JP2019067901A - Stacked structure, spin modulation element, and magnetic recording system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層構造体、スピン変調素子及び磁気記録システムに関する。 The present invention relates to a laminated structure, a spin modulation device, and a magnetic recording system.
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。 Devices using spin possessed by magnetic materials are used in various applications. For example, a magnetoresistance such as a giant magnetoresistance (GMR) element comprising a multilayer film of a ferromagnetic layer and a nonmagnetic layer, and a tunnel magnetoresistance (TMR) element using an insulating layer (tunnel barrier layer, barrier layer) as the nonmagnetic layer Effect elements are known. The magnetoresistance effect element is used for a magnetic sensor, a high frequency component, a magnetic head, a magnetic recording medium, a non-volatile random access memory (MRAM), and the like.
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。 The magnetoresistance effect element outputs a change in resistance value according to the difference in the direction of magnetization of the two ferromagnetic layers. The magnetoresistive element has two values by setting the state in which the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel as “0” and setting the direction of the magnetizations of the two ferromagnetic layers in antiparallel as “1”. It can output data.
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。
On the other hand, with the recent increase in data capacity, there is a demand for accumulating data at higher density. As one of the means, development of an element capable of recording data in multiple values of two or more values is in progress. For example,
しかしながら、特許文献１及び２に記載の素子は、スピン分極率の変調の程度が充分ではない場合があった。
However, in the devices described in
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充分変調できる積層構造体、スピン変調素子及び磁気記録システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laminated structure, a spin modulation element and a magnetic recording system capable of sufficiently modulating the spin polarization of a ferromagnetic material by an electric field.
スピン変調素子は、マルチフェロイック層がキャパシタとして機能し、強磁性層に電荷を蓄積することで、強磁性層のスピン分極率を変調する。そのため、本発明者らは、スピン分極率を充分変調できない原因は、マルチフェロイック層にあるのではないかと考えた。そして、マルチフェロイック層のリーク電流が大きく、マルチフェロイック層がキャパシタとしての機能を充分発現できていないことを見出した。
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。
In the spin modulation element, the multiferroic layer functions as a capacitor, and charges are accumulated in the ferromagnetic layer to modulate the spin polarization of the ferromagnetic layer. Therefore, the present inventors considered that the reason why the spin polarization ratio can not be sufficiently modulated is in the multiferroic layer. And, it has been found that the leak current of the multiferroic layer is large, and the multiferroic layer can not sufficiently exhibit the function as a capacitor.
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
（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る酸化防止層と、を備える強磁性層と、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、強磁性体の酸化物を含む中間層と、を備える。 (1) A laminated structure according to the first aspect includes a ferromagnetic layer, a multiferroic layer, and an oxidation preventing layer interposed between the ferromagnetic layer and the multiferroic layer. And a multiferroic layer, and an intermediate layer containing an oxide of ferromagnetic material, which is interposed between the ferromagnetic layer and the multiferroic layer.
（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記中間層の厚みが０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であってもよい。 (2) In the stacked structure according to the above aspect, the thickness of the intermediate layer may be 0.2 nm or more and 5.0 nm or less.
（３）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。 (3) In the stacked structure according to the above aspect, the ferromagnetic layer may be a half metal.
（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層は、Ｘ２ＹＺ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。 (4) In the stacked structure according to the above aspect, the ferromagnetic layer includes a Heusler alloy represented by a composition formula of X 2 YZ, and X in the composition formula is Co, Fe, Ni, or the like on the periodic table. A transition metal element or noble metal element of the Cu group, Y may be a transition metal of Mn, V, Cr, a Ti group, or an elemental species of X, and Z may be a typical element of Group III to V.
（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、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。 (5) In the stacked structure according to the above aspect, the multiferroic layer is made of BiFeO 3 , BiMnO 3 , GaFeO 3 , AlFeO 3 , (Ga, Al) FeO 3 , YMnO 3 , CuFeO 2 , Cr 2 O 3 , It may include any one selected from the group consisting of Ni 3 Bi 7 O 13 I, LiMnPO 4 , Y 3 Fe 5 O 12 , TbPO 4 , and LiCoPO 4 .
