、可動磁性層１７と、
当該可動磁性層１７の下地層となっている固定磁性層１
２との間に交換相互作用が存在しており、しかも、その
交換相互作用は、導電体層１３に電流を供給することに
よって弱まることが確認された。

【００８５】２−１−３スイッチ動作の検証零磁界状態での各方向の磁化成分の比を図７から読みと
り、これから推定した可動磁性層１７の磁化ベクトルの
方向を図示すると、図９に示すようになった。そして、
この図９より、可動磁性層１７の磁化は、その絶対値は
変わらず、その方向のｘ方向と成す角が約２０゜から約
８５゜の間でスイッチしていることが分かった。そこ
で、導電体層１３に供給する電流のＯＮ／ＯＦＦによっ
て、可動磁性層１７の磁化ベクトルが、この２方向の間
でスイッチされることを実際に検証した。

【００８６】スイッチ動作の検証は、図６に示したよう
な２組の磁気光学的カー効果測定装置を同時に用い、可
動磁性層１７のｘ方向の磁化成分に比例するｘ方向のカ
ー回転角と、可動磁性層１７のｙ方向の磁化成分に比例
するｙ方向のカー回転角とを監視しながら、導電体層１
３に供給する電流のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによ
り行った。

【００８７】結果を図１０に示す。なお、図１０におい
て、θ_K-xはｘ方向のカー回転角を示しており、θ_K-yは
ｙ方向のカー回転角を示しており、電流Ｉは、導電体層
１３に供給した電流を示している。図１０に示すよう
に、可動磁性層１７の磁化方向には、導電体層１３に供
給する電流のＯＮ／ＯＦＦ動作に同期した変化が認めら
れ、導電体層１３への電流入力がある間だけ出力が変化
する”モメンタリ”なスイッチ動作が検証された。

【００８８】なお、導電体層１３に電流を供給したと
き、可動磁性層１７の磁化ベクトルは、電流の流れる方
向と成す角が大きくなるように変化したが、電流の極性
を変えてもスイッチされる角度範囲は変わらなかった。
このことからも、電流の作る磁界が可動磁性層１７の磁
化方向の変化に果たす役割は小さく、スイッチ動作の原
動力が、交換相互作用の変化であることが分かる。

【００８９】ところで、上記磁気機能素子１０におい
て、導電体層１３の上下層は、導電体層１３よりも電気
抵抗の遥かに高い酸化物とされているので、電極１４，
１５を介して供給した１．２ｍＡの電流は殆ど導電体層
１３のみに流れる。そして、上記磁気機能素子１０にお
いて、幅が２０μｍの導電体層１３のうち、縦３μｍ×
横３μｍの可動磁性層１７のスイッチ動作に関与する部
分は、中央の３μｍだけである。したがって、正味０．
１８ｍＡの電流でスイッチ動作が達成されたことにな
る。

【００９０】このように、上記磁気機能素子１０では、
非常に小さい電流でスイッチ動作を行うことができる。
例えば、Ｍ−ＲＡＭにおいて、記録担体の磁化を制御す
るために導線に流す電流を１ｍＡ程度にまで小さくした
という報告例があるが、上記磁気機能素子１０では、そ
れよりも遥かに小さい電流でスイッチ動作を行うことが
可能となっている。しかも、交換相互作用によって磁化
を制御する本発明の方式では、セル寸法が更に小さくな
ればスイッチ動作のために必要な電流も更に小さくな
る。なお、導電体層１３に１．２ｍＡの電流を供給した
とき、その電流密度は、およそ１．５６×１０⁹Ａ／ｍ²
である。この値は、既存のＭ−ＲＡＭ等において記録担
体の磁化を制御するために導線に流す電流の電流密度と
ほぼ同程度である。

【００９１】２−１−４導電体層の作用上記磁気機能素子１０では、Ｃｒ膜とＦｅ−Ａｇ膜とを
繰り返し積層した多層膜を、固定磁性層１２と可動磁性
層１７との間の交換相互作用を制御する導電体層１３と
して用いた。以下、この導電体層１３によって、固定磁
性層１２と可動磁性層１７との間の交換相互作用を制御
する機構について説明する。

【００９２】Ｃｒ膜とＦｅ膜とを積層した多層膜では、
Ｃｒ膜の厚さを適切（０．７ｎｍ程度）に選ぶと、その
両側のＦｅ膜の磁化が互いに平行逆向きになる反強磁性
的結合を生じることが知られている。そして、Ｆｅ膜の
代わりにＦｅ−Ａｇ膜を用いても、Ｃｒ膜を挟んで同様
な磁気的結合が起こる。ただし、Ｆｅ膜の代わりにＦｅ
−Ａｇ膜を用いた場合には、Ａｇを含むために多層膜全
体を通じた磁気的結合の強さが弱くなる。

【００９３】そして、上記磁気機能素子１０では、Ｃｒ
膜が偶数枚あるので、最下層のＦｅ−Ａｇ膜と、最上層
のＦｅ−Ａｇ膜との間には、両者の磁気モーメントを平
行で同じ向きに揃えようとする強磁性的結合が生じる。

【００９４】ここで、最初に堆積されたＦｅ−Ａｇ膜
は、コバルト・フェライト薄膜からなる固定磁性層１２
と強磁性的に結合する。一方、最後に堆積されたＦｅ−
Ａｇ膜の上には、酸化アルミニウムからなる絶縁層１６
が形成されているが、この絶縁層１６は極めて薄いため
に多数のピンホールをもっている。そのため、最上層の
Ｆｅ−Ａｇ膜は、それらのピンホールを介して、その上
に形成されたＮｉ−Ｆｅ合金薄膜からなる可動磁性層１
７と強磁性的に結合する。そして、固定磁性層１２から
可動磁性層１７までの結合を順にたどると、固定磁性層
１２と可動磁性層１７との間には、強磁性的結合が生じ
ることが分かる。これは、図７の上段に示した磁気特性
からの帰結とも一致している。

