(57)【要約】【課題】外部磁場の印加方向又は印加強度により複数の磁気状態を選択できる積層構造体及び磁気デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかる積層構造体は、第１の方向に磁気異方性を有する第１強磁性層と、前記第１の方向と異なる第２の方向に磁気異方性を有する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に積層され、印加される外部磁場により磁気状態が変化する磁化変動層と、を備え、前記磁化変動層を構成する層の前記第１の方向への磁気異方性は、前記第１強磁性層より小さく、前記磁化変動層を構成する層の前記第２の方向への磁気異方性は、前記第２強磁性層より小さい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に磁気異方性を有する第１強磁性層と、
前記第１の方向と異なる第２の方向に磁気異方性を有する第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に積層され、印加される外部磁場により磁気状態が変化する磁化変動層と、を備え、
前記磁化変動層を構成する層の前記第１の方向への磁気異方性は、前記第１強磁性層より小さく、
前記磁化変動層を構成する層の前記第２の方向への磁気異方性は、前記第２強磁性層より小さい、積層構造体。
【請求項２】
前記磁化変動層が複数の層からなり、各層の前記第１の方向への磁気異方性及び前記第２の方向への磁気異方性が異なる、請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記磁化変動層が複数の層からなり、前記第１強磁性層に近い層ほど前記第１の方向への磁気異方性が大きく、前記第２強磁性層に近い層ほど前記第２の方向への磁気異方性が大きい、請求項２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記第１強磁性層が垂直磁化膜であり、前記第２強磁性層が面内磁化膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記磁化変動層が同一の磁性元素を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記第２強磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に、前記第２強磁性層の磁気異方性を安定化させる機能層をさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項７】
前記第１強磁性層の前記第２強磁性層と反対側の面に、非磁性層と、強磁性層とを順にさらに備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層構造体と、
前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方の方向から前記積層構造体に磁場を印加できる磁場印加手段と、を備える、磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造体及び磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性体が有するスピンを利用した素子は、様々な用途で用いられている。例えば、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド、磁気記録媒体及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用されている。
【０００３】
磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“０”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“１”とすることで、磁気抵抗効果素子は２値のデータを出力できる。
【０００４】
一方で、近年のデータの高容量化に伴い、データをより高密度に集積することが求められている。その一つの手段として、データを２値以上の多値で記録できる素子の開発が進められている。例えば、特許文献１及び２には、電界を利用して強磁性層のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−６３０２４号公報
