JP2005213078A - Perovskite manganese oxide thin film, switching element having the same, and method for producing the thin film - Google Patents

Perovskite manganese oxide thin film, switching element having the same, and method for producing the thin film Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charge-orbital alignment perovskite manganese oxide thin film with which switching characteristic equal to that of a bulk single crystal can be obtained by a polycrystalline thin film; and to provide a switching element having the same and a method for producing the thin film. <P>SOLUTION: An Nd<SB>0.5</SB>Sr<SB>0.5</SB>MnO<SB>3</SB>film is formed on an SrTiO<SB>3</SB>single crystal substrate in which the plane orientation is (110) by a laser ablasion method. Thereby, the charge-orbital alignment perovskite manganese oxide thin film whose crystal lattice orients in the direction parallel to the surface of the substrate and (001) plane being a charge-orbital alignment face is perpendicular to the surface of the substrate is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電荷整列および電子軌道整列を示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜(電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜)及び該薄膜を備えてなるスイッチング素子、並びに該薄膜の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a perovskite manganese oxide thin film (charge orbital aligned perovskite manganese oxide thin film) exhibiting charge alignment and electron orbital alignment, a switching element including the thin film, and a method for manufacturing the thin film.

近年、放送及び通信のディジタル化は著しい進展を遂げている。それに伴い、高品質な動画等の広帯域かつ大容量の情報に対応可能なストレージデバイス(記憶装置)が注目を集めている。また、据え置き型の商品を中心に普及が進む磁気ディスクメモリや光ディスクメモリのみならず、ノートパソコンやPDA(Personal Digital Assistant)、携帯電話、さらにはウエアラブルパソコンといった可搬性の高い小型商品への搭載を睨んだ、大容量の固体メモリ素子(不揮発メモリ)の開発が進められている。   In recent years, digitalization of broadcasting and communication has made remarkable progress. Accordingly, a storage device (storage device) capable of handling a wide-band and large-capacity information such as a high-quality moving image has attracted attention. In addition to the spread of magnetic disk memory and optical disk memory, mainly for stationary products, it can be installed in small portable products such as notebook computers, PDAs (Personal Digital Assistants), mobile phones, and even wearable computers. A large-capacity solid-state memory device (nonvolatile memory) is being developed.

例えば、非特許文献1によれば、DRAM(Dynamic Random Access Memory)並の高速アクセスが可能な次世代の不揮発メモリとして、MRAM(Magnetic RAM)やRRAM(Resistance RAM)が注目を集めている。特に、多値化によるアプローチは、微細化技術のみに頼らず、不揮発メモリ素子の大容量化が可能になるためコストの点からも重要な技術となってきている。   For example, according to Non-Patent Document 1, MRAM (Magnetic RAM) and RRAM (Resistance RAM) are attracting attention as next-generation nonvolatile memories capable of high-speed access similar to DRAM (Dynamic Random Access Memory). In particular, the multi-value approach has become an important technology from the viewpoint of cost because the capacity of the nonvolatile memory element can be increased without relying only on the miniaturization technology.

多値化を実現するには、多値に対応した書き込み信号により情報が記憶され、読み出し時に各情報の判別が十分に可能なマージンが確保されることが必要である。すなわち、半導体などでは到底得られない巨大な抵抗変化が高速に得られる新規材料の開発が強く求められている。   In order to realize multi-value processing, it is necessary to store information by a write signal corresponding to multi-value, and to secure a margin capable of sufficiently discriminating each information at the time of reading. That is, there is a strong demand for the development of a new material that can obtain a huge resistance change at a high speed that cannot be achieved with semiconductors.

このような材料のとして、例えば、特許文献1〜特許文献3に開示されているようなマンガン(Mn)を含む酸化物ペロブスカイト単結晶材料がある。   As such a material, for example, there is an oxide perovskite single crystal material containing manganese (Mn) as disclosed in Patent Documents 1 to 3.

マンガン(Mn)を含む酸化物ペロブスカイト単結晶材料は、外場を印加することにより数桁にも及ぶ巨大な抵抗変化を示す。すなわち、Mn3+イオンとMn4+イオンとが整列した反強磁性電荷整列絶縁相に、磁場や電圧を印加する、あるいは光を照射することによって、反強磁性電荷整列絶縁相が崩壊し、反強磁性絶縁体(電荷整列状態)から強磁性金属へと転移するスイッチング現象(数%に及ぶ格子変化を伴う)が得られる。これが酸化物ペロブスカイト単結晶材料のおける抵抗変化の原理である。 An oxide perovskite single crystal material containing manganese (Mn) exhibits a huge resistance change of several orders of magnitude when an external field is applied. That is, by applying a magnetic field or a voltage to the antiferromagnetic charge alignment insulating phase in which Mn 3+ ions and Mn 4+ ions are aligned, or by irradiating light, the antiferromagnetic charge alignment insulating phase collapses and antiferromagnetic A switching phenomenon (with a lattice change of several percent) is obtained that transitions from a magnetic insulator (charge aligned state) to a ferromagnetic metal. This is the principle of resistance change in the oxide perovskite single crystal material.

また、最近の研究からは、電荷整列とともにマンガン(Mn)の3d電子の軌道も秩序化することが報告されている。なお、本明細書では、このように、電荷整列とともに3d電子の軌道も秩序化している状態を、単に電荷整列ではなく電荷軌道整列あるいは電荷軌道秩序と呼ぶことにする。   Recent studies have also reported that the 3d electron orbitals of manganese (Mn) are ordered along with charge alignment. In this specification, the state in which the 3d electron orbits are ordered together with the charge alignment is referred to as charge orbit alignment or charge orbit order, not simply charge alignment.

電荷軌道秩序を利用したスイッチング現象を、素子化に必要な薄膜形態において実現するには、スイッチングに伴う格子変化が重要となる。その理由は、基板にコヒーレントに成長した単結晶薄膜においては、薄膜の面内格子が基板にクランプされるために、格子変形がままならず、相転移が抑制されるためである。   In order to realize the switching phenomenon using the charge orbital order in the form of a thin film necessary for device formation, the lattice change accompanying the switching becomes important. The reason is that in a single crystal thin film coherently grown on a substrate, since the in-plane lattice of the thin film is clamped to the substrate, lattice deformation does not remain and phase transition is suppressed.

また、薄膜と基板の格子ミスマッチ(格子不整合)により基板歪が導入されることで、軌道秩序の変調を介して薄膜の電気、磁気、光学的特性が変化する。例えば、本発明者らは、非特許文献2において、電荷軌道整列面(電荷が整列するとともに3d電子の軌道も秩序化している面)内に伸張歪みが作用することにより、電荷軌道整列相が安定化されることを、CrをドープしたPr0.5Ca0.5MnO薄膜を用いて明らかにしている。したがって、格子変化を伴うスイッチングを容易にするには、基板から格子が緩和した(格子変化が基板歪みの影響を受けにくい)薄膜を製造することが必要となる。 In addition, the substrate strain is introduced by lattice mismatch (lattice mismatch) between the thin film and the substrate, so that the electrical, magnetic, and optical characteristics of the thin film are changed through modulation of orbital order. For example, in the Non-Patent Document 2, the present inventors have found that the charge-orbit alignment phase is caused by the extension strain acting in the charge-orbit alignment plane (the plane in which charges are aligned and the 3d-electron orbit is also ordered). The stabilization is demonstrated using a Cr 0.5 doped Pr 0.5 Ca 0.5 MnO 3 thin film. Therefore, in order to facilitate switching with lattice change, it is necessary to manufacture a thin film in which the lattice is relaxed from the substrate (the lattice change is not easily affected by substrate distortion).

一方、基板から緩和した(格子変化が基板歪みの影響を受けにくい)薄膜(多結晶膜)においては、基板から格子を緩和させることと引き換えに、欠陥が導入される。このため、電荷軌道秩序によるスイッチング特性を制御するためには、欠陥の影響を見極めることが重要となる。   On the other hand, in the thin film (polycrystalline film) relaxed from the substrate (lattice change is less susceptible to substrate distortion), defects are introduced in exchange for relaxing the lattice from the substrate. For this reason, in order to control the switching characteristics by charge orbital order, it is important to determine the influence of defects.

例えば、本発明者らは非特許文献3において、Crを1%ドープしたPr0.5Ca0.5MnOを用いて、基板と薄膜(Pr0.5Ca0.5Mn0.99Cr0.01)との格子定数のミスマッチが10%以上と大きなMgO(001)基板(結晶方位が(001)のMgO基板)上に(101)配向膜を製造し、単結晶と同様の磁気特性及び電気特性を得ている。このような特性が得られた要因としては、(101)配向膜では電荷軌道整列面が基板面に対して45度の角度をなすことから、電荷軌道秩序及びそのスイッチングに伴う格子変形が膜面内、膜厚方向の双方に発生するため、電荷軌道整列面に関して異方的な格子変形が可能になること、および、膜厚方向には面内方向と比べて欠陥が少ないと考えられることから、少なくとも電荷軌道整列相の膜厚程度の大きなドメインが成長可能ということ、などが考えられる。 For example, in the non-patent document 3, the present inventors use Pr 0.5 Ca 0.5 MnO 3 doped with 1% of Cr, and use a substrate and a thin film (Pr 0.5 Ca 0.5 Mn 0.99 Cr). (101) orientation film is produced on an MgO (001) substrate (MgO substrate having a crystal orientation of (001)) having a large lattice constant mismatch with 0.01 O 3 ) of 10% or more. Magnetic and electrical properties are obtained. The reason why such characteristics are obtained is that the charge trajectory alignment plane forms an angle of 45 degrees with respect to the substrate plane in the (101) orientation film, and therefore the charge trajectory order and the lattice deformation associated with the switching occur on the film plane. Because it occurs both in the film thickness direction, anisotropic lattice deformation is possible with respect to the charge trajectory alignment plane, and it is thought that there are fewer defects in the film thickness direction than in the in-plane direction. It is conceivable that a domain having a thickness of at least the charge orbital alignment phase can be grown.

