JP2010060586A - 光変調素子および空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】応答速度が速く、画素の微小化による高精細な光変調が可能で、素子製造プロセスにおける加熱処理による磁化固定層の磁気特性の劣化に起因する動作のばらつきを防止することができる光変調素子、この光変調素子を用いて構成される光変調器の提供。
【解決手段】磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順で積層して構成されたスピン注入磁化反転素子部と、前記スピン注入磁化反転素子部を挟む一対の電極とを有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて、前記磁化反転層へ入射した光の偏光面に対してその反射光または透過光の偏光面の回転角を変化させる光変調素子であって、一対の電極の少なくとも一方の電極がＣｕで形成され、Ｃｕで形成された電極とスピン注入光変調素子部との間に金属からなる防御層を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調素子および空間光変調器に関し、特に、スピン注入磁化反転による磁化方向の変化を利用して光の変調を行う光変調素子、およびその光変調素子を用いて空間的に光を変調する空間光変調器に関する。

光の位相や振幅を空間的に変調する空間光変調器は、ホログラフィ等の画像露光装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術等への応用も研究されている。

代表的な空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）として、液晶パネルを用いたものが挙げられる。この液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が２枚の透明な基板で挾まれた構造をしており、透明な基板としては、主にガラスが用いられることが多いが、プラスチックを用いることもある。透明基板の内面には、液晶に電圧を印加する電極として透明電極が設けられており、透明電極の材料には、抵抗値が低く形状を作製するのが容易なインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）が広く用いられている。しかしながら、液晶パネルを用いるＳＬＭは、ピクセルサイズが数μｍ以下の微細化は困難であり、応答時間も数十μｓ程度と非常に遅い。

そこで、微細化の問題と応答速度の問題を解決するために、特許文献１または特許文献２には、磁性ガーネットのファラデー効果を利用した高速応答の磁気光学式空間光変調器（ＭＯＳＬＭ：Magnet-optic SLM）が提案されている。

特許文献１に記載された磁気光学式空間光変調器は、各ピクセルに対応した領域毎に個別に光反射膜を形成し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離したＭＯＳＬＭ、あるいは各ピクセルの外形に一致するようにＸＹ駆動ラインを形成し、局所熱処理とＸＹ駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されているＭＯＳＬＭであり、ピクセル間の距離をピクセルサイズ以下に狭めることが可能となる。そして、磁性ガーネットがシングルドメイン構造を形成されていれば、ＸＹ駆動ラインにパルス電流を印加することによって、磁性ガーネットの磁化を反転させることができる。

また、特許文献２に記載された磁気光学式空間光変調器は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果により入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが２次元的に間隙をあけて配列されており、各ピクセルの磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するＸＹ駆動ラインを備えている。そして、ＸＹ駆動ラインヘの通電が合致したピクセルに対して合成磁界を印加し、選択的に磁化反転をする構造となっている。

また、非特許文献１には、光変調素子としてスピン注入磁化反転素子を複数個並べて画素を形成し、縦カー効果を測定することによって電流パルスによる光変調動作を検証する実験が報告されている。このスピン注入磁化反転素子で形成される光変調素子は、磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順に積層して構成される素子部を２つの電極で挟んだ構造を有するものである。
特開２００５−７０１０１号公報 特開２００５−２２１８４１号公報（段落００１３、００１４） K.Aoshima et.a1，"Spin transfer switching incurrent-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light." ， Appl.Phys.Lett.91，052507(2007)

しかしながら、特許文献１に示すＭＯＳＬＭにおいては、ＸＹ駆動ラインをピクセルの外周に沿って配する構造となっているために、ピクセルにおける数μｍ以下の微細化が困難であるという問題がある。特許文献２に示すＭＯＳＬＭでは、電流による合成磁界を利用するために、ピクセルの微細化をすると、隣接ピクセルヘのクロストークが大きくなるという問題がある。非特許文献１に示す素子においては、磁性膜に面内磁気異方性の材料を用いているために、光変調素子で反射した偏光のカー回転角が小さいという問題がある。

一方、スピン注入磁化反転素子で形成された光変調素子の製造プロセスにおいては、磁化固定層、非磁性中間層、磁化反転層、電極等の成膜後に、素子化プロセスに必要な加熱処理（２００℃程度）により、磁化固定層の磁気特性が劣化し、得られる光変調素子の動作がばらつく、という問題があった。特に、垂直磁気異方性を有する磁化固定層を備える光変調素子では、加熱処理によって垂直磁気異方性が劣化し、光変調素子の動作がばらつく、という問題があった。

そこで、本発明の課題は、応答速度が速く、画素の微小化による高精細な光変調を可能とするとともに、素子製造プロセスにおける加熱処理による磁化固定層の磁気特性の劣化に起因する動作のばらつきを防止することができる光変調素子、この光変調素子を用いて構成される光変調器を提供することにある。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の光変調素子は、磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順で積層して構成されたスピン注入磁化反転素子部と、前記スピン注入磁化反転素子部を挟む一対の電極とを有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて、前記磁化反転層へ入射した光の偏光面に対してその反射光または透過光の偏光面の回転角を変化させる光変調素子であって、前記一対の電極の少なくとも一方の電極がＣｕで形成され、前記Ｃｕで形成された電極と前記スピン注入磁化反転素子部との間に金属からなる防御層を有することを特徴とする。

この光変調素子では、磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順で積層して構成されたスピン注入磁化反転素子部を挟む一対の電極のうち、Ｃｕで形成された電極と前記スピン注入磁化反転素子部との間に金属からなる防御層を設けることによって、応答速度が速く、画素の微小化による高精細な光変調を可能とするとともに、素子製造プロセスにおける加熱処理に起因する動作のばらつきを防止することができる。

請求項２に係る発明は、前記光変調素子において、前記防御層が、Ｔａ、Ｗ、ＲｕおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなる金属膜、あるいは前記金属膜を複数積層してなる積層膜で形成されていることを特徴とする。

この光変調素子では、防御層をＴａ、Ｗ、ＲｕおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなる金属膜、あるいはその金属膜を複数積層してなる積層膜で形成することによって、応答速度が速く、画素の微小化による高精細な光変調を可能とするとともに、素子製造プロセスにおける加熱処理に起因する動作のばらつきを確実に防止することができる。

請求項３に係る発明は、前記光変調素子において、前記磁化反転層および前記磁化固定層が、垂直磁気異方性を有することを特徴とする。

この光変調素子では、磁化反転層および磁化固定層のいずれもが垂直磁気異方性を有することによって、光変調素子に対して垂直な方向に光を入射および反射させる極カー効果を利用することができる。これによって、大きなθ_ｋ（磁気カー効果による偏光面の回転角度）を得ることができるために光変調素子としての性能を向上させることができる。

請求項４に係る発明は、前記光変調素子において、前記磁化反転層および磁化固定層のうちの少なくとも一方がＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積層した多層構造で構成されることを特徴とする。

