2 磁性薄膜を用いたデバイスを動作させるには ( 磁気記録装置 (HDD) を例に ) コイルに電流を流すことで発生する磁界を用いて 薄膜の磁化方向を制御している

磁化方向の電圧制御とそのメモリ・

センサ・光デバイスへの応用

秋田大学 大学院工学資源学研究科 附属理工学研究センター

磁性薄膜を用いたデバイスを動作させるには

（磁気記録装置（HDD）を例に）

コイルに電流を流すことで 発生する磁界を用いて、 薄膜の磁化方向を制御 している。

従来技術とその問題点

・エネルギーロスの大きい電流磁界により 磁化反転を行っており、消費電力が高い。 ・発生可能な磁界に限界があり（鉄心材料で 発生磁界が決まり、最大でも 2.4 テスラ）、 薄膜の種類によっては磁化方向制御が 困難になってきている。 ・局所的な磁界を印加する場合、素子構造が 複雑なため、その製造コストが高く、かつ 素子の微小化に限界がある。

新材料：強磁性・強誘電

（ﾏﾙﾁﾌｪﾛｲｯｸ）

材料

・[111]方向に自発分極を持つ （P_S = 60 ～100 μC/cm2_） ・室温で強誘電性を示す（T_C= 850 ℃） ・BiをBaで、FeをMnで置換することで 強磁性を示す （Bi_1-x Ba_xFeO₃ ,Bi Fe_1-xMn_xO₃) 菱面晶ペロブスカイト構造 (Bi,Ba)FeO₃ (BBFO)

D. H. Wang, et al., Appl. Phys. Lett., 88, 212907 (2006)

磁気特性 誘電特性

P

強磁性・強誘電材料を用いたHDDの例

強磁性・強誘電材料を用いたHDDの特長

• 超低消費電力で、磁化方向を変化させることが できる（電流がほとんど流れない）。 ＜磁界を用いた場合に比較して_{1/10以下＞} • 数ボルト程度の僅かな電圧で、磁化方向を 変化させることができる。 ＜磁界印加の場合は強磁界が必要＞ • 書込み（磁化反転）素子の構造を単純化 （細い導電性の針など）できる。 ＜磁界を発生する場合にはコイルが必要＞

強磁性・強誘電薄膜の応用における問題点

＜思いつくのは簡単、実現性を示すことが難しい。＞ 強磁性・強誘電薄膜を実デバイスに適用させる ために実現すべき項目 • 容易な磁化反転のための、分極方向の膜面垂直化。 • 電界により磁化方向の制御が可能であることの実証。 デバイス製造プロセスに適用させるために実現 すべき項目 • 安価・高強度の非単結晶基板上への、500℃以下の 低温での高品質薄膜の作製。 • 大量生産の観点から、スパッタリング装置での高品質 薄膜の作製。

磁化方向の電圧制御に関する実証実験

①高配向(Bi_1-xBa_x)FeO₃薄膜をスパッタリング法を 用い、_{500℃以下の低温}で非単結晶基板上に 作製し、強磁性・強誘電特性を得る。 ②作製した強磁性・強誘電薄膜を用い、 電界書込み磁気記録を実証する。 ③強磁性・強誘電薄膜の磁気物性を調べ、 磁気デバイスへの適用性についての検証を行う。 ・高_{(111)配向Pt下地（電極）層の作製} ⇒ シード層材料、シード層膜厚、Pt成膜温度 ・(Bi_1-xBa_x)FeO₃薄膜の低温結晶化 ⇒ スパッタリング成膜中のVHFプラズマ照射 スパッタリング成膜中の酸素分圧 検討項目 熱酸化膜付きSi基板 非晶質シード層 結晶質Pt下地層 ・_{(Bi1-xBax)FeO3}薄膜を用いた局所電界による磁化反転 ⇒ 電気力顕微鏡_{(EFM)観察、磁気力顕微鏡(MFM)観察} ・(Bi_1-xBa_x)FeO₃薄膜のデバイスへの適用性の検証 ⇒ キュリー温度の測定