【特許文献２】特開２０１６−６３０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び２に記載の素子は、電界により強磁性層のスピン分極率を変調して多値記録を実現している。しかしながら、強磁性層のスピン分極率を変調するためには、大きな電界で必要である。特許文献１及び２に記載の素子とは異なる方法でデータを多値で記録できる素子の開発が求められている。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外部磁場の印加方向又は印加強度により複数の磁気状態を選択できる積層構造体及び磁気デバイス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】
【０００８】
本発明者らは、磁気異方性の異なる複数の強磁性層を積層し、外部磁場の印加方向又は印加強度を変えることで、複数の強磁性層が積層された積層構造体が複数の磁気状態をとり得ることを見出した。すなわち、複数の磁気状態をとり得る積層構造体を用いて磁気抵抗効果素子を作製することで、データを多値で記録できることを見出した。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【０００９】
（１）第１の態様にかかる積層構造体は、第１の方向に磁気異方性を有する第１強磁性層と、前記第１の方向と異なる第２の方向に磁気異方性を有する第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層の間に積層され、印加される外部磁場により磁気状態が変化する磁化変動層と、を備え、前記磁化変動層を構成する層の前記第１の方向への磁気異方性は、前記第１強磁性層より小さく、前記磁化変動層を構成する層の前記第２の方向への磁気異方性は、前記第２強磁性層より小さい。
【００１０】
（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記磁化変動層が複数の層からなり、各層の前記第１の方向への磁気異方性及び前記第２の方向への磁気異方性が異なってもよい。
【００１１】
（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記磁化変動層が複数の層からなり、前記第１強磁性層に近い層ほど前記第１の方向への磁気異方性が大きく、前記第２強磁性層に近い層ほど前記第２の方向への磁気異方性が大きくてもよい。
【００１２】
（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１強磁性層が垂直磁化膜であり、前記第２強磁性層が面内磁化膜であってもよい。
【００１３】
（５）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記磁化変動層が同一の磁性元素を含んでもよい。
【００１４】
（６）上記態様にかかる積層構造体は、前記第２強磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に、前記第２強磁性層の磁気異方性を安定化させる機能層をさらに備えてもよい。
【００１５】
（７）上記態様にかかる積層構造体は、前記第１強磁性層の前記第２強磁性層と反対側の面に、非磁性層と、強磁性層とを順にさらに備えてもよい。
【００１６】
（８）第２の態様にかかる磁気デバイスは、上記態様にかかる積層構造体と、前記第１の方向と前記第２の方向の少なくとも一方の方向から前記積層構造体に磁場を印加できる磁場印加手段と、を備える。
【発明の効果】
【００１７】
上記態様にかかる積層構造体及び磁気デバイスは、外部磁場を印加することで磁気状態を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態にかかる積層構造体を模式的に示した断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる積層構造体の各層の面内磁場に対する磁化曲線である。
【図３】第１実施形態にかかる積層構造体の各層の垂直磁場に対する磁化曲線である。
【図４】外部磁場の印加方向に対する積層構造体の磁気状態を模式的に示した図である。
【図５】異なる２つの初期状態を基準に、積層構造体の積層方向に垂直磁場を印加して得られたヒステリシスループである。
