(57)【要約】【課題】次世代の高密度磁気情報記録媒体において、大容量化や高集積化を可能とすること。【解決手段】ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向の略中央部に括れ部５を有する磁気情報記録素子１を構成する。磁気情報の記録においては磁気情報記録素子１に所定の臨界電流密度ｊ1以上の電流を流して括れ部に磁壁を生成し、磁気情報の消去においては磁壁移動電流密度ｊ2以上の電流を流して磁壁を追い出し、磁気情報の読み取りにおいては、ｊ3＜ｊ2＜ｊ1の関係にある読取り電流密度ｊ3を流す。【選択図】        図２
2006196708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有することを特徴とする磁気情報記録素子。
【請求項２】
前記強磁性構造体が、柱状構造体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気情報記録素子。
【請求項３】
前記強磁性構造体が、概略ひょうたん型の構造体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気情報記録素子。
【請求項４】
前記括れ部の短手方向の長さが均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが素子全体で長−短−長となるような３層構造で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気情報記録素子。
【請求項５】
ナノスケールオーダーの強磁性構造体が３層構造をなし、該３層構造の両端部の磁性体と中央部の磁性体とが異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする磁気情報記録素子。
【請求項６】
前記両端部の磁性体のそれぞれが、異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気情報記録素子。
【請求項７】
ＭＲＡＭに適用される磁気情報記録素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする磁気情報記録媒体。
【請求項８】
パターンドメディアに適用される磁気情報記録素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする磁気情報記録媒体。
【請求項９】
ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有する磁気情報記録素子の磁壁生成方法であって、
前記磁気情報記録素子を一様磁化状態にするステップと、
前記磁気情報記録素子に所定の臨界電流密度以上の電流を流すステップと、
を含むことを特徴とする磁気情報記録素子の磁壁生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流駆動による磁壁生成機構を利用した磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体および磁気情報記録素子の磁壁生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近時、新たな原理に基づく種々の情報記録素子の開発が進展している。その一つに、格子状配列のメモリセルにトンネル型磁気抵抗素子（Ｔｕｎｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｄｅｖｉｃｅ：以下「ＴＭＲ素子」と呼称）を配置したＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と呼ばれる情報記録素子が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
このＭＲＡＭは、情報記録素子にハードディスクと同様な磁性体を用いた不揮発性メモリの一種であり、その構造は、原子数個程度の厚さの絶縁体薄膜を２層の強磁性体薄膜で挟んだ３層構造が採られる。
【０００４】
ＭＲＡＭにおける情報の書き込みは、以下のように行われる。ＭＲＡＭを構成するＴＭＲ素子において、一方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きは固定され、他方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きは変えられるようになっている。例えば、両者の電子スピンの向きが平行な場合を“０”に対応させ、一方、両者の電子スピンの向きが反平行な場合を“１”に対応させることで情報の記録を行うようにしている。なお、電子スピンの向きは、外部から引加する磁場によって制御される。
