(57)【要約】【課題】薄膜化に適し、かつ、スピン偏極電子を効率的に抽出可能なスピン変換素子を提供する。【解決手段】一方向に固定された磁化を有する高保磁力磁性層２と、絶縁層３と、絶縁層３を介して高保磁力磁性層２と強磁性的結合した伝導電子を有する非磁性の導電層４とを順に備える。高保磁力磁性層２との強磁性的結合により、導電層４を通過する任意方向の電子スピンＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を有する各伝導電子が、磁化Ｊ２の方向に平行な方向の電子スピンＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３を有するスピン偏極電子にそれぞれ変換される。したがって、導電層４の両端に電位差を設けるようにすれば、効率的にスピン偏極電流を得ることができる。【選択図】図３
2008085065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に磁化が固定された強磁性層と、
絶縁層と、
前記絶縁層を介して前記強磁性層と強磁性結合した伝導電子を含む非磁性導電層と
を順に有することを特徴とするスピン変換素子。
【請求項２】
さらに、前記非磁性導電層における前記絶縁層と反対側の面と接するように設けられた鏡面電子反射層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のスピン変換素子。
【請求項３】
さらに、前記強磁性層における前記絶縁層と反対側の面と接するように設けられたシード層を有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスピン変換素子。
【請求項４】
前記導電層の両端と各々接続され、前記導電層に対して面内方向に電流を流すための一対の端子をさらに有する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項５】
前記強磁性層の磁化は、積層面内方向または積層方向に固定されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項６】
前記強磁性層は、コバルト（Ｃｏ），コバルト鉄（ＣｏＦｅ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ）のうちの少なくとも１種、またはそれらのうちの２種以上からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項７】
前記絶縁層は、マグネシウム酸化物，アルミニウム酸化物，チタン酸化物，マンガン酸化物，鉄酸化物，コバルト酸化物，ニッケル酸化物のうちのいずれか１種、またはそれらのうちの２種以上からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項８】
前記非磁性導電層は、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ）およびイリジウム（Ｉｒ）のうちのいずれか１種、またはそれらのうちの２種以上からなる
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項９】
前記強磁性層は、反強磁性膜と、この反強磁性膜と交換結合した強磁性膜とを含む積層構造を有していることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のスピン変換素子。
【請求項１０】
印加磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と、絶縁層と、前記絶縁層を介して前記磁化自由層と強磁性結合した伝導電子を含む非磁性導電層とが順に積層されたスピン変換素子を有するカソードと、
アノードと、
前記カソードと前記アノードとの間に電圧を印加し、前記カソードから前記アノードへ向けてスピン偏極電子を放出させる駆動部と、
前記磁化自由層の磁化方向を任意の方向に固定する磁化方向可変手段と
を備えたことを特徴とするスピン偏極電子射出装置。
【請求項１１】
前記磁化方向可変手段は、前記スピン変換素子の周囲に巻回された磁界発生コイルを有している
