JP2010271512A - Spin injection-type spatial light modulator - Google Patents

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Shinji Hara
晋治 原
Hiroyasu Inoue
弘康 井上
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin injection-type light modulator having low electric power consumption and high magneto-optical performance. <P>SOLUTION: The spin injection-type SLM (Spatial Light Modulator) exhibits inversion of magnetization directions by spin injection and includes: a laminate element body including a magnetization direction variable layer (40) in which the magnetization direction is inverted by spin injection; a magnetization direction pinned layer (20) in which the magnetization direction is fixed; and a nonmagnetic intermediate layer (30) interposed between the magnetization direction variable layer (40) and the magnetization pinned layer (20), wherein the nonmagnetic intermediate layer includes a semiconductor material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は空間光変調素子、特に、スピン注入により磁化方向を変化させて利用する空間光変調素子に関するものである。   The present invention relates to a spatial light modulation element, and more particularly to a spatial light modulation element used by changing the magnetization direction by spin injection.

従来の空間光変調素子(SLM: Spatial Light Modulator)は、液晶を用いるものが一般的である。液晶分子に対して電圧を印加することによりその配列や配向を制御し、光の透過と反射を制御する原理を用いている。これは既に広く用いられている技術であり、液晶ディスプレイを始め、世の中に広く浸透している技術であると言える。   Conventional spatial light modulators (SLMs) generally use liquid crystals. The principle of controlling the transmission and reflection of light by controlling the alignment and orientation by applying a voltage to liquid crystal molecules is used. This is a technique that has already been widely used, and can be said to be a technique that has spread widely in the world, including liquid crystal displays.

しかしながら、液晶を用いたSLMは、原理的に分子の回転を伴うために応答速度が遅いという欠点がある。この応答速度を高めるために液晶分子の初期配列を弓なりにするOCB(Optically Compensated Bend)構造等があるが、それでも応答速度は数msecに留まる。   However, the SLM using liquid crystal has a drawback in that the response speed is slow due to the rotation of molecules in principle. In order to increase the response speed, there is an OCB (Optically Compensated Bend) structure in which the initial alignment of liquid crystal molecules is bowed, but the response speed is still only a few milliseconds.

また、液晶層の厚みが最低限数μm必要である事から素子の面積の縮小にも限界があり、液晶を用いたSLMは5μm×5μm程度の素子面積が必要であり、高精細な配列を形成する事が困難であると言える。   In addition, since the thickness of the liquid crystal layer is required to be at least several μm, there is a limit to the reduction of the area of the element. It can be said that it is difficult to form.

一方、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)のような微細加工技術を用いて作製した、微小なマイクロミラーを動作させるタイプのSLMも提案されているが、やはり素子の微細化に限界があり、10μm×10μm以下の素子の作製は困難である。また、動作の制御も複雑であると言える。   On the other hand, an SLM of a type that operates a micromirror manufactured by using a microfabrication technology such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) has also been proposed. It is difficult to manufacture an element of 10 μm or less. It can also be said that the operation control is complicated.

そこで、新しいSLMとして、磁性体の磁化反転を用いたタイプのものが提案されている。これらは透過光/反射光が磁性体の磁化方向により旋光する磁気光学効果(ファラデー効果/カー効果)を利用したものであり、磁性体の磁化反転に要する時間は一般的にnsecオーダーである事から、高速応答が約束される方式であると言える。   In view of this, a new SLM type using magnetization reversal of a magnetic material has been proposed. These use the magneto-optical effect (Faraday effect / Kerr effect) in which transmitted / reflected light is rotated according to the magnetization direction of the magnetic material, and the time required for the magnetization reversal of the magnetic material is generally on the order of nsec. Therefore, it can be said that this is a method that promises high-speed response.

その中でも、特開2008−60906号公報や、特開2008−83686号公報に示されている素子は、磁化反転にスピン注入技術(スピン偏極した電子を流す事により磁性体の磁化方向の反転を行う技術)が用いられている。   Among them, the elements disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-60906 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-83686 are based on spin injection technology (reversing the magnetization direction of a magnetic material by flowing spin-polarized electrons). Technology) is used.

このスピン注入による磁化反転を用いた素子は、面積の制限が少ない事から1μm2以下の微細な素子も問題なく作製することができる。つまり、応答速度の速い高精細な素子が作製可能である。なお、スピン注入による磁化反転とは、伝導電子が持つ角運動量が磁化に受け渡される際に、磁化にスピントルクと呼ばれるトルクがかかることを利用し、電子スピンが偏った電流を磁性材料に流す事によりその磁化方向を制御する技術であり、例えば、MRAMなどに用いられている。 Since an element using magnetization reversal by spin injection has a small area limitation, a fine element of 1 μm 2 or less can be produced without any problem. That is, a high-definition element with a high response speed can be manufactured. Note that magnetization reversal by spin injection uses the fact that a torque called spin torque is applied to the magnetization when the angular momentum of the conduction electrons is transferred to the magnetization, and a current in which the electron spin is biased flows to the magnetic material. This is a technique for controlling the magnetization direction according to the circumstances, and is used in, for example, an MRAM.

具体的には、磁化方向固定層から磁化方向可変層に向かい電子が移動すると、可変層の磁化方向が固定層の磁化方向と揃い、これとは逆に、磁化方向可変層から磁化方向固定層に電子が移動した場合は磁化方向可変層の磁化方向が磁化方向固定層の磁化方向と反対向きとなる。   Specifically, when electrons move from the magnetization direction fixed layer to the magnetization direction variable layer, the magnetization direction of the variable layer is aligned with the magnetization direction of the fixed layer, and conversely, from the magnetization direction variable layer to the magnetization direction fixed layer. When the electrons move in the direction, the magnetization direction of the magnetization direction variable layer is opposite to the magnetization direction of the magnetization direction fixed layer.

特開2008−83686号公報JP 2008-83686 A 特開2008−60906号公報JP 2008-60906 A 特開2008−64825号公報JP 2008-64825 A 特開2008−145748号公報JP 2008-145748 A 特開2008−91842号公報JP 2008-91842 A

なお、従来技術である上記の先行技術例においては、旋光角度が原理的に小さいという欠点を持つ。また、少エネルギー化への要望へ応じるべく、より低い消費電力化も求められている。   Note that the above prior art example as the prior art has a drawback that the optical rotation angle is small in principle. In addition, lower power consumption is also required in order to meet the demand for lower energy consumption.

このような実状のもとに、本発明は創案されたものであって、その目的は、低い消費電力と、高い磁気光学性能を有するスピン注入型光変調素子を提供することにある。   Under such circumstances, the present invention has been invented, and an object thereof is to provide a spin-injection type light modulation device having low power consumption and high magneto-optical performance.

このような課題を解決するために、本願発明は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型の空間光変調素子(SLM: Spatial Light Modulator)であって、該素子は、スピン注入により磁化方向が反転される磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層と、これらの磁化方向可変層と磁化方向固定層に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体素子本体からなり、前記非磁性中間層は、半導体材料から構成される。   In order to solve such problems, the present invention is a spin injection spatial light modulator (SLM) whose magnetization direction is reversed by spin injection, and the element is magnetized by spin injection. A multilayer element body having a magnetization direction variable layer whose direction is reversed, a magnetization direction fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic intermediate layer sandwiched between the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer The nonmagnetic intermediate layer is made of a semiconductor material.

