CN116519024A - 光检测元件，光传感器单元及接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供新型的光检测元件、光传感器单元及接收装置。本光检测元件具有：超透镜，其具备二维排列的多个纳米结构体；磁性元件，其具备第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，向所述磁性元件照射通过了所述超透镜的光。

Description

光检测元件，光传感器单元及接收装置
技术领域
本发明涉及光检测元件、光传感器单元及接收装置。
背景技术
光电转换元件用于各种用途。
例如，在专利文献1中记载有一种使用光电二极管接收光信号的接收装置。光电二极管是例如使用半导体的pn结的pn结二极管等。另外，例如，在专利文献2中记载有一种使用半导体的pn结的光传感器及使用该光传感器的图像传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2001－292107号公报
专利文献2：美国专利第9842874号说明书
发明内容
发明所要解决的问题
虽然广泛利用了使用半导体的pn结的光传感器，但为了进一步的发展，要求新的突破。
本发明鉴于上述问题而设立，目的在于提供新型的光检测元件、光传感器单元及接收装置。
用于解决问题的技术方案
为了解决上述课题，提供以下的技术方案。
(1)第一方式提供一种光检测元件，其具有：超透镜，其具备二维排列的多个纳米结构体；磁性元件，其具备第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，向所述磁性元件照射通过了所述超透镜的光。
(2)在上述方式的光检测元件中，也可以是，在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述超透镜具有第一区域，内包于所述第一区域的多个纳米结构体各自的俯视的面积随着从所述第一区域的中心朝向外侧而变小。
(3)在上述方式的光检测元件中，也可以是，在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述超透镜在第一区域的外侧还具有环状区域，内包于所述环状区域的多个纳米结构体各自的俯视的面积随着从所述环状区域的内周侧朝向外周侧而变小。
(4)在上述方式的光检测元件中，也可以是，在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述多个纳米结构体各自的俯视形状具有长边方向和短边方向，所述多个纳米结构体中的至少一个所述俯视形状的配置角度与其它的纳米结构体的所述俯视形状的配置角度不同。
(5)在上述方式的光检测元件中，也可以是，所述磁性元件配置于由所述超透镜会聚的所述光的焦点位置。
(6)在上述方式的光检测元件中，也可以是，所述光是380nm以上且小于800nm的波长区域中的特定的波长区域的光。
(7)在上述方式的光检测元件中，也可以是，所述光是800nm以上且1mm以下的波长区域中的特定的波长区域的光。
(8)在上述方式的光检测元件中，也可以是，所述光时200nm以上且小于380nm的波长区域中的特定的波长区域的光。
(9)第二方式提供一种光传感器单元，其具有多个光检测元件，所述多个光检测元件分别是上述方式的光检测元件。
(10)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件至少具有第一光检测元件和第二光检测元件，所述第一光检测元件在由所述超透镜会聚的第一波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件，所述第二光检测元件在与由所述超透镜会聚的所述第一波长区域不同的第二波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件。
(11)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述第一波长区域为380nm以上且小于800nm的波长区域中的特定的波长区域，所述第二波长区域是800nm以上且1mm以下的波长区域中的特定的波长区域。
(12)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件还具有第三光检测元件，所述第三光检测元件在与由所述超透镜会聚的所述第一波长区域及所述第二波长区域不同的第三波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件，所述第三波长区域为200nm以上且小于380nm的波长区域中的特定的波长区域。
(13)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件一维排列。
(14)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件二维排列。
(15)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件中构成一个像素的光检测元件中的至少一个与构成所述一个像素的其它光检测元件相比，所述超透镜的所述纳米结构体的结构不同。
(16)在上述方式的光传感器单元中，也可以是，所述多个光检测元件中构成一个像素的光检测元件中的至少一个与构成所述一个像素的其它光检测元件相比，所述超透镜和所述磁性元件之间的距离不同。
(17)第三方式提供一种接收装置，其具有上述方式的光检测元件。
发明效果
上述方式的光检测元件、光传感器单元及接收装置通过新型的原理动作。
附图说明
图1是第一实施方式的光检测元件的剖视图。
图2是第一例的超透镜的俯视图。
图3是构成第一例的超透镜的一个单元的示意图。
图4是第二例的超透镜的俯视图。
图5是构成第二例的超透镜的一个单元的示意图。
图6是用于对第一实施方式的光检测元件的动作进行说明的示意图。
图7是用于对第一实施方式的光检测元件的第一动作例的第一机制进行说明的图。
图8是用于对第一实施方式的光检测元件的第一动作例的第二机制进行说明的图。
图9是用于对第一实施方式的光检测元件的第二动作例的第一机制进行说明的图。
图10是用于对第一实施方式的光检测元件的第二动作例的第二机制进行说明的图。
图11是用于对第一实施方式的光检测元件的第二动作例的另一例进行说明的图。
图12是用于对第一实施方式的光检测元件的第二动作例的另一例进行说明的图。
图13是第一应用例的光传感器装置的概念图。
图14是表示第一应用例的光传感器单元的具体结构的一例的图。
图15是第一应用例的光传感器装置的截面的概念图。
图16是表示第一变形例的光传感器单元的具体结构的一例的图。
图17是第二变形例的光传感器装置的截面的概念图。
图18是第二应用例的收发系统的概念图。
图19是第二应用例的收发装置的框图。
图20是将第二应用例的收发装置的光检测元件附近放大的示意图。
图21是通信系统的另一例的概念图。
图22是通信系统的另一例的概念图。
具体实施方式
以下，适当参照图，对实施方式进行详细说明。以下的说明中使用的附图中，为了容易理解特征，有时为了方便起见而将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比例等有时与实际不同。以下的说明中例示的材料、尺寸等为一例，本发明不限于此，能够在实现本发明的效果的范围内适当地变更并实施。
对方向定义。将磁性元件10的层叠方向设为z方向，将与z方向正交的面内的一方向设为X方向，将与X方向及Z方向正交的方向设为y方向。以下，有时将+Z方向表达为“上”，将－z方向表达为“下”。+z方向是从磁性元件10朝向超透镜20的方向。上下不一定与施加重力的方向一致。
