JPH11330387A

JPH11330387A - 磁化制御方法、情報記録方法及び情報記録素子

Info

Publication number: JPH11330387A
Application number: JP10130710A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Bessho; 和宏別所; Hiroshi Iwasaki; 洋岩崎
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】磁界を用いることなく磁化を制御することが
可能な磁化制御方法として、より現実的であり実用可能
な方法を提供する。また、そのような磁化制御方法を利
用した情報記録方法及び情報記録素子を提供する。【解決手段】強磁性体からなる磁化領域を、磁性材料
及び半導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域によ
って分割する。そして、スペーサ領域に対して外部から
刺激を与えることによって、磁化領域間の磁気的な相互
作用を変化させて、１つもしくはそれ以上の磁化領域の
磁化を制御する。このようにスペーサ領域に磁性材料を
含ませておけば、スペーサ領域を実用可能な程度にまで
厚くしても、強磁性体からなる磁化領域間において磁気
的相互作用を生じさせることが可能であり、スペーサ領
域により媒介される磁化領域間の磁気的相互作用を利用
して、磁化領域の磁化方向を制御することが出来る。

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
方法に関するものであり、詳しくは、強磁性体からなる
磁化領域をスペーサ領域によって分割し、スペーサ領域
に対して外部から刺激を与えることにより、磁化領域の
磁化方向を制御する方法に関する。また、本発明は、こ
のような磁化方向制御を利用した情報記録方法及び情報
記録素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報通信機器、特に携帯端末などの個人
用小型機器の飛躍的な普及に伴い、これを構成するメモ
リやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電
力化など、一層の高性能化が要請されている。特に不揮
発性メモリの高密度・大容量化は、可動部分の存在によ
り本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディス
クを置き換える技術として、ますます重要になってきて
いる。

【０００３】不揮発性メモリとしては、半導体を用いた
フラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferr
o electric Random Access Memory）などが挙げられ
る。しかしながら、フラッシュメモリは、構造が複雑な
ために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が
１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡ
Ｍにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が
指摘されている。

【０００４】これらの欠点を有さない不揮発性メモリと
して注目されているのが、例えば「Wang et al.,IEEE T
rans.Magn.33(1997),4498」に記載されているような、
ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）もしくは
ＭＲ（Magenetoresistance）メモリとよばれる磁気メモ
リであるＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であ
り、また磁気モーメントの回転により記録を行うために
書き換え可能回数が大であると予測されている。しか
も、提案された当初に問題であったアクセス時間につい
ても、ＧＭＲ（Giant Magnetoresistance）効果により
高出力が得られるようになった現在では、大きく改善さ
れている。

【０００５】しかし、ＭＲＡＭには、構造上の本質的な
問題点が存在する。ＭＲＡＭにおける記録は、配線に電
流を流すことによって発生する電流磁場によって記録層
の磁化を回転させることにより行っている。ところが、
高集積化によって配線が細くなるに伴い、書き込み線に
流すことのできる臨界電流値が下がるため、得られる磁
界が小さくなり、被記録領域の保磁力を小さくせざるを
得ない。これは、情報記録素子の信頼性が低下すること
を意味する。また、磁界というものは、光や電子線のよ
うに絞ることが出来ないため、高集積化した場合には、
クロストークの大きな原因になると考えられる。これを
防止するためにキーパ構造等も提案されているが、構造
の複雑化は避けられない。以上のように、電流磁場によ
る書き込みには本質的に多くの問題があり、電流磁場に
よる書き込みが将来のＭＲＡＭにおける大きな欠点にな
る恐れがある。

【０００６】ところで、このような欠点は、磁界を用い
ることなく磁化を制御することが可能であれば解消する
ことができる。そして、磁界を用いることなく磁化を制
御する手法として、例えば「Mattson et al.,Phys.Rev.
Lett.71(1993)185」に記載されているように、強磁性体
／半導体／強磁性体を積層して用いる手法が提案されて
いる。

【０００７】これは、強磁性体層間の磁気的な結合が、
中間層である半導体層のキャリア濃度に依存しているこ
とを利用するものである。強磁性体／半導体／強磁性体
を積層した積層体では、中間層である半導体層のキャリ
ア濃度を制御することにより、強磁性層間の磁気的結合
を、例えば平行から反平行へと変化させることが可能で
ある。そこで、一方の磁性層（固定層）の保磁力を大と
しておけば、他方の磁性層（可動層）の磁化を固定層に
対して回転させることが出来る。特に電気的な入力で磁
化を回転させる方法は、小型全固体素子を実現する技術
として有望である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような強磁性体
／半導体／強磁性体を積層した積層体においては、半導
体層を介して強磁性層間で間接的に磁気的な相互作用が
生じる。そのため、中間層である半導体層のキャリア濃
度を制御することで強磁性層間の磁気的結合制御するに
は、中間層である半導体層の膜厚を十分に薄くする必要
がある。

【０００９】これは、半導体層を介した強磁性層間の相
互作用の大きさが、半導体層の厚さに対して指数関数的
に減衰するためである。現実的な相互作用の大きさを得
るため、例えば厚さ２ｎｍ、飽和磁化１２５００ガウス
のＮｉ−Ｆｅ合金において、交換バイアスなどの方法に
より１００Ｏｅの保磁力を与えたものを考える。このＮ
ｉ−Ｆｅ合金の磁化を反転させるために必要なエネルギ
ーと同等なエネルギーを、半導体を介した間接相互作用
で与えるためには、交換結合定数Ｊが０．０２ｅｒｇ／
ｃｍ²以上なくてはならないことが簡単な計算により見
積もられる。この大きさの相互作用を与えるためには、
J.J.de Vriesらの論文（Physical Review Letters 78,
(1997)p.3023）によると、約２．５ｎｍであることが分
かる。すなわち、実用的な素子を提供するためには、半
導体層の厚さは２．５ｎｍ以下でなくてはならない。

【００１０】しかしながら、２．５ｎｍ以下というよう
な薄膜を用いて、実際に素子を作製するということは、
現在の微細加工技術では現実的でない。しかも、実際に
そのような素子が作製できたとしても、半導体と強磁性
体との界面でのショットキー障壁等の形成に伴う空乏層
の生成によって、この程度の薄い半導体層は殆ど絶縁障
壁になっていると考えられるため、キャリアの注入は困
難である。

【００１１】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、磁界を用いることなく磁化を
制御することが可能な磁化制御方法として、より現実的
であり実用可能な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利用し
た情報記録方法及び情報記録素子を提供することも目的
としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の磁化制御方法で
は、強磁性体からなる磁化領域を、磁性材料及び半導体
材料を含む複合体からなるスペーサ領域によって分割す
る。そして、スペーサ領域に対して外部から刺激を与え
ることによって、磁化領域間の磁気的な相互作用を変化
させて、１つもしくはそれ以上の磁化領域の磁化を制御
する。

【００１３】以上のような本発明に係る磁化制御方法で
は、スペーサ領域により媒介される磁化領域間の間接的
な磁気的相互作用を利用して、磁化領域の磁化方向を制
御する。そして、本発明においては、スペーサ領域に磁
性材料を含ませているので、スペーサ領域が厚くても、
強磁性体からなる磁化領域間における磁気的相互作用を
生じさせることができる。すなわち、本発明に係る磁化
制御方法によれば、スペーサ領域を厚くしても、磁化領
域の磁化を制御することが可能である。

【００１４】また、本発明に係る磁化制御方法は、強磁
性体からなる磁化領域を厚さ１０ｎｍ以上のスペーサ領
域によって分割し、スペーサ領域に対して外部から刺激
を与えることによって、磁化領域間の磁気的な相互作用
を変化させて、１つもしくはそれ以上の磁化領域の磁化
を制御することを特徴とする。