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記積層体素子本体の積層方向の両側には、電流印加のための一対の電極層が配置され、少なくとも、光の出入が行われる電極層は透明電極材料から構成される。   Further, as a preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, a pair of electrode layers for applying a current are disposed on both sides of the laminate element body in the lamination direction, and at least light enters and exits. The electrode layer performed is composed of a transparent electrode material.

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記透明電極材料は、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide ;IZO)、酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide ;ITO)、酸化錫(SnO2)、アンチモンドープ酸化錫(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化インジウム(In23)、アルミドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ニオブドープ酸化亜鉛(NTO)から構成される。 In a preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the transparent electrode material is made of indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide ( SnO 2 ), antimony-doped tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (AZO) And niobium-doped zinc oxide (NTO).

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記非磁性中間層は、ZnO、TiO2、In23、SnO2、GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、InP、InAs、InSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、SiC、NiOを主成分とする半導体材料のグループから選定された少なくとも1種から構成される。 As a preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the nonmagnetic intermediate layer is made of ZnO, TiO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, It is composed of at least one selected from the group of semiconductor materials mainly composed of InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, SiC, and NiO.

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記磁化方向可変層と非磁性中間層との間、および/または前記磁化方向可変層と非磁性中間層との間には、スピン伝導を妨げない非磁性層が挿入されるように構成される。   Further, as a preferable aspect of the spin injection type spatial light modulator of the present invention, between the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer and / or between the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer. A nonmagnetic layer that does not prevent spin conduction is inserted.

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記非磁性層は、Cu、Zn、Ag、Auであるように構成される。   As a preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the nonmagnetic layer is configured to be Cu, Zn, Ag, or Au.

また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子の好ましい態様として、前記非磁性中間層と前記非磁性層との組合せは、半導体材料からなる非磁性中間層を中心とした、Cu/ZnO/Cu、Zn/ZnO/Zn、Zn/ZnO/Cuの3層積層体や、これらの3層積層体から上側あるいは下側の非磁性層を省いた2層積層体であるように構成される。   As a preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the combination of the nonmagnetic intermediate layer and the nonmagnetic layer is a Cu / ZnO / with a nonmagnetic intermediate layer made of a semiconductor material as the center. A three-layer stack of Cu, Zn / ZnO / Zn, Zn / ZnO / Cu, or a two-layer stack in which the upper or lower nonmagnetic layer is omitted from these three-layer stacks.

本発明の光変調器は、上記に記載されたスピン注入型の空間光変調素子をマトリックス状に配置して構成される。   The light modulator of the present invention is configured by arranging the spin injection type spatial light modulators described above in a matrix.

本発明は、スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型の空間光変調素子(SLM: Spatial Light Modulator)であって、該素子は、スピン注入により磁化方向が反転される磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層と、これらの磁化方向可変層と磁化方向固定層に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体素子本体からなり、前記非磁性中間層は、半導体材料から構成されているので、消費電力を低く抑えつつ、高い磁気光学性能が得られるという極めて優れた効果が発現する。   The present invention relates to a spin injection spatial light modulator (SLM) in which the magnetization direction is reversed by spin injection, the element comprising a magnetization direction variable layer whose magnetization direction is reversed by spin injection, A magnetization direction fixed layer having a fixed magnetization direction and a non-magnetic intermediate layer sandwiched between the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer, and the nonmagnetic intermediate layer includes: Since it is made of a semiconductor material, an extremely excellent effect is obtained that high magneto-optical performance can be obtained while keeping power consumption low.

図1は、本願発明のスピン注入型の空間光変調素子の概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a spin injection type spatial light modulator of the present invention. 図2は、サンプル7についての規格化磁気抵抗の電流依存性を示したグラフである。FIG. 2 is a graph showing the current dependency of the normalized magnetoresistance for the sample 7. 図3は、消費電力の非磁性中間層の依存性を視認しやすいように、別途グラフ化したものである。FIG. 3 is a separate graph so that the dependence of the power consumption on the nonmagnetic intermediate layer can be easily seen. 図4は、表3の結果を視認しやすいように、グラフ化した図面である。FIG. 4 is a graph showing the results in Table 3 so that the results can be easily seen.

以下、本発明のスピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型の空間光変調素子(SLM: Spatial Light Modulator)を実施するための最良の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out a spin injection type spatial light modulator (SLM) in which the magnetization direction is reversed by spin injection according to the present invention will be described in detail.

図1には、本願発明のスピン注入型の空間光変調素子の概略断面図であって、当該図面にはカー効果を用いた空間光変調素子の単純化したイメージが示されている。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a spin-injection type spatial light modulator according to the present invention. In the drawing, a simplified image of the spatial light modulator using the Kerr effect is shown.

本願発明のスピン注入型の空間光変調素子は、図1に示されるように、下側から下部電極層11、磁化方向固定層20、非磁性中間層30、磁化方向可変層40、および上部電極層15が順次積層された柱状(ピラー状)の構成を備えている。   As shown in FIG. 1, the spin injection type spatial light modulation device of the present invention includes a lower electrode layer 11, a magnetization direction fixed layer 20, a nonmagnetic intermediate layer 30, a magnetization direction variable layer 40, and an upper electrode from the lower side. It has a columnar (pillar-shaped) structure in which the layers 15 are sequentially stacked.

すなわち、当該素子は、スピン注入により磁化方向が反転される磁化方向可変層40と、磁化方向が固定された磁化方向固定層20と、これらの磁化方向可変層40と磁化方向固定層に挟まれた非磁性中間層30と、を有する積層体素子本体5からなり、当該積層体素子本体5の積層方向の両側には、電流印加のための下部電極層11、上部電極層15が配置された形態をとっている。   That is, the element is sandwiched between the magnetization direction variable layer 40 whose magnetization direction is reversed by spin injection, the magnetization direction fixed layer 20 whose magnetization direction is fixed, and the magnetization direction variable layer 40 and the magnetization direction fixed layer. The lower element layer 11 and the upper electrode layer 15 for applying a current are disposed on both sides of the laminate element body 5 in the stacking direction. It takes a form.

反射光のトータルのカー回転角θkを強める手法としては、例えば、磁性体界面での多重反射を用いることが挙げられる。 As a method for enhancing the Kerr rotation angle theta k of total reflected light, for example, to use a multiple reflection of a magnetic material interface.