【００９５】なお、上記磁気機能素子１０では、導電体
層１３に電流を供給したときに、固定磁性層１２と可動
磁性層１７との間の磁気的結合が弱まるが、このような
磁気的結合強度の減衰について、その要因をひとつに絞
り込むことは困難である。しかし、その機構は推定でき
る。すなわち、導電体層１３に電流を供給すると、当該
電流によって導電体層１３の中に過剰な電子散乱が生じ
て、積層膜の膜面に垂直な方向にスピンが運ばれ、上下
の磁性層間において交換結合を媒介している電子が乱さ
れて、磁気的結合が弱められると考えられる。また、電
流による温度上昇は、導電体層中の磁気秩序を弱めるも
のであるから、電流による温度上昇によって磁気的結合
が分断され、その結果、導電体層全体として媒介する磁
気的結合の強さが減衰するものと考えられる。

【００９６】ここで、導電体層１３の一例を図１１に示
す。図１１に示す導電体層１３Ａは、複数の磁性層１３
ａと、それらの磁性層１３ａの間に配された中間層１３
ｂとが積層されてなる。なお、図１１に示す導電体層１
３Ａでは、磁性層１３ａを４層、中間層１３ｂを３層と
しているが、上述の磁気機能素子１０において用いた導
電体層１３では、磁性層１３ａを１７層、中間層１３ｂ
を１６層としている。ただし、これらの層数は特に限定
されるものではなく、所望する磁気的結合状態に応じて
適宜変更可能である。

【００９７】また、上記磁気機能素子１０の導電体層１
３では、磁性層１３ａとしてＦｅ−Ａｇ膜を使用し、中
間層１３ｂとしてＣｒ膜を使用したが、磁性層１３ａや
中間層１３ｂの材料は、これらに限定されるものではな
い。

【００９８】例えば、磁性層１３ａには、Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉ等の強磁性金属や、それらの強磁性金属を非磁性金
属で希釈した合金などを用いることができる。一方、中
間層１３ｂには、Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｎｂ，
Ｍｏ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ａｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒ
ｅ，Ｉｒ，Ｐｔ，Ａｕなど、殆どの金属が使用可能であ
る。また、上述した導電体層１３で用いたように、室温
でそれ自身が反強磁性であるＣｒも、当然の事ながら中
間層１３ｂとして使用可能である。そして、このような
積層構造を有する導電体層１３Ａにおいて、得られる磁
気的結合が強磁性的か反強磁性的か、或いは、それらの
磁気的結合の強度はどの程度であるかなどについては、
例えば、磁性層１３ａの種類や、中間層１３ｂの厚さ
や、磁性層１３ａ及び中間層１３ｂの層数などによっ
て、様々に変更可能である。

【００９９】なお、磁気機能素子１０に使用される導電
体層１３は、電気的入力に従って固体中の磁気的相互作
用の伝搬の仕方が変化する機能をもつものであれば良
い。したがって、導電体層１３は、例えば、単相で磁気
秩序を示す物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料
からなるものであっても良い。この場合は、多源のスパ
ッタ装置を用いるようなことなく導電体層１３を形成で
き、導電体層１３の形成が容易であるという利点があ
る。

【０１００】また、導電体層１３は、強磁性組成の領域
と非磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組
成変調膜からなるものであっても良い。この場合は、導
電体層１３の構造の制御がしやすいので、特性の再現性
が高いという利点がある。しかも、膜厚や積層周期を変
えることによって、材料設計や特性の合わせ込みを行う
ことも容易である。なお、図１１に示した導電体層１３
Ａは、これに含まれる。

【０１０１】また、導電体層１３は、強磁性組成の領域
と非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造と
されていても良い。この場合は、強さの異なる磁気結合
の経路が多数存在するので、弱い結合から順に切ってい
くようにすれば、磁気結合を漸減させることが可能とな
る。したがって、このような構造は、例えば、後述する
可変抵抗素子のように、アナログ的動作を行うような場
合に特に好適である。

【０１０２】ここで、強磁性組成の領域と非磁性組成の
領域とが３次元的に混じり合った構造を有する導電体層
１３の一例を図１２に示す。図１２に示す導電体層１３
Ｂは、強磁性微粒子１３ｃが非磁性体１３ｄの内部に分
散した微粒子分散構造となされている。このような微粒
子分散構造の導電体層１３Ｂでは、磁気的結合が強磁性
微粒子１３ｃの間を飛び石のようにして伝わり、その結
果、導電体層１３Ｂの上下に配された固定磁性層１２と
可動磁性層１７とが磁気的に結合することとなる。

【０１０３】このとき、強磁性微粒子間の磁気的結合は
非常に弱く、当該磁気的結合は、電流が流れると過剰な
電子散乱や温度上昇などによって分断されやすい。すな
わち、微粒子分散構造の導電体層１３Ｂの場合、その上
下に配された固定磁性層１２と可動磁性層１７との磁気
的結合は、強磁性微粒子間の微弱な磁気的結合に依存し
ており、導電体層１３Ｂに流れる電流によってマクロな
磁気的結合が分断されやすい。

【０１０４】なお、微粒子分散構造の導電体層１３Ｂに
おいて、強磁性微粒子１３ｃの材料には、積層構造の導
電体層１３Ａを構成する磁性層１３ａの材料として例示
したものと同様な材料が、いずれも使用可能である。ま
た、強磁性微粒子１３ｃが分散される非磁性体１３ｄの
材料には、積層構造の導電体層１３Ａを構成する中間層
１３ｂの材料として例示したものと同様な材料が、いず
れも使用可能である。

【０１０５】ところで、このような微粒子分散構造を、
積層構造の一要素として用いることもできる。実際に、
上記磁気機能素子１０では、導電体層１３にＦｅ−Ａｇ
膜を用いたが、このＦｅ−Ａｇ膜は、非固溶の２相混合
系材料からなるので、正確には、微粒子分散構造になっ
ているとも言える。