【００１５】スペーサ領域の厚さが１０ｎｍ以上であれ
ば、スペーサ領域の厚さが薄すぎるために作製が困難で
あるという問題や、スペーサ領域の厚さが薄すぎるため
にキャリアの注入が困難であるという問題などを、回避
することができる。なお、スペーサ領域の厚さの上限は
特に規定されるものではないが、実際に素子を作製する
際の製造プロセス等を考慮すると、スペーサ領域の厚さ
は１μｍ程度以下とすることが望ましい。

【００１６】また、本発明の情報記録方法では、強磁性
体からなる磁化領域を、磁性材料及び半導体材料を含む
複合体からなるスペーサ領域によって分割する。そし
て、記録する情報に対応させてスペーサ領域に対して外
部から刺激を与えることによって、磁化領域間の磁気的
な相互作用を変化させて、１つもしくはそれ以上の磁化
領域の磁化を制御し、磁化領域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。

【００１７】以上のような本発明に係る情報記録方法で
は、スペーサ領域により媒介される磁化領域間の間接的
な磁気的相互作用を利用して、磁化領域の磁化方向を制
御することで、情報の記録を行う。そして、本発明にお
いては、スペーサ領域に磁性材料を含ませているので、
スペーサ領域が厚くても、強磁性体からなる磁化領域間
における磁気的相互作用を生じさせることができる。す
なわち、本発明に係る情報記録方法によれば、スペーサ
領域を厚くしても、磁化領域の磁化を制御して、情報を
記録することが可能である。

【００１８】また、本発明に係る情報記録方法は、強磁
性体からなる磁化領域を厚さ１０ｎｍ以上のスペーサ領
域によって分割し、記録する情報に対応させてスペーサ
領域に対して外部から刺激を与えることによって、磁化
領域間の磁気的な相互作用を変化させて、１つもしくは
それ以上の磁化領域の磁化を制御し、磁化領域の磁化の
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。

【００１９】スペーサ領域の厚さが１０ｎｍ以上であれ
ば、スペーサ領域の厚さが薄すぎるために作製が困難で
あるという問題や、スペーサ領域の厚さが薄すぎるため
にキャリアの注入が困難であるという問題などを、回避
することができる。なお、スペーサ領域の厚さの上限は
特に規定されるものではないが、実際に素子を作製する
際の製造プロセス等を考慮すると、スペーサ領域の厚さ
は１μｍ程度以下とすることが望ましい。

【００２０】また、本発明の情報記録素子は、強磁性体
からなる磁化領域が、磁性材料及び半導体材料を含む複
合体からなるスペーサ領域によって分割されてなる構造
を有する。そして、記録する情報に対応した刺激がスペ
ーサ領域に対して外部から与えられることによって、磁
化領域間の磁気的な相互作用が変化して、１つもしくは
それ以上の磁化領域の磁化が制御され、磁化領域の磁化
の向きにより二値もしくはそれ以上の多値記録が行われ
る。

【００２１】以上のような本発明に係る情報記録素子で
は、スペーサ領域により媒介される磁化領域間の間接的
な磁気的相互作用を利用して、磁化領域の磁化方向を制
御することで、情報の記録を行う。そして、本発明にお
いては、スペーサ領域に磁性材料を含ませているので、
スペーサ領域が厚くても、強磁性体からなる磁化領域間
における磁気的相互作用を生じさせることができる。す
なわち、本発明に係る情報記録素子では、スペーサ領域
を厚くしても、磁化領域の磁化を制御して、情報を記録
することが可能である。

【００２２】また、本発明に係る情報記録素子は、強磁
性体からなる磁化領域が、厚さ１０ｎｍ以上のスペーサ
領域によって分割されてなる構造を有し、記録する情報
に対応した刺激がスペーサ領域に対して外部から与えら
れることによって、磁化領域間の磁気的な相互作用が変
化して、１つもしくはそれ以上の磁化領域の磁化が制御
され、磁化領域の磁化の向きにより二値もしくはそれ以
上の多値記録が行われることを特徴とする。

【００２３】スペーサ領域の厚さが１０ｎｍ以上であれ
ば、スペーサ領域の厚さが薄すぎるために作製が困難で
あるという問題や、スペーサ領域の厚さが薄すぎるため
にキャリアの注入が困難であるという問題などを、回避
することができる。なお、スペーサ領域の厚さの上限は
特に規定されるものではないが、実際に素子を作製する
際の製造プロセス等を考慮すると、スペーサ領域の厚さ
は１μｍ程度以下とすることが望ましい。

【００２４】なお、本発明に係る磁化制御方法、情報記
録方法及び情報記録素子において、スペーサ領域に対し
て外部から刺激を与える手法としては、例えば、電気刺
激、光照射又は温度制御等の手法が挙げられる。

【００２５】また、スペーサ領域に使用する複合体とし
ては、磁性半導体、強磁性微粒子を半導体中に分散させ
た媒体、強磁性微粒子を磁性半導体中に分散させた媒
体、強磁性体膜と半導体膜とを積層した多層膜、或い
は、強磁性体膜と磁性半導体膜とを積層した多層膜など
が挙げられる。なお、スペーサ領域に使用する複合体
は、これらのうちのいずれか１つを用いるだけでなく、
それらを２つ以上組み合わせて使用することも可能であ
る。

【００２６】

【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。

【００２７】まず、本発明に係る磁化制御方法の基本的
な原理を、図１を参照して説明する。図１に示すよう
に、本発明では、強磁性体からなる磁化領域１１と、磁
性材料及び半導体材料を含む複合体からなるスペーサ領
域２０と、強磁性体からなる磁化領域１２とを積層し
て、磁化領域１１，１２がスペーサ領域２０によって分
割されてなる構造を設ける。

【００２８】このような積層構造体において、スペーサ
領域２０に含まれる半導体中の伝導帯電子や価電子帯正
孔の濃度が変化すると、これらキャリアを媒介とする、
磁化領域間のＲＫＫＹ相互作用が変化する。したがっ
て、スペーサ領域２０のキャリア濃度を制御することに
より、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２との間
の磁気的な結合を制御できる。

【００２９】そこで、本発明では、図１（ａ）中の矢印
Ａ１に示すように、スペーサ領域２０に対して外部から
刺激を与えることによって、スペーサ領域２０に含まれ
る半導体中の伝導帯電子や価電子帯正孔の濃度が変化さ
せ、これにより、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域
１２との間の磁気的な相互作用を変化させて、磁化領域
１１，１２の磁化を制御する。以上のように、一方の磁
化領域１１と他方の磁化領域１２との間の磁気的な相互
作用を変化させて磁化領域１１，１２の磁化を制御する
ことにより、一方の磁化領域１１の磁化方向Ｍ１と、他
方の磁化領域１２の磁化方向Ｍ２とを、例えば、図１
（ａ）に示すような平行状態から、図１（ｂ）に示すよ
うな反平行状態へと遷移させるようなことが可能とな
る。

【００３０】なお、スペーサ領域２０のキャリア濃度の
制御は、例えば、スペーサ領域２０に対して電圧を印加
してキャリア注入を行うことにより行っても良いし、ス
ペーサ領域２０に対して光を照射することにより行って
も良いし、或いは、スペーサ領域２０の温度を制御する
ことによって行うようにしても良い。すなわち、磁化領
域１１，１２の磁化を制御するためにスペーサ領域２０
に対して刺激を与える方法としては、キャリア注入等に
よる電気刺激や、光照射又は温度制御などが挙げられ
る。

