JP2012088667A - 光変調素子およびこれを用いた空間光変調器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板7上に、磁化自由層3、上部中間層21、22、上部磁化固定層11、12とがこの順序で積層された上部素子1Aと、基板7と磁化自由層3との間に形成される下部素子1Bとを備える光変調素子1であって、上部磁化固定層は分離した2つの上部磁化固定層からなり、上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、下部素子1Bは、補助電極53、下部磁化固定層13、下部中間層23とがこの順序で基板側から積層され、透過した光を磁化自由層3に入射させるための窓部54が形成され、駆動電極の一方と補助電極53との間の電気抵抗は、駆動電極間の電気抵抗に比べて大きい。
【選択図】図1
Description
スピン注入磁化反転素子には上下に電流を供給するための駆動電極を設けるため、スピン注入磁化反転素子に光を入射するためには、回折型の空間光変調器の光変調素子であれば上または下の一方に、あるいは透過型の空間光変調器の光変調素子であれば上下共に、光を透過する透明電極を適用しなくてはならない。透明電極は、金属電極と比べて導電性が大きく劣るため、複数の画素に均一な電流を供給することが困難であるという問題がある。特により多数の光変調素子を2次元アレイ状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。これを防止するためには、駆動電極を厚膜化したり、大電流を供給して空間光変調器を動作させたりする必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。
かかる構成によれば、上部磁化固定層が多層構造であることで、容易に2つの上部磁化固定層を互いに反平行な磁化に固定することができる。
かかる構成によれば、1つの画素の複数の光変調素子において、磁化自由層の磁化方向を、それぞれ異なる方向とすることができる。これにより、画素の多段階表示が可能となる。
≪光変調素子≫
図1に示すように、本発明の光変調素子1は、光を透過させる基板7上に形成され、上部素子1Aと、下部素子1Bとを備える。そして、上部素子1Aは、磁化自由層3と、第1上部中間層21および第2上部中間層22(以下、適宜、上部中間層21,22という)と、第1上部磁化固定層11および第2上部磁化固定層12(以下、適宜、上部磁化固定層11,12という)と、がこの順序で基板7側から積層されたものである。また、下部素子1Bは、基板7と磁化自由層3との間に形成され、補助電極53と、下部磁化固定層13と、下部中間層23と、がこの順序で基板7側から積層されたものである。
上部素子1Aは、前記したように磁化自由層3、上部磁化固定層11,12および上部中間層21,22から構成される。
(磁化自由層)
磁化自由層3は、2つの上部磁化固定層11,12上にそれぞれ接続したX電極51およびY電極52を一対の駆動電極として電流が供給されることにより、磁化方向が変化するものである。すなわち、X電極51とY電極52との間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層3内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層3内の磁化の向きが反転する。
上部磁化固定層11,12は、同一平面上に分離した2つの上部磁化固定層、すなわち、第1上部磁化固定層11および第2上部磁化固定層12からなり、この2つの上部磁化固定層11,12のそれぞれが、1つの磁化自由層3上に、上部中間層21,22を挟んで積層されている。上部磁化固定層11,12は、磁化方向が所定方向、すなわち、高さ方向と平行な方向(垂直な方向)の一方の向きに固定されており、第1上部磁化固定層11および第2上部磁化固定層12は、互いに反平行な磁化に固定されている。また、上部磁化固定層11,12は強磁性材料からなり、磁化自由層3よりも保磁力の大きい磁性体である。
第1上部中間層21および第2上部中間層22は、それぞれ、磁化自由層3と第1上部磁化固定層11との間、および、磁化自由層3と第2上部磁化固定層12との間に配置される層である。上部中間層21,22は、磁化自由層3の磁化状態と上部磁化固定層11,12の磁化状態とを分離するために必要であり、後記する「光変調素子の磁区状態の変移」で説明するとおり、磁化自由層3と上部磁化固定層11,12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。このように、上部中間層21、22はスピンの通路として機能するため、上部中間層21、22には、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ことが好ましい。
