(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル層と、
前記チャネル層に接し、互いに接しない第１及び第２の磁性電極と、
前記第１の磁性電極に隣接して設けられ、第１の絶縁層を有する第１の介在層と、
前記第１の介在層の前記第１の磁性電極に接する面とは反対の面に接して設けられ、前記第１の磁性電極に磁化転写するための第１の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性電極にそれぞれ接続された第１及び第２の電極と
を具備し、
前記第１及び第２の電極の少なくとも１つは前記第１及び第２の磁性電極の磁化配置によって変化する第１の信号を出力し、
前記第１の磁性層の前記第１の介在層とは異なる面に接して設けられた第２の介在層と、
前記第２の介在層の前記第１の磁性層に接する面とは反対の面に接して設けられた第２の磁性層と、
前記第１及び第２の磁性層にそれぞれ接続され、前記第１の磁性層の磁化方向を制御する第２の信号を供給する第３及び第４の電極と
をさらに具備し、
前記第１の介在層を介した前記第１の磁性電極及び前記第１の磁性層間に働く磁気結合により、前記第１の磁性層の前記磁化方向を前記第１の磁性電極の磁化方向に転写することを特徴とする磁気素子。
【請求項２】
前記第２の信号は前記第１及び第２の磁性層のいずれかに注入されたスピン偏極した電子により供給され、
前記スピン偏極した電子を注入する方向によって前記第１の磁性層の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項３】
前記第２の信号は前記第１及び第２の磁性層間に印加する電圧により供給され、
前記電圧の大きさによって前記第１及び第２の磁性層間の磁気結合を変化させることで、前記第１の磁性層の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項４】
前記第１の介在層は絶縁性磁性体からなり、前記第１の磁性層の前記磁化方向を前記第１の磁性電極の前記磁化方向へ平行に転写することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項５】
前記第１の介在層は絶縁性非磁性体からなり、前記第１の磁性層の前記磁化方向を前記第１の磁性電極の前記磁化方向へ平行又は反平行に転写することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項６】
前記第１の介在層は絶縁性非磁性体からなり、前記第１の磁性層の前記磁化方向を前記第１の磁性電極の前記磁化方向へ反平行に転写することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項７】
前記第１の磁性層の磁化を歳差運動させることで前記第１の磁性層から高周波を発生させ、この高周波により前記第１の磁性電極の前記磁化方向を制御することを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
【請求項８】
前記チャネル層はトンネルバリア層であり、
前記第１及び第２の磁性電極の前記磁化配置により、前記第１の信号となるトンネル電流又は電圧が変化することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項９】
前記チャネル層は金属層であり、
前記チャネル層に接続された第５の電極をさらに具備し、
前記第１の磁性電極及び前記第５の電極間に電流又は電圧を供給することにより前記第２の磁性電極及び前記チャネル層間に前記第１の磁性電極と前記第２磁性電極の磁化配置に応じて発生する電圧又は電流を検出することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項１０】
前記第２の磁性電極と前記チャネル層間に設けられ、酸素、窒素、フッ素のいずれか一種類以上を含む化合物層をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の磁気素子。
【請求項１１】
前記第５の電極は、第１の電極部と第２の電極部とを有し、
前記第１の電極部は、前記第１の磁性電極及び前記第５の電極間に電流又は電圧を供給するときに用いられ、
前記第２の電極部は、前記第２の磁性電極及び前記チャネル層間に前記第１の磁性電極と前記第２磁性電極の磁化配置に応じて発生する電圧又は電流を検出するときに用いられることを特徴とする請求項９乃至１０のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項１２】
前記チャネル層は半導体層であり、この半導体層上に第２の絶縁層を介して設けられたゲート電極をさらに具備し、又は、
前記チャネル層は第３の絶縁層中に導電部が設けられた層であり、前記第３の絶縁層上に設けられたゲート電極をさらに具備する
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項１３】
前記第１の磁性電極は、室温で磁化揺らぎを示す磁性体又は磁性半導体からなることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の磁気素子。
【請求項１４】
前記請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気素子からなる第１及び第２の磁気素子を具備し、
前記第１の磁気素子から出力する前記第１の信号を、前記第２の磁気素子の前記第１の磁性層へ入力することを特徴とする磁気信号処理装置。
【請求項１５】
前記請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気素子を具備し、
前記磁気素子は、
前記第２の磁性電極に磁化転写するための第３の磁性層と、
前記第３の磁性層と前記第２の磁性電極との間に設けられ、第４の絶縁層を含む第３の介在層と
をさらに具備し、
前記第３の介在層を介した前記第２の磁性電極及び前記第３の磁性層間に働く磁気結合により、前記第３の磁性層の磁化方向を前記第２の磁性電極の磁化方向に転写することを特徴とする磁気信号処理装置。
【請求項１６】
前記請求項１５に記載の磁気素子を具備し、
前記第１の磁性層に１又は０の第１の入力信号を入力し、かつ、前記第３の磁性層に０又は１の第２の入力信号を入力することで、排他的論理和又は排他的論理和の反転論理の演算処理を実行し、この実行結果を前記第１の信号として出力することを特徴とする磁気信号処理装置。
【請求項１７】
前記請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の磁気素子を具備し、
前記第１の磁性層に１又は０の入力信号を入力することで、否定又は肯定の演算処理を実行し、この実行結果を前記第１の信号として出力することを特徴とする磁気信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの磁性電極の磁化配置に依存した信号を出力する磁気素子及びこれを用いた磁気信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでのエレクトロニクスでは、電子の自由度として、“電荷”の自由度を使用してきた。これに対し、近年、電子の持つもうひとつの自由度である“スピン”をも積極的に利用したスピンエレクトロニクスと呼ばれる分野が急速に立ち上がりつつある。スピン自由度を用いることで、１素子あたりの機能を増加させ、その結果、各種デバイスの小型化が期待されるとともに、省エネルギー効果が期待される。さらに、スピンの持つ不揮発性も省エネルギー化へ寄与する。
【０００３】
これまで、ＭＯＳＦＥＴ、単一電子トランジスタ（ＳＥＴ）、又は共鳴トンネルトランジスタ等の電極部分を磁性体へ変更することでスピン自由度を付加したスピンＭＯＳＦＥＴ、スピンＳＥＴ、スピン共鳴トランジスタといった各種スピントランジスタが考案されてきた（例えば、非特許文献１，２参照）。また、トンネルバリアの上下に置かれた磁性電極間のＭＲ効果（ＴＭＲ）を利用した信号処理デバイスが提案されてきた（例えば、非特許文献３及び特許文献１参照）。これらは、基本的には２つの磁性電極間でのスピン依存伝導現象に基づくものである。
【０００４】
これらのスピンデバイスにおいて、電極となる磁性体の磁化をどのように制御するかは、デバイス駆動にかかわる最重要課題である。ところが、磁化の制御も含めてデバイスが構築されている例は少ない。その中で、主となっている方法は、非特許文献３に見られるような磁界により磁性体の磁化を制御する方法である。しかしながら、磁界による磁化制御方法では、磁界の性質上、ナノレベル磁性体の選択が困難でありクロストークが発生しやすく、また、サイズが小さくなるほど電力が必要となるなど、素子の小サイズ化・省エネ化が困難と予想されている。これを解決する方法として、特許文献１のスピン注入磁化反転を用いたスイッチングを利用した考案がなされている。しかしながら、特許文献１の場合、磁化反転と信号処理の信号を独立に操作することが難しいため、デバイスの集積化が難しいといった問題点があった。
【非特許文献１】S. Sugawara and M. Tanaka, Appl. Phys. Lett. 84, 2307 (2004)
【非特許文献２】T. Matsuno, S. Sugawara, and M. Tanaka, Jpn. J. APPL. Phys. (2004)
【非特許文献３】A. Ney, et al., Nature, 425 (2003) 485
【特許文献１】特開２００４−００６７７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、微細化を図りつつ、低消費電力で駆動することが可能な磁気素子及びこれを用いた磁気信号処理装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の視点による磁気素子は、チャネル層と、前記チャネル層に接し、互いに接しない第１及び第２の磁性電極と、前記第１の磁性電極に隣接して設けられ、第１の絶縁層を有する第１の介在層と、前記第１の介在層の前記第１の磁性電極に接する面とは反対の面に接して設けられ、前記第１の磁性電極に磁化転写するための第１の磁性層と、前記第１及び第２の磁性電極にそれぞれ接続された第１及び第２の電極とを具備し、前記第１及び第２の電極の少なくとも１つは前記第１及び第２の磁性電極の磁化配置によって変化する第１の信号を出力し、前記第１の磁性層の前記第１の介在層とは異なる面に接して設けられた第２の介在層と、前記第２の介在層の前記第１の磁性層に接する面とは反対の面に接して設けられた第２の磁性層と、前記第１及び第２の磁性層にそれぞれ接続され、前記第１の磁性層の磁化方向を制御する第２の信号を供給する第３及び第４の電極とをさらに具備し、前記第１の介在層を介した前記第１の磁性電極及び前記第１の磁性層間に働く磁気結合により、前記第１の磁性層の前記磁化方向を前記第１の磁性電極の磁化方向に転写する。
【０００７】
本発明の第２の視点による磁気信号処理装置は、前記第１の視点による磁気素子からなる第１及び第２の磁気素子を具備し、前記第１の磁気素子から出力する前記第１の信号を、前記第２の磁気素子の前記第１の磁性層へ入力する。
【０００８】
本発明の第３の視点による磁気信号処理装置は、前記第１の視点による磁気素子を具備し、この磁気素子は、前記第２の磁性電極に磁化転写するための第３の磁性層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性電極との間に設けられ、第４の絶縁層を含む第３の介在層とをさらに具備し、前記第３の介在層を介した前記第２の磁性電極及び前記第３の磁性層間に働く磁気結合により、前記第３の磁性層の磁化方向を前記第２の磁性電極の磁化方向に転写する。
【０００９】
本発明の第４の視点による磁気信号処理装置は、前記第１の視点による磁気素子を具備し、前記第１の磁性層に１又は０の入力信号を入力することで、否定又は肯定の演算処理を実行し、この実行結果を前記第１の信号として出力する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、微細化を図りつつ、低消費電力で駆動することが可能な磁気素子及びこれを用いた磁気信号処理装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
［１］概要
図１は、本発明の例の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。図２Ａは、本発明の例（タイプ１）の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。図２Ｂは、本発明の例（タイプ２）の磁気素子の概要を説明するための模式図を示す。以下に、本発明の例の磁気素子の概要について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本発明の例に係る磁気素子は、チャネル層Ｏと、このチャネル層Ｏに接しかつ互いに接しない磁性電極Ａ，Ｂと、磁性電極Ａに隣接して設けられた絶縁層を有する介在層Ｐと、この介在層Ｐの磁性電極Ａに接する面とは反対の面に接して設けられた磁性層Ｃと、磁性電極Ａに接続された電極Ｈと、磁性電極Ｂに接続された電極Ｊとを具備する。
【００１３】
ここで、電極Ｈ，Ｊの少なくとも一方に電圧又は電流を供給することで、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号を出力する。磁性層Ｃは磁性電極Ａに磁化転写するために用いられ、磁性電極Ａの磁化方向は磁性層Ｃの磁化方向に応じて制御される。
【００１４】
このような本発明の例に係る磁気素子は、例えば、次のようなタイプ１又はタイプ２に分類することが可能である。但し、本発明の例に係る磁気素子の全てがタイプ１又はタイプ２のどちらかに必ずしも分類される訳ではない。
【００１５】
図２Ａに示すように、タイプ１の場合、磁性層Ｃの磁性電極Ａと反対側に磁性層Ｄが設けられ、この磁性層Ｄの磁化方向は固定されている。磁性層Ｃ，Ｄ間には介在層Ｒが設けられ、この介在層Ｒには電極Ｌが接続されている。介在層Ｐは非磁性又は磁性の絶縁層ＩＮからなり、この絶縁層ＩＮを介して磁性電極Ａ及び磁性層Ｃは磁気結合している。
【００１６】
このタイプ１では、磁性層Ｃの磁化情報が絶縁層を有する介在層Pを介して磁気結合により磁性電極Ａに伝達することで、磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａの磁化方向へ転写する。磁性層Ｃの磁化自身もまた反転可能なフリーな状態であり、電極Ｌ，Ｋ間に信号Ｙを供給することで磁性層Ｃの磁化方向が制御される。そして、電極Ｈ，Ｊの少なくとも一方に電圧又は電流を供給することで、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号を出力する。
【００１７】
図２Ｂに示すように、タイプ２の場合、タイプ１で示す磁性層Ｄ及び介在層Ｒは設けてもよいが必ずしも設ける必要はなく、磁性層Ｃの磁化方向は固定されている。絶縁層を有する介在層Ｐは、非磁性層ＮＭからなり、例えば非磁性絶縁層と非磁性金属層の積層膜からなる。
【００１８】
このタイプ２では、電極Ｋ，Ｈ間に信号Ｚを供給することで磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａの磁化方向へ転写する。タイプ２の場合、転写される磁化方向は、信号Ｚの大きさに依存して、磁性層Ｃの磁化方向と磁性電極Ａの磁化方向とが平行又は反平行となる。そして、電極Ｈ，Ｊの少なくとも一方に電圧又は電流を供給することで、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号を出力する。
【００１９】
尚、上記において、タイプ１の磁性層Ｄ及びタイプ２の磁性層Ｃは、磁化方向が固定されていると説明したが、ここでの固定の意味は次の通りである。タイプ１の場合、磁性層Ｃの磁化を反転させるために電極Ｌ，Ｋ間に信号Ｙを供給する間、この条件の下では、磁性層Ｄの磁化が反転しないという意味である。タイプ２の場合、磁性層Ａの磁化を反転させるために電極Ｈ，Ｋ間に信号Ｚを供給する間、この条件の下では、磁性層Ｃの磁化が反転しないという意味である。
【００２０】
但し、タイプ１の磁性層Ｄ及びタイプ２の磁性層Ｃも磁化方向を変化させる場合もある。これは、磁気素子の演算機能を書き換える（リコンフィギュラブルとする）場合であり、この場合については後述する第１０の実施形態で詳説する。
