JP2011002604A - Spin injection type spatial light modulator - Google Patents
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Abstract
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 is widely used 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 the liquid crystal molecules is bowed, but the response speed is still only a few msec.
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, and an SLM using liquid crystal requires an element area of about 5 μm × 5 μm, and has a high definition arrangement. 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.
しかしながら、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がある。そのため、従来技術の欠点を改善し、より大きい旋光角度が得られる新規な構造の素子の提案が強く望まれている。 However, the above prior art examples as the prior art have a drawback that the optical rotation angle is small in principle. Therefore, it is strongly desired to propose a device having a novel structure that can improve the drawbacks of the prior art and obtain a larger optical rotation angle.
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、より大きい旋光角度が得られるべく、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 of the present invention is to provide a spin-injection type light modulation device having high magneto-optical performance so that a larger optical rotation angle can be obtained. is there.
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、前記磁化方向可変層は、透明性を有する磁性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 magnetization direction variable layer is made of a magnetic semiconductor material having transparency.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記積層体素子本体は、磁化方向可変層と、非磁性中間層と、磁化方向固定層とが順次積層されることにより形成されており、前記磁化方向可変層および磁化方向固定層は、透明性を有する磁性半導体材料から構成される。 Further, as a more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation element of the present invention, the multilayer element body includes a magnetization direction variable layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a magnetization direction fixed layer sequentially stacked. The magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of a magnetic semiconductor material having transparency.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記非磁性中間層は、透明性を有する半導体材料から構成される。 As a more preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the nonmagnetic intermediate layer is made of a semiconductor material having transparency.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層および前記非磁性中間層は、各々構成される主成分が同一であるように構成される。 Further, as a more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation element of the present invention, the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer are configured such that their main components are the same.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層および前記非磁性中間層は、各々構成される同一の主成分がTiO2、またはZnOであるように構成される。 Further, as a more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation element of the present invention, the magnetization direction variable layer and the nonmagnetic intermediate layer are configured such that the same main component is TiO 2 or ZnO. Composed.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層はCo添加のTiO2から構成され、前記非磁性中間層は、Nb添加のTiO2から構成される。 As a more preferable aspect of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the magnetization direction variable layer is made of Co-added TiO 2, and the nonmagnetic intermediate layer is made of Nb-added TiO 2. .
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層はMn添加のZnOから構成され、前記非磁性中間層は、ZnOから構成される。 As a more preferred aspect of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the magnetization direction variable layer is made of Mn-added ZnO, and the nonmagnetic intermediate layer is made of ZnO.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層、前記磁化方向固定層および前記非磁性中間層は、各々構成される同一の主成分がTiO2、またはZnOであるように構成される。 Further, as a more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation element of the present invention, the magnetization direction variable layer, the magnetization direction fixed layer, and the nonmagnetic intermediate layer are each composed of the same main component of TiO 2 , Or it is comprised so that it may be ZnO.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層および前記磁化方向固定層は、Co添加のTiO2から構成され、前記非磁性中間層は、Nb添加のTiO2から構成される。 As a more preferred aspect of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of Co-added TiO 2, and the nonmagnetic intermediate layer is Nb-added TiO 2 .
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層および前記磁化方向固定層は、Mn添加のZnOから構成され、前記非磁性中間層は、ZnOから構成される。 As a more preferred embodiment of the spin injection spatial light modulator of the present invention, the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of Mn-added ZnO, and the nonmagnetic intermediate layer is made of ZnO. Is done.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層の下には、格子整合層が形成されており、前記磁化方向可変層が格子整合層に対してエピタキシャル成長してなるように構成される。 As a more preferred aspect of the spin injection spatial light modulator of the present invention, a lattice matching layer is formed under the magnetization direction variable layer, and the magnetization direction variable layer is located with respect to the lattice matching layer. It is configured to be epitaxially grown.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより好ましい態様として、前記磁化方向可変層の下には、格子整合層が形成されており、前記磁化方向可変層、前記非磁性中間層、および前記磁化方向固定層がエピタキシャル成長してなるように構成される。 As a more preferred aspect of the spin injection spatial light modulator of the present invention, a lattice matching layer is formed under the magnetization direction variable layer, and the magnetization direction variable layer, the nonmagnetic intermediate layer, The magnetization direction fixed layer is formed by epitaxial growth.
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより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 more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation element of the present invention, a pair of electrode layers for current application are disposed on both sides of the laminate element body in the lamination direction, and at least light input / output is performed. The electrode layer on which is performed is made 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より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)、酸化アンチモンー酸化錫(ATO)、酸化亜鉛(ZnO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、酸化インジウム(In2O3)であるように構成される。 As a more 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 oxide-tin oxide (ATO), zinc oxide (ZnO), fluorine-doped tin oxide (FTO), and indium oxide (In 2 O 3 ).
また、本発明のスピン注入型の空間光変調素子のより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 more preferable aspect of the spin injection type spatial light modulation device 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. Is configured such that a nonmagnetic layer that does not interfere with spin conduction is inserted.
本発明の光変調器は、前記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の配置して構成される。 The light modulator of the present invention is configured by arranging the above-described spin injection type spatial light modulation elements 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、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、前記磁化方向可変層は、透明性を有する磁性半導体材料から構成されるので、より大きい旋光角度が得られるべく、極めて高い磁気光学性能を有するという効果が発現する。 The present invention relates to a spin injection spatial light modulator (SLM) in which the magnetization direction is reversed by spin injection, and the element includes 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 multilayer element body having a magnetization direction variable layer and a nonmagnetic intermediate layer sandwiched between the magnetization direction fixed layers, the magnetization direction variable layer, Since it is made of a magnetic semiconductor material having transparency, an effect of having extremely high magneto-optical performance is exhibited so that a larger optical rotation angle can be obtained.
