JP2018014498A - Laminated structure, switching element, magnetic device, and high frequency device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層構造体、スイッチング素子、磁気デバイスおよび高周波デバイスに関する。 The present invention relates to a laminated structure, a switching element, a magnetic device, and a high frequency device.
近年、電子の電荷とスピンを同時に利用するスピントロニクス(ｓｐｉｎ＋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ)という分野が注目されている。スピントロニクスは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果に代表される磁気抵抗効果素子の急速な発達により発展している。磁気抵抗効果素子等は、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）といった形態で産業に大きく貢献している。また、磁気抵抗効果素子の高周波特性を利用したマイクロ波の発振といった高周波デバイスへの産業利用なども提案されている。 In recent years, a field called spintronics (spin + electronics) that uses the charge and spin of electrons simultaneously has attracted attention. Spintronics has been developed by the rapid development of magnetoresistive elements represented by the tunnel magnetoresistive (TMR) effect. Magnetoresistive elements and the like greatly contribute to the industry in the form of hard disk drives (HDD) and magnetoresistive memories (MRAM). In addition, industrial use for high-frequency devices such as microwave oscillation using the high-frequency characteristics of magnetoresistive elements has also been proposed.
上記のデバイスを構成する要素として、電磁誘導を利用した磁場印加機構が存在する。これらのデバイスは、電流を利用にすることにより発生する消費エネルギーの低減が課題となっている。 As an element constituting the above device, there is a magnetic field application mechanism using electromagnetic induction. These devices have a problem of reducing energy consumption generated by using current.
特許文献１には、電流ではなく電圧を用いることにより、磁場印加に必要なエネルギーを省電力化する方法が記載されている。特許文献１に記載のスイッチング素子は、磁性薄膜と強誘電体との接合界面で磁性薄膜の磁気歪みを電圧制御する。この方法を利用したスイッチング素子は、磁気ヘッドの書き込み動作において、電磁誘導を利用する場合に比べ、消費エネルギーを大きく低減することが可能である。
しかしながら、特許文献１に記載されているような単結晶の強誘電体基板を用いた場合、磁気歪みによる磁化方向の制御のために必要な電圧は５００Ｖ程度となり、比較的大きな電圧を加える必要があった。
However, when a single crystal ferroelectric substrate as described in
本発明は、強磁性体の磁化方向の電圧制御をより低エネルギーで実現することを可能にする積層構造体、スイッチング素子、磁気デバイスおよび高周波デバイスを提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a laminated structure, a switching element, a magnetic device, and a high-frequency device that can realize voltage control in the magnetization direction of a ferromagnetic material with lower energy.
発明者らは鋭意検討の結果、積層される各層の実際の格子間隔を規定することで、強磁性体の磁化方向をより低エネルギーで電圧制御できることを見出した。具体的には、以下の手段を提供する。 As a result of intensive studies, the inventors have found that the voltage of the magnetization direction of the ferromagnetic material can be controlled with lower energy by defining the actual lattice spacing of each layer to be laminated. Specifically, the following means are provided.
（１）第１の態様にかかる積層構造体は、下部電極と、強誘電層と、強磁性層と、を順に有し、前記下部電極の実際の格子間隔は、前記強誘電層の実際の格子間隔より広く、前記強誘電層を構成する強誘電体が、チタン酸バリウムまたはチタン酸鉛を少なくとも含む。 (1) The multilayer structure according to the first aspect includes a lower electrode, a ferroelectric layer, and a ferromagnetic layer in order, and the actual lattice spacing of the lower electrode is the actual lattice spacing of the ferroelectric layer. The ferroelectric material which is wider than the lattice spacing and forms the ferroelectric layer contains at least barium titanate or lead titanate.
（２）上記態様にかかる積層構造体は、前記下部電極の前記強誘電層と反対側の面に下地層をさらに備えてもよい。 (2) The laminated structure according to the above aspect may further include a base layer on the surface of the lower electrode opposite to the ferroelectric layer.
（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記下地層の実際の格子間隔が、前記下部電極の実際の格子間隔より広くてもよい。 (3) In the laminated structure according to the above aspect, the actual lattice spacing of the base layer may be wider than the actual lattice spacing of the lower electrode.
（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記下地層が、マグネシウムアルミネートスピネル又はチタン酸ストロンチウムのいずれかであってもよい。 (4) In the laminated structure according to the above aspect, the base layer may be either magnesium aluminate spinel or strontium titanate.
（５）上記態様にかかる積層構造体において、前記下部電極が、ルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム、ランタンドープされたスズ酸バリウム、モリブデン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウム、チタン酸バリウムニオブからなる群から選択される少なくとも一つを含んでもよい。 (5) In the laminated structure according to the above aspect, the lower electrode is made of barium strontium ruthenate, niobium-doped strontium titanate, lanthanum-doped barium stannate, strontium molybdate, strontium niobate, and barium niobium titanate. It may include at least one selected from the group consisting of:
（６）上記態様にかかる積層構造体において、前記強誘電層の厚さが５０ｎｍ〜３００ｎｍであってもよい。 (6) In the multilayer structure according to the above aspect, the ferroelectric layer may have a thickness of 50 nm to 300 nm.
