(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換されたホイスラー合金であり、
ＺはＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、α及びβは、２．３≦α＋β、α＜β＜２×α、且つ０．５＜α＜１．９を満たし、
前記置換元素は、前記Ｚの元素と異なり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である、磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記ホイスラー合金は、下記の一般式（１）で表され、
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）αＺβ  ・・・（１）
式（１）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、
ａ及びｂは、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０を満たす、請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
前記第２置換元素は、第４族から第１０族の元素のうちＦｅより融点が高い元素からなる群から選択される１以上の元素である、請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記ホイスラー合金は、下記の一般式（２）で表され、
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２ＦｅαＺβ  ・・・（２）
式（２）中、Ｘ１は前記置換元素であり、
ａは、０＜ａ＜０．５を満たす、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記置換元素は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記置換元素は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素である、請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記ホイスラー合金は、下記の一般式（３）で表され、
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇａ１−ｃＺ１ｃ）β  ・・・（３）
式（３）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、Ｚ１はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、
０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｃ）を満たす、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記一般式（３）のｃが、ｃ＞０．５を満たす、請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
前記ホイスラー合金は、下記の一般式（４）で表され、
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇｅ１−ｄＺ２ｄ）β  ・・・（４）
式（４）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、Ｚ２はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、
０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｄ）を満たす、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１０】
前記一般式（４）のｄが、ｄ＜０．５を満たす、請求項９に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１１】
前記Ｚ２はＧａである、請求項９又は１０に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１２】
前記α及びβは、２．３≦α＋β＜２．６６を満たす、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１３】
前記α及びβは、２．４５≦α＋β＜２．６６を満たす、請求項１２に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１４】
前記非磁性層はＡｇを含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１５】
前記第１強磁性層と非磁性層との間及び前記第２強磁性層と非磁性層との間のそれぞれに、ＮｉＡｌ合金を含むＮｉＡｌ層をさらに有する、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１６】
前記ＮｉＡｌ層の厚みｔが、０＜ｔ≦０．６３ｎｍである、請求項１５に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項１７】
Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換され、
ＺはＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、α及びβは、２．３≦α＋β、α＜β＜２×α、且つ０．５＜α＜１．９を満たし、
前記置換元素は、前記Ｚの元素と異なり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である、ホイスラー合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果により積層方向の抵抗値が変化する素子である。磁気抵抗効果素子は、２つの強磁性層とこれらに挟まれた非磁性層とを備える。非磁性層に導体が用いられた磁気抵抗効果素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子と言われ、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）が用いられた磁気抵抗効果素子は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子と言われる。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等の様々な用途への応用が可能である。
【０００３】
非特許文献１には、ＧＭＲ素子の強磁性層に、ホイスラー合金であるＣｏ２ＦｅＧａ０．５Ｇｅ０．５合金を用いた例が記載されている。ホイスラー合金は、室温で１００％のスピン分極率を達成する可能性が高い材料として検討されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０８，１０２４０８（２０１６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気抵抗効果素子を利用した記憶素子（例えば、ＭＲＡＭ）は、強磁性層の磁化反転を利用して情報を記憶する。磁気抵抗効果素子を利用した高周波デバイスは、強磁性層の磁化の歳差運動を利用して、高周波を発振する。磁気センサは、強磁性層の磁化の回転もしくは磁化の振動を利用して、外部の磁気状態を読み取る。強磁性層の磁化の方向が変化しやすくなる（磁化回転又は磁化反転が容易になる）と、素子を駆動するのに必要なエネルギーが小さくなる。ホイスラー合金は、飽和磁化の値がＣｏＦｅ合金等と比較して小さく、強磁性層の磁化の方向が変化しやすい。磁化の回転に要するエネルギーをより小さくできる磁気抵抗効果素子及びホイスラー合金が求められている。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁化の回転に要するエネルギーをより小さくできる磁気抵抗効果素子及びホイスラー合金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】
【０００７】
本発明者らは、ホイスラー合金を構成する元素の一部を磁気モーメントの小さい元素で置換することで、強磁性層の磁化の回転に要するエネルギーをより小さく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。
【０００８】
［１］第１の態様にかかる磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換されたホイスラー合金であり、ＺはＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、α及びβは、２．３≦α＋β、α＜β、且つ０．５＜α＜１．９を満たし、前記置換元素は、前記Ｚの元素と異なり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である。
【０００９】
［２］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、下記の一般式（１）で表されてもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）αＺβ  ・・・（１）
式（１）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、ａ及びｂは、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０を満たす。
【００１０】
［３］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第２置換元素は、第４族から第１０族の元素のうちＦｅより融点が高い元素からなる群から選択される１以上の元素であってもよい。
【００１１】
［４］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、下記の一般式（２）で表されてもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２ＦｅαＺβ  ・・・（２）で表され
式（２）中、Ｘ１は前記置換元素であり、ａは、０＜ａ＜０．５を満たす。
【００１２】
