JP2014038894A - マルチフェロイック薄膜及びそれを用いたデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】キュリー温度が室温以上で磁化の大きいマルチフェロイック薄膜及びマルチフェロイック薄膜を用いたデバイスを提供する。
【解決手段】マルチフェロイック薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上の自発分極とを有している。Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、正方晶、菱面体晶、単斜晶の何れかの結晶構造を有している。Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3からなる。マルチフェロイック薄膜を用いたデバイスとして、スピンフィルタ素子１は、非磁性層２からなる第１の電極２ａと、第１の電極２ａ上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなるマルチフェロイック薄膜３と、該マルチフェロイック薄膜３上の強磁性層４からなる第２の電極４ａと、を含んで構成される。
【選択図】図１４
【解決手段】マルチフェロイック薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上の自発分極とを有している。Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、正方晶、菱面体晶、単斜晶の何れかの結晶構造を有している。Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3からなる。マルチフェロイック薄膜を用いたデバイスとして、スピンフィルタ素子１は、非磁性層２からなる第１の電極２ａと、第１の電極２ａ上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなるマルチフェロイック薄膜３と、該マルチフェロイック薄膜３上の強磁性層４からなる第２の電極４ａと、を含んで構成される。
【選択図】図１４
Description
本発明はマルチフェロイック薄膜及びそれを用いたデバイスに関する。
不揮発性で高速動作が可能な次世代メモリとして、強磁性体を記録媒体とするＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）や、強誘電体を記録媒体とする誘電体メモリが開発されている。
強磁性体と強誘電体との二つの性質を有している材料は、マルチフェロイック材料と呼ばれている。マルチフェロイック材料は、例えば従来のＭＲＡＭをさらに高機能にする材料として研究されている。
ＢｉやＦｅを含有するＢｉＦｅＯ3という材料がマルチフェロイック材料として研究されている。ＢｉＦｅＯ3はＢＦＯとも呼ばれ、室温（ＲＴ）以上で種々の性質を有している。ＢｉＦｅＯ3は、１１００Ｋという遷移温度（ＴC）を有し、１００〜１５０μＣ／ｃｍ2という大きな自発分極を有している。ＢｉＦｅＯ3は、反強磁性体が常磁性体となるネール温度（ＴN）が６５３Ｋである。しかしながら、ＢｉＦｅＯ3は、反強磁性のＧ型スピン構造に基づいて自発磁化は非常に小さい。ＢｉＦｅＯ3の反強磁性のスピン配置は、微視的に磁性を無くすので磁性応用には適していない。
近年、ＢｉＦｅＯ3のＦｅの一部をＣｏに置換した材料が、ＢｉＦｅＯ3と比較すると室温において大きな飽和磁化を示すことが報告された。ＢｉＦｅＯ3のＦｅの一部をＣｏに置換した材料は、組成がＢｉ（ＦｅxＣｏy）Ｏ3で表され、ＢＦＣＯとも呼ばれている（非特許文献１参照）。
非特許文献２には、Ｌａ0.1Ｂｉ0.9ＭｎＯ3（ＬＢＭＯと呼ぶ。）からなるマルチフェロイック材料を、トンネル障壁としたスピンフィルタ効果素子が報告されている
図２２は、非特許文献２で報告されたスピンフィルタ効果素子の図であり、（ａ）は断面図を、（ｂ）はスピンフィルタ効果素子に電圧を印加したときのバンド図を、（ｃ）は磁気抵抗曲線を示している。図２２（ａ）に示すように、スピンフィルタ効果素子は、ＳｒＴｉＯ3基板上に、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（ＬＳＭＯと呼ばれている。）からなる強磁性層と、トンネル障壁となる厚さが４ｎｍのＬａ0.1Ｂｉ0.9ＭｎＯ3薄膜と、非磁性の金（Ａｕ）層が積層された構造を有している。
図２２は、非特許文献２で報告されたスピンフィルタ効果素子の図であり、（ａ）は断面図を、（ｂ）はスピンフィルタ効果素子に電圧を印加したときのバンド図を、（ｃ）は磁気抵抗曲線を示している。図２２（ａ）に示すように、スピンフィルタ効果素子は、ＳｒＴｉＯ3基板上に、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3（ＬＳＭＯと呼ばれている。）からなる強磁性層と、トンネル障壁となる厚さが４ｎｍのＬａ0.1Ｂｉ0.9ＭｎＯ3薄膜と、非磁性の金（Ａｕ）層が積層された構造を有している。
スピンフィルタ効果素子では、ＬＳＭＯからなる強磁性層の磁化を外部磁界で反転させることによって磁気抵抗効果を得ることができる。この場合の磁気抵抗変化率は、マルチフェロイック薄膜のエネルギー準位のスピン分裂に依存し（図２２（ｂ）参照）、それが大きいほどより大きなトンネル磁気抵抗が期待される。
図２２（ｃ）は、非特許文献２で報告されたスピンフィルタ効果素子の３Ｋにおけるトンネル磁気抵抗を示す図であり、２つの分極状態において外部磁場を印加したときの磁気抵抗曲線を示している。
Husne Ara Begum, Hiroshi Naganuma, Mikihiko Oogane and Yasuo Ando, Materials, 4, 1087, 2011
Martin Gajek et al., Nature Mat., 6, 296,2007
Dan Xie et al., Appleid Physics Letters, 97, 172901, 2010
Hiroshi Naganuma and Soichiro Okamura, Journal of Applied Physcis, 101, 09M103, 2007
非特許文献２で報告されているＬａ0.1Ｂｉ0.9ＭｎＯ3（ＬＢＭＯと呼ぶ。）からなるマルチフェロイック材料は、キュリー温度が非常に低いので室温で動作しない。
従来のＬＢＭＯからなるマルチフェロイック薄膜では、極薄膜にしたときに磁化の増大が得られないという課題があった。
本発明は上記課題に鑑み、キュリー温度が室温以上で磁化の大きいマルチフェロイック薄膜を提供することを第１の目的とし、マルチフェロイック薄膜を用いたデバイスを提供することを第２の目的としている。
本発明者らは、キュリー温度が室温以上のマルチフェロイック薄膜を得るために鋭意研究を行った結果、基板上にスパッタリング法で良好な膜を形成することにより、厚さが数ｎｍ以下でキュリー温度が室温以上で、かつ、磁化が大きいマルチフェロイック薄膜を形成できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
上記第１の目的を達成するため、本発明のマルチフェロイック薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上の自発分極とを有している。
上記構成において、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、好ましくは、正方晶、菱面体晶、単斜晶の何れかの結晶構造を有している。このＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、好ましくは、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3からなる。
上記第２の目的を達成するため、本発明のスピンフィルタ素子は、非磁性層からなる第１の電極と、第１の電極上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなる上記の何れかに記載のマルチフェロイック薄膜と、マルチフェロイック薄膜上の強磁性層からなる第２の電極と、含んでいる。