（７）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がＣｕ層とＮｉ層との積層体であってもよい。 (7) In the laminated structure according to the above aspect, the ferromagnetic layer may be a laminated body of a Cu layer and a Ni layer.
（８）第２の態様にかかるスイッチング素子は、上記態様にかかる積層構造体を備える。 (8) The switching element concerning a 2nd aspect is provided with the laminated structure concerning the said aspect.
（９）第３の態様にかかる磁気デバイスは、上記態様にかかる積層構造体を備える。 (9) A magnetic device according to a third aspect includes the laminated structure according to the aspect.
（１０）第４の態様にかかる高周波デバイスは、上記態様にかかる積層構造体を備える。 (10) A high frequency device according to a fourth aspect includes the multilayer structure according to the aspect.
上記態様にかかる積層構造体、スイッチング素子、磁気デバイスおよび高周波デバイスによれば、強磁性体の磁化方向をより低電圧で電圧制御できる。 According to the multilayer structure, the switching element, the magnetic device, and the high-frequency device according to the above aspect, the magnetization direction of the ferromagnetic material can be controlled with a lower voltage.
以下、本発明における好ましい実施形態を示す。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、形態が本発明の技術的思想を有するものである限り、本発明の範囲に含まれる。各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせなどは一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, the present invention is not limited to these embodiments, and is included in the scope of the present invention as long as the form has the technical idea of the present invention. Each configuration in each embodiment, a combination thereof, and the like are examples, and the addition, omission, replacement, and other changes of the configuration can be made without departing from the spirit of the present invention. Further, the present invention is not limited by the embodiments, and is limited only by the scope of the claims.
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る積層構造体１の積層構造を示す断面図である。第１実施形態１の積層構造体１は、下地層２と、下部電極３と、強誘電層４と、強磁性層５とを備える。各層は、エピタキシャル成長により形成されている。ここで「エピタキシャル成長」とは、基準となる結晶の上に、基準となる結晶の面方位と同一の面方位をもちながら結晶成長することである。基準となる結晶に対して結晶面が回転している場合でも、面方位が同じであればエピタキシャル成長に含まれる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of the laminated
下地層２は、結晶成長の基準となる層である。下地層２は、積層された層でもよいし、基板でもよい。下部電極３が、結晶成長の基準として十分機能する場合は、下地層２を有していなくてもよい。
The
下地層２は、マグネシウムアルミネートスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）又はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）のいずれかであることが好ましい。これらの材料を用いた結晶は（００１）配向し、下地層２上に下部電極３を好適にエピタキシャル成長できる。
The
マグネシウムアルミネートスピネルは、バルクの格子定数がａ＝０．４０５と大きい。下地層２のバルクの格子定数が大きいと、積層される下部電極３の実際の格子間隔を広げる方向に、引張り歪みを与えることができる。下部電極３の実際の格子間隔が広がると、強誘電層４に引張り歪みを与えやすくなり、強誘電層４の分極方向を面内分極に維持しやすくなる。
Magnesium aluminate spinel has a large bulk lattice constant of a = 0.405. When the bulk lattice constant of the
ここで「格子定数」とは結晶軸の理論的な長さを意味し、「実際の格子間隔」とは各層を積層した後の実際の原子間の距離を意味する。実際の原子間の距離は、積層している二層の間の移行領域における原子間の距離ではなく、積層界面から数原子層以上離れた位置における原子間の距離に対応する。 Here, “lattice constant” means the theoretical length of the crystal axis, and “actual lattice spacing” means the actual distance between atoms after the layers are stacked. The actual distance between atoms does not correspond to the distance between atoms in the transition region between two stacked layers, but corresponds to the distance between atoms at a position away from the stack interface by several atomic layers or more.
他方、チタン酸ストロンチウムはバルクの格子定数がａ＝０．３９０５であり、バルクの格子定数はマグネシウムアルミネートスピネルより小さい。一方で、単結晶を得やすく、当該材料を基準となる結晶とすると、デバイスの汎用性が高まる。 On the other hand, strontium titanate has a bulk lattice constant of a = 0.3905, which is smaller than that of magnesium aluminate spinel. On the other hand, when a single crystal is easily obtained and the material is a reference crystal, the versatility of the device is enhanced.