ことを特徴とする請求項１０に記載のスピン偏極電子射出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子のスピンをある特定の方向に揃えるスピン変換素子およびそれを備えたスピン偏極電子射出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、スピン方向の揃った伝導電子（スピン偏極電子）を選択的に取り出すデバイスとして、スピンフィルタが知られている。近年では、より効率的にスピン偏極電子を抽出することのできるスピンフィルタの開発が進められており、例えば以下の特許文献１，２に開示されたものがある。
【特許文献１】特開２００２−３４３９５８号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５４３８号公報
【０００３】
さらに、応用例として、上記のようなスピンフィルタを含む磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリ装置、またはスピントランジスタなどの各種電子・磁気デバイスも提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。特許文献３の磁気メモリ装置では、スピン偏極電子を磁化自由層に注入することにより、その磁化自由層の磁化方向の反転を行うようにしている。なお、ハーフメタル（半金属）を用いてスピン偏極電子を得る方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献３】特開２００５−１５０４８２号公報
【特許文献４】特表２００３−５２６９３９号公報
【非特許文献１】猪俣浩一郎監修「スピンエレクトロニクスの基礎と最前線」シーエムシー出版、２００４年６月、ｐ．１２９−１５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
今後、スピン偏極電子の抽出効率のさらなる向上がいっそう強く要求されるものと予想される。しかしながら、現在知られているスピンフィルタは、アップスピン電子およびダウンスピン電子のいずれか一方を反射（フィルタリング）し、他方のみを通過させるように機能するものである。したがって、スピンフィルタへ流入する伝導電子からスピン偏極電子を抽出する際の効率性（抽出効率）が十分に得られず、電気抵抗が増大することとなる。
【０００５】
また、ハーフメタルを用いたスピンフィルタでは、薄型化した場合に以下のような問題が生じている。具体的には、ハーフメタルを薄膜化すると、構造欠陥が少なく規則性に優れた良質な結晶構造を確保することが極めて困難であるうえ、ハーフメタルを他の材料層と共に積層した場合には、ハーフメタル自体のバンド構造に悪影響が及ぶことがある。このため、所望のスピン偏極電子の効率的な抽出が妨げられているのが現状である。
【０００６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、薄膜化に適し、かつ、スピン偏極電子を効率的に生成可能なスピン変換素子を提供することにある。本発明の第２の目的は、そのようなスピン変換素子を備えたスピン偏極電子射出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のスピン変換素子は、一方向に磁化が固定された強磁性層と、絶縁層と、この絶縁層を介して強磁性層と強磁性結合した伝導電子を含む非磁性導電層とを順に有するようにしたものである。
【０００８】
本発明のスピン偏極電子射出装置は、印加磁界に応じて磁化方向が変化する磁化自由層と絶縁層とこの絶縁層を介して磁化自由層と強磁性結合した伝導電子を含む非磁性導電層とが順に積層されたスピン変換素子を有するカソードと、アノードと、カソードとアノードとの間に電圧を印加しカソードからアノードへ向けてスピン偏極電子を放出させる駆動部と、磁化自由層の磁化方向を第１の方向、またはこれと正反対の第２の方向のいずれかに固定する磁化方向可変手段とを備えるようにしたものである。
【０００９】
本発明におけるスピン変換素子およびスピン偏極電子射出装置では、非磁性導電層に含まれる伝導電子が絶縁層を介して強磁性層（または磁化自由層）と強磁性的に結合することで、非磁性導電層に存在する伝導電子の電子スピンが強磁性層（または磁化自由層）の磁化の方向と平行な方向または反平行な方向のいずれかに向くこととなる。すなわち、任意の方向の電子スピンを有する伝導電子が非磁性導電層を通過すると、その伝導電子は強磁性層（または磁化自由層）の磁化の方向に平行または反平行な方向に向いた電子スピンを有するスピン偏極電子に変換される。
【００１０】