この光変調素子では、磁化反転層および磁化固定層のうち少なくとも１方をＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積層した多層構造で形成することによって、大きなθ_ｋを得ることができる。

請求項５に係る発明は、前記光変調素子において、前記磁化反転層と前記非磁性中間層の界面、および前記磁化固定層と前記非磁性中間層の界面の少なくとも一方に、遷移元素または遷移元素を含む合金からなる界面層を有することを特徴とする。

この光変調素子では、前記磁化反転層と前記非磁性中間層の界面、および前記磁化固定層と前記非磁性中間層の界面の少なくとも一方に、遷移元素または遷移元素を含む合金からなる界面層を有することにより、界面のスピン偏極率を向上させることができるため、駆動電流を低減することができる。

請求項６に係る発明は、前記光変調素子において、前記磁化反転層と前記磁化固定層のうちの少なくとも一方が、遷移元素と、希土類元素とを含む合金で形成されていることを特徴とする。

この光変調素子では、磁化反転層と磁化固定層のうちの少なくとも一方を、遷移元素と、希土類元素とを含む合金で形成することによって、磁化反転層および磁化固定層の飽和磁化（Ｍｓ）を低くすることができる。磁化反転層に低Ｍｓ材料を用いることにより、磁化反転電流密度Ｊｃを低減することができる。また、磁化固定層に低Ｍｓ材料を用いることにより磁化固定層から磁化反転層へ漏れる磁界が減少し、スピン注入磁化反転特性が電流軸方向にシフトする量を低減することができる。これにより、正の磁化反転電流と負の磁化反転電流の大きさをほぼ同じにすることができるので、安定したスピン注入磁化反転動作を得ることができる。

請求項７に係る発明は、前記光変調素子において、前記遷移元素が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする。

この光変調素子では、磁化反転層と磁化固定層のうちの少なくとも一方を、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種の遷移元素と、希土類元素とを含む合金で形成することによって、磁化反転層の飽和磁化（Ｍｓ）を低くすることができる。磁化反転層に低Ｍｓ材料を用いることにより、磁化反転電流密度Ｊｃを低減することができる。また、磁化固定層に低Ｍｓ材料を用いることにより磁化固定層から磁化反転層へ漏れる磁界が減少し、スピン注入磁化反転特性が電流軸方向にシフトする量を低減することができる。これにより、正の磁化反転電流と負の磁化反転電流の大きさをほぼ同じにすることができるので、安定したスピン注入磁化反転動作を得ることができる。

請求項８に係る発明は、前記光変調素子において、前記希土類元素が、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＴｂから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする。

この光変調素子では、磁化反転層と磁化固定層のうちの少なくとも一方を、遷移元素と、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＴｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素とを含む合金で形成することによって、磁化反転層の飽和磁化（Ｍｓ）を低くすることができる。磁化反転層に低Ｍｓ材料を用いることにより、磁化反転電流密度Ｊｃを低減することができる。また、磁化固定層に低Ｍｓ材料を用いることにより磁化固定層から磁化反転層へ漏れる磁界が減少し、スピン注入磁化反転特性が電流軸方向にシフトする量を低減することができる。これにより、正の磁化反転電流と負の磁化反転電流の大きさをほぼ同じにすることができるので、安定したスピン注入磁化反転動作を得ることができる。

請求項９に係る発明は、前記光変調素子において、前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、透明電極材料で形成されていることを特徴とする。

この光変調素子では、磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順で積層して構成されたスピン注入磁化反転素子部を挟む一対の電極のうちの少なくとも一方の電極を、透明電極材料で形成することによって、透明電極材料で形成された電極（以降、透明電極）を通じて磁化反転層に入射した光は、磁化反転層における磁化状態の変化に応じてその偏光面を回転させるとともにスピン注入磁化反転素子部で反射し、再びその透明電極を通じて偏光面の回転角（以降、偏光角）が変化した光を反射光として出射させることができる。また、スピン注入素子部を挟む一対の電極をともに透明電極で形成する場合には、一方の透明電極から入射した光の偏光面を磁化反転層の磁化状態に応じて回転させるとともにスピン注入磁化反転素子部を透過し、偏光角が変化した光を他方の透明電極を通じて透過光として出射させることができる。

また、請求項１０に係る発明は、前記の光変調素子で構成される光変調部を有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて、前記磁化反転層へ入射した光の偏光面に対してその反射光または透過光の偏光面の回転角を変化させ、反射光または透過光の先に設けた偏光手段を通じて特定の偏光のみを透過させることにより、光の変調を行う空間光変調器を提供する。

この空間光変調器では、前記の光変調素子で構成される光変調部を有することによって、電流注入による磁化反転層の高速な磁化状態の変化に応じて入射光の偏光角が変化し、その反射光または透過光の偏光角を変調することができるため、高精細かつ高速な光変調が可能となる。

本発明の光変調素子は、応答速度が早く、その微小化による高精細な光変調を可能とするとともに、素子製造プロセスにおける加熱処理による磁化固定層の磁気特性の劣化に起因する動作のばらつきを防止することができる。特に、垂直磁気異方性を有する磁化固定層を備える光変調素子では、加熱処理による垂直磁気異方性の劣化に起因する光変調素子の動作のばらつきを防止することができる。

本発明の空間光変調器は、前記光変調素子で構成される光変調部を有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて入射光の偏光角を変化させ、その反射光または透過光の偏光角を変調し、反射光または透過光の先に設けた偏光フィルターを通じて特定の偏光のみを透過させて光の強度変調を行うことができるため、応答速度が速く、画素の微小化による高精細な光変調を可能とし、例えば、ピクセルサイズ２μｍ以下で応答速度が数十ｎｓ〜数ｐｓ程度の高精細かつ高速応答が可能になる。

以下、本発明の光変調素子および空間光変調器について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構造を示す模式断面図、図２（ａ）〜（ｇ）は、光変調素子を製造するための主要工程を説明する図、図３（ａ）は、本発明の空間光変調器の構成を示す概略平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＡ−Ａ線断面を示す模式図、図４（ａ）および（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の動作を示す概念図、図５（ａ）および（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の動作を示す概念図である。

図１に示す光変調素子１０は、磁化固定層２１、非磁性中間層２２および磁化反転層２３の順に積層して構成されるスピン注入磁化反転素子部１１と、スピン注入磁化反転素子部１１を挟んで上下に設けられた上部電極１２と下部電極１３とからなる一対の電極を有し、下部電極１３とスピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１）との間に防御層１４を有するものである。

［磁化固定層］
磁化固定層２１は、磁化方向が固定され、上部電極１２と下部電極１３の間に印加される電圧に応じて、非磁性中間層２２を介して、スピン偏極した電子を磁化反転層２３に注入（スピン注入）する役割を有する層である。この磁化固定層２１は、磁化反転層２３とともに、垂直磁気異方性を有するものが好ましい。これによって、光変調素子１０に対して垂直な方向に入射した光の偏光面を回転させる極カー効果を利用して、大きなθ_ｋ（磁気カー効果による偏光面の回転角度；以下、「カー回転角」という）を得ることができる。極カー効果を最大限に得ることができる入射光の方向は、磁化の方向と平行な方向であるため、垂直磁気異方性を持つことで、磁化反転層２３の膜面に垂直な方向から光変調素子１０に入射した光を、最大限の極カー効果によって大きなθ_ｋを有する透過光または反射光を得ることができる。

