JP5846571B2 - Manganese oxide, ferroelectric memory device including manganese oxide, and ferroelectric memory device - Google Patents

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本発明は、強誘電性を示しかつ外部磁場によって分極の大きさを制御可能な新規なマンガン酸化物、およびその利用に関する。   The present invention relates to a novel manganese oxide exhibiting ferroelectricity and capable of controlling the magnitude of polarization by an external magnetic field, and use thereof.

ユビキタス情報社会の実現に向け、基盤となるメモリデバイスの高性能、高密度化が求められている。特に、動作速度が高速であること、消費電力が低いこと、および、不揮発であることを兼ね備えたメモリの開発は最重要視されている。上記の要件を兼ね備えたメモリとして、強誘電体メモリ(FeRAM)、磁気抵抗メモリ(MRAM)および抵抗変化メモリ(ReRAM)が多くの期待を集め盛んに研究開発が進められている。この中で、強誘電体メモリは、強誘電体が備える自発分極をメモリ担体とするため、省電力かつ高速動作が可能であり大変有望視されている。   For the realization of a ubiquitous information society, there is a need for high performance and high density memory devices. In particular, the development of a memory that combines high operating speed, low power consumption, and non-volatility is regarded as most important. As memories having the above requirements, ferroelectric memories (FeRAM), magnetoresistive memories (MRAM), and resistance change memories (ReRAM) have been actively researched and developed. Among these, the ferroelectric memory is considered promising because it uses the spontaneous polarization provided in the ferroelectric as a memory carrier, and thus can save power and operate at high speed.

従来の強誘電体メモリの材料として一般的なBaTiO(チタン酸バリウム)およびPbZrTi1−x(PZT:チタン酸ジルコニウム酸鉛)に代表される変位型強誘電体は巨大な電気分極を有する。例えば特許文献1には、PZTが27〜33μC/cm程度のスイッチング電荷量を示すことが記載されている。 Displacement type ferroelectrics represented by BaTiO 3 (barium titanate) and PbZr x Ti 1-x O 3 (PZT: lead zirconate titanate), which are general materials for conventional ferroelectric memories, are enormous electricity. Has polarization. For example, Patent Document 1 describes that PZT exhibits a switching charge amount of about 27 to 33 μC / cm 2 .

特開2010−278476号公報(2010年12月9日公開)JP 2010-278476 A (released on December 9, 2010)

T. Kimura et. al.,Magnetic control of ferroelectric polarization.,Nature, 426, p.55, 2003.T. Kimura et. Al., Magnetic control of ferroelectric polarization., Nature, 426, p.55, 2003. N. A. Hill,Why are there so few magnetic ferroelectrics?,J. Phys. Chem. B, 104, p.6694,2000.N. A. Hill, Why are there so few magnetic ferroelectrics ?, J. Phys. Chem. B, 104, p.6694, 2000. G. Catalan et. al.,Physics and Applications of Bismuth Ferrite.,Advanced Materials, 21, p.2463, 2009.G. Catalan et. Al., Physics and Applications of Bismuth Ferrite., Advanced Materials, 21, p.2463, 2009.

しかし、BaTiOは室温近傍の温度領域において、結晶構造が斜方晶や菱面体晶に逐次変形する。結晶構造が変形することにより、自発分極の方向が回転してしまい、結晶c軸方向の分極成分が減少する。さらに、自発分極自身も不安定になり、メモリ保持特性が著しく劣化する。 However, the crystal structure of BaTiO 3 is successively deformed into an orthorhombic crystal and a rhombohedral crystal in a temperature region near room temperature. When the crystal structure is deformed, the direction of spontaneous polarization is rotated, and the polarization component in the crystal c-axis direction is reduced. Furthermore, the spontaneous polarization itself becomes unstable, and the memory retention characteristic is significantly deteriorated.

PZTはTi濃度が58%以上であれば低温でも正方晶構造をとる。このことから、現在、工業的用途の強誘電体材料としては主としてPZTが用いられている。しかし、PZTは構成元素の一つとして鉛を含む有害な化合物である。国が指定しているPRTR(Pollutant Release and Transfer Registerの略称、環境汚染物質として排出量や移動量の登録が義務ずけられている物質)の第一種指定化学物質にPZTは指定されている。PZTの毒性は総合判定でA、人への発がん性判定でBとなっている(参考神奈川県PRTR情報;http://www.k-erc.pref.kanagawa.jp/prtr/)。この為に、鉛成分を含まずに、かつ、正方晶構造が広い温度範囲で安定である強誘電体を開発することが産業上の重要な課題となっている。また、ジルコニアやチタン元素が高価な元素であることからも、廉価な元素からなる強誘電体の開発が望まれる。
従来の強誘電体メモリは、変位型強誘電体物質に固有の自発分極をメモリ担体とする。変位型強誘電体では結晶中の電荷を担うイオンが、結晶構造の対称位置からシフトすることにより、自発分極が生じる。従来の変位型強誘電体において、自発分極値は物質の固有値であり外部パラメータによって制御できない。そのため、多値記録を可能とする強誘電体メモリは実現されていない。
PZT has a tetragonal structure even at low temperatures if the Ti concentration is 58% or more. Therefore, at present, PZT is mainly used as a ferroelectric material for industrial use. However, PZT is a harmful compound containing lead as one of the constituent elements. PZT is designated as a first-class chemical substance designated by the government as PRTR (abbreviation of Pollutant Release and Transfer Register, a substance that is obligated to register emissions and transfers as environmental pollutants) . The toxicity of PZT is A in comprehensive judgment and B in human carcinogenicity judgment (reference Kanagawa PRTR information; http://www.k-erc.pref.kanagawa.jp/prtr/). For this reason, it is an important industrial issue to develop a ferroelectric that does not contain a lead component and has a tetragonal structure that is stable in a wide temperature range. In addition, since zirconia and titanium elements are expensive elements, it is desired to develop a ferroelectric material composed of inexpensive elements.
A conventional ferroelectric memory uses spontaneous polarization inherent in a displacement type ferroelectric material as a memory carrier. In the displacement type ferroelectric substance, spontaneous charge is generated by shifting the ions carrying the charges in the crystal from the symmetrical position of the crystal structure. In the conventional displacement type ferroelectric, the spontaneous polarization value is an eigenvalue of the substance and cannot be controlled by an external parameter. For this reason, a ferroelectric memory capable of multi-value recording has not been realized.

上記多値記録を実現するためには、強誘電体物質の分極値を外部パラメータによって制御することが必須である。分極値を外部パラメータによって制御する手法としては、電気磁気効果を利用することが提案されている。近年、磁気秩序誘起型の強誘電体であるTbMnOなどでは、電気分極の大きさおよび方向を磁場により制御できることが報告されている(非特許文献1参照)。しかしながら、磁気秩序誘起型強誘電体の自発分極の大きさは、変位型強誘電体の自発分極の大きさに比べて1000分の1程度である。このように自発分極の小さな物質を、強誘電体メモリに応用することは困難である。また、磁気秩序誘起型強誘電体の自発分極は磁気秩序によって誘起されるため、強誘電転移温度と磁気転移温度とが等しい。TbMnOの強誘電転移温度および磁気転移温度は約30K程度であるため、室温で強誘電体メモリとして動作させることは不可能である。 In order to realize the multi-value recording, it is essential to control the polarization value of the ferroelectric material by an external parameter. As a method for controlling the polarization value by an external parameter, it has been proposed to use an electromagnetic effect. In recent years, it has been reported that the magnitude and direction of electric polarization can be controlled by a magnetic field in TbMnO 3 or the like which is a magnetic order induction type ferroelectric (see Non-Patent Document 1). However, the magnitude of the spontaneous polarization of the magnetic order induced ferroelectric is about 1/1000 compared to the magnitude of the spontaneous polarization of the displacement type ferroelectric. Thus, it is difficult to apply a material with small spontaneous polarization to a ferroelectric memory. In addition, since the spontaneous polarization of the magnetic order induced ferroelectric is induced by the magnetic order, the ferroelectric transition temperature and the magnetic transition temperature are equal. Since the ferroelectric transition temperature and magnetic transition temperature of TbMnO 3 are about 30 K, it is impossible to operate as a ferroelectric memory at room temperature.

電気磁気効果を利用して分極の大きさを制御するという観点から見ると、磁性イオンが結晶構造の対称位置からシフトすることにより自発分極が生じ強誘電性を発現する物質が、多値記録を実現する強誘電体メモリを構成する物質として最適と考えられる。しかし、現在までこのような物質の報告はない(非特許文献2参照)。例えば、BiFeO(非特許文献3参照)は、磁性イオンを含む強誘電体物質であるが、強誘電性はBiイオンの変位に起因し、磁性はFeイオンが有するスピンが担っている。したがって、外部磁場を印加することによって得られる電気磁気効果が極めて小さく、メモリの多値記録を実現するために十分な分極値の変化は得られていない。 From the viewpoint of controlling the magnitude of polarization using the electromagnetic effect, a substance that exhibits ferroelectricity due to spontaneous polarization due to the shift of magnetic ions from the symmetrical position of the crystal structure is capable of multi-value recording. It is considered to be optimal as a material constituting the ferroelectric memory to be realized. However, there is no report of such a substance until now (refer nonpatent literature 2). For example, BiFeO 3 (see Non-Patent Document 3) is a ferroelectric substance containing magnetic ions. Ferroelectricity is caused by displacement of Bi ions, and magnetism is played by spins of Fe ions. Therefore, the electromagnetic effect obtained by applying an external magnetic field is extremely small, and a change in polarization value sufficient to realize multi-value recording in a memory cannot be obtained.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的の第一は、有害な鉛を含まない化合物を用いて、従来の変位型強誘電体と同等の強誘電体特性を示す強誘電体を提供することである。第二にはその主成分としてチタンなどの高価な原料を含まない強誘電体を提供することである。第三には磁性イオンの変位に起因した強誘電特性を示し、かつ外部磁場を印加することによって強誘電特性を変化させることが可能な磁気強誘電体およびその利用を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and the first of its purposes is to use a compound that does not contain harmful lead and exhibits ferroelectric properties equivalent to those of conventional displacement ferroelectrics. It is to provide a ferroelectric. The second is to provide a ferroelectric that does not contain an expensive raw material such as titanium as its main component. A third object is to provide a magnetic ferroelectric material that exhibits ferroelectric characteristics resulting from displacement of magnetic ions and that can change the ferroelectric characteristics by applying an external magnetic field, and uses thereof.

本発明に係るマンガン酸化物は、ペロブスカイト構造を有する、下記式(1)
Sr1−xBaMnO(1≧x>0.4)・・・(1)
で表される物質であることを特徴とする。
The manganese oxide according to the present invention has a perovskite structure and has the following formula (1):
Sr 1-x Ba x MnO 3 (1 ≧ x> 0.4) (1)
It is a substance represented by.

本発明に係るマンガン酸化物は、Mnサイトを、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、Fe(鉄)、およびCr(クロム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素Aによって置換した、下記式(2)
Sr1−xBaMn1−y(0.5≧y>0)・・・(2)
で表される物質でもよい。
In the manganese oxide according to the present invention, the Mn site is replaced with at least one element A selected from the group consisting of Al (aluminum), Ga (gallium), Fe (iron), and Cr (chromium). Following formula (2)
Sr 1-x Ba x Mn 1-y A y O 3 (0.5 ≧ y> 0) (2)
A substance represented by

本発明に係るマンガン酸化物は、上記yが0.05≧y>0の範囲内であることがより好ましい。   In the manganese oxide according to the present invention, y is more preferably in the range of 0.05 ≧ y> 0.

本発明に係る強誘電体メモリ素子は、上記式(1)および(2)のいずれか1つのマンガン酸化物を強誘電体として備えていることがより好ましい。   More preferably, the ferroelectric memory element according to the present invention includes any one of the above-described formulas (1) and (2) as a ferroelectric.

本発明に係る強誘電体メモリ素子は、上記マンガン酸化物の分極方向に対して垂直な面に、当該マンガン酸化物を挟むように設けられる第一電極および第二電極を備えることがより好ましい。   The ferroelectric memory element according to the present invention more preferably includes a first electrode and a second electrode provided on a surface perpendicular to the polarization direction of the manganese oxide so as to sandwich the manganese oxide.

