CN1236995A - 使用磁性材料的元件及其编址方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种无需外加磁场即可控制磁化的元件。铁磁性材料形成的磁化区域被包含磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域所分隔。对隔离区域外加激励,改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用,以控制磁化区域的磁化。另外,提供由包含导电材料的导电层和多个磁性层构成的层状组合,使导电层配置在磁性层之间。使电流流过导电层,改变磁性层之间的磁性耦合状态,以控制磁性层之间的磁化方向。
Description
本发明涉及控制磁性材料的磁化的方法。更具体地讲，涉及使用磁性材料的元件，例如用于通过控制磁性材料的磁化记录信息的信息记录元件，或者用于通过控制磁性材料的磁化来控制电阻的可变电阻元件，并且涉及在采用这种元件的装置中的编址方法。
与半导体器件相比，使用磁性材料的元件在两方面有吸引力。首先，由于装置元件可以使用导电金属，所以可以实现大的载流子密度和低的电阻。因此，可以期望使用磁性材料的元件适合于设计规则细微化和高集成度。其次，磁性材料固有的双稳态磁化方向可以用于非易失存储器。亦即，如果利用磁性材料固有的双稳态磁化方向，则可以期望实现固态非易失性存储器，其中即使电路电源被中断也不会丢失记录的信息。
同时，电路电源被中断也不会丢失记录信息的固态非易失性存储器预期在许多应用领域都是有用的。特别是，固态非易失性存储器在非使用期间并不消耗能量，因此在便携式电子信息设备中降低电池容量和重量方面，可以期望作为关键技术。另一方面，在卫星媒体商用时代到来的背景上，固态非易失性存储器也有广泛的用途，用于当卫星处于太阳能电池不能使用的地球阴影面时支持卫星的工作。
使用磁性材料的元件具有如下优点，ⅰ)非易失性；ⅱ)重复使用后不产生退化；ⅲ)高速写入的可能性；ⅳ)尺寸小并且适用于高的记录密度；ⅴ)优异的抗辐射能力。以下具体讨论这些优点。
ⅰ)非易失性
由于磁性材料固有的磁化方向的双稳性，作为磁化方向写入的信息在没有驱动电源的情况下也保持不变。
ⅱ)重复使用后不产生退化
也曾提出过使用象磁性材料那样呈现双稳性的介电材料的存储器(铁电随机存取存储器F-RAM)。在这种F-RAM中，通过使自发介电极化反向对存储器状态重写。但是，由于对应于存储器状态重写的自发介电极化的反转伴随着晶格中的离子运动，所以反复重写超过一百万次后会导致结晶缺陷扩大。于是，对于F-RAM，元件的使用寿命由于材料的疲劳而不能优异，这就提出了问题。另一方面，由于磁性材料的磁化反向不伴随着离子运动，所以使用磁性材料的元件几乎可以无限制地重写，而没有材料疲劳的限制。
ⅲ)高速写入的可能性
磁性材料的磁化反向速度快至约1ns，通过使用这样高的开关速率，高速写入就成为可能。
ⅳ)尺寸小并且适用于高的记录密度
基于组成或结构的选择，可以大范围地改变磁性合金的磁性能。于是，使用磁性材料的元件具有极高的设计自由度。对于使用磁性材料的元件，可以使用导电的磁性合金。如果使用导电磁性合金，可以确保元件的电流密度大于使用半导体时的，因而，与使用半导体元件相比，可以进一步细微化，并达到更高的记录密度。
作为利用这些特性的元件，已经提出了一种自旋晶体管，如Journal ofSociety of Applied Magnetic Science of Japan,vol.19,684(1995)所述。自旋晶体管具有由磁性材料E构成的发射极，同时具有分别由磁性材料C和非磁性材料B构成的收集极和基极，如图1所示。对于这种自旋晶体管，取决于磁性材料C、E的磁化方向的输出电压，由从磁性材料C、E向非磁性材料B渗出的极化密度所产生。同时，图1所示自旋晶体管的结构使得输出电压取决于磁性材料C和E的磁化方向。通过向磁化用电流线500提供磁化用电流脉冲，并且向磁性材料C和E施加由磁化用电流脉冲P产生的磁场，改变磁化方向。
ⅴ)优异的抗辐射性
如果电离辐射穿过元件，那么通过向电容器充电而产生的存储状态，例如对于动态随机存取存储器(D-RAM)，就会发生放电，以致丢失存储的信息。相反，磁性材料的磁化方向不受电离辐射的影响。于是，使用磁性材料的元件在抗辐射性方面是优异的。因此，使用磁性材料的元件对于需要高的抗辐射性的应用，例如通信卫星特别有用。实际上，在使用磁性材料的存储器中，磁泡存储器早已用做装载在通信卫星上的存储器。
使用磁性材料的器件具有许多优点，如上所述。作为利用这些特征的器件，已经提出固体磁性存储器。固体磁性存储器是一种采用磁性材料阵列作为存储介质的磁性存储器件，并且，区别于磁带或磁盘，其进行存储操作无需伴随着存储介质的运动。
在传统的固体磁性存储器中，使用的是一种利用磁性材料特性的简单编址方法。以下说明传统的固体磁性存储器的编址方法。
在固体磁性存储器中，使用呈现单轴磁各向异性的磁性薄膜。引起磁性薄膜的磁化反转所需的磁场强度取决于磁场的施加方向。亦即，如果在与易磁化轴倾斜约45°的方向施加磁场，则与在平行于易磁化轴的方向施加磁场相比，可以用较小的磁场强度引起磁化反转。在传统的固体磁性存储器中，可以利用这些特性进行记录比特的编址，从而可以使用极为简单的编址系统。
亦即，在传统的固体磁性存储器中，按相互垂直地配置字线W1、W2、W3…和位线B1、B2、B3…，存储载体A-1、A-2、…、B-1、B-2、…、C-1、C-2、…、布置在交叉点，如图2所示。亦即，在传统固体磁性存储器中，存储载体配置成x-y矩阵构形，构成存储芯片。每个存储载体的易磁化轴沿字线方向取向。
如果字线W2和位线B1被选择，馈以适当的电流，则仅在两线的交叉点处的存储载体B-1发生磁化反转。被馈以电流的字线W2和位线B1上配置的多个存储载体都被加以磁场。应注意仅来自字线W2或位线B1的磁场不足以引起磁化反转。只有当来自字线W2的磁场HW和来自位线B1的磁场HB合成时，提供相对于易磁化轴成45°取向的磁场，才能产生磁化反转，亦即只有在存储载体B-1中才能产生磁化反转。亦即，在传统的固体磁性存储器中，选择特定存储载体的原理是，只有当施加于存储载体的磁场相对于易磁化轴成45°取向时，才能在存储载体中引起磁化反转。
亦即，在传统的固体磁性存储器中，可以使用交叉的导电线的简单布置，来选择特定的存储载体，引起磁化反转，从而使采用极为简单的编址系统成为可能。
虽然使用磁性材料的元件具有许多优点，如上所述，但是也存在一定的缺点。下面以固体磁性存储器为例说明使用磁性材料的元件所产生的缺点。以下说明的这些缺点通常是由于为写入而向存储载体施加磁场而引起的。
(ⅰ)串扰
在传统的固体磁性存储器中，通过横跨存储器施加磁场在存储器中进行写入。但是，由于磁场具有远程作用的力，所以如果存储载体密度大，则不可忽略的效应作用在与被选择的存储载体邻接的区域，于是产生了串扰。虽然Z.G.Wang等在IEEE Trans Magn.,Mag33,4498(1997)报道了具有磁场屏蔽结构的存储单元的设计方法，但是提出的存储单元的结构复杂。
(ⅱ)矫顽力因设计规则细微化而降低
在传统的固体磁性存储器中，由电流产生写入磁场。但是，根据所用的材料，导体可输送的电流的密度i[A/m2]存在限制。结果是随着设计规则变得更细密以及导体直径更细微，可以使用的电流上限被降低。
如果导体直径是D[m]，则在距导体中心L距离处分出的磁场强度H[A/m]由公式(1)给出：
H=(πiD2/4)/4(2πL) …(1)
导体与存储载体的中心间距离不明显小于D，所以如果L=D，则施加于存储载体的磁场强度由公式(2)给出：
H=(πiD2/4)/(2πL)=iD/8 …(2)
如果可允许的电流密度i是i=107[A/cm2]=1011[A/m2],D’[μm]=D[m]×106，则施加于存储载体的磁场强度H由公式(3)给出：
H=12500×D’[A/m]=156×D’[Oe] …(3)
亦即，如果由于设计规则细微化而使作为存储载体的磁性材料靠近导体中心，考虑到对接近磁场源的存储载体的效应，则可以使用的最大磁场正比于设计规则值而显著降低。
另一方面，需要把存储载体的矫顽力设计成可以利用外加磁场实现磁化反转。这样，如果可以施加于存储载体的磁场随着设计规则细微化而降低，则存储载体的矫顽力也需要相应地降低。亦即对于固体磁性存储器，需要降低存储载体的矫顽力。但是，如果存储载体的矫顽力过度降低，则工作可靠性降低了。这给在受周围磁场干扰的环境中使用的便携式电子设备的存储器带来了严重问题。
由于为写入而向存储载体施加磁场，所以出现了传统的固体磁性存储器所固有的这些问题。为了克服这些问题，必须从为了实现目标操作而指定选做写入或读出目标的存储载体的编址方法开始重新考虑问题。
同时，上述问题可归因于为了使存储载体的磁化状态反转而外加磁场，并且不限于固体磁性存储器的情况。例如图1所示自旋晶体管也有同样的问题。自旋晶体管实现的功能是输出随构成元件的磁化方向而变化，其中，输入操作，亦即参与输出判断的改变磁性元件磁化方向的操作，是通过从附近以电流施加磁场来实现的，如同上述固体磁性存储器的情况一样。因此，自旋晶体管也有上述存在于固体磁性存储器中的问题。
如果无需使用磁场即可控制磁化，则可以解决上述问题。作为无需使用磁场即可控制磁化的技术，提出了采用铁磁性层/半导体层/铁磁性层层叠在一起的技术，如“Mattson et al,Phys.Rev.Lett.71(1993)185”所公开的。
其利用了依赖于作为中间层的半导体层载流子浓度的铁磁性层之间的磁性耦合。在层叠在一起的铁磁性层/半导体层/铁磁性层中，例如可以通过控制作为中间层的半导体层的载流子浓度而使铁磁性层之间的磁性耦合从平行改变为反平行。于是，如果磁性层之一(固定层)的矫顽力增大，则可以使相对侧的磁性层(可变层)的磁化相对于固定层旋转。这种通过电输入可使磁化反转的技术，被认为是有希望作为实现小尺寸固体器件的技术。
同时，在层叠在一起的铁磁性层/半导体层/铁磁性层中，通过半导体层在铁磁性层之间产生了间接的磁交互作用。为了通过控制作为中间层的半导体层的载流子浓度来控制铁磁性层之间的磁性耦合，必须降低作为中间层的半导体层的膜厚。
原因在于铁磁性层之间通过半导体层交互作用的程度，相对于半导体层的厚度成指数地衰减。为了实现切合实际的交互作用程度，例如通过交换偏磁法，对厚度为2nm、饱和磁化强度为12500高斯的Ni-Fe合金片赋予1000Oe的矫顽力。对于利用通过半导体层实现的间接交互作用使Ni-Fe合金磁化反转所需能量的等同能量，采用简单的计算即可估算，交换耦合常数必须不小于0.02erg/cm2。从J.J.de Vries，在“Physical Review Letters”78(1997)p.3023发表的论文，可知铁磁性层之间的距离应约为2.5nm。亦即，为了提供实用的元件，半导体层的厚度应是2.5nm以下。
但是，采用目前的精细加工技术，制备采用厚度不大于2.5nm的薄膜的元件是不现实的。而且，就算可以实际制备这种元件，则这种厚度级别的半导体层被认为实质上是起绝缘势垒作用的，这是因为在半导体层和铁磁性层之间的界面上形成肖特基势垒引起形成耗尽层所造成的。因此，很难注入载流子。
因此，对于由层叠在一起的铁磁性层/半导体层/铁磁性层构成的元件尽管在理论上无需使用磁场即可控制磁化，但是制备起来非常困难。
因此，本发明的目的在于提供一种使用磁性材料的元件，其中无需使用磁场即可控制磁化。本发明的另一目的在于提供使用磁性材料的元件，其中可以实现集成电路元件所不可缺少的编址功能，同时解决了使用磁场进行写入所带来的问题，例如起因于设计规则细微化或者矫顽力降低的串扰。
在本发明的第一方案中，铁磁性材料的磁化区域被含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域所分隔。对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化。以下说明根据本发明第一方案的磁化控制方法、信息记录方法和信息记录元件。
在根据本发明此方案的磁化控制方法中，磁化区域被含有磁性材料和半导体材料的隔离区域所分隔。对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化。
为了控制磁化区域的磁化方向，此磁化控制方法利用在磁化区域之间由隔离区域传递的间接磁交互作用。由于隔离区域中含有磁性材料，所以即使隔离区域的厚度增大，也可以在铁磁性材料的磁化区域之间产生磁交互作用。亦即，采用本发明的磁化控制方法，即使隔离区域的厚度增大，也可以控制磁化区域的磁化。
根据本发明的此方案的磁化控制方法，包括利用厚度不小于10nm的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域，对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化。
采用厚度不小于10nm的隔离区域，可以避免由于隔离区域厚度过薄而引起的制造困难或者载流子注入困难所导致的问题。虽然对隔离区域的厚度上限没有特别的限制，但是从实际制造工艺出发厚度应不大于约1μm。
根据本发明此方案的信息记录方法，包括，用含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域，根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化，依赖于磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
采用本发明的信息记录方法，利用在磁化区域之间由隔离区域传递的间接磁交互作用，控制磁化区域的磁化方向，记录信息。由于隔离区域中含有磁性材料，所以即使隔离区域的厚度增大，也可以在铁磁性材料的磁化区域之间产生磁交互作用。亦即，采用本发明的信息记录方法，即使隔离区域的厚度增大，也可以控制磁化区域的磁化。
根据本发明此方案的信息记录方法，包括，用厚度不小于10nm的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域，根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化，依赖于磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
采用厚度不小于10nm的隔离区域，可以避免由于隔离区域厚度过薄而引起的制造困难或者载流子注入困难所导致的问题。虽然对隔离区域的厚度上限没有特别的限制，但是从实际制造工艺出发厚度应不大于约1μm。
根据本发明此方案的信息记录元件具有的结构中，铁磁性材料的磁化区域被含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域所分隔。根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化，根据磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
对于这种信息记录元件，利用在磁化区域之间由隔离区域传递的间接磁交互作用，控制磁化区域的磁化方向，记录信息。由于隔离区域中含有磁性材料，所以即使隔离区域的厚度增大，也可以在铁磁性材料的磁化区域之间产生磁交互作用。亦即，采用本发明的信息记录元件，即使隔离区域的厚度增大，也可以控制磁化区域的磁化，记录信息。
根据本发明此方案的信息记录方法具有的结构中，铁磁性材料的磁化区域被厚度不小于10nm的隔离区域所分隔。根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化，根据磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
采用厚度不小于10nm的隔离区域，可以避免由于隔离区域厚度过薄而引起的制造困难或者载流子注入困难所导致的问题。虽然对隔离区域的厚度上限没有特别的限制，但是从实际制造工艺出发厚度应不大于约1μm。
在上述磁化控制方法、信息记录方法或者信息记录元件中，根据本发明此方案，外加激励可以是电激励、光照或者温度控制之一。用做隔离区域的复合材料可以列举出磁性半导体、由分散在磁性半导体中的铁磁性颗粒组成的介质、铁磁性膜和半导体膜组合的多层膜、和铁磁性膜和磁性半导体膜组合的多层膜。这些可以单独或者组合用做隔离区域。
在本发明的第二方案中，由包含导电材料的导电层和多个磁性层构成层状组合膜，以使导电层布置在磁性层之间，在层状组合膜的导电层中流过电流，以改变磁性层之间的磁耦合状态，从而控制磁性层的磁化方向。以下说明根据本发明此方案的磁化控制方法、信息记录方法和信息记录元件。
根据本发明此方案的磁化控制方法，包括，层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层，构成层状组合膜，使导电层位于磁性层之间，在层状组合膜的导电层中流过电流，以改变磁性层之间的磁性耦合状态，控制磁性层的磁化方向。
在此磁化控制方法中，可以用做导电层的有，包含呈现单相磁性有序的物质和非磁性材料的复合材料，铁磁性组成区和非磁性组成区交替布置制成的层状组合膜或者组成调制膜，或者铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。
在磁化控制方法中，可以提供其电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。此时，如果电流流过层状组合膜，则电流聚集在导电层中。
根据本发明此方案的磁功能元件，包括层状组合膜，后者是层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层获得的，以使导电层位于磁性层之间。在层状组合的导电层中流过电流，以改变磁性层之间的磁性耦合状态，控制磁性层的磁化方向。在此磁性功能元件中，利用磁光效应例如磁光克尔效应或者法拉第效应，根据磁性层的磁化状态提供输出。
在此磁功能元件中，可以用做导电层的有，包含呈现单相磁性有序的物质和非磁性材料的复合材料，铁磁性组成区和非磁性组成区交替布置制成的层状组合膜或者组成调制膜，或者铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。
在磁功能元件中，可以提供其电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。此时，如果电流流过层状组合膜，则电流聚集在导电层中。
根据本发明此方案的信息记录方法，包括，层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层，构成层状组合，以使导电层位于磁性层之间；在层状组合的导电层中流过电流，从而改变磁性层之间的磁性耦合状态，控制磁性层的磁化方向；基于磁化层的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
在本发明的信息记录方法中，可以用做导电层的有，包含呈现单相磁性有序的物质和非磁性材料的复合材料，铁磁性组成区和非磁性组成区交替布置制成的层状组合膜或者组成调制膜，或者铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。
而且，在本发明的信息记录方法中，可以提供其电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。此时，如果电流流过层状组合膜，则电流聚集在导电层中。
根据本发明此方案的信息记录元件，包括层状组合，后者是层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层获得的，以使导电层位于磁性层之间。在层状组合的导电层中流过电流，改变磁性层之间的磁性耦合状态，控制磁性层的磁化方向，基于磁化层的磁化方向进行二进制以上的多值记录。采用本发明的信息记录元件，利用磁光效应例如磁光克尔效应或者法拉第效应，检测磁性层的磁化方向，读出记录的信息。