つまり、磁気カー効果の大きさは入射する光の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例するため、一般に極カー効果は、光変調素子１０の膜面に対して斜め方向から入射させる場合の縦カー効果や横カー効果に比べて大きなカー回転角θ_ｋを得ることができる。したがって、面内磁化に比べて、θ_ｋを増大することができるため、光変調素子１０としての性能を向上させることができる。

垂直磁気異方性を有する磁化固定層２１として、具体的には、図１に示すように、Ｃｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂが交互に積層した多層構造（以下、この構造を有する層を「Ｃｏ／Ｐｔ多層膜」という）、または遷移元素と希土類元素とを含む合金で形成されているものが好ましい。この磁化固定層２１は、下部電極１３の上にＭＢＥ法やスパッタ法などによって形成することができる。

磁化固定層２１をＣｏ／Ｐｔ多層膜で構成する場合、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜は、所謂、人工格子膜の１つであり、Ｃｏ膜２１ａ単独では磁化方向は面内に向くのに対し、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜では、Ｃｏ膜２１ａの磁化方向が膜面と垂直な方向に向く。また、Ｐｔ膜２１ｂの厚さが薄い方が、保磁力は小さく、Ｐｔ膜２１ｂの厚さを厚くすると、保磁力が大きくなる。また、Ｃｏ膜２１ａの厚さが薄い方が保磁力は小さく、厚い方が保磁力は大きくなる。このような理由から、磁化固定層２１はＣｏ膜とＰｔ膜をともに厚くなるような構成とすることで、磁化固定層２１の保磁力を増大させることができ、磁化固定層２１の保磁力を、磁化反転層２３よりも大きくすることができる。なお、磁化反転層２３におけるスピン注入磁化反動作を確実にするためには、磁化固定層２１の保磁力は５００[Ｏｅ]（３９．９[ｋＡ／ｍ]）以上であることが好ましい。

ここで、Ｃｏ膜２１ａおよびＰｔ膜２１ｂの厚さや、Ｃｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂの積層数は、特に限定されるものではないが、Ｃｏ膜２１ａあるいはＰｔ膜２１ｂの厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、Ｃｏ膜２１ａあるいはＰｔ膜２１ｂの厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、Ｃｏ膜２１ａの厚さは、０．４〜１．５ｎｍが好ましく、Ｐｔ膜２１ｂの厚さは、０．８〜１．５ｎｍが好ましく、Ｃｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂの積層数は、Ｃｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂを一組として、５〜２０が好ましい。また、このＣｏ／Ｐｔ多層膜における一組のＣｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂの厚さは、それぞれ０．６ｎｍ程度、１．２ｎｍ程度とすることが、保持力の大きい磁化固定層２１を得ることができる点で、好ましい。なお、Ｃｏ膜２１ａとＰｔ膜２１ｂの積層順序は特に規定されるものではなく、図１に示すように、Ｃｏ膜２１ａを磁化固定層２１の最下部に配置してもよく、Ｐｔ膜２１ｂを最下部に配置してもよい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、磁化固定層２１の厚さは、１０〜３０ｎｍが好ましい。

なお、前記の通り、磁化反転層２３もＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積層した多層構造とする場合には、磁化反転層２３を構成するＰｔ膜２３ｂの１層の厚さを、磁化固定層２１を構成するＰｔ膜２１ｂの１層の厚さよりも薄くする。また、Ｃｏ膜２３ａの１層の厚さも、磁化固定層２１を構成するＣｏ膜２３ａの１層の厚さよりも薄くする。このような構造とすることで、磁化固定層２１の保磁力を、磁化反転層２３よりも、さらに大きくすることができる。

また、磁化固定層２１を遷移元素と希土類元素を含む合金で構成する場合、このような合金は、薄い膜厚でも大きな極カー効果を示し、大きなカー回転角(θ_Ｋ)を得ることができる。これらの合金は、成膜が容易である、という利点をも有する。遷移元素としては、例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。また、希土類元素としては、例えば、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＴｂから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。この遷移元素と希土類元素を含む合金の具体例として、ＧｄＦｅ（例えば、Ｇｄ_３０Ｆｅ_７０）やＴｂＦｅＣｏ（例えば、Ｔｂ_３２．１Ｆｅ_５８．１Ｃｏ_９．８）等（数値は元素比〔ａｔ％〕）を示す）を好適に用いることができる。さらに、高保磁力のＴｂＦｅＣｏを磁化固定層２１に用いることにより、大きな電流を流しても磁化固定層２１の磁化の向きを一定方向に保つことができるため、安定したスピン注入磁化反転動作をすることができる利点がある。また、ＴｂＦｅＣｏの飽和磁化（Ｍｓ）はおよそ１５０〜２００Ｏｅ（１２．０〜１６．０ｋＡ／ｍ）程度であって磁化反転層へ漏れ出る磁界が小さいため、スピン注入磁化反転特性が電流軸方向にシフトする量を低減することができる。これにより、正の磁化反転電流と負の磁化反転電流の大きさをほぼ同じにすることができるので、安定したスピン注入磁化反転動作を得ることが可能である。

［非磁性中間層］
非磁性中間層２２は、磁化固定層２１と磁化反転層２３の間に配置されるものである。光変調素子１０がＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ Ｐｌａｎｅ − Ｇｉａｎｔ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造の磁気抵抗素子の場合には、非磁性中間層２２として非磁性金属が用いられる。非磁性中間層２２は、磁化反転層２１と磁化固定層２３の磁化状態を分離するために必要であり、磁化反転層２１と磁化固定層２３との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。たとえば、下部電極１３、磁化固定層２３、非磁性中間層２２、磁化反転層２１、上部電極１２の順に積層された素子において、上部電極１２が正の電圧となるように下部電極１３と上部電極１２間に電圧を印加すると、下部電極１３から注入された電子は磁化固定層２３の内部で磁化固定層２３の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子が非磁性中間層２２内をスピンを保持したまま通過し、磁化反転層２１に注入される。磁化反転層２１の内部では、磁化反転層２１の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて磁化反転層２１内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させるために、結果として磁化反転層２１の磁化方向が反転する。このように、非磁性中間層２２はスピンの通路として機能するため、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いるのが望ましい。非磁性金属材料の場合にはＣｕやＡｌなどが望ましく、ＺｎＯなどの半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を保ったまま流れ、磁化反転層２３に到達するように、１〜１０ｎｍであることが好ましい。

また、光変調素子１０がトンネル電流型の磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）である場合には、非磁性中間層２２としては、マグネシア（ＭｇＯ）やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁体を用いて形成することができる。