また、本発明者らは非特許文献4において、Pr0.65Ca0.35MnOを用いてMgO(001)基板上に完全に緩和した(00l)配向膜を製造し、バルク単結晶と同様に鋭いスイッチングが実現できることを示している。
特許第2685721号(特開平8−133894(公開日1996年5月28日)) 特許第2812913号(特開平9−249497(公開日1997年9月22日)) 特許第2812915号(特開平9−263495(公開日1997年10月7日)) 日経マイクロデバイス2003年1月号p.72-83 Appl. Phys. Lett. Vol.78, p.3505 (2001) Appl. Phys. Lett. Vol.80, p.1031 (2002) 春季第48回応用物理学関係連合講演会予稿集30a-V-11(2001)
In addition, in the non-patent document 4, the present inventors manufactured a (001) oriented film completely relaxed on an MgO (001) substrate using Pr 0.65 Ca 0.35 MnO 3 , Similarly, it shows that sharp switching can be realized.
Japanese Patent No. 2687721 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-133894 (publication date May 28, 1996)) Japanese Patent No. 2812913 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-249497 (published on September 22, 1997)) Japanese Patent No. 2812915 (Japanese Patent Laid-Open No. 9-263495 (publication date: October 7, 1997)) Nikkei Microdevices January 2003 p.72-83 Appl. Phys. Lett. Vol. 78, p. 3505 (2001) Appl. Phys. Lett. Vol.80, p.1031 (2002) Spring 48th Applied Physics-related Joint Lecture Proceedings 30a-V-11 (2001)

しかしながら、欠陥に起因するランダムフィールドに対する電荷軌道秩序の安定性は、物質によって異なる。例えば、上記Pr0.5Ca0.5MnOのように電荷軌道整列相が、幅広いホールドーピング濃度xに対して安定な物質においては、電荷軌道整列相の長距離秩序が破壊されても電荷軌道秩序自体が残存するため、強磁性金属相との2相共存状態が得られる。 However, the stability of the charge orbital order with respect to the random field caused by the defect differs depending on the material. For example, in a material in which the charge orbital alignment phase is stable with respect to a wide hole doping concentration x, such as Pr 0.5 Ca 0.5 MnO 3 , the charge orbital alignment phase is charged even if the long-range order of the charge orbit alignment phase is broken. Since the orbital order itself remains, a two-phase coexistence state with the ferromagnetic metal phase can be obtained.

一方、より小さい入力(低閾値)で、より大きな変化が求められるスイッチング特性の観点からは、多様な秩序が競合し、臨界点近傍の状態にある物質が重要となる。例えば、Nd1−xSrMnO(x=0.49〜0.51)のように、非常に狭い範囲のホールドーピング濃度xに対してのみ電荷軌道整列相が存在する物質がより重要となる。 On the other hand, from the viewpoint of switching characteristics in which a larger change is required with a smaller input (low threshold), a substance in a state near the critical point is important because various orders compete. For example, a material in which a charge orbital alignment phase exists only for a very narrow hole doping concentration x, such as Nd 1-x Sr x MnO 3 (x = 0.49 to 0.51), is more important. Become.

しかしながら、このような物質は、スイッチング特性に対する欠陥に起因するランダムポテンシャルの影響が強い。例えば、MgO(001)基板上に製造したNd1−xSrMnO(x=0.49〜0.51)では、(00l)配向膜が得られるが、同じく(00l)配向するPr0.65Ca0.35MnO膜とは対照的に、電荷軌道秩序がほぼ消失する結果、強磁性相となるので、スイッチング効果が得られない。すなわち、欠陥により電荷軌道整列相自体が崩壊してしまう。 However, such a material has a strong influence of random potential due to defects on switching characteristics. For example, in Nd 1-x Sr x MnO 3 (x = 0.49 to 0.51) manufactured on an MgO (001) substrate, a (00l) oriented film is obtained, but Pr 0 that is also (00l) oriented. In contrast to the .65 Ca 0.35 MnO 3 film, the charge orbital order almost disappears, resulting in a ferromagnetic phase, and thus a switching effect cannot be obtained. That is, the charge orbital alignment phase itself collapses due to defects.

また、例えば上記したPr0.5Ca0.5MnOでは、MgO(001)基板上に(101)配向膜を製造できたとしても、基板面が等方的であるためにドメインが導入され、面内配向を完全に揃えることが難しくなる。このため、電荷整列相の発達が抑制されるという問題点が懸念される。 For example, in the case of Pr 0.5 Ca 0.5 MnO 3 described above, even if a (101) orientation film can be manufactured on an MgO (001) substrate, a domain is introduced because the substrate surface is isotropic. It becomes difficult to completely align the in-plane orientation. For this reason, there is a concern that the development of the charge alignment phase is suppressed.

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、バルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を、多結晶薄膜で得られる電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜及び該薄膜を備えてなるスイッチング素子、並びに該薄膜の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a charge orbital-aligned perovskite manganese oxide thin film obtained by a polycrystalline thin film having switching characteristics comparable to a bulk single crystal and the thin film. And a method of manufacturing the thin film.

本発明の発明者らは、基板歪みや欠陥の電荷軌道秩序への影響について、特に、薄膜形態での電荷軌道整列面方位に着目し、深く検討した結果、電荷軌道秩序に対する上記の基板歪及び欠陥の影響を同時に解決することが可能であると考え、以下に示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜及びその製造方法の発明に至った。   The inventors of the present invention have studied the effects of substrate distortion and defects on the charge orbital order, particularly focusing on the charge orbital alignment plane orientation in the thin film form, and as a result of extensive investigation, The inventors considered that it was possible to solve the influence of defects at the same time, and led to the invention of the perovskite manganese oxide thin film and the manufacturing method thereof shown below.

本発明に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記の課題を解決するために、基板上に形成された電荷整列および電子軌道整列を示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜であって、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷が整列するとともに3d電子の軌道も秩序化している面である電荷軌道整列面が、上記基板面に対して非平行であることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a perovskite manganese oxide thin film according to the present invention is a perovskite manganese oxide thin film showing charge alignment and electron orbit alignment formed on a substrate, wherein the crystal lattice is the surface of the substrate. The charge trajectory alignment surface, which is oriented in a direction parallel to the surface of the substrate and in which charges are aligned and the order of 3d electron trajectories, is also non-parallel to the substrate surface. .

上記の構成によれば、電荷軌道秩序及びそのスイッチングに伴う格子変形が膜面内方向、膜厚方向ともに容易に起こり、電荷軌道整列面に関して異方的な格子変形を実現することが可能となる。さらに、膜厚方向だけではなく薄膜面内方向にも電荷軌道整列相の大きなドメインを成長させることが可能となるので、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を、多結晶薄膜で得られる。   According to the above configuration, charge orbital order and lattice deformation accompanying switching thereof easily occur in both the in-plane direction and the film thickness direction, and it becomes possible to realize anisotropic lattice deformation with respect to the charge orbital alignment plane. . Furthermore, since it is possible to grow a large domain of the charge orbital alignment phase not only in the film thickness direction but also in the in-plane direction of the thin film, it has many switching characteristics comparable to a bulk single crystal that is less affected by substrate distortion and defects. Obtained with a crystalline thin film.

本発明のスイッチング素子は、上記の課題を解決するために、上記のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を備えてなる。   In order to solve the above-described problems, a switching element of the present invention includes the perovskite manganese oxide thin film.

したがって、上記の構成によれば、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶を用いたスイッチング素子に匹敵するスイッチング特性を得られる。   Therefore, according to said structure, the switching characteristic comparable to the switching element using the bulk single crystal with little influence of a board | substrate distortion and a defect can be acquired.

本発明に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法は、上記の課題を解決するために、基板上に形成される、電荷整列および電子軌道整列を示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法であって、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向し、かつ、電荷が整列するとともに3d電子の軌道も秩序化している面である電荷軌道整列面が、上記基板面に対して非平行となるように形成することを特徴としている。   A method for producing a perovskite manganese oxide thin film according to the present invention is a method for producing a perovskite manganese oxide thin film that is formed on a substrate and exhibits charge alignment and electron orbital alignment, in order to solve the above-described problems, The perovskite manganese oxide thin film has a charge orbit alignment surface, which is a surface in which the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface, and the charges are aligned and the orbits of 3d electrons are also ordered. It is characterized by being formed so as to be non-parallel to the surface.

上記の製造方法によれば、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を有する、多結晶薄膜を得られる。   According to the above manufacturing method, a polycrystalline thin film having switching characteristics comparable to a bulk single crystal with little influence of substrate distortion and defects can be obtained.

以上のように、本発明に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷軌道整列面が、上記基板面に対して非平行である。   As described above, in the perovskite manganese oxide thin film according to the present invention, the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface, and the charge orbit alignment surface is not parallel to the substrate surface. is there.

それゆえ、電荷軌道秩序及びそのスイッチングに伴う格子変形が膜面内方向、膜厚方向ともに容易に起こり、電荷軌道整列面に関して異方的な格子変形を実現できる。さらに、膜厚方向だけではなく薄膜面内方向にも電荷軌道整列相の大きなドメインを成長させることが可能となるので、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を、多結晶薄膜で得られる。   Therefore, charge orbital order and lattice deformation associated with switching thereof easily occur in both the in-film direction and the film thickness direction, and anisotropic lattice deformation can be realized with respect to the charge orbit alignment plane. Furthermore, since it is possible to grow a large domain of the charge orbital alignment phase not only in the film thickness direction but also in the in-plane direction of the thin film, it has many switching characteristics comparable to a bulk single crystal that is less affected by substrate distortion and defects. Obtained with a crystalline thin film.

なお、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記基板上に形成された、バッファ膜上または電極膜上に形成されていてもよい。   The perovskite manganese oxide thin film may be formed on the buffer film or the electrode film formed on the substrate.

それゆえ、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、例えば、ガラス基板やシリコン基板、化合物半導体基板などの上へ、バッファ膜や電極膜を介して製造できる。このため、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、実デバイスにも容易に適用できる。また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、このようにバッファ膜や電極膜上に形成する場合であっても、基板上に直接形成する場合と略同様の効果を奏する。すなわち、バッファ膜や電極膜上に形成する場合であっても、容易に作製可能な多結晶膜を用いて、単結晶バルクに匹敵するスイッチング特性が得られる。   Therefore, the perovskite manganese oxide thin film of the present invention can be produced on a glass substrate, a silicon substrate, a compound semiconductor substrate or the like via a buffer film or an electrode film. Therefore, the perovskite manganese oxide thin film of the present invention can be easily applied to actual devices. Further, even when the perovskite manganese oxide thin film of the present invention is formed on the buffer film or the electrode film as described above, the same effect as that of the direct formation on the substrate can be obtained. That is, even when formed on a buffer film or an electrode film, a switching characteristic comparable to that of a single crystal bulk can be obtained by using a polycrystalline film that can be easily manufactured.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記電荷軌道整列面が、上記基板面に対して略垂直であってもよい。   In the perovskite manganese oxide thin film of the present invention, the charge orbit alignment surface may be substantially perpendicular to the substrate surface.

この場合、ドメイン方向が揃った単一ドメインの電荷軌道秩序相を実現できる。このため、膜全体にわたって電荷軌道整列相を均一に形成できるという効果を奏する。さらに、電荷軌道整列面に垂直な方向に信号を入出力する構成とすることで、抵抗値の変化をより大きくできるという効果を奏する。   In this case, a single-domain charge-orbital ordered phase with a uniform domain direction can be realized. For this reason, there is an effect that the charge orbital alignment phase can be uniformly formed over the entire film. Further, by adopting a configuration in which signals are input and output in a direction perpendicular to the charge trajectory alignment plane, there is an effect that a change in resistance value can be further increased.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記基板、あるいは、上記基板上に形成されたバッファ膜または電極膜における、結晶方位が(110)の面あるいはこれと略等価な面に形成されていてもよい。   The perovskite manganese oxide thin film of the present invention is formed on the surface of the substrate or the buffer film or electrode film formed on the substrate having a crystal orientation of (110) or a surface substantially equivalent thereto. May be.