第一实施方式
图1是第一实施方式的光检测元件100的剖视图。在图1中，用箭头表示铁磁性体的初始状态下的磁化的方向。
光检测元件100具有磁性元件10和超透镜20。向磁性元件10照射通过了超透镜20的光。磁性元件10检测照射至磁性元件10的光。磁性元件10将照射至磁性元件10的光转换成电信号。超透镜20使光朝向磁性元件10会聚。磁性元件10例如配置于由超透镜20会聚的光的焦点位置。在磁性元件10和超透镜20之间例如有绝缘层91。
本说明书中的光不限于可见光线，也包含波长比可见光线长的红外线、或波长比可见光线短的紫外线。可见光线的波长例如为380nm以上且小于800nm。红外线的波长例如为800nm以上且1mm以下。紫外线的波长例如为200nm以上且小于380nm。
磁性元件10至少具有第一铁磁性层1、第二铁磁性层2以及间隔层3。间隔层3位于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间。除此之外，磁性元件10还可以具有缓冲层4、籽晶层5、第三铁磁性层6、磁耦合层7、垂直磁化感应层8、覆盖层9、绝缘层90。缓冲层4、籽晶层5、第三铁磁性层6及磁耦合层7位于第二铁磁性层2和第二电极12之间，垂直磁化感应层8及覆盖层9位于第一铁磁性层1和第一电极11之间。绝缘层90位于第一电极11和第二电极12之间，覆盖层叠体15的周围。
磁性元件10例如是间隔层3由绝缘材料构成的MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件。磁性元件10如果被照射来自外部的光，则电阻值变化。磁性元件10的z方向的电阻值(使电流沿z方向流通时的电阻值)根据第一铁磁性层1的磁化M1的状态和第二铁磁性层2的磁化M2的状态的相对变化而变化。这样的元件也被称为磁阻效应元件。
第一铁磁性层1是如果被从外部照射光则磁化的状态变化的光检测层。第一铁磁性层1也被称为磁化自由层。磁化自由层是包含在被施加来自规定的外部的能量时磁化的状态变化的磁性体的层。来自规定的外部的能量例如是从外部照射的光、沿磁性元件10的z方向流通的电流、外部磁场。第一铁磁性层1的磁化M1的状态根据照射的光的强度而变化。
第一铁磁性层1包含铁磁性体。第一铁磁性层1至少包含例如Co、Fe或Ni等磁性元素中的任一个。第一铁磁性层1也可以与如上所述的磁性元素一起包含B、Mg、Hf、Gd等元素。第一铁磁性层1例如也可以是包含磁性元素和非磁性元素的合金。第一铁磁性层1也可以由多层构成。第一铁磁性层1例如是CoFeB合金、由Fe层夹持CoFeB合金层的层叠体，由CoFe层夹持CoFeB合金层的层叠体。一般而言，“铁磁性”包含“亚铁磁性”。第一铁磁性层1也可以显示亚铁磁性。另一方面，第一铁磁性层1也可以不显示亚铁磁性而显示铁磁性。例如，CoFeB合金不显示亚铁磁性而显示铁磁性。
第一铁磁性层1可以是在膜面内方向(xy面内的任一方向)上具有易磁化轴的面内磁化膜，也可以是在膜法线方向(z方向)上具有易磁化轴的垂直磁化膜。
第一铁磁性层1的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。第一铁磁性层1的膜厚例如优选为1nm以上且2nm以下。在第一铁磁性层1是垂直磁化膜的情况下，如果第一铁磁性层1的膜厚薄，则来自处于第一铁磁性层1的上下的层的垂直磁各向异性施加效果增强，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性提高。即，如果第一铁磁性层1的垂直磁各向异性高，则磁化M1要沿z方向返回的力增强。另一方面，如果第一铁磁性层1的膜厚厚，则来自处于第一铁磁性层1的上下的层的垂直磁各向异性施加效果相对减弱，第一铁磁性层1的垂直磁各向异性减弱。
如果第一铁磁性层1的膜厚变薄，则作为铁磁性体的体积减小，如果变厚，则作为铁磁性体的体积增大。施加来自外部的能量时的第一铁磁性层1的磁化的反应容易度与第一铁磁性层1的磁各向异性(Ku)和体积(V)的积(KuV)成反比例。即，如果第一铁磁性层1的磁各向异性和体积的积减小，则对于光的反应性提高。从这样的观点来看，为了提高对于光的反应，优选在适当地设计了第一铁磁性层1的磁各向异性之后减小第一铁磁性层1的体积。
在第一铁磁性层1的膜厚大于2nm的情况下，也可以将例如由Mo、W构成的插入层设置于第一铁磁性层1内。即，也可以将沿z方向依次层叠有铁磁性层、插入层、铁磁性层的层叠体作为第一铁磁性层1。通过插入层和铁磁性层的界面上的界面磁各向异性提高第一铁磁性层1整体的垂直磁各向异性。插入层的膜厚例如为0.1nm～1.0nm。
第二铁磁性层2是磁化固定层。磁化固定层是由在被施加来自规定的外部的能量时与磁化自由层相比磁化的状态不易变化的磁性体构成的层。例如，磁化固定层在被施加来自规定的外部的能量时，与磁化自由层相比磁化的方向不易变化。另外，例如，磁化固定层在被施加来自规定的外部的能量时，与磁化自由层相比磁化的大小不易变化。第二铁磁性层2的矫顽力例如大于第一铁磁性层1的矫顽力。第二铁磁性层2例如在与第一铁磁性层1相同的方向上具有易磁化轴。第二铁磁性层2可以是面内磁化膜，也可以是垂直磁化膜。
构成第二铁磁性层2的材料例如与第一铁磁性层1同样。第二铁磁性层2例如也可以是0.4nm～1.0nm的厚度的Co和0.4nm～1.0nm的厚度的Pt交替层叠多次的多层膜。第二铁磁性层2例如也可以是0.4nm～1.0nm的厚度的Co、0.1nm～0.5nm的厚度的Mo、0.3nm～1.0nm的厚度的CoFeB合金、0.3nm～1.0nm的厚度的Fe依次层叠的层叠体。
第二铁磁性层2的磁化例如也可以通过与夹持磁耦合层7的第三铁磁性层6的磁耦合而固定。在该情况下，也有时将第二铁磁性层2、磁耦合层7及第三铁磁性层6组合的层称为磁化固定层。后述磁耦合层7及第三铁磁性层6的详情。
间隔层3是配置于第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间的层。间隔层3用由导电体、绝缘体或者半导体构成的层、或在绝缘体中包含由导体构成的通电点的层构成。间隔层3例如是非磁性层。间隔层3的膜厚能够根据后述的初始状态下的第一铁磁性层1的磁化和第二铁磁性层2的磁化的取向方向而调整。
在间隔层3由绝缘材料构成的情况下，能够将含有氧化铝、氧化镁、氧化钛或氧化硅等的材料用作间隔层3的材料。另外，这些绝缘材料也可以含有Al、B、Si、Mg等元素、或Co、Fe、Ni等磁性元素。调整间隔层3的膜厚，使得在第一铁磁性层1和第二铁磁性层2之间表现高的TMR效应，由此，获得高的磁阻变化率。为了高效地利用TMR效应，间隔层3的膜厚可以设为0.5～5.0nm左右，也可以设为1.0～2.5nm左右。
在由非磁性导电材料构成间隔层3的情况下，能够使用Cu、Ag、Au或Ru等导电材料。为了高效地利用GMR效应，间隔层3的膜厚可以设为0.5～5.0nm左右，也可以设为2.0～3.0nm左右。
在由非磁性半导体材料构成间隔层3的情况下，能够使用氧化锌、氧化铟、氧化锡、氧化锗、氧化镓或ITO等材料。在该情况下，间隔层3的膜厚也可以设为1.0～4.0nm左右。
在作为间隔层3应用非磁性绝缘体中包含由导体构成的通电点的层的情况下，也可以设为在由氧化铝或氧化镁构成的非磁性绝缘体中包含由Cu、Au、Al等非磁性的导体构成的通电点的结构。另外，也可以由Co、Fe、Ni等磁性元素构成导体。在该情况下，间隔层3的膜厚也可以设为1.0～2.5nm左右。通电点例如是从与膜面垂直的方向观察时的直径为1nm以上且5nm以下的柱状体。
