JP2011060918A - Spin injection magnetization reversal element, magnetic random access memory, optical modulator, display apparatus, holography apparatus, hologram recording apparatus, and method of manufacturing optical modulator - Google Patents

Spin injection magnetization reversal element, magnetic random access memory, optical modulator, display apparatus, holography apparatus, hologram recording apparatus, and method of manufacturing optical modulator Download PDF

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賢司 町田
Nobuhiko Funabashi
信彦 船橋
Kenichi Aoshima
賢一 青島
Atsushi Kuga
淳 久我
Naoki Shimizu
直樹 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin injection magnetization reversal element which has high perpendicular magnetic anisotropy and moreover does not deteriorate the perpendicular magnetic anisotropy by heat treatment, a magnetic random access memory and an optical modulator constituted by using this spin injection magnetization reversal element, a display device, a holography apparatus, and a hologram recording apparatus constituted by using this optical modulator, and a method of manufacturing the optical modulator. <P>SOLUTION: A spin injection magnetization reversal element 11 has a structure of the spin injection magnetization reversal element formed by layering a foundation layer 21, a fixed magnetized film layer 22, a non-magnetic intermediate film layer 23 and a free magnetized film layer 24, in this order. The magnetization direction in the fixed magnetized film layer 22 and the free magnetized film layer 24 is perpendicular to the film surface, and the foundation layer 21 is a silver film layer. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁化方向の変化を利用したスピン注入磁化反転素子、このスピン注入磁化反転素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリおよび光変調器、この光変調器を用いた表示装置、ホログラフィ装置およびホログラム記録装置、この光変調器の製造方法に関する。   The present invention relates to a spin injection magnetization reversal element using a change in magnetization direction, a magnetic random access memory and an optical modulator using the spin injection magnetization reversal element, a display device using the optical modulator, a holography device, and a hologram recording The present invention relates to a device and a method for manufacturing the optical modulator.

従来から、磁化固定層、非磁性中間層および磁化反転層を順に積層して構成したスピン注入磁化反転素子を用いて、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)へ応用する技術が提案されている(例えば、特許文献1)。スピン注入磁化反転素子の主な課題は、高密度化と磁化反転電流の低減である。ここで、垂直磁気異方性の大きな垂直磁化膜を用いたスピン注入磁化反転素子は、保磁力が大きいため、熱揺らぎや外乱に強く微細化に適しており、メモリの高密度化を達成することが期待されている。また、面内磁化膜に比べて磁化反転電流を低減できることも理論的に示されている。   Conventionally, a technique applied to a magnetic random access memory (MRAM) using a spin-injection magnetization reversal element configured by sequentially laminating a magnetization fixed layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a magnetization reversal layer has been proposed (for example, Patent Document 1). The main problems of the spin injection magnetization reversal element are to increase the density and reduce the magnetization reversal current. Here, a spin-injection magnetization reversal element using a perpendicular magnetization film having a large perpendicular magnetic anisotropy has a large coercive force, and is resistant to thermal fluctuations and disturbances and suitable for miniaturization, and achieves high memory density. It is expected that. It has also been theoretically shown that the magnetization reversal current can be reduced compared to the in-plane magnetization film.

また、スピン注入磁化反転素子を用いた光学素子への応用として、素子の上部と下部に設けた2つの電極のうち、少なくともー方を、インジウム亜鉛酸化物(IZO)やインジウムスズ酸化物(ITO)等の透明電極で形成したスピン注入型の空間光変調器が提案されている(例えば、特許文献2)。   As an application to an optical element using a spin injection magnetization reversal element, at least one of two electrodes provided on the upper and lower parts of the element is indium zinc oxide (IZO) or indium tin oxide (ITO). A spin injection type spatial light modulator formed by a transparent electrode such as) is proposed (for example, Patent Document 2).

特開2009−81216号公報(段落0014〜0067)JP 2009-81216 A (paragraphs 0014 to 0067) 特開2008−83686号公報(段落0024〜0048)Japanese Patent Laying-Open No. 2008-83686 (paragraphs 0024 to 0048)

従来のスピン注入磁化反転素子としては、垂直磁気異方性の大きな垂直磁化膜を形成するため、遷移金属と希土類金属との合金を用いたもの、遷移金属と貴金属との合金や、遷移金属と貴金属との多層膜を用いたもの等がある。しかし、希土類金属は酸化しやすく、また、素子膜の高配向化のための熱処理や微細加工プロセス処理での熱により磁気特性が劣化する材料が多いという問題がある。一方、遷移金属と貴金属との合金や多層膜は、酸化しにくく、熱耐性も比較的高い。ここで、磁化反転電流を低減するためには、非磁性中間層に、MgO等のトンネル絶縁層を用いてMR比を向上させることが必要であるが、MgO等のトンネル絶縁層上に形成した遷移金属と貴金属の合金や多層膜は、垂直磁気異方性が劣化するという問題がある。そこで、高い垂直磁気異方性を保持することができるスピン注入磁化反転素子の開発が望まれている。   As conventional spin-injection magnetization reversal elements, in order to form a perpendicular magnetization film with large perpendicular magnetic anisotropy, an alloy of transition metal and rare earth metal, an alloy of transition metal and noble metal, transition metal and There are those using a multilayer film with a noble metal. However, rare earth metals are liable to oxidize, and there are many materials whose magnetic properties deteriorate due to heat in heat treatment for high orientation of element films and heat in microfabrication process. On the other hand, alloys and multilayer films of transition metals and noble metals are difficult to oxidize and have relatively high heat resistance. Here, in order to reduce the magnetization reversal current, it is necessary to improve the MR ratio by using a tunnel insulating layer such as MgO as the nonmagnetic intermediate layer, but it was formed on the tunnel insulating layer such as MgO. Transition metal / noble metal alloys and multilayer films have a problem of deterioration in perpendicular magnetic anisotropy. Therefore, development of a spin injection magnetization reversal element that can maintain high perpendicular magnetic anisotropy is desired.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、高い垂直磁気異方性を有し、また、熱処理によっても垂直磁気異方性が劣化することのないスピン注入磁化反転素子、このスピン注入磁化反転素子を用いて構成される磁気ランダムアクセスメモリおよび光変調器、この光変調器を用いて構成される表示装置、ホログラフィ装置およびホログラム記録装置、この光変調器の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and has a high perpendicular magnetic anisotropy, and the spin injection magnetization reversal element in which the perpendicular magnetic anisotropy does not deteriorate even by heat treatment, and the spin injection magnetization An object of the present invention is to provide a magnetic random access memory and an optical modulator configured using an inverting element, a display device configured using the optical modulator, a holography device and a hologram recording device, and a method for manufacturing the optical modulator. And

本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、下地層と、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であるスピン注入磁化反転素子であって、前記下地層は、銀膜層であることを特徴とする。
このような構成によれば、銀膜層の強い結晶配向性によって、その上部に形成する固定磁化膜層の結晶配向性が高まり、高い垂直磁気異方性を保持することができる。
A spin injection magnetization reversal element according to the present invention has a spin injection magnetization reversal element structure in which an underlayer, a fixed magnetization film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetization film layer are stacked in this order, A spin-injection magnetization reversal element in which the directions of magnetization in the fixed magnetization film layer and the free magnetization film layer are perpendicular to the film surface, wherein the underlayer is a silver film layer.
According to such a configuration, due to the strong crystal orientation of the silver film layer, the crystal orientation of the fixed magnetization film layer formed on the silver film layer is increased, and high perpendicular magnetic anisotropy can be maintained.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記非磁性中間膜層が、絶縁体層であることが好ましい。
このような構成によれば、スピン注入磁化反転素子の磁気抵抗効果比(MR比)が改善され、MR比に反比例する磁化反転電流を低減させることができる。
In the spin transfer magnetization switching element according to the present invention, the nonmagnetic intermediate film layer is preferably an insulator layer.
According to such a configuration, the magnetoresistance effect ratio (MR ratio) of the spin-injection magnetization switching element is improved, and the magnetization switching current that is inversely proportional to the MR ratio can be reduced.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記固定磁化膜層において、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金からなる層、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることが好ましい。
さらに、本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、前記自由磁化膜層において、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金からなる層、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることが好ましい。
The spin-injection magnetization reversal element according to the present invention includes a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a thin film layer made of the transition metal, and a thin film layer made of the noble metal. And a multilayer film in which a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer are alternately stacked.
Furthermore, in the spin-injection magnetization switching element according to the present invention, all or a part of the free magnetization film layer is composed of a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a thin film layer made of the transition metal, and the noble metal. A multilayer film in which thin film layers are alternately stacked or a multilayer film in which cobalt film layers and magnetic thin film layers other than the cobalt film layer are alternately stacked is preferable.

このような構成によれば、スピン注入磁化反転素子において、酸化に強く、また熱耐性を高くすることができるため、素子膜の高配向化のための熱処理や微細加工プロセス処理後においても、高い垂直磁気異方性を保持することができる。   According to such a configuration, the spin-injection magnetization reversal element can be resistant to oxidation and can have high heat resistance. Therefore, the spin-injection magnetization reversal element is high even after the heat treatment for high orientation of the element film and the microfabrication process. The perpendicular magnetic anisotropy can be maintained.

本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリは、前記記載のスピン注入磁化反転素子を用いたことを特徴とする。
本発明に係るスピン注入磁化反転素子は、保磁力が大きいため、このような構成によれば、メモリを高密度化することができる。また、磁化反転電流を低減させることができる。
A magnetic random access memory according to the present invention uses the above-described spin-injection magnetization switching element.
Since the spin-injection magnetization switching element according to the present invention has a large coercive force, such a configuration can increase the density of the memory. In addition, the magnetization reversal current can be reduced.

本発明に係る光変調器は、前記記載のスピン注入磁化反転素子を用いた光変調器であって、前記スピン注入磁化反転素子が、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光または透過光の偏光方向を変化させる光変調素子であることを特徴とする。
本発明に係るスピン注入磁化反転素子(光変調素子)は、ピクセルの微細化が可能で高速応答性を有するため、このような構成によれば、高精細な光変調を高速に行うことができる。また、磁化反転電流を低減させることができる。
An optical modulator according to the present invention is an optical modulator using the spin injection magnetization reversal element described above, wherein the spin injection magnetization reversal element changes the magnetization state in the free magnetic film layer. It is a light modulation element that changes the polarization direction of reflected or transmitted light with respect to the polarization direction of light incident on the magnetic film layer.
The spin-injection magnetization reversal element (light modulation element) according to the present invention is capable of miniaturization of pixels and has high-speed response, and according to such a configuration, high-definition light modulation can be performed at high speed. . In addition, the magnetization reversal current can be reduced.

本発明に係る表示装置は、前記した光変調器と、この光変調器から出射した光を投影するスクリーンとを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、低電流、かつ速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。
A display device according to the present invention includes the above-described optical modulator and a screen that projects light emitted from the optical modulator.
According to such a configuration, high-definition images and video can be expressed with a low current and a high display speed.

本発明に係るホログラフィ装置は、物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮影する撮像手段と、前記撮像手段に記録された画像信号を前記した光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とする。
このような構成によれば、低電流、かつ速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。
The holography device according to the present invention includes an imaging unit that captures interference fringes formed by object light and reference light, and an image reproducing unit that reproduces an image signal recorded in the imaging unit using the optical modulator described above. It is characterized by comprising.
According to such a configuration, a high-definition stereoscopic image can be reproduced with a low current and a high display speed.

本発明に係るホログラム記録装置は、所定の情報を2系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、前記した光変調器と、前記2系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記2系統の光のうちの少なくとも1系統の光変調を前記した光変調器を用いて行うことを特徴とする。   The hologram recording apparatus according to the present invention is a hologram recording apparatus that records predetermined information on a recording medium using two systems of light, and the optical modulator described above and the two systems of light are incident on the recording medium. Imaging means for detecting a change in the state of the recording medium as phase information at the time, and based on the phase information detected by the imaging means, at least one light modulation of the two light systems is performed. This is performed using the above-described optical modulator.

このような構成によれば、記録の多重度を格段に向上させることができ、また、前記2系統の光の光変調を、それぞれ前記光変調器を用いて行うことにより、記録の多重度をさらに向上させることができる。   According to such a configuration, the multiplicity of recording can be remarkably improved, and the multiplicity of recording can be increased by performing optical modulation of the two systems of light using the optical modulator, respectively. Further improvement can be achieved.

本発明に係る光変調器の製造方法は、前記した光変調器の製造方法であって、基板上に、下部電極と、下地層と、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とをこの順序で製膜して素子構造体を作製する素子構造体作製工程と、前記素子構造体の上面に、レジストパターンを形成するレジスト形成工程と、前記素子構造体において、前記レジストパターンのレジストが形成されていない部位をエッチングまたはミリング加工により部分除去する部分除去工程と、部分除去された部位を有する前記素子構造体の上面に、絶縁体を堆積する絶縁体堆積工程と、前記レジストを除去するレジスト除去工程と、前記レジストが除去された素子構造体の上面に、上部電極を形成する上部電極形成工程と、を含むことを特徴とする。
このような製造方法によれば、前記した光変調器の製造が容易に行える。
An optical modulator manufacturing method according to the present invention is the above-described optical modulator manufacturing method, wherein a lower electrode, an underlayer, a fixed magnetic film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetic layer are formed on a substrate. In the element structure, the element structure manufacturing step for forming the element structure by forming the magnetized film layer in this order, the resist forming step for forming a resist pattern on the upper surface of the element structure, A partial removal step of partially removing a portion of the resist pattern where the resist is not formed by etching or milling; and an insulator deposition step of depositing an insulator on the upper surface of the element structure having the partially removed portion; The method includes a resist removing step of removing the resist, and an upper electrode forming step of forming an upper electrode on the upper surface of the element structure from which the resist is removed.
According to such a manufacturing method, the above-described optical modulator can be easily manufactured.

さらに、前記部分除去工程において、前記非磁性中間膜層が前記素子構造体の表面に露出するように部分除去を行うことが好ましい。
このような製造方法によれば、製造過程において下地層が露出することがなく、大気にさらされることがない。
Furthermore, in the partial removal step, it is preferable to perform partial removal so that the nonmagnetic intermediate film layer is exposed on the surface of the element structure.
According to such a manufacturing method, the base layer is not exposed in the manufacturing process and is not exposed to the atmosphere.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子では、高い垂直磁気異方性を有するため、保磁力が大きいことにより、熱揺らぎや外乱に強く、微細化が可能である。そのため、メモリの高密度化を図ったり、高精細な光変調を高速に行ったりすることができる。さらに、磁化反転電流を低減させることができる。また、本発明によれば、このようなスピン注入磁化反転素子の特性を利用した高密度・低駆動電流の磁気ランダムアクセスメモリや、このようなスピン注入磁化反転素子の特性を利用した高精細な光変調特性と高速応答性とを備えた光変調器や表示装置、ホログラフィ装置、ホログラム記録装置を実現することができる。   Since the spin-injection magnetization reversal element according to the present invention has high perpendicular magnetic anisotropy, it has high coercive force and is resistant to thermal fluctuations and disturbances and can be miniaturized. Therefore, it is possible to increase the density of the memory and perform high-definition light modulation at high speed. Furthermore, the magnetization reversal current can be reduced. In addition, according to the present invention, a magnetic random access memory having a high density and a low driving current using the characteristics of such a spin injection magnetization reversal element, and a high definition using the characteristics of such a spin injection magnetization reversal element. An optical modulator, a display device, a holography device, and a hologram recording device having light modulation characteristics and high-speed response can be realized.

本発明に係る磁気ランダムアクセスメモリでは、保磁力が大きく、微細化が可能なスピン注入磁化反転素子を用いているため、メモリの高密度化を実現することができる。また、駆動電流を低減させることができる。   The magnetic random access memory according to the present invention uses a spin-injection magnetization reversal element that has a large coercive force and can be miniaturized, so that it is possible to increase the density of the memory. In addition, the drive current can be reduced.

本発明に係る光変調器では、高精細な光変調を高速に行うことができる光変調素子を用いるため、高精細・高速応答を実現することができる。また、駆動電流を低減させることができる。   Since the optical modulator according to the present invention uses an optical modulation element capable of performing high-definition light modulation at high speed, a high-definition and high-speed response can be realized. In addition, the drive current can be reduced.

本発明に係る表示装置では、画像・映像表現において、高精細とすることができ、また、低電流で、表示速度を速くすることができる。本発明に係るホログラフィ装置では、立体画像の再現において、高精細とすることができ、また、低電流で、表示速度を速くすることができる。本発明に係るホログラム記録装置では、記録の多重度を格段に向上させることができる。   In the display device according to the present invention, it is possible to achieve high definition in image / video expression, and to increase the display speed with a low current. In the holography device according to the present invention, high-definition can be achieved in the reproduction of a stereoscopic image, and the display speed can be increased with a low current. In the hologram recording apparatus according to the present invention, the multiplicity of recording can be remarkably improved.