下部電極３の実際の格子間隔は、強誘電層４の実際の格子間隔より広い。そのため、下部電極３は強誘電層４に引張り歪みを加える。強誘電層４は、引張り歪により分極方向が面内方向に配向する。
The actual lattice spacing of the
下部電極３は、ルテニウム酸バリウムストロンチウム（ＢａｘＳｒ１−ｘＲｕＯ３）（例えば０．２５≦ｘ≦０．４０）、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ１−ｘＮｂｘＯ３）（例えば０．０１≦ｘ≦０．０５）、ランタンドープされたスズ酸バリウム（Ｂａ１−ｘＬａｘＳｎＯ３）(例えば０．０１≦ｘ≦０．０５)、モリブデン酸ストロンチウム（ＳｒＭｏＯ３）、ニオブ酸ストロンチウム（ＳｒＮｂＯ３）、チタン酸バリウムニオブ（ＢａＮｂｘＴｉ１−ｘＯ３）（例えば０．２≦ｘ≦０．５）から選択される少なくとも一つ以上の酸化物を含むことが好ましい。なお、チタン酸バリウムニオブ（ＢａＮｂｘＴｉ１−ｘＯ３）は、０≦ｘ＜０．２の場合においては絶縁体となるため、下部電極には適さない。またモリブデン酸ストロンチウム（ＳｒＭｏＯ３）は、バルクの格子定数が小さく、その他の材料よりも強誘電層４に引張り歪みを与えにくい。
The
下部電極３の膜厚は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが望ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより望ましい。下部電極３の膜厚が薄すぎると、導電性を確保しにくくなる。また下部電極３の膜厚が厚すぎると、膜平坦性が悪化する。また下部電極３の膜厚が厚すぎると、下部電極３がルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウムの場合に、マグネシウムアルミネートスピネルによって広げられた下部電極３の実際の格子間隔（面内格子定数）が緩和してしまうおそれがある。マグネシウムアルミネートスピネルによる下部電極３の面内格子定数の拡大については後述する。
The film thickness of the
下地層２と下部電極３との間には、バッファ層を設けてもよい。バッファ層は、下地層２と下部電極３との間の格子不整合を緩和する。バッファ層には、バルクの格子定数が下地層２と下部電極３の間である材料を用いることが好ましい。
A buffer layer may be provided between the
例えば、下地層２がマグネシウムアルミネートスピネルで、下部電極３がランタンドープされたスズ酸バリウム又はチタン酸バリウムニオブである場合は、例えばニオブの組成が小さいチタン酸バリウムニオブ（ＢａＮｂｘＴｉ１−ｘＯ３）（０≦ｘ＜０．２）をバッファ層として用いることが好ましい。
For example, when the
また例えば、下地層２がマグネシウムアルミネートスピネルで、下部電極３がルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウムのいずれかである場合は、例えばチタン酸バリウムなどをバッファ層として用いることが好ましい。
For example, when the
バッファ層の膜厚は、例えば２〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。膜厚が薄すぎるとバッファ層が安定して形成されにくく、膜厚が厚すぎると膜平坦性が悪化する。また下地層２によって広げられたバッファ層の実際の格子間隔（面内格子定数）が、下部電極３に至るまでに緩和してしまう。マグネシウムアルミネートスピネルによるバッファ層の実際の格子間隔（面内格子定数）の拡大については後述する。
The film thickness of the buffer layer is preferably about 2 to 10 nm, for example. If the film thickness is too thin, the buffer layer is difficult to be formed stably, and if the film thickness is too thick, the film flatness deteriorates. In addition, the actual lattice spacing (in-plane lattice constant) of the buffer layer expanded by the
強誘電層４は、下部電極３の上にエピタキシャル成長させる事が可能であり、かつ自発分極を示す正方晶系ペロブスカイト構造を有する材料を含む。具体的には、強誘電層４は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の少なくとも一方を含む。強誘電層４は、下部電極３との界面において引張り歪みを受ける。その結果、強誘電層４の分極方向が面内方向になる。
The ferroelectric layer 4 includes a material that can be epitaxially grown on the
強誘電層４の膜厚は、５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲であることが望ましい。強誘電層４の膜厚が５０ｎｍ〜３００ｎｍで規定されていることによって、電圧印加時に絶縁破壊を引き起こす恐れが生じることや、強誘電体の面内格子定数が次第に緩和され、強誘電層４の誘電分極が面直配向に戻ることを防ぐことができる。すなわち、強誘電層４の分極方向を面内分極に維持しやすくなる。 The film thickness of the ferroelectric layer 4 is desirably in the range of 50 nm to 300 nm. When the film thickness of the ferroelectric layer 4 is defined in the range of 50 nm to 300 nm, there is a risk of causing dielectric breakdown when a voltage is applied, and the in-plane lattice constant of the ferroelectric is gradually relaxed. It is possible to prevent the dielectric polarization from returning to the plane orientation. That is, it becomes easy to maintain the polarization direction of the ferroelectric layer 4 in the in-plane polarization.
