(57)【要約】【課題】より安定した垂直磁化配向を有し、電圧によって磁化配向性を面直方向と面内方向との間に切換可能とする。【解決手段】強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体１０であって、強誘電性を有する強誘電体からなる強誘電体層１１と、強誘電体と格子整合性が良い金属を主成分とし、強誘電体層の一面に積層される下地層１２と、非磁性体を主成分とし、下地層の一面に積層される中間層１３と、強磁性体を主成分とする強磁性体層１５と非磁性体を主成分とする非磁性体層１６とを互い違いに少なくとも３周期以上を中間層の一面に積層させて構成される強磁性／非磁性の多層膜層１４と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体であって、
前記強誘電性を有する強誘電体からなる強誘電体層と、
前記強誘電体と格子整合性が良い金属を主成分とし、前記強誘電体層の一面に積層される下地層と、
非磁性体を主成分とし、前記下地層の一面に積層される中間層と、
強磁性体を主成分とする強磁性体層と前記非磁性体を主成分とする非磁性体層とを互い違いに少なくとも３周期以上を前記中間層の一面に積層させて構成される強磁性／非磁性の多層膜層と、を備えることを特徴とする積層構造体。
【請求項２】
前記強誘電体層を構成する前記強誘電体がチタン酸バリウムであり、前記下地層を構成する前記金属が鉄であり、前記中間層及び前記非磁性体層を構成する前記非磁性体が銅であり、及び前記磁性体層を構成する前記磁性体がニッケルであることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
【請求項３】
前記多層膜層は、前記非磁性体層の厚さが前記強磁性体層の厚さより大きい構成となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層構造体。
【請求項４】
電源に接続される電極と、
前記電極の間に設けられる請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の積層構造体と、を備えることを特徴とするスイッチング素子。
【請求項５】
前記電源から電圧を印加することによって、前記積層構造体に備わる磁性体層と非磁性体層からなる多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることを特徴とする請求項４に記載のスイッチング素子。
【請求項６】
前記多層膜層に対して所定の方向に連続的に大きさが変化する磁場が更に印加され、
前記磁場の大きさが０から所定の負の微小値となった際に、前記電源から電圧を印加することによって、前記多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることを特徴とする請求項５に記載のスイッチング素子。
【請求項７】
前記積層構造体が設けられる環境温度を所定温度まで変動させることによって、前記積層構造体に備わる多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることを特徴とする請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載のスイッチング素子。
【請求項８】
請求項４乃至請求項７の何れか１項に記載のスイッチング素子を備える磁気デバイス。
【請求項９】
前記スイッチング素子が磁気ヘッド、スピントランジスタ、偏光制御発光素子、又は微小モータの少なくとも何れかに設けられることを特徴とする請求項８に記載の磁気デバイス。
【請求項１０】
強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体の製造方法であって、
前記強誘電性を有する強誘電体からなる強誘電体層を熱処理する熱処理工程と、
前記強誘電体と格子整合性が良い金属を主成分とする下地層を前記強誘電体層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる下地層積層工程と、
非磁性体を主成分とする中間層を前記下地層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる中間層積層工程と、
強磁性体を主成分とする強磁性体層と前記非磁性体を主成分とする非磁性体層とを互い違いに少なくとも３周期以上を積層させて構成される強磁性／非磁性の多層膜層を、前記中間層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる多層膜層積層工程と、を含むことを特徴とする積層構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記強誘電体層を構成する前記強誘電体がチタン酸バリウムであり、前記下地層を構成する前記金属が鉄であり、前記中間層及び前記非磁性体層を構成する前記非磁性体が銅であり、及び前記磁性体層を構成する前記磁性体がニッケルであることを特徴とする請求項１０に記載の積層構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体、当該積層構造体を備えるスイッチング素子、当該スイッチング素子を備える磁気デバイス、及び積層構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）、磁気ヘッド、スピントランジスタ等の磁気デバイスにおける磁化配向制御の手法として、磁場を利用する方法が主流であった。そして、近年は、更なる磁気デバイスの高密度化に向けて、電流によって当該磁化配向制御を実現しようとする試みが提案されてきている。しかしながら、電流で磁気ビットを操作するためには、莫大な電流密度を必要とし、発熱等の問題を克服する必要がある。
【０００３】
このため、高密度化が進む磁気デバイスの開発において、電流を用いずに電圧のみで磁化配向を制御するための技術開発が精力的に進められている。電圧を用いた磁化配向制御として、Ｆｅ系磁性超薄膜とＭｇＯとの接合界面の電子状態を電圧制御する方法が提案されている。しかしながら、磁性薄膜として単層磁性膜が用いられ、垂直磁化の保磁力を電気的に制御するためには、メガ単位（ＭＶ／ｃｍ）以上の大きな電界が必要であることから、電圧による完全な磁化配向の変換が困難であった。
【０００４】
電圧を用いて磁化配向を制御することによって、省電力化を図る他の方法として、磁性薄膜と強誘電体との接合界面で磁気歪み効果を電圧制御する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、単結晶強誘電体層上に、強磁性体層をエピタキシャル成長させたヘテロ構造体を準備し、強誘電体層に電圧を印加して強誘電体層と強磁性体層との接合界面に生じる歪みによって、強磁性体の磁化配向性を変化させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１１９５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