本発明に係る光変調器の製造方法では、光変調器を容易に製造することができる。さらに、下地層を露出させないことで、製造過程において下地層が大気にさらされることがないため、下地層である銀膜層が腐食しにくく、また、抵抗値が上がることがない。   In the method for manufacturing an optical modulator according to the present invention, the optical modulator can be easily manufactured. Furthermore, by not exposing the underlayer, the underlayer is not exposed to the air during the manufacturing process, so that the silver film layer that is the underlayer is not easily corroded and the resistance value does not increase.

本発明に係るスピン注入磁化反転素子の具体的な構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the specific structure of the spin injection magnetization reversal element which concerns on this invention. 本発明に係るスピン注入磁化反転素子の具体的な構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the specific structure of the spin injection magnetization reversal element which concerns on this invention. 本発明に係るスピン注入磁化反転素子の具体的な構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the specific structure of the spin injection magnetization reversal element which concerns on this invention. 本発明に係るスピン注入磁化反転素子の具体的な構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the specific structure of the spin injection magnetization reversal element which concerns on this invention. (a)、(b)は本発明に係るスピン注入磁化反転素子の具体的な構造を模式的に示す断面図である。(A), (b) is sectional drawing which shows typically the specific structure of the spin-injection magnetization inversion element based on this invention. 本発明の一実施形態に係る磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)を備えた記録装置の概略構成を模式的に示す平面図である。1 is a plan view schematically showing a schematic configuration of a recording apparatus including a magnetic random access memory (MRAM) according to an embodiment of the present invention. 図6に示したMRAMの1セルを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically 1 cell of MRAM shown in FIG. (a)は本発明の一実施形態に係る光変調器の概略構成を模式的に示す平面図であり、(b)は(a)に示す矢視B−B断面図である。(A) is a top view which shows typically schematic structure of the optical modulator which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is BB sectional drawing shown to (a). 本発明に係る第1実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のカー効果との関係を模式的に示す図であり、(a),(b)はそれぞれ下部電極と上部電極とに印加する電圧の正負を逆にした場合の模式図である。It is a figure which shows typically the relationship between the voltage application form to the light modulation element in 1st Embodiment which concerns on this invention, and the Kerr effect of a free magnetic film layer, (a), (b) is a lower electrode and upper part, respectively. It is a schematic diagram at the time of reversing the positive / negative of the voltage applied to an electrode. 本発明に係る第2実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のファラデー効果との関係を模式的に示す図であり、(a),(b)はそれぞれ下部電極と上部電極とに印加する電圧の正負を逆にした場合の模式図である。It is a figure which shows typically the relationship between the voltage application form to the light modulation element in 2nd Embodiment which concerns on this invention, and the Faraday effect of a free magnetic film layer, (a), (b) is a lower electrode and upper part, respectively. It is a schematic diagram at the time of reversing the positive / negative of the voltage applied to an electrode. 光変調器の製造方法を模式的に示す図であり、(a)〜(f)はそれぞれ所定の製造段階での構成を示した模式図である。It is a figure which shows the manufacturing method of an optical modulator typically, and (a)-(f) is the schematic diagram which showed the structure in a respectively predetermined manufacturing stage. (a)は、本発明に係る第1実施形態における光変調器を用いた表示装置の概略構成図、(b)は、本発明に係る第2実施形態における光変調器を用いた表示装置の概略構成図である。(A) is a schematic block diagram of the display apparatus using the optical modulator in 1st Embodiment which concerns on this invention, (b) is a display apparatus using the optical modulator in 2nd Embodiment which concerns on this invention. It is a schematic block diagram. 本発明に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a holographic device that supports stereoscopic video using an optical modulator according to the present invention. 本発明に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a hologram recording apparatus using an optical modulator according to the present invention. 実施例で使用した垂直磁界印加マイクロカー効果測定装置の概略構造図である。It is a schematic structure figure of the perpendicular magnetic field application microcar effect measuring device used in the example. 本発明の銀膜層を用いたスピン注入磁化反転素子のカーループを示すグラフであり、(a)は製膜後、(b)は350℃−1hの真空熱処理を行った後の測定結果である。It is a graph which shows the Kerr loop of the spin-injection magnetization reversal element using the silver film layer of this invention, (a) is after a film forming, (b) is a measurement result after performing 350 degreeC-1h vacuum heat processing. . 図17は、従来の銅膜層を用いたスピン注入磁化反転素子のカーループを示すグラフであり、(a)は製膜後、(b)は350℃−1hの真空熱処理を行った後の測定結果である。FIG. 17 is a graph showing the Kerr loop of a spin-injection magnetization reversal element using a conventional copper film layer. (A) is after film formation, and (b) is measured after vacuum heat treatment at 350 ° C. for 1 h. It is a result.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
≪スピン注入磁化反転素子≫
図1に示すように、スピン注入磁化反転素子11は、下部電極13側から、下地層21と、固定磁化膜層(磁化固定層)22と、非磁性中間膜層(中間層)23と、自由磁化膜層(磁化反転層)24と、保護膜層(保護層)25がこの順序で積層された構造(スピン注入磁化反転素子構造)を有しており、保護膜層25上に上部電極12が設けられる。なお、ここでは、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25からなるスピン注入磁化反転素子11を図示しているが、保護膜層25は、必要に応じて設ければよい。スピン注入磁化反転素子11としては、所謂、CPP−GMR(Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance:垂直通電型巨大磁気抵抗効果)型またはTMR(Tunneling MagnetoResistance:トンネル磁気抵抗効果)型の構造を有するものが用いられる。
以下、各構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
≪Spin injection magnetization reversal element≫
As shown in FIG. 1, the spin-injection magnetization reversal element 11 includes, from the lower electrode 13 side, an underlayer 21, a fixed magnetization film layer (magnetization fixed layer) 22, a nonmagnetic intermediate film layer (intermediate layer) 23, The free magnetic film layer (magnetization reversal layer) 24 and the protective film layer (protective layer) 25 have a structure (spin injection magnetization reversal element structure) laminated in this order, and an upper electrode is formed on the protective film layer 25. 12 is provided. Here, the spin-injection magnetization reversal element 11 including the base layer 21, the fixed magnetic film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetic film layer 24, and the protective film layer 25 is illustrated, but the protective film layer 25 may be provided as necessary. The spin injection magnetization reversal element 11 has a so-called CPP-GMR (Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance) type or TMR (Tunneling MagnetoResistance) type structure. Used.
Each configuration will be described below.

[下地層]
下地層21は、固定磁化膜層22の下側、すなわち、固定磁化膜層22と下部電極13の間に設けられる層であり、銀膜層(Ag膜層)からなるものである。固定磁化膜層22の下地層材料としてAgを使用することで、銀膜層の強い結晶配向性によって、その上部に形成する固定磁化膜層22の結晶配向性を高めることができる。そのため、スピン注入磁化反転素子11において、高い垂直磁気異方性を保持することができる。これは、膜の高配向化のための熱処理や微細加工プロセスにおいて熱を加えると、従来のCuを用いた銅膜層(Cu膜層)では、Cuの拡散により、固定磁化膜層22の結晶配向性が悪くなったり、Cuの結晶配向性が熱により変化することで固定磁化膜層22の結晶配向性にも影響を与えて、固定磁化膜層22の結晶配向性が悪くなったりするが、銀膜層を用いると、そのようなことが起こらないためと考えられる。なお、下地層21におけるAg濃度は、通常用いられるAg濃度である99.9%程度とすればよい。また、下地層21の厚さは、3〜20nmが好ましい。下地層21の厚さを3nm以上にすることで、Ag(111)面の結晶成長が起きやすくなり、20nm以下とすることで、表面粗さが大きくなりすぎず、素子の磁気的特性や電気的特性が劣化しない。
[Underlayer]
The underlayer 21 is a layer provided below the fixed magnetization film layer 22, that is, between the fixed magnetization film layer 22 and the lower electrode 13, and is made of a silver film layer (Ag film layer). By using Ag as the base layer material of the fixed magnetization film layer 22, the crystal orientation of the fixed magnetization film layer 22 formed thereon can be enhanced by the strong crystal orientation of the silver film layer. Therefore, high perpendicular magnetic anisotropy can be maintained in the spin transfer magnetization switching element 11. This is because when heat is applied in a heat treatment or microfabrication process for high orientation of the film, in the conventional copper film layer (Cu film layer) using Cu, the crystal of the fixed magnetization film layer 22 is diffused by Cu diffusion. Although the orientation is deteriorated or the crystal orientation of Cu is changed by heat, the crystal orientation of the fixed magnetization film layer 22 is also affected, and the crystal orientation of the fixed magnetization film layer 22 is deteriorated. This is probably because such a situation does not occur when a silver film layer is used. The Ag concentration in the underlayer 21 may be about 99.9%, which is a commonly used Ag concentration. The thickness of the underlayer 21 is preferably 3 to 20 nm. By making the thickness of the underlayer 21 3 nm or more, crystal growth of the Ag (111) plane is likely to occur, and by making it 20 nm or less, the surface roughness does not become too large, and the magnetic characteristics and electrical properties of the element are increased. The physical characteristics do not deteriorate.

また、銀膜層の下地、すなわち、下部電極13と、下地層21の間には、ルテニウム膜層(Ru膜層)を配置するのが好ましい。ルテニウム膜層を備えることで、固定磁化膜層22の結晶配向性がさらに高くなる。なお、ルテニウム膜層の厚さは、1〜3nmが好ましい。ルテニウム膜層の厚さを1nm以上にすることで、ルテニウム膜層内での結晶成長が起きやすくなり、3nm以下とすることで、表面粗さが大きくなりすぎず、素子の磁気的特性や電気的特性が劣化しない。   Further, it is preferable to dispose a ruthenium film layer (Ru film layer) between the base of the silver film layer, that is, between the lower electrode 13 and the base layer 21. By providing the ruthenium film layer, the crystal orientation of the fixed magnetization film layer 22 is further enhanced. In addition, the thickness of the ruthenium film layer is preferably 1 to 3 nm. By setting the thickness of the ruthenium film layer to 1 nm or more, crystal growth easily occurs in the ruthenium film layer, and by setting the thickness to 3 nm or less, the surface roughness does not become too large, and the magnetic characteristics and electrical properties of the element are increased. The physical characteristics do not deteriorate.

[固定磁化膜層]
固定磁化膜層22は、下地層21と非磁性中間膜層23の間に配置される層である。固定磁化膜層22は、スピンを弁別するフィルタの機能を有する。
固定磁化膜層22は、自由磁化膜層24と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。そして、例えば、スピン注入磁化反転素子11を後記する磁気抵抗効果素子とする場合には、素子としての保磁力が大きいことから、熱揺らぎや外乱に強く微細化が可能であり、これを用いた磁気ランダムアクセスメモリにおいて、メモリの高密度化を図ることができる。また、面内磁化に比べて、磁化反転電流を低減することができるため、磁気ランダムアクセスメモリとしての性能を向上させることができる。
[Fixed magnetic film layer]
The fixed magnetization film layer 22 is a layer disposed between the underlayer 21 and the nonmagnetic intermediate film layer 23. The fixed magnetization film layer 22 has a filter function for discriminating spins.
The fixed magnetization film layer 22 uses a material having perpendicular magnetic anisotropy together with the free magnetization film layer 24. For example, when the spin-injection magnetization reversal element 11 is a magnetoresistive effect element to be described later, since the coercive force as the element is large, it can be miniaturized strongly against thermal fluctuations and disturbances. In the magnetic random access memory, the density of the memory can be increased. Further, since the magnetization reversal current can be reduced as compared with in-plane magnetization, the performance as a magnetic random access memory can be improved.

また、例えば、スピン注入磁化反転素子を後記する光変調素子とする場合には、画素を構成する光変調素子に対して垂直な方向に光を入射および反射させる極カー効果を用いる。磁気カー効果を最大限に得ることができる入射光の方向は、磁化の方向と平行な方向であるため、垂直磁気異方性を持つことで、自由磁化膜層24の膜面に垂直な方向から光変調素子に光を入射および反射させることができ、極カー効果を大きくすることができる。   For example, when the spin-injection magnetization reversal element is a light modulation element to be described later, a polar Kerr effect that makes light incident and reflected in a direction perpendicular to the light modulation element constituting the pixel is used. The direction of incident light that can obtain the maximum magnetic Kerr effect is a direction parallel to the direction of magnetization. Therefore, by having perpendicular magnetic anisotropy, the direction perpendicular to the film surface of the free magnetization film layer 24 Therefore, light can be incident and reflected on the light modulation element, and the polar Kerr effect can be increased.

つまり、磁気カー効果の大きさは入射する光の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例するため、一般に極カー効果は、スピン注入光変調素子の膜面に対して斜め方向から入射させる縦カー効果や横カー効果に比べて大きなカー回転角(θ)を得ることができる。したがって、面内磁化に比べて、θを増大することができるため、光変調器としての性能を向上させることができる。 In other words, since the magnitude of the magnetic Kerr effect is proportional to the scalar product of the wave vector of incident light and the magnetization vector of the magnetic material, the polar Kerr effect is generally observed from an oblique direction with respect to the film surface of the spin injection light modulation element. A large Kerr rotation angle (θ K ) can be obtained as compared with the incident vertical Kerr effect and horizontal Kerr effect. Therefore, as compared with the in-plane magnetization, it is possible to increase the theta K, it is possible to improve the performance of the optical modulator.

固定磁化膜層22は、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層(Co膜層)とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることが好ましい。
すなわち、固定磁化膜層22は、遷移金属と貴金属との合金からなる層、これらの多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜を含むものであり、図1に示すように、遷移金属と貴金属との合金からなる層で固定磁化膜層22の全体を構成してもよいし(図中、合金膜層と示す)、図2〜4に示すように、これらの多層膜で固定磁化膜層22の全体を構成してもよいし(図中、コバルト膜層と白金膜層として示す。以下同じ)、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜で構成してもよい(図示省略、ただし、白金膜層を、前記コバルト膜層以外の磁性薄膜層とすれば、図2〜4の構成となる)。さらには、図5(a)、(b)に示すように、合金膜層、遷移金属と貴金属との多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜を一部に含む構成としてもよい。(図中、合金膜層と、遷移金属と貴金属との多層膜からなる多層膜として図示している)。なお、前記合金膜層や遷移金属と貴金属との多層膜以外に、他の金属等を用いてもよい。また、前記合金膜層や多層膜の固定磁化膜層22における位置は、図5(a)、(b)の形態に限られるものではなく、例えば、固定磁化膜層22の中央に配置されていてもよい。
The fixed magnetic film layer 22 is entirely or partially composed of an alloy of transition metal and noble metal, a multilayer film in which thin film layers made of the transition metal and thin film layers made of the noble metal are alternately laminated, or a cobalt film. A multilayer film in which layers (Co film layers) and magnetic thin film layers other than cobalt film layers are alternately stacked is preferable.
That is, the fixed magnetization film layer 22 includes a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a multilayer film thereof, or a multilayer film of a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer. As shown in FIG. 1, the entire fixed magnetic film layer 22 may be composed of a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal (shown as an alloy film layer in the figure), or as shown in FIGS. These multilayer films may constitute the entire fixed magnetic film layer 22 (shown as a cobalt film layer and a platinum film layer in the figure, the same applies hereinafter), or a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer and the cobalt film layer. (The illustration is omitted, but if the platinum film layer is a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer, the structure is as shown in FIGS. 2 to 4). Furthermore, as shown in FIGS. 5A and 5B, an alloy film layer, a multilayer film of a transition metal and a noble metal, or a multilayer film of a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer is provided. It is good also as a structure included in a part. (In the figure, it is illustrated as a multilayer film composed of an alloy film layer and a multilayer film of a transition metal and a noble metal). In addition to the alloy film layer and the multilayer film of transition metal and noble metal, other metals may be used. Further, the position of the alloy film layer or the multilayer film in the fixed magnetization film layer 22 is not limited to the form of FIGS. 5A and 5B, and is disposed, for example, in the center of the fixed magnetization film layer 22. May be.