本発明によれば、上記記載のスピンフィルタ素子を不揮発性メモリ素子とするメモリが提供できる。
上記構成において、スピンフィルタ素子は、好ましくは、マトリクス状に配設されている。さらに、書き込み及び読み出し回路を備えていてもよい。
上記構成において、スピンフィルタ素子は、好ましくは、マトリクス状に配設されている。さらに、書き込み及び読み出し回路を備えていてもよい。
本発明の磁壁移動を用いた記憶素子は、非磁性層からなる第１の電極と、第１の電極上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなる上記の何れかに記載のマルチフェロイック薄膜と、マルチフェロイック薄膜上に形成される強磁性層からなる第２の電極と、マルチフェロイック薄膜に形成される第１の制御電極及び第２の制御電極と、を含み、第１の制御電極及び第２の制御電極によりマルチフェロイック薄膜中に形成される磁壁を移動する。
本発明によれば、上記記載の磁壁移動を用いた記憶素子を不揮発性メモリ素子とするメモリが提供できる。上記構成において、スピンフィルタ素子は、好ましくは、マトリクス状に配設されている。さらに、書き込み及び読み出し回路を備えていてもよい。
本発明によれば、上記何れかに記載のマルチフェロイック薄膜を用いた光スイッチを提供することができる。
本発明のマルチフェロイック薄膜によれば、極薄膜においてキュリー温度が室温以上であり、室温において大きな磁化が得られる。
本発明のスピンフィルタ効果素子によれば、上述のマルチフェロイック薄膜をトンネル障壁に用いることで、室温かつ低外部磁界で非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
本発明の磁壁移動を用いた記憶素子によれば、上記のマルチフェロイック薄膜をトンネル障壁に用い、この膜内の磁壁移動により、室温かつ低外部磁界で非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
本発明のマルチフェロイック薄膜を用いたセンサによれば、室温で高速の光スイッチが得られる。
以下、本発明によるマルチフェロイック薄膜及びそれを用いたデバイスの実施の形態を図面により詳細に説明する。
本発明のマルチフェロイック薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上〜１５０μＣ／ｃｍ2の自発分極とを有している。
本発明のマルチフェロイック薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上〜１５０μＣ／ｃｍ2の自発分極とを有している。
Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなるマルチフェロイック薄膜の結晶構造は、正方晶に限らず、菱面体晶、単斜晶であってもよい。
Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜の組成は、例えばＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3である。以下のＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜として説明する。
本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3からなるマルチフェロイック薄膜は、格子定数がほぼ同じ基板、例えば（１００）面を有しているＳｒＴｉＯ3基板上にスパッタ法等により形成することができる。ＳｒＴｉＯ3はＳＴＯとも呼ぶ。（１００）面を有している例えば、正方晶のＳｒＴｉＯ3基板に形成したＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜は、エピタキシャル成長膜であり、ＳｒＴｉＯ3基板と同様に（１００）面を有している正方晶の薄膜である。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さは、０．６〜６０ｎｍの厚さとすることができる。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを０．６ｎｍ〜７．２ｎｍとしたときの３００Ｋの室温における磁化特性について説明する。
図１は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを０．６ｎｍ〜７．２ｎｍとしたときの３００Ｋにおける磁化特性を示す図である。図１の横軸は磁場（ｋＯｅ）を、縦軸は磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）を示している。磁化は、面内磁化である。磁化特性は、ジョセフソン接合からなるＳＱＵＩＤ素子を用いたＳＱＵＩＤ磁力計（カンタムデザイン社製、型式：ＭＰＭＳ）により測定した。
図１に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを７．２ｎｍ、６．０、４．８、２．４、１．８、１．２、０．６ｎｍとした場合、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の飽和磁化（Ｍｓ）は、それぞれ、２２、４４、３５、１３８、７６、９６、１６９ｅｍｕ／ｃｍ3である。さらに、残留磁化は、０．５ｅｍｕ／ｃｍ3程度と小さいことがわかった。これから、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さが１．８ｎｍ以下で、磁化が大きくなり、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上となることが分かる。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の磁化に関するキュリー温度は、５００Ｋ〜６００Ｋ程度であった。
図１は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを０．６ｎｍ〜７．２ｎｍとしたときの３００Ｋにおける磁化特性を示す図である。図１の横軸は磁場（ｋＯｅ）を、縦軸は磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）を示している。磁化は、面内磁化である。磁化特性は、ジョセフソン接合からなるＳＱＵＩＤ素子を用いたＳＱＵＩＤ磁力計（カンタムデザイン社製、型式：ＭＰＭＳ）により測定した。
図１に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを７．２ｎｍ、６．０、４．８、２．４、１．８、１．２、０．６ｎｍとした場合、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の飽和磁化（Ｍｓ）は、それぞれ、２２、４４、３５、１３８、７６、９６、１６９ｅｍｕ／ｃｍ3である。さらに、残留磁化は、０．５ｅｍｕ／ｃｍ3程度と小さいことがわかった。これから、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さが１．８ｎｍ以下で、磁化が大きくなり、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上となることが分かる。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の磁化に関するキュリー温度は、５００Ｋ〜６００Ｋ程度であった。
図２は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さに対する磁化の関係を示す図で、横軸はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さを、縦軸は磁化（ｅｍｕ／ｃｍ3）を示している。図２に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の磁化は、厚さが１．８ｎｍ以下で急激に大きくなることがわかる。