［５］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記置換元素は、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素であってもよい。
【００１３】
［６］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記置換元素は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素であってもよい。
【００１４】
［７］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、下記の一般式（３）で表されてもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇａ１−ｃＺ１ｃ）β  ・・・（３）
式（３）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、Ｚ１はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｃ）を満たす。
【００１５】
［８］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記一般式（３）のｃが、ｃ＞０．５を満たしてもよい。
【００１６】
［９］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ホイスラー合金は、下記の一般式（４）で表されてもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇｅ１−ｄＺ２ｄ）β  ・・・（４）
式（４）中、Ｘ１は前記置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素であり、Ｚ２はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｄ）を満たす。
【００１７】
［１０］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記一般式（４）のｄが、ｄ＜０．５を満たしてもよい。
【００１８】
［１１］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記Ｚ２はＧａであってもよい。
【００１９】
［１２］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記α及びβは、２．３≦α＋β＜２．６６を満たしてもよい。
【００２０】
［１３］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記α及びβは、２．４５≦α+β＜２．６６を満たしてもよい。
【００２１】
［１４］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記非磁性層はＡｇを含む構成とされていてもよい。
【００２２】
［１５］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記第１強磁性層と非磁性層との間及び前記第２強磁性層と非磁性層との間のそれぞれに、ＮｉＡｌ合金を含むＮｉＡｌ層が備えられている構成とされていてもよい。
【００２３】
［１６］上記態様にかかる磁気抵抗効果素子において、前記ＮｉＡｌ層の厚みｔが、０＜ｔ≦０．６３ｎｍである構成とされていてもよい。
【００２４】
［１７］第２の態様にかかるホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換され、ＺはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、α及びβは、２．３≦α＋β、α＜β、且つ０．５＜α＜１．９を満たし、前記置換元素は、前記Ｚの元素と異なり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である。
【発明の効果】
【００２５】
強磁性層の磁化の回転に要するエネルギーをより小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図２】Ｘ２ＹＺの組成式で表されるホイスラー合金の結晶構造の一例である。
【図３】第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図４】第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。
【図５】適用例１にかかる磁気記録装置の断面図である。
【図６】適用例２にかかる磁気記録素子の断面図である。
【図７】適用例３にかかる磁気記録素子の断面図である。
【図８】適用例４にかかるスピン流磁化回転素子の断面図である。
【図９】適用例５にかかる磁壁移動素子の断面図である。
【図１０】適用例６にかかる磁壁移動素子の断面図である。
【図１１】適用例７にかかる磁壁移動素子の断面図である。
【図１２】適用例８にかかる磁壁移動素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本実施形態について、図面を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本実施形態の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は異なっていることがある。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く、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２８】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。図１は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に、磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。磁気抵抗効果素子１０１は、基板１０の上に、下地層２０と、第１強磁性層３０と、第１ＮｉＡｌ層４０と、非磁性層５０と、第２ＮｉＡｌ層６０と、第２強磁性層７０と、キャップ層８０とを有する。非磁性層５０は、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０との間に位置する。第１ＮｉＡｌ層４０は、第１強磁性層３０と非磁性層５０との間に位置し、第２ＮｉＡｌ層６０は、非磁性層５０と第２強磁性層７０との間に位置する。
【００２９】
（基板）
基板１０は、磁気抵抗効果素子１０１の土台となる部分である。基板１０は、平坦性に優れた材料を用いることが好ましい。基板１０は、例えば、金属酸化物単結晶、シリコン単結晶、熱酸化膜付シリコン単結晶、サファイア単結晶、セラミック、石英、及びガラスを含む。基板１０に含まれる材料は、適度な機械的強度を有し、且つ熱処理や微細加工に適した材料であれば、特に限定されない。金属酸化物単結晶としては、例えば、ＭｇＯ単結晶が挙げられる。ＭｇＯ単結晶を含む基板は、例えば、スパッタリング法を用いて容易にエピタキシャル成長膜が形成できる。このエピタキシャル成長膜を用いた磁気抵抗効果素子は、大きな磁気抵抗特性を示す。基板１０の種類は目的とする製品によって異なる。製品がＭＲＡＭの場合、基板１０は、例えば、回路構造を有するＳｉ基板である。製品が磁気ヘッドの場合、基板１０は、例えば、加工しやすいＡｌＴｉＣ基板である。
【００３０】
（下地層）
下地層２０は、基板１０と第１強磁性層３０との間に位置する。下地層２０は、例えば、第１下地層２１と、第２下地層２２と、第３下地層２３とを、基板１０に近い位置からこの順で有する。
【００３１】
第１下地層２１は、基板１０の格子定数と第２下地層２２の格子定数との差を緩和するバッファ層である。第１下地層２１の材料は、導電性の材料、絶縁性の材料のいずれでもよい。第１下地層２１の材料は、基板１０の材料と第２下地層２２の材料によっても異なるが、例えば、（００１）配向したＮａＣｌ構造を有する化合物である。ＮａＣｌ構造を有する化合物は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｖ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む窒化物、又は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃｅの群から選択される少なくとも１つの元素を含む酸化物である。
【００３２】
第１下地層２１の材料は、例えば、ＡＢＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト系導電性酸化物でもよい。ペロブスカイト系導電性酸化物は、例えば、サイトＡとしてＳｒ、Ｃｅ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｋ、Ｃａ、Ｎａ、Ｐｂ、Ｂａの群から選択された少なくとも１つの元素を含み、サイトＢとしてＴｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、Ｃｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１つの元素を含む酸化物である。
【００３３】
第２下地層２２は、第２下地層２２の上に積層される上部の層の結晶性を高めるシード層である。第２下地層２２は、例えば、ＭｇＯ、ＴｉＮ及びＮｉＴａ合金の少なくとも一種類を含む。第２下地層２２は、例えば、ＣｏとＦｅとを含む合金である。ＣｏとＦｅとを含む合金は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂである。
【００３４】
第３下地層２３は、第２下地層２２の格子定数と第１強磁性層３０の格子定数との差を緩和するバッファ層である。第３下地層２３は、検出用電流を流すための電極として利用する場合、例えば、金属元素を含む。金属元素は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ａｌ、Ｗ、及びＰｔの少なくとも一つである。第３下地層２３は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む層であってもよい。さらに第３下地層２３は、例えば、（００１）配向した正方晶構造又は立方晶構造を有し、かつＡｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｐｔの群から選択される少なくとも１つの元素を含む層であってもよい。第３下地層２３は、これらの金属元素の合金、又はこれら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体であってもよい。金属元素の合金には、例えば、立方晶系のＡｇＺｎ合金、ＡｇＭｇ合金、ＣｏＡｌ合金、ＦｅＡｌ合金及びＮｉＡｌ合金が含まれる。