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は、本願発明のスピン注入型の空間光変調素子の好適な実施形態の概略断面図であって、特に、当該図面はカー効果およびファラデー効果を用いた空間光変調素子の単純化された概念図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of a spin injection type spatial light modulator of the present invention. In particular, the drawing is a simplified spatial light modulator using a Kerr effect and a Faraday effect. It is a conceptual diagram.
図1に示されるように、本願発明のスピン注入型の空間光変調素子は、下側から下部電極層11、格子整合層8(場合によっては下地層)、磁化方向可変層40、非磁性中間層30、磁化方向固定層20、反強磁性層10、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 modulator of the present invention includes a
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を備え、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
また、図1に示される素子は、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上部に配置されており、本願ではこのような素子形態を、「トップ型」の空間光変調素子と呼ぶ。なお、これとは反対に、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも下部(いわゆる基板側)に配置された場合の素子形態を、「ボトム型」と呼ぶ。
In the element shown in FIG. 1, the magnetization direction
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。また、多重反射の効果を得ながら反射光の強度が減衰しない系の構築が望まれる。そのためには、磁化方向固定層20および磁化方向可変層40の磁性層に、(1)磁性層そのものが、可視光に対して透明であること、(2)スピン注入磁化反転を行うために導電性に優れていること、(3)スピン注入磁化反転を行うための磁化を持つこと、および、(4)高い磁気光学効果を有すること、を満たすような材料の選定が必要となる。
As a technique for increasing the total Kerr rotation angle θ k of the reflected light, for example, multiple reflection at the magnetic substance interface can be used. In addition, it is desired to construct a system in which the intensity of reflected light is not attenuated while obtaining the effect of multiple reflection. For this purpose, the magnetic layers of the magnetization direction fixed
このような各要件を全て満たす材料が、例えば、Co添加TiO2、Fe添加TiO2、Mn添加ZnO等の常温で磁性を示す透明磁性半導体である。これらについては、後に詳述する。 A material that satisfies all these requirements is a transparent magnetic semiconductor that exhibits magnetism at room temperature, such as Co-added TiO 2 , Fe-added TiO 2 , and Mn-added ZnO. These will be described in detail later.
しかしながら、磁化や導電性に対する要求を満たす透明磁性半導体は形成が困難であり、いわゆる下地との整合性が重要となることが多い。よって、磁化方向の固定のための反強磁性層等の形成を考慮に入れなくても良い磁化方向可変層40を基板の上に先に形成する構造(いわゆる「トップ型」)とし、磁化方向可変層40の下地として、格子整合層を形成するように構成することが好ましい態様となる。
However, it is difficult to form a transparent magnetic semiconductor that satisfies requirements for magnetization and conductivity, and so-called consistency with the base is often important. Therefore, a structure (so-called “top type”) in which the magnetization direction
これにより、格子整合層の上に形成される磁化方向可変層40はエピタキシャル成長することができ得る。また、このような磁化方向可変層40の上に形成される非磁性中間層30、および非磁性中間層30の上に形成される磁化方向固定層20の材料構成を考慮することにより、これらを連続的に、エピタキシャル成長させ得ることができる。これらについては、後に詳述する。
Thereby, the magnetization direction
なお、ファラデー効果による旋光角はその効果を持つ層の厚さに比例するが、一般的には厚すぎる磁性層のスピン注入による反転は困難となる傾向がある。つまりファラデー効果と磁化反転のし易さとは、トレードオフの関係にある。しかしながら、全透過型のSlMが構築できれば、縦方向に素子を積層する事で磁化反転の容易さを損なわないファラデー効果のエンハンスが期待できる。 The optical rotation angle due to the Faraday effect is proportional to the thickness of the layer having the effect, but in general, inversion by spin injection of a magnetic layer that is too thick tends to be difficult. That is, the Faraday effect and the ease of magnetization reversal are in a trade-off relationship. However, if an all-transmissive SLM can be constructed, enhancement of the Faraday effect can be expected by laminating elements in the vertical direction without impairing the ease of magnetization reversal.
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
本発明における磁化方向可変層40は、透明性を有する磁性半導体材料(以下、「透明磁性半導体材料」と称す場合も有る)から構成される。
The magnetization direction
ここで、『透明性を有する』とは、「光波長帯域400〜700nmにおいて、ガラスの光透過率を100%とした時に、対象となる膜の平均光透過率が80%を超えること」、として定義される。 Here, “having transparency” means “in the light wavelength band of 400 to 700 nm, when the light transmittance of glass is 100%, the average light transmittance of the target film exceeds 80%”, Is defined as
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磁性半導体材料から構成されることが望ましい。
The magnetization direction
磁化方向は、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、磁化方向は水平方向である。 The magnetization direction may be either the horizontal direction or the vertical direction. In the illustrated example, the magnetization direction is the horizontal direction.
磁化方向可変層40を構成する透明性を有する磁性半導体材料としては、Co添加TiO2、Fe添加TiO2、Mn添加ZnO等の、常温で磁性を示す透明磁性半導体が挙げられる。
Examples of the transparent magnetic semiconductor material constituting the magnetization direction
Co添加TiO2(以下、単に「Co−TiO2」と称することもある)の場合、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを1〜12atomic%(原子%)含有させることによって構成される。 In the case of Co-added TiO 2 (hereinafter sometimes simply referred to as “Co-TiO 2 ”), by adding Co to 1 to 12 atomic% (atomic%) in TiO 2 in order to impart magnetism and conductivity. Composed.
