(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気磁気効果を示す電気磁気材料を含む磁化制御層と、
前記磁化制御層の第１面の磁化と交換結合により磁気的に結合し、前記第１面の磁化に応じた磁気状態を示す磁気結合層と、を備え、
前記磁化制御層は、前記磁気結合層の磁化の向きと反対方向の成分を有する磁化が付与されており、前記磁化制御層全体としては付与された磁化方向の磁化を有する、磁化制御素子。
【請求項２】
前記磁化制御層は、フェリ磁性体又は構成する一部の元素が置換された反強磁性体を含む、請求項１に記載の磁化制御素子。
【請求項３】
前記磁化制御層に付与された磁化が書込み時に発生する磁気エネルギーの大きさは、前記磁化制御層の異方性エネルギーよりも小さい、請求項１又は２のいずれかに記載の磁化制御素子。
【請求項４】
前記磁化制御層と前記磁気結合層との間の交換結合が反強磁性カップリングであり、
前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁化制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と同一である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項５】
前記磁気結合層が、前記磁化制御層側から順に第１強磁性層、中間層及び第２強磁性層を有し、
前記第２強磁性層の磁化の大きさは前記第１強磁性層より大きく、
前記磁化制御層と前記第１強磁性層との間の交換結合が強磁性カップリングであり、
前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁化制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と同一である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項６】
前記磁化制御層と前記磁気結合層との間の交換結合が強磁性カップリングであり、
前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁化制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と反対である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項７】
前記磁気結合層が、前記磁化制御層側から順に第１強磁性層、中間層及び第２強磁性層を有し、
前記第２強磁性層の磁化の大きさは前記第１強磁性層より大きく、
前記磁化制御層と前記第１強磁性層との間の交換結合が反強磁性カップリングであり、
前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁化制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と反対である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項８】
前記磁化制御層が、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオンをドープした材料、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオンをドープした材料を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項９】
前記磁化制御層が、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオンをドープした材料、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオンをドープした材料を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項１０】
前記磁化制御層に磁場を加える磁場印加手段と、前記磁化制御層に電場を加える電場印加手段と、をさらに有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁化制御素子。
【請求項１１】
前記磁場印加手段が前記磁化制御層に加える外部磁場をＨ、前記磁気結合層が受ける交換バイアス磁場をＨｅｘ、前記磁気結合層の厚みをｄＦＭ、前記磁気結合層の磁化の大きさをＭＦＭ、前記磁化制御層の厚みをｄＡＦＭ、前記磁化制御層の磁化の大きさをＭＡＦＭとした際に、
０．７５＜ＭＦＭｄＦＭＨｅｘ／ＭＡＦＭｄＡＦＭＨ＜１．２５の関係が成り立つ、請求項１０に記載の磁化制御素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁化制御素子と、前記磁気結合層の前記磁化制御層と反対側の面に順に設けられた非磁性層及び磁化固定層と、を備える、磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁化制御素子を備える、磁気記録システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、磁化制御素子、磁気メモリ及び磁気記録システムに関する。本願は、２０１７年４月２１日に、日本に出願された特願２０１７−０８４５３６に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【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、及び、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）素子が知られている。これらの素子は、磁気センサ、磁気ヘッド、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用されており、さらに高周波部品や新たな磁気記録システムなどへの応用が期待されている。【０００３】  これらの素子の多くにおいてスピンの向きは、磁場によって制御される。またスピン偏極電流を用いたスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を用いてスピンの向きを制御する方法も実用化されている。また近年、電気磁気効果を利用してスピンの向きを制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９５２０１７５号明細書
