(57)【要約】【課題】磁性体の磁化の方向を反転させるために必要となる電流量を低減することが可能である、磁性体の磁化反転方法を提供する。【解決手段】磁性体３１と、この磁性体３１に接して配置され、電圧の印加により磁性体３１の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体３２とを含む素子４０を構成する。そして、磁性体３１の磁化Ｍの歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、この素子４０に対して印加して、素子４０の磁性体３１の磁化Ｍの方向を反転させる。【選択図】図４
2011108991.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体の磁化の方向を反転させる方法であって、
少なくとも１つの磁性体と、前記磁性体に接して配置され、電圧の印加により前記磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子に対して、
前記磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、前記素子に印加して、前記磁性体の磁化の方向を反転させる
磁化反転方法。
【請求項２】
前記磁性体の磁化容易軸方向に、前記電圧の変調の周期と同じ周期で変調した磁場を加える、請求項１に記載の磁化反転方法。
【請求項３】
前記磁性体の磁化困難軸方向に、前記電圧の変調の周期の２倍の周期で変調した磁場を加える、請求項１又は請求項２に記載の磁化反転方法。
【請求項４】
電圧によって前記磁性体の膜面内の磁気異方性を変化させる機構をさらに含み、前記機構に初期電圧を与えることにより、前記磁性体の磁化の歳差運動の開始点を規定する、請求項１に記載の磁化反転方法。
【請求項５】
前記磁性体に対して非磁性体を介して電流を流すことができる第２の磁性体を配置し、前記磁性体に流す電流によって生じるスピントルクを用いて、前記磁性体の磁化反転を促す、請求項１に記載の磁化反転方法。
【請求項６】
磁性体から成る素子によって構成されたメモリであって、
少なくとも１つの磁性体と、前記磁性体に接して配置され、電圧の印加により前記磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子と、
前記素子に、前記磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を印加する機構とを含む
メモリ。
【請求項７】
前記磁性体に磁場を印加する機構をさらに含む、請求項６に記載のメモリ。
【請求項８】
前記素子によって構成されたメモリセルが行列状に配置され、前記電圧を印加する機構は同一列の前記メモリセルに共通に形成され、前記磁場を印加する機構は同一行の前記メモリセルに共通に形成されている、請求項７に記載のメモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の磁化の向きを反転させる磁化反転方法に係わる。また、本発明は、この磁性体の磁化反転方法を適用して情報の記憶を行うメモリ（記憶装置）に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体に磁性体を組み合わせた電子回路の開発が進められている。
その代表として、情報を磁性体の磁化として記録する磁気メモリが注目され、ＭＲＡＭ（例えばフリースケール・セミコンダクタ・インク社製のＭＲ２Ａ１６等）が実用化されている。
このＭＲＡＭは、電流によって発生する磁場を用いて、磁性体の磁化を反転するものである。
【０００３】
また、記録電流を低減するために、非磁性体を介した二つの磁性体間に電流を流して、その間に働くスピン注入トルクを利用した、スピントルクＭＲＡＭ、或いはスピンＲＡＭと呼ばれるものが注目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照）。
【０００４】
さらには、誘電体の圧電効果（電歪効果）を利用して、ほとんど電流を流すことなく、磁性体の異方性を制御する試みがなされている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００５】
さらに進んで、近年、絶縁層を挟んだ磁性体と電極との間の電圧によって、磁性体の磁気特性を変化させることができることが見いだされている（例えば、非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７９８９１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ａｌｂｅｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．２３，２０００年，ｐ．３８０９