【００３５】
下地層２０は、基板１０と第１強磁性層３０の格子定数の差を緩和するバッファ層として機能し、下地層２０の上に形成される上部の層の結晶性を高める。第１下地層２１、第２下地層２２及び第３下地層２３は、除いてもよい。すなわち、下地層２０は、無くてもよく、１層又は２層でもよい。また第１下地層２１、第２下地層２２及び第３下地層２３のうちのいずれかは、同じ材料で形成してもよい。また下地層２０は、３層に限られず、４層以上でもよい。
【００３６】
（第１強磁性層、第２強磁性層）
第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０は磁性体である。第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０は、それぞれ磁化をもつ。磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層３０の磁化と第２強磁性層７０の磁化の相対角の変化を抵抗値変化として出力する。
【００３７】
第２強磁性層７０の磁化は、例えば、第１強磁性層３０の磁化より動きやすい。所定の外力を加えた場合に、第１強磁性層３０の磁化の向きは変化せず（固定され）、第２強磁性層７０の磁化の向きは変化する。第１強磁性層３０の磁化の向きに対して第２強磁性層７０の磁化の向きが変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は変化する。この場合、第１強磁性層３０は磁化固定層と言われ、第２強磁性層７０は磁化自由層と言われる場合がある。以下、第１強磁性層３０が磁化固定層、第２強磁性層７０が磁化自由層の場合を例にとって説明をするが、この関係は反対でもよい。
【００３８】
所定の外力を印加した際の第１強磁性層３０の磁化と第２強磁性層７０の磁化との動きやすさの差は、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０との保磁力の違いにより生じる。例えば、第２強磁性層７０の厚みを第１強磁性層３０の厚みより薄くすると、第２強磁性層７０の保磁力が第１強磁性層３０の保磁力より小さくなる。また例えば、第１強磁性層３０の非磁性層５０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設ける。第１強磁性層３０、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、スペーサ層を挟む２つの磁性層からなる。第１強磁性層３０と反強磁性層とが反強磁性カップリングすることで、反強磁性層を有さない場合より第１強磁性層３０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。
【００３９】
第１強磁性層３０は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群より選ばれる金属、これらの金属を一以上の含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ及びＮのうち少なくとも一種の元素とが含まれる合金を含む。第１強磁性層３０は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂが好ましい。第１強磁性層３０は、後述する第２強磁性層７０と同じホイスラー合金でもよい。
【００４０】
第２強磁性層７０は、ホイスラー合金である。ホイスラー合金は、非磁性層５０を通過する電子が上向き又は下向きのスピンのみとなり、スピン分極率が理想的には１００％を示すハーフメタルである。
【００４１】
Ｘ２ＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金は、フルホイスラー合金と言われ、ｂｃｃ構造を基本とした典型的な金属間化合物である。Ｘ２ＹＺで表記される強磁性のホイスラー合金は、Ｌ２１構造、Ｂ２構造、Ａ２構造のいずれかの結晶構造を有する。Ｘ２ＹＺの組成式で表される化合物においてはＬ２１構造＞Ｂ２構造＞Ａ２構造の順に、結晶性が高い。
【００４２】
図２は、Ｘ２ＹＺの組成式で表されるホイスラー合金の結晶構造の一例であり、（ａ）はＬ２１構造のホイスラー合金の結晶であり、（ｂ）はＬ２１構造由来のＢ２構造であり、（ｃ）はＬ２１構造由来のＡ２構造である。Ｌ２１構造は、Ｘサイトに入る元素、Ｙサイトに入る元素、及び、Ｚサイトに入る元素が固定されている。Ｂ２構造は、Ｙサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在し、Ｘサイトに入る元素が固定されている。Ａ２構造は、Ｘサイトに入る元素とＹサイトに入る元素とＺサイトに入る元素とが混在している。
【００４３】
本実施形態にかかるホイスラー合金は、α及びβが２．３≦α＋βである。αは、置換前の状態でＣｏ元素の数を２としたときのＦｅ元素の数であり、βは置換前の状態でＣｏ元素の数を２としたときのＺ元素の数である。置換後の状態では、例えば、Ｃｏ元素及び後述する置換元素の数を２としたときのＦｅ元素の数であり、βはＣｏ元素及び後述する置換元素の数を２としたときの後述するＺ元素の数である。本実施形態にかかるホイスラー合金は、図２（ａ）に示すＸ２ＹＺで表されるホイスラー合金の化学量論組成（α＋β＝２）から外れている。α＋βは、２．３≦α＋β＜２．６６であることが好ましく、２．４５＜α＋β＜２．６６であることが特に好ましい。
【００４４】
本実施形態にかかるホイスラー合金は、αとβがα＜βの関係を満たす。Ｆｅ元素は、Ｘ元素サイトの元素と置換する場合がある。Ｆｅ元素がＸ元素サイトに置換することをアンチサイトという。アンチサイトは、ホイスラー合金のフェルミレベルを変動させる。フェルミレベルが変動すると、ホイスラー合金のハーフメタル性が低下し、スピン分極率が低下する。スピン分極率の低下は、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比の低下の原因となる。α及びβは、α＜β＜２×αであることが好ましく、α＜β＜１．５×αであることが特に好ましい。βがαに対して大きくなり過ぎないことで、ホイスラー合金の結晶構造が乱れることを抑制でき、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比の低下を抑制できる。
【００４５】
また本実施形態にかかるホイスラー合金は、αが０．５＜α＜１．９の関係を満たす。アンチサイトを抑制するためには、αは、０．８＜α＜１．３３であることが好ましく、０．９＜α＜１．２であることが特に好ましい。
【００４６】
また本実施形態にかかるホイスラー合金は、Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換されている。Ｚ元素は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素である。置換元素は、Ｃｏ元素、Ｆｅ元素、Ｚ元素のいずれかと置換する。置換元素は、主に、Ｃｏ元素と置換する。
【００４７】
置換元素は、Ｚ元素と異なる元素であり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である。置換元素は、例えば、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素である。これらの元素は、Ｃｏ元素と置換しても結晶構造を維持しやすい。また置換元素は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素であることが好ましい。フントの規則によって求められる原子当たりの磁性体の磁気モーメントの大きさは、最外殻価電子数が小さいほど小さくなる。Ｃｏ元素の一部がＣｕ、Ａｇ、Ａｕからなる群から選択される１以上の元素で置き換わると、最外殻価電子数を減らすことができ、飽和磁化を小さくできる。磁性体の飽和磁化が小さくなると、磁化反転しやすくなる。
【００４８】
本実施形態にかかるホイスラー合金は、例えば、以下の一般式（１）で表される。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）αＺβ  ・・・（１）
式（１）中、Ｘ１は置換元素であり、Ｙ１はＦｅより磁気モーメントが小さい元素からなる群から選択される１以上の第２置換元素である。ａ及びｂは、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０を満たす。一般式（１）において、αはＸサイトの元素（Ｃｏ元素又は置換元素）の数を２としたときのＹサイトの原子（Ｆｅ元素又は第２元素）の数であり、βはＸサイトの元素の数を２としたときのＺ元素の数である。
【００４９】
第２置換元素は、置換元素と同じでもよく、異なってもよい。第２置換元素は、第４族から第１０族の元素のうちＦｅより融点が高い元素からなる群から選択される１以上の元素であることが好ましい。Ｆｅ元素をＦｅ元素より融点の高い元素で置換することで、ホイスラー合金の融点を高くすることができる。ホイスラー合金の融点が高くなると、ホイスラー合金からその他の層への元素拡散を抑制でき、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比の低下を抑制できる。
【００５０】
また本実施形態にかかるホイスラー合金は、例えば、以下の一般式（２）で表されるものでもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２ＦｅαＺβ  ・・・（２）
式（２）中、Ｘ１は置換元素である。ａは、０＜ａ＜０．５を満たす。一般式（１）において、αはＸサイトの元素（Ｃｏ元素又は置換元素）の数を２としたときのＹサイトの元素（Ｆｅ元素又は第２元素）の数であり、βはＸサイトの元素の数を２としたときのＺ元素の数である。一般式（２）は、一般式（１）のＦｅ元素が置換されていないものであり、一般式（１）におけるｂ＝０と一致する。
【００５１】
また本実施形態にかかるホイスラー合金は、例えば、以下の一般式（３）で表されるものでもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇａ１−ｃＺ１ｃ）β  ・・・（３）