本発明に係る強誘電体メモリ装置は、強誘電体メモリ素子を複数、マトリクス状に備えた強誘電体メモリ素子アレイと、上記第一電極および上記第二電極のいずれか一方と導通しており、かつ、行方向および列方向のいずれか一方の方向に上記強誘電体メモリ素子を電気的に接続する複数のワード線と、上記第一電極および上記第二電極のうち他方と導通しており、かつ、行方向および列方向のうち上記ワード線とは異なる方向に上記強誘電体メモリ素子を電気的に接続する複数のビット線と、上記マンガン酸化物の分極方向に対して平行および垂直のいずれか一方の方向に外部磁場を印加する外部磁場印加手段とを備えることがより好ましい。   A ferroelectric memory device according to the present invention is electrically connected to a ferroelectric memory element array having a plurality of ferroelectric memory elements in a matrix and either the first electrode or the second electrode. A plurality of word lines that electrically connect the ferroelectric memory element in one of a row direction and a column direction, and the other of the first electrode and the second electrode. And a plurality of bit lines electrically connecting the ferroelectric memory elements in a direction different from the word line in the row direction and the column direction, and parallel and perpendicular to the polarization direction of the manganese oxide More preferably, an external magnetic field applying means for applying an external magnetic field in any one direction is provided.

本発明に係るマンガン酸化物は、毒性材料である鉛を含まない、安全な強誘電体を実現するという効果を奏する。また、廉価な原料により構成されるために製造コストを抑制するという効果を奏する。さらに、印加磁場強度を制御することによって強誘電特性を制御するができるため、多値記録可能な強誘電体メモリ素子および強誘電体メモリ装置を実現するという効果を奏する。   The manganese oxide according to the present invention has the effect of realizing a safe ferroelectric material that does not contain lead, which is a toxic material. Moreover, since it is comprised with an inexpensive raw material, there exists an effect of suppressing manufacturing cost. Furthermore, since the ferroelectric characteristics can be controlled by controlling the applied magnetic field strength, there is an effect of realizing a ferroelectric memory element and a ferroelectric memory device capable of multi-value recording.

本発明の一実施形態に係るマンガン酸化物の結晶構造、および、Mnイオンが有するスピンが反強磁性的に秩序する様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that the crystal structure of the manganese oxide which concerns on one Embodiment of this invention, and the spin which Mn ion has are antiferromagnetically ordered. 図中の(a)は、本発明の一実施例に係るマンガン酸化物における格子定数のBa濃度依存性を示し、(b)は、当該マンガン酸化物における正方晶度のBa濃度依存性を示す図である。(A) in the figure shows the Ba concentration dependence of the lattice constant in the manganese oxide according to one embodiment of the present invention, and (b) shows the Ba concentration dependence of the tetragonal degree in the manganese oxide. FIG. 図中の(a)は、本発明の一実施例に係るマンガン酸化物における格子定数の温度依存性を示し、(b)は、当該マンガン酸化物における正方晶度の温度依存性を示す図である。(A) in a figure shows the temperature dependence of the lattice constant in the manganese oxide which concerns on one Example of this invention, (b) is a figure which shows the temperature dependence of the tetragonal degree in the said manganese oxide. is there. 本発明の一実施例に係るマンガン酸化物における電気分極の電場依存性を示す図である。It is a figure which shows the electric field dependence of the electric polarization in the manganese oxide which concerns on one Example of this invention. 本発明の他の実施例に係るAlまたはGaを添加したマンガン酸化物における電気分極の電場依存性を示す図である。It is a figure which shows the electric field dependence of the electric polarization in the manganese oxide which added Al or Ga which concerns on the other Example of this invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子の構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a ferroelectric memory element according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子の他の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the other structure of the ferroelectric memory element based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子のさらに他の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows other structure of the ferroelectric memory element based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子のさらに他の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows other structure of the ferroelectric memory element based on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子のさらに他の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows other structure of the ferroelectric memory element based on one Embodiment of this invention.

〔実施形態1〕
本発明の一実施形態に係るマンガン酸化物Sr1−xBaMnO(1≧x>0.4)について、図1〜4を参照しながら説明する。
Embodiment 1
The manganese oxide Sr 1-x Ba x MnO 3 (1 ≧ x> 0.4) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

(磁気強誘電体Sr1−xBaMnOの結晶構造)
Sr1−xBaMnO(1≧x>0.4)は、図1の(a)に示すようにペロブスカイト構造を有する。単位格子1の対称中心には磁性イオンであるMnイオン3が存在する。単位格子1の対称中心をMnサイトとする。単位格子1が有する8個の頂点には、SrイオンおよびBaイオンのうちいずれか一方が存在している。単位格子1が有する頂点をSrサイト2とする。単位格子1が有する6面の面心には、Oイオン4が存在する。なお、図1に示すようにa軸、b軸およびc軸からなる直交座標を定義する。本明細書においてSr1−xBaMnOと表記した場合、特に断りがない限りはペロブスカイト構造を有するSr1−xBaMnO(1≧x>0.4)のことを意味する。なお、Sr1−xBaMnOにおいて、xは、全Srサイトを1としたときのBaイオンで置換されたSrサイトの比率を表す。しかし、本明細書ではxのことをBa濃度と呼ぶ。
(Crystal Structure of Magnetic Ferroelectric Sr 1-x Ba x MnO 3 )
Sr 1-x Ba x MnO 3 (1 ≧ x> 0.4) has a perovskite structure as shown in FIG. Mn ions 3 that are magnetic ions are present at the center of symmetry of the unit cell 1. The center of symmetry of the unit cell 1 is the Mn site. One of Sr ions and Ba ions is present at the eight vertices of the unit cell 1. The vertex of the unit cell 1 is defined as Sr site 2. O ions 4 are present at the center of the six faces of the unit cell 1. In addition, as shown in FIG. 1, the orthogonal coordinate which consists of a-axis, b-axis, and c-axis is defined. If herein it was expressed as Sr 1-x Ba x MnO 3 , unless otherwise specified means that the Sr 1-x Ba x MnO 3 having a perovskite structure (1 ≧ x> 0.4). In Sr 1-x Ba x MnO 3 , x represents the ratio of Sr sites substituted with Ba ions when all Sr sites are 1. However, in this specification, x is referred to as Ba concentration.

Sr1−xBaMnOが有するペロブスカイト構造は、室温より充分に高い所定の温度(420Kの近傍:構造転移温度と称する)において構造転移を起こす。構造転移温度より高温側においてはペロブスカイト構造が立方晶であるのに対して、構造転移温度より低温側においてはペロブスカイト構造が正方晶となる。立方晶から正方晶への構造転移に伴って、Sr1−xBaMnOは誘電体から強誘電体へ転移する。したがって、Sr1−xBaMnOが有する構造転移温度は、強誘電転移温度でもある。 The perovskite structure of Sr 1-x Ba x MnO 3 causes a structural transition at a predetermined temperature (near 420K: referred to as a structural transition temperature) sufficiently higher than room temperature. The perovskite structure is cubic on the higher temperature side than the structural transition temperature, whereas the perovskite structure is tetragonal on the lower temperature side than the structural transition temperature. Along with the structural transition from cubic to tetragonal, Sr 1-x Ba x MnO 3 transitions from dielectric to ferroelectric. Therefore, the structural transition temperature of Sr 1-x Ba x MnO 3 is also a ferroelectric transition temperature.

Baイオンのイオン半径の方がSrイオンのイオン半径より大きい。よって、Ba濃度が大きくなるほどSr1−xBaMnOの格子定数は大きくなる。その結果、構造転移温度および強誘電転移温度が上昇すると考えられる。このことによって、室温付近における誘電率が大きくなると考えられる。 The ion radius of Ba ions is larger than that of Sr ions. Accordingly, the lattice constant of Sr 1-x Ba x MnO 3 increases as the Ba concentration increases. As a result, the structural transition temperature and the ferroelectric transition temperature are considered to increase. This is thought to increase the dielectric constant near room temperature.

構造転移温度より低温領域において、Sr1−xBaMnOが取り得る結晶構造は正方晶のみである。すなわち、斜方晶および菱面対称といった結晶構造に変形することがない。変位型強誘電体における自発分極の方向は結晶構造に大きく依存することが知られている。しかし、Sr1−xBaMnOが強誘電状態のとき、その結晶構造は常に正方晶である。そのため、自発分極の方向が回転することがない。 In a region lower than the structure transition temperature, Sr 1-x Ba x MnO 3 can have only a tetragonal crystal structure. That is, there is no deformation to a crystal structure such as orthorhombic and rhombohedral symmetry. It is known that the direction of spontaneous polarization in a displacement-type ferroelectric greatly depends on the crystal structure. However, when Sr 1-x Ba x MnO 3 is in the ferroelectric state, its crystal structure is always tetragonal. Therefore, the direction of spontaneous polarization does not rotate.

Sr1−xBaMnOは、a軸、b軸およびc軸のいずれかの方向に外部電場を印加することによってMnイオン3およびOイオン4が変位する。その結果、Sr1−xBaMnOは強誘電性を示す。さらに、Mnイオン3のスピン5は反強磁性的な秩序を有する。Mnイオン3が有するスピン5が配列する様子を図1の(b)に示す。a軸方向に外部磁場を印加することによって、室温においてもMnイオン3のスピン5はa軸方向と平行、かつ、反強磁性的に配列する。このように、Sr1−xBaMnOは磁性イオン変位型強誘電体、別の言い方をすれば磁気強誘電体である。Mnイオン3が有するスピン5の間に磁気秩序が存在することによって、Sr1−xBaMnOにおいてスピン格子相互作用が生じる。その結果、強誘電性を発現させる正方晶構造が強固に保持される。Sr1−xBaMnOにおいて、構造転移温度より低温領域において正方晶以外の結晶構造に変形しないのは、Mnスピン間に反強磁性的なスピン秩序が存在するためである。このようにSr1−xBaMnOでは、従来の非磁性である変位型強誘電体において起こっていた正方晶から他の構造への逐次変形を完全に抑制している。 In Sr 1-x Ba x MnO 3 , Mn ions 3 and O ions 4 are displaced by applying an external electric field in any of the a-axis, b-axis, and c-axis directions. As a result, Sr 1-x Ba x MnO 3 exhibits ferroelectricity. Further, the spin 5 of the Mn ion 3 has an antiferromagnetic order. A state in which the spins 5 of the Mn ions 3 are arranged is shown in FIG. By applying an external magnetic field in the a-axis direction, the spins 5 of the Mn ions 3 are arranged parallel to the a-axis direction and antiferromagnetically even at room temperature. Thus, Sr 1-x Ba x MnO 3 is a magnetic ion displacement type ferroelectric, in other words, a magnetic ferroelectric. The presence of magnetic order between the spins 5 of the Mn ions 3 causes spin-lattice interactions in Sr 1-x Ba x MnO 3 . As a result, a tetragonal structure that exhibits ferroelectricity is firmly retained. The reason why Sr 1-x Ba x MnO 3 does not deform into a crystal structure other than tetragonal in the region lower than the structural transition temperature is that there is an antiferromagnetic spin order between Mn spins. As described above, in Sr 1-x Ba x MnO 3 , the sequential deformation from the tetragonal crystal to another structure, which has occurred in the conventional non-magnetic displacement ferroelectric, is completely suppressed.

Sr1−xBaMnOは、従来の変位型強誘電体であるPZTが含む毒性元素Pbを使用しない。したがって、環境および人体に安全な強誘電体である。また、BaTiOが含むTiを使用しない。Tiは比較的コストの高い物質である。したがって、Sr1−xBaMnOはその物理的特性だけでなく、工業的な観点からも重要な物質である。 Sr 1-x Ba x MnO 3 does not use the toxic element Pb contained in PZT, which is a conventional displacement ferroelectric substance. Therefore, it is a ferroelectric material that is safe for the environment and the human body. Further, Ti contained in BaTiO 3 is not used. Ti is a relatively expensive material. Therefore, Sr 1-x Ba x MnO 3 is an important material not only from its physical characteristics but also from an industrial viewpoint.