ここで、結晶方位とは、立方晶または正方晶の結晶方位である。また、(110)面と略等価な面としては、例えば、立方晶における(101)面、(011)面があげられる。   Here, the crystal orientation is a cubic or tetragonal crystal orientation. Further, examples of the plane substantially equivalent to the (110) plane include (101) plane and (011) plane in cubic crystals.

上記の構成によれば、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷軌道整列面が、上記基板面に対して略垂直であるペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を容易に形成できる。   According to the above configuration, a perovskite manganese oxide thin film in which the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface and the charge orbit alignment surface is substantially perpendicular to the substrate surface can be easily obtained. Can be formed.

本発明のスイッチング素子は、上記したいずれかのペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を備えてなる。   The switching element of the present invention comprises any of the perovskite manganese oxide thin films described above.

それゆえ、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶を用いたスイッチング素子に匹敵するスイッチング特性を得られる。   Therefore, switching characteristics comparable to those of a switching element using a bulk single crystal that is less affected by substrate distortion and defects can be obtained.

本発明に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法は、ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、結晶格子が、基板面と平行な方向に配向し、かつ、電荷軌道整列面が、基板面に対して非平行となるように形成する。   The method for producing a perovskite manganese oxide thin film according to the present invention includes a perovskite manganese oxide thin film in which the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface, and the charge orbit alignment surface is non-parallel to the substrate surface. It forms so that it becomes.

上記の方法によれば、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を有する、多結晶薄膜を得られる。   According to the above method, a polycrystalline thin film having switching characteristics comparable to a bulk single crystal with little influence of substrate distortion and defects can be obtained.

なお、上記基板上に、バッファ膜または電極膜を形成し、上記バッファ膜上または上記電極膜上に、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を形成するようにしてもよい。   Note that a buffer film or an electrode film may be formed on the substrate, and the perovskite manganese oxide thin film may be formed on the buffer film or the electrode film.

それゆえ、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、実デバイスにも容易に適用することができる。また、容易に作製可能な多結晶膜を用いて、単結晶バルクに匹敵するスイッチング特性が得られる。   Therefore, the perovskite manganese oxide thin film can be easily applied to actual devices. In addition, switching characteristics comparable to a single crystal bulk can be obtained by using a polycrystalline film that can be easily manufactured.

また、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、上記基板、あるいは、上記基板に形成されたバッファ膜または電極膜における、結晶方位が(110)の面あるいはこれと略等価な面に形成してもよい。   The perovskite manganese oxide thin film may be formed on the surface of the substrate or a buffer film or an electrode film formed on the substrate having a crystal orientation of (110) or a surface substantially equivalent thereto.

この場合、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷軌道整列面が、上記基板面に対して略垂直に配置されたペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を容易に形成できる。   In this case, it is possible to easily form a perovskite manganese oxide thin film in which the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface and the charge orbit alignment surface is disposed substantially perpendicular to the substrate surface. .

また、上記基板上あるいは上記基板上に形成されたバッファ膜上または電極膜上の面内格子定数によって、上記電荷軌道整列面の面間隔を制御してもよい。   Further, the surface spacing of the charge trajectory alignment plane may be controlled by an in-plane lattice constant on the substrate or on the buffer film or electrode film formed on the substrate.

上記の方法によれば、例えば、上記基板あるいは上記基板上に形成するバッファ膜あるいは電極膜の材料を適宜選択することによって面内格子定数を調整して基板歪みを調整し、電荷軌道整列面の面間隔を制御することができる。これにより、電荷軌道整列面間に関するキャリアのホッピングの程度を制御できるので、電荷軌道秩序に伴う抵抗値の調整が可能となる。   According to the above method, for example, the substrate distortion is adjusted by adjusting the in-plane lattice constant by appropriately selecting the material of the substrate or the buffer film or electrode film formed on the substrate, and the charge trajectory alignment surface is adjusted. The surface spacing can be controlled. Thereby, since the degree of carrier hopping between the charge orbit alignment planes can be controlled, the resistance value associated with the charge orbit order can be adjusted.

〔実施例〕
本発明の実施の一形態について図1〜図14に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態によって本発明の趣旨が何ら制限を受けるものではない。
〔Example〕
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. The gist of the present invention is not limited by the present embodiment.

図2は、本実施の形態にかかるペロブスカイトマンガン酸化物薄膜(電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜)であるNd1−xSrMnO膜1(x=0.48〜0.51)を示す断面図である。このNd1−xSrMnO膜1は、外場を用いて電荷軌道整列(電荷整列とともに3d電子の軌道も秩序化している状態)をスイッチングさせることを原理とする素子(スイッチング素子)、例えば、磁場、電場、光などを用いて電荷軌道整列をスイッチングさせる不揮発メモリ素子や、偏光変化を利用した光素子などに適用するためのものである。 FIG. 2 shows an Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 (x = 0.48 to 0.51) which is a perovskite manganese oxide thin film (charge orbital aligned perovskite manganese oxide thin film) according to the present embodiment. It is sectional drawing. This Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 is an element (switching element) based on the principle of switching charge orbital alignment (a state where 3d electron orbital is ordered together with charge alignment) using an external field, For example, the present invention is applied to a nonvolatile memory element that switches charge orbit alignment using a magnetic field, an electric field, light, or the like, or an optical element that utilizes polarization change.

図2に示すように、Nd1−xSrMnO膜1は、面方位(結晶方位)が(110)のSrTiO単結晶基板(SrTiO(110)単結晶基板)2上に膜厚80nmで形成されている。SrTiOの結晶系は立方晶であり格子定数は3.905Åである。 As shown in FIG. 2, the Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 has a film thickness on a SrTiO 3 single crystal substrate (SrTiO 3 (110) single crystal substrate) 2 having a plane orientation (crystal orientation) of (110). It is formed at 80 nm. The crystal system of SrTiO 3 is cubic and the lattice constant is 3.90590.

なお、Nd1−xSrMnO膜1は、レーザーアブレーション法を用いて以下に示す条件で製造した。ターゲットには固相反応法で作製した多結晶材料を20mmφの円筒形に成形したものを用いており、組成はストイキオメトリックである。 The Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 was manufactured under the following conditions using a laser ablation method. As the target, a polycrystalline material produced by a solid phase reaction method and formed into a 20 mmφ cylindrical shape is used, and the composition is stoichiometric.

まず、SrTiO(110)単結晶基板1を真空チャンバー内に取り付けた後、1.3×10−6Pa(1×10−8Torr)以下に真空排気した。その後、高純度の酸素ガスを0.13Pa(1mTorr)導入した。そして、830℃にSrTiO(110)単結晶基板を加熱し、表面に吸着したカーボンや水和物などを除去した。 First, the SrTiO 3 (110) single crystal substrate 1 was mounted in a vacuum chamber and then evacuated to 1.3 × 10 −6 Pa (1 × 10 −8 Torr) or less. Thereafter, 0.13 Pa (1 mTorr) of high purity oxygen gas was introduced. Then, the SrTiO 3 (110) single crystal substrate was heated to 830 ° C., and carbon and hydrate adsorbed on the surface were removed.

次に、基板温度を薄膜(Nd1−xSrMnO膜1)製造時の基板温度である830〜840℃に設定した。なお、酸素圧は0.13Pa(1mTorr)とした。 Next, the substrate temperature was set to 830 to 840 ° C., which is the substrate temperature at the time of manufacturing the thin film (Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1). The oxygen pressure was 0.13 Pa (1 mTorr).

次に、波長248nmのKrFエキシマレーザを、チャンバーのレーザー光導入ポートにて100mJのパワーでターゲットに照射し、膜厚80nmのNd1−xSrMnO膜1を形成した。 Next, the target was irradiated with a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm at a power of 100 mJ at the laser beam introduction port of the chamber, thereby forming an Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 having a thickness of 80 nm.

その後、1気圧の酸素ガスをチャンバー内に導入し、500℃で60分間保ちアニールした後、40分間かけて室温まで冷却した。なお、薄膜堆積後の高速反射電子線回折像はストリークパターンが観察されることから表面は平坦である。   Thereafter, oxygen gas at 1 atm was introduced into the chamber, annealed at 500 ° C. for 60 minutes, and then cooled to room temperature over 40 minutes. Note that the surface of the high-speed reflected electron diffraction image after deposition of the thin film is flat because a streak pattern is observed.


以上のように形成したNd1−xSr1−xMnO膜1の構造および特性を調べるために、以下に示す実験を行った。なお、以下では、主にx=0.5、すなわちNd0.5Sr0.5MnO膜1についての実験結果を示す。

In order to investigate the structure and characteristics of the Nd 1-x Sr 1-x MnO 3 film 1 formed as described above, the following experiment was performed. In the following, experimental results are mainly shown for x = 0.5, that is, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1.

図3は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1の構造を調べるために行ったX線回折(2θ−θ回折)によって得られたプロファイルを示している。強度(Intensity)の強い2つのピークα,βが基板からのものであり、各ピークα,βの右側(高角側)に薄膜からのピークα’,β’が観察される。これらは、この図の低角側から高角側にむかって、α’が(110)面、β’が(220)面からの回折ピークである。 FIG. 3 shows a profile obtained by X-ray diffraction (2θ-θ diffraction) performed for examining the structure of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1. Two peaks α and β having strong intensities are from the substrate, and peaks α ′ and β ′ from the thin film are observed on the right side (high angle side) of each peak α and β. These are diffraction peaks from the low angle side to the high angle side in this figure, where α ′ is the (110) plane and β ′ is the (220) plane.

この結果から、Nd0.5Sr0.5MnO膜1は、基板に垂直方向に配向していることがわかる。なお、基板面に垂直な([110]軸)方向の格子定数は5.38Åであった。 From this result, it can be seen that the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 is oriented in a direction perpendicular to the substrate. The lattice constant in the direction perpendicular to the substrate surface ([110] axis) was 5.38 mm.

さらに、面内方向の格子定数を調べるために、(310)ピークに関する逆格子マッピング測定を行った。その結果を図4に示す。図4の横軸は基板面内方向のうち[−110]軸方向の格子定数に反比例する値を表しており、縦軸は基板に垂直方向([110]方向)の格子定数に反比例する値を表している。この逆格子マッピング測定の結果、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における[−110]軸の格子定数は基板の面内格子定数(5.52Å)と異なり5.45Åであった。 Furthermore, in order to investigate the lattice constant in the in-plane direction, reciprocal lattice mapping measurement was performed on the (310) peak. The result is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 4 represents a value that is inversely proportional to the lattice constant in the [−110] axis direction in the substrate in-plane direction, and the vertical axis is a value that is inversely proportional to the lattice constant in the direction perpendicular to the substrate ([110] direction). Represents. As a result of the reciprocal lattice mapping measurement, the lattice constant of the [−110] axis in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 was 5.45 異 な り unlike the in-plane lattice constant (5.52 Å) of the substrate.