（６）上記態様にかかる積層構造体において、前記中間層を構成する強磁性体が、前記強磁性層を構成する強磁性体と同一の元素を含んでもよい。 (6) In the stacked structure according to the above aspect, the ferromagnetic material constituting the intermediate layer may contain the same element as the ferromagnetic material constituting the ferromagnetic layer.
（７）上記態様にかかる積層構造体において、前記中間層と前記強磁性層との間に、金属又は合金からなる酸化防止層をさらに備えてもよい。 (7) In the stacked structure according to the above aspect, an anti-oxidation layer made of metal or alloy may be further provided between the intermediate layer and the ferromagnetic layer.
（８）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。 (8) The spin modulation device according to the second aspect includes the stacked structure according to the above aspect, and a nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer sequentially stacked on the ferromagnetic layer of the stacked structure. .
（９）第３の態様にかかる磁気記録システムは、上記態様にかかる積層構造体と、前記積層構造体のマルチフェロイック層に磁界を印加する磁界印加手段と、電界を印加する電界印加手段と、を備える。 (9) The magnetic recording system according to the third aspect comprises the laminated structure according to the above aspect, magnetic field applying means for applying a magnetic field to the multiferroic layer of the laminated structure, and electric field applying means for applying an electric field. And.
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充分変調できる。 The stacked structure and the spin modulation device according to the above aspect can sufficiently modulate the spin polarization of the ferromagnetic material by the electric field.
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。 Hereinafter, the configuration of the present embodiment will be described using the drawings. In the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, the features that are the features may be enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratio of each component is not necessarily the same as the actual. Further, the materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited thereto.
（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と反対側の面には電極４０を備えてもよい。
(Spin modulation element)
FIG. 1 is a view schematically showing a spin modulation device according to the present embodiment. The
「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と中間層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もできる。
"Laminated structure"
The
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。 The ferromagnetic layer 1 includes a magnetic material whose magnetization is oriented in one direction. It is preferable to use a substance having strong magnetic anisotropy as the magnetic substance constituting the ferromagnetic layer 1. For example, a metal selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, and an alloy exhibiting one or more of these metals and exhibiting ferromagnetism can be used. Alternatively, an alloy containing these metals and at least one or more elements of B, C, and N can also be used. Specifically, Fe, Co-Fe, etc. may be mentioned.
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。 The ferromagnetic layer 1 is preferably a half metal. Half metal is a material in which one electron spin exhibits a metallic band structure and the other electron spin exhibits an insulator band structure. Half metals ideally exhibit a large spin polarization close to 1 on the Fermi surface.
またハーフメタルとして、ホイスラー合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、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。 Also, although a Heusler alloy, magnetite (Fe 3 O 4 ), a perovskite-type Mn oxide, etc. are known as half metals, a Heusler alloy is particularly preferable. The Heusler alloy has features such as high lattice matching with III-V semiconductors, a Curie temperature above room temperature, a large band gap near the Fermi surface, etc., and can exhibit high spin polarization even at room temperature.
ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺ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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ及びＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
The Heusler alloy contains an intermetallic compound having a chemical composition of X 2 YZ, X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V , A transition metal of Cr or Ti group and can also take an element species of X, and Z is a typical element of Group III to V. For example,
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、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４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、ＸＹＯ３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ＢｉＦｅＯ３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。
The
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。 Multiferroic materials differ in their properties depending on the crystal structure. When the crystal structure is rhombohedral, it exhibits both ferroelectric and ferromagnetic properties, and is particularly excellent in ferromagnetic properties. On the other hand, when the crystal structure is tetragonal, it has excellent ferroelectric properties but does not show much ferromagnetic properties.