式（３）中、Ｘ１は置換元素であり、Ｙ１は第２置換元素であり、Ｚ１はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素である。一般式（３）は、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｃ）を満たす。一般式（３）は、一般式（１）のＺ元素の一部がＧａの場合に対応する。
【００５２】
Ｇａは融点が低く、低温でもホイスラー合金の結晶構造を規則化する。Ｘサイトの元素（Ｃｏ元素又は置換元素）の数を２としたときに、Ｇａが０．１以上含まれると、ホイスラー合金は、低温度でも規則化しやすい。一般式（３）のホイスラー合金は、構成元素がその他の層への元素拡散することを抑制でき、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比の低下を抑制できる。またＧａ元素の存在比は、Ｚ１元素の存在比よりも少ないことが好ましい。すなわち、ｃ＞０．５を満たすことが好ましい。ホイスラー合金中に含まれるＧａが多くなりすぎると、ホイスラー合金の融点が下がり、Ｇａが他の層に拡散する。
【００５３】
また本実施形態にかかるホイスラー合金は、例えば、以下の一般式（４）で表されるものでもよい。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇｅ１−ｄＺ２ｄ）β  ・・・（４）
式（４）中、Ｘ１は置換元素であり、Ｙ１は第２置換元素であり、Ｚ２はＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素である。一般式（４）は、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｄ）を満たす。
【００５４】
Ｇｅは半導体元素であり、ホイスラー合金の抵抗率を大きくする作用がある。ホイスラー合金がＧｅを含むと、磁気抵抗効果素子の面抵抗（ＲＡ）が大きくなる。例えば、後述する磁壁駆動素子等は、ＲＡが大きいことが求められる。Ｇｅ元素は、Ｘサイトの元素（Ｃｏ元素又は置換元素）の数を２としたときに、０．１以上含まれることが好ましい。Ｇｅ元素の存在比は、Ｚ２元素の存在比よりも多いことが好ましい。すなわち、ｄ＜０．５を満たすことが好ましい。一方で、Ｇｅ元素の存在比が多くなりすぎると、ホイスラー合金の抵抗率が大きくなり、磁気抵抗効果素子１０１の寄生抵抗成分となる。β（１−ｄ）は、０．６３＜β（１−ｄ）＜１．２６であることがより好ましく、０．８４＜β（１−ｄ）＜１．２６であることが特に好ましい。
【００５５】
また上記の一般式（４）においてＺ２元素は、Ｇａでもよい。この場合、一般式（４）は、以下の一般式（５）で表記される。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇｅ１−ｄＧａｄ）β  ・・・（５）
式（５）中、Ｘ１は置換元素であり、Ｙ１は第２置換元素である。一般式（５）は、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、０．１≦β（１−ｄ）、０．１≦βｄを満たす。
【００５６】
一般式（５）のホイスラー合金は、Ｚ元素としてＧａとＧｅを含む。一般式（５）のホイスラー合金は、ＧａとＧｅの相乗効果によって、ハーフメタルとして特性が強くなりスピン分極率が向上する。一般式（５）のホイスラー合金を用いた磁気抵抗効果素子１０１は、上記のＧａとＧｅの相乗効果によってＭＲ比とＲＡがより大きくなる。
【００５７】
一般式（５）において、Ｇｅ元素の存在比はＧａ元素の存在比よりも多いことが好ましい。また、一般式（５）は、０．６３＜β（１−ｄ）＜１．２６を満たすことがより好ましく、０．８４＜β（１−ｄ）＜１．２６を満たすことが特に好ましい。
【００５８】
また上記の一般式（４）においてＺ２元素は、Ｇａ及びＭｎでもよい。この場合、一般式（４）は、以下の一般式（６）で表記される。
（Ｃｏ１−ａＸ１ａ）２（Ｆｅ１−ｂＹ１ｂ）α（Ｇｅ１−ｄＧａｅＭｎｆ）β  ・・・（６）
式（５）中、Ｘ１は置換元素であり、Ｙ１は第２置換元素である。一般式（６）は、０＜ａ＜０．５、ｂ≧０、ｅ＋ｆ＝ｄ＞０、０．１≦β（１−ｄ）、０．１≦βｅ、０．１≦βｆを満たす。
【００５９】
Ｍｎは、Ｇａ及びＧｅと共存することによって、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比を大きくする効果を有する。Ｍｎ元素は、Ｘ元素サイトに置換しても、ハーフメタル特性を低下しにくい。一般式（６）において、Ｍｎ元素の存在比はＧｅ元素の存在比よりも多いことが好ましい。またＧａ元素の存在比は、Ｇｅ元素の存在比よりも多いことが好ましい。具体的には、β（１−ｄ）は０．４＜β（１−ｄ）＜０．６を、βｅは０．２＜βｅ＜０．４を、βｆは０．３８＜βｆ＜０．７６をそれぞれ満足することが好ましい。ホイスラー合金が、ＧａとＧｅとＭｎを含むと、それぞれの元素に起因した効果が発揮され、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比がより大きくなる。
【００６０】
本実施形態にかかるホイスラー合金は、磁化の回転に要するエネルギーを小さくできる。磁化回転に要するエネルギーが小さくなる理由は明確ではないが、以下の複数の要因が重なり合うことで、磁化回転に要するエネルギーが小さくなると考えられる。
【００６１】
一つ目の要因は、ホイスラー合金の組成が、化学量論組成であるα＋β＝２から外れていて、２．３≦α＋βとなっていることである。これによりフェルミエネルギーにおけるマイノリティスピンの状態密度が低くなり、ダンピング定数が小さくなる。ダンピング定数は、スピン軌道相互作用を起源とする物理量である。ダンピング定数は、磁気摩擦係数もしくは磁気緩和係数とも呼ばれ、これが小さいとスピントランスファートルク等の外力により、磁化が動きやすくなる（回転しやすくなる）。
【００６２】
二つ目の要因は、合金の元素の一部がＣｏより磁気モーメントが小さい置換元素で置換されていることである。Ｃｏより磁気モーメントが小さい置換元素で置換すると、置換前の物質より磁気異方性エネルギーが小さくなる。ホイスラー合金の磁気異方性エネルギーが小さくなると、磁化が反転しやすくなる。
【００６３】
ホイスラー合金の組成は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線法）、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）発光分光分析法、ＥＤＳ（エネルギー分散型Ｘ線分析法）、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析法）、ＡＥＳ（オージェ電子分光法）等により測定可能である。
【００６４】
ホイスラー合金の結晶構造は、ＸＲＤ（Ｘ線回折法）、ＲＨＥＥＤ（反射高速電子回折法）等により測定可能である。例えば、ＸＲＤの場合、ホイスラー合金がＬ２１構造の場合、（２００）及び （１１１）ピークを示すが、Ｂ２構造の場合、（２００）ピークは示すが、（１１１）ピークは示さない。例えば、ＲＨＥＥＤの場合、ホイスラー合金がＬ２１構造の場合、（２００）ストリーク及び （１１１）ストリークを示すが、Ｂ２構造の場合、（２００）ストリークは示すが、（１１１）ストリークは示さない。
【００６５】
置換元素のサイト特定は、ＸＡＳ（Ｘ線吸収分光法）、ＸＭＣＤ（Ｘ線磁気円二色性）、ＮＭＲ（核磁気共鳴法）等で測定可能である。例えば、ＸＡＳの場合、ＣｏやＦｅの吸収端を見れば良い。
【００６６】
前記組成、前記結晶構造、前記サイト特定は、磁気抵抗効果素子１０１の作製中（ｉｎ−ｓｉｔｕ）もしくは作製後に分析しても良いし、基材の上にホイスラー合金のみ形成したもので分析しても良い。後者の場合、ホイスラー合金に含まれる元素を含まない材料から構成される基材を選定し、ホイスラー合金の膜厚としては分析機器の分解能にもよるが２ｎｍから５０ｎｍ程度にするのが好ましい。
【００６７】
（第１ＮｉＡｌ層、第２ＮｉＡｌ層）
第１ＮｉＡｌ層４０及び第２ＮｉＡｌ層６０は、ＮｉＡｌ合金を含む層である。第１ＮｉＡｌ層４０は、第１強磁性層３０と非磁性層５０との格子不整合を緩和するバッファ層である。第２ＮｉＡｌ層６０は、非磁性層５０と第２強磁性層７０との格子不整合を緩和するバッファ層である。
【００６８】
第１ＮｉＡｌ層４０及び第２ＮｉＡｌ層６０は、例えば、それぞれ厚みｔが０＜ｔ≦０．６３ｎｍである。厚みｔが厚くなりすぎると第１強磁性層３０（第２強磁性層７０）から第２強磁性層７０（第１強磁性層３０）に移動する電子においてスピン散乱されるおそれがある。厚みｔがこの範囲内にあることによって、移動する電子においてスピン散乱が抑制され、第１強磁性層３０と非磁性層５０との格子不整合が低減し、非磁性層５０と第２強磁性層７０との格子不整合が低減する。各層の格子不整合性が小さくなると、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比が向上する。
【００６９】
（非磁性層）
非磁性層５０は、非磁性の金属からなる。非磁性層５０の材料は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ等である。非磁性層５０は、主の構成元素としてＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒからなる群より選ばれる一以上の元素を含むことが好ましい。主の構成元素とは、組成式において、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒが占める割合が５０％以上となることを意味する。非磁性層５０は、Ａｇを含むことが好ましく、主の構成元素としてＡｇを含むことが好ましい。Ａｇはスピン拡散長が長いため、Ａｇを用いた磁気抵抗効果素子１０１は、ＭＲ比がより大きくなる。
【００７０】
非磁性層５０は、例えば、厚みが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の範囲内である。非磁性層５０は、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０との磁気的な結合を阻害する。
【００７１】
また非磁性層５０は、絶縁体又は半導体でもよい。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層５０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層５０はトンネルバリア層である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
【００７２】
（キャップ層）
キャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の基板１０と反対側に位置する。キャップ層８０は、第２強磁性層７０を保護するために設けられる。キャップ層８０は、第２強磁性層７０からの原子の拡散を抑制する。またキャップ層８０は、磁気抵抗効果素子１０１の各層の結晶配向性にも寄与する。キャップ層８０を有すると、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０の磁化が安定化し、磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比を向上させることができる。
【００７３】
キャップ層８０は、検出用電流を流すための電極と利用できるようにするため、導電性が高い材料を含むことが好ましい。キャップ層８０は、例えば、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａ、Ｐｄ、及びＩｒの一以上の金属元素、これら金属元素の合金、又は、これら金属元素の２種類以上からなる材料の積層体を含んでよい。
【００７４】
次に、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１の製造方法について説明する。磁気抵抗効果素子１０１は、例えば、基板１０の上に、下地層２０（第１下地層２１、第２下地層２２、第３下地層２３）、第１強磁性層３０、第１ＮｉＡｌ層４０、非磁性層５０、第２ＮｉＡｌ層６０、第２強磁性層７０、キャップ層８０をこの順に積層することによって得られる。各層の成膜方法は、例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いることができる。
【００７５】
また下地層２０の形成後、あるいは第２強磁性層７０の積層後に、基板１０をアニールしてもよい。アニールにより各層の結晶性が高まる。
【００７６】
磁気抵抗効果素子１０１を構成する第１強磁性層３０、非磁性層５０及び第２強磁性層７０からなる積層体は柱状の形状である。積層体を平面視した形状は、円形、四角形、三角形、多角形等の種々の形状をとることができ、フォトリソグラフィやイオンビームエッチングなどの公知の方法で作製することができる。
【００７７】
上述のように、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子１０１は、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０とのうち少なくとも一方に、上記のホイスラー合金を用いている。上記のホイスラー合金は磁化反転しやすく、磁気抵抗効果素子１０１の作動時の電流密度を低減できる。
【００７８】
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。磁気抵抗効果素子１０２は、第１ＮｉＡｌ層４０と第２ＮｉＡｌ層６０とを有しない点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。図３において、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００７９】
第２実施形態の磁気抵抗効果素子１０２は、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０とのうち少なくとも一方が上記のホイスラー合金である。第２実施形態の磁気抵抗効果素子１０２は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１０１と同様の効果を奏する。また第２実施形態の磁気抵抗効果素子１０２は、第１ＮｉＡｌ層と第２ＮｉＡｌ層とを有さず、第１強磁性層３０と非磁性層５０と第２強磁性層７０とが直接接触している。磁気抵抗効果は、非磁性層を挟む２つの強磁性層の磁化方向の相対角の変化により生じる。第１強磁性層３０と第２強磁性層７０とで、直接、非磁性層５０を挟むことで、ＭＲ比が向上する。また磁気抵抗効果を発現する層が、第１強磁性層３０、第２強磁性層７０、非磁性層５０の３層となり、磁気抵抗効果素子１０２全体の厚みが薄くなる。一つの磁気抵抗効果素子１０２の厚みが薄くなれば、同じ領域内に多くの素子を設けることができ、高記録密度に適した素子となる。また、第１ＮｉＡｌ層４０と第２ＮｉＡｌ層６０とを形成する工程を必要としないため、製造工程が簡素化する。
【００８０】
［第３実施形態］
図４は、第３実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の断面図である。磁気抵抗効果素子１０３は、下地層２０が第４下地層２４を有する点において、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１と異なる。このため、図４においては、図１と同じ構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００８１】
第４下地層２４は、第３下地層２３と第１強磁性層３０との間に配置されている。第４下地層２４は、下地層２０の上に積層される第１強磁性層３０の結晶性を高めるシード層として機能する。第４下地層２４は、例えば、ＣｏとＦｅとを含む合金である。第１強磁性層３０がホイスラー合金の場合、積層界面付近で磁化の安定性が低い。一方、ＣｏとＦｅとを含む合金は、磁化の安定性が高く、第１強磁性層３０を構成するホイスラー合金との格子整合性も高い。第４下地層２４にＣｏとＦｅとを含む合金を用いた磁気抵抗効果素子１０３は、第１強磁性層３０を構成するホイスラー合金の磁化がより安定するため、室温においてもＭＲ比が向上する。ＣｏとＦｅとを含む合金は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂである。
【００８２】
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。
【００８３】
各実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１、１０２、１０３は、様々な用途に用いることができる。各実施形態に係る磁気抵抗効果素子１０１、１０２、１０３は、例えば、磁気ヘッド、磁気センサ、磁気メモリ、高周波フィルタなどに適用できる。
【００８４】
次に、本実施形態にかかる磁気抵抗効果素子の適用例について説明する。なお、以下の適用例では、磁気抵抗効果素子として、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１０１を用いているが、磁気抵抗効果素子はこれに限定されるものではなく、例えば、第２実施形態の磁気抵抗効果素子１０２及び第３実施形態の磁気抵抗効果素子１０３を用いても同様な効果が得られる。
【００８５】
図５は、適用例１にかかる磁気記録装置の断面図である。図５は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。
【００８６】
図５に示すように、磁気記録装置２０１は、磁気ヘッド２１０と磁気記録媒体Ｗとを有する。図５において、磁気記録媒体Ｗが延在する一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とする。ＸＹ面は、磁気記録媒体Ｗの主面と平行である。磁気記録媒体Ｗと磁気ヘッド２１０とを結ぶ方向であって、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
【００８７】
磁気ヘッド２１０は、エアベアリング面（Ａｉｒ  Ｂｅａｒｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ：媒体対向面）Ｓが磁気記録媒体Ｗの表面と対向している。磁気ヘッド２１０は、磁気記録媒体Ｗから一定の距離で離れた位置にて、磁気記録媒体Ｗの表面に沿って、矢印＋Ｘと矢印−Ｘの方向に移動する。磁気ヘッド２１０は、磁気センサとして作用する磁気抵抗効果素子１０１と、磁気記録部（不図示）とを有する。磁気抵抗効果素子１０１の第１強磁性層３０と第２強磁性層７０は抵抗測定器２２０が接続されている。
【００８８】
磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に磁場を印加し、記録層Ｗ１の磁化の向きを決定する。すなわち、磁気記録部は、磁気記録媒体Ｗの磁気記録を行う。磁気抵抗効果素子１０１は、磁気記録部よって書き込まれた記録層Ｗ１の磁化の情報を読み取る。
【００８９】
磁気記録媒体Ｗは、記録層Ｗ１と裏打ち層Ｗ２とを有する。記録層Ｗ１は磁気記録を行う部分であり、裏打ち層Ｗ２は書込み用の磁束を再び磁気ヘッド２１０に還流させる磁路（磁束の通路）である。記録層Ｗ１は、磁気情報を磁化の向きとして記録している。
【００９０】
磁気抵抗効果素子１０１の第２強磁性層７０は、磁化自由層である。このため、エアベアリング面Ｓに露出した第２強磁性層７０は、対向する磁気記録媒体Ｗの記録層Ｗ１に記録された磁化の影響を受ける。例えば、図５においては、記録層Ｗ１の＋ｚ方向に向いた磁化の影響を受けて、第２強磁性層７０の磁化の向きが＋ｚ方向を向く。この場合、磁化固定層である第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが平行となる。
【００９１】
磁気ヘッド２１０の第２強磁性層７０は、上記のホイスラー合金であり、磁化反転に要するエネルギーが少ない。そのため磁気ヘッド２１０は、記録層Ｗ１に記録された磁化を高感度に読み出すことができる。
【００９２】
ここで、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが平行の場合の抵抗と、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗とは異なる。よって、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の抵抗を、抵抗測定器２２０によって測定することによって、記録層Ｗ１の磁化の情報を抵抗値変化として読み出すことができる。
【００９３】
磁気ヘッド２１０の磁気抵抗効果素子１０１の形状は特に制限はない。例えば、磁気抵抗効果素子１０１の第１強磁性層３０に対する磁気記録媒体Ｗの漏れ磁場の影響を避けるために、第１強磁性層３０を磁気記録媒体Ｗから離れた位置に設置してもよい。
【００９４】
図６は、適用例２にかかる磁気記録素子の断面図である。図６は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。
【００９５】
