JP2018186227A - 積層構造体及びスピン変調素子 - Google Patents

Abstract

【課題】強誘電体層と強磁性層の界面に均一な電界を加え、強磁性体のスピン分極率を効率的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層に積層された強誘電体層と、を備え、前記強誘電体層の前記強磁性層側の第１面と、前記第１面と対向する第２面とを結ぶ端面が傾斜している。【選択図】図１

Description

本発明は、積層構造体及びスピン変調素子に関する。

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

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

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

特開２０１６−６３０２４号公報 特開２０１６−６３０６２号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載の素子は、製造時に素子端面がダメージを受け劣化し、強誘電体層と強磁性体層の界面に均一な電界を加えることができない場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、強誘電体層と強磁性体層の界面に均一な電界を加え、強磁性体のスピン分極率を効率的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一面に設けられた強誘電体層と、を備え、前記強誘電体層の前記強磁性層側の第１面と、前記第１面と対向する第２面とを結ぶ端面が傾斜している。

（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１面の面積は、前記第２面の面積の０．０２倍以上１倍未満であってもよい。

（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１面の面積は、前記第２面の面積の１倍より大きく５０倍以下であってもよい。

（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層の前記強誘電体層側の面の面積が、対向する面の面積より小さくてもよい。

（５）上記態様にかかる積層構造体において、強磁性層はハーフメタルを含んでもよい。

（６）上記態様にかかる積層構造体において、強磁性層は、Ｃｏ_２ＸＹの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のＸはＣｒ、Ｍｎ、Ｖ及びＦｅからなる群から選択される１種以上の元素であり、前記組成式中のＹはＡｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｉｎ及びＳｎからなる群から選択される１種以上の元素であってもよい。

（７）上記態様にかかる積層構造体において、前記強誘電体層はマルチフェロイック材料を含んでもよい。

（８）上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック材料は、正方晶と菱面体晶との少なくとも一方の結晶相を有してもよい。

（９）上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック材料は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。

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

上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、強誘電体層と強磁性層の界面に均一な電界を加え、強磁性体のスピン分極率を効率的に変調できる。

本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。 強誘電体層の第１面と第２面とを繋ぐ端面が傾斜していないスピン変調素子の断面模式図である。 強誘電体層の第１面の面積が第２面の面積より大きい場合のスピン変調素子の断面模式図である。 スピン変調素子の別の態様の断面模式図である。 スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。

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

（スピン変調素子）
図１は、本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。図１に示すスピン変調素子１００は、積層構造体１０と非磁性層２０と第２強磁性層３０と第１電極４０と第２電極５０とを備える。

「積層構造体」
積層構造体１０は、強誘電体層１と強磁性層２とを備える。図１では、積層構造体１０をスピン変調素子１００の構成の一部として図示しているが、積層構造体１０のみでもＡＭＲ（磁気異方性）センサ等として用いることができる。

強誘電体層１は、強誘電特性を有する材料を含む。強誘電体層１の強誘電特性により強磁性層２のスピン分極率を変調する。強誘電体層１の誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層２の強誘電体層１側の界面に電荷を誘起する。この界面電荷による電界は、強磁性層２のバンド構造を変え、強磁性層２のスピン分極率を変調する。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子１００の多値化が実現できる。例えば、強磁性層２のスピン分極率が１．０で第２強磁性層３０と平行な場合と、強磁性層２のスピン分極率が０．５で第２強磁性層３０と平行な場合とでは、強磁性層２と第２強磁性層３０の間の抵抗値が異なるためである。

強誘電特性を有する材料としては、例えば、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３（０≦ｘ≦１）、Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘＴｉＯ_３（０≦ｘ≦１）、ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_１−ｘＯ_３（０≦ｘ≦１））が挙げられる。

また強誘電体層１は、強誘電特性だけでなく、強磁性特性も有するマルチフェロイック材料を含むことが好ましい。マルチフェロイック材料としては、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。これらの材料の中でもＢｉＦｅＯ_３は、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。

強誘電体層１にマルチフェロイック材料を用いると、強磁性層２に二つの影響を及ぼすことができる。第１の影響は、上述の強誘電特性により強磁性層２のスピン分極率を変調する影響である。第２の影響は、マルチフェロイック材料の有する強磁性特性に由来するものである。

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

マルチフェロイック材料は、結晶構造によってその特性が異なる。結晶構造が菱面体晶の場合は、強誘電特性及び強磁性特性の双方を示し、特に強磁性特性に優れる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるが、強磁性特性はあまり示さない。そのため、マルチフェロイック材料は正方晶と菱面体晶との少なくとも一方の結晶相を有することが好ましく正方晶と菱面体晶の両方の結晶相を有することがより好ましい。