書き換え可能な高密度記録媒体及びその記録再生装置として、磁気記録媒体や光磁気記録媒体等、磁性材料の磁化の配向状態によって情報を記録する磁性記録媒体及びその記録再生装置が注目されている。また、これらの磁性記録媒体の記録密度を高めて更に大容量の記録媒体とする要求が高まっている。このため、磁性材料の磁化の配向状態によって情報を記録する磁性記録媒体として、面内磁化配向を有する長手磁気記録方式から垂直磁化配向を有する垂直磁気記録方式に切り替えることによって、磁性記録媒体の記録密度を高めることが注目されている。
【０００７】
すなわち、磁性記録媒体等の磁性デバイスにおいて、更なる高記録密度化を進める上で、磁性材料の面内のみの磁化配向制御でなく、磁性材料に対して垂直方向の磁化配向制御や、磁性材料の磁化配向を面内方向と垂直方向との間で切り替え可能なことが要求されている。特許文献１の磁気異方性制御方法では、面内方向における磁化配向を電気的に制御することについては、言及しているが、電圧で面内方向と垂直方向との間に磁化配向を切り替えることには、言及していない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、垂直方向に安定した磁化配向を有し、電圧によって磁化配向性を垂直方向と面内方向との間に切換可能な、新規かつ改良された積層構造体、スイッチング素子、磁気デバイス、及び積層構造体の製造方法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】
【０００９】
本発明の一態様は、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体であって、前記強誘電性を有する強誘電体からなる強誘電体層と、前記強誘電体と格子整合性の良い金属を主成分とし、前記強誘電体層の一面に積層される下地層と、非磁性体を主成分とし、前記下地層の一面に積層される中間層と、強磁性体を主成分とする強磁性体層と前記非磁性体を主成分とする非磁性体層とを互い違いに少なくとも３周期以上を積層されて構成される強磁性／非磁性の多層膜層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の一態様によれば、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体を確実に形成できる。
【００１１】
このとき、本発明の一態様では、前記強誘電体層を構成する前記強誘電体がチタン酸バリウムであり、前記下地層を構成する前記金属が鉄であり、前記中間層及び前記非磁性体層を構成する前記非磁性体が銅であり、及び前記磁性体層を構成する前記磁性体がニッケルであることとしてもよい。
【００１２】
このようにすれば、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体をエピタキシャル成長によって容易に形成できる。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記多層膜層は、前記非磁性体層の厚さが前記強磁性体層の厚さより大きい構成となっていることとしてもよい。
【００１４】
このようにすれば、強磁性体層の面歪みを大きくできるので、より確実に垂直方向に安定した磁化配向を有する結晶構造とすることができる。
【００１５】
また、本発明の他の態様は、スイッチング素子であって、電源に接続される電極と、前記電極の間に設けられる前述した何れの積層構造体とを備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備え、電圧印加によって磁化配向を垂直方向から面内方向への切換制御が可能なスイッチング素子を確実に形成できる。
【００１７】
このとき、本発明の他の態様では、前記電源から電圧を印加することによって、前記積層構造体に備わる磁性体層と非磁性体層からなる多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることとしてもよい。
【００１８】
このようにすれば、より省電力で磁性体層を含む多層膜層の垂直方向に展開される磁化配向を面内方向に切り替えることができる。
【００１９】
また、本発明の他の態様では、前記多層膜層に対して所定の方向に連続的に大きさが変化する磁場が更に印加され、前記磁場の大きさが０から所定の負の微小値となった際に、前記電源から電圧を印加することによって、前記多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることとしてもよい。
【００２０】
このようにすれば、磁性体層を含む多層膜層の垂直方向に展開される磁化配向を電圧印加によって１８０度反転させることができる。
【００２１】
また、本発明の他の態様では、前記積層構造体が設けられる環境温度を所定温度まで変動させることによって、前記積層構造体に備わる多層膜層の磁化配向を切換可能な構成となっていることとしてもよい。
【００２２】
このようにすれば、積層構造体が設けられる環境温度を制御することによって、多層膜層の磁化配向性を垂直方向と面内方向との間に切り替えることができる。
【００２３】
また、本発明の他の態様は、磁気デバイスであって、前述した何れかのスイッチング素子を備えることを特徴とする。
【００２４】
本発明の他の態様によれば、電圧印加によって磁化配向の切換制御が可能なスイッチング素子を磁性記録媒体等の磁気デバイスに適用することによって、当該磁気デバイスの記録密度を高められ、かつ、省電力化が図れる。
【００２５】
このとき、本発明の他の態様では、前記スイッチング素子が磁気ヘッド、スピントランジスタ、偏光制御発光素子、又は微小モータの少なくとも何れかに設けられることとしてもよい。
【００２６】
このような磁気デバイスに、電圧印加によって磁化配向の切換制御が可能なスイッチング素子を適用することにより、当該磁気デバイスの性能を高め、かつ、省電力化が図れる。
【００２７】
また、本発明の他の態様は、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体の製造方法であって、前記強誘電性を有する強誘電体からなる強誘電体層を熱処理する熱処理工程と、前記強誘電体と格子整合性の良い金属を主成分とする下地層を前記強誘電体層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる下地層積層工程と、非磁性体を主成分とする中間層を前記下地層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる中間層積層工程と、強磁性体を主成分とする強磁性体層と前記非磁性体を主成分とする非磁性体層とを互い違いに少なくとも３周期以上を積層させて構成される強磁性／非磁性の多層膜層を、前記中間層の一面にエピタキシャル成長させて積層させる多層膜層積層工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明の他の態様によれば、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体をエピタキシャル成長によって、容易に形成できる。