在本发明的信息记录元件中，可以用做导电层的有，包含呈现单相磁性有序的物质和非磁性材料的复合材料，铁磁性组成区和非磁性组成区交替布置制成的层状组合膜或者组成调制膜，或者铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。
而且，在本发明的信息记录元件中，可以提供其电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。此时，如果电流流过层状组合膜，则电流聚集在导电层中。
根据本发明此方案的可变电阻元件，包括，由层叠在一起的第一磁性层、第二磁性层、非磁性层和第三磁性层制成的层状组合。在层状组合的导电层中流过电流，改变第一磁性层和第二磁性层之间的磁性耦合状态，以控制第二磁性层的磁化方向，从而控制包括第二磁性层、非磁性层和第三磁性层的电流通道的电阻。
在本发明的可变电阻元件中，可以用做导电层的有，包含呈现单相磁性有序的物质和非磁性材料的复合材料，铁磁性组成区和非磁性组成区交替布置制成的层状组合膜或者组成调制膜，或者铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。
而且，在本发明的可变电阻元件中，可以提供其电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。此时，如果电流流过层状组合膜，则电流聚集在导电层中。
在第三方案中，本发明利用通过固相传播的交换作用，作为指定选做写入或读出的可选存储载体的方法，以便实现目标操作。以下说明在此第三方案中的磁性存储器件和编址方法。
根据本发明此方案的磁性存储器件，包括，多个分隔的磁性部件的阵列作为存储载体，其中利用通过固相传播的交换作用，作为指定选做写入或读出的某一可选存储载体的方法，以便实现目标操作。
利用通过固相传播的交换作用时使用了一种结构，由夹在两个磁性层之间的耦合控制层组成。此时，所用的交换作用是在布置在耦合控制层两侧上的两个磁性层之间起作用的交换作用。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则利用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过对耦合控制层施加激励，例如电激励或光激励而产生的。
作为耦合控制层，可以使用例如半导体层。此时交换作用由半导体层的价电子来传递。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则利用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过对耦合控制层施加电激励而产生的。
作为耦合控制层，可以使用例如介电层。此时，交换作用由利用隧道效应借助介电层在磁性层之间迁移的电子来传递。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则利用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过改变介电层的隧道势垒高度而产生的。
作为耦合控制层，可以使用例如导电层。此时，所用的交换作用是借助导电层在两个磁性层之间起作用的交换作用。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则利用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是在导电层中流过电流而产生的。
而且，作为耦合控制层，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小于10nm的层。具体地，最好是磁性层和非铁磁性层构成的多层结构，或者磁性颗粒分散在非磁性材料中构成的结构。
在磁性存储器件中，可以形成由硬磁材料所形成的磁性层，作为耦合控制层夹在两个磁性层之间所构成的结构的下层。作为磁性层，它布置在耦合控制层的两侧上，后者是层状组合膜，由夹有中间层的一对磁性层组成，以使其磁化方向相互反平行。在磁性层和耦合控制层之间，可以设置由作为磁性耦合媒介的电绝缘材料形成的薄膜。
在磁性存储器件中，多个直线式部件相互交叉布置，每个存储载体布置在直线式部件的交叉点。选择用于写入或读出的可选存储载体时，两个以上直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用被组合，以对被选择的存储载体实施写入或读出，其中至少一个磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
在本发明的磁性存储器件中，多个直线式部件相互交叉布置，每个存储载体布置在直线式部件的交叉点。选择用于写入或读出的可选存储载体时，利用三个以上的直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用的组合，来控制存储载体的磁化方向，其中至少一个磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
根据本发明此方案的具有多个分隔的磁性部件阵列作为存储载体的磁性存储器件中的编址方法，包括，在选择用于写入或读出的可选存储载体时，使用通过固相传播的交换作用。
使用通过固相传播的交换作用时，所用结构由夹在两个磁性层之间的耦合控制层组成。此时，所用的交换作用是在布置在耦合控制层两侧上的两个磁性层之间起作用的交换作用。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则使用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过对耦合控制层施加激励，例如电激励或光激励而产生的。
作为耦合控制层，例如使用半导体层。该交换作用由半导体层的价电子来传递。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则使用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过对半导体层施加电激励而产生的。
作为耦合控制层，例如可以使用介电层。此时，交换作用由利用隧道效应借助介电层在磁性层之间迁移的电子来传递。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则使用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是通过改变介电层的隧道势垒高度而产生的。
作为耦合控制层，可以使用例如导电层。此时，所用的交换作用是借助导电层在两个磁性层之间起作用的交换作用。如果可选存储载体被选择用做写入或读出，则使用两个磁性层之间的交换作用的变化，这种变化是在导电层中流过电流而产生的。
而且，作为耦合控制层，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小于10nm的层。具体地，最好是磁性层和非铁磁性层构成的多层结构，或者磁性颗粒分散在非磁性材料中构成的结构。
在根据本发明的编址方法中，多个直线式部件相互交叉布置，每个存储载体布置在直线式部件的交叉点。选择用于写入或读出的可选存储载体时，对由两个以上的直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用进行组合，以对被选择的存储载体实施写入或读出，其中至少一个磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
在根据本发明的编址方法中，多个直线式部件相互交叉布置，每个存储载体布置在直线式部件的交叉点。选择用于写入或读出的可选存储载体时，利用由三个以上的直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用的组合，来控制存储载体的磁化方向，其中至少一个磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
根据本发明的此方案，提供了一种无需使用磁场即能控制磁性部件的磁化的元件。于是，根据本发明的此方案，可以解决在使用磁性部件的元件中使用磁场进行写入所导致的问题，例如因设计规则细微化或者矫顽力降低产生的串扰。此外，根据本发明的此方案，虽然采用使用磁性部件的元件，也可以实现集成电路元件不可缺少的编址功能。
图1展示了自旋晶体管的结构。
图2展示了传统的固体磁性存储器中的编址方法。
图3A和3B展示了当磁化区域被隔离区域分隔时，通过激励隔离区域调制铁磁性材料的磁化区域的磁化状态的方式，其中图3A展示了未激励隔离区域的状态，图3B展示了通过激励隔离区域使磁化区域之一的磁化方向反转的状态。
图4展示了通过层叠铁磁性材料形成的磁化区域、磁性材料和半导体材料的复合材料隔离区域和铁磁性材料的磁化区域获得的层状组合的剖面图，其中磁性半导体用做隔离区域中使用的复合材料。
图5展示了通过层叠铁磁性材料形成的磁化区域、磁性材料和半导体材料的复合材料隔离区域和铁磁性材料的磁化区域获得的层状组合的剖面图，其中，将铁磁性微粒组成的磁性团分散在半导体内部所获得的介质用做隔离区域中使用的复合材料。
图6展示了通过层叠铁磁性材料形成的磁化区域、磁性材料和半导体材料的复合材料隔离区域和铁磁性材料的磁化区域获得的层状组合的剖面图，其中，通过层叠铁磁性层和半导体层于一起所获得的多层膜用做隔离区域中使用的复合材料。
图7展示了隔离区域厚度和磁化区域厚度之间的关系，分别为隔离区域是铁磁性层和半导体层的多层膜的情况，和隔离区域仅是半导体层的情况。
图8是根据本发明的信息记录元件的剖面图，具体展示了未在其栅电极上施加电压的状态。
图9是图8的信息记录元件的平面图，具体展示了未在其栅电极上施加电压的状态。
图10是在图8所示的信息记录元件的栅电极上施加电压的状态的剖面图。
图11是在图8所示的信息记录元件的栅电极上施加电压的状态的平面图。
图12展示了另一个信息记录元件，具体展示了未在第一和第二栅电极上施加电压的状态。
图13是在图12所示信息记录元件的第二栅电极上施加电压的状态的剖面图。
图14是在图12所示信息记录元件的第一栅电极上施加电压的状态的剖面图。
图15展示了又一个信息记录元件，具体展示了第一和第二栅电极上未施加电压的状态。
图16是在图15所示信息记录元件的第二栅电极上施加电压的状态的剖面图。
图17是在图15所示信息记录元件的第一栅电极上施加电压的状态的剖面图。
图18是一对磁性部件相互接触的结构。
图19是中间层夹在成对磁性部件之间的结构。
图20展示了信息记录元件单元的尺寸L和可以用于驱动记录载体的驱动磁场H之间的关系。
图21是实施本发明的磁功能元件的示例平面图。
图22是沿图21的线X1-X2截取的剖面图，具体展示了实施本发明的磁功能元件。
图23展示了在两个相互垂直方向(x-和y-方向)测量磁化强度分量的方法。
图24是在磁功能元件的两个相互垂直方向(x-和y-方向)的磁化强度的磁滞测量结果。
图25是在非磁性基片上形成的Ni-Fe合金薄膜的磁化曲线。
图26展示了磁功能元件的可变磁性层的磁化方向，具体展示了导体层未馈给电流时的磁化方向和导体层被馈给电流时的磁化方向。
图27展示了导体层所加电流在导通/截止状态转换时，在两个相互垂直方向(x-和y-方向)观察磁功能元件的磁化的时间变化的结果。
图28示意地展示了层状结构的导体层的结构。
图29示意地展示了微粒分散结构的导体层结构。
图30是磁功能元件及其外围电路的结构，此时，可变磁性层的磁化方向的转换操作所获得的结果即作为电输出。
图31A-31C是负逻辑一次写入式信息记录元件的驱动原理的示意图，其中图31A是复位状态，图31B是导通状态，图31C是设定状态。
图32A-32C是正逻辑一次写入式信息记录元件的驱动原理的示意图，其中图32A是复位状态，图32B是导通状态，图32C是设定状态。
图33A-33D是重写式信息记录元件的驱动原理的示意图，图33A是可变磁性层的磁化方向保持向右的状态，图33B是可变磁性层的磁化方向被向左重写的状态，图33C是可变磁性层的磁化方向保持向左的状态，图33D是可变磁性层的磁化方向被向右重写的状态。
图34是实施本发明的可变电阻元件的示意图。
图35是一对磁性部件相互接触的结构。
图36是中间层夹在成对磁性部件之间的结构。
图37是交换耦合式固体磁性存储器的示意图。
图38展示了信息记录元件单元的尺寸L和可以用于驱动记录载体的驱动磁场H之间的关系。
图39是交换耦合式固体磁性存储器的一个存储单元的放大示意图。
图40A-40E是图39所示存储单元的驱动原理的示意图，其中图40A是存储载体的磁化方向保持向右的状态，图40B是电流仅在构成第二y-方向驱动线的第二导体层中流动的状态，图40C是存储载体的磁化方向被向左重写的状态，图40D是电流仅在构成第一y-方向驱动线的第一导体层中流动的状态，图40E是存储载体的磁化方向被向右重写的状态。
图41展示了实施本发明的交换耦合式固体磁性存储器中的编址方法。
图42展示了以半导体层作为耦合控制层以之进行磁性驱动的状态。
图43展示了以介电层作为耦合控制层以之进行磁性驱动的状态。
图44展示了以多层介电层作为耦合控制层以之进行磁性驱动的状态。
图45是由层叠在一起的磁性层和非铁磁性层构成的多层耦合控制层的结构示意图。
图46是由分散在非磁性材料中的磁性颗粒构成的耦合控制层的结构示意图。
图47是实施本发明的耦合控制层的制造工艺的第一示意图。
图48是实施本发明的耦合控制层的制造工艺的第二示意图。
图49是实施本发明的耦合控制层的制造工艺的第三示意图。
图50是实施本发明的耦合控制层的制造工艺的第四示意图。
图51是实施本发明的耦合控制层的制造工艺的第五示意图。
图52是具有4×4存储单元的交换耦合式固体磁性存储器的平面结构。
图53是图52的圆圈部位S的放大图，具体展示了一个存储单元的平面结构。
图54展示了向存储单元写入之后用克尔显微镜观察的结果，用于证实在图52所示交换耦合式固体磁性存储器中的编址操作。
以下将参考附图具体说明本发明的优选实施例。
1．第一实施例
在第一实施例中，铁磁性材料的磁化区域被包含磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域分隔，对隔离区域外加激励，改变被分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个磁化区域的磁化。以下说明采用上述基本概念的磁化控制方法、信息记录方法和信息记录元件。
1-1磁化控制方法的原理
首先，参考图3A和3B说明磁化控制方法的基本原理。
参见图3A，铁磁性材料形成的磁化区域11、由包含磁性材料和半导体材料的复合材料形成的隔离区域20、和铁磁性材料形成的磁化区域12被层叠在一起，形成隔离区域20夹在磁化区域11、12之间的结构。在此层状结构中，如果改变隔离区域20所含半导体的导带的电子浓度或者价电子带的空穴浓度，则借助于这些载流子的磁化区域之间的RKKY交互作用被改变。因此，通过控制隔离区域20的载流子浓度，可以控制磁化区域11和相对侧的磁化区域12之间的磁性耦合。
于是，对隔离区域20施加外激励，如图3中的箭头A1所示，改变隔离区域20所含半导体的导带的电子浓度或者价电子带的空穴浓度，由此改变磁化区域11和12之间的磁交互作用，从而控制磁化区域11和12的磁化。通过改变磁化区域11、12之间的磁交互作用，控制其磁化，可以使磁化区域11的磁化方向M1和磁化区域12的磁化方向M2从图3A所示的平行状态转变为图3B所示的反平行状态。
注意，通过在隔离区域20施加电压注入载流子，对隔离区域20进行光照或者通过控制隔离区域20的温度，可以控制隔离区域20的载流子浓度。亦即，为了对隔离区域20施加激励，控制磁化区域11、12的磁化，可以使用有载流子注入的电激励、光照或者温度控制。
1-2元件的特定例子
在本实施例中，隔离区域20中含有磁性材料，即使隔离区域20厚度较厚，也可以在磁化区域之间产生磁交互作用。以下参考图4-6说明具有含磁性材料的隔离区域的特定例子。
图4展示了采用磁性半导体21作为隔离区域20所用复合材料的例子。磁性半导体21的结构是磁性离子21B分散于半导体母体21A中。此时，磁化区域11通过磁性半导体21的半导体母体21A与磁性离子21B耦合。这些磁性离子21B与其它磁性离子21B耦合。重复这种耦合直到磁化区域11最终与相对侧的磁化区域12耦合。亦即，通过半导体母体21A和磁性离子21B，磁化区域11和12间接相互耦合。
通常，磁性耦合的产生和消失现象取决于磁性半导体中的载流子浓度，正如H.Ohno et al,Phys.Rev.Lett.689 1992)2664所讨论的。此现象称为载流子感应的铁磁性。因此，利用磁性半导体21的载流子浓度，可以调制磁性离子21B与相邻磁性离子21B的耦合状态。于是，采用层状结构，如图4所示，通过控制磁性半导体21的载流子浓度，可以控制磁化区域11和12之间的间接磁性耦合，以便控制磁化区域11和12的磁化方向。
按此方式，如果使用磁性半导体21作为隔离区域20所用的复合材料，则磁化区域11、12可以借助半导体母体21A和磁性离子21B相互间接耦合，即使隔离区域20厚度较厚，也可以在磁化区域之间感应磁交互作用。亦即，通过使用磁性半导体21作为隔离区域20，即使隔离区域20的厚度较厚，也可以控制磁化区域11、12的磁化。
用于磁性半导体21的材料可以是基于Ⅱ-Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族或者硫族化物，或者是所谓的半磁性半导体，例如EuTe或者EuS。如果磁性半导体21中所含的磁性离子21B的浓度使得能够通过载流子浓度控制来控制磁性离子之间的磁性耦合状态，就足够了。
图5展示的实施例中，将铁磁性颗粒组成的磁性团22人工地分散进入半导体23内部所获得的介质用做隔离区域20所用的复合材料。磁性团22所起作用与图4的磁性离子21B的相似，以便实现与通过图4所示例子所实现的相似的效果。
作为半导体23，可以使用非晶态或结晶Si或Ge组成的半导体。作为半导体23，可以使用化合物半导体、氧化物半导体或者混晶半导体。如果磁性团22的材料呈现磁矩，则就足够了，可以使用Fe、Co、Ni、它们的合金、稀土元素、或者含有稀土元素的合金。对磁性团22的尺寸、形状或者密度无特别限制，只要能够通过控制半导体23的载流子浓度来控制磁性团之间的磁耦合状态即可。
在本实施例中，可以使用磁性半导体代替半导体23。如果使用磁性半导体代替半导体23，则不仅显示出磁性团22的作用而且还显示出如图4的实施例所示的磁性离子的作用。
图6展示的实施例中，通过使用层叠在一起的铁磁膜24和半导体膜25组成的多层膜作为隔离区域20所用复合材料，实现了与图4和5所示的相似效果。此时，磁化区域11借助相邻半导体膜25与最接近磁化区域11的铁磁膜24耦合。此铁磁膜24与最接近的其它铁磁膜24耦合。重复这种耦合直到实现了与相对侧磁化区域12的耦合。亦即，借助层叠在一起的铁磁膜24和半导体膜25组成的多层膜，磁化区域11和相对侧磁化区域12相互间接耦合。
在把铁磁膜24和半导体膜25层叠在一起获得的多层膜中，铁磁膜之间的磁耦合状态随着半导体膜25载流子浓度的改变而改变，正如例如E.E.Fullerton et al,J.Magn.&Magn.Mater.117(1992)L301所述。于是，利用半导体膜25的载流子浓度可以调制铁磁膜24和与其相邻的其它铁磁膜24之间的耦合状态。于是，通过控制半导体膜25的载流子浓度，可以控制磁化区域11和相对侧的磁化区域12之间的间接磁性耦合，从而控制磁化区域11、12的磁化方向。