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。
The
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の磁化と強磁性層１の磁化との交換相互作用により、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。
When the
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。
On the other hand, when the
中間層３は、強磁性層１とマルチフェロイック層２の間に挟まれる。中間層３は強磁性体の酸化物を含む。中間層３は、マルチフェロイック層２より高い絶縁性を有する。中間層３は、マルチフェロイック層２の絶縁性をサポートする。
The
図１に示すように、強磁性層１と電極４０との間に電圧を印加すると、中間層３とマルチフェロイック層２とがキャパシタとして機能する。中間層３は絶縁性に優れるため、強磁性層１と電極４０との間に大きな電位差を与えることができる。その結果、強磁性層１と中間層３との界面に充分な電荷を蓄積でき、強磁性層１のスピン分極率を充分変調できる。
As shown in FIG. 1, when a voltage is applied between the ferromagnetic layer 1 and the
これに対し、中間層３を有さない場合は、絶縁性を十分確保することができず、強磁性層１と電極４０との間に大きな電位差を与えることが難しい。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、リーク電流が大きいためである。その結果、強磁性層１と中間層３との界面に充分な電荷を蓄積できず、強磁性層１のスピン分極率を充分変調できない場合がある。
On the other hand, when the
中間層３の厚みは、０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることがより好ましく、０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。上述のように、マルチフェロイック層２の強磁性特性に伴い強磁性層１に与える第１の影響は、交換磁気結合により生じる。中間層３も磁性元素を有するが、中間層３の厚みが厚すぎると、強磁性層１に与える第１の影響が弱まってしまう。
The thickness of the
中間層３を構成する強磁性体は、強磁性層１を構成する強磁性体と同一の元素を含むことが好ましい。中間層３と強磁性層１を構成する元素が同一であると、同じ結晶構造を取りやすい。そのため、中間層３上に強磁性層１を安定的にエピタキシャル成長させることができる。その結果、中間層３と強磁性層１との界面において格子歪が生じにくく、強磁性層１の磁化の安定性が高まる。
The ferromagnetic material constituting the
中間層３は、強磁性層１と電極４０間のリーク電流を防ぐという機能だけでなく、強磁性層１とマルチフェロイック層２との間に働く交換磁気結合の強度を調整するという機能も有する。すなわち、中間層３の膜厚を変化させることで、マルチフェロイック層２が強磁性層１に及ぼす第１の影響の強さを調整できる。
The
また強磁性層１と中間層３との間に、金属又は合金からなる酸化防止層をさらに設けてもよい。酸化防止層は、中間層３から強磁性層１への酸素のマイグレーションを防ぐ。
Further, an anti-oxidation layer made of metal or alloy may be further provided between the ferromagnetic layer 1 and the
酸化防止層は、イオン化傾向の小さい金属又は合金からなることが好ましい。例えば、酸化防止層は、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｉｒからなる群から選択される１種以上を含むことが好ましい。 The antioxidation layer is preferably made of a metal or alloy having a low ionization tendency. For example, the antioxidant layer preferably contains one or more selected from the group consisting of Ta, Pt, Ru, Ag, Au, Cu, Cr, Ti, Ni, Pd, and Ir.
一般に、イオン化傾向の大きい金属は、酸素と結合しやすい。そのため酸化防止層を構成する元素のイオン化傾向は、中間層３を構成する元素のイオン化傾向より小さいことが好ましい。ここで、「中間層３を構成する元素」とは、中間層３を構成する元素のうち酸素と立体構造をとる元素を意味する。例えば、ＡＢＯ３で表記されるペロブスカイト構造の場合は、Ｂ元素に対応する。
In general, metals having a high ionization tendency tend to bond with oxygen. Therefore, it is preferable that the ionization tendency of the elements constituting the antioxidant layer is smaller than the ionization tendency of the elements constituting the
酸化防止層の厚みは、０．２ｎｍ以上５．０ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上３．０ｎｍ以下であることがより好ましく、０．８ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。上述のように、マルチフェロイック層２の強磁性特性に伴い強磁性層１に与える第１の影響は、交換磁気結合により生じる。そのため、酸化防止層の厚みが厚すぎると、強磁性層１に与える第１の影響が弱まる。
The thickness of the oxidation prevention layer is preferably 0.2 nm or more and 5.0 nm or less, more preferably 0.5 nm or more and 3.0 nm or less, and still more preferably 0.8 nm or more and 2.0 nm or less . As described above, the first influence exerted on the ferromagnetic layer 1 with the ferromagnetic properties of the
「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が半導体もしく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。
"Nonmagnetic layer"
The
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。
For the
一方で、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、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ、ＢａＯ、ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４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ＭｇＡｌ２Ｏ４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。
On the other hand, when the
「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。
"Second ferromagnetic layer"
The second
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。
A known material can be used as the material of the second
上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子１００は、中間層３により強磁性層１と電極４０間のリーク電流を防ぐことができる。その結果、強磁性層１に多くの電荷を蓄積することができ、強磁性層１のスピン分極率を充分変調できる。マルチフェロイック層２の強磁性特性に伴う第１の影響と強誘電特性に伴う第２の影響を大きく与えるという観点からは、強磁性層１とマルチフェロイック層２との間に層を設けることは当業者にとっては想定しにくいものである。しかしながら、当該界面に中間層３を設けることでスピン変調素子１００の特性を高めることができた。
As described above, in the
（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。
(Method of manufacturing spin modulation device)
A method of manufacturing the
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。
Next, the
次いで、マルチフェロイック層２上に、中間層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、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。
Next, on the
（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。
(Operation of spin modulation element)
Next, the operation of the spin modulation device will be described, and how multi-leveling is realized will be described.