(結晶構造と強誘電性)
後述する実施例1で得たSr1−xBaMnOにおける、格子定数および正方晶度のBa濃度依存性を図2の(a)および(b)に示す。Sr1−xBaMnOが有するペロブスカイト構造において、x=0の場合、すなわちSrMnOの場合は、a軸とc軸との格子定数が等しく立方晶であることが分かる(図2中の(a)参照)。正方晶度は、a軸とc軸とにおける格子定数の比であり、c軸の格子定数/a軸の格子定数と定義する。したがって、x=0の場合、正方晶度は1となる。
(Crystal structure and ferroelectricity)
(A) and (b) of FIG. 2 show the Ba concentration dependence of the lattice constant and the tetragonal degree in Sr 1-x Ba x MnO 3 obtained in Example 1 described later. In the perovskite structure of Sr 1-x Ba x MnO 3 , it can be seen that when x = 0, that is, in the case of SrMnO 3 , the lattice constants of the a-axis and the c-axis are equal and cubic (in FIG. 2). (See (a)). The tetragonal degree is the ratio of the lattice constant between the a-axis and the c-axis, and is defined as c-axis lattice constant / a-axis lattice constant. Therefore, when x = 0, the tetragonal degree is 1.

Ba濃度を増すに伴ってa軸およびc軸の格子定数は徐々に大きくなる。しかし、0.4≧x≧0の領域において、a軸およびc軸の格子定数が等しく正方晶度は1から変化しない。xが0.4を超えた場合、a軸およびc軸の格子定数に違いが生じる。例えば、x=0.45とした場合は、x=0.4の場合と比較して、c軸の格子定数は更に大きくなる。その一方、a軸の格子定数は小さくなる。したがって、正方晶度は1から大きくなる。x=0.5とするとc軸の格子定数は更に大きくなるため、正方晶度も更に大きくなる。このように、Sr1−xBaMnOの結晶構造は0.4≧x≧0の領域において立方晶であり、x>0.4の領域においては正方晶となる。Sr1−xBaMnOが強誘電性を示すのは結晶構造が正方晶の場合である。したがって、室温領域で強誘電体としてSr1−xBaMnOを用いるためには、x>0.4である必要がある。x>0.4の領域においてxを増加させる場合、Ba濃度と正方晶度と間には正の相関関係がある。したがって、x>0.4の領域であればSr1−xBaMnOは強誘電性を示す。なお、x=1となった時点でSrを完全にBaが置換することになるので、Sr1−xBaMnOにおけるBa濃度の範囲は1≧x>0.4である。また、強誘電体メモリ素子としての用途を考慮した場合、十分な強誘電性を確実に担保するため、より好ましいBa濃度の範囲は1≧x>0.45である。 As the Ba concentration increases, the a-axis and c-axis lattice constants gradually increase. However, in the region of 0.4 ≧ x ≧ 0, the a-axis and c-axis lattice constants are equal and the tetragonal degree does not change from 1. When x exceeds 0.4, a difference occurs in the lattice constants of the a axis and the c axis. For example, when x = 0.45, the c-axis lattice constant is further increased compared to the case of x = 0.4. On the other hand, the lattice constant of the a axis becomes small. Therefore, the tetragonal degree increases from 1. When x = 0.5, the lattice constant of the c-axis is further increased, so that the tetragonal degree is further increased. Thus, the crystal structure of Sr 1-x Ba x MnO 3 is a cubic crystal in the region of 0.4 ≧ x ≧ 0 and is a tetragonal crystal in the region of x> 0.4. Sr 1-x Ba x MnO 3 exhibits ferroelectricity when the crystal structure is tetragonal. Therefore, in order to use Sr 1-x Ba x MnO 3 as a ferroelectric in the room temperature region, it is necessary that x> 0.4. When x is increased in a region where x> 0.4, there is a positive correlation between the Ba concentration and the tetragonal degree. Therefore, Sr 1-x Ba x MnO 3 exhibits ferroelectricity in the region of x> 0.4. Note that since Ba is completely replaced by Sr when x = 1, the range of Ba concentration in Sr 1-x Ba x MnO 3 is 1 ≧ x> 0.4. In consideration of the use as a ferroelectric memory element, a more preferable Ba concentration range is 1 ≧ x> 0.45 in order to ensure sufficient ferroelectricity.

図3に、後述する実施例1で得たSr0.5Ba0.5MnOにおける格子定数(同図中の(a))および正方晶度(同図中の(b))の温度依存性を示す。図3の420K付近に図示する破線は、Sr0.5Ba0.5MnOが立方晶から正方晶へ構造転移する構造転移温度を示している。Sr1−xBaMnOは、結晶構造が正方晶になることによって強誘電性を示す。したがって、強誘電転移温度は構造転移温度と一致する。a軸およびc軸の格子定数は、図3中の(a)に示す温度依存性を示す。正方晶度の温度依存性は250K付近にピークを持ち、約150K以下の温度領域においてはほぼ一定となる(図3中の(b)参照)。約420K以下の温度領域において、Sr0.5Ba0.5MnOの正方晶度に変化はあるものの、構造相転移は存在しないことが分かる。したがって、室温を含む約420K以下の全温度領域において、Sr1−xBaMnOは安定した分極スイッチおよび自発分極の保持を実現する。 FIG. 3 shows the temperature dependence of the lattice constant ((a) in the figure) and the tetragonal degree ((b) in the figure) in Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 obtained in Example 1 described later. Showing gender. The broken line shown in the vicinity of 420 K in FIG. 3 indicates the structural transition temperature at which Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 undergoes a structural transition from cubic to tetragonal. Sr 1-x Ba x MnO 3 exhibits ferroelectricity when the crystal structure becomes tetragonal. Therefore, the ferroelectric transition temperature coincides with the structural transition temperature. The lattice constants of the a-axis and c-axis show the temperature dependence shown in (a) in FIG. The temperature dependence of tetragonal crystallinity has a peak in the vicinity of 250K, and is substantially constant in a temperature range of about 150K or less (see (b) in FIG. 3). It can be seen that although there is a change in the tetragonal degree of Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 in the temperature range of about 420 K or less, there is no structural phase transition. Therefore, Sr 1-x Ba x MnO 3 realizes a stable polarization switch and retention of spontaneous polarization in the entire temperature range of about 420 K or less including room temperature.

図3の約190Kに図示する破線は、Sr0.5Ba0.5MnOの反強磁性磁気転移温度を示す。Mnイオン3が有するスピン5の間に反強磁性秩序が生じることに伴って、スピン5と結晶格子との間にはスピン格子相互作用が働く(図1も参照)。このために、正方晶度が著しく減少する(図3中の(b)参照)。正方晶度は試料が強誘電状態であることによって生じる格子歪を反映している。変位型強誘電体の場合、正方晶度は自発分極のほぼ2乗に比例することが知られている。従って、磁気転移温度を境に、Sr1−xBaMnOの自発分極は8〜9μC/cm程度変化していることになる。 The broken line illustrated at about 190K in FIG. 3 indicates the antiferromagnetic magnetic transition temperature of Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 . As antiferromagnetic ordering occurs between the spins 5 of the Mn ions 3, spin-lattice interaction acts between the spins 5 and the crystal lattice (see also FIG. 1). For this reason, the tetragonal crystallinity is remarkably reduced (see (b) in FIG. 3). Tetragonal crystallinity reflects the lattice strain caused by the sample being in a ferroelectric state. In the case of a displacement type ferroelectric, it is known that the tetragonal degree is proportional to the square of the spontaneous polarization. Therefore, the spontaneous polarization of Sr 1-x Ba x MnO 3 changes by about 8 to 9 μC / cm 2 at the boundary of the magnetic transition temperature.

(電気分極の電場依存性)
後述する実施例1で得た、双晶状態のSr0.5Ba0.5MnOにおける強誘電分極ヒステリシス曲線を図4に示す。図中の破線および実線は、印加磁場がない状態および印加磁場がある状態における強誘電分極ヒステリシス曲線を示す。
(Dependence of electric polarization on electric field)
FIG. 4 shows a ferroelectric polarization hysteresis curve in twin state Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 obtained in Example 1 described later. The broken line and the solid line in the figure show the ferroelectric polarization hysteresis curve in the absence of an applied magnetic field and in the presence of an applied magnetic field.

印加磁場がない状態における正の自発分極の値をPzeroとする。一方、外部磁場を印加した場合の正の自発分極の値をPとする。図4から明らかなように、外部磁場を印加することによって著しく自発分極の値を増大することが可能である。外部磁場を印加することによって増大する自発分極の値は、磁気転移温度において反強磁性的な磁気秩序が生じるに伴って変化する自発分極の値(8〜9μC/cm)と同程度になる。外部磁場によってスピン5が反強磁性的に配列した場合、電場を印加することによってMn−O−Mnの結合角度が180度からずれる方向にMnイオン3およびOイオン4が変位する(図1も参照)。したがって、電気分極値は増大する。 Let P zero be the value of positive spontaneous polarization in the absence of an applied magnetic field. On the other hand, the value of positive spontaneous polarization in the case of applying an external magnetic field and P H. As is clear from FIG. 4, it is possible to significantly increase the value of spontaneous polarization by applying an external magnetic field. The value of spontaneous polarization that increases by applying an external magnetic field is approximately the same as the value of spontaneous polarization (8 to 9 μC / cm 2 ) that changes with the occurrence of antiferromagnetic magnetic order at the magnetic transition temperature. . When spins 5 are arranged antiferromagnetically by an external magnetic field, Mn ions 3 and O ions 4 are displaced in a direction in which the Mn—O—Mn bond angle deviates from 180 degrees by applying an electric field (also in FIG. 1). reference). Therefore, the electric polarization value increases.

磁気転移温度より高温側の温度領域において、Sr1−xBaMnOには弱い反強磁性的な秩序が存在している。弱い反強磁性的な秩序と熱エネルギーとが競合することで、Mnイオンが有するスピンは反強磁性的な秩序を持ちつつ揺らいだ状態として存在する(図1も参照)。揺らいでいるスピンを、外部磁場を印加することによって強制的に反強磁性的な秩序状態にすることにより、自発分極値を増大することを実現している。したがって、スピンを反強磁性的な秩序状態にするという意味で、温度を下げること、および、外部磁場を印加することは同様の効果を持つ。すなわち、外部磁場の強度を制御することによって、スピンの秩序状態を制御することが可能である。言い換えれば、外部磁場の強度を制御することによってSr1−xBaMnOの自発分極値を制御することが可能である。 In the temperature region higher than the magnetic transition temperature, Sr 1-x Ba x MnO 3 has a weak antiferromagnetic order. Due to the competition between weak antiferromagnetic order and thermal energy, the spin of Mn ions exists in an antiferromagnetic order and swayed (see also FIG. 1). The spontaneous polarization value is increased by forcing the spinning spin into an antiferromagnetic ordered state by applying an external magnetic field. Therefore, lowering the temperature and applying an external magnetic field have the same effect in the sense of bringing the spin into an antiferromagnetic ordered state. That is, by controlling the intensity of the external magnetic field, it is possible to control the spin order state. In other words, it is possible to control the spontaneous polarization value of Sr 1-x Ba x MnO 3 by controlling the strength of the external magnetic field.

従来の変位型強誘電体において自発分極値は物質固有の値であり、外部パラメータによってその自発分極値を制御することは不可能であった。しかし、Sr1−xBaMnOは、スピンを有するMnイオンが変位することで強誘電性を生じるという特徴と、スピン同士が反強磁性的な秩序を有しているという特徴とを併せ持っている。誘電特性とスピンの秩序とが密接に関連していることを利用することによって、自発分極値を外部磁場によって制御することを実現している。すなわち電気磁気効果を利用して、強誘電体の自発分極値を制御することを実現している。 In the conventional displacement type ferroelectric, the spontaneous polarization value is a value unique to the substance, and it is impossible to control the spontaneous polarization value by an external parameter. However, Sr 1-x Ba x MnO 3 has the characteristics of producing ferroelectricity by the displacement of Mn ions having spins and the characteristic of spins having antiferromagnetic order. ing. By utilizing the close relationship between dielectric properties and spin order, the spontaneous polarization value is controlled by an external magnetic field. That is, it is possible to control the spontaneous polarization value of the ferroelectric using the electromagnetic effect.

(作製方法)
Sr1−xBaMnO(1≧x>0.4)の作製方法を以下に示す。
(Production method)
A method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 (1 ≧ x> 0.4) will be described below.