【００３１】ところで、本発明においては、スペーサ領
域２０に磁性材料を含ませることで、スペーサ領域２０
が厚くても磁化領域間における磁気的相互作用が生じる
ようにしている。以下、このようにスペーサ領域２０に
磁性材料を含ませた具体的な例について、図２乃至図４
を参照して説明する。

【００３２】図２に示す例は、スペーサ領域２０に使用
する複合体として、磁性半導体２１を用いた例である。
磁性半導体２１は、半導体マトリクス２１Ａの中に磁性
イオン２１Ｂが分散した構造となっている。このとき、
一方の磁化領域１１は、まず、磁性半導体２１の半導体
マトリクス２１Ａを介して磁性イオン２１Ｂと結合す
る。そして、この磁性イオン２１Ｂは、他の磁性イオン
２１Ｂと結合する。そして、このような結合が繰り返さ
れ、最終的に他方の磁化領域１２と結合する。すなわ
ち、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２とは、半
導体マトリクス２１Ａ及び磁性イオン２１Ｂを介して間
接的に結合する。

【００３３】一般に磁性半導体は、例えば「H.Ohno et
al., Phys.Rev.Lett.68(1992)2664」に記載されている
ように、磁性半導体中にキャリア誘起強磁性と呼ばれ
る、キャリア濃度に依存した磁気結合の生成及び消滅の
現象が見られる。したがって、磁性イオン２１Ｂと、付
近にある他の磁性イオン２１Ｂとの結合状態は、磁性半
導体２１のキャリア濃度によって変調することができ
る。したがって、図２に示すような積層構造体では、磁
性半導体２１のキャリア濃度を制御することにより、一
方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２との間の間接的
な磁気的な結合を制御することが可能であり、これによ
り、磁化領域１１，１２の磁化方向を制御することが出
来る。

【００３４】このように、スペーサ領域２０に使用する
複合体として、磁性半導体２１を用いた場合には、半導
体マトリクス２１Ａ及び磁性イオン２１Ｂを介して、一
方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２とを間接的に結
合させることが出来るので、スペーサ領域２０が厚くて
も、磁化領域間における磁気的相互作用を生じさせるこ
とが出来る。すなわち、スペーサ領域２０に磁性半導体
２１を用いることにより、スペーサ領域２０を厚くして
も、磁化領域１１，１２の磁化を制御することが可能と
なる。

【００３５】なお、磁性半導体２１の材料は、II-VIベ
ース、III-Vベース、カルコゲナイド系などのいずれで
も良いし、更には、ＥｕＴｅやＥｕＳ等からなる、いわ
ゆる半磁性半導体を用いることも可能である。また、磁
性半導体２１に含まれる磁性イオン２１Ｂの濃度は、キ
ャリア濃度制御による磁性イオン間の磁気的結合状態の
制御が可能な範囲であれば良く、特に限定されるもので
はない。

【００３６】図３に示す例は、スペーサ領域２０に使用
する複合体として、強磁性微粒子である磁性体クラスタ
２２を半導体２３の内部に人為的に分散させた媒体を使
用した例である。このとき、磁性体クラスタ２２は、図
２における磁性イオン２１Ｂと類似の役割を果たし、図
２に示した例と同等な効果を得ることができる。

【００３７】なお、半導体２３としては、例えば、非晶
質又は結晶質のＳｉ，Ｇｅ等からなる半導体が使用可能
である。また、半導体２３としては、化合物半導体、酸
化物半導体、混晶半導体等も使用可能である。また、磁
性体クラスタ２２の材料としては、磁気モーメントを有
するものであれば良く、例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのい
ずれか又はこれらを含む合金、或いは、希土類元素又は
希土類元素を含む合金等が使用可能である。また、磁性
体クラスタ２２のサイズ、形状及び密度は、半導体２３
のキャリア濃度制御による磁性体クラスタ間の磁気的結
合状態の制御が可能な範囲であれば良く、特に限定され
るものではない。

【００３８】なお、本例においては、半導体２３の代わ
りに、磁性半導体を用いるようにしても良い。半導体２
３の代わりに磁性半導体を用いた場合には、磁性体クラ
スタ２２による作用だけでなく、図２に示した例のよう
な磁性イオンによる作用も加わることとなる。

【００３９】図４に示す例は、スペーサ領域２０に使用
する複合体として、強磁性体膜２４と半導体膜２５とを
積層した多層膜を用いることにより、図２や図３に示し
た例と同様な効果を得るようにした例である。このと
き、一方の磁化領域１１は、まず、隣接する半導体膜２
５を介して、磁化領域２１に最も近接している強磁性体
膜２４と結合する。そして、この強磁性体膜２４は、隣
接する半導体膜２５を介して、最も近接している他の強
磁性体膜２４と結合する。そして、このような結合が繰
り返され、最終的に他方の磁化領域１２と結合する。す
なわち、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２と
は、強磁性体膜２４と半導体膜２５とを積層した多層膜
を介して間接的に結合する。

【００４０】このように強磁性体膜２４と半導体膜２５
とを積層した多層膜において、強磁性体膜同士の磁気的
結合状態は、例えば「E.E.Fullerton et al.,J.Magn.&M
agn.Mater.117(1992)L301」に記載されているように、
半導体膜２５のキャリア濃度に依存して変化する。した
がって、強磁性体膜２４と、当該強磁性体膜２４に近接
した他の強磁性体膜２４との結合状態は、半導体膜２５
のキャリア濃度によって変調することができる。したが
って、半導体膜２５のキャリア濃度を制御することによ
り、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２との間の
間接的な磁気的な結合を制御することが可能であり、こ
れにより、磁化領域１１，１２の磁化方向を制御するこ
とが出来る。

【００４１】なお、半導体膜２５の材料としては、例え
ば、非晶質又は結晶質のＳｉ，Ｇｅ等からなる半導体が
使用可能である。また、半導体膜２５の材料しては、化
合物半導体、酸化物半導体、混晶半導体等も使用可能で
ある。また、強磁性体膜２４の材料としては、磁気モー
メントを有するものであれば良く、例えば、Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉのいずれか又はこれらを含む合金、或いは、希
土類元素又は希土類元素を含む合金等が使用可能であ
る。また、強磁性体膜２４及び半導体膜２５の膜厚や積
層周期は、半導体膜２５のキャリア濃度制御による強磁
性体膜間の磁気的結合状態の制御が可能な範囲であれば
良く、特に限定されるものではない。

【００４２】なお、本例においては、半導体膜２５の代
わりに、磁性半導体膜を用いるようにしても良い。半導
体膜２５の代わりに磁性半導体膜を用いた場合には、強
磁性体膜２４による作用だけでなく、図２に示した例の
ような磁性イオンによる作用も加わることとなる。

【００４３】ところで、図２乃至図４に示したような構
造とした場合、スペーサ領域２０の厚さは、従来のよう
に２．５ｎｍ程度以下とする必要は必ずしもなく、例え
ば１０ｎｍ以上としても、磁化領域１１，１２の磁化の
制御を行うことが可能である。なぜならば、半導体を介
する強磁性体同士の結合力は強磁性体間の距離に対して
指数関数的に減哀するが、中間に磁性体がある場合に
は、当該磁性体を媒介として間接的に結合することがで
きるためである。

【００４４】具体的には、図２に示した例では、スペー
サ領域２０に磁性イオン２１Ｂが存在しており、当該磁
性イオン２１Ｂが媒介となることで、スペーサ領域２０
が厚くても、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２
とが間接的に結合することとなる。また、図３に示した
例では、スペーサ領域２０に磁性体クラスタ２２が存在
しており、当該磁性体クラスタ２２が媒介となること
で、スペーサ領域２０が厚くても、一方の磁化領域１１
と他方の磁化領域１２とが間接的に結合することとな
る。また、図４に示した例では、スペーサ領域２０に強
磁性体膜２４が存在しており、当該強磁性体膜２４が媒
介となることで、スペーサ領域２０が厚くても、一方の
磁化領域１１と他方の磁化領域１２とが間接的に結合す
ることとなる。