【０１０６】なお、磁気機能素子１０に使用する導電体
層１３としては、２つ以上の相が共存するようなものば
かりでなく、補償点付近の状態にある単相のフェリ磁性
体も利用可能である。補償点付近の状態にある単相のフ
ェリ磁性体は、外部刺激でマクロな磁気特性が顕著に変
化する。そこで、補償点付近の状態にある単相のフェリ
磁性体を導電体層１３に用いることで、固定磁性層１２
と可動磁性層１７との磁気的結合状態を制御したり、あ
るいは可動磁性層１７に対して直接に磁気的バイアスの
変調を行うようなことが可能である。

【０１０７】２−１−５出力の方法上述した実験では、可動磁性層１７の磁化方向のスイッ
チ動作の結果を、磁気光学的カー効果を利用して光学的
に検出した。このことは、換言すれば、上記磁気機能素
子１０が、電気光学変調器として動作するということで
もある。しかし、可動磁性層１７の磁化方向のスイッチ
動作の結果は、電気的出力として得ることもできる。

【０１０８】可動磁性層１７の磁化方向のスイッチ動作
の結果を電気的出力として得るときには、例えば、図１
３に示すように、可動磁性層１７の上に非磁性金属から
なるスペーサー層３０と、磁化方向が一定の方向を向く
ように固定された磁性金属からなる磁性層３１とを配す
る。このように、可動磁性層１７の上にスペーサー層３
０及び磁性層３１を配することで、可動磁性層１７、ス
ペーサー層３０及び磁性層３１のスピンパルプ動作によ
って、可動磁性層１７の磁化方向の変化を抵抗変化とし
て検出することが可能となる。

【０１０９】具体的には例えば、図１３に示すように、
可動磁性層１７と磁性層３１とを結ぶように出力回路３
２を構成する。このとき、可動磁性層１７の磁化方向と
磁性層３１の磁化方向とが成す角度に依存して抵抗が変
化し、出力回路に流れる出力電流の大きさが変化するこ
ととなる。

【０１１０】なお、スピンパルプ動作を利用するのでは
なく、可動磁性層１７の磁化方向のスイッチ動作の結果
を、トンネル磁気抵抗効果を利用して検出することも可
能である。トンネル磁気抵抗効果を利用するときには、
スペーサー層３０に絶縁体を用いる。スペーサー層３０
に絶縁体を用いた場合には、出力回路３２に流れる出力
電流の大きさが、トンネル磁気抵抗効果によって変化す
ることとなる。

【０１１１】また、別の方法として、可動磁性層１７に
４つの端子を適切に接続し、それら４端子を用いて、可
動磁性層１７の磁化方向に依存するホール効果によって
電圧出力を得ることも可能である。

【０１１２】２−２一回書き込み型情報記録素子つぎに、電流による交換相互作用の変調を利用した、一
回だけ書き込みが可能な情報記録素子について説明す
る。

【０１１３】なお、以下の説明では、可動磁性層の磁化
方向をある方向に向かせようとする作用を駆動作用と称
する。そして、可動磁性層に対して駆動作用を働きかけ
る層のことを駆動層と称する。すなわち、以下の説明で
は、上述の磁気機能素子１０における固定磁性層１２及
び導電体層１３に相当する部分をまとめて駆動層と称し
ている。

【０１１４】２−２−１正論理駆動型情報記録素子電流による交換相互作用の変調を利用して、一回だけ書
き込みを可能とした情報記録素子の一例を図１４に示
す。なお、図１４は、情報記録素子の駆動原理を説明す
るための模式図であり、出力回路や入力回路の配線等に
ついては省略している。

【０１１５】図１４に示すように、この情報記録素子４
０は、駆動層４１の上に一軸磁気異方性を有する可動磁
性層４２が形成されてなり、可動磁性層４２の磁化の向
きにより、二値の記録を行うことが可能となっている。
なお、図１４において、矢印Ｍ１は、可動磁性層４２の
磁化方向を示しており、矢印Ａ１は、駆動層４１から可
動磁性層４２に対して働く駆動作用を示している。

【０１１６】この情報記録素子４０は、可動磁性層４２
の磁化方向を変化させるときに駆動層４１から可動磁性
層４２に対して駆動作用Ａ１が働く、いわば「正論理駆
動型」の素子である。以下、この情報記録素子４０の駆
動原理について説明する。

【０１１７】この情報記録素子４０では、図１４（ａ）
に示すように、リセット状態において、可動磁性層４２
の磁化方向Ｍ１を、駆動層４１からの駆動作用Ａ１の方
向とは逆向きとなるようにしておく。なお、図１４の例
では、駆動作用Ａ１の方向は左向きであり、リセット状
態では、可動磁性層４２の磁化方向Ｍ１を右向きとして
いる。そして、このリセット状態においては、駆動層４
１から可動磁性層４２に対して駆動作用Ａ１が働かない
ように、駆動層４１を構成する導電体層に電流を供給し
ておく。

【０１１８】そして、可動磁性層４２の磁化方向Ｍ１を
変化させて情報を書き込む「ＯＮ状態」とするときに
は、駆動層４１を構成する導電体層への電流の供給を止
める。これにより、駆動層４１と可動磁性層４２との間
に交換相互作用が働き、駆動層４１から可動磁性層４２
に対して駆動作用Ａ１が働く。

【０１１９】このとき、駆動層４１から可動磁性層４２
に対して働く駆動作用Ａ１が、可動磁性層４２の保磁力
を超える大きさをもつようにしておく。駆動作用Ａ１が
可動磁性層４２の保磁力を超えるようになされていれ
ば、図１４（ｂ）に示すように、ＯＮ状態となったとき
に、可動磁性層４２の磁化が反転し、可動磁性層４２の
磁化方向Ｍ１が、駆動作用Ａ１の方向に揃うこととな
る。すなわち、図１４の例では、ＯＮ状態となったとき
に、可動磁性層４２の磁化方向Ｍ１が左向きとなるよう
に反転する。

【０１２０】その後、駆動層４１を構成する導電体層へ
の電流の供給を再開して、駆動層４１から可動磁性層４
２に対して駆動作用Ａ１が働かないようにしても、反転
した可動磁性層４２の磁化方向Ｍ１は、一軸磁気異方性
のおかげで、図１４（ｃ）に示すように、そのまま保持
される。すなわち、駆動層４１から可動磁性層４２に対
して駆動作用Ａ１が働かない状態においても、図１４
（ｃ）に示すように、可動磁性層４２の磁化方向Ｍ１を
反転させたセット状態は保持される。

