JP6329384B2 - スピン注入磁化反転素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器に用いる光変調素子に好適なスピン注入磁化反転素子に関する。

スピン注入磁化反転素子は、２層以上の磁性体膜（磁性膜）を備え、上下に接続された電極（配線）から膜面に垂直に電流を供給されることで、スピン注入磁化反転により一部の磁性膜（磁化自由層）の磁化方向が１８０°回転（反転）し、磁化方向が変化しない別の磁性膜（磁化固定層）と同じ方向または反対方向になる。このスピン注入磁化反転素子は、磁性膜同士の磁化が同じ方向の状態と異なる方向の状態とで上下の電極間の抵抗が変化するため、磁気抵抗効果素子として１ビットのデータの書込み／読出しを行うことができる。すなわち、スピン注入磁化反転素子は、これを備えたメモリセルをマトリクス状に配列して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を構成することができる。スピン注入磁化反転素子は、その寸法が極めて小さい上、磁化反転の動作が高速であるため、大容量磁気メモリとしてＭＲＡＭおよびスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている。

スピン注入磁化反転素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗）素子が知られている。さらに近年では、ＭＲＡＭのさらなる大容量化および省電力化のために、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料がスピン注入磁化反転素子に適用されている。垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子は、いっそうの微細化が可能で、かつ磁化反転に要する電流（反転電流）を低減することができる。

磁気抵抗効果素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子について特に研究されている。ＴＭＲ素子は、２枚の磁性膜の間に、トンネル障壁または障壁層と呼ばれる極めて薄い絶縁体膜を挟んだ構造である。ＴＭＲ素子は、障壁層の材料として、磁化反転に要する電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされ、特に、２枚の磁性膜の少なくとも一方に、障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を設けることで、スピン注入効率が向上し、反転電流が低減することが知られている（非特許文献２〜５参照）。

また、スピン注入磁化反転素子の別の用途として、空間光変調器の画素に搭載される光変調素子が挙げられる。光変調素子としてのスピン注入磁化反転素子は、磁性膜で反射または透過した光の偏光の向きが変化する（旋光する）磁気光学効果により、磁性膜の磁化方向を反転させて光の偏光の向きを２値に変化させるものである。空間光変調器においても、高精細化および高速化のために、従来の液晶に代わる材料として、ＭＲＡＭと同様にスピン注入磁化反転素子の研究・開発が進められている（例えば、特許文献１〜３参照）。光変調素子として使用するスピン注入磁化反転素子は、偏光の向きの変化が大きい（光変調度が大きい）ことが望ましい。そのため、光変調素子においても、垂直磁気異方性のスピン注入磁化反転素子を用いて、膜面にほぼ垂直に光を入射することにより、極カー効果で光変調度を大きくすることが望ましい（例えば、非特許文献１、特許文献２，３参照）。このような、垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の大きい磁性材料として、Ｇｄ−Ｆｅ系合金が知られ、光変調素子としてのスピン注入磁化反転素子の磁化自由層に好適である（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−８３６８６号公報 特開２０１１−２５２２号公報 特開２０１２−１０３６３４号公報

K. Aoshima et. al, "Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light", Appl. Phys. Lett. 91, 052507 (2007) S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rice, B. Hughes, M. Samant, S. H. Yang, "Giant tunnelling magnetoresistance at room temperature with MgO (100) tunnel barriers", Nature Materials, vol.3, p.862, Dec. 2004 Shinji Yuasa, Taro Nagahama, Akio Fukushima, Yoshishige Suzuki, Koji Ando, "Giant room-temperature magnetoresistance in single-crystal Fe/MgO/Fe magnetic tunnel junctions", Nature Materials, vol.3, p.868, Dec. 2004. M. Nakayama, T. Kai, N. Shimomura, M. Amano, E. Kitagawa, T. Nagase, M. Yoshikawa, T. Kishi, S. Ikegawa, H. Yoda, "Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy", J. Appl. Phys. 103, 07A710 (2008). 久保田均，他，"ＭｇＯバリアを用いたＭＴＪにおけるスピン注入磁化反転"，日本応用磁気学会研究会資料１４５巻, p.43-48, 2006.01.30 D. D. Djayaprawira, et. al, "230% room-temperature magnetoresistance in CoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions", Appl. Phys. Lett. 86, 092502 (2005)

光変調素子においても、空間光変調器を高精細化するべく画素数を増大しても好適に駆動し、かつ省電力化のために反転電流を低減できるＴＭＲ素子を適用することが望ましい。しかしながら、Ｇｄ−Ｆｅ合金はスピン偏極率が低く、ＴＭＲ素子の磁性膜に適用されても、ＭＲ比がＴＭＲ素子本来の水準に至らず、磁気抵抗効果素子として不十分であり、また、反転電流が低減されない。さらに、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、保磁力が小さく、また垂直磁気異方性が比較的弱いため、前記従来技術の非特許文献２〜５のように、ＭｇＯからなる障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂのような磁性金属膜が積層されていると、このＣｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性になって垂直磁気異方性を示さなくなる。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、Ｇｄ−Ｆｅ合金を磁化自由層に適用した垂直磁気異方性のＴＭＲ素子を提供することを目的として、反転電流を低減し、ＭＲ比を十分に高くすることが課題である。

Ｇｄ−Ｆｅ合金がＣｏ−Ｆｅ等の磁性金属膜が積層されていると垂直磁気異方性を示さなくなるのは、Ｃｏ−Ｆｅ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。そこで本発明者らは、Ｇｄ−Ｆｅ合金の層にＣｏ−Ｆｅ等の膜を積層してスピン注入効率を向上させると共に、強くなった反磁界成分を相殺する磁界成分をＧｄ膜で補うことに想到した。

