(57)【要約】【課題】電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の一態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面は、結晶相が菱面体晶である第１領域と、結晶相が正方晶である第２領域と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性層と、
前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、
前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面は、結晶相が菱面体晶である第１領域と、結晶相が正方晶である第２領域と、を有する、積層構造体。
【請求項２】
前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面が、結晶相が正方晶でも菱面体晶のいずれでもない第３領域を有する、請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記表面を占める前記第１領域の割合が３０％以上７０％以下である、請求項１又は２に記載の積層構造体。
【請求項４】
前記表面を占める前記第２領域の割合が３０％以上７０％以下である、請求項１又は２に記載の積層構造体。
【請求項５】
前記表面を占める前記第３領域の割合が０％以上３０％以下である、請求項２に記載の積層構造体。
【請求項６】
前記第１領域が前記表面に複数存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項７】
前記第２領域が前記表面に複数存在する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項８】
前記マルチフェロイック層は、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項９】
前記強磁性層がハーフメタルである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項１０】
前記強磁性層は、Ｘ２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、
前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の積層構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層構造体及びスピン変調素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
磁気抵抗効果素子は、二つの強磁性層の磁化の向きの違いに伴う抵抗値変化を出力する。二つの強磁性層の磁化の向きが平行の状態を“０”とし、二つの強磁性層の磁化の向きが反平行の状態を“１”とすることで、磁気抵抗効果素子は２値のデータを出力できる。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−６３０２４号公報
【特許文献２】特開２０１６−６３０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２に記載の素子は、充分な電界を誘電分極により生じさせることができない場合、及び、強磁性層の磁化の異方性が充分ではない場合があり、データを多値で安定的に記録することができない場合がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる積層構造体及びスピン変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
（１）第１の態様にかかる積層構造体は、強磁性層と、前記強磁性層の一面に形成されたマルチフェロイック層と、を備え、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面は、結晶相が菱面体晶である第１領域と、結晶相が正方晶である第２領域と、を有する。
【００１０】
（２）上記態様にかかる積層構造体において、前記マルチフェロイック層の前記強磁性層側の表面が、結晶相が正方晶でも菱面体晶のいずれでもない第３領域を有してもよい。
【００１１】
（３）上記態様にかかる積層構造体において、前記表面を占める前記第１領域の割合が３０％以上７０％以下であってもよい。
【００１２】
（４）上記態様にかかる積層構造体において、前記表面を占める前記第２領域の割合が３０％以上７０％以下であってもよい。
【００１３】
（５）上記態様にかかる積層構造体において、前記表面を占める前記第３領域の割合が０％以上３０％以下であってもよい。
【００１４】
（６）上記態様にかかる積層構造体において、前記第１領域が前記表面に複数存在する構成でもよい。
【００１５】
（７）上記態様にかかる積層構造体において、前記第２領域が前記表面に複数存在する構成でもよい。
【００１６】
（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層は、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１３、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを含んでもよい。