半导体膜25可以由非晶或结晶半导体例如Si或Ge形成。半导体膜25可以由化合物半导体、氧化物半导体或混晶半导体形成。如果铁磁膜24的材料呈现磁矩就足够了，例如可以使用Fe、Co或Ni、它们的合金、稀土元素、或含有稀土元素的合金。对铁磁膜24或半导体膜25的膜厚或层数也没有限制，只要能够通过控制半导体膜25的载流子浓度来控制铁磁膜之间的磁性耦合状态即可。
在本实施例中，可以使用磁性半导体代替半导体25。如果使用磁性半导体代替半导体25，则不仅显示出磁性团22的作用而且还显示出如图4的实施例所示的磁性离子的作用。
同时，如果使用图4-6所示结构，则可以在隔离区域20的厚度例如不小于10nm的条件下，控制磁化区域11、12的磁化，不必象传统实践那样把厚度设定为2.5nm以下。原因在于，尽管铁磁性材料之间借助于半导体相互作用的耦合力随铁磁性材料之间的距离成指数地增大，但如果铁磁性材料之间存在磁性材料，则会通过该磁性材料发生间接耦合。
具体地，在图4所示实施例中，即使隔离区域20厚度增大，存在于隔离区域20的磁性离子21B也可以起介质作用，实现磁化区域11和12之间的间接耦合。在图5所示实施例中，即使隔离区域20厚度增大，存在于隔离区域20的磁性团22也可以起介质作用，实现磁化区域11和12之间的间接耦合。在图6所示实施例中，即使隔离区域20厚度增大，存在于隔离区域20的铁磁膜24也可以起介质作用，实现磁化区域11和12之间的间接耦合。
图7展示了磁化区域11如何借助隔离区域20中所含的磁性材料与其它磁化区域12间接耦合。此图中，横坐标和纵坐标分别代表隔离区域20的厚度(磁化区域之间的距离)和磁化区域之间的交换耦合常数。通过提供隔离区域20的厚度以约0.5nm逐步改变的多个样品，并且利用例如磁共振法测量这些样品的交换耦合常数，可以验证隔离区域20的厚度和交换耦合常数之间的这种关系。
图7中，实线A代表在使用铁磁膜24和半导体膜25的多层膜作为隔离区域20时，作为磁化区域之间距离的隔离区域20的厚度和交换耦合常数之间的关系。假设各铁磁膜24的磁矩相互平行地设置，亦即磁化区域11的磁化方向平行于另一磁化区域12的磁化方向。换言之，图7展示了磁化区域11借助其间的铁磁膜24与另一磁化区域12铁磁性耦合的情况。
同时为了对比，图7还展示了隔离区域20仅由半导体组成的情况。亦即，图7的实线B展示了在隔离区域20仅由半导体形成时，作为磁化区域之间距离的隔离区域20的厚度和交换耦合常数之间的关系。
参见图7，如果隔离区域20仅由半导体组成，随着隔离区域20厚度的增加，交换耦合常数呈指数律衰减。如果隔离区域20的厚度不小于约2.5nm，则磁化区域之间的耦合极弱，以致不能构成实用的元件。因此，隔离区域20的厚度通常必须设定在2.5nm以下。
相反，如果隔离区域20采用层叠在一起的铁磁膜24和半导体膜25组成的多层膜，由于隔离区域20中存在铁磁膜，如图7所示，所以每个层叠周期均可保持耦合。由此可见，使用含有磁性材料和半导体材料的复合材料作为隔离区域20，磁化区域11可以借助作为介质的磁性材料直接与相对侧的磁化区域12耦合。亦即，如果由铁磁膜24和半导体膜25组成的复合材料用做隔离区域20，则隔离区域20可以比传统的明显增厚。
于是，通过应用本发明，隔离区域20厚度可以比传统技术增厚。如果隔离区域20具有不小于10nm数量级的厚度，则采用现行的精细处理技术，足以制备在隔离区域20两侧上的磁化区域11、12组成的结构。此外，如果隔离区域20具有10nm以上数量级的厚度，则可以克服因为在半导体和铁磁性材料之间的界面上形成肖特基势垒而导致形成耗尽层的问题，从而可以把载流子注入隔离区域20。
在图4-6所示的结构中，图4所示结构具有隔离区域是均匀单相结构的优点，有利于制造。而且，图5所示结构具有多个不同强度的磁性耦合的路径。因此，可以通过按照耦合强度的升序去除路径来逐渐地减弱磁性耦合。亦即图5所示结构有利于实现模拟操作。图6的结构具有更易于控制的优点，可以实现期望特性的较高的再现性。此外，采用图6所示结构，通过改变膜厚或层数可以容易地实现特性匹配或材料设计。
在上述说明中，系以利用RKKY交互作用的耦合情况为例。但是，间接交互作用的原理并不限于RKKY交互作用等，只要满足通过控制隔离区域20的载流子浓度可以调制磁化区域之间的耦合状态的条件即可。亦即，本发明可以应用于由隧道电子来传递的耦合或者利用半导体中的局部能级的耦合。由隧道电子来传递的耦合例如公开于P.Bruno,Phys.Rev.B49(1994)13231，而利用半导体中的局部能级的耦合例如在S.Toscano et al,J.Magn.&Magn.Mater.114 91992)L301中进行了讨论
1-3信息记录元件和信息记录方法
以下参考图8-17说明采用上述磁化控制方法的信息记录元件和信息记录方法。
首先参考图8-11说明信息记录元件和信息记录方法的第一例子。此时，信息记录元件30是一次写入式信息记录元件，能够基于磁化区域的磁化方向进行双电平记录。
参见图8和9，信息记录元件30包括，形成在基片31上的固定磁性层32、形成在固定磁性层32上的隔离层33、形成在隔离层33上的可变磁性层34、和隔有绝缘层35形成在隔离层33上的栅电极36。
在此信息记录元件30中，固定磁性层32相当于设置在隔离层33两侧上的磁化区域之一，其磁化方向M3任何时候均固定在预置的方向。此固定磁性层32最好由铁磁性足够强的铁磁性材料形成，具体地是矫顽力不小于1kOe数量级的铁磁性材料，以便磁化方向M3不会因可能存在于普通环境中的弱磁场而改变。
可变磁性层34相当于位于隔离层33两侧上的另一磁化区域，具有取决于记录的信息的可变的磁化方向M4。选择可变磁性层34的材料或形状，以使其矫顽力小于固定磁性层32的矫顽力。例如利用磁场的磁化对可变磁性层34进行处理，以使之呈现强的单轴磁各向异性，从而具有与固定磁性层32的磁化方向成反平行的磁化方向M4。
隔离层33用做隔离区域。用于分隔铁磁性材料形成的磁化区域。亦即，在本发明的信息记录元件30中，由固定磁性层32和可变磁性层34形成的磁化区域，被包括磁性材料和半导体材料的复合材料组成的隔离层33所分隔。构成隔离层33的复合材料可以由磁性半导体形成，正如参考图4所述的，或者由其中分散铁磁性颗粒的半导体或磁性半导体形成，正如参考图5所述的。另外，复合材料也可以由铁磁膜、半导体膜或磁性半导体膜制成的多层膜形成，正如参考图6所述的。
同时，在根据本发明的信息记录元件30中，隔离层33可以增加厚度，具体地可以具有不小于10nm的膜厚。如果隔离层33的膜厚不小于10nm，则可以避免因隔离层33厚度过薄而导致制造困难或者载流子注入困难的问题。
栅电极36由导电材料例如金形成，并且随着绝缘层35面对隔离层33设置。如果在栅电极36上施加电压，则载流子聚集在隔离层33隔着绝缘层35面对栅电极36的部位。
在栅电极36未施加电压的信息记录元件30的初始状态，亦即在栅电极Vc=0的状态，固定磁性层32的磁化方向M3与可变磁性层34的磁化方向M4反平行，如图8和9所示。
当在信息记录元件30上记录信息时，在栅电极36上施加预置电压(栅电压VG=V)，如图10和11所示。如果电压V施加在栅电极36上，布置在固定磁性层32和可变磁性层34之间的隔离层33的载流子浓度被改变，结果固定磁性层32和可变磁性层34之间的磁性耦合状态被改变。矫顽力较低的可变磁性层34被置于转矩之下，从而可变磁性层34的磁化方向M4被反转。由于可变磁性层34具有强的单轴磁各向异性，所以该磁化方向一旦被反转就稳定了，从而，施加在栅电极36上的电压V终止后，该状态仍被保持。
于是，采用信息记录元件30，无需使用磁场即可控制可变磁性层34的磁化方向M4，从而可以基于可变磁性层34的磁化取向来记录双电平信息。
以下参考图12-14说明信息记录元件和信息记录方法的第二实施例。图12-14所示信息记录元件40是能够通过使用多个固定磁性层进行信息写入的信息记录元件。在此信息记录元件40中，如同上述信息记录元件30一样，可利用磁化区域的磁化取向实现双态记录。
参见图12，此信息记录元件40包括，形成在基片41一部分上的第一固定磁性层42、形成在基片41另一部分上的第二固定磁性层43、从第一固定磁性层42延伸到第二固定磁性层43而形成的隔离层44、和形成在隔离层44上的可变磁性层45。信息记录元件40还包括通过绝缘层46形成在隔离层44一部分上的第一栅电极47和通过绝缘层48形成在隔离层44另一部分上的第二栅电极49。
与信息记录元件30中的固定磁性层32相同，固定磁性层42、43由高矫顽力的磁性材料形成并且是固定的，以便在任何时候均具有固定的磁化方向。在此信息记录元件40中，第一固定磁性层42的磁化方向M5与第二固定磁性层43的磁化方向M6反平行。
与上述信息记录元件30中的可变磁性层34相同，可变磁性层45具有根据记录的信息而变的磁化方向M7。亦即，选择此可变磁性层42的形状或材料，使其具有的矫顽力小于固定磁性层42、43的矫顽力。而且，可变磁性层45例如由场内成膜方法形成，从而具有强的单轴磁各向异性，并且具有与固定磁性层42、43的磁化方向平行或反平行的磁化方向M7。在本实施例中，可变磁性层45的磁化方向M7在初始状态分别与第一固定磁性层42的磁化方向M5和第二固定磁性层43的磁化方向M6平行和反平行。
隔离层44用做隔离区域，用于分隔由铁磁性材料形成的磁化区域。亦即，在本发明的信息记录元件40中，由第一固定磁性层42、第二固定磁性层43和可变磁性层45形成的磁化区域被隔离层44分隔。此隔离层44由包含磁性材料和半导体材料的复合材料形成。构成隔离层44的复合材料可以由磁性半导体形成，正如参考图4所述的，由具有铁磁性颗粒分散其中的半导体或磁性半导体形成，正如参考图5所述的，或者由层叠在一起的铁磁性膜、半导体膜或磁性半导体膜制成的多层膜形成，如图6所示。
采用根据本发明的信息记录元件40，隔离层44的膜厚可以增加，具体地是膜厚可以不小于10nm。如果隔离层44的膜厚不小于10nm，则可以克服因隔离层的厚度过薄而产生的制造困难或载流子注入团难的问题。
第一栅电极47或第二栅电极49由导电材料例如金形成。布置第一栅电极47，使其通过绝缘层46面对隔离层44，通过绝缘层46和隔离层44面对第一固定磁性层42。布置第二栅电极49，使其通过绝缘层48面对隔离层44，通过绝缘层48和隔离层44面对第二固定磁性层43。
如果在第一电极47上施加电压，则借助于该第一栅电极47，载流子被聚集在隔离层44面对第一栅电极47的部位附近。换言之，如果在第一电极47上施加电压，则载流子被聚集在可变磁性层45和第一固定磁性层42之间的隔离层44中。
如果在第二栅电极49施加电压，载流子则被聚集在通过绝缘层48布置的隔离层44附近。换言之，载流子聚集在可变磁性层45和第二固定磁性层43之间的隔离层44中。
采用此信息记录元件40，通过控制在第一栅电极47和第二栅电极49上施加的电压，可以使可变磁性层44的磁化方向M7反复地反转。以下说明反复反转可变磁性层44的磁化方向M7的操作。
在第一栅电极47和第二栅电极49上均未施加电压的初始状态，可变磁性层45的磁化方向M7与第一固定磁性层42的磁化方向平行，与第二固定磁性层43的磁化方向M6反平行，如图12所示。
在此状态，如果在第二栅电极49上施加预置电压V2，如图13所示，则第二栅电极49的栅电压VG2是V2(VG2=V2)。这样就改变了布置在可变磁性层45和第二固定磁性层43之间的隔离层44的载流子浓度，以改变可变磁性层45和第二固定磁性层43之间的磁性耦合状态。于是转矩施加在低矫顽力的可变磁性层45上，使可变磁性层45的磁化方向M7反转。亦即，可变磁性层45的磁化方向与第一固定磁性层42的磁化方向M5反平行，与第二固定磁性层43的磁化方向M6平行，如图13所示。由于可变磁性层45呈现强的单轴磁各向异性，所以如此反转的此磁化状态是稳定的，以致即使终止在第二栅电极49上施加的电压V2也可以保持该磁化状态。
当可变磁性层45的磁化方向与第一固定磁性层42的磁化方向M5反平行，与第二固定磁性层43的磁化方向M6平行时，将预置电压V1施加在第一栅电极47上，如图14所示，把第一栅电极47的栅电压Vc1设定为等于V1(Vc1=V1)。这样就改变了布置在可变磁性层45和第一固定磁性层42之间的隔离层44的载流子浓度，以改变可变磁性层45和第一固定磁性层42之间的磁性耦合状态。于是转矩施加在低矫顽力的可变磁性层45上，使可变磁性层45的磁化方向M7反转。亦即，可变磁性层45的磁化方向M7与第一固定磁性层42的磁化方向M5平行，与第二固定磁性层43的磁化方向M6反平行，如图14所示。由于可变磁性层45呈现强的单轴磁各向异性，所以如此反转的磁化是稳定的，以致即使终止在第一栅电极47上施加的电压V2也可以保持该磁化状态。
于是，采用本发明的信息记录元件40，通过在第一栅电极47或者第二栅电极49上施加电压，无需使用磁场，即可以控制可变磁性层45的磁化方向M7，从而能够基于可变磁性层45的磁化方向记录双电平信息。此外，采用本发明的信息记录元件40，通过在第一栅电极47上施加预置电压V1或者通过在第二栅电极49上施加预置电压V2，可以使可变磁性层45的磁化方向M7反复地反转。亦即，信息记录元件40可以反复地重写信息。
以下参考图15-17说明信息记录元件和信息记录方法的第三实施例。此时，信息记录元件50是通过使用多个固定磁性层进行信息重写的元件。采用此信息记录元件50，与信息记录元件30和40相同，可以基于磁化区域的磁化方向实现双电平记录。
参见图15，此信息记录元件50包括，形成在基片51上的第一固定磁性层52、形成在固定磁性层52上的第一隔离层53、形成在第一隔离层53上的可变磁性层54、形成在可变磁性层54上的第二隔离层55、形成在第二隔离层55上的第二固定磁性层56。信息记录元件50还包括通过绝缘层57形成在第二隔离层55一部分上的第一栅电极58、和通过绝缘层59形成在第二隔离层55一部分上的第二栅电极60。
在本发明的信息记录元件50中，固定磁性层52、56如同固定磁性层42、43一样由高矫顽力的磁性材料形成，，并且是固定的，从而在任何时候均取向在相同的磁化方向。在本发明的信息记录元件50中，固定磁性层52的磁化方向M8和第二固定磁性层56的磁化方向M9被设定为反平行。
与可变磁性层45相同，可变磁性层54具有取决于记录信息的可变磁化方向M10。亦即，选择此可变磁性层54的形状或材料类型，使其矫顽力小于固定磁性层52或56的矫顽力。而且，可变磁性层45例如由场内成膜方法形成，以使之具有强的单轴磁各向异性，并使其磁化方向M10与固定磁性层52、53的磁化方向平行或反平行。在本实施例中，可变磁性层54的磁化方向M10在初始状态分别与第一固定磁性层52的磁化方向M8和第二固定磁性层43的磁化方向M9平行和反平行。
第一隔离层53和第二隔离层55用做隔离区域，用于分隔由铁磁性材料形成的磁化区域。亦即，在本发明的信息记录元件50中，由第一固定磁性层52、第二固定磁性层56和可变磁性层54形成的磁化区域被第一隔离层53和第二隔离层55分隔。所述隔离层53、55由包含磁性材料和半导体材料的复合材料形成。构成隔离层53、55的复合材料可以由磁性半导体形成，正如参考图4所述的，由具有铁磁性颗粒分散其中的半导体或磁性半导体形成，正如参考图5所述的，或者由层叠在一起的铁磁性膜、半导体膜或磁性半导体膜制成的多层膜形成，如图6所示。
采用根据本发明的信息记录元件50，隔离层53、55的膜厚可以增加，具体地是膜厚不小于10nm。如果隔离层53、55的膜厚不小于10nm，则可以克服因隔离层53、55的厚度过薄而产生的制造困难或载流子注入困难的问题。
第一栅电极58或第二栅电极60由导电材料例如金形成。布置第一栅电极58，使其通过绝缘层57面对隔离层53，通过绝缘层57和第一隔离层53面对第一固定磁性层52。布置第二栅电极60，使其通过绝缘层59面对第二隔离层55，通过绝缘层59和隔离层55面对可变磁性层54。
如果在第一电极58上施加电压，则载流子被聚集在第一隔离层53的通过绝缘层57面对第一栅电极58的部位附近。换言之，如果在第一栅电极58上施加电压，则载流子被聚集在可变磁性层54和第一固定磁性层52之间的第一隔离层53中。
如果在第二栅电极60上施加电压，则载流子被聚集在通过绝缘层59布置的第二隔离层55附近。换言之，载流子聚集在第二隔离层55的通过绝缘层59面对第二栅电极60的部分中。换言之，如果在第二栅电极60上施加电压，则载流子聚集在可变磁性层54和第二固定磁性层56之间的第二隔离层55中。
采用本发明的信息记录元件50，通过控制在第一栅电极58和第二栅电极60上施加的电压，可以使可变磁性层54的磁化方向M10反复地反转。以下说明反复反转可变磁性层54的磁化方向M10的操作。
在第一栅电极58和第二栅电极60上均未施加电压的初始状态，可变磁性层54的磁化方向M10与第一固定磁性层52的磁化方向M8平行，与第二固定磁性层56的磁化方向M9反平行，如图15所示。
在此状态，如果在第二栅电极60上施加预置电压V2，如图16所示，则第二栅电极60的栅电压VG2是V2(VG2=V2)。这样就改变了布置在可变磁性层54和第二固定磁性层56之间的第二隔离层55的载流子浓度，从而改变了可变磁性层54和第二固定磁性层56之间的磁性耦合状态。于是转矩施加在低矫顽力的可变磁性层54上，使可变磁性层54的磁化方向M10反转。亦即，可变磁性层54的磁化方向M10与第一固定磁性层52的磁化方向M8反平行，与第二固定磁性层56的磁化方向M9平行，如图16所示。由于可变磁性层54呈现强的单轴磁各向异性，所以如此反转的此磁化状态是稳定的，以致即使终止在第二栅电极60上施加的电压V2也可以保持该磁化状态。
当可变磁性层54的磁化方向M10与第一固定磁性层52的磁化方向M8反平行，与第二固定磁性层56的磁化方向M9平行，在第一栅电极58上施加预置电压V1，如图17所示，把第一栅电极58的栅电压设定为等于V1(Vc1=V1)。这改变了布置在可变磁性层54和第一固定磁性层52之间的第一隔离层53的载流子浓度，从而改变了可变磁性层54和第一固定磁性层52之间的磁性耦合状态。于是转矩施加在低矫顽力的可变磁性层54上，使可变磁性层54的磁化方向M10反转。亦即，可变磁性层54的磁化方向M10与第一固定磁性层52的磁化方向M8平行，与第二固定磁性层56的磁化方向M9平行，如图17所示。由于可变磁性层54呈现强的单轴磁各向异性，所以如此反转的此磁化状态是稳定的，以致即使终止在第二栅电极58施加的电压V2也可以保持该磁化状态。
于是，采用本发明的信息记录元件50，通过在第一栅电极58上或者第二栅电极60上施加电压，无需使用磁场，即可以控制可变磁性层54的磁化方向M10，从而能够基于可变磁性层54的磁化方向记录双电平信息。此外，采用本发明的信息记录元件50，通过在第一栅电极58施加预置电压或者通过在第二栅电极60施加预置电压，可以使可变磁性层54的磁化方向M10反复地反转。亦即，信息记录元件50可以反复地重写信息。
在如图12-17所示的信息记录元件中，图12-14所示信息记录元件，具有的优点是可变磁性层45位于其上表面，从而可以容易地读出可变磁性层45的磁化方向M7的变化。另一方面，图15-17所示信息记录元件50，与图12-14所示信息记录元件相比具有的优点是，其需要的表面积较小，从而可以使其具有更高的电路集成度。
在上述信息记录元件30、40和50中，所用的可变磁性层34、45和54呈现单轴磁各向异性，从而可进行双电平记录。但是，所用的可变磁性层相对于磁化取向可具有三个以上的最小各向异性能量点。如果采用相对于磁化取向具有三个以上的最小各向异性能量点的可变磁性层，则可以利用单个可变磁性层进行三个以上值的多值记录。
通过使隔离区域中如上具体所述含有磁性材料，即使隔离区域厚度较厚也可以在铁磁性材料形成的磁化区域之间产生磁交互作用。亦即，通过使隔离区域包含磁性材料，即使隔离区域的厚度较厚也可以控制磁化区域的磁化。亦即，采用本发明的上述第一方案，可以实现无需磁场即能够控制磁化的磁化控制方法、和使用该磁化控制方法的信息记录元件和信息记录方法。结果实现了可快速存取的理想的固体存储器，使其具有更高的电路集成度，具有巨大的重写次数，是非易失的并且无串扰。
