JP2018206855A - 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安定的に変調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、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面側に形成された菱面体晶を含む第１領域と、前記第１領域より内側に形成された正方晶を含む第２領域と、を有する。
【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、充分な電界を誘電分極により生じさせることができない場合、及び、強磁性層の磁化の異方性が充分ではない場合があり、データを多値で安定的に記録することが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安定的に変調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、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面側に位置する菱面体晶を含む第１領域と、前記第１領域より内側に位置する正方晶を含む第２領域と、を有する。

（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１領域の厚みは２ｎｍ以上であってもよい。

（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記第２領域の前記強磁性層側の一面は、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面から３００ｎｍ以内に存在してもよい。

（４）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を積層方向から平面視した際に、前記第１領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が前記マルチフェロイック層の一面の３０％以上の面積を占めてもよい。

（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を積層方向から平面視した際に、前記第２領域において正方晶の結晶構造をとる部分が前記マルチフェロイック層の一面３０％以上の面積を占めてもよい。

（６）上記態様にかかる積層構造体は、前記第１領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が複数存在し、前記第２領域において正方晶の結晶構造をとる部分が複数存在する構成でもよい。

（７）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、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、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。

（８）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がハーフメタルであってもよい。

（９）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層は、Ｘ_２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、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、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素であってもよい。

（１０）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安定的に変調できる。

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。 本実施形態にかかる積層構造体の断面を模式的に示した図である。 本実施形態にかかる積層構造体の断面の別の例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。また第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の一面には、電極４０を備えてもよい。

「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、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、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。またマルチフェロイック材料は、特性を失わない範囲で、上記の物質の一部の元素を置換したものを用いることができる。例えば、ＸＹＯ_３と表記される物質のＸの一部を他の３価の元素で置換したり、Ｙの一部を３ｄ遷移金属の他の元素で置換してもよい。またマルチフェロイック材料に酸素欠損等が生じていてもよい。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材料は、結晶構造によってその特性が異なる。結晶構造が菱面体晶の場合は、強誘電特性及び強磁性特性の双方を示し、特に強磁性特性に優れる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるが、強磁性特性はあまり示さない。

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されると、対向する第２強磁性層３０との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）を大きくなる。

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。結晶構造が菱面体晶の場合は、強磁性特性に優れるため、第１の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるため、第２の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。

図２は、本実施形態にかかる積層構造体１０の断面模式図である。図２に示すように、マルチフェロイック層２は、結晶構造が菱面体晶の部分（以下、菱面体晶領域Ｒという）と、結晶構造が正方晶の部分（以下、正方晶領域Ｔという）と、を有する。ここで、正方晶とは、ｃ軸がａ軸に対して９０°である構造に限らず、ｃ軸がａ軸に対して９０°±１０°である構造まで許容される。またマルチフェロイック層２は、強磁性層１側の表面２ａから第１領域２Ａと第２領域２Ｂとを有する。なお、図２は菱面体晶領域Ｒ及び正方晶領域Ｔをいずれも含む任意の断面における断面図である。

第１領域２Ａは、最も表面２ａ側の菱面体晶領域Ｒの最も表面２ａ側の部分を通り積層方向と垂直な面（以下、第１領域上面２Ａａと言う）と、最も表面２ａ側の菱面体晶領域Ｒの最も表面２ａから離れた部分を通り積層方向と垂直な面（以下、第１領域下面２Ａｂと言う）との間の領域を指す。そのため、第１領域２Ａは、菱面体晶領域Ｒを含む。

一方で、第２領域２Ｂは、最も表面２ａ側の正方晶領域Ｔの最も表面２ａ側の部分を通り積層方向と垂直な面（以下、第２領域上面２Ｂａと言う）と、最も表面２ａ側の正方晶領域Ｔの最も表面２ａから離れた部分を通り積層方向と垂直な面（以下、第２領域下面２Ｂｂと言う）との間の領域を指す。そのため、第２領域２Ｂは、正方晶領域Ｔを含む。

第２領域２Ｂは、第１領域２Ａよりマルチフェロイック層２の内側に存在する。ここで第２領域２Ｂと第１領域２Ａの位置関係は、第１領域２Ａの厚さ方向の中央を通る面と、第２領域２Ｂの厚さ方向の中央を通る面との位置関係で判断する。「第１領域２Ａの厚さ方向の中央を通る面」とは、第１領域上面２Ａａ及び第１領域下面２Ａｂと平行で、かつ、第１領域上面２Ａａ及び第１領域下面２Ａｂと等距離の面であり、「第２領域２Ｂの厚さ方向の中央を通る面」とは、第２領域上面２Ｂａ及び第２領域下面２Ｂｂと平行で、かつ、第２領域上面２Ｂａ及び第２領域下面２Ｂｂと等距離の面である。