強誘電体層１の強磁性層２側の第１面１Ａと第１面１Ａと対向する第２面１Ｂとを結ぶ端面１Ｃは、積層方向に対して傾斜している。強誘電体層１を誘電分極させる際に、強磁性層２と第１電極４０との間に電圧を加えると、第１面１Ａと第２面１Ｂに対して垂直に電界が生じる。そのため、端面１Ｃが傾斜していれば、端面１Ｃに沿って電界が生じることが避けられる。

図２は、強誘電体層１の第１面１Ａと第２面１Ｂとを繋ぐ端面１Ｃが傾斜していないスピン変調素子１０１の断面模式図である。図２に示すように、端面１Ｃが傾斜していないと、強誘電体層１の端面１Ｃに沿って電界が生じる。

端面１Ｃは、イオンミリングや反応性イオンエッチング等のドライエッチングの手段で作製される。これらの処理を受けた端面１Ｃは、ダメージを受け劣化している。そのため、端面１Ｃ近傍における誘電特性は、強誘電体層１の中央部における誘電特性より劣る。

強誘電体層１は、第１の影響として、誘電分極によって生じる電荷により強磁性層２との界面に電荷を誘起し、この界面電荷により強磁性層２のスピン分極率を変調する。誘電特性に劣る端面１Ｃの誘電分極により生じる電界が強磁性層２に与える第１の影響は、強誘電体層１の中央部が強磁性層２に与える影響より小さい。すなわち、強誘電体層１の端面１Ｃにおいて十分な誘電分極の強度を達成しようとして電圧を印加すると、中央部においては過剰な電圧が印加されることになる。つまり、強誘電体層１と強磁性層２の界面に加わる電界の強度が均一にならず、効率的にスピン分極率を変調できなくなる。

これに対し、図１に示す強誘電体層１は、第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より小さく、端面１Ｃが傾斜している。電界は導電体間の最短距離を結ぶように生じるため、第１面１Ａの端部から第２面１Ｂに下した垂線１Ａａより外側の領域には電界はほとんど生じない。第１面１Ａと第２面１Ｂの距離が離れている場合は、電界が僅かに浸みだす場合もあるが、第１面１Ａと第２面１Ｂは十分近接している。そのため、図１に示すスピン変調素子１００は、強誘電体層１と強磁性層２の界面に加わる電界の強度が均一になり、効率的にスピン分極率を変調できる。

強誘電体層１の端面１Ｃを傾斜させる構成は特に問わないが、強誘電体層１の第１面１Ａの面積と第２面１Ｂの面積とを異なるように設計すると、強誘電体層１の端面１Ｃは傾斜する。第１面１Ａの面積は、第２面１Ｂの面積より大きくてもよいし、小さくてもよい。

例えば、図１に示すように第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より小さい場合、強磁性層２と接する第１面１Ａ全面に均一な強度の電界が加わる。そのため、強誘電体層１と強磁性層２の界面に蓄積される電荷量を大きくすることができ、スピン変調素子１００のスピン分極率の変調の程度を大きくできる。スピン分極率の変調の程度が大きくなると、それぞれの状態における抵抗値差が大きくなる。

これに対し、図３は、強誘電体層１の第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より大きい場合のスピン変調素子１０２の断面模式図である。図３に示すスピン変調素子１０２は、積層順が図１に示すスピン変調素子１００と逆である。積層方向に向かって面積が小さくなる順テーパー形状の方が容易に作製できるため、強誘電体層１の第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より大きい場合の一例として図３に示すスピン変調素子１０２を図示したが、図１に示すスピン変調素子１００と積層順を同じとして、積層方向に向かって面積が大きくなる逆テーパー形状としてもよい。

図３に示すスピン変調素子１０２は、強誘電体層１の強磁性層２側の第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より大きい。そのため、強誘電体層１の第２面１Ｂの端部から第１面１Ａに下した垂線１Ｂａより内側の領域には、均一な電界強度の電界が加わる。一方で、誘電特性が充分ではない強誘電体層１の端面１Ｃには電界は加わらないため、製造時のダメージを受けた素子端部の影響を除去できる。

図３に示すスピン変調素子１０２は、強誘電体層１と強磁性層２の界面において、垂線１Ｂａより内側の領域では均一な電界強度の電界を与えることができるが、垂線１Ｂａより外側の領域には電界がほとんどかからない。そのため、垂線１Ｂａより外側の領域における強磁性層２のスピン分極率を効率的に変調できず、不利なようにも見える。しかしながら、強磁性層２の端面２Ｃも製造時にダメージを受ける場合がある。そのため、垂線１Ｂａより内側の領域に均一な電界を与えることで、特性が劣化しているおそれのある端面２Ｃ近傍の領域による影響を避けることができる。

