JP5311375B2 - Switching element - Google Patents
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Description
本発明は、二状態間を切り替わることが可能なスイッチング素子に関する。 The present invention relates to a switching element capable of switching between two states.
不揮発性メモリの技術分野においては、ReRAM(resistive RAM)が注目を集めている。ReRAMは、抵抗状態の異なる二状態間を切り替わることが可能なスイッチング素子であり、一般に、一対の電極と、当該電極対間に印加される電圧に応じて高抵抗状態および低抵抗状態の間を選択的に切り替わることが可能な記録膜とを有する。ReRAMでは、記録膜の抵抗状態の選択的な切り替わりを利用して、情報の記録ないし書き換えが実行され得る。このようなReRAMないしスイッチング素子に関しては、例えば下記の特許文献1〜4に記載されている。
In the technical field of nonvolatile memory, ReRAM (resistive RAM) has attracted attention. The ReRAM is a switching element capable of switching between two states having different resistance states. Generally, the ReRAM is switched between a high resistance state and a low resistance state according to a voltage applied between the pair of electrodes and the electrode pair. And a recording film that can be selectively switched. In ReRAM, information can be recorded or rewritten using selective switching of the resistance state of the recording film. Such ReRAMs or switching elements are described, for example, in
ReRAMは、電気的特性の観点からバイポーラ型とユニポーラ型に大別される。バイポーラ型のReRAMでは、記録膜を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、記録膜を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とが異なる。すなわち、バイポーラ型のReRAMでは、2種類の抵抗状態変化ないし切り替わりにおいて、異なる極性の電圧が利用される。一方、ユニポーラ型のReRAMでは、記録膜を高抵抗状態から低抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、記録膜を低抵抗状態から高抵抗状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とは同じである。すなわち、ユニポーラ型のReRAMでは、二種類の抵抗状態変化において、同じ極性の電圧が利用される。 ReRAM is roughly classified into bipolar and unipolar types from the viewpoint of electrical characteristics. In the bipolar type ReRAM, the voltage application direction between the electrode pair for changing the recording film from the high resistance state to the low resistance state, and between the electrode pair for changing the recording film from the low resistance state to the high resistance state. The direction of voltage application is different. That is, in the bipolar type ReRAM, voltages having different polarities are used in two kinds of resistance state changes or switching. On the other hand, in the unipolar type ReRAM, the voltage application direction between the electrode pair for changing the recording film from the high resistance state to the low resistance state, and the electrode for changing the recording film from the low resistance state to the high resistance state. The direction of voltage application between the pair is the same. That is, in the unipolar ReRAM, voltages having the same polarity are used in two types of resistance state changes.
バイポーラ型のReRAMは、一般に、ユニポーラ型ReRAMよりも高速に動作することができる。バイポーラ型ReRAMとしては、例えば、PrCaMnO3よりなる記録膜を具備する所定のReRAMや、Crが添加されたSrZrO3よりなる記録膜を具備する所定のReRAMなどが報告されている。しかしながら、これらReRAMについては、バイポーラ型の動作が可能であるという事実は知られているが、抵抗状態の異なる二状態間の切り替わりがどのようにして生じるかなどの動作原理が特定されていないものがある。ReRAMなどのスイッチング素子では、動作原理が不明であると、素子各部についての材料選択や設計寸法等の最適化の指針が定まらず、素子設計における最適化が困難である。 Bipolar type ReRAM can generally operate at higher speed than unipolar type ReRAM. As the bipolar ReRAM, for example, a predetermined ReRAM having a recording film made of PrCaMnO 3 and a predetermined ReRAM having a recording film made of SrZrO 3 to which Cr is added have been reported. However, for these ReRAMs, the fact that bipolar operation is possible is known, but the operating principle such as how switching between two states with different resistance states occurs is not specified. There is. For switching elements such as ReRAM, if the operating principle is unknown, optimization guidelines such as material selection and design dimensions for each part of the element cannot be determined, and optimization in element design is difficult.
本発明は、以上のような事情の下で考え出されたものであり、所定の動作原理においてバイポーラ型の状態スイッチング動作が可能なスイッチング素子を提供することを、目的とする。 The present invention has been conceived under the circumstances as described above, and it is an object of the present invention to provide a switching element capable of bipolar state switching operation on a predetermined operating principle.
本発明の第1の側面によるとスイッチング素子が提供される。このスイッチング素子は、第1電極と、第2電極と、スイッチング金属部と、第1電極およびスイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第1酸化物部と、第2電極およびスイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第2酸化物部とを備える。スイッチング金属部は、純金属よりなる部位、または、金属的導電性を示す材料よりなる部位である。 According to a first aspect of the present invention, a switching element is provided. The switching element includes a first electrode, a second electrode, a switching metal portion, a first oxide portion located between the first electrode and the switching metal portion and having P-type semiconductivity, and a second electrode. And a second oxide part located between the switching metal parts and having P-type semiconductivity. The switching metal part is a part made of a pure metal or a part made of a material exhibiting metallic conductivity.
このような構成を有する本スイッチング素子については、スイッチング金属部内での分極方向を選択的に切り替えることができる。 About this switching element which has such a structure, the polarization direction in a switching metal part can be switched selectively.
本スイッチング素子の第1および第2電極を各々正極および負極として当該電極間に電圧を印加すると、第1酸化物部には、第1電極およびスイッチング金属部を各々正極および負極として分圧がかかり、第2酸化物部には、第2電極およびスイッチング金属部を各々負極および正極として分圧がかかる。そして、第1および第2電極を各々正極および負極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたって印加し、電界作用により、第1酸化物部内に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第1電極へと移動させると、第1電極は部分的に酸化して当該酸素イオンを取り込む。このとき、酸素イオンは電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオンとして第1電極へと放出する第1酸化物部には、正電荷を伴う酸素空孔が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の第1酸化物部への第1電極からのホール(キャリア)の供給および第1酸化物部内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、第1酸化物部の抵抗値は上昇し、第1酸化物部は高抵抗状態に至る(第1酸化物部の高抵抗化)。 When a voltage is applied between the first and second electrodes of the switching element as a positive electrode and a negative electrode, respectively, a partial pressure is applied to the first oxide portion using the first electrode and the switching metal portion as a positive electrode and a negative electrode, respectively. The second oxide part is subjected to partial pressure with the second electrode and the switching metal part as the negative electrode and the positive electrode, respectively. Then, the first and second electrodes are respectively used as a positive electrode and a negative electrode, a predetermined voltage is applied between the electrodes for a predetermined time, oxygen ions are generated in the first oxide portion by electric field action, and the oxygen ions are The first electrode partially oxidizes and takes in the oxygen ions. At this time, oxygen ions emit electrons. At the same time, oxygen vacancies with positive charges are generated and accumulated in the first oxide portion that releases constituent oxygen as oxygen ions to the first electrode, and a predetermined internal electric field is formed. This internal electric field prevents the supply of holes (carriers) from the first electrode to the P-type semiconducting first oxide part and the movement of holes in the first oxide part. Therefore, the resistance value of the first oxide portion increases due to the formation of the internal electric field, and the first oxide portion reaches a high resistance state (high resistance of the first oxide portion).