遷移金属としては、Fe,Co,Ni、貴金属としては、Au,Ag,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Ptが挙げられる。また、コバルト膜層以外の磁性薄膜層としては、例えば、Niを用いたニッケル膜層(Ni膜層)が挙げられ、固定磁化膜層22は、Co/Ni多層膜層とすることができる。なお、本発明において、Fe,Co,Niは、遷移金属としては、どれも同等であり、Au,Ag,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Ptは、貴金属としては、どれも同等であり、前記遷移金属と前記貴金属は、どの組み合わせでも、同様の効果が得られる。また、これらについては、後記する自由磁化膜層24においても同様である。   Examples of the transition metal include Fe, Co, Ni, and examples of the noble metal include Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. Examples of the magnetic thin film layer other than the cobalt film layer include a nickel film layer (Ni film layer) using Ni, and the fixed magnetization film layer 22 can be a Co / Ni multilayer film layer. In the present invention, Fe, Co, and Ni are all equivalent as transition metals, and Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt are all equivalent as noble metals. The same effect can be obtained with any combination of the transition metal and the noble metal. The same applies to the free magnetic film layer 24 described later.

遷移金属と貴金属を含む(用いる)ことで、あるいは、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜を含む(用いる)ことで、固定磁化膜層22において、酸化に強く、また熱耐性を高くすることができる。そのために、膜の高配向化のための熱処理や微細加エプロセス処理後においても、高い垂直磁気異方性を保持する素子とすることができる。   In the fixed magnetization film layer 22, by including (using) a transition metal and a noble metal, or including (using) a multilayer film in which a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer are alternately stacked, Resistant to oxidation and heat resistance can be increased. Therefore, it is possible to obtain an element that retains high perpendicular magnetic anisotropy even after heat treatment for fine orientation of the film or after a fine heat treatment process.

ここでは、一例として、固定磁化膜層22を遷移金属(Co)からなる薄膜層(コバルト膜層)と貴金属(Pt)からなる薄膜層(白金膜層)を交互に積層した多層構造(以下、「Co/Pt多層膜」という)として構成した場合について、図2〜4を参照して説明する。   Here, as an example, the fixed magnetization film layer 22 is a multilayer structure in which thin film layers (cobalt film layer) made of transition metal (Co) and thin film layers (platinum film layer) made of noble metal (Pt) are alternately stacked (hereinafter, A case where it is configured as “Co / Pt multilayer” will be described with reference to FIGS.

ここで、コバルト膜層および白金膜層の厚さや、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、特に限定されるものではないが、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、コバルト膜層の厚さは、0.2〜0.5nmが好ましく、白金膜層の厚さは、0.8〜1.5nmが好ましく、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、コバルト膜層と白金膜層を一組として、3〜20が好ましい。なお、コバルト膜層と白金膜層の積層順序は特に規定されるものではなく、図2〜4に示すように、コバルト膜層を固定磁化膜層22の最下部に配置してもよく、白金膜層を最下部に配置してもよい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、固定磁化膜層22の厚さは、10〜30nmが好ましい。
なお、コバルト膜層や白金膜層以外の層を用いる場合も、同様である。
Here, the thickness of the cobalt film layer and the platinum film layer and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer are not particularly limited, but if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thin, Further, if the number of stacked layers is too small, the coercive force is lowered. On the other hand, if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thick, and if the number of stacked layers is too large, the perpendicular magnetic anisotropy is deteriorated. Therefore, the thickness of the cobalt film layer is preferably 0.2 to 0.5 nm, the thickness of the platinum film layer is preferably 0.8 to 1.5 nm, and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer is 3-20 are preferable for a cobalt film layer and a platinum film layer as a set. Note that the order of stacking the cobalt film layer and the platinum film layer is not particularly defined, and as shown in FIGS. 2 to 4, the cobalt film layer may be disposed at the lowermost part of the fixed magnetization film layer 22. The film layer may be disposed at the bottom. Further, from the viewpoint of coercive force and perpendicular magnetic anisotropy, the thickness of the fixed magnetization film layer 22 is preferably 10 to 30 nm.
The same applies when a layer other than the cobalt film layer or the platinum film layer is used.

また、固定磁化膜層22と非磁性中間膜層23の界面に配置される層である界面層(第1界面層)Sは、コバルト膜層(Co膜層)、ニッケル膜層(Ni膜層)、鉄膜層(Fe膜層)の単層膜で形成するか、Co、Ni、Feのいずれかを含む層(例えば、CoFe合金層、CoFeB合金層、NiFe合金層)で形成するのが好ましい。これらの層を用いることで、後記する非磁性中間膜層23にアルミナ(Al)等のアモルファス絶縁体を用いてトンネル電流を流すことやマグネシア(MgO)の(100)結晶と組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことにより、駆動電流を低減することができる。これは、非磁性中間膜層23に極薄絶縁層(膜厚0.5〜1.5nm)を用いたTMR構造の場合、固定磁化膜層22と非磁性中間膜層23の間、および自由磁化膜層24と非磁性中間膜層23の間(後記する第2界面層Sを設けた場合)のスピン偏極率がそれぞれ駆動電流低減に大きく寄与するためである。例えば、界面層にコバルト膜層、非磁性中間膜層23にMgOを用いたCo/MgO/Co接合では、CoとMgO間でのスピン偏極が非常に大きくなり、理論的には大幅な電流低減を図ることが可能となる。なお、第1界面層Sの厚さは、固定磁化膜層22を構成するコバルト膜層の1層の厚さに等しくする必要はなく、0.1〜1nmの範囲であれば、固定磁化膜層22の垂直磁気異方性は劣化しない。 The interface layer (first interface layer) S 1 , which is a layer disposed at the interface between the fixed magnetization film layer 22 and the nonmagnetic intermediate film layer 23, is a cobalt film layer (Co film layer), a nickel film layer (Ni film). Layer), an iron film layer (Fe film layer), or a layer containing any one of Co, Ni, and Fe (for example, a CoFe alloy layer, a CoFeB alloy layer, a NiFe alloy layer). Is preferred. By using these layers, a non-magnetic intermediate film layer 23, which will be described later, is passed through a tunnel current using an amorphous insulator such as alumina (Al 2 O 3 ) or combined with a (100) crystal of magnesia (MgO). By supplying a coherent tunnel current, the drive current can be reduced. In the case of the TMR structure using a very thin insulating layer (film thickness of 0.5 to 1.5 nm) for the nonmagnetic intermediate film layer 23, this is between the fixed magnetization film layer 22 and the nonmagnetic intermediate film layer 23 and freely. This is because the spin polarization between the magnetic film layer 24 non-magnetic intermediate layer 23 (when provided with the second interface layer S 2 to be described later) contributes significantly to drive current reduction, respectively. For example, in a Co / MgO / Co junction using a cobalt film layer as the interface layer and MgO as the nonmagnetic intermediate film layer 23, the spin polarization between Co and MgO becomes very large, and a theoretically large current Reduction can be achieved. The thickness of the first interface layer S 1 does not have to be equal to the thickness of one layer of cobalt film layer constituting the pinned magnetic layer 22, be in the range of 0.1 to 1 nm, the fixed magnetization The perpendicular magnetic anisotropy of the film layer 22 does not deteriorate.

[非磁性中間膜層]
非磁性中間膜層23は、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24の間に配置される層である。スピン注入磁化反転素子11がCPP−GMR型の磁気抵抗効果素子の場合には、非磁性中間膜層23として、非磁性金属が用いられる。非磁性中間膜層23は、自由磁化膜層24と固定磁化膜層22の磁化状態を分離するために必要であり、自由磁化膜層24と固定磁化膜層22との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。
例えば、下部電極13、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、上部電極12の順に積層された素子において、上部電極12が正の電圧(電流)となるように下部電極13と上部電極12間に電圧(電流)を印加すると、下部電極13から注入された電子は固定磁化膜層22の内部で固定磁化膜層22の磁化方向にスピンを揃え(スピン偏極)、そのスピン偏極した電子が非磁性中間膜層23内をスピンを保持したまま通過し、自由磁化膜層24に注入される。自由磁化膜層24の内部では、自由磁化膜層24の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて自由磁化膜層24内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させるために、結果として自由磁化膜層24の磁化方向が反転する。このように、非磁性中間膜層23はスピンの通路として機能するため、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長(スピンを保持する距離)の長い材料を用いるのが好ましい。非磁性金属材料の場合にはCu、Al、Ag、Au等が好ましく、ZnO等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、1〜10nmが好ましい。
[Non-magnetic interlayer]
The nonmagnetic intermediate film layer 23 is a layer disposed between the fixed magnetization film layer 22 and the free magnetization film layer 24. When the spin injection magnetization reversal element 11 is a CPP-GMR type magnetoresistive effect element, a nonmagnetic metal is used as the nonmagnetic intermediate film layer 23. The nonmagnetic intermediate film layer 23 is necessary for separating the magnetization states of the free magnetization film layer 24 and the fixed magnetization film layer 22 and is spin-polarized between the free magnetization film layer 24 and the fixed magnetization film layer 22. It functions as a passage when exchanging electrons.
For example, in an element in which the lower electrode 13, the fixed magnetic film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetic film layer 24, and the upper electrode 12 are stacked in this order, the upper electrode 12 has a positive voltage (current). When a voltage (current) is applied between the lower electrode 13 and the upper electrode 12, electrons injected from the lower electrode 13 align the spin in the magnetization direction of the fixed magnetization film layer 22 inside the fixed magnetization film layer 22 (spin polarization). ), The spin-polarized electrons pass through the nonmagnetic intermediate film layer 23 while maintaining the spin, and are injected into the free magnetic film layer 24. Inside the free magnetic film layer 24, a force called local spin torque is generated by the interaction between the internal electrons that determine the magnetization direction of the free magnetic film layer 24 and the injected spin-polarized electrons. In order to reverse the spins of the internal electrons that determine the internal magnetization direction, the magnetization direction of the free magnetic film layer 24 is inverted as a result. Thus, since the nonmagnetic intermediate film layer 23 functions as a spin path, it is preferable to use a material having a small spin-orbit interaction and a long spin diffusion length (distance for holding spin). In the case of a nonmagnetic metal material, Cu, Al, Ag, Au or the like is preferable, and a semiconductor material such as ZnO may be used. The thickness is preferably 1 to 10 nm so that spin-polarized electrons can flow while maintaining a sufficient spin state.

また、非磁性中間膜層23としては、マグネシア(MgO)、アルミナ(Al)、MgF等の絶縁体を用いることができる。その場合、スピン注入磁化反転素子11の構造は、トンネル電流型の磁気抵抗効果素子(TMR素子)となる。TMR素子の場合には、非磁性中間膜層23の厚さは、0.5〜2nm程度が好ましい。非磁性中間膜層23を絶縁体層とすることにより、スピン注入磁化反転素子11の磁気抵抗効果比(MR比)を改善することができ、MR比に反比例する磁化反転電流を低減することができる。 Further, as the nonmagnetic intermediate film layer 23, an insulator such as magnesia (MgO), alumina (Al 2 O 3 ), or MgF 2 can be used. In that case, the structure of the spin injection magnetization reversal element 11 is a tunnel current type magnetoresistive effect element (TMR element). In the case of a TMR element, the thickness of the nonmagnetic intermediate film layer 23 is preferably about 0.5 to 2 nm. By using the nonmagnetic intermediate film layer 23 as an insulator layer, the magnetoresistance effect ratio (MR ratio) of the spin injection magnetization reversal element 11 can be improved, and the magnetization reversal current inversely proportional to the MR ratio can be reduced. it can.

[自由磁化膜層]
自由磁化膜層24は、非磁性中間膜層23と保護膜層25(上部電極12)の間に配置される層である。自由磁化膜層24は、上部電極12と下部電極13との間に印加される電圧の向きに応じて(つまり、スピン注入磁化反転素子11を流れる電流の向きに応じて)、注入される電子のスピンと自由磁化膜層24内の電子スピンとの相互作用により自由磁化膜層24内の磁化の向きが反転するものである。自由磁化膜層24は、固定磁化膜層22と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。
[Free magnetic film layer]
The free magnetic film layer 24 is a layer disposed between the nonmagnetic intermediate film layer 23 and the protective film layer 25 (upper electrode 12). The free magnetic film layer 24 injects electrons to be injected according to the direction of the voltage applied between the upper electrode 12 and the lower electrode 13 (that is, according to the direction of the current flowing through the spin injection magnetization switching element 11). The direction of magnetization in the free magnetic film layer 24 is reversed by the interaction between the spins and the electron spins in the free magnetic film layer 24. The free magnetic film layer 24 uses a material having perpendicular magnetic anisotropy together with the fixed magnetic film layer 22.

自由磁化膜層24は、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金からなる層、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層(Co膜層)とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることが好ましい。
すなわち、自由磁化膜層24は、遷移金属と貴金属との合金からなる層、これらの多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜を含むものであり、図1に示すように、遷移金属と貴金属との合金からなる層で自由磁化膜層24の全体を構成してもよいし(図中、合金膜層と示す)、図2〜4に示すように、これらの多層膜で自由磁化膜層24の全体を構成してもよいし(図中、コバルト膜層と白金膜層として示す。以下同じ)、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜で構成してもよい(図示省略、ただし、白金膜層を、前記コバルト膜層以外の磁性薄膜層とすれば、図2〜4の構成となる)。さらには、図5(a)、(b)に示すように、合金膜層、遷移金属と貴金属との多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層との多層膜を一部に含む構成としてもよい。(図中、合金膜層と、遷移金属と貴金属との多層膜からなる多層膜として図示している)。なお、前記合金膜層や遷移金属と貴金属との多層膜以外に、他の金属等を用いてもよい。また、前記合金膜層や多層膜の自由磁化膜層24における位置は、図5(a)、(b)の形態に限られるものではなく、例えば、自由磁化膜層24の中央に配置されていてもよい。
The free magnetic film layer 24 is entirely or partly a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a multilayer film in which thin film layers made of the transition metal and thin film layers made of the noble metal are alternately laminated, or A multilayer film in which a cobalt film layer (Co film layer) and magnetic thin film layers other than the cobalt film layer are alternately stacked is preferable.
That is, the free magnetic film layer 24 includes a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a multilayer film thereof, or a multilayer film of a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer. As shown in FIG. 1, the entire free magnetic film layer 24 may be composed of a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal (shown as an alloy film layer in the figure), or as shown in FIGS. These multilayer films may constitute the entire free magnetic film layer 24 (in the figure, shown as a cobalt film layer and a platinum film layer; the same applies hereinafter), or a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer and the cobalt film layer. (The illustration is omitted, but if the platinum film layer is a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer, the structure is as shown in FIGS. 2 to 4). Furthermore, as shown in FIGS. 5A and 5B, an alloy film layer, a multilayer film of a transition metal and a noble metal, or a multilayer film of a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer is provided. It is good also as a structure included in a part. (In the figure, it is illustrated as a multilayer film composed of an alloy film layer and a multilayer film of a transition metal and a noble metal). In addition to the alloy film layer and the multilayer film of transition metal and noble metal, other metals may be used. Further, the position of the alloy film layer or the multilayer film in the free magnetic film layer 24 is not limited to the form shown in FIGS. 5A and 5B, and is disposed, for example, in the center of the free magnetic film layer 24. May be.

遷移金属と貴金属を含む(用いる)ことで、あるいは、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜を含む(用いる)ことで、自由磁化膜層24において、酸化に強く、また熱耐性を高くすることができる。そのために、膜の高配向化のための熱処理や微細加エプロセス処理後においても、高い垂直磁気異方性を保持する素子とすることができる。   By including (using) a transition metal and a noble metal, or including (using) a multilayer film in which a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer are alternately stacked, Resistant to oxidation and heat resistance can be increased. Therefore, it is possible to obtain an element that retains high perpendicular magnetic anisotropy even after heat treatment for fine orientation of the film or after a fine heat treatment process.

ここでは、一例として、自由磁化膜層24を遷移金属(Co)からなる薄膜層(コバルト膜層)と貴金属(Pt)からなる薄膜層(白金膜層)を交互に積層した多層構造(以下、「Co/Pt多層膜」という)として構成した場合について、図2〜4を参照して説明する。   Here, as an example, the free magnetic film layer 24 is a multilayer structure in which thin film layers (cobalt film layer) made of transition metal (Co) and thin film layers (platinum film layer) made of noble metal (Pt) are alternately stacked (hereinafter, A case where it is configured as “Co / Pt multilayer” will be described with reference to FIGS.