【００２９】
このとき、本発明の他の態様では、前記強誘電体層を構成する前記強誘電体がチタン酸バリウムであり、前記下地層を構成する前記金属が鉄であり、前記中間層及び前記非磁性体層を構成する前記非磁性体が銅であり、及び前記磁性体層を構成する前記磁性体がニッケルであることとしてもよい。
【００３０】
このようにすれば、より確実に垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体を形成できる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように本発明によれば、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体を確実に形成できる。また、当該積層構造体をスイッチング素子に適用することにより、電圧印加による磁化配向性の制御が容易に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る積層構造体の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る積層構造体の製造方法の概略を示すフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の概略構成図である。
【図４】（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係るスイッチング素子を備える磁気デバイスの適用例を示す概略構成図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例のＸＲＤ パターンを示す特性図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例の最表面側のＣｕ層のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例の面直磁場、面内磁場に対する磁化の温度依存性を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例を示す概略構成図である。
【図９】（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して室温で電圧を印加しないときの面直磁化曲線を示す図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して室温で１０ｋＶ／ｃｍ の電界を印加した時の面直磁化曲線を示す図である。
【図１０】（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、室温で電圧を印加しないときの面内磁化曲線を示す図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、室温で１０ｋＶ／ｃｍ の電界を印加したときの面内磁化曲線を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、電圧印加に伴う面直磁化の変化を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、電圧による面直上向き、下向きの間の磁化反転制御を行った際における面直磁化の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３４】
まず、本発明の一実施形態に係る積層構造体の構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る積層構造体の概略構成図である。
【００３５】
本発明の一実施形態に係る積層構造体１０は、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の結晶体であり、垂直方向に安定した磁化配向性を有する。すなわち、本実施形態の積層構造体１０は、強磁性／非磁性多層膜を強誘電体上にエピタキシャル成長させて設けることによって、垂直磁気異方性を有する強磁性／非磁性多層膜／強誘電体のマルチフェロイック構造としたものである。
【００３６】
本実施形態の積層構造体１０は、図１に示すように、基板となる強誘電体層１１の上に下地層１２、中間層１３、磁性体層１５と非磁性体層１６からなる強磁性／非磁性の多層膜層１４、及び金属膜層１７がそれぞれの成分をエピタキシャル成長させて積層した構成となっている。すなわち、本実施形態では、下地層１２と中間層１３を介在させて、強誘電体層１１の上に強磁性／非磁性の多層膜層１４が設けられた構成となっている。そして、多層膜層１４の頂部側すなわち最上層側には、多層膜層１４の酸化を防止するために、金Ａｕからなる金属膜層１７が設けられている。
【００３７】
本実施形態では、積層構造体１０の基板となる強誘電体層１１を構成する強誘電体として、（００１）配向を有するチタン酸バリウムBaTiO３が使用される。また、強磁性／非磁性の多層膜層１４は、図１に示すように、強磁性体のニッケルNiを主成分とする強磁性体層１５と非磁性体の銅Cuを主成分とする非磁性体層１６とを互い違いに３周期分を積層されて構成される。なお、本実施形態では、多層膜層１４は、強磁性体層１５ａ、１５ｂ、１５ｃと非磁性体層１６ａ、１６ｂ、１６ｃが互い違いに３周期積層した構成としているが、層の厚さがそれぞれナノメートル単位の強磁性体層１５と非磁性体層１６との境界面を平坦にするためには、少なくとも３周期以上に積層した構成とする必要がある。
【００３８】
また、本実施形態では、強誘電体層１１の一面に積層される下地層１２は、少なくともチタン酸バリウムと格子整合性の良い金属を主成分とする。具体的には、下地層１２を構成する金属として鉄Feが使用される。そして、下地層１２と多層膜層１４との間には、Ni／Cuによる強磁性／非磁性の多層膜層１４を構成する非磁性体層１６と同じ非磁性体である銅Cuからなる中間層１３が設けられる構成となっている。なお、強磁性／非磁性の多層膜層１４の構造としては、Ni／Cu以外にもCo／Ni、Co／Pt等の垂直磁化膜が適用可能と考えられるが、保磁力が大きくないものが好ましい。
【００３９】