一方、酸素イオンから電子が放出された第1電極と、第2電極および第2酸化物部を介したスイッチング金属部との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、第1電極から外部の電源回路を経て第2電極まで流れ、第2電極とP型半導性の第2酸化物部との界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして第2酸化物部内を流れ、そして、第2酸化物部とスイッチング金属部との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、スイッチング金属部内において、第1酸化物部側へ(即ち、スイッチング金属部と第1酸化物部との接合界面に向かって)移動するが、スイッチング金属部とP型半導性の第1酸化物部との界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。第1酸化物部が、ホール移動や第1電極からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、スイッチング金属部と第1酸化物部との界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。 On the other hand, a current flows between the first electrode from which electrons are released from oxygen ions and the switching metal part via the second electrode and the second oxide part. Specifically, electrons flow as carriers from the first electrode through the external power supply circuit to the second electrode, and exchange of electrons and holes at the interface between the second electrode and the P-type semiconducting second oxide portion. The holes flow as carriers in the second oxide part, and exchange of holes and electrons occurs at the interface between the second oxide part and the switching metal part. The electrons move to the first oxide part side (that is, toward the junction interface between the switching metal part and the first oxide part) in the switching metal part, but the switching metal part and the P-type semiconductor At the interface with the first oxide portion, the exchange of electrons and holes does not occur sufficiently. Since the first oxide part is in a high resistance state as described above in which hole movement and hole supply from the first electrode are suppressed, holes supplied to the interface between the switching metal part and the first oxide part This is because there is considerably less.
そのため、スイッチング金属部内における、第1酸化物部との界面近傍には、電子が蓄積される(この蓄積電子と、正電荷を伴って第1酸化物部内に存在する上述の酸素空孔との間には、静電引力が生じる)。その結果、スイッチング金属部内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、スイッチング金属部内において所定方向の分極が誘起される(スイッチング金属部の第1分極状態化)。第1および第2電極間の印加電圧を消滅させても、第1酸化物部の上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って第1酸化物部内に存在する上述の酸素空孔とスイッチング金属部内の上述の蓄積電子とは引き合い、従って、スイッチング金属部の第1分極状態は維持される。 Therefore, electrons are accumulated in the vicinity of the interface with the first oxide portion in the switching metal portion (the accumulated electrons and the above-described oxygen vacancies existing in the first oxide portion with a positive charge). In the meantime, electrostatic attraction occurs). As a result, the electron density distribution is biased in the switching metal part. In this way, polarization in a predetermined direction is induced in the switching metal part (first switching state of the switching metal part). Even if the applied voltage between the first and second electrodes is extinguished, the above-described high resistance state of the first oxide portion is maintained, and the above-described oxygen vacancy existing in the first oxide portion with a positive charge It attracts the above-mentioned stored electrons in the switching metal part, and therefore the first polarization state of the switching metal part is maintained.
本スイッチング素子においては、第1分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で第1および第2電極の間に所定電圧を印加することによって、以下ようにスイッチング金属部の分極方向を反転させることができる。 In this switching element, by applying a predetermined voltage between the first and second electrodes in a direction opposite to the voltage application direction for realizing the first polarization state, the polarization direction of the switching metal portion is as follows. Can be reversed.
第1酸化物部が高抵抗状態にあり且つスイッチング金属部が第1分極状態にある本スイッチング素子の第1および第2電極を各々負極および正極として当該電極間に電圧を印加すると、第1酸化物部には、第1電極およびスイッチング金属部を各々負極および正極として分圧がかかり、第2酸化物部には、第2電極およびスイッチング金属部を各々正極および負極として分圧がかかる。そして、第1および第2電極を各々負極および正極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたり印加して、電界作用により、第1電極内の上述の部分酸化領域に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第1酸化物部へと移動させると、当該酸素イオンを受容した第1酸化物部では、正電荷を伴う上述の酸素空孔が電気的に中和され、当該酸素空孔の存在に起因する内部電場は消滅する。これにより、第1酸化物部の抵抗値は低下し、第1酸化物部は低抵抗状態に至る(第1酸化物部の低抵抗化)。低抵抗状態にあるP型半導性の第1酸化物部に対しては第1電極およびスイッチング金属部からホールが供給されやすく、且つ、当該第1酸化物部内ではホールは移動しやすい。 When a voltage is applied between the first and second electrodes of the switching element in which the first oxide portion is in a high resistance state and the switching metal portion is in the first polarization state as the negative electrode and the positive electrode, Part pressure is applied with the first electrode and the switching metal part as the negative electrode and the positive electrode, respectively, and the second oxide part is applied with partial pressure with the second electrode and the switching metal part as the positive electrode and the negative electrode, respectively. Then, the first and second electrodes are respectively used as a negative electrode and a positive electrode, a predetermined voltage is applied between the electrodes for a predetermined time, and by the electric field action, oxygen ions are generated in the partial oxidation region in the first electrode, and When the oxygen ions are moved to the first oxide portion, the oxygen vacancies with positive charges are electrically neutralized in the first oxide portion that has received the oxygen ions, and the presence of the oxygen vacancies. The internal electric field due to the disappearance. As a result, the resistance value of the first oxide portion decreases, and the first oxide portion reaches a low resistance state (lower resistance of the first oxide portion). Holes are easily supplied from the first electrode and the switching metal portion to the P-type semiconducting first oxide portion in the low resistance state, and the holes are likely to move in the first oxide portion.
これに対し、第1および第2電極を各々負極および正極として当該電極間に所定電圧を所定時間にわたって印加して、電界作用により、第2酸化物部内に酸素イオンを発生させ且つ当該酸素イオンを第2電極へと移動させると、第2電極は部分的に酸化して当該酸素イオンを取り込む。このとき、酸素イオンは電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオンとして第2電極へと放出する第2酸化物部には、正電荷を伴う酸素空孔が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の第2酸化物部への第2電極からのホール(キャリア)の供給および第2酸化物部内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、第2酸化物部の抵抗値は上昇し、第2酸化物部は高抵抗状態に至る(第2酸化物部の高抵抗化)。 On the other hand, the first and second electrodes are used as the negative electrode and the positive electrode, respectively, and a predetermined voltage is applied between the electrodes for a predetermined time to generate oxygen ions in the second oxide portion by electric field action and When moved to the second electrode, the second electrode is partially oxidized and takes up the oxygen ions. At this time, oxygen ions emit electrons. At the same time, oxygen vacancies with positive charges are generated and accumulated in the second oxide portion that releases constituent oxygen as oxygen ions to the second electrode, and a predetermined internal electric field is formed. This internal electric field hinders the supply of holes (carriers) from the second electrode to the P-type semiconducting second oxide part and the movement of holes in the second oxide part. Therefore, the formation of the internal electric field increases the resistance value of the second oxide part, and the second oxide part reaches a high resistance state (high resistance of the second oxide part).