本発明におけるスピン変換素子およびスピン偏極電子射出装置では、変換効率をいっそう向上させるため、非磁性導電層における絶縁層と反対側の面と接するように鏡面電子反射層を設けるようにするとよい。また、強磁性層（または磁化自由層）における絶縁層と反対側の面と接するようにシード層を設けることで、強磁性層（または磁化自由層）の結晶配向性を制御するようにしてもよい。また、導電層の両端と各々接続するように一対の端子を設け、導電層に対して面内方向に電流を流すようにするとよい。スピン変換素子における強磁性層の磁化は、例えば積層面内方向または積層方向に固定されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のスピン変換素子によれば、絶縁層を介して強磁性層と強磁性的結合した伝導電子を含む非磁性導電層を設けるようにしたので、非磁性導電層を通過する任意方向のスピンを有する電子を、強磁性層の磁化方向と平行または反平行の電子スピンを有するスピン偏極電子に変換することができる。したがって、非磁性導電層の両端に電位差を設けるようにすれば、効率的にスピン偏極電流を得ることができる。
【００１２】
本発明のスピン偏極電子射出装置によれば、磁化自由層と、絶縁層と、この絶縁層を介して磁化自由層と強磁性結合した伝導電子を含む非磁性導電層との積層構造を有するスピン変換素子を備え、磁化自由層の磁化方向を、磁化方向可変手段によって任意の方向に固定するようにしたので、磁化自由層の磁化方向と平行または反平行の電子スピンを有するスピン偏極電子を効率的に放出させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
［第１の実施の形態］
最初に、図１および図２を参照して、本発明における第１の実施の形態としてのスピン変換素子１１の構成について説明する。図１は、スピン変換素子１１の平面構成を表す上面図であり、図２は、その要部の断面を拡大した断面図である。すなわち、図２は、図１に示したII−II線に沿った矢視方向の断面構成を表している。
【００１５】
図２に示したように、スピン変換素子１１は、図示しない基板上に、シード層１と、高保磁力強磁性層２と、絶縁層３と、非磁性の導電層４と、鏡面電子反射層（スペキュラー層）５とが順に積層された構造を有している。導電層４は、例えばＸ方向に細長く延在しており、その両端部には、導電層４に電流を流すための一対の端子Ｔ１，Ｔ２が接続されている。
【００１６】
シード層１は、製造過程において、その上に設けられる高保磁力強磁性層２の良質な結晶成長を促進させ、例えば面内方向に磁気的に配向させるように機能する。シード層１は、例えばクロム（Ｃｒ）やクロムチタン合金（ＣｒＴｉ）など、高保磁力強磁性層２をエピタキシャル成長させ得る材料によって構成されている。
【００１７】
高保磁力強磁性層２は、積層面内の一方向（例えば＋Ｘ方向）に固定された磁化Ｊ２を有しており、例えば、コバルト（Ｃｏ），コバルト鉄合金（ＣｏＦｅ），コバルト白金合金（ＣｏＰｔ），コバルトクロム白金合金（ＣｏＣｒＰｔ）などの高保磁力材料（硬質磁性材料）からなる単層構造をなしている。あるいは、互いに交換結合した反強磁性膜および強磁性膜からなる２層構造であってもよいし、２つの強磁性膜が反強磁性膜を介して交換結合するように積層された３層構造であってもよい。ここでの反強磁性膜は、例えばイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）またはルテニウムマンガン合金（ＲｕＭｎ）などの反強磁性材料を主成分として含むものであり、強磁性膜は、例えばＣｏＦｅなどの強磁性材料を主成分として含むものである。なお、このような積層構造の場合、強磁性膜を反強磁性膜よりも絶縁層３の側に設ける必要がある。このような構成の高保磁力強磁性層２は、導電層４を通過する伝導電子に対し、効率的に分子磁界を付与するように機能する。なお、導電層４の構成材料に応じた最適な材料によって高保磁力強磁性層２を構成することで、より効率的な分子磁界の付与が可能となると考えられる。
【００１８】