図３は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さに対する単位面積当たりの磁化の関係を示し、横軸はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ、縦軸は単位面積当たりの磁化（ｅｍｕ／ｃｍ2）を示している。図３に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の磁化は、厚さが１．２〜７．２ｎｍでは、約２．６×１０-5ｅｍｕ／ｃｍ2と一定であり、厚さが０．６ｎｍ以下で急激に大きくなることがわかる。
図２及び図３の結果から、室温におけるＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の大きな磁化は、基板とＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の界面に由来していると推定される。
図２及び図３の結果から、室温におけるＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の大きな磁化は、基板とＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の界面に由来していると推定される。
〔Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の製造方法〕
本発明のＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、例えば基板上にスパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の成膜方法により形成することができる。以下の説明では、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法により形成する方法について説明する。
本発明のＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、例えば基板上にスパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等の成膜方法により形成することができる。以下の説明では、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法により形成する方法について説明する。
〔厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の成膜〕
Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜の組成は、用いるターゲットにより制御することができる。以下に、厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法で成膜したときの条件の一例を示す。スパッタ成膜装置として、ＡＮＥＬＶＡ社製（型式：ＳＰＦ３３２Ｈ）の装置を使用した。
真空度：４×１０-4Ｐａ以下
タッゲート（焼結）：Ｂｉ0.9（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3
スパッタ電力：１０〜２０Ｗ
ＡｒとＯ2の圧力：０．１〜０．２Ｐａ
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ：６０ｎｍ
基板加熱温度：６００℃
Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜の組成は、用いるターゲットにより制御することができる。以下に、厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法で成膜したときの条件の一例を示す。スパッタ成膜装置として、ＡＮＥＬＶＡ社製（型式：ＳＰＦ３３２Ｈ）の装置を使用した。
真空度：４×１０-4Ｐａ以下
タッゲート（焼結）：Ｂｉ0.9（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3
スパッタ電力：１０〜２０Ｗ
ＡｒとＯ2の圧力：０．１〜０．２Ｐａ
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ：６０ｎｍ
基板加熱温度：６００℃
厚さが６０ｎｍの比較的厚いＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜は、基板加熱温度を４００℃、５００℃、６００℃で成膜できるが、Ｘ線回折の半値幅（ＦＷＭＨ）が５００℃以上で０．８度以下になるので、基板加熱温度を６００℃とした。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のグレインサイズは、基板加熱温が５００℃〜６００℃で、７．２〜８．４ｎｍであった。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の格子定数は、基板加熱温が５００℃〜６００℃でＡｒとＯ2の圧力が、０．１２〜０．１４Ｐａにおいて、０．３９５ｎｍ〜０．４１ｎｍとなった。
〔厚さが０．６〜６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の成膜〕
以下に、厚さが０．６〜６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法で成膜したときの条件の一例を示す。
真空度：４×１０-4Ｐａ以下
タッゲート（焼結）：Ｂｉ0.9（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3
スパッタ電力：１５Ｗ
ＡｒとＯ2の圧力：０．１２Ｐａ
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ：０．６〜６０ｎｍ
基板加熱温度：６００℃
以下に、厚さが０．６〜６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜をスパッタ法で成膜したときの条件の一例を示す。
真空度：４×１０-4Ｐａ以下
タッゲート（焼結）：Ｂｉ0.9（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3
スパッタ電力：１５Ｗ
ＡｒとＯ2の圧力：０．１２Ｐａ
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ：０．６〜６０ｎｍ
基板加熱温度：６００℃
図４は、厚さが１．２〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを示し、横軸は角度（°）、即ちＸ線の原子面への入射角度θの２倍に相当する角度であり、縦軸はＸ線回折強度（任意目盛）を示している。Ｘ線回折パターンは、ＸＲＤ装置（Ｂｒｕｋｅｒ社製 型式：ＤｉｓｃｏｖｅｒＤ８）により測定した。図４に示すように、例えば２θが７２°近傍のピークは、ＳｒＴｉＯ3基板の（００３）の回折ピークである。
図５は、厚さが０．６、１．２、１．８、２．４ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のＸＲＤパターンを示す。横軸及び縦軸は図４と同じである。図５に示すように、２θが２３°近傍におけるＢＦＣＯ及びＳＴＯの（００１）回折が観測されていることが分かる。ここで、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の組成は、走査型電子顕微鏡に装着したエネルギー分散型のＸ線分析装置で調べた。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜中の（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）のＦｅの組成ｘは、０．９±０．０５程度である。