【００１７】
（９）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層がハーフメタルであってもよい。
【００１８】
（１０）上記態様にかかる積層構造体において、前記強磁性層は、Ｘ２ＹＺの組成式で表記されるホイスラー合金を含み、前記組成式中のＸは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｔｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素であってもよい。
【００１９】
（１１）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。
【発明の効果】
【００２０】
上記態様にかかる積層構造体及びスピン変調素子は、電界により強磁性体のスピン分極率を安定的に変調できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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２】本実施形態にかかるマルチフェロイック層の強磁性層側の表面を平面視した図である。
【図３】本実施形態にかかるマルチフェロイック層の強磁性層側の表面の別の例を平面視した図である。
【図４】スピン変調素子の動作を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
（スピン変調素子）
図１は、本実施形態にかかるスピン変調素子を模式的に示した図である。図１に示すスピン変調素子１００は、積層構造体１０と非磁性層２０と第２強磁性層３０とを備える。また第２強磁性金属層３０の非磁性層２０と反対側の面には電極４０を備えてもよい。
【００２４】
「積層構造体」
積層構造体１０は、強磁性層１とマルチフェロイック層２とを備える。図１では、積層構造体１０をスピン変調素子１００の構成の一部として図示しているが、積層構造体１０のみでもＡＭＲ（磁気異方性）センサ等として用いることもできる。
【００２５】
強磁性層１は、一方向に磁化が配向した磁性体を含む。強磁性層１を構成する磁性体は、磁気異方性の強い物質を用いることが好ましい。例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属及びこれらの金属を１種以上含み強磁性を示す合金を用いることができる。またこれらの金属と、Ｂ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とを含む合金を用いることもできる。具体的には、ＦｅやＣｏ−Ｆｅ等が挙げられる。
【００２６】
また強磁性層１は、ハーフメタルであることが好ましい。ハーフメタルは、片方の電子スピンが金属的なバンド構造を示し、もう片方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を示す物質である。ハーフメタルは、フェルミ面では理想的には１に近い大きなスピン分極率を示す。
【００２７】
またハーフメタルとして、ホイスラー合金、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）、ペロブスカイト型Ｍｎ酸化物等が知られているが、ホイスラー合金が特に好ましい。ホイスラー合金は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体との高い格子整合性、室温以上のキュリー温度、フェルミ面近傍での大きなバンドギャップ等の特徴を有し、室温においても高いスピン分極率を示すことができる。
【００２８】
ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物を含み、Ｘは、周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、Ｙは、Ｍｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属でありＸの元素種をとることもでき、Ｚは、ＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ及びＣｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂなどが挙げられる。
【００２９】
マルチフェロイック層２は、強磁性層１の一面に形成されている。マルチフェロイック層２は、磁気秩序と強誘電秩序の性質を併せ持つマルチフェロイック材料を有する。マルチフェロイック材料としては、ＢｉＦｅＯ３、ＢｉＭｎＯ３、ＧａＦｅＯ３、ＡｌＦｅＯ３、（Ｇａ，Ａｌ）ＦｅＯ３、ＹＭｎＯ３、ＣｕＦｅＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｎｉ３Ｂｉ７Ｏ１３Ｉ、ＬｉＭｎＰＯ４、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２、ＴｂＰＯ４、ＬｉＣｏＰＯ４からなる群から選択されるいずれかを用いることができる。またマルチフェロイック材料は、特性を失わない範囲で、上記の物質の一部の元素を置換したものを用いることができる。例えば、ＸＹＯ３と表記される物質のＸの一部を他の３価の元素で置換したり、Ｙの一部を３ｄ遷移金属の他の元素で置換してもよい。またマルチフェロイック材料に酸素欠損等が生じていてもよい。これらの材料の中でもＢｉＦｅＯ３は、キュリー温度及びネール温度が何れも高く、広い温度域で強誘電特性及び強磁性特性を示すため、特に好ましい。