強磁性層５は、強誘電層４の上にエピタキシャル成長させる事が可能であり、かつ垂直磁気異方性を有することが好ましい。具体的には強磁性層５は、強磁性体Ｎｉと非磁性体Ｃｕとを、Ｃｕを下地として互い違いに複数回積層させた多層膜であることが望ましい。図２では、Ｎｉ層７ａ、７ｂ、７ｃと、Ｃｕ層８ａ、８ｂ、８ｃとが、互い違いに３周期積層された構造を図示した。なお、強磁性体を主成分とするＮｉ層７ａ、７ｂ、７ｃと、Ｃｕ層８ａ、８ｂ、８ｃが有する周期構造は、３周期に限られず、１周期でも良い。層の境界面を平坦にし、より強磁性体の磁化方向を安定させるためには、強磁性層５は複数の周期構造を有することが好ましい。
The
強磁性層５をこのような構造にすることによって、強磁性層５を構成するＣｕのエピタキシャル成長が可能となる。またＣｕがエピタキシャル成長することによって、Ｎｉの格子が面内に引き伸ばされ、面直方向の磁化が安定的になる。
By making the
なお、垂直磁気異方性を有する材料として、Ｍｎ−Ｇａ系合金、Ｍｎ−Ａｌ系合金、Ｍｎ−Ｇｅ系合金、Ｃｏ、Ｃｏ／Ｎｉの多層膜、Ｃｏ／Ｐｔの多層膜、Ｃｏ／Ｐｄの多層膜、Ｃｏ／Ｒｕの多層膜、Ｃｏ／Ａｕの多層膜、Ｃｏ／非磁性体の多層膜、Ｃｏ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金、Ｆｅ−Ｒｈ系合金、Ｆｅ−Ｐｄ系合金、希土類を含むＳｍ−Ｃｏ系合金、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金またはホイスラー合金なども適用可能であると考えられる。 In addition, as a material having perpendicular magnetic anisotropy, Mn—Ga alloy, Mn—Al alloy, Mn—Ge alloy, Co, Co / Ni multilayer, Co / Pt multilayer, Co / Pd multilayer Multilayer film, Co / Ru multilayer film, Co / Au multilayer film, Co / non-magnetic multilayer film, Co—Cr alloy, Co—Pt alloy, Fe—Pt alloy, Fe—Rh alloy, An Fe—Pd alloy, an Sm—Co alloy containing a rare earth, a Tb—Fe—Co alloy, or a Heusler alloy may be applicable.
強誘電層４と強磁性層５との間には、バッファ層を設けてもよい。バッファ層は、強誘電層４と強磁性層５との間の格子不整合を緩和する。バッファ層には、格子定数が強誘電層４と強磁性層５のバルクの格子定数の間である材料、例えばＦｅ、Ｃｒなどを用いることが好ましい。バッファ層の膜厚は、例えば１〜５ｎｍ程度とすることが好ましい。バッファ層が薄すぎるとバッファ層を安定して形成することが難しくなり、膜厚が厚すぎると強誘電層４のひずみがバッファ層で緩和され、強磁性層５に伝わらなくなる恐れがある強誘電層４から強磁性層５に伝わるひずみの関係については後述する。
A buffer layer may be provided between the ferroelectric layer 4 and the
強磁性層５の下部電極３と反対側の面には上部電極を有する。上部電極は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｕ５０Ｃｕ５０、Ｒｕ、Ｐｔ、もしくはこれらのいずれか２つ以上の膜で構成されており、その膜厚は５ｎｍ〜３０ｎｍであることが望ましい。
An upper electrode is provided on the surface of the
例えば、バッファ層、強磁性層、上部電極の組合せとして以下のような組合せが挙げられる。バッファ層はＦｅ（１ｎｍ）であり、強磁性層はＣｕ（９ｎｍ）とＮｉ（２ｎｍ）とを交互に３周期積層させた多層膜であり、上部電極はＣｕ（９ｎｍ）／Ａｕ（５ｎｍ）である。当該構成では、下部電極３、強誘電層４、強磁性層５のいずれもが、エピタキシャル成長する。
For example, combinations of the buffer layer, the ferromagnetic layer, and the upper electrode include the following combinations. The buffer layer is Fe (1 nm), the ferromagnetic layer is a multilayer film in which Cu (9 nm) and Ni (2 nm) are alternately stacked for three periods, and the upper electrode is Cu (9 nm) / Au (5 nm). is there. In this configuration, all of the
なお、本発明においては、積層構造体１の積層構造は実施形態１の限りではなく、本発明の効果が得られる場合において、各層の間に薄い層を配置してもよい。また、いずれの層においても、エピタキシャル成長が可能な範囲であれば、欠損が生じたり、不純物が含まれていてもよい。
In the present invention, the stacked structure of the stacked
以下の表１に、各層を構成する材料、及び、各層を構成し得る材料のバルクの格子定数を示す。 Table 1 below shows the material constituting each layer and the bulk lattice constant of the material that can constitute each layer.
