WO2015098335A1 - 磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置 - Google Patents

磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置 Download PDF

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voltage
magnetization
magnetization direction
layer
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駿 金井
松倉　文▲礼▼
大野　英男
路彦 山ノ内
正二 池田
佐藤　英夫
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Tohoku University
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Tohoku University
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    • G11C11/165—Auxiliary circuits
    • G11C11/1693—Timing circuits or methods

Definitions

  • the present invention relates to a magnetoresistive effect element control method and a magnetoresistive effect element control apparatus.
  • a magnetoresistive effect element having a three-layer structure of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer changes its resistance depending on the relative directions of magnetization of the two ferromagnetic layers. By making the two states in the case of being nearly parallel correspond to “0” or “1”, respectively, it is used as a magnetic memory cell that records information as the magnetization direction. Information reading is performed by reading the element resistance.
  • the nonmagnetic layer may be a metal or an insulator.
  • rewriting methods magnetization reversal methods
  • an electrical writing method in which a voltage is applied between the ferromagnetic layers is advantageous from the viewpoint of high integration and low power consumption.
  • Typical examples of such a writing method include a spin injection magnetization reversal method and an electric field induced magnetization reversal method.
  • a current is applied through a three-layer structure of a ferromagnetic layer / nonmagnetic layer / ferromagnetic layer, and magnetization reversal is performed through exchange of angular momentum.
  • the magnetization reversal direction can be controlled by the direction of current.
  • the lower electrode has a fixed layer whose magnetization is less likely to be reversed than the upper electrode, and the upper electrode is a recording layer, and a positive voltage is applied to terminal B on the recording layer side with respect to terminal A on the fixed layer side.
  • the current flows from the recording layer side to the fixed layer side, and the magnetization direction of the recording layer is reversed so as to be parallel to the magnetization direction of the fixed layer.
  • a negative voltage is applied to terminal B relative to terminal A, the magnetization direction of the recording layer is reversed so that the magnetization direction of the fixed layer is antiparallel.
  • the magnetization reversal direction is determined by the current direction, and the probability of successful information writing improves when a larger current is passed for a longer time. Therefore, in the information writing, the stability of the information writing can be ensured by applying the current for a time longer than the magnetization reversal time predicted to be the minimum necessary.
  • the magnetization reversal time of the spin injection magnetization reversal method can be reduced by increasing the amount of current, it is known that the current necessary for writing increases rapidly in the region where the magnetization reversal time is about 1 ns. (For example, see Non-Patent Document 1 or 2).
  • the realistic writing time is about several ns to several tens ns.
  • the power consumption when rewriting one memory cell once is determined by energy loss due to Joule heat, and is about 1 pJ for a high-performance magnetoresistive memory cell.
  • the electric field induced magnetization reversal method is performed by a capacitor structure element having a three-layer structure of ferromagnetic layer / insulating layer / metal layer as shown in FIG.
  • the magnetic anisotropy of the ferromagnetic layer is changed by applying a voltage between the terminal A on the metal layer side and the terminal B on the ferromagnetic layer side, and in the direction indicated by the arrow.
  • Generate a magnetic field it is assumed that the direction of the easy axis of the ferromagnetic layer is the vertical direction and the direction parallel to the film surface becomes easy to be magnetized by applying a voltage.
  • the voltage is applied to the magnetization having the in-plane easy axis of magnetization.
  • Non-Patent Document 3 An arrangement that generates a magnetic field in the direction perpendicular to the surface may be used (for example, see Non-Patent Document 3).
  • the magnetization of the ferromagnetic layer can be reversed by precessing around the generated magnetic field, turning off the voltage at about half-period precession, and making the magnetization easy again vertically (for example, Non-Patent Document 4).
  • the magnetization reversal time in the electric field induced magnetization reversal method is on the order of several hundred ps to 1 ns.
  • the polarity of the applied voltage is the same in both cases of magnetization reversal from parallel to antiparallel state and from antiparallel to parallel state.
  • it is necessary to control the voltage amplitude and the application time (voltage pulse length), and the time error allowed when the applied voltage amplitude is fixed is on the order of several tens of ps.
  • the power consumed when writing to one memory cell once is charged between the ferromagnetic layer and the metal layer. Is about 1 fJ.
  • the write reliability can be improved by extending the write time.
  • the write speed is slower and the power consumption is larger than the electric field induced magnetization reversal method. was there.
  • the power consumption can be reduced by the method described in Patent Document 1, it is a reduction of about a fraction, and the writing speed is slower and the power consumption is larger than the electric field induced magnetization reversal method.
  • the spin injection magnetization reversal method it takes a time from 1 / ns to several ns (dead time) from the application of voltage to the start of magnetization reversal, which is also a factor that cannot increase the writing speed. It has become.
  • the writing method using the electric field induced magnetization reversal method is expected to speed up writing several times to several tens of times and reduce power consumption by several hundred times to thousand times compared with the spin injection magnetization reversal method.
  • it is necessary to control the voltage application time with an accuracy of several tens of ps, and there is a problem that it is very difficult to control with that accuracy.
  • An object of the present invention is to provide a magnetoresistive effect element control method and a magnetoresistive effect element control apparatus.
  • the present inventors have faster writing speed than the spin injection magnetization reversal method, low power consumption, and more than the electric field induced magnetization reversal method.
  • the inventors have considered that a magnetization reversal method with high controllability can be obtained, and have reached the present invention.
  • the magnetoresistive effect element control method includes a magnetoresistive element having a first magnetic layer and a second magnetic layer whose magnetization direction can be easily changed as compared with the first magnetic layer.
  • the effect element control method is characterized in that after the electric field induced magnetization reversal method is performed, the magnetization direction of the second magnetic layer is reversed by performing the spin injection magnetization reversal method.
  • a control device for a magnetoresistive effect element includes a first magnetic layer and a magnetoresistive effect element having a second magnetic layer whose magnetization direction is easy to change compared to the first magnetic layer. And a control means provided to reverse the magnetization direction of the second magnetic layer by performing the spin injection magnetization reversal method after performing the electric field induced magnetization reversal method.
  • the electric field induced magnetization reversal method is used to apply the second magnetic layer before using the spin injection magnetization reversal method.
  • the writing speed is faster and the power consumption is lower than when the spin injection magnetization reversal method is used alone.
  • the success probability of the magnetization reversal can be increased by the spin injection magnetization reversal method. Therefore, it is not necessary to control the voltage application time with high accuracy. For this reason, control by the electric field induced magnetization reversal method is easy to perform, and a stable magnetization reversal operation with high controllability as a whole can be performed.
  • the magnetization reversal is immediately performed by using the electric field induced magnetization reversal method before using the spin injection magnetization reversal method. Can start. For this reason, the dead time generated in the spin transfer magnetization switching method is eliminated, and the writing speed can be increased.
  • the method of controlling a magnetoresistive effect element according to the second aspect of the present invention includes a first magnetic layer, a second magnetic layer whose magnetization direction is easily changed compared to the first magnetic layer, and the first magnetic layer.
  • a method of controlling a magnetoresistive element having a layer and an insulating layer disposed between the second magnetic layer, wherein the magnetization direction of the second magnetic layer is the magnetization direction of the first magnetic layer The first magnetic layer and the second magnetic layer so as to reverse the magnetization direction by changing the direction of the easy magnetization axis of the second magnetic layer. After the voltage of 1 is applied, the first magnetic layer and the second magnetic layer are arranged between the first magnetic layer and the second magnetic layer so that a current flows from the first magnetic layer toward the second magnetic layer.
  • a second voltage having a smaller amplitude than the voltage is applied, and the magnetization direction of the second magnetic layer is the magnetization of the first magnetic layer.
  • the third voltage is applied between the first magnetic layer and the second magnetic layer so that a current flows from the second magnetic layer to the first magnetic layer after the third voltage is applied to the first magnetic layer.
  • a fourth voltage having a smaller amplitude than the voltage of 3 is applied.
  • a magnetoresistive effect element control device comprising: a first magnetic layer; a second magnetic layer whose magnetization direction is easily changed compared to the first magnetic layer; and the first magnetic layer.
  • a magnetoresistive element having a layer and an insulating layer disposed between the second magnetic layer, and the magnetization direction of the second magnetic layer is parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • a first voltage is applied between the first magnetic layer and the second magnetic layer so as to reverse the magnetization direction by changing the direction of the easy axis of the second magnetic layer. After that, the amplitude is smaller than the first voltage between the first magnetic layer and the second magnetic layer so that a current flows from the first magnetic layer toward the second magnetic layer.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer is anti-flat with respect to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • a third voltage is applied between the first magnetic layer and the second magnetic layer so as to reverse the magnetization direction by changing the direction of the easy axis of the second magnetic layer.
  • the amplitude is larger than the third voltage between the first magnetic layer and the second magnetic layer so that a current flows from the second magnetic layer toward the first magnetic layer.