【００４５】このように、スペーサ領域２０に含まれる
磁性体を媒介として一方の磁化領域１１と他方の磁化領
域１２とが間接的に結合する様子を図５に示す。なお、
図５において、横軸は、スペーサ領域２０の厚さ（すな
わち磁化領域間の距離）を示しており、縦軸は、磁化領
域間の交換結合定数を示している。このようなスペーサ
領域２０の厚さと交換結合定数との関係は、例えば、ス
ペーサ領域２０の厚さを０．５ｎｍ程度ずつ変化させた
複数の試料を用意し、それらの試料における交換結合定
数を磁気共鳴などの方法で測定することで、調べること
が出来る。

【００４６】そして、図５では、スペーサ領域２０の厚
さ（すなわち磁化領域間の距離）と、磁化領域間の交換
結合定数との関係を、強磁性体膜２４と半導体膜２５と
を積層した多層膜をスペーサ領域２０に用いた場合につ
いて示している。ここで、各強磁性体膜２４の磁気モー
メントは、平行配列しているものとしている。したがっ
て、一方の磁化領域１１の磁化方向と、他方の磁化領域
１２の磁化方向とは互いに平行な状態となる。換言すれ
ば、図５は、一方の磁化領域１１と他方の磁化領域１２
とが、強磁性体膜２４を媒介として、強磁性的な結合状
態となっている場合を示している。なお、図５では、比
較のために、スペーサ領域２０を半導体だけで構成した
場合についても示している。

【００４７】図５に示すように、スペーサ領域２０を半
導体だけで構成した場合、交換結合定数は、スペーサ領
域２０の厚さが厚くなるに従って、指数関数的に減衰し
てしまう。そして、スペーサ領域２０の厚さが２．５ｎ
ｍ程度以上となると、磁化領域間の結合が非常に弱くな
ってしまい、実用的な素子を構成することが出来なくな
ってしまう。このため、従来は、スペーサ領域２０の厚
さを、２．５ｎｍ程度以下とする必要があった。

【００４８】これに対して、強磁性体膜２４と半導体膜
２５とを積層した多層膜をスペーサ領域２０に用いた場
合には、スペーサ領域２０に強磁性体膜２４が存在する
ため、図５に示すように、積層周期ごとに結合が維持さ
れる。このことからも明らかに分かるように、磁性材料
及び半導体材料を含む複合体をスペーサ領域２０に用い
ることにより、当該磁性材料を媒介として、一方の磁化
領域１１と他方の磁化領域１２とを間接的に結合させる
ことが出来る。したがって、磁性材料及び半導体材料を
含む複合体をスペーサ領域２０に用いた場合には、スペ
ーサ領域２０の厚さを従来よりも遥かに厚くすることが
可能となる。

【００４９】以上のように、本発明を適用することによ
り、スペーサ領域２０の厚さを従来よりも厚くすること
が可能となる。そして、例えば、スペーサ領域２０の厚
さを１０ｎｍ程度以上とすれば、磁化領域１１，１２が
スペーサ領域２０によって分割されてなる構造を、現在
の微細加工技術でも十分に作製することが可能となる。
しかも、スペーサ領域２０の厚さを１０ｎｍ程度以上と
すれば、半導体と強磁性体との界面でのショットキー障
壁等の形成に伴う空乏層の生成の問題等も解消され、ス
ペーサ領域２０へのキャリアの注入も実現可能となる。

【００５０】なお、図２乃至図４に示した構造のうち、
図２に示したような構造は、スペーサ領域が均一な単相
の構造となるので、作製が容易であるという利点があ
る。また、図３に示したような構造は、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、図３に示したような構造は、例
えば、アナログ的動作を行うような場合に好適である。
また、図４に示したような構造は、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、図４に示したような構造では、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。

【００５１】ところで、以上の説明では、ＲＫＫＹ相互
作用による結合に基づく例を挙げたが、間接相互作用の
原理はＲＫＫＹ相互作用もしくはこれに類似したもので
ある必要はなく、スペーサ領域２０のキャリア濃度制御
によって磁化領域間の結合状態を変調できるという条件
を満たすものであれば、特に限定されるものではない。
したがって、例えば、トンネル電子が媒介する結合や、
半導体中の局在準位による結合に基づく場合にも、本発
明は適用可能である。なお、トンネル電子が媒介する結
合については、例えば「P.Bruno,Phys.Rev.B49(1994)13
231」に記載されており、また、半導体中の局在準位に
よる結合については、例えば「S.Toscano et al.,J.Mag
n.&Magn.Mater.114(1992)L301」に記載されている。

【００５２】つぎに、以上のような磁化制御方法を利用
した情報記録素子及び情報記録方法について、図６乃至
図１５を参照して説明する。

【００５３】まず、本発明を適用した情報記録素子の一
例を、図６乃至図９を参照して説明する。なお、図６乃
至図９に示す情報記録素子３０は、追記型の情報記録素
子であり、磁化領域の磁化の向きにより二値の記録が行
えるようになっている。

【００５４】この情報記録素子３０は、図６及び図７に
示すように、基板３１上に形成された固定磁性層３２
と、固定磁性層３２上に形成されたスペーサ層３３と、
スペーサ層３３上に形成された可動磁性層３４と、スペ
ーサ層３３上に絶縁層３５を介して形成されたゲート電
極３６とを備えている。

【００５５】この情報記録素子３０において、固定磁性
層３２は、スペーサ層３３によって分割されてなる磁化
領域の一方を構成するものであり、その磁化方向Ｍ３は
常に一定の方向に固定される。この固定磁性層３２は、
通常の環境において存在しうる弱い外部磁界によって磁
化方向Ｍ３が変化するようなことがないように、保磁力
が十分に高い強磁性材料（具体的には保磁力が１ｋＯｅ
程度以上の強磁性材料）によって形成することが好まし
い。

【００５６】可動磁性層３４は、スペーサ層３３によっ
て分割されてなる磁化領域の他方を構成するものであ
り、その磁化方向Ｍ４は記録する情報に応じて可変とさ
れる。この可動磁性層３４は、固定磁性層３２に比べて
保磁力が低くなるように、その形状や材料などが選定さ
れてなる。また、可動磁性層３４には、磁界中成膜など
の方法により、強い一軸磁気異方性を付与しておくとと
もに、その磁化方向Ｍ４が固定磁性層３２の磁化方向に
対して反平行となるようにしておく。

【００５７】スペーサ層３３は、強磁性体からなる磁化
領域を分割するスペーサ領域となるものである。すなわ
ち、この情報記録素子３０では、固定磁性層３２及び可
動磁性層３４からなる磁化領域が、スペーサ層３３によ
って分割されている。そして、このスペーサ層３３は、
磁性材料及び半導体材料を含む複合体からなる。ここ
で、スペーサ層３３を構成する複合体は、図２を参照し
て説明したように、磁性半導体からなるものであっても
良いし、また、図３を参照して説明したように、強磁性
微粒子を半導体又は磁性半導体中に分散させたものであ
っても良いし、また、図４を参照して説明したように、
強磁性体膜と半導体膜又は磁性半導体膜とを積層した多
層膜であっても良い。