また、TMR型の磁気抵抗効果素子の場合には、上部中間層21、22として、マグネシア(MgO)、アルミナ(Al2O3)、MgF2等の絶縁材料が用いられる。上部中間層21、22を絶縁体層とすることにより、光変調素子1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。また、TMR型の場合には、上部中間層21、22の厚さは、0.6〜2nm程度が好ましい。
下部素子1Bは、前記したように補助電極53、下部磁化固定層13および下部中間層23で構成される。また、下部素子1Bには、基板7を透過した光を上部素子1Aの磁化自由層3に入射させるための窓部54が形成されている(図5参照)。そのため、下部素子1Bは、光入射側から見た断面形状が中央部に窓部54を有する枠形状に形成され、その枠の幅は50〜200nmである。また、窓部54の形状は、光が入射できれば特に限定されないが、製造が容易なことから矩形状であることが好ましい。
補助電極53は、上部素子1A(磁化自由層3)の磁化反転動作を検知する際に用いられる電極であって、光入射側(基板7側)から見た断面形状が中央部に窓部54を有する枠形状に形成される。そして、補助電極53には、銅(Cu)、金(At)、Pt(白金)等の金属からなる金属電極、または、IZO、ITO等の透明材料からなる透明電極が用いられる。なお、補助電極53の厚さは、20〜500nm程度が好ましい。
下部磁化固定層13は、補助電極53の上に積層されるもので、光入射側(基板7側)から見た断面形状が中央部に窓部54を有する枠形状に形成される。そして、下部磁化固定層13は、前記した上部素子1Aの上部磁化固定層11,12と同様に、強磁性材料からなり、上部素子1Aの磁化自由層3よりも保磁力が大きい磁性体である。また、下部磁化固定層13の磁化方向は、光変調素子1の駆動前における磁化自由層3の磁化方向と平行、または、反平行のいずれでもよい。なお、下部磁化固定層13の厚さは、3〜50nm程度が好ましい。
下部中間層23は、下部磁化固定層13の上に積層され、上部素子1Aの磁化自由層3と下部素子1Bの下部磁化固定層13との間に配置される層である。また、下部中間層23は、光入射側(基板7側)から見た断面形状が中央部に窓部54を有する枠形状に形成される。なお、下部中間層23としてMgO等の透明材料を用いる場合には、前記した窓部54を形成した枠形状の下部中間層23でなく、平面状の下部中間層23(図1に示す破線部分に相当)であってもよい。
なお、電気抵抗変化はCPP−GMR構造に比べてTMR構造のほうが大きいため、下部中間層23を絶縁材料で構成することが好ましい。
[第1実施形態]
図2に示すように、空間光変調器10は、前記記載の光変調素子1を用いたものであり、光を透過させる基板7(図1参照)と、この基板7上に2次元配列された複数の画素4と、複数の画素4から1以上の画素4を選択する画素選択手段(画素選択部94)と、この画素選択手段が選択した画素4に所定の電流を供給する電流供給手段(電源93)と、を備える。また、空間変調器10は、選択された画素4におけるX電極51と補助電極53との間の電圧値を測定する測定部96を備えている。さらに、画素選択部94と電源93は、電流制御部90に備えられている。そして、空間光変調器10は、基板7を透過して画素選択手段が選択した画素4に入射した光の偏光の向きを特定の方向に変化させて回折して出射する。
以下、各構成について説明する。
基板7は、光変調素子1、駆動電極51,52を形成するための土台となるものである。空間光変調器10では、後記するように、基板7を透過して光変調素子1に入射した後に回折される光を利用するため、基板7としては、SiO2、MgO、サファイア、石英ガラス等の透過性に優れた透明基板を用いる。
画素4は、空間光変調器10の光の入射面に、2次元アレイ状に配列されて画素アレイ40を構成する。すなわち、画素アレイ40は、平面視で複数のX電極51と、平面視でX電極51と直交する複数のY電極52と、を備え、X電極51とY電極52との交点毎に1つの画素4を設ける。本実施形態では、画素アレイ40は、3行×3列の9個の画素4からなる構成で例示される。
光変調素子1は、X電極51とY電極52との間に一定の電流を供給したときに、光変調素子1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回折する役割を担う。光変調素子1の平面視での大きさは、一例として、磁化自由層3の幅(横方向の長さ)(ここでの幅とは、2つの上部磁化固定層11,12が同一平面上に並んだ方向、以下同じ)が300nm、長さ(縦方向の長さ)が300nm、あるいは、幅が400nm、長さが300nm等である。また、第1上部磁化固定層11および第2上部磁化固定層12の幅がそれぞれ150nm、第1上部磁化固定層11と第2上部磁化固定層12との間隔が100nm等である。ただし、光変調素子1等の大きさは、これに限定されるものではない。