すなわち、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、それぞれが垂直磁気異方性を有する磁化固定層と磁化自由層の間にＭｇＯからなる障壁層を積層してなり、前記磁化自由層が、前記障壁層との界面に設けられたＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜と、Ｇｄ−Ｆｅからなる層と、前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層と前記磁性金属膜の間に設けられたＧｄ膜と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記磁化自由層が前記障壁層の上に積層されていることが好ましい。

かかる構成により、磁化自由層にＧｄ−Ｆｅ合金を適用して、その垂直磁気異方性を維持しつつ、反転電流が小さくＭＲ比の高いＴＭＲ素子となる。

また、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子に適用することができる。かかる構成により、Ｇｄ−Ｆｅ合金の高い磁気光学効果と極カー効果により光変調度が高く、かつ駆動電流を抑えた光変調素子とすることができる。

本発明に係るスピン注入磁化反転素子によれば、磁化自由層が、ＭｇＯ膜からなる障壁層との界面にＣｏ−Ｆｅ等の磁性金属膜を備えることにより、低電流で磁化反転可能で、かつＭＲ比の高いトンネル磁気抵抗素子となり、さらにＧｄ−Ｆｅ合金により垂直磁気異方性と高い光変調度を有するため、光変調素子として、磁気光学効果が高く、高精細化しても省電力化された空間光変調器とすることができる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るスピン注入磁化反転素子を備えた光変調素子の構成を示す断面図であり、（ｂ）は前記実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子を備えた磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。 スピン注入磁化反転素子の動作を説明する模式図であり、（ａ）、（ｂ）はスピン注入磁化反転を、（ｃ）、（ｄ）は光変調素子および磁気抵抗効果素子としての動作を説明する断面図である。 実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのＭＲ比の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）、（ｂ）は本発明に係るスピン注入磁化反転素子、（ｃ）、（ｄ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。 実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのカー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）、（ｂ）は本発明に係るスピン注入磁化反転素子、（ｃ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。 実施例のスピン注入磁化反転素子のサンプルのカー回転角の磁場依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は本発明に係るスピン注入磁化反転素子、（ｂ）は比較例のスピン注入磁化反転素子である。

以下、本発明に係るスピン注入磁化反転素子を実現するための形態について、図を参照して説明する。

〔実施形態：光変調素子〕
本発明の一実施形態に係るスピン注入磁化反転素子は、上下に一対の電極を接続されて、空間光変調器の画素（空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段）を構成する光変調素子に適用され、上方から入射した光を異なる２値の光（偏光成分）に変調し、下に接続した電極で反射させて上方へ出射する。以下、本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた光変調素子について説明する。

本発明の実施形態に係るＴＭＲ素子（スピン注入磁化反転素子）５は、図１（ａ）に示すように、磁化固定層３、障壁層２、磁化自由層１の順に積層された構成であり、一対の電極である下部電極６１と上部電極６２（以下、適宜、電極６１，６２）に上下で接続されて、光変調素子１０を構成する。ＴＭＲ素子５は、磁化が一方向に固定された磁化固定層３および磁化の方向が回転可能な磁化自由層１を、絶縁体であるＭｇＯからなる障壁層２を挟んで積層してなるトンネル磁気抵抗素子である。光変調素子１０はさらに必要に応じて、ＴＭＲ素子５（磁化自由層１）の上に、当該光変調素子１０の製造工程におけるダメージからＴＭＲ素子５の各層を保護するために保護膜４２を、ＴＭＲ素子５（磁化固定層３）の下に、下部電極６１への密着性を得るために、下地膜４１を備える。

光変調素子１０は、空間光変調器の画素とするため、基板７上に、膜面方向において２次元アレイ状に配列されて（図示省略）、一対の電極６１，６２の一方を行方向に、他方を列方向に、図１（ａ）においては、下部電極６１が手前−奥方向に、上部電極６２が左右方向に、それぞれ延設して共有される。そのため、光変調素子１０，１０間に、具体的にはＴＭＲ素子５，５間、電極６１，６２間、下部電極６１，６１間および上部電極６２，６２間（配線間）のそれぞれに、絶縁層８が充填される。ＴＭＲ素子５は、平面視が例えば矩形であり（図示省略）、好適に磁化反転するためには、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下とすることが好ましく、一方、光変調のために、一辺の長さを少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とする。ＴＭＲ素子５を構成する各層１，２，３、ならびに下地膜４１、保護膜４２は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて基板７に積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。

〔スピン注入磁化反転素子〕
（磁化反転動作）
ここで、ＴＭＲ素子５の磁化反転の動作を、図２（ａ）、（ｂ）を参照して、光変調素子１０にて説明する。なお、図２において、下地膜４１および保護膜４２は図示を省略する。スピン注入磁化反転素子であるＴＭＲ素子５は、磁化自由層１が逆方向のスピンを持つ電子を注入されることにより、その磁化方向が反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）する。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極６２を「＋」、下部電極６１を「−」にして、ＴＭＲ素子５に、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉ_Wを供給して、磁化固定層３側から電子を注入する。すると、磁化を上向きに固定された磁化固定層３により当該磁化固定層３の磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄ_Dが弁別されて、磁化自由層１は上向きのスピンを持つ電子ｄ_Uが偏って注入されて、磁化が上向きに反転する。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極６２を「−」、下部電極６１を「＋」にして、ＴＭＲ素子５に、磁化固定層３側から磁化自由層１へ電流Ｉ_Wを供給して、磁化自由層１側から電子を注入する。すると、下向きのスピンを持つ電子ｄ_Dが磁化固定層３により弁別されて磁化自由層１に留まるため、磁化自由層１の磁化は下向きに反転する。