【００５８】なお、本発明を適用した情報記録素子３０
では、スペーサ層３３の厚さを厚くすることが可能であ
り、具体的には、その膜厚を１０ｎｍ以上とすることが
好ましい。スペーサ層３０の膜厚を１０ｎｍ以上とすれ
ば、スペーサ層３０の厚さが薄すぎるために作製が困難
であるという問題や、スペーサ層３０の厚さが薄すぎる
ためにキャリアの注入が困難であるという問題を、回避
することができる。

【００５９】ゲート電極３６は、例えば金等のような導
電性を有する材料からなり、絶縁層３５を介してスペー
サ層３３に対向するように形成されている。このゲート
電極３６に電圧を印加すると、絶縁層３５を介して配さ
れているスペーサ層３３のうち、ゲート電極３６に対向
している付近に、キャリアが集まることとなる。

【００６０】このような情報記録素子３０において、ゲ
ート電極３６に電圧を印加していない初期状態（すなわ
ちゲート電極Ｖ_G＝０の状態）では、図６及び図７に示
すように、固定磁性層３２の磁化方向Ｍ３と、可動磁性
層３４の磁化方向Ｍ４とが反平行の状態となっている。

【００６１】そして、この情報記録素子３０に対して情
報を記録する際は、図８及び図９に示すように、ゲート
電極３６に所定の電圧Ｖを印加する（すなわちゲート電
極Ｖ_G＝Ｖとする）。ゲート電極３６に電圧Ｖを印加す
ると、固定磁性層３２と可動磁性層３４との間に配され
たスペーサ層３３のキャリア濃度が変化し、その結果、
固定磁性層３２と可動磁性層３４との磁気的結合状態が
変化する。これに伴い、保磁力の低い可動磁性層３４は
トルクを受け、その結果、可動磁性層３４の磁化方向Ｍ
４が反転する。そして、このように一旦反転した磁化
は、可動磁性層３４が強い一軸磁気異方性を有するため
に安定であり、ゲート電極３６への電圧Ｖの印加を止め
ても、その状態が保持される。

【００６２】このように、この情報記録素子３０では、
ゲート電極２６に電圧Ｖを印加することにより、磁界を
用いることなく可動磁性層３４の磁化方向Ｍ４を制御す
ることが可能となっており、可動磁性層３４の磁化の向
きにより二値の情報を記録することが出来る。

【００６３】つぎに、本発明を適用した情報記録素子の
他の例を、図１０乃至図１２を参照して説明する。な
お、図１０乃至図１２に示す情報記録素子４０は、複数
の固定磁性層を用いることで、情報の書き換えを可能と
した情報記録素子である。この情報記録素子４０におい
ても、上述の情報記録素子３０と同様に、磁化領域の磁
化の向きにより二値の記録が行えるようになっている。

【００６４】この情報記録素子４０は、図１１に示すよ
うに、基板４１上の一部に形成された第１の固定磁性層
４２と、基板４１上の他の一部に形成された第２の固定
磁性層４３と、第１の固定磁性層４２上から第２の固定
磁性層４３上にわたって形成されたスペーサ層４４と、
スペーサ層４４上に形成された可動磁性層４５と、スペ
ーサ層４４上の一部に絶縁層４６を介して形成された第
１のゲート電極４７と、スペーサ層４４上の他の一部に
絶縁層４８を介して形成された第２のゲート電極４９と
を備えている。

【００６５】この情報記録素子４０において、固定磁性
層４２，４３は、上述した情報記録素子３０における固
定磁性層３２と同様に、保磁力が高い磁性材料からな
り、磁化方向が常に一定の方向を向くように固定され
る。そして、この情報記録素子４０において、第１の固
定磁性層４２の磁化方向Ｍ５と、第２の固定磁性層４３
の磁化方向Ｍ６とは、互いに反平行とされる。

【００６６】可動磁性層４５は、上述した情報記録素子
３０における可動磁性層３４と同様に、記録する情報に
応じて磁化方向Ｍ７が可変とされる。すなわち、この可
動磁性層４５は、固定磁性層４２，４３に比べて保磁力
が低くなるように、その形状や材料などが選定されてな
る。また、この可動磁性層４５には、磁界中成膜などの
方法により、強い一軸磁気異方性を付与しておくととも
に、その磁化方向Ｍ７が固定磁性層４２，４３の磁化方
向に対して平行又は反平行となるようにしておく。な
お、本例では、初期状態において、可動磁性層４５の磁
化方向Ｍ７が、第１の固定磁性層４２の磁化方向Ｍ５に
対して平行となり、第２の固定磁性層４３の磁化方向Ｍ
６に対して反平行となるようにしている。

【００６７】スペーサ層４４は、強磁性体からなる磁化
領域を分割するスペーサ領域となるものである。すなわ
ち、この情報記録素子４０では、第１の固定磁性層４
２、第２の固定磁性層４３及び可動磁性層４５からなる
磁化領域が、スペーサ層４４によって分割されている。
そして、このスペーサ層４４は、磁性材料及び半導体材
料を含む複合体からなる。ここで、スペーサ層４４を構
成する複合体は、図２を参照して説明したように、磁性
半導体からなるものであっても良いし、また、図３を参
照して説明したように、強磁性微粒子を半導体又は磁性
半導体中に分散させたものであっても良いし、また、図
４を参照して説明したように、強磁性体膜と半導体膜又
は磁性半導体膜とを積層した多層膜であっても良い。

【００６８】なお、本発明を適用した情報記録素子４０
では、スペーサ層４４の厚さを厚くすることが可能であ
り、具体的には、その膜厚を１０ｎｍ以上とすることが
好ましい。スペーサ層４４の膜厚を１０ｎｍ以上とすれ
ば、スペーサ層４４の厚さが薄すぎるために作製が困難
であるという問題や、スペーサ層４４の厚さが薄すぎる
ためにキャリアの注入が困難であるという問題を、回避
することができる。

【００６９】第１のゲート電極４７及び第２のゲート電
極４９は、例えば金等のような導電性を有する材料から
なる。そして、第１のゲート電極４７は、絶縁層４６を
介してスペーサ層４４に対向し、且つ、絶縁層４６及び
スペーサ層４４を介して第１の固定磁性層４２に対向す
るように形成されている。また、第２のゲート電極４９
は、絶縁層４８を介してスペーサ層４４に対向し、且
つ、絶縁層４８及びスペーサ層４４を介して第２の固定
磁性層４３に対向するように形成されている。

【００７０】そして、第１のゲート電極４７に電圧を印
加すると、絶縁層４６を介して配されているスペーサ層
４４のうち、第１のゲート電極４７に対向している付近
にキャリアが集まることとなる。換言すれば、第１のゲ
ート電極４７に電圧を印加すると、可動磁性層４５と第
１の固定磁性層４２との間のスペーサ層４４にキャリア
が集まることとなる。

【００７１】一方、第２のゲート電極４９に電圧を印加
すると、絶縁層４８を介して配されているスペーサ層４
４のうち、第２のゲート電極４９に対向している付近に
キャリアが集まることとなる。換言すれば、第２のゲー
ト電極４９に電圧を印加すると、可動磁性層４５と第２
の固定磁性層４３との間のスペーサ層４４にキャリアが
集まることとなる。

【００７２】そして、この情報記録素子４０では、第１
のゲート電極４７及び第２のゲート電極４９に印加する
電圧を制御することにより、可動磁性層４４の磁化方向
Ｍ７を繰り返し反転させることが可能となっている。以
下、このように可動磁性層４４の磁化方向Ｍ７を繰り返
し反転させるときの動作について説明する。

【００７３】第１のゲート電極４７及び第２のゲート電
極４９に電圧を印加していない初期状態では、図１０に
示すように、可動磁性層４５の磁化方向Ｍ７は、第１の
固定磁性層４２の磁化方向Ｍ５に対して平行であり、第
２の固定磁性層４３の磁化方向Ｍ６に対して反平行であ
る。