Sr1−xBaMnOを作製する際の出発原料には、SrCO、BaCOおよびMnの粉末を用いる。所望するSr1−xBaMnOの組成比を得るために、それぞれの出発原料粉末を化学量論比で混合する。混合した粉末は、アルゴンガス雰囲気中またはアルゴンガスフロー中において焼成する。この際、焼成温度はたとえば1100℃、焼成時間は24〜36時間とすればよい。上記焼成は、管状炉および雰囲気を制御することのできる電気炉のうちいずれかの炉を用いればよい。焼成物をよくすりつぶした後、再びアルゴンガス雰囲気中またはアルゴンガスフロー中において焼成する。この際、焼成温度はたとえば1200℃、焼成時間は24〜36時間とすればよい。焼成物を再び良くすりつぶした後、直径5mm、長さ5〜10cmの棒状の形に押し固める。上記棒状の原料を、アルゴンガス雰囲気中またはアルゴンガスフロー中において焼成することによって、Sr1−xBaMnO3−δの棒状試料を得る。ここで、δは酸素の欠損量を表す。この際、焼成温度はたとえば1250℃、焼成時間は24〜36時間とすればよい。 SrCO 3 , BaCO 3 and Mn 2 O 3 powders are used as starting materials for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 . In order to obtain the desired composition ratio of Sr 1-x Ba x MnO 3 , the respective starting material powders are mixed in a stoichiometric ratio. The mixed powder is fired in an argon gas atmosphere or an argon gas flow. At this time, for example, the firing temperature may be 1100 ° C. and the firing time may be 24 to 36 hours. For the firing, any one of a tubular furnace and an electric furnace capable of controlling the atmosphere may be used. After the fired product is thoroughly ground, it is fired again in an argon gas atmosphere or in an argon gas flow. At this time, for example, the firing temperature may be 1200 ° C. and the firing time may be 24 to 36 hours. The fired product is ground again and pressed into a rod-like shape having a diameter of 5 mm and a length of 5 to 10 cm. By firing the rod-shaped raw material in an argon gas atmosphere or an argon gas flow, a rod - shaped sample of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ is obtained. Here, δ represents the amount of oxygen deficiency. At this time, for example, the firing temperature may be 1250 ° C. and the firing time may be 24 to 36 hours.

上記棒状試料を浮遊帯溶融(FZ)法によって溶融および結晶成長することによって、Sr1−xBaMnOの良質な単結晶を得る。FZ法を行うためのFZ炉には、たとえばキャノンマシナリ株式会社および株式会社クリスタルシステムなどが市販するFZ炉を用いることができる。棒状試料を良質な単結晶とするために用いる種結晶は、Sr1−xBaMnOの単結晶または多結晶であればよい。FZ法による結晶成長はアルゴン雰囲気中またはアルゴンガスフロー中にて行う。結晶成長速度は、毎時1.5〜10mmとする。 The rod-shaped sample is melted and crystal-grown by the floating zone melting (FZ) method, thereby obtaining a high-quality single crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3 . As an FZ furnace for performing the FZ method, for example, an FZ furnace commercially available from Canon Machinery Co., Ltd., Crystal System Co., Ltd., and the like can be used. The seed crystal used for making the rod-shaped sample into a high-quality single crystal may be a single crystal or polycrystal of Sr 1-x Ba x MnO 3 . Crystal growth by the FZ method is performed in an argon atmosphere or an argon gas flow. The crystal growth rate is 1.5 to 10 mm per hour.

ここで得られる単結晶は、酸素欠損を有するSr1−xBaMnO3−δである。上記酸素欠損部に酸素を充填するために、結晶作製の最終工程として酸素アニールを行う。FZ法にて作製したSr1−xBaMnO3−δの単結晶と、酸化剤(KClOまたはNaClO)とを一緒に金カプセル中に詰める。上記金カプセルを上記高圧合成装置にセットし、圧力5〜7GPa、アニール温度400〜600℃の条件下でアニールする。アニール時間は1週間程度である。 Single crystal obtained here is Sr 1-x Ba x MnO 3 -δ having an oxygen deficiency. In order to fill the oxygen deficient portion with oxygen, oxygen annealing is performed as the final step of crystal production. A single crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ produced by the FZ method and an oxidizing agent (KClO 4 or NaClO 3 ) are packed together in a gold capsule. The gold capsule is set in the high-pressure synthesizer and annealed under conditions of a pressure of 5 to 7 GPa and an annealing temperature of 400 to 600 ° C. The annealing time is about one week.

酸素欠損の除去は、オゾン雰囲気中におけるアニールによっても除去することができる。この際のアニール条件は、アニール温度が200〜300℃、アニール時間は1〜2時間である。   Removal of oxygen vacancies can also be removed by annealing in an ozone atmosphere. The annealing conditions at this time are an annealing temperature of 200 to 300 ° C. and an annealing time of 1 to 2 hours.

FZ法を用いた単結晶作製方法は、良質な単結晶を得るための方法である。良質な単結晶は、Sr1−xBaMnOの正確な物性評価を行うために必要である。その一方、工業的に利用する場合には結晶の質だけでなく、短い製造時間および安い製造コストなどの要件が求められる。そこで、Sr1−xBaMnOの別の作製方法を以下に説明する。 The single crystal manufacturing method using the FZ method is a method for obtaining a high-quality single crystal. A high-quality single crystal is necessary for accurate physical property evaluation of Sr 1-x Ba x MnO 3 . On the other hand, for industrial use, not only the quality of crystals but also requirements such as short production time and low production cost are required. Therefore, another method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 will be described below.

SrCO、BaCOおよびMnの粉末原料を用いて、焼成および粉砕を繰り返すことによって、Sr1−xBaMnO3−δの焼成物を得る工程は、FZ法を用いた単結晶作製方法における工程と同様である。この焼成物をすりつぶすことによって、Sr1−xBaMnO3−δの粉末材料とする。Sr1−xBaMnO3−δの粉末材料を有機溶媒中に分散させた後、スピンコート法を用いて基板上に塗布する。この後、焼成することによって、Sr1−xBaMnO3−δの結晶薄膜を得ることができる。その後、酸素ガスフロー中において、アニール温度400〜600℃、アニール時間1週間程度の酸素アニールを行うことによって、酸素欠損部に酸素を充填したSr1−xBaMnOの薄膜結晶が得られる。 The step of obtaining a fired product of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ by repeating firing and pulverization using powder raw materials of SrCO 3 , BaCO 3 and Mn 2 O 3 is a single crystal using FZ method. This is the same as the process in the manufacturing method. By grinding this fired product, a powder material of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ is obtained. After a powder material of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ is dispersed in an organic solvent, it is applied on a substrate using a spin coating method. Thereafter, by baking, a crystal thin film of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ can be obtained. Thereafter, in the oxygen gas flow, by performing oxygen annealing at an annealing temperature of 400 to 600 ° C. and an annealing time of about one week, a thin film crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3 in which oxygen deficient portions are filled with oxygen is obtained. .

Sr1−xBaMnO結晶薄膜のさらに別の作製方法としては、化学気相蒸着(CVD)法、スパッター法およびパルスレーザ蒸着(PLD)法などを用いても良い。成膜後の試料の組成はSr1−xBaMnO3−δであるが、酸素ガスフロー中において酸素アニールすることによって、酸素欠陥を除去したSr1−xBaMnOの薄膜結晶が得られる。 As still another method for producing the Sr 1-x Ba x MnO 3 crystal thin film, a chemical vapor deposition (CVD) method, a sputtering method, a pulse laser deposition (PLD) method, or the like may be used. The composition of the sample after the film formation is Sr 1-x Ba x MnO 3 -δ , but the thin film crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3 from which oxygen defects are removed by oxygen annealing in the oxygen gas flow. can get.

(変形例1)
Sr1−xBaMnOの変形例であるSr1−xBaMn1−y(A=Al、Ga、FeおよびCr)について以下に説明する。
(Modification 1)
Sr is a modification of the 1-x Ba x MnO 3 Sr 1-x Ba x Mn 1-y A y O 3 (A = Al, Ga, Fe and Cr) will be described below.

Sr1−xBaMn1−yは、Sr1−xBaMnOにおけるMnサイトをAl、Ga、FeおよびCrからなる群より選択される少なくとも1種の元素Aで置換することで得られる、ペロブスカイト構造を示すマンガン酸化物である。なお、本明細書においてSr1−xBaMn1−yと表記した場合、特に断りがない限りはペロブスカイト構造を有するSr1−xBaMn1−yのことを意味する。 Sr 1-x Ba x Mn 1 -y A y O 3 is substituted for the Mn site in Sr 1-x Ba x MnO 3 Al, Ga, In at least one element A selected from the group consisting of Fe and Cr This is a manganese oxide having a perovskite structure. Incidentally, if the herein was expressed as Sr 1-x Ba x Mn 1 -y A y O 3 , unless otherwise specified in the Sr 1-x Ba x Mn 1 -y A y O 3 having a perovskite structure Means that.

上記のyは、全Mnサイトを1としたときの元素Aのイオン(三価イオンの形態)で置換されたMnサイトの比率を表し、0.5≧y>0である。Mnを置換するためにyは0より大きい数となる。MnサイトをAl、Ga、FeおよびCrのうちいずれかの元素で置換しても、yが0.5以下の範囲であればSr1−xBaMnOの誘電率特性が大きく損なわれることはない。すなわち、結晶構造がペロブスカイト構造から他の構造に転換することはない。 Said y represents the ratio of the Mn site substituted by the ion of element A (a form of trivalent ion) when all Mn sites are 1, and 0.5 ≧ y> 0. In order to replace Mn, y is a number larger than 0. Even if the Mn site is replaced with any element of Al, Ga, Fe and Cr, the dielectric constant characteristics of Sr 1-x Ba x MnO 3 are greatly impaired if y is in the range of 0.5 or less. There is no. That is, the crystal structure does not change from the perovskite structure to another structure.

図5に、母物質であるSr1−xBaMnO、全Mnサイトの1%をAlで置換したSr1−xBaMn0.99Al0.01(実施例2も参照)、および、全Mnサイトの1%をGaで置換したSr1−xBaMn0.99Ga0.01(実施例2も参照)の電気分極の電場依存性を示す。飽和分極値、自発分極値および強誘電分極ヒステリシス曲線の角形比は、Sr1−xBaMnO、Sr1−xBaMn0.99Al0.01およびSr1−xBaMn0.99Ga0.01のそれぞれで異なる。しかし、いずれの試料も良好な強誘電特性を示す。 FIG. 5 shows Sr 1-x Ba x MnO 3 as a base material, Sr 1-x Ba x Mn 0.99 Al 0.01 O 3 in which 1% of all Mn sites are substituted with Al (see also Example 2). ) And the electric field dependence of the electric polarization of Sr 1-x Ba x Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 (see also Example 2) in which 1% of all Mn sites are substituted with Ga. The squareness ratios of the saturation polarization value, spontaneous polarization value and ferroelectric polarization hysteresis curve are Sr 1-x Ba x MnO 3 , Sr 1-x Ba x Mn 0.99 Al 0.01 O 3 and Sr 1-x Ba x. It is different for each of Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 . However, all samples show good ferroelectric properties.

Sr1−xBaMnOの特徴として、比較的大きなリーク電流が流れることが挙げられる。このリーク電流は結晶中の高いキャリア密度に起因しており、キャリア密度はSr1−xBaMnO中に三価のMnイオンが混入することによって増大する。Al、Ga、FeおよびCr等の三価金属イオンを添加することにより三価のMnイオンの発生を抑制し、マンガン酸化物中の残留キャリア密度を減少させることができる。その結果、室温付近の温度領域においてスイッチ動作の安定化を図ることができる。なお、三価金属イオンを添加する効果は微量でも現れるため、Sr1−xBaMnOが元来有する諸特性を維持するという観点では、上記yは0.05≧y>0であることがより好ましい。 A characteristic of Sr 1-x Ba x MnO 3 is that a relatively large leakage current flows. This leakage current is caused by a high carrier density in the crystal, and the carrier density increases when trivalent Mn ions are mixed in Sr 1-x Ba x MnO 3 . By adding trivalent metal ions such as Al, Ga, Fe and Cr, generation of trivalent Mn ions can be suppressed, and the residual carrier density in the manganese oxide can be reduced. As a result, it is possible to stabilize the switch operation in a temperature region near room temperature. In addition, since the effect of adding a trivalent metal ion appears even in a minute amount, the above y is 0.05 ≧ y> 0 from the viewpoint of maintaining various characteristics inherent in Sr 1-x Ba x MnO 3. Is more preferable.