そのため、第１領域下面２Ａｂが第２領域上面２Ｂａよりマルチフェロイック層２の内側にあり、第１領域２Ａと第２領域２Ｂとが重なる場合でも、第１領域２Ａの厚さ方向の中央を通る面と、第２領域２Ｂの厚さ方向の中央を通る面との位置関係から第２領域２Ｂが第１領域２Ａより内側に存在するか否かを判断する。

また第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂは、結晶相が正方晶でも菱面体晶のいずれでもない部分（第３領域）２Ｃを有してもよい。この部分２Ｃは、例えば、正方晶と菱面体晶の間で結晶構造が移行する領域、非晶質の領域、結晶構造の乱れた領域、異相等が挙げられる。マルチフェロイック層２の表面２ａにこの部分２Ｃが存在すると、強磁性層１とマルチフェロイック層２との格子定数の違いがこの部分２Ｃで緩和され、強磁性層１とマルチフェロイック層２との格子整合性を高めることができる。

またマルチフェロイック層２の第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂ以外の領域の結晶構造は特に問わない。この領域の結晶構造は、正方晶でもよいし、菱面体晶でもよいし、これらが混在した結晶構造でもよい。

マルチフェロイック層２が菱面体晶領域Ｒと正方晶領域Ｔを有し、第２領域２Ｂが第１領域より内側に存在すると、第１の影響及び第２の影響を効果的に強磁性層１に加えることができる。また結晶構造が菱面体晶の方が正方晶の場合より強磁性層１との格子整合性に優れるため、界面における格子歪の発生を抑制できる。

第１の影響は、マルチフェロイック層２の磁化と強磁性層１の磁化との交換相互作用により生じる。交換相互作用を生み出す交換バイアスは、到達距離が短い。そのため、強磁性特性に優れる菱面体晶領域Ｒをマルチフェロイック層２の表面２ａ側に配設することで、第１の影響を効果的に強磁性層１に加えることができる。

これに対し第２の影響は、マルチフェロイック層２の誘電分極により生じる。誘電分極を強く発現する部分は正方晶領域Ｔである。誘電分極により生み出される電場が強磁性層１の磁化に影響を与えることができる距離は、交換バイアスが到達する距離より遠い。そのため、正方晶領域Ｔを含む第２領域２Ｂは、第１領域２Ａよりマルチフェロイック層２の内側に存在していても、第２の影響を十分効果的に強磁性層１に加えることができる。

第１領域２Ａの厚みは２ｎｍ以上であることが好ましく、４ｎｍ以上であることがより好ましく、１０ｎｍ以上であることがさらに好ましい。換言すると、第１領域２Ａの厚みは、構成する結晶構造の単位格子で５ユニットセル以上であることが好ましく、１０ユニットセル以上であることがより好ましく、２５ユニットセル以上であることがさらに好ましい。

第１領域２Ａの厚みは、菱面体晶領域Ｒの最大厚みと等しい。菱面体晶領域Ｒの厚みが充分厚ければ、菱面体晶領域Ｒの磁化の配向性が揃い、大きな強磁性または反強磁性特性を発現できる。菱面体晶領域Ｒが発現する強磁性または反強磁性特性が強まれば、強磁性層１に第１の影響をより与えることができる。

また第１領域２Ａを平面視した際において菱面体晶領域Ｒが占める面積は、マルチフェロイック層２の表面２ａの面積の３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましい。第１領域２Ａのうち菱面体晶領域Ｒが主として交換相互作用を生み出す。そのため、第１領域２Ａにおける菱面体晶領域Ｒの面積が広がることで、強磁性層１に第１の影響をより与えることができる。

第２領域上面２Ｂａは、マルチフェロイック層２の表面２ａから３００ｎｍ以内に存在することが好ましく、２００ｎｍ以内に存在することがより好ましく、１００ｎｍ以内に存在することがさらに好ましい。

第２領域２Ｂがマルチフェロイック層２の表面２ａから離れすぎると、正方晶領域Ｔが強磁性層１に与える第２の影響の影響量が小さくなる。つまり、第２領域２Ｂがマルチフェロイック層２の表面２ａから所定の範囲内に存在することで、強磁性層１に効果的に第２の影響を与えることができる。

また第２領域２Ｂを平面視した際において正方晶領域Ｔが占める面積は、マルチフェロイック層２の表面２ａの面積の３０％以上であることが好ましく、５０％以上であることがより好ましく、７０％以上であることがさらに好ましい。第２領域２Ｂのうち正方晶領域Ｔが誘電分極により強磁性層１の磁化に第２の影響を主として加える。そのため、第２領域２Ｂにおける正方晶領域Ｔの面積が広がることで、強磁性層１に第２の影響をより与えることができる。