【００３０】
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。
【００３１】
マルチフェロイック層２は、強磁性層１に少なくとも二つの影響を与える。第１の影響はマルチフェロイック層２の有する強磁性特性に由来するものであり、第２の影響はマルチフェロイック層２の有する強誘電特性に由来するものである。
【００３２】
マルチフェロイック層２が強磁性特性を示すと、マルチフェロイック層２の磁化の影響を受けて、強磁性層１の磁化の向きが一方向に強く配向する（第１の影響）。すなわち、マルチフェロイック層２は、その強磁性特性により強磁性層１の磁化をピン止めする効果を有する。強磁性層１の磁化が一方向に強く固定されると、対向する第２強磁性層３０との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）を大きくなる。
【００３３】
一方で、マルチフェロイック層２が強誘電特性を示すと、マルチフェロイック層２は誘電分極する。誘電分極によって生じる電荷は、強磁性層１内のマルチフェロイック層２側の界面に電荷を誘起し、その界面電荷による電界は強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する（第２の影響）。スピン分極率が変調すると、スピン変調素子１００の多値化が実現できる。例えば、強磁性層１のスピン分極率が１．０で第２強磁性層３０と平行な場合と、強磁性層１のスピン分極率が０．５で第２強磁性層３０と平行な場合とでは、強磁性層１と第２強磁性層３０の間の抵抗値が異なるためである。
【００３４】
マルチフェロイック層２が強磁性層１に与える影響としては、第１の影響及び第２の影響のいずれも重要である。結晶構造が菱面体晶の場合は、強磁性特性に優れるため、第１の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。これに対し、結晶構造が正方晶の場合は、強誘電特性に優れるため、第２の影響を強磁性層１に大きく与えることができる。
【００３５】
図２は、本実施形態にかかるマルチフェロイック層２の強磁性層１側の表面２ａを平面視した図である。図２に示すように、本実施形態にかかるマルチフェロイック層２の強磁性層１側の表面２ａは、結晶相が菱面体晶である第１領域２Ａと、結晶相が正方晶である第２領域２Ｂと、を有する。ここで、正方晶とは、ｃ軸がａ軸に対して９０°である構造に限らず、ｃ軸がａ軸に対して９０°±１０°である構造まで許容される。
【００３６】
第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂがマルチフェロイック層２の表面２ａに形成されていることで、第１の影響及び第２の影響を効果的に強磁性層１に加えることができる。
【００３７】
第１の影響は、マルチフェロイック層２の磁化と強磁性層１の磁化との交換相互作用により生じる。そのため、交換相互作用が強く作用するマルチフェロイック層２の表面２ａに第１領域２Ａを設けることで、第１の影響が強磁性層１に効果的に加わる。
【００３８】
また第２の影響は、マルチフェロイック層２の誘電分極により生じる。誘電分極による電荷は、物質の表面に発生する。そのため、マルチフェロイック層２の表面２ａに第２領域２Ｂを設けることで、第２の影響が強磁性層１に効果的に加わる。
【００３９】
また表面２ａは、結晶相が正方晶でも菱面体晶のいずれでもない第３領域２Ｃを有してもよい。第３領域２Ｃは、例えば、正方晶と菱面体晶の間で結晶構造が移行する領域、非晶質の領域、結晶構造の乱れた領域、異相等が挙げられる。マルチフェロイック層２の表面２ａに第３領域２Ｃが存在すると、強磁性層１とマルチフェロイック層２との格子定数の違いが第３領域２Ｃで緩和され、強磁性層１とマルチフェロイック層２との格子整合性を高めることができる。第３領域２Ｃは、表面２ａの０％以上３０％以下の面積を占めることが好ましい。
【００４０】
スピン変調素子１００が示す最大抵抗値と最小抵抗値の差を大きくしたい場合は、マルチフェロイック層２の表面２ａを占める第１領域２Ａの割合を３０％以上７０％以下とすることが好ましい。
【００４１】
第１領域２Ａの割合が高まると、第１の影響が強まり、強磁性層１の磁化が強く固定される。そのため、強磁性層１と第２強磁性層３０との間で発現する磁気抵抗効果が大きくなり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）が大きくなる。一方で、第１領域２Ａの割合が大きくなりすぎると、第２の影響が弱まり、スピン分極率の変化量が小さくなる。
【００４２】