  • control means provided to apply a small fourth voltage.
  • the first magnetic layer is interposed between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • the voltage 1 or the third voltage By applying the voltage 1 or the third voltage, the direction of the easy magnetization axis of the second magnetic layer is changed, and the second magnetism that precesses around the changed easy magnetization axis.
  • the control means in the step of inverting the magnetization direction of the second magnetic layer, includes the first magnetic layer, the second magnetic layer, By applying the first voltage or the third voltage during the period, the direction of the easy axis of the second magnetic layer is changed, and precession is performed around the changed easy axis. It is preferable that the first voltage or the third voltage is switched to the second voltage or the fourth voltage when the magnetization of the second magnetic layer is reversed.
  • a magnetoresistive effect element control method and a magnetoresistive effect element control device wherein the second magnetic layer is a recording layer, the magnetization direction of the second magnetic layer is Information can be recorded in the magnetoresistive effect element by rewriting in parallel or antiparallel to the magnetization direction.
  • parallel and antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer are an arrangement that is almost parallel and antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer. And it is the range of the width
  • the magnetization direction of the second magnetic layer is arranged or antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer can be reversed using the electric field induced magnetization reversal method. That is, by applying the first voltage or the third voltage between the first magnetic layer and the second magnetic layer, the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer can be changed, The magnetization of the second magnetic layer precesses about the changed easy axis.
  • the easy axis of the second magnetic layer is returned to the original direction by switching to the second voltage or the fourth voltage having a smaller amplitude than the first voltage or the third voltage. Can return and end precession. As a result, the magnetization direction of the second magnetic layer is in a state of precessing for about a half cycle, and is reversed with respect to the original direction.
  • the magnetization direction of the inverted second magnetic layer can be made closer or parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • the electric field induced magnetization inversion method is used before the spin injection magnetization inversion method is used. Since the magnetization direction of the magnetic layer is generally reversed, the writing speed is faster and the power consumption is lower than when only the spin injection magnetization reversal method is used. In addition, after reversing the magnetization direction of the second magnetic layer by the electric field induced magnetization reversal method, the success probability of the magnetization reversal can be increased by the spin injection magnetization reversal method. Therefore, it is not necessary to control the voltage application time with high accuracy. For this reason, control by the electric field induced magnetization reversal method is easy to perform, and a stable magnetization reversal operation with high controllability as a whole can be performed.
  • the magnetization reversal is immediately performed by using the electric field induced magnetization reversal method before using the spin injection magnetization reversal method. Can start. For this reason, the dead time generated in the spin transfer magnetization switching method is eliminated, and the writing speed can be increased.
  • the control means for controlling the applied voltage may have any configuration. For example, by applying a voltage from a DC voltage source through switching controlled by a computer or the like via a transistor, It is preferable that the first to fourth voltages are applied.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer is larger than 90 degrees from the original direction to 270 degrees, respectively. It is preferable to apply a voltage of a predetermined magnitude or more for a predetermined time so as to rotate within a range of less than the predetermined range.
  • the control means may be configured such that the magnetization direction of the second magnetic layer is the original direction as the first voltage and the third voltage, respectively. It is preferable that a voltage of a predetermined magnitude or more is applied for a predetermined time so as to rotate within a range from 90 degrees to less than 270 degrees.
  • the first voltage and the third voltage have such a magnitude that the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer can be changed, and the precession of magnetization of the second magnetic layer. It preferably has a duration greater than 1 ⁇ 4 period of motion and less than 3 ⁇ 4 period.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer can be substantially reversed using the electric field induced magnetization reversal method, and the magnetization reversal can be completed with high probability and high speed by the later spin injection magnetization reversal method. it can.
  • the magnitudes of the second voltage and the fourth voltage are preferably as large as possible within a range in which the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer does not change. In order to improve the probability of successful information writing, a longer duration is preferable, but a shorter one is preferable for higher speed and lower power consumption.
  • the first voltage or the third voltage The direction change of the easy axis of the second magnetic layer due to the voltage needs to be greater than 45 degrees and less than 135 degrees.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device wherein the first magnetic layer and the second magnetic layer are ferromagnetic metal elements such as Co, Fe, Ni, Mn It is preferable that it is comprised with the material containing at least one.
  • the thickness is not limited, but when the easy magnetization direction is determined by the interfacial magnetic anisotropy, the magnetic anisotropy is controlled by voltage, and the film thickness can switch the easy axis direction of magnetization. For example, 0.5 to 2 nm is preferable per CoFeB / MgO junction.
  • the insulating layer is preferably made of an oxide such as MgO or AlO, or a material containing at least one of nitrogen and fluorine.
  • the insulating layer extends along the thickness direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer, It is preferable to arrange between the first magnetic layer and the second magnetic layer. In this case, it is easy to control by applying a voltage between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer is preferably along the layer thickness direction.
  • a magnetoresistive effect element control method comprising: a first magnetic layer; a second magnetic layer whose magnetization direction is easily changed compared to the first magnetic layer; and the first magnetic layer.
  • a nonmagnetic layer disposed between a layer and the second magnetic layer, a metal layer disposed opposite to the first magnetic layer with respect to the second magnetic layer, and the second
  • a magnetoresistive element having a magnetic layer and an insulating layer disposed between the metal layers, wherein the magnetization direction of the second magnetic layer is the same as the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • a first voltage is applied between the second magnetic layer and the metal layer so as to reverse the magnetization direction by changing the direction of the easy axis of the second magnetic layer. After the application, the first magnetic layer and the first magnetic layer so that a current flows from the first magnetic layer toward the second magnetic layer.
  • a second voltage having a smaller amplitude than the first voltage is applied between the second magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer is opposite to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • a third voltage was applied between the second magnetic layer and the metal layer so as to reverse the magnetization direction by changing the direction of the easy axis of the second magnetic layer. After that, an amplitude smaller than the third voltage is applied between the first magnetic layer and the second magnetic layer so that a current flows from the second magnetic layer toward the first magnetic layer.
  • a voltage of 4 is applied.
  • a magnetoresistive effect element control device comprising: a first magnetic layer; a second magnetic layer whose magnetization direction is easily changed compared to the first magnetic layer; and the first magnetic layer.
  • a nonmagnetic layer disposed between a layer and the second magnetic layer, a metal layer disposed opposite to the first magnetic layer with respect to the second magnetic layer, and the second
  • a magnetoresistive element having an insulating layer disposed between the magnetic layer and the metal layer, and the magnetization direction of the second magnetic layer is parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer
  • the method for controlling a magnetoresistive effect element wherein in the step of reversing the magnetization direction of the second magnetic layer, the first voltage is applied between the second magnetic layer and the metal layer.
  • the third voltage by applying the third voltage, the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer is changed, and the magnetization of the second magnetic layer that performs precession about the changed easy axis of magnetization.
  • the control means may be arranged between the second magnetic layer and the metal layer in the step of inverting the magnetization direction of the second magnetic layer.
  • the first voltage or the third voltage By applying the first voltage or the third voltage, the direction of the easy axis of the second magnetic layer is changed, and the second precession is performed around the changed easy axis. It is preferable that the first voltage or the third voltage is switched to the second voltage or the fourth voltage when the magnetization of the magnetic layer is reversed.
  • a magnetoresistive effect element control method and a magnetoresistive effect element control device wherein the second magnetic layer is a recording layer, and the magnetization direction of the second magnetic layer is changed to that of the first magnetic layer.
  • Information can be recorded in the magnetoresistive effect element by rewriting in parallel or antiparallel to the magnetization direction.
  • parallel and antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer are an arrangement that is almost parallel and antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer. And it is the range of the width
  • a magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device wherein the magnetoresistive effect element has a second magnetic layer in common, the first magnetic layer, the nonmagnetic layer,
  • the first voltage or the third voltage is applied between the second ferromagnetic layer and the metal layer.
  • the electric field induced magnetization reversal method the magnetization direction of the second magnetic layer is reversed, and then the second voltage or the fourth voltage is applied between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • this voltage it is possible to increase the success probability of magnetization reversal and to perform stable magnetization reversal using the spin injection magnetization reversal method.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device are the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device according to the second aspect of the present invention.
  • the magnetization reversal operation can be performed based on the same principle as described above, and the writing speed is higher than that performed only by the spin injection magnetization reversal method.
  • the other features and effects are the same as those of the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device according to the second aspect of the present invention.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer are made of ferromagnetic metal elements such as Co, Fe, Ni, and Mn. It is preferable that it is comprised with the material containing at least one.
  • the thickness is not limited, but when the easy magnetization direction is determined by the interfacial magnetic anisotropy, the magnetic anisotropy is controlled by voltage, and the film thickness can switch the easy axis direction of magnetization. For example, 0.5 to 2 nm is preferable per CoFeB / MgO junction. Any material can be used for the nonmagnetic layer.
  • the thickness is preferably about 3 nm or more in order to cut the exchange coupling between the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • the metal layer is preferably made of a low resistance material such as Au, Cr, Cu, or Al.