表１において、単位格子の短軸方向の格子定数をａとし、長軸方向の格子定数をｃとした。また、下地層２およびチタン酸バリウムニオブを除く下部電極３の材料は立方晶であり、各バルクの格子定数の長さは均一であるため、ｃの表記は省略した。下部電極３の材料において、ルテニウム酸バリウムストロンチウムおよびチタン酸バリウムニオブの格子定数は、バリウムとストロンチウムまたはバリウムとニオブの組成比によって変化し、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウムおよびランタンドープされたスズ酸バリウムの格子定数は、ニオブまたはランタンのドープ量によって変化する。
In Table 1, the lattice constant in the short axis direction of the unit cell is a, and the lattice constant in the long axis direction is c. Further, since the material of the
下部電極３と強誘電層４の短軸方向の格子定数を比較すると、ランタンドープされたスズ酸バリウムおよびチタン酸バリウムニオブのバルク（下部電極３）の格子定数は、強誘電層４を構成するいずれの材料の格子定数よりも大きい。そのため、当該格子定数の差により、下部電極３は接合界面を通じて強誘電層４に引張歪みを加える。その結果、強誘電層４の誘電分極は面内配向する。
When the lattice constants in the short axis direction of the
一方で、下部電極３がルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム及びモリブデン酸ストロンチウムの場合は、強誘電層４を構成する材料より格子定数が小さい。この場合、格子定数を単純比較すると、強誘電層４に引張り歪を与えることができない。しかしながら、下地層２にマグネシウムアルミネートスピネルを用いると、下地層２の影響を受けて下部電極３の実際の格子間隔は広がる。そのため、当該実際の格子間隔の差により、下部電極３は接合界面を通じて強誘電層４に引張歪みを加える。その結果、強誘電層４の誘電分極は面内配向する。
On the other hand, when the
また表１に示すように、マグネシウムアルミネートスピネル(下地層２)のバルクの格子定数は、下部電極３におけるルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロンチウム及びニオブ酸ストロンチウムのバルクの格子定数よりも大きい。そのため、下地層２としてマグネシウムアルミネートスピネルを用いると、引張歪により下部電極３の実際の格子間隔を広げることができる。その結果、下部電極３は接合界面を通じて強誘電層４に引張歪みを加えることが可能となり、強誘電層４の誘電分極を面内配向させることが可能となる。
Further, as shown in Table 1, the bulk lattice constant of the magnesium aluminate spinel (underlayer 2) is the bulk lattice constant of barium strontium ruthenate, niobium doped strontium titanate, strontium molybdate and strontium niobate in the
これに対し、表１に示すように、チタン酸ストロンチウム（下地層２）のバルクの格子定数は、下部電極３の格子定数より小さい。そのため、下地層２にチタン酸ストロンチウムを用いる場合は、下地層２が引張歪により下部電極３の実際の格子間隔を広げることができない。従って、下地層２にチタン酸ストロンチウムを用いる場合は、下部電極３のバルクの格子定数が、強誘電層４のバルクの格子定数より大きくなるように設定する。
On the other hand, as shown in Table 1, the bulk lattice constant of strontium titanate (underlayer 2) is smaller than the lattice constant of the
また下部電極３および強誘電層４をエピタキシャル成長させるためには、下地層２の面内格子定数はいずれの層の面内格子定数と近いことが求められる。この観点から、下地層は、マグネシウムアルミネートスピネル又はチタン酸ストロンチウムが下地層2として適した材料であると言える。
In order to epitaxially grow the
なお、下地層２と下部電極３との間にバッファ層を挿入する場合も、下地層２と下部電極３との接合界面を通じて、バッファ層は引張歪みを受ける。例えば、下地層２をマグネシウムアルミネートスピネルとし、下部電極３をルテニウム酸バリウムストロンチウム、ニオブドープされたチタン酸ストロンチウム、モリブデン酸ストロンチウム、ニオブ酸ストロンチウムとする場合に、バッファ層を挿入する。引張歪みをうけたバッファ層は下地層２からの引張歪により実際の格子間隔が拡張され、下部電極３に引張歪みを加える。その結果、下部電極３の実際の格子間隔が拡張する。そして、下部電極３は接合界面を通じて、強誘電層４に引張歪みを加え、強誘電層４の誘電分極を面内配向させる。
Even when a buffer layer is inserted between the
強誘電層４において自発分極を示す正方晶系ペロブスカイト構造の強誘電体は、二つのタイプの強誘電ドメインを有する。一方の強誘電ドメインは、積層体の面内方向に誘電分極が配向しており、他方の強誘電ドメインは積層体の面直方向に誘電分極が配向している。面内方向に分極する場合は面内方向に長方形の格子を有し、面直方向に分極する場合は面内方向に正方形の格子を有する。磁化方向制御技術においては、面内方向に分極する強誘電ドメインが支配的であることが重要である。 A ferroelectric with a tetragonal perovskite structure that exhibits spontaneous polarization in the ferroelectric layer 4 has two types of ferroelectric domains. One ferroelectric domain has dielectric polarization oriented in the in-plane direction of the laminate, and the other ferroelectric domain has dielectric polarization oriented in the direction perpendicular to the laminate. In the case of polarization in the in-plane direction, a rectangular lattice is provided in the in-plane direction, and in the case of polarization in the perpendicular direction, a square lattice is provided in the in-plane direction. In the magnetization direction control technique, it is important that the ferroelectric domain polarized in the in-plane direction is dominant.
