JP2018182265A - 積層構造体及びスピン変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】電界により強磁性体のスピン分極率を変調し、データを安定的に保持できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、マルチフェロイック層と、前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれ、前記強磁性層よりも飽和磁化が大きい強磁性体を含む、磁化ピン止め補強層と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、積層構造体及びスピン変調素子に関する。

磁性体が有するスピンを利用した素子は、様々な用途で用いられている。例えば、強磁性層と非磁性層の多層膜からなる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ、高周波部品、磁気ヘッド、磁気記録媒体及び不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用されている。

磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“０”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“１”とすることで、磁気抵抗効果素子は２値のデータを出力できる。

一方で、近年のデータの高容量化に伴い、データをより高密度に集積することが求められている。その一つの手段として、データを２値以上の多値で記録できる素子の開発が進められている。例えば、特許文献１及び２には、電界を利用して強磁性層のスピン分極率を変調することで、データを多値で記録できる素子が記載されている。

特開２０１６−６３０２４号公報 特開２０１６−６３０６２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の素子は、スピン分極率が変化する強磁性層の磁化の異方性（磁化のピン止め）が充分ではなく、熱等の外因によりデータを安定的に保持できない場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電界により強磁性体のスピン分極率を変調し、データを安定的に保持できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、マルチフェロイック層と、前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれ、前記強磁性層よりも飽和磁化が大きい強磁性体を含む磁化ピン止め補強層と、を備える。

（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記磁化ピン止め補強層の厚みが、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。

（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層はハーフメタルを含み、前記磁化ピン止め補強層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す化合物を含んでもよい。

（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記ハーフメタルがＣｏ_２ＸＳｉ（ＸはＦｅ又はＭｎ）で表記される化合物であってもよい。

（５）上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＧａＡｌＦｅＯ_３、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。

（６）第２の態様にかかるスピン変調素子は、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第２強磁性層と、を備える。

上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、電界により強磁性体のスピン分極率を変調でき、スピン変調により得られるデータを安定的に保持できる。

本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。 スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。

以下、本実施形態について、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではない。

（スピン変調素子）
図１は、本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。図１に示すスピン変調素子１００は、積層構造体１０と非磁性層２０と第２強磁性層３０とを備える。

「積層構造体」
積層構造体１０は、強磁性層１とマルチフェロイック層２と磁化ピン止め補強層３とを備える。図１では、積層構造体１０をスピン変調素子１００の構成の一部として図示しているが、積層構造体１０のみでもＡＭＲ（磁気異方性）センサ等として用いることができる。

強磁性層１は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層１を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。

また強磁性層１は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には１に近い大きなスピン分極率を示す。

またハーフメタルとして、ホイスラー合金、マグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物等が知られているが、ホイスラー合金が特に好ましい。ホイスラー合金は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体との高い格子整合性、室温以上のキュリー温度、フェルミ面近傍での大きなバンドギャップ等の特徴を有し、室温においても高いスピン分極率を示すことができる。

ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂなどが挙げられる。

マルチフェロイック層２は、強磁性層１の一面側に形成されている。マルチフェロイック層２は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つマルチフェロイック材料を有する。マルチフェロイック材料としては、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＧａＡｌＦｅＯ_３、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。これらの材料の中でもＢｉＦｅＯ_３は、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。

マルチフェロイック層２は、強磁性層１に少なくとも二つの影響を与える。第１の影響はマルチフェロイック層２の有する強磁性特性に由来するものであり、第２の影響はマルチフェロイック層２の有する強誘電特性に由来するものである。

マルチフェロイック層２が強磁性特性を示すと、マルチフェロイック層２の磁化の影響を受けて、強磁性層１の磁化の向きが一方向に強く配向する（第１の影響）。すなわち、マルチフェロイック層２は、その強磁性特性により強磁性層１の磁化をピン止めする効果を有する。強磁性層１の磁化が一方向に強く固定（ピン止め）されると、強磁性層１の磁化の向きが熱等の外因により乱されることが無くなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）が大きくなる。

一方で、マルチフェロイック層２が強誘電特性を示すと、マルチフェロイック層２は誘電分極する。誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層１内のマルチフェロイック層２側の界面に電荷を誘起し、その界面電荷による電界は強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する（第２の影響）。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子１００の多値化が実現できる。例えば、強磁性層１のスピン分極率が１．０で第２強磁性層３０と平行な場合と、強磁性層１のスピン分極率が０．５で第２強磁性層３０と平行な場合とでは、強磁性層１と第２強磁性層３０の間の抵抗値が異なるためである。

マルチフェロイック層２が強磁性層１に与える影響としては、第１の影響及び第２の影響のいずれも重要である。しかしながら、マルチフェロイック層２を構成するマルチフェロイック材料は材料が限定されるため、十分な強磁性特性を示せない場合がある。例えば、マルチフェロイック材料として知られているＢｉＦｅＯ_３は、結晶構造が菱面体晶の場合は良好なマルチフェロイック特性を示すが、結晶構造が正方晶の場合は十分な強磁性特性を示すことができない。

本実施形態にかかる積層構造体は、強磁性層１とマルチフェロイック層２との間に、磁化ピン止め補強層３を有する。磁化ピン止め補強層３は、強磁性層１よりも飽和磁化が大きい強磁性体を含む。

磁化ピン止め補強層３の磁化は、マルチフェロイック層２及び強磁性層１の磁化と交換結合する。磁化ピン止め補強層３の飽和磁化は、強磁性層１の飽和磁化より大きいため、強磁性層１の磁化の配向方向を強くピン止めする。つまり、磁化ピン止め補強層３はマルチフェロイック層２の強磁性特性に伴う第１の影響をアシストする。その結果、強磁性層１は磁化ピン止め補強層３によって強くピン止めされ、磁化の向きが熱等の外因により乱されることが無くなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）が大きくなる。