これに対し、スピン変調素子１００が示す多値をそれぞれ明確にしたい場合には、マルチフェロイック層２の表面２ａを占める第２領域２Ｂの割合を３０％以上７０％以下とすることが好ましい。
【００４３】
第２領域２Ｂの割合が高まると、第２の影響が強まり、強磁性層１のスピン分極率の変化量が大きくなる。強磁性層１の磁化と第２強磁性層３０の磁化が同じ平行状態でも、スピン分極率の変化量が大きくなると、強磁性層１と第２強磁性層３０の間の抵抗値は大きく異なる。つまり同じ平行状態でも二つの状態間における抵抗変化量が大きくなり、出力されるデータをより明確に多値化できる。一方で、第２領域２Ｂの割合が大きくなりすぎると、第１の影響が弱まり、磁気抵抗効果に伴う抵抗値変化率（ＭＲ比）が小さくなる。
【００４４】
ここで、各領域の面積比率は以下のように求める。まず、強磁性層１とマルチフェロイック層２の間の界面のラフネスを求め、Ｍａｘ／ＭｉｎにおけるＭｉｎを基準とする。この基準面からマルチフェロ層２内部へ３ｎｍ以内の深度にある面を測定面として評価する。そして、ＰＦＭ（Ｐｉｅｚｏｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）による表面走査で判明する分極状態の分布評価、ＸＲＤや膜面方向のＴＥＭによる格子状態の評価、等により総合的に各領域の面積比率を求める。
【００４５】
図２では、マルチフェロイック層２の表面２ａに第１領域２Ａと第２領域２Ｂはそれぞれ一つの領域を示しているが、図３に示すように、第１領域２Ａと第２領域２Ｂはそれぞれ複数存在してもよい。図３は、本実施形態にかかるマルチフェロイック層２の強磁性層１側の表面２ａの別の例を平面視した図である。
【００４６】
第１領域２Ａ及び第２領域２Ｂがそれぞれ複数存在すると、強磁性層１に第１の影響が強く作用する部分と第２の影響が強く作用する部分とが偏在することを避けることができる。すなわち、強磁性層１全体に、均一に第１の影響及び第２の影響を与えることができる。
【００４７】
またマルチフェロイック層２の層厚は、５ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上６００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。マルチフェロイック層２の層厚が厚くなりすぎると、マルチフェロイック層２の表面２ａに誘起される電荷量が小さくなる。一方で、マルチフェロイック層２の層厚が薄すぎると、マルチフェロイック層２が充分な強磁性特性及び強誘電特性を発現しない場合が生じる。
【００４８】
「非磁性層」
非磁性層２０は絶縁体でも、半導体でも、金属でもよい。非磁性層２０が絶縁体からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子となり、非磁性層２０が半導体もしくは金属からなる場合、強磁性層１、非磁性層２０及び第２強磁性層３０からなる積層体は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子となる。
【００４９】
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、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＴａＯ、ＧａＯ、ＴｉＯ、ＩｎＯ，ＢａＯ，ＣａＦ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、ＭＲ比を大きくすることができる。またＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４のＭｇ、Ａｌの一部もしくはすべてが、Ｚｎ，Ｃｄ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｇｅ等に置換された材料等も非磁性層２０として用いることができる。
【００５０】
また、非磁性層２０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。
【００５１】
「第２強磁性層」
第２強磁性層３０は、強磁性層１と非磁性層２０と磁気抵抗効果素子を形成する。強磁性層１が固定層の場合、第２強磁性層３０は自由層となり、強磁性層１が自由層の場合、第２強磁性層３０は固定層となる。
【００５２】
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。
【００５３】
（スピン変調素子の製造方法）
スピン変調素子１００の製造方法について説明する。まず、基材を準備する。基材は、積層構造体１０の積層方向に電圧を印加するために、導電性を有する材料を用いることが好ましい。基材が導電性を有することで、電極を兼ねることができる。
【００５４】
次いで、準備した基材上に、マルチフェロイック層２を積層する。積層する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法等を用いることができる。
【００５５】
マルチフェロイック層２の結晶相は、マルチフェロイック層２を積層する基板とマルチフェロイック層２の結晶状態の違いを利用することで調整する。マルチフェロイック層２がＢｉＦｅＯ３の場合を例に具体的に説明する。まず、ＢｉＦｅＯ３の菱面体相より格子定数が小さい（００１）ＬａＡｌＯ３基板を準備する。そしてその上に、基板温度を７００℃として、２５０ｎｍの層厚でＢｉＦｅＯ３を成膜する。