一方、酸素イオンから電子が放出された第2電極と、第1電極および第1酸化物部を介したスイッチング金属部との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、第2電極から外部の電源回路を経て第1電極まで流れ、第1電極とP型半導性の第1酸化物部との界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして第1酸化物部内を流れ、そして、第1酸化物部とスイッチング金属部との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、スイッチング金属部内において、第2酸化物部側へ(即ち、スイッチング金属部と第2酸化物部との接合界面に向かって)移動するが、スイッチング金属部とP型半導性の第2酸化物部との界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。第2酸化物部が、ホール移動や第2電極からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、スイッチング金属部と第2酸化物部との界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。 On the other hand, a current flows between the second electrode from which electrons are released from oxygen ions and the switching metal part via the first electrode and the first oxide part. Specifically, electrons flow as carriers from the second electrode through the external power supply circuit to the first electrode, and exchange of electrons and holes at the interface between the first electrode and the P-type semiconducting first oxide portion. The holes flow as carriers in the first oxide portion, and exchange of holes and electrons occurs at the interface between the first oxide portion and the switching metal portion. The electrons move toward the second oxide part in the switching metal part (that is, toward the junction interface between the switching metal part and the second oxide part). At the interface with the second oxide portion, the exchange of electrons and holes does not occur sufficiently. Since the second oxide portion is in a high resistance state as described above in which hole movement and hole supply from the second electrode are suppressed, holes supplied to the interface between the switching metal portion and the second oxide portion. This is because there is considerably less.
そのため、スイッチング金属部内における、第2酸化物部との界面近傍には、電子が蓄積される(この蓄積電子と、正電荷を伴って第2酸化物部内に存在する上述の酸素空孔との間には、静電引力が生じる)。その結果、スイッチング金属部内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、スイッチング金属部内において、上述の第1分極状態とは異なる方向の分極が誘起される(スイッチング金属部の第2分極状態化)。第1および第2電極間の印加電圧を消滅させても、第2酸化物部の上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って第2酸化物部内に存在する上述の酸素空孔とスイッチング金属部内の上述の蓄積電子とは引き合い、従って、スイッチング金属部の第2分極状態は維持される。 Therefore, electrons are accumulated in the vicinity of the interface with the second oxide portion in the switching metal portion (the accumulated electrons and the above-described oxygen vacancies existing in the second oxide portion with a positive charge). In the meantime, electrostatic attraction occurs). As a result, the electron density distribution is biased in the switching metal part. In this way, polarization in a direction different from the first polarization state described above is induced in the switching metal part (the second polarization state of the switching metal part). Even if the applied voltage between the first and second electrodes is extinguished, the above-described high resistance state of the second oxide portion is maintained, and the above-described oxygen vacancy existing in the second oxide portion with a positive charge It attracts the above-mentioned stored electrons in the switching metal part, and therefore the second polarization state of the switching metal part is maintained.
また、第2分極状態にあるスイッチング金属部については、第2分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で第1および第2電極の間に所定電圧を印加して、再び第1分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、第1酸化物部を再び高抵抗化し、且つ、第2分極状態化の際に第1酸化物部を低抵抗化させたのと同様に第2酸化物部を低抵抗化することによって、スイッチング金属部を再び第1分極状態に切り替えることが可能である。 For the switching metal part in the second polarization state, a predetermined voltage is applied between the first and second electrodes in the direction opposite to the voltage application direction for realizing the second polarization state, and the second It is possible to switch to a single polarization state. Specifically, the resistance of the first oxide portion is increased again, and the resistance of the second oxide portion is decreased in the same manner as when the resistance of the first oxide portion is decreased during the second polarization state. By doing so, it is possible to switch the switching metal part to the first polarization state again.
以上のように、本スイッチング素子は、スイッチング金属部が第1分極状態にある第1状態と、スイッチング金属部が第2分極状態にある第2状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。 As described above, this switching element can selectively switch between the first state in which the switching metal part is in the first polarization state and the second state in which the switching metal part is in the second polarization state. It is.
本スイッチング素子では、第1状態から第2状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向と、第2状態から第1状態へ変化させるための、電極対間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、本スイッチング素子は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。 In this switching element, the voltage application direction between the electrode pair for changing from the first state to the second state is different from the voltage application direction between the electrode pair for changing from the second state to the first state. . In other words, this device can switch between two states by bipolar operation. In addition, the present switching element can be used as a non-volatile memory element that performs recording or rewriting of information using such state switching.
好ましくは、第1および第2酸化物部は、第1および第2電極とスイッチング金属部との間に位置する単一の酸化物層内に含まれる。このような構成によると、第1および第2酸化物部を個別に形成する必要はない。 Preferably, the first and second oxide portions are included in a single oxide layer located between the first and second electrodes and the switching metal portion. According to such a configuration, it is not necessary to form the first and second oxide parts separately.
好ましくは、第1および第2電極は、スイッチング金属部よりも酸化しやすい材料よりなる。このような構成は、上述の状態スイッチング動作の過程において第1および第2電極を適切に酸化させるうえで、好ましい。第1電極および/または第2電極は、好ましくは、Ti、Ta、およびAlから選択される金属を含んでなる。 Preferably, the first and second electrodes are made of a material that is more easily oxidized than the switching metal portion. Such a configuration is preferable for properly oxidizing the first and second electrodes in the process of the state switching operation described above. The first electrode and / or the second electrode preferably comprises a metal selected from Ti, Ta, and Al.
好ましくは、スイッチング金属部は、Pt、Au、およびPdから選択される金属を含んでなる。このような構成は、上述の状態スイッチング動作の過程においてスイッチング金属部が不当に酸化するのを回避するうえで好適である。 Preferably, the switching metal part includes a metal selected from Pt, Au, and Pd. Such a configuration is suitable for avoiding the oxidation of the switching metal portion in the process of the state switching operation described above.