【００２１】
図３Ａは、本発明の例の磁気素子を構造的な観点により分類した図を示す。以下に、本発明の例の磁気素子の構造的な観点による分類の概要を説明する。
【００２２】
図３Ａに示すように、本発明の例のタイプ１，２の磁気素子において、磁性電極Ａ，Ｂの形態は、例えば、ＴＭＲ型、スピン蓄積型、ゲート駆動（ＦＥＴ）型の３種類が存在する。尚、磁性電極Ａ，Ｂの形態はこの３種類に限定されるわけではない。
【００２３】
本発明の例のタイプ１，２の磁気素子において、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置は、例えば、磁性電極Ａ，Ｂのどちらか一方がフリーの場合、磁性電極Ａ，Ｂの両方がフリーの場合の２種類が存在する。ここで、磁性電極Ａ，Ｂがフリーとは、磁性電極Ａ，Ｂの磁化方向が反転可能であることを意味する。
【００２４】
図３Ｂは、本発明の例の磁気素子を作用的な観点により分類した図を示す。以下に、本発明の例の磁気素子の作用的な観点による分類の概要を説明する。
【００２５】
図３Ｂに示すように、本発明の例のタイプ１の磁気素子において、磁性層Ｃの磁化反転方式には、例えば、スピン注入磁化反転方式、電圧制御磁性方式の２種類が存在する。尚、磁性層Ｃの磁化反転方式はこの２種類に限定されるわけではない。
【００２６】
本発明の例のタイプ１の磁気素子において、磁性電極Ａの磁化反転方式は、磁性電極Ａと磁性層Ｃの磁気結合を利用したものである。磁性電極Ａと磁性層Ｃの磁気カップリング方式は、例えば、直接交換結合方式、層間交換結合方式、静磁結合方式、歳差運動方式の４種類が存在する。尚、磁性電極Ａと磁性層Ｃの磁気カップリング方式はこの４種類に限定されるわけではない。
【００２７】
本発明の例のタイプ２の磁気素子において、磁性電極Ａの磁化反転方式は、磁性電極Ａと磁性層Ｃ間に電圧を印加する電圧制御磁性方式である。但し、電圧制御磁性方式に限定されるわけではない。
【００２８】
［２］磁性電極Ａ，Ｂの形態
磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により出力信号を変化させるためには、よく知られている３つの方式、すなわち、［２−１］ＴＭＲ型、［２−２］スピン蓄積型、［２−３］ゲート駆動（ＦＥＴ）型を用いればよい。
【００２９】
［２−１］ＴＭＲ型
図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるＴＭＲ型の磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるＴＭＲ型の磁気素子の概要について説明する。
【００３０】
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＴＭＲ型の場合は、チャネル層Ｏにトンネルバリアとなる絶縁体又は半導体を用い、磁性電極Ａ，Ｂの磁化方向の相対角度により電気抵抗が異なるＴＭＲ効果を用いる。一般的には、磁化が平行時に電極Ｈ，Ｊ間の電気抵抗は最小となり、磁化が反平行時に電極Ｈ，Ｊ間の電気抵抗は最大となる。そして、電極Ｈ，Ｊ間に電圧を印加して電流を出力信号とするか、又は電流を印加して電圧を出力信号とする。
【００３１】
［２−２］スピン蓄積型
図５Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の１つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図５Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の２つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図６Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の１つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図６Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の２つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるスピン蓄積型の磁気素子の概要について説明する。
【００３２】
図５Ａ（ａ）及び（ｂ）、５Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示すように、スピン蓄積型の場合は、チャネル層Ｏに金属を用い、チャネル層Ｏにはさらに電極Ｉ（単数又は複数）を設ける。電極Ｈ又は電極Ｉに電流源（図示せず）を接続し、電極Ｈ，Ｉ間にスピン偏極した電子（以下、スピン偏極電子と称す）ｅを流す。同時に、電極Ｊ，Ｉ間に電圧を印加して出力電圧Ｖｆ，Ｖａｆを得る。この出力電圧Ｖｆ，Ｖａｆは、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置により異なる。尚、電極Ｈ，Ｉ間に電圧を印加して、電極Ｊ，Ｉ間に流す電流を出力とすることも勿論可能である。
【００３３】
図６Ａ（ａ）及び（ｂ）、６Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示すように、チャネル層Ｏと磁性電極Ａ，Ｂとの間に、酸素、窒素、フッ素のいずれか一種類以上を含む化合物層Ｑを設けてもよい。これにより、出力電圧Ｖｆ，Ｖａｆをさらに上げることが可能である。
【００３４】
［２−３］ゲート駆動（ＦＥＴ）型
図７Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるゲート駆動型の半導体層のチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。図７Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるゲート駆動型の絶縁体と伝導体が組み合わさったチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図を示す。以下に、本発明の例によるゲート駆動型の磁気素子の概要について説明する。
【００３５】
図７Ａ（ａ）及び（ｂ）、７Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示すように、ゲート駆動型の場合は、チャネル層Ｏに半導体、又は絶縁体Ｏａと伝導体Ｏｂとの組合せを用いる。ゲート電圧に依存してチャネルが開く。チャネルが開いている時の抵抗は、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置により異なり、平行磁化配置時に抵抗は最小で、反平行時に抵抗は最大となる。
【００３６】
［３］磁性電極Ａの磁化反転方式
［３−１］磁性電極Ａと磁性層Ｃ間の磁気カップリング方式
本発明の例（タイプ１）の磁気素子においては、磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間の磁気結合を利用して、磁性電極Ａの磁化の向きを所望方向へ制御する。この磁気結合として、例えば次の４通りの方式を採用する。
【００３７】
（ａ）直接交換結合方式
図８は、本発明の例に係る強磁性絶縁体からなる介在層Ｐを用いた直接交換結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による直接交換結合方式について説明する。
【００３８】
図８に示すように、直接交換結合方式の場合、介在層Ｐに強磁性絶縁層を用いる。ここでの強磁性には、フェリ磁性も含む。この場合、磁性層Ｃ−介在層Ｐ―磁性電極Ａは、直接交換相互作用により互いに平行に磁気結合し、磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａへ平行に磁化転写することができる。
【００３９】
（ｂ）層間交換結合方式
図９は、本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Ｐを用いた層間交換結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による層間交換結合方式について説明する。
【００４０】
図９に示すように、層間交換結合方式の場合、介在層Ｐに例えば２ｎｍ以下の厚さを有する非磁性絶縁層を用いる。この場合、介在層Ｐ（非磁性絶縁層）を介して負又は正の層間交換相互作用が働き、磁性電極Ａと磁性層Ｃは反強磁性的又は強磁性的に結合する。ここで、介在層Ｐ（非磁性絶縁層）が薄いほど磁気結合は強く、２ｎｍより厚いと結合はほとんど働かない。また、１ｎｍ以下の厚さをもつ非磁性導電層を非磁性絶縁層に隣接して設けてもよい。これにより、磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａの磁化方向へ平行又は反平行に転写する。平行か反平行かは、介在層Ｐの材質と厚さにより決定される。
【００４１】
（ｃ）静磁結合方式
図１０は、本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Ｐを用いた静磁結合方式による磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による静磁結合方式について説明する。
【００４２】
図１０に示すように、介在層Ｐに非磁性絶縁層を用い、静磁結合にて磁性層Ｃと磁性電極Ａを磁気結合させる。この方式は、磁性層Ｃのサイズが小さいときに有効である。これにより、磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａの磁化方向へ反平行になるように磁化転写する。磁性層Ｃのサイズの目安は、２００ｎｍ以下である。これより大きいと、磁性電極Ａに十分な静磁力が働かない。
【００４３】
（ｄ）歳差運動方式
図１１Ａは、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子の模式図を示す。図１１Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子１の模式図を示す。図１１Ｃ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子２の模式図を示す。以下に、本発明の例による高周波を介した歳差運動方式について説明する。
【００４４】
図１１Ｂ（ａ）及び図１１Ｃ（ａ）に示すように、歳差運動方式の場合、磁性層Ｃに介在層Ｒ及び磁化固着された磁性層Ｄを設ける。そして、図１１Ａに示すように、磁性層Ｃ，Ｄ間にスピン偏極電子ｅを流して磁性層Ｃの磁化を歳差運動させ、このときに磁性層Ｃから放出される高周波ＲＦを磁性電極Ａへ吸収させることで、磁性層Ｃと磁性電極Ａの間を歳差運動にて結合させる。この場合、外部磁場を同時に印加すると、より効果的である。
【００４５】
ここで、図１１Ｂ（ａ）の磁気素子１は、介在層Ｒを介して磁性層Ｄと磁性層Ｃ間に負の層間交換相互作用を働かせる場合、又は、磁性層Ｃと磁性層Ｄとが静磁結合する場合である。これらの場合、電流を流さない状態において、磁性層Ｄの磁化と磁性層Ｃの磁化とが反平行の磁化配置である。
【００４６】
この状態においては、図１１Ｂ（ｂ）に示すように、スピン偏極電子ｅが磁性層Ｄから磁性層Ｃに流れるように電流を流すと、ある閾値以上の電流で磁性層Ｃの磁化が歳差運動を起こし、さらにこの歳差運動により高周波ＲＦが発生する。
【００４７】
一方、図１１Ｃ（ａ）の磁気素子２は、介在層Ｒを介して磁性層Ｄと磁性層Ｃ間に正の層間交換相互作用を働かせる場合である。この場合、電流を流さない状態において、磁性層Ｄの磁化と磁性層Ｃの磁化とが平行の磁化配置である。
【００４８】
この状態においては、図１１Ｃ（ｂ）に示すように、スピン偏極電子ｅが磁性層Ｃから磁性層Ｄに流れるように電流を流すと、ある閾値以上の電流で磁性層Ｃの磁化が歳差運動を起こし、さらにこの歳差運動により高周波ＲＦが発生する。
【００４９】
［３−２］電圧制御磁性方式
本発明の例（タイプ２）の磁気素子においては、磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間に印加する電圧を制御することで、磁性電極Ａの磁化の向きを所望方向へ制御する。
【００５０】
図１２（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の例による電圧制御磁性方式を用いた磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の例による電圧制御磁性方式について説明する。
【００５１】
図１２（ａ）に示すように、電圧制御磁性方式の場合、絶縁層を有する介在層Ｐは、非磁性絶縁層からなり、絶縁層と金属層を含む非磁性層ＮＭを用いる。この非磁性層ＮＭとしては、例えば、ＭｇＯ＋Ａｕ、ＭｇＯ＋Ａｇ、ＭｇＯ＋Ｃｒ等があげられる。
【００５２】
電圧制御磁性方式では、電極Ｈ，Ｋ間に印加する電圧によって、磁性電極Ａと磁性層Ｃとの間の磁気結合が図１２（ｄ）に示すように変化することを利用する。つまり、印加電圧を制御することで、磁性電極Ａと磁性層Ｃとの間に正の磁気結合を生じさせたり（図１２（ｂ））、負の磁気結合を生じさせたりする（図１２（ｃ））。これにより、磁性層Ｃの磁化方向を磁性電極Ａの磁化方向へ転写する。
【００５３】
［４］磁性層Ｃの磁化反転方式
本発明の例（タイプ１）による磁性層Ｃの磁化反転方式は、例えば、［４−１］スピン注入磁化反転方式、［４−２］電圧制御磁性方式の２通りある。
【００５４】
［４−１］スピン注入磁化反転方式
図１３（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の例によるスピン注入磁化反転方式の磁気素子を説明するための図を示す。以下に、本発明の例によるスピン注入磁化反転方式について説明する。
【００５５】
図１３（ａ）に示すように、スピン注入磁化反転方式の場合、介在層Ｒは、導電性の材料からなり、低抵抗の金属が望ましい。但し、介在層Ｒの材料は、原理的には、半導体や絶縁体でも可能である。
【００５６】
スピン注入磁化反転方式では、スピン偏極電子ｅを磁性層Ｄから磁性層Ｃへ注入する場合、平行磁化配置となり（図１３（ｂ））、スピン偏極電子ｅを磁性層Ｃから磁性層Ｄへ注入する場合、反平行磁化配置となる（図１３（ｃ））。このように、スピン注入磁化反転方式の場合、磁性層Ｃと磁性層Ｄとの間に注入するスピン偏極電子ｅの向きにより、磁性層Ｃの磁化方向を決定する。
【００５７】
但し、磁性層Ｃと磁性層Ｄとの間に静磁結合がある場合には、弱い電流では反平行のままで、磁性層Ｄから磁性層Ｃへ流す電流を大きくすると、磁化配置が反平行となる。
【００５８】
［４−２］電圧制御磁性方式
図１４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の例による電圧制御磁性方式の磁気素子を説明するための図を示す。以下に、本発明の例による電圧制御磁性方式について説明する。
【００５９】
図１４（ａ）に示すように、電圧制御磁性方式の場合、介在層Ｒは、絶縁層と金属層を含む積層膜を用いる。
【００６０】
電圧制御磁性方式では、電極Ｌ，Ｋ間に印加する電圧によって、磁性層Ｄと磁性層Ｃとの間の磁気結合が図１４（ｄ）に示すように変化することを利用する。つまり、印加電圧の大きさを制御することで、磁性層Ｄと磁性層Ｃとの間に正の磁気結合を生じさせたり（図１４（ｂ））、負の磁気結合を生じさせたりする（図１４（ｃ））。これにより、磁性層Ｃの磁化方向を制御する。
【００６１】
次に、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置に基づく出力変化を検出する様式ごとに、本発明の実施の形態を具体的に説明する。尚、第１乃至第４の実施形態はタイプ１の磁気素子の例であり、第５乃至第８の実施形態はタイプ２の磁気素子の例であり、第９乃至第１２の実施形態はタイプ１又はタイプ２の磁気素子を用いた磁気信号処理装置の例である。
【００６２】
［５］第１の実施形態
第１の実施形態は、タイプ１のＴＭＲ型の磁気素子の例である。
【００６３】
［５−１］構造
図１５Ａ乃至図１５Ｈは、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【００６４】