2．第二实施例
本发明的第二方案应用于如下构成，其中含有导电材料的导电层与多个磁性层层叠，使导电层设置在磁性层之间，电流在层叠组合的导电层中流动，从而控制磁性层的磁化方向。以下将具体说明根据本发明的磁化控制方法、信息功能元件、信息记录方法、信息记录元件和可变电阻元件的优选实施例。
2-1磁化控制方法的原理
首先，说明磁化控制方法的基本原理。在本实施例中，无需依靠外加磁场，而是利用固体材料中的磁交互作用(交换作用)作为驱动能量，在作为器件的构成部分的磁性层中感应磁化的反转。由于磁化方向被反转，所以其中感应磁化反转的磁性层可以称为‘可变磁性层’，或者如果考虑信息记录元件，则也可以称为‘记录介质’。
交换作用正是铁磁性材料内部的原子的单向取向的磁矩的来源。如果一对磁性部件100、101相互接触，交换作用就通过磁性部件100、101相互接触的界面在其间起作用。如果磁性部件100、101不相互直接接触而有中间层103夹于其间，交换作用则可以借助中间层103在磁性部件100、101之间作用。如果中间层103是磁性部件，它当然传递交换作用。但是，如果中间层103本身是非磁性层，例如Au，或者是半导体，例如Si、Ge，已经证实交换作用也通过中间层103传递。已经提出了解释交换作用的传递源的理论，例如RKKL模型。
这里采用这种交换作用来控制磁性部件的磁化方向。下面通过具体实施例说明利用交换作用来控制磁化方向的方法。
假设磁性部件100、101相互不直接接触，而是由中间层103分隔，如图19所示。还假设磁性部件100是磁化方向易于改变的软磁部件，而磁性部件101是磁化方向固定的永久磁体。还假设磁性部件100、101之间的中间层103是铁磁性材料，但是具有低的居里温度Tc(高于该温度时磁性状态是无序的)。
当温度高于中间层103的居里温度Tc时，中间层103缺乏磁性有序，以致磁性部件101的作用不能传递到磁性部件100，从而在外磁场的作用下磁性部件100的磁化处于随机取向。如果温度降低到居里温度Tc以下，则将在中间层103中产生磁性有序，从而，匹配磁性部件100、101的磁化方向的交互作用通过中间层103起作用。由于磁性部件101是永久磁体，所以至此仍在随机方向取向的磁性部件100的磁化方向被改变成与磁性部件101的磁化方向相匹配。磁性部件100的磁化方向的这种变化不是由外磁场引起的，而是由固体材料中的交换作用引起的。
根据本发明，采用这种交换作用作为驱动能源来控制磁性部件的磁化方向。但是，根据本发明，系利用电输入控制交换作用，而不是如上所述的环境温度。
根据本发明的磁功能元件，是采用以交换作用作为驱动能源从而改变磁化方向的操作的元件。换言之，根据本发明的磁功能元件是由包含磁性材料和电输入/输出端的多薄膜的多层结构制成的元件。铁磁性材料的磁化方向的所述变化不是由施加于铁磁性材料的外磁场的改变引起的，而是由固体材料中的交换作用的改变引起的。
亦即，在本发明的第二方案中，以固体材料中的交换作用作为驱动能源，控制磁性部件的磁化方向。通过使用这种交换作用，构成了一种信息记录元件。采用具有几十Oe的矫顽力、具有适中的磁化方向变化趋势的磁性部件(以下称为磁性部件A)作为记录介质，而采用由永久磁体形成的磁性部件(以下称为磁性部件B)作为在记录介质上写入的驱动能源。基于磁性部件A的磁化取向，实现包括双值记录的多值记录。
以下说明使用磁性部件A和磁性部B的交换作用，其中，具有几十Oe的矫顽力、具有适中的磁化方向变化趋势的磁性部件A被作为记录介质，永久磁体的磁性部件B被作为在记录介质上写入的驱动能源。
假设磁性部件A和B均是层叠膜，其具有的接触表面大于磁性部件的体积，可以有效地传递交换作用。在以下说明中，具有几十Oe的矫顽力、具有适中的磁化方向变化趋势的磁性部件A的各层被作为记录载体，因而称为记录载体层。而且，永久磁体形成的磁性部件B各层是固定的，以使其磁化方向不变，因而称为固定磁性层。由于本发明期望降低信息记录元件的尺寸，所以假设记录载体层具有单磁畴结构。
通常，由两层之间的交换作用产生的势能Uex正比于磁性部件A和B之间界面的面积S。如果记录载体层的磁化方向是θ，固定磁性层的磁化方向是θflx则由两层之间的交换作用产生的势能Uex由下式(1-1)表示：
Uex=-S·J·cos(θ-θflx) …(1-1)
其中J代表系数。
另一方面，在外磁场H中，记录载体层具有由外磁场H产生的势能(塞曼能)UZ。此势能UZ由下式(1-2)表示：
UZ=-S·t·磁性半导体·H·(θ-θH) …(1-2)
其中Ms是饱和磁化强度，t是厚度，θH是外磁场H的方向。
从上述公式(1-1)和(1-2)可见，由交换作用产生的势能Uex和势能UZ有相同形式。亦即，与外磁场类似，交换作用具有改变记录载体层的磁化方向的作用。因此，交换作用的强度可以作为磁场等效值Hex控制。亦即，如果θflx和θH具有相同值，Uex等于UZ，则下式(1-3)成立：
-S·J·cos(θ-θflx)=-S·t·磁性半导体·Hex·cos(θ-θH)…(1-3)
从而作为磁场计算的交换作用的强度的值Hex可以表示如下：
Hex=J/(Ms·t) (1-4)
如果记录载体层的矫顽力Hc小于磁场等效值Hex，则可以由交换作用产生磁化反转。
至今为止，通过在导体中流过电流所产生的磁场被施加给记录介质。可以施加于记录介质的磁场强度H由公式(3)表示，如上所述。亦即，如果通过在导体中流过电流而向记录介质施加磁场，则可以使用的磁场幅度正比于导体的直径D’：
H=12500×D’[A/m]=156×D’[Oe] …(3)
另一方面，从公式(1-4)可知，利用交换作用进行的磁化反转与界面表面积无关。因此，在元件尺寸趋向于更为精细的技术进程中，根据本发明利用交换作用实现磁化反转的操作超越传统的利用磁场的操作的时代必定来临。
如果交换作用的值是J=0.05mJ/m2，记录载体层的厚度t是t=10nm，记录载体层的饱和磁化强度Ms是Ms=1T，把这些值代入上述公式(1-4)，则磁场等效值Hex是Hex=5000A/m=630Oe。另一方面，当直径D’=0.4μm时，由上述公式(3)表示的磁场强度H是630Oe。
亦即，根据本发明的磁化控制方法比利用通过导体流过电流而产生的磁场的方法更有效的元件尺寸是亚微米范围。如果考虑近来的技术趋势，在不远的将来，在例如磁性存储器中，设计规则肯定将达到亚微米数量级。因此，根据本发明的磁化控制方法将来显然将优于使用通过在导体中流过电流而产生的磁场的方法。
为了对比，图20分别针对使用通过在导体中流过电流而产生的磁场的现行磁场系统和利用固体材料中的交换作用的交换耦合系统，展示了信息记录元件的单元尺寸L和可以用于驱动记录载体层的驱动磁场H之间的关系。图20中，实线A和虚线B分别代表现行磁场系统和交换耦合系统。在现行磁场系统中，假设导体的直径D’是单元尺寸的0.8倍。
参见图20，对于现行磁场系统，单元尺寸越小，可以从导体施加的磁场就越小。另一方面，由于层叠结构中的交换耦合作用与单元尺寸无关，设计规则越精细，交互耦合系统就越优越。
在利用交换作用控制记录载体层的磁化的情况下，由于交换作用的磁场等效值Hex如上所述与单元尺寸无关，即使设计规则变精细，大矫顽力的磁性薄膜也可以用做记录介质。具体地，从图20可知，即使单元尺寸极小，矫顽力超过几十Oe的磁性薄膜也可以用做记录载体层。同时，如果饱和磁化强度Ms降低，则可以进一步提高记录载体层的矫顽力。而且由于应用本发明的磁化反转操作取决于仅在两种接触材料之间产生的交换作用，所以可以避免在别的情况下会与相邻元件产生的串扰。
2-2元件的具体实施例
以下说明使用上述原理的根据本发明的元件的具体实施例。
图21、22展示了根据本发明的磁功能元件的一个实施例。参见图21、22，磁功能元件110包括，形成在玻璃基片111上的固定磁性层112、形成在固定磁性层112上的导电层113、与导电层113两端连接的电极114、115和通过绝缘层116形成在导电层113上的可变磁性层117。
固定磁性层112由高矫顽力的氧化物磁性材料形成，并且稳定在恒定的磁化方向。亦即，固定磁性层112之所以被称为‘固定磁性层’，意思是该元件具有恒定的磁化方向。相反，可变磁性层117由低矫顽力的磁性材料形成。采用本发明的磁功能元件110，可以控制可变磁性层117的磁化方向。亦即，可变磁性层117之被称为‘可变磁性层’，意味着该层117具有可变的磁化方向。
由导电材料形成的导电层113用来控制固定磁性层112和可变磁性层117之间的磁性耦合状态。亦即，导电层113可以说是用于控制固定磁性层112与可变磁性层117的磁性耦合状态的层。
采用本发明的磁功能元件110，可以通过电极114、115使电流流过导电层113，改变固定磁性层112和可变磁性层117之间的交换作用，控制可变磁性层117的磁化方向。换言之，可以采用本发明的磁功能元件110，通过电输入控制交换作用，从而控制其磁化方向。
此时，在磁功能元件110中，由高电阻的氧化物材料形成的固定磁性层112作为导电层113的下层，而布置高电阻的绝缘层116覆盖导电层113。通过形成高电阻层作为导电层113的上层和下层，可以使从电极114、115施加的电流有效地聚集在导电层113中。因此，可以利用弱电流驱动磁功能元件110。
此时，对具有控制可变磁性层117的磁化方向的功能的磁功能元件110的使用没有特别限制。例如，磁功能元件可以用做电光调制器、信息记录元件、可变电阻元件或者用做放大元件，如下所述。
2-2-1-1磁功能元件的制造方法
使用五极(quintenary)磁控管溅射器件，实际制造磁功能元件110。制造工序如下：
(ⅰ)固体磁性层的形成
首先，在BK-7的玻璃基片111上形成钴铁氧体薄膜的固定磁性层112。具体地，采用第一掩膜，其具有在垂直或Y方向为20μm、在水平或X方向为220μm的矩形开口，在加热到250℃的玻璃基片111上淀积钴铁氧体薄膜。采用CoFe2O4烧结靶，通过RF-磁控管溅射，以0.3nm/s的淀积速率，淀积厚300nm的钴铁氧体薄膜。作为溅射气体，采用混合有10％的O2的Ar气，并且以3mTorr的溅射气压按20sccm的速率供气。
(ⅱ)导电层的形成
导电层113，作为Cr膜和Fe-Ag膜交替形成的多层膜，形成于固定磁性层112上。具体地，在形成有固定磁性层112的玻璃基片111交替地处于各个靶之上的同时，同步地溅射Fe-Ag镶嵌靶和Cr靶，以便在室温下在玻璃基片111上反复淀积Cr膜和Fe-Ag膜，该镶嵌靶是由以15°的圆心角布置在Fe靶上的六个扇形Ag板组成的。调节膜厚以使每层Cr膜具有0.9nm的膜厚、每层Fe-Ag膜具有1.5nm的膜厚。调节层叠顺序以使Fe-Ag膜首先淀积在固定磁性层112上，并且在16个半的周期之后淀积Fe-Ag膜作为最上层。
(ⅲ)绝缘层的形成
然后在导电层113上形成氧化铝的绝缘层116。具体地，在淀积的图形中央布置具有20μm×20μm正方形开口的Mo掩膜，在其上再淀积A1薄膜。然后，利用溅射器件的基片蚀刻功能，对Al薄膜进行等离子体氧化，形成绝缘层116。Al薄膜的等离子体氧化在混合有5％的O2的Ar气氛中，以10mTorr的气压进行。
(ⅳ)可变磁性层的形成
然后在绝缘层116上形成Ni78Fe22合金薄膜构成的可变磁性层117。具体地，与淀积的图形对准地在玻璃基片111上布置具有3μm×3μm正方形开口的Mo掩膜。玻璃基片111被加热到160℃，在其上淀积厚110nm的Ni78Fe22合金薄膜。在平行于图形的纵向侧(在Y方向)的方向上施加50Oe的磁场，以便对厚10nm的Ni78Fe22合金薄膜赋予磁各向异性。
(ⅴ)电极的形成
然后，在导电层113两端形成Au电极114、115。具体地，淀积尺寸为100μm长、100μm宽和200μm厚的Au薄膜，以便覆盖导电层113的两端，亦即覆盖在先淀积的图形的左端和右端。
(ⅵ)固定磁性层的磁化
最后，在室温于平行于图形水平侧(X方向)的方向上利用电磁体施加2kOe的磁场，制成如图21和22所示的磁功能元件110，其中固定磁性层112的磁化方向取向在X方向。
2-2-1-2交换作用的证实
在如上所述制造的磁功能元件110上施加外磁场，观察可变磁性层117的磁化磁滞，以证实交换作用的存在。结果如下：
为了观察可变磁性层117的磁化磁滞，利用了正比于材料表面层的磁化的磁光克尔效应MOKE。具体地，在X-Z平面布置一组MOKE测量器件，在Y-Z平面布置另一组MOKE测量器件，以便测量正比于X方向磁化分量和正比于Y方向磁化分量的克尔旋转角。
用于测量Ｘ方向的克尔旋转角的MOKE测量器件，包括由布置在X-Z平面的用于发射670nm波长可见光激光的半导体激光器121x、光偏振器122x、第一透镜123x、第二透镜124x、光偏振器125x和光电探测器126x组成的光学系统，如图23所示。MOKE测量器件通过偏振器122x和第一透镜123x把半导体激光器121x发射的激光照射在磁功能元件110的可变磁性层117上，借助第二透镜124x和光偏振器125x利用光电探测器126x检测从可变磁性层117反射的光，测量正比于X方向磁化分量的克尔旋转角。注意应设定照射在磁功能元件110的可变磁性层117上的激光的入射角和激光的偏振面，以便仅可以有效地检测起因于可变磁性层117的MOKE。
用于测量Y方向的克尔旋转角的MOKE测量器件，包括由布置在Y-Z平面的用于照射670nm波长可见光的半导体激光器121y、光偏振器122y、第一透镜123y、第二透镜124y、光偏振器125y和光电探测器126y组成的光学系统，如图23所示。MOKE测量器件通过偏振器122y和第一透镜123y把半导体激光器121y发射的激光照射在磁功能元件110的可变磁性层117上，借助第二透镜124y和光偏振器125y利用光电探测器126y检测从可变磁性层117反射的光，测量正比于Y方向磁化分量的克尔旋转角。注意应设定照射在磁功能元件110的可变磁性层117上的激光的入射角和激光的偏振面，以便仅可以有效地检测起因于可变磁性层117的MOKE。
为了观察可变磁性层117的磁化磁滞，对磁功能元件110施加强度和取向均可变的外磁场。利用布置在磁功能元件110两侧的一对线圈127、128，对磁功能元件110施加外磁场，如图23所示。通过改变线圈127、128中流动的电流和线圈127、128的位置，改变施加在磁功能元件110上的磁场强度和取向。
此时，使用振动样品磁强计VSM测量固定磁性层112的平面内磁化曲线。发现呈现满意的矩形形状的磁化曲线，矫顽力是1060Oe。于是，在±50Oe以下的外加磁场强度利用MOKE观察可变磁性层117的磁化磁滞，以便不引起在X方向磁化的固定磁性层的磁化状态的变化。观察到四种磁化磁滞，亦即在可变磁性层117中无电流的条件下的X方向的磁化磁滞，在可变磁性层117中无电流的条件下的Y方向的磁化磁滞，在可变磁性层117中有电流的条件下的X方向的磁化磁滞，和在可变磁性层117中有电流的条件下的Y方向的磁化磁滞。
首先，观察在导电层113中未施加电流的条件下的磁化磁滞。在X方向和Y方向的磁化磁滞的观察结果分别展示在图24的左上侧和右上侧。图24左上侧所示的X方向的磁化磁滞呈现左右对称轴向左偏移的磁滞曲线。从此可见，可变磁性层受到对X方向的磁化敏感的偏磁作用。另一方面，展示在图24右上侧的Y方向磁化磁滞表明，在导电层113中无电流流动的条件下，在零磁场中的Y方向剩余磁化极小。从此可见，在零磁场中，可变磁性层117的磁化方向基本取向在X方向。
然后，随着向导电层113馈送1.2mA的电流，观察可变磁性层117的磁化磁滞。在X方向和Y方向的磁化磁滞的观察结果分别展示在左下侧和右下侧。从这些观察结果可见，如果通过导电层113馈送电流，则可变磁性层117呈现在Y方向易磁化的特性。
此时，如果终止电流源从而观察可变磁性层117的磁化磁滞，可变磁性层117显示的磁化磁滞如图24上侧所示。这表明是否通过可变磁性层117施加电流所引起的变化具有可逆性质。
为了对比，在非磁性基片上仅形成Ni-Fe合金薄膜，观察Ni-Fe合金薄膜的磁化磁滞。结果展示在图25。通过在如下环境下，即如同形成可变磁性层117时那样在Y方向施加磁场，在玻璃基片上直接淀积Ni-Fe合金薄膜，从而制得用于上述观察的样品。在Y方向施加磁场的环境下制备的Ni-Fe合金薄膜的Y方向的磁化曲线，展示了高矫顽力和高剩磁，这表明在此Ni-Fe合金薄膜内建立了Y方向易磁化的磁各向异性。
从图25可见，在磁场中淀积的Ni-Fe合金薄膜在施加磁场的方向具有易磁化轴。因此，磁功能元件110的可变磁性层117本身在Y方向具有易磁化轴。图24所示观察结果的特征被认为反映了来自下层的效应。
如果未向导电层113馈送电流，则可变磁性层117在零磁场中被偏置，从而易于在X方向磁化。这提示，使磁化方向取向的铁磁性交换作用是从在+X方向磁化的下层传递而来的。另一方面，如果通过导电层113施加电流，则可变磁性层117呈现与图25所示对比样品的观察结果相似的特性，于是更显著地表明了可变磁性层本身独有的特性。由此可见，通过在导电层113流过电流，减弱了来自下层的影响。
上述观察结果表明，在可变磁性层117和作为可变磁性层117的下层的固定磁性层112之间存在交换作用，而通过对导电层113施加电流可减弱交换作用。
2-2-1-3转换操作的证实
图26展示了从图24读出的在零磁场状态中各个方向的磁化分量的比例、和从该读出比例估算的可变磁性层117的磁化矢量的取向。图26中，矢量A和B分别表示在通入电流状态和未通入电流状态的可变磁性层117的磁化矢量的取向。
从图26可见，可变磁性层117的磁化绝对值不变，磁化方向与X方向的夹角在约20°和约85°之间转换。这实际上证实了通过施加给导电层113的电流的导通/截止，可变磁性层117的磁化矢量在这两个方向转换。
证实转换操作时，同时使用如图23所示的两组MOKE测量器件，对正比于可变磁性层117的X方向磁化分量的X方向克尔旋转角和正比于可变磁性层117的Y方向磁化分量的Y方向克尔旋转角进行监视的同时时，转换导电层113的电流导通/截止。
结果如图27所示，其中θk-x表示X方向的克尔旋转角，θk-y表示Y方向的克尔旋转角，I表示施加于导电层113的电流。从图27可见，在可变磁性层117的磁化方向，观察到与馈给导电层113的电流的导通/截止操作同步的变化，还应注意到只要对导电层113有电流输入，则就有输出改变的‘瞬时’转换。
此时，当电流施加给导电层113时，可变磁性层117的磁化矢量在该矢量与电流流动方向所成夹角增加的方向发生变化。但是，无论电流极性是否变化，发生转换的夹角范围不变。由此可见，电流产生的磁场在改变可变磁性层117的磁化方向上的作用较小，完成转换操作的原动力在于交换作用的变化。
此时，在磁功能元件中，导电层113的上层和下层由电阻明显大于导电层113的氧化物形成。因此，通过电极114、115施加的1.2mA电流基本仅流过导电层113。在磁功能元件110中，宽20μm的导电层113参与3μm×3μm的可变磁性层117的转换操作的部分仅是中央3μm的部位。因此，实现转换操作的净电流是0.18mA。
按此方式，采用磁功能元件110，可以用极小的电流实现转换操作。在传统的固体磁性存储器中，据报道，为了控制记录载体而在导体中流过的电流可减小到约1mA。采用上述磁功能元件，可以用明显更小的电流实现转换。此外，采用由交换作用控制磁化的本发明系统，如果单元尺寸较小，则转换操作所需电流可以进一步减小。同时，如果对导电层113施加1.3mA的电流，电流密度大约是1.56×109A/m2。此值与为了控制记录载体磁化而在导体中流过的电流密度具有基本相同的数量级。
2-2-2-4导电层的操作
采用上述磁功能元件110，反复层叠Cr和Fe-Ag膜获得的多层膜用做导电层113，控制固定磁性层112和可变磁性层117之间的交换作用。以下说明通过导电层113来控制固定磁性层112和可变磁性层117之间的交换作用的机理。