図６は、厚さが２．４〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のＸＲＤパターンにおけるＢＦＣＯ（００３）からの回折ピーフの半値幅（ＦＷＨＭ）を示し、横軸はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ（ｎｍ）、縦軸はＦＷＭＨ（°）である。図６に示すように、半値幅は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さが７．２ｎｍで０．８°であり、膜厚が薄くなると徐々に大きくなることが分かる。
図７は、厚さが２．４〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の結晶のグレインサイズを示す図で、横軸はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ（ｎｍ）、縦軸はグレインサイズ（ｎｍ）である。図には、厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のグレインサイズを点線で示している。図７に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜のグレインサイズは、厚さが７．２ｎｍで約１２ｎｍであり、厚さが２．４ｎｍで約６ｎｍとなり、膜厚が薄くなると徐々に小さくなることが分かる。膜厚とグレインサイズから、スパッタ法で成膜膜したＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜は、ほぼ単結晶であると推定される。
図８は、厚さが１．２〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の格子定数を示す図で、横軸はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の厚さ（ｎｍ）、縦軸は格子定数（ｎｍ）である。図８には、ＳＴＯ基板、バルクＢＦＯ、厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の格子定数を、それぞれ点線で示している。図８に示すように、厚さが１．２〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の格子定数は、厚さが６０ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の格子定数と同じであり、約０．４１ｎｍ（４．１Å）であることが分かる。
図９（ａ）〜（ｄ）は、厚さが１．２ｎｍ及び４．８ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜及び従来法によるＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像を示す図である。図９には、有機金属ガスを用いた化学蒸気堆積法（ＭＯＣＶＤ、非特許文献２参照）及び化学溶液堆積法（ＣＳＤ、非特許文献３参照）の表面のＡＦＭ像も一緒に示している。原子間力顕微鏡は、セイコーインスツル株式会社（ＳＩＩ）製の装置（型番：ＳＰＩ３８００Ｎ）を用いた。
図９に示すように、厚さが４．８ｎｍ（図９（ａ）参照）及び１．２ｎｍ（図９（ｂ）参照）のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さは何れも０．４ｎｍであった。有機金属ガスを用いたＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ法）及び化学溶液堆積法（Ｃhemical Ｓolution Ｄeposition、ＣＳＤ法とも呼ぶ。）の表面粗さは、それぞれ６．３ｎｍ（図９（ｃ）参照）、６．２ｎｍ（図９（ｄ）参照）である。これから、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さは、従来のＭＯＣＶＤ法及びＣＳＤ法で形成したＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜よりも著しく表面が平坦であることが判明した。
図９に示すように、厚さが４．８ｎｍ（図９（ａ）参照）及び１．２ｎｍ（図９（ｂ）参照）のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さは何れも０．４ｎｍであった。有機金属ガスを用いたＣＶＤ法（ＭＯＣＶＤ法）及び化学溶液堆積法（Ｃhemical Ｓolution Ｄeposition、ＣＳＤ法とも呼ぶ。）の表面粗さは、それぞれ６．３ｎｍ（図９（ｃ）参照）、６．２ｎｍ（図９（ｄ）参照）である。これから、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さは、従来のＭＯＣＶＤ法及びＣＳＤ法で形成したＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜よりも著しく表面が平坦であることが判明した。
図１０は、厚さが０．６〜７．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さの関係を示す図である。図１０には、ＳＴＯ基板の表面粗さである０．２ｎｍを点線で示している。図１０に示すように、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の表面粗さは、膜厚が０．６〜７．２ｎｍでは０．３〜０．４ｎｍであり、厚さが７．２ｎｍでは０．５ｎｍと大きくなることが分かる。
図１１は、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の断面の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す図である。図１１に示すように、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜が、ＳＴＯ基板上に平坦に形成されていることが分かる。
図１２は、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の断面の高分解能透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）像を示す図である。図１２の左下に示す挿入図は、高分解能透過電子顕微鏡像から求めた高速フーリエ変換（ＦＦＴ）像である。高分解能透過電子顕微鏡は、日本電子株式会社（ＪＥＯＬ）製の装置（型番：ＡＲＭ２００Ｆ）を用いた。
図１２に示すように、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜とＳＴＯ基板との格子の縁が明瞭に形成されていることが分かる。さらに、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）像からは、矢印で示す回折点が観察され、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜が結晶であることが分かる。
図１２に示すように、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜とＳＴＯ基板との格子の縁が明瞭に形成されていることが分かる。さらに、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）像からは、矢印で示す回折点が観察され、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜が結晶であることが分かる。
図１３は、厚さが１．２ｎｍのＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜の断面の格子を模式的に示す図である。図１３に示すように、ＳｒＴｉＯ3基板上に厚さが０．６ｎｍ以下の歪んだＢＦＣＯ層（歪みＢＦＣＯ層）と、この層上にｃ／ａの小さい正方晶のＢＦＣＯ層が形成されている。ここで、ａはａ軸の格子定数であり、ｃはｃ軸の格子定数である。
次に、本発明のマルチフェロイック薄膜を用いたデバイスについて説明する。
〔スピンフィルタ効果素子〕