【非特許文献２】独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構  平成１８年度産業技術研究助成事業  研究成果報告書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献２で述べられている、磁気特性の変化は、飽和磁化や磁気異方性で積極的な磁化反転を生じさせるものではない。
そのため、電圧による磁気特性の変化を、有効に磁化反転に結びつける方法が求められている。
【０００９】
上述した問題の解決のために、本発明においては、磁性体の磁化の方向を反転させるために必要となる電流量を低減することが可能であり、容易に磁化の方向を反転させることができる、磁性体の磁化反転方法を提供するものである。また、この磁性体の磁化反転方法を適用したメモリを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁性体の磁化反転方法は、少なくとも１つの磁性体と、この磁性体に接して配置され、電圧の印加により磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子を使用する。
そして、磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、この素子に対して印加して、素子の磁性体の磁化の方向を反転させる。
【００１１】
本発明のメモリは、磁性体から成る素子によって構成されたメモリである。そして、少なくとも１つの磁性体と、前記磁性体に接して配置され、電圧の印加により磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子を含む。さらに、この素子に磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を印加する機構を含む。
【００１２】
上述の本発明の磁化反転方法によれば、磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、この素子に対して印加することにより、磁性体の磁化の歳差運動の振幅を増大させることが可能になる。これにより、容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができる。
【００１３】
上述の本発明のメモリの構成によれば、素子に磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を印加する機構によって、磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を素子に印加することができる。これにより、磁性体の磁化の歳差運動の振幅を増大させることができるので、容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができる。そして、素子の磁性体の磁化の方向を反転させることにより、素子に情報を記録することが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
上述の本発明の磁化反転方法によれば、磁性体の磁化の歳差運動の振幅を増大させて、容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができる。これにより、磁性体の磁化の方向を反転させるために必要となる電流量を低減することが可能になる。
【００１５】
また、本発明のメモリによれば、素子に電圧を印加して容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができ、素子に情報を記録することができる。
従って、情報を記録するために必要となる電流量を低減することが可能となり、消費電力の少ないメモリを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の磁化反転方法の概念を説明するための歳差運動の軌跡の一形態である。
【図２】本発明の磁化反転方法の概念を説明するための歳差運動の軌跡の他の形態である。
【図３】Ａ〜Ｃ  磁性体の磁化の歳差運動をそれぞれの座標軸に投影した振動を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態の磁化反転方法を適用する素子の概略構成図（斜視図）である。
【図５】図４の素子への印加電圧Ｖｅと、発生する反磁界Ｈｄとの関係を示す図である。
【図６】図４の素子の駆動周波数ｆを変えたときの反転確率Ｐの変化を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）である。
【図８】スピントルクを利用して磁性体の磁化を反転させる素子の基本的な構成を示す図（斜視図）である。