図1に示される素子においては、上部電極層15と磁化方向可変層40との界面、磁化方向可変層40と非磁性中間層30との界面、および非磁性中間層30と磁化方向固定層20との界面での反射を模式図的に表しているが、磁化方向可変層40と非磁性中間層30との界面、および非磁性中間層30と磁化方向固定層20との界面における反射による磁気光学効果の寄与を大きくするためには、非磁性中間層30中での多重反射が有効である。   In the element shown in FIG. 1, the interface between the upper electrode layer 15 and the magnetization direction variable layer 40, the interface between the magnetization direction variable layer 40 and the nonmagnetic intermediate layer 30, and the nonmagnetic intermediate layer 30 and the magnetization direction fixed layer 20. The reflection at the interface is schematically shown, but the magnetic field due to the reflection at the interface between the magnetization direction variable layer 40 and the nonmagnetic intermediate layer 30 and at the interface between the nonmagnetic intermediate layer 30 and the magnetization direction fixed layer 20 is shown. In order to increase the contribution of the optical effect, multiple reflection in the nonmagnetic intermediate layer 30 is effective.

本発明では、後述するように非磁性中間層30の材料として、半導体材料を用いているので、従来の材料系と比較した場合に、消費電力を低く抑えつつ、高い磁気光学性能が得られるという効果が発現する。本願発明の構成要件を詳細に説明する前に、従来技術で開示されている非磁性中間層30の材料について簡単に言及しておく。   In the present invention, since a semiconductor material is used as the material of the nonmagnetic intermediate layer 30 as will be described later, high magneto-optical performance can be obtained while suppressing power consumption when compared with a conventional material system. The effect is manifested. Before describing the constituent features of the present invention in detail, the materials of the nonmagnetic intermediate layer 30 disclosed in the prior art will be briefly described.

本願発明との対比で、従来技術で開示されている非磁性中間層30の材料としてCuがある。このCuを用いた場合、非磁性中間層の中まで侵入した光は、Cuの減衰係数が大きいために多重反射を繰り返すうちに層中で減衰してしまう。そのため、素子への入射光(I0)に対して得られるトータルの反射光(I)から、反射率R=I/I0が得られるが、多重反射によりRが減少してしまうので、結果として、磁気光学効果を表す指標の一つである磁気光学性能指数(θk・√R)も減少してしまう。Cuに代えて、非磁性中間層にMgOやAl23等の絶縁材料を適用した場合、これらの材料は可視光の波長領域(380〜780nm)においては透明であり、減衰係数はほぼゼロであるため、多重反射を繰り返す際の層中での光強度減衰は抑制可能であり、磁気光学性能指数も低下しない。しかしながら、スピン注入には108A/cm2ないしそれに準ずるオーダーの電流密度が必要であり、これらの絶縁材料を構造中に用いる事で素子抵抗は増加し、結果として必要な電力が増大してしまう。 In contrast to the present invention, Cu is a material of the nonmagnetic intermediate layer 30 disclosed in the prior art. When Cu is used, the light that has entered the nonmagnetic intermediate layer is attenuated in the layer while repeating multiple reflections because the attenuation coefficient of Cu is large. Therefore, the reflectivity R = I / I 0 can be obtained from the total reflected light (I) obtained with respect to the incident light (I 0 ) to the element. As a result, the magneto-optical figure of merit (θ k · √R), which is one of the indexes representing the magneto-optical effect, also decreases. When an insulating material such as MgO or Al 2 O 3 is applied to the nonmagnetic intermediate layer instead of Cu, these materials are transparent in the visible light wavelength region (380 to 780 nm), and the attenuation coefficient is almost zero. Therefore, attenuation of light intensity in the layer when multiple reflection is repeated can be suppressed, and the magneto-optical figure of merit is not lowered. However, spin injection requires a current density on the order of 10 8 A / cm 2 or equivalent, and the use of these insulating materials in the structure increases the device resistance, resulting in an increase in required power. End up.

このような不都合を解消するために、本発明者らが鋭意研究を行ったところ、本発明では、非磁性中間層30の材料として半導体材料を用いることによって、従来の材料系と比較した場合に、消費電力を低く抑えつつ、高い磁気光学性能が得られるという効果が発現することが判明したのである。   In order to eliminate such inconveniences, the present inventors have conducted intensive research, and in the present invention, by using a semiconductor material as the material of the nonmagnetic intermediate layer 30, compared with a conventional material system. Thus, it has been found that the effect that high magneto-optical performance can be obtained while suppressing power consumption is low.

以下、本願発明の各構成要件について、詳細に説明する。   Hereinafter, each component of the present invention will be described in detail.

〔磁化方向固定層20の構成〕
磁化方向固定層20は、磁化方向が固定された層であり、一般的に、スピン分極率の高い材料を用いて構成することが好ましい。磁化方向は水平方向、垂直方向のいずれであってもよい。図示の例では磁化容易軸が垂直方向となる垂直磁化膜が例示として描かれており、磁化方向は垂直方向(図面の下向き方向)となっている。具体的な垂直膜の材料等については後述する実験例を参照されたい。
[Configuration of magnetization direction fixed layer 20]
The magnetization direction fixed layer 20 is a layer whose magnetization direction is fixed, and it is generally preferable to use a material having a high spin polarizability. The magnetization direction may be either the horizontal direction or the vertical direction. In the illustrated example, a perpendicular magnetization film having an easy axis of magnetization in the vertical direction is illustrated as an example, and the magnetization direction is a vertical direction (downward direction in the drawing). Refer to the experimental examples described later for specific vertical film materials.

一般的に、磁化方向固定層20の好適な具体的材料としては、Co、Fe、Niおよびそれらの合金、CoFeB、CoZrTa等のアモルファス磁性材料、TbFeCo、GdFeCo等の希土類アモルファス合金、CoMnSi、CoMnGe等のホイスラー合金、Co/Pt、Co/Ni等の人工格子等を例示することができる。   In general, suitable specific materials for the magnetization direction fixed layer 20 include Co, Fe, Ni and their alloys, amorphous magnetic materials such as CoFeB and CoZrTa, rare earth amorphous alloys such as TbFeCo and GdFeCo, CoMnSi, CoMnGe, and the like. Examples include Heusler alloys, Co / Pt, Co / Ni artificial lattices, and the like.

磁化方向固定層20は、上記の各材料からなる層を複数層積層して、組成の異なる層の積層構造にしてもよい。また、磁化方向固定層20の磁化を固定するために、例えば、反強磁性材料からなるスピン固着層を併設して形成するようにしてもよい。   The magnetization direction fixed layer 20 may be formed by laminating a plurality of layers made of each of the above materials to form a laminated structure of layers having different compositions. Further, in order to fix the magnetization of the magnetization direction fixed layer 20, for example, a spin pinned layer made of an antiferromagnetic material may be formed side by side.

磁化方向固定層20の厚さは、2〜50nm程度とされる。堆積方法としては、例えば、分子線エピタクシー法(MBE法)やスパッタ法等を用いることができる。   The thickness of the magnetization direction fixed layer 20 is about 2 to 50 nm. As a deposition method, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE method), a sputtering method, or the like can be used.

〔磁化方向可変層40の構成〕
磁化方向可変層40は、磁化方向が固定されておらず、スピン注入により容易に磁化が反転される磁性層である。
[Configuration of Magnetization Direction Variable Layer 40]
The magnetization direction variable layer 40 is a magnetic layer whose magnetization direction is not reversed and whose magnetization is easily reversed by spin injection.