面内方向に分極する強誘電ドメインが支配的である強誘電層４に対し、面直方向に電圧を印加すると、面内方向に分極していた強誘電ドメインの分極方向が面直方向に変化する。この変化に応じて、強誘電層４の面内方向の格子は長方形から正方形に変形する。この格子の変形に伴い、強誘電層４と強磁性層５との接合界面に生じるひずみが強磁性層５に伝わり、強磁性層５の磁化方向を面直方向から面内方向に変化する。以上により、強磁性層５の磁化方向をスイッチングすることができる。
When a voltage is applied to the ferroelectric layer 4 in which the ferroelectric domain polarized in the in-plane direction is dominant, the polarization direction of the ferroelectric domain polarized in the in-plane direction changes to the in-plane direction. To do. In response to this change, the lattice in the in-plane direction of the ferroelectric layer 4 is deformed from a rectangle to a square. Along with the deformation of the lattice, the strain generated at the junction interface between the ferroelectric layer 4 and the
また本実施形態にかかる積層構造体は強誘電層４を構成する強誘電体が薄膜であるため、基板を使用する場合と比べて強誘電層４の厚みが薄く、必要な駆動電圧を大きく低減できる。 In the multilayer structure according to the present embodiment, the ferroelectric layer 4 is a thin film, so that the thickness of the ferroelectric layer 4 is smaller than that when a substrate is used, and the required driving voltage is greatly reduced. it can.
特許文献１においてスイッチング素子に印加している電界（１０ｋＶ／ｃｍ）を適用すると、強誘電層４の膜厚が５０ｎｍの場合、スイッチングの際に必要な電圧は５０ｍＶであり、強誘電層４の膜厚が３００ｎｍの場合、スイッチングの際に必要な電圧は３００ｍＶである。
When the electric field (10 kV / cm) applied to the switching element in
また下部電極３から上部電極６の積層方向に対して垂直な面の形状は、特に限定されず、円でも楕円でも、多角形でもよい。
The shape of the surface perpendicular to the stacking direction of the
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態のスイッチング素子１１の積層構造を示す断面図である。図３に示す第２実施形態に係るスイッチング素子１１は、下地層２に対して下部電極３を積層した後、下部電極３の表面を一部露出させている。そして下部電極３上に、強誘電層４、強磁性層５、上部電極６をこの順に積層している。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a laminated structure of the switching
また露出した下部電極３および上部電極６の上にそれぞれ電極９が設置され、電極９同士は電源１０と電気的に接続されている。電源１０からスイッチング素子１１に電圧を印加することに依って第１実施形態の場合と同様の原理によって強磁性層５の磁化方向を切り替え制御できる。
なお、ここで積層構造体１に対する電圧の印加方向は、下部電極３から上部電極６の面直方向またはその逆方向とする。
Here, the direction in which the voltage is applied to the
（第３実施形態）
図４は、本実施形態にかかる磁気デバイスの一例を示す概略図である。図４では、磁気デバイスの一例として磁気ヘッド１２に積層構造体１を用いる場合を例示している。電源１３から積層構造体１に対して電圧を印加しない場合、強磁性層５の磁化方向が面直方向となる。これに対して、スイッチ１４を入力して、積層構造体１に電圧を印加すると、磁化方向が面直方向から面内方向に切り替わる。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic device according to the present embodiment. In FIG. 4, the case where the
このように、磁化方向が面直方向から面内方向に切り替わることによって、積層構造体１の強磁性層５からの漏れ磁場が変化する。この漏れ磁場を用いて、不図示の磁気メディアに書き込みを行うことができる。すなわち、強磁性層５の漏れ磁場を電圧により制御することによって、磁気ヘッドを用いた書き込み動作を制御できる。