好ましくは、スイッチング金属部は、磁性金属または磁性半導体よりなる。また、スイッチング金属部はハーフメタルよりなる。このハーフメタルは、例えば、LaNiMnO3(例えばLaNi0.5Mn0.5O3)、LaSrMnO3(例えばLa0.7Sr0.3MnO3)、Fe3O4、またはSrRuO3である。これらの構成は、スイッチング金属部において、分極状態の切り替わりとともに磁性状態の切り替わりを生じさせるのに好適である。スイッチング金属部の磁性状態を切り替え可能な場合、上述の第1分極状態においてスイッチング金属部に生ずる第1磁性状態と、上述の第2分極状態においてスイッチング金属部に生ずる第2磁性状態との間の状態スイッチングを利用して、本素子を不揮発性記憶素子として用いることが可能である。 Preferably, the switching metal part is made of a magnetic metal or a magnetic semiconductor. The switching metal part is made of a half metal. This half metal is, for example, LaNiMnO 3 (for example, LaNi 0.5 Mn 0.5 O 3 ), LaSrMnO 3 (for example, La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 ), Fe 3 O 4 , or SrRuO 3 . These configurations are suitable for causing switching of the magnetic state as well as switching of the polarization state in the switching metal part. When the magnetic state of the switching metal part can be switched, between the first magnetic state generated in the switching metal part in the first polarization state described above and the second magnetic state generated in the switching metal part in the second polarization state described above. This element can be used as a nonvolatile memory element by utilizing state switching.
好ましくは、第1酸化物部および/または第2酸化物部は、PrCaMnO3(例えばPr0.7Ca0.3MnO3)またはLaSrCoO3(例えばLa0.7Sr0.3CoO3)よりなる。 Preferably, the first oxide portion and / or the second oxide portion is made of PrCaMnO 3 (eg, Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 ) or LaSrCoO 3 (eg, La 0.7 Sr 0.3 CoO 3 ).
図1は、本発明の第1の実施形態に係るスイッチング素子X1の断面図である。スイッチング素子X1は、基板Sと、一対の電極1,2と、金属層3と、酸化物層4とを備え、金属層3内での分極方向を選択的に切り替えることができるように構成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a switching element X1 according to the first embodiment of the present invention. The switching element X1 includes a substrate S, a pair of
基板Sは、例えばシリコン基板や酸化物基板である。シリコン基板の表面には、熱酸化膜が形成されていてもよい。酸化物基板としては、例えば、MgO基板、SrTiO3(STO)基板、Al2O3基板、石英基板、およびガラス基板が挙げられる。 The substrate S is, for example, a silicon substrate or an oxide substrate. A thermal oxide film may be formed on the surface of the silicon substrate. Examples of the oxide substrate include an MgO substrate, a SrTiO 3 (STO) substrate, an Al 2 O 3 substrate, a quartz substrate, and a glass substrate.
電極1,2は、酸化しやすい酸化性の導電材料よりなり、好ましくは金属層3より酸化しやすい材料よりなる。電極1,2の構成材料としては、Ti、Ta、Al、Fe、CoおよびNiからなる群より選択される金属、または当該金属を含む合金を採用することができる。電極1,2は、同一の材料により構成してもよいし、異なる材料により構成してもよい。電極1,2の厚さは、例えば20〜200nmである。
The
金属層3は、本発明におけるスイッチング金属部であり、酸化しにくい非酸化性の導電材料よりなる。金属層3の構成材料としては、Pt、Au、Pd、またはこれらから選択される金属を含む合金を採用することができる。金属層3の厚さは、例えば5〜30nmである。
The
酸化物層4は、酸化物部4a,4bを含み、P型半導性を有する酸化物よりなる。酸化物部4aは、酸化物層4において実質的に金属層3と電極1の間に介在する部位である。酸化物部4bは、酸化物層4において実質的に金属層3と電極2の間に介在する部位である。このような酸化物層4は、例えば、ペロブスカイト構造型酸化物、スピネル構造型酸化物、蛍石構造型酸化物、パイロクロア構造型酸化物、タングステンブロンズ構造型酸化物、またはブラウンミラライト構造型酸化物よりなる。ペロブスカイト構造型酸化物としては、PrCaMnO3(例えばPr0.7Ca0.3MnO3)およびLaSrCoO3(例えばLa0.7Sr0.3CoO3)などを採用することができる。これら材料には、必要に応じて、アルカリ土類元素などが添加される。酸化物層4の厚さは例えば20〜200nmである。
The
このような構造を有するスイッチング素子X1の製造においては、例えば、まず、基板S上に、金属層3を構成するための材料、酸化物層4を構成するための材料、および、電極1,2を構成するための材料を順次成膜する。成膜手法としては、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法、またはPLD(Pulsed Laser Deposition)法を採用することができる。次に、これら材料膜について、順次、エッチング処理によりパターニングする。例えばこのようにして、スイッチング素子X1を製造することができる。
In the production of the switching element X1 having such a structure, for example, first, on the substrate S, the material for forming the
図2は、スイッチング素子X1の動作原理を表す。図2(a)に示すようにスイッチング素子X1の電極1を正極とし且つ電極2を負極として電極1,2間に電圧を印加すると、酸化物部4aには、電極1を正極とし且つ金属層3を負極として分圧がかかり、酸化物部4bには、電極2を負極とし且つ金属層3を正極として分圧がかかる。そして、電極1,2を各々正極および負極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物層4の酸化物部4a内に酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は電極1へと移動する。すると、電極1は部分的に酸化して当該酸素イオン5を取り込む(即ち、電極1内に部分酸化領域1aが生ずる)。このとき、酸素イオン5は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン5として電極1へと放出する酸化物部4aには、正電荷を伴う酸素空孔6が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の酸化物部4aへの電極1からのホール(キャリア)の供給および酸化物部4a内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部4aの抵抗値は上昇し、酸化物部4aは高抵抗状態に至る(酸化物部4aの高抵抗化)。
FIG. 2 shows the operating principle of the switching element X1. As shown in FIG. 2A, when a voltage is applied between the
一方、酸素イオン5から電子が放出された電極1と、電極2および酸化物部4bを介した金属層3との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極1から外部の電源回路を経て電極2まで流れ、電極2とP型半導性の酸化物部4bとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部4b内を流れ、そして、酸化物部4bと金属層3との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、金属層3内において酸化物部4a側へ(即ち、金属層3と酸化物部4aとの接合界面に向かって)移動するが、金属層3とP型半導性の酸化物部4aとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部4aが、ホール移動や電極1からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、金属層3と酸化物部4aとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
On the other hand, a current flows between the