【図９】スピントルクによる磁化反転の磁化の軌跡を示す図である。
【図１０】電圧による磁気特性の変化を利用した素子の概略構成図である。
【図１１】Ａ、Ｂ  電圧により変化した磁化の歳差運動の軌跡の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態とする）について説明する。
なお、説明は以下の順序で行う。
１．本発明の概要
２．第１の実施の形態（磁性体の磁化反転方法）
３．第２の実施の形態（磁性体を用いたメモリ）
【００１８】
＜１．本発明の概要＞
まず、本発明の具体的な実施の形態の説明に先立ち、本発明の概要について説明する。
【００１９】
磁性体の磁化の方向を反転させる方法としては、外部磁場を印加する方法、或いは、偏極電子を注入してスピントルクで反転させる方法が、簡便である。
【００２０】
ここで、スピントルクを利用して磁性体の磁化を反転させる素子の基本的な構成を、図８に示す。
図８において、５１は電子スピンの方向を揃えるスピンフィルター層であり、矢印５２はスピンフィルター層５１の磁化方向を示している。５３は非磁性層であり、５４は磁化反転を起こすフリー層であり、矢印５５はフリー層５４の磁化方向を示している。
電子ｅ−がスピンフィルター層５１を通過して、偏極電子となり、フリー層５４に注入されることにより、フリー層５４の磁化５５にスピントルクを与えて、フリー層５４の磁化５５の方向を反転させることができる。
【００２１】
次に、図８の素子のフリー層５４の磁化５５の方向が反転するまでの磁化の軌跡を、図９に示す。
図９において、ｘはフリー層５４の膜面内の磁化容易軸であり、ｙはフリー層５４の膜面内の磁化困難軸であり、ｚはフリー層５４の膜面に垂直な方向の軸である。
フリー層５４の磁化５５は、歳差運動をしながら振幅を拡大していき、最終的にｘ軸の正の状態から負の状態に反転する。
【００２２】
このように、スピントルクを利用してフリー層５４の磁化５５の方向を反転させることにより、外部磁場として電流磁場を素子に印加してフリー層の磁化の方向を反転させる構成と比較して、必要となる電流量を低減して、消費電力を低減することができる。
しかしながら、スピントルクを利用してフリー層５４の磁化５５の方向を反転させるためには、素子に電流を流す必要があり、磁化５５の方向を反転させるためにある程度以上の電流量が必要となる。また、素子の抵抗が比較的高い場合には、ある程度以上の電流量を流すために、素子に印加する電圧を大きくする必要がある。
これらのことから、スピントルクを利用して磁性体の磁化の方向を反転させる方法よりも、さらに消費電力を低減する方法が望まれる。
【００２３】
そこで、電圧で磁性体の磁気特性を変化させる方法が提案されている。
電圧で磁気特性を変化させる方法としては、前記特許文献２に開示されているように、磁歪の大きな磁性体と圧電効果のある誘電体とを組み合わせて、電圧を印加して歪み応力を発生させることにより、主として磁性体の磁気異方性を制御する方法がある。
さらに、前記非特許文献２に開示されているように、絶縁膜と薄い磁性膜とを直接接触させて、絶縁膜に発生する強い電界によって磁性膜の電子状態を変化させることで、磁気特性を制御する方法がある。
しかしながら、いずれの方法によっても、磁気特性の変化は磁化方向に対して等方的であり、磁化を積極的に反転するような作用を持たない。
【００２４】
電圧による磁性体の磁気特性の変化の代表的な例は、膜面に垂直な方向の磁気異方性（以下、垂直磁気異方性とする）の変化である。
【００２５】
電圧による磁気特性の変化を利用した素子の概略構成図を、図１０に示す。
図１０に示す素子は、電極５６上に、圧電効果のある誘電絶縁体５７が形成され、その上に磁性体５８が形成されて、素子が構成されている。そして、この素子に対して、電圧を与える電源（この場合は直流電源）６０が設けられており、この電源６０が電極５６と磁性体５８とに接続されている。図中５９は磁性体５８の磁化を示す。
図１０に示した素子は、電源６０から素子に与える電圧により、誘電絶縁体５７を変形させて、この変形による応力によって、磁性体５８の磁気特性（特に、垂直磁気異方性）を制御するものである。
例えば、素子に正の電圧を加えたときには、垂直磁気異方性が小さくなり、素子に負の電圧を加えたときには、垂直磁気異方性が大きくなるように、素子を構成したとする。
この場合、正の電圧を加えたときには、磁性体５８の磁化５９を磁性体５８の膜面内方向に押さえつける垂直反磁界Ｈｄが大きくなり、負の電圧を加えたときには、反対に垂直反磁界Ｈｄは小さくなる。
【００２６】
この図１０に示す素子に正の電圧を印加した場合の磁性体５８の磁化５９の運動軌跡を図１１Ａに示し、負の電圧を引加した場合の磁性体５８の磁化５９の運動軌跡を図１１Ｂに示す。図１１Ａ及び図１１Ｂでは、磁化５９の運動軌跡を、ｘ軸方向から見た図と、ｙ軸方向から見た図とを、上下に並べて示している。
