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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-206857(P2018-206857A)
(43)【公開日】2018年12月27日
(54)【発明の名称】積層構造体及びスピン変調素子
(51)【国際特許分類】
   H01L 29/82 20060101AFI20181130BHJP
   H01L 43/08 20060101ALI20181130BHJP
   H01L 21/8239 20060101ALI20181130BHJP
   H01L 27/105 20060101ALI20181130BHJP
【FI】
   H01L29/82 Z
   H01L43/08 Z
   H01L27/105 447
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】OL
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2017-108301(P2017-108301)
(22)【出願日】2017年5月31日
(71)【出願人】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】TDK株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106909
【弁理士】
【氏名又は名称】棚井 澄雄
(74)【代理人】
【識別番号】100163496
【弁理士】
【氏名又は名称】荒 則彦
(74)【代理人】
【識別番号】100188558
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 雅人
(74)【代理人】
【識別番号】100169694
【弁理士】
【氏名又は名称】荻野 彰広
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 英治
(72)【発明者】
【氏名】中田 勝之
(72)【発明者】
【氏名】米村 祥吾
【テーマコード(参考)】
4M119
5F092
【Fターム(参考)】
4M119AA17
4M119BB01
4M119BB03
4M119CC05
4M119CC09
4M119DD17
4M119KK14
5F092AA15
5F092AC08
5F092AC12
5F092AC30
5F092AD23
5F092AD24
5F092AD25
5F092BB22
5F092BB23
5F092BB24
5F092BB31
5F092BB34
5F092BB35
5F092BB36
5F092BB37
5F092BB42
5F092BB43
5F092BB44
5F092BD01
5F092BD03
5F092BD05
5F092BD06
5F092BD23
5F092BE11
5F092BE12
5F092BE27
(57)【要約】
【課題】電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面に位置する正方晶を含む第1領域と、前記第1領域より内側に位置する菱面体晶を含む第2領域と、を有する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
強磁性層と、
前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、
前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面側に位置する正方晶を含む第1領域と、前記第1領域より内側に位置する菱面体晶を含む第2領域と、を有する、積層構造体。
【請求項2】
前記第1領域の厚みは1nm以上である、請求項1に記載の積層構造体。
【請求項3】
前記第2領域の前記強磁性層側の一面は、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面から8nm以内に存在する、請求項1又は2のいずれかに記載の積層構造体。
【請求項4】
前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、
前記第1領域において正方晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の30%以上の面積を占める、請求項1〜3のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項5】
前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、
前記第2領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の30%以上の面積を占める、請求項1〜4のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項6】
前記第1領域において正方晶の結晶構造をとる部分が複数存在し、前記第2領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が複数存在する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項7】
前記マルチフェロイック層は、BiFeO、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項8】