以下、Sr1−xBaMn1−yの作製方法を説明する。出発原料としてSrCO、BaCO、Mnに加えて置換する元素Aの酸化物を用いることを除けば、結晶試料の作製方法はSr1−xBaMnOと同様である。たとえば、Alを用いてMnサイト3を置換する場合、所望する化学量論比となるようにSrCO、BaCO、MnおよびAlの粉末を混合すればよい。その後の作製方法は、Sr1−xBaMnOと同様なのでここでは省略する。 Hereinafter, a method for producing Sr 1-x Ba x Mn 1-y A y O 3 will be described. The method for preparing the crystal sample is the same as that of Sr 1-x Ba x MnO 3 except that the oxide of element A to be substituted is used in addition to SrCO 3 , BaCO 3 , and Mn 2 O 3 as a starting material. For example, when substituting Mn sites 3 with Al, powders of SrCO 3 , BaCO 3 , Mn 2 O 3 and Al 2 O 3 may be mixed so as to obtain a desired stoichiometric ratio. The subsequent manufacturing method is the same as that of Sr 1-x Ba x MnO 3, and is therefore omitted here.

(変形例2)
本発明の一実施形態に係るSr1−xBaMnOの変形例であるSr1−xBaMn1−z(D=Ti、ZrおよびHf)について以下に説明する。
(Modification 2)
Described below Sr 1-x Ba x Mn 1 -z D z O 3 is a variation of Sr 1-x Ba x MnO 3 according to an embodiment of the present invention (D = Ti, Zr and Hf).

Sr1−xBaMn1−zは、Sr1−xBaMnOにおけるMnサイトをTi、ZrおよびHfからなる群より選択される少なくとも1種の元素Dで置換することで得られる、ペロブスカイト構造を示すマンガン酸化物である。なお、本明細書においてSr1−xBaMn1−zと表記した場合、特に断りがない限りはペロブスカイト構造を有するSr1−xBaMn1−zのことを意味する。 Sr 1-x Ba x Mn 1 -z D z O 3 is be substituted with at least one element D selected from the group consisting of Mn sites in Sr 1-x Ba x MnO 3 Ti, from Zr and Hf Is a manganese oxide having a perovskite structure. Incidentally, if the herein was expressed as Sr 1-x Ba x Mn 1 -z D z O 3 , unless otherwise specified in the Sr 1-x Ba x Mn 1 -z D z O 3 having a perovskite structure Means that.

上記のzは、全Mnサイトを1としたときの元素Dのイオン(四価イオンの形態)で置換されたMnサイトの比率を表し、0.5≧z>0である。Mnを置換するためにzは0より大きい数となる。MnサイトをTi、ZrおよびHfのうちいずれかの元素で置換しても、zが0.5以下の範囲であればSr1−xBaMnOの誘電率特性が大きく損なわれることはない。すなわち、結晶構造がペロブスカイト構造から他の構造に変形することもない。 Said z represents the ratio of the Mn site substituted with the ion of the element D (form of a tetravalent ion) when all Mn sites are set to 1, and is 0.5> = z> 0. In order to replace Mn, z is a number greater than 0. Even if the Mn site is replaced with any element of Ti, Zr and Hf, the dielectric constant characteristics of Sr 1-x Ba x MnO 3 are not significantly impaired if z is in the range of 0.5 or less. . That is, the crystal structure does not change from a perovskite structure to another structure.

Sr1−xBaMnOのMnサイトをTi、ZrおよびHfのうちいずれかの元素で置換することによって、強誘電転移温度を変化させることなく、磁気転移温度のみを制御することが可能になる。このことは、外部印加磁界を用いてマンガン酸化物の電気分極を変化させる場合に、その変化の度合いを制御できることを意味する。300K付近の温度領域において、Sr1−xBaMn1−zに磁場を印加する。磁気転移温度が低い試料の場合、300Kにおける磁気秩序は弱く、その結果磁気揺らぎは大きくなる。そのため、外部磁場を印加することによって抑制される磁気揺らぎは大きくなり、電気分極の変化分も大きくなる。一方、磁気転移温度が高い試料の場合、300Kにおいてもある程度の磁気秩序が保たれている。すなわち、外部磁場を印加しない状態でも磁気揺らぎは相対的に小さいと考えられる。よって、外部磁場を印加することによる磁気揺らぎを抑制する効果は相対的に小さくなり、電気分極の変化分も小さくなる。 By replacing the Mn site of Sr 1-x Ba x MnO 3 with any element of Ti, Zr, and Hf, it is possible to control only the magnetic transition temperature without changing the ferroelectric transition temperature. Become. This means that when the electric polarization of manganese oxide is changed using an externally applied magnetic field, the degree of change can be controlled. In the temperature region near 300K, a magnetic field is applied to Sr 1-x Ba x Mn 1 -z D z O 3. In the case of a sample having a low magnetic transition temperature, the magnetic order at 300 K is weak, and as a result, the magnetic fluctuation becomes large. For this reason, the magnetic fluctuation suppressed by applying an external magnetic field increases, and the change in electric polarization also increases. On the other hand, in the case of a sample having a high magnetic transition temperature, a certain degree of magnetic order is maintained even at 300K. That is, it is considered that the magnetic fluctuation is relatively small even when no external magnetic field is applied. Therefore, the effect of suppressing magnetic fluctuation by applying an external magnetic field is relatively small, and the change in electric polarization is also small.

以下、Sr1−xBaMn1−zの作製方法を説明する。出発原料としてSrCO、BaCO、Mnに加えて置換する元素Dの酸化物を用いることを除けば、結晶試料の作製方法はSr1−xBaMnOと同様である。たとえば、Tiを用いてMnを置換する場合、所望する化学量論比となるようにSrCO、BaCO、MnおよびTiOの粉末を混合すればよい。その後の作製方法は、Sr1−xBaMnOと同様なのでここでは省略する。 Hereinafter, a method for producing Sr 1-x Ba x Mn 1-z D z O 3 will be described. The method for preparing the crystal sample is the same as Sr 1-x Ba x MnO 3 except that the oxide of element D to be substituted is used in addition to SrCO 3 , BaCO 3 , and Mn 2 O 3 as starting materials. For example, when substituting Mn with Ti, powders of SrCO 3 , BaCO 3 , Mn 2 O 3 and TiO 2 may be mixed so as to obtain a desired stoichiometric ratio. The subsequent manufacturing method is the same as that of Sr 1-x Ba x MnO 3, and is therefore omitted here.

〔実施形態2〕
(強誘電体メモリ素子)
強誘電体を用いた不揮発性メモリは、キャパシタ型と電界効果トランジスタ(FET)型の2つに大別できる。ここでは、キャパシタ型として用いる強誘電体メモリ素子について説明する。
[Embodiment 2]
(Ferroelectric memory device)
Nonvolatile memories using a ferroelectric material can be broadly classified into two types: a capacitor type and a field effect transistor (FET) type. Here, a ferroelectric memory element used as a capacitor type will be described.

本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子10の構成の概略図を図6に示す。強誘電体メモリ素子10は、強誘電体層11、下部電極(第一電極)12および上部電極(第二電極)13からなる。強誘電体層11は、上記実施形態1で記載した何れかのマンガン酸化物を強誘電体として含んで構成される。マンガン酸化物の分極方向は、強誘電体層11の面内方向に垂直な方向である。   FIG. 6 shows a schematic diagram of the configuration of the ferroelectric memory element 10 according to an embodiment of the present invention. The ferroelectric memory element 10 includes a ferroelectric layer 11, a lower electrode (first electrode) 12, and an upper electrode (second electrode) 13. The ferroelectric layer 11 includes any one of the manganese oxides described in the first embodiment as a ferroelectric. The polarization direction of the manganese oxide is a direction perpendicular to the in-plane direction of the ferroelectric layer 11.

下部電極12および上部電極13は、強誘電体層11を間に挟むように設けられる。下部電極12および上部電極13を構成する材料には、Cu、Al、Ti、PtおよびAuなどの導電性の高い物質を用いればよい。   The lower electrode 12 and the upper electrode 13 are provided so as to sandwich the ferroelectric layer 11 therebetween. As a material constituting the lower electrode 12 and the upper electrode 13, a highly conductive substance such as Cu, Al, Ti, Pt, and Au may be used.

強誘電メモリ素子10に情報を記録する場合、下部電極12および上部電極13にパルス電圧を印加する。上記パルス電圧を印加することによって、強誘電体層11の両端の面(下部電極12および上部電極13が直接接している面)には外部電場が発生し、その結果、強誘電体層11は自発分極する。自発分極の分極方向105(図7参照)は印加するパルス電圧の極性によって決まる。たとえば、下部電極11にプラス電極、上部電極にマイナス電極とした場合(この場合を極性Iとする)の記録状態を”1”とする。一方、下部電極11にマイナス電極、上部電極にプラス電極とした場合(この場合を極性IIとする)の記録状態を”0”とする。これによって、従来の変位型強誘電体を用いた場合と同様に、二値を記録できる。   When information is recorded in the ferroelectric memory element 10, a pulse voltage is applied to the lower electrode 12 and the upper electrode 13. By applying the pulse voltage, an external electric field is generated on the surfaces of both ends of the ferroelectric layer 11 (surfaces in which the lower electrode 12 and the upper electrode 13 are in direct contact). As a result, the ferroelectric layer 11 Spontaneously polarized. The polarization direction 105 of spontaneous polarization (see FIG. 7) is determined by the polarity of the applied pulse voltage. For example, when the lower electrode 11 is a plus electrode and the upper electrode is a minus electrode (in this case, the polarity is I), the recording state is “1”. On the other hand, when the lower electrode 11 is a negative electrode and the upper electrode is a positive electrode (in this case, the polarity is II), the recording state is “0”. As a result, binary values can be recorded as in the case of using a conventional displacement type ferroelectric substance.

さらに、本発明の実施形態に係る強誘電体メモリ素子10では、パルス電圧を印加して情報を記録する際に外部磁場を印加することによって強誘電体層11の自発分極値を制御することができる。極性Iおよび極性IIの選択に加えて、外部磁場の有無を選択することによって自発分極の値を制御する。この場合、四値を1つの強誘電体メモリ素子10に記録できる。すわなち、強誘電体メモリ10は多値記録を実現する。具体的には、極性Iかつ磁場有りにおける自発分極の値を記録状態”11”とする。極性Iかつ磁場無しにおける自発分極の値を記録状態”10”とする。極性IIかつ磁場有りにおける自発分極の値を記録状態”01”とする。極性IIかつ磁場無しにおける自発分極の値を記録状態”00”とする。   Furthermore, in the ferroelectric memory element 10 according to the embodiment of the present invention, the spontaneous polarization value of the ferroelectric layer 11 can be controlled by applying an external magnetic field when recording information by applying a pulse voltage. it can. In addition to the selection of polarity I and polarity II, the value of spontaneous polarization is controlled by selecting the presence or absence of an external magnetic field. In this case, four values can be recorded in one ferroelectric memory element 10. That is, the ferroelectric memory 10 realizes multi-value recording. Specifically, the value of the spontaneous polarization with the polarity I and the presence of a magnetic field is set to the recording state “11”. The value of spontaneous polarization with polarity I and no magnetic field is assumed to be the recording state “10”. The value of the spontaneous polarization with the polarity II and the presence of a magnetic field is defined as a recording state “01”. The value of spontaneous polarization with polarity II and no magnetic field is assumed to be the recording state “00”.

印加磁場の強度を多段階に制御することによって、1つの強誘電体メモリ素子10に記録できる状態数は更に増やすことが可能である。したがって、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子10は、強誘電体メモリの高密度化を図ることができる。   By controlling the strength of the applied magnetic field in multiple stages, the number of states that can be recorded in one ferroelectric memory element 10 can be further increased. Therefore, the ferroelectric memory element 10 according to the embodiment of the present invention can increase the density of the ferroelectric memory.

(変形例1)
本発明の一実施形態に係るキャパシタ型の強誘電メモリ素子の変形例として、強誘電体メモリ素子20の構成の概略図を図8に示す。なお、強誘電体メモリ素子10と共通する部材については共通の部材番号を付し、その説明を省略する。
(Modification 1)
As a modification of the capacitor-type ferroelectric memory device according to one embodiment of the present invention, a schematic diagram of a configuration of a ferroelectric memory device 20 is shown in FIG. Note that members common to the ferroelectric memory element 10 are denoted by common member numbers and description thereof is omitted.