  • the insulating layer is preferably a material containing one or more oxides such as MgO and AlO, nitrogen and fluorine.
  • the thickness of the insulating layer is preferably a film thickness that provides high resistance in order to prevent energy loss due to Joule heat, and is preferably 2 nm or more.
  • the nonmagnetic layer is formed along the thickness direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • the insulating layer and the metal layer are disposed between the first magnetic layer and the second magnetic layer in a thickness direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • the first magnetic layer is preferably stacked on the opposite side of the second magnetic layer. In this case, it is easy to control by applying a voltage between the first magnetic layer and the second magnetic layer and between the second magnetic layer and the metal layer.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer and the second magnetic layer is preferably along the layer thickness direction.
  • a method for controlling a magnetoresistive effect element and a magnetoresistive effect capable of performing a stable magnetization reversal operation with high controllability and at the same time having a higher writing speed and lower power consumption than the spin injection magnetization reversal method can be provided.
  • FIG. 3 It is a longitudinal cross-sectional view which shows the magnetoresistive effect element used with the control method and the control apparatus of a magnetoresistive effect element of embodiment of 1st this invention. It is a longitudinal cross-sectional view of the Example of the magnetoresistive effect element shown in FIG. 3 is a graph showing the voltage application duration dependence of the magnetization reversal probability of a second magnetic layer when a first voltage is applied to the magnetoresistive effect element shown in FIG. 2. 3 is a graph showing the magnetization reversal probability of the second magnetic layer with respect to the second voltage duration t 1 for various durations t E of the first voltage of the magnetoresistive element shown in FIG. FIG.
  • FIG. 3 shows an applied voltage waveform when the magnetization direction of the second magnetic layer of the magnetoresistive effect element shown in FIG. 1 is rewritten from a state close to parallel to the direction of magnetization of the first magnetic layer to a state close to antiparallel.
  • It is a graph. 1 shows a voltage waveform applied when the magnetization direction of the second magnetic layer of the magnetoresistive effect element shown in FIG. 1 is rewritten from a state close to antiparallel to a state close to parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer.
  • the magnetoresistive element shown in FIG. 2 is a graph showing when the magnetization reversal probability is 90% or more, the area of the duration t l of the first duration t E and the second voltage of the voltage.
  • Terminal B-terminal when the magnetization direction of the second magnetic layer of the magnetoresistive effect element shown in FIG. 8 is rewritten from a state parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer to an antiparallel state 6 is a graph showing an applied voltage between C and (b) between a terminal A and a terminal B;
  • FIGS. 1 to 7 show a magnetoresistive effect element used in the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetoresistive effect element 10 includes a first magnetic layer 11, a second magnetic layer 12, and an insulating layer 13.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer 11 is along the layer thickness direction, and the magnetization direction does not change by 90 ° or more.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is along the layer thickness direction, and the second magnetic layer 12 can be changed to an arrangement that is nearly parallel or anti-parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11.
  • the insulating layer 13 is disposed between the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12 along the thickness direction of the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12.
  • the first magnetic layer 11 is a CoFeB layer having a thickness of 0.9 nm
  • the second magnetic layer 12 is a CoFeB layer having a thickness of 1.8 nm
  • the insulating layer 13 has a thickness of 1 It consists of a 3 nm MgO layer.
  • a Ta layer, a Ru layer, a Ta layer, and a sapphire layer are provided below the first magnetic layer 11 in this order.
  • the second magnetic layer 12 has a Ta layer, a Ru layer, and a Cr / Au layer in order from the bottom on the top.
  • an AlO protective insulating layer is provided around the joint.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device use the second magnetic layer 12 as a recording layer and change the magnetization direction of the second magnetic layer 12 to Information can be recorded in the magnetoresistive effect element 10 by rewriting it to an arrangement that is nearly parallel or anti-parallel to the magnetization direction of one magnetic layer 11.
  • a first voltage is applied between the two magnetic layers 12.
  • the first voltage has such a magnitude that the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 12 can be changed, so that the effective magnetic field in the direction of the arrow in FIG.
  • the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 12 changes from the vertical direction to the in-layer direction substantially perpendicularly.
  • the magnetization of the second magnetic layer 12 precesses about the changed easy axis.
  • the magnetoresistive element 10 a shown in FIG. 2 when a voltage of 0.7 V is applied as the first voltage between the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12, the second magnetic layer 12 Since the magnetization precesses, the magnetization reversal probability oscillates with respect to the voltage application duration as shown in FIG. Note that the magnetization reversal probability in FIG. 3 is such that a voltage is applied when the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is nearly parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11, and the second magnetic layer 12 The probability that the magnetization direction is nearly antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11 is shown. In FIG. 3, the applied magnetic field has a magnetic flux density of 31 mT and a duration of up to 5 ns.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is in a state of precession of about a half cycle, and is almost reversed with respect to the original direction, that is, in the first magnetic layer 11. It is almost antiparallel to the magnetization direction.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 can be substantially reversed by using the electric field induced magnetization reversal method.
  • the amplitude is smaller than the first voltage so that a current flows from the first magnetic layer 11 to the second magnetic layer 12 between the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12.
  • a second voltage is applied.
  • the amplitude of the second voltage is a value at which the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 12 does not change, and is preferably applied subsequently to the first voltage.
  • FIG. 4 shows the result of obtaining the inversion probability by applying a voltage of 0.5 V as the second voltage to the magnetoresistive effect element 10a shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the magnetization reversal probability for the duration t 1 of the second voltage of 0.5V for various times from 0 ns to 1.25 ns when the time t E applied with the first voltage of 0.7V. It shows a change.
  • the magnetization reversal probability in FIG. 4 is such that a voltage is applied when the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11, and the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is The probability of being antiparallel to the magnetization direction of one magnetic layer 11 is shown. As shown in FIG.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 can be made closer to be antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11. Further, as the duration t E of the first voltage approaches 1.25 ns, which is the time when the magnetization reversal probability becomes the highest as shown in FIG. 3, the magnetization reversal probability due to the second voltage can be increased more quickly.
  • the probability of magnetization reversal is increased by increasing t l , so that the torque for directing the magnetization to the antiparallel arrangement (the force acting on the magnetization) is spin injection. It can be seen that In this way, by applying the second voltage subsequent to the first voltage, it is possible to increase the success probability of magnetization reversal and perform stable magnetization reversal using the spin injection magnetization reversal method.
  • the entire writing time t E + t 1 is shortened by 8.75 ns or more compared to the case where only spin injection magnetization reversal is used. Can do.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device after applying the first voltage of the duration t E as shown in FIG.
  • the second voltage of the duration t 1 By applying the second voltage of the duration t 1 , the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is changed from a state close to parallel to the direction of magnetization of the first magnetic layer 11 to a state close to antiparallel. Can be rewritten.
  • a third voltage is applied between the terminal A and the terminal B, that is, between the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12.
  • the third voltage is preferably the same polarity and the same magnitude as the first voltage.
  • the voltage is changed to a value that does not change the easy magnetization axis of the second magnetic layer 12, thereby returning the easy magnetization axis of the second magnetic layer 12 to the original direction.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is in a state of precession of about a half cycle, and is almost reversed with respect to the original direction, that is, in the first magnetic layer 11. The state is almost parallel to the magnetization direction.
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 12 can be substantially reversed by using the electric field induced magnetization reversal method.
  • a fourth voltage smaller than the third voltage is set so that a current flows from the second magnetic layer 12 toward the first magnetic layer 11 between the first magnetic layer 11 and the second magnetic layer 12.
  • the fourth voltage is a value that does not change the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 12, and is preferably applied subsequently to the third voltage.
  • the fourth voltage is opposite in polarity to the second voltage.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device after applying the third voltage of the duration t E as shown in FIG.
  • the fourth voltage of the duration t 1 By applying the fourth voltage of the duration t 1 , the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is changed from a state close to antiparallel to a state close to parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 11. Can be rewritten.
  • the energy consumption of the spin injection magnetization reversal method is proportional to the writing time, the power consumption can be reduced by increasing the speed.
  • the electric field induced magnetization reversal method is used before the spin injection magnetization reversal method is used. Since the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is generally reversed, the writing speed is faster and the power consumption is lower than in the case where only the spin injection magnetization reversal method is used. Further, since the probability of successful magnetization reversal can be increased by spin injection magnetization reversal after the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is reversed by electric field induced reversal, the electric field induced magnetization reversal is used. There is no need to perform highly accurate magnetization reversal. For this reason, it is easy to perform control by the electric field induced magnetization reversal method, and stable magnetization reversal operation with high controllability as a whole can be performed.
  • the electric field induced magnetization inversion method is used immediately before the spin injection magnetization inversion method is used.
  • the magnetization reversal can be started. For this reason, the dead time generated in the spin transfer magnetization switching method is eliminated, and the writing speed can be increased.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device substantially reverse the magnetization direction of the second magnetic layer 12 by using the electric field induced magnetization reversal method.