第三铁磁性层6例如与第二铁磁性层2磁耦合。磁耦合例如是反铁磁性耦合，通过RKKY相互作用而产生。第二铁磁性层2的磁化M2的方向和第三铁磁性层6的磁化M6的方向是反平行的关系。构成第三铁磁性层6的材料例如与第一铁磁性层1同样。
磁耦合层7位于第二铁磁性层2和第三铁磁性层6之间。磁耦合层7是例如Ru、Ir等。
缓冲层4是缓和不同的结晶之间的晶格失配的层。缓冲层4例如是包含选自由Ta、Ti、Zr及Cr构成的组中的至少一种元素的金属、或包含选自由Ta、Ti、Zr及Cu构成的组中的至少一种元素的氮化物。更具体而言，缓冲层4例如是Ta(单体)、NiCr合金、TaN(氮化钽)、CuN(氮化铜)。缓冲层4的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。缓冲层4例如为非晶质。缓冲层4例如位于籽晶层5和第二电极12之间，与第二电极12相接。缓冲层4抑制第二电极12的晶体结构对第二铁磁性层2的晶体结构造成影响。
籽晶层5提高在籽晶层5上层叠的层的结晶性。籽晶层5例如位于缓冲层4和第三铁磁性层6之间，处于缓冲层4上。籽晶层5例如是Pt、Ru、Zr、NiFeCr。籽晶层5的膜厚例如为1nm以上且5nm以下。
覆盖层9处于第一铁磁性层1和第一电极11之间。覆盖层9也可以包含在第一铁磁性层1上层叠且与第一铁磁性层1相接的垂直磁化感应层8。覆盖层9在工艺过程中防止对下层的损害，并且在退火时提高下层的结晶性。覆盖层9的膜厚例如为10nm以下，使得对第一铁磁性层1照射充分的光。
垂直磁化感应层8感应第一铁磁性层1的垂直磁各向异性。垂直磁化感应层8是例如氧化镁、W、Ta、Mo等。在垂直磁化感应层8是氧化镁的情况下，为了提高导电性，优选氧化镁是缺氧的。垂直磁化感应层8的膜厚例如为0.5nm以上且5.0nm以下。
绝缘层90例如是Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物。绝缘层90是例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬、碳氮化硅(SiCN)、氮氧化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)等。
第一电极11例如配置于磁性元件10的超透镜20侧。入射光从第一电极11侧向磁性元件10照射，至少向第一铁磁性层1照射。第一电极11由具有导电性的材料构成。第一电极11例如是对使用波长区域的光具有透射性的透明电极。第一电极11例如优选透过使用波长区域的光的80％以上。第一电极11是例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等氧化物。第一电极11也可以设为在这些氧化物的透明电极材料中具有多个柱状金属的结构。不必须使用如上所述的透明电极材料作为第一电极11，也可以通过以薄的膜厚使用Au、Cu或Al等金属材料使照射的光到达第一铁磁性层1。在使用金属作为第一电极11的材料的情况下，第一电极11的膜厚例如为3～10nm。另外，第一电极11也可以在被照射光的照射面上具有防反射膜。
第二电极12由具有导电性的材料构成。第二电极12由例如Cu、Al或Au等金属构成。也可以在这些金属的上下层叠Ta或Ti。另外，也可以使用Cu和Ta的层叠膜、Ta、Cu以及Ti的层叠膜、Ta、Cu以及TaN的层叠膜。另外，也可以使用TiN或TaN作为第二电极12。第二电极12的膜厚例如为200nm～800nm。
第二电极12也可以对向磁性元件10照射的光具有透射性。作为第二电极12的材料，也可以与第一电极11同样地使用例如氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化铟镓锌(IGZO)等氧化物的透明电极材料。在从第一电极11的一方照射光的情况下，根据光的强度，光也可能到达第二电极12，但在该情况下，由于第二电极12包含氧化物的透明电极材料而构成，从而与第二电极12由金属构成的情况相比，能够抑制第二电极12和与其相接的层的界面上的光的反射。
超透镜20具有多个纳米结构体21。多个纳米结构体21例如形成在基体22上。超透镜20是应用了超表面的透镜。超透镜20控制光的相位分布，作为透镜发挥作用。超表面通过平面结构发挥超材料的功能。超材料是具有负的折射率的介质、或被设计为具有在自然界中没有的折射率(介电常数、磁导率)的介质。因为超透镜20能够减小焦点距离，所以能够将光检测元件100小型化。另外，因为超透镜20能够减小焦点的大小，所以能够高效地向磁性元件10照射高能量的光。
超透镜20例如包含产生表面等离子体激发的电介质。另外，超透镜20透过使用频带的光。纳米结构体21例如是氧化钛、氮化镓。在向光检测元件100入射的光是红外线的情况下，纳米结构体21也可以是非晶硅。基体22例如是二氧化硅、氧化铝。
多个纳米结构体21在xy面上二维排列。xy面为多个纳米结构体21排列的排列面的一例。图2是第一例的超透镜20的俯视图。
图3是构成第一例的超透镜20的一个单元23的示意图。图3的上图是从z方向俯视的图，图3的下图是立体图。多个单元23在同一面内排列，成为超透镜20。
纳米结构体21例如是直径φ、高度H的圆柱。在超透镜20中，该纳米结构体21在每个周期U中周期性排列。在多个纳米结构体21中，直径φ具有多个值。在多个纳米结构体21中，高度H可以仅有一个值，也可以具有多个值。直径φ及周期U为使用的光的波长以下。在图3所示的例子中，一个单元23中的基体22的x方向上的长度为U，y方向上的长度也成为U。
如图2所示，例如从z方向俯视时，超透镜20具有第一区域A1和环状区域A2。第一区域A1例如为圆形。环状区域A2处于第一区域A1的外侧。环状区域A2的外周和第一区域A1的外周例如为同心圆。第一区域A1内包多个纳米结构体21。环状区域A2也内包多个纳米结构体21。超透镜20也可以没有环状区域A2。
被第一区域A1内包的多个纳米结构体21各自的俯视的面积例如随着从第一区域A1的中心朝向外侧而变小。例如，在第一区域A1，纳米结构体21的直径φ随着从中心朝向外侧而变小。
被环状区域A2内包的多个纳米结构体21各自的俯视的面积例如随着环状区域A2的内周侧朝向外周侧而变小。例如，在环状区域A2，纳米结构体21的直径φ随着从内周侧朝向外周侧而变小。在环状区域A2的最内周排列的纳米结构体21的俯视的面积例如大于在第一区域A1的最外周排列的纳米结构体21的俯视的面积。
超透镜20通过调整多个纳米结构体21的配置、各个纳米结构体21的尺寸及多个纳米结构体21的配置的周期，能够控制光的相位分布。
例如，在表1中示出将超透镜20的直径设定为3μm，将由超透镜20会聚的光的焦点距离设为3μm，且设定为超透镜20仅由第一区域A1构成时的各个纳米结构体21的尺寸及多个纳米结构体21的配置的周期。在该例中，纳米结构体21由氧化钛构成，绝缘层91由二氧化硅构成。在表1中，λ为由超透镜20会聚到3μm的焦点距离的光的波长，φmax为最大的纳米结构体21的直径，φmin为最小的纳米结构体21的直径，H为纳米结构体21的高度，U为纳米结构体21之间的周期。
表1
λ(nm) 1550 1310 880 633 530 430 290
φmax(nm) 725 630 410 290 240 195 135
φmin(nm) 471 410 267 189 156 127 88
H(nm) 800 800 800 800 800 800 800
U(nm) 755 656 427 302 250 203 140
如表1所示，通过调整纳米结构体21的尺寸及配置的周期，即使入射的光的波长不同，也能够使超透镜20的焦点距离相同。