また、Fe添加TiO2(以下、単に「Fe−TiO2」と称することもある)の場合、磁性と導電性を付与するために、TiO2にFeを1〜10atomic%(原子%)含有させることによって構成される。 In the case of Fe-added TiO 2 (hereinafter sometimes simply referred to as “Fe—TiO 2 ”), 1 to 10 atomic% (atomic%) of Fe is contained in TiO 2 in order to impart magnetism and conductivity. Consists of.
また、Mn添加ZnO(以下、単に「Mn−ZnO」と称することもある)の場合、磁性と導電性を付与するために、ZnOにMnを1〜12atomic%(原子%)含有させることによって構成される。 Further, in the case of Mn-added ZnO (hereinafter sometimes simply referred to as “Mn-ZnO”), it is constituted by containing 1 to 12 atomic% (atomic%) of Mn in ZnO in order to impart magnetism and conductivity. Is done.
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
なお、本発明における好適な態様として、磁化方向可変層40を基板側(下側)に設けるいわゆる「トップ型」素子形態においては、磁化方向可変層40の材料選定によって、その層40の下地層として所望の格子整合層を設けることが光学特性の向上の観点から極めて好ましいことがある。さらには、磁化方向可変層40の材料選定によっては、その上に形成される非磁性中間層30、磁化方向固定層20の材料選定が重要になる場合もある。これらのお互いの各層の関係については、後に、纏めて詳述することにする。
In a preferred embodiment of the present invention, in the so-called “top type” element configuration in which the magnetization direction
〔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、磁化方向は水平方向となっている。なお、図1に示されるように、磁化方向固定層20の磁化方向が水平方向の場合には、磁化方向可変層40の磁化方向も水平方向とされる。これとは逆に、磁化方向固定層20の磁化方向が垂直方向の場合には、磁化方向可変層40の磁化方向も垂直方向とされる。
[Configuration of magnetization direction fixed layer 20]
The magnetization direction fixed
磁化方向固定層20は、好適には、透明性を有する磁性半導体材料から構成されることが望ましい。こうすることによって、多重反射の効果を得ながら反射光の強度が減衰しない理想的とも言える系を構築することができる。
The magnetization direction fixed
好適な態様として磁化方向固定層20を構成する透明性を有する磁性半導体材料としては、上記の磁化方向可変層40と同様な材料を用いることができる。磁性層の厚さも同様程度にすればよい。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。
As a preferred embodiment, the transparent magnetic semiconductor material constituting the magnetization direction fixed
磁化方向固定層20は、好適には、前述したような透明磁性半導体材料を用いることが望ましい。それ以外のその他の材料として、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等の人工格子等を用いることもできる。ただし、その他の材料の場合には、透明磁性半導体材料を用いる場合と比べて光学特性が若干低下する傾向が生じる。
The magnetization direction fixed
一般に、図1に示されるように磁化方向固定層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10が接合した状態で形成される。
In general, as shown in FIG. 1, in order to fix the magnetization of the magnetization direction fixed
スピン固着層10を構成する反強磁性材料としては、例えば、Pt,Ru,Rh,Pd,Ni,Cu,Ir,CrおよびFeのグループの中から選ばれた少なくとも1種からなる元素M´と、Mnとを含む反強磁性材料が例示できる。Mnの含有量は35〜95原子%とすることが好ましい。反強磁性材料の中には、(1)熱処理しなくても反強磁性を示して強磁性材料との間で交換結合磁界を誘起する非熱処理系反強磁性材料と、(2)熱処理により反強磁性を示すようになる熱処理系反強磁性材料とがある。本発明においては(1)、(2)のいずれのタイプを用いても良い。非熱処理系反強磁性材料としては、RuRhMn,FeMn、IrMn等が例示できる。熱処理系反強磁性材料としては、PtMn,NiMn,PtRhMn等が例示できる。
Examples of the antiferromagnetic material constituting the spin fixed
スピン固着層10の厚さは、3〜10nm程度とされる。
The thickness of the spin fixed
〔非磁性中間層30の構成〕
図1に示されるごとく非磁性中間層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]
As shown in FIG. 1, the nonmagnetic
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。介在される任意の層としては、スピン伝導を妨げない非磁性層(例えば、Cu,Zn,Au,Ag)が用いられ得る。
Here, “sandwiched” means (1) a state in which both planes of the nonmagnetic
本発明における非磁性中間層30としては、Cu、Zn、Ag、Au等の非磁性材料や、ZnO、TiO2、In2O3、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を用いることができる。中でも、特に、透明性を有する材料から構成されることが望ましい。
The nonmagnetic
特に、非磁性中間層30の材料選定にあたっては、磁化方向可変層40と磁化方向固定層20に選定された具体的な透明磁性半導体の材料を考慮に入れつつ、下記の要領に従って選定することが望ましい。すなわち、
(1)磁化方向可変層40および非磁性中間層30は、各々構成される主成分が同一であり、そして、両者は添加物などにより区別されるように構成されることが望ましい。
In particular, the material for the nonmagnetic
(1) It is desirable that the magnetization direction
以下、好適例を挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
(1−i) 磁化方向可変層40をCo添加TiO2(Co−TiO2)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をNb添加TiO2(Nb−TiO2)とする。Nb−TiO2は透明性を有する半導体である。
(1-i) The magnetization direction
主成分はTiO2であり双方の層で同一である。この場合、磁化方向可変層40におけるCo添加量(含有量)は上述したとおりであり、非磁性中間層30におけるNb添加量(含有量)は、1〜10atomic%(原子%)とされる。
The main component is TiO 2 and is the same in both layers. In this case, the Co addition amount (content) in the magnetization direction
Co添加量とNb添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるTiO2の格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The Co addition amount and the Nb addition amount are determined from the viewpoints of magnetism, conductivity, and visible light transmittance. However, since the lattice constant of TiO 2 serving as a base does not change greatly, the magnetization direction variable layer 40-nonmagnetic The
(1−ii) 磁化方向可変層40をMn添加ZnO(Mn−ZnO)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をZnOとする。ZnOは透明性を有する半導体である。