前記強磁性層がハーフメタルである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項9】
前記強磁性層は、XYZの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
前記組成式中のXは周期表上でCo、Fe、Ni、Cu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、Cr、Ti族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素である、請求項1〜8のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項10】
請求項1〜9のいずれか一項に記載の積層構造体と、
前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第2強磁性層と、を備える、スピン変調素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層構造体及びスピン変調素子に関する。
【背景技術】
【0002】
磁性体が有するスピンを利用した素子は、様々な用途で用いられている。例えば、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗(GMR)素子、非磁性層に絶縁層(トンネルバリア層、バリア層)を用いたトンネル磁気抵抗(TMR)素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド、磁気記録媒体及び不揮発性ランダムアクセスメモリ(MRAM)等に利用されている。
【0003】
磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“0”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“1”とすることで、磁気抵抗効果素子は2値のデータを出力できる。
【0004】
一方で、近年のデータの高容量化に伴い、データをより高密度に集積することが求められている。その一つの手段として、データを2値以上の多値で記録できる素子の開発が進められている。例えば、特許文献1及び2には、電界を利用して強磁性層のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2016−63024号公報
【特許文献2】特開2016−63062号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献1及び2に記載の素子は、マルチフェロイック層の誘電特性が充分ではなく、強磁性層のスピン分極率の変調の程度が充分ではない場合がある。
【0007】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電界により強磁性体のスピン分極率を充分変調できる積層構造体及びスピン変調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の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面側に位置する正方晶を含む第1領域と、前記第1領域より内側に位置する菱面体晶を含む第2領域と、を有する。
【0010】
(2)上記態様にかかる積層構造体において、前記第1領域の厚みは1nm以上であってもよい。
【0011】
(3)上記態様にかかる積層構造体において、前記第2領域の前記強磁性層側の一面は、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面から8nm以内に存在してもよい。
【0012】
(4)上記態様にかかる積層構造体は、前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、前記第1領域において正方晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の30%以上の面積を占めてもよい。
【0013】
(5)上記態様にかかる積層構造体は、前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、前記第2領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の30%以上であってもよい。
【0014】
(6)上記態様にかかる積層構造体は、前記第1領域において正方晶の結晶構造をとる部分が複数存在し、前記第2領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が複数存在する構成でもよい。
【0015】
(7)上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層は、BiFeO、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
【0016】
(8)上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がハーフメタルであってもよい。
【0017】