磁化方向可変層40は、磁気光学的カー効果および/またはファラデー効果が生じ、変極率が比較的に高い強磁性体から構成されることが望ましい。   The magnetization direction variable layer 40 is preferably made of a ferromagnetic material that produces a magneto-optical Kerr effect and / or a Faraday effect and has a relatively high degree of polarization.

磁化方向は、前述した磁化方向固定層20に同調することを基本として、水平方向、垂直方向のいずれとなるようにしてもよい。図示の例では、磁化方向は垂直方向である。具体的な磁性膜の材料等については後述する実験例を参照されたい。   The magnetization direction may be either the horizontal direction or the vertical direction based on tuning to the magnetization direction fixed layer 20 described above. In the illustrated example, the magnetization direction is the vertical direction. Please refer to the experimental examples to be described later for specific magnetic film materials.

また、一般的に磁化方向可変層40を構成する材料としては、Co、Fe、Niおよびそれらの合金、CoFeB、CoZrTa等のアモルファス磁性材料、GdFeCo等の希土類アモルファス合金、CoMnSi、CoMnGe等のホイスラー合金、Co/Pt、Co/Ni等の人工格子等を例示することができる。   In general, the material constituting the magnetization direction variable layer 40 includes Co, Fe, Ni and alloys thereof, amorphous magnetic materials such as CoFeB and CoZrTa, rare earth amorphous alloys such as GdFeCo, and Heusler alloys such as CoMnSi and CoMnGe. Examples thereof include artificial lattices such as Co / Pt and Co / Ni.

磁化方向可変層40は、上記の材料からなる層を複数層積層して、組成の異なる層の積層構造にしてもよい。   The magnetization direction variable layer 40 may be formed by laminating a plurality of layers made of the above materials to have a laminated structure of layers having different compositions.

磁化方向可変層40の厚さは、2〜20nm程度とされる。堆積方法としては、例えば、分子線エピタクシー法(MBE法)やスパッタ法等を用いることができる。   The thickness of the magnetization direction variable layer 40 is about 2 to 20 nm. As a deposition method, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE method), a sputtering method, or the like can be used.

〔非磁性中間層30の構成〕
非磁性中間層30は、上記の磁化方向固定層20と上記の磁化方向可変層40とに挟まれて構成される。
[Configuration of Nonmagnetic Intermediate Layer 30]
The nonmagnetic intermediate layer 30 is configured to be sandwiched between the magnetization direction fixed layer 20 and the magnetization direction variable layer 40.

ここで、『挟まれる』とは、(1)非磁性中間層30の両平面が磁化方向固定層20と磁化方向可変層40とにそれぞれ直接に接している状態および、(2)非磁性中間層30の両平面が磁化方向固定層20と磁化方向可変層40と間に任意の層を介在させて間接的に接している状態の双方を含む。ただし、間接的に接している状態の場合には、任意の層を介在させても本願発明の作用効果を阻害せずに、本願発明の作用効果が発現している場合に限る。   Here, “sandwiched” means (1) a state in which both planes of the nonmagnetic intermediate layer 30 are in direct contact with the magnetization direction fixed layer 20 and the magnetization direction variable layer 40, respectively, and (2) a nonmagnetic intermediate layer. Both planes of the layer 30 include both the state in which the plane is indirectly in contact with the magnetization direction fixed layer 20 and the magnetization direction variable layer 40 with an arbitrary layer interposed. However, in the case of indirect contact, it is limited to the case where the operational effects of the present invention are manifested without interfering with the operational effects of the present invention even if any layer is interposed.

本発明における非磁性中間層30は、半導体材料から構成される。   The nonmagnetic intermediate layer 30 in the present invention is made of a semiconductor material.

具体的には、ZnO、TiO2、In23、SnO2、GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、InP、InAs、InSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、SiC、NiOを主成分とする半導体材料のグループから選定された少なくとも1種である。 Specifically, ZnO, TiO 2 , In 2 O 3 , SnO 2 , GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, SiC, and NiO are the main components. At least one selected from the group of semiconductor materials.

このような半導体は、MgOやAl23といった絶縁体に比べ導電性が高い。また透明導電膜として使用されていることからも解るように、可視光の透過性に優れている。そして、高いスピン伝導も示す。高いスピン伝導はスピン注入の効率化にもつながり、より低電流密度での磁化反転が可能となる。 Such a semiconductor has higher conductivity than an insulator such as MgO or Al 2 O 3 . Moreover, it is excellent in the transmittance | permeability of visible light so that it may understand also from being used as a transparent conductive film. It also shows high spin conduction. High spin conduction also leads to efficient spin injection, and magnetization reversal at a lower current density is possible.

このような非磁性中間層30の厚さは、0.5〜10nm程度とされる。堆積方法としては、例えば、分子線エピタクシー法(MBE法)やスパッタ法等を用いることができる。   Such a nonmagnetic intermediate layer 30 has a thickness of about 0.5 to 10 nm. As a deposition method, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE method), a sputtering method, or the like can be used.

また、上記の(2)の場合の態様として、介在される任意の層としては、スピン伝導を妨げないCu、Zn、Ag、Au等の非磁性層が用いられ得る。その場合、半導体材料からなる非磁性中間層30を中心とした、Cu/ZnO/Cu、Zn/ZnO/Zn、Zn/ZnO/Cu、等の3層積層体や、これらの3層積層体から上側あるいは下側の非磁性層を省いた2層積層体を例示することができる。   Moreover, as an aspect in said (2) case, nonmagnetic layers, such as Cu, Zn, Ag, Au, etc. which do not prevent spin conduction may be used as an arbitrary layer interposed. In that case, from a three-layer laminate of Cu / ZnO / Cu, Zn / ZnO / Zn, Zn / ZnO / Cu, etc., centering on the nonmagnetic intermediate layer 30 made of a semiconductor material, or from these three-layer laminates A two-layer laminate in which the upper or lower nonmagnetic layer is omitted can be exemplified.

介在されるCu、Zn、Ag、Au等の非磁性層の厚さは、0.1〜3nm程度とされる。   The thickness of the intervening nonmagnetic layer such as Cu, Zn, Ag, or Au is about 0.1 to 3 nm.

〔下部電極層11、上部電極層15〕
下部電極層11および上部電極層15は、積層体素子本体5の積層方向の両側に、電流印加のために形成される。また、下部電極層11および/または上部電極層15は、光の出入が可能なように透明電極材料から構成される。光の出入が一方の電極層からのみである場合には、当該電極層のみを透明電極材料から構成するようにすればよい。
[Lower electrode layer 11, upper electrode layer 15]
The lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 15 are formed on both sides in the stacking direction of the multilayer body 5 for current application. The lower electrode layer 11 and / or the upper electrode layer 15 are made of a transparent electrode material so that light can enter and exit. In the case where light enters and exits only from one electrode layer, only the electrode layer may be made of a transparent electrode material.