次に、面内方向のもう一つの軸、すなわち[001]方向の格子定数を調べるために(222)ピークに関する逆格子マッピング測定を行った。その結果を図5に示す。図5の横軸は面内方向である[001]軸方向の格子定数に反比例する値を表しており、縦軸は基板に垂直方向([110]方向)の格子定数に反比例する値を表している。この逆格子マッピング測定の結果、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における[001]軸方向の格子定数は、基板の面内格子定数(3.905Å)と僅かに異なり3.89Åであった。なお、(110)方向に2つの回折ピークが観察されるが、これはMn―O八面体が回転して歪んでいることによるものと考えられる。 Next, in order to examine another axis in the in-plane direction, that is, the lattice constant in the [001] direction, a reciprocal lattice mapping measurement on the (222) peak was performed. The result is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 5 represents a value inversely proportional to the lattice constant in the [001] axis direction which is the in-plane direction, and the vertical axis represents a value inversely proportional to the lattice constant in the direction perpendicular to the substrate ([110] direction). ing. As a result of the reciprocal lattice mapping measurement, the lattice constant in the [001] axis direction of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 is slightly different from the in-plane lattice constant (3.905 Å) of the substrate, and is 3.89 Å. there were. Note that two diffraction peaks are observed in the (110) direction, which is considered to be due to the rotation and distortion of the Mn—O octahedron.

以上の結果を図6にまとめて示す。6は、SrTiO(110)基板2における格子定数と、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における格子定数とを比較するための説明図である。図中細線で記した立方体は、SrTiO(110)基板2の格子を示したものであり、太線がX線回折により求めたNd0.5Sr0.5MnO膜1の格子定数である。 The above results are summarized in FIG. FIG. 6 is an explanatory diagram for comparing the lattice constant in the SrTiO 3 (110) substrate 2 and the lattice constant in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1. The cubes indicated by thin lines in the figure indicate the lattice of the SrTiO 3 (110) substrate 2, and the thick line is the lattice constant of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 obtained by X-ray diffraction. .

この図に示すように、基板面垂直方向([110]方向)について、Nd0.5Sr0.5MnO膜1の格子定数は、SrTiO基板2の格子定数(√2・asub=5.52Å。asubはSrTiO基板の<100>方向の格子定数=3.905Åを表す)と比べて−2.5%のミスマッチがある。また、基板面内の2軸について、Nd0.5Sr0.5MnO膜1の格子定数は、[−110]軸方向には−1.3%、[001]軸方向には−0.5%のミスマッチが各々ある。すなわち、Nd0.5Sr0.5MnO膜1は、3軸の長さがそれぞれ異なり、かつ直交している斜方晶となっている。 As shown in this figure, the lattice constant of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 in the direction perpendicular to the substrate surface ([110] direction) is the lattice constant of the SrTiO 3 substrate 2 (√2 · a sub = 5.52 a, a sub represents a mismatch of −2.5% compared to the lattice constant in the <100> direction of the SrTiO 3 substrate = 3.905)). The lattice constant of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 with respect to the two axes in the substrate plane is −1.3% in the [−110] axis direction and −0 in the [001] axis direction. Each has a 5% mismatch. That is, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 is an orthorhombic crystal having different triaxial lengths and orthogonal to each other.

ここで、[−110]軸をa軸、[110]軸をb軸、そして[001]軸をc軸ととることにより、斜方晶での結晶軸の取り方に一致させて単結晶の格子定数と比較することができる。なお、室温での単結晶の格子定数はa=5.48Å、b=5.43Å、そしてc/2=3.82Åである。一方、Nd0.5Sr0.5MnO膜1の格子定数はa=5.45Å、b=5.38Å、そしてc/2=3.89Åである。すなわち、Nd1−xSrMnO膜1は、基板面内の[−110]軸方向(a軸方向)には完全に緩和しており(格子変化が基板歪みの影響を受けておらず)、[001]軸方向(c軸方向)には基板歪みにより伸びていることがわかる。 Here, the [−110] axis is the a-axis, the [110] axis is the b-axis, and the [001] axis is the c-axis. It can be compared with the lattice constant. Note that the lattice constants of the single crystal at room temperature are a = 5.48 Å, b = 5.43 Å, and c / 2 = 3.82 Å. On the other hand, the lattice constants of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 are a = 5.45Å, b = 5.38Å, and c / 2 = 3.89Å. That is, the Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 is completely relaxed in the [−110] axial direction (a-axis direction) in the substrate plane (the lattice change is not affected by the substrate distortion). It can be seen that the substrate extends in the [001] axial direction (c-axis direction) due to substrate distortion.

図1は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における斜方晶の結晶軸と電荷軌道整列の配置を示す説明図である。図中、黒丸がMn3+イオンを表し、白丸がMn4+イオンを表しており、3x−rと3y−rとからなる軌道が交互に配置している様子を示している。Mn−O面からなる電荷軌道整列面は(00l)面であり、Nd0.5Sr0.5MnO膜1では基板面に垂直に配置しており、c軸方向にスタック(積層)している。 FIG. 1 is an explanatory view showing the arrangement of orthorhombic crystal axes and charge orbital alignment in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1. In the figure, black circles represent Mn 3+ ions, white circles represent Mn 4+ ions, and a state in which orbits composed of 3x 2 -r 2 and 3y 2 -r 2 are alternately arranged is shown. The charge orbital alignment plane composed of the Mn—O plane is a (00l) plane, and the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 is arranged perpendicular to the substrate plane and is stacked in the c-axis direction. ing.

また、電荷軌道整列面[(00l)面]における2軸(a軸およびb軸)方向の格子定数はa=5.45Å、b=5.38Åとなっており、単結晶と同様に異方的になっている。   In addition, the lattice constants in the two-axis (a-axis and b-axis) directions on the charge orbit alignment plane [(001) plane] are a = 5.45Å and b = 5.38Å, which is anisotropic as in the case of the single crystal. It has become.

一方、単結晶と異なる点は、c軸長、すなわち、電荷軌道整列面間隔が長いことである。これは、c軸方向に作用する伸張歪によるものと考えられる。したがって、例えば、SrTiO基板2に代えて、SrTiO基板2とは異なる格子定数を持つ基板を用いれば、c軸方向に作用する基板歪みが変化することによって、電荷軌道整列面間隔を調整することが可能となる。これは、基板歪みを調整することによって、電荷軌道整列面間に関するキャリアのホッピングの程度が変化するためと考えられる。 On the other hand, the difference from the single crystal is that the c-axis length, that is, the charge orbit alignment plane interval is long. This is considered to be due to an extension strain acting in the c-axis direction. Thus, for example, instead of the SrTiO 3 substrate 2, by using a substrate having a lattice constant different from the SrTiO 3 substrate 2 by the substrate strain that acts on the c-axis direction is changed, to adjust the charge orbital ordering spacing It becomes possible. This is presumably because the degree of carrier hopping between the charge orbit alignment planes changes by adjusting the substrate distortion.

このように、電荷軌道整列面間隔を調整(制御)することにより、電荷軌道秩序に伴う抵抗値の調整が可能になる。なお、SrTiO基板2に代わる基板としては、例えば、格子定数3.87Åの立方晶基板である(LaAlO0.3―(SrAl0.5Ta0.50.7(LSATと呼ばれている)、あるいは、格子定数3.87Åの擬立方晶基板であるLaAlO等の使用が可能である。 In this way, by adjusting (controlling) the charge orbit alignment plane spacing, it is possible to adjust the resistance value associated with the charge orbit order. As the substrate in place of SrTiO 3 substrate 2, for example, a cubic substrate lattice constant 3.87Å (LaAlO 3) 0.3 - ( SrAl 0.5 Ta 0.5 O 3) 0.7 (LSAT Or LaAlO 3 which is a pseudo cubic substrate having a lattice constant of 3.87Å can be used.

図7は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1の磁化の温度依存性を示すグラフである。このグラフにおける縦軸はMnあたりのボーア磁子単位で規格化した磁化Mを表し、横軸は温度を表す。なお、図中における白丸(ZFC)は、零磁場中で5Kまで冷却した後、0.5T(=5000 Oe)の磁場を印加した後に、300Kまで温度を上げながら測定した結果を示している。また、黒丸(FC)は、引き続き300Kから磁場中で5Kまで再び冷却しながら測定した際の結果を示している。 FIG. 7 is a graph showing the temperature dependence of the magnetization of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1. The vertical axis in this graph represents the magnetization M normalized in units of Bohr magnetons per Mn, and the horizontal axis represents temperature. The white circles (ZFC) in the figure indicate the results of measurement while raising the temperature to 300 K after applying a magnetic field of 0.5 T (= 5000 Oe) after cooling to 5 K in a zero magnetic field. Further, the black circle (FC) shows the result when the measurement was continued while cooling again from 300K to 5K in a magnetic field.

この図に示すように、250K以下で強磁性が発現し、160K以下で電荷軌道整列相の発現に伴う強磁性強磁性−反強磁性転移が発現することが、ヒステリシスとともに観測された。   As shown in this figure, it was observed together with hysteresis that ferromagnetism was developed at 250K or less, and that ferromagnetic ferromagnetism-antiferromagnetic transition accompanying the development of the charge orbit alignment phase was developed at 160K or less.

図8は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における抵抗率の温度依存性を示すグラフである。縦軸に抵抗率(Resistivity)を対数でとり、横軸に温度(Temperature)をとっている。抵抗測定は標準的な四端子法を用いて行い、電極には金とパラジウムの合金をスパッタにより形成している。測定電流は10μAとした。また、磁場H及び電流iは、[001]軸に沿って印加した。また、図中における太線は300Kから5Kへ降温しながら測定した結果であり、細線は5Kから300Kへ昇温しながら測定した結果を表す。また、図中ZFC(zero field cool)と表記したデータは、零磁場中で測定した結果であり、0.5T,1T,2T,3T,4T,5Tと表記したデータは、[001]軸に沿って印加する磁場をそれぞれの値に変化させた場合の測定結果である。 FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of the resistivity in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1. The vertical axis represents the logarithm of the resistivity (Resistivity), and the horizontal axis represents the temperature (Temperature). Resistance measurement is performed using a standard four-terminal method, and an alloy of gold and palladium is formed on the electrode by sputtering. The measurement current was 10 μA. The magnetic field H and current i were applied along the [001] axis. Moreover, the thick line in a figure is the result measured while falling from 300K to 5K, and the thin line represents the result measured while raising the temperature from 5K to 300K. In the figure, the data indicated as ZFC (zero field cool) is the result of measurement in a zero magnetic field, and the data indicated as 0.5T, 1T, 2T, 3T, 4T, and 5T are on the [001] axis. It is a measurement result at the time of changing the magnetic field applied along with each value.

この図に示すように、Nd0.5Sr0.5MnO膜1は、220K以下で金属的な挙動を示し、160K以下で電荷軌道整列相の発現に伴う抵抗増加がヒステリシスと共に得られている。 As shown in this figure, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 shows a metallic behavior at 220 K or less, and an increase in resistance accompanying the development of the charge orbital alignment phase is obtained with hysteresis at 160 K or less. Yes.

また、磁場を0.5T,1T〜5Tと増すにつれて、抵抗が磁場に応じて2桁以上も低下する(磁気抵抗)。すなわち電荷軌道整列相を磁場により金属へとスイッチングさせることができる。   Further, as the magnetic field is increased to 0.5T and 1T to 5T, the resistance decreases by two orders of magnitude or more according to the magnetic field (magnetic resistance). That is, the charge orbital alignment phase can be switched to metal by a magnetic field.