また、強誘電体層１１の上に積層される各層の厚さは、積層構造体１０を垂直方向に安定した磁化配向性を有するマルチフェロイック構造の結晶体とするために、それぞれがナノメートル単位の小さい値とする必要がある。本発明の一実施形態に係る積層構造体１０では、例えば、下地層１２が１ｎｍ、中間層１３及び非磁性体層１６が９ｎｍ、強磁性体層１５が２ｎｍ、金属膜層１７が５ｎｍの厚さを有する。垂直方向に安定した磁化配向とするためには、強磁性体層１５の面歪みを大きくする必要があるので、非磁性体層１６の厚さは、強磁性体層１５の厚さより大きくする必要がある。しかしながら、強磁性体層１５と強誘電体層１１との距離が大きくなると、強誘電体層１１の圧電歪みが多層膜層１４に伝達し難くなり、磁化配向を電圧で制御し難くなるので、非磁性体層１６の厚さは、１０ｎｍ以上にしない方が好ましい。
【００４０】
本実施形態では、下地層１２は、強誘電体層１１を構成するチタン酸バリウムBaTiO３と中間層１３を構成する銅Cuとの格子不整合性を緩和する機能を有するバッファ層として設けられる。チタン酸バリウムBaTiO３と銅Cuは、格子定数の差が大きいので、チタン酸バリウムからなる強誘電体層１１の上に直接、銅CuとニッケルNiを互い違いに積層させると、多層膜層１４の界面がエピタキシャル接合せず、多層膜層１４の磁化配向が垂直方向に揃わなくなる。すなわち、多層膜層１４を構成する銅CuやニッケルNiをエピタキシャル成長させるためには、格子不整合性の緩和が必要となる。
【００４１】
このため、本実施形態では、バッファ層となる鉄Feを主成分とする薄膜状の下地層１２を強誘電体層１１と中間層１３との間に介在させる。チタン酸バリウムからなる強誘電体層１１の上に鉄からなる下地層１２を積層させると、チタン酸バリウムの格子の上に鉄の格子が４５度回転して堆積する。すなわち、鉄の格子の対角線方向がチタン酸バリウムの格子と整合する。鉄の格子定数が０．２８６ｎｍであることから、その格子の対角線の長さが０．４０３ｎｍとなり、チタン酸バリウムの格子定数（ａ ＝ ｂ ＝０．３９９２ｎｍ、 ｃ ＝ ０．４０３８ｎｍ）とほぼ一致する。
【００４２】
このように、鉄は、チタン酸バリウムと格子整合性が良い金属となるので、チタン酸バリウムからなる強誘電体層１１の上でエピタキシャル成長して、下地層１２が形成されるようになる。すなわち、バッファ層として鉄Feからなる下地層１２を介在させることによって、下地層１２の強誘電体層１１に近い箇所では、チタン酸バリウムと格子整合して膜を形成する。一方、下地層１２の中間層１３に近い箇所では、銅Cuと格子整合して膜を形成する。そして、バッファ層となる下地層１２が強誘電体層１１を構成するチタン酸バリウムと中間層１３を構成する銅の格子不整合性を緩和するようになる。
【００４３】
すなわち、強誘電体層１１を構成するチタン酸バリウムと格子整合性の良い鉄Feからなる薄膜状の下地層１２をバッファ層として強誘電体層１１の上に設けることによって、強誘電体層１１を構成するチタン酸バリウムBaTiO３と中間層１３を構成する銅Cuとの格子不整合性が緩和される。このため、チタン酸バリウムからなる強誘電体層１１の上に多層膜層１４を安定した状態で積層させて、非磁性体層１６を構成する銅Cuの格子によって強磁性体層１５を構成するニッケルNiの格子が引っ張られるので、多層膜層１４の磁化配向性を垂直方向に安定させることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、下地層１２と多層膜層１４との間に多層膜層１４を構成する非磁性体層１６と同じ非磁性体を主成分とする中間層１３が設けられている。すなわち、下地層１２の一面に中間層１３が積層されてから、当該中間層１３の上に多層膜層１４が積層される構成となっている。
【００４５】
前述したように、本実施形態では、強誘電体層１１と多層膜層１４との間に強誘電体の鉄Feからなる下地層１２を設けているが、もし、中間層１３を設けなければ、当該下地層１２と多層膜層１４の底部側に有する強磁性体層１５ａが直接接触する構成となる。このように、強磁性体から構成される下地層１２と強磁性体層１５ａが重なって、強磁性体部分が厚くなると、多層膜層１４が垂直方向に磁化配向が向きにくくなる。このことから、中間層１３は、多層膜層１４が安定した垂直磁化配向を有するために、多層膜層１４を構成する強磁性体層１５のうち、強誘電体層１１に最も近い強磁性体層１５ａが同じく強磁性体となる鉄Feからなる下地層１２に直接接しない構成とするために設けられる。
【００４６】
このように、本実施形態では、下地層１２と中間層１３を介在させて、強磁性／非磁性の多層膜層１４を強誘電体層１１の上にエピタキシャル成長させて、マルチフェロイック構造の積層構造体１０を形成する。このようなマルチフェロイック構造の積層構造体１０とすることによって、非磁性体層１６を構成する銅Cuの格子によって強磁性体層１５を構成するニッケルNiの格子が引っ張られる。このため、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層１４を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体１０を確実に形成できる。
【００４７】
また、本発明者は、前述した本発明の目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、本実施形態の積層構造体１０を適用した磁気スイッチング素子に電圧を印加することによって、多層膜層１４の磁化配向を垂直方向から面内方向に容易に切り替えられることを見出した。このため、本実施形態の積層構造体１０を磁気スイッチング素子に適用すると、電圧により多層膜層１４の漏れ磁場のオン／オフを可能とする。
【００４８】
そして、当該スイッチング素子を磁気ヘッドやＭＲＡＭ等の各種磁気デバイスに適用することによって、磁気による高速な書き込みや読み込みが可能になり、当該磁気デバイスの性能を向上させられる。なお、本実施形態の積層構造体１０をスイッチング素子への適用例と、当該スイッチング素子を適用した磁気デバイスに係る詳細な説明と、本実施形態の積層構造体１０を磁気スイッチング素子に適用した実施例については、後述する。
【００４９】
次に、本発明の一実施形態に係る積層構造体の製造方法について、図面を使用しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る積層構造体の製造方法の概略を示すフロー図である。
【００５０】
本発明の一実施形態に係る積層構造体の製造方法では、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の積層構造体として、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層を備えるものをエピタキシャル成長によって確実に形成することを可能とする。すなわち、本実施形態の積層構造体１０の製造方法では、積層構造体１０として強磁性／非磁性の多層膜層１４を強誘電体層１１の上にエピタキシャル接合させることによって、垂直磁化配向（垂直磁気異方性）を有する強磁性／非磁性多層膜／強誘電体のマルチフェロイック構造の結晶体が形成される。