  • the second magnetic layer 12 is rotated for a time during which the magnetization direction of the second magnetic layer 12 is rotated in the range of more than 90 degrees and less than 270 degrees from the original direction, that is, the second voltage.
  • the magnetic layer 12 is preferably applied for a duration longer than 1 ⁇ 4 period and less than 3 ⁇ 4 period of the magnetization precession.
  • the magnitudes of the second voltage and the fourth voltage are set so that the second magnetic layer 12 is easily magnetized. It is preferably as large as possible within a range in which the direction of the axis does not change. In order to improve the probability of successful information writing, a longer duration is preferable, but a shorter one is preferable for higher speed and lower power consumption.
  • the magnetoresistive effect element 10 is controlled by the control means.
  • the magnetoresistive element 20 includes a first magnetic layer 21, a second magnetic layer 22, a nonmagnetic layer 23, a metal layer 24, and an insulating layer 25.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer 21 is less likely to change than that of the second magnetic layer.
  • the second magnetic layer 22 can be easily changed to an arrangement close to parallel or anti-parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 21 compared to the first magnetic layer. It has become.
  • the nonmagnetic layer 23 is disposed between the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22 along the thickness direction of the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22.
  • the metal layer 24 is disposed on the side opposite to the first magnetic layer 21 with respect to the second magnetic layer 22.
  • the insulating layer 25 is disposed between the second magnetic layer 22 and the metal layer 24 along the thickness direction of the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22.
  • the magnetoresistive effect element 10 has the first magnetic layer 21, the nonmagnetic layer 23, and the second magnetic layer 22 in common with the second magnetic layer 22, and is based on the spin injection magnetization reversal method shown in FIG.
  • the structure is a combination of the structure of the electric field induced magnetization reversal method shown in FIG. 12, which includes the second magnetic layer 22, the insulating layer 25, and the metal layer 24.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device use the second magnetic layer 22 as a recording layer and change the magnetization direction of the second magnetic layer 22 to Information can be recorded in the magnetoresistive effect element 20 by rewriting to an arrangement that is nearly parallel or anti-parallel to the magnetization direction of one magnetic layer 21.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control apparatus are the same as the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the present invention.
  • the magnetization reversal operation can be performed on the same principle as that of the control device. In the following description, descriptions overlapping with the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device according to the first embodiment of the present invention are omitted.
  • the application of the first voltage is stopped, and the first voltage is applied between the terminal A and the terminal B, that is, between the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22.
  • a second voltage having a small amplitude is applied.
  • the magnetization of the inverted second magnetic layer 22 is applied by applying a second voltage so that a current flows from the first magnetic layer 21 toward the second magnetic layer 22 following the first voltage.
  • the direction can be made closer to be antiparallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 21.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device applied the first voltage of the duration t E as shown in FIG. Thereafter, by applying a second voltage of duration t 1 , the magnetization direction of the second magnetic layer 22 is changed from a state close to parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 21 to a state close to anti-parallel. Can be rewritten.
  • the direction of the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 22 changes from the vertical direction to the direction substantially perpendicular to the in-layer direction, and the changed easy axis of As a center, the magnetization of the second magnetic layer 22 precesses.
  • the application of the third voltage is stopped, and the third voltage is applied between the terminal A and the terminal B, that is, between the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22.
  • a fourth voltage having a small amplitude is applied.
  • the easy axis of magnetization of the second magnetic layer 22 is returned to the original direction to finish the precession, and the magnetization direction of the second magnetic layer 22 is substantially reversed with respect to the original direction, that is,
  • the first magnetic layer 21 can be substantially parallel to the magnetization direction.
  • the magnetization of the inverted second magnetic layer 22 is applied by applying a fourth voltage so that a current flows from the second magnetic layer 22 toward the first magnetic layer 21 following the third voltage.
  • the direction can be made closer to and parallel to the magnetization direction of the first magnetic layer 21.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control apparatus applied the third voltage of the duration t E as shown in FIG. Thereafter, by applying a fourth voltage having a duration t 1 , the magnetization direction of the second magnetic layer 22 is changed from a state close to anti-parallel to the direction of magnetization of the first magnetic layer 21 to a state close to parallel. Can be rewritten.
  • the magnetoresistive effect element control method and magnetoresistive effect element control device first, between the second ferromagnetic layer and the metal layer 24, the first By applying a voltage or a third voltage, the magnetization direction of the second magnetic layer 22 is reversed using an electric field induced magnetization reversal method, and then the first magnetic layer 21 and the second magnetic layer 22 are reversed.