另外，超透镜20的结构不限于图2及图3所示的结构。例如，在图2所示的超透镜20的环状区域A2的外侧还可以具有一个或多个环状区域。图4是第二例的超透镜20A的俯视图。图5是构成第二例的超透镜20A的一个单元23A的示意图。图5的上图是从z方向俯视的图，图5的下图是立体图。多个单元23A在同一面内排列，成为超透镜20A。
多个纳米结构体21A在xy面上二维排列。在俯视xy面时，多个纳米结构体21A中的至少一个俯视形状与其它纳米结构体21A的平面形状相比，配置角度不同。
就各个纳米结构体21A而言，例如俯视形状具有长边方向和短边方向。图5所示的纳米结构体21A是长边方向为长度L、短边方向为宽度W、高度为H的长方体形状，俯视形状是长边方向为长度L、短边方向为宽度W的长方形。长度L、宽度W及周期U为使用的光的波长以下。在图5所示的例子中，一个单元23A中的基体22的x方向上的长度为U，y方向上的长度也成为U。在超透镜20A中，该纳米结构体21A在每个周期U中周期性排列。纳米结构体21A的长边方向相对于基准轴(例如，x方向)以配置角度θ倾斜。在多个纳米结构体21A中，配置角度θ也可以具有多个值，例如，其分布也可以具有Panchanratonam Berry几何相位的规律性。
例如，在表2中示出将超透镜20A的直径设定为3μm，将由超透镜20A会聚的光的焦点距离设定为3μm，且设定为纳米结构体21A的配置角度θ的分布满足PanchanratonamBerry几何相位的规律性时的各个纳米结构体21A的尺寸及多个纳米结构体21A的配置的周期。在该例中，纳米结构体21A由氧化钛构成，绝缘层91由二氧化硅构成。在表2中，λ为由超透镜20会聚到3μm的焦点距离的光的波长，W为纳米结构体21A的俯视的宽度，L为纳米结构体21A的俯视的长度，H为纳米结构体21A的高度，U为纳米结构体21A之间的周期。
表2
λ(nm) 1550 1310 880 633 530 430 290
W(nm) 145 140 115 95 80 45 40
L(nm) 555 510 455 380 265 165 135
H(nm) 600 600 600 600 600 600 600
U(nm) 605 565 505 430 315 215 185
如表2所示，通过调整纳米结构体21A的尺寸及配置的周期，即使入射的光的波长不同，也能够使超透镜20A的焦点距离相同。
绝缘层91处于磁性元件10和超透镜20之间。绝缘层91的材质只要能够透过使用频带的光，就没有特别限制。在绝缘层91中，例如能够使用与绝缘层90同样的物质。绝缘层91和绝缘层90可以是相同物质，也可以是不同的物质。另外，绝缘层91和基体22可以是相同的物质，也可以是不同的物质。
光检测元件100通过依次制作第二电极12、磁性元件10、第一电极11、绝缘层91、超透镜20而获得。
磁性元件10通过各层的层叠工序、退火工序、加工工序来制作。首先，在第二电极12上依次层叠缓冲层4、籽晶层5、第三铁磁性层6、磁耦合层7、第二铁磁性层2、间隔层3、第一铁磁性层1、垂直磁化感应层8、覆盖层9。各层例如通过溅射成膜。
接着，对层叠膜进行退火。退火温度例如为250℃以上且400℃以下。之后，通过光刻及蚀刻将层叠膜加工成柱状体的层叠体15。层叠体15可以是圆柱，也可以是棱柱。例如，从z方向观察层叠体15时的最短宽度为10nm以上且1000nm以下。
接着，以包覆层叠体15的侧面的方式形成绝缘层90。绝缘层90也可以多次层叠。接着，通过化学机械抛光从绝缘层90露出覆盖层9的上表面，在覆盖层9上对第一电极11进行成膜。
接着，在第一电极11上对绝缘层91进行成膜。在绝缘层91的上表面形成形成有规定的图案的抗蚀剂，并进行干式蚀刻。通过干式蚀刻在绝缘层91的上表面上形成规定的图案的孔部。接着，通过在由构成纳米结构体21的材料填充该孔部的同时进行成膜，形成超透镜20。通过上述工序，获得光检测元件100。在使用后述的波长滤波器40的情况下，使成为波长滤波器40的例如电介质多层膜例如在第一电极11和绝缘层91之间成膜。这样，在光检测元件100的制作中，能够通过真空成膜工艺连续形成磁性元件10和超透镜20。
接着，对第一实施方式的光检测元件100的动作进行说明。图6是用于对光检测元件100的动作进行说明的示意图。在图6中，省略磁性元件10和超透镜20之间的绝缘层91。
入射至光检测元件100的光L由超透镜20会聚。如图6所示，向超透镜20入射的光L也可以是通过了偏振滤波器30的光。光检测元件100也可以在超透镜20的与磁性元件10相反侧具有偏振滤波器30。在使用图4所示的超透镜20A的情况下，优选使用偏振滤波器30。即使在使用图4所示的超透镜20A的情况下，在向光检测元件100入射的光是激光这样的偏振光的情况下，也可以没有偏振滤波器30。
磁性元件10配置于由超透镜20会聚的使用频带的光L的焦点位置。使用频带的光L的焦点位置例如优选与第一铁磁性层1重叠。例如，在使用可见光线的情况下，在380nm以上且小于800nm的波长区域中的特定的波长区域的光的焦点位置配置磁性元件10。另外，例如在使用红外线的情况下，在800nm以上且小于1000nm的波长区域中的特定的波长区域的光的焦点位置配置磁性元件10。另外，例如在使用紫外线的情况下，在200nm以上且小于380nm的波长区域中的特定的波长区域的光的焦点位置配置磁性元件10。
另外，向磁性元件10照射的光L也可以是通过了波长滤波器40的光。光检测元件100也可以具有波长滤波器40。波长滤波器40例如配置于磁性元件10和超透镜20之间、或超透镜20的与磁性元件10相反侧。而且，向磁性元件10照射通过了超透镜20的光L。
来自磁性元件10的输出电压根据向第一铁磁性层1照射的光L的强度变化而变化。有助于来自磁性元件10的输出电压的变化的是第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3的层叠方向的电阻值变化。在第一动作例中，以向第一铁磁性层1照射的光的强度为第一强度和第二强度这两个阶段的情况为例进行说明。使第二强度的光的强度大于第一强度的光的强度。第一强度也可以是向第一铁磁性层1照射的光的强度为零的情况。
图7及图8是用于对磁性元件10的第一动作例进行说明的图。图7是用于对第一动作例的第一机制进行说明的图，图8是用于对第一动作例的第二机制进行说明的图。在图7及图8中，仅抽出磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。在图7及图8的上方的图表中，纵轴为向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴为时间。在图7及图8的下方的图表中，纵轴为磁性元件10的z方向的电阻值，横轴为时间。
首先，在向第一铁磁性层1照射第一强度的光的状态(以下，称为初始状态)下，第一铁磁性层1的磁化M1和第二铁磁性层2的磁化M2处于平行的关系，磁性元件10的z方向的电阻值表示第一电阻值R1，来自磁性元件10的输出电压的大小表示第一值。通过沿磁性元件10的z方向流通感应电流Is而在磁性元件10的z方向的两端产生电压，磁性元件10的z方向的电阻值根据该电压值使用欧姆定律求出。来自磁性元件10的输出电压在第一电极11和第二电极12之间产生。在图7所示的例子的情况下，使感应电流Is从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2流通。通过沿该方向流通感应电流Is，与第二铁磁性层2的磁化M2相同的方向的自旋转移扭矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1，在初始状态下，磁化M1和磁化M2平行。另外，通过沿该方向流通感应电流Is，能够防止第一铁磁性层1的磁化M1在动作时反转。