透明電極材料としては、具体的に、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide ;IZO)、酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide ;ITO)、酸化錫(SnO2)、アンチモンドープ酸化錫(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化インジウム(In23)、アルミドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ニオブドープ酸化亜鉛(NTO)等が挙げられる。 Specific examples of transparent electrode materials include indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony-doped tin oxide (ATO), and zinc oxide. (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (AZO), niobium-doped zinc oxide (NTO), and the like.

なお、下部電極層11と磁化方向固定層20の間には、Al、Ti、Cr、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Pb、Biおよびそれらの合金等の下地層を設けることができ、上部電極層15と磁化方向可変層40との間には、Al、Ti、Cr、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au、Pb、Biおよびそれらの合金等のキャップ層を設けることができる。   Between the lower electrode layer 11 and the magnetization direction fixed layer 20, Al, Ti, Cr, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Hf, Ta, W , Re, Ir, Pt, Au, Pb, Bi and alloys thereof can be provided. Between the upper electrode layer 15 and the magnetization direction variable layer 40, Al, Ti, Cr, Cu, Cap layers such as Zn, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, In, Sn, Hf, Ta, W, Re, Ir, Pt, Au, Pb, Bi, and alloys thereof can be provided. .

スピン注入型の空間光変調素子の作用の説明
図1において、磁化方向固定層20の磁化方向は、下向きに磁化固定されている(矢印20a)。磁化方向可変層40の磁化方向は、スピン注入の仕様によって、磁化方向固定層20の磁化方向と同じ方向に揃ったり、あるいは、反対の逆方向に向いたりする。
1. Description of Action of Spin-Injection Type Spatial Light Modulation Element In FIG. 1, the magnetization direction of the magnetization direction fixed layer 20 is magnetization fixed downward (arrow 20a). The magnetization direction of the magnetization direction variable layer 40 is aligned in the same direction as the magnetization direction of the magnetization direction fixed layer 20 or in the opposite opposite direction depending on the spin injection specifications.

すなわち、電流が上部電極層15から下部電極層11へと印加され、電子が磁化方向固定層20から磁化方向可変層40に向かい移動すると、磁化方向可変層40の磁化方向が磁化方向固定層20の磁化方向と揃い、下向きの磁化方向となる。   That is, when a current is applied from the upper electrode layer 15 to the lower electrode layer 11 and electrons move from the magnetization direction fixed layer 20 toward the magnetization direction variable layer 40, the magnetization direction of the magnetization direction variable layer 40 changes to the magnetization direction fixed layer 20. The magnetization direction is aligned downward with the downward magnetization direction.

これとは反対に、電流が下部電極層11から上部電極層15へと印加され、電子が磁化方向可変層40から磁化方向固定層20に向かい移動すると、磁化方向可変層40の磁化方向が磁化方向固定層20の磁化方向と反対向きとなり、上向きの磁化方向となる。   On the contrary, when a current is applied from the lower electrode layer 11 to the upper electrode layer 15 and electrons move from the magnetization direction variable layer 40 toward the magnetization direction fixed layer 20, the magnetization direction of the magnetization direction variable layer 40 changes to the magnetization direction. The direction of magnetization is opposite to the direction of magnetization of the direction fixed layer 20, and the direction of magnetization is upward.

磁化方向可変層40と磁化方向固定層20との両者の磁化方向が揃って同一方向の状態となる場合と、両者の磁化方向が反対方向となり逆方向の状態となる場合によって、それぞれ、反射光のトータルのカー回転角θkとおくと、磁性体の磁化方向によって、偏光角が+θkと、−θkとの二種類の偏光が得られ、光変調(旋光)を実現させることができる。つまり、磁化方向可変層40の磁化の方向をスピン注入によって、反転させると、その領域を通過または反射する光の偏光軸は、反転前の磁化方向可変層40の偏光軸と逆方向に観察される。 Depending on the case where the magnetization directions of both the magnetization direction variable layer 40 and the magnetization direction fixed layer 20 are aligned and in the same direction, and the case where the magnetization directions of both are opposite and in the opposite direction, reflected light respectively. If the total Kerr rotation angle is set to θ k , two types of polarized light having a polarization angle of + θ k and −θ k can be obtained depending on the magnetization direction of the magnetic material, and light modulation (optical rotation) can be realized. . That is, when the magnetization direction of the magnetization direction variable layer 40 is reversed by spin injection, the polarization axis of light passing through or reflecting the region is observed in the opposite direction to the polarization axis of the magnetization direction variable layer 40 before the reversal. The

このように本発明におけるスピン注入型の空間光変調素子は、磁化方向の反転による光の偏光方向の回転を利用するため、従来の各種素子(例えば、液晶分子の配向や、粒子の移動・回転、または画素ミラーの角度回転等の制御を行う素子)に比べて、動作速度が速く、10〜50nsec程度の動作速度が得られ得る。   As described above, the spin-injection type spatial light modulation element in the present invention uses rotation of the polarization direction of light by reversal of the magnetization direction, and thus various conventional elements (for example, alignment of liquid crystal molecules and movement / rotation of particles). Or an element that performs control such as angular rotation of the pixel mirror), the operation speed is high, and an operation speed of about 10 to 50 nsec can be obtained.

また、本発明におけるスピン注入型の空間光変調素子は、構造が簡単である。すなわち、液晶素子のごとく動作保持のためのアクティブ素子(TFT)を必要とせず、また、マイクロミラー等の機械的動作も伴わない。さらに、コントラストを確保するための素子の膜厚も液晶素子と比べて薄くてすむ。   In addition, the spin injection type spatial light modulator according to the present invention has a simple structure. That is, no active element (TFT) for maintaining operation like a liquid crystal element is required, and no mechanical operation such as a micromirror is involved. Furthermore, the film thickness of the element for ensuring contrast can be made thinner than that of the liquid crystal element.

本発明におけるスピン注入型の空間光変調素子は、図1に示される形態で、光変調器の1画素を形成し、現状の微細加工技術をもちいて製造すれば、少なくともサブミクロン以下のサイズでの高精細な加工ができる。   The spin-injection type spatial light modulator according to the present invention has a size of at least submicron or less if it is manufactured using the current microfabrication technology in the form shown in FIG. 1 and forming one pixel of the light modulator. High-definition processing is possible.

光変調器への展開についての説明
本発明におけるスピン注入型の空間光変調素子の1つが1画素を形成するように、当該素子をマトリックス状に配置することによって、光変調器を形成することができる。
As one of the spin of the spatial light modulator in the description the present invention for deployment to an optical modulator to form one pixel, by the elements arranged in a matrix form, to form an optical modulator it can.

光変調器は、マトリックス状に配置された複数の画素の各々に配設されるスピン注入型の空間光変調素子と、磁化方向の反転によるスピン注入型の空間光変調素子への入射光の偏光方向の変化を検出する偏光手段(例えば、偏光板)とを、含み、構成される。さらに、スピン注入型の空間光変調素子の各々には、任意の画素を選択するための画素選択用電極が接続されており、磁化方向の反転は、画素選択用電極を介して行われる。   The optical modulator includes a spin-injection spatial light modulator disposed in each of a plurality of pixels arranged in a matrix, and polarization of incident light to the spin-injection spatial light modulator by reversal of the magnetization direction. And a polarizing means (for example, a polarizing plate) for detecting a change in direction. Further, a pixel selection electrode for selecting an arbitrary pixel is connected to each of the spin injection type spatial light modulation elements, and the magnetization direction is inverted through the pixel selection electrode.