強誘電体メモリ素子20は、強誘電体層11、下部電極12および上部電極13に加えて絶縁体層21を備えている。上部電極12は、絶縁体層21を介して強誘電体層11の上に形成されている。強誘電体メモリ素子20が上記の構成を備えることによって、強誘電体層11の経時劣化を抑制することができる。絶縁体層21は、強誘電体層11の上面および下面のいずれか一方、または、その両面に形成されていればよい。絶縁体層21には、たとえば酸化シリコンなどの酸化物を用いることができる。   The ferroelectric memory element 20 includes an insulator layer 21 in addition to the ferroelectric layer 11, the lower electrode 12 and the upper electrode 13. The upper electrode 12 is formed on the ferroelectric layer 11 via the insulator layer 21. By providing the ferroelectric memory element 20 with the above-described configuration, deterioration of the ferroelectric layer 11 with time can be suppressed. The insulator layer 21 only needs to be formed on one or both of the upper and lower surfaces of the ferroelectric layer 11. For the insulator layer 21, for example, an oxide such as silicon oxide can be used.

(変形例2)
本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子の他の変形例として、強誘電体メモリ素子30の構成の概略図を図9に示す。なお、強誘電体メモリ素子10と共通する部材については共通の部材番号を付し、その説明を省略する。
(Modification 2)
FIG. 9 shows a schematic diagram of a configuration of a ferroelectric memory element 30 as another modification of the ferroelectric memory element according to the embodiment of the present invention. Note that members common to the ferroelectric memory element 10 are denoted by common member numbers and description thereof is omitted.

強誘電体メモリ素子30は、FET型の強誘電体メモリ素子である。強誘電体メモリ素子30において、強誘電体層11は、シリコン基板31の表面に形成されたチャンネル領域32の上面に形成される。シリコン基板31の表面にはドレイン領域33およびソース領域35が設けられており、それぞれドレイン電極34およびソース電極36に接続されている。強誘電体層11の上面には上部電極13が形成されており、上部電極13はゲート電極37に接続されている。強誘電体メモリ素子30において、チャンネル領域32が下部電極(第一電極)として機能する。   The ferroelectric memory element 30 is an FET type ferroelectric memory element. In the ferroelectric memory element 30, the ferroelectric layer 11 is formed on the upper surface of the channel region 32 formed on the surface of the silicon substrate 31. A drain region 33 and a source region 35 are provided on the surface of the silicon substrate 31 and are connected to a drain electrode 34 and a source electrode 36, respectively. An upper electrode 13 is formed on the upper surface of the ferroelectric layer 11, and the upper electrode 13 is connected to the gate electrode 37. In the ferroelectric memory element 30, the channel region 32 functions as a lower electrode (first electrode).

強誘電体メモリ素子30が上記の構成を備えることによって、CMOS構造とは別のキャパシター構造を設けることなく、シリコン基板上に強誘電体メモリ素子を形成することが可能となる。したがって、強誘電体メモリ素子の作製プロセスと、論理回路を構成するCMOS構造のトランジスタの作製プロセスとにおいて、プロセスフローの一体化を図ることができる。その結果、製造コストの削減が可能となる。   Since the ferroelectric memory element 30 has the above-described configuration, it is possible to form the ferroelectric memory element on the silicon substrate without providing a capacitor structure different from the CMOS structure. Therefore, the process flow can be integrated in the manufacturing process of the ferroelectric memory element and the manufacturing process of the transistor having the CMOS structure constituting the logic circuit. As a result, the manufacturing cost can be reduced.

強誘電体メモリ素子30に情報を記録する場合、ソース電極36およびゲート電極37にパルス電圧を印加する。パルス電圧を印加する際に、強誘電体メモリ素子30に印加する外部磁場の強度を制御することによって、強誘電体層11が生じる自発分極値を制御することができる。すなわち、チャンネル型の強誘電体メモリ素子30においても、強誘電体層11を用いることによって多値記録を実現する。   When information is recorded in the ferroelectric memory element 30, a pulse voltage is applied to the source electrode 36 and the gate electrode 37. When the pulse voltage is applied, the spontaneous polarization value generated by the ferroelectric layer 11 can be controlled by controlling the strength of the external magnetic field applied to the ferroelectric memory element 30. That is, even in the channel type ferroelectric memory element 30, multilevel recording is realized by using the ferroelectric layer 11.

(変形例3)
本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子のさらに他の変形例として、強誘電体メモリ素子40の構成の概略図を図10に示す。なお、強誘電体メモリ素子30と共通する部材については共通の部材番号を付し、その説明を省略する。
(Modification 3)
FIG. 10 shows a schematic diagram of a configuration of a ferroelectric memory element 40 as still another modification of the ferroelectric memory element according to the embodiment of the present invention. Note that members common to the ferroelectric memory element 30 are denoted by common member numbers and description thereof is omitted.

強誘電体メモリ素子40は、強誘電体層11とチャンネル領域32との間に絶縁体層21を設けている点において強誘電体メモリ素子30と異なる。絶縁体層21は、酸化シリコンなどの酸化膜を用いることができる。強誘電体メモリ素子40が上記の構成を備えることによって、強誘電体層11の経時劣化を抑制することができる。   The ferroelectric memory element 40 is different from the ferroelectric memory element 30 in that an insulating layer 21 is provided between the ferroelectric layer 11 and the channel region 32. As the insulator layer 21, an oxide film such as silicon oxide can be used. By providing the ferroelectric memory element 40 with the above-described configuration, deterioration of the ferroelectric layer 11 with time can be suppressed.

(変形例4)
本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ素子の更に他の変形例として、強誘電体メモリ素子50の構成の概略図を図11に示す。なお、強誘電体メモリ素子30および40と共通する部材については共通の部材番号を付し、その説明を省略する。
(Modification 4)
FIG. 11 shows a schematic diagram of a configuration of a ferroelectric memory device 50 as still another modification of the ferroelectric memory device according to the embodiment of the present invention. Members common to the ferroelectric memory elements 30 and 40 are denoted by common member numbers, and description thereof is omitted.

強誘電体メモリ素子50は、強誘電体層11とチャンネル領域32との間に金属バッファー層51を備える点において強誘電体メモリ素子30と異なる。別の言い方をすると、強誘電体メモリ素子50の構成は、強誘電体メモリ素子40が備える絶縁体層21を金属バッファー層51に置き換えた構成である。シリコン基板表面に形成されたドレイン領域34およびソース領域35と、金属バッファー層51とは直接接触しない構成とする。強誘電体メモリ素子50が金属バッファー層51を備えることによって、強誘電体層11の経時劣化を抑制することができる。同時に、強誘電体層11とチャンネル領域32との間に絶縁体層21を設ける必要がないため、自発分極値の低下を抑制することができる。したがって、強誘電体メモリ素子の信頼性向上が期待できる。   The ferroelectric memory element 50 is different from the ferroelectric memory element 30 in that a metal buffer layer 51 is provided between the ferroelectric layer 11 and the channel region 32. In other words, the configuration of the ferroelectric memory element 50 is a configuration in which the insulator layer 21 included in the ferroelectric memory element 40 is replaced with a metal buffer layer 51. The drain region 34 and the source region 35 formed on the silicon substrate surface and the metal buffer layer 51 are not in direct contact with each other. By providing the ferroelectric memory element 50 with the metal buffer layer 51, deterioration of the ferroelectric layer 11 with time can be suppressed. At the same time, since it is not necessary to provide the insulator layer 21 between the ferroelectric layer 11 and the channel region 32, a decrease in the spontaneous polarization value can be suppressed. Therefore, an improvement in the reliability of the ferroelectric memory element can be expected.

〔実施形態3〕
(強誘電体メモリ装置)
本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置100について図7を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態2と同一の構成を持つ部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
(Ferroelectric memory device)
A ferroelectric memory device 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, about the member which has the same structure as the said Embodiment 2, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

強誘電体メモリ装置100は、強誘電体メモリ素子10をマトリクス状に配置した強誘電体メモリ素子アレイと、複数のワード線101と、複数のビット線102とを備える。ワード線101は強誘電体メモリ素子アレイの行方向に配置された配線である。ワード線101と、行方向に配列している強誘電体メモリ素子10の下部電極12とは電気的に導通している。ビット線102は強誘電体メモリ素子アレイの列方向に配置された配線である。また、ビット線102と、列方向に配列している強誘電体メモリ素子10の上部電極13とは電気的に導通している。強誘電体メモリ装置100は、複数の強誘電体メモリ素子10の間に非磁性体固体材料(図7に図示せず)が埋め込まれたデバイス構造を有している。   The ferroelectric memory device 100 includes a ferroelectric memory element array in which ferroelectric memory elements 10 are arranged in a matrix, a plurality of word lines 101, and a plurality of bit lines 102. The word line 101 is a wiring arranged in the row direction of the ferroelectric memory element array. The word line 101 and the lower electrode 12 of the ferroelectric memory element 10 arranged in the row direction are electrically connected. The bit line 102 is a wiring arranged in the column direction of the ferroelectric memory element array. Further, the bit line 102 and the upper electrode 13 of the ferroelectric memory element 10 arranged in the column direction are electrically connected. The ferroelectric memory device 100 has a device structure in which a nonmagnetic solid material (not shown in FIG. 7) is embedded between a plurality of ferroelectric memory elements 10.

強誘電体メモリ装置100は、さらに、コイル103を備える。コイル103は、強誘電体メモリ素子10に情報を記録する際に用いる外部磁場印加手段である。具体的には、強誘電体メモリ素子アレイを取り囲むように配置される配線である。コイル103において図7に図示する矢印の方向に電流を流すことによって、コイル内部の領域にほぼ均一な強度の外部磁場104を印加する。コイル103に流す電流値を制御することによって、強誘電体メモリ素子10に印加する外部磁場104の強度を制御することができる。   The ferroelectric memory device 100 further includes a coil 103. The coil 103 is an external magnetic field applying unit used when information is recorded in the ferroelectric memory element 10. Specifically, the wiring is arranged so as to surround the ferroelectric memory element array. By passing a current in the direction of the arrow shown in FIG. 7 in the coil 103, an external magnetic field 104 having a substantially uniform intensity is applied to a region inside the coil. By controlling the value of the current flowing through the coil 103, the strength of the external magnetic field 104 applied to the ferroelectric memory element 10 can be controlled.

なお、強誘電体メモリ装置100は、強誘電体メモリ素子アレイ基板上にコイル103を設けた記録媒体として構成してもよいが(図7参照)、コイル103を強誘電体メモリ素子アレイ基板とは別体として設けてもよい。   The ferroelectric memory device 100 may be configured as a recording medium in which the coil 103 is provided on the ferroelectric memory element array substrate (see FIG. 7), but the coil 103 is connected to the ferroelectric memory element array substrate. May be provided separately.

(情報記録の概略)
複数のワード線101のうちいずれか1本を選択する。同様に複数のビット線102のうちいずれか1本を選択する。上記選択したワード線101およびビット線102に電圧パルスを印加するとき、選択したワード線101とビット線102とが交差する強誘電体メモリ素子10のみに電場が生じる。すなわち、複数のワード線101および複数のビット線102からそれぞれ1本のワード線101およびビット線102を選択することによって、強誘電体メモリアレイから1つの強誘電体メモリ素子10を選択する。
(Outline of information recording)
One of the plurality of word lines 101 is selected. Similarly, any one of the plurality of bit lines 102 is selected. When a voltage pulse is applied to the selected word line 101 and bit line 102, an electric field is generated only in the ferroelectric memory element 10 where the selected word line 101 and bit line 102 intersect. That is, one ferroelectric memory element 10 is selected from the ferroelectric memory array by selecting one word line 101 and one bit line 102 from the plurality of word lines 101 and the plurality of bit lines 102, respectively.