これらの結果は、電荷軌道整列面が基板面に垂直方向に配置することによって、電荷軌道整列面内の格子変形が容易になることで、電荷軌道整列転移とそのスイッチングが容易になったことを示すものであり、従来の薄膜での結果とは比較にならない程優れた特性を示すものである。また、この結果は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1において非常にランダムフィールドに敏感な電荷軌道整列秩序が発現してスイッチングすることを示しており、多結晶膜では避けられない欠陥量を、スイッチングを利用するために十分な程度に低減できていることを示している。 These results indicate that the charge trajectory alignment plane and the switching thereof are facilitated by arranging the charge trajectory alignment plane in a direction perpendicular to the substrate surface, thereby facilitating lattice deformation in the charge trajectory alignment plane. It shows a characteristic that is superior to the results of conventional thin films. This result also shows that the charge orbit alignment order sensitive to a random field is expressed and switched in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 and is a defect that cannot be avoided in the polycrystalline film. It shows that the amount can be reduced to a degree sufficient to utilize switching.

また、単結晶と比較した場合、磁化では1.5μ/Mnと約半分(単結晶では3μ/Mn)の値を示し、ゼロ磁場における基底状態(5K)での抵抗値は10−1Ωcmと3桁程度低い値(単結晶では10Ωcm)を示す。すなわち、単結晶では完全に金属化させるために必要な磁場が7T必要であったものが、Nd0.5Sr0.5MnO膜1では5Tと低下している。 When compared with a single crystal, the magnetization shows 1.5 μ B / Mn, which is about half (3 μ B / Mn for a single crystal), and the resistance value in the ground state (5 K) in a zero magnetic field is 10 −1. Ωcm, which is about three orders of magnitude lower (10 2 Ωcm for a single crystal). That is, in the single crystal, the magnetic field required for complete metallization is 7T, but in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1, the magnetic field is lowered to 5T.

この原因は、多結晶膜で導入される欠陥がもたらすランダムフィールドによって、強磁性相および電荷軌道整列相が乱されることに加えて、c軸長すなわち電荷軌道整列面間隔が伸びていることも重要な要因であると考えられる。なぜなら、c軸長の伸び(電荷軌道整列面間隔の伸び)は、強磁性金属相においては強磁性を抑制し、電荷軌道整列相においては面内に在る軌道が面間方向に向く自由度を回復させ、面間のキャリアホッピングを助長させるので、抵抗値が低減するからである。   This is because the random field caused by the defects introduced in the polycrystalline film disturbs the ferromagnetic phase and the charge orbit alignment phase, and also increases the c-axis length, that is, the charge orbit alignment plane spacing. This is considered to be an important factor. This is because the elongation of the c-axis length (elongation of charge orbit alignment plane spacing) suppresses ferromagnetism in the ferromagnetic metal phase, and the degree of freedom that the in-plane orbit in the charge orbit alignment phase faces in the inter-plane direction. This is because the resistance value is reduced because the carrier hopping between the surfaces is promoted.

したがって、c軸長に沿った基板面内一方向への基板歪みを調整することによって、基板面に垂直に配置された電荷軌道整列の面間隔を制御することができ、電荷軌道整列相での抵抗値を制御することが可能になる。   Therefore, by adjusting the substrate strain in one direction in the substrate surface along the c-axis length, the surface spacing of the charge orbit alignment arranged perpendicular to the substrate surface can be controlled, and the charge orbit alignment phase in the charge orbit alignment phase can be controlled. It becomes possible to control the resistance value.

さらに、Nd0.5Sr0.5MnO膜1においては、電荷軌道整列面が基板に垂直に配置され、面内の結晶軸が完全に配向しているために、単一ドメインあるいは欠陥や粒界を含んだとしても一方向に揃ったドメインが形成される。これによって、マルチドメインの状態と比較して膜全体にわたって均一な特性が得られる。例えば、ウエハー上に集積化したデバイスの場合、デバイスごとの特性のばらつきを抑制することが可能になる。 Further, in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1, the charge orbit alignment plane is arranged perpendicular to the substrate, and the crystal axes in the plane are perfectly oriented. Even if the grain boundary is included, domains aligned in one direction are formed. This provides uniform properties across the entire film compared to the multi-domain state. For example, in the case of a device integrated on a wafer, it is possible to suppress variations in characteristics from device to device.

図9は、[1−10]軸([−110]軸と平行)に沿って磁場及び電流を印加した場合の、Nd0.5Sr0.5MnO膜1における抵抗率の温度依存性を示すグラフである。なお、縦軸に抵抗率を対数でとり、横軸に温度をとっている。また、比較のために[001]軸に沿って磁場及び電流を印加した零磁場での結果(図中、白丸)も記載している。[001]軸すなわち電荷軌道整列面に垂直に測定した([001]軸に沿って磁場及び電流を印加した場合の)抵抗率は、[1−10]軸すなわち電荷軌道整列面に平行に測定した([1−10]軸に沿って磁場及び電流を印加した場合の)抵抗率に比べて、約一桁高いことがわかる。この異方性は電荷軌道、特に軌道整列面が揃っていることによって得られるものであり、上記のように単一ドメインあるいは多結晶膜に起因する欠陥を含みながらも方向の揃ったドメインが形成されていることを示すものである。 FIG. 9 shows the temperature dependence of the resistivity in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 when a magnetic field and current are applied along the [1-10] axis (parallel to the [−110] axis). It is a graph which shows. The vertical axis represents the logarithm of resistivity, and the horizontal axis represents temperature. For comparison, the result (white circle in the figure) in a zero magnetic field in which a magnetic field and a current are applied along the [001] axis is also shown. Resistivity measured perpendicular to the [001] axis or charge trajectory alignment plane (when applying a magnetic field and current along the [001] axis) was measured parallel to the [1-10] axis or charge trajectory alignment plane. It can be seen that it is about an order of magnitude higher than the resistivity (when a magnetic field and current are applied along the [1-10] axis). This anisotropy is obtained by aligning the charge orbitals, especially the orbital alignment planes, and as described above, a single domain or a domain with a uniform orientation is formed even though it contains defects due to the polycrystalline film. It is shown that it is done.

この異方性は、例えば、抵抗値を利用するメモリ素子あるいはトランジスタとして用いる場合には、c軸方向すなわち電荷軌道整列面に垂直に信号を入出力するような構成にすることで、抵抗値の変化をより大きくとることが可能となることを示している。   This anisotropy is, for example, when used as a memory element or a transistor that uses a resistance value, by setting a signal to be input / output in the c-axis direction, that is, perpendicular to the charge trajectory alignment plane, It shows that it is possible to take a larger change.

ところで、Nd1−xSrMnOはホールドーピング濃度がx=0.48〜0.51の範囲では平均の格子定数に殆ど違いがないが、x=0.48で強磁性金属相、x=0.49で強磁性金属相が共存した電荷軌道整列相、x=0.50で電荷軌道整列相、x=0.51で層状反強磁性金属相に電荷軌道整列相が共存することが単結晶で報告されている。 By the way, Nd 1-x Sr x MnO 3 has almost no difference in average lattice constant when the hole doping concentration is in the range of x = 0.48 to 0.51, but when x = 0.48, the ferromagnetic metal phase, x = 0.49, the charge orbital alignment phase coexisting with the ferromagnetic metal phase, x = 0.50, the charge orbital alignment phase, and x = 0.51, the layered antiferromagnetic metal phase may coexist in the layered antiferromagnetic metal phase. Single crystals have been reported.

そこで、電荷軌道整列相が強磁性金属相や層状反強磁性金属相などの多様な相と共存する場合を調べるために、Nd1−xSrMnO膜におけるxの値を変化させた場合の、磁気特性を測定した。 Therefore, when the value of x in the Nd 1-x Sr x MnO 3 film is changed in order to investigate the case where the charge orbital alignment phase coexists with various phases such as a ferromagnetic metal phase and a layered antiferromagnetic metal phase. The magnetic properties were measured.

図10は、Nd1−xSrMnO膜1におけるxの値を0.48,0.49,0.50,0.51と変化させた場合の、磁気特性を示すグラフである。すなわち、上記した製造方法によってSrTiO(110)単結晶基板2上に製造したNd1−xSrMnO膜1(x=0.48,0.49,0.50,0.51)の磁気特性を示すグラフである。なお、このグラフにおける縦軸はMnあたりのボーア磁子単位で規格化した磁化Mを表し、横軸は温度を表す。また、図中における細線は、零磁場中で5Kまで冷却した後、0.5T(=5000 Oe)の磁場を印加した後に、300Kまで温度を上げながら測定した結果を示している。また、図中における太線は、引き続き300Kから磁場中で5Kまで再び冷却しながら測定した際の結果を示している。 FIG. 10 is a graph showing magnetic characteristics when the value of x in the Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 is changed to 0.48, 0.49, 0.50, 0.51. That is, the Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 (x = 0.48,0.49,0.50,0.51) produced on the SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2 by the production method described above. It is a graph which shows a magnetic characteristic. In this graph, the vertical axis represents the magnetization M normalized in units of Bohr magnetons per Mn, and the horizontal axis represents the temperature. The thin line in the figure shows the result of measurement while raising the temperature to 300 K after applying a magnetic field of 0.5 T (= 5000 Oe) after cooling to 5 K in a zero magnetic field. In addition, the thick line in the figure shows the result of measurement while cooling again from 300K to 5K in a magnetic field.

この図に示すように、多結晶薄膜(Nd1−xSrMnO膜1)においても単結晶で知られている特性に匹敵する結果が得られていることから、電荷軌道整列相が多様な相と共存する場合においても、上記した各効果(Nd0.5Sr0.5MnO膜1において得られる効果)が得られることが明らかである。 As shown in this figure, the polycrystalline thin film (Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1) also has a result comparable to the characteristics known for single crystals, and thus there are various charge-orbit alignment phases. It is apparent that the above-described effects (effects obtained in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1) can be obtained even when coexisting with a small phase.

〔比較例〕
本実施の形態にかかるNd1−xSrMnO膜1は、面方位が(110)のSrTiO(110)単結晶基板2上に形成したが、これと比較するために、面方位が(100)のSrTiO単結晶基板(SrTiO(100)単結晶基板)上に、膜厚190nmのNd0.5Sr0.5MnO膜(図示せず)を形成し、その構造および特性について調べた。
[Comparative example]
The Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 according to the present embodiment is formed on the SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2 having the (110) plane orientation, but for comparison with this, the plane orientation is A Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film (not shown) having a film thickness of 190 nm is formed on a (100) SrTiO 3 single crystal substrate (SrTiO 3 (100) single crystal substrate), and its structure and characteristics Investigated about.

Nd0.5Sr0.5MnO単結晶の室温での単位胞体積(58.11Å)の三乗根として求められる平均の格子定数は3.844Åであり、SrTiO(100)単結晶との格子不整合は約1.6%となり、伸張歪が作用する。 The average lattice constant determined as the cube root of the unit cell volume (58.11 Å) at room temperature of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 single crystal is 3.844 、, and the SrTiO 3 (100) single crystal and The lattice mismatch is about 1.6%, and tensile strain acts.