【００７４】この状態のときに、図１１に示すように、
第２のゲート電極４９に対して所定の電圧Ｖ₂を印加
し、第２のゲート電極４９のゲート電圧Ｖ_G2＝Ｖ₂とす
る。すると、可動磁性層４５と第２の固定磁性層４３と
の間に配されたスペーサ層４４のキャリア濃度が変化
し、その結果、可動磁性層４５と第２の固定磁性層４３
との磁気的結合状態が変化する。これに伴い、保磁力の
低い可動磁性層４５はトルクを受け、その結果、可動磁
性層４５の磁化方向Ｍ７が反転する。すなわち、図１１
に示すように、可動磁性層４５の磁化方向Ｍ７が、第１
の固定磁性層４２の磁化方向Ｍ５に対して反平行で、第
２の固定磁性層４３の磁化方向Ｍ６に対して平行な状態
となる。そして、このように一旦反転した磁化は、可動
磁性層４５が強い一軸磁気異方性を有するために安定で
あり、第２のゲート電極４９への電圧Ｖ₂の印加を止め
ても、その状態が保持される。

【００７５】更に、可動磁性層４５の磁化方向が、第１
の固定磁性層４２の磁化方向Ｍ５に対して反平行で、第
２の固定磁性層４３の磁化方向Ｍ６に対して平行な状態
のときに、図１２に示すように、第１のゲート電極４７
に対して所定の電圧Ｖ₁を印加し、第１のゲート電極４
７のゲート電圧Ｖ_G1＝Ｖ₁とする。すると、可動磁性層
４５と第１の固定磁性層４２との間に配されたスペーサ
層４４のキャリア濃度が変化し、その結果、可動磁性層
４５と第１の固定磁性層４２との磁気的結合状態が変化
する。これに伴い、保磁力の低い可動磁性層４５はトル
クを受け、その結果、可動磁性層４５の磁化方向Ｍ７が
反転する。すなわち、図１２に示すように、可動磁性層
４５の磁化方向Ｍ７が、第１の固定磁性層４２の磁化方
向Ｍ５に対して平行で、第２の固定磁性層４３の磁化方
向Ｍ６に対して反平行な状態となる。そして、このよう
に一旦反転した磁化は、可動磁性層４５が強い一軸磁気
異方性を有するために安定であり、第１のゲート電極４
７への電圧Ｖ₁の印加を止めても、その状態が保持され
る。

【００７６】このように、この情報記録素子４０では、
第１のゲート電極４７や第２のゲート電極４９に電圧を
印加することにより、磁界を用いることなく可動磁性層
４５の磁化方向Ｍ７を制御することが可能となってお
り、可動磁性層４５の磁化の向きにより二値の情報を記
録することが出来る。しかも、この情報記録素子４０で
は、第１のゲート電極４７に所定の電圧Ｖ₁を印加した
り、或いは、第２のゲート電極４９に所定の電圧Ｖ₂を
印加したりすることで、可動磁性層４５の磁化方向Ｍ７
を繰り返し反転させることが出来る。すなわち、この情
報記録素子４０は、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。

【００７７】つぎに、本発明を適用した情報記録素子の
他の例を、図１３乃至図１５を参照して説明する。な
お、図１３乃至図１５に示す情報記録素子５０は、複数
の固定磁性層を用いることで、情報の書き換えを可能と
した情報記録素子である。この情報記録素子５０におい
ても、上述の情報記録素子３０，４０と同様に、磁化領
域の磁化の向きにより二値の記録が行えるようになって
いる。

【００７８】この情報記録素子は、図１３に示すよう
に、基板５１上に形成された第１の固定磁性層５２と、
第１の固定磁性層５２上に形成された第１のスペーサ層
５３と、第１のスペーサ層５３上に形成された可動磁性
層５４と、可動磁性層５４上に形成された第２のスペー
サ層５５と、第２のスペーサ層５５上に形成された第２
に固定磁性層５６と、第１のスペーサ層５３上の一部に
絶縁層５７を介して形成された第１のゲート電極５８
と、第２のスペーサ層５５上の一部に絶縁層５９を介し
て形成された第２のゲート電極６０とを備えている。

【００７９】この情報記録素子５０において、固定磁性
層５２，５６は、上述した情報記録素子４０における固
定磁性層４２，４３と同様に、保磁力が高い磁性材料か
らなり、磁化方向が常に一定の方向を向くように固定さ
れる。そして、この情報記録素子５０において、第１の
固定磁性層５２の磁化方向Ｍ８と、第２の固定磁性層５
６の磁化方向Ｍ９とは、互いに反平行とされる。

【００８０】可動磁性層５４は、上述した情報記録素子
４０における可動磁性層４５と同様に、記録する情報に
応じて磁化方向Ｍ１０が可変とされる。すなわち、この
可動磁性層５４は、固定磁性層５２，５６に比べて保磁
力が低くなるように、その形状や材料などが選定されて
なる。そして、この可動磁性層５４には、磁界中成膜な
どの方法により、強い一軸磁気異方性を付与しておくと
ともに、その磁化方向Ｍ１０が固定磁性層５２，５６の
磁化方向に対して平行又は反平行となるようにしてお
く。なお、本例では、初期状態において、可動磁性層５
４の磁化方向Ｍ１０が、第１の固定磁性層５２の磁化方
向Ｍ８に対して平行となり、第２の固定磁性層５６の磁
化方向Ｍ９に対して反平行となるようにしている。

【００８１】第１のスペーサ層５３及び第２のスペーサ
層５５は、強磁性体からなる磁化領域を分割するスペー
サ領域となるものである。すなわち、この情報記録素子
５０では、第１の固定磁性層５２、第２の固定磁性層５
６及び可動磁性層５４からなる磁化領域が、第１のスペ
ーサ層５３及び第２のスペーサ層５５によって分割され
ている。そして、これらのスペーサ層５３，５５は、磁
性材料及び半導体材料を含む複合体からなる。ここで、
スペーサ層５３，５５を構成する複合体は、図２を参照
して説明したように、磁性半導体からなるものであって
も良いし、また、図３を参照して説明したように、強磁
性微粒子を半導体又は磁性半導体中に分散させたもので
あっても良いし、また、図４を参照して説明したよう
に、強磁性体膜と半導体膜又は磁性半導体膜とを積層し
た多層膜であっても良い。

【００８２】なお、本発明を適用した情報記録素子５０
では、スペーサ層５３，５５の厚さを厚くすることが可
能であり、具体的には、それらの膜厚をそれぞれ１０ｎ
ｍ以上とすることが好ましい。スペーサ層５３，５５の
膜厚を１０ｎｍ以上とすれば、スペーサ層５３，５５の
厚さが薄すぎるために作製が困難であるという問題や、
スペーサ層５３，５５の厚さが薄すぎるためにキャリア
の注入が困難であるという問題を、回避することができ
る。

【００８３】第１のゲート電極５８及び第２のゲート電
極６０は、例えば金等のような導電性を有する材料から
なる。そして、第１のゲート電極５８は、絶縁層５７を
介して第１のスペーサ層５３に対向し、且つ、絶縁層５
７及び第１のスペーサ層５３を介して第１の固定磁性層
５２に対向するように形成されている。また、第２のゲ
ート電極６０は、絶縁層５９を介して第２のスペーサ層
５５に対向し、且つ、絶縁層５９及び第２のスペーサ層
５５を介して可動磁性層５４に対向するように形成され
ている。