(9)上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層はXYZの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のXは周期表上でCo、Fe、Ni、Cu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、YはMn、V、Cr、Ti族の遷移金属又はXの元素種であり、Zは、III族からV族の典型元素で表記される化合物を含んでもよい。
【0018】
(10)第2の態様にかかるスピン変調素子は、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第2強磁性層と、を備える。
【発明の効果】
【0019】
上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、電界により強磁性体のスピン分極率を充分変調できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。
図2】本実施形態にかかる積層構造体の断面を模式的に示した図である。
図3】本実施形態にかかる積層構造体の断面の別の例を模式的に示した図である。
図4】スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
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。
【0022】
(スピン変調素子)
図1は、本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。図1に示すスピン変調素子100は、積層構造体10と非磁性層20と第2強磁性層30とを備える。また第2強磁性層30の非磁性層20と反対側の面には電極40を備えてもよい。
【0023】
「積層構造体」
積層構造体10は、強磁性層1とマルチフェロイック層2とを備える。図1では、積層構造体10をスピン変調素子100の構成の一部として図示しているが、積層構造体10のみでもAMR(磁気異方性)センサ等として用いることができる。
【0024】
強磁性層1は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層1を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、FeやCo−Fe等が挙げられる。
【0025】
また強磁性層1は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には1に近い大きなスピン分極率を示す。
【0026】
またハーフメタルとして、ホイスラー合金、マグネタイト(Fe)、ペロブスカイト型Mn酸化物等が知られているが、ホイスラー合金が特に好ましい。ホイスラー合金は、III−V族半導体との高い格子整合性、室温以上のキュリー温度、フェルミ面近傍での大きなバンドギャップ等の特徴を有し、室温においても高いスピン分極率を示すことができる。
【0027】
ホイスラー合金は、XYZの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Xは、周期表上でCo、Fe、Ni、あるいはCu族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Yは、Mn、V、CrあるいはTi族の遷移金属でありXの元素種をとることもでき、Zは、III族からV族の典型元素である。例えば、CoFeSi、CoMnSi及びCoMn1−aFeAlSi1−bなどが挙げられる。
【0028】
マルチフェロイック層2は、強磁性層1の一面に形成されている。マルチフェロイック層2は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つマルチフェロイック材料を有する。マルチフェロイック材料としては、BiFeO、BiMnO、GaFeO、AlFeO、(Ga,Al)FeO、YMnO、CuFeO、Cr、NiBi13I、LiMnPO、YFe12、TbPO、LiCoPOからなる群から選択されるいずれかを用いることができる。またマルチフェロイック材料は、特性を失わない範囲で、上記の物質の一部の元素を置換したものを用いることができる。例えば、XYOと表記される物質のXの一部を他の3価の元素で置換したり、Yの一部を3d遷移金属の他の元素で置換してもよい。またマルチフェロイック材料に酸素欠損等が生じていてもよい。これらの材料の中でもBiFeOは、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。
【0029】
マルチフェロイック層2は、強磁性層1に少なくとも二つの影響を与える。第1の影響はマルチフェロイック層2の有する強磁性特性に由来するものであり、第2の影響はマルチフェロイック層2の有する強誘電特性に由来するものである。
【0030】
マルチフェロイック層2が強磁性特性を示すと、マルチフェロイック層2の磁化の影響を受けて、強磁性層1の磁化の向きが一方向に強く配向する(第1の影響)。すなわち、マルチフェロイック層2は、その強磁性特性により強磁性層1の磁化をピン止めする効果を有する。強磁性層1の磁化が一方向に強く固定されると、対向する第2強磁性層30との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率(MR比)を大きくなる。
【0031】