そのため、図2(a)に示すように、金属層3内における酸化物部4aとの界面近傍には電子7が蓄積される(この蓄積電子7と、正電荷を伴って酸化物部4a内に存在する酸素空孔6との間には、静電引力が生じる)。その結果、金属層3内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、金属層3内において所定方向の分極が誘起される(金属層3の第1分極状態化)。電極1,2間の印加電圧を消滅させても、酸化物部4aの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部4a内に存在する酸素空孔6と金属層3内の蓄積電子7とは引き合い、従って、金属層3の図2(a)に示す第1分極状態は維持される。この第1分極状態では、金属層3における酸化物部4a側の部位3aと、金属層3における酸化物部4b側の部位3bとの間に誘起電圧V1が生じる。この誘起電圧V1を検出することにより、金属層3の第1分極状態を検知することができる。
Therefore, as shown in FIG. 2A,
スイッチング素子X1においては、第1分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極1,2間に所定電圧を印加することによって、以下ように金属層3の分極方向を反転させることができる。
In the switching element X1, by applying a predetermined voltage between the
酸化物部4aが高抵抗状態にあり且つ金属層3が第1分極状態にあるスイッチング素子X1の電極1を負極とし且つ電極2を正極として電極1,2間に図2(b)に示すように電圧を印加すると、酸化物部4aには、電極1を負極とし且つ金属層3を正極として分圧がかかり、酸化物部4bには、電極2を正極とし且つ金属層3を負極として分圧がかかる。そして、電極1,2を各々負極および正極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたり印加すると、電界作用により、電極1内の部分酸化領域1aに酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は酸化物部4aへと移動する。すると、当該酸素イオン5を受容した酸化物部4aでは、正電荷を伴う酸素空孔6が電気的に中和され、酸素空孔6の存在に起因する内部電場は減弱し、遂には消滅する。これにより、酸化物部4aの抵抗値は低下し、酸化物部4aは低抵抗状態に至る(酸化物部4aの低抵抗化)。低抵抗状態にあるP型半導性の酸化物部4aに対しては電極1および金属層3からホールが供給されやすく、且つ、当該酸化物部4a内ではホールは移動しやすい。
As shown in FIG. 2B, the
これに対し、電極1を負極とし且つ電極2を正極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物部4b内に酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は電極2へと移動する。すると、電極2は部分的に酸化して当該酸素イオン5を取り込む。これにより、電極2内に部分酸化領域2aが生じる。このとき、酸素イオン5は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン5として電極2へと放出する酸化物部4bには、正電荷を伴う酸素空孔6が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の酸化物部4bへの電極2からのホール(キャリア)の供給および酸化物部4b内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部4bの抵抗値は上昇し、酸化物部4bは高抵抗状態に至る(酸化物部4bの高抵抗化)。
On the other hand, when a predetermined voltage is applied between the
一方、酸素イオン5から電子が放出された電極2と、電極1および酸化物部4aを介した金属層3との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極2から外部の電源回路を経て電極1まで流れ、電極1とP型半導性の酸化物部4aとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部4a内を流れ、そして、酸化物部4aと金属層3との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、金属層3内において酸化物部4b側へ(即ち、金属層3と酸化物部4bとの接合界面に向かって)移動するが、金属層3とP型半導性の酸化物部4bとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部4bが、ホール移動や電極2からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、金属層3と酸化物部4bとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
On the other hand, a current flows between the
そのため、金属層3内における酸化物部4bとの界面近傍には電子7が蓄積される(この蓄積電子7と、正電荷を伴って酸化物部4b内に存在する酸素空孔6との間には、静電引力が生じる)。その結果、金属層3内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、金属層3内において、上述の第1分極状態とは異なる方向の分極が誘起される(金属層3の第2分極状態化)。電極1,2間の印加電圧を消滅させても、酸化物部4bの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部4b内に存在する酸素空孔6と金属層3内の蓄積電子7とは引き合い、従って、金属層3の図2(b)に示す第2分極状態は維持される。この第2分極状態では、金属層3における酸化物部4a側の部位3aと、金属層3における酸化物部4b側の部位3bとの間に誘起電圧V2が生じる。この誘起電圧V2を検出することにより、金属層3の第2分極状態を検知することができる。
Therefore,
また、第2分極状態にある金属層3については、第2分極状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極1,2間に所定電圧を印加して、再び第1分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、酸化物部4aを再び高抵抗化し、且つ、第2分極状態化の際に酸化物部4aを低抵抗化させたのと同様に酸化物部4bを低抵抗化することによって、金属層3を再び第1分極状態に切り替えることが可能である。
For the
以上のように、スイッチング素子X1は、金属層3が第1分極状態にある第1状態と、金属層3が第2分極状態にある第2状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。
As described above, the switching element X1 can selectively switch between the first state in which the
スイッチング素子X1では、第1状態から第2状態へ変化させるための、電極1,2間の電圧印加方向と、第2状態から第1状態へ変化させるための、電極1,2間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、スイッチング素子X1は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
In the switching element X1, the voltage application direction between the
本実施形態のスイッチング素子X1においては、酸化物部4a,4bは単一の酸化物層4内に含まれるが、酸化物部4a,4bは、金属層3上において分離していてもよい。
In the switching element X1 of the present embodiment, the
図3は、本発明の第2の実施形態に係るスイッチング素子X2の断面図である。スイッチング素子X2は、基板Sと、一対の電極1,2と、導電磁性層8と、酸化物層4とを備え、導電磁性層8内の磁性状態を選択的に切り替えることができるように構成されている。スイッチング素子X2は、金属層3に代えて導電磁性層8を備える点において、スイッチング素子X1と異なる。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the switching element X2 according to the second embodiment of the present invention. The switching element X2 includes a substrate S, a pair of
導電磁性層8は、部位8a,8bを含み、を電子密度の変化によってキュリー温度や、磁気異方性、磁化方向などの磁性が変化する磁性金属または磁性半導体よりなる。部位8aは、導電磁性層8において酸化物層4の酸化物部4aに対向する領域であり、部位8bは、導電磁性層8において酸化物層4の酸化物部4bに対向する領域である。電子密度の変化によって磁性が変化する磁性材料としては、例えばハーフメタルが挙げられる。本発明において、ハーフメタルとしては、LaNiMnO3(例えばLaNi0.5Mn0.5O3)、LaSrMnO3(例えばLa0.7Sr0.3MnO3)、Fe3O4(スピネル構造のマグネタイト)、またはSrRuO3を採用することができる。ハーフメタルでは、フェルミエネルギー準位にある電子は片方のスピンバンド(アップスピンバンドおよびダウンスピンバンドのいずれか)のみを占めており、片方のスピンバンドのみを占める電子群の密度が変化することによって磁性が変化しやすい。
The conductive
図4は、スイッチング素子X2の動作原理を表す。図4(a)に示すようにスイッチング素子X2の電極1を正極とし且つ電極2を負極として電極1,2間に電圧を印加すると、酸化物部4aには、電極1を正極とし且つ導電磁性層8を負極として分圧がかかり、酸化物部4bには、電極2を負極とし且つ導電磁性層8を正極として分圧がかかる。そして、電極1,2を各々正極および負極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物層4の酸化物部4a内に酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は電極1へと移動する。すると、電極1は部分的に酸化して当該酸素イオン5を取り込む(即ち、電極1内に部分酸化領域1aが生ずる)。このとき、酸素イオン5は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン5として電極1へと放出する酸化物部4aには、正電荷を伴う酸素空孔6が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の酸化物部4aへの電極1からのホール(キャリア)の供給および酸化物部4a内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部4aの抵抗値は上昇し、酸化物部4aは高抵抗状態に至る(酸化物部4aの高抵抗化)。