図１５Ａに示すように、第１の実施形態に係る磁気素子は、トンネルバリア層ＴＢからなるチャネル層Ｏと、このチャネル層Ｏを挟む磁性電極Ａ，Ｂと、磁性電極Ａ側に設けられた磁性層Ｃと、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間に設けられた非磁性又は磁性の絶縁層ＩＮ（介在層Ｐ）と、磁性層Ｃの磁性電極Ａと反対側に設けられた磁性層Ｄと、磁性層Ｃ，Ｄ間に設けられた金属又は絶縁体からなる介在層Ｒと、磁性電極Ａに接続された電極Ｈと、磁性電極Ｂに接続された電極Ｊと、磁性層Ｃに接続された電極Ｋと、磁性層Ｄに接続されたＬとを具備する。
【００６５】
ここで、磁性電極Ａ，Ｂは、互いに接しないで、トンネルバリア層ＴＢの異なる面にそれぞれ接している。磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、磁性層Ｃ，Ｄ、絶縁層ＩＮ、介在層Ｒは、全てＹ方向に積層されている。換言すると、磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、磁性層Ｃ，Ｄ、絶縁層ＩＮ、介在層Ｒが互いに接する面が、全て平行である。磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、磁性層Ｃ，Ｄ、絶縁層ＩＮ、介在層Ｒは、同程度の面積であり、側面も一致している。
【００６６】
磁化方向の基準を設けるため、磁性電極Ｂ及び磁性層Ｄの磁化はそれぞれ固定されている。一方、磁性電極Ａ及び磁性層Ｃの磁化は、反転可能であり、さらに互いに磁気結合している。尚、磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄの磁化方向は、面内磁化膜でも垂直磁化膜でもよい。
【００６７】
磁性層Ｃ及び磁性電極Ａのうち少なくとも一方は、室温にてヒステリシスを示さない磁性体からなることが好ましい。このような磁性体を用いることで、低電力で磁化反転を行うことができる。一方、磁性電極Ｂは、室温にてヒステリシスを示す材料を用いることで、演算処理機能をハード的に書き換えることができる。
【００６８】
電極Ｈ，Ｊを用いて、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号Ｘを出力する。電極Ｋ，Ｌを用いて、磁性層Ｃの磁化の方向を制御する信号Ｙを供給する。ここで、電極Ｈ，Ｊは、磁性電極Ａ，Ｂ間に信号Ｘを供給できるのであれば磁性電極Ａ，Ｂのどの位置に設けてもよいが、図示するように互いに異なる側面に設けることで磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置に応じた信号Ｘの変化の読み取り精度を向上できる。同様に、電極Ｋ，Ｌは、磁性層Ｃ，Ｄ間に信号Ｙを供給できるのであれば磁性層Ｃ，Ｄのどの位置に設けてもよいが、図示するように互いに異なる側面に設けることで磁性層Ｃの磁化方向の制御性を向上できる。
【００６９】
尚、第１の実施形態に係る磁気素子は、図１５Ａの構造に限定されず、例えば以下の図１５Ｂ乃至図１５Ｈの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図１５Ａ乃至図１５Ｈの構造等を組み合わせることも可能である。
【００７０】
図１５Ｂに示すように、Ｙ方向に積層された磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、絶縁層ＩＮ、磁性層Ｃに対して、角度を有して介在層Ｒ及び磁性層ＤをＸ方向に積層してもよい。換言すると、磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、絶縁層ＩＮ、磁性層Ｃが互いに接する面に対して、介在層Ｒ及び磁性層Ｃ，Ｄが互いに接する面が垂直である。このような構造であっても勿論効果は変わらない。
【００７１】
図１５Ｃに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂ側に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。このような構造の場合、磁性層Ｃ，Ｃ’及び磁性電極Ａ，Ｂのうち少なくともいずれかが、室温にてヒステリシスを示さない磁性体からなることが好ましい。
【００７２】
図１５Ｄに示すように、Ｙ方向に積層された磁性電極Ａ、絶縁層ＩＮ、磁性層Ｃ，Ｄ、介在層Ｒに対して、角度を有して磁性電極Ｂ及びトンネルバリア層ＴＢをＸ方向に積層してもよい。さらに、電極Ｌを磁性層Ｄの上面側に設けてもよい。
【００７３】
また、磁性電極Ａ，Ｂの面積が異なっていてもよい。同一素子内で磁性電極Ａ，Ｂの面積を変えると、面積が小さい磁性電極（図１５Ｄの場合磁性電極Ｂ）は、熱揺らぎによりヒステリシスが無くなり、低電力での磁化スイッチングが可能となる。一方、面積が大きい磁性電極（図１５Ｄの場合磁性電極Ａ）は、熱揺らぎを抑えて磁化方向について記録させると、演算処理機能を不揮発でかつソフトにより書き換えることができる。
【００７４】
尚、磁性電極Ａ，Ｂのサイズは、一辺あたり２００ｎｍ以下であることが望ましく、さらに１００ｎｍ以下であることが好ましい。２００ｎｍより大きいと、電流磁界の影響が大きくなり、磁化制御が困難となるからである。
【００７５】
図１５Ｅに示すように、図１５Ｄの構造において、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【００７６】
図１５Ｆに示すように、磁性電極Ｂ及び磁性層Ｄの磁化固着のために、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を磁性電極Ｂ及び磁性層Ｄに接してそれぞれ設けてもよい。ここで、電極Ｌは、磁性層Ｄに設けても反強磁性層Ｓに設けてもよい。電極Ｊは、出力信号Ｘの精度を考慮すると図示するように磁性電極Ｂに設ける方が望ましいが、反強磁性層Ｓ’に設けることも可能である。反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設けることで、一方向磁気異方性が付与され、磁化固着が行われる。尚、磁化固着の方法としては、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設ける以外には、結晶磁気異方性の大きな材料を用いることでも実現できる。
【００７７】
図１５Ｇに示すように、図１５Ｆの構造において、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの下方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。磁性層Ｄ’に接して反強磁性層Ｓ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’及び反強磁性層Ｓ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【００７８】
図１５Ｈに示すように、磁性電極Ａ，Ｂの面内形状は、長方形以外に，菱形、楕円，円形等をとることができる。また、磁性電極Ａ，Ｂ、トンネルバリア層ＴＢ、磁性層Ｃ，Ｄ、絶縁層ＩＮ、介在層Ｒは、全ての側面が一致していなくてもよい。また、絶縁層ＩＮは、磁性電極Ａと磁性層Ｃ間に設けられていれば、磁性電極Ｂ上まで延びていても問題はない。
【００７９】
［５−２］動作
本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図１５Ａの構造の場合の動作について説明する。
【００８０】
第１に、電極Ｌ，Ｋ間に信号Ｙを入力して、磁性層Ｃの磁化を制御する。この磁性層Ｃの磁化の制御方法としては、上述したスピン注入磁化反転方式（図１３）、電圧制御磁性方式（図１４）の２通りある。具体的には、以下のような異なるメカニズムにより、磁性層Ｄに対する磁性層Ｃの磁化の相対的な向きを制御する。
【００８１】
スピン注入磁化反転方式の場合、介在層Ｒには、導電性の物質を用い、低抵抗の金属が特に望ましい。そして、磁性層Ｃと磁性層Ｄの間に流す電流の向きにより、磁性層Ｃの磁化方向を制御する。すなわち、スピン偏極電子が磁性層Ｄから磁性層Ｃへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と平行になり、スピン偏極電子が磁性層Ｃから磁性層Ｄへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と反平行となる。
【００８２】
電圧制御磁性方式の場合、介在層Ｒには、絶縁層と金属層を含む積層膜を用いる。そして、電極Ｌ，Ｋ間に印加する電圧によって磁性層Ｄと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用する。
【００８３】
第２に、上述するように信号Ｙにより磁化方向が制御された磁性層Ｃの磁化情報は、絶縁層ＩＮを介した磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間の磁気結合により（図８乃至図１１Ｃの磁気カップリング方式により）、磁性電極Ａへ転写される。ここで、磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間は絶縁層ＩＮが設けられているため、電気的な信号の干渉を発生させずに磁気情報のみを伝達できる。
【００８４】
第３に、電極Ｈ，Ｊ間に電圧又は電流を印加して（ここでは駆動電圧又は駆動電流とよぶ）、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化するトンネル電流又は電圧（信号Ｘ）を出力する。
【００８５】
［５−３］各要素
次に、磁気素子を構成する各要素（主に材料）について詳述する。
【００８６】
（ａ）磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄ
磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃの材料としては、例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」のいずれかを用いることができる。
【００８７】
また、上述する「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体又は酸化物半導体とからなるものを用いることができる。この磁性半導体は、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏ、Ｃｏ：ＴｉＯなどをあげることができる。
【００８８】
さらに、磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃとして、反強磁性結合した磁性層／非磁性層／磁性層からなる多層膜を用いることもできる。この場合の非磁性層には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）などの非磁性金属層及び反強磁性体を用いることが望ましい。そして、反強磁性結合を得るためには、多層膜中の非磁性層の膜厚は、例えば０．２ｎｍ乃至３ｎｍにすることが望ましい。
【００８９】
磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃは、磁性層を多層化した次のような多層構造を用いることもできる。例えば、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）］からなる２層構造、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）／（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。
【００９０】
さらに、磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃのための室温でヒステリシスを示さない（室温で保磁力をもたない）材料として、室温で磁化揺らぎを示す磁性体又は磁性半導体を用いることができ、材料・サイズ（厚さ、大きさ）・異方性（形を含む）で規定することができる。
【００９１】
ここで、室温にてある時間範囲内で磁化が一定方向に定まらない状態を“磁化が揺らぐ”と呼んでいる。ある時間範囲とは、素子動作にかかわる時間に関係し、具体的には数１０ｓｅｃ以内のことをいう。
【００９２】
磁性電極Ａ，Ｂのサイズ又は磁気異方性にて磁化揺らぎを得るには、磁性電極Ａ，Ｂの磁気異方性をＫｕ、体積をＶとした場合に、ＫｕＶ／ｋＴ＜２０であることが好ましい。ＫｕＶ／ｋＴが２０以上５０以下であると、磁化の揺らぎがゆっくりのため、反転のばらつきが大きくなる。一方、ＫｕＶ／ｋＴが２０未満であると、電流印加時間内で適度な磁化の揺らぎが得られるので、反転電流を小さくかつ高速反転を実現することができる。
【００９３】
磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄにおいて、通常の磁性体を用いた場合のより一般的な面内サイズとしては、長軸方向で２００ｎｍ以下、望ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは数１０ｎｍ程度とすることが好ましい。さらに、膜厚を数ｎｍ以下（＜１０ｎｍ）と薄くしたり、アスペクト比を１に近づけたりすることが好ましい。
【００９４】
例えば、素子サイズを大きくせざるを得ない場合や形状異方性を大きくせざるを得ない場合には、材料自身の選択により特性を実現させる。具体的には、磁性体微粒子が非磁性マトリックス中に分散したグラニュラー膜、又は低飽和磁化材料を用いることが好ましい。
【００９５】
ここで、上述する「磁性体微粒子」としては、例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２，Ｆｅ３Ｏ４，Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」のいずれかの微粒子を用いることができる。ここで、「磁性半導体」としては、上述する通りである。尚、磁性体微粒子のサイズは、１０ｎｍ以下であることが揺らぎを得る上で好ましい。
【００９６】
また、上述する「非磁性マトリックス」としては、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのような非磁性金属、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＺｎＯ，ＭｇＯ，ＴｉＯ，Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，ＡｌＮ，ＭｇＯなどの半導体又は誘電体材料を用いることができる。尚、上記した酸化物、窒化物等においては元素の欠損が一般的には存在するが、そのような誘電体膜であっても問題ない。
【００９７】
磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃにおいて、形状を小さくする又は磁気異方性を小さくすることにより揺らぎを得る場合の材料としては、以下の中から用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【００９８】
例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」のいずれかを用いることができる。ここで、「磁性半導体」としては、上述する通りである。
【００９９】
一方、磁性層Ｄ及び磁化固着された場合の磁性電極Ｂ等の磁化固着部を構成する強磁性材料としては、以下の中から用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【０１００】
例えば、「鉄（Ｆｅ）単体」、「コバルト（Ｃｏ）単体」、「ニッケル（Ｎｉ）単体」、「鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金」、「パーマロイと呼ばれるＮｉＦｅ系合金」、「ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料」、「ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性体酸化物（又はハーフメタル磁性体窒化物）」のいずれかを用いることができる。ここで、「磁性半導体」としては、上述する通りである。
【０１０１】