このように、ＴＭＲ素子５は、上下面に接続した一対の電極６２，６１で膜面垂直方向に電流を供給されることで、磁化自由層１の磁化方向が磁化固定層３と同じ方向（平行）または１８０°異なる方向（反平行）になる。そして、磁化自由層１は、特定の向きのスピンを持つ電子が偏って注入されることで磁化反転するため、この偏りの程度が大きいほど、すなわち磁化自由層１や磁化固定層３のスピン偏極率が高いほど、より小さい電流で磁化反転する。なお、ＴＭＲ素子５の障壁層２は、絶縁体であるが、数ｎｍ以下と極めて薄いため、微小な電流（トンネル電流）が流れる。

また、ＴＭＲ素子５において、磁化自由層１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流（Ｉ_W）が供給されるまでは、当該磁化自由層１の保磁力により磁化が保持される（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。そのため、ＴＭＲ素子５に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流（直流パルス電流）を用いることができる。

（抵抗変化）
ＴＭＲ素子５の磁化反転に伴う抵抗の変化を、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。ＴＭＲ素子５は磁気抵抗効果素子であり、その積層方向における抵抗、すなわち上下に接続した電極６１，６２間の抵抗が、磁化自由層１の磁化方向により変化する。詳しくは、ＴＭＲ素子５は、図２（ｃ）に示す磁化が平行な状態よりも、図２（ｄ）に示す磁化が反平行な状態の方が、抵抗が高く（Ｒ_P＜Ｒ_AP）、磁化反転しない大きさの電流Ｉ_TSTを供給されたときに電流が流れ難い。このＴＭＲ素子５の抵抗の変化量（Ｒ_AP−Ｒ_P）は磁化自由層１や磁化固定層３のスピン偏極率が高いほど大きく、具体的には、ＭＲ比(Ｒ_AP−Ｒ_P)／Ｒ_Pは磁化自由層１、磁化固定層３のスピン偏極率の積に比例する。

このように、ＴＭＲ素子５は、磁化自由層１および磁化固定層３の少なくとも一方の、好ましくは両方のスピン偏極率を高くすることで、反転電流を低減し、かつＭＲ比を高くすることができる。磁化自由層１および磁化固定層３のスピン偏極率は、当該磁化自由層１および磁化固定層３の層全体におけるものに限られず、障壁層２との界面において高いものとすれば、その効果が得られる。
以下、ＴＭＲ素子５を構成する要素について詳しく説明する。

（磁化自由層）
本実施形態に係るＴＭＲ素子５において、磁化自由層１は、障壁層２上に設けられ、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）１１を備え、障壁層２との界面である最下層にＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）１３を、ＣｏＦｅ膜１３とＧｄＦｅ層１１の間にＧｄ膜１２を、さらに備える。すなわち磁化自由層１は、障壁層２の側（下）から、ＣｏＦｅ膜１３／Ｇｄ膜１２／ＧｄＦｅ層１１の３層構造を有する。

ＧｄＦｅ層１１は、磁化自由層１の主たる要素であり、垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種で、特に磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金で形成される。ＧｄＦｅ層１１は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で過剰に厚膜化されると垂直磁気異方性を示し難くなるため、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。

Ｇｄ−Ｆｅ合金においては、遷移金属であるＦｅが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを示すのに対し、希土類金属であるＧｄは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）の磁気モーメントを示す。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、スピン注入磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、例えばＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金については、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成として、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントとして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。一方、Ｇｄ−Ｆｅ合金については、このような補償組成付近では、他のＲＥ−ＴＭ合金と比較して保磁力が小さく、さらに保磁力に対して、磁化自由層に適用した場合の反転電流が小さくはないことから、Ｆｅの含有率を高くして、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにする。

Ｇｄ−Ｆｅ合金は、前記した通り、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層としての必要な保磁力、垂直磁気異方性、および高い磁気光学効果を有している。しかし一方で、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、スピン偏極率が低いため、ＴＭＲ素子の磁性層に適用されても、当該ＴＭＲ素子が本来の高いＭＲ比を実現できず、また、保磁力についても、特に微細化したスピン注入磁化反転素子において、磁化方向を安定して保持するためには十分な大きさであるとはいえない。そこで、本実施形態に係るＴＭＲ素子５は、磁化自由層１が障壁層２上に設けられ、すなわちＧｄＦｅ層１１がＭｇＯ膜上に設けられる。このように、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、ＭｇＯ膜上に成膜されることにより保磁力が大きくなる。さらに、磁化自由層１は、スピン偏極率を高くするために、障壁層２との界面に、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜１３（まとめてＣｏＦｅ膜１３と称する）を備える。ところが、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂと組み合わされると、垂直磁気異方性を示さず、Ｃｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性を示すようになる。これは、Ｃｏ−Ｆｅ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。そこで、磁化自由層１は、ＣｏＦｅ膜１３とＧｄＦｅ層１１の間に、Ｇｄ膜１２をさらに備えることで、ＣｏＦｅ膜１３によるＦｅの影響を相殺し、ＧｄＦｅ層１１（磁化自由層１）が垂直磁気異方性を示すようにする。

Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂはスピン偏極率が高いため、ＣｏＦｅ膜１３が設けられることにより、磁化自由層１と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くして、障壁層２を介して磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）に注入されるスピンによるスピントルクが増大する。これにより、磁化自由層１の多くを占めるＧｄＦｅ層１１のスピン偏極率が低くても、ＴＭＲ素子５は、反転電流が低減され、ＭＲ比がＴＭＲ素子本来の高いものとなる。このような効果を十分に得るために、ＣｏＦｅ膜１３は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。なお、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、本来は面内磁気異方性を有するが、垂直磁気異方性を示す磁性体（ＧｄＦｅ層１１）に影響を与えないように、相対的に厚さを抑えて、さらにＧｄ膜１２を介して積層されることで、この磁性体と一体に垂直磁気異方性を示す。Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは一般的には厚さを２ｎｍ以下とするが（例えば、後記の磁化固定層３のＣｏＦｅ膜３３）、前記したように、Ｇｄ−Ｆｅ合金は本来、保磁力および垂直磁気異方性が比較的小さいため、ＣｏＦｅ膜１３の厚さが０．３ｎｍを超えると、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）が面内磁気異方性を示すようになる場合がある。したがって、ＣｏＦｅ膜１３は、厚さを０．１〜０．３ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、Ｃｏ−Ｆｅは、特に（００１）面配向のＭｇＯとの格子整合がよく、障壁層２がかかる結晶構造のＭｇＯであれば、ＴＭＲ素子５は、コヒーレントなトンネル電流が流れることにより、いっそう反転電流を低減することができる。また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂは、成膜後に熱処理されるとＭｇＯの層との界面から結晶化して（００１）面配向を示すようになるため、Ｃｏ−Ｆｅと同様の効果を有する。

Ｇｄ膜１２は、ＣｏＦｅ膜１３とＧｄＦｅ層１１の間に設けられ、ＣｏＦｅ膜１３（Ｆｅ）のＧｄＦｅ層１１への影響を相殺して、ＧｄＦｅ層１１が本来の垂直磁気異方性を示すようにする。Ｇｄ膜１２は、ＧｄＦｅ層１１やＣｏＦｅ膜１３の厚さに応じて、ＧｄＦｅ層１１が垂直磁気異方性を示すように、厚さを設定される。具体的には、Ｇｄ膜１２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、Ｇｄ原子１個分（０．１８ｎｍ）相当の０．２ｎｍ以上とすることがより好ましく、また、２ｎｍ以下とすることが好ましい。言い換えると、磁化自由層１は、ＣｏＦｅ膜１３との界面でＧｄ−ｒｉｃｈとなるＧｄ−Ｆｅ合金の層を備える。

（障壁層）
本実施形態に係るＴＭＲ素子５において、障壁層２はＭｇＯで形成される。障壁層２は、一般的なＴＭＲ素子と同様に、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましく、特に、この上に成膜される磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の保磁力を大きくする効果が十分なものになるために、厚さを１ｎｍ以上とすることがより好ましい。また、障壁層２は、特に（００１）面配向のＭｇＯとすることが好ましく、このような結晶構造により、ＴＭＲ素子５において電子が散乱せずに注入されるために、ＴＭＲ素子５の反転電流をいっそう低減させることができる。障壁層２をこのような結晶構造のＭｇＯに形成するためには、一例として、下地となる磁化固定層３を非晶質構造とすることが挙げられる。

（磁化固定層）
磁化固定層３は、主たる要素として磁性層３１を備え、さらに、ＴＭＲ素子５において、障壁層２との界面（最上層）にＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３３（まとめてＣｏＦｅ膜３３と称する）を備えてもよく、すなわち磁性層３１とＣｏＦｅ膜３３からなる２層構造を有する。磁性層３１は垂直磁気異方性を有するＴＭＲ素子の磁化固定層として公知の磁性材料にて形成することができる。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等の貴金属とを含む、例えば[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは前記遷移金属とＮｄ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ等の希土類金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）、Ｌ１₀系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。さらに、磁化固定層３は、磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）に対して保磁力が十分に大きく、具体的には０．５ｋＯｅ以上の差となることが好ましく、磁化自由層１に応じて、厚さを３〜５０ｎｍの範囲で設定されることが好ましい。また、磁性層３１は、障壁層２として磁化固定層３の上に形成されるＭｇＯを（００１）面配向とすることを妨げないように、非晶質であることが好ましいため、ＲＥ−ＴＭ合金が好適で、保磁力の大きいＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏが特に好ましい。

ＣｏＦｅ膜３３は、磁化自由層１におけるＣｏＦｅ膜１３と同様に、磁化固定層３と障壁層２の界面でのスピン偏極率を高くするので、磁化自由層１だけでなく磁化固定層３にも設けられることで、障壁層２を介して磁化自由層１へ注入するスピンによるスピントルクが増大して、ＴＭＲ素子５の反転電流がいっそう低減される。ＣｏＦｅ膜３３は、その効果を十分に得るために、かつ、磁化固定層３全体を垂直磁気異方性にするために、厚さを０．１〜２ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂは、前記した通り、（００１）面配向の結晶のＭｇＯとの格子整合がよく、特に成膜時において非晶質のＣｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することで、その上に成膜されるＭｇＯ（障壁層２）が（００１）面配向の結晶構造になり易い。

光変調素子１０を構成するＴＭＲ素子５以外の要素について、以下に説明する。

（下地膜）
下地膜４１は、ＴＭＲ素子５（磁化固定層３）の下に設けて下部電極６１への密着性を付与するために設けられ、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましい。これらの金属膜であれば、磁化固定層３を挟んで設けられる障壁層２とするＭｇＯについて、（００１）面配向とすることを妨げない。下地膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、密着性がそれ以上には向上しないので、厚さ１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（保護膜）
保護膜４２は、ＴＭＲ素子５の各層、特に最上層の磁化自由層１を、光変調素子１０の製造工程におけるダメージから保護するために、ＴＭＲ素子５の上に設けられる。製造工程におけるダメージとは、例えばレジスト形成時の現像液の含浸等が挙げられ、また、最上層の磁化自由層１のＧｄＦｅ層１１の酸化も含まれる。保護膜４２は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜４２は、下地膜４１と同様に、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、１０ｎｍを超えて厚くしても、ＧｄＦｅ層１１等を保護する効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１０の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護膜４２は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（下部電極）
下部電極６１は、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成され、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。そして、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状等の所望の形状に加工される。