FIG. 4 shows the operating principle of the switching element X2. When a voltage is applied between the
一方、酸素イオン5から電子が放出された電極1と、電極2および酸化物部4bを介した導電磁性層8との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極1から外部の電源回路を経て電極2まで流れ、電極2とP型半導性の酸化物部4bとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部4b内を流れ、そして、酸化物部4bと導電磁性層8との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、導電磁性層8内において酸化物部4a側へ(即ち、導電磁性層8と酸化物部4aとの接合界面に向かって)移動するが、導電磁性層8とP型半導性の酸化物部4aとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部4aが、ホール移動や電極1からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、導電磁性層8と酸化物部4aとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
On the other hand, a current flows between the
そのため、図4(a)に示すように、導電磁性層8内における酸化物部4aとの界面近傍すなわち部位8aには電子7が蓄積される(この蓄積電子7と、正電荷を伴って酸化物部4a内に存在する酸素空孔6との間には、静電引力が生じる)。その結果、導電磁性層8内で電子密度分布に偏りが生じる。そして、このような電子密度の偏りに基づき、導電磁性層8内で磁性状態に偏りが生じる。このようにして、導電磁性層8内において所定の磁性状態が誘起される(導電磁性層8の第1磁性状態化)。また、導電磁性層8内においては所定方向の分極も誘起される(導電磁性層8の第1分極状態化)。電極1,2間の印加電圧を消滅させても、酸化物部4aの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部4a内に存在する酸素空孔6と導電磁性層8内の蓄積電子7とは引き合い、従って、導電磁性層8の図4(a)に示す第1磁性状態は維持される(第1分極状態も維持される)。この第1磁性状態は、導電磁性層8における酸化物部4a側ないし部位8a側と、導電磁性層8における酸化物部4b側ないし部位8b側との間の誘起電圧や電流を測定することによって、検知することができる。また、基板Sとして透明基板を採用したうえで、図5に示すように基板S側から導電磁性層8の部位8a,8bにレーザ光Lを照射してその反射光のカー回転角を測定することによって、部位8a,8bのカー回転角の差に基づき導電磁性層8の第1磁性状態を検出することも可能である。
Therefore, as shown in FIG. 4A,
スイッチング素子X2においては、第1磁性状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向に電極1,2間に所定電圧を印加することによって、以下ように導電磁性層8の磁性状態を変化させることができる。
In the switching element X2, by applying a predetermined voltage between the
酸化物部4aが高抵抗状態にあり且つ導電磁性層8が第1磁性状態にあるスイッチング素子X1の電極1を負極とし且つ電極2を正極として電極1,2間に図4(b)に示すように電圧を印加すると、酸化物部4aには、電極1を負極とし且つ導電磁性層8を正極として分圧がかかり、酸化物部4bには、電極2を正極とし且つ導電磁性層8を負極として分圧がかかる。そして、電極1,2を各々負極および正極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたり印加すると、電界作用により、電極1内の部分酸化領域1aに酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は酸化物部4aへと移動する。すると、当該酸素イオン5を受容した酸化物部4aでは、正電荷を伴う酸素空孔6が電気的に中和され、酸素空孔6の存在に起因する内部電場は消滅する。これにより、酸化物部4aの抵抗値は低下し、酸化物部4aは低抵抗状態に至る(酸化物部4aの低抵抗化)。この低抵抗状態にあるP型半導性の酸化物部4aに対しては電極1および導電磁性層8からホールが供給されやすく、且つ、当該酸化物部4a内ではホールは移動しやすい。
4B, the
これに対し、電極1を負極とし且つ電極2を正極として電極1,2間に所定電圧を所定時間にわたって印加すると、電界作用により、酸化物部4b内に酸素イオン5が発生し、当該酸素イオン5は電極2へと移動する。すると、電極2は部分的に酸化して当該酸素イオン5を取り込む。これにより、電極2内に部分酸化領域2aが生じる。このとき、酸素イオン5は電子を放出する。これとともに、構成酸素を酸素イオン5として電極2へと放出する酸化物部4bには、正電荷を伴う酸素空孔6が発生および蓄積し、所定の内部電場が形成される。この内部電場は、P型半導性の酸化物部4bへの電極2からのホール(キャリア)の供給および酸化物部4b内でのホールの移動の妨げとなる。そのため、当該内部電場の形成により、酸化物部4bの抵抗値は上昇し、酸化物部4bは高抵抗状態に至る(酸化物部4bの高抵抗化)。
On the other hand, when a predetermined voltage is applied between the
一方、酸素イオン5から電子が放出された電極2と、電極1および酸化物部4aを介した導電磁性層8との間には、電流が流れる。具体的には、電子がキャリアとして、電極2から外部の電源回路を経て電極1まで流れ、電極1とP型半導性の酸化物部4aとの界面で電子とホールの交換が生じ、ホールがキャリアとして酸化物部4a内を流れ、そして、酸化物部4aと導電磁性層8との界面でホールと電子の交換が生じる。当該電子は、導電磁性層8内において、酸化物部4b側へ(即ち、導電磁性層8と酸化物部4bとの接合界面に向かって)移動するが、導電磁性層8とP型半導性の酸化物部4bとの界面では、電子とホールの交換は充分には生じない。酸化物部4bが、ホール移動や電極2からのホール供給が抑制された上述のような高抵抗状態にあるために、導電磁性層8と酸化物部4bとの界面に供給されるホールが相当程度に少ないからである。
On the other hand, a current flows between the
そのため、導電磁性層8内における酸化物部4bとの界面近傍には電子7が蓄積される(この蓄積電子7と、正電荷を伴って酸化物部4b内に存在する酸素空孔6との間には、静電引力が生じる)。その結果、導電磁性層8内で電子密度分布に偏りが生じる。このようにして、導電磁性層8内において、上述の第1磁性状態とは異なる磁性状態が誘起される(導電磁性層8の第2磁性状態化)。また、導電磁性層8内においては上述の第1分極状態とは反対方向の分極も誘起される(導電磁性層8の第2分極状態)。電極1,2間の印加電圧を消滅させても、酸化物部4bの上述の高抵抗状態は維持され、正電荷を伴って酸化物部4b内に存在する酸素空孔6と導電磁性層8内の蓄積電子7とは引き合い、従って、導電磁性層8の図4(b)に示す第2磁性状態は維持される(第2分極状態も維持される)。この第2磁性状態は、導電磁性層8における酸化物部4a側ないし部位8a側と、導電磁性層8における酸化物部4b側ないし部位8b側との間の誘起電圧や電流を測定することによって、検知することができる。また、上述したように、基板Sとして透明基板を採用したうえで、図5に示すように基板S側から導電磁性層8の部位8a,8bにレーザ光Lを照射してその反射光のカー回転角を測定することによって、部位8a,8bのカー回転角の差に基づき導電磁性層8の第2磁性状態を検出することも可能である。
Therefore,
また、第2分極状態にある導電磁性層8については、第2磁性状態を実現するための電圧印加方向とは逆の方向で電極1,2間に所定電圧を印加して、再び第1分極状態に切り替えることが可能である。具体的には、酸化物部4aを再び高抵抗化し、且つ、第2分極状態化の際に酸化物部4aを低抵抗化させたのと同様に酸化物部4bを低抵抗化することによって、導電磁性層8を再び第1分極状態に切り替えることが可能である。
For the conductive
以上のように、スイッチング素子X2は、導電磁性層8が第1磁性状態にある第1状態と、導電磁性層8が第2磁性状態にある第2状態との間を、選択的に切り替えることが可能である。
As described above, the switching element X2 selectively switches between the first state in which the conductive
スイッチング素子X2では、第1状態から第2状態へ変化させるための、電極1,2間の電圧印加方向と、第2状態から第1状態へ変化させるための、電極1,2間の電圧印加方向とは異なる。すなわち、本素子は、二状態間をバイポーラ型の動作でスイッチング可能なのである。また、スイッチング素子X2は、このような状態スイッチングを利用して情報の記録ないし書き換えを実行する不揮発性記憶素子として用いることが可能である。
In the switching element X2, the voltage application direction between the
本実施形態のスイッチング素子X2においては、酸化物部4a,4bは単一の酸化物層4内に含まれるが、酸化物部4a,4bは、導電磁性層8上において分離していてもよい。
In the switching element X2 of the present embodiment, the
図6に示す構成を有するサンプル素子を、上述のスイッチング素子X1の実施例として作製した。 A sample element having the configuration shown in FIG. 6 was produced as an example of the switching element X1 described above.