【０００５】
また、ＭＲＡＭにおける情報の読み出しは、電子スピンの向きの違いによってＴＭＲ素子の電気抵抗が変化する特性を利用している。ＴＭＲ素子において、一方および他方の強磁性体薄膜内の電子スピンの向きが平行な場合には電気抵抗値が小さくなり、逆に、両者の電子スピンの向きが反平行な場合には電気抵抗値が大きくなる。したがって、この電気抵抗値の変化を検出することでＴＭＲ素子のスピンの状態を知ることができ、ＴＭＲ素子に蓄えられているビット情報を引き出すことができる。
【０００６】
なお、ＭＲＡＭは、アドレスアクセスタイムが１０ｎｓ台、サイクルタイムが２０ｎｓ台とＤＲＡＭの５倍程度でＳＲＡＭ並み高速な読み書きが可能である。また、フラッシュメモリの１０分の１程度の低消費電力、高集積性が可能などの長所がある。
【０００７】
さらに、２００１年２月のモトローラ社による２５６ｋｂｉｔの容量を持つＭＲＡＭチップの発表を契機として、次世代のメモリ技術としての期待が高まっている。
【０００８】
【非特許文献１】Ｒｏｙ Ｓｃｈｅｕｅｒｌｅｉｎ ｅｔ．ａｌ．“Ａ １０ｎｓ Ｒｅａｄ ａｎｄ Ｗｒｉｔｅ Ｎｏｎ−Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ Ａｒｒａｙ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ＦＥＴ Ｓｗｉｔｃｈ ｉｎ ｅａｃｈ Ｃｅｌｌ”，ＩＳＳＣＣ２０００ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ｐｐ．１２８〜ｐｐ．１２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１などに示されている従来のＭＲＡＭでは、１ビットのデータを２つのＭＯＳトランジスタと２つのＴＭＲ素子で記憶する構成であるため大容量化や高集積化が難しいといった問題点があった。
【００１０】
また、従来のＭＲＡＭでは、情報の書き込みにおいて、上述のように外部からの引加磁場を用いているので、ＴＭＲ素子を高密度に配置すると任意の格子点に発生させた書き込み磁場が隣接するＴＭＲ素子の磁化状態を乱すような相互干渉を引き起こすという問題点があった。したがって、この書き込み磁場の強さとの関係で、一定の素子間隔を確保する必要があり、この観点においても高集積化が難しいといった問題点があった。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大容量化や高集積化に優れた磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体を提供することを目的とする。また、当該磁気情報記録素子の磁壁生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の磁気情報記録素子は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の磁気情報記録素子は、前記強磁性構造体が、柱状構造体であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の磁気情報記録素子は、前記強磁性構造体が、概略ひょうたん型の構造体であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の磁気情報記録素子は、前記括れ部の短手方向の長さが均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが素子全体で長−短−長となるような３層構造で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の磁気情報記録素子は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体が３層構造をなし、該３層構造の両端部の磁性体と中央部の磁性体とが異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の磁気情報記録素子は、前記両端部の磁性体のそれぞれが、異なる磁性材料で構成