図２では、マルチフェロイック層２の第１領域２Ａと第２領域２Ｂのそれぞれにおいて、菱面体晶領域Ｒ及び正方晶領域Ｔはそれぞれ一つのドメインを形成している。一方で、図３に示すように第１領域２Ａにおいて菱面体晶領域Ｒが複数存在し、第２領域２Ｂにおいて正方晶領域Ｔが複数存在する構成でもよい。また菱面体晶領域Ｒ又は正方晶領域Ｔのいずれか一方のみが複数存在する構成でもよい。図３は、本実施形態にかかる積層構造体１０の別の例の断面模式図である。

第１領域２Ａ内に菱面体晶領域Ｒが複数存在したり、第２領域２Ｂ内に正方晶領域Ｔが複数存在すると、強磁性層１に第１の影響が強く作用する部分と第２の影響が強く作用する部分とが偏在することを避けることができる。すなわち、強磁性層１全体に、均一に第１の影響及び第２の影響を与えることができる。

またマルチフェロイック層２の層厚は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であることがより好ましく、２００ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。マルチフェロイック層２の層厚が厚くなりすぎると、マルチフェロイック層２の表面２ａに誘起される電荷量が小さくなる。一方で、マルチフェロイック層２の層厚が薄すぎると、マルチフェロイック層２が充分な強磁性特性及び強誘電特性を発現しない場合が生じる。

「非磁性層」
非磁性層２０は絶縁体でも、半導体でも、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が半導体又は金属からなる場合、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が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ−ＢＮ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を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、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ，Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層２０として用いることができる。

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。

（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を積層する。積層する方法としては、スパッタリング法、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。

マルチフェロイック層２の結晶相は、マルチフェロイック層２を積層する基板とマルチフェロイック層２の結晶状態の違いを利用することで調整する。マルチフェロイック層２がＢｉＦｅＯ_３の場合を例に具体的に説明する。まず、ＢｉＦｅＯ_３の菱面体相より格子定数が小さい（００１）ＬａＡｌＯ_３基板を準備する。そしてその上に、基板温度を７００℃として、３００ｎｍの層厚でＢｉＦｅＯ_３を成膜する。

ＢｉＦｅＯ_３の成膜初期の結晶相は、（００１）ＬａＡｌＯ_３基板から圧縮応力を受けて正方晶相となる。これに対し、ＢｉＦｅＯ_３の成膜膜厚が増すにつれて、徐々に通常安定な菱面体相へと結晶相が緩和する。そのため、表面全てが菱面体相に緩和する３００ｎｍ程度の膜厚となった時点で成膜を止めることで、正方晶相と菱面体相が共存した表面を形成できる。すなわち、マルチフェロイック層２に第１領域２Ａと第２領域２Ｂとが、所定の順番に形成される。なお、圧縮応力の緩和に要する膜厚は、基板、成膜するマルチフェロイック層の格子定数等によって変わる。

次いで、マルチフェロイック層２上に強磁性層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、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４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４（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４（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４（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４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、スイッチＳＷ２を閉じ、強磁性層１と電極４０との間（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４（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４（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４（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４（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４（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。

マルチフェロイック層２の表面２ａが第１領域２Ａを有すると、強磁性層１の磁化が強く固定されるため、第１状態と第２状態の抵抗値差が大きくなる。またマルチフェロイック層２の表面２ａから所定の範囲内に第２領域２Ｂを有すると、誘電分極に伴うスピン分極率の変化が大きくなり、第１状態と第３状態、及び、第２状態と第４状態の抵抗値差が大きくなる。

上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子１００は、マルチフェロイック層２が、菱面体晶領域Ｒを含む第１領域２Ａと、正方晶領域Ｔを含む第２領域２Ｂとを、所定の順に有するため、４つの状態間の抵抗値差を大きくすることができ、安定した多値記録を行うことができる。

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、２ａ…表面、２Ａ…第１領域、２Ｂ…第２領域、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、４０…電極、１００…スピン変調素子、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ

Claims (10)

1. 強磁性層と、
   前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、
   前記マルチフェロイック層は、前記強磁性層側の表面側に位置する菱面体晶を含む第１領域と、前記第１領域より内側に位置する正方晶を含む第２領域と、を有する、積層構造体。
2. 前記第１領域の厚みは２ｎｍ以上である、請求項１に記載の積層構造体。
3. 前記第２領域の前記強磁性層側の一面は、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面から３００ｎｍ以内に存在する、請求項１又は２のいずれかに記載の積層構造体。
4. 前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、
   前記第１領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の３０％以上の面積を占める、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
5. 前記マルチフェロイック層を積層方向から平面視した際に、
   前記第２領域において正方晶の結晶構造をとる部分が、前記マルチフェロイック層の一面の３０％以上の面積を占める、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
6. 前記第１領域において菱面体晶の結晶構造をとる部分が複数存在し、前記第２領域において正方晶の結晶構造をとる部分が複数存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
7. 前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、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１〜６のいずれか一項に記載の積層構造体。
8. 前記強磁性層がハーフメタルである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層構造体。
9. 前記強磁性層は、Ｘ_２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
   前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、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、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の積層構造体。
10. 請求項１〜９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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