【００８４】そして、第１のゲート電極５８に電圧を印
加すると、絶縁層５７を介して配されている第１のスペ
ーサ層５３のうち、第１のゲート電極５８に対向してい
る付近にキャリアが集まることとなる。換言すれば、第
１のゲート電極５８に電圧を印加すると、可動磁性層５
４と第１の固定磁性層５２との間の第１のスペーサ層５
３にキャリアが集まることとなる。

【００８５】一方、第２のゲート電極６０に電圧を印加
すると、絶縁層５９を介して接している第２のスペーサ
層５５のうち、第２のゲート電極６０に対向している付
近にキャリアが集まることとなる。換言すれば、第２の
ゲート電極６０に電圧を印加すると、可動磁性層５４と
第２の固定磁性層５６との間の第２のスペーサ層５５に
キャリアが集まることとなる。

【００８６】そして、この情報記録素子５０では、第１
のゲート電極５８及び第２のゲート電極６０に印加する
電圧を制御することにより、可動磁性層５４の磁化方向
Ｍ１０を繰り返し反転させることが可能となっている。
以下、このように可動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０を繰
り返し反転させるときの動作について説明する。

【００８７】第１のゲート電極５８及び第２のゲート電
極６０に電圧を印加していない初期状態では、図１３に
示すように、可動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０は、第１
の固定磁性層５２の磁化方向Ｍ８に対して平行であり、
第２の固定磁性層５６の磁化方向Ｍ９に対して反平行で
ある。

【００８８】この状態のときに、図１４に示すように、
第２のゲート電極６０に対して所定の電圧Ｖ₂を印加
し、第２のゲート電極６０のゲート電圧Ｖ_G2＝Ｖ₂とす
る。すると、可動磁性層５４と第２の固定磁性層５６と
の間に配された第２のスペーサ層５５のキャリア濃度が
変化し、その結果、可動磁性層５４と第２の固定磁性層
５６との磁気的結合状態が変化する。これに伴い、保磁
力の低い可動磁性層５４はトルクを受け、その結果、可
動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０が反転する。すなわち、
図１４に示すように、可動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０
が、第１の固定磁性層５２の磁化方向Ｍ８に対して反平
行で、第２の固定磁性層５６の磁化方向Ｍ９に対して平
行な状態となる。そして、このように一旦反転した磁化
は、可動磁性層５４が強い一軸磁気異方性を有するため
に安定であり、第２のゲート電極６０への電圧Ｖ₂の印
加を止めても、その状態が保持される。

【００８９】更に、可動磁性層５４の磁化方向が、第１
の固定磁性層５２の磁化方向Ｍ１０に対して反平行で、
第２の固定磁性層５６の磁化方向Ｍ９に対して平行な状
態のときに、図１５に示すように、第１のゲート電極５
８に対して所定の電圧Ｖ₁を印加し、第１のゲート電極
５８のゲート電圧Ｖ_G1＝Ｖ₁とする。すると、可動磁性
層５４と第１の固定磁性層５２との間に配された第１の
スペーサ層５３のキャリア濃度が変化し、その結果、可
動磁性層５４と第１の固定磁性層５２との磁気的結合状
態が変化する。これに伴い、保磁力の低い可動磁性層５
４はトルクを受け、その結果、可動磁性層５４の磁化方
向Ｍ１０が反転する。すなわち、図１５に示すように、
可動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０が、第１の固定磁性層
５２の磁化方向Ｍ８に対して平行で、第２の固定磁性層
５６の磁化方向Ｍ９に対して反平行な状態となる。そし
て、このように一旦反転した磁化は、可動磁性層５４が
強い一軸磁気異方性を有するために安定であり、第１の
ゲート電極５８への電圧Ｖ₁の印加を止めても、その状
態が保持される。

【００９０】このように、この情報記録素子５０では、
第１のゲート電極５８や第２のゲート電極６０に電圧を
印加することにより、磁界を用いることなく可動磁性層
５４の磁化方向Ｍ１０を制御することが可能となってお
り、可動磁性層５４の磁化の向きにより二値の情報を記
録することが出来る。しかも、この情報記録素子５０で
は、第１のゲート電極５８に電圧を印加したり、或い
は、第２のゲート電極６０に電圧を印加したりすること
で、可動磁性層５４の磁化方向Ｍ１０を繰り返し反転さ
せることが出来る。すなわち、この情報記録素子５０
は、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。

【００９１】なお、図１０乃至図１５に示した情報記録
素子のうち、図１０乃至図１２に示したような情報記録
素子４０は、可動磁性層４５が上面に現れることとなる
ので、可動磁性層４５の磁化方向Ｍ７の変化を読み取り
やすいという利点がある。一方、図１３乃至図１５に示
したような情報記録素子５０は、図１０乃至図１２に示
したような情報記録素子４０に比べて、必要とする面積
が少なくて済むので、高集積化しやすいという利点があ
る。

【００９２】ところで、以上の説明で挙げた情報記録素
子３０，４０，５０では、可動磁性層３４，４５，５４
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る。しかし、可動磁性層には、
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。

【００９３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
においては、スペーサ領域により媒介される磁化領域間
の磁気的相互作用を利用して、磁化領域の磁化方向を制
御するにあたって、スペーサ領域に磁性材料を含ませて
いるので、スペーサ領域が厚くても、強磁性体からなる
磁化領域間において磁気的相互作用を生じさせることが
できる。すなわち、本発明によれば、スペーサ領域を厚
くしても、磁化領域の磁化を制御することが可能であ
る。

【００９４】したがって、本発明によれば、磁界を用い
ることなく磁化を制御することが可能な磁化制御方法、
並びにそのような磁化制御方法を利用した情報記録素子
及び情報記録方法を実用化することが可能となる。

【００９５】その結果、本発明によれば、アクセス時間
が速く、高集積化が容易であり、不揮発性であり、書き
換え可能回数が多く、クロストークが無い、非常に理想
的な固体メモリを実現することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強磁性体からなる磁化領域がスペーサ領域によ
って分割されているときに、スペーサ領域への刺激によ
って磁化領域の磁化状態が変調される様子を説明するた
めの図であり、図１（ａ）は、スペーサ領域に対して刺
激を与えていないときの状態を示す図、図１（ｂ）は、
スペーサ領域に対して刺激を与えることにより、一方の
磁化領域の磁化方向が反転した状態を示す図である。

【図２】強磁性体からなる磁化領域と、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域と、強磁性
体からなる磁化領域とを積層した積層構造体の断面を示
す図であり、スペーサ領域に使用する複合体として、磁
性半導体を使用した例を示す図である。

【図３】強磁性体からなる磁化領域と、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域と、強磁性
体からなる磁化領域とを積層した積層構造体の断面を示
す図であり、スペーサ領域に使用する複合体として、強
磁性微粒子である磁性体クラスタを半導体の内部に分散
させた媒体を使用した例を示す図である。

【図４】強磁性体からなる磁化領域と、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域と、強磁性
体からなる磁化領域とを積層した積層構造体の断面を示
す図であり、スペーサ領域に使用する複合体として、強
磁性体膜と半導体膜とを積層した多層膜を使用した例を
示す図である。

【図５】スペーサ領域が強磁性体膜と半導体膜とを積層
した多層膜からなる場合、並びに、スペーサ領域が半導
体だけからなる場合について、スペーサ領域の厚さと磁
化領域間の交換結合定数との関係を示す図である。