【特許文献２】米国特許第８７２４４３４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  特許文献１、２に示す電気磁気制御素子は、電気磁気効果（ＭＥ効果）を利用して反強磁性体内の磁化の向きを制御する。しかしながら、反強磁性体はそれぞれのスピンが全体でモーメントを打ち消すように整列しているため、内部の磁化状態が変化しても、その磁化状態を外部に出力できない。交換結合により磁気的に結合した強磁性体を反強磁性体に隣接させ、反強磁性体の表面の磁化状態を強磁性体に転写すると、磁化状態を読み出すことができる。【０００６】  しかしながら、強磁性体内の磁化が一方向に配向すると、交換結合を介して反強磁性体もその影響を受けてしまう。強磁性体と隣接していない場合はとりうる二つの状態が等価であったのに対し、強磁性体と隣接することで反強磁性体の磁化状態に、安定しやすい状態と安定し難い状態との２状態が形成される。電気磁気制御素子は、これらの２状態間をスイッチングする。つまり、２状態が形成された場合、安定しやすい状態から安定しにくい状態へのスイッチングと、安定しにくい状態から安定しやすい状態へのスイッチングとで、スイッチング時に必要なエネルギー量が異なる。安定なデータ書き込みを行うためには、スイッチング時に要するエネルギーは対称であることが好ましい。【０００７】  本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。第１状態から第２状態に移行する際に要するエネルギーと第２状態から第１状態に移行する際に要するエネルギーの差が少ない、電気磁気効果を利用した磁化制御素子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の態様にかかる磁化制御素子は、電気磁気効果を示す電気磁気材料を含む磁化制御層と、前記磁化制御層の第１面の磁化と交換結合により磁気的に結合し、前記第１面の磁化に応じた磁気状態を示す磁気結合層と、を備え、前記磁化制御層は、前記磁気結合層の磁化の向きと反対方向の成分を有する磁化が付与されており、前記磁化制御層全体として付与された磁化方向の磁化を有する。【００１０】（２）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層は、フェリ磁性体又は構成する一部の元素が置換された反強磁性体を含んでもよい。【００１１】（３）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層に付与された磁化が書込み時に発生する磁気エネルギーの大きさは、前記磁化制御層の異方性エネルギーよりも小さい構成でもよい。【００１２】（４）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層と前記磁気結合層との間の交換結合が反強磁性カップリングであり、前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁気制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と同一であってもよい。【００１３】（５）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁気結合層が、前記磁化制御層側から順に第１強磁性層、中間層及び第２強磁性層を有し、前記第２強磁性層の磁化の大きさは前記第１強磁性層より大きく、前記磁化制御層と前記第１強磁性層との間の交換結合が強磁性カップリングであり、前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁気制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と同一であってもよい。【００１４】（６）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層と前記磁気結合層との間の交換結合が強磁性カップリングであり、前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁気制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と反対であってもよい。【００１５】（７）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁気結合層が、前記磁化制御層側から順に第１強磁性層、中間層及び第２強磁性層を有し、前記第２強磁性層の磁化の大きさは前記第１強磁性層より大きく、前記磁化制御層と第１強磁性層との間の交換結合が反強磁性カップリングであり、前記磁化制御層に付与した磁化方向が、前記磁気制御層の前記磁気結合層側の最表面の磁化方向と反対であってもよい。【００１６】（８）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層が、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオンをドープした材料、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオンをドープした材料を含んでもよい。【００１７】（９）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁化制御層が、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオンをドープした材料、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオンをドープした材料を含んでもよい。【００１８】（１０）上記態様にかかる磁化制御素子は、前記磁化制御層に磁場を加える磁場印加手段と、前記磁化制御層に電場を加える電場印加手段と、をさらに有してもよい。【００１���】（１１）上記態様にかかる磁化制御素子において、前記磁場印加手段が前記磁化制御層に加える外部磁場をＨ、前記磁気結合層が受ける交換バイアス磁場をＨｅｘ、前記磁気結合層の厚みをｄＦＭ、前記磁気結合層の磁化の大きさをＭＦＭ、前記磁化制御層の厚みをｄＡＦＭ、前記磁化制御層の磁化の大きさをＭＡＦＭとした際に、０．７５＜ＭＦＭｄＦＭＨｅｘ／ＭＡＦＭｄＡＦＭＨ＜１．２５の関係が成り立つ構成でもよい。【００２０】（１２）第２の態様にかかる磁気メモリは、上記態様にかかる磁化制御素子と、前記磁気結合層の前記磁化制御層と反対側の面に順に設けられた非磁性層及び磁化固定層と、を備える。【００２１】（１３）第３の態様にかかる磁気記録システムは、上記態様にかかる磁化制御素子を備える。
【発明の効果】
【００２２】  上記態様にかかる磁化制御素子によれば、第１状態から第２状態に移行する際に要するエネルギーと第２状態から第１状態に移行する際に要するエネルギーの差を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態にかかる磁化制御素子の構成を模式的に示した図である。
【図２Ａ】電気磁気効果を示すＣｒ２Ｏ３の結晶構造と、電気磁気結合係数αが正のときにＣｒ原子が示す磁化（スピン）の向きを示した図である。
【図２Ｂ】電気磁気効果を示すＣｒ２Ｏ３の結晶構造と、電気磁気結合係数αが負のときにＣｒ原子が示す磁化（スピン）の向きを示した図である。
【図３】電気磁気材料に印加する電場及び磁場の向きにより電気磁気材料の安定化する磁化状態を示した図である。
【図４Ａ】交換結合が反強磁性カップリングの場合において、第１実施形態にかかる磁化制御素子の磁化制御層と磁気結合層における磁化の状態を模式的に示した図である。
【図４Ｂ】交換結合が強磁性カップリングの場合において、第１実施形態にかかる磁化制御素子の磁化制御層と磁気結合層における磁化の状態を模式的に示した図である。
【図５】第１実施形態にかかる磁化制御素子の動作を模式的に示した図である。
【図６】磁化制御層に磁化を付与していない場合の磁化制御素子の動作を模式的に示した図である。
【図７】磁化制御層に磁化を付与していない場合の磁化制御素子を磁化反転させる際に必要な電界強度を模式的に示した図である。