(1-ii) The magnetization direction
主成分はZnOであり双方の層で同一である。この場合、磁化方向可変層40におけるMn添加量(含有量)は上述したとおりである。
The main component is ZnO and is the same in both layers. In this case, the Mn addition amount (content) in the magnetization direction
Mn添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるZnOの格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The amount of Mn added is determined from the viewpoints of magnetism, conductivity, and visible light transmission, but since the lattice constant of ZnO serving as a base does not change greatly, the magnetization direction variable layer 40-the nonmagnetic
(1−iii) 磁化方向可変層40をFe添加TiO2(Fe−TiO2)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をNb添加TiO2(Nb−TiO2)とする。Nb−TiO2は透明性を有する半導体である。
(1-iii) The magnetization direction
主成分はTiO2であり双方の層で同一である。この場合、磁化方向可変層40におけるFe添加量(含有量)は上述したとおりである。
The main component is TiO 2 and is the same in both layers. In this case, the addition amount (content) of Fe in the magnetization direction
Fe添加量とNb添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるTiO2の格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The addition amount of Fe and the addition amount of Nb are determined from the viewpoints of magnetism, electrical conductivity, and visible light transmittance. However, since the lattice constant of TiO 2 serving as a base does not change greatly, the magnetization direction
(2)磁化方向可変層40、非磁性中間層30、および磁化方向固定層20は、各々構成される主成分が同一であるように構成され、そして、磁性層20,40と、中間層30とは、添加物などにより区別されるように構成されることが望ましい。
(2) The magnetization direction
以下、好適例を挙げて具体的に説明する。 Hereinafter, specific examples will be described.
(2−i) 磁化方向可変層40および磁化方向固定層20をCo添加TiO2(Co−TiO2)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をNb添加TiO2(Nb−TiO2)とする。Nb−TiO2は透明性を有する半導体である。
(2-i) The magnetization direction
主成分はTiO2であり同一である。この場合、磁化方向可変層40および磁化方向固定層20におけるCo添加量(含有量)は上述したとおりである。
The main component is TiO 2 and is the same. In this case, the Co addition amount (content) in the magnetization direction
Co添加量とNb添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるTiO2の格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30−磁化方向固定層20は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The Co addition amount and the Nb addition amount are determined from the viewpoints of magnetism, conductivity, and visible light transmittance. However, since the lattice constant of TiO 2 serving as a base does not change greatly, the magnetization direction variable layer 40-nonmagnetic The
(2−ii) 磁化方向可変層40および磁化方向固定層20をMn添加ZnO(Mn−ZnO)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をZnOとする。ZnOは透明性を有する半導体である。
(2-ii) The magnetization direction
主成分はZnOであり同一である。この場合、磁化方向可変層40および磁化方向固定層20におけるMn添加量(含有量)は上述したとおりである。Mn添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるZnOの格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30−磁化方向固定層20は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The main component is ZnO and is the same. In this case, the amount of Mn added (content) in the magnetization direction
(2−iii) 磁化方向可変層40および磁化方向固定層20をFe添加TiO2(Fe−TiO2)の透明磁性半導体とし、非磁性中間層30をNb添加TiO2(Nb−TiO2)とする。Nb−TiO2は透明性を有する半導体である。
(2-iii) The magnetization direction
主成分はTiO2であり同一である。この場合、磁化方向可変層40および磁化方向固定層20におけるFe添加量(含有量)は上述したとおりである。
The main component is TiO 2 and is the same. In this case, the Fe addition amount (content) in the magnetization direction
Fe添加量とNb添加量は、磁性と導電性、ならびに可視光透過性の観点から決定されるが、ベースとなるTiO2の格子定数が大きくは変化しないため、磁化方向可変層40−非磁性中間層30−磁化方向固定層20は、エピタキシャル成長による積層形成が可能となる。
The addition amount of Fe and the addition amount of Nb are determined from the viewpoints of magnetism, electrical conductivity, and visible light transmittance. However, since the lattice constant of TiO 2 serving as a base does not change greatly, the magnetization direction
なお、磁化方向可変層40をCo−TiO2、Fe−TiO2等から構成する場合には、これらの磁化方向可変層40が下地に対してエピタキシャル成長できるように、磁化方向可変層40の下地として下記の格子整合層8が形成されることが好ましい。
When the magnetization direction
〔格子整合層8の説明〕
格子整合層8は、例えば、厚さ3nm程度のTaからなる非晶質層の上に、窒素を添加したNiFe層(NiFe−N)を形成した2層積層体(Ta/NiFe−N)が好適例として挙げられる。N添加量は、0.5〜25atomic%(原子%)とされる。
[Description of Lattice Matching Layer 8]
The lattice matching layer 8 is, for example, a two-layer stack (Ta / NiFe-N) in which a NiFe layer (NiFe-N) added with nitrogen is formed on an amorphous layer made of Ta having a thickness of about 3 nm. It is mentioned as a suitable example. The amount of N added is 0.5 to 25 atomic% (atomic%).