絶縁層３は、高保磁力強磁性層２に存在する伝導電子が導電層４に流入するのを抑止する障壁となるものである。絶縁層３は、マグネシウム酸化物（例えばＭｇ2Ｏ5），アルミニウム酸化物（例えばＡｌ2Ｏ3）、チタン酸化物（例えばＴｉＯ2）、マンガン酸化物（例えばＭｎＯ）、鉄酸化物（例えばＦｅＯ）、コバルト酸化物（例えばＣｏＯ）などの電気絶縁性を有する酸化物材料によって構成され、例えば０．１ｎｍ〜３．０ｎｍの厚みを有している。絶縁層３の厚みは、高保磁力磁性層２と導電層４との強磁性的結合が消失しない程度でなければならない。絶縁層３を構成する酸化物材料としては、化学量論組成を有するものに限らず、非化学量論組成を有するものも適用可能である。絶縁層３における金属元素と酸素との存在比率を最適化することにより、高保磁力磁性層２が導電層４を通過する伝導電子に対し、より効率的に分子磁界を付与するようになる。さらに、高保磁力磁性層２と絶縁層３との界面における表面粗さを最適化することによっても、高保磁力磁性層２から導電層４の伝導電子へ付与される分子磁界の強度をよりいっそう高めることができる。また、絶縁層３の一部に、マグネシウムやアルミニウムなどが酸化物ではなく金属材料として所定の割合で存在するようにしてもよい場合がある。但し、その場合においても、高保磁力磁性層２と導電層４との電気的な絶縁性が確保される必要がある。なお、絶縁層３の磁気的な性質については、非磁性であってもよいし、または、反強磁性、フェリ磁性、強磁性のいずれであってもよい。
【００１９】
導電層４は、絶縁層３を介して高保磁力強磁性層２と強磁性的に結合した伝導電子を含むものであり、例えば、銅（Ｃｕ），金（Ａｕ），銀（Ａｇ），白金（Ｐｔ），アルミニウム（Ａｌ），ロジウム（Ｒｈ）およびイリジウム（Ｉｒ）などの、非磁性かつ高導電性の金属のうちのいずれか１種、またはそれらのうちの２種以上の合金によって構成されている。導電層４の厚みは、伝導電子に対して高保磁力強磁性層２からの作用（分子磁界の付与）が効率的に及ぶように、０．５ｎｍ〜５ｎｍとすることが望ましい。このような構成により、導電層４に存在する伝導電子の電子スピンＳは、主に高保磁力強磁性層２の作用によって偏極（配向）し、磁化Ｊ２の方向と平行または反平行な方向に揃うこととなる。したがって、一対の端子Ｔ１，Ｔ２の間に電位差が生じると、導電層４は、スピン偏極電子の通り道となる。なお、電子スピンＳの偏極には、高保磁力強磁性層２の作用に加え、絶縁層３の作用も関わっているものと考えられる。
【００２０】
スペキュラー層５は、導電層４に存在する伝導電子を反射し、導電層４と高保磁力強磁性層２との強磁性的結合による相互作用の効率を、より高めるものである。スペキュラー層５は、例えば、タンタル酸化物（ＴａＯ3）などからなり、１ｎｍ〜３ｎｍの厚みを有している。スペキュラー層５を構成する材料には、反射する伝導電子の電子スピンＳの軸を変化させないことが要求される。
【００２１】
このように構成されたスピン変換素子１１では、上記したように、導電層４に存在する伝導電子が絶縁層３を介して高保磁力強磁性層２と強磁性的結合することで、導電層４に存在する伝導電子のスピンＳが高保磁力強磁性層２の磁化Ｊ２と平行な方向、または磁化Ｊ２と反平行な方向に向くこととなる。すなわち、図３に示したように、任意の方向の電子スピンＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を有する各伝導電子は、導電層４を通過することにより、磁化Ｊ２の方向に沿った電子スピンＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３をそれぞれ有するスピン偏極電子に変換される。したがって、一対の端子Ｔ１，Ｔ２の間に電位差を設けることにより、導電層４を流れるスピン偏極電流を効率的に得ることができる。なお、図３は、スピン変換素子１１の作用を説明するための模式図であり、各電子スピンＳ１１〜Ｓ１３に対してスピン変換トルクが磁化Ｊ２と平行な方向に付与される場合を例示している。
【００２２】
従来のスピンフィルタでは、アップスピン電子またはダウンスピン電子のいずれか一方を取り除き、他方のみを通過させるので、理論上、スピン偏極電流に存在するスピン偏極電子の数は元の電流に存在する伝導電子の数よりも減ってしまう。このため、従来のスピンフィルタでは、電気抵抗が増加することとなる。ところが、本実施の形態のスピン変換素子１１では、ダウンスピン電子がアップスピン電子に変換され（または、アップスピン電子がダウンスピン電子に変換され）るので、スピン変換素子１１を通過する前後で、伝導電子の総数は（他の阻害要因がない限り）維持されると考えられる。但し、実際には、高保磁力強磁性層２と導電層４に存在する伝導電子との間における強磁性的結合作用の強度により、スピン偏極電子への変換効率が大きく影響を受けるものと予想される。なお、本実施の形態では、スペキュラー層５を設けることによって変換効率を高めるようにしている。
【００２３】
ところで、導電層４における伝導電子のスピン偏極は以下のような理由で生じるものと推測される。