スピン注入型の空間光変調素子は、画素ごとに配設される柱状(ピラー状)のごとき素子であり(図1参照)、相互に隣接するスピン注入型の空間光変調素子同士は、電気的および磁気的に絶縁されている。   A spin injection type spatial light modulation element is an element such as a columnar (pillar) arranged for each pixel (see FIG. 1), and adjacent spin injection type spatial light modulation elements are electrically connected to each other. And magnetically insulated.

また、スピン注入型の空間光変調素子には、入射光として、RGBに対応する3色光が時分割で入射されるように構成してもよい。   Further, the spin injection spatial light modulator may be configured such that three-color light corresponding to RGB is incident in a time division manner as incident light.

また、スピン注入型の空間光変調素子と偏光手段との間には、時分割で入射光の偏光角度が可変となるようなシャッタをさらに設けるようにすることもできる。   Further, a shutter may be further provided between the spin injection spatial light modulator and the polarization means so that the polarization angle of incident light can be varied in a time-sharing manner.

以下に、本発明のスピン注入型の空間光変調素子に関する具体的実験例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, specific experimental examples relating to the spin injection type spatial light modulation element of the present invention will be shown, and the present invention will be described in more detail.

〔実験例I〕
厚さ500nmのNiFeからなる下部電極層11の上に、厚さ3.0nmのAlからなる下地層を形成し、この下地層の上に15.0nm厚さのTbFeCoと厚さ1.0nmのCoFeの積層体(TbFeCo 15.0nm/CoFe 1.0nm)からなる磁化方向固定層20を形成した。
[Experimental Example I]
A base layer made of Al having a thickness of 3.0 nm is formed on the lower electrode layer 11 made of NiFe having a thickness of 500 nm, and TbFeCo having a thickness of 15.0 nm and a thickness of 1.0 nm are formed on the base layer. A magnetization direction fixed layer 20 made of a CoFe laminate (TbFeCo 15.0 nm / CoFe 1.0 nm) was formed.

この磁化方向固定層20の上に下記表3に示されるような非磁性中間層30(厚さ1.0nm)を形成し、この非磁性中間層30の上に、磁化方向可変層40を形成した。   A nonmagnetic intermediate layer 30 (thickness 1.0 nm) as shown in Table 3 below is formed on the magnetization direction fixed layer 20, and a magnetization direction variable layer 40 is formed on the nonmagnetic intermediate layer 30. did.

磁化方向可変層40は、厚さ1.0nmのCoFeの上に、厚さ0.4nmのCoと厚さ1.0nmのPtの積層体を5回繰返し形成し、この上に0.4nmのCoを形成した多層膜(CoFe 1.0nm/(Co 0.4nm/Pt 1.0nm)x5/Co 0.4nm)とした。   The magnetization direction variable layer 40 is formed by repeatedly forming a laminate of 0.4 nm thick Co and 1.0 nm thick Pt on CoFe having a thickness of 1.0 nm five times. A multilayer film formed of Co (CoFe 1.0 nm / (Co 0.4 nm / Pt 1.0 nm) × 5 / Co 0.4 nm) was used.

この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.0nmのRuと、厚さ2.0nmのTaとの2層積層体からなるキャップ層を形成した(表1)。   On the magnetization direction variable layer 40, a cap layer made of a two-layered laminate of Ru having a thickness of 1.0 nm and Ta having a thickness of 2.0 nm was formed (Table 1).

Figure 2010271512
Figure 2010271512

このようにして形成した積層膜(表1)を、320×320nmの四角柱状に加工し、側面を厚さ20.0nmのアルミナからなる絶縁層で覆い、エッチングによりキャップ層を除去した後に、上部電極層(ITO;厚さ500nm)を上部に形成することによりサンプル1〜10を作製した。   The laminated film thus formed (Table 1) was processed into a 320 × 320 nm square pillar shape, the side surface was covered with an insulating layer made of alumina having a thickness of 20.0 nm, and the cap layer was removed by etching. Samples 1 to 10 were prepared by forming an electrode layer (ITO; thickness 500 nm) on the top.

ここで、具体的な実験を示す前に、各サンプルに用いた非磁性中間層30の材料の諸特性について、説明しておく。   Here, before showing a specific experiment, the characteristics of the material of the nonmagnetic intermediate layer 30 used for each sample will be described.

非磁性中間層30としては、下記表2示されるように各種の導体、絶縁体、および半導体を用い、これらの特性が表2に纏められている。   As the nonmagnetic intermediate layer 30, various conductors, insulators, and semiconductors are used as shown in Table 2 below, and these characteristics are summarized in Table 2.

Figure 2010271512
Figure 2010271512

導体と半導体の閾値は10-3 ohm cm、半導体と絶縁体の閾値が106 ohm cm程度と言われているが、確固たる基準は存在していない。実際に、一般的には半導体として扱われるITO(Sn doped In2O3)やZnOも、導体に分類される導電率を示している。これらの半導体の抵抗率は作製方法によっても変動することが知られており、現実的には一義的な導電率の値からの分類は不可能であるといえる。よって、本願発明においては、「半導体」か否かの疑義が生じやすいものは具体的に材料を列挙して「半導体」として明示している。 It is said that the threshold for conductors and semiconductors is about 10 −3 ohm cm, and the threshold for semiconductors and insulators is about 10 6 ohm cm, but there is no firm standard. In fact, generally ITO to be treated as a semiconductor (Sn doped In 2 O 3) and ZnO also shows the conductivity which is classified into conductor. It is known that the resistivity of these semiconductors varies depending on the manufacturing method, and in reality, it can be said that classification from a unique conductivity value is impossible. Therefore, in the present invention, materials that are likely to be doubted as “semiconductor” are specifically listed as materials and listed as “semiconductor”.

上記の要領で作製したサンプル1〜10に対して、下記の要領でスピン注入による磁化反転を行った。磁化反転電流の判別は以下の手法を用いて行った。素子に対してー100mAから+100mAの通電、さらには、+100mAからー100mAまでの通電をない、その抵抗の変化を観測し、範囲内で最も高い抵抗を“1”、低い抵抗を“0”として、磁気抵抗変化を規格化した値で表した。なお、磁化方向可変層40から磁化方向固定層20方向の通電を正の電流値として扱っている。   Magnetization reversal by spin injection was performed on Samples 1 to 10 prepared as described above in the following manner. The magnetization reversal current was determined using the following method. The device is not energized from -100 mA to +100 mA, and further from +100 mA to -100 mA, and the change in resistance is observed. The highest resistance in the range is “1”, and the lower resistance is “0”. The change in magnetoresistance was expressed as a normalized value. Note that energization in the direction from the magnetization direction variable layer 40 to the magnetization direction fixed layer 20 is treated as a positive current value.

