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

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しょうこみおか
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1 1 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准教授吉村哲

2 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

3 3 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 (Bi,Ba)FeO 3

FeO 3,Bi Fe 1-x Mn x O 3 ) 磁気特性誘電特性 D. H.

4 新材料 : 強磁性強誘電 ( マルチフェロイック ) 材料 (Bi,Ba)FeO 3 (BBFO) 菱面晶ペロブスカイト構造 P M 室温で強誘電性を示す (T C = 850 ) [111] 方向に自発分極を持つ (P S = 60 ~100 μc/cm 2 ) 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 x FeO 3,Bi Fe 1-x Mn x O 3 ) 磁気特性誘電特性 D. H. Wang, et al., Appl. Phys. Lett., 88, (2006) 4

5 5 強磁性強誘電材料を用いた HDD の例磁化方向を薄膜に印加する電圧方向で制御することができる

6 6 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 >

7 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 7

磁化方向の電圧制御に関する実証実験 1 高配向 (Bi 1-x Ba x )FeO 3 薄膜をスパッタリング法を用い 500

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検討項目高(111) 配向 Pt 下地 ( 電極 ) 層の作製

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 (Bi 1-x Ba x )FeO 3 薄膜を用いた局所電界による磁化反転

8 磁化方向の電圧制御に関する実証実験 1 高配向 (Bi 1-x Ba x )FeO 3 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検討項目高(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-x Ba x )FeO 3 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 (Bi 1-x Ba x )FeO 3 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-x Ba x )FeO 3 薄膜のデバイスへの適用性の検証キュリー温度の測定結晶質 Pt 下地層非晶質シード層熱酸化膜付き Si 基板 8

超高真空対応多機能スパッタリング装置 DC/VHF bias source Sputtering chamber Load chamber

: 2 x 10-7 Pa RP TMP RP Substrate Plasma ~ ~ 到達真空度 : 2.

9 超高真空対応多機能スパッタリング装置 DC/VHF bias source Sputtering chamber Load chamber DC/RF sputtering source Clean room TMP Transfer rod MHz Target MHz Substrate In-situ anneal : max rpm mm B.P. : 2 x 10-7 Pa RP TMP RP Substrate Plasma ~ ~ 到達真空度 : 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, O 2, N 2 ( 不純物レベル : < 10 ppb) 成膜時の最大基板加熱温度 : 600 Sputtered atom Plasma Target Ar +,O 2 + 9

10 BiFeO 3 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) BiFeO 3 結晶質 Pt 下地層非晶質 Ta シード層熱酸化膜付き Si 基板 BFO(001) Pt(111) 100 nm 100 nm 5 nm 8 W 表面形状像 Plasma Sputtered atom Plasma Substrate ~ ~ Target Ar +,O 2 + Intensity (a.u.) Ta/Pt 5 W 3 W 0 W 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レーションが誘発され BiFeO 3 化合物の生成量が増大 θ (deg.) 10

11 M s (emu/cm 3 ) VHF プラズマ照射 (5 W) Bi 1-x Ba x FeO 3 薄膜の磁気特性誘電特性 (Bi 1-x Ba x )FeO 3 結晶質 Pt 下地層非晶質 Ta シード層熱酸化膜付き Si 基板 x [Ba/(Bi+Ba)] 100 nm 100 nm 5 nm * * 組成調整のため 500 で成膜 * O 2 : 10 % P s ( C/cm 2 ) P ( C/cm 2 ) M s : 60 emu/cm 3 H c : 2.5 koe M (emu/cm 3 ) H (koe) -5 P s : 8 C/cm 2 E -10 c : 250 kv/cm E (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 11

12 12 Bi 0.6 Ba 0.4 FeO 3 薄膜への電界書込みに伴う磁区の誘起 ( 磁化反転 ) 電界書込み前 Topo EFM image MFM image N- 2 m metallic layer substrate 6.5 V -6.5 V 電界書込み (3 x 3 m) (1 x 1 m) N+ N- metallic layer substrate metallic layer substrate

13 Bi 0.6 Ba 0.4 FeO 3 薄膜への電界書込みに伴う磁区の誘起 ( 磁化反転 ) 電界書込み後 Topo EFM image (tip: +) MFM image (tip: N) + - N S N+ N+ S- N+ 2 m metallic layer substrate Topo EFM image (tip: -) MFM image (tip: N) + - N S N- N+ S- N+ 2 m metallic layer substrate 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 > 13

14 Magnetization (emu/cm 3 ) Bi 0.6 Ba 0.4 FeO 3 薄膜の磁化温度曲線および各温度の磁化曲線印加磁場 :10 koe Temperature ( ) 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 14

15 15 想定される用途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

16 16 想定される用途の例 ( 模式図 ) 従来磁気センサと磁場検出の方向制御が可能な新規な磁気センサ偏光方向を制御することができる新規な光デバイス

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 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? θ (= M) 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 2.

17 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 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? θ (= M) 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 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? θ (= M) 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 17

18 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 18 磁気特性 (M-H) < 振動試料型磁束計 > P ( C/cm 2 ) 誘電特性 (P-E) < フローフ付電気特性測定装置 > M (emu/cm 3 ) 100 H (koe) E (kv/cm) 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)

19 19 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

20 20 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

21 21 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

22 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 22

23 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 : 特願出願人 : 秋田大学発明者 : 吉村哲齊藤準 23

24 24 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 FAX s-ito@crc.akita-u.ac.jp

Ba,Bi O Fe,n 分極 (P) 方向 (111) 配向 (Bi 1-x Ba x )(Fe 1-x n x )O 3 -V --- E P +++ FCC(111) 配向金属バッファ層 / 非晶質金属シード層電流をほとんど流す必要が無い印加可能な電場の大きさに理論上限界が無い記録ヘッ

Ba,Bi O Fe,n 分極 (P) 方向 (111) 配向 (Bi 1-x Ba x )(Fe 1-x n x )O 3 -V --- E P +++ FCC(111) 配向金属バッファ層 / 非晶質金属シード層電流をほとんど流す必要が無い印加可能な電場の大きさに理論上限界が無い記録ヘッ平成 25 年度実用化研究報告強磁性強誘電薄膜の相制御による磁気電気的パターン化法の確立とそれを用いた低消費電力低製造コスト型の高密度磁気記録装置の開発秋田大学大学院工学資源学研究科准教授吉村哲 1. はじめに省エネルギー化省資源化が求められている今日世界で 10 億台以上が稼働している磁気記録装置 (HDD) において根本的な低消費電力化貴金属フリー化が求めらることが明白である

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

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