【図６】第１実施形態にかかる積層構造体の別の例を模式的に示した断面図である。
【図７】第２実施形態にかかる積層構造体を模式的に示した断面図である。
【図８】第２実施形態にかかる積層構造体の各層の面内磁場に対する磁化曲線である。
【図９】第２実施形態にかかる積層構造体の各層の垂直磁場に対する磁化曲線である。
【図１０】外部磁場の印加方向に対する積層構造体の磁気状態を模式的に示した図である。
【図１１】第３実施形態にかかる積層構造体の断面模式図である。
【図１２】第４実施形態にかかる磁気デバイスを模式的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本実施形態について、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２０】
＜積層構造体＞
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる積層構造体の断面模式図である。図１に示す積層構造体１０は、第１強磁性層１と第２強磁性層２と第３強磁性層（磁化変動層）３とを備える。
【００２１】
第１強磁性層１は、第１の方向に磁気異方性を有する。また第２強磁性層２は、第１の方向と異なる第２の方向に磁気異方性を有する。図１における、第１強磁性層１は積層構造体１０の積層方向に磁気異方性を有する垂直磁化膜であり、第２強磁性層２は積層構造体１０の面内方向に磁気異方性を有する面内磁化膜である。第１強磁性層１と第２強磁性層２の磁気異方性の関係はこの場合に限られず、第１強磁性層１が面内磁化膜、第２強磁性層２が垂直磁化膜でもよい。以下、第１の方向を積層方向、第２の方向を面内方向とする場合を例に説明する。
【００２２】
第３強磁性層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２の間に積層される。第３強磁性層３は、印加される外部磁場により磁気状態が変化する磁化変動層である。第３強磁性層３の第１の方向への磁気異方性は、第１強磁性層１より小さく、第３強磁性層３の第２の方向への磁気異方性は、第２強磁性層より小さい。すなわち、図１において第３強磁性層３の垂直磁気異方性は第１強磁性層１より小さく、面内磁気異方性は第２強磁性層２より小さい。
【００２３】
図２は、第１実施形態にかかる積層構造体１０の各層の面内磁場Ｈｐｌに対する磁化曲線である。図３は、第１実施形態にかかる積層構造体１０の各層の垂直磁場Ｈｐｅに対する磁化曲線である。
【００２４】
図２に示すように、第２強磁性層２は面内磁気異方性を有するため、面内磁場Ｈｐｌに対してヒステリシスループを描く。一方で、第１強磁性層１及び第３強磁性層３は、磁化が飽和するまで面内磁場Ｈｐｌに対して磁化Ｍが比例して増加する。第１強磁性層１はＨｋ１の磁場を面内方向に印加した際に面内方向に飽和し、第３強磁性層３はＨｋ３の磁場を面内方向に印加した際に面内方向に飽和する。
【００２５】
同様に図３に示すように、第１強磁性層１は垂直磁気異方性を有するため、垂直磁場Ｈｐｅに対してヒステリシスループを描く。一方で、第２強磁性層２及び第３強磁性層３は、磁化が飽和するまで垂直磁場Ｈｐｌに対して磁化Ｍが比例して増加する。第２強磁性層２はＨｋ２の磁場を垂直方向に印加した際に垂直方向に飽和し、第３強磁性層３はＨｋ３の磁場を垂直方向に印加した際に垂直方向に飽和する。
【００２６】
図２及び図３では、第３強磁性層３が垂直磁化膜でも面内磁化膜でもないとして取り扱ったが、実際にはいずれかの方向に磁気異方性を有する。そのため、図２又は図３のいずれかにおいて第３強磁性層３はヒステリシスループを描く。しかしながら、第３強磁性層３の磁気異方性はその他の層と比較して小さく、ヒステリシスループを描いていたとしても影響を及ぼさない。したがって、簡単のためいずれの方向にも磁気異方性を有さないものとして取り扱った。
【００２７】
積層構造体１０は、外部磁場を印加すると複数の磁気状態をもつ。図４は、外部磁場の印加方向に対する積層構造体１０の磁気状態を模式的に示した図である。図４（ａ）は所定の強度の面内磁場Ｈｐｌを印加した場合であり、図４（ｂ）は所定の強度の垂直磁場Ｈｐｅを印加した場合である。
【００２８】