【００２４】
そもそも導電性の磁性体には、磁気モーメントの発生に大きく関わる局在電子と、原子間を自由に動き回る伝導（遍歴）電子とが存在する。磁気モーメントと伝導電子との相互作用の１つとして、ＲＫＫＹ相互作用が知られている。重希土類金属においてキュリー温度以下で発現する強磁性やらせん磁性については、このＲＫＫＹ相互作用によって解釈がなされている。重希土類金属原子の磁気モーメントは、原子またはイオン殻の内側に軌道を有する局在電子である不完全４ｆ電子（以下、単に４ｆ電子）によって主に発生する。４ｆ電子によって生じる局在モーメントは伝導電子との交換相互作用を発現し、局在モーメントの周囲に存在する６ｓ軌道（または５ｄ６ｓ混成軌道）の伝導電子をスピン偏極させる。この結果、４ｆ電子によって生じる局在モーメント同士がスピン偏極した６ｓ軌道（または５ｄ６ｓ混成軌道）の伝導電子を介して強磁性的に結合する（この現象をｓ−ｆ相互作用という。）こととなるので、上記のキュリー温度以下での強磁性やらせん磁性の発現が説明される。このような現象は、重希土類金属に限らず、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）などの鉄属金属単体もしくはこれらの合金からなる鉄属金属薄膜と、非磁性金属薄膜との薄膜積層構造や、マンガン（Ｍｎ）などを含む非磁性金属によって構成される稀薄磁性材料においても同様に生じる。この場合、鉄属金属単体もしくはこれらの合金からなる薄膜の間では、不完全３ｄ電子によって生じる局在モーメント同士が、４ｓ軌道などの伝導電子と相互作用を発現する。一方、非磁性金属によって構成される稀薄磁性材料では、磁性イオン間の距離が大きいので常温では上記のような相互作用は小さいものの、十分に低温な環境下ではやはり同様の相互作用が生じる。これらの結果、４ｓ軌道などの伝導電子がスピン偏極し、３ｄ電子による局在モーメント同士がスピン偏極した４ｓ軌道などの伝導電子を介して強磁性的に結合する。この現象を、ｓ−ｄ相互作用という。
【００２５】
一方で、磁性体に存在する局在モーメント同士は、例えば酸化マンガン（ＭｎＯ）などの反強磁性材料において見られるような超交換相互作用によっても結合される。この超交換相互作用には、ｐ−ｄ相互作用とｓ−ｐ相互作用とが含まれる。ｐ−ｄ相互作用とは、隣り合う磁性原子や磁性イオンが酸素イオンを介して反強磁性的（あるいは強磁性的）に結合する相互作用である。具体的には、介在する酸素イオンの２ｐ軌道の電子が双方の磁性イオン（磁性原子）の３ｄ軌道の電子と混成することにより交換相互作用を形成し、反強磁性や強磁性を発現するものである。ｓ−ｐ相互作用とは、磁性原子や磁性イオンにおける伝導電子と、酸素原子の２ｐ軌道の電子とが混成することで生じるものである。酸素イオンや酸素原子の２ｐ軌道に入ることのできる伝導電子は、パウリの排他律により、局在スピンと逆向きのスピンを有するものに限定される。
【００２６】
スピン変換素子１１では、高保磁力強磁性層２のｄ軌道電子が絶縁層３を介して導電層４の伝導電子と相互作用（ｓ−ｄ相互作用）を生じ、その伝導電子のスピン偏極を促すこととなる。さらに、スピン変換素子１１では、絶縁層３に含まれる酸素原子が局在モーメントの存在しない非磁性材料からなる導電層４と接合するので、ｐ−ｄ相互作用よりもｓ−ｐ相互作用が支配的となり、ｓ−ｐ混成軌道による伝導電子の偏極が誘起される可能性がある。このように、導電層４を通過する伝導電子は、ｓ−ｄ相互作用およびｓ−ｐ相互作用の２つの作用により、スピン偏極を生じるものと考えられる。
【００２７】
続いて、図１，２を参照して、スピン変換素子１１の製造方法について説明する。まず、図示しない基体上に、スパッタリング法などにより、真空環境下でシード層１と高保磁力強磁性層２と例えばアルミニウム層とを所定の厚みとなるように順に積層する。次いで、自然酸化法またはラジカル酸化法などにより酸素雰囲気中でアルミニウム層を酸化処理することで酸化アルミニウムを含む絶縁層３を得る。あるいは、高保磁力強磁性層２の表面を直接、上記のような方法で酸化処理することにより、高保磁力強磁性層２を構成する材料の酸化物を含む絶縁層３を形成するようにしてもよい。こののち、絶縁層３の上に、導電層４とスペキュラー層５とを順に、例えばスパッタリング法によって形成する。さらに、所定の大きさの磁場を付与しながら所定の温度下でアニール処理を施すことにより高保磁力強磁性層２の磁化方向を固着させる。最後に端子Ｔ１，Ｔ２を導電層４の両端と接続するように形成することで、スピン変換素子１１の製造を完了する。