また、固着部に用いる磁性層は、連続的な磁性体でもよく、又は、非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものをあげることができる。
【０１０２】
また、固着部は、反強磁性結合又は強磁性結合した磁性層／非磁性層／磁性層からなる多層膜で形成してもよい。反強磁性結合した磁性／非磁性／磁性は、漏れ磁場を無くすことができるため、特に好ましい。このような多層膜の非磁性層には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、クロム（Ｃｒ）などの非磁性金属層及び反強磁性体を用いることが望ましい。そして、反強磁性結合又は強磁性結合を得るためには、この非磁性層の膜厚は、例えば０．２ｎｍ乃至３ｎｍにすることが望ましい。
【０１０３】
また、磁性固着部には、上記の磁性層を多層化した次のような多層構造を用いることができる。例えば、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）］からなる２層構造、［（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金、又はＮｉ）／（Ｃｏ又はＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。
【０１０４】
（ｂ）反強磁性層Ｓ
磁性層Ｄや磁性電極Ｂを磁性固着する場合には、反強磁性層Ｓを直接接して設けることで、固定力を増すことができる。この場合の反強磁性層Ｓの材料としては、鉄マンガン（ＦｅＭｎ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）、パラジウム・マンガン（ＰｄＭｎ）、パラジウム白金マンガン（ＰｄＰｔＭｎ）などを用いることが望ましい。
【０１０５】
（ｃ）介在層Ｒ
図１２Ａに示したスピン注入磁化反転方式で磁性層Ｃの磁化を制御する場合には、介在層Ｒとしては、低抵抗材料が望ましい。この低抵抗材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種以上を含む合金などがあげられる。介在層Ｒの厚さは、例えば１ｎｍ乃至６０ｎｍ程度であれば、磁化反転の効果を得ることができる。
【０１０６】
一方、図１２Ｂに示した電圧制御磁性方式で磁性層Ｃの磁化を制御する場合には、介在層Ｒの材料としては、絶縁層、又は、絶縁層と金属層との積層膜を用いることが望ましい。絶縁層と金属層との積層膜の組み合わせとしては、例えば、ＭｇＯ＋Ａｕ、ＭｇＯ＋Ａｇ、ＭｇＯ＋Ｃｒなどがあげられる。
【０１０７】
（ｄ）トンネルバリア層ＴＢ
第１の実施形態の場合、チャネル層Ｏには、非磁性のトンネルバリアとなる材料を用いると高い出力を得ることができる。このようなトンネルバリア層ＴＢの材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなる絶縁体、ＧａＡｌＡｓなどのギャップが大きな半導体をあげることができる。また、前記絶縁体にピンホールが形成され、そのピンホールに磁性層が進入したナノコンタクトＭＲ材料や、そのピンホールにＣｕが侵入したＣＣＰ（Current-Perpendicular-to-Plane）−ＣＣＰ−ＭＲ（Magneto-Resistance effect）材料を用いることによっても、大きな再生出力を得ることができる。トンネルバリア層ＴＢの厚さは、例えば０．２ｎｍ乃至２ｎｍとすることが、信号再生上は望ましい。後者のナノコンタクトＭＲ及びＣＣＰ−ＣＰＰ−ＭＲの場合、そのトンネルバリア層ＴＢの厚さは例えば０．４ｎｍ乃至４０ｎｍの範囲内であることが望ましい。
【０１０８】
（ｅ）絶縁層ＩＮ
絶縁層ＩＮには、磁性電極Ａと磁性層Ｃの磁気結合の方式に応じて、磁性絶縁層又は非磁性絶縁層を用いることができる。
【０１０９】
図８に示した直接交換結合方式の場合には、磁性絶縁層を用いる。この磁性絶縁層としては、ＭｎＦｅ２Ｏ４などのスピネル型フェライトや六方晶フェライトをはじめとしたＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒのいずれかを含む酸化物磁性体、又はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｃｒのいずれかを含む窒化物磁性体、フッ化物磁性体を用いることができる。
【０１１０】
図９に示した層間交換結合方式の場合には、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む非磁性酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔｉ−Ｏ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなる単結晶又は多結晶の非磁性絶縁体を用いる。また、ＧａＡｌＡｓなどのギャップが大きな結晶質の半導体を用いることができる。
【０１１１】
図１０に示した静磁結合方式の場合には、前述の単結晶・多結晶と同様に、ＭｇＯ，Ｔｉ−Ｏなどの単結晶又は多結晶の非磁性絶縁体、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む非磁性酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなるアモルファス絶縁体を用いることができる。また、ＧａＡｌＡｓなどのギャップが大きな結晶質の半導体を用いることができる。
【０１１２】
尚、磁性電極Ａ，Ｂと磁性層Ｃの間に働く層間交換相互作用に静磁結合を加味して結合力を増して使用することもできる。
【０１１３】
図１１Ａ乃至１１Ｃに示した高周波を介した歳差運動方式の場合には、静磁結合させる場合と同様の絶縁体を用いることができる。
【０１１４】
尚、ここで言う絶縁体とは、ポテンシャルバリアが形成される材料を指し、これにより磁性電極Ａと磁性層Ｃとの間で電気的なアイソレーションを行うためのものである。絶縁層が１ｎｍ以下と薄い場合、もしくは絶縁体を構成する酸素，窒素，フッ素等が化学両論的組成から外れた場合にはアイソレーションの程度が悪くなるが、その場合には、動作に影響がないアイソレーションの程度の材料を用いることが好ましい。
【０１１５】
（ｆ）電極Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌ
電極Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌの材料は、それが接続している磁性電極又は磁性層と同じ材料でも異なる材料でもよい。同じ材料を用いる場合には、電極形成が容易となる利点がある。一方、異なる材料を用いる場合には、低抵抗の金属材料からなることが好ましい。例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。
【０１１６】
以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、磁化スイッチングと信号処理の干渉がなく、これらを同時に処理することが可能である。そして、微細化を図りつつ、低消費電力で駆動することができる磁気素子を提供することができる。
【０１１７】
［６］第２の実施形態
第２の実施形態は、タイプ１のスピン蓄積型の磁気素子の例である。この第２の実施形態では、磁性電極Ａ，Ｂ間の出力信号を得る手段として、スピン蓄積効果による電圧発生を用いている。
【０１１８】
［６−１］構造
図１６Ａ乃至図１６Ｄは、本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０１１９】
図１６Ａに示すように、第２の実施形態に係る磁気素子において、第１の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏに金属層を用いる点と、このチャネル層Ｏに電極Ｉ１，Ｉ２が接続されている点である。
【０１２０】
具体的には、金属からなるチャネル層Ｏに接して磁性電極Ａ，Ｂがそれぞれ設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、チャネル層Ｏの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性又は磁性の絶縁層ＩＮ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性層Ｃの磁性電極Ａと反対側には磁性層Ｄが設けられ、磁性層Ｃ，Ｄ間には金属又は絶縁体からなる介在層Ｒが設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄには電極Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌがそれぞれ接続されている。チャネル層Ｏには電極Ｉ１，Ｉ２がそれぞれ接続されている。
【０１２１】
ここで、電極Ｈ，Ｉ１を用いて、磁性電極Ａ及びチャネル層Ｏ間に電流（信号Ｘ１）を供給する。電極Ｊ，Ｉ２を用いて、磁性電極Ｂ及びチャネル層Ｏ間に発生する出力電圧（信号Ｘ２）を素子外部へ取り出す。電極Ｋ，Ｌを用いて、磁性層Ｃの磁化方向を制御するための信号Ｙを供給する。
【０１２２】
尚、第２の実施形態に係る磁気素子は、図１６Ａの構造に限定されず、例えば以下の図１６Ｂ乃至図１６Ｄの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図１６Ａ乃至図１６Ｄの構造等を組み合わせることも可能である。
【０１２３】
図１６Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【０１２４】
図１６Ｃに示すように、チャネル層Ｏに接続する電極Ｉを一つにしてもよい。この場合、この電極Ｉは、電極Ｈ，Ｉ間の信号Ｘ１の供給と電極Ｊ，Ｉ間の信号Ｘ２の供給とに共通して用いられる。
【０１２５】
図１６Ｄに示すように、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化固着のために、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を磁性層Ｄ，Ｄ’に接してそれぞれ設けてもよい。ここで、電極Ｌは、磁性層Ｄに設けても反強磁性層Ｓに設けてもよい。電極Ｌ’は、磁性層Ｄ’に設けても反強磁性層Ｓ’に設けてもよい。反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設けることで、一方向磁気異方性が付与され、磁化固着が行われる。尚、磁化固着の方法としては、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設ける以外には、結晶磁気異方性の大きな材料を用いることでも実現できる。
【０１２６】
［６−２］動作
本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図１６Ａの構造の場合の動作について説明する。
【０１２７】
第１に、電極Ｌ，Ｋ間に信号Ｙを入力して、磁性層Ｃの磁化を制御する。この磁性層Ｃの磁化の制御方法としては、上述したスピン注入磁化反転方式（図１３）、電圧制御磁性方式（図１４）の２通りある。具体的には、以下のような異なるメカニズムにより、磁性層Ｄに対する磁性層Ｃの磁化の相対的な向きを制御する。
【０１２８】
スピン注入磁化反転方式の場合、介在層Ｒには、導電性の物質を用い、低抵抗の金属が特に望ましい。そして、磁性層Ｃと磁性層Ｄの間に流す電流の向きにより、磁性層Ｃの磁化方向を制御する。すなわち、スピン偏極電子が磁性層Ｄから磁性層Ｃへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と平行になり、スピン偏極電子が磁性層Ｃから磁性層Ｄへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と反平行となる。
【０１２９】
電圧制御磁性方式の場合、介在層Ｒには、絶縁層と金属層を含む積層膜を用いる。そして、電極Ｌ，Ｋ間に印加する電圧によって磁性層Ｄと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用する。
【０１３０】
第２に、上述するように信号Ｙにより磁化方向が制御された磁性層Ｃの磁化情報は、絶縁層ＩＮを介した磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間の磁気結合により（図８乃至図１１Ｃの磁気カップリング方式により）、磁性電極Ａへ転写される。但し、磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間は絶縁層ＩＮが設けられているため、電気的な信号の干渉を発生させずに磁気情報のみを伝達できる。
【０１３１】
第３に、電極Ｈ，Ｉ１間に駆動電流（信号Ｘ１）を流してスピン蓄積効果を生じさせ、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化する電極Ｊ，Ｉ２間の電圧（信号Ｘ２）を出力する。具体的には、例えば１ｍＡの駆動電流の供給により生じたスピン偏極電子が金属チャネル層Ｏに蓄積し、この蓄積されたスピン偏極電子が磁性電極Ｂの磁化に寄与する。これにより、磁性電極Ｂと金属チャネル層Ｏ間の化学ポテンシャルが変化する。ここで、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置が平行時と反平行時とで、磁性電極Ｂと金属チャネル層Ｏ間の出力電圧は、例えば＋３０μＶ又は−３０μＶとバイポーラに、あるいは＋１２μＶと＋３μＶと異なる値に変化する。
【０１３２】
［６−３］各要素
次に、素子を構成する各要素（主に材料）について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第１の実施形態と同様である。
【０１３３】
（ａ）チャネル層Ｏ
第２の実施形態に係るチャネル層Ｏは、導電性の高い金属層を用いることが望ましい。具体的には、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。尚、このチャネル層Ｏに接した磁性電極Ａ，Ｂ間の距離は、金属中のスピン拡散の長さより短いことが望ましい。
【０１３４】
（ｂ）電極Ｉ１，Ｉ２
電極Ｉ１，Ｉ２の材料は、この電極Ｉ１，Ｉ２が接続しているチャネル層Ｏと同じ材料でも異なる材料でもよい。同じ材料を用いる場合には、電極形成が容易となる利点がある。一方、異なる材料を用いる場合には、低抵抗の金属材料からなることが好ましい。例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。
【０１３５】
以上のように、本発明の第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３６】
［７］第３の実施形態
第３の実施形態は、第２の実施形態と同様に、タイプ１のスピン蓄積型の磁気素子の例である。さらに、第３の実施形態では、化合物層を設けている。
【０１３７】
［７−１］構造
図１７Ａ乃至図１７Ｄは、本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０１３８】
図１７Ａに示すように、第３の実施形態に係る磁気素子において、第２の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏと磁性電極Ａ，Ｂとの間に化合物層Ｑを設けている点である。
【０１３９】
具体的には、金属からなるチャネル層Ｏに接して酸素，窒素，フッ素のいずれか一種類以上を含む化合物層Ｑが設けられている。そして、化合物層Ｑに接して磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、化合物層Ｑの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性又は磁性の絶縁層ＩＮ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性層Ｃの磁性電極Ａと反対側には磁性層Ｄが設けられ、磁性層Ｃ，Ｄ間には金属又は絶縁体からなる介在層Ｒが設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄには電極Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌがそれぞれ接続されている。チャネル層Ｏには電極Ｉ１，Ｉ２が接続されている。