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の磁気情報記録媒体は、ＭＲＡＭに適用される磁気情報記録素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の磁気情報記録媒体は、パターンドメディアに適用される磁気情報記録素子として、請求項１〜６のいずれか一つに記載の磁気情報記録素子を利用することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の磁気情報記録素子の磁壁生成方法は、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有する磁気情報記録素子の磁壁生成方法であって、前記磁気情報記録素子を一様磁化状態にするステップと、前記磁気情報記録素子に所定の臨界電流密度以上の電流を流すステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明にかかる磁気情報記録素子によれば、ナノスケールオーダーの強磁性構造体の長手方向略中央部に括れ部を有するような構造を有しているので、磁壁の生成が容易になるという効果を奏する。
【００２２】
また、本発明にかかる磁気情報記録媒体によれば、上述したような本発明にかかる磁気情報記録素子を不連続かつ高密度に配列することができるので、ＭＲＡＭや、パターンドメディアなどの磁気情報記録媒体に簡易に適用して記録密度を向上させることができるという効果を奏する。
【００２３】
本発明にかかる磁気情報記録素子の磁壁生成方法によれば、磁場を用いることなく所定の臨界電流密度以上の電流を流すことで磁壁を生成するようにしているので、この磁気情報記録素子を磁気情報記録媒体に用いた場合に、隣接する記録素子の磁化状態（記録状態）を乱すような相互干渉の発生を防止することができ、記録密度を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の磁気情報記録素子、磁気情報記録媒体および当該磁気情報記録素子の磁壁生成方法にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（磁気情報記録素子の構造）
まず、磁気情報記録素子の構造について説明する。図１は、本発明にかかる磁気情報記録素子の構造を示す模式図である。同図に示す磁気情報記録素子１は、柱状構造の形態を有するナノスケールオーダーの微小強磁性体である。同図に示すように、微小強磁性体である磁気情報記録素子１では、長手方向の略中央部両端に括れ２が形成されている。その結果、磁気情報記録素子１は、自身の短手方向の長さが長手方向の略中央部で短くなるような括れ部５を有する柱状構造体としての形態を有している。また、同図の長手方向には、例えば外部から印加された磁場によって同図の下方から上方に向かう磁化３が生じている。
【００２６】
（磁気情報記録素子における磁壁生成機構の概念）
つぎに、図１に示した磁気情報記録素子１における磁壁生成機構について図２を用いて説明する。なお、図２は、図１に示した磁気情報記録素子１における磁壁生成機構の概念を説明するための図である。図２において、一様に磁化された磁気情報記録素子１の任意の部分に高密度の電流を流すと、ある臨界電流密度（ｊ1）以上において一様磁化状態は不安定化される。このとき、例えば、同図に示すように括れ部５の下側半分の磁化が反転して互いに反平行の磁化３ａ，３ｂが形成されるとともに、括れ部５の部分に磁壁６が生成される。なお、磁壁６の生成過程は、一種の界面エネルギー（単位面積当たりのエネルギー）的な性質を有している。したがって、局所的に界面エネルギーが大きくなる部分を有していれば、磁壁６の生成が容易になると考えられる。図１に示す括れ部５の部分は、このような界面エネルギーが局所的に大きくなる部分として形成された部位である。なお、括れ部５の部分に生成された磁壁６は、後述するような情報の担い手として作用する。
【００２７】
ところで、上述の磁壁生成機構は、従来技術にない全く新しい概念に基づくものである。というのも、従来、このような磁壁を生成する際には、外部からの磁場を用いていた。一方、本発明では、外部からの磁場を用いずに、一定値以上の電流を流すことで実現している。すなわち、本発明は、磁場作用に依らず電流作用のみを利用して磁壁を生成するようにしている点が、従来技術に存在しない新規な部分である。
【００２８】
（磁壁生成機構の基本原理）