まず図４（ａ）の磁気状態について説明する。第３強磁性層３の飽和磁化Ｈｋ３より大きく、第１強磁性層１の飽和磁化Ｈｋ１より小さい磁場Ｈｋ０の面内磁場Ｈｐｌを積層構造体１０に印加する（図２参照）。図２に示すように、第３強磁性層３は磁場Ｈｋ０で飽和するが、第１強磁性層１は磁場Ｈｋ０では飽和しない。従って、図４（ａ）に示すように、第１強磁性層１の磁化Ｍ１は垂直方向に配向し、第３強磁性層３の磁化Ｍ３は面内方向に配向する。第２強磁性層２は面内磁化膜であるため、磁化Ｍ２は面内方向に配向する。
【００２９】
次いで、図４（ｂ）の磁気状態について説明する。第３強磁性層３の飽和磁化Ｈｋ３より大きく、第２強磁性層２の飽和磁化Ｈｋ２より小さい磁場Ｈｋ０の垂直磁場Ｈｐｅを積層構造体１０に印加する（図３参照）。図３に示すように、第３強磁性層３は磁場Ｈｋ０で飽和するが、第２強磁性層２は磁場Ｈｋ０では飽和しない。従って、図４（ｂ）に示すように、第２強磁性層２の磁化Ｍ２は面内方向に配向し、第３強磁性層３の磁化Ｍ３は垂直方向に配向する。第１強磁性層１は垂直磁化膜であるため、磁化Ｍ１は垂直方向に配向する。
【００３０】
このように、積層構造体１０に所定の強度の外部磁場を印加すると、外部磁場の印加方向によって磁気状態の異なる２つの初期状態をとる。図５は、異なる２つの初期状態を基準に、積層構造体１０の積層方向に垂直磁場を印加して得られたヒステリシスループである。図５（ａ）は図４（ａ）の積層構造体１０を初期状態としたヒステリシスループであり、図５（ｂ）は図４（ｂ）の積層構造体１０を初期状態としたヒステリシスループである。
【００３１】
図５の実験に用いた積層構造体１０は、第１強磁性層１がＣｏＰｔ層であり、第３強磁性層３が第１強磁性層１よりＣｏが欠乏したＣｏＰｔ層であり、第２強磁性層２がＣｏを添加したＢｉＦｅＯ３層である。また第２強磁性層２の第３強磁性層３と反対側には、ＢｉＦｅＯ３層（後述する機能層９）を設けた。第１強磁性層１の厚みは６．５ｎｍとし、第３強磁性層３の厚みは１．５ｎｍとし、第２強磁性層２の厚みは２．０ｎｍとし、ＢｉＦｅＯ３層の厚みは３０ｎｍとした。各層はマグネトロンスパッタリングにより成膜した。具体的には、ＭｇＯ（００１）基板に基板温度を３００℃として第１強磁性層１を積層し、７５０℃にて３時間アニールした。次に、基板温度を６００℃にして、第３強磁性層３、第２強磁性層２、ＢｉＦｅＯ３層を順に積層した。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、初期状態が図４（ａ）の積層構造体１０は、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と第３強磁性層３の磁化Ｍ３がカップリングして一緒に動作した。初期状態が図４（ａ）の積層構造体１０の飽和磁化は、５８０ｅｍｕ／ｃｃであった。これに対し、図５（ｂ）に示すように、初期状態が図４（ｂ）の積層構造体１０は、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第３強磁性層３の磁化Ｍ３がカップリングして動作し、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と第３強磁性層３の磁化Ｍ３とは独立に動作した。初期状態が図４（ｂ）の積層構造体１０の飽和磁化は、４８０ｅｍｕ／ｃｃであった。
【００３３】
すなわち積層構造体１０は、初期に印加する磁場の方向を変えることで、磁気状態が安定化する飽和磁化の状態として、−５８０ｅｍｕ／ｃｃ、−４８０ｅｍｕ／ｃｃ、４８０ｅｍｕ／ｃｃ、５８０ｅｍｕ／ｃｃの４状態をとることができる。
【００３４】
第１強磁性層１、第２強磁性層２及び第３強磁性層３は、いずれも強磁性体を含む。強磁性体は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。
【００３５】
第１強磁性層１、第２強磁性層２及び第３強磁性層３は、同一の磁性元素を含むことが好ましい。各層が同一磁性元素を含むと、それぞれの層の磁気異方性を調整しやすい。例えば、第１強磁性層１としてＣｏを含む材料を用いた場合、第３強磁性層３のＣｏ元素を欠乏させることで容易に第３強磁性層３の磁気異方性を第１強磁性層１より小さくできる。また磁性体にＣｏを添加することで第２強磁性層２とし、第２強磁性層２の磁性元素の量を第３強磁性層３より多くすることで、第２強磁性層３の磁気異方性を第３強磁性層３より大きくできる。
【００３６】