As described above, when the magnetization direction is switched from the perpendicular direction to the in-plane direction, the leakage magnetic field from the
（第４実施形態）
図５は、本実施形態にかかる磁気デバイスの一例を示す概略図である。図５では、磁気デバイスの一例としてスピントランジスタ１５に積層構造体１を用いる場合を例示している。スピントランジスタ１５は、半導体チャネル層１８の両端に磁性電極１６ａ、１６ｂが、半導体チャネル層１８の中央部分に積層構造体１が、それぞれ電気的に接続された構造をしている。また積層構造体１にはゲート電極１７を介して電源１３が取り付けられている。磁性電極１６ａはソース電極の機能を有し、磁性電極１６ｂはドレイン電極の機能を有し、半導体チャネル層１８はスピン偏極電流を流す機能を有する。電源１３から積層構造体１に対して電圧を印加しない場合、強磁性層５の磁化方向が面直方向となる。これに対して、積層構造体１に電圧を印加すると、磁化方向が面直方向から面内方向に切り替わる。積層構造体１の強磁性層５からの漏れ磁場が変化することで、半導体チャネル層１８を流れるスピン偏極電流のスピン方向を制御できる。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of a magnetic device according to the present embodiment. In FIG. 5, the case where the
（第５実施形態）
図６は、本実施形態にかかる高周波デバイスの一例を示す概略図である。図６では、高周波デバイスの一例として無配線信号伝達に用いられる発振装置１９に積層構造体１を用いる場合を例示している。発振装置１９は、磁気抵抗効果素子２０と積層構造体１を含んだ信号発生部２１と、電源部２２と、信号増幅部２３とを有する。電源部２２から積層構造体１に電圧を印加することにより、強磁性層５の磁化方向が面内方向を向き、磁気抵抗効果素子２０の発振に必要な磁界を印加する。電源部２２による印加電流により発振する積層構造体１からの信号は、信号増幅部２３により所望の出力に増幅され、信号伝達に使用される。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of the high-frequency device according to the present embodiment. In FIG. 6, the case where the
上記の第１実施形態〜第５実施形態では、下地層２自体がある程度の厚みを有し基板として機能している場合を図示している。当該場合に限られず、他の基板上に下地層（（００１）配向を有する膜）を形成したものを用いてもよい。この場合でも、下地層２は下部電極３に引張り歪を与え、下部電極３の実際の格子間隔は拡張され、強誘電層４の短軸方向の格子定数よりも大きくなる。その結果、下部電極３は、接合界面を通じて強誘電層４に引張歪みを加え、強誘電層４の誘電分極を面内配向させる。
In said 1st Embodiment-5th Embodiment, the case where
このように、第１実施形態にかかる積層構造体１を第２実施形態〜第５実施形態にかかる磁気デバイス（例えば、磁気ヘッドやスピントランジスタ）または高周波デバイス（例えば、発振装置）に適用することで、電流を用いずに電圧のみで磁化方向を制御できる。すなわち磁気デバイスまたは高周波デバイスの動作時における消費電力を著しく低減できる。
As described above, the
（実施例１）
第１実施形態にかかる積層構造体１の一部を作製した。下地層２としてＭｇＡｌ２Ｏ４基板を用い、その上にスパッタリング装置およびＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置を用いて、第１のバッファ層、下部電極３、強誘電層４を、この順に成膜した。各層の膜構成は、第１のバッファ層をＢａＴｉＯ３（７ｎｍ）、下部電極３をＢａ０．４Ｓｒ０．６ＲｕＯ３(２０ｎｍ)、強誘電層４をＢａＴｉＯ３（１６０ｎｍ）とした。なお、括弧内の数値は各層の厚さである。
Example 1
A part of the
以上の手法で作製した実施例１の積層構造体に対して、ＸＲＤ測定を行った。表２は、ＸＲＤ測定で得られたチタン酸バリウムに該当する回折ピークに対して、Ｖｏｉｇｔ関数を用いてフィッティングを行い、算出したチタン酸バリウムの面内および面直の実際の格子間隔を示している。 XRD measurement was performed on the laminated structure of Example 1 manufactured by the above method. Table 2 shows the actual lattice spacing in the plane and in the plane of the barium titanate calculated by fitting the diffraction peak corresponding to barium titanate obtained by XRD measurement using the Voigt function. Yes.