【図８】第２実施形態にかかる磁化制御素子の動作を模式的に示した図である。
【図９】第３実施形態にかかる磁化制御素子の動作を模式的に示した図である。
【図１０】第４実施形態にかかる磁化制御素子の動作を模式的に示した図である。
【図１１】本実施形態にかかる磁気メモリの断面模式図である。
【図１２】本実施形態にかかる磁気記録システムの断面模式図である。
【図１３Ａ】Ｃｒ２Ｏ３にＦ＋ドメインとＦ−ドメインが０：１００の割合で存在している場合の磁気結合層の磁化状態を異常ホール効果（ＡＨＥ）にて測定した結果である。
【図１３Ｂ】Ｃｒ２Ｏ３にＦ＋ドメインとＦ−ドメインが５０：５０の割合で存在している場合の磁気結合層の磁化状態を異常ホール効果（ＡＨＥ）にて測定した結果である。
【図１３Ｃ】Ｃｒ２Ｏ３にＦ＋ドメインとＦ−ドメインが１００：０の割合で存在しているときの磁気結合層の磁化状態を異常ホール効果（ＡＨＥ）にて測定した結果である。
【図１４】印加する外部磁場が変化した際における等温反転に必要なエネルギーを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】  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。また、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。
【００２５】（磁化制御素子）「第１実施形態」  図１は、第１実施形態にかかる磁化制御素子の構成を模式的に示した図である。図１に示す磁化制御素子１００は、磁化制御層１０と、磁気結合層２０と、を備える。また磁化制御素子１００は、磁化制御層１０に磁場Ｈを加える磁場印加手段（図示略）と、電場Ｅを加える電場印加手段（図示略）と、を備える。
【００２６】「磁化制御層」  磁化制御層１０は、電気磁気効果を示す電気磁気材料を含む。電気磁気効果とは、電場の印加によって物質の磁化が誘起される現象又は磁場の印加によって物質に電気分極が誘起される現象の呼称である。電気磁気効果を示す電気磁気材料としては反強磁性体、フェリ磁性体等が知られており、具体的にはα−Ｃｒ２Ｏ３、酸素の一部をボロンに置換したα−Ｃｒ２Ｏ３−ｘＢｘ、ＹＭｎＯ３、ＢｉＦｅＯ３等が知られている。
【００２７】  図２Ａ及び図２Ｂは、電気磁気効果を示すＣｒ２Ｏ３の結晶構造と、Ｃｒ原子が示す磁化（スピン）の向きを示した図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すようにＣｒ２Ｏ３は、Ｃｒ原子とＯ原子とが積層した結晶構造を示す。以下、積層方向をｚ方向と呼ぶ。
【００２８】  Ｃｒ２Ｏ３は反強磁性体であるため、隣接するＣｒ原子のもつスピンの向きは反対である。それぞれのＣｒ原子のもつスピンは２状態をとることができる。Ｃｒ２Ｏ３がとりうる磁化の状態としては、図２Ａに示す場合と図２Ｂに示す場合との２状態がある。以下、図２Ａに示す状態をＦ＋ドメインと称し、図２Ｂに示す状態をＦ―ドメインと称する。
【００２９】  Ｆ＋ドメインとＦ−ドメインとでは、電気磁気結合係数αの正負が逆である。電気磁気結合係数αは、電場又は磁場を印加した際に、電気磁気材料にどの程度の磁化又は電気分極が発現するかの指標である。印加した電場をＥとすると、発現する磁化ΔＭとの間にはΔＭ＝αＥの関係が成り立ち、印加した磁場をＨとすると、発現する電気分極ΔＰとの間にはΔＰ＝αＨの関係が成り立つ。
【００３０】  Ｃｒ２Ｏ３がＦ＋ドメインとＦ−ドメインとのいずれの状態をとるかは、電気磁気材料に印加する磁場及び電場の向きによって制御される。例えば、＋ｚ方向に電場を印加すると、Ｆ＋ドメインは＋ｚ方向に磁化を発現し、Ｆ−ドメインは−ｚ方向に磁化を発現する。  磁化が発現する方向と同一方向に磁場が印加されていると、Ｃｒ２Ｏ３はよりいずれかの一状態で安定する。換言すると、電場が印加される方向と磁場が印加される方向とが等しい場合はＦ＋ドメインで磁化状態は安定化し、電場が印加される方向と磁場が印加される方向とが異なる場合はＦ−ドメインで磁化状態は安定化する。
【００３１】  ここではＣｒ２Ｏ３の場合を例に説明したが、その他の電気磁気材料においてもこの傾向は同一である。図３は、電気磁気材料に印加する電場及び磁場の向きにより電気磁気材料の安定化する磁化状態を示す。図３に示すように、電気磁気材料を含む磁化制御層１０の磁化状態は、印加する磁場Ｈと印加する電場Ｅの向きによって、Ｆ＋ドメインとＦ−ドメインのいずれの状態をとるかを制御できる。以下特に明記しない場合、電気磁気材料については、Ｆ＋ドメインを基本として記載するものとする。
【００３２】  また本実施形態にかかる磁化制御層１０には磁化が付与されている。磁化を付与する手段は特に問わないが、例えば磁化制御層１０を構成する材料として、フェリ磁性体又は構成する一部の元素が置換された反強磁性体を用いると、磁化制御層１０に磁化が付与される。
【００３３】  フェリ磁性体は、結晶中に反対方向のスピンをもつ２種類の磁性イオンが存在し、互いの磁化の大きさが異なる物質である。そのため、フェリ磁性体全体としては、磁化の大きさが大きいスピンが配向する方向に磁化を持つ。フェリ磁性体としては、例えば、Ｇａ１−ｘＡｌｘＦｅＯ３（０≦ｘ≦１）等を用いることができる。
【００３４】  また構成する一部の元素が置換された反強磁性体も、全体として一方向の磁化を持つ。通常、反強磁性体は、Ｆ＋ドメイン又はＦ−ドメインのいずれの磁化状態を選択した場合でも、隣り合うスピン同士で磁化が打ち消し合うため、全体としては磁化を持たない。しかしながら、元素置換により結晶中のスピンの配向方向を乱すと、隣り合うスピン同士で磁化を充分に打ち消し合うことができなくなり、一方向の磁化が発現する。
【００３５】  構成する一部の元素が置換された反強磁性体において磁化が発現する方向は、置換する元素の大きさによって異なる。
【００３６】  反強磁性体を構成する遷移金属のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属を、反強磁性体にドープして元素置換を行った場合、磁化制御層１０に付与された磁化の方向は、＋ｚ方向に正の電場を印加した際に電気磁気効果で磁化制御層１０内に発現する磁化方向と同一方向となる。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオン（Ａｌ３＋やＴｉ４＋）をドープした場合、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が小さい遷移金属イオン（Ａｌ３＋やＣｏ３＋）をドープした場合はこの場合に該当する。このとき、Ｃｒ２Ｏ３の場合は、非添加状態と比較して、ａ軸とｃ軸の両方が小さくなり格子体積が減少する。
【００３７】  一方で、反強磁性体を構成する遷移金属のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属を、反強磁性体にドープして元素置換を行った場合、磁化制御層１０に付与された磁化の方向は、＋ｚ方向に正の電場を印加した際に電気磁気効果で磁化制御層１０内に発現する磁化方向と反対方向となる。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＣｒ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオン（Ｉｒ３＋）をドープした場合、又は、ＢｉＦｅＯ３にＦｅ３＋のイオン半径よりイオン半径が大きい遷移金属イオン（Ｔｉ４＋やＩｒ３＋）をドープした場合はこの場合に該当する。このとき、Ｃｒ２Ｏ３の場合は、非添加状態と比較して、ａ軸とｃ軸との両方が大きくなり格子体積が増加する。