磁化ピン止め補強層３は、強磁性層１よりも飽和磁化が大きければ特に問わない。例えば、強磁性層１がハーフメタルの場合、磁化ピン止め補強層３にはＣｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す化合物を用いることができる。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、これらの積層体等を用いることができる。

磁化ピン止め補強層３の厚みは、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがより好ましく、０．５ｎｍ以上３ｎｍ以下であることがさらに好ましい。

磁化ピン止め補強層３の厚みが薄すぎると、磁化ピン止め補強層３の磁化の配向性が悪くなり、十分な磁気的特性を示すことができなくなる。一方で、磁化ピン止め補強層３が厚くなりすぎると、マルチフェロイック層２と強磁性層１との距離が離れ、マルチフェロイック層２が強磁性層１に与える第２の影響が小さくなる。

「非磁性層」
非磁性層２０は絶縁体でも、金属でもよい。非磁性層２０が絶縁体からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子となり、非磁性層２０が金属からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子となる。

非磁性層２０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層２０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４Ｏ等を用いることができる。またこれらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。

また、非磁性層２０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。

「第２強磁性層」
第２強磁性層３０は、強磁性層１と非磁性層２０と磁気抵抗効果素子を形成する。強磁性層１が固定層の場合、第２強磁性層３０は自由層となり、強磁性層１が自由層の場合、第２強磁性層３０は固定層となる。

第２強磁性層３０の材料には、公知のものを用いることができる。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂが挙げられる。またより高い出力を得るために、第２強磁性層３０にホイスラー合金を用いてもよい。

上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子は、磁化ピン止め補強層３を有するため、強磁性層１の磁化を強く固定（ピン止め）することができる。その結果、強磁性層１の磁化の熱等の外因に対する耐性が高まり、より安定的にデータを保持することができる。

（スピン変調素子の製造方法）
スピン変調素子１００の製造方法について説明する。まず、基材を準備する。基材は、積層構造体１０の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。基材が導電性を有することで、電極を兼ねることができる。

次いで、準備した基材上に、マルチフェロイック層２、磁化ピン止め補強層３、強磁性層１、非磁性層２０、第２強磁性層３０を順に積層する。これらの層は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の強磁性層及び非磁性層と同様の方法で積層することができる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等を用いることができる。

また第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面には、電極を積層することが好ましい。電極を設けることで、強磁性層１全面に均一に電流を流すことができる。

（スピン変調素子の動作）
次いで、スピン変調素子の動作を説明すると共に、どのように多値化が実現されるかについて説明する。

図２は、スピン変調素子１００の動作を説明するための模式図である。スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１に流れる電流を制御するスイッチＳＷ１と、マルチフェロイック層２に電場を印加するスイッチＳＷ２とが接続されている。

まず図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２が開いている場合、マルチフェロイック層２には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第１状態（図２（ａ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第２状態（図２（ｂ））と、の２状態をとる。強磁性層１の磁化の向きは、スイッチＳＷ１を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）により反転させる。

次いで、図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、スイッチＳＷ２を閉じ、マルチフェロイック層２に電界を加える。マルチフェロイック層２に電界が印加されると、マルチフェロイック層２は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって生じる電界は、強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する。

例えば、マルチフェロイック層２に正電圧を印加する（図２（ｃ）電圧Ｖ_Ｂ方向）と、電界によって強磁性層１のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層１のマルチフェロイック層２側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層１のスピン分極率は減少する。図２（ｃ）及び（ｄ）では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。

図２（ｃ）及び（ｄ）に示すように、強磁性層１のスピン分極率が減少した状態でも、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第３状態（図２（ｃ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第４状態（図２（ｄ））と、の２状態をとる。

すなわちスピン変調素子１００は、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２を制御することで、４つの状態が生み出される。４つの状態は、第１状態、第３状態、第４状態、第２状態の順で抵抗値が大きい。

またスピン変調素子１００は、強磁性層１とマルチフェロイック層２の間に、磁化ピン止め補強層３を有するため、強磁性層１の磁化は強く固定される。そのため、４つの状態のいずれの状態においても、強磁性層１の磁化の安定性を高めることができる。その結果、熱等の外因で４つの状態が不安定化することが抑制され、４つの状態のそれぞれの抵抗値をデータとして安定的に保持、出力できる。すなわち、データが外因により書き換わることを防ぐことができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

１…強磁性層、２…マルチフェロイック層、３…磁化ピン止め補強層、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、１００…スピン変調素子、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ

Claims (6)

1. 強磁性層と、
   マルチフェロイック層と、
   前記強磁性層と前記マルチフェロイック層との間に挟まれ、前記強磁性層よりも飽和磁化が大きい強磁性体を含む磁化ピン止め補強層と、を備える、積層構造体。
2. 前記磁化ピン止め補強層の厚みが、０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項１に記載の積層構造体。
3. 前記強磁性層はハーフメタルを含み、
   前記磁化ピン止め補強層は、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す化合物を含む、請求項１又は２のいずれかに記載の積層構造体。
4. 前記ハーフメタルがＣｏ_２ＸＳｉ（ＸはＦｅ又はＭｎ）で表記される化合物である、請求項３に記載の積層構造体。
5. 前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＧａＡｌＦｅＯ_３、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体と、
   前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第２強磁性層と、を備える、スピン変調素子。

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