X電極51は、光変調素子1に電流を供給するための一対の電極のうち、片方の電極であり、Y電極52は、もう一方の電極である。X電極51およびY電極52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。そして後記するように、入射偏光は基板7側から光変調素子1に入射し、磁化自由層3で回折されるため、駆動電極51,52は光を透過させる必要がない。そのため、駆動電極51,52を、透明材料で構成する必要はない。駆動電極51,52の幅は、基板7上に形成する光変調素子1の形状に合わせて、適宜定められ、例えば、100nm以下である。空間光変調器10では、光変調素子1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、X電極51は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で第1上部磁化固定層11上に設けられている。また、Y電極52も、その長手方向がX電極51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、第2上部磁化固定層12上に設けられている。
絶縁部材6は、X電極51およびY電極52の電極間や、光変調素子1,1間等を絶縁するための部材である。絶縁部材6としては、SiO2やAl2O3等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
測定部96は、後記する画素選択部94で選択された画素4における一対の駆動電極51,52のうちの一方の駆動電極であるX電極51と、光変調素子1の補助電極53との間の電圧値を測定するものである。ここで、X電極51、補助電極53の選択は、画素選択部94の指令を受けるX電極選択部91、補助電極選択部95とで行われる。後記するように、測定部96で測定された電圧値は画素選択部94に送られ、電気抵抗値が算出される。
電源93および画素選択部94の駆動動作は、電流制御部90により制御される。
(電流制御部)
図2に示すように、電流制御部90は、空間光変調器10の駆動動作、および、空間変調器10(光変調素子1)の磁化反転動作の検知動作を制御する。
そして、電流制御部90は、画素選択部94(画素選択手段)と、画素選択部94によって制御される電源93(電源供給手段)とを備える。また、画素選択部94は、図3に示すように、X電極51、Y電極52、補助電極53を選択し、かつ電源93の駆動を制御する電極選択部94aと、測定部96で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部94bと、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部94cと、算出された電気抵抗値と標準電気抵抗値を比較して、前記電気抵抗値が前記設定範囲内である場合に磁化反転が良好とし、前記設定範囲外である場合に不良として磁化反転の良好または不良を判断する判断部94dと、磁化反転が不良の場合に駆動電極(X電極51およびY電極52)への電流の再供給を指令する指令部94eとを備えている。ここで、標準電気抵抗値とは、図7(a)、(b)で示された2値の磁化方向における電気抵抗値R2H、R2Lを意味する。
次に、空間光変調器10の駆動および磁化反転動作の検知動作について、図3、図4を参照して、説明する。なお、標準電気抵抗値R2H、R2Lについては、後記する。
図3、図4に示すように、まず、画素選択部94に備えられた電極選択部94aからの指令を受けたX電極選択部91によって複数のX電極51の中から電流を供給するX電極51が選択され、電極選択部94aからの指令を受けたY電極選択部92によって複数のY電極52の中から電流を供給するY電極52が選択される。さらに、電極選択部94aからの指令を受けた補助電極選択部95によって複数の補助電極53の中からX電極51との間の電圧値を測定する補助電極53が選択される(S1)。これにより、所定の画素4が選択される。ここで、画素選択部94に備えられた記憶部94cには、予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲が記憶されている(S101)。そして、所定の画素4の選択と共に、この画素4に対応する標準電気抵抗値の設定範囲が選択される。次に、画素選択部94からの指令を受けた電源93によって、選択されたX電極51とY電極52とに電流が供給される(S2)。
これにより、空間変調器10が駆動すると共に、空間光変調器10(光変調素子1の磁化自由層3)の磁化方向が検知され、所望の磁化状態に反転する。
次に、空間光変調器10の動作について、図5を参照して説明する。