【００３８】  付与された磁化は、磁気結合層２０の磁化の向きと反対方向の成分を有する。詳細は後述するが、磁気結合層２０の磁化の向きは、磁化制御層１０の磁化状態に応じて変化する。  磁気結合層２０の磁化の向きが変化した場合でも、付与された磁化の向きと磁気結合層２０の磁化の向きとが反対である関係性は維持される。付与された磁化の向きは磁気結合層２０の磁化状態に応じて変化する。
【００３９】  例えば元素置換により磁化を付与した場合、図２Ａに示すＣｒイオンのうち上から３つ目のＣｒイオンの持つ磁化が大きくなることで、磁化制御層１０全体が＋ｚ方向の磁化を持つとする。この場合、図２Ａに示すＦ＋ドメインから図２Ｂに示すＦ−ドメインに状態が変わると、上から３つ目のＣｒイオンの配向方向は−ｚ方向となる。そのため、磁化制御層１０全体が持つ磁化は−ｚ方向となる。つまり、付与された磁化の向きは、磁化制御層１０の磁化状態に応じて変化する。
【００４０】  なお、実際には磁化制御層１０は、元素置換により磁化の配向バランスが変わることで、全体として磁化を持つため、いずれかの磁化の大きさが大きくなるわけではない。しかしながら、Ｆ＋ドメインとＦ−ドメインとの間で磁化状態が変化すると、構成するスピンのもつ磁化の向きも変化する。そのため、付与された磁化の向きが磁化制御層１０の磁化状態に応じて変化することを最も理解しやすい一例として、上記例を用いて説明をした。
【００４１】「磁気結合層」  磁気結合層２０は、磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化と交換結合により磁気的に結合し、第１面１０ａの磁化に応じた磁気状態を示す。図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態にかかる磁化制御素子１００の磁化制御層１０と磁気結合層２０とにおける磁化の状態を模式的に示した図である。交換結合には、図４Ａに示す反強磁性カップリングと図４Ｂに示す強磁性カップリングとがある。
【００４２】  図４Ａに示すように、交換結合が反強磁性カップリングの場合は、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０は、磁化制御層１０の第１面１０ａ近傍の磁化Ｍ１０ａと反対方向に配向する。これに対し図４Ｂに示すように、交換結合が強磁性カップリングの場合は、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０は、磁化制御層１０の第１面１０ａ近傍の磁化Ｍ１０ａと同一方向に配向する。すなわち反強磁性カップリングの場合は、磁気結合層２０は磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化状態を反映し、強磁性カップリングの場合は、磁気結合層２０は磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化状態を転写する。
【００４３】  図４Ａ及び図４Ｂに示すように、磁化制御層１０と磁気結合層２０との間の交換結合が、反強磁性カップリング又は強磁性カップリングのいずれかを把握しておくことで、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０の配向方向から磁化制御層１０の磁化状態がＦ＋ドメインであるかＦ−ドメインであるかを読み出すことができる。すなわち、内部で磁化が打ち消し合っている磁化制御層１０の状態を、磁気結合層２０を隣接することで読み出すことができる。
【００４４】  交換結合が反強磁性カップリングであるか強磁性カップリングであるかは、磁化制御層１０を構成する材料によって変化する。磁化制御層１０が酸化物からなる場合は、反強磁性カップリングを取りやすい方向にある。
【００４５】  磁気結合層２０には、公知の強磁性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。
【００４６】  また磁気結合層２０は一層に限られず、複数層の積層体からなってもよい。例えば、磁化制御層１０側から順に第１強磁性層、中間層及び第２強磁性層から成るシンセティック構造であってもよい。シンセティック構造において第１強磁性層と第２強磁性層の磁化の大きさを調整することで、磁気結合層２０全体の磁化の向きを自由に制御できる。
【００４７】  また磁化制御層１０に付与された磁化の大きさは、外部からの磁場印加のみで磁化制御層１０が反転をおこさないよう、十分に小さな磁化であることが好ましい。具体的には、磁化制御層１０に付与された磁化が書込み時に発生する磁気エネルギーにより、磁化制御層１０の磁化の向きが書き変わらないように、磁化制御層１０を構成する磁化の異方性エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【００４８】  磁化制御層１０に付与された磁化の大きさが大きすぎると、付与された磁化が外部磁場の影響を受けて反転し、その付与された磁化の磁化反転に伴い、磁化制御層１０の各磁化の向きが反転し、Ｆ＋ドメインとＦ−ドメインとが書き換わってしまう場合がある。そのため、電場Ｅと磁化Ｈにより制御すべき磁化制御層１０の磁化状態が磁化Ｈのみで書き換わることになり、磁化制御層１０の磁化状態を安定的に制御することができなくなる。
【００４９】  本来、磁化制御層１０の磁化状態は、電場Ｅと磁場Ｈとを印加することで制御する。このとき、磁化制御層１０に付与された磁化の大きさが磁場のみでの反転を起こせるほど大きい（磁化制御層１０のもつ異方性エネルギーよりも、磁化の大きさに磁場Ｈをかけたものが大きい）と、電場Ｅと磁場Ｈとの関係性に関係なく、磁場Ｈの方向に磁化制御層１０が向いてしまい、安定的なデータの書込みができなくなる。
【００５０】「磁場印加手段」  磁場印加手段は、磁化制御層１０に磁場Ｈを加え、磁化制御層１０の磁化の状態を制御する。磁場印加手段は、磁化制御層１０に磁場Ｈを加えることができれば、特に問わない。例えば、永久磁石、電磁石等を用いることができる。
【００５１】「電場印加手段」  電場印加手段は、磁化制御層１０に電場Ｅを加え、磁化制御層１０の磁化の状態を制御する。電場印加手段は、磁化制御層１０に電場Ｅを加えることができれば、特に問わない。例えば、磁化制御層１０を挟むように電極を配置し、電極間に電位を与えることで磁化制御層１０に電場を加えてもよい。電極は、磁化制御層１０及び磁気結合層２０と接していても離れていてもよい。また磁気結合層２０は導電性を有するため、磁気結合層２０を一方の電極として利用してもよい。
【００５２】「磁化制御素子の動作」  ここまで磁化制御素子１００の構成について説明した。以下、磁化制御素子１００の動作について図５を基に説明する。
【００５３】  図５に示す磁化制御素子１００には磁場Ｈが＋ｚ方向に固定して印加されており、電場Ｅの方向が変化すると、磁化制御層１０の磁化の安定状態がＦ＋ドメインとＦ−ドメインとの間で変化する。ここでは、磁場Ｈを固定した場合を図示したが、電場Ｅを固定して磁場Ｈを変化させてもよい。