在由层叠在一起的Cr和Fe膜组成的多层膜中，如果Cr层的厚度选择为适当的值，例如0.7nm，则可按照已知方式实现反铁磁性耦合，其中Cr膜两侧的Fe膜的磁化相互反平行。如果采用Fe-Ag膜代替Fe膜，Cr膜两侧可有类似的磁性离合。但是应注意，如果采用Fe-Ag膜代替Fe膜，由于含有Ag，整个多层膜的磁性耦合变弱。
由于存在偶数层的Cr膜，所以在最下的Fe-Ag膜和最上的Fe-Ag膜之间产生了铁磁性耦合，趋向于使两层的磁矩取相同的方向和相同的强度。
最初层叠的Fe-Ag膜与钴铁氧体薄膜制成的固定磁性层112铁磁性耦合。另一方面，由氧化铝形成的绝缘层116形成在Fe-Ag膜上，最后层叠。此绝缘层116具有极薄的厚度，因此具有许多针孔。于是，最上的Fe-Ag膜通过针孔与形成于其上的Ni-Fe合金薄膜的可变磁性层117铁磁性耦合。如果在正向追踪从固定磁性层112到可变磁性层117的耦合，则可发现铁磁性耦合产生在固定磁性层112和可变磁性层117之间，符合根据图24上侧所示的磁特性得出的结论。
当对导电层113施以电流时，固定磁性层112和可变磁性层117之间的磁耦合被减弱。但是难以用单一理由解释磁耦合的衰减。如果要设想其机理，可以认为，如果对导电层113施以电流，则由电流在导电层113中产生过多的电子散射，以致在相对于层叠膜的膜表面的垂直方向传递自旋，从而干扰了在上下磁性层之间传递交换作用的电子，从而减弱了磁性耦合。还可以设想，由于电流引起的升温减弱了导电层中的磁性有序，所以磁性耦合被电流引起的升温所分离，从而减弱了由整个导电层传递的磁性耦合的强度。
导电层113的例子如图28所示。如同图28所示，导电层113A由多层磁性层113a和位于磁性层113a之间的中间层113b制成。虽然导电层113A由四层磁性层113a和三层中间层113b制成，而上述磁功能元件110所用的导电层113是由17层磁性层113a和16层中间层113b制成的。但是对层数没有特别限制，可以根据期望的磁性耦合状态适当地改变。
而且，在磁功能元件110的导电层113中，Fe-Ag膜用做磁性层113a,Cr膜用做中间层113b。但是，磁性层113a或者中间层113b的材料并不限于这些材料。
例如，可以使用铁磁性材料，例如Fe、Co或Ni，或者它们与非磁性金属的合金。作为中间层113b，可以使用几乎任何金属物质。例如可以使用Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。而且，本身在室温呈现反铁磁性的Cr，在其用于上述导电层113的同时，自然也可以用做中间层113b。在具有此层叠结构的导电层113A中，可以任意地通过例如磁性层113a的类型、中间层113b的厚度、磁性层113a或中间层113b的层数，进行改变，无论所得磁性耦合是铁磁性还是反铁磁性，或者磁性耦合强度怎样。
同时，只要磁性功能元件110中所用的导电层113具有改变磁交互作用在固相的传播方式的功能就足够了。因此，导电层113可以由含呈现单相磁性有序的材料和非磁性材料的复合材料形成。此时，导电层113的形成可以无需为方便导电层113的形成而使用多维溅射设备。
导电层113可以由层叠薄膜或者组成调制膜构成，这是交替形成铁磁性成分区和非磁性成分区获得的。其优点在于易于控制导电层113的结构，从而保证性能的高再现性。此外，通过改变膜厚或者说层叠周期，可以容易地实现材料设计或性能的匹配。这是如图28所示的导电层113A的情形。
导电层113可以是具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物。由于有不同强度的磁性耦合的多种路径，所以可以通过从较弱耦合路径开始移动路径来逐渐降低磁性耦合。因此，此结构特别适合于模拟操作，如同在以下将说明的可变电阻元件的情形下一样。
图29展示了由铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物构成的导电层113的典型例子。如图29所示的导电层113B具有微粒分散结构，其中铁磁性颗粒113c分散在微粒分散结构的导电层113B中的非磁性材料113d内，磁性耦合在作用类似于楼梯石阶的铁磁性颗粒中传输，结果布置在导电层113B两侧的固定磁性层112和可变磁性层117就磁性耦合起来。
铁磁性颗粒间的磁性耦合极弱，所以如果电流在导电层113B中流动，则磁性耦合因过多电子散射和温升而趋于分离。亦即，在微粒分散结构的导电层113B中，布置在其两侧的固定磁性层112和可变磁性层117之间的磁性耦合，依赖于铁磁性颗粒间的弱磁性耦合，以致宏观磁性耦合趋于因导电层113B中流动的电流而被分离。
在微粒分散结构的导电层113B中，针对构成层叠结构的导电层113A的导电层113a所列举的上述材料，可以用做铁磁性颗粒113c的材料。而且，针对构成层叠结构的导电层113A的中间层113b所列举的上述材料，可以用做铁磁性颗粒113c分散于其内的非磁性层113d的材料。
同时，微粒分散结构也可以用做层叠结构的构成单元。虽然Fe-Ag膜用做磁性功能元件110的导电层113，但是非固溶体式的两相混合物材料形成的Fe-Ag膜，可以正确地说成是微粒分散结构。
导电层113不仅可以由共存的两相构成，而且还可以由在靠近补偿点的状态的单相铁磁性材料构成。在靠近补偿点的状态的单相铁磁性材料，在外加激励作用下，其宏观磁特性呈现显著的变化。于是，通过使用在靠近补偿点的状态的单相铁磁性材料作为导电层113的材料，可以控制固定磁性层112和可变磁性层117之间的磁性耦合状态，或者直接调制用于可变磁性层117的偏磁。
2-2-1-5输出方法
在上述实验中，系通过使用MOKE对用于转换可变磁性层117的磁化方向的转换操作的结果进行光学检测。这相当于将磁性功能元件110作为电光调制单元工作。但是，用于改变可变磁性层117的磁化方向的转换操作的结果也可以作为电输出而获得。
如果用于可变磁性层117的磁化方向的转换操作的结果要作为电输出获得，则将非磁性金属的隔离层130和具有固定磁化方向的磁性金属的磁性层131布置在可变磁性层117上，如图30所示。通过在可变磁性层117上布置隔离层130和磁性层131，利用可变磁性层117、隔离层130和磁性层131的自旋阀作用，可以检测电阻的变化，从而检测可变磁性层117的磁化方向的变化。
具体地，构成输出电路132，用于互连可变磁性层117和磁性层131，如图30所示。此时，电阻根据可变磁性层117的磁化方向与磁性层131磁化方向的夹角而变化，从而改变在输出电路中流动的输出电流。
同时，利用隧道磁致电阻效应，而不利用自旋阀效应，也可以检测用于改变可变磁性层117的磁化方向的转换操作的结果。当使用隧道磁致电阻效应时，隔离层130由绝缘材料形成。如果使用绝缘材料作为隔离层130，则可以利用隧道磁致电阻效应改变输出电路132中的电流。
或者，四个接线端可以适当地连接于可变磁性层117，用于根据可变磁性层117的磁化方向通过霍尔效应获得电压输出。
2-2-2一次写入式信息记录元件
以下说明使用通过电流产生的交换作用的一次写入式信息记录元件。
此时，使可变磁性层的磁化方向在一定方向取向的操作称为驱动操作。对可变磁性层施加驱动操作的层被称为驱动层。在以下说明中，对应于上述磁性功能元件110的固定磁性层112和导电层113总称为一个驱动层。
2-2-2-1正逻辑驱动式信息记录元件
利用交换作用的调制能够仅一次写入的信息记录元件的例子如图31A-31C所示，这些是示意图，展示了信息记录元件的驱动原理，没有具体展示输出或输入电路的布线。
参见图31A-31C，信息记录元件140包括驱动层141，其上形成有呈现单轴磁各向异性的磁性材料142，元件140适合于基于可变磁性层142的磁化方向进行二进制记录。在图31A-31C中，箭头M1和A1代表可变磁性层142的磁化方向和从驱动层141作用在可变磁性层142上的驱动操作。
此信息记录元件140是所谓的‘正逻辑驱动式’元件，其中，改变可变磁性层142的磁化方向时，驱动操作A1从驱动层141作用于可变磁性层142。以下说明信息记录元件140的驱动原理。
采用本发明的信息记录元件140，可变磁性层142的磁化方向设定在复位状态，以便与来自驱动层141的驱动操作方向A1相反，如图31A所示。在图31A-31C的例子中，驱动操作的方向A1向左，在复位状态中可变磁性层142的磁化方向M1向右。在此复位状态下，电流施加给驱动层141的导电层，从而以使从驱动层141向可变磁性层142的驱动操作A1终止。
为了改变可变磁性层142的磁化方向M1，以设定写入信息的导通状态，终止施加于构成驱动层141的导电层的电流。这样在驱动层141和可变磁性层142之间产生了交换作用，同时产生了从驱动层141向可变磁性层142的驱动操作。
此时，从驱动层141作用在可变磁性层142上的驱动操作A1，应具有超过可变磁性层142矫顽力的强度。如果驱动操作A1超过可变磁性层142的矫顽力，则在处于导通状态时可变磁性层142的磁化被反转，从而使可变磁性层142的磁化方向与驱动操作A1的方向相匹配。亦即，采用本发明的信息记录元件140，当处于导通状态时可变磁性层142的磁化方向M1反转向左。
如果之后电流施加在驱动层141的导电层，阻止从驱动层141向可变磁性层142的驱动操作A1，由于单轴磁各向异性，可变磁性层142的反转的磁化方向M1被保持，如图31C所示。亦即，如果从驱动层141作用在可变磁性层142的驱动操作A1被禁止，则磁性材料142的磁化方向M1已被反转的设定状态被保持，如图31C所示。
采用本发明的信息记录元件140，如上所述，通过转换施加在构成驱动层141的导电层的电流的导通/截止，可以使可变磁性层142的磁化方向反转，于是，可以基于可变磁性层142的磁化方向进行二进制记录。应注意信息记录元件140必须连续对驱动层141的导电层施以电流，以便保持复位状态，因而不是非易失存储器。
作为上述信息记录元件140，本发明人实际制备了类似于图21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的钴铁氧体薄膜的固定磁性层，由反复层叠Cr膜和Fe-Ag膜形成的多层导电膜，氧化铝的绝缘层，具有在X方向的易磁化轴的Ni-Fe合金薄膜的可变磁性层。
通过改变施加给导电层的电流的导通/截止状态而产生的可变磁性层的磁化方向的变化通过测量MOKE而加以检测。具体地，通过馈给导电层电流，同时在+X方向施加40Oe的磁场，以使可变磁性层的磁化取向在+X方向。然后去掉施加的磁场，而对导电层仍连续提供电流。此时发现，可变磁性层的磁化保持在+X方向，终止电流时磁化则反转为-X方向。
由此发现，通过转换施加给导电层的电流的导通/截止，可以改变可变磁性层的磁化方向，能够进行一次写入操作。但是应注意此时可变磁性层的转换操作，不是把可变磁性层的磁化方向和X方向之间的角度从约20°改变为约85°的转换操作，而是在平行和反平行之间的转换操作。
2-2-2-2负逻辑驱动式信息记录元件
能够进行利用电流调制交换作用的一次写入操作的信息记录元件的一种改进如图32A-32C所示。此时，图32A-32C是示意图，类似于图31A-31C，用于展示信息记录元件的驱动原理，没有具体展示用于输出或输入电路的布线。
参见图32A-32C，展示了信息记录元件150，其中，在驱动层151上形成具有单轴磁各向异性的可变磁性层152，在可变磁性层152上形成反铁磁性层153，用于施加与从驱动层151向可变磁性层152的驱动作用反向的驱动作用，以便能够基于可变磁性层152的磁化方向进行二进制记录。在图32A-32C中，箭头A1、A2和M1分别代表从驱动层151向可变磁性层152的驱动操作、从反铁磁性层153向可变磁性层153的驱动操作、和可变磁性层152的磁化方向。
此信息记录元件150是所谓的负逻辑驱动式元件，其中当从驱动层151向可变磁性层152的驱动操作A1终止时，可变磁性层152的磁化方向M1被改变。以下说明信息记录元件150的驱动原理。
在此信息记录元件150中，可变磁性层152的磁化方向M1设定在与复位状态中的驱动操作A1的方向相同的方向，如图32A所示。在图32A-32C的例子中，驱动操作的方向A1向右，在复位状态中的可变磁性层152的磁化方向M1向右。
在此信息记录元件150中，在复位状态对驱动层151的导电层未施加电流。因此，在复位状态，从驱动层151向可变磁性层152施加了驱动操作。但是，在信息记录元件150中，与来自驱动层151的驱动操作A1反向的驱动操作A2，被从反铁磁性层153施加于可变磁性层152，来自驱动层151的驱动操作A1被来自反铁磁性层153的驱动操作A2抵消。但是，由于反铁磁性层153呈现单轴磁各向异性，所以可变磁性层152的磁化方向保持在其初始磁化方向上，而与来自驱动层151的驱动操作A1或者来自反铁磁性层153的驱动操作A2无关。
如果要改变可变磁性层152的磁化方向M1设定用于写入信息的导通状态，则给驱动层151的导电层施加电流。这样减弱了驱动层151和可变磁性层152之间的交换作用，以致令从驱动层151作用到可变磁性层152的驱动操作A1无效。从反铁磁性层153到可变磁性层152的驱动操作A2被设定，以便具有超过可变磁性层152的矫顽力的幅度。如果来自反铁磁性层153的驱动操作A2设计成超过可变磁性层152的矫顽力，则当从驱动层151到可变磁性层152的驱动操作A1中断有效时，可变磁性层152的磁化被反转，可变磁性层152的磁化方向M1取向在来自反铁磁性层153的驱动操作A2的方向上。亦即，采用本发明的信息记录元件150，当处于导通状态时，可变磁性层152的磁化方向M1被反转为向左。
如果随后终止向构成驱动层151的导电层施加电流，以使驱动操作A1从驱动层151施加给可变磁性层152，驱动操作A1就被来自反铁磁性层153的驱动操作A2所抵消，如同复位状态下的情况一样。由于可变磁性层152具有单轴磁各向异性，可变磁性层152的反转的磁化方向M1保持不变，如图32C所示。亦即，如果电流施加在构成驱动层151的导电层，以使驱动操作A1从驱动层151施加在可变磁性层152，则对应于可变磁性层152的反转的磁化方向M1的设定状态得以保持，如图32C所示。
采用本发明的信息记录元件150，如上所述，通过转换施加给驱动层151的导电层152的电流的导通/截止，可以使可变磁性层152的磁化方向M1反转，使得能够基于可变磁性层152的磁化方向M1进行二进制记录。此外，信息记录元件150不必了保持复位状态或者设定状态而向驱动层151的导电层施以电流，为。亦即，本信息记录元件150是非易失存储器。
作为上述信息记录元件150，本发明人实际制备了类似于图21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的钴铁氧体薄膜的固定磁性层，由反复层叠Cr膜和Fe-Ag膜形成的多层导电膜，氧化铝的绝缘层，具有在X方向的易磁化轴的Ni-Fe合金薄膜的可变磁性层，还包括形成在可变磁性层上的反铁磁性Ph-Mn膜，用于在-X方向向可变磁性层施加驱动操作。
通过改变施加给导电层的电流的导通/截止状态而产性的可变磁性层的磁化方向的变化通过测量MOKE进行检测。具体地，通过电流馈给导电层，在+X方向施加40Oe的磁场，以使可变磁性层的磁化取向在+X方向。然后去掉施加的磁场。发现可变磁性层的磁化保持在+X方向，而对导电层施加电流时，磁化反转为-X方向。
由此发现，通过转换施加给导电层的电流的导通/截止，可以改变可变磁性层的磁化方向，能够进行一次写入操作。但是应注意此时可变磁性层的转换操作，不是把可变磁性层的磁化方向和X方向之间的角度从约20°改变为约85°的转换操作，而是在+X方向和-X方向之间的转换操作。
如果转换施加给导电层的电流的导通/截止，使可变磁性层的磁化瞬变，则在电流供给终止之后反转状态仍然保持。亦即，这证实了在可变磁性层上形成有反铁磁性层的元件可用做非易失存储器。
2-2-3重写式信息记录元件
通过电流调制交换作用的重写式信息记录元件如图33A-33D所示。与图31A-31D或者32A-32D类似，图33A-33D是示意图，用于展示信息记录元件的驱动原理，没有展示用于输入或输出电路的布线。
参见图33A-33D，展示了信息记录元件160，呈现单轴磁各向异性的可变磁性层161夹在第一驱动层162和第二驱动层163之间。信息记录元件160可以基于可变磁性层161的磁化方向进行二进制记录。
在图33A-33D中，箭头A1、A2和M1分别代表从驱动层161到可变磁性层162的驱动操作、从第二驱动层163到可变磁性层161的驱动操作和可变磁性层161的磁化方向。
如果可变磁性层161的易磁化轴的方向是X方向，则第一驱动层162使驱动操作A1作用于可变磁性层161，以使可变磁性层161的磁化方向M1取向在+X方向(图33中的向右方向)。另一方面，第二驱动层163使驱动操作A2作用于可变磁性层161，以使可变磁性层161的磁化方向M1取向在-X方向(图33中的向左方向)。
在信息记录元件160中，如果使从第一驱动层162到可变磁性层161的驱动操作A1处于无效，则可变磁性层161的磁化方向M1被第二驱动层163到可变磁性层161的驱动操作A2取向在-X方向。另一方面，如果从第二驱动层163到可变磁性层161的驱动操作A2处于无效，则通过从第一驱动层162到可变磁性层161的驱动操作A1，可变磁性层161的磁化方向M1取向在+X方向。
而且，在信息记录元件160中，如果从第一驱动层162到可变磁性层161的驱动操作A1和从第二驱动层163到可变磁性层161的驱动操作A2均有效，则来自第一驱动层162的驱动操作A1和来自第二驱动层163的驱动操作A2相互抵消，而可变磁性层161的磁化方向M1被可变磁性层本身的单轴磁各向异性所稳定，保持其状态。
以下进一步说明信息记录元件160的驱动原理。
图33A展示的状态是可变磁性层161的磁化方向M1保持在+X方向(图中是向右方向)。此时，对第一驱动层162的导电层和第二驱动层163的导电层均未施加电流，因此，来自第一驱动层162的驱动操作A1和来自第二驱动层163的驱动操作A2均作用在可变磁性层161。但是，由于来自第一驱动层162的驱动操作A1的方向与来自第二驱动层163的驱动操作A2的方向相反，所以来自第一驱动层162的驱动操作A1和来自第二驱动层163的驱动操作A2相互抵消。于是，可变磁性层161的磁化方向M1被可变磁性层本身固有的单轴磁各向异性所稳定，保持其状态(可变磁性层161的磁化方向M1取向在+X方向的状态)。
图33B展示的状态是可变磁性层161的磁化方向M1被从+X方向(图中向右方向)重写为-X方向(图中向左方向)。此时，电流从第一驱动层162施加于可变磁性层161，以致从第一驱动层162到可变磁性层161的驱动操作A1被终止。另一方面，对构成第二驱动层163的导电层未施加电流。所以来自第二驱动层163的驱动操作A2作用于可变磁性层161。
从第二驱动层163作用于可变磁性层161的驱动操作A2被设计成具有超过可变磁性层161的矫顽力的强度。如果来自第二驱动层163的驱动操作A2适于超过可变磁性层161的矫顽力，则当来自第一驱动层162的驱动操作A1被终止有效时，可变磁性层161的磁化从+X方向(图中向右方向)反转为-X方向(图中向左方向)，如图33B所示，同时可变磁性层161的磁化方向M1取向在来自第二驱动层163的驱动操作A2的方向。
图33C展示的状态可变磁性层161的磁化方向M1保持在-X方向(图中向左方向)。此时，对第一驱动层162的导电层和第二驱动层163的导电层均未施加电流。因此，来自第一驱动层162的驱动操作A1和来自第二驱动层163的驱动操作A2均作用于可变磁性层161。但是，由于来自第一驱动层162的驱动操作A1与来自第二驱动层163的驱动操作A2相反，所以来自第一驱动层162的驱动操作A1和来自第二驱动层163的驱动操作A2相互抵消。于是，可变磁性层161的磁化方向M1被可变磁性层本身固有的单轴磁各向异性所稳定，保持其状态(可变磁性层161的磁化方向M1取向在-X方向的状态)。
