JP2010049043A - 光変調素子、光変調器、表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光変調素子11は、固定磁化膜層22と、非磁性中間膜層23と、自由磁化膜層24とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、自由磁化膜層24における磁化状態を変化させることによって自由磁化膜層24へ入射する光の偏光軸に対してその透過光または反射光の偏光軸を回転させる。自由磁化膜層24として、コバルト(Co)膜層75と白金(Pt)膜層76とが交互に積層された構造とした。
【選択図】図1
Description
このような構成により、固定磁化膜層の磁化が安定するため、スピン注入磁化反転動作(自由磁化膜層における磁化の向きの反転と維持)を安定して行うことができるようになる。
このような構成により、自由磁化膜層の保磁力に対する固定磁化膜層の保磁力の設定が容易となる。なお、光変調素子を構成するコバルト膜層と白金膜層とは連続して成膜することができるため、製造が容易である。
このような構成により、自由磁化膜層の保磁力が固定磁化膜層の保磁力よりも小さい光変調素子の製造が容易となる。
本発明に係る光変調素子は、微細化が可能で高速応答性を有するため、このような構成によれば、高精細な光変調を高速で行うことができる。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。
このような構成によれば、記録の多重度を格段に向上させることができ、前記2系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことにより、この効果をさらに向上させることができる。
《光変調器−第1実施形態》
<全体構造>
図1(a)に本発明の第1実施形態に係る光変調器の概略構成を表した平面図を示し、図1(b)に図1(a)のA−A断面図を示し、図1(c)に光変調器に用いられている光変調素子の概略構造を表した断面図を示す。また、図2に光変調素子による光変調の一形態を模式的に表した図を示す。
基板14は、下部電極13、光変調素子11及び上部透明電極12を形成するための土台となるものである。光変調器10では光変調素子11に入射した後に反射される光を利用するため、基板14に透光性は要求されず、下部電極13、光変調素子11及び上部透明電極12を形成(成膜)する際の成膜環境に耐えられるものであればよい。したがって、基板14としては、Siウエハ、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。
下部電極13は、光変調素子11に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器10では、光変調素子11を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、下部電極13は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で基板14上に設けられている。光変調器10では光変調素子11に入射した後に反射される光を利用するため、下部電極13に透光性は要求されず、下部電極13を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅(Cu)が好適に用いられる。但し、これに限定されるものではなく、金(Au)や白金(Pt)等の貴金属を用いてもよい。下部電極13の幅は、下部電極13上に形成する光変調素子11の形状に合わせて、適宜、定められる。
上部透明電極12は、光変調素子11に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器10では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子11の中から選ばれる任意の素子に電圧を印加することができるように、上部透明電極12は、一定幅の帯状形状を有し、その長手方向が下部電極13の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されている。上部透明電極12としては、IZOやITO、ZnO、SiO2、TiO2、導電性高分子材料等の透明電極材料が好適に用いられる。
光変調素子11は、下部電極13と上部透明電極12との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子11に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて反射する役割を担う。光変調素子11の平面視〔図1(a)〕での大きさは、例えば、100nm×300nmとすることができる。光変調器10では、光変調素子11は二次元マトリックス状(縦横に一定間隔で二次元配置された状態)に配置されており、1個の光変調素子11が1画素となっているが、1画素を2個以上の光変調素子11から構成することも可能である。光変調素子11の形状は長方形(矩形)に限定されるものではない。光変調素子11同士の間隔は、上部透明電極12、下部電極13及び光変調素子11の成膜技術(後述するように、半導体製造プロセスが好適に用いられる)の精度に依存し、適宜、定められる。