運動の開始点６１は、磁化容易軸（ｘ軸）より僅かに磁化困難軸（ｙ軸）に傾いた方向としているが、図１１Ａ及び図１１Ｂより、いずれの電圧極性の場合も、磁化５９の歳差運動の振幅は減少していき、磁化５９の反転には至らない。
電圧極性による違いは、運動軌跡のｚ軸方向の振幅の違いであり、これは、前述した垂直反磁界Ｈｄの変化に対応するものである。図１１Ａの正の電圧を印加した場合には、図１１Ｂの負の電圧を印加した場合と比較して、垂直反磁界Ｈｄが大きいため、磁化５９の運動軌跡のｚ軸方向の振幅が小さくなっている。
【００２７】
このように、電圧のみで他の力がない場合には、磁化反転は起こらない。
磁化反転を起こすのに必要な条件としては、図９に示したように、磁化の歳差運動の振幅が増加しなければならない。
【００２８】
これに対して、本願の発明者が検討を重ねた結果、電圧を変えたときの磁性体の磁化の歳差運動の軌跡の変化に注目し、歳差運動と適当な同期をとって電圧を変調すると、電圧のみで歳差運動の振幅を増加させることができ、磁化反転に至ることを見いだした。
具体的には、反転させようとする磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で印加電圧を変調すると、効率的に磁化の方向を反転させることができる。
【００２９】
そして、それぞれの周期が上述した関係にある場合において、印加電圧の変調と磁性体の磁化の歳差運動とが、それぞれある特定の位相であるときに、最も効率良く磁化を反転させることができる。
【００３０】
また、歳差運動の位相と印加電圧の位相とを適当な値に保つために、外部磁場を用いて、この外部磁場の強さを変調することによって、磁性体の歳差運動を制御すれば、より効果的に磁化の反転を行うことができる。
外部磁場を変調する周期は、磁性体の磁化困難軸方向に外部磁場を印加する場合には電圧変調の周期の２倍の周期が適しており、磁性体の磁化容易軸方向に外部磁場を印加する場合には電圧変調の周期と同じ周期が適している。
【００３１】
本発明の磁化反転方法では、少なくとも１つの磁性体と、この磁性体に接して配置され、電圧の印加により磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子を使用する。
そして、磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、この素子に対して印加して、素子の磁性体の磁化の方向を反転させる。
【００３２】
磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、素子に対して印加することにより、磁性体の磁化の歳差運動の振幅を増大させることが可能になるので、容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができる。
これにより、磁性体の磁化の方向を反転させるために必要となる電流量を低減することが可能になる。
【００３３】
スピントルクを利用して磁化の反転を行う素子に、さらに、上述した本発明の磁化反転方法を適用することによって、磁化の反転に必要となる電流を低減することができる。
【００３４】
本発明のメモリは、上述した本発明の磁化反転方法を利用する。
そして、少なくとも１つの磁性体と、前記磁性体に接して配置され、電圧の印加により磁性体の磁気特性を直接的に、或いは、間接的に、変化させることが可能な絶縁体とを含む素子を含んで、メモリを構成する。さらに、この素子に磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を印加する機構を含んで、メモリを構成する。
【００３５】
素子に電圧を印加する機構により、磁性体の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を素子に印加するので、磁性体の磁化の歳差運動の振幅を増大させることができ、容易に磁性体の磁化の方向を反転させることができる。そして、素子の磁性体の磁化の方向を反転させることにより、素子に情報を記録することが可能になる。
これにより、情報を記録するために必要となる電流量を低減することが可能となり、消費電力の少ないメモリを実現することができる。
【００３６】
ところで、磁性体の膜厚に対して、磁性体の膜面内の大きさが十分に大きく、垂直磁気異方性が飽和磁束密度よりも小さい場合には、磁性体は、その磁化が膜面内方向である面内磁化膜になる。
【００３７】
従来から提案されている磁気メモリでは、一般的に、面内磁化膜の膜面内において形状を異方的にすることにより、膜面内での磁気異方性を付与して、膜面内の磁気異方性の方向を磁化の記録方向としている。
【００３８】