つぎに、磁壁生成機構の基本原理について説明する。一般論として、完全な一様磁化状態の強磁性体に電流を流しても、スピン偏極電流によるトルクは働かない。一方、強磁性体中の磁化が空間的に変化しているとき、そこにスピン偏極電流（電流を担う電子のスピン角運動量が断熱的に磁化の向きに揃っている状態時に流れる電流）が流れることによって、磁化にトルクが生じる。このトルクは、磁化と電子スピン角運動量の相互作用により生じる。つまり、スピン偏極電流は磁化に対して、空間的な方向変化を促す。上述のように、完全な一様磁化状態の強磁性体に電流を流しても、スピン偏極電流によるトルクは働かないが、熱揺らぎ、あるいは、その形状によっては、境界表面に表われる磁荷などの影響で、磁化の方向が局所的に変化している。例えば、ポイントコンタクトなどを用いて、局所的に電流密度を増大してやると、そのポイントコンタクトと強磁性体との接点付近では、電流方向に不均一性が生じる。つまり、一様に磁化した強磁性体であっても、電流を流すことによって、磁化は局所的にスピン偏極電流に基づくトルクを受け、その向きを変え、さらに、充分大きな電流を流すと、スピン偏極電流に基づくトルクが増大して一様磁化状態が不安定化する。一様磁化状態が不安定化すれば、その裏返しの結果として多磁区構造が形成され、その境界部に磁壁が生成されることになる。
【００２９】
上述の内容は、磁壁生成機構を現象的な観点から説明したものであるが、この磁壁生成機構をエネルギー的な観点から説明すると、つぎのようになる。
【００３０】
一様に磁化した強磁性体中に電流を流すと、一様磁化状態におけるスピン波の分散エネルギーがスピン偏極電流により減少し、ある臨界電流以上において分散エネルギーがゼロとなり、一様磁化状態が不安定化する。一方、磁壁が存在する場合には分散エネルギーが臨界電流以上でもゼロにならず、スピン波に対して安定である。また、一様磁化状態と静的な磁壁が一つある場合とでは、臨界電流以上における両者のエネルギーは後者の方が低くなる。したがって、これらの結果を統合すると、臨界電流以上において、一様磁化状態は不安定となり、多磁区構造が形成され、その境界部に磁壁が生成されることを意味している。なお、生成される磁壁の数は一つとは限らず、強磁性体の形状や静磁エネルギー等の兼ね合いで決定される。
【００３１】
つぎに、上述した磁壁生成機構を磁気情報記録素子として用いた場合の基本動作、すなわち（１）情報の記録、（２）情報の消去、（３）情報の読み取りの各動作について説明する。
【００３２】
（基本動作−磁気情報の記録）
まず、磁気情報記録素子１における磁気情報の記録について図２を用いて説明する。磁気情報の記録にあっては、「ある臨界電流以上の電流を強磁性体に流すと、一様磁化状態が不安定になり、磁壁が生成される」という本発明の基本的原理を利用する。すなわち、同図の左図に示されるような一様磁化された磁気情報記録素子１において、ある臨界電流密度ｊ1以上の電流を流すと、同図の右図に示されるように、括れ部５に磁壁６が生成される。なお、この臨界電流密度ｊ1は、理論的解析から次式で与えられる。
【００３３】
ｊ1＝(２ｅＳ2／η)・√(Ｊ)・[√(Ｋ1＋Ｋ2)]        ・・・（１）
（式中の√(Ｊ)は、Ｊの平方根を表す）
式（１）において、ｅは素電荷、Ｓは強磁性磁化のスピンの大きさ、ηはプランク定数、Ｊ[Ｊ／ｍ]は交換相互作用定数、Ｋ1[Ｊ/ｍ3]は磁化容易磁区における異方性エネルギー密度、Ｋ2[Ｊ/ｍ3]は磁化困難軸における異方性エネルギー密度である。
【００３４】
括れ部５は、生成された磁壁６を安定的に磁気情報記録素子１内に留めておくための安定化手段であり、いわゆる「ピン止め」と呼ばれるものである。このような磁壁安定化手段（ピン止め）として作用する括れ部５は、その狭隘化された括れ部分において異方性エネルギーが局所的に小さくなる性質を利用している。
【００３５】
なお、式（１）中に示されるＫ1、Ｋ2は、用いる物質や形状などに依存するパラメータである。したがって、これらのパラメータを調整することで、臨界電流密度ｊ1の大きさを制御することができる。
【００３６】
また、磁気情報記録素子１に磁壁６が一旦生成された後に、この生成された磁壁６を安定化させる必要があるが、この処理は単に印加した臨界電流密度ｊ1を遮断するだけでよい。なぜなら、磁壁６が一旦生成された状態は、エネルギー的に安定化した状態にあり、臨界電流密度ｊ1を遮断することで、このようなエネルギー的に安定した状態が保持されるからである。
【００３７】
（基本動作−磁気情報の消去）