下部電極選択部82は、複数の下部電極13にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。上部電極選択部83もこれと同様に、複数の上部透明電極12にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源81から一定電圧が供給されており、駆動対象となる光変調素子11に下部電極13を介して接続されているスイッチング素子及び上部透明電極12を介して接続されているスイッチング素子が、制御部84からの指令(動作信号)を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子11に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調素子11の選択と、この光変調素子11を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、制御部84によって行われる。
図2において、偏光軸70で示される光では、偏光軸はランダムな方向に向いている。偏光フィルタ17は、光変調素子11へ入射する光が偏光軸71で示される所定方向となるように、偏光軸を揃える役割を果たす。偏光フィルタ18は、光変調素子11からの反射光を、その偏光軸の角度によって透過させたり遮光したりする役割を果たす。この図2に示されている状態についてより詳細に以下に説明する。
図2には上部透明電極12と下部電極13とに印加する電圧の正負を逆にした2通りの形態、すなわち、光変調素子11を流れる電流の向きが逆となっている2通りの形態が示されている。図2の左側に示すように、上部透明電極12から光変調素子11を通って下部電極13へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化(スピン)の向きは、固定磁化膜層22の磁化の向きと同じになる。一方、図2の右側に示すように、下部電極13側から光変調素子11を通して上部透明電極12側へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きとは逆になる。このように、上部透明電極12と下部電極13との間で流す電流の向きによって、自由磁化膜層24における磁化の状態が変化する。この磁化の状態変化は、数ns〜数十ns(ns:ナノ秒)と極めて高速である。
[自由磁化膜層]
自由磁化膜層24は、上部透明電極12と下部電極13との間に印加される電圧の極性に応じて(つまり、光変調素子11を流れる電流の向きに応じて)磁化の向きが反転する垂直磁化材料で構成されており、具体的には、コバルト(Co)膜層と白金(Pt)膜層とを交互に積み重ねた多層膜構造を有するもの(以下「Co/Pt多層膜」という)が用いられる。
光変調素子11がスピンバルブ型の磁化反転素子の場合には、非磁性中間膜層23として非磁性金属であるCuやAl等が用いられる。この場合、下部電極13と上部透明電極12との間に電圧を印加したときに、非磁性中間膜層23を流れる電子が固定磁化膜層22による磁場の影響を受けることで非磁性中間膜層23の抵抗値が変化し、自由磁化膜層24の磁化の向きを変化させる。非磁性中間膜層23に金属材料を用いる場合には、その厚さは、スピン編極した電子がスピン状態を保ったまま流れるように、1〜10nmの範囲とすることが好ましい。
固定磁化膜層22の第1形態として、自由磁化膜層24と同様に、コバルト(Co)膜層と白金(Pt)膜層とを交互に積み重ねた構造のものを用いることができる。固定磁化膜層22を自由磁化膜層24と同様の構造とすることにより、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24との特性調整(保磁力Hcの調整等)を容易に行うことができる共に、光変調素子11の成膜プロセスを簡単にすることができる。固定磁化膜層22にCo/Pt多層膜を用いる場合の具体的な構造は、自由磁化膜層24の構造として示した図3(a)〜(d)に準じ、これら図3(a)〜(d)のいずれの構造を用いてもよい。
固定磁化膜層22の第2形態として、第1ピンド膜層(下部電極13側)と第2ピンド膜層(非磁性中間膜層23側)からなる2層構造のものが挙げられる。例えば、第1ピンド膜層は、反強磁性を示すTbFeCo等の垂直磁化材料(磁化の方向が膜面に垂直な方向となる材料)からなり、第2ピンド膜層は、強磁性を示すCoFe等の垂直磁化材料からなる。このような構造では、第2ピンド膜層における磁化の向きが第1ピンド膜層との交換結合により固定される。この磁化の向きを保持するために、固定磁化膜層22の保磁力Hcは、500〔Oe〕以上であることが好ましい。
図5に光変調器の製造方法を模式的に示す。最初に、基板14の表面にCuまたはAl等からなる下部電極13を形成する〔図5(a)〕。この下部電極13の形成は、例えば、基板14の表面に一様にスパッタ法等によりCu膜等を形成し、Cu膜等上に下部電極13と同じ線幅のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとして基板14の表面が露出するまでCu膜等をドライエッチング等した後、レジストパターンを剥離することにより、行うことができる。また、下部電極13を形成する領域を溝としたレジストパターンを先に形成し、スパッタ法によりCu膜を埋め込み形成した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法によって下部電極13を形成してもよい。