Ta層は非晶質であり、一度、結晶性をキャンセルするために形成される。なお、一度、結晶性をキャンセルできるものであれば、Ta層に限定されない。NiFe−N層は、(001)配向の結晶を形成するためのものであり、この上に形成される上記のCo−TiO2、Fe−TiO2等からなる磁化方向可変層40は、エピタキシャル((001)配向)成長することが確認されている。詳細は後述する実験例を参考されたい。
The Ta layer is amorphous and is formed once to cancel crystallinity. Note that the layer is not limited to the Ta layer as long as the crystallinity can be canceled once. The NiFe—N layer is for forming a (001) -oriented crystal, and the magnetization direction
なお、ZnO系の磁化方向可変層40を用いた場合、ZnOは極性が強く、下地の材質にかかわらず結晶性の高い(001)配向した結晶を形成しやすい。そのため、特に、下地の材質は限定されない。従って、ZnO系の磁化方向可変層40を用いる場合には、上述した格子整合層8を設けることなく、この格子整合層8に代えて、例えば、厚さ1nmのTa層と厚さ2nm程度のRe層の2層積層体からなる下地層を設けることで足りる。
When the ZnO-based magnetization direction
〔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。
[
The
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(In2O3)、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.
図1において、上部電極層15と反強磁性層10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。
In FIG. 1, between the
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、水平方向かつ右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
すなわち、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、水平方向かつ右向きの磁化方向となる。
That is, when a current is applied from the
これとは反対に、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、水平方向かつ左向きの磁化方向となる。
On the contrary, when a current is applied from the
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
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, 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。
Description of development to optical modulator The optical modulator can be formed by arranging the elements in a matrix so that one of the spin injection type spatial light modulating elements in the present invention forms one pixel. 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。具体的実験例として、下記に示すように比較例であるサンプル1〜2、および本発明であるサンプル3〜6を作製した。なお、下記表1に、素子の積層構造が視認しやすいように、素子の代表的な積層構造として、本発明の素子であるサンプル3〜6の積層構造を示している。 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. As specific experimental examples, Samples 1 and 2 as comparative examples and Samples 3 through 6 according to the present invention were produced as shown below. In addition, in the following Table 1, the laminated structures of Samples 3 to 6 which are the elements of the present invention are shown as representative laminated structures of the elements so that the laminated structure of the elements can be easily recognized.
〔サンプル1(比較例)の作製〕
下記の要領で、サンプル1として『非透明系』からなる比較例の空間光変調素子サンプルを作製した。
[ Production of Sample 1 (Comparative Example) ]
As a sample 1, a spatial light modulation element sample of a comparative example made of “non-transparent” was produced as follows.
すなわち、厚さ500nmのCu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、この下地層の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成し、この反強磁性層の上に、厚さ10.0nmのCoFeからなる磁化方向固定層20を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
That is, a base layer made of Al having a thickness of 3.0 nm is formed on the
この磁化方向固定層20の上に、厚さ1.5nmのCuからなる非磁性中間層30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
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのCoFeの上に、厚さ5.0nmのNiFeを形成した2層積層体とした。
The magnetization direction
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
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1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 prepared by forming a thickness of 500 nm) on top.
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも下方に位置する、いわゆるボトムタイプのサンプルとした。
The sample was a so-called bottom type sample in which the magnetization direction fixed
〔サンプル2(比較例)の作製〕
下記の要領で、サンプル2として『非透明系』からなる比較例の空間光変調素子サンプルを作製した。
[ Production of Sample 2 (Comparative Example) ]
As a sample 2, a spatial light modulation element sample of a comparative example made of “non-transparent” was prepared as follows.
すなわち、厚さ500nmのCu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、この下地層の上に磁化方向可変層40を形成した。
That is, a base layer made of Al having a thickness of 3.0 nm was formed on the
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのCoFeの上に、厚さ5.0nmのNiFeを形成した2層積層体とした。
The magnetization direction
この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.5nmのCuからなる非磁性中間層30を形成し、この非磁性中間層30の上に、厚さ10.0nmのCoFe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の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
A nonmagnetic
この反強磁性層の上に、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 this antiferromagnetic layer, 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2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 2 was prepared by forming a thickness of 500 nm) on top.
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上方に位置する、いわゆるトップタイプのサンプルとした。
The sample was a so-called top type sample in which the magnetization direction fixed
〔サンプル3(本発明)の作製〕
下記の要領で、サンプル3として少なくとも磁化方向可変層40が透明磁性半導体から構成される、『透明系』の空間光変調素子サンプル(本発明)を作製した
[ Production of Sample 3 (Invention) ]
In the following manner, a “transparent” spatial light modulation element sample (present invention) in which at least the magnetization direction
すなわち、厚さ500nmのCuからなる下部電極層11の上に、厚さ3.0nmのTaと厚さ5.0nmのNiFe−Nを順次積層して2層積層体からなる格子整合層8を形成した。この格子整合層8の上に磁化方向可変層40を形成した。格子整合層8の一層を担うNiFe−Nは、NiFeにNを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
That is, on the
なお、格子整合層8は、その上に形成されるTiO2系の材料をアナターゼ構造にするために挿入した。TiO2は、大気圧下、常温でアナターゼ構造、ルチル構造、またはブルッカイト構造を採り得るが、この中で最も抵抗率が低減できるのがアナターゼ構造である。アナターゼ構造TiO2の使用によって抵抗率が低下し、消費電力を低減させることができる。 The lattice matching layer 8 was inserted in order to make the TiO 2 -based material formed thereon into an anatase structure. TiO 2 can adopt an anatase structure, a rutile structure, or a brookite structure at normal temperature under atmospheric pressure, and among these, the anatase structure can reduce the resistivity most. Use of the anatase structure TiO 2 lowers the resistivity and can reduce power consumption.