  • the second voltage or the fourth voltage between the two the success rate of magnetization reversal can be increased and stable magnetization reversal can be performed using the spin injection magnetization reversal method. For this reason, the writing speed is faster and the power consumption is lower than when the spin injection magnetization reversal method is used alone.
  • the control by the electric field induced magnetization reversal method is easy to perform, and a stable magnetization reversal operation with high controllability as a whole can be performed.
  • the magnetoresistive effect element 20 can be used as a magnetoresistive effect element while greatly reducing the power consumption in the electric field induced magnetization reversal method by adjusting the resistance of the insulating layer 25 to a sufficiently high resistance. The function can be maintained, and the effect of reducing power consumption is greater than that of the magnetoresistive element 10.
  • the magnetoresistive effect element 20 is controlled by the control means.

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Abstract

【課題】スピン注入磁化反転方式よりも書き込み速度が速く低消費電力であると同時に、制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置を提供する。 【解決手段】第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い配置であるとき、第２の磁性層１２の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に第１の電圧を印加した後、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２に向かって電流が流れるよう、第２の電圧を印加する。同様に、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に近い配置であるとき、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に第３の電圧を印加した後、第２の磁性層１２から第１の磁性層１１に向かって電流が流れるよう、第４の電圧を印加する。

Description

磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置
　本発明は、磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置に関する。
　強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造を持つ磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層の磁化の相対方向に依存して抵抗が変化するため、特に平行に近い場合と反平行に近い場合の２つの状態をそれぞれ「０」または「１」に対応させることにより、磁化方向として情報を記録する磁気メモリセルとして使用される。情報読み取りは、素子抵抗を読み取ることにより行う。なお、非磁性層は、金属でも絶縁体でも良い。従来、磁気抵抗効果素子の書き替え方式（磁化反転方式）は複数あり、中でも強磁性層間に電圧を印加する電気的な書き込み方式が、高集積化および低消費電力化の観点から有利である。このような書き込み方式の代表的なものとして、スピン注入磁化反転方式と電界誘起磁化反転方式がある。
　スピン注入磁化反転方式は、図１１に示すように、強磁性層／非磁性層／強磁性層の３層構造を通して電流を印加し、角運動量の授受を介して磁化反転を行うものである。磁化反転方向は、電流の向きにより制御可能である。図１１に示す一例では、下側電極が上側電極より磁化が反転しにくい固定層、上側電極を記録層とし、固定層側の端子Ａに対して記録層側の端子Ｂに正電圧を印加した場合、電流は記録層側から固定層側に流れ、記録層の磁化方向は固定層の磁化方向と平行配置をとるように磁化反転する。端子Ａに対して端子Ｂに負電圧を印加した場合には、記録層の磁化方向は固定層の磁化方向と反平行配置をとるように磁化反転する。
　このように、スピン注入磁化反転方式においては、電流の方向により磁化反転方向が決まり、より大きな電流をより長い時間流すと情報書き込みに成功する確率が向上する。そのため、情報書き込みにおいては、最小限必要と予測される磁化反転時間よりも長い時間、電流を印加することで、情報書き込みの安定性を確保することができる。スピン注入磁化反転方式の磁化反転時間は、電流量を増加することにより減少させることができるが、磁化反転時間が１ｎｓ程度の領域では、書き込みに必要な電流が急激に大きくなることが知られている（例えば、非特許文献１または２参照）。素子に印加できる電流には上限があるため、現実的な書き込み時間は、数ｎｓ～数１０ｎｓ程度である。また、１つのメモリセルを一度書き換える際の消費電力は、ジュール熱によるエネルギー損失により決定され、高性能な磁気抵抗メモリセルについては、およそ１ｐＪである。
　なお、スピン注入磁化反転方式における消費電力を小さくするために、単一の電流パルスで磁化反転を行うために必要な大きさのしきい値電流よりも小さい第１の電流を印加した後、それよりも大きく、しきい値電流よりも小さい第２の電流を印加する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　電界誘起磁化反転方式は、図１２に示すように、強磁性層／絶縁層／金属層の３層構造を有するキャパシタ構造素子により行われる。図１２に示す一例では、金属層側の端子Ａと強磁性層側の端子Ｂとの間に電圧を印加することにより、強磁性層の磁気異方性を変化させ、矢印で示した方向に磁界を生じさせる。ここでは、強磁性層の磁化容易軸の方向を垂直方向とし、電圧印加により膜面平行の方向が磁化容易になるとして説明するが、面内磁化容易軸を持つ磁化に電圧を印加して膜面垂直方向の磁界を生じさせる配置でもよい（例えば、非特許文献３参照）。強磁性層の磁化は、生じた磁界を軸として歳差運動を行い、約半周期歳差運動したところで電圧を切り、磁化を再び垂直容易にすることにより、磁化反転を行うことができる（例えば、非特許文献４参照）。
　電界誘起磁化反転方式での磁化反転時間は、数百ｐｓから１ｎｓのオーダである。印加電圧の極性は、平行から反平行状態および反平行から平行状態への磁化反転の両方の場合で同一である。書き込み時には電圧振幅と印加時間（電圧パルス長）とを制御する必要があり、印加電圧振幅を固定した際に許される時間的誤差は、数十ｐｓのオーダである。また、絶縁層を介した素子抵抗が十分に大きく、ジュール熱によるエネルギー損失が小さい場合には、１つのメモリセルへ一度書き込む際に消費する電力は、強磁性層と金属層との間に電荷を貯めるために必要な電力であり、およそ１ｆＪである。
D. Bedau et al., "Spin-transfer pulse switching: From the dynamic to the thermally activated regime", Appl. Phys. Lett., 2010, 97, 262502 M. Hosomi et al., "A novel nonvolatile memory with spin torque transfer magnetization switching: spin-ram", IEDM, 2005, pp. 459-462 Y. Shiota, T. Nozaki, F. Bonell, S. Murakami, T. Shinjo, and Y. Suzuki, "Induction of coherent magnetization switching in a few atomic layers of FeCo using voltage pulses", Nature Mater. 2012, 11, 39 S. Kanai, M. Yamanouchi, S. Ikeda, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno, "Electric field-induced magnetization reversal in a perpendicular-anisotropy CoFeB-MgO magnetic tunnel junction" , Appl. Phys. Lett., 2012, 101, 122403
特開２００７－３０００７９号公報
　従来のスピン注入磁化反転方式による書き込み方式では、書き込み時間を長くすることで書き込みの信頼性を高めることができるが、電界誘起磁化反転方式と比べて、書き込み速度が遅く、消費電力も大きいという課題があった。特許文献１に記載の方法により消費電力を低減することができるが、数分の１程度の低減であり、やはり電界誘起磁化反転方式と比べると、書き込み速度が遅く、消費電力も大きい。また、スピン注入磁化反転方式では、電圧を印加してから磁化反転が始まるまでに、数分の１ｎｓ～数ｎｓ程度の時間（不感時間）を要し、これも書き込み速度を高速化できない要因となっている。
　電界誘起磁化反転方式による書き込み方式では、スピン注入磁化反転方式と比べて、数倍～数十倍の書き込みの高速化、数百倍～千倍程度の消費電力の低減が期待されるが、書き込みの信頼性を確保して安定した磁化反転を行うためには、数十ｐｓの精度で電圧印加時間を制御する必要があり、その精度で制御を行うのは非常に難しいという課題があった。
　本発明は、このような課題に着目してなされたもので、スピン注入磁化反転方式よりも書き込み速度が速く低消費電力であると同時に、制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置を提供することを目的とする。
　本発明者等は、スピン注入磁化反転方式および電界誘起磁化反転方式の双方の特長を活かすことにより、スピン注入磁化反転方式よりも書き込み速度が速く、低消費電力で、電界誘起磁化反転方式よりも制御性が高い磁化反転方法が得られると考え、本発明に到った。
　すなわち、第１の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、電界誘起磁化反転方式を行った後、スピン注入磁化反転方式を行うことにより、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させることを特徴とする。
　第１の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、電界誘起磁化反転方式を行った後、スピン注入磁化反転方式を行うことにより、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させるよう設けられた制御手段とを、有することを特徴とする。
　第１の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用して第２の磁性層の磁化方向を概ね反転させておくことにより、スピン注入磁化反転方式のみで行う場合よりも書き込み速度が速く、低消費電力である。また、電界誘起磁化反転方式により第２の磁性層の磁化方向を反転させた後、スピン注入磁化反転方式でその磁化反転の成功確率を高めることができるため、電界誘起磁化反転方式を利用する際に高精度に電圧印加時間を制御する必要がない。このため、電界誘起磁化反転方式での制御が行いやすく、全体として制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる。