また図６に示す積層構造体１１のように、第２強磁性層２の第１強磁性層１と反対側の面に、機能層９をさらに備えてもよい。機能層９は、第２強磁性層２の磁気異方性を安定化させ、第２強磁性層２の磁化Ｍ２を所定の方向に強く配向させる。第２強磁性層２の磁化Ｍ２が所定の方向に強く配向すると、第２強磁性層２の飽和磁化Ｈｋ２（図３参照）が大きくなる。そのため、積層構造体１１の初期状態を決定する外部磁場の強度の設定の自由度が高まる。また図５（ｂ）に示すように、初期状態を決定後に垂直方向に磁場が印加されても、第２強磁性層２が面内配向を維持できる。すなわち、積層構造体１１が複数の磁化状態を安定的に発現できる。
【００３７】
機能層４は、第２強磁性層２と同一方向に磁気異方性を持つ材料を用いることができる。例えば、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。
【００３８】
上述のように、本実施形態にかかる積層構造体は、初期に印加する磁場方向を変えることで、複数の磁化状態を発現できる。
【００３９】
「第２実施形態」
図７は、第２実施形態にかかる積層構造体１２の断面模式図である。積層構造体１２は、磁化変動層３’が複数の層からなる点が、第１実施形態にかかる積層構造体１０と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる積層構造体１０と同一であり、同一の構成については記載を省略する。
【００４０】
磁化変動層３’は、第４強磁性層４、第５強磁性層５、第６強磁性層６からなる。磁化変動層３’を構成する第４強磁性層４、第５強磁性層５、第６強磁性層６の第１の方向への磁気異方性は第１強磁性層１より小さく、第２の方向への磁気異方性は第２強磁性層２より小さい。図７に示す積層構造体１２における磁化変動層３’は、第１強磁性層１から第２強磁性層２に向かって順に垂直磁気異方性が強く、第２強磁性層２から第１強磁性層１に向かって順に面内磁気異方性が強い。
【００４１】
図８は、第２実施形態にかかる積層構造体１２の各層の面内磁場Ｈｐｌに対する磁化曲線である。図９は、第２実施形態にかかる積層構造体１２の各層の垂直磁場Ｈｐｅに対する磁化曲線である。
【００４２】
図８に示すように、第２強磁性層２は面内磁気異方性を有するため、面内磁場Ｈｐｌに対してヒステリシスループを描く。一方で、第１強磁性層１、第４強磁性層４、第５強磁性層５、第６強磁性層６は、磁化が飽和するまで面内磁場Ｈｐｌに対して磁化Ｍが比例して増加する。それぞれの飽和磁化は、第１強磁性層１がＨｋ１、第４強磁性層４がＨｋ４、第５強磁性層５がＨｋ５、第６強磁性層６がＨｋ６である。
【００４３】
同様に図９に示すように、第１強磁性層１は垂直磁気異方性を有するため、垂直磁場Ｈｐｅに対してヒステリシスループを描く。一方で、第２強磁性層２、第４強磁性層４、第５強磁性層５、第６強磁性層６は、磁化が飽和するまで垂直磁場Ｈｐｌに対して磁化Ｍが比例して増加する。それぞれの飽和磁化は、第２強磁性層２がＨｋ２、第４強磁性層４がＨｋ４、第５強磁性層５がＨｋ５、第６強磁性層６がＨｋ６である。
【００４４】
図８及び図９では、第４強磁性層４、第５強磁性層５及び第６強磁性層６を簡単のため、いずれの方向にも磁気異方性を有さないものとして取り扱った。
【００４５】
積層構造体１２は、外部磁場を印加すると複数の磁気状態をもつ。図１０は、外部磁場の印加方向に対する積層構造体１２の磁気状態を模式的に示した図である。図１０（ａ）はＨｋ０１（図８参照）の強度の面内磁場を印加した場合であり、図１０（ｂ）はＨｋ０２（図８参照）の強度の面内磁場を印加した場合であり、図１０（ｃ）はＨｋ０３（図８参照）の強度の面内磁場を印加した場合であり、図１０（ｄ）はＨｋ０１（図９参照）の強度の垂直磁場を印加した場合であり、図１０（ｅ）はＨｋ０２（図９参照）の強度の垂直磁場を印加した場合であり、図１０（ｆ）はＨｋ０３（図９参照）の強度の垂直磁場を印加した場合である。
【００４６】
図１０（ａ）に示すように、Ｈｋ０１の面内磁場を印加すると、第６強磁性層６の磁化Ｍ６が面内配向する。一方で、第５強磁性層５及び第４強磁性層４の面内方向の飽和磁化Ｈｋ５、Ｈｋ４は、Ｈｋ０１より大きい。そのため、第５強磁性層５及び第４強磁性層４は面内配向しない。その結果、面内方向にＨｋ０１の磁場を印加すると、第２強磁性層２の磁化Ｍ２と第６強磁性層６の磁化Ｍ６とがカップリングし、第１強磁性層１の磁化Ｍ１、第４強磁性層４の磁化Ｍ４及び第５強磁性層５の磁化Ｍ５がカップリングする。この状態を、第１磁化状態とする。