本サンプル素子の作製においては、まず、スパッタリング法により、MgO基板の上にPtを30nmの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてArガス(0.5Pa)を用い、Ptターゲットを用い、DC放電とし、投入電力を1.0kWとし、温度条件を400℃とした。 In the production of this sample element, first, Pt was deposited to a thickness of 30 nm on the MgO substrate by sputtering. In this sputtering, Ar gas (0.5 Pa) was used as the sputtering gas, a Pt target was used, DC discharge was performed, the input power was 1.0 kW, and the temperature condition was 400 ° C.
次に、スパッタリング法により、当該Pt膜上にPrCaMnO3(Pr0.7Ca0.3MnO3)を200nmの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてArとO2の混合ガス(0.5Pa,酸素濃度15vol%)を用い、Pr0.7Ca0.3MnO3ターゲットを用い、RF放電とし、投入電力を1.0kWとし、温度条件を400℃とした。 Next, PrCaMnO 3 (Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 ) was formed to a thickness of 200 nm on the Pt film by sputtering. In this sputtering, a mixed gas of Ar and O 2 (0.5 Pa, oxygen concentration 15 vol%) is used as a sputtering gas, a Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 target is used, RF discharge is performed, the input power is 1.0 kW, The condition was 400 ° C.
次に、スパッタリング法により、PrCaMnO3膜上にTiを200nmの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてArガス(0.5Pa)を用い、Tiターゲットを用い、DC放電とし、投入電力を1.0kWとし、温度条件を室温とした。 Next, Ti was formed to a thickness of 200 nm on the PrCaMnO 3 film by sputtering. In this sputtering, Ar gas (0.5 Pa) was used as the sputtering gas, a Ti target was used, DC discharge was performed, the input power was 1.0 kW, and the temperature condition was room temperature.
次に、上記の各材料膜に対してフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングを施した。電極1,2の直径は200μmとした。電極1,2間の間隔は1mmとした。以上のようにして本実施例のサンプル素子を作製した。
Next, patterning was performed on each of the material films using a photolithography technique. The diameter of the
本サンプル素子について、状態スイッチングの有無を調べた。具体的には、本サンプル素子に対し、第1条件での電圧印加およびその後の第2条件での電圧印加を複数回繰り返し、各電圧印加後に金属層3の両端の部位3a,3bの間の誘起電圧を測定した。第1条件では、電極1は正極であり、電極2は負極であり、電極1,2間の印加電圧は、最大値を5Vとして掃引されたDC電圧である。第2条件では、電極1は負極であり、電極2は正極であり、電極1,2間の印加電圧は、最大値を5Vとして掃引されたDC電圧である。第1条件での各電圧印加後には、部位3bを正および部位3aを負として約0.1mVの誘起電圧が検出された(第1分極状態の検出)。また、第2条件での各電圧印加後には、部位3aを正および部位3bを負として約0.1mVの誘起電圧が検出された(第2分極状態の検出)。このように、本サンプル素子については、金属層3が第1分極状態にある第1状態と、金属層3が第2分極状態にある第2状態との間を、選択的に切り替えることができた。
About this sample element, the presence or absence of state switching was investigated. Specifically, the voltage application under the first condition and the subsequent voltage application under the second condition are repeated a plurality of times for this sample element, and after each voltage application, between the
図7に示す構成を有するサンプル素子を、上述のスイッチング素子X2の実施例として作製した。 A sample element having the configuration shown in FIG. 7 was produced as an example of the switching element X2.
本サンプル素子の製造においては、まず、PLD(Pulsed Laser Deposition)法により、透明なSrTiO3(STO)基板の(100)面上に基板温度700℃の条件でLaNi0.5Mn0.5O3(LNMO)を30nmの厚さに成膜した。基板構成材料たるSTOがLNMOと同様にペロブスカイト構造を有するので、本工程では、当該STO基板上にLNMOを適切にエピタキシャル成長させることができた。 In the production of this sample element, first, LaNi 0.5 Mn 0.5 O 3 (LNMO) is formed on a (100) surface of a transparent SrTiO 3 (STO) substrate at a substrate temperature of 700 ° C. by a PLD (Pulsed Laser Deposition) method. Was deposited to a thickness of 30 nm. Since STO as a substrate constituent material has a perovskite structure like LNMO, LNMO can be appropriately epitaxially grown on the STO substrate in this step.
次に、スパッタリング法により、当該LNMO膜上にPrCaMnO3(Pr0.7Ca0.3MnO3)を200nmの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてArとO2の混合ガス(0.5Pa,酸素濃度15vol%)を用い、Pr0.7Ca0.3MnO3ターゲットを用い、RF放電とし、投入電力を1.0kWとし、温度条件を400℃とした。 Next, PrCaMnO 3 (Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 ) was formed to a thickness of 200 nm on the LNMO film by sputtering. In this sputtering, a mixed gas of Ar and O 2 (0.5 Pa, oxygen concentration 15 vol%) is used as a sputtering gas, a Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 target is used, RF discharge is performed, the input power is 1.0 kW, The condition was 400 ° C.