図６に示すように、磁気記録素子２０２は、磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１の第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０に接続する電源２３０と測定部２４０とを有する。下地層２０の第３下地層２３が導電性を有する場合は、第１強磁性層３０の代わりに第３下地層２３に電源２３０と測定部２４０を接続してもよい。また、キャップ層８０が導電性を有する場合は、第２強磁性層７０の代わりにキャップ層８０に電源２３０と測定部２４０を接続してもよい。電源２３０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電位差を与える。測定部２４０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値を測定する。
【００９６】
電源２３０により第１強磁性層３０と第２強磁性層７０との間に電位差が生じると、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電流が流れる。電流は、第１強磁性層３０を通過する際にスピン偏極し、スピン偏極電流となる。スピン偏極電流は、非磁性層５０を介して、第２強磁性層７０に至る。第２強磁性層７０の磁化は、スピン偏極電流によるスピントランスファートルク（ＳＴＴ）を受けて磁化反転する。第２強磁性層７０は、上述のホイスラー合金であり、少ないエネルギーで磁化反転する。第１強磁性層３０の磁化の向きと第２強磁性層７０の磁化の向きとの相対角が変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値は、測定部２４０で読み出される。すなわち、図６に示す磁気記録素子２０２は、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）型の磁気記録素子である。
【００９７】
図７は、適用例３にかかる磁気記録素子の断面図である。図７は、磁気抵抗効果素子の各層の積層方向に沿って磁気抵抗効果素子１０１を切断した断面図である。
【００９８】
図７に示すように、磁気記録素子２０３は、磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１の第３下地層２３の両端に接続する電源２３０と第３下地層２３及び第２強磁性層７０に接続する測定部２４０とを有する。第３下地層２３は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む層とされている。第３下地層２３は、例えば、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属を含む層とされている。また、キャップ層８０が導電性を有する場合は、第２強磁性層７０の代わりにキャップ層８０に測定部２４０を接続してもよい。電源２３０は、第３下地層２３の第１端と第２端に接続されている。電源２３０は、第３下地層２３の一方の端部（第一端）と、第一端と反対側の端部（第２端）との間の面内方向に電位差を与える。測定部２４０は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値を測定する。図７に示す磁気抵抗効果素子１０１では、第１強磁性層３０を磁化自由層、第２強磁性層７０を磁化固定層としている。
【００９９】
電源２３０により第３下地層２３の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、第３下地層２３に沿って電流が流れる。第３下地層２３に沿って電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。スピンホール効果は、移動するスピンが電流の流れ方向と直交する方向に曲げられる現象である。スピンホール効果は、第３下地層２３内にスピンの偏在を生み出し、第３下地層２３の厚み方向にスピン流を誘起する。スピンは、スピン流によって第３下地層２３から第１強磁性層３０に注入される。
【０１００】
第１強磁性層３０に注入されたスピンは、第１強磁性層３０の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層３０は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて、磁化反転する。第１強磁性層３０は、上述のホイスラー合金であり、少ないエネルギーで磁化反転する。第１強磁性層３０の磁化の向きと第２強磁性層７０の磁化の向きとが変化することで、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値が変化する。磁気抵抗効果素子１０１の積層方向の抵抗値は、測定部２４０で読み出される。すなわち、図７に示す磁気記録素子２０３は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）型の磁気記録素子である。
【０１０１】
図８は、適用例４にかかるスピン流磁化回転素子の断面図である。
スピン流磁化回転素子３００は、図７に示す磁気記録素子２０３から第１ＮｉＡｌ層４０、非磁性層５０、第２ＮｉＡｌ層６０、第２強磁性層７０及びキャップ層８０を除いたものである。スピン流磁化回転素子３００において、第１強磁性層３０は、上記の一般式（１）で表されるホイスラー合金である。
【０１０２】
電源２３０により第３下地層２３の第１端と第２端との間に電位差を生み出すと、第３下地層２３に沿って電流が流れる。第３下地層２３に沿って電流が流れると、スピン軌道相互作用によりスピンホール効果が生じる。第３下地層２３から注入されるスピンは、第１強磁性層３０の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。第１強磁性層３０の磁化は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）によって磁化方向が変化する。
【０１０３】
第１強磁性層３０の磁化の向きが変化すると、磁気カー効果によって反射光の偏向が変化する。また第１強磁性層３０の磁化の向きが変化すると、磁気ファラデー効果によって透過光の偏向が変化する。スピン流磁化回転素子３００は、磁気カー効果又は磁気ファラデー効果を利用した光学素子として用いることができる。
【０１０４】
図９は、適用例５にかかる磁壁移動素子（磁壁移動型磁気記録素子）の断面図である。
磁壁移動型磁気記録素子４００は、第１強磁性層４０１と第２強磁性層４０２と非磁性層４０３と第１磁化固定層４０４と第２磁化固定層４０５とを有する。図９において、第１強磁性層４０１が延びる方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
【０１０５】
非磁性層４０３は、Ｚ方向に第１強磁性層４０１と第２強磁性層４０２とに挟まれる。第１磁化固定層４０４及び第２磁化固定層４０５は、Ｘ方向に第２強磁性層４０２及び非磁性層４０３を挟む位置で、第１強磁性層４０１に接続されている。
【０１０６】
第１強磁性層４０１は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。第１強磁性層４０１は、内部に第１磁区４０１Ａと第２磁区４０１Ｂとを有する。第１強磁性層４０１のうち第１磁化固定層４０４又は第２磁化固定層４０５とＺ方向に重なる位置の磁化は、一方向に固定される。第１磁化固定層４０４とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば＋Ｚ方向に固定され、第２磁化固定層４０５とＺ方向に重なる位置の磁化は例えば−Ｚ方向に固定される。その結果、第１磁区４０１Ａと第２磁区４０１Ｂとの境界に磁壁ＤＷが形成される。第１強磁性層４０１は、磁壁ＤＷを内部に有することができる。図９に示す第１強磁性層４０１は、第１磁区４０１Ａの磁化Ｍ４０１Ａが＋Ｚ方向に配向し、第２磁区４０１Ｂの磁化Ｍ４０１Ｂが−Ｚ方向に配向している。
【０１０７】
磁壁移動型磁気記録素子４００は、第１強磁性層４０１の磁壁ＤＷの位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。第１強磁性層４０１に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁壁移動型磁気記録素子４００の抵抗値変化として読み出される。
【０１０８】
第１強磁性層４０１における第１磁区４０１Ａと第２磁区４０１Ｂとの比率は、磁壁ＤＷが移動すると変化する。第２強磁性層４０２の磁化Ｍ４０２は、例えば、第１磁区４０１Ａの磁化Ｍ４０１Ａと同じ方向（平行）であり、第２磁区４０１Ｂの磁化Ｍ４０１Ｂと反対方向（反平行）である。磁壁ＤＷが＋Ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第２強磁性層４０２と重畳する部分における第１磁区４０１Ａの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子４００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁ＤＷが−Ｘ方向に移動し、Ｚ方向からの平面視で第２強磁性層４０２と重畳する部分における第２磁区４０１Ｂの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子４００の抵抗値は高くなる。
【０１０９】
磁壁ＤＷは、第１強磁性層４０１のＸ方向に書込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第１強磁性層４０１の＋Ｘ方向に書込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の−Ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは−Ｘ方向に移動する。第１磁区４０１Ａから第２磁区４０１Ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区４０１Ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区４０１Ａの磁化Ｍ４０１Ａを磁化反転させる。第１磁区４０１Ａの磁化Ｍ４０１Ａが磁化反転することで、磁壁ＤＷが−Ｘ方向に移動する。
【０１１０】
第１強磁性層４０１の材料としては、例えば、上記のホイスラー合金が用いられる。上記のホイスラー合金は磁化反転しやすく、少ないエネルギーで磁壁ＤＷを動かすことができる。
【０１１１】