【００４７】
一方で、図１０（ｂ）に示すように、Ｈｋ０２の面内磁場を印加すると、第６強磁性層６の磁化Ｍ６と、第５強磁性層５の磁化Ｍ５が面内配向する。一方で、第４強磁性層４の面内方向の飽和磁化Ｈｋ４は、Ｈｋ０２より大きい。そのため、第４強磁性層４は面内配向しない。その結果、面内方向にＨｋ０２の磁場を印加すると、第２強磁性層２の磁化Ｍ２、第６強磁性層６の磁化Ｍ６及び第５強磁性層５の磁化Ｍ５がカップリングし、第１強磁性層１の磁化Ｍ１と第４強磁性層４の磁化Ｍ４とがカップリングする。この状態を、第２磁化状態とする。
【００４８】
さらに、図１０（ｃ）に示すように、Ｈｋ０３の面内磁場を印加すると、第６強磁性層６の磁化Ｍ６、第５強磁性層５の磁化Ｍ５及び第４強磁性層４の磁化Ｍ４が面内配向する。その結果、面内方向にＨｋ０３の磁場を印加すると、第２強磁性層２の磁化Ｍ２、第６強磁性層６の磁化Ｍ６、第５強磁性層５の磁化Ｍ５、第４強磁性層４の磁化Ｍ４がカップリングする。この状態を第３磁化状態とする。
【００４９】
同様に、図１０（ｄ）に示すように、Ｈｋ０１の垂直磁場を印加すると、第４強磁性層４の磁化Ｍ４が垂直配向する。一方で、第５強磁性層５及び第６強磁性層６の垂直方向の飽和磁化Ｈｋ５、Ｈｋ６は、Ｈｋ０１より大きい。そのため、第５強磁性層５及び第６強磁性層６は垂直配向しない。その結果、垂直方向にＨｋ０１の磁場を印加すると、積層構造体１２は第２磁化状態となる。
【００５０】
また図１０（ｅ）に示すように、Ｈｋ０２の垂直磁場を印加すると、第４強磁性層４の磁化Ｍ４と、第５強磁性層５の磁化Ｍ５が垂直配向する。一方で、第６強磁性層６の垂直方向の飽和磁化Ｈｋ６は、Ｈｋ０２より大きい。そのため、第６強磁性層６は垂直配向しない。その結果、面内方向にＨｋ０２の磁場を印加すると、積層構造体１２は第１磁化状態となる。
【００５１】
さらに、図１０（ｆ）に示すように、Ｈｋ０３の垂直磁場を印加すると、第４強磁性層４の磁化Ｍ４、第５強磁性層５の磁化Ｍ５及び第６強磁性層６の磁化Ｍ６が垂直配向する。その結果、垂直方向にＨｋ０３の磁場を印加すると、第１強磁性層１の磁化Ｍ１、第４強磁性層４の磁化Ｍ４、第５強磁性層５の磁化Ｍ５、第６強磁性層６の磁化Ｍ６がカップリングする。この状態を第４磁化状態とする。
【００５２】
このように、初期に印加する磁場の強度及び方向を制御することで、積層構造体１２は初期状態で４つの磁化状態を選択できる。
【００５３】
第１実施形態にかかる積層構造体１０と同様に、積層構造体１２の初期の磁化状態が異なると、積層構造体１２の積層方向に垂直磁場を印加して得られるヒステリシスループの形状もそれぞれ異なる。そのため、第２実施形態にかかる積層構造体１２によれば、磁気状態が安定化する飽和磁化の状態として８状態をとることができる。
【００５４】
なお、第２実施形態にかかる積層構造体１２は、磁化変動層３’を３層としたが、２層としてもよいし、それ以上の総数としてもよい。層数によってとり得る状態数も選択できる。
【００５５】
「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態にかかる積層構造体１３の断面模式図である。積層構造体１３は、第１強磁性層１の第２強磁性層２と反対側の面に、非磁性層７と、強磁性層８とを順にさらに備える点が、第１実施形態にかかる積層構造体１０と異なる。その他の構成は、第１実施形態にかかる積層構造体１０と同一であり、同一の構成については記載を省略する。
【００５６】
積層構造体１０を磁化固定層、強磁性層８を磁化自由層とすると、積層構造体１３は磁気抵抗効果素子をなす。非磁性層７が絶縁体からなる場合、積層体構造体１３はトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子であり、非磁性層７が半導体もしくは金属からなる場合、積層体構造体１３は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００５７】
非磁性層７には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層７が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００５８】