この非磁性中間層２２は、磁化反転層２３に入射した光が反射される場合は、入射した光を入射面側に反射させる必要があるため、入射光に対する反射率の大きい材料を用いることが好ましく、また、磁化反転層２３に入射した光が透過される場合には、磁化反転層２３を透過した光が入射面側に対して反対側（磁化固定層２１側）に透過されるように、入射光の透過率が大きい材料を用いることが好ましい。

この非磁性中間層２２は、ＭＢＥ法やスパッタ法などによって、磁化固定層２１の上に形成することができる。

［磁化反転層］
磁化反転層２３は、上部電極１２と下部電極１３との間に印加される電圧の向きに応じて（つまり、光変調素子１０を流れる電流の向きに応じて）、磁化反転層２３内に注入されたスピン偏極電子との相互作用によって生じるスピントルクにより自らの磁化の向きを反転させるものである。その結果、磁化反転層２３は正と負の磁化方向を有する安定した２値の磁化状態をとることができる。そして、この磁化反転層２３に偏光した光を入射すると、磁化反転層２３の磁化方向に応じた磁気光学効果（磁気カー効果またはファラデー効果）によって、入射光の偏光面を右または左（あるいは左または右）に回転させる役割を有する層である。

この磁化反転層２３は、スピン歳差運動の緩和時間が長く、スピン流が大きくなるような特性を持つ構造または材料で構成することが好ましく、特に、磁化固定層２１とともに、垂直磁気異方性を有するものが好ましい。これによって、光変調素子１０に対して垂直な方向に入射する光の偏光面を回転させる極カー効果を利用して、大きなカー回転角θ_ｋを得ることができる。極カー効果を最大限に得ることができる入射光の方向は、磁化の方向と平行な方向であるため、垂直磁気異方性を持つことで、磁化反転層２３の膜面に垂直な方向から光変調素子１０に光を入射させることによって、極カー効果を大きくすることができる。垂直磁気異方性を有する磁化反転層２３として、具体的には、図１に示すように、Ｃｏ膜２３ａとＰｔ膜２３ｂが交互に積層した多層構造（以下、この構造を有する層を「Ｃｏ／Ｐｔ多層膜」という）、または遷移元素と希土類元素とを含む合金で形成されているものが好ましい。この磁化反転層２３は、非磁性中間層２２の上にＭＢＥ法やスパッタ法などによって形成することができる。

磁化反転層２３をＣｏ／Ｐｔ多層膜で構成する場合、磁化固定層２１について詳述したとおり、Ｐｔ膜２３ｂの厚さが薄い方が、保磁力は小さく、Ｐｔ膜２３ｂの厚さを厚くすると、保磁力が大きくなるため、磁化反転層２３を構成するＰｔ膜２３ｂの１層の厚さが、磁化固定層２１を構成するＰｔ膜２１ｂの１層の厚さよりも薄くすることが好ましい。また、Ｃｏ膜２３ａの１層の厚さも、磁化固定層２１を構成するＣｏ膜２３ａの１層の厚さよりも薄くするのが好ましい。なお、磁化反転層２３の保磁力は、印加する電流の向きを変えたときの磁化の向きの反転が安定して生じるように、磁化固定層２３ｂの保磁力より小さくしなければならない。このような理由から、このＣｏ／Ｐｔ多層膜における一組のＣｏ膜２３ａとＰｔ膜２３ｂの厚さは、それぞれ０．２ｎｍ程度，０．６ｎｍ程度とすることが、保持力の小さい磁化反転層２３を得ることができる点で、好ましい。

Ｃｏ膜２３ａおよびＰｔ膜２３ｂの厚さや、Ｃｏ膜２３ａとＰｔ膜２３ｂの積層数は、特に限定されるものではないが、Ｃｏ膜２３ａあるいはＰｔ膜２３ｂの厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、Ｃｏ膜２３ａあるいはＰｔ膜２３ｂの厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、Ｃｏ膜２３ａの厚さは、０．２〜０．５ｎｍが好ましく、Ｐｔ膜２３ｂの厚さは、０．６〜１．５ｎｍが好ましい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、磁化反転層２３の厚さは、１０ｎｍ以下とするのが好ましい。

また、磁化反転層２３を遷移元素と希土類元素を含む合金で構成する場合、このような合金は、薄い膜厚でも電圧が印加された際に大きなカー効果を示し、大きなカー回転角(θ_Ｋ)を得ることができる。これらの合金は、成膜が容易である、という利点をも有する。また、遷移元素と希土類元素を含む合金を用いることで、低飽和磁化（Ｍｓ）の磁化反転層２３を形成することができる。したがって、Ｍｓの大きさに比例する磁化反転電流密度Ｊｃを低減することができる。遷移元素としては、例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。また、希土類元素としては、例えば、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＴｂから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。この遷移元素と希土類元素を含む合金の具体例として、ＧｄＦｅ（例えば、Ｇｄ_３０Ｆｅ_７０）やＴｂＦｅＣｏ（例えば、Ｔｂ_３２．１Ｆｅ_５８．１Ｃｏ_９．８）等（数値は元素比〔ａｔ％〕）を示す）を好適に用いることができる。

なお、ＧｄＦｅでは、ＧｄとＦｅの磁気モーメントが互いに反対に向き合い、その組成によって、全磁気モーメントがＧｄの磁気モーメントの向きになるか、Ｆｅの磁気モーメントの向きになるのかが決まる。例えば、Ｇｄ_３０Ｆｅ_７０の場合には、全磁気モーメントはＧｄの磁気モーメントの方向に向く。

また、希土類元素の化学的・物理的性質の類似を利用すれば、遷移金属との組み合わせによる材料変更は比較的容易であるが、希土類元素としては、得られる磁気的性質が同等である場合には、原料コストや成膜性に優れた材料を用いることが好ましい。

＜界面層＞
磁化固定層２１と非磁性中間層２２の界面、および磁化反転層２３と非磁性中間層２２の界面には、それぞれ遷移元素または遷移元素を含む合金で形成された第１界面層Ｓ_１、および第２界面層Ｓ_２を設けることが好ましい。遷移元素または遷移元素を含む合金としては、例えば、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉの少なくとも１種、ならびにＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉ等の合金が挙げられる。特に、第１界面層Ｓ_１および第２界面層Ｓ_２をＣｏＦｅＢ合金あるいはＦｅ膜、Ｃｏ膜を用いて形成し、非磁性中間層２２にアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等のアモルファス絶縁体を用いてトンネル電流を流すことやマグネシア（ＭｇＯ）の（１００）結晶と組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことなどにより、駆動電流を大きく低減することができる。この第１界面層Ｓ_１および第２界面層Ｓ_２の厚さは、０．１〜１ｎｍの範囲であれば、磁化固定層２１および磁化反転層２３の垂直磁気異方性はほとんど劣化しない。