【００５１】
本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を製造する際に、まず、積層構造体１０の基板となる強誘電体層１１を７００℃の真空条件下で熱処理する（熱処理工程Ｓ１１）。本実施形態では、当該基板となる強誘電体層１１を構成する強誘電体として、前述したように、チタン酸バリウムBaTiO３が使用される。
【００５２】
次に、強誘電体となるチタン酸バリウムBaTiO３と格子整合性の良い金属を主成分とする下地層１２を強誘電体層１１の一面となる頂面側にエピタキシャル成長させて積層させる（下地層積層工程Ｓ１２）。本実施形態では、下地層１２を構成する金属として、鉄Feが使用される。その後、非磁性体を主成分とする中間層１３を下地層１２の一面となる頂面側にエピタキシャル成長させて積層させる（中間層積層工程Ｓ１３）。本実施形態では、中間層１３を構成する非磁性体として、銅Cuが使用される。
【００５３】
中間層１３を積層したら、次に、強磁性／非磁性の多層膜層１４を当該中間層１３の一面となる頂面側に積層する（多層膜層積層工程Ｓ１４）。本実施形態では、多層膜層積層工程Ｓ１４において、まず、強磁性体としてニッケルNiから構成される強磁性体層１５を中間層１３の一面となる頂面側にエピタキシャル成長させて積層させる。次に、非磁性体として銅Cuを主成分とする非磁性体層１６を強磁性体層１５の一面となる頂面側にエピタキシャル成長させて積層させる。
【００５４】
そして、強磁性体層１５の積層と非磁性体層１６の積層を同様に２回繰り返して、多層膜層１４を形成する。すなわち、本実施形態では、強磁性体を主成分とする強磁性体層１５と非磁性体を主成分とする非磁性体層１６とを互い違いに少なくとも３周期以上を積層させて、強磁性／非磁性の多層膜層１４を構成する。
【００５５】
その後、強磁性／非磁性多層膜層１４の最上位側に有する非磁性体層１６ｃの一面となる頂面側に、多層膜層１４の酸化防止のために、金Auを主成分とする金属膜層１７がエピタキシャル成長によって積層される（金属膜層積層工程Ｓ１５）。このようにして、本実施形態では、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層１４を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体１０をエピタキシャル成長によって、容易に形成できる。すなわち、強磁性／非磁性の多層膜層１４を下地層１２と中間層１３を介在させて強誘電体層１１とエピタキシャル接合することによって、安定した垂直磁化配向を持つ強磁性／非磁性多層膜／強誘電体のマルチフェロイック構造の結晶体を確実に形成できるようになる。
【００５６】
次に、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の構成について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の概略構成図である。
【００５７】
本発明の一実施形態に係るスイッチング素子３０は、電圧を印加することでオン／オフを可能とした磁気スイッチング素子である。本実施形態では、スイッチング素子３０は、図３に示すように、電圧源等の電源２２に接続される電極２０（２０ａ、２０ｂ）と、これら電極２０ａ、２０ｂの間に設けられる本実施形態の積層構造体１０とを備える。
【００５８】
積層構造体１０は、前述したように、強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の結晶体であり、垂直方向に安定した磁化配向性を有する。本実施形態の積層構造体１０は、図３に示すように、基板となるチタン酸バリウムBaTiO３（００１）を主成分とする強誘電体層１１の上に鉄Feからなる下地層１２、銅Cuからなる中間層１３、ニッケルNiと銅Cuからなる強磁性／非磁性の多層膜層１４、及び金Auからなる金属膜層１７がエピタキシャル接合した構成となっている。
【００５９】
前述したように、積層構造体１０をこのような強誘電性と強磁性とを併せ持つマルチフェロイック構造の結晶体とすることによって、垂直方向に安定した磁化配向性を有するようになる。また、本実施形態の積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０に電圧を印加することによって、多層膜層１４の磁化配向を垂直方向から面内方向に切替可能になる。さらに、本実施形態の積層構造体１０をスイッチング素子３０に適用すると、電圧により多層膜層１４の漏れ磁場のオン／オフの制御が可能になる。なお、本明細書中における磁化配向に係る「垂直方向」とは、積層構造体１０の各層の一面に対して略垂直方向（図３に示すＺ軸方向）を示し、「面内方向」とは、積層構造体１０の多層膜層１４の各境界面と略平行方向（図３に示すＸ軸方向）を示す。
【００６０】
これまで、強磁性／非磁性の多層膜の磁化配向性（磁気異方性）は、多層膜の界面歪みと密接に関連していることから、当該界面歪みを外部から制御できれば、垂直磁化配向状態と面内磁化配向状態の切り替えが可能なスイッチング素子が構成可能となると考えられていた。一方、チタン酸バリウム等の強誘電体は、圧電効果を示すため、強誘電体と強磁性／非磁性多層膜を接合し、強誘電体の圧電歪みを利用して、強磁性／非磁性多層膜に当該圧電歪みを高効率に伝達可能と考えられたため、本発明の一実施形態に係るスイッチング素子３０を着想した。
【００６１】
本実施形態の積層構造体１０をスイッチング素子３０に適用することによって、電圧印加による多層膜層１４の磁化配向の切換制御が可能なスイッチング素子を確実に形成できる。すなわち、マルチフェロイック構造の積層構造体１０に電圧を印加することによって、強誘電体層１１を構成する強誘電体であるチタン酸バリウムBaTiO３の圧電歪みを多層膜層１４に伝達させ、その結果、電圧で垂直磁化状態、面内磁化状態の間で磁化配向を切り替えることができる。
【００６２】
換言すると、無磁場下において、電源２２から電圧を印加することによって、垂直磁化状態と面内磁化状態の間の磁化配向の変換を可能にするスイッチング素子３０の形成が実現される。このため、従来のように電流を用いることなく、電圧のみで垂直磁化配向状態と面内磁化配向状態との切り替えが可能となるので、当該スイッチング素子３０を備える磁気デバイスの省電力化が実現される。なお、電圧印加に伴う多層膜層１４の磁化配向制御の実施例の詳細については、後述する。
【００６３】