接着，向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化。第二强度大于第一强度，第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变化。未向第一铁磁性层1照射光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态和向第一铁磁性层1照射第二强度的光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的状态不同。磁化M1的状态是指例如相对于z方向的倾斜角、大小等。
例如，如图7所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化，则磁化M1相对于z方向倾斜。另外，例如，如图8所示，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度从第一强度向第二强度变化，则磁化M1的大小变小。例如，在第一铁磁性层1的磁化M1根据光的照射强度相对于z方向倾斜的情况下，其倾斜角度大于0°且小于90°。
如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态变化，则磁性元件10的z方向的电阻值表示第二电阻值R2，来自磁性元件10的输出电压的大小表示第二值。第二电阻值R2大于第一电阻值R1，输出电压的第二值大于第一值。第二电阻值R2在磁化M1和磁化M2平行时的电阻值(第一电阻值R1)和磁化M1和磁化M2反平行时的电阻值之间。
在图7所示的情况下，与第二铁磁性层2的磁化M2相同方向的自旋转移扭矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1。因此，如果磁化M1要回到与磁化M2平行的状态，且向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度向第一强度变化，则磁性元件10回到初始状态。在图8所示的情况下，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则第一铁磁性层1的磁化M1的大小复原，磁性元件10回到初始状态。在任何情况下，磁性元件10的z方向的电阻值都回到第一电阻值R1。即，在向第一铁磁性层1照射的光的强度从第二强度变化到第一强度时，磁性元件10的z方向的电阻值从第二电阻值R2向第一电阻值R1变化，来自磁性元件10的输出电压的大小从第二值向第一值变化。
来自磁性元件10的输出电压能够与向第一铁磁性层1照射的光的强度的变化对应地变化，将照射的光的强度的变化转换成来自磁性元件10的输出电压的变化。即，磁性元件10能够将光替换成电信号。例如，将来自磁性元件10的输出电压为阈值以上的情况作为第一信号(例如，“1”)处理，将低于阈值的情况作为第二信号(例如，“0”)处理。
在此，以在初始状态下磁化M1和磁化M2平行的情况为例进行了说明，但在初始状态下磁化M1和磁化M2也可以反平行。在该情况下，磁化M1的状态越是变化(例如，磁化M1从初始状态的角度变化越大)磁性元件10的z方向的电阻值越小。在将磁化M1和磁化M2反平行的情况设为初始状态的情况下，感应电流Is优选从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1流通。通过沿该方向流通感应电流Is，与第二铁磁性层2的磁化M2相反的方向的自旋转移扭矩作用于第一铁磁性层1的磁化M1，在初始状态下，磁化M1和磁化M2反平行。
在第一动作例中，以向第一铁磁性层1照射的光为第一强度和第二强度这两个阶段的情况为例进行了说明，但在第二动作例中，对向第一铁磁性层1照射的光的强度多阶段或模拟变化的情况进行说明。
图9及图10是用于对第一实施方式的磁性元件10的第二动作例进行说明的图。图9是用于对第二动作例的第一机制进行说明的图，图10是用于对第二动作例的第二机制进行说明的图。在图9及图10中，仅抽出磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。在图9及图10的上方的图表中，纵轴是向第一铁磁性层1照射的光的强度，横轴是时间。在图9及图10的下方的图表中，纵轴是磁性元件10的z方向的电阻值，横轴是时间。
在图9的情况下，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度大，则由于基于光的照射的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态倾斜。未向第一铁磁性层1照射光的状态下的第一铁磁性层1的磁化M1的方向和照射光的状态下的磁化M1的方向的角度均大于0°且小于90°。
如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态倾斜，则磁性元件10的z方向的电阻值变化。而且，来自磁性元件10的输出电压变化。例如，根据第一铁磁性层1的磁化M1的倾斜，磁性元件10的z方向的电阻值变为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4，来自磁性元件10的输出电压变为第二值、第三值、第四值。电阻值按照第一电阻值R1、第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4的顺序变大。来自磁性元件10的输出电压按照第一值、第二值、第三值、第四值的顺序变大。
就磁性元件10而言，在向第一铁磁性层1照射的光的强度变化时，来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的z方向的电阻值)变化。例如，如果将第一值(第一电阻值R1)规定为“0”，将第二值(第二电阻值R2)规定为“1”，将第三值(第三电阻值R3)规定为“2”，将第四值(第四电阻值R4)规定为“3”，则能够从磁性元件10读出四个值的信息。在此，作为一例，示出了读出四个值的情况，但读出的值的个数能够通过来自磁性元件10的输出电压(磁性元件10的电阻值)的阈值的设计而自由地设计。另外，也可以原样利用磁性元件10的输出的模拟值。
另外，图10的情况也是同样的，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则由于基于光的照射的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1的大小从初始状态减小。如果第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态减小，则磁性元件10的z方向的电阻值变化。而且，来自磁性元件10的输出电压变化。例如，根据第一铁磁性层1的磁化M1的大小，磁性元件10的z方向的电阻值变为第二电阻值R2、第三电阻值R3、第四电阻值R4，来自磁性元件10的输出电压变为第二值、第三值、第四值。因此，与图9的情况同样地，能够从光检测元件100读出这些输出电压(电阻值)的不同作为多值或模拟数据。
另外，第二动作例的情况也与第一动作例的情况同样，如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则第一铁磁性层1的磁化M1的状态复原，磁性元件10回到初始状态。
在此，对在初始状态下磁化M1和磁化M2平行的情况为例进行了说明，但在第二动作例中，在初始状态下磁化M1和磁化M2也可以反平行。