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのCo−TiO2とした。Co−TiO2は、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
The magnetization direction
この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.5nmのNb−TiO2からなる非磁性中間層30を形成した。Nb−TiO2は、抵抗を下げるために(消費電力の低下に繋がる)TiO2にNbを5atomic%(原子%)添加することによって構成した。
A nonmagnetic
この非磁性中間層30の上に、厚さ10.0nmのCo−TiO2からなる磁化方向固定層20を形成した。Co−TiO2は、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
On the nonmagnetic
この磁化方向固定層20の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
On the magnetization direction fixed
この反強磁性層の上に、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 this antiferromagnetic layer, 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3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 3 was produced by forming a thickness of 500 nm) on top.
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上方に位置する、いわゆるトップタイプのサンプルとした。
The sample was a so-called top type sample in which the magnetization direction fixed
〔サンプル4(本発明)の作製〕
下記の要領で、サンプル4として少なくとも磁化方向可変層40が透明磁性半導体から構成される、『透明系』の空間光変調素子サンプル(本発明)を作製した
[ Production of Sample 4 (Invention) ]
In the following manner, as a sample 4, a “transparent” spatial light modulation element sample (the present invention) in which at least the magnetization direction
すなわち、厚さ500nmのCuからなる下部電極層11の上に、厚さ3.0nmのTaと厚さ5.0nmのNiFe−Nを順次積層して2層積層体からなる格子整合層を形成した。この格子整合層の上に磁化方向可変層40を形成した。格子整合層の一層を担うNiFe−Nは、NiFeにNを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
That is, on the
なお、格子整合層は、その上に形成されるTiO2系の材料をアナターゼ構造にするために挿入した。TiO2は、大気圧下、常温でアナターゼ構造、ルチル構造、またはブルッカイト構造を採り得るが、この中で最も抵抗率が低減できるのがアナターゼ構造である。アナターゼ構造TiO2の使用によって抵抗率が低下し、消費電力を低減させることができる。 The lattice matching layer was inserted in order to make the TiO 2 -based material formed thereon into an anatase structure. TiO 2 can adopt an anatase structure, a rutile structure, or a brookite structure at normal temperature under atmospheric pressure, and among these, the anatase structure can reduce the resistivity most. Use of the anatase structure TiO 2 lowers the resistivity and can reduce power consumption.
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのCo−TiO2とした。Co−TiO2は、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
The magnetization direction
この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.5nmのCuからなる非磁性中間層30を形成した。
A nonmagnetic
この非磁性中間層30の上に、厚さ10.0nmのCoFe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の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
A magnetization direction fixed
この反強磁性層の上に、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 this antiferromagnetic layer, 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4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 4 was prepared by forming a thickness of 500 nm) on top.
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上方に位置する、いわゆるトップタイプのサンプルとした。
The sample was a so-called top type sample in which the magnetization direction fixed
〔サンプル5(本発明)の作製〕
下記の要領で、サンプル5として少なくとも磁化方向可変層40が透明磁性半導体から構成される、透明系の空間光変調素子サンプル(本発明)を作製した。
[ Production of Sample 5 (Invention) ]
In the following manner, as a
すなわち、厚さ500nmのCuからなる下部電極層11の上に、厚さ1.0nmのTaと厚さ2.0nmのRuを順次積層して2層積層体からなる下地層を形成した。この下地層の上に磁化方向可変層40を形成した。
That is, on the
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのMn−ZnOとした。Mn−ZnOは、磁性と導電性を付与するために、ZnOにMnを3atomic%(原子%)添加することによって構成した。なお、ZnOの極性は強く、その下に形成される下地層の組成にかかわらず(001)配向した結晶性の高いZnO膜を容易に得ることができる。
The magnetization direction
この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.5nmのZnOからなる非磁性中間層30を形成した。
A nonmagnetic
この非磁性中間層30の上に、厚さ10.0nmのMn−ZnO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の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
A magnetization direction fixed
この反強磁性層の上に、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 this antiferromagnetic layer, 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5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 (
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上方に位置する、いわゆるトップタイプのサンプルとした。
The sample was a so-called top type sample in which the magnetization direction fixed
〔サンプル6(本発明)の作製〕
下記の要領で、サンプル6として『透明系』の空間光変調素子サンプル(本発明)を作製した。
[ Production of Sample 6 (Invention) ]
A “transparent” spatial light modulation element sample (present invention) was prepared as Sample 6 in the following manner.
すなわち、厚さ500nmのCuからなる下部電極層11の上に、厚さ3.0nmのTaからなる下地層を形成した。この下地層の上に磁化方向可変層40を形成した。
That is, a base layer made of Ta having a thickness of 3.0 nm was formed on the
磁化方向可変層40は、厚さ5.0nmのCo−TiO2とした。Co−TiO2は、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
The magnetization direction
この磁化方向可変層40の上に、厚さ1.5nmのNb−TiO2からなる非磁性中間層30を形成した。Nb−TiO2は、抵抗を下げるために(消費電力の低下に繋がる)TiO2にNbを5atomic%(原子%)添加することによって構成した。
A nonmagnetic
この非磁性中間層30の上に、厚さ10.0nmのCo−TiO2からなる磁化方向固定層20を形成した。Co−TiO2は、磁性と導電性を付与するために、TiO2にCoを10atomic%(原子%)添加することによって構成した。
On the nonmagnetic
この磁化方向固定層20の上に厚さ6.0nmのIrMnからなる反強磁性層(スピン固着層10)を形成した。IrMnからなる反強磁性層は、磁化方向固定層20の磁化を固定するために設けられたものである。
An antiferromagnetic layer (spin pinned layer 10) made of IrMn having a thickness of 6.0 nm was formed on the magnetization direction fixed
この反強磁性層の上に、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 this antiferromagnetic layer, 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6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 6 was produced by forming a thickness of 500 nm) on top.