【０１４０】
ここで、電極Ｈ，Ｉ１を用いて、磁性電極Ａ及びチャネル層Ｏ間に電流（信号Ｘ１）を供給する。電極Ｊ，Ｉ２を用いて、磁性電極Ｂ及びチャネル層Ｏ間に発生する出力電圧（信号Ｘ２）を素子外部へ取り出す。電極Ｋ，Ｌを用いて、磁性層Ｃの磁化方向を制御するための信号Ｙを供給する。
【０１４１】
尚、第３の実施形態に係る磁気素子は、図１７Ａの構造に限定されず、例えば以下の図１７Ｂ乃至図１７Ｄの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図１７Ａ乃至図１７Ｂの構造等を組み合わせることも可能である。
【０１４２】
図１７Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【０１４３】
図１７Ｃに示すように、チャネル層Ｏに接続する電極Ｉを一つにしてもよい。この場合、この電極Ｉは、電極Ｈ，Ｉ間の信号Ｘ１の供給と電極Ｊ，Ｉ間の信号Ｘ２の供給とに共通して用いられる。さらに、化合物層Ｑは、磁性電極Ｂとチャネル層Ｏとの間にのみ設けてもよい。このように、出力側にのみ化合物層Ｑを挿入すると、消費電力を増加させずに出力電圧を大きくすることができる。
【０１４４】
図１７Ｄに示すように、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化固着のために、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を磁性層Ｄ，Ｄ’に接してそれぞれ設けてもよい。ここで、電極Ｌは、磁性層Ｄに設けても反強磁性層Ｓに設けてもよい。電極Ｌ’は、磁性層Ｄ’に設けても反強磁性層Ｓ’に設けてもよい。反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設けることで、一方向磁気異方性が付与され、磁化固着が行われる。尚、磁化固着の方法としては、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設ける以外には、結晶磁気異方性の大きな材料を用いることでも実現できる。
【０１４５】
［７−２］動作
本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の動作は、上記第２の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【０１４６】
［７−３］各要素
次に、素子を構成する各要素（主に材料）について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第１及び第２の実施形態と同様である。
【０１４７】
（ａ）化合物層Ｑ
化合物層Ｑの材料としては，アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなる材料を用いることができる。
【０１４８】
以上のように、本発明の第３の実施形態によれば、上記第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、化合物層Ｑを設けることで、出力電圧を大きくすることが可能である。
【０１４９】
［８］第４の実施形態
第４の実施形態は、タイプ１のゲート駆動型の磁気素子の例である。
【０１５０】
［８−１］構造
図１８Ａ乃至図１８Ｄは、本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０１５１】
図１８Ａに示すように、第４の実施形態に係る磁気素子において、第１の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏに半導体層を用いる点とこのチャネル層Ｏにゲート電極Ｇが設けられている点である。
【０１５２】
具体的には、半導体からなるチャネル層Ｏの上方には、チャネル層Ｏと絶縁してゲート電極Ｇが設けられている。このゲート電極Ｇの両側には、ソース、ドレインとしてそれぞれ機能する磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、チャネル層Ｏに接してチャネル層Ｏの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性又は磁性の絶縁層ＩＮ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性層Ｃの磁性電極Ａと反対側には磁性層Ｄが設けられ、磁性層Ｃ，Ｄ間には金属又は絶縁体からなる介在層Ｒが設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃ，Ｄには電極Ｈ，Ｊ，Ｋ，Ｌがそれぞれ接続されている。
【０１５３】
ここで、ゲート電極Ｇに電圧を印加することでチャネルを開き、電極Ｈ，Ｊを用いて磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号Ｘを出力する。電極Ｋ，Ｌを用いて、磁性層Ｃの磁化の方向を制御する信号Ｙを供給する。
【０１５４】
尚、第４の実施形態に係る磁気素子は、図１８Ａの構造に限定されず、例えば以下の図１８Ｂ乃至図１８Ｄの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図１８Ａ乃至図１８Ｄの構造等を組み合わせることも可能である。
【０１５５】
図１８Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【０１５６】
図１８Ｃに示すように、チャネル層Ｏは、絶縁体Ｏａ中に導電性アイランド部Ｏｂが設けられていてもよい。導電性アイランド部Ｏｂは、半導体又は金属からなる。このような素子は、単電子トランジスタとなる。
【０１５７】
図１８Ｄに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であり、各層を一方向（Ｙ方向）に積層してもよい。この場合、磁性電極Ｂの下方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。さらに、磁性層Ｃ’の磁性電極Ｂと反対側に磁性層Ｄ’が設けられ、磁性層Ｃ’，Ｄ’間に介在層Ｒ’が設けられる。そして、磁性層Ｃ’，Ｄ’に電極Ｋ’，Ｌ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｌ’は、磁性層Ｃ’の磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。また、チャンネル層Ｏに対して、２つのゲート電極Ｇ，Ｇ’を設けることも可能である。
【０１５８】
［８−２］動作
本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図１８Ａの構造の場合の動作について説明する。尚、本実施形態では、ゲート電極Ｇへの入力と電極Ｌ，Ｋ間への入力の２系統の入力系統を用いることができる。
【０１５９】
第１に、電極Ｌ，Ｋ間に信号Ｙを入力して、磁性層Ｃの磁化を制御する。この磁性層Ｃの磁化の制御方法としては、上述したスピン注入磁化反転方式（図１３）、電圧制御磁性方式（図１４）の２通りある。具体的には、以下のような異なるメカニズムにより、磁性層Ｄに対する磁性層Ｃの磁化の相対的な向きを制御する。
【０１６０】
スピン注入磁化反転方式の場合、介在層Ｒには、導電性の物質を用い、低抵抗の金属が特に望ましい。そして、磁性層Ｃと磁性層Ｄの間に流す電流の向きにより、磁性層Ｃの磁化方向を制御する。すなわち、スピン偏極電子が磁性層Ｄから磁性層Ｃへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と平行になり、スピン偏極電子が磁性層Ｃから磁性層Ｄへ注入される場合には、磁性層Ｃの磁化は磁性層Ｄの磁化と反平行となる。
【０１６１】
電圧制御磁性方式の場合、介在層Ｒには、絶縁層と金属層を含む積層膜を用いる。そして、電極Ｌ，Ｋ間に印加する電圧によって磁性層Ｄと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用する。
【０１６２】
第２に、上述するように信号Ｙにより磁化方向が制御された磁性層Ｃの磁化情報は、絶縁層ＩＮを介した磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間の磁気結合により（図８乃至図１１Ｃの磁気カップリング方式により）、磁性電極Ａへ転写される。但し、磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間は絶縁層ＩＮが設けられているため、電気的な信号の干渉を発生させずに磁気情報のみを伝達できる。
【０１６３】
第３に、ゲート電圧駆動は通常のＦＥＴと同様に、ゲート電極Ｇに所定の電圧を印加することでチャネルを開き、磁性電極Ａ，Ｂ間に流れる電流（信号Ｘ）を電極Ｈ，Ｊを用いて出力する。この電流の値は、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化する。
【０１６４】
［８−３］各要素
次に、素子を構成する各要素（主に材料）について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第１の実施形態と同様である。
【０１６５】
（ａ）チャネル層Ｏ（第４，８の実施の形態に共通）
チャネル層Ｏの材料としては、例えばシリコン（Ｓｉ）等の通常の半導体を用いる。
【０１６６】
尚、例えば図１８Ｃの構造の場合は、チャネル層Ｏの材料として、絶縁体Ｏａで周囲が囲まれた導電性アイランド部Ｏｂを用いるとよい。
【０１６７】
（ｂ）ゲート電極Ｇ
ゲート電極Ｇの材料としては、導電性材料を用いることができ、ポリシリコン，ニッケルシリサイド等の金属シリサイド等を用いることができる。
【０１６８】
以上のように、本発明の第４の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１６９】
［９］第５の実施形態
第５の実施形態は、タイプ２のＴＭＲ型の磁気素子の例である。
【０１７０】
［９−１］構造
図１９Ａ乃至図１９Ｅは、本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０１７１】
図１９Ａに示すように、第５の実施形態に係る磁気素子において、第１の実施形態との大きな違いは、図１５Ａの磁性層Ｄ及び介在層Ｒが無く、磁性層Ｃの磁化方向が固定されている点と、介在層Ｐが非磁性層ＮＭである点である。
【０１７２】
具体的には、チャネル層Ｏであるトンネルバリア層ＴＢを挟んで磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、トンネルバリア層ＴＢの異なる面上に配置され、互いに接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性層ＮＭ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃには電極Ｈ，Ｊ，Ｋがそれぞれ接続されている。
【０１７３】
ここで、電極Ｈ，Ｊを用いて、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号Ｘを出力する。電極Ｈ，Ｋを用いて、磁性電極Ａの磁化方向を制御する信号Ｚを供給する。
【０１７４】
尚、第５の実施形態に係る磁気素子は、図１９Ａの構造に限定されず、例えば以下の図１９Ｂ乃至図１９Ｅの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図１９Ａ乃至図１９Ｅの構造等を組み合わせることも可能である。
【０１７５】
図１９Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂ側に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。
【０１７６】
図１９Ｃに示すように、磁性電極Ｂ及び磁性層Ｃの磁化固着のために、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を磁性電極Ｂ及び磁性層Ｃに接してそれぞれ設けてもよい。ここで、電極Ｋは、磁性層Ｃに設けても反強磁性層Ｓに設けてもよい。電極Ｊは、磁性電極Ｂに設けても反強磁性層Ｓ’に設けてもよい。反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設けることで、一方向磁気異方性が付与され、磁化固着が行われる。尚、磁化固着の方法としては、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設ける以外には、結晶磁気異方性の大きな材料を用いることでも実現できる。
【０１７７】
図１９Ｄに示すように、Ｙ方向に積層された磁性電極Ａ、非磁性層ＮＭ、磁性層Ｃに対して、角度を有して磁性電極Ｂ及びトンネルバリア層ＴＢをＸ方向に積層してもよい。
【０１７８】
図１９Ｅに示すように、図１９Ｄの構造において、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。
【０１７９】
［９−２］動作
本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図１９Ａの構造の場合の動作について説明する。
【０１８０】
第１に、電極Ｈ，Ｋ間に電圧（信号Ｚ）を印加して、この電圧によって磁性電極Ａと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用して、磁性電極Ａの磁化方向を制御する。
【０１８１】
第２に、電極Ｈ，Ｊ間に電圧又は電流を印加して、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化するトンネル電流又は電圧（信号Ｘ）を出力する。
【０１８２】
［９−３］各要素
次に、磁気素子を構成する各要素（主に材料）について詳述する。尚、以下の説明において省略した素子の各層については、上述した第１の実施形態と同様である。
【０１８３】
（ａ）非磁性層ＮＭ
非磁性層ＮＭの材料としては、非磁性絶縁層からなる場合と、非磁性絶縁層と非磁性金属層の積層膜からなる場合とがある。
【０１８４】
非磁性絶縁層の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３−Ｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｉＯ２、Ｓｉ−Ｏ−Ｎ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ等）又は窒化物、フッ化物からなる絶縁体、ＧａＡｌＡｓなどのギャップが大きな半導体をあげることができる。
【０１８５】
非磁性金属層の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ），バナジウム（Ｖ），ルテニウム（Ｒｕ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ），レニウム（Ｒｅ），オスミウム（Ｏｓ）又はこれら銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），バナジウム（Ｖ），ルテニウム（Ｒｕ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ），レニウム（Ｒｅ），オスミウム（Ｏｓ）のいずれか一種以上を含む合金をあげることができる。
【０１８６】
非磁性絶縁層と非磁性金属層の組み合わせは、例えば、ＭｇＯ＋Ａｕ，ＭｇＯ＋Ａｇ，ＭｇＯ＋Ｃｒなどの上記の組み合わせで得られる。但し、これらに限定されるものではなく、前述の材料を組み合わせることで得られる。
【０１８７】
以上のように、本発明の第５の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、タイプ２の第５の実施形態の場合、タイプ１の第１の実施形態と比べて、素子構造が簡素で作製が容易になるという利点がある。
【０１８８】
［１０］第６の実施形態
第６の実施形態は、タイプ２のスピン蓄積型の磁気素子の例である。この第６の実施形態では、磁性電極Ａ，Ｂ間の出力信号を得る手段として、スピン蓄積効果による電圧発生を用いている。
【０１８９】
［１０−１］構造
図２０Ａ乃至図２０Ｃは、本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０１９０】