図１０に示した素子では、従来から提案されている磁気メモリと同様に、磁性体５８が面内磁化膜となっており、磁性体５８の磁化５９の方向も磁性体５８の膜面内方向になっている。素子に電圧を加えることにより、前述したように垂直反磁界Ｈｄの大きさが変化するので、垂直磁気異方性が変化する。
【００３９】
次に、電圧を利用した、本発明の磁化反転の方法について説明する。
ここでは、図１０に示した素子を使用して、説明を行う。
【００４０】
本発明の磁化反転方法の概念を説明するための歳差運動の軌跡の一形態を、図１に示す。なお、図１では、軸の表示を省略しているが、図１１Ａ及び図１１Ｂの上の図と同様に、磁化の運動軌跡をｘ軸方向から見た図を示している。
【００４１】
図１において、１１は垂直反磁界Ｈｄが小さい場合、即ち、図１０の素子では負電圧を印加した場合の歳差運動の軌跡を示している。１２は、垂直反磁界Ｈｄが大きい場合、即ち、図１０の素子では正電圧を印加した場合の歳差運動の軌跡を示している。図１では、それぞれの歳差運動の軌跡１１，１２を、点１３から開始した場合を示しているが、いずれの軌跡１１，１２においても、歳差運動の振幅は減少するのみである。
【００４２】
ここで、例えば、途中の点１４から歳差運動を開始して、ｚ軸頂点１５に至るまでは垂直反磁界Ｈｄの小さい軌道１１で移行させ、頂点を過ぎてｙ軸を横切る点１６までは垂直反磁界Ｈｄの大きい軌道１２で移行させる。その後も、同様に、ｚ軸頂点１５に至るまでは垂直反磁界Ｈｄの小さい軌道１１で移行させ、頂点を過ぎてｙ軸を横切る点１６までは垂直反磁界Ｈｄの大きい軌道１２で移行させる。
これを繰り返すことにより、軌道１７で示すように、磁化の歳差運動の振幅を増加させることができる。
【００４３】
つまり、上述した形態の素子では、ｙ軸を横切る点１６からｚ軸頂点１５までは負の電圧を印加して、ｚ軸頂点１５からｙ軸を横切る点１６までは正の電圧を印加すれば、磁化の歳差運動の振幅を増加させて、電圧のみで磁化を反転させることが可能である。
即ち、磁化の歳差運動が１回転する１周期の間に、正の電圧と負の電圧とがそれぞれ２回ずつ印加されており、電圧の極性は２周期分変調されている。
従って、磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で、素子に印加する電圧を変調すればよい。
【００４４】
なお、磁化の歳差運動の周期は、垂直反磁界Ｈｄにも依存し、また印加する電圧の大きさによっても変わるので、それらを考慮して、電圧の変調を行う必要がある。
また、印加する電圧の変調の周期と、歳差運動の周期とを、合わせる必要がある。
【００４５】
さらに好ましくは、磁化方向を検出しながらその位置によって電圧を変化させるのがよい。或いは、電圧に同期して外部磁場を引加し、その外部磁場によって磁化の歳差運動を電圧変化に同期させてもよい。
磁性体の磁化容易軸方向に磁場を印加する場合には、電圧の変調周期と同じ周期で磁場を変調させると、電圧の変調と歳差運動との同期がとれて好ましい。
磁性体の磁化困難軸方向に磁場を印加する場合には、電圧の変調周期の２倍の周期で磁場を変調させると、電圧の変調と歳差運動との同期がとれて好ましい。
【００４６】
図１に示した形態に対して、電圧によって垂直磁気異方性だけでなく、磁性体の膜面内の磁気異方性の方向も変化するようにすると、より確実な磁化反転動作を実現することができる。
例えば、電圧によって、垂直磁気異方性だけでなく、膜面内の磁気異方性も変化させるような機構を付加して、この機構に初期電圧を与えることにより、歳差運動の開始位置を規定することができる。これにより、より確実な磁化反転が実現できる。
このような場合を、次に示す。
【００４７】
次に、本発明の磁化反転方法の概念を説明するための歳差運動の軌跡の他の形態として、磁性体の膜面内の磁気異方性が変化する場合の歳差運動の軌跡の形態を、図２に示す。
図２に示す形態では、垂直反磁界Ｈｄが小さく、磁性体の膜面内の磁気異方性が傾いていない場合（電圧１）の軌道１１と、垂直反磁界Ｈｄが大きく、磁性体の膜面内の磁気異方性が傾いている場合（電圧２）の軌道１２とが、左右にずれた位置にある。
印加電圧を電圧２の状態で歳差運動が落ち着くまで保持すると、磁化方向は点２１の所にある。この点２１にある状態を初期状態として、電圧を電圧１に変化させると、磁化が動き出す。ここで、軌道上の点２２で電圧１から電圧２に変化させ、軌道上の点２３で電圧１から電圧２に変化させると、振幅が増加していく軌道２４が得られる。
従って、この図２に示す形態においても、磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で電圧を変調すればよい。
【００４８】
なお、初期磁化を与える電圧は、上述した図２に示す形態（電圧２）のように、軌道１１，１２の切り替えに使う電圧と同じ電圧（電圧１又は電圧２）でもよいし、軌道１１，１２の切り替えに使う電圧とは異なる電圧でもよい。