選択した強誘電体メモリ素子10に記録する状態(自発分極値)に応じて、コイル103に電流を流し外部磁場104を発生させる。たとえば、自発分極値Pを記録したい場合、Pに対応した強度Hの外部磁場104を発生させる。そのためには、コイル103に電流Iを流せばよい。強度Hの外部磁場を印加した状態において、それぞれ選択したワード線101およびビット線102に電圧パルスを印加することによって、選択した強誘電体メモリ素子10には自発分極値Pが記録される。なお、ワード線101およびビット線102に印加する電圧パルスの極性を制御することによって、分極方向105を制御することができる。 In accordance with the state (spontaneous polarization value) recorded in the selected ferroelectric memory element 10, a current is passed through the coil 103 to generate the external magnetic field 104. For example, when it is desired to record the spontaneous polarization value P 1 , the external magnetic field 104 having the intensity H 1 corresponding to P 1 is generated. For this purpose, the current I 1 may be passed through the coil 103. By applying a voltage pulse to the selected word line 101 and bit line 102 in the state where an external magnetic field of intensity H 1 is applied, the spontaneous polarization value P 1 is recorded in the selected ferroelectric memory element 10. . Note that the polarization direction 105 can be controlled by controlling the polarity of the voltage pulse applied to the word line 101 and the bit line 102.

とは異なる自発分極値であるPを強誘電体メモリ素子10に記録したい場合は、Pに対応した強度Hの外部磁場104を発生させる。そのためには、コイル103に電流Iを流せばよい。強度Hの外部磁場を印加した状態において、それぞれ選択したワード線101およびビット線102に電圧パルスを印加することによって、選択した強誘電体メモリ素子10には自発分極値Pが記録される。 If you want to record in different spontaneous polarization value ferroelectric memory device 10 of P 2 which is the P 1 generates an external magnetic field 104 of the intensity H 2 corresponding to P 2. For that purpose, the current I 2 may be passed through the coil 103. By applying a voltage pulse to the selected word line 101 and bit line 102 in a state where an external magnetic field of strength H 2 is applied, the spontaneous polarization value P 2 is recorded in the selected ferroelectric memory element 10. .

所望の自発分極値を記録するために必要な外部磁場104、そして、外部磁場104を印加するためにコイル103に流す電流値は、予備実験を行う、もしくは、あらかじめシミュレーションを行うなどしてそれぞれの対応関係を把握しておけばよい。上記対応関係をルックアップテーブルとして記録し、強誘電体メモリ装置100が備える構成の一部としてもよい。   The external magnetic field 104 necessary for recording the desired spontaneous polarization value and the current value to be passed through the coil 103 for applying the external magnetic field 104 are determined by performing a preliminary experiment or performing a simulation in advance. You only need to know the correspondence. The correspondence relationship may be recorded as a look-up table and may be part of the configuration of the ferroelectric memory device 100.

本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置100において、強誘電体メモリ素子アレイを構成する強誘電体メモリ素子10の個数は任意でよい。また、1つのコイル103が囲む強誘電体メモリ素子10の個数も任意でよい。   In the ferroelectric memory device 100 according to the embodiment of the present invention, the number of the ferroelectric memory elements 10 constituting the ferroelectric memory element array may be arbitrary. Further, the number of the ferroelectric memory elements 10 surrounded by one coil 103 may be arbitrary.

本実施形態において、強誘電体メモリ素子10の分極方向と外部磁場104の方向とを平行なものとして説明した。しかし、強誘電体メモリ素子10の分極方向と外部磁場104の方向とは垂直であってもよい。   In the present embodiment, the polarization direction of the ferroelectric memory element 10 and the direction of the external magnetic field 104 have been described as being parallel. However, the polarization direction of the ferroelectric memory element 10 and the direction of the external magnetic field 104 may be perpendicular.

(情報の読み出し)
情報記録の場合と同様に、情報を読み出したい強誘電体メモリ素子10に対応するワード線101およびビット線102を選択する。選択したワード線101およびビット線102の間に生じている自発分極値に起因する電圧値を特定することによって、強誘電体メモリ素子10に記録されている自発分極値を特定することができる。すなわち、記録された情報を読み出すことができる。自発分極値に起因する電圧値を特定する方法については、キャパシタ型の強誘電体メモリにおいて、従来用いられている方法を用いればよい。
(Reading information)
As in the case of information recording, the word line 101 and the bit line 102 corresponding to the ferroelectric memory element 10 from which information is to be read are selected. By specifying the voltage value resulting from the spontaneous polarization value generated between the selected word line 101 and bit line 102, the spontaneous polarization value recorded in the ferroelectric memory element 10 can be specified. That is, the recorded information can be read. As a method for specifying the voltage value resulting from the spontaneous polarization value, a conventionally used method may be used in the capacitor-type ferroelectric memory.

なお、強誘電体メモリ装置がFET型の強誘電体メモリ素子30、40および50を備えている場合も、FET型の強誘電体メモリにおいて、従来用いられている読み出し方法を用いればよい。   Even in the case where the ferroelectric memory device includes the FET type ferroelectric memory elements 30, 40, and 50, a conventional reading method may be used in the FET type ferroelectric memory.

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to this example.

〔実施例1〕
以下に記載の方法に従い、Ba濃度の範囲が0.5≧x≧0のSr1−xBaMnOの結晶を作製し、それぞれの結晶におけるa軸およびc軸の格子定数を測定した。さらに、x=0.5の結晶について格子定数および正方晶度の温度依存性と、電気分極の電場依存性とを測定した。
[Example 1]
In accordance with the method described below, Sr 1-x Ba x MnO 3 crystals having a Ba concentration range of 0.5 ≧ x ≧ 0 were prepared, and the lattice constants of the a-axis and c-axis of each crystal were measured. Furthermore, the temperature dependence of lattice constant and tetragonal degree and the electric field dependence of electric polarization were measured for crystals with x = 0.5.

(Sr1−xBaMnOの作製方法)
Sr1−xBaMnOにおいて、出発原料の混合比を変えることによってBa濃度が0.5≧x≧0の範囲の結晶を作製した。出発原料には、株式会社高純度化学研究所が市販しているSrCO、BaCOおよびMnの粉末を用いた。所望の化学量論比になるようにそれぞれの原料を秤量し混ぜ合わせた。
(Method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 )
In Sr 1-x Ba x MnO 3 , crystals with a Ba concentration in the range of 0.5 ≧ x ≧ 0 were produced by changing the mixing ratio of the starting materials. As the starting material, powders of SrCO 3 , BaCO 3 and Mn 2 O 3 marketed by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd. were used. Each raw material was weighed and mixed so as to obtain a desired stoichiometric ratio.

その後、管状炉を用いてアルゴン雰囲気中において焼成した。焼成条件は、焼成温度を1100℃、焼成時間を36時間とした。焼成物をよくすりつぶした後、管状炉を用いてアルゴン雰囲気中において再び焼成した。2度目の焼成における条件は、焼成温度を1200℃、焼成時間を36時間とした。焼成物を再びよくすりつぶした後、直径5mm、長さ7.5cm程度の棒状の形に圧力を加えて押し固める。この際、加える圧力は10MPaとした。この棒状に押し固めた粉末試料を、アルゴン雰囲気中においてさらに焼成した。この際の焼成条件は、焼成温度を1250℃、焼成時間を36時間とした。この結果、Sr1−xBaMnO3−δ(0.5≧x≧0)の棒状試料を得た。 Then, it baked in argon atmosphere using the tubular furnace. The firing conditions were a firing temperature of 1100 ° C. and a firing time of 36 hours. After the fired product was thoroughly ground, it was fired again in an argon atmosphere using a tubular furnace. The conditions for the second firing were a firing temperature of 1200 ° C. and a firing time of 36 hours. After the fired product is ground again, pressure is applied to a rod-like shape having a diameter of about 5 mm and a length of about 7.5 cm to be hardened. At this time, the applied pressure was 10 MPa. The powder sample pressed into a rod shape was further fired in an argon atmosphere. The firing conditions at this time were a firing temperature of 1250 ° C. and a firing time of 36 hours. As a result, a rod-shaped sample of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ (0.5 ≧ x ≧ 0) was obtained.

上記棒状試料をFZ法を用いて融解および結晶成長を行いSr1−xBaMnO3−δ(0.5≧x≧0)の単結晶を得た。FZ法を行う際には、キャノンマシナリ株式会社が市販するFZ炉を用いた。FZ法による結晶成長は、アルゴンガス雰囲気中にて行った。結晶成長速度は毎時5mmとした。 The rod-shaped sample was melted and crystal-grown using the FZ method to obtain a single crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ (0.5 ≧ x ≧ 0). When performing FZ method, the FZ furnace marketed by Canon Machinery Co., Ltd. was used. Crystal growth by the FZ method was performed in an argon gas atmosphere. The crystal growth rate was 5 mm per hour.

FZ法によって得られる単結晶は、酸素欠損を有するSr1−xBaMnO3−δである。酸素欠損を除去するために、結晶作製の最終工程として酸素アニールを行った。酸素アニールには、トライエンジニアリング社が市販する高圧合成装置を用いた。Sr1−xBaMnO3−δの単結晶と酸化剤として働くKClOとを一緒に詰めた金カプセルを高圧合成装置にセットした。そして、圧力6GPa、アニール温度600℃、アニール時間1時間の条件にて酸素アニールした。その結果、酸素が完全に充填された酸素欠損のないSr1−xBaMnO(0.5≧x≧0)の単結晶を得た。 Single crystal obtained by the FZ method is Sr 1-x Ba x MnO 3 -δ having an oxygen deficiency. In order to remove oxygen vacancies, oxygen annealing was performed as the final step of crystal production. For oxygen annealing, a high-pressure synthesizer commercially available from Tri Engineering was used. A gold capsule packed together with a single crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3-δ and KClO 4 acting as an oxidizing agent was set in a high-pressure synthesizer. Then, oxygen annealing was performed under conditions of a pressure of 6 GPa, an annealing temperature of 600 ° C., and an annealing time of 1 hour. As a result, a single crystal of Sr 1-x Ba x MnO 3 (0.5 ≧ x ≧ 0) without oxygen deficiency and completely filled with oxygen was obtained.

(結晶構造のBa濃度依存性)
FZ法にて結晶成長させたSr1−xBaMnO(0.5≧x≧0)の各試料について、リガク社製 RINT−III X線回折装置を用いてX線回折を測定した。その結果、Sr1−xBaMnO(0.5≧x≧0)のいずれの試料も、ペロブスカイト構造を有する単結晶であることを確認した。上記X線回折測定の結果より得られたa軸およびc軸の格子定数、および、正方晶度を得た。X線回折測定の測定条件は以下の通りである。
・サンプリング幅:0.02度
・スキャンスピード:毎分2度
・発散スリット:0.67度
・散乱スリット:0.67度
・受光スリット:0.3mm
・測定温度:室温
その結果は、図2に示す通りである。
(Dependence of crystal structure on Ba concentration)
X-ray diffraction was measured for each sample of Sr 1-x Ba x MnO 3 (0.5 ≧ x ≧ 0) grown by the FZ method using a RINT-III X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation. As a result, it was confirmed that any sample of Sr 1-x Ba x MnO 3 (0.5 ≧ x ≧ 0) was a single crystal having a perovskite structure. The a-axis and c-axis lattice constants and tetragonal degree obtained from the result of the X-ray diffraction measurement were obtained. The measurement conditions for the X-ray diffraction measurement are as follows.
・ Sampling width: 0.02 degrees ・ Scanning speed: 2 degrees per minute ・ Divergent slit: 0.67 degrees ・ Scattering slit: 0.67 degrees ・ Reception slit: 0.3 mm
Measurement temperature: room temperature The results are as shown in FIG.