一方で、マルチフェロイック層2が強誘電特性を示すと、マルチフェロイック層2は誘電分極する。誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層1内のマルチフェロイック層2側の界面に電荷を誘起し、その界面電荷による電界は、強磁性層1のバンド構造を変え、強磁性層1のスピン分極率を変調する(第2の影響)。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子100の多値化が実現できる。例えば、強磁性層1のスピン分極率が1.0で第2強磁性層30と平行な場合と、強磁性層1のスピン分極率が0.5で第2強磁性層30と平行な場合とでは、強磁性層1と第2強磁性層30の間の抵抗値が異なるためである。
【0032】
マルチフェロイック層2が強磁性層1に与える影響としては、第1の影響及び第2の影響のいずれも重要である。この2つの影響の中でもスピン変調素子100において特に重要なのは第2の影響である。マルチフェロイック層2が強磁性層1に与える第1の影響が充分でなかったとしても、強磁性層1の磁気異方性が充分であれば、強磁性層1の磁化は一方向に強く固定されるためである。
【0033】
図2は、本実施形態にかかる積層構造体10の断面模式図である。図2に示すように、マルチフェロイック層2は、結晶構造が正方晶の部分(以下、正方晶領域Tという)と、結晶構造が菱面体晶の部分(以下、菱面体晶領域Rという)と、を有する。またマルチフェロイック層2は、強磁性層1側の表面2aから第1領域2Aと第2領域2Bとを有する。ここで、正方晶とは、c軸がa軸に対して90°である構造に限らず、c軸がa軸に対して90°±10°である構造まで許容される。
【0034】
第1領域2Aは、最も表面2a側の正方晶領域Tの最も表面2a側の部分を通り積層方向と垂直な面(以下、第1領域上面2Aaと言う)と、最も表面2a側の正方晶領域Tの最も表面2aから離れた部分を通り積層方向と垂直な面(以下、第1領域下面2Abと言う)との間の領域を指す。そのため、第1領域2Aは、正方晶領域Tを含む。
【0035】
一方で、第2領域2Bは、最も表面2a側の菱面体晶領域Rの最も表面2a側の部分を通り積層方向と垂直な面(以下、第2領域上面2Baと言う)と、最も表面2a側の
菱面体晶領域Rの最も表面2aから離れた部分を通り積層方向と垂直な面(以下、第2領域下面2Bbと言う)との間の領域を指す。そのため、第2領域2Bは、菱面体晶領域Rを含む。
【0036】
正方晶領域Tを含む第1領域2Aは、菱面体晶領域Rを含む第2領域2Bよりマルチフェロイック層2の表面側に存在する。ここで第2領域2Bと第1領域2Aの位置関係は、第1領域2Aの厚さ方向の中央を通る面と、第2領域2Bの厚さ方向の中央を通る面との位置関係で判断する。「第1領域2Aの厚さ方向の中央を通る面」とは、第1領域上面2Aa及び第1領域下面2Abと平行で、かつ、第1領域上面2Aa及び第1領域下面2Abと等距離の面であり、「第2領域2Bの厚さ方向の中央を通る面」とは、第2領域上面2Ba及び第2領域下面2Bbと平行で、かつ、第2領域上面2Ba及び第2領域下面2Bbと等距離の面である。
【0037】
そのため、第1領域下面2Abが第2領域上面2Baよりマルチフェロイック層2の内側にあり、第1領域2Aと第2領域2Bとが一部で重なる場合でも、第1領域2Aの厚さ方向の中央を通る面と、第2領域2Bの厚さ方向の中央を通る面との位置関係から第1領域2Aと第2領域2Bとの位置関係を判断する。
【0038】
マルチフェロイック層2は、結晶構造が菱面体晶の場合は、強磁性特性に優れ、第1の影響を強磁性層1に大きく与えることができる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れ、第2の影響を強磁性層1に大きく与えることができる。
【0039】
またマルチフェロイック層2が強磁性層1に与える第1の影響及び第2の影響は、マルチフェロイック層2と強磁性層1との界面(マルチフェロイック層2の強磁性層1側の表面)近傍の状態に大きな影響を受ける。第1の影響は、マルチフェロイック層2の磁化と強磁性層1の磁化との交換相互作用により生じ、第2の影響は、マルチフェロイック層2の誘電分極により生じた界面電荷により生じるためである。
【0040】
強誘電特性に優れる正方晶領域Tが、マルチフェロイック層2の表面側に存在することで、強磁性層1に第2の影響を強く及ぼすことができる。またマルチフェロイック層2が強磁性特性に優れる菱面体晶領域Rを有することで、強磁性層1に第1の影響も及ぼすことができる。
【0041】
また第1領域2A及び第2領域2Bは、結晶相が正方晶でも菱面体晶のいずれでもない部分2Cを有してもよい。この部分2Cは、例えば、正方晶と菱面体晶の間で結晶構造が移行する領域、非晶質の領域、結晶構造の乱れた領域等が挙げられる。マルチフェロイック層2の表面2aにこの部分2Cが存在すると、強磁性層1とマルチフェロイック層2との格子定数の違いがこの部分2Cで緩和され、強磁性層1とマルチフェロイック層2との格子整合性を高めることができる。
【0042】
またマルチフェロイック層2の第1領域2A及び第2領域2B以外の領域の結晶構造は特に問わない。この領域の結晶構造は、正方晶でもよいし、菱面体晶でもよいし、これらが混在した結晶構造でもよい。
【0043】
第1領域2Aの厚みは1nm以上であることが好ましく、2nm以上であることがより好ましく、4nm以上であることがさらに好ましい。換言すると、第1領域2Aの厚みは、構成する結晶構造の単位格子で3ユニットセル以上であることが好ましく、5ユニットセル以上であることがより好ましく、10ユニットセル以上であることがさらに好ましい。
【0044】