【００５４】  磁化制御層１０の磁化状態がＦ＋ドメインの場合は、＋ｚ方向に電場Ｅが印加されることで電気磁気効果により＋ｚ方向に配向した磁化ＭＦ＋が発現する。一方で、磁化制御層１０の磁化状態がＦ−ドメインの場合は、−ｚ方向に電場Ｅが印加されることで電気磁気効果により＋ｚ方向に配向した磁化ＭＦ−が発現する。
【００５５】  磁化制御層１０には、磁化制御層１０に発現する磁化ＭＦ＋と同一方向の磁化Ｍａｄｄが付与されている。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＡｌ３＋又はＴｉ４＋をドープした場合がこの場合に該当する。
【００５６】  図５に示す磁化制御素子１００は、磁化制御層１０と磁気結合層２０との間の交換結合が反強磁性カップリングである。磁気結合層２０の磁化Ｍ２０は、磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化Ｍ１０ａの配向方向と反対方向に配向している。つまり、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄと磁気結合層２０の磁化Ｍ２０とは、反対方向に配向している。
【００５７】  磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄが生み出す磁気エネルギー（ゼーマンエネルギー）は、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から界面を介して与えられる交換結合エネルギーを打ち消す。磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から与えられる交換結合エネルギーを打ち消すと、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。
【００５８】  図６は、磁化制御層１０に磁化を付与していない場合の磁化制御素子１０１の動作を模式的に示した図である。図６に示す磁化制御素子１０１は、磁化制御層１０に磁化が付与されていないため、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から与えられる交換結合エネルギーがそのまま作用する。磁化Ｍ２０が−ｚ方向に配向している場合は、磁化制御層１０に対してＦ＋ドメインをより安定化させるエネルギーが加わり、磁化Ｍ２０が＋ｚ方向に配向している場合は、磁化制御層１０に対してＦ−ドメインをより安定化させるエネルギーが加わる。
【００５９】  磁化制御層１０には、磁化状態を変える際に外部磁場Ｈも印加されている。磁気結合層２０の磁化は、外部磁場Ｈの方向を向こうとする。つまり、磁化制御層１０は、磁気結合層２０から交換結合を介してＦ−ドメインをより安定化させるエネルギーを受けることになる。したがって、外部磁場Ｈに対して反平行に外部電場Ｅを作用させてＦ−ドメインを形成する際には、磁気結合層２０が無い場合よりも、より容易にＦ−ドメインを形成することが可能となる。一方で、磁化制御層１０にＦ＋ドメインを形成する場合は、磁気結合層２０から加えられるエネルギーに逆らって形成する必要があるため、より大きなエネルギーを必要とする。そのため、図６の場合、磁化制御層１０の磁化状態が図視右のＦ−ドメインである方が形成しやすいこととなる。
【００６０】  図７は、磁化制御層１０に磁化を付与していない場合の磁化制御素子１０１を磁化反転させる際に必要な電界強度を模式的に示した図である。上述のように磁化制御層１０の磁化状態はＦ−ドメインである方が安定するため、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーＥ１の絶対値は、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーＥ２の絶対値より大きくなる。つまり、双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量が非対称であり、安定したスイッチング（データ書き込み）を行うことができない。
【００６１】  これに対し、図５に示すように、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄによる磁気エネルギー（ゼーマンエネルギー）により、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から与えられる交換結合エネルギーを打ち消すと、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０が磁化制御層１０に与える影響を除去できる。そのため、磁化制御層１０がいずれかの磁化状態で安定化することが無く、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。
【００６２】  双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量を等しくする際には、磁場印加手段が磁化制御層１０に加える外部磁場をＨ、磁気結合層２０が受ける交換バイアス磁場をＨｅｘ、磁気結合層２０の厚みをｄＦＭ、磁気結合層２０の磁化の大きさをＭＦＭ、磁化制御層１０の厚みをｄＡＦＭ、磁化制御層１０の磁化の大きさをＭＡＦＭとした際に、以下の一般式（１）の関係が成り立つことが好ましい。    ０．７５＜ＭＦＭｄＦＭＨｅｘ／ＭＡＦＭｄＡＦＭＨ＜１．２５  …（１）
【００６３】  磁化制御層１０に交換結合を介して与えられるエネルギーはＭＦＭｄＦＭＨｅｘ／ｄＡＦＭで表記され、付与された磁化ＭａｄｄによるゼーマンエネルギーはＭＡＦＭＨで表される。これらの値が完全に一致する場合に、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄにより磁気結合層２０の磁化Ｍ２０が生み出す磁場は完全に打ち消される。そのため、上記一般式（１）の関係が成り立つ範囲内であれば、十分に双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量を対称にすることができる。
【００６４】  上述のように、第１実施形態にかかる磁化制御素子１００は、磁化制御層１０に所定の方向に配向した磁化Ｍａｄｄを与えることで、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０が生み出す磁場が磁化制御層１０に与える影響を小さくすることができる。その結果、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。つまり、磁化制御素子１００を双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量が対称になり、磁化制御素子１００のスイッチング動作が安定化する。
【００６５】「第２実施形態」  図８は、第２実施形態にかかる磁化制御素子１０２の動作を模式的に示した図である。  第２実施形態にかかる磁化制御素子１０２は、磁化制御層１０と磁気結合層２０との間の交換結合が強磁性カップリングであり、磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向が、磁気制御層１０の磁気結合層２０側の第１面（最表面）１０ａの磁化方向と反対である点が、第２実施形態にかかる磁化制御素子１００と異なる。その他の条件は同一であり、同一の構成には同一の符号を付す。