図１４は本発明のスピンフィルタ効果素子１の構成を示す断面図である。図１４に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、基板２と、基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に形成された強磁性層４とを備えた構造を有している。基板２は、例えば導電性の基板であり、ＬａxＳｒ1-xＴｉＯ3基板を使用することができる。導電性の基板２は非磁性電極２ａ（第１の電極）となり、強磁性層４は、強磁性電極４ａ（第２の電極）となる。強磁性層４の磁化は常に一定の方向に固定されている層である。強磁性層４は、固定層又は参照層と呼ばれている。
〔スピンフィルタ効果素子〕
図１４は本発明のスピンフィルタ効果素子１の構成を示す断面図である。図１４に示すように、本発明のスピンフィルタ効果素子１は、基板２と、基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に形成された強磁性層４とを備えた構造を有している。基板２は、例えば導電性の基板であり、ＬａxＳｒ1-xＴｉＯ3基板を使用することができる。導電性の基板２は非磁性電極２ａ（第１の電極）となり、強磁性層４は、強磁性電極４ａ（第２の電極）となる。強磁性層４の磁化は常に一定の方向に固定されている層である。強磁性層４は、固定層又は参照層と呼ばれている。
書き込み用直流電源５は、非磁性電極２ａと強磁性電極４ａとに印加され、電界により磁化方向を反転させるための書き込み用の直流電源となる。読み出し用直流電源６はスピンフィルタ効果素子１の抵抗を読み取るための電源であり、書き込み用直流電源５よりも電圧の低い直流電源である。外部磁界が例えば膜面内に平行に印加されていても良い。
本発明のスピンフィルタ効果素子１で使用するＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は図２２の従来技術と同様な素子構造を有している。しかしながら、室温で磁化の大きなＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いているので、室温において分極と磁化をそれぞれ独立に制御する４値メモリとして使用できる。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の分極方向は、非磁性電極２ａと強磁性電極４ａとに印加される電界により制御される。つまり、分極方向は非磁性電極２ａと強磁性電極４ａとに印加される電界により反転することができ、この状態でスピンフィルタ効果素子１は、２通りの抵抗を示す。
さらに、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向は外部磁場により方向を制御する。つまり、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向は外部磁場によりその磁化方向を制御することができるので、この状態でスピンフィルタ効果素子１は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と強磁性層４との磁化方向が平行か反平行かにより２通りの抵抗を示す。これにより、本発明のスピンフィルタ効果素子１では、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いることにより、上記４通りの何れの抵抗状態も室温で実現することができる。
ここで、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は、上述したように室温で強磁性を有し、その厚さはトンネル現象が生起するように十分に薄く形成されている。書き込み用直流電源５は、非磁性電極２ａからの電子が、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３中をトンネルして、強磁性電極４ａへトンネルした電子を流す場合には、非磁性電極２ａ側を負とし、強磁性電極４ａが正となるように接続される。
非磁性電極２ａからの電子が、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３中をトンネルして、スピン電子のみをＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３からなるトンネル障壁を介して強磁性電極４ａ側にトンネルすることができる。トンネル障壁となるＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３がスピンに依存することで、非磁性金属電極２ａからのトンネル電子による抵抗又はコンダクタンスはスピンに依存し、スピンに依存したトンネル現象を示す。すなわち、トンネル障壁はスピンフィルタとして働く。
また、本発明のスピンフィルタ素子１では外部磁界を印加し、このスピンフィルタ効果を利用すると共に、外部磁界によりＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化、即ちスピンを反転させることによって、大きなトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）が得られる。これにより、本発明のスピンフィルタ素子１によれば、室温かつ低外部磁界で、非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
本発明のスピンフィルタ素子１では、トンネル層がＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３からなるマルチフェロイック薄膜で構成されているので、従来の強磁性体からなるトンネル層から構成されるスピンフィルタ素子や３Ｋとういう極低温でしか動作しない非特許文献２のスピンフィルタ素子と比較すると、以下の特徴を有している。
特徴：
（１）電界により書き込むため、書き込み電力が不要か、著しく低減化できる。これ により、超低消費電力の不揮発性メモリを実現できる。
（２）電極以外の機能層が、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３及び強磁性層４の ２層しかないため、構造がシンプルで大量生産ができるという利点が生じる。
（３）磁化の向き、分極の向きから４つの電気抵抗状態が実現できる。これにより、 情報記録量の飛躍的な増大が図れる。
特徴：
（１）電界により書き込むため、書き込み電力が不要か、著しく低減化できる。これ により、超低消費電力の不揮発性メモリを実現できる。
（２）電極以外の機能層が、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３及び強磁性層４の ２層しかないため、構造がシンプルで大量生産ができるという利点が生じる。
（３）磁化の向き、分極の向きから４つの電気抵抗状態が実現できる。これにより、 情報記録量の飛躍的な増大が図れる。
本発明のスピンフィルタ効果素子１は、例えば導電性の基板２であるＬａxＳｒ1-xＴｉＯ3基板を用い、この導電性基板上にＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と強磁性体層４とをスパッタ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢ法で形成した後に、マスク工程等により所定の大きさの電極を形成することで作製することができる。
〔強磁性体共鳴発振器〕
図１５は本発明のスピンフィルタ効果素子１を用いた強磁性体共鳴発振器１０の構成を示す模式図である。
図１５に示すように、本発明の本発明のスピンフィルタ効果素子１を用いた強磁性体共鳴発振器１０は、スピンフィルタ効果素子１と、スピンフィルタ効果素子１の非磁性電極２ａと強磁性電極４ａとにスイッチ１２を介して接続される交流電源１４と、から構成されている。スピンフィルタ効果素子１に交流電源１４から交流電界を印加すると、電気−磁気結合を介して強磁性体共鳴発振が生起する。交流電界のため、従来の交流電流によるスピントルクダイオード効果を用いた強磁性共鳴に比べて消費電力が低減できる。
図１５は本発明のスピンフィルタ効果素子１を用いた強磁性体共鳴発振器１０の構成を示す模式図である。