＜上部電極および下部電極＞
また、光変調素子１０において、スピン注入磁化反転素子部１１を挟む一対の電極は、磁化反転層２３の上部に配置される上部電極１２と、磁化固定層２１の下部に配置される下部電極１３とで構成される。これらの一対の電極（上部電極１２、下部電極１３）は、光変調素子１０（スピン注入磁化反転素子部１１）に電圧を印加する役割を有する。この下部電極１３と上部電極１２の間に下部電極１３を負に、上部電極１２を正に電圧を印加することによって、磁化固定層２１から磁化反転層２３に向けてスピン偏極電子が注入される。スピン注入による磁化反転後、正負逆方向に電圧を印加すれば、磁化反転層２３の磁化方向はスピン注入前の状態に戻る。

これらの一対の電極（上部電極１２および下部電極１３）の少なくとも一方は、透明電極材料で形成されていることが好ましい。すなわち、光変調素子１０の磁化反転層２３の側から光を入射させ、磁化方向が反転した磁化反転層２３において偏光面の回転角度が変化した光を反射する場合には、上部電極１２を透明電極材料で形成することが好ましい。ここで、磁化反転層２３の側から光を入射させ、磁化方向が反転した磁化反転層２３において偏光面が回転した光を磁化反転層２３と磁化固定層２１を透過して光変調素子１０の下部電極１３の側から出射させる場合は、上部電極１２および下部電極１３をともに透明電極材料で形成することが好ましい。また、透明電極材料としては、例えば、ＩＺＯ、ＩＴＯ等を用いることができる。さらに、上部電極１２または下部電極１３を１０ｎｍ以下の厚さのＣｕ膜で構成すれば、透明電極材料を用いなくとも光を十分に透過させることができる。

これらの一対の電極（上部電極１２、下部電極１３）は、後記の空間光変調器３０では、光変調素子１０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１６上に設けられている。一方、上部電極１２は、後記の空間光変調器３０では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子１０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、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。

これらの上部電極１２および下部電極１３は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等で形成される。中でも、銅（Ｃｕ）は、安価で導電性に優れるため、好ましい。そして、これらの一対の電極（上部電極１２および下部電極１３）の少なくとも一方の電極（図１では、下部電極１３）がＣｕで形成される。特に、光変調素子１０の磁化反転層２３の側から光を入射させ、磁化方向が反転した磁化反転層２３において偏光面の回転角度が変化した光を反射する場合には、上部電極１２を透明電極材料で形成するとともに、下部電極１３がＣｕで形成される。下部電極１３を銅で形成する場合、その厚さは、通常、５ｎｍ以上である。また、上部電極１２を銅で形成する場合は、その厚さを１０ｎｍ以下とすることによって、光を透過する透明電極とすることが可能である。

＜防御層＞
本発明の光変調素子１０において、Ｃｕで形成される電極（図１では、下部電極１３）と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１）との間に金属からなる防御層１４が設けられる。一般に、Ｃｕで形成される電極（図１では、下部電極１３）は、光変調素子１０の素子化プロセス時に、大気中での加熱処理（２００℃程度）を施すと、Ｃｕが磁化固定層２１内に拡散し、素子動作のばらつきが発生しやすくなる。そこで、Ｃｕで形成される電極（図１では、下部電極１３）と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１）との間に金属からなる防御層１４を設けることによって、大気中での加熱処理時にＣｕが磁化固定層２１内に拡散するのを抑制し、素子動作のばらつきを防止することができる。特に、垂直磁気異方性を有する磁化固定層２１を備える場合には、加熱処理による垂直磁気異方性の劣化を抑制し、光変調素子１０の動作のばらつきを防止することができる。また、防御層１４を設けることによって、非磁性中間層２２をＭｇＯを用いて形成する場合でも、ＭｇＯ膜の結晶性改善に必要な３００℃以上の熱処理にも十分耐え、その熱処理による影響を防止することができる。また、上部電極１２をＣｕで形成する場合は、上部電極１２と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化反転層２３）との間に金属からなる防御層が設けられる。この場合、Ｃｕで形成される上部電極１２と、スピン注入磁化反転素子部（磁化反転層２３）との間に金属からなる防御層を設けることによって、大気中での加熱処理時にＣｕが磁化反転層２３内に拡散するのを抑制し、素子動作のばらつきを防止することができる。特に、垂直磁気異方性を有する磁化反転層２３を備える場合には、加熱処理による垂直磁気異方性の劣化を抑制し、光変調素子１０の動作のばらつきを防止することができる。この防御層１４は、Ｔａ、Ｗ、ＲｕおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなる金属膜、あるいは前記金属膜を複数積層してなる積層膜で形成されていることが好ましい。特に、成膜後の表面粗さが小さく、上層に成膜する磁性材料等からなる層（磁化固定層２１、非磁性中間層２２、磁化反転層２３）の結晶性や磁気特性を向上させる下地膜として機能する点で、ＴａおよびＲｕから選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなる金属膜、あるいはそれらの金属膜を複数積層してなる積層膜で形成されていることが好ましい。また、防御層１４の厚さは、２ｎｍ以上が好ましい。

また、図１に示す第１実施形態の光変調素子１０は、下部電極１３と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１）との間に金属からなる防御層１４を設けた例であるが、本発明の光変調素子において、防御層は、Ｃｕからなる上部電極と、スピン注入磁化反転素子部（磁化反転層）との間に設けてもよい。また、上部電極と下部電極をともにＣｕで形成する場合は、上部電極とスピン注入磁化反転素子部（磁化反転層）との間、および下部電極と、スピン注入磁化反転素子部（磁化固定層）との間に金属からなる防御層を設けてもよい。

＜保護膜、下地層＞
また、光変調素子１０において、必要に応じて、磁化反転層２３と上部電極１２の間に保護膜１５を配設したり、さらに、磁化固定層２１の下側に、下地層を設けてもよい。

保護膜１５は、磁化反転層２３の酸化等によるダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１０を形成する際の熱処理（後記する）における磁化反転層２３の酸化を防止する。また、保護膜１５を構成する材料には、熱処理の際に磁化反転層２３を構成する材料と反応しない性質が求められる。さらに、保護膜１５には、透光性に優れ、磁化反転層２３による磁気カー効果を低下させない特性（換言すれば、入射光と反射光の偏光面を実質的に回転させない特性）を有していることが要求される。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ等を用いることができる。この保護膜１５は、Ｃｕを含む材料で形成することは避ける必要がある。Ｃｕを含む材料を用いると、熱処理中にＣｕの拡散が生じて磁化反転層２３の垂直磁気異方性を消失させてしまう虞がある。

下地層は、必要に応じて、磁化固定層２１の下側に設けられる層であり、５ｎｍ以上の厚さのＰｔ膜で構成することができる。磁化固定層２１の下地として下地層を挿入することで、磁化固定層２１の保磁力を増大することができ、より安定したスピン注入磁化反転動作をさせることができる。なお、下地層の厚さは、厚くし過ぎても保磁力の大きさが飽和するため、２０ｎｍ以下が好ましい。