つぎに、磁気情報記録素子１における磁気情報の消去について図２を用いて説明する。磁気情報の消去にあっては、「磁壁状態において、所定の電流密度ｊ2を流すことで、生成された磁壁が電流作用によって追い出される」という原理を利用する。すなわち、同図の右図に示されるような磁壁６が生成された磁気情報記録素子１において、ある電流密度ｊ2（ｊ2＜ｊ1）となるような所定の電流を流すと、同図の左図に示される一様磁化の状態に戻る。この動作が、磁気情報の消去に対応する。なお、このときの電流密度を磁壁移動電流密度と定義すると、この磁壁移動電流密度ｊ2は、次式で与えられる。
【００３８】
ｊ2＝[４ｅ／(ａ3η)]・(αＶλ2／ξ)                ・・・（２）
【００３９】
式（２）において、ｅは素電荷、ａは格子定数、はプランク定数、αはギルバートダンピング定数、Ｖはピン止めポテンシャルの大きさ、λは磁壁の幅、ξはピン止めポテンシャルが有効な範囲である。
【００４０】
なお、式（２）中に示されるａ、α、Ｖ、ξおよびλは、用いる物質や形状などに依存するパラメータである。したがって、これらのパラメータを調整することで、磁壁移動電流密度ｊ2の大きさをｊ2＜ｊ1となるように制御することができる。
【００４１】
（基本動作−情報の読み取り）
つぎに、磁気情報記録素子１における情報の読み取りについて説明する。一般的な特性として、強磁性体中に電流を流すと、その磁化の空間配位によって電気抵抗が異なる磁気抵抗効果と呼ばれる現象が観測される。本発明にかかる磁気情報記録素子１に記録された磁気情報の読み取りに際し、この磁気抵抗効果を利用することができる。磁気情報記録素子１において、一様磁化状態（磁壁が内包されていない状態）と磁壁状態（磁壁が内包されている状態）とを比較すると、磁壁状態において電気抵抗が低くなる。したがって、磁気情報記録素子１に所定の電流を流し、磁壁の有無によって抵抗が異なることを利用して磁気情報の読み取りに対応させることができる。
【００４２】
例えば、一様磁化状態における抵抗値（高抵抗）に“０”を対応させ、磁壁状態における抵抗値（低抵抗）に“１”を対応させることができる。なお、このときの電流密度である読取り電流密度ｊ3は、先のｊ1，ｊ2との間で、ｊ3＜ｊ2＜ｊ1の関係にある。このような関係のあるｊ3を用いれば、一様磁化状態あるいは磁壁状態の状態に影響を与えることなく、すなわち各状態を変化させることなく、磁気情報記録素子１に記録された磁気情報を読みとることができる。
【００４３】
（磁気情報記録素子の構造−変形例１）
図３は、磁気情報記録素子の他の構造（変形例１）を示す図である。上述したように、本発明の要点は、印加電流によって一様磁化状態を不安定化させることにあり、そのためには、電流密度が局所的に増大するような括れ部位を備えていればよい。したがって、同図に示す磁気情報記録素子８のような、長手方向の略中央部付近に括れ部を有するひょうたん型（あるいはアレー型）の構造を有するものであってもよい。
【００４４】
（磁気情報記録素子の構造−変形例２）
図４は、磁気情報記録素子の他の構造（変形例２）を示す図である。同図に示す磁気情報記録素子１０では、強磁性体に作成した括れを図１に示した磁気情報記録素子１よりも急峻な構造とし、強磁性体内に微小な接点部を有するようにしている。このような構成を採ることによって、弾道性磁気抵抗効果（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ：以下「ＢＭＲ効果」と呼称）が期待される。このＢＭＲ効果は、一般的な磁気抵抗効果である異方性磁気抵抗効果（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  ｅｆｆｅｃｔ：以下「ＡＭＲ効果」と呼称）よりも、さらに高い抵抗比が得られるので、磁気情報の読取りに好適である。なお、これらのＡＭＲ効果およびＢＭＲ効果による効果の差異については後述する。
【００４５】
（磁気情報記録素子の構造−変形例３）
図５は、磁気情報記録素子の他の構造（変形例３）のを示す図である。これまで、図１、図３および図４において、長手方向の略中央部付近に括れ部を有する磁気情報記録素子の構造を例示してきたが、これらの括れ部のように、必ずしも括れ部の短手方向の長さが連続的に減少するような構造である必要はない。例えば、図５に示す磁気情報記録素子２０のように、括れ部の短手方向が均一な長さを有するとともに、短手方向の長さが磁気情報記録素子２０全体で長−短−長となるような３層構造の強磁性体で形成された構造を採ることもできる。なお、磁気情報の読み取り手法につては、他の構造のものと同一手法を用いることができる。