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。
FIG. 2 is a schematic view for explaining the operation of the
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。
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, when the switch SW2 is open, no electric field is applied to the
次いで、図２（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と中間層３）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。
Next, as shown in FIGS. 2C and 2D, the switch SW2 is closed to apply an electric field between the ferromagnetic layer 1 and the electrode 40 (
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ＶＢ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。
For example, when a positive voltage is applied to the multiferroic layer 2 (FIG. 2 (c) voltage V B direction), band bending is induced in the downspin band structure of the ferromagnetic layer 1 by the electric field. Therefore, minority spin carriers are induced at the interface of the ferromagnetic layer 1 on the
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。
As shown in FIGS. 2C and 2D, even when the spin polarization of the ferromagnetic layer 1 decreases, the third state in which the magnetization directions of the second
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。
That is, the
上記ではスイッチＳＷ２を用いてマルチフェロイック層２の誘電状態を調整し、第３状態及び第４状態を生み出す方法について説明した。しかしながら、スピン変調素子の動作は、マルチフェロイック層２の誘電状態の制御によるスピン分極率の調整に伴うものに限られない。
The method of adjusting the dielectric state of the
例えば、マルチフェロイック層２に磁界及び電界を外部から印加してもよい。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。そのため、外部から磁界及び電界を印加することで、マルチフェロイック層２の磁化方向を制御できる。マルチフェロイック層２の磁化方向が変わると、交換磁気相互作用により強磁性層１の磁化の向きが変化する。すなわち、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２に変えて、マルチフェロイック層２に磁界を印加する磁界印加手段及び電界を印加する電界印加手段を設けることで、スピン変調素子１００における強磁性層１の磁化状態を制御してもよい。
For example, a magnetic field and an electric field may be applied to the
「磁気記録システム」
図３は本実施形態にかかる磁気記録システムの断面模式図である。図３に示す磁気記録システム１０１は、積層構造体１０と積層構造体１０のマルチフェロイック層２に電界を印加する電界印加手段５０と、磁界を印加する磁界印加手段６０とを備える。すなわち、スピン変調素子１００の非磁性層２０及び第２強磁性層３０の代わりに、電界印加手段５０及び磁界印加手段６０が設けられ、電気的に接続する配線が除去されている。
"Magnetic recording system"
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the magnetic recording system according to the present embodiment. The
電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、公知のものを用いることができる。電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、外部電界及び外部磁界をマルチフェロイック層２に加えることで、マルチフェロイック層２のスピン分極率を変更する。電界印加手段５０及び磁界印加手段６０は、電界及び磁界をスポット印加することで、マルチフェロイック層２のスピン分極率を、面内方向の領域毎に変えることができる。
As the electric field application means 50 and the magnetic field application means 60, known ones can be used. The electric field application means 50 and the magnetic field application means 60 change the spin polarization of the
強磁性層１の磁化は、マルチフェロイック層２の磁化との交換相互作用によりその配向方向が変化する。そのため、マルチフェロイック層２のスピン分極率を面内方向の領域毎に変えることで、強磁性層１の面内方向の磁化の向きを制御できる。強磁性層１の面内方向の磁化の向きは、磁気記録媒体と同様に情報を持つ。この情報を読み出すことで、磁気記録システムとして機能する。
The orientation of the magnetization of the ferromagnetic layer 1 changes due to the exchange interaction with the magnetization of the
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。 The embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings, but the respective configurations and the combinations thereof and the like in the respective embodiments are merely examples, and additions and omissions of configurations are possible within the scope of the present invention. , Permutations, and other modifications are possible.