前記した通り、図2に示した光変調素子11による光変調は、一定の入射角で光を光変調素子11へ入射させ、その反射光を、偏光フィルタ18を通して検出する構成とした。この場合、光の入射方向及び反射方向と自由磁化膜層24における磁化の向きとが完全に平行とはならないために、自由磁化膜層24によるカー効果は最大とはならない。そこで自由磁化膜層24によるカー効果を最大限に引き出す構成として、図6(a),(b)に光変調素子11による光変調の別の形態を模式的に表した図を示す。
前記した図2及び図6には、光変調素子11のカー効果を利用した光変調の形態を示したが、光変調素子11の下部電極13と基板14に透光性を持たせることにより、ファラデー効果を利用した光変調が可能となる。図7に光変調素子のファラデー効果を利用した光変調の形態を模式的に表した図を示す。なお、光変調素子11のファラデー効果を利用する場合には、基板14〔図7に図示せず、図1(c)参照〕としては、石英ガラス等の透光性に優れた材料からなる基板が用いられる。また、下部電極13としては、上部透明電極12と同様に透光性を有するIZOやITOを用いてもよいし、Cu等の金属膜も、薄膜であれば一定の透光性が得られるので、用いることが可能である。
図8に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた表示装置の概略構成図を示す。この表示装置30は、光変調器10を用いたカラー対応の表示装置であり、光変調器10と、RGB時分割照明器19と、偏光フィルタ17,18と、スクリーン29を備えている。
図9に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造を示す。なお、図9では光変調器10の詳細な構造は省略しており、また、制御装置80の図示を省略している。
図10に本発明の実施形態に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造を示す。なお、図10では光変調器10の詳細な構造は省略している。また、図10では、光の進行方向のみを示すものとし、レンズ等による光の空間的な幅の変更等の図示を省略する。
Si基板上に下部電極としてのCu膜を形成し、このCu膜上に、表1に示す構造を有する光変調素子を成膜形成した。光変調素子の熱処理を行わず、かつ、上部透明電極を設けずに、直接に光変調素子に磁界を印加して自由磁化膜層の磁化の向きを調整することにより、自由磁化膜層の磁気光学効果(カー効果)によるカー回転角を、カー効果測定装置(レーザ波長:780nm)を用い、外部磁界±1kOeを印加して行った。結果を表1に併記する。表1に示されるように、自由磁化膜層をCo/Pt多層膜とすることで、比較例としてのGdFe単層膜やCo2SiFe単層膜に比べて、カー回転角は極めて大きな値を示すことが確認された。
11 光変調素子
12 上部透明電極
13 下部電極
14 基板
16 ハーフミラー
17 偏光フィルタ
18 偏光フィルタ
19 GRB時分割照明器
22 固定磁化膜層
23 非磁性中間膜層
24 自由磁化膜層
29 スクリーン
30 表示装置
40 ホログラフィ装置
50 ホログラム記録装置
75 コバルト(Co)膜層
76 白金(Pt)膜層
Claims (9)
- 固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光軸に対してその透過光または反射光の偏光軸を回転させる光変調素子であって、
前記自由磁化膜層は、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする光変調素子。 - 前記自由磁化膜層の保磁力が前記固定磁化膜層の保磁力よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の光変調素子。
- 前記固定磁化膜層が、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光変調素子。
- 前記自由磁化膜層を構成するコバルト層の1層の厚さが、前記固定磁化膜層を構成するコバルト層の1層の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項3に記載の光変調素子。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光変調素子が二次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする光変調器。
- 請求項5に記載の光変調器と、
前記光変調器から出射した光を投影するスクリーンと、を備えたことを特徴とする表示装置。 - 物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段に記録された画像信号を前記請求項5に記載の光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とするホログラフィ装置。 - 所定の情報を信号光と参照光の2系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、
前記請求項5に記載の光変調器と、
前記2系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記2系統の光のうちの少なくとも1系統の光変調を前記光変調器を用いて行うことを特徴とするホログラム記録装置。 - 前記2系統の光の光変調をそれぞれ前記光変調器を用いて行うことを特徴とする請求項8に記載のホログラム記録装置。
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