＜光変調素子の製造方法＞
図１に示す光変調素子１０は、前記の構造を形成することができる方法であれば、いずれの方法にしたがって製造してもよい。図２（ａ）〜（ｇ）に、図１に示す光変調素子１０の製造方法の一例を示す。

図２（ａ）〜（ｇ）に示す製造方法では、まず、最初に、基板１６の表面に下部電極１３を形成する〔図２（ａ）〕。この下部電極１３の形成は、例えば、基板１６の表面に一様にスパッタ法等により下部電極１３の材料からなる膜を形成し、この膜上に下部電極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１６の表面が露出するまで膜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、スパッタ法により下部電極１３の材料からなる膜を形成した後、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。

続いて、下部電極１３の間の溝をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁体１７）で埋める〔図２（ｂ）〕。アルミナ膜の形成は、反応性スパッタリング法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができ、必要に応じて、ＣＭＰ処理等により下部電極１３を含む表面を平滑にする。こうして形成された表面の下部電極１３の上に、防御層１４、磁化固定層２１、非磁性中間層２２、磁化反転層２３、保護膜１５（図２では各層ごとの表示を省略する）を、この順番で各層ごとに所定の膜厚でスパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング）等により逐次成膜し、防御層１４と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１、非磁性中間層２２、磁化反転層２３）と、保護膜１５の各層の構成成分を順次積層した膜１１ａを形成する〔図２（ｃ）〕。このとき、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜からなる磁化固定層２１と磁化反転層２３の成膜では、例えば、ＣｏスパッタターゲットとＰｔスパッタターゲットとが装着可能で、これらのターゲットに選択的にスパッタ電圧を印加することができる構造のスパッタ装置を用いることで、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜を容易に形成することができる。なお、基板１６上に下部電極１３、防御層１４、磁化固定層２１、非磁性中間層２２、磁化反転層２３、保護膜１５の順に、スパッタリング法等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して成膜してもよい。

次に、基板１６の下部電極１３の上に形成された膜１１ａに対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１０の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１０の特性変化を抑制するために行われる。この熱処理における磁化固定層２１の磁気特性の低下を抑制する観点から下部電極１３の上側に防御層１４が設けられている。また、磁化反転層２３の表面に、耐酸化性に優れるＲｕ膜等を保護膜１５として設けておくことも好ましい。特に、銅（Ｃｕ）で形成される電極（図１では、下部電極１３）と、スピン注入磁化反転素子部１１（磁化固定層２１）との間に金属からなる防御層１４を設けることによって、大気中での加熱処理時にＣｕが磁化固定層２１内に拡散するのを抑制し、素子動作のばらつきを防止することができる。特に、垂直磁気異方性を有する磁化固定層２１を備える場合には、加熱処理による磁化固定層２１の垂直磁気異方性の劣化を抑制し、光変調素子１０の動作のばらつきを防止することができる。

続いて、熱処理された膜１１ａの上に、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍのレジストパターン９１をメサパターンとなるように、ＥＢ露光法等により形成する〔図２（ｄ）〕。このレジストパターン９１をエッチングマスクとして用いて、膜１１ａをエッチングし、その後、レジストパターン９１を除去する〔図２（ｅ）〕。これにより、下部電極１３の上に、防御層１４、スピン注入磁化反転素子層１１（磁化固定層２１、非磁性中間層２２、磁化反転層２３）、保護膜１５の順で構成された光変調素子層１１ｂが形成される。次いで、ＣＶＤ法等により、光変調素子層１１ｂの間をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁体１７）で埋め、必要に応じてＣＭＰ処理等により光変調素子層１１ｂを含む表面を平滑にする〔図２（ｆ）〕。または、前記の膜１１ａの各層をエッチングあるいはＡｒイオン等によるイオンビームミリング法によって、下部電極１３の手前までミリング加工した後に、このエッチングにより形成された溝をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁体１７）で埋め、その後にリフトオフ（レジストパターン９１の剥離）またはＣＭＰを行う方法を用いてもよい。ＣＭＰ処理等を行う場合には、スピン注入磁化反転素子部１１の最上部に形成されている保護膜１５（あるいは磁化固定層２１の最上層）の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。

次に、上部電極１２を、光変調素子層１１ｂが覆われるように、かつ、下部電極１３のラインパターンと直交するように、所定間隔で形成する〔図２（ｇ）〕。この上部電極１２の形成は、下部電極１３の形成方法と同様にして行うことができる。このような製造方法を用いれば、微細な光変調素子１０を高密度に配置した空間光変調器３０を製造することができ、表示速度が速く、高精細な画像および映像表現が可能となる。

＜光変調素子＞
図１に示す光変調素子１０は、下部電極１３と上部電極１２との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子１０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または透過する役割を担う。光変調素子１０の平面視（図３）での大きさは、例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍの大きさからなり、図３に示す空間光変調器３０では、光変調素子１０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１０が１画素となっている。また、光変調素子１０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１０同士の間隔は、上部電極１２、下部電極１３およびスピン注入磁化反転素子部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）の精度に応じて、適宜、定めることができる。

次に、本発明の光変調素子１０を用いた空間光変調器の実施形態について説明する。
［空間光変調器］
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器３０を示す。
図３（ａ）に示す空間光変調器３０は、二次元アレイ状に配設された光変調素子１０の磁化反転層２３における磁化状態を変化させることによって、その磁化反転層２３に入射する光の偏光に対してその反射光の偏光方向を変化させて、光の変調を行うものである。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、空間光変調器３０は、基板１６と、基板１６上に一定間隔で平行に設けられた帯状の下部電極１３と、下部電極１３上に一定間隔で設けられたスピン注入磁化反転素子部１１と、下部電極１３とでスピン注入磁化反転素子部１１を挟むように一定間隔で平行に設けられた帯状の上部電極１２と、を備えている。つまり、下部電極１３と、スピン注入磁化反転素子部１１と上部電極１２とで、一つの光変調素子１０からなる光変調部１０ａを構成している。また、後記するように、上部電極１２の上方には、ハーフミラー１８、偏光フィルタ１９、２０が配置されており、光変調部１０ａからの反射光をハーフミラー１８で反射させ、反射光の偏光面の角度に応じて、偏光フィルタ（偏光手段）２０が、その反射光を透過し或いは遮光する（図４（ａ）参照）。

図３（ａ）に示すように、この空間光変調器３０の駆動（動作）は制御装置８０によって制御され、制御装置８０は、複数の下部電極１３の中から電圧を印加する電極を選択する下部電極選択部８２と、複数の上部電極１２の中から電圧を印加する電極を選択する上部電極選択部８３と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３とに電力を供給する電源８１と、下部電極選択部８２と上部電極選択部８３および電源８１の動作制御を司る制御部８４とを備えている。以下、各構成要素について説明する。