図１５に示すように、本発明の本発明のスピンフィルタ効果素子１を用いた強磁性体共鳴発振器１０は、スピンフィルタ効果素子１と、スピンフィルタ効果素子１の非磁性電極２ａと強磁性電極４ａとにスイッチ１２を介して接続される交流電源１４と、から構成されている。スピンフィルタ効果素子１に交流電源１４から交流電界を印加すると、電気−磁気結合を介して強磁性体共鳴発振が生起する。交流電界のため、従来の交流電流によるスピントルクダイオード効果を用いた強磁性共鳴に比べて消費電力が低減できる。
図１６は、本発明のスピンフィルタ効果素子１を用いた強磁性体共鳴発振器１０の動作を説明する図である。交流電界を素子に印加することにより、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３からなるマルチフェロイック薄膜が有する電気−磁気結合を介して、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向が時間と共に交流の周期と同様に振動する。強磁性共鳴の周波数はＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁気異方性と飽和磁化に依存し、膜厚などで制御が可能である。
〔スピンフィルタ素子を用いたメモリ〕
本発明のスピンフィルタ素子１を記憶素子としたメモリ２０について説明する。
図１７は、本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子としたメモリ２０の構成を模式的に示す図である。
本発明のメモリ２０は、上記構成の本発明のスピンフィルタ素子１（図１４参照）を、図示しない基板上にＸ，Ｙのマトリクスとなるように格子状に多数配列した構成を有している。各スピンフィルタ素子１には、メモリセルの選択用トランジスタ２２が配設されている。
本発明のスピンフィルタ素子１を記憶素子としたメモリ２０について説明する。
図１７は、本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子としたメモリ２０の構成を模式的に示す図である。
本発明のメモリ２０は、上記構成の本発明のスピンフィルタ素子１（図１４参照）を、図示しない基板上にＸ，Ｙのマトリクスとなるように格子状に多数配列した構成を有している。各スピンフィルタ素子１には、メモリセルの選択用トランジスタ２２が配設されている。
Ｘ方向（行方向）には、スピンフィルタ素子１の一端に接続されるビット線２４が配設されている。スピンフィルタ素子１の他端は、選択用トランジスタ２２を介して接地されている。Ｙ方向（列方向）には、選択用トランジスタ２２のゲートに接続されるワード線２６が配設されている。図示していない書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量のメモリ２０を構成することができる。選択用トランジスタ２２及び周辺回路は、ＭＯＳトランジスタを用いて作製することができる。これらの回路は、低消費電力化のために相補型ＭＯＳからなる集積回路、所謂ＣＭＯＳ集積回路で構成してもよい。
図１７のメモリ２０では、任意のビット線２４とワード線２６を選択してこれらの交点にあるスピンフィルタ素子１に電圧を印加することにより、書き込みができる。この書き込み状態、つまり記憶の読み出しは、任意のビット線２４とワード線２６を選択してこれらの交点にあるスピンフィルタ素子１に分極や磁化反転が生じない電流を流すことにより電流値から抵抗を検出して行うことができる。
本発明のメモリ２０によれば、記憶が磁化又は分極で行われるので不揮発性記憶が可能である。本発明のメモリ２０において、磁化の向き又は分極の向きの切り換えは高速に行うことができるので、読み出し及び書き込みを高速で行うことができる。
本発明のメモリ２０は、以下のようにして製作することができる。
最初に、Ｓｉ等の基板上に選択用トランジスタ２２及び周辺回路をＣＭＯＳ工程で形成し、その後で、本発明の磁気メモリ２０の各メモリセル１を形成すればよい。
具体的には、上記の工程で製作した選択用トランジスタ２２及び周辺回路の全体をさらに絶縁膜で被覆し、スピンフィルタ素子１の各電極だけに接続される領域の窓開けを行い、スピンフィルタ素子１を形成する。次に、形成したスピンフィルタ素子１、各メモリセル、ビット線２４、ワード線２６等の配線を、層間絶縁層と電極配線による多層配線層で形成すればよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
最初に、Ｓｉ等の基板上に選択用トランジスタ２２及び周辺回路をＣＭＯＳ工程で形成し、その後で、本発明の磁気メモリ２０の各メモリセル１を形成すればよい。
具体的には、上記の工程で製作した選択用トランジスタ２２及び周辺回路の全体をさらに絶縁膜で被覆し、スピンフィルタ素子１の各電極だけに接続される領域の窓開けを行い、スピンフィルタ素子１を形成する。次に、形成したスピンフィルタ素子１、各メモリセル、ビット線２４、ワード線２６等の配線を、層間絶縁層と電極配線による多層配線層で形成すればよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。
〔磁壁移動を用いた記憶素子〕
図１８は、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０の構成を示す断面図である。この図に示すように、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０は、スピンフィルタ効果素子１のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３にさらに磁壁移動用書き込み電圧を印加する制御電極３２，３３を二つ設けた構造を有している。二つの制御電極３２，３３をそれぞれ第１の制御電極３２と第２の制御電極３３と呼ぶ。
図１８は、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０の構成を示す断面図である。この図に示すように、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０は、スピンフィルタ効果素子１のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３にさらに磁壁移動用書き込み電圧を印加する制御電極３２，３３を二つ設けた構造を有している。二つの制御電極３２，３３をそれぞれ第１の制御電極３２と第２の制御電極３３と呼ぶ。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に形成される強磁性層４は、磁化が固定された層であり、固定層又は参照層と呼ばれている。
〔書き込み方法〕
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は、第１及び第２の電極３２，３３に印加される電圧により、強誘電体の分域が移動することに伴って電気−磁気結合効果によって磁壁３ａが移動する。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向は、磁壁３ａの移動により固定層となる強磁性層４の磁化の向きに対して、平行又は反平行の状態にすることができる。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は、第１及び第２の電極３２，３３に印加される電圧により、強誘電体の分域が移動することに伴って電気−磁気結合効果によって磁壁３ａが移動する。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向は、磁壁３ａの移動により固定層となる強磁性層４の磁化の向きに対して、平行又は反平行の状態にすることができる。
〔読み出し方法〕