另外，在第一动作例及第二动作例中，例示出了在初始状态下磁化M1和磁化M2平行或反平行的情况，但也可以是在初始状态下磁化M1和磁化M2正交。例如，在初始状态下，在第一铁磁性层1的磁化M1沿xy平面的任一方向取向的面内磁化膜上，第二铁磁性层2的磁化M2沿z方向取向的垂直磁化膜的情况相当于该情况下。磁化M1由于磁各向异性而沿xy面内的任一方向取向，磁化M2沿z方向取向，由此，在初始状态下磁化M1和磁化M2正交。
图11及图12是用于对第一实施方式的磁性元件10的第二动作例的另一例进行说明的图。在图11及图12中，仅抽出磁性元件10中的第一铁磁性层1、第二铁磁性层2及间隔层3进行图示。图11和图12的向磁性元件10施加的感应电流Is的流通方向不同。图11使感应电流Is从第一铁磁性层1朝向第二铁磁性层2流通。图12使感应电流Is从第二铁磁性层2朝向第一铁磁性层1流通。
在图11及图12中的任一情况下，通过感应电流Is在磁性元件10中流通，在初始状态下，自旋转移扭矩作用于磁化M1。在图11的情况下，自旋转移扭矩起作用，使得磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2平行。在图12的情况下，自旋转移扭矩起作用，使得磁化M1与第二铁磁性层2的磁化M2反平行。在图11及图12中的任一情况下，在初始状态下，因为磁各向异性对磁化M1产生的作用大于自旋转移扭矩的作用，所以磁化M1朝向xy面内的任一方向。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则由于基于光的照射的来自外部的能量而第一铁磁性层1的磁化M1从初始状态倾斜。其原因在于，向磁化M1施加的光的照射产生的作用和自旋转移扭矩产生的作用的和大于关于磁化M1的磁各向异性产生的作用。如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则图11的情况下的磁化M1以与第二铁磁性层2的磁化M2平行的方式倾斜，图12的情况下的磁化M1以与第二铁磁性层2的磁化M2反平行的方式倾斜。因为作用于磁化M1的自旋转移扭矩的方向不同，所以图11和图12中的磁化M1的倾斜方向不同。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度变大，则在图11的情况下，磁性元件10的电阻值变小，来自磁性元件10的输出电压变小。在图12的情况下，磁性元件10的电阻值变大，来自磁性元件10的输出电压变大。
如果向第一铁磁性层1照射的光的强度回到第一强度，则第一铁磁性层1的磁化M1的状态由于磁各向异性对磁化M1产生的作用而复原。其结果，磁性元件10回到初始状态。
在此，举出第一铁磁性层1是面内磁化膜，第二铁磁性层2是垂直磁化膜的例子进行了说明，但其关系也可以相反。即，也可以是，在初始状态下，磁化M1沿z方向取向，磁化M2沿xy面内的任一方向取向。
如上所述，第一实施方式的光检测元件100利用超透镜20朝向磁性元件10会聚光，将向磁性元件10照射的光替换成来自磁性元件10的输出电压，由此，能够将光替换成电信号。
另外，第一铁磁性层1的体积越小，第一铁磁性层1的磁化M1越容易针对光的照射变化。即，第一铁磁性层1的体积越小，第一铁磁性层1的磁化M1越容易由于光的照射而倾斜，或越容易由于光的照射而变小。换句话说，如果减小第一铁磁性层1的体积，则即使是少量的光量的光也能够改变磁化M1。即，第一实施方式的光检测元件100能够高灵敏度地检测光。
更准确地说，磁化M1的变化容易度由第一铁磁性层1的磁各向异性(Ku)和体积(V)的积(KuV)的大小确定。KuV越小，即使是更微小的光量，磁化M1也变化，KuV越大，如果不是更大的光量，则磁化M1不变化。即，根据在应用中使用的从外部照射的光的光量设计第一铁磁性层1的KuV。在假定极微量的超微小的光量、光子检测这样的操作的情况下，通过减小第一铁磁性层1的KuV，能够进行这些微小的光量的光的检测。在以往的pn结的半导体中，如果减小元件尺寸，则这样的微小的光量的光的检测变得困难，因此是大的优点。即，为了减小KuV而减小第一铁磁性层1的体积，即减小元件面积，或减小第一铁磁性层1的膜厚，由此，也能够进行光子检测。
另外，超透镜20的面积越大，通过超透镜20向磁性元件10会聚的光的光量越大。磁性元件10即使照射的光的光量小，也能够将光替换成电信号，因此，能够减小超透镜20的面积。通过匹配磁性元件10减小超透镜20的面积，能够高密度地集成光检测元件100。
上述的实施方式的光检测元件能够应用于通信系统的接收装置、图像传感器等光传感器装置等。
(第一应用例)
图13是第一应用例的光传感器装置200的概念图。图13所示的光传感器装置200具有光传感器单元110和半导体电路120。
光传感器单元110例如具有多个光检测元件100。光检测元件100分别为上述的光检测元件。光检测元件100分别作为光传感器发挥作用。光检测元件100优选以第二动作例动作。光检测元件100例如以矩阵状二维排列。光检测元件100分别与沿行方向延伸的第一选择线和沿列方向延伸的第二选择线连接。光传感器单元110利用多个光检测元件100检测光，替换成电信号。
半导体电路120例如配置于光传感器单元110的外周的外侧。另外，也可以是，半导体电路120形成于后述的电路基板101，处于与光传感器单元110沿z方向重叠的位置。
半导体电路120与光检测元件100中的每一个电连接。半导体电路120运算从光传感器单元110发送的电信号。半导体电路120例如具有行译码器121和列译码器122。由行译码器121和列译码器122确定检测到光的光检测元件100的位置。半导体电路120除了行译码器121和列译码器122之外，还可以具有存储器、运算电路、寄存器等。
图14表示光传感器单元的具体结构的一例。图14所示的光传感器单元110具有多个像素p1。像素p1分别具有例如红色传感器100R、绿色传感器100G、蓝色传感器100B、红外线传感器100IR以及紫外线传感器100UV。红色传感器100R、绿色传感器100G、蓝色传感器100B、红外线传感器100IR以及紫外线传感器100UV各自由光检测元件100构成。在图14所示的光传感器单元110中，示出了对一个像素p1配置有两个能见度高的绿色传感器100G的例子，但不限于该情况。例如，也可以去除红外线传感器100IR和紫外线传感器100UV中至少一方。
红色传感器100R、绿色传感器100G及蓝色传感器100B各自检测380nm以上且小于800nm的波长区域(以下，称为第一波长区域)中的特定的波长区域的光。蓝色传感器100B例如检测380nm以上且小于490nm的波长区域的光。绿色传感器100G例如检测490nm以上且小于590nm的波长区域的光。红色传感器100R例如检测590nm以上且800nm以下的波长区域的光。红外线传感器100IR检测800nm以上且1mm以下的波长区域中特定的波长区域(以下，称为第二波长区域)的光。紫外线传感器100UV检测200nm以上且小于380nm的波长区域中特定的波长区域(以下，称为第三波长区域)中的特定的波长区域的光。
在图14所示的例子中，例如，能够将红色传感器100R、绿色传感器100G以及蓝色传感器100B视为第一光检测元件，将红外线传感器100IR视为第二光检测元件，将紫外线传感器100UV视为第三光检测元件。第一光检测元件是在由超透镜20会聚的第一波长区域的光的焦点位置配置有磁性元件10的光检测元件。第二光检测元件是在由超透镜20会聚的第二波长区域的光的焦点位置配置有磁性元件10的光检测元件。第三光检测元件是在由超透镜20会聚的第三波长区域的光的焦点位置配置有磁性元件10的光检测元件。第一波长区域、第二波长区域、第三波长区域是互不相同的波长区域。