すなわち、強誘電体層１の第１面１Ａの面積を第２面１Ｂの面積より小さくすると、界面全体に電荷を与えることができ、多値化したスピン変調素子のそれぞれの状態の抵抗値変化量を大きくできる。一方で、強誘電体層１の第１面１Ａの面積を第２面１Ｂの面積より大きくすると、劣化しているおそれのある強誘電体層１及び強磁性層２の端部の領域による影響を避けることができ、スピン変調素子から出力される信号をよりシャープにできる。求められる性能、用途に応じて、強誘電体層１の形状は選択できる。

強誘電体層１の第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より小さい場合は、第１面１Ａの面積は第２面１Ｂの面積の０．０２倍以上１倍未満であることが好ましく、０．１０倍以上０．９９８倍以下であることがより好ましく、０．１４倍以上０．９７倍以下であることがさらに好ましい。

一方で、強誘電体層１の第１面１Ａの面積が第２面１Ｂの面積より大きい場合は、第１面１Ａの面積は第２面１Ｂの面積の１倍より大きく５０倍以下であることが好ましく、１．００２倍以上１０倍以下であることがより好ましく、１．０３倍以上６．８倍以下であることがさらに好ましい。

図４は、スピン変調素子の別の態様の断面模式図である。集積回路にスピン変調素子を組み込む場合、第１電極４０及び第２電極５０は配線を兼ねる場合がある。そのため、図４に示すスピン変調素子１０３のように、平面方向に延在する第１電極４０及び第２電極５０の間に、積層構造体１０、非磁性層２０及び第２強磁性層３０が積層される。そして、これらの側面には絶縁体６０が設けられる。

スピン変調素子は、第１電極４０と第２電極５０の間の容量変化を出力する。電界は、第１電極４０及び第２電極５０に対して垂直にかかるため、積層構造体１０の端面の傾斜が大きいと出力される容量のうち絶縁体６０の容量が占める割合が大きくなる。すなわち、強誘電体層１の第１面１Ａと第２面１Ｂとが所定の面積関係を満たすと、スピン変調素子が出力する第１電極４０と第２電極５０の間の容量に不要な容量結合が生じることを低減できる。

強磁性層２は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層２を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。

また強磁性層２は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には１に近い大きなスピン分極率を示す。

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

ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｎ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＣｒＡｌ、Ｃｏ_２ＶＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧａＳｎ、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇｅ、Ｇａ）、Ｃｏ_２Ｍｎ（Ｇｅ、Ｇａ）、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇａ、Ｓｉ）、Ｃｏ_２Ｆｅ（Ｇｅ、Ｓｉ）、Ｃｏ_２ＣｒＩｎ、Ｃｏ_２ＣｒＳｎ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ及びＣｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ(０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１)などが挙げられる。

強磁性層２の強誘電体層１側の面の面積は対向する面の面積より小さいことが好ましい。強磁性層２のスピン分極率を変調するのは、強誘電体層１と強磁性層２との界面の電荷である。強磁性層２の強誘電体層１側の面の面積が対向する面の面積より小さい場合、強磁性層２の端面２Ｃは、強誘電体層１から広がるように傾斜する。この場合、強磁性層２の端面２Ｃは、強誘電体層１と強磁性層２との界面の端部より外側に存在する。強誘電体層１と強磁性層２との界面の端部より外側の領域は、界面電荷による影響を受けにくく、スピン変調素子のスピン分極率の変調に与える影響が少ない。強磁性層２の端面２Ｃは、上述のように製造時のダメージを受け、劣化している場合がある。そのため、この部分を、界面の端部より外側の領域に設けることで、出力される信号の乱れを抑制できる。

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

非磁性層２０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層２０が絶縁体もしくは半導体からなる場合、その材料としては、Ｈｅｘａｇｏｎａｌ−ＢＮ、Ｇｒａｐｈｅｎｅ、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ，ＢａＯ，ＣａＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ，Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層２０として用いることができる。

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

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

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

「第１電極、第２電極」
第１電極４０及び第２電極５０は、導電性を有するものであれば特に問わない。例えば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属、これらの合金及び酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）等の透明導電体等を用いることができる。