（上部電極）
上部電極６２は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。

電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、電極とこの電極に接続するＴＭＲ素子５との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち透明電極材料で構成された上部電極６２においては、ＴＭＲ素子５との間の下地として金属膜を積層することが好ましい（図示せず）。ＴＭＲ素子５との間に金属膜を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料からなる上部電極６２においても、上部電極６２−ＴＭＲ素子５間の接触抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。

透明電極の下地を構成する金属膜としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等の公知の方法により成膜される。そして、金属膜とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、金属膜は、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。金属膜の厚さは、保護膜４２と同様に、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。

基板７は、光変調素子１０を２次元配列するための土台であり、光変調素子１０を製造するための広義の基板である。基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板やガラス等の公知の基板が適用できる。

絶縁層８は、２次元アレイ状に配列された光変調素子１０，１０間に、すなわちＴＭＲ素子５，５間、電極６１，６２間（層間）、下部電極６１，６１間および上部電極６２，６２間（配線間）を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁層８は、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜やＳｉ窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄）等の公知の絶縁材料を適用することができる。ただし、ＴＭＲ素子５が、ＧｄＦｅ層１１のような極めて酸化し易いＲＥ−ＴＭ合金からなる層を含むため、ＴＭＲ素子５に接触する部分（ＴＭＲ素子５，５間）に設けられる絶縁層８は、Ｓｉ窒化物やＭｇＦ₂等のＯ（酸素）を含有しない非酸化物を適用することが好ましい。

（光変調素子の製造方法）
次に、ＴＭＲ素子５を備える光変調素子１０の製造方法について、その一例を説明する。光変調素子は、前記したように、基板上に２次元アレイ状に配列された空間光変調器として製造される。

まず、下部電極６１を形成する。基板７の表面に、スパッタリング法等で金属電極材料を成膜して、ストライプ状の下部電極６１を形成する。そして、下部電極６１，６１間にＳｉＯ₂等の絶縁膜（絶縁層８となる）を堆積させる。

次に、ＴＭＲ素子５を形成する。下部電極６１（および絶縁層８）の上に、下地膜４１、磁性層３１、ＣｏＦｅ膜３３、障壁層２、ＣｏＦｅ膜１３、Ｇｄ膜１２、ＧｄＦｅ層１１、保護膜４２の各材料を連続して成膜し、これらの層を電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等により所望の平面視形状に成形加工して、ＴＭＲ素子５とする。前記成形加工においてマスクとしたレジストを残した状態で、Ｓｉ窒化物等の非酸化物の絶縁膜を成膜して、ＴＭＲ素子５，５間に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）、絶縁層８とする。

次に、上部電極６２を形成する。ＴＭＲ素子５および絶縁層８の上に、下地としての金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極６１と直交するストライプ状に形成して上部電極６２とする。最後に、上部電極６２，６２間に絶縁膜を堆積して絶縁層８とし、光変調素子１０が得られる。

空間光変調器におけるすべての画素の光変調素子１０は、磁化固定層３の磁化が同じ向きに固定されている必要がある。磁化固定層３は保磁力が大きく電流供給では磁化反転しないので、外部から磁化固定層３の保磁力よりも大きな磁界を印加して、磁化固定層３の磁化方向を、例えば上向きに（図２参照）揃える初期設定を行う。この初期設定は、完成した、すなわち製造後の光変調素子１０（空間光変調器）に限られず、製造工程途中において磁化固定層３（磁性層３１、ＣｏＦｅ膜３３）用の磁性材料を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。

（光変調素子の動作）
本実施形態に係るＴＭＲ素子を備える光変調素子の動作を、図２（ｃ）、（ｄ）を参照して説明する。上方から光変調素子１０に入射した光は、上部電極６２を透過してＴＭＲ素子５に到達し、下部電極６１により反射し、再び上部電極６２を透過して上方へ出射する。その際、磁性体である磁化自由層１（ＧｄＦｅ層１１）の磁気光学効果により、光はその偏光面が回転（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図２（ｃ）、（ｄ）にそれぞれ示す、磁化自由層１の磁化方向が互いに１８０°異なるＴＭＲ素子５における旋光角は−θk，＋θkで、互いに逆方向に偏光面が回転する。ＴＭＲ素子５の磁化反転動作は、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明した通りである。したがって、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、電極６１，６２から電流Ｉ_Wの向き（正負）を入れ替えて供給することで変化させる。なお、旋光角−θk，＋θkは、磁化自由層１での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えばＴＭＲ素子５における多重反射により累積された角度も含める。

光変調素子１０は、画素として２次元配列して、公知の反射型の空間光変調器（例えば、特許文献２参照）と同様に動作させることができる。このような空間光変調器は、所望の画素（光変調素子１０）について、そのＴＭＲ素子５を磁化反転動作させるために、電流供給源（電源）と、電極６１，６２のそれぞれから選択的に特定のＴＭＲ素子５に接続する一対以上を前記電源に接続するスイッチを備える（図示省略）。光変調素子１０への入射光は、例えばレーザー光源から偏光子を透過させた特定の１つの偏光成分の光であり、出射光は別の偏光子で、前記入射光に対して−θk，＋θkの一方に旋光した光を遮光して、他方に旋光した光を取り出すことができる（図示省略）。