第1領域2Aの厚みは、正方晶領域Tの最大厚みと等しい。正方晶領域Tの厚みが充分厚ければ、正方晶領域Tは十分な誘電特性を発現できる。正方晶領域Tが発現する強誘電特性が強まれば、強磁性層1に第2の影響をより与えることができる。
【0045】
また第1領域2Aを平面視した際において正方晶領域Tが占める面積は、マルチフェロイック層2の表面2aの面積の30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、70%以上であることがさらに好ましい。第1領域2Aのうち正方晶領域Tは強い誘電特性を示し、界面電荷を多く蓄積できる。つまり、第1領域2Aにおける正方晶領域Tの面積が広がることで、強磁性層1に第2の影響をより与えることができる。
【0046】
第2領域上面2Baは、マルチフェロイック層2の表面2aから8nm以内に存在することが好ましく、5nm以内に存在することがより好ましい。
【0047】
第2領域2Bがマルチフェロイック層2の表面2aから離れすぎると、菱面体晶領域Rが強磁性層1に与える第1の影響の影響量が小さくなる。距離が離れすぎると、交換バイアスが強磁性層1に到達せず、強磁性層1の磁化をピン止めする効果が低減するためである。なお、強磁性層1の磁気異方性が充分大きければ、交換バイアスが強磁性層1に到達しなくても問題はない。
【0048】
また第2領域2Bを平面視した際において菱面体晶領域Rが占める面積は、マルチフェロイック層2の表面2aの面積の30%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、70%以上であることがさらに好ましい。第2領域2Bのうち菱面体晶領域Rは、強磁性層1の磁化に第1の影響を主として加える。そのため、第2領域2Bにおける菱面体晶領域Rの面積が広がることで、強磁性層1に第1の影響をより与えることができる。
【0049】
図2では、マルチフェロイック層2の第1領域2Aと第2領域2Bのそれぞれにおいて、正方晶領域T及び菱面体晶領域Rはそれぞれ一つのドメインを形成している。一方で、図3に示すように第1領域2Aにおいて正方晶領域Tが複数存在し、第2領域2Bにおいて菱面体晶領域Rが複数存在する構成でもよい。また菱面体晶領域R又は正方晶領域Tのいずれか一方のみが複数存在する構成でもよい。図3は、本実施形態にかかる積層構造体10の別の例の断面模式図である。
【0050】
第1領域2A内に正方晶領域Tが複数存在したり、第2領域2B内に菱面体晶領域Rが複数存在すると、強磁性層1に第1の影響が強く作用する部分と第2の影響が強く作用する部分とが偏在することを避けることができる。すなわち、強磁性層1全体に、均一に第1の影響及び第2の影響を与えることができる。
【0051】
「非磁性層」
非磁性層20は絶縁体でも、半導体でも、金属でもよい。非磁性層20が絶縁体からなる場合、強磁性層1、非磁性層20及び第2強磁性層30からなる積層体は、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistance)素子となり、非磁性層20が半導体もしくは金属からなる場合、強磁性層1、非磁性層20及び第2強磁性層30からなる積層体は、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)素子となる。
【0052】
非磁性層20には、公知の材料を用いることができる。
例例えば、非磁性層20が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Hexagonal−BN、Graphene、HfO、Y、TaO、GaO、TiO、InO、BaO、CaF、Al、SiO、MgO、及び、MgAl等を用いることができる。これらの中でも、MgOやMgAlはコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、MR比を大きくすることができる。またMgOやMgAlのMg、Alの一部もしくはすべてが、Zn,Cd、Ag、Pt、Pb、Ga、In、Ge等に置換された材料等も非磁性層20として用いることができる。
【0053】
また、非磁性層20が金属からなる場合、その材料としては、Cu、Au、Ag等を用いることができる。
【0054】
「第2強磁性層」
第2強磁性層30は、強磁性層1と非磁性層20と磁気抵抗効果素子を形成する。強磁性層1が固定層の場合、第2強磁性層30は自由層となり、強磁性層1が自由層の場合、第2強磁性層30は固定層となる。
【0055】
第2強磁性層30の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Cr、Mn、Co、Fe及びNiからなる群から選択される金属及びこれらの金属を1種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、B、C、及びNの少なくとも1種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Co−FeやCo−Fe−Bが挙げられる。またより高い出力を得るために、第2強磁性層30にホイスラー合金を用いてもよい
【0056】
(スピン変調素子の製造方法)
スピン変調素子100の製造方法について説明する。まず、基材を準備する。基材は、積層構造体10の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。基材が導電性を有することで、電極を兼ねることができる。
【0057】