Nd0.5Sr0.5MnO膜の製造方法は実施例で示した条件と同様のものを用いた。 The manufacturing method of the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film was the same as the conditions shown in the examples.

なお、高速反射電子線回折により薄膜製造時の様子を観察したところ、スペキュラースポット(基板あるいは薄膜最表面からの鏡面反射によるスポット)の強度振動が観測された。この振動周期はペロブスカイト単位胞毎のlayer−by−layerモードでの二次元成長に対応している可能性を示唆するものである。したがって、上記製造条件は好ましいものであるといえる。   In addition, when the state at the time of thin film manufacture was observed by the high-speed reflection electron beam diffraction, the intensity vibration of the specular spot (spot by specular reflection from the substrate or the outermost surface of the thin film) was observed. This vibration period suggests the possibility of corresponding to two-dimensional growth in the layer-by-layer mode for each perovskite unit cell. Therefore, it can be said that the manufacturing conditions are preferable.

また、薄膜(Nd0.5Sr0.5MnO膜)堆積後の高速反射電子線回折像は、ラウエ回折スポットとストリークパターンが観察された。したがって、このNd0.5Sr0.5MnO膜の表面は原子層レベルで平坦である。 In addition, a Laue diffraction spot and a streak pattern were observed in the high-speed reflected electron diffraction image after the thin film (Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film) was deposited. Therefore, the surface of this Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film is flat at the atomic layer level.

このようにして作成した比較例の薄膜について調べた結果を図11〜図14に示す。   The results of examining the comparative thin film thus prepared are shown in FIGS.

図11は、比較例における薄膜(Nd0.5Sr0.5MnO膜)の構造を調べるために行ったX線回折(2θ−θ回折)によって得られたプロファイルを示している。 FIG. 11 shows a profile obtained by X-ray diffraction (2θ-θ diffraction) performed to examine the structure of the thin film (Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film) in the comparative example.

強度の強い3つのピークa,b,cが基板からのものであり、各ピークの右側(高角側)に観察されるピークa’,b’,c’が薄膜からのものである。これらは、この図の低角側から高角側にむかって、a'が(001)面、b’が(002)面、c’が(003)面からの回折ピークである。   Three strong peaks a, b and c are from the substrate, and peaks a ', b' and c 'observed on the right side (high angle side) of each peak are from the thin film. These are diffraction peaks from the low angle side to the high angle side in this figure, where a ′ is the (001) plane, b ′ is the (002) plane, and c ′ is the (003) plane.

この結果から、比較例における薄膜は、基板に垂直方向に(00l)配向していることがわかる。なお、基板面に垂直な(c軸)方向の格子定数は3.79Åであった。   From this result, it can be seen that the thin film in the comparative example is (00 l) oriented in the direction perpendicular to the substrate. The lattice constant in the direction (c-axis) perpendicular to the substrate surface was 3.79 mm.

さらに、面内方向の格子定数を調べるために行った、(114)ピークに関する逆格子マッピング測定の結果を図3に示す。図12の横軸は面内方向の格子定数に反比例する値を表しており、縦軸は基板に垂直方向(c軸)の格子定数に反比例する値を表している。逆格子マッピング測定の結果、比較例における薄膜の面内格子定数(面内方向の格子定数)は、面内の2軸(a軸およびb軸)方向における基板の面内格子定数と僅かに異なり、3.89Åであった。すなわち、面内の2軸が等方的に伸び、膜厚方向の1軸が縮んだ格子配置となっており、基板歪みは完全には緩和できていない(格子変化が基板歪みの影響を受けている)ことがわかる。   Furthermore, FIG. 3 shows the result of reciprocal lattice mapping measurement on the (114) peak, which was performed to examine the lattice constant in the in-plane direction. The horizontal axis in FIG. 12 represents a value inversely proportional to the lattice constant in the in-plane direction, and the vertical axis represents a value inversely proportional to the lattice constant in the direction perpendicular to the substrate (c-axis). As a result of reciprocal lattice mapping measurement, the in-plane lattice constant (lattice constant in the in-plane direction) of the thin film in the comparative example is slightly different from the in-plane lattice constant of the substrate in the two in-plane (a-axis and b-axis) directions. 3.89 cm. That is, the lattice arrangement is such that two axes in the plane are isotropically extended and one axis in the film thickness direction is contracted, and the substrate distortion cannot be completely relaxed (the lattice change is affected by the substrate distortion). I understand).

この結果は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1が、基板面内の[−110]軸方向(a軸方向)に完全に緩和し(格子変化が基板歪みの影響を受けず)、[001]軸方向(c軸方向)には基板歪みにより伸びていたのと、大きく異なっている(図3〜図6参照)。なお、比較例では、電荷軌道整列相は2軸が伸びたMn−O面内に存在することから、電荷軌道整列面が発現する場合には、基板面に平行に存在すると考えられる。 As a result, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 is completely relaxed in the [−110] axial direction (a-axis direction) in the substrate plane (the lattice change is not affected by the substrate strain). The [001] axial direction (c-axis direction) is greatly different from the case of extending due to substrate distortion (see FIGS. 3 to 6). In the comparative example, the charge orbital alignment phase exists in the Mn—O plane extending in two axes. Therefore, when the charge orbital alignment surface appears, it is considered that the charge orbit alignment phase exists in parallel to the substrate surface.

図13は、このように部分的に基板歪みが緩和した比較例における薄膜(上記配向膜)の磁化の温度依存性を示すグラフである。なお、このグラフにおける縦軸はMnあたりのボーア磁子単位で規格化した磁化Mを表し、横軸は温度を表している。また、図中の細線(ZFC)は、零磁場中で5Kまで冷却した後、1T(=10000 Oe)の磁場を印加し、その後、300Kまで温度を上げながら測定した結果を示している。また、図中の太線(FC)は、引き続き300Kから磁場中で5Kまで再び冷却しながら測定した際の結果を示している。   FIG. 13 is a graph showing the temperature dependence of the magnetization of the thin film (the alignment film) in the comparative example in which the substrate distortion is partially relaxed in this way. In this graph, the vertical axis represents the magnetization M normalized in units of Bohr magnetons per Mn, and the horizontal axis represents the temperature. Further, the thin line (ZFC) in the figure shows the result of measurement while cooling to 5K in a zero magnetic field, applying a 1T (= 10000 Oe) magnetic field, and then raising the temperature to 300K. In addition, the thick line (FC) in the figure shows the result of measurement while cooling again from 300K to 5K in a magnetic field.

上記したように、Nd0.5Sr0.5MnO膜1では、バルク(バルク単結晶)で報告されているのと同様に、250K以下で強磁性が発現し、160K以下で電荷軌道整列相の発現に伴う強磁性強磁性−反強磁性転移が発現する(図7参照)。 As described above, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 exhibits ferromagnetism at 250 K or lower and charge orbit alignment at 160 K or lower, as reported in the bulk (bulk single crystal). A ferromagnetic ferromagnetism-antiferromagnetic transition accompanying the development of the phase appears (see FIG. 7).

これに対して、図13に示したように、比較例の薄膜では、250K以下での強磁性の発現は確認されない。したがって、160Kでの電荷軌道整列相の発現に伴う強磁性−反強磁性転移も観測されず、測定温度範囲内においては反強磁性的挙動を示す。   On the other hand, as shown in FIG. 13, in the thin film of the comparative example, the development of ferromagnetism at 250 K or less is not confirmed. Therefore, the ferromagnetic-antiferromagnetic transition accompanying the development of the charge orbital alignment phase at 160 K is not observed, and exhibits antiferromagnetic behavior within the measurement temperature range.

図14は、比較例の薄膜における抵抗率の温度依存性を示すグラフである。なお、抵抗は標準的な四端子法を用いて行った。また、測定電流は10μAとした。   FIG. 14 is a graph showing the temperature dependence of resistivity in the thin film of the comparative example. Resistance was performed using a standard four-terminal method. The measurement current was 10 μA.

図14における縦軸は抵抗率を対数でとったものであり、横軸には温度をとっている。この図に示すように、比較例の薄膜は、零磁場中では低温になるにつれて抵抗が増大し、半導体的挙動を示す(図中、ZFC参照)。すなわち、比較例の薄膜は、基板歪みを緩和しきれていないことから、伸張歪みによって磁気特性と輸送特性が変調を受けていることがわかる。すなわち、〔背景技術〕の項でも述べたように、この伸張歪みは電荷軌道整列相を安定化する作用を及ぼすので、強磁性相への相転移が抑制され、抵抗が低温で増大する。また、3T及び5Tの磁場下においては、抵抗率は10−2Ωcm程度に減少し、測定温度範囲内において温度依存性の少ない金属的挙動を示す。この抵抗率の温度依存性は、Nd0.5Sr0.5MnOのオーバードープ側の相である層状反強磁性金属相での振舞いに酷似している。したがって、3T及び5Tの磁場下における抵抗率の減少(磁気抵抗)は、電荷軌道整列絶縁相から層状反強磁性金属相への転移と考えられる。 The vertical axis in FIG. 14 represents the logarithm of resistivity, and the horizontal axis represents temperature. As shown in this figure, the thin film of the comparative example increases in resistance with decreasing temperature in a zero magnetic field, and exhibits a semiconductor behavior (see ZFC in the figure). That is, since the thin film of the comparative example does not relax the substrate strain, it can be seen that the magnetic properties and the transport properties are modulated by the extension strain. That is, as described in the section of “Background Art”, since this extension strain acts to stabilize the charge orbital alignment phase, the phase transition to the ferromagnetic phase is suppressed, and the resistance increases at a low temperature. In addition, under a magnetic field of 3T and 5T, the resistivity decreases to about 10 −2 Ωcm, and exhibits a metallic behavior with little temperature dependence within the measurement temperature range. The temperature dependence of the resistivity is very similar to the behavior in the layered antiferromagnetic metal phase, which is the overdoping phase of Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 . Therefore, the decrease in resistivity (magnetoresistance) under the magnetic field of 3T and 5T is considered to be a transition from the charge-orbit alignment insulating phase to the layered antiferromagnetic metal phase.

なお、この結果は、Nd0.5Sr0.5MnO膜1において、例えば、零磁場中で、220K以下で金属的な挙動を示し、160K以下で電荷軌道整列相の発現に伴う抵抗増加が得られたのと、大きく異なる(図8参照)。すなわち、Nd0.5Sr0.5MnO膜1では、電荷軌道整列面が基板面に垂直方向に配置することによって、電荷軌道整列面内の格子変形が容易になり、電荷軌道整列転移とそのスイッチングが容易になるが、比較例における薄膜ではこのような効果が得られないことを示している。 This result shows that, in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1, for example, in a zero magnetic field, it shows a metallic behavior at 220K or less, and at 160K or less, the resistance increases due to the appearance of the charge orbital alignment phase. Is significantly different from that obtained (see FIG. 8). That is, in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1, the charge orbit alignment plane is arranged in the direction perpendicular to the substrate surface, whereby lattice deformation in the charge orbit alignment plane is facilitated, and charge orbit alignment transition and Although the switching becomes easy, it is shown that such an effect cannot be obtained with the thin film in the comparative example.