また、従来の電圧印加型の垂直磁気変調素子構造では、電圧により保磁力を変化させることは可能であったが、垂直、面内磁化配向を電圧のみで切り替えることはできず、その際においても、メガ単位（ＭＶ／ｃｍ）以上の大きな電界が必要とされた。これに対して、本実施形態では、１０ｋＶ／ｃｍ という従来よりも２桁以上も小さな電界で完全な垂直・面内磁化配向の制御が可能なスイッチング素子３０とすることができる。
【００６４】
さらに、従来の垂直磁化配向の超薄膜の電圧制御技術においては、磁性膜の膜厚が１ｎｍ程度と極めて薄いものが使用されていたので、垂直磁化状態における漏れ磁場を利用した磁気デバイスを製造することが困難であった。これに対して、本実施形態の積層構造体１０を適用したスイッチング素子３０では、強磁性体／非磁性体の多層膜層１４を用いているために、従来のスイッチング素子と比べて、強磁性体層１５が非磁性体層１６と互い違いになるように複数積層されているので、強磁性体から大きな漏れ磁場を発生させられる。このため、本実施形態のスイッチング素子３０を例えばスピントランジスタ等の磁気デバイスに適用した場合に、かかる漏れ磁場を利用してスピン方向の制御が容易に行えるようになる。
【００６５】
また、本実施形態の積層構造体１０を適用したスイッチング素子３０は、電圧と磁場を併用することによって、多層膜層１４の磁化配向を垂直・面内方向の制御のみでなく、垂直磁化の１８０度反転させることも可能である。すなわち、多層膜層１４に対して所定の方向に連続的に大きさが変化する磁場が更に印加され、当該磁場の大きさが０から所定の負の微小値となった際に、電源２２から電圧を印加することによって、多層膜層１４の磁化配向を垂直方向上向きと垂直方向下向きとの間に切換可能とする。換言すると、磁性体層１５を含む多層膜層１４の垂直方向に展開される磁化配向を電圧印加によって１８０度反転させることができる。なお、磁場環境下における電圧印加による多層膜層１４の磁化配向の反転制御の実施例の詳細については、後述する。
【００６６】
さらに、本実施形態では、積層構造体１０が設けられる環境温度を所定温度まで変動させることによって、積層構造体１０に備わる多層膜層１４の磁化配向を切換可能となっている。すなわち、スイッチング素子３０に適用される積層構造体１０は、所定の温度を境に磁化配向が垂直方向と面内方向に切り替わる。
【００６７】
具体的には、積層構造体１０が設けられる環境温度を室温から１９０Ｋ付近まで下げると、多層膜層１４の磁化配向が垂直方向から面内方向に切り替わる。これは、温度１９０Ｋにおける積層構造体１０の基板となる強誘電体層１１を構成するチタン酸バリウムBaTiO３の構造相転移に伴う格子歪みに起因しているためと考えられる。このように、本実施形態の積層構造体１０をスイッチング素子３０に適用することによって、温度を制御することによる多層膜層１４の磁化配向性を垂直方向と面内方向との間に切り替えることができる。なお、温度変化に伴う多層膜層１４の磁化配向制御の実施例の詳細については、後述する。
【００６８】
以上説明したように、垂直方向に安定した磁化配向を有する多層膜層１４を備えるマルチフェロイック構造の積層構造体１０をスイッチング素子３０に適用することによって、電圧印加による多層膜層１４の磁化配向性の制御が容易に行えるようになる。すなわち、本実施形態の積層構造体１０を利用することによって、今まで電流で行ってきた磁化配向制御を電圧のみで行うことができる。
【００６９】
このため、本実施形態の積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０は、各種磁気デバイスに適用することができる。例えば、スピントランジスタ、スピン発光ダイオード等のスピントロニクスデバイスにおいて、本実施形態の積層構造体１０、スイッチング素子３０を磁化配向の電圧制御が可能な強磁性電極として適用することができる。また、多層膜層１４の漏れ磁場を電圧により制御できるため、ＭＲＡＭ以外のＧＭＲ素子や高密度ＨＤ用ＴＭＲ素子、磁気ヘッド、スピンＦＥＴ等の磁気記録素子への適用も可能となる。さらに、漏れ磁場を電圧で制御して駆動させる微小モータにも、本実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を適用することができる。また、本実施形態の積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を各種磁気デバイスに適用することによって、電流を用いず電圧のみで磁化配向制御が可能となるから、これらの磁気デバイスの動作時における消費電力を著しく低減させられる。
【００７０】
次に、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の磁気デバイスへの適用例について、図面を使用しながら説明する。図４（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るスイッチング素子の磁気ヘッドへの適用例、図４（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るスイッチング素子のスピントランジスタへの適用例、図４（Ｃ）は、本発明の一実施形態に係るスイッチング素子の偏光制御発光素子への適用例を示す概略構成図である。
【００７１】
図４（Ａ）に示すように、本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を磁気ヘッド１００に適用すると、電源１０２から電圧を印加しない場合では、積層構造体１０が無電界状態となるので、磁化配向が垂直方向（図４（Ａ）に示すＺ軸方向）となる。これに対して、スイッチ１０４を入力して、積層構造体１０に電圧を印加すると、磁化配向が垂直方向から面内方向（図４（Ａ）に示すＸ軸方向）に切り替わる。
【００７２】
このように、磁化配向が垂直方向から面内方向に切り替わることによって、積層構造体１０の多層膜層１４（図３参照）からの漏れ磁場で不図示の磁気メディアへの書き込みが行われるようになる。すなわち、多層膜層１４の漏れ磁場を電圧により制御することによって、磁気ヘッド１００を用いた書き込み動作を制御できる。なお、本実施形態では、電圧印加による磁化配向制御によって、磁気ヘッド１００を用いた書き込み動作が可能であるだけでなく、磁歪効果と圧電効果による読み込み動作も可能となる。
【００７３】
また、図４（Ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を磁性電極２０１、２０２が設けられるスピントランジスタ２００に適用すると、不図示の電源から電圧を印加しない場合では、積層構造体１０が無電界状態となるので、磁化配向が垂直方向（図４（Ｂ）に示すＺ軸方向）となる。これに対して、積層構造体１０に電圧を印加すると、磁化配向が垂直方向から面内方向（図４（Ｂ）に示すＸ軸方向）に切り替わる。このように、磁化配向が垂直方向から面内方向に切り替わることによって、積層構造体１０の多層膜層１４（図３参照）からの漏れ磁場で半導体チャネル層２０３のスピン方向を制御できるようになる。