図２０Ａに示すように、第６の実施形態に係る磁気素子において、第５の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏに金属層を用いる点と、このチャネル層Ｏに電極Ｉ１，Ｉ２が接続されている点である。
【０１９１】
具体的には、金属からなるチャネル層Ｏに接して磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、チャネル層Ｏの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性層ＮＭ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃには電極Ｈ，Ｊ，Ｋがそれぞれ接続されている。チャネル層Ｏには電極Ｉ１，Ｉ２が接続されている。
【０１９２】
ここで、電極Ｈ，Ｉ１を用いて、磁性電極Ａ及びチャネル層Ｏ間に電流（信号Ｘ１）を供給する。電極Ｊ，Ｉ２を用いて、磁性電極Ｂ及びチャネル層Ｏ間に発生する出力電圧（信号Ｘ２）を素子外部へ取り出す。電極Ｋ，Ｈを用いて、磁性電極Ａの磁化方向を制御するための信号Ｚを供給する。
【０１９３】
尚、第６の実施形態に係る磁気素子は、図２０Ａの構造に限定されず、例えば以下の図２０Ｂ及び図２０Ｃの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図２０Ａ乃至図２０Ｃの構造等を組み合わせることも可能である。
【０１９４】
図２０Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化の方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。
【０１９５】
図２０Ｃに示すように、チャネル層Ｏに接続する電極Ｉを一つにしてもよい。この場合、この電極Ｉは、電極Ｈ，Ｉ間の信号Ｘ１の供給と電極Ｊ，Ｉ間の信号Ｘ２の供給とに共通して用いられる。
【０１９６】
［１０−２］動作
本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図２０Ａの構造の場合の動作について説明する。
【０１９７】
第１に、電極Ｈ，Ｉ１間に駆動電流（信号Ｘ１）を印加してスピン蓄積効果を生じさせ、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化する電極Ｊ，Ｉ２間の電圧（信号Ｘ２）を出力する。具体的には、例えば１ｍＡの駆動電流の供給により生じたスピン偏極電子が金属チャネル層Ｏに蓄積し、この蓄積されたスピン偏極電子が磁性電極Ｂの磁化に寄与する。これにより、磁性電極Ｂと金属チャネル層Ｏ間の化学ポテンシャルが変化する。ここで、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置が平行時と反平行時とで、磁性電極Ｂと金属チャネル層Ｏ間の出力電圧は、例えば＋３０μＶ又は−３０μＶとバイポーラに、あるいは−１２μＶ又は−２６μＶに変化する。
【０１９８】
第２に、電極Ｈ，Ｋ間に電圧（信号Ｚ）を印加して、この電圧によって磁性電極Ａと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用して、磁性電極Ａの磁化方向を制御する。
【０１９９】
［１０−３］各要素
第６の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素（主に材料）は、上述した第１及び第２の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【０２００】
［１０−４］製造方法
次に、図２０Ｄを用いて、第６の実施形態に係る磁気素子の製造方法例について説明する。
【０２０１】
まず、超高真空スパッタ装置を用いて、基板（図示せず）上に、電極Ｋ，Ｋ’となる金属層、反強磁性層Ｓ，Ｓ’となるＰｔＭｎ層、磁性層Ｃ，Ｃ’となるＦｅＣｏ層（４ｎｍ）、非磁性層（絶縁層＋金属層）ＮＭとなるＣｒ（０．４ｎｍ）／ＭｇＯ（０．８ｎｍ）層、磁性電極Ａ，ＢとなるＣｏＦｅＮｏＢアモルファス合金層（２ｎｍ）、金属チャネル層Ｏを順次堆積する。その後、この積層膜を超高真空スパッタ装置から取り出す。
【０２０２】
次に、２７０度、５時間で、磁場中アニールを行い、一方向異方性をＦｅＣｏ層へ導入する。その後、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光した後、下部電極形状に応じたマスクが形成され、イオンエッチングにより膜の加工を行う。
【０２０３】
次に、ＳｉＯ２膜を埋め込み、表面平坦化を行った後、再度ＥＢリソグラフィ及びイオンミリングを用いて、金属チャネル層Ｏから磁性層Ｃ，Ｃ’までを加工する。これにより、磁性電極Ａ，Ｂの寸法を３０ｎｍ×３０ｎｍ、磁性電極Ａ，Ｂ間の距離を３０ｎｍにする。さらに、再度ＳｉＯ２膜の埋め込みを行い、表面平坦化及び頭出しを行う。
【０２０４】
次に、再度、このウエハを超高真空スパッタ装置へ導入し、金属チャネル材料を表面に薄く堆積させた後、チャネル層Ｏを所定の形状に加工する。最後に、電極Ｈ，Ｊ、磁性電極Ａ，Ｂ及び電極Ｉを形成する。
【０２０５】
以上のように、本発明の第６の実施形態によれば、上記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０２０６】
［１１］第７の実施形態
第７の実施形態は、第６の実施形態と同様に、タイプ２のスピン蓄積型の磁気素子の例である。さらに、第７の実施形態では、化合物層を設けている。
【０２０７】
［１１−１］構造
図２１Ａ乃至図２１Ｅは、本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０２０８】
図２１Ａに示すように、第７の実施形態に係る磁気素子において、第６の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏと磁性電極Ａ，Ｂとの間に化合物層Ｑを設けている点である。
【０２０９】
具体的には、金属からなるチャネル層Ｏに接して化合物層Ｑが設けられている。そして、化合物層Ｑに接して磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、化合物層Ｑの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性層ＮＭ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃには電極Ｈ，Ｊ，Ｋがそれぞれ接続されている。チャネル層Ｏには電極Ｉ１，Ｉ２が接続されている。
【０２１０】
ここで、電極Ｈ，Ｉ１を用いて、磁性電極Ａ及びチャネル層Ｏ間に電流（信号Ｘ１）を供給する。電極Ｊ，Ｉ２を用いて、磁性電極Ｂ及びチャネル層Ｏ間に発生する出力電圧（信号Ｘ２）を素子外部へ取り出す。電極Ｋ，Ｈを用いて、磁性電極Ａの磁化方向を制御するための信号Ｚを供給する。
【０２１１】
尚、第７の実施形態に係る磁気素子は、図２１Ａの構造に限定されず、例えば以下の図２１Ｂ乃至図２１Ｅの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図２１Ａ乃至図２１Ｅの構造等を組み合わせることも可能である。
【０２１２】
図２１Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に絶縁層ＩＮ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化の方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。
【０２１３】
図２１Ｃに示すように、チャネル層Ｏに接続する電極Ｉを一つにしてもよい。この場合、この電極Ｉは、電極Ｈ，Ｉ間の信号Ｘ１の供給と電極Ｊ，Ｉ間の信号Ｘ２の供給とに共通して用いられる。さらに、化合物層Ｑは、磁性電極Ｂとチャネル層Ｏとの間にのみ設けてもよい。このように、出力側にのみ化合物層Ｑを挿入すると、消費電力を増加させずに出力電圧を大きくすることができる。
【０２１４】
図２１Ｄに示すように、磁性層Ｃ，Ｃ’の磁化固着のために、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を磁性層Ｃ，Ｃ’に接してそれぞれ設けてもよい。ここで、電極Ｋは、磁性層Ｃに設けても反強磁性層Ｓに設けてもよい。電極Ｋ’は、磁性層Ｃ’に設けても反強磁性層Ｓ’に設けてもよい。反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設けることで、一方向磁気異方性が付与され、磁化固着が行われる。尚、磁化固着の方法としては、反強磁性層Ｓ，Ｓ’を設ける以外には、結晶磁気異方性の大きな材料を用いることでも実現できる。
【０２１５】
図２１Ｅに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であり、各層を一方向（Ｙ方向）に積層してもよい。この場合、磁性電極Ｂの下方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化の方向を制御する信号Ｙ’の供給に用いられる。
【０２１６】
［１１−２］動作
本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の動作は、上記第６の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【０２１７】
［１１−３］各要素
第７の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素（主に材料）は、上述した第１乃至第３の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【０２１８】
以上のように、本発明の７の実施形態によれば、上記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０２１９】
［１２］第８の実施形態
第８の実施形態は、タイプ２のゲート駆動型の磁気素子の例である。
【０２２０】
［１２−１］構造
図２２Ａ乃至図２２Ｄは、本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の模式図を示す。以下に、本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の構造について説明する。
【０２２１】
図２２Ａに示すように、第８の実施形態に係る磁気素子において、第５の実施形態との大きな違いは、チャネル層Ｏに半導体層を用いる点と、このチャネル層Ｏにゲート電極Ｇが設けられている点である。
【０２２２】
具体的には、半導体からなるチャネル層Ｏの上方には、チャネル層Ｏと絶縁してゲート電極Ｇが設けられている。このゲート電極Ｇの両側には、ソース、ドレインとしてそれぞれ機能する磁性電極Ａ，Ｂが設けられている。これら磁性電極Ａ，Ｂは、チャネル層Ｏに接してチャネル層Ｏの同一面上に並んで配置されるが、互いには接しない。磁性電極Ａ側には磁性層Ｃが設けられ、この磁性層Ｃと磁性電極Ａとの間には非磁性層ＮＭ（介在層Ｐ）が設けられている。磁性電極Ａ，Ｂ及び磁性層Ｃには電極Ｈ，Ｊ，Ｋがそれぞれ接続されている。
【０２２３】
ここで、ゲート電極Ｇ及び電極Ｈ，Ｊを用いて、磁性電極Ａ，Ｂの磁化配置によって変化する信号Ｘを出力する。電極Ｋ，Ｈを用いて、磁性電極Ａの磁化の方向を制御する信号Ｚを供給する。
【０２２４】
尚、第８の実施形態に係る磁気素子は、図２２Ａの構造に限定されず、例えば以下の図２２Ｂ乃至図２２Ｄの構造等に種々変更することが可能である。勿論、図２２Ａ乃至図２２Ｄの構造等を組み合わせることも可能である。
【０２２５】
図２２Ｂに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であってもよい。この場合、磁性電極Ｂの上方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’がそれぞれ接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化の方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。
【０２２６】
図２２Ｃに示すように、チャネル層Ｏは、絶縁体Ｏａ中に導電性アイランド部Ｏｂが設けられていてもよい。導電性アイランド部Ｏｂは、半導体又は金属からなる。このような素子は、単電子トランジスタとなる。
【０２２７】
図２２Ｄに示すように、磁性電極Ｂの磁化が反転可能であり、各層を一方向（Ｙ方向）に積層してもよい。この場合、磁性電極Ｂの下方に磁性層Ｃ’が設けられ、この磁性層Ｃ’と磁性電極Ｂとの間に非磁性層ＮＭ’（介在層Ｐ’）が設けられる。磁性層Ｃ’には、電極Ｋ’が接続されている。ここで、電極Ｋ’，Ｊは、磁性電極Ｂの磁化の方向を制御する信号Ｚ’の供給に用いられる。また、チャンネル層Ｏに対して、２つのゲート電極Ｇ，Ｇ’を設けることも可能である。
【０２２８】
図２３Ａ乃至図２３Ｄは、本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＭＯＳＦＥＴ型）磁気素子のレイアウト図を示す。図２４Ａ乃至図２４Ｃは、本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＳＥＴ型）磁気素子のレイアウト図を示す。図２５Ａ乃至図２５Ｃは、本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピン共鳴トンネルトランジスタ型）磁気素子のレイアウト図を示す。以下に、本発明の第８の実施形態に係る磁気素子のレイアウトについて説明する。このレイアウト図は、磁気素子の上面図として見てもよいし、磁気素子の断面図として見てもよい。
【０２２９】
図２３Ａ乃至図２３Ｄに示すように、磁性電極Ａと磁性層Ｃを結ぶ軸と、ゲート電極Ｇとチャネル層Ｏを結ぶ軸（紙面奥・手前方向）とがほぼ直交する。これにより、配線の空間的干渉を防ぐとともに、磁性電極Ａと電極Ｋ間に流す電流と、ゲート電極Ｇへのバイアス電圧との相互作用による素子の誤動作を防ぐことが可能である。また、ゲート電極Ｇとチャネル層Ｏとの間の絶縁膜（図示せず）の極薄化に伴う漏れ電流の影響によって、磁性電極Ａの磁化が影響を受けることを防ぐことが可能である。
【０２３０】
図２４Ａ乃至図２４Ｃの場合、チャネル層Ｏは、絶縁体Ｏａとこの絶縁体Ｏａ中に設けられた導電性アイランド部Ｏｂとで構成されている。そして、磁性電極Ａと磁性層Ｃを結ぶ軸と、ゲート電極Ｇとチャネル層Ｏの導電性アイランド部Ｏｂを結ぶ軸（紙面奥・手前方向）とがほぼ直交する。これにより、図２３Ａ乃至図２３Ｄの場合と同様、配線の引き回し領域を確保するとともに、素子の誤動作を防ぐことができる。
【０２３１】
図２５Ａ乃至図２５Ｃの場合、チャネル層Ｏは２枚の絶縁層Ｏｃで挟まれた磁性電極Ｏｄからなり、この磁性電極Ｏｄにゲート電極Ｇが接している。そして、磁性電極Ａと磁性層Ｃを結ぶ軸と、ゲート電極Ｇとチャネル層Ｏを結ぶ軸（紙面奥・手前方向）とがほぼ直交する。これにより、図２３Ａ乃至図２３Ｄの場合と同様、配線の引き回し領域を確保するとともに、素子の誤動作を防ぐことができる。
【０２３２】
［１２−２］動作
本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の動作は、次の通りである。ここでは、図２２Ａの構造の場合の動作について説明する。尚、本実施形態では、ゲート電極Ｇへの入力と電極Ｌ，Ｋ間への入力の２系統の入力系統を用いることができる。
【０２３３】
第１に、電極Ｈ，Ｋ間に電圧（信号Ｚ）を印加して、この電圧によって磁性電極Ａと磁性層Ｃの間の磁気結合が変化することを利用して、磁性電極Ａの磁化方向を制御する。
【０２３４】
第２に、ゲート電圧駆動は通常のＦＥＴと同様に、ゲート電極Ｇに所定の電圧を印加することでチャネル層Ｏを導通させ、磁性電極Ａ，Ｂ間に流れる電流（信号Ｘ）を電極Ｈ，Ｊを用いて出力する。この電流の値は、磁性電極Ａと磁性電極Ｂの磁化配置により変化する。
【０２３５】
［１２−３］各要素
第８の実施形態に係る磁気素子を構成する各要素（主に材料）は、上述した第１及び第４の実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【０２３６】