この規格化した抵抗が0.5となる点を反転電流と定義し、それぞれのサンプルについて反転電流を求めた。   The point where the normalized resistance becomes 0.5 was defined as the reversal current, and the reversal current was obtained for each sample.

参考までに、サンプル7についての規格化磁気抵抗の電流依存性を図2に示した。   For reference, the current dependency of the normalized magnetoresistance for sample 7 is shown in FIG.

このサンプル7については、53mAが反転電流となる。なお、規格化抵抗が0となる抵抗を素子抵抗と定義した。   For sample 7, 53 mA is the reversal current. Note that a resistance at which the normalized resistance becomes 0 was defined as an element resistance.

以上のような手法を用いて表3に示されるごとく、(1)反転電流、および(2)素子抵抗を求めた。反転電流は一般的にMR変化率が発現し易い非磁性中間層30の材料を用いた場合に低い値を示した。これは、高いMR変化率を示すためにはスピンの散乱が小さい非磁性中間層が必要であり、スピン散乱が小さい系において効果的なスピン注入が行われる事によるものと推測される。   Using the above method, as shown in Table 3, (1) inversion current and (2) element resistance were obtained. The reversal current generally showed a low value when the material of the nonmagnetic intermediate layer 30 in which the MR change rate was easily developed was used. This is presumed to be due to the fact that a nonmagnetic intermediate layer with low spin scattering is required in order to exhibit a high MR ratio, and that effective spin injection is performed in a system with low spin scattering.

求めた(1)反転電流、および(2)素子抵抗に基づき、(3)反転電圧、および(4)消費電力を算出した。また、消費電力の非磁性中間層30の依存性を視認しやすいように、別途図3のグラフに示した。   Based on the obtained (1) inversion current and (2) element resistance, (3) inversion voltage and (4) power consumption were calculated. Further, the graph of FIG. 3 is separately shown so that the dependency of the power consumption on the nonmagnetic intermediate layer 30 can be easily seen.

消費電力は素子抵抗に大きく依存するため、素子抵抗の高い絶縁層(AlO、MgO)を非磁性中間層30に用いたサンプル5およびサンプル6については30mW以上の高い消費電力となっていることがわかる。   Since power consumption greatly depends on element resistance, Sample 5 and Sample 6 using an insulating layer (AlO, MgO) having high element resistance for the nonmagnetic intermediate layer 30 have a high power consumption of 30 mW or more. Recognize.

この一方で、素子抵抗の低い導体層と半導体層を非磁性中間層30に用いたサンプルは、30mW以下の消費電力となっていることがわかる。   On the other hand, it can be seen that the sample using the conductor layer having a low element resistance and the semiconductor layer as the nonmagnetic intermediate layer 30 has a power consumption of 30 mW or less.

最終的な製品の形態としては、この光変調素子をマトリックスとして敷き詰めた形状が想定される。そのような多素子からなるデバイスの構築を考慮した場合、消費電力の抑制は必須となる。このような消費電力の抑制という観点からは、導体・半導体を非磁性中間層30として用いることが好ましいことがわかる。   As a final product form, a shape in which the light modulation elements are spread as a matrix is assumed. In consideration of the construction of such a multi-element device, it is essential to suppress power consumption. It can be seen that it is preferable to use a conductor / semiconductor as the nonmagnetic intermediate layer 30 from the viewpoint of suppressing the power consumption.

さらに、波長633nmのレーザーを用いサンプル上面の法線方向から30度傾いた方向より入射を行い、それぞれの素子における反射率Rとカー回転角θkを求め、磁気光学性能指数を算出した。   Further, a laser having a wavelength of 633 nm was used to make incidence from a direction inclined by 30 degrees from the normal direction of the upper surface of the sample, the reflectance R and Kerr rotation angle θk in each element were obtained, and the magneto-optical performance index was calculated.

これらのサンプルの諸光学特性を表3に示した。   Table 3 shows various optical properties of these samples.

Figure 2010271512
Figure 2010271512

表3に示されるように、導体を非磁性中間層30に用いたサンプルは、全体的に反射率Rは高い。しかしながら、カー回転角θkが小さい傾向を示した。その結果、磁気光学性能指数(θk・√R=θk・R1/2)は導体で低く、半導体・絶縁体で高い結果となった。この結果を視認しやすいように図4のグラフに示した。図4に示される結果は、可視光に対して透明である材料の使用により、多重反射効果によるカー効果のエンハンスが得られたためであると思われる。 As shown in Table 3, the sample using the conductor for the nonmagnetic intermediate layer 30 has a high reflectivity R as a whole. However, the Kerr rotation angle θk tended to be small. As a result, the magneto-optical figure of merit (θk · √R = θk · R 1/2 ) was low for conductors and high for semiconductors / insulators. This result is shown in the graph of FIG. 4 so that it can be easily seen. The result shown in FIG. 4 seems to be due to the enhancement of the Kerr effect due to the multiple reflection effect by using a material that is transparent to visible light.

〔実験例II〕
厚さ500nmのNiFeからなる下部電極層11の上に、厚さ3.0nmのAlからなる下地層を形成し、この下地層の上に15.0nm厚さのTbFeCoと厚さ1.0nmのCoFeの積層体(TbFeCo 15.0nm/CoFe 1.0nm)からなる磁化方向固定層20を形成し、この磁化方向固定層20の上に非磁性中間層30を形成した。
[Experimental Example II]
A base layer made of Al having a thickness of 3.0 nm is formed on the lower electrode layer 11 made of NiFe having a thickness of 500 nm, and TbFeCo having a thickness of 15.0 nm and a thickness of 1.0 nm are formed on the base layer. A magnetization direction fixed layer 20 made of a CoFe laminate (TbFeCo 15.0 nm / CoFe 1.0 nm) was formed, and a nonmagnetic intermediate layer 30 was formed on the magnetization direction fixed layer 20.

非磁性中間層30は、厚さ0.5nmのCuと、厚さ1.0nmのZnOと、厚さ0.5nmのCuとの3層積層体(Cu 0.5nm/ZnO 1.0nm/ Cu 0.5nm)からなる非磁性中間層30とした。この非磁性中間層30の上に、磁化方向可変層40を形成した。   The nonmagnetic intermediate layer 30 is formed of a three-layer laminate (Cu 0.5 nm / ZnO 1.0 nm / Cu 0.5 nm) of Cu having a thickness of 0.5 nm, ZnO having a thickness of 1.0 nm, and Cu having a thickness of 0.5 nm. ). On the nonmagnetic intermediate layer 30, the magnetization direction variable layer 40 was formed.

磁化方向可変層40は、厚さ1.0nmのCoFeの上に、厚さ0.4nmのCoと厚さ1.0nmのPtの積層体を5回繰返し形成し、この上に0.4nmのCoを形成した多層膜(CoFe 1.0nm/(Co 0.4nm/Pt 1.0nm)x5/Co 0.4nm)とした。   The magnetization direction variable layer 40 is formed by repeatedly forming a laminate of 0.4 nm thick Co and 1.0 nm thick Pt on CoFe having a thickness of 1.0 nm five times. A multilayer film formed of Co (CoFe 1.0 nm / (Co 0.4 nm / Pt 1.0 nm) × 5 / Co 0.4 nm) was used.