コバルト膜層および白金膜層の厚さや、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、特に限定されるものではないが、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、コバルト膜層の厚さは、0.2〜0.5nmが好ましく、白金膜層の厚さは、0.8〜1.0nmが好ましく、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、コバルト膜層と白金膜層を一組として、1〜8が好ましい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、自由磁化膜層24の厚さは、20nm以下とするのが好ましい。
なお、コバルト膜層や白金膜層以外の層を用いる場合も、同様である。
The thickness of the cobalt film layer and the platinum film layer and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer are not particularly limited, but if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thin, If the number is too small, the coercive force is lowered, while if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thick, or if the number of stacked layers is too large, the perpendicular magnetic anisotropy is deteriorated. Therefore, the thickness of the cobalt film layer is preferably 0.2 to 0.5 nm, the thickness of the platinum film layer is preferably 0.8 to 1.0 nm, and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer is 1-8 are preferable for a cobalt film layer and a platinum film layer as a set. From the viewpoint of coercive force and perpendicular magnetic anisotropy, the thickness of the free magnetic film layer 24 is preferably 20 nm or less.
The same applies when a layer other than the cobalt film layer or the platinum film layer is used.

また、自由磁化膜層24と非磁性中間膜層23の界面に配置される界面層(第2界面層)Sは、コバルト膜層(Co膜層)、ニッケル膜層(Ni膜層)、鉄膜層(Fe膜層)の単層膜で形成するか、Co、Ni、Feのいずれかを含む層(例えば、CoFe合金層、CoFeB合金層、NiFe合金層)で形成するのが好ましい。固定磁化膜層22の場合と同様に、これらの層を用いることで、非磁性中間膜層23にアルミナ(Al)等のアモルファス絶縁体を用いてトンネル電流を流すことやマグネシア(MgO)の(100)結晶と組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことにより、駆動電流を低減することができる。なお、第2界面層Sの厚さは、自由磁化膜層24を構成するコバルト膜層の1層の厚さに等しくする必要はなく、0.1〜1nmの範囲であれば、自由磁化膜層24の垂直磁気異方性は劣化しない。 Further, the free magnetic layer 24 and the nonmagnetic intermediate interface layer disposed at the interface of the membrane layer 23 (second interface layer) S 2 is cobalt film layer (Co layer), a nickel film layer (Ni layer), It is preferable to form a single layer film of an iron film layer (Fe film layer) or a layer containing any one of Co, Ni, and Fe (for example, a CoFe alloy layer, a CoFeB alloy layer, a NiFe alloy layer). As in the case of the fixed magnetization film layer 22, by using these layers, a tunnel current is allowed to flow in the nonmagnetic intermediate film layer 23 using an amorphous insulator such as alumina (Al 2 O 3 ) or magnesia (MgO The driving current can be reduced by passing a coherent tunnel current in combination with the (100) crystal. The thickness of the second interface layer S 2 need not be equal to the thickness of one layer of cobalt film layer constituting the free magnetic layer 24, be in the range of 0.1 to 1 nm, the free magnetization The perpendicular magnetic anisotropy of the film layer 24 does not deteriorate.

[保護膜層]
保護膜層25は、必要に応じて、自由磁化膜層24の上側、すなわち、自由磁化膜層24と上部電極12の間に設けられる層である。保護膜層25は、自由磁化膜層24の酸化等のダメージを防止する役割を担う層であり、特に、スピン注入磁化反転素子11を形成する際の熱処理(後記する)における自由磁化膜層24の酸化を防止する。また、保護膜層25を構成する材料には、熱処理の際に自由磁化膜層24を構成する材料と反応しない性質が求められる。さらに、スピン注入磁化反転素子11を光変調素子として用いる場合には、保護膜層25には、透光性に優れ、自由磁化膜層24の磁気カー効果を低下させない特性(換言すれば、入射光と反射光の偏光面を散乱させない特性)を有していることが要求される。このような要求を満たす材料として、Ta、Ru等を用いることができる。特にRuは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明のスピン注入磁化反転素子11に用いることが好ましい。
[Protective film layer]
The protective film layer 25 is a layer provided above the free magnetic film layer 24, that is, between the free magnetic film layer 24 and the upper electrode 12 as necessary. The protective film layer 25 is a layer that plays a role of preventing damage such as oxidation of the free magnetic film layer 24, and in particular, the free magnetic film layer 24 in heat treatment (described later) when forming the spin transfer magnetization switching element 11. Prevent oxidation. The material constituting the protective film layer 25 is required to have a property that does not react with the material constituting the free magnetic film layer 24 during heat treatment. Further, when the spin injection magnetization reversal element 11 is used as a light modulation element, the protective film layer 25 is excellent in translucency and does not deteriorate the magnetic Kerr effect of the free magnetization film layer 24 (in other words, incident light). It is required to have a characteristic that does not scatter the polarization planes of light and reflected light. Ta, Ru, or the like can be used as a material that satisfies such requirements. In particular, Ru is preferably used for the spin-injection magnetization reversal element 11 of the present invention because the resistivity does not increase even if it is oxidized itself.

このスピン注入磁化反転素子11は、図1〜5に示すように、一対の電極である上部電極12と下部電極13に上下で接続されて、膜面に垂直に電流を供給される。また、上部電極12と下部電極13の隙間、すなわちスピン注入磁化反転素子11の側面に隣接する領域には絶縁体15が埋め込まれている。   As shown in FIGS. 1 to 5, the spin injection magnetization reversal element 11 is connected to an upper electrode 12 and a lower electrode 13, which are a pair of electrodes, at the top and bottom, and is supplied with a current perpendicular to the film surface. An insulator 15 is embedded in a gap between the upper electrode 12 and the lower electrode 13, that is, in a region adjacent to the side surface of the spin transfer magnetization switching element 11.

<下部電極>
下部電極13は、スピン注入磁化反転素子11に電圧(電流)を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。下部電極13を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅(Cu)が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金(Au)や白金(Pt)等の貴金属を用いてもよい。また、IZO、ITO等の透明電極材料を用いてもよい。なお、上部電極12と下部電極13のいずれか、またはその両方をIZO、ITO等の透明電極にすることで、後記するスピン注入型の光変調素子を形成することができる。下部電極13の幅は、下部電極13上に形成するスピン注入磁化反転素子11の形状に合わせて、適宜、定められる。
<Lower electrode>
The lower electrode 13 is one of a pair of electrodes for applying a voltage (current) to the spin injection magnetization switching element 11. As the material constituting the lower electrode 13, copper (Cu) that is inexpensive and excellent in electrical conductivity is preferably used. However, the material is not limited to this, and noble metals such as gold (Au) and platinum (Pt) are used. It may be used. Moreover, you may use transparent electrode materials, such as IZO and ITO. Note that a spin injection type light modulation element to be described later can be formed by using either or both of the upper electrode 12 and the lower electrode 13 as transparent electrodes such as IZO and ITO. The width of the lower electrode 13 is appropriately determined according to the shape of the spin transfer magnetization switching element 11 formed on the lower electrode 13.

<上部電極>
上部電極12は、スピン注入磁化反転素子11に電圧(電流)を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。上部電極12を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅(Cu)が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金(Au)や白金(Pt)等の貴金属を用いてもよい。また、IZO、ITO等の透明電極材料を用いてもよい。
<Upper electrode>
The upper electrode 12 is one of a pair of electrodes for applying a voltage (current) to the spin injection magnetization switching element 11. As the material constituting the upper electrode 12, copper (Cu) that is inexpensive and excellent in electrical conductivity is preferably used. However, the material is not limited to this, and a noble metal such as gold (Au) or platinum (Pt) is used. It may be used. Moreover, you may use transparent electrode materials, such as IZO and ITO.

<絶縁体>
絶縁体15は、上部電極12および下部電極13の間に設けられる、これらの電極間を絶縁するための部材である。絶縁体15としては、SiO2やAl23等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
<Insulator>
The insulator 15 is a member provided between the upper electrode 12 and the lower electrode 13 for insulating between these electrodes. As the insulator 15, a conventionally known insulating material such as SiO 2 or Al 2 O 3 may be used.

このスピン注入磁化反転素子11は、例えば、磁気抵抗効果素子として、磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)や、光変調素子として、光変調器に用いることができる。以下、スピン注入磁化反転素子11を用いたMRAMおよび光変調器の一例について説明するが、MRAMや、光変調器の構成としてはこれに限定されるものではない。   This spin-injection magnetization reversal element 11 can be used for a magnetic random access memory (MRAM) as a magnetoresistive effect element or an optical modulator as an optical modulation element, for example. Hereinafter, an example of the MRAM and the optical modulator using the spin transfer magnetization switching element 11 will be described, but the configuration of the MRAM and the optical modulator is not limited to this.

≪磁気ランダムアクセスメモリ≫
磁気ランダムアクセスメモリは、前記記載のスピン注入磁化反転素子を用いたものであり、例えば、二次元アレイ状または三次元アレイ状に配置されてなるものである。
≪Magnetic random access memory≫
The magnetic random access memory uses the above-described spin-injection magnetization reversal element, and is, for example, arranged in a two-dimensional array or a three-dimensional array.

図6に示すように、MRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)100は、複数のセル101を備えている。本実施形態では、セル101は、平面視で4×4のマトリクス状に2次元配列されている(二次元アレイ状に配置されている)。なお、MRAM100は、ビット線選択部102と、ゲート配線選択部103と、電流源104と、電流制御部105と共に、記録装置Rを構成する。   As shown in FIG. 6, the MRAM (magnetic random access memory) 100 includes a plurality of cells 101. In the present embodiment, the cells 101 are two-dimensionally arranged in a 4 × 4 matrix shape in a plan view (arranged in a two-dimensional array shape). The MRAM 100 constitutes a recording apparatus R together with the bit line selection unit 102, the gate wiring selection unit 103, the current source 104, and the current control unit 105.

<制御装置>
制御装置106は、4本のビット線107から電流を流すビット線107を選択するビット線選択部102と、4本のゲート配線108から電流を流すゲート配線108を選択するゲート配線選択部103と、ビット線選択部102およびゲート配線選択部103に電流を供給する電流源104と、ビット線選択部102、ゲート配線選択部103および電流源104を制御する電流制御部105とを備えている。
<Control device>
The control device 106 includes a bit line selection unit 102 that selects a bit line 107 that allows current to flow from four bit lines 107, and a gate wiring selection unit 103 that selects a gate wiring 108 that allows current to flow from four gate lines 108. A current source 104 that supplies current to the bit line selection unit 102 and the gate wiring selection unit 103, and a current control unit 105 that controls the bit line selection unit 102, the gate wiring selection unit 103, and the current source 104.

ビット線選択部102は、横方向に配置したセル101を選択し、ゲート配線選択部103は、縦方向に配置したセル101を選択する。これらビット線選択部102およびゲート配線選択部103によって、1個のセル101が特定されることとなる。
電流源104は、セル101にパルス電流を供給するものである。なお、直流電流を供給するように構成してもよい。
電流制御部105は、ビット線選択部102、ゲート配線選択部103および電流源104を制御するものである。この電流制御部105は、各セル101に流れる電流の方向および大きさを制御して、各セル101にスピン注入することによって、セル101中の磁気抵抗効果素子(MR素子)11(図7参照)の磁化を反転させる。MR素子11はスピン注入磁化反転素子であり、具体的には、CPP−GMR素子またはTMR素子である。なお、MRAM100における制御装置の作用機構の詳細は、後記する光変調器10における制御装置と同様である。
The bit line selection unit 102 selects the cells 101 arranged in the horizontal direction, and the gate line selection unit 103 selects the cells 101 arranged in the vertical direction. One bit 101 is specified by the bit line selection unit 102 and the gate wiring selection unit 103.
The current source 104 supplies a pulse current to the cell 101. In addition, you may comprise so that a direct current may be supplied.
The current control unit 105 controls the bit line selection unit 102, the gate wiring selection unit 103, and the current source 104. The current control unit 105 controls the direction and magnitude of the current flowing in each cell 101 and spin-injects into each cell 101, whereby the magnetoresistive effect element (MR element) 11 in the cell 101 (see FIG. 7). ) Is reversed. The MR element 11 is a spin injection magnetization reversal element, specifically, a CPP-GMR element or a TMR element. The details of the operation mechanism of the control device in the MRAM 100 are the same as those of the control device in the optical modulator 10 described later.

<MRAM>
図7は、図6に示したMRAMの1セルを模式的に示す断面図である。図7に示すように、セル101において、MR素子11の上面は、上部電極12を介してビット線107と接続されている。また、MR素子11の下面は、下部電極13、引き出し電極111、プラグ112を介して、半導体基板120の表面のソース/ドレイン領域のうち、ドレイン領域113aと接続されている。ドレイン領域113aは、ソース領域113b、基板120上に形成されたゲート絶縁膜114、ゲート絶縁膜114上に形成されたゲート配線(ゲート電極)108と共に、選択トランジスタTrを構成する。選択トランジスタTrとMR素子11とは、MRAM100の1つのセル101を構成する。ソース領域113bは、プラグ115を介してもう1つのビット線(配線層)116と接続されている。そして、MR素子11の周囲には、絶縁材(絶縁体15)が配置されている。なお、引き出し電極111を用いずに、下部電極13の下方にプラグ112が設けられ、下部電極13とプラグ112が直接接続されていてもよい。
<MRAM>
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing one cell of the MRAM shown in FIG. As shown in FIG. 7, in the cell 101, the upper surface of the MR element 11 is connected to the bit line 107 through the upper electrode 12. The lower surface of the MR element 11 is connected to the drain region 113 a of the source / drain regions on the surface of the semiconductor substrate 120 through the lower electrode 13, the extraction electrode 111, and the plug 112. The drain region 113a constitutes a selection transistor Tr together with the source region 113b, the gate insulating film 114 formed on the substrate 120, and the gate wiring (gate electrode) 108 formed on the gate insulating film 114. The selection transistor Tr and the MR element 11 constitute one cell 101 of the MRAM 100. The source region 113 b is connected to another bit line (wiring layer) 116 through a plug 115. An insulating material (insulator 15) is disposed around the MR element 11. Instead of using the extraction electrode 111, a plug 112 may be provided below the lower electrode 13, and the lower electrode 13 and the plug 112 may be directly connected.

<電流制御部の機能>
次に、電流制御部105の行うスピン注入についてして説明する。MR素子11は、膜面を貫いて流れる電流の方向に応じて、2つの定常状態の一方を取るように構成された素子である。各定常状態を、“0”データ、“1”データに対応させることによって、MR素子11は、2値のデータを記憶できる。そして、MR素子11は、スピン注入書き込み方式によって、磁化の状態が変化し、この状態に応じた情報を記憶する。例えば、MR素子11に対して、上部電極12と下部電極13との間で、電流が上部電極12側から下部電極13側へと膜面に垂直に流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化(スピン)の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きと同じになる。この低抵抗状態に対して、記録ビットに「0」の値を割り当てることができる。一方、下部電極13側から上部電極12側へと膜面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きとは逆になる。この高抵抗状態に対して、記録ビットに「1」の値を割り当てることができる。
電流制御部105は、このように、MR素子11に流す電流の大きさや向きを変化させることで、スピン注入を行い、自由磁化膜層24の磁化方向の向きや大きさを制御することができる。
<Function of current controller>
Next, spin injection performed by the current control unit 105 will be described. The MR element 11 is an element configured to take one of two steady states according to the direction of current flowing through the film surface. By making each steady state correspond to “0” data and “1” data, the MR element 11 can store binary data. The MR element 11 changes the magnetization state by the spin injection writing method, and stores information corresponding to this state. For example, with respect to the MR element 11, when the current flows between the upper electrode 12 and the lower electrode 13 from the upper electrode 12 side to the lower electrode 13 side perpendicularly to the film surface, the free magnetization film The magnetization (spin) direction in the layer 24 is the same as the magnetization direction in the fixed magnetic film layer 22. For this low resistance state, a value of “0” can be assigned to the recording bit. On the other hand, when a current flows perpendicularly to the film surface from the lower electrode 13 side to the upper electrode 12 side, the magnetization direction in the free magnetization film layer 24 is the magnetization direction in the fixed magnetization film layer 22. Vice versa. For this high resistance state, a value of “1” can be assigned to the recording bit.
In this way, the current control unit 105 can control the direction and magnitude of the magnetization direction of the free magnetic film layer 24 by performing spin injection by changing the magnitude and direction of the current flowing through the MR element 11. .

そして、MR素子11として本発明のスピン注入磁化反転素子11を用いるため、メモリを高密度化することができ、また、磁化反転電流の低減を図ることができる。   Since the spin-injection magnetization reversal element 11 of the present invention is used as the MR element 11, the memory can be densified and the magnetization reversal current can be reduced.

なお、2次元配列されたセル101を高さ方向に積み重ね、3次元配列(三次元アレイ状に配置)してもよい。3次元配列の立体構造とすることで、体積密度を高めることができ、さらにメモリを高密度化することができる。   Note that the two-dimensionally arranged cells 101 may be stacked in the height direction to form a three-dimensional array (arranged in a three-dimensional array). By using a three-dimensional array structure, the volume density can be increased and the memory density can be increased.