以上のように、本発明の第８の実施形態によれば、上記第５の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０２３７】
［１３］第９の実施形態
第９の実施形態は、複数の磁気素子からなる演算処理用の磁気信号処理装置の例である。
【０２３８】
図２６Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第９の実施形態に係る複数のＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図を示す。以下に、第９の実施形態に係る複数のＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置について説明する。
【０２３９】
図２６Ａ（ａ）及び（ｂ）に示す構造では、図１５Ｅに示す複数の磁気素子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を用いている。そして、磁気素子Ｇ２，Ｇ３の出力信号ＸＧ２，ＸＧ３を他の磁気素子Ｇ１に入力している。これにより、複数の磁気素子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の従属接続が可能となる。
【０２４０】
具体的には、磁気素子Ｇ２における磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化配置に基づく信号ＸＧ２が、磁気素子Ｇ１の磁性層Ｃに入力される。この信号ＸＧ２により、磁気素子Ｇ１の磁性層Ｃの磁化方向が制御される。そして、この磁性層Ｃの磁化情報は、絶縁層ＩＮを介した磁性電極Ａ及び磁性層Ｃ間の磁気結合により磁性電極Ａへ伝達されることによって、磁気素子Ｇ１の磁性電極Ａの磁化方向が制御される。
【０２４１】
同様に、磁気素子Ｇ３における磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化配置に基づく信号ＸＧ３が、磁気素子Ｇ１の磁性層Ｃ’に入力される。この信号ＸＧ３により、磁気素子Ｇ１の磁性層Ｃ’の磁化方向が制御される。そして、この磁性層Ｃ’の磁化情報は、絶縁層ＩＮ’を介した磁性電極Ｂ及び磁性層Ｃ’間の磁気結合により磁性電極Ｂへ伝達されることによって、磁気素子Ｇ１の磁性電極Ｂの磁化方向が制御される。
【０２４２】
上記のように制御された磁性電極Ａ，Ｂの磁化情報は出力信号ＸＧ１として電極Ｈ，Ｊを用いて出力される。
【０２４３】
尚、最初の磁気素子Ｇ２，Ｇ３へは，ＴＭＲ出力信号ＸＧ２，ＸＧ３と等価な信号を電極Ｋ，Ｌ間、電極Ｋ’，Ｌ’間にそれぞれ直接入力してもよい。また、電極Ｌ，Ｌ’をグランドに接続しているが、電極Ｋ，Ｋ’をグランドに接続してもよい。
【０２４４】
図２６Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第９の実施形態に係る複数のスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図を示す。以下に、第９の実施形態に係る複数のスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置について説明する。
【０２４５】
図２６Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示す構造では、図１７Ｂに示す複数の磁気素子Ｇ１，Ｇ２を用いている。そして、磁気素子Ｇ１の出力信号ＸＧ１を他の磁気素子Ｇ２に入力している。これにより、複数の磁気素子Ｇ１，Ｇ２の従属接続が可能となる。
【０２４６】
具体的には、磁気素子Ｇ１における電極Ｊ，Ｉ２間の出力信号ＸＧ１が、磁気素子Ｇ２における電極Ｋ’，Ｌ’間に入力される。この信号ＸＧ１により、磁気素子Ｇ２の磁性層Ｃの磁化方向が制御される。そして、この磁性層Ｃの磁化情報は、絶縁層ＩＮ’を介した磁性電極Ｂ及び磁性層Ｃ間の磁気結合により磁性電極Ｂへ伝達される。さらに、磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化配置に基づく磁化情報は出力信号ＸＧ２として出力される。
【０２４７】
尚、最初の磁気素子Ｇ１へは，出力信号ＸＧ１と等価な信号を電極Ｋ，Ｌ間又は電極Ｋ’，Ｌ’間に直接入力してもよい。
【０２４８】
図２７に示すように、磁性層Ｃ’への入力信号は、他の磁気素子からの出力信号に限定されず、他の磁気素子を経由しない信号（例えば演算書き換え用の電流又は電圧）を入力してもよい。また、複数の磁気素子の繋ぎ方は、図２６Ａ（ａ）及び（ｂ）、２６Ｂ（ａ）及び（ｂ）に示す例に限定されず、種々変更可能である。
【０２４９】
以上のように、本発明の第９の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、スピン組み合わせに基づく演算デバイスにおいて、縦続接続容易で磁化スイッチングと同時に出力可能なデバイスを提供できる。
【０２５０】
［１４］第１０の実施形態
第１０の実施形態は、ＴＭＲ型磁気素子を用いて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行する例である。
【０２５１】
図２８は、本発明の第１０の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図及び真理値表を示す。以下に、本発明の第１０の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置について説明する。
【０２５２】
図２８に示すように、第１０の実施形態として、図１５Ｃに示すＴＭＲ型磁気素子を用いる。そして、２入力ａ，ｂに対して、排他的論理和、排他的論理和の反転論理の演算処理を行う。
【０２５３】
ここで、磁性層Ｄ，Ｄ’はＣｏＦｅからなり、介在層Ｒ，Ｒ’はＣｕからなり、磁性層Ｃ，Ｃ’はＦｅＣｏＮｉＢからなり、介在層Ｐ，Ｐ’は絶縁性強磁性体であるＭｎＦｅ２Ｏ４からなり、磁性電極Ａ，ＢはＦｅＣｏＮｉＢ／Ｃｏの２層膜からなり、トンネルバリア層ＴＢ（チャネル層Ｏ）はＭｇＯからなる。
【０２５４】
２入力ａ，ｂは、電極Ｋ，Ｌ間に流れる電流（又は電圧）、電極Ｋ’，Ｌ’間に流れる電流（又は電圧）にそれぞれ対応させる。入力信号ａ，ｂが０又は１の場合に、それぞれ，Ｉｘ又はゼロ（又はゼロ近傍）の電流が流れるよう電流（又は電圧）を供給する。ここで、Ｉｘは、磁性層Ｃ及び磁性層Ｃ’が電流駆動磁化反転する臨界電流値Ｉｘｃより大きな電流値であり、好ましくは後述するＩｐと同程度とする。また、“ゼロ近傍の電流値”は、後述するＩａｐと同程度が好ましい。さらに、磁性層Ｃと磁性層Ｄとの間、磁性層Ｃ’と磁性層Ｄ’との間には、弱い磁気カップリングがあると好ましい（この層構造例の場合には静磁結合による負の磁気結合を利用する）。入力信号ａに対応する電流は、スピン偏極電子ｅが磁性層Ｄから磁性層Ｃへ流れるように設定し、入力信号ｂに対応する電流は、スピン偏極電子ｅが磁性層Ｄ’から磁性層Ｃ’へ流れるように設定しておく。
【０２５５】
この場合、２つの信号ａ，ｂを入力すると、信号が０の場合には磁性層Ｃ，Ｃ’の磁化は左向きに反転し、信号が１の場合には磁性層Ｃ，Ｃ’の磁化は右向きのままとなる。磁性層Ｃ，Ｃ’の磁化情報は、介在層Ｐ，Ｐ’を経て磁性層Ａ，Ｂへそれぞれ伝達する。その結果、磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化の組合せは、真理値表に示すような組合せとなる。
【０２５６】
出力は、電源を用いて磁性電極Ａ，Ｂ間へ電圧を印加し、磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化の組合せ状態をＴＭＲ効果として取り出す。すなわち、磁化が平行時に流れる電流Ｉｐは大きく、反平行時の電流Ｉａｐは小さい。Ｉｐ時、Ｉａｐ時を０，１にそれぞれ設定すると、真理値表に示す関係が得られ、排他的論理和ＸＯＲを１素子で実行できることが分かる。
【０２５７】
尚、出力電流がＩｐ＞Ｉｘｃ＞Ｉａｐの関係を満たすと、出力信号を図２６Ａに示すように他の磁気素子の入力へ繋げることで他の素子を動作させることができるため、好ましい。
【０２５８】
ところで、上記の「排他的論理和」の場合には、図２８に示すように、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化は互いに平行となるように設定している。磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化が互いに反平行になるように設定すると、前述の原理を使って「排他的論理和の反転論理」を実行できることが分かる。すなわち、磁性層Ｄ又は磁性層Ｄ’の磁化変化により、演算機能を変化させることができ、この素子はリコンフィギュラブルとなる。
【０２５９】
リコンフィギュラブルとするために、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化反転は例えば次のように行うとよい。（ａ）磁界を発生するために磁性層Ｄ，Ｄ’の近隣に配線を設け、外部から磁界を印加する、（ｂ）磁性層Ｄ，Ｄ’に隣接して間接的又は直接的に強磁性体部を設けてスピン電流を流すことで電流駆動磁化反転を行う、（ｃ）磁性層Ｄ，Ｄ’に隣接して絶縁体＋導電体部を介して強磁性体部を設け、その強磁性体部と磁性層Ｄ又はＣの間に電圧を印加することで電圧駆動磁化反転を行う。
【０２６０】
尚、信号の設定の仕方、電流の流れる向き、磁化の向きの定義は、上記に限ったものではなく、逆にしてもよい。それらに応じて、排他的論理和又は排他的論理和の反転論理となる。また、膜組成は、上記の例に限定されたものではない。さらに、磁化のカップリング方法も上記の例に限定されたものではない。
【０２６１】
以上のように、本発明の第１０の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、スピン組み合わせに基づく演算デバイスにおいて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行することができる。
【０２６２】
［１５］第１１の実施形態
第１１の実施形態は、第１０の実施形態に類似したＴＭＲ型を用いて、１入力に対して否定（ＮＯＴ）と肯定の演算処理を行う例である。
【０２６３】
図２９は、本発明の第１１の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図を示す。以下に、本発明の第１１の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置について説明する。
【０２６４】
図２９に示すように、第１１の実施形態として、図１５Ａに示すＴＭＲ型磁気素子を用い、１入力の演算処理を行う。
【０２６５】
１入力ａは、電極Ｋと電極Ｌ間に流れる電流（又は電圧）に対応させる。入力信号０，１に対して、Ｉｘ又はゼロ（又はゼロ近傍）の電流（又は電圧）を印加する。Ｉｘは、磁性層Ｃが電流駆動磁化反転する臨界電流値Ｉｘｃより大きな電流値であり、好ましくは後述するＩｐと同程度とする。また、“ゼロ近傍の電流値”とは、好ましくは後述するＩａｐと同程度とする。また、磁性層Ｃと磁性層Ｄの間には、弱い磁気カップリングがあると好ましい（この層構造例の場合には静磁結合による負の磁気結合を利用する）。電流は、スピン偏極電子ｅが磁性層Ｄから磁性層Ｃへ流れるように設定しておく。
【０２６６】
この場合に信号ａを入力すると、磁性層Ｃは信号がゼロの場合に図において磁化が左向き、１の場合に磁化が右向きとなる。その結果、磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化の組合せは、ａが１の場合に平行、０の場合に反平行となり、出力に第１０の実施形態と同じ定義を用いると、出力はそれぞれ１，０となり、否定（ＮＯＴ）を実行できる。
【０２６７】
尚、図３０において、磁性層Ｂの磁化は図上で右向きに設定されているが、これを左向きに設定すると、肯定を実行できる。又は、磁性層Ｂの磁化方向を変える代わりに、磁性層Ｄの磁化を左向きに設定すると、やはり肯定を実行できる。この場合にも、信号の設定の仕方は、上記に限ったものではなく、逆にしてもよい、それらに応じて否定又は肯定となる。
【０２６８】
以上のように、本発明の第１１の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、１入力に対して否定と肯定の演算処理を実行することができる。
【０２６９】
［１６］第１２の実施形態
第１２の実施形態は、スピン蓄積型磁気素子を用いて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行する例である。
【０２７０】
図３０は、本発明の第１２の実施形態に係るスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図を示す。以下に、本発明の第１２の実施形態に係るスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置について説明する。
【０２７１】
図３０に示すように、第１２の実施形態として、図１６Ｂ等のスピン蓄積型磁気素子を用いる。そして、２入力ａ，ｂに対して、排他的論理和、排他的論理和の反転論理の演算処理を行う。
【０２７２】
２入力ａ，ｂは、電極Ｋと電極Ｌ間に流れる電流、電極Ｋ’と電極Ｌ’間に流れる電流に対応させる。入力信号０，１に応じて、Ｉｙ又はＩｚ（≠Ｉｙ）となるよう電圧を供給する。Ｉｙは、磁性層Ｃ及び磁性層Ｃ’が電流駆動磁化反転して磁性層Ｄ，Ｄ’と平行を向く場合の臨界電流値に対して、｜Ｉｙ｜＞｜Ｉｙｃ｜の関係をもつようにする。Ｉｚは、磁性層Ｃ及び磁性層Ｃ’の磁化が磁性層Ｄ，Ｄ’と反平行を向く臨界電流値Ｉｚｃに対して、｜Ｉｚ｜＞｜Ｉｚｃ｜の関係をもつようにする。信号ａ，ｂを入力すると、磁性層Ｃ及び磁性層Ｃ’は、信号が０の場合に図において磁化が右向き、１の場合に図において磁化が左向きとなる。
【０２７３】
出力には、電流を電極Ｉ１と電極Ｈ間に供給した場合に、電極Ｉ２，Ｊ間に発生する電圧を用いる。発生する電圧は、磁性電極Ａ，Ｂ間の磁化の関係（平行、反平行）に応じてＶｆとＶａｆとなる。このＶｆ，Ｖａｆを０，１にそれぞれ対応させると、第１０の実施形態と同様に排他的論理和ＸＯＲが１素子で実行できる。
【０２７４】
また、図２６Ｂに示すように、出力を他の磁気素子へ入力することで、信号の伝達が可能となる。
【０２７５】
また、スピン蓄積型においても、第１０の実施形態と同様にして、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化の関係を変えることで、機能書き換えをする（リコンフィギュラブルにする）ことが可能である。リコンフィギュラブルとするためには、上記第１０の実施形態で述べた（ａ）乃至（ｃ）の方法により、磁性層Ｄ，Ｄ’の磁化反転を可能にするとよい。
【０２７６】
尚、信号の設定の仕方、電流の流れる向き、磁化の向きの定義は、上記に限ったものではなく、逆にしてもよい。それらに応じて、排他的論理和又は排他的論理和の反転論理となる。
【０２７７】
以上のように、本発明の第１２の実施形態によれば、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、スピン組み合わせに基づく演算デバイスにおいて、排他的論理和、排他的論理和の反転論理を実行することができる。
【０２７８】
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【０２７９】
【図１】本発明の例の磁気素子の概要を説明するための模式図。
【図２Ａ】本発明の例（タイプ１）の磁気素子の概要を説明するための模式図。
【図２Ｂ】本発明の例（タイプ２）の磁気素子の概要を説明するための模式図。
【図３Ａ】本発明の例の磁気素子を構造的な観点により分類した図。
【図３Ｂ】本発明の例の磁気素子を作用的な観点により分類した図。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるＴＭＲ型の磁気素子の概略的な模式図。
【図５Ａ】図５Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の１つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図。