【００４６】
（磁気情報記録素子の構造−変形例４，５）
また、図６は、磁気情報記録素子の他の構造（変形例４）を示す図であり、図７は、磁気情報記録素子の他の構造（変形例５）を示す図である。図５と図６との相違は、短手方向の長さが同一となるような構造を採る代わりに、３層構造における両端部の磁性体（Ｆ1）と中央部の磁性体（Ｆ2）とで異なる材料を用いるようにしている点にある。図６のように、中央部の磁性体が両端部の磁性体と異なる場合には、両者のスピントルクのバランスの崩れが大きくなり、磁化の反転が容易となる。したがって、中央部の磁性体や、両端部の磁性体の材料として好適な材料を選択することにより、中央部の磁性体付近に所定の磁壁を生成することができる。なお、図６では、その両端部に位置する強磁性体として同一な材料を使用するものとして示しているが、同一な材料に限定されるものではなく、図７に示すような異なる材料（上部側：材料Ｆ1，下部側：材料Ｆ3）を用いることができる。
【００４７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、磁気情報記録素子に生成する磁壁を、磁場作用に依らず電流作用のみを利用して生成するようにしているので、磁気情報記録素子の磁化状態を乱すような相互干渉を引き起こすことがないので、磁気情報記録素子を近接して配列することができ、磁気情報記録媒体の大容量化や高集積化を容易に実現することができる。
【００４８】
また、この実施の形態の磁気情報記録素子によれば、書き込み線（消去線を含む）と読み取り線とを共用化することができるので、磁気情報記録媒体の構成を簡易かつ安価に実現することができる。
【００４９】
なお、この実施の形態では、磁壁生成機構を利用する磁気情報記録素子として、図１および図３〜図７にその構成例を示したが、これらの構成例は、あくまでも一例に過ぎず、本発明の基本的原理である「ある臨界電流以上の電流を強磁性体に流すと、一様磁化状態が不安定になり、磁壁が生成される」という概念を利用するものであれば、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００５０】
（実施例の説明）
実施例１の構成等を説明する前に、現在の、高密度磁気記録媒体が抱える問題点や、次世代の高密度磁気記録媒体について説明する。現在、高密度磁気記録媒体として代表的なものがハードディスクである。一般的なハードディスクでは、連続磁気記録媒体として強磁性薄膜が用いられている。ところが、強磁性薄膜による連続磁気記録媒体では、高密度化に伴う結晶粒の微細化のために記録磁化が熱的に不安定となる。このため、近年の情報量の増大に伴うさらなる情報記録の大容量化の要求に対応することができず、磁気情報高密度集積化には限界があるとされている。
【００５１】
この限界を解決するための新しい磁気情報記録媒体の一つとして、パターンドメディアと呼ばれている磁気情報記録媒体が注目されている。パターンドメディアは、微細な強磁性体を記録ビット単位とし、それらが不連続かつ高密度に配列されたものである。したがって、連続媒体でノイズの原因にもなっていたビット間の磁化遷移領域がなくなるとともに、熱揺らぎの問題も回避できるので、記録密度の大幅な向上が見込まれる。
【００５２】
このように、パターンドメディアは次世代高密度磁気記録媒体の有力な候補となり得るものである。一方、本発明にかかる磁気情報記録素子は、パターンドメディアの磁気情報記録素子として適用することができる。そこで、本発明にかかる磁気情報記録素子をパターンドメディアに適用した具体例について説明する。
【００５３】
（実施例１）
図８は、図１に示した磁気情報記録素子１を用いて構成したパターンドメディアの構成を示す図である。図８に示すパターンドメディアでは、非磁性体の基板上に、図１に示した磁気情報記録素子１がマトリックス上に多数配列されている。なお、磁気情報記録素子１を形成する物質として、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）およびこれらの合金ならびにパーマロイ（Ｆｅ20Ｎｉ30）などを用いることができる。また、個々のビット情報の担い手である磁気情報記録素子１は、磁場などの外因的要素が無くても一様磁化状態が出現容易なように、長方形や、長楕円形などの構造が好適である。
【００５４】
図８において、磁気情報記録素子１が占める面積を２×１０4（ｎｍ2）程度とすると、記録密度は、おおよそ３０Ｇｂｉｔ／ｉｎ2となり、超高密度の磁気情報記録媒体を実現することができる。