图15是第一实施方式的光传感器装置200的截面的概念图。光传感器装置200例如具有电路基板101、配线层105以及多个光检测元件100。配线层105及多个光检测元件100中的每一个形成在电路基板101上。
在电路基板101上形成有上述的半导体电路120。电路基板101例如具有模数转换器102和输出端子103。从光检测元件100发送的电信号由模数转换器102转换成数字数据，从输出端子103输出。
配线层105具有多个配线106。在多个配线106之间有层间绝缘膜107。配线106将光检测元件100中的每一个和电路基板101之间、形成于电路基板101的各运算电路之间电连接。光检测元件100中的每一个和电路基板101例如经由沿z方向贯通层间绝缘膜107的贯通配线连接。通过缩短光检测元件100中的每一个和电路基板101之间的配线间距离，能够减少噪声。
配线106具有导电性。配线106为例如Al、Cu等。层间绝缘膜107是将多层配线的配线间或元件间绝缘的绝缘体。层间绝缘膜107例如是Si、Al、Mg的氧化物、氮化物、氮氧化物，能够使用与绝缘层90同样的材料。
另外，红色传感器100R、绿色传感器100G、蓝色传感器100B、红外线传感器100IR以及紫外线传感器100UV各自的波长滤波器40的透过的光的波长区域分别不同。红色传感器100R的波长滤波器40例如透过590nm以上且小于800nm的波长区域的光。绿色传感器100G的波长滤波器40例如透过490nm以上且小于590nm的波长区域的光。蓝色传感器100B的波长滤波器40例如透过380nm以上且小于490nm的波长区域的光。红外线传感器100IR的波长滤波器40例如透过800nm以上且1mm以下的波长区域中特定的波长区域的光。紫外线传感器100UV的波长滤波器40例如透过200nm以上且小于380nm的波长区域中特定的波长区域的光。
在构成一个像素p1的多个光检测元件100中，磁性元件10和超透镜20之间的距离也可以相等。在该情况下，多个光检测元件100中构成一个像素p1的光检测元件100中的至少一个与构成一个像素p1的其它光检测元件100相比，超透镜20的纳米结构体21的结构不同。例如，红色传感器100R、绿色传感器100G、蓝色传感器100B、红外线传感器100IR以及紫外线传感器100UV各自的超透镜20的纳米结构体21的结构互不相同。纳米结构体21的结构是指例如各个纳米结构体21的俯视形状的大小、多个纳米结构体的配置的周期等。例如，也可以设定各个超透镜20的纳米结构体21的结构，使得红色传感器100R的超透镜20相对于波长633nm的光的焦点距离、绿色传感器100G的超透镜20相对于波长530nm的光的焦点距离、蓝色传感器100B的超透镜20相对于波长430nm的光的焦点距离、红外线传感器100IR的超透镜20相对于波长1530nm的光的焦点距离、以及紫外线传感器100UV的超透镜20相对于波长290nm的光的焦点距离相等。
图15所示的光检测元件100在一个超透镜20的下方配置有一个磁性元件10，但也可以在一个超透镜20的下方配置有多个磁性元件10。
另外，至此，示出了将光检测元件100二维排列的例子，但也可以如图16所示将光检测元件100一维排列。在图16中，示出了一个像素p2由一维排列的红色传感器100R、绿色传感器100G、蓝色传感器100B、红外线传感器100IR以及紫外线传感器100UV构成的例子，但也可以没有它们中的一个或多个。另外，多个光检测元件100也可以检测相同波长区域的光，各个光检测元件100检测的光的波长区域没有特别限制。
另外，光传感器单元110A也可以像图17所示的光传感器装置201那样具有磁性元件10和超透镜20之间的距离不同的多个光检测元件100。例如，也可以是，构成一个像素p1的多个光检测元件100中至少一个与构成一个像素p1的其它光检测元件100相比，超透镜20和磁性元件10之间的距离不同。在该情况下，在构成一个像素p1的多个光检测元件100之间，超透镜20的纳米结构体21的结构也可以相同。
例如，在红色传感器100R、绿色传感器100G以及蓝色传感器100B中，超透镜20和磁性元件10之间的距离互不相同。在某一个结构的超透镜20中，超透镜20相对于光L的焦点距离根据光L的波长而不同。就红色传感器100R而言，磁性元件10(在图17的例子中为第一铁磁性层1)和超透镜20分开第一焦点距离f1。就绿色传感器100G而言，磁性元件10(在图17的例子中为第一铁磁性层1)和超透镜20分开第二焦点距离f2。就蓝色传感器100B而言，磁性元件10(在图17的例子中为第一铁磁性层1)和超透镜20分开第三焦点距离f3。第一焦点距离f1为超透镜20相对于590nm以上且800nm以下的波长区域的光(红色光)中特定波长的光(例如波长633nm的光)的焦点距离。第二焦点距离f2为超透镜20相对于490nm以上且590nm以下的波长区域的光(绿色光)中特定波长的光(例如波长530nm的光)的焦点距离。第三焦点距离f3为超透镜20相对于380nm以上且490nm以下的波长区域的光(蓝色光)中特定波长的光(例如波长530nm的光)的焦点距离。第一焦点距离f1比第二焦点距离f2短，第二焦点距离f2比第三焦点距离f3短。
光传感器装置200、201将来自光传感器单元110、110A的各光检测元件100的磁性元件10的输出电压(磁性元件10的电阻值)与由行译码器121及列译码器122求出的位置信息一同测定，读取向光传感器单元110照射的光的强度。光传感器装置200、201用于例如图像传感器等。这样的图像传感器能够用于智能手机、平板电脑、个人计算机、数码相机等信息终端装置。
至此，示出了光传感器装置200、201的一例，但光传感器装置不限于此例。例如，在光传感器单元110、110A中，在使用如图2所示的超透镜20的情况、或向光检测元件100入射的光是激光这样的偏振光的情况下，也可以没有偏振滤波器30。另外，向一个超透镜20入射的光的焦点距离根据波长而不同。因此，超透镜20其自身实现限定以大强度向磁性元件10照射的光的波长区域的波长滤波器这样的功能。在超透镜20实现的波长的滤波效果充分的情况下，也可以没有波长滤波器40。
(第二应用例)
图18是第二应用例的通信系统300的概念图。图18所示的通信系统300具备多个收发装置301和将收发装置301之间相连的光纤FB。通信系统300能够用于例如数据中心内及数据中心之间这样的短、中距离的通信、都市之间这样的长距离的通信。收发装置301例如设置在数据中心内。光纤FB例如将数据中心之间相连。通信系统300例如经由光纤FB进行收发装置301之间的通信。通信系统300也可以不经由光纤FB，通过无线进行收发装置301之间的通信。
图19是第二应用例的收发装置301的框图。收发装置301具备接收装置310和发送装置320。接收装置310接收光信号L1，发送装置320发送光信号L2。在经由光纤FB的收发装置301之间的收发中使用的光例如是波长为1000nm以上且2000nm以下的近红外光。
接收装置310例如具备光检测元件100和信号处理部311。光检测元件100是上述的光检测元件，将光信号L1转换为电信号。向光检测元件100照射包含具有光强度变化的光信号L1的光。另外，也可以向光检测元件100照射通过了波导的光。向光检测元件100(磁性元件10)照射的光例如是激光。信号处理部311处理由光检测元件100转换的电信号。信号处理部311通过处理从光检测元件100产生的电信号，接收光信号L1中所含的信号。
图20是将第二应用例的通信系统300的光检测元件100附近放大的示意图。例如，在作为波导的光纤FB中传播的光由超透镜20聚光，达到磁性元件10。图20所示的光检测元件100也可以与图6同样地具有偏振滤波器30。