【００４９】
次に、磁性体の磁化の歳差運動（図１１を参照）を、それぞれの座標軸に投影した振動を、図３Ａ〜図３Ｃに示す。
図３Ａはｘ軸（磁化容易軸方向）に投影した振動を示し、図３Ｂはｙ軸（磁化困難軸方向）に投影した振動を示し、図３Ｃはｚ軸（膜面に垂直な方向の軸）に投影した振動を示している。
【００５０】
図３Ｂに示す、磁化の歳差運動をｙ軸（磁化困難軸）に投影した振動の周期ｔ０に対して、図３Ａに示す、磁化の歳差運動をｘ軸（磁化容易軸）に投影した振動の周期は、ｔ０／２と半分になる。
なお、図３Ｃに示す、磁化の歳差運動をｚ軸（膜面に垂直な方向の軸）に投影した振動の周期は、ｙ軸に投影した振動の周期ｔ０と同じである。
そして、本発明の磁化反転方法における電圧変調の周期は、磁化の歳差運動の周期ｔ０の１／２であるため、磁化容易軸方向の磁場変調周期は電圧変調の周期と同じであり、磁化困難軸方向の磁場変調周期は電圧変調の周期の２倍になる。
【００５１】
従って、素子に電圧を印加するだけでなく、さらに磁性体に外部磁場を加えるときには、図３に示す磁場変調周期に周期を合わせて、外部磁界を変調すればよい。
即ち、磁性体の磁化容易軸方向に磁場を印加する場合には、電圧の変調周期と同じ周期で磁場を変調させる。磁性体の磁化困難軸方向に磁場を印加する場合には、電圧の変調周期の２倍の周期で磁場を変調させる。
【００５２】
なお、図１０に示した素子では、磁化の方向が膜面内方向である面内磁化膜に対して、電圧を加えることより垂直磁気異方性を変化させていたので、垂直磁気異方性の大きさにより磁化の方向が傾く。
この他にも、電圧によって磁化の方向を傾ける方法としては、間に挟む誘電体の結晶方向を傾けておく方法や、磁性体の周囲の構造材料に硬度の異なる材料を組み合わせて、磁性体にかかる応力を非対称にする方法等がある。
【００５３】
電圧によって磁気特性を制御する方法として、図１０に示した素子では、圧電効果のある誘電体を磁性体と電極で挟んで、電圧による誘電体の変形を利用して磁性体に応力を与える方法を採用していた。これにより、磁性体の磁歪効果等により、磁性体の磁気特性（特に、磁気異方性）を制御することができる。
これに対して、電圧によって磁気特性を制御するその他の方法として、薄い磁性膜や磁性半導体等、電子のキャリア密度に敏感な磁性体を用いて、電場によるキャリア濃度の変化を利用して、磁性体の磁気特性を制御してもよい。
【００５４】
印加する電圧は、正又は負のどちらか一方の極性で電圧を変調してもよいし、印加する電圧の極性を変調してもよい。また、これらを組み合わせてもよい。
【００５５】
なお、スピントルクを用いて磁性体の磁化の反転を行う素子に、上述の電圧による磁気特性の制御機構を組み合わせて、本発明の磁化反転方法を適用することにより、スピントルクによる磁化反転電流を低減することができる。
具体的には、例えば、磁化を反転させる磁性体に対して、非磁性体（非磁性導体又は薄い絶縁膜）を介して、電流を流すことができる第２の磁性体を配置して、素子を構成する。そして、素子の磁性体に流す電流によって生じるスピントルクを用いて、磁性体の磁化の方向の反転を促す。第２の磁性体は磁化の方向が固定されていてもよい。
【００５６】
以上、磁性体の磁化の方向が膜面内である面内磁化膜について説明したが、磁化の方向が膜面に垂直である垂直磁化膜においても、膜面内方向に垂直磁気異方性よりも弱い異方性を付与しておけば、同様な磁化反転動作が可能である。
【００５７】
＜２．第１の実施の形態（磁性体の磁化反転方法）＞
次に、本発明の第１の実施の形態として、本発明の磁性体の磁化反転方法の実施の形態を説明する。
本発明の第１の実施の形態の磁化反転方法を適用する素子の概略構成図（斜視図）を、図４に示す。
磁性体３１とその下の絶縁体３２とにより、素子４０が構成されている。矢印Ｍは、磁性体３１の磁化容易軸及び磁化の方向を示している。
素子４０の絶縁体３２の下には、磁性体３１に磁場を印加するための導体兼下部電極３３が配置されている。
素子４０の磁性体３１には、図示しない上部電極が形成されている。そして、上部電極には、配線を介して、磁性体３１と下部電極３３との間に電圧をかけるための駆動回路３５が接続されている。
下部電極３３には、下部電極３３に電流を流すための駆動回路３６が接続されている。
さらに、２つの駆動回路３５，３６に、所定の周波数の高周波を発信する高周波発信器３４が接続されている。この高周波発信器３４は、発信する高周波により、素子４０にかける電圧の極性をスイッチングする、
【００５８】
次に、本発明の磁性体の磁化反転方法を適用して、図４に示す素子４０において、磁性体３１の磁化の方向を反転させる動作を説明する。
【００５９】
まず、駆動回路３６の駆動により、下部電極３３に電流を流す。これにより、磁性体３１の磁化Ｍ及び磁化容易軸の方向にほぼ平行な電流磁場を、磁性体３１に加えることができる。