【００６６】  第２実施形態にかかる磁化制御素子１０２において磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向は、＋ｚ方向に電場Ｅを印加した際に電気磁気効果により磁化制御層１０に発現する磁化方向ＭＦ＋と反対である。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＩｒ３＋ドープした場合がこの場合に該当する。
【００６７】  また図８に示すように、磁化制御素子１０２は、磁化制御層１０と磁気結合層２０との間の交換結合が強磁性カップリングである。そのため、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０は、磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化Ｍ１０ａの配向方向と同一方向に配向している。
【００６８】  磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの磁化方向と、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０の磁化方向とは反対となる。つまり、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄが生み出すゼーマンエネルギーは、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から交換結合を介して与えられるエネルギーを打ち消す。
【００６９】  上述のように、第２実施形態にかかる磁化制御素子１０２は、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０が生み出す磁場によって磁化制御層１０が受ける影響を小さくすることができ、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。つまり、磁化制御素子１０２を双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量が対称になり、磁化制御素子１０２のスイッチング動作が安定化する。
【００７０】「第３実施形態」  図９は、第３実施形態にかかる磁化制御素子１０３の動作を模式的に示した図である。  図９において、第１実施形態にかかる磁化制御素子１００と同一の構成については、同一の符号を付してある。
【００７１】  第３実施形態にかかる磁化制御素子１０３は、磁気結合層２０が第１強磁性層２１、中間層２２及び第２強磁性層２３からなる３層構造になっている点が、第１実施形態にかかる磁化制御素子１００と異なる。また磁化制御層１０と第１強磁性層２１との間の交換結合は反強磁性カップリングであり、磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向は、磁気制御層１０の磁気結合層２０側の第１面（最表面）１０ａの磁化方向と反対である。
【００７２】  磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向は、＋ｚ方向に電場を印加した際に電気磁気効果により磁化制御層１０に発現する磁化ＭＦ＋の方向と反対である。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＩｒ３＋ドープした場合がこの場合に該当する。
【００７３】  また図９に示すように、磁化制御素子１０３は、磁化制御層１０と第１強磁性層２１との間の交換結合は反強磁性カップリングである。そのため、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１は、磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化Ｍ１０ａの配向方向と反対方向に配向している。
【００７４】  磁気結合層２０は、第１強磁性層２１、中間層２２及び第２強磁性層２３からなるシンセティック構造を有する。第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の向きと第２強磁性層２３の磁化Ｍ２３の向きとは、中間層２２を介することで反対方向となる。第２強磁性層２３の磁化の大きさは第１強磁性層２１より大きい。そのため、磁気結合層２０全体の磁化の方向は、第２強磁性層２３と同一方向となる。
【００７５】  磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄの方向と磁気結合層２０全体の磁化の方向とは、反対方向となる。つまり、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄが生み出すゼーマンエネルギーは、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から交換結合を介して与えられるエネルギーを打ち消す。
【００７６】  上述のように、第３実施形態にかかる磁化制御素子１０３は、磁気結合層２０全体が生み出す磁場によって磁化制御層１０が受ける影響を小さくすることができ、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。つまり、磁化制御素子１０３を双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量が対称になり、磁化制御素子１０３のスイッチング動作が安定化する。
【００７７】「第４実施形態」  図１０は、第４実施形態にかかる磁化制御素子１０４の動作を模式的に示した図である。図１０において、第３実施形態にかかる磁化制御素子１０３と同一の構成については、同一の符号を付してある。
【００７８】  第４実施形態にかかる磁化制御素子１０４は、磁化制御層１０と第１強磁性層２１との間の交換結合は強磁性カップリングであり、磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向は、磁気制御層１０の磁気結合層２０側の第１面（最表面）１０ａの磁化方向と同一である。その他の構成は、第３実施形態にかかる磁化制御素子１０３と同一である。
【００７９】  磁化制御層１０に付与した磁化Ｍａｄｄの方向は、＋ｚ方向の電場を印加した際に電気磁気効果により磁化制御層１０に発現する磁化ＭＦ＋の方向と同一である。例えば、Ｃｒ２Ｏ３にＡｌ３＋又はＴｉ４＋をドープした場合がこの場合に該当する。
【００８０】  また図１０に示すように、磁化制御素子１０４は、磁化制御層１０と第１強磁性層２１との間の交換結合は強磁性カップリングである。そのため、第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１は、磁化制御層１０の第１面１０ａの磁化Ｍ１０ａの配向方向と同一方向に配向している。