＜基板＞
基板１６は、下部電極１３、スピン注入磁化反転素子部１１および上部電極１２を形成するための土台となるものである。空間光変調器３０では、後記するように、光変調部１０ａのスピン注入磁化反転素子部１１に入射した後に反射される光を利用するため、この実施形態においては、基板１６に透光性は要求されず、下部電極１３、スピン注入磁化反転素子部１１および上部電極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１６としては、シリコン基板、プラスチック基板、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

＜制御装置＞
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１０（スピン注入磁化反転素子部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および上部電極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１０からなる光変調部１０ａ（スピン注入磁化反転素子部１１）に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調部１０ａ（スピン注入磁化反転素子部１１）の選択と、この光変調部１０ａを駆動するための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。

電源８１は電圧反転機能を備えている。つまり、下部電極１３に正電圧を印加すると共に、上部電極１２に負電圧を印加することができ、逆に、下部電極１３に負電圧を印加すると共に、上部電極１２に正電圧を印加することもできるようになっている。この電源８１の電圧反転機能の制御もまた制御部８４により行われる。制御部８４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、電源８１、下部電極選択部８２および上部電極選択部８３の動作制御が行われる。

＜偏光フィルタ＞
図４（ａ），（ｂ）において、偏向軸７０で示される光では、偏向軸は、ランダムな方向に向いている。偏光フィルタ１９は、光変調部１０ａのスピン注入磁化反転素子部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、偏向軸を揃える役割を果たす。偏光フィルタ（偏光手段）２０は、ハーフミラーで反射させたスピン注入磁化反転素子部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４（ａ），（ｂ）に示されている状態について、図４を参照して以下に説明する。

＜空間光変調器における光変調素子の駆動＞
図４に、本発明の第２実施形態における空間光変調器３０を構成する光変調部１０ａ（スピン注入磁化反転素子部１１）への電圧印加形態と磁化反転層２３のカー効果との関係を模式的に表した図を示す。図４（ａ），（ｂ）には、それぞれ、下部電極１３と上部電極１２とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。図４（ａ），（ｂ）に示す、磁化固定層２１および磁化反転層２３の各層内に示される矢印は磁化の向き（スピンの向き）を表している。

図４（ａ）に示すように、上部電極１２と下部電極１３との間で電流が上部電極１２側から下部電極１３側へと膜面に垂直に流れるようにした場合には、磁化反転層２３における磁化（スピン）の向きは、磁化固定層２１における磁化の向きと同じになる。一方、図４（ｂ）に示すように、下部電極１３側から上部電極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、磁化反転層２３における磁化の向きは、磁化固定層２１における磁化の向きとは逆になる。このように、上部電極１２と下部電極１３との間で流す電流の向きによって、磁化反転層２３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。

偏光フィルタ１９を通過することにより偏光軸７１で示される所定の偏光軸を有する入射光が、図４（ａ），（ｂ）に示す各光変調部１０ａ（スピン注入磁化反転素子部１１）へ入射すると、磁化反転層２３の磁化状態に応じて、カー効果により、偏光面が所定角度回転した反射光となって、各光変調部１０ａ（スピン注入磁化反転素子部１１）から出射される。ここでは、カー回転角について、図４（ａ）の光変調部１０ａのように、偏光軸７２で示される右回転が生じる方向を「正方向（＋方向、＋θ）」とし、図４（ｂ）の光変調部１０ａのように、偏光軸７３で示される左回転が生じる方向を「負方向（−方向、−θ）」とする。

そこで、反射光の進行方向に、ハーフミラー１８を配置すると、反射光は、ハーフミラー１８で反射する。そして、ハーフミラー１８での反射光の進行方向に、偏光フィルタ２０として偏光軸７２と平行な偏光軸を有するものを配置すると、図４（ａ）の場合の反射光は偏光フィルタ２０を通過することができるが、図４（ｂ）の場合の反射光は偏光フィルタ２０を通過することができない状態を作り出すことができる。空間光変調器３０は、前記の通りに上部電極１２と下部電極１３とを選択的に駆動（電圧印加）して所望の光変調部１０ａに電流を流すことができるようになっているため、光変調部１０ａ毎に（画素毎に）磁化反転層２３の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ２０を通過可能な反射光とするか通過不能な反射光とするかによって、反射光の強弱（コントラスト）を制御することができる。

また、磁化反転層２３による磁気カー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって反射光のコントラストの強弱比が決まる。図４（ａ），（ｂ）に示すように、反射光を透過するかまたは遮光するかの状態の場合（つまり、カー回転角が一定角度以上ある場合）には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図４（ａ）のように磁化反転層２３の磁化の向きが上向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に図４（ｂ）のように磁化反転層２３の磁化の向きが下向きである場合には「暗状態」となる。

このように、磁化反転層２３の磁化状態（磁化の向き）は、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって光の偏光面を制御する光変調素子１０として動作させることができる。なお、パルス印加後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流したり、電圧を印加したりする必要はない。すなわち、本発明の光変調素子１０からなる光変調部１０ａは自らメモリ機能を有する。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器４０について説明する。
図５に示す第３実施形態に係る空間光変調器４０は、磁化反転層２３における磁化状態を変化させることによって磁化反転層２３へ入射する光の偏光方向に対してその透過光の偏光方向を変化させるものである。すなわち、入射光を、入射光が入射する側とは反対側に透過させ、透過光の偏光を検出するファラデー効果を利用するものである。

第２実施形態では、偏光フィルタ２０を入射光が入射する側とは反対側、すなわち、基板１６の外側に配置する（図５（ａ），（ｂ）参照）。
この空間光変調器４０では、光変調素子１０は、下部電極１３と上部電極１２との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子１０からなる光変調部１０ａに入射した入射光の偏光面をファラデー効果により一定角度回転させて透過する役割を担う。

そして、入射光を透過させるため、基板１６や、下部電極１３も、透過性を有する必要がある。そのため、基板１６としては、石英ガラス等の透過性に優れた基板を用いる。下部電極１３としては、ＩＺＯ、ＩＴＯ等の透明電極材料を用いてもよいし、Ｃｕ等の金属膜も、薄膜であれば、照射する光の波長によっては一定の透過性が得られるので、用いることが可能である。
その他の構成については、第２実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

＜光変調素子の駆動＞
図５に第３実施形態における光変調素子への電圧印加形態と磁化反転層のファラデー効果との関係を模式的に表した図を示す。図５（ａ），（ｂ）には、それぞれ、下部電極と上部電極とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。
なお、磁化反転層２３における磁化の向きについての説明は、第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

偏光フィルタ１９を通過した、偏光軸７１で示される所定の偏光方向を有する入射光が、図５（ａ），（ｂ）に示す各光変調素子１０へ入射すると、磁化反転層２３によるファラデー効果により、偏光方向が所定角度（θ_１、θ_２）回転した透過光となって、各光変調部１０ａから出射される。ここでは、図５（ａ）の場合には偏光軸７２で示される右回転方向（これを「＋方向」とする）へ、図５（ｂ）の場合には偏光軸７３で示される左回転方向（これを「−方向」とする）へ、それぞれファラデー回転が生じる。