图33D展示的状态是可变磁性层161的磁化方向M1被从-X方向(图中向左方向)重写为+X方向(图中向右方向)。此时，电流施于从第二驱动层163的导电层，以致从第二驱动层163到可变磁性层161的驱动操作A2被终止。另一方面，对构成第一驱动层162的导电层未施加电流。所以来自第一驱动层162的驱动操作A1作用于可变磁性层161。
从第一驱动层162作用于可变磁性层161的驱动操作A1被设计成具有超过可变磁性层161的矫顽力的强度。如果来自第一驱动层162的驱动操作A1超过可变磁性层161的矫顽力，则当来自第二驱动层163的驱动操作A2被终止有效时，可变磁性层161的磁化从-X方向(图中向左方向)反转为+X方向(图中向右方向)，如图33D所示，同时可变磁性层161的磁化方向M1取向在来自第一驱动层162的驱动操作A1的方向。
这样，通过转换施于第一驱动层162的导电层的电流的导通/截止，或者转换施于第二驱动层163的导电层的电流的导通/截止，可以使可变磁性层161的磁化方向M1反转，于是能够基于可变磁性层161的磁化方向进行二进制记录。此外，采用本发明的信息记录元件160，可以反复地反转可变磁性层161的磁化方向M1，能够反复地重写记录的信息。而且，在信息记录元件中，不必为了保持可变磁性层161的磁化方向M1，而对第一驱动层162的导电层或者对第二驱动层163的导电层施加电流。亦即本发明的信息记录元件160可用做非易失存储器。
对于如上所述的信息记录元件140、150、160，使用呈现单轴磁各向异性的可变磁性层142、152、161进行二进制记录。但是，可以使用相对于磁化方向具有三个以上的最小各向异性能量点的可变磁性层142、152、161。如果使用相对于磁化方向具有三个以上的最小各向异性能量点的可变磁性层142、152、161，则可以用单个可变磁性层进行三值或更多值记录。
2-2-4可变电阻元件
图34展示了利用电流对交换作用的调制的可变电阻元件的例子。
图34所示可变电阻元件的构成类似于图30的元件(适合于获得可变磁性层的磁化方向的转换操作结果作为电输出的元件)。具体地，可变电阻元件180包括，固定在磁化预置方向Ma的固定磁性层181，形成在固定磁性层181上的导电层182，形成在导电层182上的可变磁性层183，形成在可变磁性层183上的非磁性金属的隔离层184，和固定在磁化预置方向M6的磁性金属的第二固定磁性层185。
在可变电阻元件180中，电流在导电层182中流动，改变第一固定磁性层181和可变磁性层183之间的磁性耦合状态，控制可变磁性层183的磁化方向Mc。作为导电层182的材料，最好使用例如对第一固定磁性层181和可变磁性层183之间的磁性耦合状态具有相对适中的改变率的材料。通过使用对磁性耦合状态具有相对适中的改变率的材料，可以利用对导电层182的电流输入基本平滑地改变可变磁性层183的磁化方向。
为了相对于输入电流值保证对磁性耦合状态的相对适中的改变率，如果导电层183具有由铁磁性组成区和非磁性组成区的混合物构成的结构就足够了。采用铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物构成的结构，则存在大量的不同强度的磁性耦合路径，因而，通过按照强度的升序来去除路径，可以逐渐地降低磁性耦合。因此，通过对导电层82输入电流可以基本平滑地改变可变磁性层183的磁化方向，从而提供模拟操作。
而且，采用本发明的可变电阻元件180，可变磁性层183、隔离层184和第二固定磁性层185构成自旋阀，因而如果改变可变磁性层183的磁化方向Mc，则通过隔离层184和第二固定磁性层185的自旋阀作用，可改变到可变磁性层183、隔离层184和第二固定磁性层185的通路的电阻。
亦即，采用本发明的可变电阻元件180，电流在导电层182中流动，改变第一固定磁性层181和可变磁性层183之间的磁性耦合状态，以控制可变磁性层183的磁化方向Mc。通过控制可变磁性层183的磁化方向Mc，可以控制到可变磁性层183、隔离层184和第二固定磁性层185的通路的电阻。
如果可变电阻元件180具有图34所示电路结构，并且由可变磁性层183、隔离层184和第二固定磁性层185构成自旋阀，则可变电阻元件180可以用做模拟放大器。亦即，采用图34所示电路结构，可以提供放大作用，其中输出端的大电流电路阻抗随着对导电层182的小电流输入而变化。
通过改变磁性层之间的磁性耦合状态，控制磁性层的磁化方向，如上具体所述，可以避免在控制磁性层的磁化方向时伴随着精细设计规则或者矫顽力降低而产生的串扰问题。对于本发明使用磁化控制方法的磁性功能元件、磁记录元件和可变电阻元件，无论设计规则精细化如何进展，均可以避免产生串扰或者矫顽力降低的问题。
3．第三实施例
在本发明的第三方案中，通过固相传播的交换作用被用做利用指定选做写入或读出的可选存储载体实现目标操作的方法。以下说明按照本方式布置的本实施例的磁性存储器件和编址方法。
3-1固体磁性存储器
根据本发明的磁性存储器件是具有由多个分隔的磁性部件组成的阵列的存储器件，或者说是所谓的固体磁性存储器。控制作为用于存储的元件的存储介质的磁化方向无需依靠使用外加磁场。具体地，本发明的第一方案的磁化方向或者本发明的第二方案的磁化控制方法，用来控制作为负责存储功能的元件的存储载体的磁化方向。
在以下说明中，以一种固体磁性存储器为例，其中用固相中的磁交互作用(交换作用)作为驱动力，控制作为承担存储功能的元件的存储载体的磁化方向。同时，在以下说明中，该固体磁性存储器被称为交换耦合式固体磁性存储器。
传统的固体磁性存储器中固有的问题，亦即例如由精细设计规则或者矫顽力降低引起的串扰的问题，可归因于为了写入而对存储介质施加磁场。在交换耦合式固体磁性存储器中，使用交换作用控制存储载体的磁化方向，可以解决传统固体磁性存储器的所述问题。
此时，使铁磁性材料内部的原子磁矩在单一方向取向的动力源是交换作用。如果一对磁性部件190、191相互接触，如图35所示，则交换作用通过接触界面192起作用。如果磁性部件190不与磁性部件91直接接触，如图36所示，而是在磁性部件190、191之间存在中间层193，则磁性部件190、191之间的交换作用往往经过中间层193传播。如果中间层193是磁性部件，该层193当然传输交换作用。但是，如果中间层193本身是非磁性材料，例如Au，或者半导体例如Si或Ge，则同样已经证实可通过中间层193传输交换作用。也已提出了说明交换作用的传递的成因的理论，例如RKKY模型。
3-2交换耦合式固体磁性存储器的例子
图37展示了交换耦合式固体磁性存储器201的例子。如图37所示，交换耦合式固体磁性存储器201是一次写入式存储器，通过控制磁性材料形成的存储载体202的磁化方向仅可以写入一次。
在此交换耦合式固体磁性存储器201中，存储载体202夹在偏磁相互反向的两个固定磁性层203、204之间。从输入电路205向耦合控制层206提供的电流用于切断由固定磁性层203向存储载体202施加的偏磁作用。
亦即，如果对耦合控制层206的输入截止，以致无电流流过耦合控制层206，则在固定磁性层203和存储载体202之间产生了交换作用，以致来自固定磁性层203的偏磁作用在存储载体202上。如果存在来自固定磁性层203的偏磁，则来自固定磁性层203的偏磁和来自固定磁性层204的偏磁相互抵消，以致没有净驱动源作用于存储载体202的磁化。
另一方面，如果对耦合控制层206的输入导通，以使电流在耦合控制层206中流动，则固定磁性层203和存储载体202之间的交换作用被终止，使得从固定磁性层203作用在存储载体202上的偏磁被终止作用。如果来自固定磁性层203的偏磁作用被终止，则在来自固定磁性层204的偏磁作用下，在存储载体202中产生磁化反转。
在图37的实施例中，在自旋阅的原理下实现存储载体202的磁化方向的读出。固定磁性层207被非磁性中间层208分隔，以便不影响存储载体202的磁化。如果存储载体202的磁化方向和固定磁性层207的磁化方向分别平行或反平行，则从输出电路209施加的从固定磁性层207经过非磁性中间层208流向存储载体202的电流分别较大或较小，于是能够进行对存储载体202的磁化方向的检测。
由于交换耦合式固体磁性存储器201使用交换作用来控制存储载体202的磁化，因而可以解决通过磁场进行写入伴随的问题，例如伴随设计规则精细化或者矫顽力降低而产生的串扰。
为了对比，针对使用在导体中流动电流而产生的磁场的电流磁场系统的情况，亦即图2所示传统的固体磁性存储器，以及使用固相中的交换作用的交换耦合系统的情况，亦即图37所示的交换耦合式固体磁性存储器，图38分别展示了固体磁性存储器的以下称为存储单元的单位存储部分的尺寸L与可以用于驱动存储载体的驱动磁场H之间的关系。图38中，实线A代表电流磁场系统，以虚线B代表交换耦合系统。此时，在电流磁场系统中，假设导体直径是存储单元尺寸L的0.8倍。
在电流磁场系统中，如图38所示，当存储单元尺寸降低时，可从导体施加的磁场变小。另一方面，由于交换作用不依赖于存储单元尺寸L，所以当设计规则精细化时交换耦合系统具有优势。
按磁场计算的交换作用不依赖于存储单元尺寸L。因此，如果使用交换作用控制存储载体的磁化，则可以使用高矫顽力的磁性材料，即使设计规则进一步精细化也是如此。具体地，从图38可见，如果存储单元尺寸L极小，则可以使用矫顽力超过几十Oe的磁性部件作为存储载体。通过使用高矫顽力的存储载体，则可以在环境扰动磁场环境下的便携式电子设备中使用所述存储载体而具有高的工作可靠性。
3-3固体磁性存储器的编址
对上述交换耦合式固体磁性存储器增加集成电路不可缺少的编址功能。
通常，对具有多个存储单元的固体磁存储器进行的写入由以下一系列操作构成。亦即，由使用固体磁性存储器的运算处理器件选择进行写入的存储单元。“某一目标存储单元中的存储载体的磁化将被反转”的信息被从运算处理器件送到固体磁性存储器。目标存储单元处于固体磁性存储器的大量存储单元之中。然后，根据上述信息，对所述存储单元的记录载体作用驱动磁化反转的能量，使所述存储载体的磁化反转。这种选择特定存储单元以便在被选择的存储单元上进行特定操作的的操作通常被称为编址。
在利用电输入控制存储载体的磁化方向的固体磁性存储器中，如果期望实现编址功能，则提供用于从运算处理器件向有关存储单元输送电信号的布线(所谓的地址线)就足够了。亦即，如果为每个存储单元提供地址线，并将电信号输送到与有关存储单元相关的地址线，则可以选择并驱动特定的存储单元。
但是，如果为各个存储单元分别提供地址线，结果造成结构复杂。例如对于m个垂直存储单元×n个水平存储单元，如果为各个存储单元分别提供地址线，即使为单个存储单元仅提供一条地址线，也需要m×n地址线。这样造成结构复杂，很难提供集成电路元件。
另一方面，对于传统的固体磁性存储器，如图2所示，通过由交叉导体构成的简化结构实现编址功能。亦即，对于传统的固体磁性存储器，如图2所示，对m个垂直存储单元和n个水平存储单元的阵列，简单地提供m个垂直导体和n个水平导体，总数为n+m个导体，即可以选择和驱动特定存储单元。
在以下说明中，使用这些交叉导体的编址被称为矩阵式编址。此矩阵式编址在构成集成电路上特别有利，因为增加存储单元数量时只要极少量的导体就足够了，于是简化了结构。
在传统的固体磁性存储器中，如图2所示，系使用磁场叠加来实现矩阵式编址。因此，可以容易地实现矩阵式编址。但是，在交换作用式固体磁性存储器中，矩阵式编址则难以实现，因为不使用磁场叠加。
亦即，在前述交换作用式固体磁性存储器中，如果期望选择和驱动特定存储单元，则需要这样的机制，即，要选择特定存储单元并对选择的单元提供电流或电压。为此原因，在前述交换作用式固体磁性存储器中，无法以简单的方式应用矩阵式编址。换言之，在前述交换作用式固体磁性存储器中，如果无论如何都要应用矩阵式编址，则不只是简单地连接地址线和存储单元的问题，而需要某些别的技术。例如，必须在地址线和存储单元之间互连非线性元件，例如二极管，或者把例如在半导体存储器中所用的选择晶体管附加于存储单元。但是，这导致了结构复杂，所以是不希望的。
3-4具有编址功能的交换耦合式固体磁性存储器
在交换耦合式固体磁性存储器中实现矩阵式编址时，如果使用非线性器件或选择晶体管，则结构被不受欢迎地复杂化。于是，根据本发明，不使用非线性器件或者选择晶体管而在交换耦合式固体磁性存储器中实现矩阵式编址。以下说明本发明的交换耦合式固体磁性存储器的例子的基本结构。
3-4-1整体结构
首先，交换偶合式固体磁性存储器设置有多个直线式部件，即细长的或者条状部件。这些直线式部件被赋予用于指定具体存储单元的信号传输线功能，以及控制存储单元中的存储载体磁化方向的功能。在以下说明中，这些直线式部件被称为驱动线。
更具体地，例如，如果两个相互垂直方向被称为X-方向和Y-方向，则平行于X-方向布置多条驱动线(以下称为X-方向驱动线)，并平行于Y-方向布置多条驱动线(以下称为Y-方向驱动线)，在对应于X-方向驱动线和Y-方向驱动线的交叉点的格点布置存储载体。
类似于图2所示的传统固体磁性存储器中的字线和位线，这些驱动线完成改变沿驱动线布置的所有存储载体的磁化方向的操作。由于本实施例涉及的是交换耦合式固体磁性存储器，故使用交换作用作为改变存储载体的磁化方向的操作。在以下说明中，使存储载体的磁化方向取向在给定取向的操作被称为驱动操作。
3-4-2矩阵式编址的原理
交换耦合式固体磁性存储器中的矩阵式编址，是通过组合上述驱动线实现的，以下进行说明。
3-4-2-1存储单元的结构
参考图39和40A-40E说明用于矩阵式编址的交换耦合式固体磁性存储器的存储单元。图39展示了仅单个存储单元，而图40A-40E展示了驱动原理。参见图39，存储单元210的构成包括，第一y-方向驱动线211和第二y-方向驱动线212，与第一、第二y-方向驱动线211、212成直角配置的x-方向驱动线214，在第一和第二y-方向驱动线211、212和x-方向驱动线214之间配置的存储载体213。存储载体213受第一和第二y-方向驱动线211、212和x-方向驱动线214的作用。亦即存储载体213受三路驱动源的影响。
在此存储单元210中，第一y-方向驱动线211是由均是长条形状的在预定取向磁化的第一固定磁性层211a和第一导体层211b构成的层叠组件。第二y-方向驱动线212是由均是长条形状的在与第一固定磁性层211a的相反取向磁化的第二固定磁性层212a和第二导体层212b构成的层叠组件，存储载体213覆盖部分第一y-方向驱动线211和部分第二y-方向驱动线212，从而通过导体层211b和212b面对固定磁性层211a和212a。
虽然在图39中未示出，但是最好在第一导电层211b和存储载体213之间、第二导电层212b和存储载体213之间、或者存储载体213和x-方向驱动线214之间形成绝缘层，如果存储载体213是低电阻时尤其应如此。
在此存储单元21中，第一y-方向驱动线211起在存储载体213上施加驱动操作A1的驱动源作用，把存储载体213的磁化方向设定为预置取向。类似地，第二y-方向驱动线212起在存储载体213上施加驱动操作A2的驱动源作用，把存储载体213的磁化方向设定为预置取向。此时，在图39和40A-40E中，箭头A1的方向代表从第一y-方向驱动线211到存储载体213的驱动操作的方向，而箭头A2的方向代表从第二y-方向驱动线212到存储载体213的驱动操作的方向。
亦即，构成第一y-方向驱动线211的第一固定磁性层211a在-x方向磁化，同时从第一y-方向驱动线211到存储载体213的驱动操作，使存储载体213的磁化方向M1在-x方向取向。另一方面，构成第二y-方向驱动线212的第二固定磁性层212a在+x方向磁化，同时从第二y-方向驱动线212到存储载体213的驱动操作，使存储载体213的磁化方向M1在+x方向取向。
配置成覆盖第一y-方向驱动线211的一部分和第二y-方向驱动线212的一部分的存储载体13，由呈现单轴磁各向异性的磁性材料形成，x-方向是易磁化轴。采用本存储单元210，可以基于存储载体213的磁化方向进行二进制记录。
另一方面，x-方向驱动线214由导电材料形成，是长条形状，以其纵向为x-方向，从而覆盖存储载体213。采用本存储单元210，通过在x-方向驱动线214流过电流来产生磁场，施加在存储载体213。此时，图39、40C和40E中，A3代表电流在x-方向驱动线214中流过时产生的磁场。
同时，使磁性材料的磁化反转所需的磁场幅度取决于磁场的施加方向，正如结合图2所示的传统固体磁性存储器所讨论的。通常，如果在从易磁化轴倾斜大约45°的方向施加磁场，与平行于易磁化轴施加磁场相比，可以用较小的磁场强度使磁化反转。
于是，在本存储单元210中，如果仅有来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1或者仅有来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2，则存储载体213不会产生磁化反转。另一方面，如果存在来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和电流流过x-方向驱动线214产生的磁场A3的作用，或者如果存在来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2和电流流过x-方向驱动线214产生的磁场A3的作用，则存储载体213会产生磁化反转。亦即，采用本存储单元，通过控制在第一y-方向驱动线211的第一导体层211b中流动的电流、在第二y-方向驱动线212的第二导电层212b中流动的电流、和在x-方向驱动线214中流动的电流，对存储载体213的磁化方向M1进行控制，以便基于存储载体213的磁化方向进行二进制记录。
3-4-2-2存储单元的驱动原理
参见图40A-40E，具体说明存储单元210的驱动原理。
图40A展示的状态是在对x-方向驱动线214、第一y-方向驱动线211的第一导电层211b和第二y-方向驱动线212的第二导电层212b均未施加电流的情况下，存储载体213的磁化方向保持在+x方向(图中向右)。由于此时对x-方向驱动线214、第一y-方向驱动线211的第一导电层211b和第二y-方向驱动线212的第二导电层212b均未施加电流，所以来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2均作用在存储载体213上。但是，由于来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1的方向与来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2的方向相反，所以来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2相互抵消，因此存储载体213的磁化方向M1被存储载体本身的单轴磁各向异性所稳定，保持其现有状态，即存储载体213的磁化方向取向在+x方向的状态。
图40B展示的状态是存储载体213的磁化方向M1在+x方向(图中向右)时，仅对第二y-方向驱动线212的第二导电层212b施加电流，而对x-方向驱动线214和第一y-方向驱动线211的第一导电层211b均未施加电流。此时，从第二y-方向驱动线212到存储载体213的驱动操作A2无效。另一方面，因为对第一y-方向驱动线211的导电层211b未施加电流，所以来自第一y-方向驱动线211的A1有效。从第一y-方向驱动线211作用在存储载体213上的驱动操作A1不超过存储载体213的矫顽力。如果从第一y-方向驱动线211作用在存储载体213上的驱动操作A1应不超过存储载体213的矫顽力，则在来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2被终止有效时，存储载体213的磁化方向M1保持在+x方向(图中向右)，如图40B所示。