この状態で、高周波発信器３４から発生する所定の周波数の高周波を使用して、駆動回路３５の駆動により、素子４０の磁性体３１と下部電極３３との間の電圧を、素子４０の磁性体３１の磁化Ｍの歳差運動の周期の２分の１の周期で変調する。
これにより、素子４０の磁性体３１の磁化Ｍの歳差運動の振幅を増大させることができるので、素子４０の磁性体３１の磁化Ｍの方向を反転させることができる。
【００６０】
より好ましくは、駆動回路３６を制御することにより、電流磁場を発生させるために下部電極３３に流す電流を、素子４０に印加する電圧の変調の周期と同じ周期で変調することが望ましい。これにより、さらに効率良く、磁性体３１の磁化Ｍの方向を反転させることができる。
【００６１】
上述の本実施の形態によれば、素子４０を構成する磁性体３１の磁化Ｍの歳差運動の周期の２分の１の周期で変調させた電圧を、素子４０に対して印加するので、磁性体３１の磁化の歳差運動の振幅を増大させることが可能になる。これにより、容易に磁性体３１の磁化Ｍの方向を反転させることができる。
従って、磁性体３１の磁化Ｍの方向を反転させるために必要となる電流量を低減することが可能になる。
【００６２】
（実施例）
ここで、実際に、図４に示した素子４０を作製して、素子４０の磁性体３１の磁化反転特性を調べた。
下部電極３３上に、膜厚５ｎｍのＳｒＴｉＯ３膜によって、絶縁体３２を形成した。
次に、膜厚１．５ｎｍのＣｏＦｅ合金膜によって磁性体３１を形成して、さらに、磁性体３１上に、図示しない上部電極として銅を成膜した。
その後、絶縁体３２、磁性体３１、並びにその上の上部電極をパターニングして、素子４０を形成した。素子４０の平面パターンは、短軸１００ｎｍ・長軸３００ｎｍの楕円形とした。このとき、磁性体３１の保磁力は１５０［Ｏｅ］である。
さらに、素子４０の上部電極に駆動回路３５を接続し、下部電極３３に駆動回路３６を接続して、図４に示す素子４０を作製した。
【００６３】
作製した素子４０に対して、磁性体３１と下部電極３３との間に印加する電圧を変化させて、垂直反磁界Ｈｄの大きさを調べた。
その結果として、図４の素子の磁性体３１と下部電極３３との間に電圧を印加したときの印加電圧Ｖｅによる垂直反磁界Ｈｄの大きさの変化を、図５に示す。
図５に示すように、印加電圧Ｖｅが正電圧であるときに垂直反磁界Ｈｄが大きくなっており、印加電圧Ｖｅが負電圧であるときに垂直反磁界Ｈｄが小さくなっている。そして、印加電圧Ｖｅが正の方に増大するのに従い、垂直反磁界Ｈｄも増大している。
【００６４】
そして、図４の素子４０において、磁性体３１と下部電極３３との間にかかる電圧を±４Ｖで変化させ、磁性体３１にかかる磁場を０［Ｏｅ］と３０［Ｏｅ］及び０［Ｏｅ］と−３０［Ｏｅ］で変化させた。
このとき、磁性体３１に印加する磁場の方向によって、磁性体３１の磁化Ｍの方向を制御することができた。
【００６５】
次に、素子４０の駆動周波数ｆを変化させて、それぞれの駆動周波数ｆにおける、上述の大きさの磁場を印加したときの磁性体３１の磁化Ｍの方向の反転確率Ｐを測定した。
測定結果として、図４の素子４０の駆動周波数ｆ、即ち素子４０に印加する電圧の変調の周波数を変化させたときの、磁性体３１の磁化Ｍの反転確率Ｐの変化を、図６に示す。図６において、ｆ０＋は、＋４Ｖの電圧をかけたときの歳差運動の周波数であり、ｆ０−は、−４Ｖの電圧をかけたときの歳差運動の周波数である。電圧を±４Ｖで変調しているので、動作中の磁化Ｍの歳差運動の周波数は、ｆ０＋とｆ０−とのほぼ平均の周波数（＝（ｆ０＋＋ｆ０−）／２）になる。
図６より、磁化反転は、磁化Ｍの歳差運動の周波数の２倍の周波数（＝ｆ０＋＋ｆ０−）で変調したとき、即ち、磁化Ｍの歳差運動の周期の２分の１の周期で変調したときに観測される。
【００６６】
従って、本発明の磁化反転方法を適用して、電圧によって磁気異方性が変化する素子において電圧の変調周期を磁化の歳差運動の周期の２分の１とすることにより、効果的な磁化反転を実現できることがわかる。
【００６７】
上述した第１の実施の形態では、下部電極３３に電流を流すことにより、素子４０の磁性体３１の磁化容易軸方向に電流磁場を印加している。
本発明の磁化反転方法では、素子の磁化困難軸方向に外部磁場を印加してもよく、素子の磁化容易軸方向及び磁化困難軸方向にそれぞれ外部磁場を印加してもよい。素子の磁化容易軸方向に外部磁場を印加する場合には、素子に印加する電圧の変調の周期の２倍の周期で、外部磁場を変調することが望ましい。
なお、外部磁場を印加しないで、素子に印加する電圧の変調のみとしてもよい。
また、電流磁場以外の機構によって、外部磁場を印加してもよい。
【００６８】
＜３．第２の実施の形態（磁性体を用いたメモリ）＞
次に、本発明の第２の実施の形態として、本発明のメモリの実施の形態を説明する。