このように、SrTiO(100)単結晶基板上に製造された比較例のNd0.5Sr0.5MnO膜のように、電荷軌道整列面が基板面に平行に存在すると考えられるNd0.5Sr0.5MnO膜においては、単結晶、あるいはNd0.5Sr0.5MnO膜1のようなスイッチング特性を得ることができない。その主因は、上記のように、基板歪みによるものと考えられる。 Thus, the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film of the comparative example manufactured on the SrTiO 3 (100) single crystal substrate is considered to have a charge orbital alignment plane parallel to the substrate surface. In the 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film, switching characteristics such as single crystal or Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film 1 cannot be obtained. The main reason is considered to be due to substrate distortion as described above.

すなわち、比較例で示したように、SrTiO(100)単結晶基板上に製造し、電荷軌道整列面が基板面に平行に存在するNd0.5Sr0.5MnO膜においては、電荷軌道整列面が基板歪みの影響を等方的に受ける。その結果、電荷軌道整列面の格子変形も等方的になると考えられる。 That is, as shown in the comparative example, in the Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 film manufactured on the SrTiO 3 (100) single crystal substrate and having the charge orbit alignment surface parallel to the substrate surface, The track alignment surface is isotropically affected by substrate distortion. As a result, the lattice deformation of the charge trajectory alignment surface is considered to be isotropic.

一方、膜厚方向の格子変形は基板からの影響を直接受ける面内格子よりは容易であると考えられる。したがって、本実施の形態にかかるNd1−xSrMnO膜1のように、電荷軌道整列面が基板面に平行でなければ(非平行であれば)、電荷軌道整列面内の格子変化は少なくとも一方向には変形が容易になる。これにより、スイッチングに際しての格子変形を容易にすることが可能となる。 On the other hand, it is considered that lattice deformation in the film thickness direction is easier than in-plane lattices that are directly affected by the substrate. Therefore, as in the case of the Nd 1-x Sr x MnO 3 film 1 according to the present embodiment, if the charge trajectory alignment plane is not parallel to the substrate surface (if it is not parallel), the lattice change in the charge trajectory alignment plane Can be easily deformed in at least one direction. As a result, lattice deformation during switching can be facilitated.

以上のように、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、格子(結晶格子)が基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷軌道整列面が基板表面に対して平行ではない(非平行である)。このため、電荷軌道秩序のスイッチングに伴う格子変形が、この薄膜における面内方向、膜厚方向ともに容易に発現する。これにより、電荷軌道整列面に関して異方的な格子変形が可能になる。   As described above, in the perovskite manganese oxide thin film of the present invention, the lattice (crystal lattice) is oriented in a direction parallel to the substrate surface, and the charge orbit alignment surface is not parallel to the substrate surface (non- Parallel). For this reason, lattice deformation accompanying switching of the charge orbital order easily appears in both the in-plane direction and the film thickness direction of the thin film. This enables anisotropic lattice deformation with respect to the charge trajectory alignment surface.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜では、膜厚方向だけではなく薄膜面内方向にも電荷軌道整列相の大きなドメインを成長させることが可能である。このため、基板歪や欠陥の影響の少ないバルク単結晶に匹敵するスイッチング特性を、多結晶薄膜で得ることができる。   In the perovskite manganese oxide thin film of the present invention, a domain having a large charge orbital alignment phase can be grown not only in the film thickness direction but also in the thin film in-plane direction. For this reason, switching characteristics comparable to a bulk single crystal with little influence of substrate distortion and defects can be obtained with a polycrystalline thin film.

さらに、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜では、基板の面内格子定数によって、電荷軌道整列面の面間隔を制御し、電荷軌道秩序に伴う抵抗値の調整することが可能である。すなわち、基板の面内格子定数を変更することによって基板歪みを調整し、電荷軌道整列面の面間隔を制御することができ、電荷軌道整列面間に関するキャリアのホッピングの程度を制御できるので、電荷軌道秩序に伴う抵抗値の調整が可能となる。   Furthermore, in the perovskite manganese oxide thin film of the present invention, the inter-plane lattice constant of the substrate can be used to control the spacing between the charge orbit alignment planes and to adjust the resistance value associated with the charge orbital order. That is, the substrate distortion can be adjusted by changing the in-plane lattice constant of the substrate, the surface spacing of the charge trajectory alignment surfaces can be controlled, and the degree of carrier hopping between the charge trajectory alignment surfaces can be controlled. The resistance value associated with orbital order can be adjusted.

なお、基板の面内格子定数の調整は、例えば、基板の材料を変更することによって行うことができる。すなわち、本実施の形態ではペロブスカイト単結晶基板(SrTiO(110)単結晶基板2)を用いたが、これに代えて、例えば、格子定数3.87Åの立方晶基板である(LaAlO0.3―(SrAl0.5Ta0.50.7(LSATと呼ばれている)、あるいは、格子定数3.87Åの擬立方晶基板であるLaAlO等を用いてもよい。すなわち、基板として、ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の抵抗値が所望の値となるような面内格子定数を有するものを選択すればよい。 The in-plane lattice constant of the substrate can be adjusted, for example, by changing the material of the substrate. That is, in the present embodiment, a perovskite single crystal substrate (SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2) is used, but instead, for example, a cubic substrate having a lattice constant of 3.873 (LaAlO 3 ) 0 .3— (SrAl 0.5 Ta 0.5 O 3 ) 0.7 (referred to as LSAT), LaAlO 3 which is a pseudo-cubic substrate having a lattice constant of 3.87Å, or the like may be used. That is, a substrate having an in-plane lattice constant such that the perovskite manganese oxide thin film has a desired resistance value may be selected.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜では、電荷軌道整列面が基板表面に対して略垂直である。この場合、ドメイン方向が揃った単一ドメインの電荷軌道秩序相を実現できるので、薄膜全体にわたって電荷軌道整列相を均一に形成できる。したがって、電荷軌道整列面間方向に信号の入出力を行うことで、より大きな抵抗変化を実現できる。   In the perovskite manganese oxide thin film of the present invention, the charge orbit alignment plane is substantially perpendicular to the substrate surface. In this case, a single-domain charge orbital ordered phase with aligned domain directions can be realized, so that the charge orbital aligned phase can be uniformly formed over the entire thin film. Therefore, a larger resistance change can be realized by inputting and outputting signals in the direction between the charge trajectory alignment planes.

なお、本実施の形態にかかるペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、結晶格子が基板面と平行な方向に配向していれば、基板面に垂直な方向にも配向していてもよい。また、本実施の形態にかかるペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、結晶格子が基板面と平行な方向に配向している点が、上記した非特許文献3における(101)配向膜と異なっている。すなわち、非特許文献3における(101)配向膜は、基板面に垂直方向に配向しているが、当該膜面と平行な方向(基板面内方向)にはドメインが入るために配向できない。   The perovskite manganese oxide thin film according to the present embodiment may be oriented in a direction perpendicular to the substrate surface as long as the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface. Further, the perovskite manganese oxide thin film according to the present embodiment is different from the (101) orientation film in Non-Patent Document 3 described above in that the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface. That is, the (101) orientation film in Non-Patent Document 3 is oriented in a direction perpendicular to the substrate surface, but cannot be oriented because a domain enters in a direction parallel to the film surface (in-plane direction of the substrate).

また、本実施の形態では、簡便のためにペロブスカイト単結晶基板(SrTiO(110)単結晶基板2)を用いたが、これに限るものではない。例えば、上記したように、SrTiO(110)単結晶基板2に代えて、格子定数3.87Åの立方晶基板である(LaAlO0.3―(SrAl0.5Ta0.50.7(LSATと呼ばれている)、あるいは、格子定数3.87Åの擬立方晶基板であるLaAlO等を用いてもよい。あるいは、その他の酸化物基板を用いてもよい。 In this embodiment, the perovskite single crystal substrate (SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2) is used for the sake of simplicity, but the present invention is not limited to this. For example, as described above, instead of the SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2, (LaAlO 3 ) 0.3 — (SrAl 0.5 Ta 0.5 O 3 ) which is a cubic substrate having a lattice constant of 3.87Å. ) 0.7 (referred to as LSAT) or LaAlO 3 which is a pseudo cubic substrate having a lattice constant of 3.87Å may be used. Alternatively, other oxide substrates may be used.

また、ガラス基板やシリコン基板、化合物半導体基板などの基板上にバッファ膜や、PtやIr、IrO、RuO、SrRuO等の電極膜を、本発明に沿うように形成し、ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、基板上に、バッファ膜あるいは電極膜を介して形成するようにしてもよい。実デバイスでは、ペロブスカイト単結晶基板を使用できる機会が少ないため、ガラス基板やシリコン基板、化合物半導体基板などの基板上へバッファ膜や電極膜を介して製造することが望ましい。すなわち、実デバイスでは、ガラス基板やシリコン基板、化合物半導体基板などの上へバッファ膜や電極膜を介して製造することが実用的である。なお、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、このようにバッファ膜や電極膜上に形成する場合であっても、ペロブスカイト単結晶基板上に直接形成する場合と略同様の効果を奏する。すなわち、バッファ膜や電極膜上に形成する場合であっても、容易に作製可能な多結晶膜を用いて、単結晶バルクに匹敵するスイッチング特性が得られる。 In addition, a buffer film or an electrode film of Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , SrRuO 3 or the like is formed on a substrate such as a glass substrate, a silicon substrate, or a compound semiconductor substrate according to the present invention, and perovskite manganese oxide The physical thin film may be formed on the substrate via a buffer film or an electrode film. In an actual device, since there are few opportunities to use a perovskite single crystal substrate, it is desirable to manufacture it on a substrate such as a glass substrate, a silicon substrate, or a compound semiconductor substrate via a buffer film or an electrode film. That is, in an actual device, it is practical to manufacture on a glass substrate, a silicon substrate, a compound semiconductor substrate, etc. via a buffer film or an electrode film. Even when the perovskite manganese oxide thin film of the present invention is formed on the buffer film or the electrode film as described above, the perovskite manganese oxide thin film has substantially the same effect as that formed directly on the perovskite single crystal substrate. That is, even when formed on a buffer film or an electrode film, a switching characteristic comparable to that of a single crystal bulk can be obtained by using a polycrystalline film that can be easily manufactured.

また、この場合、ペロブスカイト単結晶基板上にペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を形成する場合と同様、バッファ膜や電極膜の面内格子定数を調整することにより、ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の抵抗値を所望の値に制御できる。   Further, in this case, the resistance value of the perovskite manganese oxide thin film can be set to a desired value by adjusting the in-plane lattice constant of the buffer film or the electrode film as in the case of forming the perovskite manganese oxide thin film on the perovskite single crystal substrate. Can be controlled to a value.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、基板上あるいは基板上に形成されたバッファ膜上や電極膜上における、立方晶または正方晶の結晶方位を用いて(110)と表記される面、あるいは、これと略等価な面に形成することが好ましい。これにより、結晶格子が基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷軌道整列面が基板表面に対して略垂直なペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を容易に形成できる。なお、(110)面と略等価な面としては、例えば、立方晶における(101)面、(011)面があげられる。   Further, the perovskite manganese oxide thin film of the present invention is a surface represented by (110) using a cubic or tetragonal crystal orientation on a substrate or a buffer film or an electrode film formed on the substrate, Or it is preferable to form in the surface substantially equivalent to this. As a result, it is possible to easily form a perovskite manganese oxide thin film in which the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface and the charge orbit alignment surface is substantially perpendicular to the substrate surface. Note that examples of the plane substantially equivalent to the (110) plane include a (101) plane and a (011) plane in a cubic crystal.