一方で、例えば非磁性層７が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ−ＢＮ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ、Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層７として用いることができる。
【００５９】
強磁性層８は、公知の材料を用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。またより高い出力を得るために、強磁性層８にホイスラー合金を用いてもよい。
【００６０】
上述のように積層構造体１０は、磁気状態が安定化する飽和磁化の状態として４状態を選択できる。さらに強磁性層８は、磁化の配向方向によって２状態を選択できる。そのため、積層構造体１３全体としては８状態を選択でき、データを８値で記録できる。
【００６１】
図１１では、第１実施形態にかかる積層構造体１０を用いて磁気抵抗効果素子を作製したが、第２実施形態にかかる積層構造体１２を用いて磁気抵抗効果素子を作製してもよい。この場合、１６状態の磁化状態を選択でき、データを１６値で記録できる。
【００６２】
＜磁気デバイス＞
「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかる磁気デバイスを模式的に示した図である。図１２に示す磁気デバイス１００は、第３実施形態にかかる積層構造体１３と、第１磁場印加手段２０と、第２磁場印加手段３０とを備える。図１２では、第３実施形態にかかる積層構造体１３を用いた磁気デバイス１００を例示したが、第１実施形態にかかる積層構造体１０、第２実施形態にかかる積層構造体１２を用いてもよい。
【００６３】
第１磁場印加手段２０は、積層構造体１３の面内方向に磁場を印加する。第２磁場印加手段３０は積層構造体１３の積層方向に磁場を印加する。磁気デバイス１００は、第１磁場印加手段２０と第２磁場印加手段３０によって複数の磁化状態をとる。
【００６４】
磁気デバイス１００の動作について説明する。まず、第１磁場印加手段２０又は第２磁場印加手段３０により積層構造体１００の積層方向又は面内方向に磁場を印加する。第１磁場印加手段２０により面内方向に磁場を印加した場合は、積層構造体１０の磁場状態は図４（ａ）に示す磁場状態（第１初期状態）となる。第２磁場印加手段３０により積層方向に磁場を印加した場合は、積層構造体１０の磁場状態は図４（ｂ）に示す磁場状態（第２初期状態）となる。
【００６５】
次いで、積層構造体１０の磁化状態が初期状態をなった積層構造体１３の積層方向に第１磁場印加手段３０により磁場を印加する。第１初期状態の積層構造体１０の積層方向に磁場を印加すると、印加する磁場方向によって第１飽和磁化状態（図５（ａ）右端）又は第２飽和磁化状態（図５（ａ）左端）が選択される。また第２初期状態の積層構造体１０の積層方向に磁場を印加すると、印加する磁場方向によって第３飽和磁化状態（図５（ｂ）右端）又は第４飽和磁化状態（図５（ｂ）左端）が選択される。この手順を経ることで、積層構造体１０の磁化状態が４つの飽和磁化状態のいずれかとなる。積層構造体１０は、磁気抵抗効果素子の磁化固定層として機能する。
【００６６】
次いで、積層構造体１０の磁化状態は変化できないが、強磁性層８の磁化状態を変化できる強度の磁場を、第２磁場印加手段３０により印加する。この磁場の印加により強磁性層８の磁化は積層方向上向き又は下向きのいずれかの状態をとる。すなわち、積層構造体１０の４つの磁化状態と、強磁性層８の２つの磁化状態との組み合わせにより、積層構造体１３は８つの磁化状態を選択できる。
【００６７】
上述のように、本実施形態にかかる磁気デバイス１００によれば、積層構造体１３の磁気状態を複数選択することができ、一つの素子がデータを２値以上の多値の情報を記録できる。つまり、データをより高密度に集積することでき、高容量の記録デバイスを実現できる。
【符号の説明】
【００６８】
１  第１強磁性層
２  第２強磁性層
３  第３強磁性層
３’  磁化変動層
４  第４強磁性層
５  第５強磁性層
６  第６強磁性層
７  非磁性層
８  強磁性層
９  機能層
１０，１１，１２，１３  積層構造体
２０  第１磁場印加手段
３０  第２磁場印加手段
【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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