【００２８】
以上説明したように、本実施の形態のスピン変換素子１１によれば、絶縁層３を介して高保磁力強磁性層２と強磁性的に結合した伝導電子を含む導電層４を設けるようにしたので、薄膜化を達成しつつ、スピン偏極電子を従来よりも効率的に生成することができる。特に、導電層４と隣接するように、絶縁層３や高保磁力強磁性層２の反対側にスペキュラー層５を設け、導電層４に存在する伝導電子を反射するようにしたので、導電層４と高保磁力強磁性層２との強磁性的結合による相互作用の効率を十分に高めることができる。よって、スピン偏極電子の、より効率的な生成に有利となる。
【００２９】
＜変形例１＞
続いて、図４を参照して、本実施の形態における第１の変形例としてのスピン変換素子１２について説明する。図４は、スピン変換素子１２の断面構成を表す概略図である。
【００３０】
上記のスピン変換素子１１（図１，２）では、シード層１およびスペキュラー層５を設けるようにしたが、図４に示した本変形例のスピン変換素子１２のように、高保磁力強磁性層２，絶縁層３および導電層４のみによって構成するようにしてもよい。すなわち、高保磁力強磁性層２が自ら磁気的に配向する場合には、シード層１を設けなくともよい。また、高保磁力強磁性層２と導電層４中の伝導電子との間に十分な強度の強磁性的結合が得られる場合には、スペキュラー層５を設けなくともよい。この場合においても、スピン変換素子１１と同様の効果が期待できる。
【００３１】
＜変形例２＞
続いて、図５を参照して、本実施の形態における第２の変形例としてのスピン変換素子１３について説明する。図５は、スピン変換素子１３の断面構成を表す概略図である。
【００３２】
高保磁力強磁性層２，絶縁層３および導電層４を１つのユニットと考えれば、上記のスピン変換素子１１，１２は、単一のユニットによって構成されたものである。これに対し、本変形例としてのスピン変換素子１３は、複数のユニットが積層された構造を有している。具体的には、スピン変換素子１３は、高保磁力強磁性層２１、絶縁層３１および導電層４１からなる第１ユニットＵ１と、高保磁力強磁性層２２、絶縁層３２および導電層４１からなる第２ユニットＵ２と、高保磁力強磁性層２２、絶縁層３３および導電層４２からなる第３ユニットＵ３と、高保磁力強磁性層２３、絶縁層３４および導電層４２からなる第４ユニットＵ４とによって構成されている。より詳細には、図示しない基板の側から、高保磁力強磁性層２１、絶縁層３１、導電層４１、絶縁層３２、高保磁力強磁性層２２、絶縁層３３、導電層４２、絶縁層３４、高保磁力強磁性層２３の順に積層されている。すなわち、高保磁力強磁性層と導電層との間に必ず絶縁層を設けることで、合計４つの強磁性的結合を形成している。なお、導電層４１と導電層４２は、２つの接続部４３によって接続されることで、１つの導電層４として機能するようになっている。
【００３３】
各高保磁力強磁性層２１〜２３は、いずれも単層構造としてもよいが、ここでは反強磁性膜と強磁性膜とが積層された構造としている。具体的には、高保磁力強磁性層２１は、図示しない基板上にシード層２１１を介して反強磁性膜２１２と強磁性膜２１３とが順に積層されたものである。高保磁力強磁性層２２は、反強磁性膜２２２を挟むように２つの強磁性膜２２１，２２３を設けたものである。さらに、高保磁力強磁性層２３は、絶縁層３４の側から順に、強磁性膜２３１と反強磁性膜２３２とキャップ層２３３とを積層したものである。シード層２１１は、例えばニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）からなり、製造段階において反強磁性膜２１２の安定した成長を促し、反強磁性膜２１２の結晶性を高めるように機能する。反強磁性膜２１２，２２２，２３２は、例えばイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性を示す材料からなり、例えばＣｏＦｅによって構成された強磁性膜２１３，２２１，２２３，２３１の磁化方向を一定方向に固着するものである。なお、強磁性層２１３，２２１，２２３，２３１の磁化方向は、全て同じ方向（例えば＋Ｘ方向）を向いている。
【００３４】
