JP2012119565A - 磁気異方性制御方法 - Google Patents

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智康 谷山
Ippei Suzuki
一平 鈴木
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Abstract

【課題】新しいスピン機能素子への展開が可能な、省電力で動作可能な新しい磁化配向制御方法の基本要素技術を提供する。
【解決手段】単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体層に電圧を印加して強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性制御方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、強磁性体の磁気異方性を制御するための方法及びその素子に関する。
従来、磁気記憶メディア、不揮発性磁気メモリ、スピントランジスタ等における磁化配向制御の手法として、磁場を利用する方法が主流であった。そして、近年は、さらなるデバイスの高密度化に向けて、電流によってそれを実現しようとする試みが提案されてきている。しかしながら、電流で磁気ビットを操作するためには、巨大な電流密度を必要とし、発熱等の問題を克服する必要がある。
磁気記憶メディアや不揮発性磁気メモリ等は、磁性体の磁気異方性に基づいて磁化配向制御を利用するものであり、例えばＦｅの磁気異方性の変化に関連した報告がなされている（非特許文献１）。
Ｔ．Ｔａｎｉｙａｍａ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １０５， ０７Ｄ９０１（２００９）．
省電力で動作可能な磁化配向制御を実現するために、新しい磁気異方性制御方法の必要性がある。
物質の磁気異方性は磁気歪効果に起因して、格子歪みに敏感に応答する。このことから発明者は、磁気歪効果の大きな物質を選択することで歪みを介して磁気異方性を制御することが可能であり、さらに強誘電体の圧電特性を利用することで電圧による磁気異方性制御が可能であることに着眼して、従来困難であった省電力で動作可能な磁気異方性制御が可能であることを見出した。
本発明は、強磁性体の磁気異方性を、強磁性体と強誘電体との接合界面に生じる歪みを利用して制御する方法を提供するものである。
本発明は、電流を流すことなく電圧による磁化配向制御を実現するために必要な、磁気異方性制御を行うための方法を、強磁性体と強誘電体との接合界面歪みを用いて実現する方法を提供する。
本発明は、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体層に電圧を印加して強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性制御方法を提供する。
他の態様において、本発明は、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体の構造相転移による強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性制御方法を提供する。
さらに他の態様において、本発明は、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を含む磁気異方性可変素子であって、強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性可変素子を提供する。
本発明によって、電圧によって磁気異方性を制御することが可能となることから、省電力動作が可能な磁化配向制御技術を開発するための基本要素技術に展開され、新しいスピン機能素子への展開がされ得る。
作製したＦｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜の高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターン。 作製したＦｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜／ＢａＴｉＯ3（００１）について、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）で測定した、飽和磁化で規格化した残留磁化の磁場方位依存性。
以下、本発明の磁気異方性制御方法について説明する。
本発明の磁気異方性制御方法は、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体層に電圧を印加して強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させるものである。
強誘電体は圧電体であるから、強誘電体層に電圧を印加することで強誘電体層が変形して、強誘電体層と強磁性体層との間の接合界面に歪みが生じ、強磁性体層の磁気異方性が変化する。これにより、強磁性体層の磁気異方性を制御することが可能である。
別の態様による本発明の磁気異方性制御方法は、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体の構造相転移による強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる。
強誘電体の構造相転移を利用して、強誘電体層と強磁性体層との間の接合界面に歪みを生じさせ、磁性体層の磁気異方性を制御することが可能である。
強誘電体の構造相転移は、例えば、温度を変化させることによって制御することができる。例えば、ＢａＴｉＯ3を強誘電体として用いる場合、室温では正方晶であるが、温度を下げると斜方晶に変化する。この相転移に伴って格子定数が変化するため、強誘電体層と強磁性体層との間の接合界面に歪みが生じ、強磁性体層の磁気異方性が変化する。これにより、強磁性体層の磁気異方性を制御することが可能である。
本発明に用いられる強磁性体は、磁気異方性及び磁歪特性を有する単結晶である。大きな磁歪定数を有する材料が好ましく、特にＦｅＧａの合金薄膜が好ましい。
ＦｅＧａ合金の組成範囲は、好ましくは、単相を得ることができる組成である。２元合金相図より、Ｇａ組成が１５％までは単相固溶Ａ２構造が得られることが分かる。Ｇａ組成が１５％から２３％の範囲では、ＤＯ3構造、ＬＩ2規則構造の混合となるが、急冷により、単相固溶Ａ２構造を得ることができる。したがって、Ｆｅ1-xＧａxで表される組成範囲は、好ましくは、ｘは０より大きく０．２３以下であり、さらに好ましくは、ｘは０より大きく０．１５以下である。また、ＦｅＧａ合金の組成範囲は、好ましくは、磁歪定数がより大きい組成であり、Ｇａ組成は０％より大きく、好ましくは３％以上、さらに好ましくは５％以上である。
強磁性体層の厚さは特に制限されないが、厚さ２ｎｍ〜１００ｎｍ程度が好適に用いられる。
強誘電体層上に強磁性体層をエピタキシャル成長させることが必要であるが、強磁性体と強誘電体とは、互いに格子整合性がよい組み合わせであれば、様々な組み合わせを有することができる。エピタキシャル成長させるためには、強誘電体と強磁性体との格子不整合率は８％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは３％以下である。例えば、強誘電体層にＢａＴｉＯ3（００１）を使用する場合、強磁性体層として格子不整合率２．９％の強磁性体Ｆｅ0.85Ｇａ0.15を用いると、３００℃においてエピタキシャル成長をさせることができる。また、Ｇａ組成２３％の場合のＦｅ0.77Ｇａ0.23でも、ＢａＴｉＯ3（００１）に対する格子不整合率は３．１％であり、ＢａＴｉＯ3（００１）上にＦｅ0.77Ｇａ0.23をエピタキシャル成長させることができる。
本明細書において、格子不整合率（％）は、下式：
（|強磁性体の格子定数−強誘電体の格子定数|）÷強誘電体の格子定数×１００
で表される。
本発明の強誘電体は、圧電効果を有する単結晶である。好ましくはベロブスカイト構造の単結晶であり、例えばチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ビスマスフェライト（ＢｉＦｅＯ3）等が好適に使用され、これらの材料はＣａ等で一部置換されていてもよい。
強誘電体層の厚さは特に制限されないが、例えば厚さ２００μｍ〜１ｍｍ程度の基板を用いてもよいし、異種基板上に、常法により、例えば厚さ１００〜５００ｎｍ程度の薄膜を形成して用いることもできる。
強誘電体層としてＢａＴｉＯ3（００１）を使用し、強磁性体層としてＦｅＧａを使用した場合の磁気異方性の変化は、４回対称性と２回対称性との間の変化である。強誘電体層と強磁性体層との間に生じる界面歪みにより、強磁性体の磁気異方性が４回対称と２回対称との間で変化する。
本発明は、上記の説明から明らかなように、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を含む磁気異方性可変素子であって、強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性可変素子をさらに提供する。本発明の強磁性体の磁気異方性制御方法においては、このような磁気異方性を変化させることができる磁気異方性可変素子が上記のように好適に使用される。
強磁性体層の成膜は、強誘電体の単結晶上に強磁性体材料をエピタキシャル成長させることができる任意の方法によって行われる。例えば、ＭＢＥ法、スパッタ法、蒸着法などが使用される。好ましくは、ＭＢＥ法が用いられる。
上述の強誘電体層及び強磁性体層は、さらに他の層を含んでもよい。例えばＡｕ薄膜等の酸化防止膜を強磁性体層上に形成することができる。
以下に、本発明の磁気異方性制御方法及びその素子についての実施例を示す。
（実施例１）
本例の素子は、ＦｅＧａ／ＢａＴｉＯ3（００１）構造を含んでなる。ＢａＴｉＯ3（００１）が、巨大磁歪特性を有するＦｅＧａとの接合界面において、ＦｅＧａに界面歪みを誘起させる作用を有する。以下に、その素子構造の作製方法を示す。
初期真空度５×１０-10Ｔｏｒｒの超高真空分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置を用いて、厚さ５００μｍの単結晶ＢａＴｉＯ3（００１）基板上に、基板温度３００℃で膜厚２５ｎｍのＦｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜をＭＢＥ成長させた。
作製したＦｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜の高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）パターンを図１に示す。ストリーク状のＲＨＥＥＤパターンから平坦な単結晶薄膜が成膜されたことが分かる。その上に膜厚１０ｎｍのＡｕ薄膜を酸化防止膜として成膜した。
作製したＦｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜／ＢａＴｉＯ3（００１）ヘテロ構造の磁化曲線を、試料振動型磁力計（ＶＳＭ）を用いて室温及び２３０Ｋにおいて測定した。印加磁場は薄膜面内で、結晶軸に対して種々の磁場方向について測定した。測定した磁化曲線から得られた残留磁化を飽和磁化で規格化した値の磁場方位依存性を図２に示す。
図２において、室温での残留磁化の方位依存性が４回対称性を示すのに対して、２３０Ｋに温度を下げると２回対称性に明瞭に変化することが分かる。これは、ＢａＴｉＯ3（００１）基板が正方晶相から斜方晶相に変化することにより生じる強磁性体との間の接合界面歪みにより、Ｆｅ0.85Ｇａ0.15合金薄膜の磁気異方性が４回対称から２回対称に変化したことを意味している。このことは、圧電材料に電圧を印加して、強磁性体との接合界面に歪みを生じさせることによって、強磁性体の磁気異方性を電圧で制御可能であることを意味している。
本発明によって、電圧により磁気異方性を制御することが可能となることから、省電力動作が可能な磁化配向制御技術を開発するための基本要素技術に展開され、新しいスピン機能素子への展開がされ得る。