【００７４】
さらに、図４（Ｃ）に示すように、本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を半導体量子井戸３０２が設けられる偏光制御発光素子３００に適用すると、不図示の電源から電圧を印加しない場合では、積層構造体１０が無電界状態となるので、磁化配向が垂直方向（図４（Ｃ）に示すＺ軸方向）となる。これに対して、積層構造体１０に電圧を印加すると、磁化配向が垂直方向から面内方向（図４（Ｃ）に示すＸ軸方向）に切り替わる。このように、磁化配向が垂直方向から面内方向に切り替わることによって、偏光制御発光素子３００の偏光を制御できるようになる。
【００７５】
このように、本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を各種磁気デバイス１００、２００、３００に適用することによって、磁気デバイスへの安定した書き込み動作や読み込み動作、スピン方向の制御、偏光制御等が実現される。すなわち、本発明の一実施形態に係る積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０は、従来の面内磁化制御のみでの適用が難しい磁気デバイスに対して、電圧印加で垂直磁気異方性を付与できるので、その応用範囲を広げられる。
【００７６】
また、本実施形態の積層構造体１０を備えるスイッチング素子３０を各種磁気デバイスに適用することによって、電流を用いないで電圧のみで磁化配向を制御可能とするので、これらの磁気デバイスの動作時における消費電力を著しく低減できる。このように、電圧印加によって磁化配向の切換制御が可能なスイッチング素子３０を磁気デバイスに適用することにより、当該磁気デバイスの性能を高めることができる。
【実施例】
【００７７】
次に、本発明の一実施形態に係る積層構造体の実施例について、説明する。本実施形態の実施例となる積層構造体は、強磁性／非磁性多層膜／強誘電体のマルチフェロイック構造であり、［Cu／Ni］多層膜／Cu 中間層／Fe 下地層／BaTiO3 単結晶から構成される。本実施例では、［Cu／Ni］が５周期の多層膜とBaTiO3 の間にFe 下地層、Cu中間層が挿入され、結果、［Cu／Ni］多層膜がBaTiO3 上にエピタキシャル成長した構造となっている。これにより、強誘電体BaTiO3 の圧電歪みを［Cu／Ni］多層膜の接合界面を介して効率的に伝達させることを可能にしている。
【００７８】
本実施例の積層構造体の製造方法は、まず、超高真空ＭＢＥ 装置を用いて、面内−垂直誘電多分極状態を持つ単結晶BaTiO3（００１）基板を７００℃にて真空中で１ 時間熱処理した後、基板温度３００℃でBaTiO3（００１）基板上に膜厚１ｎｍ のFe 薄膜をエピタキシャル成長させる。その後、膜厚９ｎｍ のCu 層をエピタキシャル成長させ、［Cu／Ni］が５周期の多層膜を生成する。多層膜のCu 及びNiの膜厚は、それぞれ９ｎｍ、２ｎｍ とする。また、多層膜の酸化防止を目的として、膜厚５ｎｍのAu膜をエピタキシャル成長させて、強磁性／非磁性多層膜／強誘電体マルチフェロイック構造とする。
【００７９】
上述した本実施例の積層構造体の構成について、図面を使用しながら説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例のＸＲＤ パターンを示す特性図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例の最表面側のＣｕ層のＲＨＥＥＤパターンを示す図である。
【００８０】
本実施例の積層構造体のＸＲＤパターンを見ると、図５に示すように、強誘電体となるチタン酸バリウムBaTiO3、Cu／Niの多層膜が何れも（００１）方向、すなわち多層膜の界面に対して垂直方向（図１に示すＺ軸方向）に結晶が向いていることが分かる。また、チタン酸バリウムBaTiO3、Cu／Ni多層膜のピークにフリンジ構造が見えることから、チタン酸バリウムBaTiO3の上に積層されたCu／Ni多層膜の界面が原子レベルで平坦に安定して積層していることが分かる。すなわち、本実施例により、本発明の一実施に係る積層構造体の製造方法によって、高品質な結晶性を有する積層構造体が形成されていることが実証される。
【００８１】
また、本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例の最表面側すなわち頂部側の表面のCu層のＲＨＥＥＤパターンを見ると、図６に示すように、白い光が所定間隔で縦方向にライン上に見えることが分かる。このことから、本実施例の積層構造体の最表面側のCu層の表面が平坦になっていることが分かる。すなわち、本実施例により、本発明の一実施に係る積層構造体の製造方法によって、積層構造体の多層膜の界面が平坦に形成されるので、安定したエピタキシャル成長による積層構造体の製造が可能なことが実証される。
【００８２】
次に、上述した本実施例の積層構造体の面直磁場、面内磁場に対する磁化の温度依存性について、図面を使用しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係る積層構造体における一実施例の面直磁場、面内磁場に対する磁化の温度依存性を示す図である。なお、図７において、黒丸点のデータプロットは、面直磁場（垂直磁場）に対する磁化の温度依存性を示し、黒四角点のデータプロットは、面内磁場に対する磁化の温度依存性を示す。
【００８３】
図７に示すように、本実施例の強磁性／非磁性多層膜／強誘電体マルチフェロイック構造の積層構造体は、室温において面直磁場を印加したときに面内磁場を印加した時よりも大きな磁化が得られていることから、面直磁化配向していることが分かる。このマルチフェロイック構造の積層構造体を冷却すると２８０K 付近で磁化の不連続なとびが見られる。また、１８０Ｋ付近においても同様の飛びが観測される。これらの磁化の飛びはBaTiO3のtetragonal 相からorthorhombic相、orthorhombic 相からrhombohedral 相への構造相転移に伴う界面歪みに起因している。
【００８４】
さらに、１８０Ｋでは、室温とは、対照的に面直磁化よりも面内磁化が大きくなっている。このことは、BaTiO3 の構造相転移に伴う界面歪みにより、垂直磁化から面内磁化に磁化配向スイッチングが生じたことを示している。このことから、温度変化によって磁化配向を垂直、面内と制御できることが分かる。すなわち、積層構造体が設けられる環境温度を制御することによって、多層膜層の磁化配向性を垂直方向と面内方向との間に切り替えられることが実証される。
【００８５】
次に、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の実施例について、図面を使用しながら説明する。図８は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例を示す概略構成図である。