当該サンプルは、磁化方向固定層20が磁化方向可変層40よりも上方に位置する、いわゆるトップタイプのサンプルとした。
The sample is a so-called top type sample in which the magnetization direction fixed
このサンプル6は、前記サンプル3の結晶配向層の効果を確認するために作製したものであると言える。 This sample 6 can be said to be produced in order to confirm the effect of the crystal orientation layer of the sample 3.
(サンプルの光学特性の評価)
上記サンプル1〜8について、633nmのレーザーを用い、素子に対してー100mAから+100mAの通電、さらには、+100mAからー100mAの通電によりスピン注入磁化反転を行い、その2極状態、すなわち、2つの磁性層の磁化方向が平行な状態と、2つの磁性層が反平行な状態と、のそれぞれにおける反射率およびカー回転角θkを、それぞれ、測定した。
( Evaluation of sample optical properties )
With respect to Samples 1 to 8, a 633 nm laser was used, and the device was subjected to spin injection magnetization reversal by energizing from −100 mA to +100 mA, further energizing from +100 mA to −100 mA. The reflectivity and the Kerr rotation angle θk in each of the state in which the magnetization directions of the magnetic layers were parallel and the state in which the two magnetic layers were antiparallel were measured.
これらの測定値、およびこれらの測定値を用いて算出した磁気光学性能指数を下記表2に示した。 These measured values and the magneto-optical performance index calculated using these measured values are shown in Table 2 below.
表2に示される結果より、以下の事項が考察される。 From the results shown in Table 2, the following matters are considered.
<サンプル1(比較例)と、サンプル2(比較例)との対比考察>
サンプル1、2は、双方ともに非透明系比較例のサンプルではあるが、これらサンプル1、2の比較により、磁化方向可変層を下方の基板側に配置する(磁化方向固定層がトップ側に位置しており、この型を『トップ型』と称す)ことにより、偏光された光の脱出確率が低下し、観測されるカー回転角が減衰していることがわかる。
< Consideration between Sample 1 (Comparative Example) and Sample 2 (Comparative Example) >
Samples 1 and 2 are both non-transparent comparative samples. However, by comparing Samples 1 and 2, the magnetization direction variable layer is disposed on the lower substrate side (the magnetization direction fixed layer is positioned on the top side). This type is called the “top type”), and the probability of escape of polarized light is reduced, and the observed Kerr rotation angle is attenuated.
<サンプル3、5(いずれも本発明)と、サンプル2(比較例)との対比考察>
同じトップ型の対比で、磁化方向可変層および磁化方向固定層の双方の磁性層に透明磁性半導体を用いたサンプル3,5は、反射率・カー回転角共に、サンプル2(比較例)よりも大きい値を示し、優れた磁気光学性能指数を持つ事が明らかとなった。
< Consideration between Samples 3 and 5 (all of the present invention) and Sample 2 (Comparative Example) >
これは減衰係数がゼロに近い(可視光に対して透明である事を意味する)ため、純粋に光の吸収が弱いこと、そして偏光を受けた光の脱出確率が高いことに起因していると思われる。 This is due to the fact that the attenuation coefficient is close to zero (meaning that it is transparent to visible light), so the absorption of light is weak and the probability of escape of polarized light is high. I think that the.
また、格子調整層が下地に配置されたサンプル3については、磁化方向可変層20、非磁性中間層30、および磁化方向固定層40の3層は格子が揃ったエピタキシャル成長していることが、TEMによる断面解析によって確認することができた。
In addition, regarding the sample 3 in which the lattice adjustment layer is disposed on the base, the TEM indicates that the three layers of the magnetization direction
また、サンプル5については、格子調整層が下地に配置されていないものの、ZnOの極性は強く、その下に形成される下地層の組成にかかわらず(001)配向した結晶性の高いZnO膜を容易に得ることができるために、ZnO系の磁化方向可変層20、非磁性中間層30、および磁化方向固定層40の3層は格子が揃ったエピタキシャル成長していることが、TEMによる断面解析によって確認することができた。
For
<サンプル3(本発明)と、サンプル4(本発明)との対比考察>
なお、磁化方向可変層には透明磁性半導体を用い、磁化方向固定層には金属磁性体を用いたサンプル4は、磁化方向固定層にも透明磁性半導体を用いたサンプル3よりも低い磁気光学性能指数を示した。
< Consideration of Comparison between Sample 3 (Invention) and Sample 4 (Invention) >
Sample 4 using a transparent magnetic semiconductor for the magnetization direction variable layer and a metal magnetic material for the magnetization direction fixed layer has a lower magneto-optical performance than Sample 3 using a transparent magnetic semiconductor for the magnetization direction fixed layer. The index is shown.
なお、サンプル4については、磁化方向可変層20までは格子が揃ったエピタキシャル成長していることが、TEMによる断面解析によって確認することができた。
In addition, it was confirmed by the cross-sectional analysis by TEM that the sample 4 was epitaxially grown with a uniform lattice up to the magnetization direction
<サンプル4(本発明)と、サンプル2(比較例)との対比考察>
この一方で、サンプル4は、サンプル2との比較より、磁化方向可変層にのみであっても、配向を制御した透明磁性半導体を適用した効果が表れている事が明らかである。
< Consideration between Sample 4 (present invention) and Sample 2 (Comparative Example) >
On the other hand, it is clear from the comparison with Sample 2 that Sample 4 exhibits the effect of applying the transparent magnetic semiconductor whose orientation is controlled even in the magnetization direction variable layer.