【０１２１】以上のように、この情報記録素子４０で
は、駆動層４１を構成する導電体層への電流供給のＯＮ
／ＯＦＦを切り換えることにより、可動磁性層４２の磁
化方向Ｍ１を反転させることが可能となっており、可動
磁性層４２の磁化の向きにより、二値の記録を行うこと
が可能となっている。ただし、この情報記録素子４０
は、リセット状態を保持するために、駆動層４１を構成
する導電体層への電流供給を保ち続けなければならず、
不揮発性メモリとはならない。

【０１２２】なお、本発明者は、以上のような情報記録
素子４０として、図４及び図５に示した磁気機能素子１
０と同様に、コバルト・フェライト薄膜からなり−ｘ方
向に着磁された固定磁性層と、Ｃｒ膜とＦｅ−Ａｇ膜と
を繰り返し積層した多層膜からなる導電体層と、酸化ア
ルミニウムからなる絶縁層と、ｘ軸方向に磁化容易軸を
もつＮｉ−Ｆｅ合金薄膜からなる可動磁性層とを、ガラ
ス基板上に形成した素子を実際に作製した。

【０１２３】そして、導電体層への電流供給のＯＮ／Ｏ
ＦＦを切り換えたときの可動磁性層の磁化方向の変化
を、磁気光学的カー効果を測定することにより調べた。
具体的には、先ず、導電体層に電流を供給した状態で＋
ｘ方向に４０Ｏｅの磁界を印加し、可動磁性層の磁化を
＋ｘ方向に揃えた。その後、導電体層に電流を供給した
まま印加磁界を取り去ったところ、可動磁性層の磁化は
＋ｘ方向に保持されていたが、電流供給を止めると−ｘ
方向への磁化反転が観測された。

【０１２４】このように、導電体層への電流供給のＯＮ
／ＯＦＦを切り換えることにより、可動磁性層の磁化方
向を変化させることができ、一回書き込みを行うことが
できることが確認された。ただし、ここでの可動磁性層
の磁化方向のスイッチ動作は、図９に示したような、可
動磁性層の磁化方向とｘ方向との成す角が約２０゜から
約８５゜の間で変化するスイッチ動作ではなく、平行／
反平行間でのスイッチ動作であった。

【０１２５】２−２−２負論理駆動型情報記録素子電流による交換相互作用の変調を利用して、一回だけ書
き込みを可能とした情報記録素子の他の例を図１５に示
す。なお、図１５は、図１４と同様に、情報記録素子の
駆動原理を説明するための模式図であり、出力回路や入
力回路の配線等については省略している。

【０１２６】この情報記録素子５０は、図１５に示すよ
うに、駆動層５１の上に一軸磁気異方性を有する可動磁
性層５２が形成され、更に、可動磁性層５２の上に駆動
層５１からの駆動作用とは逆向きの駆動作用を可動磁性
層５２に働きかける反強磁性層５３が形成されてなり、
可動磁性層５２の磁化の向きにより、二値の記録を行う
ことが可能となっている。なお、図１５において、矢印
Ａ１は、駆動層５１から可動磁性層５２に対して働く駆
動作用を示しており、矢印Ａ２は、反強磁性層５３から
可動磁性層５２に対して働く駆動作用を示しており、矢
印Ｍ１は、可動磁性層５２の磁化方向を示している。

【０１２７】この情報記録素子５０は、駆動層５１から
可動磁性層５２に対して駆動作用Ａ１が働かないように
したときに、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１が変化す
る、いわば「負論理駆動型」の素子である。以下、この
情報記録素子５０の駆動原理について説明する。

【０１２８】この情報記録素子５０では、図１５（ａ）
に示すように、リセット状態において、可動磁性層５２
の磁化方向Ｍ１を、駆動層５１からの駆動作用Ａ１の方
向と同じ向きとなるようにしておく。なお、図１５の例
では、駆動作用Ａ１の方向は右向きであり、リセット状
態では、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１を右向きとして
いる。

【０１２９】この情報記録素子５０において、リセット
状態のときには、駆動層５１を構成する導電体層への電
流供給は行わない。したがって、リセット状態のとき、
可動磁性層５２には、駆動層５１からの駆動作用Ａ１が
働いている。しかし、この情報記録素子５０では、矢印
Ａ２に示すように、駆動層５１からの駆動作用Ａ１とは
逆向きの駆動作用Ａ２が、反強磁性層５３から可動磁性
層５２に働いており、駆動層５１からの駆動作用Ａ１
は、反強磁性層５３からの駆動作用Ａ２によって相殺さ
れる。しかし、可動磁性層５２は一軸磁気異方性を有し
ているので、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１は、駆動層
５１からの駆動作用Ａ１や反強磁性層５３からの駆動作
用Ａ２に依ることなく、最初に磁化された方向がそのま
ま保持される。

【０１３０】そして、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１を
変化させて情報を書き込む「ＯＮ状態」とするときに
は、駆動層５１を構成する導電体層に電流を供給する。
これにより、駆動層５１と可動磁性層５２との間の交換
相互作用が弱められ、駆動層５１から可動磁性層５２に
対する駆動作用Ａ１が働かなくなる。このとき、反強磁
性層５３から可動磁性層５２に対して働く駆動作用Ａ２
が、可動磁性層５２の保磁力を超える大きさをもつよう
にしておく。反強磁性層５３からの駆動作用Ａ２が可動
磁性層５２の保磁力を超えるようになされていれば、図
１５（ｂ）に示すように、駆動層５１から可動磁性層５
２に対する駆動作用Ａ１が働かなくなったときに、可動
磁性層５２の磁化が反転し、可動磁性層５２の磁化方向
Ｍ１が、反強磁性層５３からの駆動作用Ａ２の方向に揃
うこととなる。すなわち、図１５の例では、ＯＮ状態と
なったときに、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１が左向き
となるように反転する。