記憶素子３０の素子抵抗の読み出しには、電極４ａと電極２ａを用いて磁化方向の平行・反平行の抵抗を、スピンフィルタ素子１のスピンフィルタ効果により検出して行うことができる。基本動作原理はトンネル接合素子を用いた３端子のスピントランジスタと同じであるが、磁壁３ａが移動する層にＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３からなるマルチフェロイック薄膜を導入することにより、従来の素子（特許文献１参照）が磁壁の移動に電流を用いたのに比較して、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０では電界により磁壁３ａを移動させる。これにより、書き込み時の動作電力を大幅に低減させることができる。
記憶素子３０の素子抵抗の読み出しには、電極４ａと電極２ａを用いて磁化方向の平行・反平行の抵抗を、スピンフィルタ素子１のスピンフィルタ効果により検出して行うことができる。基本動作原理はトンネル接合素子を用いた３端子のスピントランジスタと同じであるが、磁壁３ａが移動する層にＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３からなるマルチフェロイック薄膜を導入することにより、従来の素子（特許文献１参照）が磁壁の移動に電流を用いたのに比較して、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０では電界により磁壁３ａを移動させる。これにより、書き込み時の動作電力を大幅に低減させることができる。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向が、固定層の磁化の向きに対して平行の場合には、スピンフィルタ効果素子１の抵抗は小さい状態となる。この状態を「０」とする。一方、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化方向が、固定層の磁化の向きに対して反平行の場合には、スピンフィルタ効果素子１の抵抗は大きい状態となる。この状態を「１」とする。これにより、磁壁移動を用いた記憶素子３０に「０」と「１」の状態を書き込むことができる。
スピンフィルタ効果素子１の上下の電極間に生じる抵抗を測定することにより、磁壁３ａの位置による上記「０」又は「１」の書き込み状態を判別することができる。具体的には、スピンフィルタ効果素子１の上下の電極間に電圧を印加して、スピンフィルタ効果素子１に流れる電流の大小により「０」又は「１」に相当する抵抗を判別できる。
本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０によれば、マルチフェロイック材料を利用することで、第１及び第２の制御電極３２，３３に電圧を印加して電界により情報を書き換えられる。従来の磁壁移動を用いた記憶素子によれば、電流により磁壁を駆動していたが、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０では、電界制御型スピントランジスタが実現可能となる。これにより、本発明の磁壁移動を用いた記憶素子によれば、マルチフェロイック薄膜をトンネル障壁に用い、この膜内の磁壁移動により、室温かつ低外部磁界で非常に大きなＴＭＲを得ることができる。
〔磁壁移動を用いた記憶素子からなるメモリ〕
本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０からなるメモリ４０について説明する。
図１９は、本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子としたメモリ４０の構成を模式的に示す図である。本発明のメモリ４０は、上記構成の磁壁移動を用いた記憶素子３０を、基板上にＸ，Ｙマトリクスとなるように格子状に多数配列した構成を有している。各磁壁移動を用いた記憶素子３０は、トランジスタ構造を有しているので、図１７のメモリ２０とは異なり、各記憶素子３０には選択用トランジスタ２２が不要となる。
本発明の磁壁移動を用いた記憶素子３０からなるメモリ４０について説明する。
図１９は、本発明の磁気抵抗素子１を記憶素子としたメモリ４０の構成を模式的に示す図である。本発明のメモリ４０は、上記構成の磁壁移動を用いた記憶素子３０を、基板上にＸ，Ｙマトリクスとなるように格子状に多数配列した構成を有している。各磁壁移動を用いた記憶素子３０は、トランジスタ構造を有しているので、図１７のメモリ２０とは異なり、各記憶素子３０には選択用トランジスタ２２が不要となる。
Ｘ方向（行方向）には、磁壁移動を用いた記憶素子３０の一端に接続されるビット線４４が配設されている。磁壁移動を用いた記憶素子３０の他端は接地されている。
Ｙ方向（列方向）には、磁壁移動を用いた記憶素子３０の第１の制御電極３２と第２の制御電極３３にワード線４６が接続されている。図示していないが書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量のメモリ４０を構成することができる。周辺回路は、ＭＯＳトランジスタを用いて作製することができる。これらの回路は、低消費電力化のために相補型ＭＯＳからなる集積回路、所謂ＣＭＯＳ集積回路で構成してもよい。
Ｙ方向（列方向）には、磁壁移動を用いた記憶素子３０の第１の制御電極３２と第２の制御電極３３にワード線４６が接続されている。図示していないが書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量のメモリ４０を構成することができる。周辺回路は、ＭＯＳトランジスタを用いて作製することができる。これらの回路は、低消費電力化のために相補型ＭＯＳからなる集積回路、所謂ＣＭＯＳ集積回路で構成してもよい。
図１９のメモリ４０では、任意のビット線４４とワード線４６を選択してこれらの交点にある磁壁移動を用いた記憶素子３０に電圧を印加することにより、書き込みができる。この書き込み状態、つまり記憶の読み出しは、任意のビット線４４とワード線４６を選択してこれらの交点にある磁壁移動を用いた記憶素子３０に分極や磁化反転が生じない電流を流すことで、電流値から抵抗を検出して行うことができる。
本発明のメモリ４０によれば、記憶が磁化又は分極で行われるので不揮発性記憶が可能である。本発明のメモリ４０において、磁化の向き又は分極の向きの切り換えは高速に行うことができるので、読み出し及び書き込みを高速で行うことができる。
本発明のメモリ４０は、上記したスピンフィルタ素子１を用いたメモリ２０と同様の方法で製作することができる。
〔Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜を用いた光スイッチ〕
図２０は、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０の構成を示す模式図である。このＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０は、導電性の基板２と導電性の基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に形成された電極５２とから構成されている。このＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０の一端に光５４が入射される。
図２０は、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０の構成を示す模式図である。このＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０は、導電性の基板２と導電性の基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３と、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に形成された電極５２とから構成されている。このＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０の一端に光５４が入射される。
本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０は、導電性の基板２と電極５２との間に直流電圧源５６を印加していないとき（オフ状態）には光５４が導波する（図２０（ａ）参照）。