なお、上述のごとくサンプル4については、磁化方向可変層20までは格子が揃ったエピタキシャル成長していることが、TEMによる断面解析によって確認することができた。
As described above, it was confirmed by the cross-sectional analysis by TEM that the sample 4 was epitaxially grown up to the magnetization direction
<サンプル3(本発明)と、サンプル6(本発明)との対比考察(格子調整層の有無の影響)>
なお、サンプル3と、サンプル6とを比較することにより、格子調整層の有無によるTiO2系材料の結晶性の影響について評価した。反射率は双方の間で大差ないと言えるが、カー回転角は、サンプル3の結晶化したTiO2を用いた系で大きい値を示した。結果として磁気光学性能指数にも差があり、透明磁性半導体層の結晶性を高めることにより、光学特性の向上を図れることが明らかとなった。
< Consideration of Comparison between Sample 3 (Invention) and Sample 6 (Invention) (Effect of Presence or absence of Lattice Adjustment Layer) >
In addition, by comparing the sample 3 and the sample 6, the influence of the crystallinity of the TiO 2 material due to the presence or absence of the lattice adjustment layer was evaluated. Although it can be said that the reflectance is not greatly different between the two, the Kerr rotation angle showed a large value in the sample 3 using the crystallized TiO 2 . As a result, there was a difference in the magneto-optical performance index, and it became clear that the optical characteristics could be improved by increasing the crystallinity of the transparent magnetic semiconductor layer.
なお、本発明のサンプル3において、トップ型をボトム型に変えた場合には、IrMn反強磁性層が格子調整層の上に形成されるために、IrMn反強磁性層に続いて形成される磁化方向固定層40、非磁性中間層30、および磁化化方向可変層20のいずれもエピタキシャル成長しないために、光学特性の向上を図ることができない。また、IrMnの減衰係数が大きいために光学特性の向上を図ることができなくなってしまう。
In the sample 3 of the present invention, when the top type is changed to the bottom type, the IrMn antiferromagnetic layer is formed on the lattice adjustment layer, so that it is formed following the IrMn antiferromagnetic layer. Since none of the magnetization direction fixed
本発明のサンプル4において、トップ型をボトム型に変えた場合には、IrMnの減衰係数が大きいために光学特性の向上を図ることができなくなってしまう。 In the sample 4 of the present invention, when the top type is changed to the bottom type, the optical characteristics cannot be improved because the attenuation coefficient of IrMn is large.
本発明のサンプル5において、トップ型をボトム型に変えた場合には、IrMnの減衰係数が大きいために光学特性の向上を図ることができなくなってしまう。
In the
本発明のサンプル6において、トップ型をボトム型に変えた場合には、IrMnの減衰係数が大きいために光学特性の向上を図ることができなくなってしまう。 In the sample 6 of the present invention, when the top type is changed to the bottom type, the optical characteristics cannot be improved because the attenuation coefficient of IrMn is large.
上述の実験結果より本発明の効果は明らかである。
すなわち、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、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、前記磁化方向可変層は、透明性を有する磁性半導体材料から構成されるので、より大きい旋光角度が得られるべく、極めて高い磁気光学性能を有するという効果が発現する。
The effect of the present invention is clear from the above experimental results.
That is, the present invention is a spin injection type spatial light modulator (SLM) whose magnetization direction is reversed by spin injection, and the element has a variable magnetization direction whose magnetization direction is reversed by spin injection. A layered body having a layer, a magnetization direction fixed layer whose magnetization direction is fixed, and a magnetization direction variable layer and a nonmagnetic intermediate layer sandwiched between the magnetization direction fixed layers, the magnetization direction variable layer Is composed of a magnetic semiconductor material having transparency, so that an effect of having extremely high magneto-optical performance is exhibited in order to obtain a larger optical rotation angle.
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
8…格子整合層
10…スピン固着層
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
Claims (16)
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、
前記磁化方向可変層は、透明性を有する磁性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 spin injection type spatial light modulator, wherein the magnetization direction variable layer is made of a magnetic semiconductor material having transparency.
前記磁化方向可変層および磁化方向固定層は、透明性を有する磁性半導体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 laminate element body is formed by sequentially laminating a magnetization direction variable layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a magnetization direction fixed layer,
The spin injection spatial light modulation element according to claim 1, wherein the magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of a magnetic semiconductor material having transparency.
前記非磁性中間層は、Nb添加のTiO2から構成される請求項5に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The magnetization direction variable layer is made of Co-added TiO 2 ,
The spin injection spatial light modulator according to claim 5, wherein the nonmagnetic intermediate layer is made of Nb-added TiO 2 .
前記非磁性中間層は、ZnOから構成される請求項5に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The magnetization direction variable layer is made of Mn-added ZnO,
The spin injection spatial light modulator according to claim 5, wherein the nonmagnetic intermediate layer is made of ZnO.
前記非磁性中間層は、Nb添加のTiO2から構成される請求項8に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of Co-added TiO 2 ,
The spin injection spatial light modulator according to claim 8, wherein the nonmagnetic intermediate layer is made of Nb-added TiO 2 .
前記非磁性中間層は、ZnOから構成される請求項8に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 The magnetization direction variable layer and the magnetization direction fixed layer are made of Mn-added ZnO,
The spin injection spatial light modulator according to claim 8, wherein the nonmagnetic intermediate layer is made of ZnO.
前記磁化方向可変層が格子整合層に対してエピタキシャル成長してなる請求項2に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 A lattice matching layer is formed under the magnetization direction variable layer,
The spin injection spatial light modulator according to claim 2, wherein the magnetization direction variable layer is epitaxially grown on the lattice matching layer.
前記磁化方向可変層、前記非磁性中間層、および前記磁化方向固定層がエピタキシャル成長してなる請求項2に記載のスピン注入型の空間光変調素子。 A lattice matching layer is formed under the magnetization direction variable layer,
The spin injection spatial light modulator according to claim 2, wherein the magnetization direction variable layer, the nonmagnetic intermediate layer, and the magnetization direction fixed layer are epitaxially grown.
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