【０１３１】その後、駆動層５１を構成する導電体層へ
の電流供給を止めて、駆動層５１から可動磁性層５２に
対して駆動作用Ａ１が働くようにしても、リセット状態
のときと同様に、駆動層５１からの駆動作用Ａ１は、反
強磁性層５３からの駆動作用Ａ２によって相殺される。
そして、可動磁性層５２は一軸磁気異方性を有している
ので、反転した可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１は、図１
５（ｃ）に示すように、そのまま保持される。すなわ
ち、駆動層５１を構成する導電体層への電流供給を止
め、駆動層５１から可動磁性層５２に対して駆動作用Ａ
１が働いている状態においても、図１５（ｃ）に示すよ
うに、可動磁性層５２の磁化方向Ｍ１を反転させたセッ
ト状態は保持される。

【０１３２】以上のように、この情報記録素子５０で
は、駆動層５１を構成する導電体層５２への電流供給の
ＯＮ／ＯＦＦを切り換えることにより、可動磁性層５２
の磁化方向Ｍ１を反転させることが可能となっており、
可動磁性層５２の磁化の向きにより、二値の記録を行う
ことが可能となっている。しかも、この情報記録素子５
０は、リセット状態やセット状態を保持するために、駆
動層５１を構成する導電体層へ電流を供給する必要がな
い。すなわち、この情報記録素子５０は、不揮発性メモ
リとなっている。

【０１３３】なお、本発明者は、以上のような情報記録
素子５０として、図４及び図５に示した磁気機能素子１
０と同様に、コバルト・フェライト薄膜からなり＋ｘ方
向に着磁された固定磁性層と、Ｃｒ膜とＦｅ−Ａｇ膜と
を繰り返し積層した多層膜からなる導電体層と、酸化ア
ルミニウムからなる絶縁層と、ｘ軸方向に磁化容易軸を
もつＮｉ−Ｆｅ合金薄膜からなる可動磁性層とを、ガラ
ス基板上に形成し、更に、可動磁性層の上に、当該可動
磁性層に対して−ｘ方向の駆動作用を働かせるＲｈ−Ｍ
ｎ膜からなる反強磁性層を形成した素子を実際に作製し
た。

【０１３４】そして、導電体層への電流供給のＯＮ／Ｏ
ＦＦを切り換えたときの可動磁性層の磁化方向の変化
を、磁気光学的カー効果を測定することにより調べた。
具体的には、先ず、導電体層に電流を供給していない状
態で、＋ｘ方向に磁界を印加し、可動磁性層の磁化を＋
ｘ方向に揃えた。その後、印加磁界を取り去ったとこ
ろ、可動磁性層の磁化は＋ｘ方向に保持されていたが、
導電体層に電流を供給すると、−ｘ方向への磁化反転が
観測された。

【０１３５】このように、導電体層への電流供給のＯＮ
／ＯＦＦを切り換えることにより、可動磁性層の磁化方
向を変化させることができ、一回書き込みを行うことが
できることが確認された。ただし、ここでの可動磁性層
の磁化方向のスイッチ動作は、図９に示したような、可
動磁性層の磁化方向とｘ方向との成す角が約２０゜から
約８５゜の間で変化するスイッチ動作ではなく、＋ｘ方
向から−ｘ方向へのスイッチ動作であった。

【０１３６】また、導電体層への電流供給のＯＮ／ＯＦ
Ｆを切り換えることにより、可動磁性層の磁化を一旦反
転させると、当該反転状態は電流供給を止めても保持さ
れた。すなわち、可動磁性層の上に反強磁性層を形成し
た素子が、不揮発性メモリとして動作することも確認さ
れた。

【０１３７】２−３書き換え可能型情報記録素子電流による交換相互作用の変調を利用した、書き換え可
能型の情報記録素子の一例を図１６に示す。なお、図１
６は、図１４及び図１５と同様に、情報記録素子の駆動
原理を説明するための模式図であり、出力回路や入力回
路の配線等については省略している。

【０１３８】この情報記録素子６０は、図１６に示すよ
うに、一軸磁気異方性を有する可動磁性層６１が、第１
の駆動層６２と第２の駆動層６３とに挟持された構造と
されており、可動磁性層６１の磁化の向きにより、二値
の記録を行うことが可能となっている。

【０１３９】なお、図１６において、矢印Ａ１は、第１
の駆動層６２から可動磁性層６１に対して働く駆動作用
を示しており、矢印Ａ２は、第２の駆動層６３から可動
磁性層６１に対して働く駆動作用を示しており、矢印Ｍ
１は、可動磁性層６１の磁化方向を示している。

【０１４０】そして、可動磁性層６１の磁化容易軸に沿
った方向をｘ方向としたとき、第１の駆動層６２は、可
動磁性層６１の磁化方向Ｍ１を＋ｘ方向（図１６におけ
る右向きの方向）に向かせるように、可動磁性層６１に
対して駆動作用Ａ１を働かせる。一方、第２の駆動層６
３は、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１を−ｘ方向（図１
６における左向きの方向）に向かせるように、可動磁性
層６１に対して駆動作用Ａ２を働かせる。

【０１４１】この情報記録素子６０において、第１の駆
動層６２から可動磁性層６１への駆動作用Ａ１を働かな
くすると、第２の駆動層６３から可動磁性層６１への駆
動作用Ａ２により、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１は、
−ｘ方向を向くこととなる。一方、第２の駆動層６３か
ら可動磁性層６１への駆動作用Ａ２を働かなくすると、
第１の駆動層６２から可動磁性層６１への駆動作用Ａ１
により、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１は、＋ｘ方向を
向くこととなる。

【０１４２】また、この情報記録素子６０において、第
１の駆動層６２から可動磁性層６１への駆動作用Ａ１
と、第２の駆動層６３から可動磁性層６１への駆動作用
Ａ２との両方が働いている場合は、第１の駆動層６２か
らの駆動作用Ａ１と、第２の駆動層６３からの駆動作用
Ａ２とが相殺し、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１は、可
動磁性層自身の一軸磁気異方性によって安定化されて、
それまでの状態がそのまま保持される。