　第１の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用することにより、即座に磁化反転を開始することができる。このため、スピン注入磁化反転方式で発生していた不感時間がなくなり、書き込み速度を高速化することができる。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加することを、特徴とする。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加するよう設けられた制御手段とを、有することを特徴とする。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えることが好ましい。第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置で、前記制御手段は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えるよう構成されていることが好ましい。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第２の磁性層を記録層として、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して平行または反平行に書き換えることにより、磁気抵抗効果素子に情報を記録することができる。ここで、第１の磁性層の磁化方向に対して平行および反平行とは、それぞれ第１の磁性層の磁化方向に対して平行に近い配置および反平行に近い配置のことであり、概ね平行および反平行から３０°前後の幅の範囲である。第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、第２の磁性層の磁化方向が第１の磁性層の磁化方向に対して平行に近い配置または反平行に近い配置のとき、電界誘起磁化反転方式を利用して、第２の磁性層の磁化方向を反転することができる。すなわち、第１の磁性層と第２の磁性層との間に第１の電圧または第３の電圧を印加することにより、第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることができ、その変化した磁化容易軸を中心として、第２の磁性層の磁化が歳差運動を行う。約半周期歳差運動したところで、第１の電圧または第３の電圧より振幅が小さい第２の電圧または第４の電圧に切り替えることにより、第２の磁性層の磁化容易軸を元の方向に戻し、歳差運動を終わらせることができる。これにより、第２の磁性層の磁化方向は、約半周期の歳差運動をしている状態になっており、元の方向に対して反転した状態になっている。
　次に、第１の磁性層と第２の磁性層との間に第２の電圧または第４の電圧を印加することにより、スピン注入磁化反転方式を利用して、磁化反転の成功確率を高め、安定した磁化反転を行うことができる。元の第２の磁性層の磁化方向が第１の磁性層の磁化方向に対して平行であったときには、第２の磁性層の磁化方向を第１の磁性層の磁化方向に対して反平行にしたいため、第１の磁性層から第２の磁性層に向かって電流が流れるよう第２の電圧を印加する。また、元の第２の磁性層の磁化方向が第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であったときには、第２の磁性層の磁化方向を第１の磁性層の磁化方向に対して平行にしたいため、第２の磁性層から第１の磁性層に向かって電流が流れるよう第４の電圧を印加する。これにより、反転した第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して平行または反平行に、さらに近づけることができる。
　このように、第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用して第２の磁性層の磁化方向を概ね反転させておくため、スピン注入磁化反転方式のみで行う場合よりも書き込み速度が速く、低消費電力である。また、電界誘起磁化反転方式により第２の磁性層の磁化方向を反転させた後、スピン注入磁化反転方式でその磁化反転の成功確率を高めることができるため、電界誘起磁化反転方式を利用する際に高精度に電圧印加時間を制御する必要がない。このため、電界誘起磁化反転方式での制御が行いやすく、全体として制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用することにより、即座に磁化反転を開始することができる。このため、スピン注入磁化反転方式で発生していた不感時間がなくなり、書き込み速度を高速化することができる。なお、印加電圧を制御するための制御手段は、いかなる構成であってもよいが、例えば、直流電圧源からの電圧を、トランジスタを介してコンピュータ等により制御されたスイッチングにより印加することにより、第１乃至第４の電圧を印加するよう構成されていることが好ましい。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法で、前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加することが好ましい。また、第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置で、前記制御手段は、前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加するよう構成されていることが好ましい。より具体的には、第１の電圧および第３の電圧は、第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることができる大きさを有し、第２の磁性層の磁化の歳差運動の１／４周期より大きく３／４周期未満の継続時間を有していることが好ましい。これにより、電界誘起磁化反転方式を利用して第２の磁性層の磁化方向を概ね反転させておくことができ、後のスピン注入磁化反転方式で磁化反転を高確率かつ高速に完了させることができる。
　第２の電圧および第４の電圧の大きさは、第２の磁性層の磁化容易軸の方向が変化しない範囲で、できるだけ大きいことが好ましい。また、情報書き込みに成功する確率を向上させるためには、継続時間は長い方が好ましいが、高速化及び低消費電力化のためにはできるだけ短い方が好ましい。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、歳差運動により第２の磁性層の磁化を反転させるためには、第１の電圧または第３の電圧による第２の磁性層の磁化容易軸の方向変化が、４５度より大きく１３５度未満であることが必要であるが、第２の磁性層の磁化反転をより確実に行うために、第２の磁性層の磁化容易軸の方向を８０度乃至１００度変化させることが好ましい。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で、第１の磁性層および第２の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの強磁性金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。また、厚みに限定はないが、界面磁気異方性により磁化容易方向が決定される場合には、磁気異方性を電圧により制御し、磁化の容易軸方向を切り替えることのできる膜厚であることが望ましく、一例としてＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ接合一つ当たり０.５～２ｎｍが好ましい。絶縁層は、ＭｇＯやＡｌＯなどの酸化物、または窒素、弗素などを一つ以上含む材料が好ましい。
　第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で、前記絶縁層は、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の層厚方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置されていることが好ましい。この場合、第１の磁性層と第２の磁性層との間に電圧をかけて制御しやすい。なお、第１の磁性層および第２の磁性層は、磁化方向が層厚方向に沿っていることが好ましい。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層と、前記第２の磁性層に対して前記第１の磁性層とは反対側に配置された金属層と、前記第２の磁性層と前記金属層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加することを特徴とする。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置は、第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層と、前記第２の磁性層に対して前記第１の磁性層とは反対側に配置された金属層と、前記第２の磁性層と前記金属層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加するよう設けられた制御手段とを、有することを特徴とする。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第２の磁性層と前記金属層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えることが好ましい。第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御装置で、前記制御手段は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第２の磁性層と前記金属層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えるよう構成されていることが好ましい。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第２の磁性層を記録層として、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して平行または反平行に書き換えることにより、磁気抵抗効果素子に情報を記録することができる。ここで、第１の磁性層の磁化方向に対して平行および反平行とは、それぞれ第１の磁性層の磁化方向に対して平行に近い配置および反平行に近い配置のことであり、概ね平行および反平行から３０°前後の幅の範囲である。第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、磁気抵抗効果素子が、第２の磁性層を共通にして、第１の磁性層と非磁性層と第２の磁性層とを有する、図１１に示すスピン注入磁化反転方式の構成と、第２の磁性層と絶縁層と金属層とを有する、図１２に示す電界誘起磁化反転方式の構成とを組み合わせた構造を有している。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、まず、第２の強磁性層と金属層との間に第１の電圧または第３の電圧を印加することにより、電界誘起磁化反転方式を利用して、第２の磁性層の磁化方向を反転し、その後、第１の磁性層と第２の磁性層との間に第２の電圧または第４の電圧を印加することにより、スピン注入磁化反転方式を利用して、磁化反転の成功確率を高め、安定した磁化反転を行うことができる。このように、第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置と同様の原理で磁化反転操作を行うことができ、スピン注入磁化反転方式のみで行う場合よりも書き込み速度が速く、低消費電力で、電界誘起磁化反転方式よりも制御性が高い。また、他の特徴や効果も、第２の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置と同様のものが得られる。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で、第１の磁性層および第２の磁性層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｎなどの強磁性金属元素を少なくとも一つ含んだ材料で構成されることが好ましい。また、厚みに限定はないが、界面磁気異方性により磁化容易方向が決定される場合には、磁気異方性を電圧により制御し、磁化の容易軸方向を切り替えることのできる膜厚であることが望ましく、一例としてＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ接合一つ当たり０.５～２ｎｍが好ましい。非磁性層は、どのような材料でも使用可能である。厚みは、第１の磁性層と第２の磁性層との交換結合を切るため３ｎｍ程度以上が好ましい。金属層は、例えば、ＡｕやＣｒ、Ｃｕ、Ａｌなど低抵抗な材料が好ましい。絶縁層は、ＭｇＯやＡｌＯなどの酸化物、窒素や弗素を一つ以上含む材料が好ましい。また、絶縁層の厚みは、ジュール熱によるエネルギー損失を防ぐため、高抵抗になる膜厚が望ましく、２ｎｍ以上が好ましい。
　第３の本発明に係る磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で、前記非磁性層は、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の層厚方向に沿って、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置されており、前記絶縁層および前記金属層は、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層の層厚方向に沿って、前記第２の磁性層に対して前記第１の磁性層とは反対側に積層されていることが好ましい。この場合、第１の磁性層と第２の磁性層との間、および第２の磁性層と金属層との間に電圧をかけて制御しやすい。なお、第１の磁性層および第２の磁性層は、磁化方向が層厚方向に沿っていることが好ましい。
　本発明によれば、スピン注入磁化反転方式よりも書き込み速度が速く低消費電力であると同時に、制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置を提供することができる。