（実施例１）
実施例１は、図１に示す積層構造体を作製した。具体的には、ＮｄがドープされたＳｒＴｉＯ３（００１）基板上に、マルチフェロイック層２としてＢｉＦｅＯ３、中間層３としてＣｏ２ＦｅＳｉＯｘ、強磁性層１としてＣｏ２ＦｅＳｉを用いた。また各層の厚みは、マルチフェロイック層２が５０ｎｍ、中間層３が２ｎｍ、強磁性層１が２０ｎｍであった。
Example 1
Example 1 produced the laminated structure shown in FIG. Specifically, BiFeO 3 as the
そして、実施例１について、ＮｄがドープされたＳｒＴｉＯ３（００１）基板とＣｏ２ＦｅＳｉとの間の抵抗値を測定した。
Then, the resistance value between the Nd-doped SrTiO 3 (001) substrate and
（比較例１）
比較例１は、中間層を設けなかった点のみが、実施例１に積層構造体と異なる。その他の構成は、実施例１に示す積層構造体と同様にした。そして、比較例１の抵抗値を実施例１と同様に測定した。
(Comparative example 1)
The comparative example 1 differs from the laminated structure in the example 1 only in that the intermediate layer is not provided. The other configuration was the same as that of the laminated structure shown in Example 1. Then, the resistance value of Comparative Example 1 was measured in the same manner as Example 1.
測定された実施例１の抵抗値は３．０ｋΩ、比較例１の抵抗値は２．７ｋΩであった。つまり実施例１の積層構造体は比較例１の積層構造体と比較して抵抗値が高く、リーク電流を抑制できる。実施例１の積層構造体は、中間層を備えることでキャパシタとしての機能を充分に発揮することができる。 The measured resistance value of Example 1 was 3.0 kΩ, and the resistance value of Comparative Example 1 was 2.7 kΩ. That is, the laminated structure of Example 1 has a higher resistance value than the laminated structure of Comparative Example 1, and can suppress the leak current. The multilayer structure of the first embodiment can sufficiently exhibit the function as a capacitor by including the intermediate layer.
１…強磁性層、２…マルチフェロイック層、３…中間層、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、４０…電極、５０…電界印加手段、６０…磁界印加手段、１００…スピン変調素子、１０１…磁気記録システム、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ Reference Signs List 1: ferromagnetic layer 2: multiferroic layer 3: intermediate layer 10: stacked structure 20: nonmagnetic layer 30: second ferromagnetic layer 40: electrode 50: electric field application means 60: 60 Magnetic field application means, 100: spin modulation element, 101: magnetic recording system, SW1, SW2: switch
Claims (9)
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、強磁性体の酸化物を含む中間層と、を備える、積層構造体。 Ferromagnetic layer,
With multiferroic layers,
A stacked structure comprising: an intermediate layer containing an oxide of a ferromagnetic material, which is interposed between the ferromagnetic layer and the multiferroic layer.
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１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。 The ferromagnetic layer includes a Heusler alloy represented by a composition formula of X 2 YZ,
In the composition formula, X is a transition metal element or noble metal element of Co, Fe, Ni, Cu group on the periodic table, Y is an element species of Mn, V, Cr, transition metal of X group or X, The laminated structure according to any one of claims 1 to 3, wherein Z is a typical element of Group III to Group V.
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。 The laminated structure according to any one of claims 1 to 7;
A spin modulation device comprising: a nonmagnetic layer and a second ferromagnetic layer sequentially stacked on the ferromagnetic layer of the stacked structure.
前記積層構造体のマルチフェロイック層に磁界を印加する磁界印加手段と、電界を印加する電界印加手段と、を備える、磁気記録システム。
The laminated structure according to any one of claims 1 to 7;
A magnetic recording system comprising: magnetic field application means for applying a magnetic field to the multiferroic layer of the laminated structure; and electric field application means for applying an electric field.
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