≪光変調器≫
光変調器は、前記記載のスピン注入磁化反転素子を用いたものであり、前記スピン注入磁化反転素子が、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光または透過光の偏光方向を変化させる光変調素子である。そして、光変調器は、例えば、このような光変調素子を二次元アレイ状(二次元マトリックス状)に配置することにより、メサ構造を有する。
≪Optical modulator≫
The optical modulator uses the spin-injection magnetization reversal element described above, and the light incident on the free magnetization film layer by the spin-injection magnetization reversal element changing the magnetization state in the free magnetization film layer. The light modulation element changes the polarization direction of the reflected light or transmitted light with respect to the polarization direction of the light. The optical modulator has a mesa structure, for example, by arranging such optical modulation elements in a two-dimensional array (two-dimensional matrix).

[第1実施形態]
第1実施形態に係る光変調器は、光変調素子(スピン注入磁化反転素子)の自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって、前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光の偏光方向を変化させるものである。
[First Embodiment]
The light modulator according to the first embodiment changes the magnetization state in the free magnetic film layer of the light modulation element (spin injection magnetization reversal element), thereby changing the polarization direction of light incident on the free magnetic film layer. The polarization direction of the reflected light is changed.

図8(a),(b)に示すように、光変調器(空間光変調器)10は、基板14と、基板14上に一定間隔で平行に設けられた帯状の下部電極13と、下部電極13上に一定間隔で設けられた光変調素子(スピン注入磁化反転素子)11と、下部電極13とで光変調素子11を挟むように一定間隔で平行に設けられた帯状の上部電極(上部透明電極)12と、を備えている。また、後記するように、上部電極12の上方には、ハーフミラー16、偏光フィルタ17、18が配置されており、光変調素子11からの反射光をハーフミラー16で反射させ、反射光の偏光面の角度に応じて、偏光フィルタ18が、その反射光を透過し或いは遮光する(図9参照)。   As shown in FIGS. 8A and 8B, an optical modulator (spatial light modulator) 10 includes a substrate 14, a strip-like lower electrode 13 provided in parallel on the substrate 14 at regular intervals, and a lower portion. A strip-shaped upper electrode (upper portion) provided in parallel at regular intervals so as to sandwich the optical modulation device 11 between the light modulation device (spin injection magnetization reversal element) 11 provided on the electrode 13 at regular intervals and the lower electrode 13. Transparent electrode) 12. Further, as will be described later, a half mirror 16 and polarizing filters 17 and 18 are disposed above the upper electrode 12, and the reflected light from the light modulation element 11 is reflected by the half mirror 16 to polarize the reflected light. Depending on the angle of the surface, the polarizing filter 18 transmits or blocks the reflected light (see FIG. 9).

<基板>
基板14は、下部電極13、光変調素子11および上部電極12を形成するための土台となるものである。光変調器10では、後記するように、光変調素子11に入射した後に反射される光を利用するため、第1実施形態においては、基板14に透光性は要求されず、下部電極13、光変調素子11および上部電極12を形成(成膜)する際の成膜環境に耐えられるものであればよい。したがって、基板14としては、シリコン基板(Siウエハ)、プラスチック基板、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。
<Board>
The substrate 14 serves as a base for forming the lower electrode 13, the light modulation element 11, and the upper electrode 12. As will be described later, since the light modulator 10 uses light reflected after being incident on the light modulation element 11, in the first embodiment, the substrate 14 is not required to transmit light, and the lower electrode 13, What is necessary is just to be able to endure the film forming environment when forming (film forming) the light modulation element 11 and the upper electrode 12. Therefore, a silicon substrate (Si wafer), a plastic substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, or the like can be used as the substrate 14.

<下部電極>
下部電極13は、光変調素子11に電圧(電流)を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。光変調器10では、ここでは、光変調素子11を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、下部電極13は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で基板14上に設けられている。その他については、前記スピン注入磁化反転素子の項目で説明したとおりである。
<Lower electrode>
The lower electrode 13 is one of a pair of electrodes for applying a voltage (current) to the light modulation element 11. In the light modulator 10, here, the light modulation elements 11 are two-dimensionally arranged at regular intervals in the vertical and horizontal directions. Therefore, the lower electrode 13 has a strip shape and is formed on the substrate 14 at a constant width and a constant interval. Is provided. Others are the same as described in the item of the spin injection magnetization switching element.

<上部電極>
上部電極12は、光変調素子11に電圧(電流)を印加するための一対の電極のうち、片方の電極である。光変調器10では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子11の中から選ばれる任意の素子に電圧を印加することができるように、上部電極12は、一定幅の帯状形状を有し、その長手方向が下部電極13の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されている。その他については、前記スピン注入磁化反転素子の項目で説明したとおりである。
<Upper electrode>
The upper electrode 12 is one of a pair of electrodes for applying a voltage (current) to the light modulation element 11. In the optical modulator 10, the upper electrode 12 has a belt-like shape with a constant width so that a voltage can be applied to an arbitrary element selected from the light modulation elements 11 that are two-dimensionally arranged at regular intervals in the vertical and horizontal directions. And arranged in parallel at regular intervals so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the longitudinal direction of the lower electrode 13. Others are the same as described in the item of the spin injection magnetization switching element.

<光変調素子>
光変調素子11は、下部電極13と上部電極12との間に一定の電圧(電流)を印加したときに、光変調素子11に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて反射する役割を担う。光変調素子11の平面視(図8(a))での大きさは、例えば、100nm×300nmの大きさからなり、光変調器10では、光変調素子11は、二次元マトリックス状(縦横に一定間隔で二次元配置された状態)に配置されており、1個の光変調素子11が1画素となっているが、光変調素子11は2個以上から構成されていてもよい。また、光変調素子11の形状は長方形(矩形)に限定されるものではない。光変調素子11同士の間隔は、上部電極12、下部電極13および光変調素子11の成膜技術(半導体製造プロセスが好適に用いられる)の精度に依存し、適宜、定められる。
<Light modulation element>
When a constant voltage (current) is applied between the lower electrode 13 and the upper electrode 12, the light modulation element 11 rotates the polarization plane of incident light incident on the light modulation element 11 by a Kerr effect. Plays the role of reflection. The size of the light modulation element 11 in plan view (FIG. 8A) is, for example, 100 nm × 300 nm. In the light modulator 10, the light modulation element 11 is in a two-dimensional matrix (vertically and horizontally). Although one light modulation element 11 is one pixel, the light modulation element 11 may be composed of two or more. Further, the shape of the light modulation element 11 is not limited to a rectangle (rectangle). The distance between the light modulation elements 11 depends on the accuracy of the film formation technique (a semiconductor manufacturing process is preferably used) of the upper electrode 12, the lower electrode 13, and the light modulation element 11, and is determined as appropriate.

<制御装置>
図8(a)に示すように、この光変調器10の駆動(動作)は制御装置80によって制御され、制御装置80は、複数の下部電極13の中から電圧を印加する電極を選択する下部電極選択部82と、複数の上部電極12の中から電圧を印加する電極を選択する上部電極選択部83と、下部電極選択部82と上部電極選択部83とに電力を供給する電源81と、下部電極選択部82と上部電極選択部83および電源81の動作制御を司る制御部84とを備えている。
<Control device>
As shown in FIG. 8A, the drive (operation) of the optical modulator 10 is controlled by the control device 80, and the control device 80 selects the electrode to which the voltage is applied from the plurality of lower electrodes 13. An electrode selection unit 82; an upper electrode selection unit 83 that selects an electrode to which a voltage is applied from the plurality of upper electrodes 12; a power source 81 that supplies power to the lower electrode selection unit 82 and the upper electrode selection unit 83; A lower electrode selection unit 82, an upper electrode selection unit 83, and a control unit 84 that controls operation of the power source 81 are provided.

下部電極選択部82は、複数の下部電極13にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。上部電極選択部83もこれと同様に、複数の上部電極12にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源81から一定電圧が供給されており、駆動対象となる光変調素子11に下部電極13を介して接続されているスイッチング素子および上部電極12を介して接続されているスイッチング素子が、制御部84からの指令(動作信号)を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子11に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調素子11の選択と、この光変調素子11を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、制御部84によって行われる。   The lower electrode selection unit 82 includes a plurality of switching elements provided corresponding to the plurality of lower electrodes 13 respectively. Similarly, the upper electrode selection unit 83 includes a plurality of switching elements provided corresponding to the plurality of upper electrodes 12, respectively. A constant voltage is supplied to each switching element from a power supply 81, and the switching element connected to the light modulation element 11 to be driven via the lower electrode 13 and the switching element connected via the upper electrode 12 However, a voltage is applied to the light modulation element 11 by conducting a conduction operation in response to a command (operation signal) from the control unit 84. Selection of the light modulation element 11 to be driven and operation control of the switching element for driving the light modulation element 11 are performed by the control unit 84.

電源81は電圧反転機能を備えている。つまり、下部電極13に正電圧を印加すると共に、上部電極12に負電圧を印加することができ、逆に、下部電極13に負電圧を印加すると共に、上部電極12に正電圧を印加することもできるようになっている。この電源81の電圧反転機能の制御もまた制御部84により行われる。制御部84は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がROMに格納されたプログラムを実行することにより、電源81、下部電極選択部82および上部電極選択部83の動作制御が行われる。   The power supply 81 has a voltage inversion function. That is, a positive voltage can be applied to the lower electrode 13 and a negative voltage can be applied to the upper electrode 12. Conversely, a negative voltage can be applied to the lower electrode 13 and a positive voltage can be applied to the upper electrode 12. You can also. The control of the voltage inversion function of the power supply 81 is also performed by the control unit 84. The control unit 84 is a so-called computer, and operation control of the power supply 81, the lower electrode selection unit 82, and the upper electrode selection unit 83 is performed by a central processing unit (not shown) executing a program stored in the ROM.

ここで、偏向フィルタについて、図9を参照して説明する。
<偏光フィルタ>
図9(a),(b)において、偏向軸70で示される光では、偏向軸は、ランダムな方向に向いている。偏光フィルタ17は、光変調素子11へ入射する光が偏光軸71で示される所定方向となるように、偏向軸を揃える役割を果たす。偏光フィルタ18は、ハーフミラー16で反射させた光変調素子11からの反射光を、その偏光軸の角度によって、透過させたり遮光したりする役割を果たす。この図9(a),(b)に示されている状態について、図9を参照して以下に説明する。
Here, the deflection filter will be described with reference to FIG.
<Polarizing filter>
9A and 9B, in the light indicated by the deflection axis 70, the deflection axis is directed in a random direction. The polarizing filter 17 serves to align the deflection axes so that light incident on the light modulation element 11 is in a predetermined direction indicated by the polarization axis 71. The polarizing filter 18 plays a role of transmitting or shielding the reflected light from the light modulation element 11 reflected by the half mirror 16 depending on the angle of the polarization axis. The states shown in FIGS. 9A and 9B will be described below with reference to FIG.

<光変調素子の駆動>
図9に第1実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層の磁気カー効果との関係を模式的に表した図を示す。図9(a),(b)には、それぞれ、下部電極13と上部電極12とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。図9(a),(b)に示す固定磁化膜層22および自由磁化膜層24の各層内に示される矢印は磁化の向き(スピンの向き)を表している。また、以下、固定磁化膜層22は、磁化が上向きに固定され、自由磁化膜層24は、初期状態では、磁化が下を向いているとする。
<Driving of light modulation element>
FIG. 9 schematically shows the relationship between the voltage application mode to the light modulation element and the magnetic Kerr effect of the free magnetic film layer in the first embodiment. FIGS. 9A and 9B show forms in which the positive and negative voltages applied to the lower electrode 13 and the upper electrode 12 are reversed. The arrows shown in each of the fixed magnetic film layer 22 and the free magnetic film layer 24 shown in FIGS. 9A and 9B indicate the magnetization directions (spin directions). Hereinafter, it is assumed that the magnetization of the fixed magnetization film layer 22 is fixed upward, and the magnetization of the free magnetization film layer 24 is downward in the initial state.

図9(a)に示すように、上部電極12と下部電極13との間で電流が上部電極12側から下部電極13側へと膜層面に垂直に流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化(スピン)の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きと同じになる。一方、図9(b)に示すように、下部電極13側から上部電極12側へと膜層面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きとは逆になる。このように、上部電極12と下部電極13との間で流す電流の向きによって、自由磁化膜層24における磁化の状態が変化する。この磁化の状態変化は、数ns〜数十ns(ns:ナノ秒)と極めて高速である。なお、流す電流の大きさは、光変調素子11の面積によって変わってくるが、非磁性中間膜層23にCu等の金属薄膜を使用したCPP−GMR構造である場合、磁化反転に必要な電流密度は、約10〜10A/cm台となる。また、非磁性中間膜層23にMgO等の極薄絶縁層を用いたTMR構造である場合、上記値より一桁程度低い値になることが期待される。 As shown in FIG. 9A, when the current flows between the upper electrode 12 and the lower electrode 13 from the upper electrode 12 side to the lower electrode 13 side perpendicularly to the film layer surface, the free magnetic film The magnetization (spin) direction in the layer 24 is the same as the magnetization direction in the fixed magnetic film layer 22. On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the current flows perpendicularly to the film layer surface from the lower electrode 13 side to the upper electrode 12 side, the magnetization direction in the free magnetic film layer 24 is fixed. This is opposite to the magnetization direction in the magnetic film layer 22. Thus, the state of magnetization in the free magnetic film layer 24 changes depending on the direction of the current flowing between the upper electrode 12 and the lower electrode 13. This change in state of magnetization is extremely fast, from several ns to several tens ns (ns: nanoseconds). Although the magnitude of the current to flow varies depending on the area of the light modulation element 11, in the case of a CPP-GMR structure using a metal thin film such as Cu for the nonmagnetic intermediate film layer 23, the current required for magnetization reversal The density is about 10 7 to 10 8 A / cm 2 . In addition, in the case of a TMR structure using an extremely thin insulating layer such as MgO for the nonmagnetic intermediate film layer 23, it is expected to be a value that is about an order of magnitude lower than the above value.

偏光フィルタ17を通過することにより偏光軸71で示される所定の偏光軸を有する入射光が、図9(a),(b)に示す各光変調素子11へ入射すると、自由磁化膜層24によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した反射光となって、各光変調素子11から射出される。ここでは、カー回転角について、図9(a)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される右回転が生じる方向を「正方向(+方向、+θ)」とし、図9(b)の光変調素子11の場合のように、偏光軸73で示される左回転が生じる方向を「負方向(−方向、−θ)」とする。   When incident light having a predetermined polarization axis indicated by the polarization axis 71 by passing through the polarization filter 17 is incident on each light modulation element 11 shown in FIGS. 9A and 9B, the free magnetic film layer 24 Due to the Kerr effect, the polarized light is reflected by a predetermined angle and emitted from each light modulation element 11. Here, with respect to the Kerr rotation angle, as in the case of the light modulation element 11 in FIG. 9A, the direction in which the right rotation indicated by the polarization axis 72 occurs is “positive direction (+ direction, + θ)”. As in the case of the light modulation element 11 in (b), the direction in which the left rotation indicated by the polarization axis 73 occurs is defined as “negative direction (−direction, −θ)”.

そこで、反射光の進行方向に、ハーフミラー16を配置すると、反射光は、ハーフミラー16で反射する。そして、ハーフミラー16での反射光の進行方向に、偏光フィルタ18として偏光軸72と平行な偏光軸を有するものを配置すると、図9(a)の場合の反射光は偏光フィルタ18を通過することができるが、図9(b)の場合の反射光は偏光フィルタ18を通過することができない状態を作り出すことができる。光変調器10は、前記の通りに上部電極12と下部電極13とを選択的に駆動(電圧印加)して所望の光変調素子11に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子11毎に(画素毎に)自由磁化膜層24の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ18を通過可能な反射光とするか通過不能な反射光とするかによって、反射光の強弱(コントラスト)を制御することができる。   Therefore, when the half mirror 16 is arranged in the traveling direction of the reflected light, the reflected light is reflected by the half mirror 16. When a polarizing filter 18 having a polarization axis parallel to the polarization axis 72 is arranged in the traveling direction of the reflected light at the half mirror 16, the reflected light in the case of FIG. 9A passes through the polarizing filter 18. However, the reflected light in the case of FIG. 9B can create a state where it cannot pass through the polarizing filter 18. As described above, the optical modulator 10 can selectively drive (apply voltage) the upper electrode 12 and the lower electrode 13 to allow a current to flow through the desired optical modulation element 11. The direction of magnetization of the free magnetic film layer 24 is controlled for each modulation element 11 (for each pixel) by the direction of current, and reflected depending on whether the reflected light can pass through the polarizing filter 18 or not. Light intensity (contrast) can be controlled.