第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で使用する磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。 図１に示す磁気抵抗効果素子の実施例の縦断面図である。 図２に示す磁気抵抗効果素子に第１の電圧をかけたときの、第２の磁性層の磁化反転確率の電圧印加の継続時間依存性を示すグラフである。 図２に示す磁気抵抗効果素子の、様々な第１の電圧の継続時間ｔＥについての、第２の電圧の継続時間ｔｌに対する第２の磁性層の磁化反転確率を示すグラフである。 図１に示す磁気抵抗効果素子の、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して平行に近い状態から反平行に近い状態に書き換えるときの印加電圧波形を示すグラフである。 図１に示す磁気抵抗効果素子の、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して反平行に近い状態から平行に近い状態に書き換えるときの印加電圧波形を示すグラフである。 図２に示す磁気抵抗効果素子の、磁化反転確率が９０％以上になるときの、第１の電圧の継続時間ｔＥおよび第２の電圧の継続時間ｔｌの領域を示すグラフである。 第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で使用する磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。 図８に示す磁気抵抗効果素子の、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して平行な状態から反平行な状態に書き換えるときの（ａ）端子Ｂ－端子Ｃ間、（ｂ）端子Ａ－端子Ｂ間の印加電圧を示すグラフである。 図８に示す磁気抵抗効果素子の、第２の磁性層の磁化方向を、第１の磁性層の磁化方向に対して反平行な状態から平行な状態に書き換えるときの（ａ）端子Ｂ－端子Ｃ間、（ｂ）端子Ａ－端子Ｂ間の印加電圧を示すグラフである。 従来のスピン注入磁化反転方式で使用する磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。 従来の電界誘起磁化反転方式で使用する磁気抵抗効果素子を示す縦断面図である。
　以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
　図１乃至図７は、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で使用する磁気抵抗効果素子を示している。
　図１に示すように、この磁気抵抗効果素子１０は、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２と絶縁層１３とを有している。
　第１の磁性層１１は、磁化方向が層厚方向に沿っており、磁化方向が９０°以上変化することはない。第２の磁性層１２は、磁化方向が層厚方向に沿っており、第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い配置または反平行に近い配置に変化可能になっている。絶縁層１３は、第１の磁性層１１および第２の磁性層１２の層厚方向に沿って、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に配置されている。
　磁気抵抗効果素子１０の制御方法を、図２に示す磁気抵抗効果素子１０ａを用いた実施例を参照しながら説明する。図２に示す磁気抵抗効果素子１０ａは、第１の磁性層１１が層厚０．９ｎｍのＣｏＦｅＢ層、第２の磁性層１２が層厚１．８ｎｍのＣｏＦｅＢ層、絶縁層１３が層厚１．３ｎｍのＭｇＯ層から成っている。また、第１の磁性層１１の下に、上から順にＴａ層、Ｒｕ層、Ｔａ層、サファイア層（Sapphire sub.）を有している。また、第２の磁性層１２に上に、下から順に、Ｔａ層、Ｒｕ層、Ｃｒ／Ａｕ層を有している。また、接合部の周囲に、ＡｌＯ保護絶縁層を有している。
　第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第２の磁性層１２を記録層として、第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い配置または反平行に近い配置に書き換えることにより、磁気抵抗効果素子１０に情報を記録することができる。まず、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い配置であるとき、端子Ａと端子Ｂとの間、すなわち第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に第１の電圧をかける。第１の電圧は、第２の磁性層１２の磁化容易軸の方向を変化させることができる大きさを有しており、これにより、図１中の矢印の方向の有効磁界が、電圧を印加する前に存在していた垂直方向の有効磁界に比して相対的に大きくなり、第２の磁性層１２の磁化容易軸の方向が垂直方向から層面内方向にほぼ垂直に変化する。その変化した磁化容易軸を中心として、第２の磁性層１２の磁化が歳差運動を行う。
　図２に示す磁気抵抗効果素子１０ａでは、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に、第１の電圧として０．７Ｖの電圧をかけると、第２の磁性層１２の磁化が歳差運動を行うため、図３に示すように、電圧印加継続時間に対して磁化反転確率が振動する。なお、図３の磁化反転確率は、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い状態の時に電圧を印加し、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に近い状態になった確率を示している。また、図３では、印加した磁界の磁束密度は３１ｍＴ、継続時間は５ｎｓまでとしている。第２の磁性層１２の磁化が約半周期歳差運動したところ、すなわち反転確率が最も高くなる時間の１．２５ｎｓ付近で、第２の磁性層１２の磁化容易軸が変化しない値以下に電圧を落とすことにより、第２の磁性層１２の磁化容易軸を元の方向に戻し、歳差運動を終わらせることができる。これにより、第２の磁性層１２の磁化方向は、約半周期の歳差運動をしている状態になっており、元の方向に対してほぼ反転した状態、すなわち第１の磁性層１１の磁化方向に対してほぼ反平行の状態になっている。このように、電界誘起磁化反転方式を利用して、第２の磁性層１２の磁化方向をほぼ反転することができる。
　次に、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に、第１の磁性層１１から第２の磁性層１２に向かって電流が流れるよう、第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加する。第２の電圧の振幅は、第２の磁性層１２の磁化容易軸が変化しない値であり、第１の電圧に引き続き印加されることが好ましい。第２の電圧の印加により、反転した第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に、さらに近づけることができる。
　図２に示す磁気抵抗効果素子１０ａに対して、第２の電圧として０．５Ｖの電圧をかけて反転確率を求めた結果を、図４に示す。図４には、０．７Ｖの第１の電圧をかけた時間ｔＥが０ｎｓから１．２５ｎｓまでの様々な場合の、０．５Ｖの第２の電圧の継続時間ｔｌに対する磁化反転確率の変化を示している。図４の磁化反転確率は、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行状態の時に電圧を印加し、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行になっている確率を示している。図４に示すように、第２の電圧の印加により、第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に、さらに近づけることができる。また、第１の電圧の継続時間ｔＥが、図３に示す磁化反転確率が最も高くなる時間の１．２５ｎｓに近づくほど、第２の電圧による磁化反転確率をより早く高めることができる。
　また、図４に示すように、いずれのｔＥに対しても、ｔｌを増大させることにより磁化反転確率は上昇するため、反平行配置に磁化を向けるトルク（磁化に働く力）がスピン注入によりもたらされていることがわかる。このように、第１の電圧に引き続き第２の電圧を印加することにより、スピン注入磁化反転方式を利用して、磁化反転の成功確率を高め、安定した磁化反転を行うことができる。
　なお、図４に示すｔＥ＝０ｎｓの結果は、電界誘起磁化反転方式を利用しないスピン注入磁化反転方式に相当するものであり、このとき、ｔｌ＝１０ｎｓでも磁化反転確率は、０．９に到達していない。これに対し、ｔＥ＝１．２５ｎｓの場合には、ｔｌ＝０ｎｓであっても、既に磁化反転確率は０．９を超えている。このことから、磁化反転確率として０．９（９０％）を確保するときには、全体の書き込み時間ｔＥ＋ｔｌは、スピン注入磁化反転のみを利用した場合と比べて、８．７５ｎｓ以上短縮することができる。
　以上から、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、図５に示すように、継続時間ｔＥの第１の電圧を印加した後、継続時間ｔｌの第２の電圧を印加することにより、第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に近い状態から反平行に近い状態に書き換えることができる。
　次に、第２の磁性層１２の磁化方向が第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に近い配置であるときにも、平行に近い配置から反平行に近い配置に書き換えるのと同じ原理で、平行に書き換えることができる。すなわち、まず、端子Ａと端子Ｂとの間、すなわち第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に第３の電圧をかける。第３の電圧は、第１の電圧と同じ極性および同じ大きさであることが好ましい。このとき、図１中の矢印の方向に有効磁界が発生し、第２の磁性層１２の磁化容易軸の方向が垂直方向から層面内方向にほぼ垂直に変化し、その変化した磁化容易軸を中心として、第２の磁性層１２の磁化が歳差運動を行う。
　約半周期歳差運動したところで、第２の磁性層１２の磁化容易軸が変化しない値に電圧を変化させることにより、第２の磁性層１２の磁化容易軸を元の方向に戻し、歳差運動を終わらせることができる。これにより、第２の磁性層１２の磁化方向は、約半周期の歳差運動をしている状態になっており、元の方向に対してほぼ反転した状態、すなわち第１の磁性層１１の磁化方向に対してほぼ平行の状態になっている。このように、電界誘起磁化反転方式を利用して、第２の磁性層１２の磁化方向をほぼ反転することができる。
　次に、第１の磁性層１１と第２の磁性層１２との間に、第２の磁性層１２から第１の磁性層１１に向かって電流が流れるよう、第３の電圧より小さい第４の電圧を印加する。第４の電圧は、第２の磁性層１２の磁化容易軸が変化しない値であり、第３の電圧に引き続き印加されることが好ましい。また、第４の電圧は、第２の電圧に対して、極性が反対である。第４の電圧の印加により、反転した第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して平行に、さらに近づけることができる。このように、第３の電圧に引き続き第４の電圧を印加することにより、スピン注入磁化反転方式を利用して、磁化反転の成功確率を高め、安定した磁化反転を行うことができる。
　以上から、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、図６に示すように、継続時間ｔＥの第３の電圧を印加した後、継続時間ｔｌの第４の電圧を印加することにより、第２の磁性層１２の磁化方向を、第１の磁性層１１の磁化方向に対して反平行に近い状態から平行に近い状態に書き換えることができる。
　図２に示す磁気抵抗効果素子１０ａに対して、磁化反転確率が９０％以上になるｔＥおよびｔｌの領域を求め、図７に示す。図７では、ｔＥ＝０のとき（縦軸上）がスピン注入磁化反転方式のみの場合、ｔｌ＝０のとき（横軸上）が電界誘起磁化反転方式のみの場合に相当する。磁化反転確率９０％以上を確保するとき、ｔｌ＝０の電界誘起磁化反転方式のみの場合には、ｔＥが１．１ｎｓ～１．４ｎｓの間に電圧制御を行う必要があり、０．３ｎｓの誤差しか許されない。これに対し、スピン注入磁化反転方式と電界誘起磁化反転方式とを併用した場合には、例えば、ｔｌ＝４ｎｓのとき、ｔＥの許容誤差（制御マージン）は１．０ｎｓとなり、電界誘起磁化反転方式のみの場合と比べて、制御性が大幅に向上することがわかる。
　また、磁化反転確率９０％以上を確保するとき、ｔＥ＝０のスピン注入磁化反転方式のみの場合には、書き込み時間ｔＥ（＝０）＋ｔｌが１０ｎｓ以上必要である。これに対し、スピン注入磁化反転方式と電界誘起磁化反転方式とを併用した場合には、例えば、ｔｌ＝４ｎｓのとき、書き込み時間ｔＥ＋ｔｌは４．６～５．６ｎｓとなり、スピン注入磁化反転方式のみの場合と比べて、４～５ｎｓ以上短縮できることがわかる。さらに、スピン注入磁化反転方式のエネルギー消費量は書き込み時間に比例するため、高速化により消費電力を低減することもできる。
　このように、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用して第２の磁性層１２の磁化方向を概ね反転させておくため、スピン注入磁化反転方式のみで行う場合よりも書き込み速度が速く、低消費電力である。また、電界誘起磁化反転方式により第２の磁性層１２の磁化方向を反転させた後、スピン注入磁化反転方式でその磁化反転の成功確率を高めることができるため、電界誘起磁化反転方式を利用する際に高精度な磁化反転を行う必要がない。このため、電界誘起磁化反転方式での制御が行いやすく、全体的に制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる。
　第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置では、スピン注入磁化反転方式を利用する前に、電界誘起磁化反転方式を利用することにより、即座に磁化反転を開始することができる。このため、スピン注入磁化反転方式で発生していた不感時間がなくなり、書き込み速度を高速化することができる。