表２において、ａ１、ａ２が面内方向の実際の格子間隔を表し、ｃが面直方向の実際の格子間隔を表している。表２より、実施例１の積層構造体における強誘電層４の面内方向の格子間隔は、２種類存在していることが分かる。これは、面内方向の単位格子が長方形を形成し、強誘電層４が面内分極していることを示唆している。ＭｇＡｌ２Ｏ４基板からの引張歪みにより下部電極３の実際の格子間隔が拡張され、下部電極３の実際の格子間隔が強誘電層４を構成する強誘電体のバルクの格子定数より大きくなり、下部電極３が強誘電層４に引張り歪を与えていると考えられる。その結果、実施例１では面内方向に強誘電層４の格子間隔が引き伸ばされ、面内分極した強誘電層４が形成されたと考えられる。
In Table 2, a 1 and a 2 represent the actual lattice spacing in the in-plane direction, and c represents the actual lattice spacing in the perpendicular direction. From Table 2, it can be seen that there are two types of lattice spacings in the in-plane direction of the ferroelectric layer 4 in the laminated structure of Example 1. This suggests that the unit cell in the in-plane direction forms a rectangle, and the ferroelectric layer 4 is in-plane polarized. The actual lattice spacing of the
（実施例２）
実施例１と同様に、積層構造体１を作製した。実施例２では、下地層２としてＳｒＴｉＯ３基板を用いた点、下部電極３をＢａＮｂ０．２Ｔｉ０．８Ｏ３(７５ｎｍ)とした点、強誘電層４をＢａＴｉＯ３（２００ｎｍ）とした点が異なる。その他の構成は、実施例１と同様にした。なお、括弧内の数値は各層の厚さである。
(Example 2)
A
以上の方法で作製した実施例２の積層構造体に対して、ＸＲＤ測定を行った。表３は、ＸＲＤ測定で得られたチタン酸バリウムに該当する回折ピークに対して、Ｖｏｉｇｔ関数を用いてフィッティングを行い、算出したチタン酸バリウムの面内および面直の格子定数を示している。 XRD measurement was performed on the laminated structure of Example 2 manufactured by the above method. Table 3 shows the lattice constants of in-plane and perpendicular to the barium titanate calculated by fitting the diffraction peak corresponding to barium titanate obtained by XRD measurement using the Voigt function.
表３に示すように、チタン酸バリウムの面内の格子間隔は０．４０５であった。この格子間隔は、チタン酸バリウムの格子定数よりも大きい。下部電極３の実際の格子間隔が、強誘電層４を構成する強誘電体のバルクの格子定数より大きくなり、下部電極３が強誘電層４に引張り歪を与えていると考えられる。その結果、実施例２では面内方向に強誘電層４の格子が引き伸ばされ、面内分極した強誘電層４が形成されたと考えられる。
As shown in Table 3, the in-plane lattice spacing of barium titanate was 0.405. This lattice spacing is larger than the lattice constant of barium titanate. It is considered that the actual lattice spacing of the
以上、本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は、上記で説明した実施例に限定されない。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above.
本発明の一態様に係る積層構造体およびスイッチング素子は、スイッチングの特性を利用して、磁気ヘッド、スピントランジスタ、発振装置などの磁気デバイスまたは高周波デバイスとして利用可能である。 The multilayer structure and the switching element according to one embodiment of the present invention can be used as a magnetic device such as a magnetic head, a spin transistor, or an oscillation device, or a high-frequency device by utilizing switching characteristics.
１・・・積層構造体
２・・・下地層
３・・・下部電極
４・・・強誘電層
５・・・強磁性層
６・・・上部電極
７ａ、７ｂ、７ｃ・・・Ｎｉ層
８ａ、８ｂ、８ｃ・・・Ｃｕ層
９・・・電極
１０・・・電源
１１・・・スイッチング素子
１２・・・磁気ヘッド
１３・・・電源
１４・・・スイッチ
１５・・・スピントランジスタ
１６ａ、ｂ・・・磁性電極
１７・・・ゲート電極
１８・・・半導体チャネル層
１９・・・発振装置
２０・・・磁気抵抗効果素子
２１・・・信号発生部
２２・・・電源部
２３・・・信号増幅部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記下部電極の実際の格子間隔は、前記強誘電層の実際の格子間隔より広く、
前記強誘電層を構成する強誘電体が、チタン酸バリウムまたはチタン酸鉛を少なくとも含む、積層構造体。 It has a lower electrode, a ferroelectric layer, and a ferromagnetic layer in order,
The actual lattice spacing of the lower electrode is wider than the actual lattice spacing of the ferroelectric layer,
A laminated structure in which the ferroelectric constituting the ferroelectric layer includes at least barium titanate or lead titanate.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2016137906 | 2016-07-12 | ||
| JP2016137906 | 2016-07-12 |
Publications (1)
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2017135725A Pending JP2018014498A (en) | 2016-07-12 | 2017-07-11 | Laminated structure, switching element, magnetic device, and high frequency device |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2018014498A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110350076A (en) * | 2019-07-15 | 2019-10-18 | 陕西科技大学 | A kind of artificial multilayer structure strontium titanates thermoelectric material and preparation method thereof |
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2017
- 2017-07-11 JP JP2017135725A patent/JP2018014498A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110350076A (en) * | 2019-07-15 | 2019-10-18 | 陕西科技大学 | A kind of artificial multilayer structure strontium titanates thermoelectric material and preparation method thereof |
| CN110350076B (en) * | 2019-07-15 | 2022-10-21 | 陕西科技大学 | Artificial strontium titanate thermoelectric material with multilayer structure and preparation method thereof |
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