Transfer rod Load chamber Sputtering chamber TMP TMP Clean room RP RP DC/RF sputtering source DC/VHF bias source 到達真空度 _{: 2.0 × 10}-7 _Pa 内蔵可能ターゲット数 : 10（交換式） ＋ 1（同時成膜用、固定式） プロセスガス _{: Ar, O2, N2 (不純物レベル : < 10 ppb)} 成膜時の最大基板加熱温度 : 600 ℃ 40.68 MHz 13.56 MHz 70 - 120 mm 10 - 20 rpm Target Substrate B.P. : 2 x 10-7 _Pa In-situ anneal : max 600 ℃ Substrate Target Ar+ _{, O} 2+ Plasma Plasma Sputtered atom ~ ~ 超高真空対応多機能スパッタリング装置

30 35 40 45 50 Intensity (a.u.) 2θ (deg.) 0 W 3 W 5 W 8 W Ta/Pt P t( 111 ) BFO(001) VHFプラズマ照射により 薄膜を構成する原子の 基板上でのﾏｲｸﾞﾚｰｼｮﾝ が誘発され、_BiFeO3 化合物の生成量が増大。 BiFeO₃ 薄膜におけるスパッタリング成膜中のVHFプラズマ照射の効果 VHFプラズマ照射（0～8 W） 400 ℃ 熱酸化膜付きSi基板 非晶質Taシード層 結晶質Pt下地層 BiFeO₃ 5 nm 100 nm 100 nm 300 ℃ 表面形状像 Substrate Target Ar+ _{, O} 2+ Plasma Plasma Sputtered atom ~ ~

-1000 -500 0 500 1000 -10 -5 0 5 10 P ( C/cm 2 ) E (kV/cm) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 20 40 60 0 20 40 60 M s (emu/cm 3 ) x [Ba/(Bi+Ba)] P s ( C/cm 2 ) Bi_1-xBa_xFeO₃薄膜の磁気特性・誘電特性 * O₂ : 10 % VHFプラズマ照射（5 W） 400 ℃ 熱酸化膜付きSi基板 非晶質Taシード層 結晶質Pt下地層 (Bi_1-xBa_x)FeO₃ 5 nm 100 nm 100 nm 300 ℃ M_s : 60 emu/cm3 H_c : 2.5 kOe -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 M (emu/cm 3 ) H (kOe) P_s : 8 C/cm2 E_c : 250 kV/cm 500℃以下の温度でスパッタリング法で作製 した薄膜でも強磁性・強誘電性の導出に成功 *組成調整のため 500 ℃で成膜 *

2 m EFM image Topo MFM image 6.5 V －6.5 V -metallic layer substrate N 電界書込み （3 x 3 m） （1 x 1 m） Bi_0.6Ba_0.4FeO₃薄膜への電界書込みに伴う磁区の誘起（磁化反転） metallic layer substrate metallic layer substrate + N N -電界書込み前

-2 m

EFM image (tip: -)

＋ － Topo N S metallic layer substrate N+ S- N+ N MFM image (tip: N) 2 m

EFM image (tip: +） Topo ＋ － N S metallic layer substrate N+ S- N+ N+ MFM image (tip: N) 単相型の強磁性・強誘電薄膜を用いて電圧印加のみで完全磁化反転を実現 電界書込み後 ＜電界印加は、磁界印加の場合に比較して、局所反転性に優れている。＞ Bi_0.6Ba_0.4FeO₃薄膜への電界書込みに伴う磁区の誘起（磁化反転）

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500 ‐100 ‐50 0 50 100 ‐10000 ‐5000 0 5000 10000 ‐100 ‐50 0 50 100 ‐10000 ‐5000 0 5000 10000 ‐100 ‐50 0 50 100 ‐10000 ‐5000 0 5000 10000 ‐100 ‐50 0 50 100 ‐10000 ‐5000 0 5000 10000 Temperature (℃) M agn et iz at io n ( em u/ cm 3 ) Bi_0.6Ba_0.4FeO₃薄膜の磁化温度曲線および各温度の磁化曲線 強磁性から常磁性へと転移するキュリー温度(T_c)は400 ℃ ⇒ デバイスに適用可能 印加磁場：10 kOe