Claims (10)

  1. 単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、該強誘電体層に電圧を印加して該強誘電体層と該強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、該強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性制御方法。
  2. 単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、該強誘電体の構造相転移による該強誘電体層と該強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、該強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性制御方法。
  3. 該強誘電体と該強誘電体との格子不整合率が８％以下である、請求項１または２に記載の磁気異方性制御方法。
  4. 該強磁性体の磁気異方性の変化が、４回対称性と２回対称性との間の変化である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気異方性制御方法。
  5. 該強磁性体がＦｅＧａの合金薄膜である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気異方性制御方法。
  6. 該強磁性体がＦｅ1-xＧａx（式中、ｘは０より大きく０．２３以下である）の合金薄膜である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気異方性制御方法。
  7. 該強磁性体がＦｅ1-xＧａx（式中、ｘは０より大きく０．１５以下である）の合金薄膜である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気異方性制御方法。
  8. 該強誘電体がペロブスカイト型強誘電体である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気異方性制御方法。
  9. 該ペロブスカイト型強誘電体がＢａＴｉＯ3である、請求項８に記載の磁気異方性制御方法。
  10. 単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を含む磁気異方性可変素子であって、該強誘電体層と該強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、該強磁性体の磁気異方性を変化させる、磁気異方性可変素子。
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