【００５５】
つぎに、図８に示したパターンドメディアにおける磁気情報の記録、消去および読み出し要領について説明する。なお、図９は、その概略について説明するための図である。同図の下段部に示すように、例えばポイントコンタクト１８を用いて、磁気情報記録素子１に所定の電流を流し、一様磁化状態を不安定化させて磁壁を生成する。なお、磁壁を有効に生成するためには、例えば上記で示した臨界電流密度ｊ1以上の電流密度が生ずるような電流を流す必要がある。
【００５６】
磁気情報記録素子１の材質が例えばＣｏの場合、式（１）に基づいて算出される臨界電流密度は、おおよそ、ｊ1≒１０13（Ａ／ｍ2）と見積もられる。なお、ポイントコンタクト１８は、銅などの非磁性金属で作成され、先端で電流密度が高くなるように針状の構造になっている。また、ポイントコンタクト先端の半径を直接測定することは困難であるが、抵抗測定を行うとともに、Ｓｈａｒｖｉｎの公式を用いることにより、ポイントコンタクトの先端半径は、数ｎｍ〜数１０ｎｍと見積もられる。そこで、ポイントコンタクトに流れる電流値を２．５μＡ、先端半径を５ｎｍとすれば、ポイントコンタクト付近の電流密度は、おおよそ、１０14（Ａ／ｍ2）となり、要求される臨界電流密度を満足させることができる。
【００５７】
また、図９の下段部に示すように、生成された磁壁は、式（２）などに示した磁壁移動電流密度ｊ2を満足するような所定の電流を流すことで、生成され保持されていた磁壁が磁気情報記録素子１から押し出され、一様磁化状態に戻る。
【００５８】
ところで、電流駆動による磁壁の移動速度は、電流密度が約１０12（Ａ／ｍ2）のときに、約３（ｍ／ｓ）という報告がある。したがって、数百ｎｍの距離（例えば３００ｎｍ）を磁壁が移動し、一様磁化状態に変化するためには、約数百ｎｓ（３００ｎｍの距離で１０-7ｓ）の時間を要する。一方、臨界電流密度ｊ1によって、一様磁化状態から磁壁状態へと変化させるための時間所要を求めるのは重要である。なぜなら、生成された磁壁が、流し続けている電流によって移動してしまう可能性があるからである。現在のところ、その生成時間を正確に求めるのは困難である。しかしながら、このサイズの強磁性体において、典型的な強さの磁場による磁化反転時間が数ｎｓのオーダーであり、電流駆動による磁壁生成もこの程度の時間と仮定することができる。したがって、臨界電流密度ｊ1を満たす所定の電流を磁気情報記録素子１に数ｎｓの間流すことで、磁壁を生成させつつ、生成された磁壁をピン止めに留めておくことができる。これらの結果をまとめると、１ビットあたりの情報記録時間および消去時間は、少なく見積もって、それぞれ数ｎｓ、数百ｎｓと考えることができる。
【００５９】
一方、磁気情報記録素子１に記録されている磁気情報の読み取りも、磁気情報の記録、消去と同様にポイントコンタクト１８を用いることができる。具体的には、ポイントコンタクト１８と磁気情報記録素子１を接触させて通電し、磁壁の有無による電気抵抗の差異を利用して、磁気情報の“１”，“０”を判読すればよい。なお、このとき用いられる電気抵抗の差異は、ＡＭＲ効果のことを意味している。また、ＡＭＲ効果に基づく電気抵抗比は１％未満であり検出された値が小さいので、オペアンプなどを用いて検出信号を増幅すればよい。また、図４に示したような微小な接点を有する磁気情報記録素子１０を用いれば、前述のＢＭＲ効果を利用することができ、より高い電気抵抗比が得られるので、オペアンプなどを用いずに高精度な磁気情報の読み取りを行うことができる。
【００６０】
（実施例２）
図１２は、図５に示した磁気情報記録素子２０を用いて構成したＭＲＡＭ３０の構成を示す図である。図１２に示すＭＲＡＭ３０では、非磁性体の基板上に、図５に示した磁気情報記録素子２０がマトリックス上に多数配列されている。なお、本発明にかかるＭＲＡＭ３０との比較の観点で、従来技術にかかるＭＲＡＭ１００の構成を図１０に示すとともに、図１１には、図１０のＭＲＡＭに用いられるＴＭＲ素子１０２の構造を示している。
【００６１】
ＭＲＡＭとは、一般的に図１０に示すような、縦横に走る書き込み線あるいは読み取り線（１０１）の格子点に双方の線に挟まれたナノスケールオーダーの微小磁気抵抗素子であるＴＭＲ素子１０２を格子配列したものである。現在、実用化を目前にした構成では、図１１に示すような、強磁性体／絶縁体／強磁性体の３層構造のＴＭＲ素子が使用されている。本発明との決定的な違いは、ＴＭＲ素子への情報の書込み手法として、電磁気学的な電流によって誘導される磁場を用いている点にある。このため、ＴＭＲ素子を高密度に配列すると任意の格子点に発生させた書込み磁場が隣接する素子の磁化状態（記録状態）を乱すような相互干渉が生ずる。さらに、磁化状態の変化に伴う抵抗の変化が十分高くない場合には、格子点を含む回路の持つ全抵抗に比べ変化が微小となり情報の読取りが困難となる。