【図６】本発明を適用した情報記録素子の一例につい
て、ゲート電極に電圧を印加していないときの状態を示
す断面図である。

【図７】図７に示した情報記録素子について、ゲート電
極に電圧を印加していないときの状態を示す平面図であ
る。

【図８】図７に示した情報記録素子について、ゲート電
極に電圧を印加したときの状態を示す断面図である。

【図９】図７に示した情報記録素子について、ゲート電
極に電圧を印加したときの状態を示す平面図である。

【図１０】本発明を適用した情報記録素子の他の例につ
いて、第１及び第２のゲート電極に電圧を印加していな
いときの状態を示す断面図である。

【図１１】図１０に示した情報記録素子について、第２
のゲート電極に電圧を印加したときの状態を示す断面図
である。

【図１２】図１０に示した情報記録素子について、第１
のゲート電極に電圧を印加したときの状態を示す断面図
である。

【図１３】本発明を適用した情報記録素子の他の例につ
いて、第１及び第２のゲート電極に電圧を印加していな
いときの状態を示す断面図である。

【図１４】図１３に示した情報記録素子について、第２
のゲート電極に電圧を印加したときの状態を示す断面図
である。

【図１５】図１３に示した情報記録素子について、第１
のゲート電極に電圧を印加したときの状態を示す断面図
である。

【符号の説明】

１１，１２磁化領域、２０スペーサ領域、２１
磁性半導体、２１Ａ磁性半導体中の半導体マトリ
クス、２１Ｂ磁性半導体中の磁性イオン、２２磁
性体クラスタ、２３半導体、２４強磁性体膜、
２５半導体膜、３１基板、３２固定磁性
層、３３スペーサ層、３４可動磁性層、３５
絶縁層、３６ゲート電極、４１基板、４２
第１の固定磁性層、４３第２の固定磁性層、４
４スペーサ層、４５可動磁性層、４６絶縁
層、４７第１のゲート電極、４８絶縁層、４
９第２のゲート電極、５１基板、５２第１の固
定磁性層、５３第１のスペーサ層、５４可動磁
性層、５５第２のスペーサ層、５６第２の固定
磁性層、５７絶縁層、５８第１のゲート電極、
５９絶縁層、６０第２のゲート電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強磁性体からなる磁化領域を、磁性材料
及び半導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域によ
って分割し、スペーサ領域に対して外部から刺激を与えることによっ
て、磁化領域間の磁気的な相互作用を変化させて、１つ
もしくはそれ以上の磁化領域の磁化を制御することを特
徴とする磁化制御方法。
【請求項２】上記スペーサ領域に対して、電気刺激、
光照射又は温度制御のいずれかによって上記刺激を与え
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】上記スペーサ領域に使用する複合体とし
て、磁性半導体を用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４】上記スペーサ領域に使用する複合体とし
て、強磁性微粒子を半導体中に分散させた媒体を用いる
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】上記スペーサ領域に使用する複合体とし
て、強磁性微粒子を磁性半導体中に分散させた媒体を用
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６】上記スペーサ領域に使用する複合体とし
て、強磁性体膜と半導体膜とを積層した多層膜を用いる
ことを特徴とする請求項１記載の磁化制御方法。
【請求項７】上記スペーサ領域に使用する複合体とし
て、強磁性体膜と磁性半導体膜とを積層した多層膜を用
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８】上記スペーサ領域の厚さを１０ｎｍ以上
と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９】強磁性体からなる磁化領域を、厚さ１０
ｎｍ以上のスペーサ領域によって分割し、スペーサ領域に対して外部から刺激を与えることによっ
て、磁化領域間の磁気的な相互作用を変化させて、１つ
もしくはそれ以上の磁化領域の磁化を制御することを特
徴とする磁化制御方法。
【請求項１０】上記スペーサ領域に、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体を使用することを特徴とする請求
項９記載の磁化制御方法。
【請求項１１】強磁性体からなる磁化領域を、磁性材
料及び半導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域に
よって分割し、記録する情報に対応させてスペーサ領域に対して外部か
ら刺激を与えることによって、磁化領域間の磁気的な相
互作用を変化させて、１つもしくはそれ以上の磁化領域
の磁化を制御し、磁化領域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１２】上記スペーサ領域に対して、電気刺
激、光照射又は温度制御のいずれかによって上記刺激を
与えることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方
法。
【請求項１３】上記スペーサ領域に使用する複合体と
して、磁性半導体を用いることを特徴とする請求項１１
記載の情報記録方法。
【請求項１４】上記スペーサ領域に使用する複合体と
して、強磁性微粒子を半導体中に分散させた媒体を用い
ることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方法。
【請求項１５】上記スペーサ領域に使用する複合体と
して、強磁性微粒子を磁性半導体中に分散させた媒体を
用いることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方
法。
【請求項１６】上記スペーサ領域に使用する複合体と
して、強磁性体膜と半導体膜とを積層した多層膜を用い
ることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方法。
【請求項１７】上記スペーサ領域に使用する複合体と
して、強磁性体膜と磁性半導体膜とを積層した多層膜を
用いることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方
法。
【請求項１８】上記スペーサ領域の厚さを１０ｎｍ以
上とすることを特徴とする請求項１１記載の情報記録方
法。
【請求項１９】強磁性体からなる磁化領域を、厚さ１
０ｎｍ以上のスペーサ領域によって分割し、記録する情報に対応させてスペーサ領域に対して外部か
ら刺激を与えることによって、磁化領域間の磁気的な相
互作用を変化させて、１つもしくはそれ以上の磁化領域
の磁化を制御し、磁化領域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２０】上記スペーサ領域に、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体を使用することを特徴とする請求
項１９記載の情報記録方法。
【請求項２１】強磁性体からなる磁化領域が、磁性材
料及び半導体材料を含む複合体からなるスペーサ領域に
よって分割されてなる構造を有し、記録する情報に対応した刺激がスペーサ領域に対して外
部から与えられることによって、磁化領域間の磁気的な
相互作用が変化して、１つもしくはそれ以上の磁化領域
の磁化が制御され、磁化領域の磁化の向きにより二値もしくはそれ以上の多
値記録が行われることを特徴とする情報記録素子。
【請求項２２】電気刺激、光照射又は温度制御のいず
れかによって、上記スペーサ領域に対して上記刺激が与
えられることを特徴とする請求項２１記載の情報記録素
子。
【請求項２３】上記スペーサ領域に使用される複合体
は、磁性半導体からなることを特徴とする請求項２１記
載の情報記録素子。
【請求項２４】上記スペーサ領域に使用される複合体
は、強磁性微粒子を半導体中に分散させた媒体からなる
ことを特徴とする請求項２１記載の情報記録素子。
【請求項２５】上記スペーサ領域に使用される複合体
は、強磁性微粒子を磁性半導体中に分散させた媒体から
なることを特徴とする請求項２１記載の情報記録素子。
【請求項２６】上記スペーサ領域に使用される複合体
は、強磁性体膜と半導体膜とを積層した多層膜であるこ
とを特徴とする請求項２１記載の情報記録素子。
【請求項２７】上記スペーサ領域に使用される複合体
は、強磁性体膜と磁性半導体膜とを積層した多層膜であ
ることを特徴とする請求項２１記載の情報記録素子。
【請求項２８】上記スペーサ領域の厚さが１０ｎｍ以
上であることを特徴とする請求項２１記載の情報記録素
子。
【請求項２９】強磁性体からなる磁化領域が、厚さ１
０ｎｍ以上のスペーサ領域によって分割されてなる構造
を有し、記録する情報に対応した刺激がスペーサ領域に対して外
部から与えられることによって、磁化領域間の磁気的な
相互作用が変化して、１つもしくはそれ以上の磁化領域
の磁化が制御され、磁化領域の磁化の向きにより二値もしくはそれ以上の多
値記録が行われることを特徴とする情報記録素子。
【請求項３０】上記スペーサ領域は、磁性材料及び半
導体材料を含む複合体からなることを特徴とする請求項
２９記載の情報記録方法。