また、自由磁化膜層24による磁気カー効果の大きさ(カー回転角の大きさ)によって反射光のコントラストの強弱比が決まる。図9(a),(b)に示すように、反射光を透過するかまたは遮光するかの状態の場合(つまり、カー回転角が一定角度以上ある場合)には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図9(a)のように自由磁化膜層24の磁化の向きが上向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に図9(b)のように自由磁化膜層の磁化の向きが下向きである場合には「暗状態」となる。   The contrast ratio of the reflected light is determined by the magnitude of the magnetic Kerr effect (the magnitude of the Kerr rotation angle) by the free magnetic film layer 24. As shown in FIGS. 9A and 9B, when the reflected light is transmitted or blocked (that is, when the Kerr rotation angle is equal to or larger than a certain angle), a high contrast can be obtained. However, when the Kerr rotation angle is small, the contrast is low. When the magnetization direction of the free magnetic film layer 24 is upward as shown in FIG. 9A, the output of the photodetector becomes “bright state”, and conversely, the free magnetic film as shown in FIG. 9B. When the direction of magnetization of the layer is downward, it becomes a “dark state”.

このように、自由磁化膜層24の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって反射する光の偏光面を制御する光変調素子11として動作させることができる。なお、パルス印加後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流したり、電圧を印加したりする必要はない。すなわち、本発明の光変調素子11は自らメモリ機能を有する。   Thus, since the magnetization direction of the free magnetic film layer 24 can be controlled by the direction in which the pulse current flows, it can be operated as the light modulation element 11 that controls the polarization plane of the light reflected by the pulse current. . The direction of magnetization after applying the pulse is maintained as it is, and it is not necessary to separately pass a current or apply a voltage. That is, the light modulation element 11 of the present invention has its own memory function.

[第2実施形態]
第2実施形態に係る光変調器は、光変調素子(スピン注入磁化反転素子)の自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって、前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその透過光の偏光方向を変化させるものである。すなわち、入射光を、入射光が入射する側とは反対側に透過させ、透過光の偏光を検出するファラデー効果を利用するものである。
[Second Embodiment]
The optical modulator according to the second embodiment changes the magnetization state in the free magnetic film layer of the optical modulation element (spin injection magnetization reversal element), thereby changing the polarization direction of light incident on the free magnetic film layer. The polarization direction of the transmitted light is changed. That is, the Faraday effect is used in which incident light is transmitted to the side opposite to the side on which incident light is incident and the polarization of the transmitted light is detected.

第2実施形態では、偏光フィルタ18を入射光が入射する側とは、反対側に配置する(図10(a),(b)参照)。
光変調素子11は、下部電極13と上部電極12との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子11に入射した入射光の偏光面をファラデー効果により一定角度回転させて透過する役割を担う。
In the second embodiment, the polarizing filter 18 is disposed on the side opposite to the side on which incident light is incident (see FIGS. 10A and 10B).
When the light modulation element 11 applies a constant voltage between the lower electrode 13 and the upper electrode 12, the light modulation element 11 transmits the incident light incident on the light modulation element 11 by rotating the polarization plane of the incident light by a fixed angle by the Faraday effect. Take on.

そして、入射光を透過させるため、基板14や、下部電極13も、透過性を有する必要がある。そのため、基板14としては、石英ガラス等の透過性に優れた基板を用いる。下部電極13としては、IZO、ITO等の透明電極材料を用いてもよいし、Cu等の金属膜も、薄膜であれば、一定の透過性が得られるので、用いることが可能である。
その他の構成については、第1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
And in order to permeate | transmit incident light, the board | substrate 14 and the lower electrode 13 also need to have transparency. Therefore, as the substrate 14, a substrate having excellent transparency such as quartz glass is used. As the lower electrode 13, a transparent electrode material such as IZO or ITO may be used, and a metal film such as Cu can be used because it has a certain transparency if it is a thin film.
Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

<光変調素子の駆動>
図10に第2実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のファラデー効果との関係を模式的に表した図を示す。図10(a),(b)には、それぞれ、下部電極13と上部電極12とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。
なお、自由磁化膜層24における磁化の向きについての説明は、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
<Driving of light modulation element>
FIG. 10 schematically shows the relationship between the voltage application mode to the light modulation element and the Faraday effect of the free magnetic film layer in the second embodiment. FIGS. 10A and 10B show forms in which the positive and negative voltages applied to the lower electrode 13 and the upper electrode 12 are reversed.
In addition, since the description about the direction of magnetization in the free magnetic film layer 24 is the same as that of the first embodiment, the description is omitted here.

偏光フィルタ17を通過することにより偏光軸71で示される所定の偏光方向を有する入射光が、図10(a),(b)に示す各光変調素子11へ入射すると、自由磁化膜層24によるファラデー効果により、偏光方向が所定角度回転した透過光となって、各光変調素子11から射出される。ここでは、図10(a)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される右回転が生じる方向を「正方向(+方向、+θ)」とし、図10(b)の光変調素子11の場合のように、偏光軸73で示される左回転が生じる方向を「負方向(−方向、−θ)」とする。   When incident light having a predetermined polarization direction indicated by the polarization axis 71 by passing through the polarization filter 17 is incident on each light modulation element 11 shown in FIGS. 10A and 10B, the free magnetic film layer 24 Due to the Faraday effect, the polarized light is transmitted through a predetermined angle and emitted from each light modulation element 11. Here, as in the case of the light modulation element 11 in FIG. 10A, the direction in which the clockwise rotation indicated by the polarization axis 72 occurs is “positive direction (+ direction, + θ)”, and the light in FIG. As in the case of the modulation element 11, the direction in which the left rotation indicated by the polarization axis 73 occurs is defined as “negative direction (−direction, −θ)”.

そこで、透過光の進行方向に、偏光軸72と平行な偏光軸を有する偏光フィルタ18を配置すると、図10(a)の場合の透過光は偏光フィルタ18を通過することができるが、図10(b)の場合の透過光は偏光フィルタ18を通過することができない状態を作り出すことができる。こうして、偏光フィルタ18を通過する透過光を、光変調素子11ごとに(画素毎に)自由磁化膜層24の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ18を通過可能な透過光とするか通過不能な透過光とするかによって、反射光の強弱(コントラスト)を制御することができる。
その他の説明については、第1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
Therefore, if the polarizing filter 18 having a polarization axis parallel to the polarization axis 72 is arranged in the traveling direction of the transmitted light, the transmitted light in the case of FIG. 10A can pass through the polarizing filter 18. The transmitted light in the case of (b) can create a state where it cannot pass through the polarizing filter 18. Thus, the transmitted light that passes through the polarizing filter 18 is controlled by the direction of the current for each light modulation element 11 (for each pixel) by the direction of the current, and the transmitted light that can pass through the polarizing filter 18. The intensity of the reflected light (contrast) can be controlled depending on whether the transmitted light is transmitted or not transmitted.
Since other explanations are the same as those in the first embodiment, explanations are omitted here.

そして、光変調素子11として本発明のスピン注入磁化反転素子11を用いるため、高精細な光変調を高速に行うことができまた、磁化反転電流の低減を図ることができる。   Since the spin-injection magnetization reversal element 11 of the present invention is used as the light modulation element 11, high-definition light modulation can be performed at high speed and the magnetization reversal current can be reduced.

≪光変調器の製造方法≫
次に、光変調器の製造方法の一例について、図11を参照して説明する。なお、下地層21を構成するAgは、腐食性が高い材料であり、大気にさらされると、水分を吸収して腐食しやすくなり、また抵抗値が上がるため、下地層21をできるだけ露出させないようにするのが好ましい。よって、ここでは、下地層を露出させない方法の一例として、図4に示す形態を作製する場合について説明する。また、ここでは、光変調器を構成する1つの画素(光変調素子)が作製される場合を図示して説明する。
≪Method for manufacturing optical modulator≫
Next, an example of a method for manufacturing an optical modulator will be described with reference to FIG. Ag constituting the base layer 21 is a highly corrosive material, and when exposed to the atmosphere, it absorbs moisture and easily corrodes, and the resistance value increases, so that the base layer 21 is not exposed as much as possible. Is preferable. Therefore, here, as an example of a method in which the base layer is not exposed, a case where the mode illustrated in FIG. 4 is manufactured will be described. Here, a case where one pixel (light modulation element) constituting the light modulator is manufactured will be described with reference to the drawings.

光変調器の製造方法は、前記記載の光変調器の製造方法であり、素子構造体作製工程と、レジスト形成工程と、部分除去工程と、絶縁体堆積工程と、レジスト除去工程と、を含む。
以下、各工程について説明する。なお、ここでは、保護膜層25を設ける場合について図示する。
An optical modulator manufacturing method is the above-described optical modulator manufacturing method, and includes an element structure manufacturing step, a resist forming step, a partial removal step, an insulator deposition step, and a resist removal step. .
Hereinafter, each step will be described. Here, the case where the protective film layer 25 is provided is illustrated.

<素子構造体作製工程>
素子構造体作製工程は、基板14上に、下部電極13と、下地層21と、固定磁化膜層22と、非磁性中間膜層23と、自由磁化膜層24と、必要に応じて保護膜層25をこの順序で製膜して、これらの層からなる素子構造体(光変調素子)Cを作製する工程である。なお、基板14と下部電極13の間に、ルテニウム膜層(図示省略)を設けてもよい(ルテニウム膜層製膜工程)。この工程では、基板14上に下部電極13、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25の順に、スパッタリング法(例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング)等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜する(図11(a))。
<Element structure manufacturing process>
The element structure manufacturing process includes a lower electrode 13, an underlayer 21, a fixed magnetic film layer 22, a nonmagnetic intermediate film layer 23, a free magnetic film layer 24, and a protective film as necessary. In this step, the layer 25 is formed in this order to produce an element structure (light modulation element) C composed of these layers. A ruthenium film layer (not shown) may be provided between the substrate 14 and the lower electrode 13 (ruthenium film layer forming step). In this step, the lower electrode 13, the underlayer 21, the fixed magnetic film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetic film layer 24, and the protective film layer 25 are sequentially formed on the substrate 14 by a sputtering method (for example, magnetron sputtering, Using a known technique such as ion beam sputtering, a film is consistently formed in a vacuum (FIG. 11A).

固定磁化膜層22と自由磁化膜層24の成膜では、例えば、CoスパッタリングターゲットとPtスパッタリングターゲットとが装着可能で、これらのターゲットに選択的にスパッタリング電圧を印加することができる構造のスパッタ装置を用いることで、Co/Pt多層膜を容易に形成することができる。また、マグネトロンスパッタリングやイオンビームスパッタリングの他、1原子層をコントロール可能なMBE法等も使用できる。   In the formation of the fixed magnetic film layer 22 and the free magnetic film layer 24, for example, a sputtering apparatus having a structure in which a Co sputtering target and a Pt sputtering target can be mounted and a sputtering voltage can be selectively applied to these targets. By using this, a Co / Pt multilayer film can be easily formed. Further, in addition to magnetron sputtering and ion beam sputtering, MBE method capable of controlling one atomic layer can be used.

<レジスト形成工程>
レジスト形成工程は、素子構造体Cの上面に、レジストパターンを形成する工程である。この工程では、素子構造体Cの層上に、画素サイズのレジスト91を形成し、レジストパターンを形成する(図11(b))。レジスト91の形成は、例えば、100nm×300nmのレジストパターンをメサパターンとなるように、EB露光法等により形成する
<Resist formation process>
The resist formation step is a step of forming a resist pattern on the upper surface of the element structure C. In this step, a pixel-sized resist 91 is formed on the layer of the element structure C, and a resist pattern is formed (FIG. 11B). For example, the resist 91 is formed by an EB exposure method or the like so that a resist pattern of 100 nm × 300 nm becomes a mesa pattern.

<部分除去工程>
部分除去工程は、素子構造体Cにおいて、レジストパターンのレジスト91が形成されていない部位をエッチングまたはミリング加工により部分除去する工程である。この工程では、前記部位を、素子構造体Cの膜厚方向の所定位置まで(所定の厚み)部分除去するが、ここでは、非磁性中間膜層23が素子構造体Cの表面に露出するように(非磁性中間膜層23の表面が露出するように)部分除去を行う。すなわち、非磁性中間膜層23の上面まで(表面が露出するまで)、あるいは非磁性中間膜層23の途中まで部分除去を行う。つまり、素子構造体Cの層を、非磁性中間膜層23の手前まで、または途中までエッチングする、あるいはArイオン等によるイオンビームミリング法によってミリング加工する(図11(c))。このようにすれば、銀膜層のAgが大気にさらされることがないため、下地層21が腐食しにくく、また、抵抗値が上昇することもない。
<Partial removal process>
The partial removal step is a step of partially removing a portion of the element structure C where the resist 91 of the resist pattern is not formed by etching or milling. In this step, the portion is partially removed (predetermined thickness) to a predetermined position in the film thickness direction of the element structure C. Here, the nonmagnetic intermediate film layer 23 is exposed on the surface of the element structure C. First, partial removal is performed (so that the surface of the nonmagnetic intermediate film layer 23 is exposed). That is, partial removal is performed up to the upper surface of the nonmagnetic intermediate film layer 23 (until the surface is exposed) or halfway through the nonmagnetic intermediate film layer 23. That is, the layer of the element structure C is etched up to or before the nonmagnetic intermediate film layer 23, or is milled by an ion beam milling method using Ar ions or the like (FIG. 11C). In this way, Ag of the silver film layer is not exposed to the atmosphere, so that the underlying layer 21 is unlikely to corrode and the resistance value does not increase.

<絶縁体堆積工程>
絶縁体堆積工程は、部分除去された部位(溝)を有する素子構造体Cの上面に、絶縁体15を堆積する工程である。部分除去工程後、レジスト91を剥離せずに、アルミナや酸化珪素等の絶縁材料(絶縁体15)を全面に堆積し、ミリング加工等により形成された溝を絶縁体15で埋める(図11(d))。絶縁体15の形成は、反応性スパッタ法やCVD法、ゾル−ゲル法等により行うことができる。溝に堆積する絶縁体15の厚さは、溝深さと同程度か、それ以上厚くする。また、レジスト91を除去する前に堆積するため、レジスト91上にも絶縁体15が堆積する。
<Insulator deposition process>
The insulator deposition step is a step of depositing the insulator 15 on the upper surface of the element structure C having the part (groove) partially removed. After the partial removal step, an insulating material (insulator 15) such as alumina or silicon oxide is deposited on the entire surface without peeling off the resist 91, and a groove formed by milling or the like is filled with the insulator 15 (FIG. 11 ( d)). The insulator 15 can be formed by a reactive sputtering method, a CVD method, a sol-gel method, or the like. The thickness of the insulator 15 deposited in the groove is equal to or greater than the groove depth. In addition, since the insulator 91 is deposited before the resist 91 is removed, the insulator 15 is also deposited on the resist 91.

<レジスト除去工程>
レジスト除去工程は、レジスト91を除去する工程である。絶縁体15を堆積した後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ(レジスト91(レジストパターン)の剥離)する。あるいは、CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)法により、レジスト91を除去してもよい(図11(e))。なお、CMP処理等を行う場合には、素子構造体Cの最上部に形成されている保護膜層25(素子構造体Cの最上層)の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
<Resist removal process>
The resist removing process is a process of removing the resist 91. After the insulator 15 is deposited, it is immersed in a resist stripping solution and lifted off (the resist 91 (resist pattern) is stripped). Alternatively, the resist 91 may be removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method (FIG. 11E). When performing a CMP process or the like, the thickness of the protective film layer 25 (the uppermost layer of the element structure C) formed on the uppermost part of the element structure C is set to a predetermined value at the time of film formation. It may be formed thicker by the polishing thickness.

<上部電極形成工程>
上部電極形成工程は、レジスト91が除去された素子構造体Cの上面に、上部電極12を形成する工程である。
レジスト91を除去した後、保護膜層25(素子構造体Cの最上層)の上面(上部)に、上部電極12を形成する(図11(f))。上部電極12は、素子構造体Cが覆われるように、かつ、下部電極13のラインパターンと直交するように、所定間隔で形成する。この上部電極12の形成は、下部電極13の形成方法と同様にして行うことができる。
<Upper electrode formation process>
The upper electrode forming step is a step of forming the upper electrode 12 on the upper surface of the element structure C from which the resist 91 has been removed.
After removing the resist 91, the upper electrode 12 is formed on the upper surface (upper part) of the protective film layer 25 (the uppermost layer of the element structure C) (FIG. 11 (f)). The upper electrode 12 is formed at a predetermined interval so as to cover the element structure C and to be orthogonal to the line pattern of the lower electrode 13. The upper electrode 12 can be formed in the same manner as the lower electrode 13 is formed.