【００８１】  磁気結合層２０は、第１強磁性層２１、中間層２２及び第２強磁性層２３からなるシンセティック構造を有する。第１強磁性層２１の磁化Ｍ２１の向きと第２強磁性層２３の磁化Ｍ２３の向きとは、中間層２２を介することで反対方向となる。第２強磁性層２３の磁化の大きさは第１強磁性層２１より大きい。そのため、磁気結合層２０全体の磁化の方向は、第２強磁性層２３と同一方向となる。
【００８２】  磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄの方向と磁気結合層２０全体の磁化の方向とは、反対方向となる。つまり、磁化制御層１０に付与された磁化Ｍａｄｄが生み出すゼーマンエネルギーは、磁気結合層２０の磁化Ｍ２０から交換結合を介して与えられるエネルギーを打ち消す。
【００８３】  上述のように、第４実施形態にかかる磁化制御素子１０４は、磁気結合層２０全体が生み出す磁場によって磁化制御層１０が受ける影響を小さくすることができ、Ｆ＋ドメインからＦ−ドメインに移行する際に要するエネルギーと、Ｆ−ドメインからＦ＋ドメインに移行する際に要するエネルギーと、の差を少なくできる。つまり、磁化制御素子１０４を双方向にスイッチングする際に必要なエネルギー量が対称になり、磁化制御素子１０４のスイッチング動作が安定化する。
【００８４】（磁気メモリ）  図１１は、本実施形態にかかる磁気メモリの断面模式図である。図１１に示す磁気メモリ２００は、上述の磁化制御素子と、非磁性層４０と、磁化固定層５０と、を備える。
【００８５】  非磁性層４０及び磁化固定層５０は、磁化制御素子の磁気結合層２０の磁化制御層１０が設けられた面と反対側に、磁気結合層２０側から非磁性層４０、磁化固定層５０の順に設けられている。
【００８６】  磁気メモリ２００は、磁気結合層２０と電極３０の間に電圧を印加することで、磁化制御層１０に電場を加えることができ、磁場印加手段６０により磁化制御層１０に磁場を加えることができる。
【００８７】  磁化制御層１０に電場と磁場とが印加されると、磁化制御層１０の磁化状態が変化する。磁化制御層１０の磁化状態が変化すると、磁気結合層２０の磁化の配向方向が変化する。磁気結合層２０には非磁性層４０を介し磁化固定層５０が設けられ、それらの間の抵抗値変化がモニターされている。磁気結合層２０の磁化の配向方向の変化は、抵抗値変化として出力される。
【００８８】  すなわち、本実施形態にかかる磁気メモリは、抵抗値変化として磁化制御層１０の磁化状態の変化を出力できる。
【００８９】（磁気記録システム）  図１２は、本実施形態にかかる磁気記録システムの断面模式図である。図１２に示す磁気記録システム３００は、上述の磁化制御素子を備える。磁気記録システム３００は、磁気ヘッドと記録媒体とからなる。磁気ヘッドは、電場印加手段８０と磁場印加手段９０とを備える。一方で、記録媒体は、基板７０と、電極３０と、磁化制御層１０と、磁気結合層２０とを備える。
【００９０】  電場印加手段８０と磁場印加手段９０によって電場Ｅと磁場Ｈとが記録媒体に印加されると、磁化制御層１０の磁化状態が変化し、その磁化状態に応じて磁気結合層２０の磁化が配向する。すなわち、記録媒体に印加する電場Ｅと磁場Ｈの方向によって磁気結合層２０の磁化の向きを制御する（データを書き込む）ことができる。磁化の方向は外力を印加されないと書き換わらないため、データは不揮発で保存される。
【００９１】  すなわち、本実施形態にかかる磁気記録システムは、磁気ヘッドから加える電場Ｅと磁場Ｈとの方向によってデータを書き込むことができる。なお、データの読み出しは、例えば磁気ヘッドに磁気抵抗効果素子からなる読み出し部を設け、磁気抵抗効果素子の抵抗値変化として読み出すことができる。
【００９２】  以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【実施例】
【００９３】「実施例１」  実施例１では、磁化制御層に用いることができるＣｒ２Ｏ３の一部の元素を置換した試料の絶縁性、置換により磁化制御層に付与される磁化方向を評価した。【００９４】（実施例１−１）  実施例１−１では、Ｃｒ２Ｏ３のＣｒ３＋イオンの一部をＡｌ３＋イオンに置換した試料を準備した。元素の一部を置換した試料は、所定の組成比をもつＣｒとＡｌの合金ターゲットを用いて、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリングによる成膜で作製した。そして実施例１−１に係る試料の絶縁性と、置換により発生する磁化方向とを測定した。測定結果を表１にまとめた。【００９５】  なお、置換により発生する磁化方向は以下のような手順で求めた。まず置換を行ったＣｒ２Ｏ３に電界・磁界アニーリングを行ない、ドメイン方向がＦ＋のみの状態を形成した。電界・磁界アニーリングとは、ネール温度以上に一度試料を加熱することで、Ｃｒ２Ｏ３の磁化状態をリセットしたのち、外部磁場Ｈと外部電界Ｅを印加しながら試料を冷却することで、Ｆ＋ドメインあるいはＦ−ドメインのみの状態を形成するプロセスである。このとき磁場Ｈと電場Ｅとの関係でどちらのドメインができるかについては、図３に示した通りである。その後、この試料に電場を印加し、発生する磁化の方向及び大きさを求めた。【００９６】  次いで、Ｆ＋ドメインのみの状態のＣｒ２Ｏ３の無電場の状態での磁気特性（磁化の方向および大きさ）を調査することで、電気磁気効果により磁化制御層に発現する磁化の方向と添加された磁化の方向の関係性を求めた。【００９７】（実施例１−２）  実施例１−２では、Ｃｒ２Ｏ３のＣｒ３＋イオンの一部をＴｉ４＋イオンに置換した試料を準備した。そして実施例１−２に係る試料の絶縁性と、置換により発生する磁化方向とを測定した。置換方法、測定方法は、実施例１−１と同等とした。測定結果を表１にまとめた。【００９８】（実施例１−３）  実施例１−３では、Ｃｒ２Ｏ３のＣｒ３＋イオンの一部をＴｉ４＋イオン及びＭｇ２＋に置換した試料を準備した。このとき主添加物がＴｉ４＋、複添加物がＭｇ２＋となるように、添加量を調整した。そして実施例１−３に係る試料の絶縁性と、置換により発生する磁化方向とを測定した。置換方法、測定方法は、実施例１−１と同等とした。測定結果を表１にまとめた。【００９９】（実施例１−４）  実施例１−４では、Ｃｒ２Ｏ３のＣｒ３＋イオンの一部をＩｒ４＋イオンに置換した試料を準備した。そして実施例１−４に係る試料の絶縁性と、置換により発生する磁化方向とを測定した。置換方法、測定方法は、実施例１−１と同等とした。測定結果を表１にまとめた。【０１００】（実施例１−５）  実施例１−５では、ＢｉＦｅＯ３のＦｅ３＋イオンの一部をＡｌ３＋イオンに置換した試料を準備した。元素の一部を置換した試料は、所定の組成比をもつＢｉＦｅ１−ｘＡｌｘＯ３の酸化物ターゲットを用いて、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリングによる成膜で作製した。そして実施例１−５に係る試料の絶縁性と、置換により発生する磁化方向とを測定した。置換方法、測定方法は、実施例１−１と同等とした。測定結果を表１にまとめた。【０１０１】
【表１】
0006766957.tif 000002