【０１４３】以下、この情報記録素子６０の駆動原理に
ついて、更に詳細に説明する。

【０１４４】図１６（ａ）に、可動磁性層６１の磁化方
向Ｍ１が＋ｘ方向（図中右方向）に保たれている状態を
示す。このとき、第１の駆動層６２を構成する導電体層
への電流供給、及び第２の駆動層６３を構成する導電体
層への電流供給は行わない。したがって、可動磁性層６
１には、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１と、第２
の駆動層６３からの駆動作用Ａ２との両方が働く。しか
し、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１の方向と、第
２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２の方向とは互いに逆
向きであるので、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１
と、第２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２とは相殺す
る。そのため、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１は、可動
磁性層自身の一軸磁気異方性によって安定化されて、そ
れまでの状態（ここでは、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ
１が＋ｘ方向を向いている状態）がそのまま保持され
る。

【０１４５】つぎに、図１６（ｂ）に、可動磁性層６１
の磁化方向Ｍ１を＋ｘ方向（図中右方向）から−ｘ方向
（図中左方向）に書き換えるときの状態を示す。このと
きは、第１の駆動層６２を構成する導電体層に電流を供
給する。これにより、第１の駆動層６２から可動磁性層
６１への駆動作用Ａ１が働かなくなる。一方、第２の駆
動層６３を構成する導電体層への電流供給は行わない。
したがって、可動磁性層６１には、第２の駆動層６３か
らの駆動作用Ａ２が働く。

【０１４６】このとき、第２の駆動層６３から可動磁性
層６１に対して働く駆動作用Ａ２が、可動磁性層６１の
保磁力を超える大きさをもつようにしておく。第２の駆
動層６３からの駆動作用Ａ２が可動磁性層６１の保磁力
を超えるようになされていれば、図１６（ｂ）に示すよ
うに、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１が働かなく
なったときに、可動磁性層６１の磁化が＋ｘ方向（図中
右方向）から−ｘ方向（図中左方向）に反転し、可動磁
性層６１の磁化方向Ｍ１が、第２の駆動層６３からの駆
動作用Ａ２の方向に揃うこととなる。

【０１４７】つぎに、図１６（ｃ）に、可動磁性層６１
の磁化方向Ｍ１が−ｘ方向（図中右方向）に保たれてい
る状態を示す。このとき、第１の駆動層６２を構成する
導電体層への電流供給、及び第２の駆動層６３を構成す
る導電体層への電流供給は行わない。したがって、可動
磁性層６１には、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１
と、第２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２との両方が働
く。しかし、第１の駆動層６２からの駆動作用Ａ１の方
向と、第２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２の方向とは
互いに逆向きであるので、第１の駆動層６２からの駆動
作用Ａ１と、第２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２とは
相殺する。そのため、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１
は、可動磁性層自身の一軸磁気異方性によって安定化さ
れて、それまでの状態（ここでは、可動磁性層６１の磁
化方向Ｍ１が−ｘ方向を向いている状態）がそのまま保
持される。

【０１４８】つぎに、図１６（ｄ）に、可動磁性層６１
の磁化方向Ｍ１を−ｘ方向（図中左方向）から＋ｘ方向
（図中右方向）に書き換えるときの状態を示す。このと
きは、第２の駆動層６３を構成する導電体層に電流を供
給する。これにより、第２の駆動層６３から可動磁性層
６１への駆動作用Ａ２が働かなくなる。一方、第１の駆
動層６２を構成する導電体層への電流供給は行わない。
したがって、可動磁性層６１には、第１の駆動層６２か
らの駆動作用Ａ１が働く。

【０１４９】このとき、第１の駆動層６２から可動磁性
層６１に対して働く駆動作用Ａ１が、可動磁性層６１の
保磁力を超える大きさをもつようにしておく。第１の駆
動層６２からの駆動作用Ａ１が可動磁性層６１の保磁力
を超えるようになされていれば、図１６（ｄ）に示すよ
うに、第２の駆動層６３からの駆動作用Ａ２が働かなく
なったときに、可動磁性層６１の磁化が−ｘ方向（図中
左方向）から＋ｘ方向（図中右方向）に反転し、可動磁
性層６１の磁化方向Ｍ１が、第１の駆動層６２からの駆
動作用Ａ１の方向に揃うこととなる。

【０１５０】以上のように、この情報記録素子６０で
は、第１の駆動層６２を構成する導電体層への電流供給
のＯＮ／ＯＦＦや、第２の駆動層６３を構成する導電体
層への電流供給のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることによ
り、可動磁性層６１の磁化方向Ｍ１を反転させることが
可能となっており、可動磁性層６１の磁化の向きによ
り、二値の記録を行うことが可能となっている。しか
も、この情報記録素子６０では、可動磁性層６１の磁化
方向Ｍ１を繰り返し反転させることが可能であり、記録
した情報の書き換えを繰り返し行うことが可能となって
いる。さらに、この情報記録素子６０は、可動磁性層６
１の磁化方向Ｍ１を保持するために、第１の駆動層６２
を構成する導電体層や、第２駆動層６３を構成する導電
体層へ電流を供給する必要がない。すなわち、この情報
記録素子６０は、不揮発性メモリとなっている。

【０１５１】ところで、以上の説明で挙げた情報記録素
子４０，５０，６０では、可動磁性層４２，５２，６１
として一軸磁気異方性を有するものを使用して、二値記
録を行えるようにしていた。しかし、これらの可動磁性
層４２，５２，６１には、磁化の向きに対する異方性エ
ネルギーの極小点が３つ以上存在するようなものを使用
するようにしても良い。可動磁性層４２，５２，６１と
して、磁化の向きに対する異方性エネルギーの極小点が
３つ以上存在するようなものを使用するようにした場合
には、一つの可動磁性層により、三値以上の多値記録を
行うことが可能となる。