なお、図1、2、5の形態とする場合には、下部電極13が素子構造体Cの表面に露出するように(下部電極13の表面が露出するように)、すなわち、下部電極13の上面(手前)まで、または下部電極13の途中まで、ミリング加工等を行えばよく、図3の形態とする場合には、下地層21が素子構造体Cの表面に露出するように(下地層21の表面が露出するように)、すなわち、下地層21の上面(手前)まで、または下地層21の途中まで、ミリング加工等を行えばよく、その他については、前記と同様である。   1, 2, and 5, the lower electrode 13 is exposed on the surface of the element structure C (so that the surface of the lower electrode 13 is exposed), that is, Milling or the like may be performed up to the upper surface (near side) or halfway of the lower electrode 13, and in the case of the configuration shown in FIG. 3, the base layer 21 is exposed on the surface of the element structure C (underlayer). 21), that is, milling or the like may be performed up to the upper surface (near side) of the base layer 21 or to the middle of the base layer 21, and the others are the same as described above.

また、本発明を行うにあたり、前記各工程に悪影響を与えない範囲において、前記各工程の間あるいは前後に、他の工程を含めてもよい。例えば、素子構造体作製工程の後に、熱処理工程を含めてもよい。以下、熱処理工程の一例について説明する。   In carrying out the present invention, other steps may be included between or before and after each step within a range that does not adversely affect each step. For example, a heat treatment step may be included after the element structure manufacturing step. Hereinafter, an example of the heat treatment step will be described.

<熱処理工程>
熱処理工程は、前記作製された素子構造体Cに熱処理を施す工程である。すなわち、基板14上に形成された素子構造体Cに対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば190〜500℃で1時間の真空熱処理を行う。この熱処理における光変調素子の特性低下を抑制する観点から、自由磁化膜層24の表面に、耐酸化性に優れるRu膜等を保護膜層25として設けておくことが好ましい。
<Heat treatment process>
The heat treatment step is a step of performing a heat treatment on the manufactured element structure C. That is, the element structure C formed on the substrate 14 is heat-treated as necessary. This heat treatment is performed in order to improve the characteristics of the light modulation element and to suppress changes in the characteristics of the light modulation element during the subsequent photolithography process. As heat treatment conditions, for example, vacuum heat treatment is performed at 190 to 500 ° C. for 1 hour. From the viewpoint of suppressing the deterioration of the characteristics of the light modulation element during the heat treatment, it is preferable to provide a Ru film or the like excellent in oxidation resistance as the protective film layer 25 on the surface of the free magnetic film layer 24.

その他、例えば、基板14を洗浄する基板洗浄工程や、基板14に下地処理を施す下地処理工程や、ごみ等の不要物を除去する不要物除去工程等、他の工程を含めてもよい。   In addition, for example, other processes such as a substrate cleaning process for cleaning the substrate 14, a base processing process for applying a base process to the substrate 14, and an unnecessary object removing process for removing unnecessary substances such as dust may be included.

≪表示装置≫
図12に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた表示装置の概略構成図を示す。図12(a),(b)に示すように、この表示装置30は、光変調器10を用いたカラー対応の表示装置30であり、光変調器10と、RGB時分割照明器19と、偏光フィルタ17,18と、スクリーン29を備えている。なお、図12(a)の形態では、ハーフミラー16を備えている。
≪Display device≫
FIG. 12 shows a schematic configuration diagram of a display device using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. As shown in FIGS. 12A and 12B, the display device 30 is a color-compatible display device 30 using the light modulator 10, and includes the light modulator 10, the RGB time-division illuminator 19, and the like. Polarizing filters 17 and 18 and a screen 29 are provided. In the form shown in FIG. 12A, a half mirror 16 is provided.

RGB時分割照明器19は、光の三原色であるR,G,B光をそれぞれ放射する発光ダイオードや半導体レーザ等の光源を備えており、R,G,Bにそれぞれ対応する各光源が1フィールド期間内で順次点灯する構造になっている。例えば、図示しない映像信号送信装置からの信号を受けてRGB時分割照明器19を駆動させる。RGB時分割照明器19から射出された光は、偏光軸を揃えるための偏光フィルタ17を通して光変調器10に入射し、その際に入射光に対応する光変調素子11を駆動(電流印加)して磁気カー効果またはファラデー効果による反射光または透過光の偏光方向制御を行う。そして、偏光フィルタ18は所定の偏光方向の反射光または透過光を強く透過し、この偏光方向と角度が偏光方向を有する光の透過を、その角度に応じて制限する。こうして、所定のコントラストを有する映像がスクリーン29に投影される。   The RGB time-division illuminator 19 includes light sources such as light emitting diodes and semiconductor lasers that respectively emit R, G, and B light, which are the three primary colors of light, and each light source corresponding to each of R, G, and B has one field. It is structured to light up sequentially within the period. For example, the RGB time division illuminator 19 is driven in response to a signal from a video signal transmission device (not shown). The light emitted from the RGB time-division illuminator 19 enters the light modulator 10 through the polarization filter 17 for aligning the polarization axis, and drives (applies current) the light modulation element 11 corresponding to the incident light. The polarization direction of reflected or transmitted light is controlled by the magnetic Kerr effect or the Faraday effect. The polarizing filter 18 strongly transmits reflected light or transmitted light having a predetermined polarization direction, and restricts transmission of light whose polarization direction and angle have a polarization direction according to the angle. Thus, an image having a predetermined contrast is projected on the screen 29.

前記した通り、光変調器10は、高速応答性を有し、微細な光変調素子11を高密度に配置した構造を有しているため、表示装置30では、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。   As described above, since the light modulator 10 has a high-speed response and has a structure in which the fine light modulation elements 11 are arranged at high density, the display device 30 can display a high-definition image at a high display speed.・ Video expression is possible.

≪ホログラフィ装置≫
図13に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造を示す。なお、図13では光変調器10の詳細な構造は省略しており、また、制御装置80の図示を省略している。
≪Holography equipment≫
FIG. 13 shows a schematic structure of a holography device compatible with a stereoscopic moving image using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 13, the detailed structure of the optical modulator 10 is omitted, and the control device 80 is not shown.

ホログラフィ装置40は、大別して、画像入力系と画像再生系とに分けられる。画像入力系は、レーザ光源31と、ビーム拡大器32と、レンズ33,36と、ハーフミラー34,37と、ミラー35と、撮像手段たるCCDカメラ38とを備えている。一方、画像再生系は、レーザ光源41と、ビーム拡大器42と、レンズ45と、偏光板43,44と、光変調器10とを備えている。レーザ光源31とレーザ光源41とは同等のものであり、例えば、前記した表示装置30に用いられているRGB時分割照明器19であって、半導体レーザ光源を備えたものが用いられる。   The holography device 40 is roughly divided into an image input system and an image reproduction system. The image input system includes a laser light source 31, a beam expander 32, lenses 33 and 36, half mirrors 34 and 37, a mirror 35, and a CCD camera 38 as an imaging means. On the other hand, the image reproduction system includes a laser light source 41, a beam expander 42, a lens 45, polarizing plates 43 and 44, and an optical modulator 10. The laser light source 31 and the laser light source 41 are equivalent. For example, the RGB time-division illuminator 19 used in the display device 30 described above and having a semiconductor laser light source is used.

ホログラフィ装置40では、まず、画像入力にあたって、レーザ光源31から発するレーザ光をビーム拡大器32で拡大した後、レンズ33により平行光とする。このレーザ光(平行光)をハーフミラー34により、被写体に照明して物体光とするための光と、参照光とに分ける。被写体からの反射光たる物体光は、レンズ36とハーフミラー37を介して、CCDカメラ38側へ出射する。一方、参照光は、ミラー35とハーフミラー37によって反射される。こうして、ハーフミラー37から出射する物体光と参照光とが合成されて干渉縞が形成される。この干渉縞のパターンをCCDカメラ38により撮像する。なお、図13では、レンズ33から射出された光の光路を1本線で簡単に示している。   In the holography device 40, first, when inputting an image, the laser light emitted from the laser light source 31 is expanded by the beam expander 32 and then converted into parallel light by the lens 33. The laser light (parallel light) is divided into light for illuminating the subject to be object light by the half mirror 34 and reference light. Object light, which is reflected light from the subject, is emitted to the CCD camera 38 side through the lens 36 and the half mirror 37. On the other hand, the reference light is reflected by the mirror 35 and the half mirror 37. Thus, the object light emitted from the half mirror 37 and the reference light are combined to form interference fringes. The interference fringe pattern is imaged by the CCD camera 38. In FIG. 13, the optical path of the light emitted from the lens 33 is simply indicated by a single line.

ホログラフィ装置40での画像の再生にあたっては、まず、レーザ光源41から出射したレーザ光をビーム拡大器42で拡大し、その光をレンズ45により平行にして、この平行光を光変調器10に入射させる。他方、CCDカメラ38から干渉縞パターンを記録した画像信号が光変調器10の制御装置80(図13に図示せず)に入力される。制御装置80が入力信号に従って光変調素子11を駆動することによって、干渉縞パターンの画像信号に対応した光変調が行われ、立体画像を再生することができる。ホログラフィ装置40では、光変調器10が用いられていることによって、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。   In reproducing an image by the holography device 40, first, the laser light emitted from the laser light source 41 is expanded by the beam expander 42, the light is made parallel by the lens 45, and the parallel light is incident on the optical modulator 10. Let On the other hand, an image signal in which the interference fringe pattern is recorded is input from the CCD camera 38 to the control device 80 (not shown in FIG. 13) of the optical modulator 10. When the control device 80 drives the light modulation element 11 according to the input signal, light modulation corresponding to the image signal of the interference fringe pattern is performed, and a stereoscopic image can be reproduced. In the holography device 40, the use of the light modulator 10 makes it possible to reproduce a high-definition stereoscopic image at a high display speed.

≪ホログラム記録装置≫
図14に本発明の実施形態に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造を示す。なお、図14では光変調器10の詳細な構造は省略している。また、図14では、光の進行方向のみを示すものとし、レンズ等による光の空間的な幅の変更等の図示を省略する。
≪Hologram recording device≫
FIG. 14 shows a schematic structure of a hologram recording apparatus using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 14, the detailed structure of the optical modulator 10 is omitted. In FIG. 14, only the traveling direction of light is shown, and illustration of a change in the spatial width of light by a lens or the like is omitted.

ホログラム記録装置50では、レーザ光源51(前記したレーザ光源31,41等と同等)から発するレーザ光を、ビーム拡大器52で拡大した後、レンズ53により平行光とする。この平行光(レーザ光)は、ハーフミラー54によって、2系統の光(信号光と参照光)とに分けられる。信号光は、光変調器10により2次元ページデータに対応した光変調がなされて、記録媒体55に到達する。一方、参照光は、ミラー57を介して別の光変調器10に入射され、そこで光変調された後、ミラー58を介して記録媒体55に到達する。記録媒体55での状態変化たる波面の乱れは、位相情報として撮像手段たるCMOSカメラ56によってリアルタイムに検出される。こうしてCMOSカメラ56によって検出された位相情報に基づいて、別の光変調器10が参照光の光変調を行うことによって、記録媒体55での波面の乱れの影響をキャンセルすることができ、これにより、多重記録の精度を向上させることができる。   In the hologram recording apparatus 50, laser light emitted from a laser light source 51 (equivalent to the above-described laser light sources 31, 41, etc.) is expanded by a beam expander 52 and then converted into parallel light by a lens 53. The parallel light (laser light) is divided into two systems of light (signal light and reference light) by the half mirror 54. The signal light is optically modulated corresponding to the two-dimensional page data by the optical modulator 10 and reaches the recording medium 55. On the other hand, the reference light is incident on another optical modulator 10 via the mirror 57, is optically modulated there, and then reaches the recording medium 55 via the mirror 58. A wavefront disturbance, which is a state change in the recording medium 55, is detected in real time as phase information by a CMOS camera 56 as an imaging means. Thus, based on the phase information detected by the CMOS camera 56, another optical modulator 10 performs optical modulation of the reference light, thereby canceling the influence of wavefront disturbance on the recording medium 55. The accuracy of multiplex recording can be improved.

例えば、従来のフォトポリマー記録媒体を用いた体積ホログラム記録の場合、空気の流れ等によるシステムの温度変動や書き込み時の光重合によるフォトポリマーの収縮、収差等の光学系の不完全性等に起因して、記録媒体の波面が乱れることが、記録の多重化を妨げる要因となる場合がある。   For example, in the case of volume hologram recording using a conventional photopolymer recording medium, it is caused by temperature fluctuations in the system due to air flow, photopolymer shrinkage due to photopolymerization during writing, and imperfections in the optical system such as aberrations. Thus, disturbance of the wave front of the recording medium may be a factor that hinders recording multiplexing.

そこで、ホログラム記録装置50では、この波面の乱れをCMOSカメラ56等の撮像手段でリアルタイムに検出し、その乱れをキャンセルするように参照光を空間的に変調する。この場合、参照光の変調は高速で行われることが好ましく、光変調器10はその用途に適する。また、ページデータの書き込みにも光変調器10を用いることができる。こうして、ホログラム記録装置50では、光の波長程度の分解能で記録媒体55での波面の乱れを制御できるため、記録の多重度を格段に向上させることができる。なお、これらの光変調においては、前記2系統の光変調を行ってもよく、どちらか1系統の光変調を行ってもよい。   Therefore, in the hologram recording device 50, this wavefront disturbance is detected in real time by an imaging means such as a CMOS camera 56, and the reference light is spatially modulated so as to cancel the disturbance. In this case, the reference light is preferably modulated at high speed, and the optical modulator 10 is suitable for the application. The optical modulator 10 can also be used for page data writing. In this way, the hologram recording apparatus 50 can control the disturbance of the wavefront on the recording medium 55 with a resolution of about the wavelength of the light, so that the multiplicity of recording can be significantly improved. In these light modulations, the two light modulations may be performed, or one of the light modulations may be performed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
例えば、スピン注入磁化反転素子の構成において、図1では、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25の順に積層した場合を図示したが、下地層21、自由磁化膜層24、非磁性中間膜層23、固定磁化膜層22、保護膜層25の順に積層して、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24を入れ替えた膜構成としてもよい。この場合も、下地である銀膜層の強い結晶配向性によって、その上部に形成する自由磁化膜層24の結晶配向性を高めることができる。さらに、固定磁化膜層22を2層用い、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、固定磁化膜層22、保護膜層25の順に積層した、いわゆる二重スピン注入方式の構造であってもよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, It can change in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, in the configuration of the spin-injection magnetization switching element, FIG. 1 illustrates a case where the base layer 21, the fixed magnetization film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetization film layer 24, and the protective film layer 25 are stacked in this order. Is a film in which the base layer 21, the free magnetic film layer 24, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the fixed magnetic film layer 22, and the protective film layer 25 are stacked in this order, and the fixed magnetic film layer 22 and the free magnetic film layer 24 are interchanged. It is good also as a structure. Also in this case, the crystal orientation of the free magnetic film layer 24 formed thereon can be enhanced by the strong crystal orientation of the underlying silver film layer. Furthermore, two layers of the fixed magnetization film layer 22 were used, and the base layer 21, the fixed magnetization film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetization film layer 24, the fixed magnetization film layer 22, and the protective film layer 25 were stacked in this order. A so-called double spin injection structure may be used.