【００８６】
本実施例のスイッチング素子１３０は、図８に示すように、［Cu／Ni］多層膜／Cu 中間層／Fe 下地層／BaTiO3 単結晶から構成されるマルチフェロイック構造の積層構造体１１４を備える。本実施例では、［Cu／Ni］が５周期の多層膜１１４とBaTiO3 の間にFe 下地層１１２、Cu中間層１１３が挿入され、結果、［Cu／Ni］多層膜１１４がBaTiO3 からなる強誘電体層１１１上にエピタキシャル成長した構造となっている。そして、強磁性／非磁性多層膜／強誘電体マルチフェロイック構造の積層構造体１１０の上部Au 層１１７とBaTiO3層１１１の背面部、それぞれ電極１２０を取り付けて電圧制御型の磁化スイッチング素子としている。
【００８７】
本実施例のスイッチング素子１３０に電圧を印加することによって、磁化配向性が制御される旨について、図面を使用しながら説明する。図９は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して室温での面直磁化曲線を示し、（Ａ）は、電圧を印加しないとき、（Ｂ）は、電圧を印加したときの面直磁化曲線を示す。また、図１０は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して室温での面内磁化曲線を示し、（Ａ）は、電圧を印加しないとき、（Ｂ）は、電圧を印加したときの面内磁化曲線を示す。また、図１１は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、電圧印加に伴う面直磁化の変化を示す図である。
【００８８】
面直磁化曲線は、電圧を印加していない場合には、図９（Ａ）に示すように、磁場が０Oe付近で中央側に略矩形の形状を有するので、磁化配向が垂直方向であることが分かる。これに対して、１０ｋＶ／ｃｍ の電界を発生させる電圧を印加すると、面直磁化曲線は、図９（Ｂ）に示すように、斜め方向につぶれた形状となるので、磁化配向が面内方向に切り替わったことが分かる。
【００８９】
一方、面内磁化曲線は、電圧を印加していない場合には、図１０（Ａ）に示すように、斜め方向につぶれた形状となるので、磁化配向が垂直方向であることが分かる。これに対して、１０ｋＶ／ｃｍ の電界を発生させる電圧を印加すると、面内磁化曲線は、図１０（Ｂ）に示すように、磁場が０Oe付近で中央側に略矩形の形状を有するので、磁化配向が面内方向に切り替わったことが分かる。
【００９０】
このように、図９に示す面直磁化曲線と図１０に示す面内磁化曲線を解析すると、電圧を印加していないときには、磁化配向は、面直磁化となり、電圧を印加することによって、磁化配向が面直磁化から面内磁化に切り替わることが分かる。このことから、電圧を印加することによって、本実施例の積層構造体１１０を備えるスイッチング素子１３０の磁化配向を面直から面内に切り替えられることが実証される。
【００９１】
さらに、図１１のグラフの下段に示すように、本実施例のスイッチング素子１３０に電圧印加のＯＮ／ＯＦＦを周期的に繰り返すと、電圧のＯＮ／ＯＦＦ に対応して、無磁場状態において、図１１のグラフの上段のような磁化信号の周期的な変調が観測される。この磁化信号の周期的な変調は、電圧印加に伴う面直、面内の磁化スイッチングに対応しており、無磁場状態で電圧により磁化配向を面直、面内方向に制御することが可能なスイッチング素子１３０を構成することができる旨を実証している。
【００９２】
次に、本実施例のスイッチング素子１３０に電圧を印加することによって、磁化配向性が制御される旨について、図面を使用しながら説明する。図１２は、本発明の一実施形態に係る積層構造体を備えるスイッチング素子の一実施例に対して、電圧による面直上向き、下向きの間の磁化反転制御を行った際における面直磁化の変化を示す図である。なお、図１２において、黒丸点のデータプロットが電圧を印加していない時の磁化の磁場依存性を示し、黒四角点のデータプロットが図中の矢印を示した磁場で電圧を印加した時の面直磁化の変化を示す。
【００９３】
図１２に示すように、電圧を印加していない時の磁場の保磁力は、約１００Oe である。次に、正の飽和磁化状態から磁場を減少させながら磁化を記録し、所定の負の微小値となる−３３Oe のときに磁場の掃引を一時停止し、パルス幅１秒の１０ｋＶ／ｃｍ の電界を印加する。その後、さらに磁場を負の飽和磁化状態まで減少させながら磁化を記録した。
【００９４】
その結果が図１２に示す黒四角点のデータプロットとして示されている。磁場の保磁力の１／２ 以下の大きさの磁場である−３３Oe において、電圧を印加することで磁化が直ちに減少し、電圧印加により、垂直上向きから垂直下向きに磁化反転された旨が分かる。このことから、積層構造体１１０の多層膜層１１４に対して所定の方向に連続的に大きさが変化する磁場が更に印加され、当該磁場の大きさが０から所定の負の微小値（本実施例では、−３３Oe）となった際に、電圧を印加することによって、多層膜層の磁化配向を垂直方向上向きから垂直方向下向きに１８０度の反転制御が可能であることが分かる。
【００９５】
なお、上記のように本発明の一実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００９６】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、積層構造体、スイッチング素子、及び磁気デバイスの構成、動作も本発明の一実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１０、１１０  積層構造体、１１、１１１  強誘電体層、１２、１１２  下地層、１３、１１３  中間層、１４、１１４  多層膜層、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１１５  非磁性体層、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１１６  磁性体層、１７、１１７  金属膜層、２０、２０ａ、２０ｂ、１２０  電極、２２、１２２  電源、３０、１３０  スイッチング素子、１００  磁気ヘッド（磁気デバイス）、２００  スピントランジスタ（磁気デバイス）、３００  偏光制御発光素子（磁気デバイス）、Ｓ１１  熱処理工程、Ｓ１２  下地層積層工程、Ｓ１３  中間層積層工程、Ｓ１４  多層膜層積層工程、Ｓ１５  金属膜層積層工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図８】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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