【０１５２】２−４可変抵抗素子電流による交換相互作用の変調を利用した、可変抵抗素
子の一例を図１７に示す。

【０１５３】図１７に示す可変抵抗素子８０は、図１３
に示した素子（可動磁性層の磁化方向のスイッチ動作の
結果を電気的出力として得るようにした素子）と同様に
構成されている。すなわち、この可変抵抗素子８０は、
図１７に示すように、磁化方向Ｍａが一定の方向を向く
ように固定された第１の固定磁性層８１と、固定磁性層
８１の上に形成された導電体層８２と、導電体層８２の
上に形成された可動磁性層８３と、可動磁性層８３の上
に形成された非磁性金属からなるスペーサー層８４と、
磁化方向Ｍｂが一定の方向を向くように固定された磁性
金属からなる第２の固定磁性層８５とを備えている。

【０１５４】この可変抵抗素子８０では、導電体層８２
に電流を流すことで、第１の固定磁性層８１と可動磁性
層８３との間の磁気的結合状態を変化させて、可動磁性
層８３の磁化方向Ｍｃを制御する。ここで、導電体層８
２には、入力電流値に対する第１の固定磁性層７１と可
動磁性層８３との間の磁気的結合状態の変化の度合い
が、比較的に緩やかな材料を用いたほうが好ましい。磁
気的結合状態の変化の度合いが比較的に緩やかな材料を
用いることにより、導電体層８２への電流入力によって
可動磁性層８３の磁化方向Ｍｃを、ほぼ無段階に変化さ
せることが可能となる。

【０１５５】なお、入力電流値に対する磁気的結合状態
の変化の度合いを比較的に緩やかなものとするには、具
体的には例えば、導電体層１３に、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造のも
のを用いれば良い。上述したように、強磁性組成の領域
と非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造の
ものでは、強さの異なる磁気結合の経路が多数存在する
ので、弱い結合から順に切っていくようにすれば、磁気
結合を漸減させることが可能である。したがって、導電
体層８２への電流入力によって可動磁性層８３の磁化方
向Ｍｃを、ほぼ無段階に変化させて、アナログ的に動作
させることが可能となる。

【０１５６】また、この可変抵抗素子８０では、可動磁
性層８３、スペーサー層８４及び第２の固定磁性層８５
によってスピンバルブが構成されており、可動磁性層８
３の磁化方向Ｍｃが変化すると、可動磁性層８３、スペ
ーサー層８４及び第２の固定磁性層８５のスピンパルプ
動作によって、可動磁性層８３、スペーサー層８４及び
第２の固定磁性層８５に至る経路の電気抵抗が変化す
る。

【０１５７】すなわち、この可変抵抗素子８０では、導
電体層８２に電流を流すことで、第１の固定磁性層８１
と可動磁性層８３との間の磁気的結合状態を変化させ
て、可動磁性層８３の磁化方向Ｍｃを制御することが可
能となっており、このように可動磁性層８３の磁化方向
Ｍｃを制御することにより、可動磁性層８３、スペーサ
ー層８４及び第２の固定磁性層８５に至る経路の電気抵
抗を制御することが可能となっている。

【０１５８】この可変抵抗素子８０は、例えば、図１７
に示すような回路構成とし、可動磁性層８３、スペーサ
ー層８４及び第２の固定磁性層８５によって構成される
スピンバルブを適切な動作点をもつように設定すること
で、アナログ増幅器として使用することもできる。すな
わち、図１７に示すような回路構成とすることにより、
導電体層８２への小さな電流入力で、出力側の大電流回
路のインピーダンスを変化させる増幅動作が可能にな
る。

【０１５９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る磁化制御方法及び情報記録方法では、磁性層間の磁気
的結合状態を変化させることで磁性層の磁化方向を制御
するようにしているので、磁性層の磁化方向を制御する
にあたって、微細化に伴うクロストークの発生や保磁力
の低下といった問題を回避することができる。そして、
そのような磁化制御方法を利用した本発明に係る磁気機
能素子、情報記録素子及び可変抵抗素子は、微細化を進
めても、クロストークの発生や保磁力の低下といった問
題を回避することができる。したがって、本発明によれ
ば、更なる高集積化を図った磁気メモリ等を実現するよ
うなことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁性体Ａと磁性体Ｂとが接触している構造を示
す図である。

【図２】磁性体Ａと磁性体Ｂとの間に中間層Ｃが存在し
ている構造を示す図である。

【図３】情報記録素子のセル寸法Ｌと、記録担体の駆動
に用いることができる駆動磁界Ｈとの関係を示す図であ
る。

【図４】本発明を適用した磁気機能素子の一例を示す平
面図である。

【図５】本発明を適用した磁気機能素子の一例を示す図
であり、図４のＸ１−Ｘ２線における断面図である。

【図６】直交する２方向（ｘ方向，ｙ方向）の磁化成分
の測定方法を示す図である。

【図７】磁気機能素子の直交する２方向（ｘ方向，ｙ方
向）の磁化履歴の測定結果を示す図である。

【図８】非磁性基板上に形成されたＮｉ−Ｆｅ合金薄膜
の磁化曲線を示す図である。

【図９】磁気機能素子の可動磁性層の磁化方向を示す図
であり、導電体層に電流を供給した通電状態のときの磁
化方向と、導電体層に電流を供給していない状態のとき
の磁化方向とを示す図である。

【図１０】導電体層に供給する電流のＯＮ／ＯＦＦを切
り換えたときの、磁気機能素子の直交する２方向（ｘ方
向，ｙ方向）の磁化の時間変化を観測した結果を示す図
である。

【図１１】積層構造の導電体層の構造を模式的に示す図
である。

【図１２】微粒子分散構造の導電体層の構造を模式的に
示す図である。

【図１３】可動磁性層の磁化方向のスイッチ動作の結果
を電気的出力として得るようにしたときの、磁気機能素
子及びその周辺回路の構成を示す図である。

【図１４】１回書き込み可能型情報記録素子であって負
論理駆動型の素子について、その駆動原理を説明するた
めの模式図であり、図１４（ａ）はリセット状態を示す
図、図１４（ｂ）はＯＮ状態を示す図、図１４（ｃ）は
セット状態を示す図である。