(結晶構造の温度依存性)
Sr1−xBaMnO(x=0.5)単結晶におけるa軸およびc軸の格子定数、および、正方晶度の温度依存性を図3に示す。格子定数の測定は、リガク社製 RINT−III X線回折装置にて測定した。測定条件は以下の通りである。
・サンプリング幅:0.02度
・スキャンスピード:毎分2度
・発散スリット:0.67度
・散乱スリット:0.67度
・受光スリット:0.3mm
・測定温度:4.2〜450K
(電気分極の電場依存性)
双晶状態のSr0.5Ba0.5MnOを用いて、電気分極の電場依存性を測定した結果を図4に示す。図4において、外部磁場を印加しない時の測定結果を破線で示し、外部磁場を印加した時の測定結果を実線で示した。電気分極の電場依存性測定には、ラジアントテクノロジー社製プレシジョンプレミアII装置を使用した。印加する電場の周波数は1kHzとし、印加方向はc軸方向とした。測定温度は室温である。
(Temperature dependence of crystal structure)
FIG. 3 shows the temperature dependence of the a-axis and c-axis lattice constants and the tetragonal degree in the Sr 1-x Ba x MnO 3 (x = 0.5) single crystal. The lattice constant was measured with a RINT-III X-ray diffractometer manufactured by Rigaku Corporation. The measurement conditions are as follows.
・ Sampling width: 0.02 degrees ・ Scanning speed: 2 degrees per minute ・ Divergent slit: 0.67 degrees ・ Scattering slit: 0.67 degrees ・ Reception slit: 0.3 mm
・ Measurement temperature: 4.2-450K
(Dependence of electric polarization on electric field)
FIG. 4 shows the result of measuring the electric field dependence of the electric polarization using twin state Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 . In FIG. 4, the measurement result when no external magnetic field is applied is indicated by a broken line, and the measurement result when an external magnetic field is applied is indicated by a solid line. For the electric field dependence measurement of electric polarization, a Precision Premier II apparatus manufactured by Radiant Technology was used. The frequency of the applied electric field was 1 kHz, and the application direction was the c-axis direction. The measurement temperature is room temperature.

外部磁場を印加しない場合、電場強度100kV/cmにおいて8〜9μC/cmの電気分極値を示した。その後、電場強度を0kV/cmにしても4.5μC/cmの自発分極値(Pzero)を示した。このことから、双晶状態のSr1−xBaMnO(x=0.5)は強誘電特性を有することを確認した。 When an external magnetic field was not applied, an electric polarization value of 8 to 9 μC / cm 2 was shown at an electric field strength of 100 kV / cm. Thereafter, even when the electric field strength was 0 kV / cm, a spontaneous polarization value (P zero ) of 4.5 μC / cm 2 was exhibited. From this, it was confirmed that Sr 1-x Ba x MnO 3 (x = 0.5) in the twin state has ferroelectric characteristics.

外部磁場をc軸方向に印加した場合、電場強度100kV/cmにおいて20μC/cmの電気分極値を示した。その後、電場強度を0kV/cmにしても約13μC/cmの自発分極値(P)を示した。このことより、双晶状態のSr0.5Ba0.5MnOにおいて、印加する外部磁場を制御することによって強誘電体特性を制御することが可能なことを確認した。 When an external magnetic field was applied in the c-axis direction, an electric polarization value of 20 μC / cm 2 was shown at an electric field strength of 100 kV / cm. Thereafter, even when the electric field strength was 0 kV / cm, a spontaneous polarization value (P H ) of about 13 μC / cm 2 was exhibited. From this, it was confirmed that the ferroelectric characteristics can be controlled by controlling the external magnetic field to be applied in twin Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 .

なお、本実施例においては双晶状態のSr1−xBaMnO(x=0.5)を用いたために、Pzero=4.5μC/cmであった。しかし、単一ドメインのSr1−xBaMnO単結晶を用いることにより、Pzeroは13.5μC/cmとなる。この自発分極値は従来の変位型強誘電体であるBaTiOの自発分極値に匹敵する。したがって、従来の変位型強誘電体と同等の強誘電特性を有する磁気強誘電体を作製することが可能である。 In this example, twin-state Sr 1-x Ba x MnO 3 (x = 0.5) was used, so P zero = 4.5 μC / cm 2 . However, by using a single domain Sr 1-x Ba x MnO 3 single crystal, P zero becomes 13.5 μC / cm 2 . This spontaneous polarization value is comparable to that of BaTiO 3 , which is a conventional displacement type ferroelectric substance. Therefore, it is possible to produce a magnetic ferroelectric material having ferroelectric properties equivalent to those of a conventional displacement ferroelectric material.

〔実施例2〕
双晶状態のSr0.5Ba0.5MnOに対して、Alイオンを1%添加したSr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01およびGaイオンを1%添加したSr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01を作製し、電気分極の電場依存性を測定した。
[Example 2]
Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 added with 1% Al ions and Ga ions added 1% to twin Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 was prepared, and the electric field dependence of electric polarization was measured.

(Sr1−xBaMn1−y(A=AlおよびGa)の作製方法)
Sr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01およびSr0.5Ba0.5MnO、Sr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01の作製方法は、基本的に実施例1に記載したSr1−xBaMnOの作製方法と同様である。Sr1−xBaMnOの作製方法と異なる点は、AlおよびGaを添加するための主発原料としてAlおよびGaを用いることである。
(Sr 1-x Ba x Mn 1-y A y O 3 (A = Al and Ga) a method for manufacturing a)
Preparation of Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 and Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 , Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 The method is basically the same as the method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 described in Example 1. The difference from the method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 is that Al 2 O 3 and Ga 2 O 3 are used as main raw materials for adding Al and Ga.

Sr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01を作製するために、出発原料として株式会社高純度化学研究所が市販しているSrCO、BaCO、MnおよびAlの粉末を用いた。所望の化学量論比になるようにそれぞれの原料を秤量し混ぜ合わせたのち、実施例1に記載したSr1−xBaMnOの作製方法と同一の方法を用いてSr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01を作製した。 In order to produce Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 , SrCO 3 , BaCO 3 , Mn 2 O 3 and high purity chemical research institute, which are commercially available as starting materials, and Al 2 O 3 powder was used. Each raw material was weighed and mixed so as to have a desired stoichiometric ratio, and then Sr 0.5 Ba was used using the same method as the method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 described in Example 1. 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 was produced.

Sr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01を作製するために、出発原料として株式会社高純度化学研究所が市販しているSrCO、BaCO、MnおよびGaの粉末を用いた。所望の化学量論比になるようにそれぞれの原料を秤量し混ぜ合わせたのち、実施例1に記載したSr1−xBaMnOの作製方法と同一の方法を用いてSr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01を作製した。 In order to produce Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 , SrCO 3 , BaCO 3 , Mn 2 O 3 and high-purity chemical research institute, which are commercially available as starting materials, and Ga 2 O 3 powder was used. Each raw material was weighed and mixed so as to have a desired stoichiometric ratio, and then Sr 0.5 Ba was used using the same method as the method for producing Sr 1-x Ba x MnO 3 described in Example 1. 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 was produced.

(電気分極値の電場依存性)
Sr0.5Ba0.5MnO、Sr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01およびSr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01について電気分極の電場依存性を測定した結果を図5に示す。電気分極の電場依存性は、ラジアントテクノロジー社製プレシジョンプレミアII装置を用いて測定した。測定温度は室温である。
(Electric field dependence of electric polarization value)
Electricity for Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 , Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 and Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 The result of measuring the electric field dependence of polarization is shown in FIG. The electric field dependence of the electric polarization was measured using a Precision Premier II apparatus manufactured by Radiant Technology. The measurement temperature is room temperature.

Sr0.5Ba0.5MnOに対して、Al1%添加およびGa1%添加することによって、電場強度100kV/cmを印加した際の電気分極値、自発分極値、および、強誘電分極ヒステリシス曲線の角形比が変化した。しかし、Sr0.5Ba0.5Mn0.99Al0.01およびSr0.5Ba0.5Mn0.99Ga0.01のいずれの結晶も良好な強誘電特性を有していることを確認した。 By adding Al 1% and Ga 1% to Sr 0.5 Ba 0.5 MnO 3 , an electric polarization value, a spontaneous polarization value, and a ferroelectric polarization hysteresis curve when an electric field strength of 100 kV / cm is applied. The squareness ratio has changed. However, both Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Al 0.01 O 3 and Sr 0.5 Ba 0.5 Mn 0.99 Ga 0.01 O 3 crystals have good ferroelectric properties. I confirmed that I have it.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、主原料として有害元素である鉛元素を含まずに、廉価な元素からなる多値記録を可能とする強誘電体メモリが備える強誘電体として利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a ferroelectric substance provided in a ferroelectric memory that does not contain a lead element that is a harmful element as a main raw material and enables multi-value recording made of inexpensive elements.

1 単位格子
2 Srサイト
3 Mnイオン
4 Oイオン
5 スピン
10 強誘電体メモリ素子
11 強誘電体層
12 下部電極(第一電極)
13 上部電極(第二電極)
20 強誘電体メモリ素子
21 絶縁体層
30 強誘電体メモリ素子
31 シリコン基板
32 チャンネル領域(第一電極)
33 ドレイン領域
34 ドレイン電極
35 ソース領域
36 ソース電極
37 ゲート電極
40 強誘電体メモリ素子
50 強誘電体メモリ素子
51 金属バッファー層
100 強誘電体メモリ装置
101 ワード線
102 ビット線
103 コイル(外部磁場印加手段)
104 外部磁場
105 分極方向
1 Unit cell 2 Sr site 3 Mn ion 4 O ion 5 Spin 10 Ferroelectric memory element 11 Ferroelectric layer 12 Lower electrode (first electrode)
13 Upper electrode (second electrode)
20 Ferroelectric Memory Device 21 Insulator Layer 30 Ferroelectric Memory Device 31 Silicon Substrate 32 Channel Region (First Electrode)
33 Drain region 34 Drain electrode 35 Source region 36 Source electrode 37 Gate electrode 40 Ferroelectric memory device 50 Ferroelectric memory device 51 Metal buffer layer 100 Ferroelectric memory device 101 Word line 102 Bit line 103 Coil (external magnetic field applying means) )
104 External magnetic field 105 Polarization direction

Claims (6)

ペロブスカイト構造を有する、下記式(1)
Sr1−xBaMnO(1x>0.4)・・・(1)
で表されるマンガン酸化物。
The following formula (1) having a perovskite structure
Sr 1-x Ba x MnO 3 (1 > x> 0.4) (1)
Manganese oxide represented by
請求項1に記載のマンガン酸化物において、Mnサイトを、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)、Fe(鉄)、およびCr(クロム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素Aによって置換した、下記式(2)
Sr1−xBaMn1−y(0.5≧y>0)・・・(2)
で表されるマンガン酸化物。
2. The manganese oxide according to claim 1, wherein the Mn site is replaced with at least one element A selected from the group consisting of Al (aluminum), Ga (gallium), Fe (iron), and Cr (chromium). The following formula (2)
Sr 1-x Ba x Mn 1-y A y O 3 (0.5 ≧ y> 0) (2)
Manganese oxide represented by
上記yが0.05≧y>0の範囲内である請求項2に記載のマンガン酸化物。   The manganese oxide according to claim 2, wherein y is in a range of 0.05 ≧ y> 0. 請求項1〜3の何れか1項に記載のマンガン酸化物を強誘電体として備える強誘電体メモリ素子。   A ferroelectric memory device comprising the manganese oxide according to claim 1 as a ferroelectric. 上記マンガン酸化物の分極方向に対して垂直な面に、当該マンガン酸化物を挟むように設けられる第一電極および第二電極を備える請求項4に記載の強誘電体メモリ素子。   The ferroelectric memory element according to claim 4, further comprising a first electrode and a second electrode provided on a surface perpendicular to the polarization direction of the manganese oxide so as to sandwich the manganese oxide. 請求項5に記載の強誘電体メモリ素子を複数、マトリクス状に備えた強誘電体メモリ素子アレイと、
上記第一電極および上記第二電極のいずれか一方と導通しており、かつ、行方向および列方向のいずれか一方の方向に上記強誘電体メモリ素子を電気的に接続する複数のワード線と、
上記第一電極および上記第二電極のうち他方と導通しており、かつ、行方向および列方向のうち上記ワード線とは異なる方向に上記強誘電体メモリ素子を電気的に接続する複数のビット線と、
上記マンガン酸化物の分極方向に対して平行および垂直のいずれか一方の方向に外部磁場を印加する外部磁場印加手段とを備える強誘電体メモリ装置。
A ferroelectric memory element array comprising a plurality of the ferroelectric memory elements according to claim 5 in a matrix,
A plurality of word lines electrically connected to one of the first electrode and the second electrode, and electrically connecting the ferroelectric memory element in one of a row direction and a column direction; ,
A plurality of bits electrically connected to the other of the first electrode and the second electrode, and electrically connecting the ferroelectric memory element in a direction different from the word line in a row direction and a column direction Lines and,
A ferroelectric memory device comprising: an external magnetic field applying unit that applies an external magnetic field in either one direction parallel to or perpendicular to the polarization direction of the manganese oxide.
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