この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.0nmのRuと、厚さ2.0nmのTaとの2層積層体からなるキャップ層を形成した。   On the magnetization direction variable layer 40, a cap layer made of a two-layered laminate of Ru having a thickness of 1.0 nm and Ta having a thickness of 2.0 nm was formed.

このようにして形成した積層膜を、320×320nmの四角柱状に加工し、側面を厚さ20.0nmのアルミナからなる絶縁層で覆い、エッチングによりキャップ層を除去した後に、上部電極層(ITO;厚さ500nm)を上部に形成することによりサンプル11を作製した。   The laminated film thus formed is processed into a 320 × 320 nm square pillar shape, the side surface is covered with an insulating layer made of alumina having a thickness of 20.0 nm, the cap layer is removed by etching, and then the upper electrode layer (ITO Sample 500 was produced by forming a thickness of 500 nm) on top.

このサンプル11についても、上記のサンプルと同様の要領で電気特性および光学特性を測定した。このサンプル11と上記のサンプル7とを下記表4に併記した。   For this sample 11 as well, the electrical characteristics and optical characteristics were measured in the same manner as in the above sample. The sample 11 and the sample 7 are shown in Table 4 below.

Figure 2010271512
Figure 2010271512

表4に示される結果より、半導体層と磁性層との界面に非磁性層を挿入した場合であっても、スピン伝導に優れた材料であれば、磁気光学性能指数の低下はほとんど見られないことが分る。   From the results shown in Table 4, even when a non-magnetic layer is inserted at the interface between the semiconductor layer and the magnetic layer, the material is excellent in spin conduction, and there is almost no decrease in the magneto-optical performance index. I understand that.

結論として、半導体を非磁性中間層に用いた光変調素子は、低い消費電力と高い磁気光学性能指数を有し、スピン注入型光変調素子として優れた性能を示す事が明らかとなった。   In conclusion, it has been clarified that an optical modulator using a semiconductor as a nonmagnetic intermediate layer has low power consumption and a high magneto-optical performance index, and exhibits excellent performance as a spin injection optical modulator.

本発明は、スピン注入により磁化方向を変化させて利用する空間光変調素子の技術分野、例えば、立体映像分野等に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the technical field of spatial light modulation elements that are used by changing the magnetization direction by spin injection, for example, the stereoscopic image field.

5…積層体素子本体
11…下部電極層
15…上部電極層
20…磁化方向固定層
30…非磁性中間層
40…磁化方向可変層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Laminate body 11 ... Lower electrode layer 15 ... Upper electrode layer 20 ... Magnetization direction fixed layer 30 ... Nonmagnetic intermediate layer 40 ... Magnetization direction variable layer

Claims (8)

スピン注入により磁化方向が反転されるスピン注入型の空間光変調素子(SLM: Spatial Light Modulator)であって、
該素子は、
スピン注入により磁化方向が反転される磁化方向可変層と、磁化方向が固定された磁化方向固定層と、これらの磁化方向可変層と磁化方向固定層に挟まれた非磁性中間層と、を有する積層体素子本体からなり、
前記非磁性中間層は、半導体材料から構成されることを特徴とする、スピン注入型の空間光変調素子。
A spin injection spatial light modulator (SLM) in which the magnetization direction is reversed by spin injection,
The element is
A magnetization direction variable layer whose magnetization direction is reversed by spin injection, a magnetization direction fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a nonmagnetic intermediate layer sandwiched between the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer It consists of a multilayer element body,
The non-magnetic intermediate layer is made of a semiconductor material, and is a spin injection type spatial light modulation element.
前記積層体素子本体の積層方向の両側には、電流印加のための一対の電極層が配置され、少なくとも、光の出入が行われる電極層は透明電極材料から構成される請求項1に記載のスピン注入型の空間光変調素子。   The pair of electrode layers for applying a current are disposed on both sides of the stack element body in the stacking direction, and at least the electrode layers where light enters and exits are made of a transparent electrode material. Spin injection spatial light modulator. 前記透明電極材料は、インジウム亜鉛酸化物(Indium Zinc Oxide ;IZO)、酸化インジウム錫(Indium Tin Oxide ;ITO)、酸化錫(SnO2)、アンチモンドープ酸化錫(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化インジウム(In23)、アルミドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ニオブドープ酸化亜鉛(NTO)である請求項2に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The transparent electrode material includes indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), tin oxide (SnO 2 ), antimony-doped tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), The spin injection type according to claim 2, which is fluorine-doped tin oxide (FTO), indium oxide (In 2 O 3 ), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (AZO), or niobium-doped zinc oxide (NTO). Spatial light modulator. 前記非磁性中間層は、ZnO、TiO2、In23、SnO2、GaN、GaP、GaAs、GaSb、AlN、AlP、InP、InAs、InSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、SiC、NiOを主成分とする半導体材料のグループから選定された少なくとも1種である請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The non-magnetic intermediate layer, the main component ZnO, TiO 2, In 2 O 3, SnO 2, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, InP, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, SiC, a NiO 4. The spin injection type spatial light modulator according to claim 1, wherein the spatial light modulation element is at least one selected from the group of semiconductor materials. 前記磁化方向可変層と非磁性中間層との間、および/または前記磁化方向可変層と非磁性中間層との間には、スピン伝導を妨げない非磁性層が挿入される請求項1ないし請求項4のいずれかに記載のスピン注入型の空間光変調素子。   The nonmagnetic layer that does not prevent spin conduction is inserted between the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer and / or between the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer. Item 5. The spin injection type spatial light modulator according to any one of Items 4 to 5. 前記非磁性層は、Cu、Zn、Ag、Auである請求項5に記載のスピン注入型の空間光変調素子。   The spin injection spatial light modulator according to claim 5, wherein the nonmagnetic layer is made of Cu, Zn, Ag, or Au. 前記非磁性中間層と前記非磁性層との組合せは、半導体材料からなる非磁性中間層を中心とした、Cu/ZnO/Cu、Zn/ZnO/Zn、Zn/ZnO/Cuの3層積層体や、これらの3層積層体から上側あるいは下側の非磁性層を省いた2層積層体である請求項6に記載のスピン注入型の空間光変調素子。   The combination of the nonmagnetic intermediate layer and the nonmagnetic layer is a three-layer laminate of Cu / ZnO / Cu, Zn / ZnO / Zn, and Zn / ZnO / Cu with a nonmagnetic intermediate layer made of a semiconductor material as the center. The spin injection spatial light modulator according to claim 6, which is a two-layer laminate obtained by omitting the upper or lower nonmagnetic layer from the three-layer laminate. 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載されたスピン注入型の空間光変調素子をマトリックス状に配置してなる光変調器。   An optical modulator comprising the spin-injection spatial light modulators according to claim 1 arranged in a matrix.
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