このようなスピン変換素子１３によれば、スピン変換素子１１，１２に比べて導電層の断面積の総和が増加することにより、より大きな導電層のコンダクタンスを得ることができる。よって、積層させるユニット数は、所望の電流値、抵抗値に応じて自由に増減させればよい。ただし、各々の導電層の長さは使用する材料で決まるスピン拡散長未満とする必要がある。特に、各高保磁力強磁性層２１〜２３が反強磁性膜と強磁性膜との積層構造を有しているので、この反強磁性膜と交換結合した強磁性膜が導電層４１，４２に含まれる伝導電子と、より強固な強磁性結合を形成することができる。その結果、スピン偏極電子を、極めて効率的に生成可能となる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
次に、図６を参照して、本発明における第２の実施の形態としてのスピン偏極電子射出装置について説明する。図６は、スピン偏極電子射出装置の概略構成図である。
【００３６】
このスピン偏極電子射出装置は、例えば１×１０-8Ｐａ程度の高い真空度に維持されたチャンバの内部に載置されて使用されるものであり、スピン変換素子１４を有するカソード６０と、アノード７０と、カソード６０とアノード７０との間に電圧を印加することでカソード６０からアノード７０へ向けてスピン偏極電子を放出させる駆動部８０とを備えている。
【００３７】
カソード６０は、スピン変換素子１４の両端面を覆うように一対の端子６１，６２を設けたものである。アノード７０と対向する側に設けられた端子６１は、銅などの高導電性材料からなる基部６１Ｂに、アノード７０へ向かうように突出した突起部６１Ｔが設けられたものである。突起部６１Tはタングステン、チタン、モリブデンなどの材料によって構成されている。アノード７０とは反対側に設けられた端子６２は、端子６１の基部６１Ｂと同様、銅などの高導電性材料によって構成されている。スピン変換素子１４は、図示しない基体上にシード層１、低保磁力強磁性層６、絶縁層３、導電層４、スペキュラー層５が順に積層されたものである。さらに、シード層１および低保磁力強磁性層６の両端面を覆うように、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの絶縁性材料からなる絶縁層７Ａ，７Ｂが設けられている。このため、シード層１および低保磁力強磁性層６は一対の端子６１，６２とそれぞれ絶縁されることとなる。スピン変換素子１４における低保磁力強磁性層６と絶縁層７Ａ，７Ｂとを除く他の構成要素は、上記第１の実施の形態のスピン変換素子１１における各構成要素と同様のものである。低保磁力強磁性層６は、外部磁界に応じて磁化Ｊ６の方向が変化する磁化自由層として機能するものであり、例えば、ニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）や鉄コバルト合金（ＦｅＣｏ）などの低保磁力強磁性材料（軟質磁性材料）を主成分とする単層の磁性層である。あるいは、そのような低保磁力強磁性材料を主成分とする磁性層が複数積層された構造であってもよい。
【００３８】
アノード７０は、中央に開口７１を有しており、その内面７２がカソード６０から遠ざかるにしたがって開口７１の中心から外側へ広がるようにテーパ状をなしている。アノード７０は、銅、チタン、モリブデンなどの導電材料によって構成されている。なお、アノード７０と突起部６１Tとの距離やアノード７０の構成材料および形状は、アノード７０と突起部６１Tの間に印加される電界強度と突起部６１Ｔから放出される電子数との関係に大きく関与するので、必要に応じて最適化することが望ましい。
【００３９】
駆動部８０は、端子６２およびアノード７０と接続された電源８１と、電源８１とアノード７０との間に設けられたエミッションメータ８２とを有している。
【００４０】
このスピン偏極電子射出装置は、低保磁力強磁性層６の磁化Ｊ６を、任意の方向（例えば＋Ｒ方向）、またはこれと正反対の方向（−Ｒ方向）のいずれかに固定する磁化方向可変手段９０をさらに備えている。具体的には、電源９１に接続されたコイル９２が通電されることにより、＋Ｒ方向または−Ｒ方向に誘導磁界が発生するようになっている。コイル９２に流れる電流の方向は、変調回路９３によって、矢印９４または矢印９５のいずれかが選択される。したがって、矢印９４の方向に電流がコイル９２の内部を流れると、＋Ｒ方向に誘導磁界が発生するので磁化Ｊ６も＋Ｒ方向へ固定され、反対に矢印９５の方向に電流がコイル９２の内部を流れると、−Ｒ方向に誘導磁界が発生するので磁化Ｊ６も−Ｒ方向へ固定される。
【００４１】