图40C展示的状态是，当存储载体213的磁化方向M1保持+x方向即图中向右的方向时，对x-方向驱动线214和第二y-方向驱动线212的第二导电层212b施加电流，对第一y-方向驱动线211的第一导电层211b不施加电流。此时，从第二y-方向驱动线212到存储载体213的驱动操作A2被终止有效，另一方面，因为对第一y-方向驱动线211的第一导电层211b不施加电流，所以来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1作用在存储载体213上。因为对x-方向驱动线214施加电流，在x-方向驱动线214流动的电流产生的y-方向磁场A3作用在存储载体213上。
来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和在x-方向驱动线214流动的电流产生的磁场A3作用的组合作用矢量，取向在偏离存储载体213的易磁化轴的方向上，因而能够以比平行于易磁化轴作用要小的磁场强度，在存储载体213上产生磁化反转。存储载体213适于在来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和在x-方向驱动线214流动的电流产生的磁场A3作用均存在的情况下产生磁化反转。结果如图40C所示，存储载体213的磁化方向M1从+x方向(图中向右方向)反转到-x方向(图中向左方向)，如图40C所示，存储载体213的磁化方向M1取向在来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1的方向。
如果停止对x-方向驱动线214和第二导电层212b施加电流，则反转到-x方向的存储载体213的磁化方向M1被保持。如果停止对x-方向驱动线214和第二导电层212b施加电流，则来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2均有效。但是，由于来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1的方向与来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2的方向相反，所以这些驱动操作A1和A2相互抵消。因此，存储载体213的磁化方向M1被其本身固有的单轴磁各向异性所稳定，以致保持现有状态(存储载体213的磁化方向在-x方向的状态)。
图40D展示的状态是，存储载体213的磁化方向M1在-x方向即图中向左方向，仅对第一y-方向驱动线211的第一导电层211b施加电流，对x-方向驱动线214和第二y-方向驱动线212的第二导电层212b均不施加电流。此时，从第一y-方向驱动线211到存储载体213的驱动操作A1被终止有效。另一方面，由于对第二y-方向驱动线212的第二导电层212b不施加电流，所以来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2作用在存储载体213上。使从第二y-方向驱动线212的到存储载体213的驱动操作A2不超过存储载体213的矫顽力。如果从第二y-方向驱动线212的到存储载体213的驱动操作A2不超过存储载体213的矫顽力，则即使来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1被终止有效，存储载体213的磁化方向M1也仍保持在-x方向(图中向左方向)，如图40D所示。
图40E展示的状态是，存储载体213的磁化方向M1在-x方向即图中向左方向，对x-方向驱动线214和第一y-方向驱动线211的第一导电层211b施加电流，对第二y-方向驱动线212的第二导电层212b不施加电流。此时，从第一y-方向驱动线211到存储载体213的驱动操作A1被终止有效。另一方面，由于对第二y-方向驱动线212的第二导电层212b不施加电流，所以来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2作用在存储载体213上。由于对x-方向驱动线214施加电流，所以在x-方向驱动线214中流动的电流产生的y-方向磁场A3作用在存储载体213上。
来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2和在x-方向驱动线214流动的电流产生的磁场A3作用的组合作用矢量，取向在偏离存储载体213的易磁化轴的方向上，因而能够以比平行于易磁化轴作用要小的磁场强度，在存储载体213上产生磁化反转。存储载体213适于在来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2和在x-方向驱动线214流动的电流产生的磁场A3作用均存在的情况下产生磁化反转。结果如图40E所示，存储载体213的磁化方向M1从-x方向(图中向左方向)反转到+x方向(图中向右方向)，如图40E所示，存储载体213的磁化方向M1取向在来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2的方向。
如果停止对x-方向驱动线214和第一导电层211b施加电流，则反转到+x方向的存储载体213的磁化方向M1被保持。如果停止对x-方向驱动线214和第一导电层211b施加电流，则来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1和来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2均有效。但是，来自第一y-方向驱动线211的驱动操作A1的方向与来自第二y-方向驱动线212的驱动操作A2的方向相反，所以这些驱动操作A1和A2相互抵消。因此，存储载体213的磁化方向M1被其本身固有的单轴磁各向异性所稳定，以致保持现有状态(存储载体213的磁化方向在+x方向的状态)。
如上所述，采用本发明的存储单元210，通过对第一y-方向驱动线211的第一导电层211b、第二y-方向驱动线212的第二导电层212b或者x-方向驱动线214施加电流的导通/截止状态的转换，可以使存储载体213的磁化方向M1反转，从而能够存储载体213的磁化方向进行二进制记录。
此外，采用存储单元210，可以反复地反转存储载体213的磁化方向M1，从而能够反复地重写记录的信息。此外，本存储单元210不必为了保持存储载体213的磁化方向M1，而对第一导电层211b、对第二导电层212b或对x-方向驱动线214施加电流。亦即本存储单元可以用做非易失存储器。
3-4-2-3矩阵式编址
在上述存储单元210中，第一y-方向驱动线211、第二y-方向驱动线212和x-方向驱动线214用做驱动源，用来使存储载体213的磁化方向M1反转。应注意单一驱动源不足以产生磁化反转，当两个驱动源被导通时才在存储载体213中产生磁化反转。因此，如果多条细长的y-方向驱动线211、212和多条伸长的x-方向驱动线214按照矩阵构形配置在基片上，如图39所示的存储单元210配置在这些驱动线的交叉点，则提供了由大量存储单元210按照矩阵构形构成的磁性存储器件。
亦即，通过彼此平行地配置第一y-方向驱动线211和第二y-方向驱动线212，与第一和第二y-方向驱动线211、212成直角地配置多条x-方向驱动线214，并且通过在第一和第二y-方向驱动线211、212和x-方向驱动线214的交叉点配置多个存储载体213，由此可以提供具有编址功能并可以对可选存储单元进行选择和写入实现的交换耦合式固体磁性存储器，这是利用与图2所示传统固体磁性存储器类似的简单矩阵具有矩阵式编址功能的交换耦合式固体磁性存储器。
具体地，平行于y-方向配置多条第一y-方向驱动线211A、211B、…和多条第二y-方向驱动线212A、212B、…，第一y-方向驱动线和第二y-方向驱动线相互平行地延伸。亦即，第一y-方向驱动线211A和第二y-方向驱动线212A的组合221A、第一y-方向驱动线211B和第二y-方向驱动线212B的组合221B、…彼此平行地配置在y-方向。而且，平行于x-方向配置多条x-方向驱动线214A、214B、214C…，在交叉点布置若干存储载体213A-1、213A-2、…213B-1、213B-2、…213C-1、213C-2、…。
如果选择单一y-方向驱动线211A和单一x-方向驱动线214B并同时分别馈以适当的电流I1、I2，则仅在这两条驱动线的交叉点的存储载体213B-1发生磁化反转。此时，均馈以电流的y-方向驱动线211A和x-方向驱动线214B对配置在其上的多个存储载体施加驱动操作。但是，来自y-方向驱动线211A或x-方向驱动线214B之一的驱动操作不足以产生磁化反转。在y-方向驱动线211A流动的电流产生的驱动操作和在x-方向驱动线214B流动的电流产生的驱动操作被合成，仅当在存储载体213上的驱动作用处于相对于易磁化轴成45°的方向时，才产生磁化反转。在图41的例子中，磁化反转仅发生在存储载体213B-1。
通过在如上所述的交换耦合式固体磁性存储器中实现矩阵式编址，可以通过类似于图2所示的传统固体磁性存储器的简单结构，对可选存储单元进行写入，无需对各个固体磁性存储器附加非线性元件或者选择晶体管。
在上述交换耦合式固体磁性存储器中，即使使用矩阵式编址，也不必使用非线性元件或选择晶体管。亦即交换耦合式固体磁性存储器可以由金属材料和绝缘材料构成，而不必使用对污染敏感的半导体。如果存储器由金属材料和绝缘材料构成，则由于不使用对污染敏感的半导体，所以可以显著地筒化制造工艺。
3-5具有编址功能的交换耦合式固体磁性存储器的具体例子
3-5-1整体结构
作为存储载体，使用形成在基片上的多个磁性薄膜的组合。作为从交换耦合式固体磁性存储器之外，利用编址方式选择各个存储载体和传输在单一存储载体上的写入操作的传输通路，多条驱动线配置在基片上。为了以尽可能少的驱动线实现有效的编址，提供多组驱动线，例如多组在x-方向延伸的驱动线和在y-方向延伸的多组驱动线，在对应于各组驱动线的交叉点的格点配置存储载体。
3-5-2可使用的交换耦合的机理
产生从驱动线向存储载体传输驱动能量的交换作用的机理具有如下所述各种来源，同时还有各种适合于从外部控制交换作用的强度的输入系统。
3-5-2-1借助半导体层的磁性耦合
与磁性部件接触的半导体中的载流子的自旋强度分布按振荡方式随着距磁性部件的距离而衰减，产生对极化距离(平均载流子自旋从零点的偏移)处的其它磁性离子或磁性部件的磁交互作用(PKKY交互作用)。利用这种交互作用，导致被半导体层分隔的两层磁性层之间的交换作用。
磁性交互作用的强度或距离的振荡周期取决于载流子浓度。而且，半导体的载流子浓度可以利用电激励(施加电压或提供电流)或者外激励例如光照来改变。于是，通过对半导体层施加外部激励，可以改变上下磁性层之间的磁性耦合。这样，通过配置具有固定磁化方向的磁性金属薄膜232、具有可变磁化方向的磁性金属薄膜233，半导体层231夹在其间，并且通过转换电压的导通/截止，可以产生能够使磁性金属薄膜233的磁化矢量反转的驱动能量。
具体地，在由半导体层传递的磁性耦合中，由于自旋强度分布的振荡性质，不仅磁性耦合的强度而且符号均易于改变。亦即，在由半导体层传递的磁性耦合中，存在如下可能性，即可利用施于半导体层的外加激励，控制上下磁性层的磁化是易于取向在铁磁性的平行方向，还是取向在反铁磁性的反平行方向。如果使用能够使驱动方向反转的驱动线，则可以利用单一驱动线实现图39所示存储单元中的两条驱动线(第一y-方向驱动线211和第二y-方向驱动线212)的功能。因此，如果在垂直方向和水平方向分别有m和n个存储单元，则仅需m+n条驱动线即可以实现矩阵式编址，如同图2所示的传统固体磁性存储器的情况。
3-5-2-2由介电层传递的磁性耦合
借助介电层可以在磁性层之间建立交换耦合。此时，磁性层之间的交换耦合由互连两层的隧道电子传递的。于是，通过配置具有固定磁化方向的磁性金属薄膜242和具有可变磁化方向的磁性金属薄膜243，其间夹有介电层241，并且通过从磁性金属薄膜242、243或者独立的电极施加电压，从而改变层状结构的电位分布，改变经过介电层241传输的电子的隧穿可能性，进而改变磁性金属薄膜242、243之间的交换耦合。这可以用做使磁化方向反转的驱动能量。
同时，如果形成多层介电层241a、241b，如图44所示，则实现了具有多势垒的结构。如果电子具有经过势垒之间的势阱谐振传输的能量，则经过具有多势垒的结构传输的电子的可能性呈现显著的局部最大值。如果电子能量的电位分布或者结构在谐振与非谐振之间变化，则可以利用相对较小的外部激励产生隧穿可能性的显著变化，结果在可利用隧道电子的交换耦合中产生显著的变化。
3-5-2-3由导电层传递的耦合
在由非磁性金属形成的导电层中观察到了RKKY作用，借之可以在磁性层之间实现磁性耦合。但是，导电材料具有许多载流子和短的弛豫时间，因而难以象使用半导体那样利用外部激励改变载流子数量，从而调制磁性耦合。但是，通过利用材料结构上的新设计，可以调制磁性耦合。
例如，通过在磁性层之间配置由Cr/Fe-Ag层叠膜形成的耦合控制层，并且对耦合控制层施加电流，可以去除磁性层之间的磁性耦合。图37所示结构对应于使用这种原理的例子。这对应于使用导电材料的情况和3-5-2-4说明的使用复合材料的情况。此电流控制系统具有的优点是工作速度不受电容量的限制，同时绝缘材料不必具有耐高压的特性。
3-5-2-4由复合材料传递的耦合
如果使用图45或46所示的复合材料，代替单相材料作为控制磁性层之间磁性耦合的耦合控制层，则可以对磁性耦合的传播进行控制，并利用外部激励改变耦合强度。
图45展示了由磁性层251和非铁磁性层252组成的多层耦合控制层。对于作为多层结构的构成元件的磁性层251，可以使用铁磁性金属例如Fe、Co、Ni，或它们与非磁性金属的合金。作为非铁磁性层252，可以使用任何适当的金属，例如Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。此外，可以使用在室温呈现反铁磁特性的Cr。可以根据磁性材料类型或者非铁磁性层252的厚度,按照许多方式设计铁磁或反铁磁特性或者所得耦合的强度。
除了层叠结构之外，也可以使用图46所示的微粒分散结构作为耦合控制层。此耦合控制层具有的结构中铁磁性颗粒253例如Fe颗粒分散在非磁性材料254例如Ag内。磁性耦合在类似于阶梯的铁磁性颗粒253之中传递，结果配置在耦合控制层两侧的磁性层与磁性层磁性耦合在一起。
铁磁性颗粒中的磁性耦合极弱，以致如果在耦合控制层中流过电流，则由于温升和过多的电子散射而使磁性耦合趋于分离。亦即，在微粒分散结构的耦合控制层中，配置在其两侧的磁性层之间的磁性耦合取决于铁磁性颗粒之中的弱磁性耦合，以致宏观的磁性耦合可被耦合控制层中流动的电流所分离。
同时，微粒分散结构也可以用做层状结构的元件。例如，Cr/Fe-Ag膜用做以下将说明的交换耦合式固体磁性存储器中的耦合控制层。此Fe-Ag膜由非固溶式的两相混合材料形成，因而可以说是微粒分散结构。
同时，如果在耦合控制层中使用含磁性材料的复合材料，则经过复合材料中的磁性材料间接发生磁性耦合。因此，耦合控制层的膜厚可以增加。如果使用含磁性材料的复合材料作为耦合控制层，其膜厚最好不小于10nm。如果膜厚不小于10nm，则可以避免因耦合控制层过薄而产生的制造困难的问题。
虽然对由复合材料组成的耦合控制层的厚度上限没有限制，但是考虑到实际的制造工艺，耦合控制层的厚度最好不大于约1μm。
3-5-2-5由别的磁性材料传递的耦合
如果施加外部激励则居里温度-在该温度磁有序将消失-相对较低的材料，或者在补偿点附近的铁磁性材料的宏观磁特性将显著变化。这可以用于调制磁性层之间的磁性耦合。
3-5-3对编址操作的实验证实
实际制备实施本发明的交换耦合式固体磁性存储器，证实其编址操作。
3-5-3-1交换耦合式固体磁性存储器的制备工序
使用磁控管溅射器件制备实施本发明的交换耦合式固体磁性存储器。参考图47-51说明制备工序。应注意展示交换耦合式固体磁性存储器的制造工艺的图47-51示出的是单个存储单元的局部放大剖面图。
(1)用于控制磁化方向的固定磁性层和Cu层的淀积(图47)
在玻璃基片260上淀积高矫顽力的Co-Pt磁性层261(永磁层)和Co层262之后，利用电子束蚀刻形成光刻胶掩模图形263，在对应于单个y-方向驱动线的区域内淀积条状Cu层264。
高矫顽力的Co-Pt磁性层261、Co层262和Cu层264的膜厚分别是100nm、100nm和0.8nm。
(2)第二级Co层和耦合控制层的淀积(图48)
去除光刻胶掩模263，淀积厚20nm的第二级Co层265。淀积在Cu层264上的第二级Co层265的区域，利用由Cu层264传递的反铁磁性交换作用，在与下伏Co层262反平行的方向上被磁化。
然后淀积绝缘控制层266。通过在含氧氢气氛中溅射Fe-Si靶获得的绝缘控制层266由具有高电阻和铁磁特性的材料形成，可以传播磁性耦合。
然后淀积耦合控制层267。为此目的，通过同时溅射Fe-Ag镶嵌靶和Cr靶，并使基片260交替处于各个靶上，而在室温淀积Cu/Fe-Ag多层膜。所用的镶嵌靶是其上配置有6个圆心角为15°的扇形Ag板的Fe靶。对于Cr和Fe-Ag膜其各自的膜厚分别是0.9nm和1.5nm。这些层淀积在铁氧体基片上，以第一Fe-Ag层开始，在16个半周期之后，淀积最后的Fe-Ag层作为最上层。此控制层中流过电流时具有中断磁性耦合的作用，正如在3-5-2-4中讨论的。在存储单元区的外边缘上形成电极焊盘，以便提供对耦合控制层267施加电流的电极。
在耦合控制层267上淀积绝缘耦合层268，使其不覆盖从耦合控制层267导出的电极焊盘。
(3)驱动线图形的形成(图49)
在对应于单元宽度的两条y-方向驱动线的区域内形成光刻胶掩模图形269，互连电极焊盘，同时把其它部位刮掉至下伏Co层262的一半厚度。这样形成y-方向驱动线270、271。
(4)Ni-Fe层的淀积和赋予磁各向异性
通过绝缘树脂272消除台阶差，然后淀积Ni-Fe层273，与绝缘耦合层268接触。淀积过程中，通过加热基片消除从下层传播来的偏磁。在x-方向施加外磁场，产生单轴磁各向异性，其易磁化轴沿Ni-Fe层273中的x-轴方向。此Ni-Fe层273起存储载体作用。
(5)存储载体的形成和x-方向驱动线的淀积和形成
通过掩模工艺，Ni-Fe层273被留下存储载体的尺寸。填充绝缘树脂274之后，淀积x-方向Cu互连，形成x-方向驱动线275。使用电磁铁在室温在x-方向施加2kOe的磁场，使高矫顽力的Co-Pt磁性层261和Co层262的磁化方向取向在-x方向。
如上所述，即制备出了包括驱动线的交换耦合式固体磁性存储器。虽然在图47-51中所示的是单个存储单元的放大图，但是实际制备了4×4个存储单元。图52和53分别展示了由4×4个存储单元构成的固体磁性存储器的平面结构和放大的单个存储单元的平面结构。
在上述交换耦合式固体磁性存储器中，x-方向驱动线275是简单的导体。从导体使Ni-Fe层273构成的存储载体磁化的操作，是利用在此导体中流过电流产生的磁场完成的。为了简化制造工艺，就x-方向驱动线275来说不使用交换耦合。当然，通过使用利用交换耦合使存储载体的磁化向y-方向倾斜的驱动线，可以通过交换耦合实现整体驱动。在这种情况，可以从3-5-2-1～3-5-2-5所示的这些方案中，选择并使用在电输入导通态产生驱动的任何适当的机理。也可以使用在电输入导通态耦合断开的类型的驱动线，如同本实施例所采用的。此时，利用来自其它磁性部件例如图37的固定磁性层204的偏磁叠加，使驱动能量平衡偏移，以便在电输入导通态下产生驱动能量。
在上述元件结构中，包含了在元件制备中十分重要的下述方面。
(1)在整个基片表面上淀积的固定磁性层
在上述交换耦合式固体磁性存储器中，由高矫顽力Co-Pt磁性层261和Co层262构成的固定磁性层淀积在整个基片表面上。通过使固定磁性层在一个方向磁化，并在其上的单元阵列以下构建这种结构，则以固定磁性层为基准，驱动线和存储载体整体的磁化方向在整个基片表面上的均匀性得以改善。这种均匀性有利于尤其是在存储器读出过程中的信号均匀性，改善了工作可靠性。
(2)控制磁化方向所用的Cu层