【０１０２】  表１において、絶縁性の程度は◎＞○＞△である。また「磁化方向」とは、電気磁気効果により磁化制御層に発現する磁化の方向に対する置換により発生した磁化の方向を意味する。【０１０３】  表１に示すようにＣｒ３＋（イオン半径：０．６１５ｎｍ）よりイオン半径が小さい元素で置換した場合は、置換により発生した磁化の方向は電気磁気効果により磁化制御層に発現する磁化の方向と平行であった。このとき置換したＣｒ２Ｏ３の格子は、未置換のＣｒ２Ｏ３の格子よりも、a軸とc軸とが小さくなっており、格子体積が小さくなっていることが確認されている。一方で、Ｃｒ３＋よりイオン半径が大きい元素で置換した場合は、置換により発生した磁化の方向は、電気磁気効果により磁化制御層に発現する磁化の方向と反平行であった。このとき置換したＣｒ２Ｏ３の格子は、未置換のＣｒ２Ｏ３の格子よりも、特にｃ軸が大きくなっており、格子体積がおおきくなっていることが確認されている。【０１０４】  またＣｒ３＋と価数の異なる元素で置換した場合は絶縁性が低下する傾向にあった。実施例１−３は、Ｃｒ３＋と価数の異なる元素で置換しているが、Ｔｉ４＋とＭｇ２＋とで価数が補償されているため、高い絶縁性を示した。このときＭｇ２＋のイオン半径はＣｒ３＋と比べて大きな値であり、お互いに打ち消すサイズとなっているが、得られたＣｒ２Ｏ３の格子体積が小さくなっていることから、全体としてはイオン半径が小さい元素で置換した場合と同じ方向の効果が得られたものと考えられる。また実施例１−１に示すＡｌ３＋で置換した場合は、磁化制御層の磁気異方性が向上した。【０１０５】またＣｒ２Ｏ３とは異なる材料であるＢｉＦｅＯ３であっても、表１に示すようにＦｅ３＋（イオン半径：０．５５ｎｍ）よりイオン半径が小さい元素であるＡｌ３＋で置換した場合は、置換により発生した磁化の方向は電気磁気効果により磁化制御層に発現する磁化の方向と平行であることが確認された。またＢｉＦｅＯ３では、Ｆｅの価数が３価（３＋）と２価（２＋）との両方を容易にとることができるため、元素添加を行った場合はＣｒ２Ｏ３と比較してより絶縁性が低下する傾向があることが確認された。【０１０６】（実施例２）  実施例２では、実施例１−１に示すＡｌ３＋で置換したＣｒ２Ｏ３を用いた磁化制御素子を作製し、その磁気的挙動を測定した。【０１０７】  まずｃ面サファイア基板上にＤＣスパッタリング法により厚さ２５ｎｍのＰｔ（１１１）を電極として作製した。その上に、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法にて、Ｃｒターゲット、または所定の組成に調整したＣｒとＡｌとの合金ターゲットを用い、基板温度５００℃にて成膜することで、厚さ５００ｎｍのα−Ｃｒ２Ｏ３（００１）薄膜、またはＡｌ置換のα―Ｃｒ２Ｏ３（００１）薄膜からなる磁化制御層を作製した。【０１０８】  そして得られた磁化制御層の上に、Ｒｕからなるスペーサ層を介して、Ｃｏを磁気結合層としてＤＣスパッタリング法にて積層した。スペーサ層は、磁化制御層と磁気結合層との間の交換相互作用の強さを調整するための層である。そして、最後に上部電極層としてＰｔを積層した。その後、Ｒｕ、Ｃｏ、および上部電極層は、測定のために、十字型にパターニングした。【０１０９】  図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃは、磁化制御層の磁化状態を異常ホール効果（ＡＨＥ）にて測定した結果である。図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃは、２８０Ｋの温度下で測定した。図１３Ｂは、Ｃｒ２Ｏ３にＦ＋ドメインとＦ−ドメインが５０：５０の割合で存在している場合の、磁気結合層の磁化曲線を示す図である。図１３Ａは、Ｃｒ２Ｏ３のＦ−ドメインの割合が１００％の場合の、磁気結合層の磁化曲線を示す図である（以下、「ネガティブ状態」という）。図１３Ｃは、Ｃｒ２Ｏ３のＦ＋ドメインの割合が１００％の場合の、磁気結合層の磁化曲線を示す図である（以下、「ポジティブ状態」という）。このように書込み操作後に、磁気結合層の磁化曲線を測定することで、磁化制御層がどれだけ反転しているかを評価することが可能である。【０１１０】  図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示すように、磁化制御層のドメイン状態に応じて、読み出し時のゼロ磁場における磁化の値は正負の異なる値をとることができる。すなわち、外部磁界Ｈと外部電界Ｅを印加した後に、磁気結合層の磁化曲線を測定することで、磁化の配向方向がスイッチングしたかどうかを評価できる。【０１１１】  また図１４は、印加する外部磁場が変化した際における磁化スイッチングに必要なエネルギーを示した図である。図においてＮ→Ｐとは、ネガティブ状態（図１３Ａ）からポジティブ状態（図１３Ｃ）に移行する際の挙動を示し、図においてＰ→Ｎとは、ポジティブ状態（図１３Ｃ）からネガティブ状態（図１３Ａ）に移行する際の挙動を示す。【０１１２】  図１４に示すように、外部磁場の大きさが変化すると、Ｎ→Ｐに必要なエネルギーと、Ｐ→Ｎに必要なエネルギーとが等しくなる。表２は、印加磁場を変えた際に必要なＮ→Ｐに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｎ→Ｐ））、Ｐ→Ｎに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｐ→Ｎ））等を示した表である。以下の表において、絶対値差分は、Ｎ→Ｐに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｎ→Ｐ））とＰ→Ｎに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｐ→Ｎ））との絶対値差分を示し、反転ＥＨは磁化制御層の反転に必要なエネルギーを示す。【０１１３】
【表２】
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【０１１４】  等温環境下において磁化制御層の磁化の反転の駆動力となるエネルギーＷは、Ｗ＝ＷＭＥ＋ＷＥＸ＋ＷＡＦＭの関係が成り立つ。ここで、ＷＭＥは電気磁気効果によって磁化制御層に加わるエネルギーである。ＷＥＸは磁化制御層が交換相互作用により磁気結合層から受けるエネルギーである。ＷＡＦＭは磁化制御層が付与された磁化によるゼーマンエネルギーである。すなわち、ＷＥＸはＭＦＭｄＦＭＨｅｘ／ｄＡＦＭであり、ＷＡＦＭはＭＡＦＭＨである。【０１１５】  実施例２では、ＭＡＦＭ（付与された磁化Ｍａｄｄ）を固定した。そのため、印加した外部磁場の大きさを変えることで、状態変化に必要なエネルギーを変えることができ、Ｎ→Ｐに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｎ→Ｐ））とＰ→Ｎに必要なエネルギー（ＥＨｈａｌｆ（Ｐ→Ｎ））との絶対値差分を小さくできた。また上記の関係からＭＡＦＭ（付与された磁化Ｍａｄｄ）を変化させても、当該絶対値差分を小さくすることができる。
【符号の説明】
【０１１６】１０  磁化制御層１０ａ  第１面２０  磁気結合層２１  第１強磁性層２２  中間層２３  第２強磁性層３０  電極４０  非磁性層５０  磁化固定層６０，９０  磁場印加手段７０  基板８０  電場印加手段１００，１０１，１０２，１０３，１０４  磁化制御素子２００  磁気メモリ３００  磁気記録システム
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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