このスピン偏極電子射出装置では、電源８１によってアノード７０とカソード６０との間に電圧を印加すると、突起部６１Ｔとアノード７０との間に強い電界が形成され、エミッションチップとも呼ばれる突起部６１Ｔの先端から電子が放出される。電流等の確認は、エミッションメータ８２によって行う。ここで、磁化Ｊ６の方向が＋Ｒ方向に設定された場合、導電層４を通過する各伝導電子は、例えば磁化Ｊ６の方向（＋Ｒ方向）に沿った電子スピンをそれぞれ有するスピン偏極電子に変換される。一方、磁化Ｊ６の方向を−Ｒ方向に設定すれば、−Ｒ方向に沿った電子スピンをそれぞれ有するスピン偏極電子に変換される。したがって、磁化方向可変手段９０によって低保磁力強磁性層６の磁化Ｊ６の方向を＋Ｒ方向または−Ｒ方向へ固定することにより、所定方向の電子スピンを有するスピン偏極電子を突起部６１Ｔから放出させることができる。
【００４２】
このようなスピン偏極電子射出装置は、例えば磁気記録装置における磁気記録ヘッドとして用いることができる。例えば、カソード６０の突起部６１Ｔからアノード７０の開口７１を通過した延長上に磁気パターンドメディアなどの磁気記録媒体１００を配置し、磁気記録媒体１００の記録ドメインごとに所定方向のスピン偏極電子を注入するようにする。その際、記録信号に応じて磁化方向可変手段９０によって磁化Ｊ６の方向を変化させ、電子スピンの向きを変調させるようにすればよい。その結果、記録信号に応じた磁化方向を有する磁気記録ドメインが形成され、磁気記録媒体１００に磁気情報が記録されることとなる。このような磁気記録装置においては、スピン偏極射出装置と磁気記録ドメインとが適切な間隔で維持された非接触状態としてもよいし、適切な材料（例えば酸化アルミニウム）を介した接触状態としてもよい。
【００４３】
また、スピン偏極電子射出装置では、スピン変換素子１４の周囲を巻回するようにコイル９２を配置したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、低保磁力強磁性層６のみをＰ軸に沿って延伸させ、その延伸部分の周囲を巻回するようにコイル９２を配置することで、Ｐ軸に沿った方向に磁化Ｊ６を揃えることができる。あるいは、例えばスペキュラー層５の上に絶縁層を介して隣接し、かつ、積層面と平行な面内（Ｐ−Ｒ面内）において巻回するようにコイル９２を配置することで、Ｑ軸に沿った方向（スピン変換素子１の積層方向）に磁化Ｊ６を揃えることもできる。このようにすれば、所定の軸方向（図６のＰ軸、Ｑ軸、Ｒ軸のいずれかに沿った方向）の電子スピンを有するスピン偏極電子を突起部６１Ｔから放出させることができる。
【００４４】
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、本実施の形態では、硬質強磁性層の磁化方向を面内方向に固定した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば積層方向（図２のＺ方向）に固定するようにしてもよい。その場合には、シード層によって、硬質強磁性層を、積層方向に沿って磁気的に配向させるようにすればよい。
【００４５】
また、図５（変形例２）には、第１ユニット〜第４ユニットの４つが含まれる構造を例示したが、これに限定されるものではない。積層するユニットの数については必要な電流値や抵抗値に応じて増減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明における第１の実施の形態としてのスピン変換素子１１の構成を示す上面図である。
【図２】図１に示したスピン変換素子１１の断面構成を示す断面図である。
【図３】図１に示したスピン変換素子１１の作用を模式的に説明するための説明図である。
【図４】図１に示したスピン変換素子１１の第１の変形例としてのスピン変換素子１２の構成を示す断面図である。
【図５】図１に示したスピン変換素子１１の第２の変形例としてのスピン変換素子１３の構成を示す断面図である。
【図６】本発明における第２の実施の形態としてのスピン偏極電子射出装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ｓ（Ｓ１１〜Ｓ１３，Ｓ２１〜Ｓ２３）…電子スピン、１…シード層、２…高保磁力強磁性層、３…絶縁層、４…導電層、５…鏡面電子反射層（スペキュラー層）、６…低保磁力強磁性層、７Ａ，７Ｂ…絶縁層、１１〜１４…スピン変換素子、６０…カソード、７０…アノード、８０…駆動部、９０…磁化方向可変手段。
【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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