用于实现存储载体在相反方向例如+x和-x方向的磁化的两条驱动线270、271的驱动方向应是正确地反平行。作为实现这种在驱动线270、271上的规则磁畴结构的措施，其特征是Cu层263两侧上的Co层260、265上的磁化成为相互反平行。同时，在不同材料的各种组合中，已知会产生类似的反平行耦合，例如由Cr层传递的各Fe层的耦合。可以适当地选择这些组合用于存储器的制造。这种反平行耦合例如在S.S.P.Parkin,Physical ReviewLetters vol.61,p.3598-3601(1991)有所讨论。
(3)在耦合控制层中有电流并且传播磁性耦合的绝缘耦合层
作为传递磁性耦合的高电阻材料，可以使用在含氧气氛中溅射Fe-Si靶所获得的薄膜。此薄膜估计是磁性金属合金和氧化物的混合物。具有上述功能的类似材料可以通过溅射主要由Fe、Co和Ni组成的靶来获得。
3-5-3-2编址操作的证实
使用如上所述制备的交换耦合式固体磁性存储器，实验证实了存储单元可以实际地被选择用于写入。使用克尔显微镜检测存储载体的磁化方向，该显微镜向偏光显微镜的图象附加基于磁化的亮/暗对比度，其原理是当光在磁性样品表面上反射时产生的偏振光平面的旋转(磁光克尔效应)反映了样品的磁化方向。对此实验，选择光学系统的配置以便能够检测基于对应于存储载体易磁化轴的x-方向磁化分量的对比度。观察之前，利用离子蚀刻去除4×4存储载体的上部所叠加的绝缘树脂，以使用做存储载体的Ni-Fe薄膜暴露在表面上。使用此工序是为了避免由树脂双折射和表面反射叠加二者产生的冗余对比度被误当作磁光克尔效应所致。
(1)在初始磁化状态中，样品的永磁体下层在-x方向磁化，同时存储载体层也取向在-x方向。用克尔显微镜观察，全部16个存储载体均显得具有相同的亮度。
(2)把样品移至显微探针并且设置4个电极。选择y-方向驱动线之一和x-方向驱动线之一，同时馈以脉冲电流。为了使存储载体的磁化反转至+x方向，选择这种驱动线：馈以电流时用于减弱在-x方向对存储载体的偏磁。
(3)把样品移回克尔显微镜以与初始观察时相同的取向观察图象。观察的图象展示在图54，从中可见只有被选择的存储单元的存储载体(从上数第二行和从左数第三列的存储载体273A)比其它存储载体更亮，于是证实有关存储载体的磁化方向已被改变。
(4)把样品移至探针。选择相同的存储单元，为了擦除存储内容，对不同的y-方向和x-方向驱动线施加脉冲电流。在克尔显微镜下再次观察样品。发现全部存储载体出现相同的亮度。这证实了由磁化反转进行的存储写入是可逆的。
(5)对多个不同的存储单元反复地进行上述实验。证实了可以对每一个存储单元独立地完成写入和擦除。亦即，采用交换耦合式固体磁性存储器，通过配置成矩阵构型的驱动线，可以实现编址操作。
在具有作为存储载体的磁性部件阵列的磁性存储器件中，利用简单矩阵式互连，可以实现集成电路元件不可缺少的编址功能，而不存在使用磁场写入所伴随的问题，例如起因于精细化的设计规则或矫顽力降低的串扰。
Claims (80)
1．一种磁化控制方法，包括：
利用含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域；
对所述隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化。
2．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，利用电激励、光照或温度控制之一，对所述隔离区域施加所述激励。
3．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，半导体材料用做隔离区域所用的复合材料。
4．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，在半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质用做隔离区域所用的复合材料。
5．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，在磁性半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质用做隔离区域所用的复合材料。
6．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，层叠铁磁性膜和半导体膜在一起获得的多层膜用做所述隔离区域所用的复合材料。
7．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，层叠铁磁性膜和磁性半导体膜在一起获得的多层膜用做所述隔离区域所用的复合材料。
8．根据权利要求1的磁化控制方法，其中，隔离区域的厚度不小于10nm。
9．一种磁化控制方法，包括：
利用厚度不小于10nm的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域；
对所述隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化。
10．根据权利要求9的磁化控制方法，其中，包含磁性材料和半导体材料的复合材料用做隔离区域。
11．一种信息记录方法，包括：
用含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域；
根据要记录的信息对所述隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化；
基于磁化区域的磁化方向进行二进制或以上的多值记录。
12．根据权利要求11的信息记录方法，其中，利用电激励、光照或温度控制之一，对所述隔离区域施加所述激励。
13．根据权利要求11的信息记录方法，其中，磁性半导体材料用做所述隔离区域所用的复合材料。
14．根据权利要求11的信息记录方法，其中，在半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质用做隔离区域所用的复合材料。
15．根据权利要求11的信息记录方法，其中，在磁性半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质用做隔离区域所用的复合材料。
16．根据权利要求11的信息记录方法，其中，层叠铁磁性膜和半导体膜在一起获得的多层膜用做所述隔离区域所用的复合材料。
17．根据权利要求11的信息记录方法，其中，层叠铁磁性膜和磁性半导体膜在一起获得的多层膜用做所述隔离区域所用的复合材料。
18．根据权利要求11的信息记录方法，其中，所述隔离区域的厚度不小于10nm。
19．一种信息记录方法，包括：
用厚度不小于10nm的隔离区域分隔铁磁性材料的磁化区域；
根据要记录的信息对所述隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，从而控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化；
基于磁化区域的磁化方向进行二进制或以上的多值记录。
20．根据权利要求19的信息记录方法，其中，包含磁性材料和半导体材料的复合材料用做隔离区域。
21．一种信息记录元件，其具有的结构中，铁磁性材料的磁化区域被含有磁性材料和半导体材料的复合材料的隔离区域所分隔；其中，
根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化；
基于磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
22．根据权利要求21的信息记录元件，其中，利用电激励、光照或温度控制之一，对所述隔离区域施加所述激励。
23．根据权利要求21的信息记录元件，其中，磁性半导体材料用做所述隔离区域所用的复合材料。
24．根据权利要求21的信息记录元件，其中，用做隔离区域的复合材料是在半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质。
25．根据权利要求21的信息记录元件，其中，用做隔离区域的复合材料是在磁性半导体中分散铁磁性颗粒获得的介质。
26．根据权利要求21的信息记录元件，其中，用在隔离区域的复合材料是层叠铁磁性膜和半导体膜在一起获得的多层膜。
27．根据权利要求21的信息记录元件，其中，用在隔离区域的复合材料是层叠铁磁性膜和磁性半导体膜在一起获得的多层膜。
28．根据权利要求21的信息记录元件，其中，隔离区域的厚度不小于10nm。
29．一种信息记录元件，其具有的结构中，铁磁性材料的磁化区域被厚度不小于10nm的隔离区域所分隔；其中，
根据要记录的信息对隔离区域外加激励，改变分隔的磁化区域之间的磁交互作用，控制一个或多个分隔的磁化区域的磁化；
基于磁化区域的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
30．根据权利要求29的信息记录元件，其中，所述隔离区域由包含磁性材料和半导体材料的复合材料组成。
31．一种磁化控制方法，包括：
由包含导电材料的导电层和多个磁性层构成层状组合膜，使导电层布置在磁性层之间；
在层状组合膜的导电层中流过电流，改变磁性层之间的磁性耦合状态，从而控制磁性层的磁化方向。
32．根据权利要求31的磁化控制方法，其中，导电层由包含呈现单相磁有序的物质和非磁性材料的复合材料构成。
33．根据权利要求31的磁化控制方法，其中，导电层由铁磁性组成区和非磁性组成区交替层叠构成，或者由组成调制膜构成。
34．根据权利要求31的磁化控制方法，其中，所述导电层具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物结构。
35．根据权利要求31的磁化控制方法，其中，电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。
36．一种磁功能元件，包括：
层状组合，是层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层获得的，使导电层位于磁性层之间；
在层状组合的导电层中流过电流，改变磁性层之间的磁性耦合状态，以控制磁性层的磁化方向。
37．根据权利要求36的磁功能元件，其中，利用磁性层的磁化状态使输出对应于磁性层的磁化状态。
38．根据权利要求36的磁功能元件，其中，导电层由包含呈现单相磁有序的物质和非磁性材料的复合材料构成。
39．根据权利要求36的磁功能元件，其中，导电层由铁磁性组成区和非磁性组成区交替层叠构成，或者由组成调制膜构成。
40．根据权利要求36的磁功能元件，其中，所述导电层具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物结构。
41．根据权利要求36的磁功能元件，其中，电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。
42．一种信息记录方法，包括：
通过层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层，构成层状组合，使导电层位于磁性层之间；
在层状组合的导电层中流过电流，改变磁性层之间的磁性耦合状态，以控制磁性层的磁化方向；
基于磁化层的磁化方向进行双值以上的多值记录。
43．根据权利要求42的信息记录方法，其中，导电层由包含呈现单相磁有序的物质和非磁性材料的复合材料构成。
44．根据权利要求42的信息记录方法，其中，导电层是铁磁性组成区和非磁性组成区交替层叠构成的层状薄膜组合或者说组成调制膜。
45．根据权利要求42的信息记录方法，其中，所述导电层具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物结构。
46．根据权利要求42的信息记录方法，其中，电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。
47．一种信息记录元件，包括：
层状组合，是层叠包含导电材料的导电层和多个磁性层获得的，以使导电层位于磁性层之间；
在层状组合的导电层中流过电流，改变磁性层之间的磁性耦合状态，以控制磁性层的磁化方向；
基于磁化层的磁化方向进行二进制以上的多值记录。
48．根据权利要求47的信息记录元件，其中，利用磁光效应检测磁性层的磁化方向，读出记录的信息。
49．根据权利要求47的信息记录元件，其中，导电层由包含呈现单相磁有序的物质和非磁性材料的复合材料构成。
50．根据权利要求47的信息记录元件，其中，导电层是铁磁性组成区和非磁性组成区交替层叠构成的层状薄膜组合，或者是组成调制膜。
51．根据权利要求47的信息记录元件，其中，所述导电层具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物结构。
52．根据权利要求47的信息记录元件，其中，电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。
53．一种可变电阻元件，包括：
由层叠在一起的第一磁性层、第二磁性层、非磁性层和第三磁性层制成的层状组合；
在层状组合的导电层中流过电流，改变第一磁性层和第二磁性层之间的磁性耦合状态，控制第二磁性层的磁化方向，以控制包括第二磁性层、非磁性层和第三磁性层的电流通道的电阻。
54．根据权利要求53的可变电阻元件，其中，导电层由包含呈现单相磁有序的物质和非磁性材料的复合材料构成。
55．根据权利要求53的可变电阻元件，其中，导电层由具有铁磁性组成和非磁性组成的交替层叠区的层状膜组合构成，或者由组成调制膜构成。
56．根据权利要求53的可变电阻元件，其中，所述导电层具有铁磁性组成区和非磁性组成区的三维混合物结构。
57．根据权利要求53的可变电阻元件，其中，电阻大于导电层电阻的材料层，作为导电层的上层和下层。
58．一种磁性存储器件，具有由多个分隔的磁性部件组成的阵列作为存储载体，其中：
利用通过固相传播的交换作用，作为指定选做写入或读出的可选存储载体之一的方法，以实现目标操作。
59．根据权利要求58的磁性存储器件，具有耦合控制层夹在两个磁性层之间的结构，其中，
所述交换作用是通过所述耦合控制层在两个磁性层之间起作用的交换作用，
通过对所述耦合控制层施加激励，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
60．根据权利要求59的磁性存储器件，其中所述耦合控制层是半导体层，其中，
通过所述半导体层的价电子传递所述交换作用；
对所述半导体层施加电激励，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
61．根据权利要求59的磁性存储器件，其中所述耦合控制层是介电层，其中，
通过由隧道效应借助所述介电层在磁性层之间迁移的电子来传递所述交换作用；
改变所述介电层之间的隧道势垒高度，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
62．根据权利要求59的磁性存储器件，其中所述耦合控制层是导电层，其中，
所述交换作用是通过所述介电层在两个磁性层之间起作用的交换作用，
通过对所述导电层施加电流，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
63．根据权利要求59的磁性存储器件，其中，所述耦合控制层具有不小于10nm的厚度并且包含磁性材料。
64．根据权利要求63的磁性存储器件，其中，耦合控制层是层叠在一起的磁性层和非磁性层构成的多层结构。
65．根据权利要求63的磁性存储器件，其中，耦合控制层是磁性颗粒分散在非磁性材料中的分散系。
66．根据权利要求59的磁性存储器件，其中，形成硬磁材料的磁性层，作为夹在所述两个磁性层之间的耦合控制层构成的结构的下层。
67．根据权利要求59的磁性存储器件，其中，耦合控制层两侧上的磁性层中的至少一个通过中间层层叠，以使成对磁性层的磁化方向相互反平行。
68．根据权利要求59的磁性存储器件，其中，传递磁性耦合的电绝缘材料的薄膜配置在磁性层和耦合控制层之间。
69．根据权利要求58的磁性存储器件，其中，多个直线式部件相互交叉地布置，每个存储载体布置在所述直线式部件的交叉点；其中，
选择用于写入或读出的可选存储载体时，两个以上直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用被组合，对被选择的存储载体实施写入或读出；
至少一个所述磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
70．根据权利要求58的磁性存储器件，其中，多个直线式部件相互交叉地布置，每个存储载体布置在所述直线式部件的交叉点；其中，
选择用于写入或读出的可选存储载体时，利用三个以上的直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用的组合，控制存储载体的磁化方向；
至少一个所述磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
71．一种在具有多个分隔的磁性部件线阵列作为存储载体的磁性存储器件中的编址方法，包括：
在选择用于写入或读出的可选存储载体时，使用通过固相传播的交换作用。
72．根据权利要求71的编址方法，其中，所述交换作用是通过一种结构中的耦合控制层在两个磁性层之间作用的交换作用，所述结构由夹在所述磁性层之间的所述耦合控制层构成，
通过对耦合控制层施加激励所产生的两个磁性层之间的交换作用的变化，用来选择用做写入或读出的可选存储载体。
73．根据权利要求72的编址方法，其中，所述耦合控制层是半导体层，其中，
所述交换作用由所述半导体层的价电子传递；
对所述半导体层施加电激励，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
74．根据权利要求72的编址方法，其中，所述耦合控制层是介电层，其中，
通过由隧道效应借助所述介电层在磁性层之间迁移的电子来传递所述交换作用；
改变所述介电层之间的隧道势垒高度，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化被用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
75．根据权利要求72的编址方法，其中，所述耦合控制层是导电层，其中，
所述交换作用是在两个磁性层之间起作用的交换作用，
使电流流过所述导电层，使两个磁性层之间的交换作用发生变化，所述变化被用于选择用做写入或读出的可选存储载体。
76．根据权利要求72的编址方法，其中，所述耦合控制层的厚度不小于10nm，并且包含磁性材料。
77．根据权利要求72的编址方法，其中，耦合控制层是层叠在一起的磁性层和非磁性层构成的多层结构。
78．根据权利要求72的编址方法，其中，耦合控制层是磁性颗粒分散在非磁性材料中的分散系。
79．根据权利要求71的编址方法，其中，多个直线式部件相互交叉地布置，每个存储载体布置在所述直线式部件的交叉点；其中，
选择用于写入或读出的可选存储载体时，两个以上直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用被组合，对被选择的存储载体实施写入或读出；
至少一个所述磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
80．根据权利要求71的编址方法，其中，多个直线式部件相互交叉地布置，每个存储载体布置在所述直线式部件的交叉点；其中，
选择用于写入或读出的可选存储载体时，利用三个以上的直线式部件施加在存储载体上的磁交互作用的组合，控制存储载体的磁化方向；
至少一个所述磁交互作用是通过固相传播的交换作用。
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