次いで、準備した基材上に、マルチフェロイック層2を積層する。積層する方法としては、スパッタリング法、CVD(化学気相成長)法、分子線エピタキシャル(MBE)法等を用いることができる。マルチフェロイック層2は、マルチフェロイック層2の結晶相は、マルチフェロイック層2を積層する基板とマルチフェロイック層2の結晶状態の違いを利用することで調整する。
【0058】
マルチフェロイック層2がBiFeOの場合を例に具体的に説明する。まず、BiFeOの菱面体相と格子定数が近い(001)SrTiO基板を準備する。そしてその上に、基板温度を700℃として、10nmの層厚でBiFeOを成膜する。その後、基板温度を600℃に変更して5nmのBiFeOを成膜すると、菱面体相のBiFeO上に続いて正方晶相を形成することができる。このような成膜を行うことで、マルチフェロイック層2に第1領域2Aと第2領域2Bとが、所定の順番に形成される。
【0059】
次いで、マルチフェロイック層2上に強磁性層1、非磁性層20、第2強磁性層30を順に積層する。これらの層は、GMR素子やTMR素子等の磁気抵抗効果素子の強磁性層及び非磁性層と同様の方法で積層することができる。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、MBE法等を用いることができる。また第2強磁性層30の非磁性層20と反対側の面には、電極を積層することが好ましい。電極を設けることで、強磁性層1全面に均一に電流を流すことができる。
【0060】
(スピン変調素子の動作)
次いで、スピン変調素子の動作を説明すると共に、どのように多値化が実現されるかについて説明する。
【0061】
図4は、スピン変調素子100の動作を説明するための模式図である。スピン変調素子100は、第2強磁性層30と強磁性層1に流れる電流を制御するスイッチSW1と、マルチフェロイック層2に電場を印加するスイッチSW2とが接続されている。
【0062】
まず図4(a)及び(b)に示すように、スイッチSW2が開いている場合、マルチフェロイック層2には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子100は、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが反平行の第1状態(図4(a))と、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが平行の第2状態(図4(b))と、の2状態をとる。強磁性層1の磁化の向きは、スイッチSW1を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク(STT)により反転させる。
【0063】
次いで、図4(c)及び(d)に示すように、スイッチSW2を閉じ、マルチフェロイック層2に電界を加える。マルチフェロイック層2に電界が印加されると、マルチフェロイック層2は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって界面に生じる電荷は、電界を生み出し、強磁性層1のバンド構造を変える。その結果、強磁性層1のスピン分極率は、変調する。
【0064】
例えば、マルチフェロイック層2に正電圧を印加する(図4(c)電圧V方向)と、電界によって強磁性層1のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層1のマルチフェロイック層2側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層1のスピン分極率は減少する。図4(c)及び(d)では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。
【0065】
図4(c)及び(d)に示すように、強磁性層1のスピン分極率が減少した状態でも、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが反平行の第3状態(図4(c))と、第2強磁性層30と強磁性層1の磁化の向きが平行の第4状態(図4(d))と、の2状態をとる。
【0066】
すなわちスピン変調素子100は、スイッチSW1とスイッチSW2を制御することで、4つの状態が生み出される。4つの状態は、第1状態、第3状態、第4状態、第2状態の順で抵抗値が大きい。
【0067】
マルチフェロイック層2の表面2aが第1領域2Aを有すると、誘電分極に伴うスピン分極率の変化が大きくなり、第1状態と第3状態、及び、第2状態と第4状態の抵抗値差が大きくなる。またマルチフェロイック層2の表面2aから所定の範囲内に第1領域2Aを有すると、強磁性層1の磁化が強く固定され、熱等の外因から受ける影響を低減できる。
【0068】
上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子100は、マルチフェロイック層2が、正方晶領域Tを含む第1領域2Aと、菱面体晶領域Rを含む第2領域2Bとを、所定の順に有するため、4つの状態間の抵抗値差を大きくすることができ、安定した多値記録を行うことができる。
【0069】
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。
【符号の説明】
【0070】
1…強磁性層、2…マルチフェロイック層、2a…表面、2A…第1領域、2B…第2領域、10…積層構造体、20…非磁性層、30…第2強磁性層、40…電極、100…スピン変調素子、SW1,SW2…スイッチ
図1
図2
図3
図4