【００５６】
ＢｉＦｅＯ３の成膜初期の結晶相は、（００１）ＬａＡｌＯ３基板から圧縮応力を受けて正方晶相となる。これに対し、ＢｉＦｅＯ３の成膜膜厚が増すにつれて、徐々に通常安定な菱面体相へと結晶相が緩和する。そのため、表面全てが菱面体相に緩和する前である２５０ｎｍ程度の膜厚となった時点で成膜を止めることで、正方晶相と菱面体相が共存した表面を形成できる。すなわち、マルチフェロイック層２の表面２ａに第１領域２Ａと第２領域２Ｂとが形成される。
【００５７】
次いで、マルチフェロイック層２上に強磁性層１、非磁性層２０、第２強磁性層３０を順に積層する。これらの層は、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の強磁性層及び非磁性層と同様の方法で積層することができる。例えば、スパッタリング法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法等を用いることができる。また第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面には、電極を積層することが好ましい。電極を設けることで、強磁性層１全面に均一に電流を流すことができる。
【００５８】
（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。
【００５９】
図４は、スピン変調素子１００の動作を説明するための模式図である。スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１に流れる電流を制御するスイッチＳＷ１と、マルチフェロイック層２に電場を印加するスイッチＳＷ２とが接続されている。
【００６０】
まず図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２が開いている場合、マルチフェロイック層２には電場が印加されない。そのため、スピン変調素子１００は、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第１状態（図４（ａ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第２状態（図４（ｂ））と、の２状態をとる。強磁性層１の磁化の向きは、スイッチＳＷ１を閉じることで、積層体の積層方向にスピン偏極電流を流し、スピントランスファートルク（ＳＴＴ）により反転させる。
【００６１】
次いで、図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、スイッチＳＷ２を閉じ、強磁性層１と電極４０との間（マルチフェロイック層２）に電界を加える。マルチフェロイック層２に電界が印加されると、マルチフェロイック層２は誘電分極の方向を反転する。誘電分極によって生じる電界は、強磁性層１のバンド構造を変え、強磁性層１のスピン分極率を変調する。
【００６２】
例えば、マルチフェロイック層２に正電圧を印加する（図４（ｃ）電圧ＶＢ方向）と、電界によって強磁性層１のダウンスピンのバンド構造にバンドベンディングが誘起される。そのため、強磁性層１のマルチフェロイック層２側の界面に少数スピンキャリアが誘起され、強磁性層１のスピン分極率は減少する。図４（ｃ）及び（ｄ）では、スピン分極率の減少を矢印の大きさで模式的に図示している。
【００６３】
図４（ｃ）及び（ｄ）に示すように、強磁性層１のスピン分極率が減少した状態でも、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが反平行の第３状態（図４（ｃ））と、第２強磁性層３０と強磁性層１の磁化の向きが平行の第４状態（図４（ｄ））と、の２状態をとる。
【００６４】
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。
【００６５】
マルチフェロイック層２の表面２ａが第１領域２Ａを有すると、強磁性層１の磁化が強く固定されるため、第１状態と第２状態の抵抗値差が大きくなる。またマルチフェロイック層２の表面２ａが第２領域２Ｂを有すると、誘電分極に伴うスピン分極率の変化が大きくなり、第１状態と第３状態、及び、第２状態と第４状態の抵抗値差が大きくなる。
【００６６】
上述のように、本実施形態にかかるスピン変調素子１００は、マルチフェロイック層２の表面２ａが、結晶相が菱面体晶である第１領域２Ａと、結晶相が正方晶である第２領域２Ｂとを有するため、４つの状態間の抵抗値差を大きくすることができ、安定した多値記録を行うことができる。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
１…強磁性層、２…マルチフェロイック層、２ａ…表面、２Ａ…第１領域、２Ｂ…第２領域、２Ｃ…第３領域、１０…積層構造体、２０…非磁性層、３０…第２強磁性層、４０…電極、１００…スピン変調素子、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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