特開 2018-206857 積層構造体及びスピン変調素子

(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_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４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、Ｘ_２ＹＺ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_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４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Ｘ_２ＹＺ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_３Ｏ_４）、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、Ｘ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−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_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４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_３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_３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_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４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_２Ｏ_４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_３の場合を例に具体的に説明する。まず、ＢｉＦｅＯ_３の菱面体相と格子定数が近い（００１）ＳｒＴｉＯ_３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_３を成膜する。その後、基板温度を６００℃に変更して５ｎｍのＢｉＦｅＯ_３を成膜すると、菱面体相のＢｉＦｅＯ_３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_Ｂ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】