図２（ｃ）、（ｄ）においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするために、入射光の入射角を傾斜させて示しているが、磁化自由層１の極カー効果でカー回転角を大きくするために、膜面により垂直に入射、すなわち入射角を０°に近付けることが好ましく、具体的には入射角を３０°以内にすることが好ましい。最も好ましくは、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°とすることであり、この場合は入射光と出射光の経路が一致するため、光変調素子１０の上（入射光用の偏光子との間）にハーフミラーを配置して、出射光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に出射光用の偏光子を配置する。

（書込みエラー検出方法）
ＴＭＲ素子５は、前記した通り磁気抵抗効果素子であるので、光変調素子１０を２次元配列した空間光変調器は、電極６１，６２をワード線、ビット線としたクロスポイント型のＭＲＡＭと同じ回路構造である。このような空間光変調器は、ＭＲＡＭのメモリセルの読出しと同様に、所望の画素（光変調素子１０）の磁化自由層１の磁化方向を電気的に検出して、磁化反転動作（書込み）が正常になされたかを検査することができる。具体的には図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、ＴＭＲ素子５が磁化反転しない所定の大きさの電流Ｉ_TSTを供給したときの電極６１，６２間の電圧から、ＴＭＲ素子５の抵抗がＲ_P，Ｒ_APのいずれであるかを判定する。なお、図２（ｃ）、（ｄ）に示すＴＭＲ素子５は、磁化自由層１側から磁化固定層３へ電流Ｉ_TSTを供給されているが、電流Ｉ_TSTの向きは逆でもよい。

クロスポイント型のＭＲＡＭの回路構造である空間光変調器においては、抵抗を測定していない、すなわち電流Ｉ_TSTを供給していない（非選択の）光変調素子１０のＴＭＲ素子５に漏れ電流が流れるため、光変調素子１０の搭載個数（画素数）が多いほど検出される１個の光変調素子１０の抵抗変化量が実際の値よりも小さくなる。本実施形態におけるＴＭＲ素子５は、ＭＲ比(Ｒ_AP−Ｒ_P)／Ｒ_Pが高いため、このような回路構造の空間光変調器の光変調素子１０に適用されても、磁化反転動作（書込み）と同じ電極６１，６２による書込みエラー検出を可能とし得る。あるいは、光変調素子１０は、後記の変形例に係るＴＭＲ素子５Ａを備える磁気抵抗効果素子１０Ａ（図１（ｂ）参照）と同様に、ＴＭＲ素子５を下部電極６１でトランジスタに接続した選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルの構造として、漏れ電流のない構造としてもよい。このようなトランジスタを備えた光変調素子を２次元配列した空間光変調器とすることで、書込みエラー検出が容易になり、磁化反転動作においても、電流Ｉ_Wを供給する光変調素子以外に電流が流れないので、漏れ電流による損失が抑えられる。

以上のように、本発明の実施形態に係るＴＭＲ素子は、スピン注入効率に優れて、低い電流密度で磁化反転させることできるため、光変調素子に適用されて高精細な空間光変調器としても省電力化され、さらに、ＭＲ比が高いので書込みエラー検出が容易であり、また、垂直磁気異方性を有し、かつ磁気光学効果の高いＧｄ−Ｆｅ合金が適用されているので、極カー効果により光変調度が大きく、コントラストのよい空間光変調器となる。

〔実施形態の変形例：磁気抵抗効果素子〕
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、ＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗効果素子に適用されてもよい。以下、本発明の実施形態の変形例に係るスピン注入磁化反転素子、およびこれを備えた磁気抵抗効果素子について説明する。前記実施形態（図１（ａ）参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

図１（ｂ）に示すように、本発明の実施形態の変形例に係るＴＭＲ素子（スピン注入磁化反転素子）５Ａは、前記実施形態に係るＴＭＲ素子５と積層順を逆にした構造であり、磁化自由層１、障壁層２、磁化固定層３の各要素はＴＭＲ素子５と同一である。ＴＭＲ素子５Ａにおいては、障壁層２は、磁化自由層１の上、すなわち非晶質のＧｄＦｅ層１１の上に形成され、さらにＣｏＦｅ層１３を下地とするので、（００１）面配向のＭｇＯとなり易い。

ＴＭＲ素子５Ａは、磁気抵抗効果素子１０Ａに適用されるので、前記光変調素子１０に適用されるＴＭＲ素子５とは異なり、光変調のための平面視の大きさの下限（最小面積）がなく、磁化自由層１の磁化が保持されればよい。具体的には、ＴＭＲ素子５Ａは、より好適に磁化反転するために、平面視が一般的なスピン注入磁化反転素子の大きさである３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることが好ましい。また、ＴＭＲ素子５Ａを備える磁気抵抗効果素子１０Ａは、光を透過する必要がないので、上下電極６２Ａ，６１Ａ共に、前記実施形態の下部電極６１と同様の金属電極材料で形成される。

磁気抵抗効果素子１０Ａは、選択トランジスタ型のＭＲＡＭのメモリセルとして、下部電極６１Ａを介してトランジスタ（図示省略）に接続され、光変調素子１０と同様に２次元配列され、上部電極６２Ａが面内における一方向（図１（ｂ）における左右方向）に延設されてビット線として共有される。なお、メモリセルのトランジスタは、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）であり、下部電極６１Ａはドレインに接続され、ソースおよびゲートは、上部電極６２Ａ（ビット線）と直交するソース線、ワード線（図示省略）にそれぞれ接続される。

本変形例に係るＴＭＲ素子５Ａを備える磁気抵抗効果素子１０Ａは、積層順を入れ替えて、前記実施形態に係るＴＭＲ素子５を備える光変調素子１０（空間光変調器）と同様に製造することができる。ただし、磁気抵抗効果素子１０Ａは、ＴＭＲ素子５Ａがトランジスタに接続されるために、表層にＭＯＳＦＥＴを形成されたｐ型シリコン（Ｓｉ）基板上に、ソース線およびワード線を金属電極材料で形成された上に、絶縁層８を介して形成される。