本発明の第２の実施の形態のメモリの概略構成図（斜視図）を、図７に示す。
図７に示すメモリは、図４と同様の構成の素子４０をメモリセルに使用して、メモリセルを行列状に多数配列して、構成されている。図７では、４行６列のメモリセルを示している。
【００６９】
同一行のメモリセルの素子４０は、共通の下部電極３３上に形成されていて、それぞれの下部電極３３に駆動回路３６が接続されている。
また、図示しないが、同一列のメモリセルの素子４０の上部電極には、共通の配線が接続されている。そして、この共通の配線には、図４に示した駆動回路３５と同様の構成の駆動回路が接続される。
【００７０】
図７のメモリの基本的な動作は、図４の素子４０の磁性体３１の磁化反転の動作と同様である。即ち、下部電極３３に電流を流して電流磁場を磁性体３１に加えると共に、素子４０の磁性体３１の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で、素子４０に印加する電圧を変調する。
ただし、下部電極３３に電流を流すのは、記録を行うメモリセルを含むメモリセルの行の下部電極のみであり、素子４０に電圧を印加するのは、記録を行うメモリセルを含むメモリセルの列のみである。これらの組み合わせにより、記録を行うメモリセルのみにおいて、素子４０の磁性体３１の磁化が反転して、記録が行われる。
【００７１】
上述の本実施の形態のメモリの構成によれば、素子４０の磁性体３１の磁化の歳差運動の周期の２分の１の周期で、素子４０に印加する電圧を変調する。これにより、磁性体３１の磁化の歳差運動の振幅を増大させることができ、容易に磁性体３１の磁化の方向を反転させることができる。そして、素子の磁性体の磁化の方向を反転させることにより、素子に情報を記録することが可能になる。
従って、本実施の形態のメモリの構成によれば、情報を記録するために必要となる電流量を低減することが可能となり、消費電力の少ないメモリを実現することができる。
【００７２】
また、本実施の形態のメモリの構成によれば、下部電極３３に電流を流して電流磁場を磁性体３１に加えることにより、電流磁場によって、さらに容易に素子４０の磁性体３１の磁化の方向を反転させることができる。
【００７３】
上述の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で使用した、図４に示した素子と同様の構成の素子を用いてメモリを構成したが、本発明のメモリは、その他の構成の素子にも適用することができる。
【００７４】
また、上述の第２の実施の形態では、図４に示した素子と同様の構成の素子を用いてメモリを構成しているので、下部電極３３に電流を流すことにより電流磁場を発生させて、この電流磁場を素子４０に印加している。即ち、素子に磁場を印加する機構を設けて、メモリを構成している。
本発明では、電流磁場を素子に印加する代わりに、磁性体に対して非磁性体を介して第２の磁性体を設けて、素子に電流を流してスピントルクによって磁性体の磁化の方向を反転させるように、メモリを構成しても良い。この場合には、素子に電圧を印加する機構に加えて、さらに素子に電流を流す機構を設ける。
また、本発明では、素子への電圧の印加のみで、磁性体の磁化の方向を反転させるように、メモリを構成しても良い。
【００７５】
本発明の磁性体の磁化反転方法を適用した素子は、図７に示したようなメモリの他にも、様々な用途に利用することが可能である。
例えば、ファラデー効果で偏光の透過・非透過をスイッチングさせることにより、光スイッチング素子を構成することや、表示装置の画素のスイッチングを行うことが、考えられる。
また例えば、磁気記録媒体に対して情報を記録する、書き込み用の磁気ヘッドに、本発明の方法を適用した素子を使用することも可能である。
【００７６】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
【符号の説明】
【００７７】
１１，１２  磁化の歳差運動の軌道、１７，２４  磁化の歳差運動の軌道、３１  磁性体、３２  絶縁体、３３  （導体兼）下部電極、３４  高周波発信器、３５，３６  駆動回路、４０  素子
【図１】
2011108991.tif 000003
【図２】
2011108991.tif 000004
【図３】
2011108991.tif 000005
【図４】
2011108991.tif 000006
【図５】
2011108991.tif 000007
【図６】
2011108991.tif 000008
【図７】
2011108991.tif 000009
【図８】
2011108991.tif 000010
【図９】
2011108991.tif 000011
【図１０】
2011108991.tif 000012
【図１１】
2011108991.tif 000013