また、ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜(電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜)として、ここでは歪みや欠陥に敏感なNd1−xSrMnO膜(x=0.48〜0.51)を用いたが、これに限るものではない。本発明は、例えば、その他の電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜、特に室温以上で電荷軌道秩序を示すBi0.5Sr0.5MnOやYBaMn、HoBaMn、DyBaMn、TbBaMn、等にも適用できる。 Further, as the perovskite manganese oxide thin film (charge orbital alignment perovskite manganese oxide thin film), here, an Nd 1-x Sr x MnO 3 film (x = 0.48 to 0.51) sensitive to strain and defects was used. However, it is not limited to this. The present invention is, for example, other charge orbital order perovskite manganese oxide thin film, Bi 0.5 Sr 0.5 MnO 3 and YBaMn 2 O 6, particularly showing the charge orbital ordering above room temperature, HoBaMn 2 O 6, DyBaMn 2 O 6 , TbBaMn 2 O 6 , etc.

また、本実施の形態では、面方位が(110)のSrTiO(110)単結晶基板2上にNd1−xSrMnO膜1を形成することにより、Nd1−xSrMnO膜1における電荷軌道整列面が基板表面に対して略垂直となるようにしているが、本発明の電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法は、これに限るものではない。すなわち、結晶格子が基板面と平行な方向に配向しており、電荷軌道整列面が基板面に対して非平行となるように形成できる方法であればよい。 Further, in the present embodiment, by forming the Nd 1-x Sr x MnO 3 layer 1 on SrTiO 3 (110) single crystal substrate 2 of plane orientation (110), Nd 1-x Sr x MnO 3 Although the charge orbit alignment surface in the film 1 is substantially perpendicular to the substrate surface, the method for producing the charge orbit alignment perovskite manganese oxide thin film of the present invention is not limited to this. That is, any method can be used as long as the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface and the charge orbit alignment surface is non-parallel to the substrate surface.

また、本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記したように、不揮発メモリ素子や光素子などの外場を用いて電荷軌道整列をスイッチングさせることを原理とする素子(スイッチング素子)に適用できる。本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜をこれらのスイッチング素子に適用することにより、基板歪みや欠陥の影響が少ないバルク単結晶を用いたスイッチング素子に匹敵するスイッチング特性を得られる。   Further, as described above, the perovskite manganese oxide thin film of the present invention can be applied to an element (switching element) based on the principle of switching charge orbit alignment using an external field such as a nonvolatile memory element or an optical element. By applying the perovskite manganese oxide thin film of the present invention to these switching elements, switching characteristics comparable to those using a bulk single crystal with little influence of substrate distortion and defects can be obtained.

また、本発明は、メモリ素子等に適用可能な巨大抵抗変化の原理となる電荷軌道秩序をよりスイッチングに適した多様な秩序が競合し臨界点近傍の状態にある物質において示す電荷軌道整列ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜及びその製造方法、並びに該薄膜を備えてなるスイッチング素子を提供することを目的とするものである、と表現することもできる。   In addition, the present invention relates to a charge orbital alignment perovskite manganese that shows a charge orbital order, which is a principle of a giant resistance change applicable to a memory device, etc. It can also be expressed that the object is to provide an oxide thin film, a manufacturing method thereof, and a switching element including the thin film.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、外場を用いて電荷軌道整列をスイッチングさせることを原理とする素子、例えば、磁場、電場、光を用いて電荷軌道整列をスイッチングさせる不揮発メモリ素子や、偏光変化を利用した光素子などに適用できる。   The perovskite manganese oxide thin film of the present invention is an element based on the principle of switching charge orbit alignment using an external field, for example, a nonvolatile memory element that switches charge orbit alignment using a magnetic field, electric field, or light, or polarization. It can be applied to an optical element using change.

本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜、すなわち、SrTiO(110)基板上に製造したペロブスカイトマンガン酸化物薄膜(Nd0.5Sr0.5MnO薄膜)における、電荷軌道整列状態を示す説明図である。Charge orbit alignment in a perovskite manganese oxide thin film according to an embodiment of the present invention, that is, a perovskite manganese oxide thin film (Nd 0.5 Sr 0.5 MnO 3 thin film) manufactured on a SrTiO 3 (110) substrate It is explanatory drawing which shows a state. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the perovskite manganese oxide which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜における、X線回折の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the X-ray diffraction in the perovskite manganese oxide thin film which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜における、(310)ピークに関する逆格子マッピング測定図である。It is a reciprocal lattice mapping measurement figure about a (310) peak in the perovskite manganese oxide thin film concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜における、(222)ピークに関する逆格子マッピング測定図である。It is a reciprocal lattice mapping measurement figure regarding the (222) peak in the perovskite manganese oxide thin film which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜と、SrTiO(110)基板との、格子定数のミスマッチを示す説明図である。A perovskite manganese oxide thin film according to an embodiment of the present invention, SrTiO 3 (110) of the substrate is an explanatory diagram showing a lattice constant mismatch. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜における、磁化の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of magnetization in the perovskite manganese oxide thin film which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の、磁場中における抵抗率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the resistivity in a magnetic field of the perovskite manganese oxide thin film which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜における、軌道整列面内方向と面間方向との抵抗率の異方性を示すグラフである。It is a graph which shows the anisotropy of the resistivity of an orbital alignment in-plane direction and an interplane direction in the perovskite manganese oxide thin film which concerns on one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜(Nd1−xSrMnO膜)における、磁気特性の組成依存性(x=0.48〜0.51)を示すグラフである。In the perovskite manganese oxide thin film according to an embodiment of the present invention (Nd 1-x Sr x MnO 3 layer) is a graph showing the composition dependence of the magnetic properties (x = 0.48~0.51). 比較例に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜、すなわち、SrTiO(100)基板上に製造したNd0.5Sr0.5MnO薄膜のX線回折結果を示すグラフである。Perovskite manganese oxide thin film according to the comparative example, i.e., a graph showing a SrTiO 3 (100) Nd were produced on a substrate 0.5 Sr 0.5 MnO 3 X-ray diffraction results of the thin film. 比較例に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の、(114)ピークに関する逆格子マッピング測定図である。It is a reciprocal lattice mapping measurement figure regarding the (114) peak of the perovskite manganese oxide thin film which concerns on a comparative example. 比較例に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の、磁化の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of magnetization of the perovskite manganese oxide thin film which concerns on a comparative example. 比較例に係るペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の、磁場中における抵抗率の温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature dependence of the resistivity in the magnetic field of the perovskite manganese oxide thin film which concerns on a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1 Nd1−xSrMnO膜(ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜)
2 SrTiO単結晶基板(基板)
1 Nd 1-x Sr x MnO 3 film (perovskite manganese oxide thin film)
2 SrTiO 3 single crystal substrate (substrate)

Claims (9)

基板上に形成された、電荷整列および電子軌道整列を示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜であって、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向しており、かつ、電荷が整列するとともに3d電子の軌道も秩序化している面である電荷軌道整列面が、上記基板面に対して非平行であることを特徴とするペロブスカイトマンガン酸化物薄膜。   A perovskite manganese oxide thin film formed on a substrate exhibiting charge alignment and electron orbital alignment, wherein the crystal lattice is oriented in a direction parallel to the substrate surface, and the charge is aligned and 3d electrons A perovskite manganese oxide thin film characterized in that a charge orbital alignment surface, which is a surface in which the orbitals are ordered, is non-parallel to the substrate surface. 上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜は、上記基板上に形成された、バッファ膜上または電極膜上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜。   The perovskite manganese oxide thin film according to claim 1, wherein the perovskite manganese oxide thin film is formed on a buffer film or an electrode film formed on the substrate. 上記電荷軌道整列面が、上記基板面に対して略垂直であることを特徴とする請求項1または2に記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜。   The perovskite manganese oxide thin film according to claim 1 or 2, wherein the charge orbit alignment surface is substantially perpendicular to the substrate surface. 上記基板、あるいは、上記基板上に形成されたバッファ膜または電極膜における、結晶方位が(110)の面あるいはこれと略等価な面に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜。   The crystal orientation of the substrate, or a buffer film or an electrode film formed on the substrate, is formed on a (110) plane or a plane substantially equivalent thereto. The perovskite manganese oxide thin film according to any one of the above. 請求項1〜4のいずれかに記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を備えてなるスイッチング素子。   A switching element comprising the perovskite manganese oxide thin film according to claim 1. 基板上に形成される、電荷整列および電子軌道整列を示すペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法であって、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、結晶格子が、上記基板面と平行な方向に配向し、かつ、電荷が整列するとともに3d電子の軌道も秩序化している面である電荷軌道整列面が、上記基板面に対して非平行となるように形成することを特徴とするペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法。   A method for producing a perovskite manganese oxide thin film having a charge alignment and an electron orbital alignment formed on a substrate, wherein the perovskite manganese oxide thin film has a crystal lattice oriented in a direction parallel to the substrate surface, In addition, the perovskite manganese oxide thin film is characterized in that the charge orbital alignment plane, which is a plane in which charges are aligned and 3d electron orbitals are ordered, is non-parallel to the substrate surface. Production method. 上記基板上に、バッファ膜または電極膜を形成し、上記バッファ膜上または上記電極膜上に、上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を形成することを特徴とする請求項6に記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法。   The perovskite manganese oxide thin film according to claim 6, wherein a buffer film or an electrode film is formed on the substrate, and the perovskite manganese oxide thin film is formed on the buffer film or the electrode film. Manufacturing method. 上記ペロブスカイトマンガン酸化物薄膜を、上記基板、あるいは、上記基板に形成されたバッファ膜または電極膜における、結晶方位が(110)の面あるいはこれと略等価な面に形成することを特徴とする請求項6または7に記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法。   The perovskite manganese oxide thin film is formed on the surface of the substrate or a buffer film or an electrode film formed on the substrate with a crystal orientation of (110) or a surface substantially equivalent thereto. Item 8. The method for producing a perovskite manganese oxide thin film according to Item 6 or 7. 上記基板上あるいは上記基板上に形成されたバッファ膜上または電極膜上の面内格子定数によって、上記電荷軌道整列面の面間隔を制御することを特徴とする請求項6〜8のいずれかに記載のペロブスカイトマンガン酸化物薄膜の製造方法。
9. The surface interval of the charge orbit alignment surface is controlled by an in-plane lattice constant on the substrate or on a buffer film or an electrode film formed on the substrate. The manufacturing method of the perovskite manganese oxide thin film of description.
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