また、光変調器の製造方法において、以下のようにして、素子構造体Cを形成してもよい。
まず、例えば、基板14の表面に一様にスパッタリング法等によりCu膜を形成し、Cu膜上に下部電極13と同じ線幅のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをエッチングマスクとして基板表面が露出するまでCu膜をドライエッチング等した後、レジストパターンを剥離することにより、下部電極13を形成する。また、下部電極13を形成する領域(部位)を溝としたレジストパターンを先に形成し、スパッタ法によりCu膜を形成した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法によって下部電極13を形成してもよい。また、基板14との密着性を向上させるために、Cuの下地にTa、Ru等を形成してもよい。さらに、プロセスのために大気にさらされてCuが酸化し、下部電極13の抵抗率が増大することを防ぐために、Cu表面にRu等の保護層を形成してもよい。
続いて、下部電極13間の溝を絶縁体15で埋め、必要に応じて、CMP処理等により下部電極13を含む表面を平滑にする。こうして形成された表面に、光変調素子11を構成する下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25を、この順番で各層ごとに所定の膜厚でスパッタリング法等により逐次成膜し、光変調素子11の層を形成する。
In the method for manufacturing an optical modulator, the element structure C may be formed as follows.
First, for example, a Cu film is uniformly formed on the surface of the substrate 14 by a sputtering method or the like, and a resist pattern having the same line width as that of the lower electrode 13 is formed on the Cu film. Using this resist pattern as an etching mask, the Cu film is dry-etched or the like until the substrate surface is exposed, and then the resist pattern is peeled to form the lower electrode 13. Alternatively, a resist pattern having a groove in a region (part) where the lower electrode 13 is to be formed is formed first, a Cu film is formed by a sputtering method, and then the lower electrode 13 is formed by a lift-off method in which the resist film is peeled off. Good. Further, in order to improve the adhesion to the substrate 14, Ta, Ru or the like may be formed on the Cu base. Further, a protective layer such as Ru may be formed on the Cu surface in order to prevent Cu from oxidizing due to exposure to the atmosphere for the process and increasing the resistivity of the lower electrode 13.
Subsequently, the groove between the lower electrodes 13 is filled with an insulator 15 and the surface including the lower electrode 13 is smoothed by CMP treatment or the like as necessary. On the surface thus formed, the underlayer 21, the fixed magnetic film layer 22, the nonmagnetic intermediate film layer 23, the free magnetic film layer 24, and the protective film layer 25 constituting the light modulation element 11 are predetermined for each layer in this order. The layers of the light modulation element 11 are formed by sequentially forming a film by sputtering method or the like.

さらに、光変調器の製造方法において、以下のようにして、素子構造体Cの部分除去およびレジストの除去を行ってもよい。
まず、レジスト91(レジストパターン)をエッチングマスクとして用いて、素子構造体Cをエッチングまたはミリング加工し、その後、レジスト91(レジストパターン)を除去して光変調素子を形成させる。次に、CVD法等により、光変調素子間を絶縁体15で埋める。その後、必要に応じてCMP処理等により光変調素子を含む表面を平滑にしてもよい。あるいは、絶縁体15を全体に堆積し、CMP処理等により、素子部が露出するまで絶縁体15を研磨してもよい。
Furthermore, in the method for manufacturing an optical modulator, the element structure C may be partially removed and the resist may be removed as follows.
First, the element structure C is etched or milled using the resist 91 (resist pattern) as an etching mask, and then the resist 91 (resist pattern) is removed to form a light modulation element. Next, the space between the light modulation elements is filled with an insulator 15 by a CVD method or the like. Thereafter, if necessary, the surface including the light modulation element may be smoothed by CMP treatment or the like. Alternatively, the insulator 15 may be deposited on the entire surface, and the insulator 15 may be polished by CMP processing or the like until the element portion is exposed.

次に本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、本発明に属さない構成についても適宜取り上げて、対比説明することとする。   Next, examples of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following examples. Here, a configuration that does not belong to the present invention will be taken up and explained as appropriate.

スピン注入磁化反転素子を用いたサンプルの製造においては、前記記載の光変調器の製造方法に従い、まず、酸化膜付シリコン基板上に、下部電極、下地層、固定磁化膜層、非磁性中間膜層、自由磁化膜層、保護膜層の順に、スパッタリング法を用いて、真空中で一貫して製膜した。次に、保護膜層上に画素サイズのレジストを形成した後、Arイオンによるイオンビームミリング法によって、非磁性中間膜層の手前(上面)までミリング加工した。次に、レジストを剥離せずにそのまま、絶縁体としてSiOを全面に堆積した後、レジストをリフトオフした。その後、上部にIZOからなる透明電極を、上部電極として形成した。 In the manufacture of a sample using a spin-injection magnetization reversal element, according to the method for manufacturing an optical modulator described above, first, a lower electrode, an underlayer, a fixed magnetization film layer, a nonmagnetic intermediate film are formed on a silicon substrate with an oxide film. A layer, a free magnetic film layer, and a protective film layer were sequentially formed in a vacuum using a sputtering method. Next, after forming a pixel-sized resist on the protective film layer, milling was performed to the front (upper surface) of the nonmagnetic intermediate film layer by an ion beam milling method using Ar ions. Next, the resist was lifted off after depositing SiO 2 as an insulator on the entire surface without peeling off the resist. Thereafter, a transparent electrode made of IZO was formed on the upper portion as the upper electrode.

下地層の構成は、Ag(20nm)とし、固定磁化膜層の構成は、Co(0.2nm)とPd(1.2nm)を交互に11回積層した多層膜とし、自由磁化膜層の構成は、Co(0.3nm)とPt(1nm)を交互に3回積層した多層膜とした。そして、非磁性中間膜層の構成は、MgO(1nm)とし、トンネルスピン注入型のスピン素子をスピン注入光変調素子として形成した。また、保護膜層の構成は、Ru(3nm)とした。   The structure of the underlayer is Ag (20 nm), the structure of the fixed magnetic film layer is a multilayer film in which Co (0.2 nm) and Pd (1.2 nm) are alternately stacked 11 times, and the structure of the free magnetic film layer Was a multilayer film in which Co (0.3 nm) and Pt (1 nm) were alternately stacked three times. The configuration of the nonmagnetic intermediate film layer was MgO (1 nm), and a tunnel spin injection type spin element was formed as a spin injection light modulation element. Moreover, the structure of the protective film layer was Ru (3 nm).

また、比較例として、Cu(20nm)の下地層を使用したサンプルを前記と同様の方法で作製した。その他の構成は、前記と同様である。   As a comparative example, a sample using an underlayer of Cu (20 nm) was produced by the same method as described above. Other configurations are the same as described above.

そして、作製後のサンプル(製膜後)、および、製膜後のサンプルに対して350℃−1hの真空熱処理を行った後のサンプルに偏光した光を照射し、外部から印加する磁界を変化させたときの反射光のカー回転角(θk)を、図15に示す垂直磁界印加マイクロカー効果測定装置(ネオアーク社製)を用いて、測定した。なお、図15において、ヨーク電磁石は、対物レンズ、および、ピエゾステージの周囲に配置されているものとする。
測定条件は、光源:408nm Laser Diode、NA:0.55、スポット径:1μm以下であり、入射光≒0度で直線偏光のレーザ光を照射した。
結果を図16、17に示す。なお、1「Oe」=約79.577「A/m」である。
And the sample after film formation (after film formation) and the sample after performing vacuum heat treatment at 350 ° C. to 1 h to the sample after film formation are irradiated with polarized light, and the magnetic field applied from the outside is changed. The Kerr rotation angle (θ k ) of the reflected light was measured using a vertical magnetic field application microcar effect measuring apparatus (manufactured by Neoarc) shown in FIG. In FIG. 15, the yoke electromagnet is assumed to be disposed around the objective lens and the piezo stage.
The measurement conditions were: light source: 408 nm Laser Diode, NA: 0.55, spot diameter: 1 μm or less, and irradiation with linearly polarized laser light was performed at incident light ≈0 degrees.
The results are shown in FIGS. Note that 1 “Oe” = about 79.577 “A / m”.

図16は、本発明の銀膜層を用いたスピン注入磁化反転素子のカーループを示すグラフであり、(a)は製膜後、(b)は350℃−1hの真空熱処理を行った後の測定結果である。図17は、従来の銅膜層を用いたスピン注入磁化反転素子のカーループを示すグラフであり、(a)は製膜後、(b)は350℃−1hの真空熱処理を行った後の測定結果である。   FIG. 16 is a graph showing a Kerr loop of a spin-injection magnetization reversal element using a silver film layer of the present invention. (A) is after film formation, (b) is after vacuum heat treatment at 350 ° C. for 1 h. It is a measurement result. FIG. 17 is a graph showing the Kerr loop of a spin-injection magnetization reversal element using a conventional copper film layer. (A) is after film formation, and (b) is measured after vacuum heat treatment at 350 ° C. for 1 h. It is a result.

図16に示すように、本発明のAgを使用した下地層(銀膜層)では、高い垂直磁気異方性が得られ、設計通りの保磁力差型カーループが観測された。また、熱処理後には自由磁化膜層および固定磁化膜層の保磁力がともに増大している。これは、熱処理によって自由磁化膜層および固定磁化膜層に用いたCo、Pt、Pd等の各層の結晶配向性が改善されたためと考えられる。   As shown in FIG. 16, in the underlayer (silver film layer) using Ag of the present invention, high perpendicular magnetic anisotropy was obtained, and the designed coercivity difference type Kerr loop was observed. Further, after the heat treatment, both the coercive force of the free magnetic film layer and the fixed magnetic film layer are increased. This is presumably because the crystal orientation of each layer of Co, Pt, Pd, etc. used for the free magnetic film layer and the fixed magnetic film layer was improved by the heat treatment.

一方、図17に示すように、従来のCuを用いた下地層(銅膜層)では、製膜後において、既に自由磁化膜層の磁化方向がやや斜めに倒れおり、垂直磁気異方性が小さいことがわかる。また、350℃−1hの真空熱処理を行うと、固定磁化膜層の磁化方向も傾いてしまい、固定磁化膜層と自由磁化膜層の区別ができない状態にまで磁気特性が劣化した。
このように、Agを下地層とする本発明のスピン注入磁化反転素子は、従来のCuを下地層とするスピン注入磁化反転素子に比べて高い垂直磁気異方性を有し、300度以上の熱処理によっても垂直磁気異方性が劣化することがないことがわかる。
On the other hand, as shown in FIG. 17, in the conventional underlayer (copper film layer) using Cu, the magnetization direction of the free magnetic film layer has already tilted slightly diagonally after film formation, and the perpendicular magnetic anisotropy is I understand that it is small. Further, when a vacuum heat treatment at 350 ° C. for 1 h was performed, the magnetization direction of the fixed magnetization film layer was also tilted, and the magnetic characteristics deteriorated to a state where the fixed magnetization film layer and the free magnetization film layer could not be distinguished.
Thus, the spin-injection magnetization reversal element of the present invention using Ag as an underlayer has a higher perpendicular magnetic anisotropy than a conventional spin-injection magnetization reversal element using Cu as an underlayer, and is 300 ° C. or more. It can be seen that the perpendicular magnetic anisotropy does not deteriorate even by the heat treatment.

10 光変調器
11 スピン注入磁化反転素子(光変調素子,磁気抵抗効果素子)
12 上部電極
13 下部電極
14 基板
15 絶縁体
16 ハーフミラー
17、18 偏光フィルタ
19 RGB時分割照明器
21 下地層
22 固定磁化膜層
23 非磁性中間膜層
24 自由磁化膜層
25 保護膜層
30 表示装置
40 ホログラフィ装置
50 ホログラム記録装置
70 偏光軸
71 (正方向)回転した偏光軸
72 (負方向)回転した偏光軸
100 磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)
10 optical modulator 11 spin injection magnetization reversal element (light modulation element, magnetoresistive effect element)
12 Upper electrode 13 Lower electrode 14 Substrate 15 Insulator 16 Half mirror 17, 18 Polarizing filter 19 RGB time-division illuminator 21 Underlayer 22 Fixed magnetic film layer 23 Nonmagnetic intermediate film layer 24 Free magnetic film layer 25 Protective film layer 30 Display Apparatus 40 holography apparatus 50 hologram recording apparatus 70 polarization axis 71 (positive direction) rotated polarization axis 72 (negative direction) rotated polarization axis 100 magnetic random access memory (MRAM)

Claims (11)

下地層と、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁化の方向が膜面に垂直な方向であるスピン注入磁化反転素子であって、
前記下地層は、銀膜層であることを特徴とするスピン注入磁化反転素子。
An underlayer, a fixed magnetization film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetization film layer have a spin-injection magnetization reversal element structure laminated in this order, and the fixed magnetization film layer and the free magnetization film layer A spin-injection magnetization reversal element in which the direction of magnetization in is perpendicular to the film surface,
The spin injection magnetization reversal element, wherein the underlayer is a silver film layer.
前記非磁性中間膜層は、絶縁体層であることを特徴とする請求項1に記載のスピン注入磁化反転素子。   The spin transfer magnetization switching element according to claim 1, wherein the nonmagnetic intermediate film layer is an insulator layer. 前記固定磁化膜層は、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金からなる層、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスピン注入磁化反転素子。   The fixed magnetization film layer is entirely or partly a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a multilayer film in which thin film layers made of the transition metal and thin film layers made of the noble metal are alternately laminated, or The spin injection magnetization reversal element according to claim 1 or 2, wherein the spin injection magnetization reversal element is a multilayer film in which a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer are alternately laminated. 前記自由磁化膜層は、その全部または一部が、遷移金属と貴金属との合金からなる層、前記遷移金属からなる薄膜層と前記貴金属からなる薄膜層とが交互に積層された多層膜、または、コバルト膜層とコバルト膜層以外の磁性薄膜層とが交互に積層された多層膜であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子。   The free magnetic film layer is entirely or partially a layer made of an alloy of a transition metal and a noble metal, a multilayer film in which thin film layers made of the transition metal and thin film layers made of the noble metal are alternately stacked, or 4. The spin transfer magnetization reversal element according to claim 1, wherein the spin transfer magnetization reversal element is a multilayer film in which a cobalt film layer and a magnetic thin film layer other than the cobalt film layer are alternately laminated. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子を用いたことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。   A magnetic random access memory using the spin-injection magnetization switching element according to claim 1. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載のスピン注入磁化反転素子を用いた光変調器であって、
前記スピン注入磁化反転素子が、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光または透過光の偏光方向を変化させる光変調素子であることを特徴とする光変調器。
An optical modulator using the spin transfer magnetization reversal element according to any one of claims 1 to 4,
Light modulation in which the spin-injection magnetization reversal element changes the polarization direction of reflected or transmitted light with respect to the polarization direction of light incident on the free magnetic film layer by changing the magnetization state in the free magnetic film layer An optical modulator characterized by being an element.
請求項6に記載の光変調器と、
前記光変調器から出射した光を投影するスクリーンと、を備えたことを特徴とする表示装置。
An optical modulator according to claim 6;
And a screen for projecting light emitted from the light modulator.
物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮影する撮像手段と、
前記撮像手段に記録された画像信号を前記請求項6に記載の光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とするホログラフィ装置。
Imaging means for photographing interference fringes formed by the object light and the reference light;
A holography apparatus comprising: an image reproducing unit that reproduces an image signal recorded in the imaging unit using the optical modulator according to claim 6.
所定の情報を2系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、
前記請求項6に記載の光変調器と、
前記2系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記2系統の光のうちの少なくとも1系統の光変調を前記光変調器を用いて行うことを特徴とするホログラム記録装置。
A hologram recording apparatus for recording predetermined information on a recording medium using two systems of light,
An optical modulator according to claim 6;
Imaging means for detecting, as phase information, a state change in the recording medium when the two systems of light are incident on the recording medium;
A hologram recording apparatus characterized in that, based on the phase information detected by the imaging means, at least one of the two systems of light is modulated using the light modulator.
請求項6に記載の光変調器の製造方法であって、
基板上に、下部電極と、下地層と、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とをこの順序で製膜して素子構造体を作製する素子構造体作製工程と、
前記素子構造体の上面に、レジストパターンを形成するレジスト形成工程と、
前記素子構造体において、前記レジストパターンのレジストが形成されていない部位をエッチングまたはミリング加工により部分除去する部分除去工程と、
部分除去された部位を有する前記素子構造体の上面に、絶縁体を堆積する絶縁体堆積工程と、
前記レジストを除去するレジスト除去工程と、
前記レジストが除去された素子構造体の上面に、上部電極を形成する上部電極形成工程と、を含むことを特徴とする光変調器の製造方法。
A method of manufacturing an optical modulator according to claim 6,
An element structure manufacturing step of forming an element structure by forming a lower electrode, an underlayer, a fixed magnetic film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetic film layer in this order on a substrate; ,
A resist forming step of forming a resist pattern on the upper surface of the element structure;
In the element structure, a partial removal step of partially removing a portion of the resist pattern where the resist is not formed by etching or milling;
An insulator deposition step of depositing an insulator on the upper surface of the element structure having the partially removed portion;
A resist removing step for removing the resist;
And an upper electrode forming step of forming an upper electrode on the upper surface of the element structure from which the resist has been removed.
前記部分除去工程において、前記非磁性中間膜層が前記素子構造体の表面に露出するように部分除去を行うことを特徴とする請求項10に記載の光変調器の製造方法。   11. The method of manufacturing an optical modulator according to claim 10, wherein in the partial removal step, partial removal is performed so that the nonmagnetic intermediate film layer is exposed on a surface of the element structure.
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