上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子は、強誘電体層１の端面１Ｃが傾斜している。そのため、誘電特性に劣る強誘電体層１の端部に電界が生じることを避け、強磁性層２のスピンの状態を効率的に変えることができる。

（スピン変調素子の製造方法）
スピン変調素子１００の製造方法について説明する。まず、基材を準備する。基材は、積層構造体１０の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。この場合、基材は第１電極４０を兼ねる。

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

次いで、フォトリソグラフィー等の技術を用いて、積層した構造体の形状を加工する。加工は、マスクを介したイオンミリングや反応性イオンエッチング等のドライエッチングの手段を用いることができる。強誘電体層１の端面１Ｃは、エッチング条件等を変えることにより、自由に制御できる。

最後に、第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面には、第２電極５０を積層する。電極を設けることで、強磁性層２全面に均一に電流を流すことができる。また図３に示すスピン変調素子１０２を作製する場合は、積層順を反対にしてもよい。

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

図５は、スピン変調素子１００の動作を説明するための模式図である。スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層２に流れる電流を制御するスイッチＳＷ１と、強誘電体層２に電場を印加するスイッチＳＷ２とが接続されている。

まず図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２が開いている場合、強誘電体層１には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層２の磁化の向きが反平行の第１状態（図５（ａ））と、第２強磁性層３０と強磁性層２の磁化の向きが平行の第２状態（図５（ｂ））と、の２状態をとる。強磁性層２の磁化の向きは、スイッチＳＷ１を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）により反転させる。

次いで、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、スイッチＳＷ２を閉じ、強誘電体層１に電界を加える。強誘電体層１に電界が印加されると、強誘電体層１は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって生じる電界は、強磁性層２のバンド構造を変え、強磁性層２のスピン分極率を変調する。

例えば、強誘電体層１に正電圧を印加する（図５（ｃ）電圧Ｖ_Ｂ方向）と、電界によって強磁性層２のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層２の強誘電体層１側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層２のスピン分極率は減少する。図５（ｃ）及び（ｄ）では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。

図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、強磁性層２のスピン分極率が減少した状態でも、第２強磁性層３０と強磁性層２の磁化の向きが反平行の第３状態（図５（ｃ））と、第２強磁性層３０と強磁性層２の磁化の向きが平行の第４状態（図５（ｄ））と、の２状態をとる。

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

またスピン変調素子１００は、強誘電体層１の端面１Ｃが傾斜している。そのため、誘電特性に劣る強誘電体層１の端部に電界が生じることを避け、強磁性層２のスピンの状態を効率的に変えることができる。

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

例えばスピン変調素子は、積層方向に向かって面積が小さくなる順テーパー形状に限られず、積層方向に向かって面積が大きくなる逆テーパー形状でもよく、各層の端面は一定でなくてもよい。また強誘電体層１の第１面１Ａと第２面１Ｂの中心軸は一致していなくてもよい。

１…強誘電体層、２…強磁性層、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、４０…第１電極、５０…第２電極、１００…スピン変調素子、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ

Claims (10)

1. 強磁性層と、
   前記強磁性層の一面に設けられた強誘電体層と、を備え、
   前記強誘電体層の前記強磁性層側の第１面と、前記第１面と対向する第２面とを結ぶ端面が積層方向に対して傾斜している、積層構造体。
2. 前記第１面の面積は、前記第２面の面積の０．０２倍以上１倍未満である、請求項１に記載の積層構造体。
3. 前記第１面の面積は、前記第２面の面積の１倍より大きく５０倍以下である、請求項１に記載の積層構造体。
4. 前記強磁性層の前記強誘電体層側の面の面積が、対向する面の面積より小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層構造体。
5. 前記強磁性層はハーフメタルを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層構造体。
6. 前記強磁性層はＸ_２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
   前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
7. 前記強誘電体層はマルチフェロイック材料を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層構造体。
8. 前記マルチフェロイック材料は、正方晶と菱面体晶との少なくとも一方の結晶相を有する、請求項７に記載の積層構造体。
9. 前記マルチフェロイック材料は、ＢｉＦｅＯ_３、ＢｉＭｎＯ_３、ＧａＦｅＯ_３、ＡｌＦｅＯ_３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ_３、ＹＭｎＯ_３、ＣｕＦｅＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｎｉ_３Ｂｉ_７Ｏ_１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ_４、Ｙ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２、ＴｂＰＯ_４、ＬｉＣｏＰＯ_４からなる群から選択されるいずれかを含む、請求項７又は８に記載の積層構造体。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の積層構造体と、
    前記積層構造体の前記強磁性層に順に積層された非磁性層及び第２強磁性層と、を備える、スピン変調素子。

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