また磁壁移動型磁気記録素子４００は、ＭＲ比が大きく、かつ、ＲＡの大きいことが好ましい。磁壁移動型磁気記録素子４００のＭＲ比が大きいと、磁壁移動型磁気記録素子４００の抵抗値の最大値と最小値の差が大きくなり、データの信頼性が高まる。また磁壁移動型磁気記録素子４００のＲＡが大きいと、データをよりアナログに記録できる。第１強磁性層４０１は、一般式（４）を満たすホイスラー合金が好ましい。
【０１１２】
第２強磁性層４０２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、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。第２強磁性層４０２の材料として、上記のホイスラー合金を用いてもよい。
【０１１３】
非磁性層４０３は、上記の非磁性層５０と同様の材料を用いることができる。第１磁化固定層４０４及び第２磁化固定層４０５は、第２強磁性層４０２と同様の材料を用いることができる。第１磁化固定層４０４及び第２磁化固定層４０５はＳＡＦ構造でもよい。
【０１１４】
図１０は、適用例６にかかる磁壁移動素子（磁性細線装置）の斜視図である。
磁性細線装置５００は、図１０に示すように、磁気記録媒体５１０と、磁気記録ヘッド５２０と、パルス電源５３０とを備える。磁気記録ヘッド５２０は、磁気記録媒体５１０上の所定の位置に設けられる。パルス電源５３０は、磁気記録媒体５１０の面内方向にパルス電流を印加できるように、磁気記録媒体５１０に接続される。なお、図１０において、磁気記録媒体５１０が延びる一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
【０１１５】
磁気記録媒体５１０は、磁性細線５１１と下地層５１２と基板５１３とを有する。下地層５１２は基板５１３上に積層され、磁性細線５１１は下地層５１２上に積層される。磁性細線５１１は、Ｘ方向の長さがＹ方向の幅より長い細線状である。
【０１１６】
磁性細線５１１は、長手方向の一部に他の部分とは磁化方向の異なる磁区を形成可能な磁性材料から形成されている。磁性細線５１１は、例えば、第１磁区５１１Ａと第２磁区５１１Ｂとを有する。第２磁区５１１Ｂの磁化Ｍ５１１Ｂは、第１磁区５１１Ａの磁化Ｍ５１１Ａと異なる方向に配向する。第１磁区５１１Ａと第２磁区５１１Ｂとの間に、磁壁ＤＷが形成される。第２磁区５１１Ｂは、磁気記録ヘッド５２０により生成される。
【０１１７】
磁性細線装置５００は、パルス電源５３０から供給されるパルス電流によって磁性細線５１１の磁壁ＤＷを断続的にシフト移動させながら、磁気記録ヘッド５２０が発生する磁界又はスピン注入磁化反転を用いて、磁性細線５１１の第２磁区５１１Ｂの位置を変化させることで、データの書込みを行う。磁性細線装置５００に書き込まれたデータは、磁気抵抗変化又は磁気光学変化を利用して読み出すことができる。磁気抵抗変化を用いる場合は、磁性細線５１１と対向する位置に非磁性層を挟んで強磁性層を設ける。磁気抵抗変化は、強磁性層の磁化と磁性細線５１１の磁化との相対角の違いに伴い生じる。
【０１１８】
磁性細線５１１の材料としては、上記のホイスラー合金が用いられる。磁性細線５１１が上記のホイスラー合金であると、磁壁ＤＷを動かすために必要なエネルギーを小さくできる。また一般式（４）を満たすホイスラー合金を磁性細線５１１に用いると、磁性細線装置５００のＲＡを大きくすることができる。
【０１１９】
下地層５１２の材料としては、その少なくとも一部に酸化物絶縁体であるフェライト、より具体的にはソフトフェライトを用いることが好ましい。ソフトフェライトとしては、Ｍｎ−Ｚｎフェライト、Ｎｉ−Ｚｎフェライト、Ｍｎ−Ｎｉフェライト、Ｎｉ−Ｚｎ−Ｃｏフェライトを用いることができる。ソフトフェライトは、透磁率が高いため、磁気記録ヘッド５２０によって発生した磁界の磁束が集中するので、第２磁区５１１Ｂを効率よく形成させることができる。基板５１３は、上述の基板１０と同様の材料を用いることができる。
【０１２０】
図１１は、適用例７にかかる磁壁移動素子（磁壁移動型空間光変調器）の斜視図である。
磁壁移動型空間光変調器６００は、図１１に示すように、第１磁化固定層６１０と第２磁化固定層６２０と光変調層６３０とを有する。図１１において、光変調層６３０が延びる一方向をＸ方向とし、Ｘ方向と垂直な方向をＹ方向とし、ＸＹ平面に対して垂直な方向をＺ方向とする。
【０１２１】
第１磁化固定層６１０の磁化Ｍ６１０と第２磁化固定層６２０の磁化Ｍ６２０とは、異なる方向に配向している。例えば、第１磁化固定層６１０の磁化Ｍ６１０は＋Ｚ方向に配向し、第２磁化固定層６２０の磁化Ｍ６２０は−Ｚ方向に配向する。
【０１２２】
光変調層６３０は、重畳領域６３１、６３６、初期磁区領域６３２、６３５、磁区変化領域６３３、６３４に区分できる。
【０１２３】
重畳領域６３１は第１磁化固定層６１０とＺ方向に重なる領域であり、重畳領域６３６は第２磁化固定層６２０とＺ方向に重なる領域である。重畳領域６３１の磁化Ｍ６３１は、第１磁化固定層６１０からの漏れ磁場の影響を受けて、例えば＋Ｚ方向に固定される。重畳領域６３６の磁化Ｍ６３６は、第２磁化固定層６２０からの漏れ磁場の影響を受けて、例えば−Ｚ方向に固定される。
【０１２４】
初期磁区領域６３２、６３５は、第１磁化固定層６１０又は第２磁化固定層６２０からの漏れ磁場の影響を受け、重畳領域６３１、６３６と異なる方向に磁化が固定される領域である。初期磁区領域６３２の磁化Ｍ６３２は、第１磁化固定層６１０からの漏れ磁場の影響を受けて、例えば−Ｚ方向に固定される。初期磁区領域６３５の磁化Ｍ６３５は、第２磁化固定層６２０からの漏れ磁場の影響を受けて、例えば＋Ｚ方向に固定される。
【０１２５】
磁区変化領域６３３、６３４は、磁壁ＤＷが移動できる領域である。磁区変化領域６３３の磁化Ｍ６３３と磁区変化領域６３４の磁化Ｍ６３４は、磁壁ＤＷを挟んで反対方向に配向する。磁区変化領域６３３の磁化Ｍ６３３は、初期磁区領域６３２の影響を受けて、例えば−Ｚ方向に配向する。磁区変化領域６３４の磁化Ｍ６３４は、初期磁区領域６３５の漏れ磁場の影響を受けて、例えば＋Ｚ方向に固定される。磁区変化領域６３３と磁区変化領域６３４との境界が磁壁ＤＷとなる。磁壁ＤＷは、光変調層６３０のＸ方向に書込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。
【０１２６】
磁壁移動型空間光変調器６００は、磁壁ＤＷを断続的に移動させながら、磁壁ＤＷの位置を変化させる。そして、光変調層６３０に対して光Ｌ１を入射し、光変調層６３０で反射した光Ｌ２を評価する。磁化の配向方向が異なる部分で反射した光Ｌ２の偏向状態は異なる。磁壁移動型空間光変調器６００は、光Ｌ２の偏向状態の違いを利用した映像表示装置として用いることができる。
【０１２７】
光変調層６３０の材料としては、上記のホイスラー合金が用いられる。これによって、磁壁ＤＷを少ないエネルギーで動かすことができる。また一般式（４）を満たすホイスラー合金を光変調層６３０に用いると、磁壁移動型空間光変調器６００のＲＡを大きくすることができる。その結果、磁壁ＤＷの位置をより精密に制御でき、より高精細な映像表示が可能となる。
【０１２８】
第１磁化固定層６１０及び第２磁化固定層６２０は、上述の第１磁化固定層４０４及び第２磁化固定層４０５と同様の材料を用いることができる。
【０１２９】
図１２は、適用例８にかかる高周波デバイスの斜視図である。
図１２に示すように、高周波デバイス７００は、磁気抵抗効果素子１０１と直流電源７０１とインダクタ７０２とコンデンサ７０３と出力ポート７０４と配線７０５，７０６を有する。
【０１３０】
配線７０５は、磁気抵抗効果素子１０１と出力ポート７０４とを繋ぐ。配線７０６は、配線７０５から分岐し、インダクタ７０２及び直流電源７０１を介し、グラウンドＧへ至る。直流電源７０１、インダクタ７０２、コンデンサ７０３は、公知のものを用いることができる。インダクタ７０２は、電流の高周波成分をカットし、電流の不変成分を通す。コンデンサ７０３は、電流の高周波成分を通し、電流の不変成分をカットする。インダクタ７０２は高周波電流の流れを抑制したい部分に配設し、コンデンサ７０３は直流電流の流れを抑制したい部分に配設する。
【０１３１】
磁気抵抗効果素子１０１に含まれる強磁性層に交流電流または交流磁場を印加すると、第２強磁性層７０の磁化は歳差運動する。第２強磁性層７０の磁化は、第２強磁性層７０に印加される高周波電流又は高周波磁場の周波数が、第２強磁性層７０の強磁性共鳴周波数の近傍の場合に強く振動し、第２強磁性層７０の強磁性共鳴周波数から離れた周波数ではあまり振動しない。この現象を強磁性共鳴現象という。
【０１３２】
磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値は、第２強磁性層７０の磁化の振動により変化する。直流電源７０１は、磁気抵抗効果素子１０１に直流電流を印加する。直流電流は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に流れる。直流電流は、配線７０６，７０５、磁気抵抗効果素子１０１を通りグラウンドＧへ流れる。磁気抵抗効果素子１０１の電位は、オームの法則に従い変化する。磁気抵抗効果素子１０１の電位の変化（抵抗値の変化）に応じて高周波信号が出力ポート７０４から出力される。
【０１３３】
第２強磁性層７０は、上記のホイスラー合金であり、少ないエネルギーで磁化を歳差運動させることができる。また上記のホイスラー合金は飽和磁化が小さく、高周波デバイス７００のＱ値が向上する。Ｑ値は、高周波信号の極大特性の鋭さの指標である。Ｑ値が大きいほど、特定の周波数の高周波信号を発振する。
【実施例】
【０１３４】
（実施例１）
図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を下記のようにして作製した。各層の構成は、以下のとおりとした。
基板１０：ＭｇＯ単結晶基板、厚み０．５ｍｍ
下地層２０：
第１下地層２１：ＭｇＯ、厚み１０ｎｍ
第２下地層２２：ＣｏＦｅ、厚み１０ｎｍ
第３下地層２３：Ａｇ、厚み５０ｎｍ
第１強磁性層３０：（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７、厚み１５ｎｍ
第１ＮｉＡｌ層４０：厚み０．２１ｎｍ
非磁性層５０：Ａｇ、厚み５ｎｍ
第２ＮｉＡｌ層６０：厚み０．２１ｎｍ
第２強磁性層７０：（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７、厚み５ｎｍ
キャップ層８０：Ｒｕ層、厚み５ｎｍ
【０１３５】
第１下地層２１（ＭｇＯ層）は、基板１０を５００℃に加熱し、スパッタリング法により成膜した。第１下地層２１を成膜した基板を、５００℃で１５分間保持した後、室温まで放冷した。次いで、第１下地層２１の上に第２下地層２２（ＣｏＦｅ層）を、スパッタリング法より成膜した。次に、第２下地層２２の上に、第３下地層２３（Ａｇ層）を、スパッタリング法より成膜して、下地層２０を成膜した。下地層２０を成膜した基板１０を３００℃で１５分間加熱し、その後、室温まで放冷した。