想定される用途

• 電圧を印加する方向を変化させることにより、 デジタル情報(0 or 1)を記録できる、磁気メモリ。 • 電圧を印加する方向を変化させることにより、 磁場検出の方向を制御することができる、 磁気センサ。 • 電圧を印加する方向を変化させることにより、 反射および透過光の偏光方向を制御すること ができる、光デバイス。

磁性薄膜を用いているデバイスにおける

画期的な機能・利便性の向上

想定される用途の例（模式図）

偏光方向を制御することができる新規な光デバイス

１．透明性の高い酸化物の強磁性・強誘電薄膜の磁化曲線を カー効果測定装置で測定できるか？ ２．強磁性・強誘電薄膜の上部にITO等の透明導電膜を成膜しても 強誘電薄膜の磁化曲線をカー効果測定装置で測定できるか？ VSMで測定した磁化曲線と同様の 曲線（極性は反対）が得られた。 高透明度のITOを上部電極を用い れば、強磁性・強誘電薄膜の磁化 曲線を測定することが可能である。 強磁性・強誘電薄膜における、電界による磁気カー効果の制御 （反射および透過光の偏光方向の制御）に関する予備実験結果 強磁性・強誘電薄膜への電界印加により偏光方向の制御ができることを検証 θ (= M) θ (= M)

-1000 -500 0 500 1000 -10 -5 0 5 10 P ( C/cm 2 ) E (kV/cm) 磁気特性（M-H） ＜振動試料型磁束計＞ 誘電特性（P-E） ＜ﾌﾟﾛｰﾌﾟ付電気特性測定装置＞ -10 -5 0 5 10 -100 -50 0 50 100 M (emu/cm 3 ) H (kOe) 「電界印加による偏光方向制御の検証」から発案した 新規な『強磁性・強誘電薄膜の電気磁気特性（M-E曲線）測定装置』 通常は、別々の装置で 各特性を評価している。 電気磁気特性（M-E）

磁化の電圧制御に関する競合技術

金属磁性薄膜と酸化物絶縁薄膜 との界面で起こる現象を利用 産業技術総合研究所、その他 圧電体材料と磁歪材料との積層 による歪を介した現象を利用 東京大学、その他多数

競合技術の問題点

○ 金属磁性薄膜と酸化物絶縁薄膜との界面で起こる現象 ・電界印加による磁気特性制御の効果が非常に小さい。 （磁化の向きを僅かに変える程度） ・界面効果であるため～_{3 nm程度の極薄領域でのみ有効。} ○ 圧電材料と磁歪材料との積層による機械歪を介した現象 ・高い周波数（高速）での動作が不可能である。 ・デバイスとしての耐久性に難がある。 ● 本研究では、強磁性・強誘電の特性を有する単相型の 薄膜を用いて、電界印加のみによる完全磁化反転を 実現しており、上記に対して圧倒的な実用性を有する。

実用化に向けた課題

• 機能性（動作）の検証は行ったが、実デバイス化 に向けて、磁化および磁気カー効果の大きな 材料を新規に開発する必要がある。 • 薄膜作製条件を変化させると、薄膜組成がずれ、 その機能性が劣化することから、薄膜組成を コントロールするのに有効な手法やプロセスを 構築する必要がある。 • 微細素子形状での機能性の検証が必要である。

企業への期待

磁性薄膜を用いている種々のデバイスにおいて、 従来の常識を覆す「磁化の電圧制御」を適用 できれば、画期的な機能・利便性の向上を実現 できる可能性があります。 （記録・センサ・光、以外のデバイスに関しても、 有効となり得ると思われます。） 『こんなこと、出来そう？』のようなことでも結構です。 是非一度、ご相談ください。お待ちしております。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：電界書込み型磁気記録装置 • 出願番号 ：特願_2011-253356 【特許査定 （2015/1/19）】 • 出願人 ：秋田大学 • 発明者 ：吉村 哲、齊藤 準 • 発明の名称 ：電界記録型磁気メモリ • 出願番号 ：特願_2015-126013 • 出願人 ：秋田大学 • 発明者 ：吉村 哲、齊藤 準

お問い合わせ先

秋田大学 リサーチ・アドミニストレーター 伊藤 慎一 ＴＥＬ ０１８－８８９ － ２７０２ ＦＡＸ ０１８－８３７ － ５３５６ e-mail s-ito@crc.akita-u.ac.jp