一方、導電性の基板２と電極５２との間に直流電圧源５６を印加する（オン状態）と、光５４が導波しなくなる。オン状態では、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の圧電効果で歪み、つまり、分極軸方向の変位により、屈折率等が変化し、光５４が導波しなくなる（図２０（ｂ）参照）。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は３程度の高い屈折率を有しているため、非常に高い効率の光スイッチ５０が実現できる。
一方、導電性の基板２と電極５２との間に直流電圧源５６を印加する（オン状態）と、光５４が導波しなくなる。オン状態では、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の圧電効果で歪み、つまり、分極軸方向の変位により、屈折率等が変化し、光５４が導波しなくなる（図２０（ｂ）参照）。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３は３程度の高い屈折率を有しているため、非常に高い効率の光スイッチ５０が実現できる。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０の速度は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の分極の切り替え時間即ち、分極反転時間で決まり、ナノ秒以下となる。
〔Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜を用いた光スイッチの磁場による制御〕
図２１は、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０の磁場制御を示す模式図である。図２１に示すように、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０は、基板２と基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３とから構成されている。図２０に示すＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０との違いは、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に電極５２が形成されていない点である。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０の一端に光６４が入射される。光スイッチ６０は外部磁場６２により制御される。
図２１は、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０の磁場制御を示す模式図である。図２１に示すように、本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０は、基板２と基板２上に形成されたＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３とから構成されている。図２０に示すＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ５０との違いは、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３上に電極５２が形成されていない点である。Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０の一端に光６４が入射される。光スイッチ６０は外部磁場６２により制御される。
本発明のＢｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０は、外部磁場６２が印加されない場合には、光６４が導波し（図２１（ａ）参照）、外部磁場６２が印加されると光６４が導波しなくなる（図２１（ｂ）参照）。ここで、外部磁場６２は、光の伝搬方向に対して直交している必要はない。
Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３を用いた光スイッチ６０の速度は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜３の磁化の切り替え速度で決まり、ナノ秒程度となる。
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
１：スピンフィルタ効果素子
２：基板
２ａ：非磁性電極
３：Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜
３ａ：磁壁
４：強磁性層
４ａ：強磁性電極
５：書き込み用直流電源
６：読み出し用直流電源
１０：強磁性体共鳴発振器
１２：スイッチ
１４：交流電源
２０：メモリ
２２：選択用トランジスタ
２４、４４：ビット線
２６、４６：ワード線
３０：磁壁移動を用いた記憶素子
３２：第１の制御電極
３３：第２の制御電極
４０：磁壁移動を用いた記憶素子からなるメモリ
５０、６０：光スイッチ
５２：電極
５４、６４：光
６２：外部磁場
２：基板
２ａ：非磁性電極
３：Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3薄膜
３ａ：磁壁
４：強磁性層
４ａ：強磁性電極
５：書き込み用直流電源
６：読み出し用直流電源
１０：強磁性体共鳴発振器
１２：スイッチ
１４：交流電源
２０：メモリ
２２：選択用トランジスタ
２４、４４：ビット線
２６、４６：ワード線
３０：磁壁移動を用いた記憶素子
３２：第１の制御電極
３３：第２の制御電極
４０：磁壁移動を用いた記憶素子からなるメモリ
５０、６０：光スイッチ
５２：電極
５４、６４：光
６２：外部磁場
Claims (12)
- Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜（ここで組成ｘは、０＜ｘ＜１）からなり、厚さが１．８ｎｍ以下で、かつ、室温において、３０ｅｍｕ／ｃｍ3以上の磁化と１００μＣ／ｃｍ2以上の自発分極とを有している、マルチフェロイック薄膜。
- 前記Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、正方晶、菱面体晶、単斜晶の何れかの結晶構造を有している、請求項１に記載のマルチフェロイック薄膜。
- 前記Ｂｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3薄膜は、Ｂｉ（Ｆｅ0.9Ｃｏ0.1）Ｏ3からなる、請求項１に記載のマルチフェロイック薄膜。
- 非磁性層からなる第１の電極と、
該第１の電極上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなる請求項１〜３の何れかに記載のマルチフェロイック薄膜と、
該マルチフェロイック薄膜上の強磁性層からなる第２の電極と、
を含む、スピンフィルタ効果素子。 - 請求項４に記載のスピンフィルタ効果素子を不揮発性メモリ素子とする、メモリ。
- 前記スピンフィルタ素子がマトリクス状に配設されている、請求項５に記載のメモリ。
- さらに、書き込み及び読み出し回路を備えている、請求項６に記載のメモリ。
- 非磁性層からなる第１の電極と、
該第１の電極上に形成されるＢｉ（Ｆｅ1-xＣｏx）Ｏ3からなる請求項１〜３の何れかに記載のマルチフェロイック薄膜と、
該マルチフェロイック薄膜上に形成される強磁性層からなる第２の電極と、
上記マルチフェロイック薄膜に形成される第１の制御電極及び第２の制御電極と、
を含み、
上記第１の制御電極及び第２の制御電極により上記マルチフェロイック薄膜中に形成される磁壁を移動する、磁壁移動を用いた記憶素子。 - 請求項８に記載の磁壁移動を用いた記憶素子を不揮発性メモリ素子とする、メモリ。
- 前記スピンフィルタ素子がマトリクス状に配設されている、請求項８に記載のメモリ。
- さらに、書き込み及び読み出し回路を備えている、請求項８に記載のメモリ。
- 請求項１〜３の何れかに記載のマルチフェロイック薄膜を用いた、光スイッチ。
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