【０１３６】
放冷後、基板１０に成膜した下地層２０の上に、第１強磁性層３０（（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７）を成膜した。第１強磁性層３０の成膜は、ターゲットとして、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｇａ合金ターゲットとＣｕターゲットを用いた共スパッタリング法より行った。
【０１３７】
第１強磁性層３０の上に、第１ＮｉＡｌ層４０をスパッタリング法より成膜した。次に、第１ＮｉＡｌ層４０の上に、非磁性層５０（Ａｇ層）をスパッタリング法より成膜した。次いで、非磁性層５０の上に、第２ＮｉＡｌ層６０を第１ＮｉＡｌ層４０と同様に成膜した。そして、第２ＮｉＡｌ層６０の上に、第２強磁性層７０（（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７）を第１強磁性層３０と同様に成膜した。第２強磁性層７０を成膜した基板１０を、５５０℃で１５分間加熱し、その後、室温まで放冷した。
【０１３８】
放冷後、基板１０に成膜した第２強磁性層７０の上に、キャップ層８０（Ｒｕ層）をスパッタリング法により成膜した。このようして、図１に示す磁気抵抗効果素子１０１を作製した。
【０１３９】
尚、第１強磁性層３０および第２強磁性層７０の薄膜組成は、シリコン基板上に成膜した強磁性層単膜をＩＣＰ発光分光分析法により求め、狙いとする薄膜組成の成膜条件を決定した。
【０１４０】
作製した磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に電流を流し、第２強磁性層７０の磁化方向が変化するのに要する電流密度（反転電流密度）を求めた。第２強磁性層７０の磁化方向の変化は、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化をモニターすることで確認した。
【０１４１】
また作製した磁気抵抗効果素子１０１のＭＲ比も測定した。ＭＲ比は、磁気抵抗効果素子１０１の積層方向に一定電流を流した状態で、外部から磁気抵抗効果素子１０１に磁場を掃引しながら磁気抵抗効果素子１０１への印加電圧を電圧計によってモニターすることにより、磁気抵抗効果素子１０１の抵抗値変化を測定した。第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値と、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値とを測定し、得られた抵抗値から下記の式より算出した。ＭＲ比の測定は、３００Ｋ（室温）で行った。
ＭＲ比（％）＝（ＲＡＰ−ＲＰ）／ＲＰ×１００
ＲＰは、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが平行の場合の抵抗値であり、ＲＡＰは、第１強磁性層３０と第２強磁性層７０の磁化の向きが反平行の場合の抵抗値である。
【０１４２】
（実施例２〜実施例５）
実施例２〜５は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、Ｃｏ元素と置換する置換元素を変化させた点が実施例１と異なる。実施例２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｒｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。実施例３は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｒｈ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。実施例２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｐｄ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。実施例２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ａｇ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。
【０１４３】
（実施例６〜実施例８）
実施例６〜８は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、Ｃｏ元素と置換する置換元素の比率を変化させた点が実施例１と異なる。実施例６は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．８Ｃｕ０．２）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。実施例７は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．７Ｃｕ０．３）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。実施例８は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．６Ｃｕ０．４）２Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。
【０１４４】
（実施例９、実施例１０）
実施例９、実施例１０は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、Ｆｅ元素の一部を置換した点が実施例１と異なる。実施例９は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ０．９３Ｈｆ０．１Ｇａ１．２７とした。実施例１０は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ０．９３Ｔａ０．１Ｇａ１．２７とした。
【０１４５】
（実施例１１、実施例１２）
実施例１１、実施例１２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、Ｇａ元素の一部を異なる元素と置換した点が実施例１と異なる。実施例１１は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ０．４１Ｇｅ０．８６とした。実施例１２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０３Ｇａ０．４１Ｇｅ０．２２Ｍｎ０．６４とした。
【０１４６】
（比較例１）
比較例１は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、Ｃｏ元素が置換されていない点が実施例１と異なる。比較例１は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０をＣｏ２．０Ｆｅ１．０３Ｇａ１．２７とした。
【０１４７】
（比較例２）
比較例２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、各元素の構成比率が実施例１と異なる。比較例２は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０を（Ｃｏ０．９Ｃｕ０．１）２Ｆｅ１．０Ｇａ１．０とした。
【０１４８】
（比較例３）
比較例３は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０において、各元素の構成比率を変え、Ｃｏ元素が置換されていない点が実施例１と異なる。比較例３は、第１強磁性層３０及び第２強磁性層７０をＣｏ２．０Ｆｅ１．０Ｇａ１．０とした。
【０１４９】
実施例１〜実施例１２及び比較例１〜比較例３の反転電流密度及びＭＲ比の結果を以下の表１に示す。表１に示すように、実施例１〜１２の磁気抵抗効果素子は、いずれも比較例１〜３の磁気抵抗効果素子と比較して、反転電流密度が低かった。
【０１５０】
【表１】
0006806200.tif 000002
【符号の説明】
【０１５１】
１０１、１０２、１０３…磁気抵抗効果素子、１０…基板、２０…下地層、２１…第１下地層、２２…第２下地層、２３…第３下地層、２４…第４下地層、３０…第１強磁性層、４０…第１ＮｉＡｌ層、５０…非磁性層、６０…第２ＮｉＡｌ層、７０…第２強磁性層、８０…キャップ層、２０１…磁気記録装置、２０２、２０３…磁気記録素子、２１０…磁気ヘッド、２２０…抵抗測定器、２３０…電源、２４０…測定部、３００…スピン流磁化回転素子、４００…磁壁移動型磁気記録素子、４０１…第１強磁性層、４０２…第２強磁性層、４０３…非磁性層、４０４…第１磁化固定層、４０５…第２磁化固定層、５００…磁性細線装置、５１０…磁気記録媒体、５１１…磁性細線、５１１Ａ…第１磁区、５１１Ｂ…第２磁区、５１２…下地層、５１３…基板、５２０…磁気記録ヘッド、５３０…パルス電源、６００…磁壁移動型空間光変調器、６１０…第１磁化固定層、６２０…第２磁化固定層、６３０…光変調層、６３１、６３６…重畳領域、６３２、６３５…初期磁区領域、６３３、６３４…磁区変化領域、７００…高周波デバイス、７０１…直流電源、７０２…インダクタ、７０３…コンデンサ、７０４…出力ポート、７０５，７０６…配線、ＤＷ…磁壁
【要約】
【課題】磁化の回転に要するエネルギーを小さくできる磁気抵抗効果素子及びホイスラー合金を提供する。
【解決手段】第１強磁性層と、第２強磁性層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、を備え、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とのうち少なくとも一方は、Ｃｏ２ＦｅαＺβで表される合金の元素の一部が置換元素で置換されたホイスラー合金であり、ＺはＭｎ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ及びＳｎからなる群より選択される１以上の元素であり、α及びβは、２．３≦α＋β、α＜β、且つ０．５＜α＜１．９を満たし、前記置換元素は、前記Ｚの元素と異なり、Ｃｏより磁気モーメントが小さい元素である。
【選択図】図１【図１】
0006806200.tif 000003
【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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