发送装置320例如具备光源321、电信号生成元件322以及光调制元件323。光源321例如是激光器元件。光源321例如也可以是LED元件。光源321发出的光也可以是单一的波长的光(单色光)。光源321也可以处于发送装置320的外部。电信号生成元件322基于发送信息生成电信号。电信号生成元件322也可以与信号处理部311的信号转换元件成为一体。光调制元件323基于由电信号生成元件322生成的电信号，调制从光源321输出的光，输出光信号L2。
另外，至此，示出了将收发装置应用于图18所示的通信系统300的例子，但通信系统不限于该情况。
例如，图21是通信系统的另一例的概念图。图21所示的通信系统300A为两个便携终端装置350之间的通信。便携终端装置350为例如智能手机、平板电脑等。
便携终端装置350各自具备接收装置310和发送装置320。由另一便携终端装置350的接收装置310接收从一便携终端装置350的发送装置320发送的光信号。便携终端装置350之间的光信号的收发通过无线进行。用于便携终端装置350之间的收发的光例如为可见光。用于便携终端装置350之间的收发的光例如也可以是波长为800nm以上且2500nm以下的近红外光。应用上述的光检测元件作为各个接收装置310的光检测元件100。在该情况下，包含从发送装置320发送的光信号的光可以在接收装置310具有的波导中传播之后向光检测元件100照射，也可以不经由波导而向光检测元件100照射。
另外，例如，图22是通信系统的另一例的概念图。图22所示的通信系统300B为便携终端装置350和信息处理装置360之间的通信。信息处理装置360例如为个人计算机。
便携终端装置350具备发送装置320，信息处理装置360具备接收装置310。从便携终端装置350的发送装置320发送的光信号由信息处理装置360的接收装置310接收。便携终端装置350和信息处理装置360之间的光信号的收发通过无线进行。用于便携终端装置350和信息处理装置360之间的收发的光例如为可见光。用于便携终端装置350和信息处理装置360之间的收发的光例如也可以是波长为800nm以上且2500nm以下的近红外光。应用上述的光检测元件作为接收装置310的光检测元件100。
以上，本发明不限于上述的实施方式及变形例，在权利要求书内所记载的本发明的主旨的范围内能够进行各种变形、变更。
附图标记说明
1…第一铁磁性层，2…第二铁磁性层，3…间隔层，4…缓冲层，5…籽晶层，6…第三铁磁性层，7…磁耦合层，8…垂直磁化感应层，9…覆盖层，10…磁性元件，11…第一电极，12…第二电极，15…层叠体，20、20A…超透镜，21、21A…纳米结构体，22…基体，23、23A…单元，30…偏振滤波器，40…波长滤波器，90、91…绝缘层，100…光检测元件，100B…蓝色传感器，100G…绿色传感器，100R…红色传感器，100IR…红外线传感器，100UV…紫外线传感器，101…电路基板，102…模数转换器，103…输出端子，105…配线层，106…配线，107…层间绝缘层，110…传感器单元，120…半导体电路，121…行译码器，122…列译码器，200、201…光传感器装置，300、300A、300B…通信系统，301…收发装置，310…接收装置，311…信号处理部，320…发送装置，321…光源，322…电信号生成元件，323…光调制元件，350…信息终端装置，360…信息处理装置，L…光，L1、L2…光信号，p1、p2…像素。

Claims (17)

1.一种光检测元件，其具有：
超透镜，其具备二维排列的多个纳米结构体；
磁性元件，其具备第一铁磁性层、第二铁磁性层、以及被所述第一铁磁性层和所述第二铁磁性层夹持的间隔层，
向所述磁性元件照射通过了所述超透镜的光。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述超透镜具有第一区域，
内包于所述第一区域的多个纳米结构体各自的俯视的面积随着从所述第一区域的中心朝向外侧而变小。
3.根据权利要求2所述的光检测元件，其中，
在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述超透镜在第一区域的外侧还具有环状区域，
内包于所述环状区域的多个纳米结构体各自的俯视的面积随着从所述环状区域的内周侧朝向外周侧而变小。
4.根据权利要求1所述的光检测元件，其中，
在俯视所述多个纳米结构体排列的排列面时，所述多个纳米结构体各自的俯视形状具有长边方向和短边方向，
所述多个纳米结构体中的至少一个的所述俯视形状的配置角度与其它纳米结构体的所述俯视形状的配置角度不同。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的光检测元件，其中，
所述磁性元件配置于由所述超透镜会聚的所述光的焦点位置。
6.根据权利要求5所述的光检测元件，其中，
所述光是380nm以上且小于800nm的波长区域中的特定的波长区域的光。
7.根据权利要求5所述的光检测元件，其中，
所述光是800nm以上且1mm以下的波长区域中的特定的波长区域的光。
8.根据权利要求5所述的光检测元件，其中，
所述光是200nm以上且小于380nm的波长区域中的特定的波长区域的光。
9.一种光传感器单元，其具有多个光检测元件，
所述多个光检测元件分别为权利要求1～8中任一项所述的光检测元件。
10.根据权利要求9所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件至少具有第一光检测元件和第二光检测元件，
所述第一光检测元件在由所述超透镜会聚的第一波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件，
所述第二光检测元件在由所述超透镜会聚的与所述第一波长区域不同的第二波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件。
11.根据权利要求10所述的光传感器单元，其中，
所述第一波长区域为380nm以上且小于800nm的波长区域中的特定的波长区域，
所述第二波长区域为800nm以上且1mm以下的波长区域中的特定的波长区域。
12.根据权利要求10或11所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件还具有第三光检测元件，
所述第三光检测元件在由所述超透镜会聚的与所述第一波长区域及所述第二波长区域不同的第三波长区域的光的焦点位置配置有所述磁性元件，
所述第三波长区域为200nm以上且小于380nm的波长区域中的特定的波长区域。
13.根据权利要求9～12中任一项所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件一维排列。
14.根据权利要求9～12中任一项所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件二维排列。
15.根据权利要求9～14中任一项所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件中构成一个像素的光检测元件中的至少一个与构成所述一个像素的其它光检测元件相比，所述超透镜的所述纳米结构体的结构不同。
16.根据权利要求9～14中任一项所述的光传感器单元，其中，
所述多个光检测元件中构成一个像素的光检测元件中的至少一个与构成所述一个像素的其它光检测元件相比，所述超透镜和所述磁性元件之间的距离不同。
17.一种接收装置，其具有权利要求1～8中任一项所述的光检测元件。
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