【００６２】
一方、本発明では、上述の格子点の磁気抵抗素子を図１や、図３〜図７に示すような本発明にかかる磁気情報記録素子を用いることができる。図１２に示す例では、図５に示した磁気情報記録素子２０を配列したＭＲＡＭ３０の構成を示している。本発明の磁気情報記録素子を用いることにより、上述の２つの問題を一挙に解決することが可能となる。なお、磁気情報記録素子１を形成する物質として、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）およびこれらの合金ならびにパーマロイ（Ｆｅ20Ｎｉ30）などを用いることができる。
【００６３】
つぎに、本発明の磁気情報記録素子を用いたＭＲＡＭの動作原理について図５および図１２を用いて説明する。まず情報を記録する格子点を選び２つの書き込み線３２を選択する（図１２）。つぎに、臨界電流密度ｊ1の電流を通電すると、磁気情報記録素子２０の内部に磁壁が生成される（図５の左図→右図）。このとき、生成された磁壁は安定位置となるくびれ部分に捕捉される（図５の右図）。さらに、磁壁移動電流密度ｊ2の電流を印加すると磁壁は、素子内部から掃き出される（図５の右図→左図）。また、情報の読み取りにおいては、読取り電流密度ｊ3の電流を用いて磁壁を内包する低抵抗状態と磁壁を内包しない高抵抗状態との間の電気抵抗の違いを利用してビット情報の判別を行う（図５）。
【００６４】
なお、ＭＲＡＭの場合においても、パターンドメディアと同様にＢＭＲ効果を利用することにより高精度な磁気情報の読み取りが可能となる。例えば、ＢＭＲ効果を利用することにより、１００００％に達する電気抵抗変化が期待され、現行手法のＴＭＲ素子に比べ１００倍以上の改善効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明にかかる磁気情報記録素子は、超高密度の磁気情報記録媒体に適用可能な磁気情報記録素子として有用であり、特に、パターンドメディアやＭＲＡＭなどの磁気情報記録媒体の問題点を改善し、記録容量を向上させることができる磁気情報記録素子として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造を示す模式図である。
【図２】図１に示した本発明の磁気情報記録素子における磁壁生成機構の概念を説明するための図である。
【図３】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造（変形例１）を示す図である。
【図４】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造（変形例２）を示す図である。
【図５】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造（変形例３）を示す図である。
【図６】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造（変形例４）を示す図である。
【図７】本発明にかかる磁気情報記録素子の構造（変形例５）を示す図である。
【図８】図１に示した本発明の磁気情報記録素子を用いて構成したパターンドメディアの構成を示す図である。
【図９】図８に示した本発明のパターンドメディアにおける磁気情報の記録、消去および読み出し要領を説明するための図である。
【図１０】従来技術にかかるＭＲＡＭの構成を示す図である。
【図１１】図１０に示した従来技術の磁気情報記録素子を用いて構成したＭＲＡＭの構成を示す図である。
【図１２】図５に示した本発明の磁気情報記録素子を用いて構成したＭＲＡＭの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１，８，１０，２０  磁気情報記録素子
３，３ａ，３ｂ  磁化
６  磁壁
１８  ポイントコンタクト
３０  ＭＲＡＭ
３２  書込み線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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