次に、スパッタリング法により、PrCaMnO3(Pr0.7Ca0.3MnO3)膜上にTiを200nmの厚さに成膜した。本スパッタリングでは、スパッタガスとしてArガス(0.5Pa)を用い、Tiターゲットを用い、DC放電とし、投入電力を1.0kWとし、温度条件を室温とした。 Next, Ti was formed in a thickness of 200 nm on a PrCaMnO 3 (Pr 0.7 Ca 0.3 MnO 3 ) film by sputtering. In this sputtering, Ar gas (0.5 Pa) was used as the sputtering gas, a Ti target was used, DC discharge was performed, the input power was 1.0 kW, and the temperature condition was room temperature.
次に、上記の各材料膜に対してフォトリソグラフィ技術を利用してパターニングを施した。電極1,2の直径は200μmとした。電極1,2間の間隔は1mmとした。以上のようにして本実施例のサンプル素子を作製した。このようにして作製されたサンプル素子における導電磁性層8は、磁性を有するハーフメタルたるLNMOよりなるところ、そのキュリー温度は約280K(7℃)である。したがって、下記の電圧印加より前の状態において、室温(296K,23℃)では、本サンプル素子の導電磁性層8は全体にわったって常磁性を示す。
Next, patterning was performed on each of the material films using a photolithography technique. The diameter of the
本サンプル素子について、状態スイッチングの有無を調べた。具体的には、本サンプル素子に対し、第1条件での電圧印加およびその後の第2条件での電圧印加を複数回繰り返し、各電圧印加後に導電磁性層8の部位8a,8bの各々について磁気カー効果測定を行った。第1条件では、電極1は正極であり、電極2は負極であり、電極1,2間の印加電圧は、最大値を5Vとして掃引されたDC電圧である。第2条件では、電極1は負極であり、電極2は正極であり、電極1,2間の印加電圧は、最大値を5Vとして掃引されたDC電圧である。磁気カー効果測定では、室温(296K,23℃)で、導電磁性層8に対して垂直方向に磁場をかけて当該磁場を±10kOeの範囲で掃引しつつ、測定対照箇所(部位8a,8b)に対して基板S側からレーザ光(波長633nm,ビーム直径100μm)を照射してその反射光のカー回転角を測定した。第1条件での各電圧印加後には、部位8aの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループが観測されたのに対し、部位8bの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループは観測されなかった。すなわち、第1条件での各電圧印加後には、本サンプル素子の導電磁性層8内において部位8aが強磁性を示すとともに部位8bが常磁性を示す状態が検出された(第1磁性状態の検出)。一方、第2条件での各電圧印加後には、部位8aの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループが観測されなかったのに対し、部位8bの磁気カー効果測定ではカー回転角について磁気ヒステリシスループは観測された。すなわち、第2条件での各電圧印加後には、本サンプル素子の導電磁性層8内において部位8aが常磁性を示すとともに部位8bが強磁性を示す状態が検出された(第2磁性状態の検出)。第1条件での電圧印加およびその後の第2条件での電圧印加の繰返しによって、部位8aは強磁性と常磁性との間で磁性が切り替わるとともに、部位8bは常磁性と強磁性との間で磁性が切り替わったのである。このように、本サンプル素子について、導電磁性層8が第1磁性状態にある第1状態と、導電磁性層8が第2磁性状態にある第2状態との間を、選択的に切り替えることができた。
About this sample element, the presence or absence of state switching was investigated. Specifically, voltage application under the first condition and subsequent voltage application under the second condition are repeated a plurality of times for this sample element, and each of the
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。 As a summary of the above, the configurations of the present invention and variations thereof are listed below as supplementary notes.
(付記1)第1電極および第2電極と、
スイッチング金属部と、
前記第1電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第1酸化物部と、
前記第2電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第2酸化物部と、を備えるスイッチング素子。
(付記2)前記第1および第2酸化物部は、前記第1および第2電極と前記スイッチング金属部との間に位置する単一の酸化物層内に含まれる、付記1に記載のスイッチング素子。
(付記3)前記第1および第2電極は、前記スイッチング金属部よりも酸化しやすい材料よりなる、付記1または2に記載のスイッチング素子。
(付記4)前記第1電極および/または前記第2電極は、Ti、Ta、およびAlから選択される金属を含んでなる、付記1から3のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記5)前記スイッチング金属部は、Pt、Au、およびPdから選択される金属を含んでなる、付記1から4のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記6)前記スイッチング金属部は、磁性金属または磁性半導体よりなる、付記1から5のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記7)前記スイッチング金属部はハーフメタルよりなる、付記1から5のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(付記8)前記ハーフメタルは、LaNiMnO3、LaSrMnO3、Fe3O4、またはSrRuO3である、付記7に記載のスイッチング素子。
(付記9)前記第1酸化物部および/または前記第2酸化物部は、PrCaMnO3またはSrRuO3よりなる、付記1から8のいずれか一つに記載のスイッチング素子。
(Appendix 1) a first electrode and a second electrode;
A switching metal part,
A first oxide part located between the first electrode and the switching metal part and having P-type semiconductivity;
A switching element comprising: a second oxide part located between the second electrode and the switching metal part and having P-type semiconductivity.
(Supplementary note 2) The switching according to
(Supplementary note 3) The switching element according to
(Supplementary Note 4) The switching element according to any one of
(Supplementary Note 5) The switching element according to any one of
(Supplementary note 6) The switching element according to any one of
(Supplementary note 7) The switching element according to any one of
(Supplementary note 8) The switching element according to supplementary note 7 , wherein the half metal is LaNiMnO 3 , LaSrMnO 3 , Fe 3 O 4 , or SrRuO 3 .
(Supplementary note 9) The switching element according to any one of
X1,X2 スイッチング素子
S 基板
1,2 電極
1a,2a 部分酸化領域
3 金属層
4 酸化物層
4a,4b 酸化物部
5 酸化イオン
6 酸素空孔
7 電子
8 導電磁性層
X1, X2 switching
Claims (5)
スイッチング金属部と、
前記第1電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第1酸化物部と、
前記第2電極および前記スイッチング金属部の間に位置し且つP型半導性を有する第2酸化物部と、を備え、
前記第1電極及び前記第2電極に、第1電圧印加方向に電圧が印加されることにより前記スイッチング金属部内に第1分極状態に分極が誘起され、前記第1電極及び前記第2電極に前記第1電圧印加方向とは逆の第2電圧印加方向に電圧が印加されることにより前記スイッチング金属部内に前記第1分極状態とは異なる方向の第2分極状態に分極が誘起されるスイッチング素子。 A first electrode and a second electrode;
A switching metal part,
A first oxide part located between the first electrode and the switching metal part and having P-type semiconductivity;
A second oxide part located between the second electrode and the switching metal part and having P-type semiconductivity ,
When a voltage is applied to the first electrode and the second electrode in the first voltage application direction, polarization is induced in the first polarization state in the switching metal portion, and the first electrode and the second electrode are A switching element in which polarization is induced in a second polarization state in a direction different from the first polarization state in the switching metal portion by applying a voltage in a second voltage application direction opposite to the first voltage application direction .
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