【図１５】１回書き込み可能型情報記録素子であって正
論理駆動型の素子について、その駆動原理を説明するた
めの模式図であり、図１５（ａ）はリセット状態を示す
図、図１５（ｂ）はＯＮ状態を示す図、図１５（ｃ）は
セット状態を示す図である。

【図１６】書き換え可能型情報記録素子について、その
駆動原理を説明するための模式図であり、図１６（ａ）
は可動磁性層の磁化方向が右向きに保持されている状態
を示す図、図１６（ｂ）は可動磁性層の磁化方向を左向
きに書き換えるときの状態を示す図、図１６（ｃ）は可
動磁性層の磁化方向が左向きに保持されている状態を示
す図、図１６（ｄ）は可動磁性層の磁化方向を右向きに
書き換えるときの状態を示す図である。

【図１７】本発明を適用した可変抵抗素子の一例を示す
図である。

【図１８】スピントランジスタの構成を示す図である。

【符号の説明】

１０磁気機能素子、１１ガラス基板、１２固
定磁性層、１３導電体層、１４，１５電極、
１６絶縁層、１７可動磁性層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電性を有する材料を含む導電体層が磁
性層の間に位置するように、導電体層と複数の磁性層と
が積層されてなる積層体を構成し、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、磁性層間の
磁気的結合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を制御
することを特徴とする磁化制御方法。
【請求項２】上記導電体層は、単相で磁気秩序を示す
物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料からなるこ
とを特徴とする請求項１記載の磁化制御方法。
【請求項３】上記導電体層は、強磁性組成の領域と非
磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組成変
調膜からなることを特徴とする請求項１記載の磁化制御
方法。
【請求項４】上記導電体層は、強磁性組成の領域と非
磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造とされ
ていることを特徴とする請求項１記載の磁化制御方法。
【請求項５】上記導電体層の上層及び下層に、当該導
電体層よりも電気抵抗の高い材料からなる層を配するこ
とを特徴とする請求項１記載の磁化制御方法。
【請求項６】導電性を有する材料を含む導電体層が磁
性層の間に位置するように、導電体層と複数の磁性層と
が積層されてなる積層体を備え、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、磁性層間の
磁気的結合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を制御
することを特徴とする磁気機能素子。
【請求項７】磁気光学効果を用いて、磁性層の磁化状
態に対応した出力を行うことを特徴とする請求項６記載
の磁気機能素子。
【請求項８】上記導電体層は、単相で磁気秩序を示す
物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料からなるこ
とを特徴とする請求項６記載の磁気機能素子。
【請求項９】上記導電体層は、強磁性組成の領域と非
磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組成変
調膜からなることを特徴とする請求項６記載の磁気機能
素子。
【請求項１０】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造とさ
れていることを特徴とする請求項６記載の磁気機能素
子。
【請求項１１】上記導電体層の上層及び下層に、当該
導電体層よりも電気抵抗の高い材料からなる層を備えて
いることを特徴とする請求項６記載の磁気機能素子。
【請求項１２】導電性を有する材料を含む導電体層が
磁性層の間に位置するように、導電体層と複数の磁性層
とが積層されてなる積層体を構成し、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、磁性層間の
磁気的結合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を制御
し、磁性層の磁化の向きにより、二値もしくはそれ以上の多
値記録を行うことを特徴とする情報記録方法。
【請求項１３】上記導電体層は、単相で磁気秩序を示
す物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料からなる
ことを特徴とする請求項１２記載の情報記録方法。
【請求項１４】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組成
変調膜からなることを特徴とする請求項１２記載の情報
記録方法。
【請求項１５】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造とさ
れていることを特徴とする請求項１２記載の情報記録方
法。
【請求項１６】上記導電体層の上層及び下層に、当該
導電体層よりも電気抵抗の高い材料からなる層を配する
ことを特徴とする請求項１２記載の情報記録方法。
【請求項１７】導電性を有する材料を含む導電体層が
磁性層の間に位置するように、導電体層と複数の磁性層
とが積層されてなる積層体を備え、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、磁性層間の
磁気的結合状態を変化させて、磁性層の磁化方向を制御
し、磁性層の磁化の向きにより、二値もしくはそれ以上の多
値記録を行うことを特徴とする情報記録素子。
【請求項１８】磁気光学効果を利用して磁性層の磁化
の向きが検出されることで、記録された情報が読み出さ
れることを特徴とする請求項１７記載の情報記録素子。
【請求項１９】上記導電体層は、単相で磁気秩序を示
す物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料からなる
ことを特徴とする請求項１７記載の情報記録素子。
【請求項２０】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組成
変調膜からなることを特徴とする請求項１７記載の情報
記録素子。
【請求項２１】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造とさ
れていることを特徴とする請求項１７記載の情報記録素
子。
【請求項２２】上記導電体層の上層及び下層に、当該
導電体層よりも電気抵抗の高い材料からなる層を備えて
いることを特徴とする請求項１７記載の情報記録素子。
【請求項２３】第１の磁性層と、導電体層と、第２の
磁性層と、非磁性層と、第３の磁性層とが積層されてな
る積層体を備え、上記積層体の導電体層に電流を流すことで、第１の磁性
層と第２の磁性層との間の磁気的結合状態を変化させ
て、第２の磁性層の磁化方向を制御するとともに、第２
の磁性層の磁化方向を制御することで、第２の磁性層、
非磁性層及び第３の磁性層に至る経路の電気抵抗を制御
することを特徴とする可変抵抗素子。
【請求項２４】上記導電体層は、単相で磁気秩序を示
す物質と非磁性の物質との両方を含む複合材料からなる
ことを特徴とする請求項２３記載の可変抵抗素子。
【請求項２５】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とを交互に形成した積層薄膜又は組成
変調膜からなることを特徴とする請求項２３記載の可変
抵抗素子。
【請求項２６】上記導電体層は、強磁性組成の領域と
非磁性組成の領域とが３次元的に混じり合った構造とさ
れていることを特徴とする請求項２３記載の可変抵抗素
子。
【請求項２７】上記導電体層の上層及び下層に、当該
導電体層よりも電気抵抗の高い材料からなる層を備えて
いることを特徴とする請求項２３記載の可変抵抗素子。