そこで、透過光の進行方向に、偏光軸７２と平行な偏光軸を有する偏光フィルタ２０を配置すると、図５（ａ）の場合の透過光は偏光フィルタ（偏光手段）２０を通過することができるが、図５（ｂ）の場合の透過光は偏光フィルタ２０を通過することができない状態を作り出すことができる。こうして、偏光フィルタ２０を通過する透過光を、光変調素子１０ごとにその磁化反転層２３の磁化の向きを電流の向きによって制御することにより、透過光の強弱（コントラスト）を制御することができる。
その他の説明については、第２実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に本発明に係る光変調素子の実施例および比較例について説明するが、本実施例では、防御層の有無による磁化固定層の磁気特性を調査することが目的であるため、図１に示す構造の光変調素子全層ではなく、第１および第２界面層、非磁性中間層、磁化反転層を除く各層を形成した素子とした。また、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
まず、酸化膜付シリコン基板上に、下部電極、防御層、磁化固定層、保護膜の順に、スパッタリング法を用いて、真空中で一貫して成膜した。次に、保護膜上に画素サイズのレジストを形成した後、Ａｒイオンによるイオンビームミリング法によって、下部電極の手前までミリング加工した。その後、レジストを剥離せずにそのままＳｉＯ_２を全面に堆積し、レジストをリフトオフした。その後、上部に上部電極としてＩＺＯからなる透明電極を形成した。

磁化固定層は、一層当たりの膜厚（ｔ_Ｃｏ）が０．４ｎｍのＣｏ膜と、一層当たりの膜厚１ｎｍのＰｔ膜とを交互に１０層積層したＣｏ／Ｐｔ多層構造とした。
下部電極は、膜厚２００ｎｍの銅（Ｃｕ）膜で形成した。
上部電極は、膜厚４００ｎｍのＩＺＯ膜とした。
保護膜は、膜厚３ｎｍのＲｕ膜とした。
さらに、下部電極と磁化固定層の間に防御層として、膜厚５ｎｍのＴａ層を形成した。

（比較例１）
下部電極と磁化固定層の間に防御層を設けなかった以外は、実施例１と同様の構造の素子を製造した。

実施例１および比較例１で製造した素子について、それぞれ７ｋＯｅ（５５７ｋＡ／ｍ）、１×１０⁻⁴Ｐａの真空磁場中で、３４０℃、２時間の加熱処理を施し、この加熱処理の前後における極カー効果を測定した。実施例１の光変調素子に関する測定結果を図６（ａ）および（ｂ）に、比較例１の光変調素子に関する測定結果を図７（ａ）および（ｂ）に示す。なお、図６および図７に示す横軸の単位において、１［Ｏｅ］＝７９．５７７［Ａ／ｍ］である。

この図６（ａ），（ｂ）および図７（ａ），（ｂ）に示す測定結果から、防御層を有する実施例１の素子は、非磁性中間層（ＭｇＯ膜）の結晶性を改善するために３４０℃の加熱処理を施した後でも、磁化固定層の垂直磁気異方性が維持されることが分かる。これに対して、防御層を有しない比較例１の素子は、３４０℃、２時間の加熱処理を施した場合、磁化固定層の垂直磁気異方性が完全に消失することが分かる。

本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構造を示す模式断面図である。 （ａ）〜（ｇ）は、光変調素子を製造するための主要工程を説明する図である。 （ａ）は、本発明の空間光変調器の構成を示す概略平面図、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ線断面を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の動作を示す概念図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器の動作を示す概念図である。 （ａ）は、実施例１の光変調素子について３４０℃で加熱処理前の極カー効果の測定結果、（ｂ）は、実施例１の光変調素子について３４０℃で加熱処理後の極カー効果の測定結果を示す図である。 （ａ）は、比較例１の光変調素子について３４０℃で加熱処理前の極カー効果の測定結果、（ｂ）は、比較例１の光変調素子について３４０℃で加熱処理後の極カー効果の測定結果を示す図である。

符号の説明

１０ 光変調素子
１０ａ 光変調部
１１ スピン注入磁化反転素子部
１１ａ 膜
１１ｂ 光変調素子層
１２ 上部電極
１３ 下部電極
１４ 防御層
１５ 保護膜
１６ 基板
１７ 絶縁体
１８ ハーフミラー
１９，２０ 偏光フィルタ
２１ 磁化固定層
２１ａ Ｃｏ膜
２１ｂ Ｐｔ膜
２２ 非磁性中間層
２３ 磁化反転層
２３ａ Ｃｏ膜
２３ｂ Ｐｔ膜
Ｓ_１ 第１界面層
Ｓ_２ 第２界面層
３０ 空間光変調器
４０ 空間光変調器
７０ 偏光軸
７１ 偏光軸
８０ 制御装置
８１ 電源
８２ 下部電極選択部
８３ 上部電極選択部
８４ 制御部
９１ レジストパターン

Claims (10)

1. 磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層の順で積層して構成されたスピン注入磁化反転素子部と、前記スピン注入磁化反転素子部を挟む一対の電極とを有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて、前記磁化反転層へ入射した光の偏光面に対してその反射光または透過光の偏光面の回転角を変化させる光変調素子であって、
   前記一対の電極の少なくとも一方の電極がＣｕで形成され、前記Ｃｕで形成された電極と前記スピン注入磁化反転素子部との間に金属からなる防御層を有することを特徴とする光変調素子。
2. 前記防御層が、Ｔａ、Ｗ、ＲｕおよびＡｕから選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなる金属膜、あるいは前記金属膜を複数積層してなる積層膜で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記磁化反転層および前記磁化固定層が、垂直磁気異方性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。
4. 前記磁化反転層および磁化固定層のうちの少なくとも一方がＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積層した多層構造で構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光変調素子。
5. 前記磁化反転層と前記非磁性中間層の界面、および前記磁化固定層と前記非磁性中間層の界面の少なくとも一方に、遷移元素または遷移元素を含む合金からなる界面層を有することを特徴とする請求項４に記載の光変調素子。
6. 前記磁化反転層と前記磁化固定層のうちの少なくとも一方が、遷移元素と、希土類元素とを含む合金で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光変調素子。
7. 前記遷移元素が、Ｆｅ、ＣｏおよびＮｉから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６に記載の光変調素子。
8. 前記希土類元素が、Ｓｍ、Ｅｕ、ＧｄおよびＴｂから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項６に記載の光変調素子。
9. 前記一対の電極のうちの少なくとも一方の電極が、透明電極材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の光変調素子。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の光変調素子で構成される光変調部を有し、前記磁化反転層における磁化状態の変化に応じて、前記磁化反転層へ入射した光の偏光面に対してその反射光または透過光の偏光面の回転角を変化させ、反射光または透過光の先に設けた偏光手段を通じて特定の偏光のみを透過させることにより、光の変調を行う空間光変調器。

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