【図５Ｂ】図５Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の２つの出力電極を有する磁気素子の概略的な模式図。
【図６Ａ】図６Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の１つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図。
【図６Ｂ】図６Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるスピン蓄積型の２つの出力電極と化合物層とを有する磁気素子の概略的な模式図。
【図７Ａ】図７Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるゲート駆動型の半導体層のチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図。
【図７Ｂ】図７Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例によるゲート駆動型の絶縁体と伝導体が組み合わさったチャネルを有する磁気素子の概略的な模式図。
【図８】本発明の例に係る強磁性絶縁体からなる介在層Ｐを用いた直接交換結合方式による磁気素子の模式図。
【図９】本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Ｐを用いた層間交換結合方式による磁気素子の模式図。
【図１０】本発明の例に係る絶縁性非磁性体からなる介在層Ｐを用いた静磁結合方式による磁気素子の模式図。
【図１１Ａ】本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子の模式図。
【図１１Ｂ】図１１Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子１の模式図。
【図１１Ｃ】図１１Ｃ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の例による歳差運動方式を用いた磁気素子２の模式図。
【図１２】図１２（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の例による電圧制御磁性方式を用いた磁気素子の模式図。
【図１３】図１３（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の例によるスピン注入磁化反転方式の磁気素子を説明するための図。
【図１４】図１４（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の例による電圧制御磁性方式の磁気素子を説明するための図。
【図１５Ａ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｃ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｄ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｅ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｆ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｇ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１５Ｈ】本発明の第１の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１６Ａ】本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１６Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１６Ｃ】本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１６Ｄ】本発明の第２の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１７Ａ】本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１７Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１７Ｃ】本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１７Ｄ】本発明の第３の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１８Ａ】本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１８Ｂ】本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１８Ｃ】本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１８Ｄ】本発明の第４の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１９Ａ】本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１９Ｂ】本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１９Ｃ】本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１９Ｄ】本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図１９Ｅ】本発明の第５の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２０Ａ】本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２０Ｂ】本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２０Ｃ】本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２０Ｄ】本発明の第６の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２１Ａ】本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２１Ｂ】本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２１Ｃ】本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２１Ｄ】本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２１Ｅ】本発明の第７の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２２Ａ】本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２２Ｂ】本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２２Ｃ】本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２２Ｄ】本発明の第８の実施形態に係る磁気素子の模式図。
【図２３Ａ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＭＯＳＦＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２３Ｂ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＭＯＳＦＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２３Ｃ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＭＯＳＦＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２３Ｄ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＭＯＳＦＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２４Ａ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＳＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２４Ｂ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＳＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２４Ｃ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピンＳＥＴ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２５Ａ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピン共鳴トンネルトランジスタ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２５Ｂ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピン共鳴トンネルトランジスタ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２５Ｃ】本発明の第８の実施形態に係るゲート駆動型（スピン共鳴トンネルトランジスタ型）磁気素子のレイアウト図。
【図２６Ａ】図２６Ａ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第９の実施形態に係る複数のＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図。
【図２６Ｂ】図２６Ｂ（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第９の実施形態に係る複数のスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図。
【図２７】本発明の第９の実施形態に係る複数のＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図。
【図２８】本発明の第１０の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図及び真理値表。
【図２９】本発明の第１１の実施形態に係るＴＭＲ型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図。
【図３０】本発明の第１２の実施形態に係るスピン蓄積型磁気素子を有する磁気信号処理装置の模式図。
【符号の説明】
【０２８０】
Ａ，Ｂ…磁性電極、Ｃ，Ｃ’，Ｄ，Ｄ’…磁性層、Ｏ…チャネル層、Ｐ，Ｐ’，Ｒ，Ｒ’…介在層、Ｓ，Ｓ’…反強磁性層、Ｇ…ゲート電極、Ｈ，Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｋ’，Ｌ，Ｌ’…電極、ＴＢ…トンネルバリア層、ＮＭ，ＮＭ’…非磁性層、ＩＮ，ＩＮ’…絶縁層。
【図１】
0004599259.tif 000002
【図２Ａ】
0004599259.tif 000003
【図２Ｂ】
0004599259.tif 000004
【図３Ａ】
0004599259.tif 000005
【図３Ｂ】
0004599259.tif 000006
【図４】
0004599259.tif 000007
【図５Ａ】
0004599259.tif 000008
【図５Ｂ】
0004599259.tif 000009
【図６Ａ】
0004599259.tif 000010
【図６Ｂ】
0004599259.tif 000011
【図７Ａ】
0004599259.tif 000012
【図７Ｂ】
0004599259.tif 000013
【図８】
0004599259.tif 000014
【図９】
0004599259.tif 000015
【図１０】
0004599259.tif 000016
【図１１Ａ】
0004599259.tif 000017
【図１１Ｂ】
0004599259.tif 000018
【図１１Ｃ】
0004599259.tif 000019
【図１２】
0004599259.tif 000020
【図１３】
0004599259.tif 000021
【図１４】
0004599259.tif 000022
【図１５Ａ】
0004599259.tif 000023
【図１５Ｂ】
0004599259.tif 000024
【図１５Ｃ】
0004599259.tif 000025
【図１５Ｄ】
0004599259.tif 000026
【図１５Ｅ】
0004599259.tif 000027
【図１５Ｆ】
0004599259.tif 000028
【図１５Ｇ】
0004599259.tif 000029
【図１５Ｈ】
0004599259.tif 000030
【図１６Ａ】
0004599259.tif 000031
【図１６Ｂ】
0004599259.tif 000032
【図１６Ｃ】
0004599259.tif 000033
【図１６Ｄ】
0004599259.tif 000034
【図１７Ａ】
0004599259.tif 000035
【図１７Ｂ】
0004599259.tif 000036
【図１７Ｃ】
0004599259.tif 000037
【図１７Ｄ】
0004599259.tif 000038
【図１８Ａ】
0004599259.tif 000039
【図１８Ｂ】
0004599259.tif 000040
【図１８Ｃ】
0004599259.tif 000041
【図１８Ｄ】
0004599259.tif 000042
【図１９Ａ】
0004599259.tif 000043
【図１９Ｂ】
0004599259.tif 000044
【図１９Ｃ】
0004599259.tif 000045
【図１９Ｄ】
0004599259.tif 000046
【図１９Ｅ】
0004599259.tif 000047
【図２０Ａ】
0004599259.tif 000048
【図２０Ｂ】
0004599259.tif 000049
【図２０Ｃ】
0004599259.tif 000050
【図２０Ｄ】
0004599259.tif 000051
【図２１Ａ】
0004599259.tif 000052
【図２１Ｂ】
0004599259.tif 000053
【図２１Ｃ】
0004599259.tif 000054
【図２１Ｄ】
0004599259.tif 000055
【図２１Ｅ】
0004599259.tif 000056
【図２２Ａ】
0004599259.tif 000057
【図２２Ｂ】
0004599259.tif 000058
【図２２Ｃ】
0004599259.tif 000059
【図２２Ｄ】
0004599259.tif 000060
【図２３Ａ】
0004599259.tif 000061
【図２３Ｂ】
0004599259.tif 000062
【図２３Ｃ】
0004599259.tif 000063
【図２３Ｄ】
0004599259.tif 000064
【図２４Ａ】
0004599259.tif 000065
【図２４Ｂ】
0004599259.tif 000066
【図２４Ｃ】
0004599259.tif 000067
【図２５Ａ】
0004599259.tif 000068
【図２５Ｂ】
0004599259.tif 000069
【図２５Ｃ】
0004599259.tif 000070
【図２６Ａ】
0004599259.tif 000071
【図２６Ｂ】
0004599259.tif 000072
【図２７】
0004599259.tif 000073
【図２８】
0004599259.tif 000074
【図２９】
0004599259.tif 000075
【図３０】
0004599259.tif 000076