　第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、電界誘起磁化反転方式を利用して第２の磁性層１２の磁化方向を概ね反転させておくために、第１の電圧および第３の電圧を、それぞれ第２の磁性層１２の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するだけの時間、すなわち、第２の磁性層１２の磁化の歳差運動の１／４周期より大きく３／４周期未満の継続時間、印加することが好ましい。これにより、後のスピン注入磁化反転方式で磁化反転を高確率かつ高速で完了させることができる。
　第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で、第２の電圧および第４の電圧の大きさは、第２の磁性層１２の磁化容易軸の方向が変化しない範囲で、できるだけ大きいことが好ましい。また、情報書き込みに成功する確率を向上させるためには、継続時間は長い方が好ましいが、高速化及び低消費電力化のためにはできるだけ短い方が好ましい。なお、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御装置では、制御手段により磁気抵抗効果素子１０の制御を行うようになっている。
　図８乃至図１０は、第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置で使用する磁気抵抗効果素子を示している。
　図８に示すように、この磁気抵抗効果素子２０は、第１の磁性層２１と第２の磁性層２２と非磁性層２３と金属層２４と絶縁層２５とを有している。
　第１の磁性層２１は、磁化方向が第２の磁性層に比して変化させにくい。第２の磁性層２２は、磁化方向が第１の磁性層２１の磁化方向に対して平行に近い配置または反平行に近い配置に変化させることが、第１の磁性層に比して容易になっている。非磁性層２３は、第１の磁性層２１および第２の磁性層２２の層厚方向に沿って、第１の磁性層２１と第２の磁性層２２との間に配置されている。金属層２４は、第２の磁性層２２に対して第１の磁性層２１とは反対側に配置されている。絶縁層２５は、第１の磁性層２１および第２の磁性層２２の層厚方向に沿って、第２の磁性層２２と金属層２４との間に配置されている。
　磁気抵抗効果素子１０は、第２の磁性層２２を共通にして、第１の磁性層２１と非磁性層２３と第２の磁性層２２とを有する、図１１に示すスピン注入磁化反転方式の構成と、第２の磁性層２２と絶縁層２５と金属層２４とを有する、図１２に示す電界誘起磁化反転方式の構成とを組み合わせた構造を有している。
　第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第２の磁性層２２を記録層として、第２の磁性層２２の磁化方向を、第１の磁性層２１の磁化方向に対して平行に近い配置または反平行に近い配置に書き換えることにより、磁気抵抗効果素子２０に情報を記録することができる。第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置と同様の原理で磁化反転操作を行うことができる。以下の説明では、第１の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置と重複する説明は省略する。
　すなわち、まず、第２の磁性層２２の磁化方向が第１の磁性層２１の磁化方向に対して平行であるとき、図９に示すように、端子Ｂと端子Ｃとの間、すなわち第２の磁性層２２と金属層２４との間に第１の電圧をかける。これにより、図８中の矢印の方向に有効磁界が発生し、第２の磁性層２２の磁化容易軸の方向が垂直方向から層面内方向にほぼ垂直に変化し、その変化した磁化容易軸を中心として、第２の磁性層２２の磁化が歳差運動を行う。約半周期歳差運動したところで、第１の電圧の印加を止め、端子Ａと端子Ｂとの間、すなわち第１の磁性層２１と第２の磁性層２２との間に第１の電圧より振幅の小さい第２の電圧をかける。これにより、第２の磁性層２２の磁化容易軸を元の方向に戻して歳差運動を終わらせ、第２の磁性層２２の磁化方向を、元の方向に対してほぼ反転した状態、すなわち第１の磁性層２１の磁化方向に対してほぼ反平行の状態にすることができる。
　また、第１の電圧に引き続き、第１の磁性層２１から第２の磁性層２２に向かって電流が流れるよう、第２の電圧を印加することにより、反転した第２の磁性層２２の磁化方向を、第１の磁性層２１の磁化方向に対して反平行に、さらに近づけることができる。
　このように、第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、図９に示すように、継続時間ｔＥの第１の電圧を印加した後、継続時間ｔｌの第２の電圧を印加することにより、第２の磁性層２２の磁化方向を、第１の磁性層２１の磁化方向に対して平行に近い状態から反平行に近い状態に書き換えることができる。
　次に、第２の磁性層２２の磁化方向が第１の磁性層２１の磁化方向に対して反平行に近い配置であるときにも、平行に近い配置から反平行に近い配置に書き換えるのと同じ原理で、平行に近い配置に書き換えることができる。すなわち、まず、図１０に示すように、端子Ｂと端子Ｃとの間、すなわち第２の磁性層２２と金属層２４との間に第３の電圧をかける。これにより、図８中の矢印の方向に有効磁界が発生し、第２の磁性層２２の磁化容易軸の方向が垂直方向から層面内方向にほぼ垂直に変化し、その変化した磁化容易軸を中心として、第２の磁性層２２の磁化が歳差運動を行う。約半周期歳差運動したところで、第３の電圧の印加を止め、端子Ａと端子Ｂとの間、すなわち第１の磁性層２１と第２の磁性層２２との間に第３の電圧より振幅の小さい第４の電圧をかける。これにより、第２の磁性層２２の磁化容易軸を元の方向に戻して歳差運動を終わらせ、第２の磁性層２２の磁化方向を、元の方向に対してほぼ反転した状態、すなわち第１の磁性層２１の磁化方向に対してほぼ平行の状態にすることができる。
　また、第３の電圧に引き続き、第２の磁性層２２から第１の磁性層２１に向かって電流が流れるよう、第４の電圧を印加することにより、反転した第２の磁性層２２の磁化方向を、第１の磁性層２１の磁化方向に対して平行に、さらに近づけることができる。
　このように、第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、図１０に示すように、継続時間ｔＥの第３の電圧を印加した後、継続時間ｔｌの第４の電圧を印加することにより、第２の磁性層２２の磁化方向を、第１の磁性層２１の磁化方向に対して反平行に近い状態から平行に近い状態に書き換えることができる。
　このように、第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御方法および磁気抵抗効果素子の制御装置は、まず、第２の強磁性層と金属層２４との間に第１の電圧または第３の電圧を印加することにより、電界誘起磁化反転方式を利用して、第２の磁性層２２の磁化方向を反転し、その後、第１の磁性層２１と第２の磁性層２２との間に第２の電圧または第４の電圧を印加することにより、スピン注入磁化反転方式を利用して、磁化反転の成功確率を高め、安定した磁化反転を行うことができる。このため、スピン注入磁化反転方式のみで行う場合よりも書き込み速度が速く、低消費電力である。また、電界誘起磁化反転方式での制御が行いやすく、全体的に制御性が高く安定した磁化反転操作を行うことができる。
　また、磁気抵抗効果素子２０は、絶縁層２５の抵抗を調節して十分に高抵抗にすることにより、電界誘起磁化反転方式の際の消費電力を大幅に低減しながら、磁気抵抗効果素子としての機能を保つことができ、磁気抵抗効果素子１０よりも、消費電力の低減効果が大きい。なお、第２の本発明の実施の形態の磁気抵抗効果素子の制御装置では、制御手段により磁気抵抗効果素子２０の制御を行うようになっている。
　１０、１０ａ　磁気抵抗効果素子
　１１　第１の磁性層
　１２　第２の磁性層
　１３　絶縁層
 
　２０　磁気抵抗効果素子
　２１　第１の磁性層
　２２　第２の磁性層
　２３　非磁性層
　２４　金属層
　２５　絶縁層
 

Claims (14)

  1. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加することを、
    　特徴とする磁気抵抗効果素子の制御方法。
  2. 　前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子の制御方法。
  3. 　前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加することを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子の制御方法。
  4. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層と、前記第２の磁性層に対して前記第１の磁性層とは反対側に配置された金属層と、前記第２の磁性層と前記金属層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加することを、
    　特徴とする磁気抵抗効果素子の制御方法。
  5. 　前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第２の磁性層と前記金属層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子の制御方法。
  6. 　前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加することを特徴とする請求項４または５記載の磁気抵抗効果素子の制御方法。
  7. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加するよう設けられた制御手段とを、
    　有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の制御装置。
  8. 　前記制御手段は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えるよう構成されていることを特徴とする請求項７記載の磁気抵抗効果素子の制御装置。
  9. 　前記制御手段は、前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加するよう構成されていることを特徴とする請求項７または８記載の磁気抵抗効果素子の制御装置。
  10. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に配置された非磁性層と、前記第２の磁性層に対して前記第１の磁性層とは反対側に配置された金属層と、前記第２の磁性層と前記金属層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    　前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第１の電圧を印加した後、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第１の電圧より振幅が小さい第２の電圧を印加し、前記第２の磁性層の磁化方向が前記第１の磁性層の磁化方向に対して反平行であるとき、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させることにより磁化方向を反転させるよう、前記第２の磁性層と前記金属層との間に第３の電圧を印加した後、前記第２の磁性層から前記第１の磁性層に向かって電流が流れるよう、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に前記第３の電圧より振幅が小さい第４の電圧を印加するよう設けられた制御手段とを、
    　有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の制御装置。
  11. 　前記制御手段は、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させる工程において、前記第２の磁性層と前記金属層との間に前記第１の電圧または前記第３の電圧を印加することにより、前記第２の磁性層の磁化容易軸の方向を変化させ、その変化した磁化容易軸を中心として歳差運動を行う前記第２の磁性層の磁化が反転したとき、前記第１の電圧または前記第３の電圧を、前記第２の電圧または前記第４の電圧に切り替えるよう構成されていることを特徴とする請求項１０記載の磁気抵抗効果素子の制御装置。
  12. 　前記制御手段は、前記第１の電圧および前記第３の電圧として、それぞれ前記第２の磁性層の磁化方向が元の方向から９０度より大きく２７０度未満の範囲で回転するよう、所定の大きさ以上の電圧を所定の時間印加するよう構成されていることを特徴とする請求項１０または１１記載の磁気抵抗効果素子の制御装置。
  13. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子の制御方法であって、
    　電界誘起磁化反転方式を行った後、スピン注入磁化反転方式を行うことにより、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させることを
    　特徴とする磁気抵抗効果素子の制御方法。
  14. 　第１の磁性層と、磁化方向が前記第１の磁性層と比べて変化させやすい第２の磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、
    　電界誘起磁化反転方式を行った後、スピン注入磁化反転方式を行うことにより、前記第２の磁性層の磁化方向を反転させるよう設けられた制御手段とを、
    　有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の制御装置。
     
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