（磁気抵抗効果素子の動作）
メモリセルの書込みとして、磁気抵抗効果素子１０ＡにおけるＴＭＲ素子５Ａの磁化反転が行われる。ＴＭＲ素子５Ａの磁化反転動作は、図２（ａ）、（ｂ）に示すＴＭＲ素子５とは、上下電極６２Ａ，６１Ａ（６２，６１）から供給される電流Ｉ_Wの向きと磁化自由層１の磁化方向との関係が逆になる以外は同様である。一方、メモリセルの読出しは、図２（ｃ）、（ｄ）に示す光変調素子１０（ＴＭＲ素子５）の書込みエラー検出と同様である。なお、磁気抵抗効果素子１０Ａにおいて、下部電極６１Ａは、トランジスタを経由して、上部電極６２Ａ（ビット線）と直交して延設するソース線に接続し、この接続はワード線からの電流Ｉ_TSTとは別の電流の供給によりＯＮ／ＯＦＦする。したがって、書込み、読出しの電流Ｉ_W，Ｉ_TSTは、上部電極６２Ａ（ビット線）とソース線を一対の電極としてＴＭＲ素子５Ａに供給される。

本変形例に係るＴＭＲ素子５Ａは光変調素子に適用されてもよい。ＴＭＲ素子５Ａは、下側に磁化自由層１を備えるため、下方から光を入出射する光変調素子として、前記実施形態に係るＴＭＲ素子５を備える光変調素子１０と同様に、旋光角−θk，＋θkで光変調動作をする（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。具体的には、光を透過する基板を適用し、下部電極を透明電極材料で、上部電極を金属電極材料で形成する。基板は、公知の透明基板材料が適用でき、具体的には、ＳｉＯ₂（酸化ケイ素、ガラス）、ＭｇＯ、サファイア、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等を適用することができる。

磁気抵抗効果素子１０Ａは、磁化自由層１を障壁層２の上に積層した前記実施形態に係るＴＭＲ素子５（図１（ａ）参照）を備えてもよい。また、磁気抵抗効果素子１０Ａは、ＭＯＳＦＥＴに代えて、ダイオードを接続してメモリセルとしてもよい（図示せず）。ダイオードについても、ＭＯＳＦＥＴと同様に、Ｓｉ基板の表層に形成することができる。あるいは、磁気抵抗効果素子１０Ａは、前記実施形態における光変調素子１０と同様にトランジスタを接続せず、下部電極をワード線とするクロスポイント型のＭＲＡＭのメモリセルとしてもよい。

以上のように、本発明の実施形態の変形例に係るＴＭＲ素子は、前記実施形態と同様に、スピン注入効率に優れて、ＭＲ比が高く、低い電流密度で磁化反転させることできるため、微細化しても読出しが容易で、省電力化した大容量のＭＲＡＭを実現することができる。

本発明の実施形態およびその変形例においては、磁化自由層、障壁層、磁化固定層を１層ずつ備えるスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子）について説明したが、これに限られず、例えば、１つの磁化自由層の両面に障壁層（または中間層）を介して２つの磁化固定層を設けたデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子においても適用し得て、同様の効果を有する。

以上、本発明を実施するための形態について述べてきたが、以下に、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。

本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化自由層の構造によるＭＲ比への効果を確認するために、スピン注入磁化反転素子を模擬したサンプルを作製して、磁気特性および磁気光学効果を観察した。詳しくは、抵抗測定用として、熱酸化Ｓｉ基板に、表１のＮｏ．１〜３，５に示す下部電極（Ｃｕ膜またはＣｕ／Ｔａ多層膜）を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、さらにその上に厚さ１００ｎｍのＣｕ膜で上部電極を形成し、フォトリソグラフィで一辺が十数μｍの矩形に加工してサンプルとした。また、カー回転角測定用として、同様に、熱酸化Ｓｉ基板に、表１のＮｏ．１，２，４に示す下部電極を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順に成膜して積層し、成形加工せず、上部電極のないサンプルとした。

Ｎｏ．１，２は、本発明の実施形態に係るスピン注入磁化反転素子（図１（ａ）参照）の、ＣｏＦｅ膜にそれぞれＣｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを適用したサンプル、Ｎｏ．３はＧｄ膜およびＣｏＦｅ膜を積層しないＧｄ−Ｆｅ合金単層の比較例、Ｎｏ．４はＧｄ膜を積層しない比較例のサンプルであり、Ｎｏ．５は中間層（表１では障壁層）にＡｇを適用したＣＰＰ−ＧＭＲ素子を模擬したサンプルである。なお、表１に「Ｃｕ／Ｔａ」と示した下部電極は、下から、Ｔａ：５ｎｍ／[Ｃｕ：１５ｎｍ／Ｔａ：３ｎｍ]×ｎ（Ｎｏ．１〜３はｎ＝２、Ｎｏ．４はｎ＝１０）の多層膜で、さらに最上層のＴａ膜の保護膜としてＲｕ：３ｎｍを設けた。

作製したサンプルについて、抵抗の変化を観察してＭＲ比を求めた。詳しくは、サンプルに、初期化磁界−５ｋＯｅを印加して、全体（磁化固定層および磁化自由層）の磁化方向を下向きに揃えた。そして、初期化磁界と反対方向の磁界Ｈ（＞０）をその大きさ（絶対値）を０．５ｋＯｅまで漸増させながら印加して、上下電極間の抵抗の変化を観察した。さらに反対方向の磁界Ｈ（＜０）を印加して、同様に抵抗の変化を観察した。Ｎｏ．１，２，３，５について、抵抗をＭＲ比に換算し、磁場（印加磁界）依存性を磁化曲線として図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。

作製したサンプルについて、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。詳しくは、前記の抵抗の観察と同様に、サンプルに初期化磁界を印加して全体の磁化方向を揃え、波長７８０ｎｍのレーザー光を入射角３０°で入射して、サンプルからの反射光の偏光の向き（カー回転角）を、垂直磁界Ｋｅｒｒ効果測定装置で測定しながら、印加磁界をその大きさ（絶対値）を１ｋＯｅまで漸増させながら印加して、偏光の向きの変化を観察した。Ｎｏ．１，２，４について、カー回転角の磁場（印加磁界）依存性を、磁化曲線として図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。

磁化自由層をＧｄ−Ｆｅ合金のみで形成した比較例のＮｏ．３は、図３（ｃ）に示すように、ＭＲ比の平均値０．２４％で、図３（ｄ）に示すＣＰＰ−ＧＭＲ素子のＮｏ．５（ＭＲ比の平均値０．１４％）と大差なく、ＴＭＲ素子本来の値には及ばなかった。これに対して、磁化自由層にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂの磁性金属膜を積層したＮｏ．１，２は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、ＭＲ比が平均値６．７％、４．４％と、ＴＭＲ素子として十分に高い値を示し、また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）の抵抗が変化した磁場と同程度の磁場で、急激にカー回転角が変化したことから、磁化自由層が垂直磁気異方性を有することが確認された。

一方、Ｇｄ膜を間に設けずにＧｄＦｅ層にＣｏＦｅＢ膜を積層したＮｏ．４は、図４（ｃ）に示すように、カー回転角が最大でＮｏ．１，２の約１／１０であり、また磁場の増加に伴って急激に変化することがなかった。これは、入射角３０°で入射した光に対して、磁化自由層の磁化方向が垂直に近く（６０°）、極カー効果が得られなかったためであり、磁化自由層が垂直磁気異方性を有していないことを示す。

また、図３に示した磁化曲線から、抵抗が変化したときの正負それぞれの印加磁界Ｈの絶対値を得て、その平均を磁化自由層の保磁力Ｈcとした。Ａｇからなる中間層の上に磁化自由層（ＧｄＦｅ層）が形成されたＮｏ．５は、図３（ｄ）より保磁力Ｈcが３４Ｏｅであるのに対し、ＭｇＯからなる障壁層の上に直接にＧｄＦｅ層が形成されたＮｏ．３は、図３（ｃ）より保磁力Ｈcが７３Ｏｅに増大した。一方、Ｎｏ．１，２は、障壁層とＧｄＦｅ層との間にＣｏＦｅ膜またはＣｏＦｅＢ膜とＧｄ膜とが設けられているが、それぞれ図３（ａ）、（ｂ）より保磁力Ｈcが６９Ｏｅ、６３Ｏｅであり、Ｎｏ．３と比較してほとんど減少せず、十分な保磁力を有することが確認された。

本発明に係るスピン注入磁化反転素子について、Ｇｄ−Ｆｅ合金を適用した磁化自由層へのＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂの磁性金属膜による影響を確認するために、実施例１と同様にスピン注入磁化反転素子を模擬したサンプルを作製して、磁気特性および磁気光学効果を観察した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、表２のＮｏ．６，７に示す下部電極（Ｃｕ膜）を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、成形加工せず、上部電極のないカー回転角測定用のサンプルとした。

作製したサンプルについて、実施例１と同様の方法で、レーザー光を用いた偏光変調法にてカー回転角を測定し、印加磁界による磁化反転を観察した。Ｎｏ．６，７について、カー回転角の磁場（印加磁界）依存性を、磁化曲線として図５（ａ）、（ｂ）に示す。

Ｎｏ．６は、実施例１のＮｏ．１と同様の構造のＴＭＲ素子であり、図５（ａ）に示すように、磁化自由層が垂直磁気異方性を有する。これに対して、磁化自由層のＣｏＦｅ膜を厚さ０．４ｎｍに形成したＮｏ．７は、ＧｄＦｅ層との間にＧｄ膜を設けても、図５（ｂ）に示すように、カー回転角が最大でＮｏ．６の約８０％に変化したものの、Ｎｏ．４と同様に磁場の増加に伴って急激に変化することがなく、磁化自由層が垂直磁気異方性を有していないことを示した。これは、厚さ０．４ｎｍものＣｏＦｅ膜に対してＧｄＦｅ層の保磁力や垂直磁気異方性が不十分であったためと推測される。

１０ 光変調素子
１０Ａ 磁気抵抗効果素子
１ 磁化自由層
１１ ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）
１２ Ｇｄ膜
１３ ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
２ 障壁層
３ 磁化固定層
３１ 磁性層
３３ ＣｏＦｅ膜（磁性金属膜）
５，５Ａ ＴＭＲ素子（スピン注入磁化反転素子）
６１，６１Ａ 下部電極
６２，６２Ａ 上部電極
７ 基板
８ 絶縁層

Claims (3)

1. それぞれが垂直磁気異方性を有する磁化固定層と磁化自由層の間に、ＭｇＯからなる障壁層を積層してなるスピン注入磁化反転素子であって、
   前記磁化自由層は、前記障壁層との界面に設けられたＣｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜と、Ｇｄ−Ｆｅからなる層と、前記Ｇｄ−Ｆｅからなる層と前記磁性金属膜の間に設けられたＧｄ膜と、を備えることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
2. 前記磁化自由層が前記障壁層の上に積層されていることを特徴とする請求項１に記載のスピン注入磁化反転素子。
3. 入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調素子であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン注入磁化反転素子。

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