まず、光源である光学系OPSから、レーザー光が照射される。この光学系OPSから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを基板7の下方の偏光子PFiを透過させて、1つの偏光成分の光とする。以下、1つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光(入射偏光)は、画素アレイ40(図2参照)のすべての画素4に所定の入射角で入射する。入射偏光は、それぞれの画素4において、基板7を透過して光変調素子1に入射し、当該光変調素子1の磁化自由層3によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した出射偏光として光変調素子1から出射し、再び基板7を透過して画素4から出射する。それぞれの画素4から出射したすべての出射偏光は、偏光子PFoに到達する。偏光子PFoは、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θk旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器PDに入射する。一方、角度−θk旋光した偏光は、偏光子PFoを透過できない。なお、偏光子PFi,PFoはそれぞれ偏光板等であり、検出器PDはスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
次に、光変調素子1の磁区状態の変移について、図6を参照して説明する。
図6(a)に示すように、初期状態として、磁化の方向は、磁化自由層3では下向き、第1上部磁化固定層11では上向き、第2上部磁化固定層12では下向きであるとする。
そして、2つの上部磁化固定層11,12を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面(出射面)の面積を広くしても磁化自由層3の磁化反転が効率よく起きるため、画素4の開口率を増大させることができる。
本発明では、磁化自由層3の磁化反転動作を電気的に測定することが可能である。これについて、図7を参照して説明する。図7(a)は磁化自由層3の磁化方向が下向きの状態、(b)は磁化自由層3の磁化方向が上向きの状態を示す図である。
図7(a)、(b)に示すように、例えば、第1上部磁化固定層11、および、第2上部磁化固定層12の材料が同一で、第1上部中間層21、および、第2上部中間層22の材料と膜厚とが同一であるとすると、上部磁化固定層11,12と磁化自由層3との間の抵抗は、それぞれの磁化方向の組み合わせにより、R0H,R0Lのいずれかとなる。また、磁化自由層3と下部磁化固定層13との間の抵抗も、それぞれの磁化方向の組合せにより、R3H,R3Lのいずれかとなる。ここで、「H」は抵抗値が高く、「L」は抵抗値が低いことを表している。
次に、空間光変調器10の製造方法の一例について、図1、2を適宜参照して説明する。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、窓部54をこの絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。
次に、上部素子膜の中央付近を分断するようにレジストの孔パターンを形成し、孔の部位について、上部素子膜の膜厚方向に磁化自由層3の上面が露出するまで除去する。除去については、エッチング、あるいはArイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
その後、レジストを剥離せずにアルミナや酸化珪素などの絶縁材料を全面に堆積し、この孔を絶縁材料で埋める。このとき、レジスト上部にも絶縁材料が堆積される。レジストを除去し、下部素子1B上に上部素子1Aが作製された光変調素子1とする。
そして、第1上部磁化固定層11上にX電極51、第2上部磁化固定層12上にY電極52を、これらが直交するように所定間隔で形成して空間光変調器10とする。この電極の形成は、素子膜の形成方法と同様にして行うことができる。そして、X電極51間、Y電極52間には、絶縁部材6が充填される。
図8、9に示すように、空間光変調器10Aは、配列された複数の画素4(画素アレイ40)において、上部素子1Aの2つの上部磁化固定層11,12が同一平面上に並んだ方向に隣り合う2つの光変調素子1の下部素子1Bが一体化されていることが好ましい。ここで、下部素子1Bの一体化とは、隣り合う光変調素子1同士が下部中間層23、下部磁化固定層13、補助電極53を互いに共有している構成を意味する。その他の構成については、前記第1実施形態の空間光変調器10と同様である。
図10に示すように、空間光変調器10Bは、配列された複数の画素4(画素アレイ)において、上部素子1Aの2つの上部磁化固定層11,12が同一平面上に並んだ方向に隣り合う2つの光変調素子1の補助電極53の間、および、それぞれの補助電極53に形成された窓部54を塞ぐように形成された透明電極55を有することが好ましい。透明電極55は、IZO、ITO等の透明電極材料から構成されることが好ましい。その他の構成については、前記第1実施形態の空間光変調器10と同様である。
図11に示すように、空間光変調器10Cは、1つの画素4が3つの光変調素子1から構成されている。そして、3つの光変調素子1は、下部素子1B(下部中間層、下部磁化固定層および補助電極53)を共有し、X電極51およびY電極52も共有している。その他の構成については、前記第1実施形態の空間光変調器10と同様である。また、空間光変調器10Cは、下部素子1Bを3つの光変調素子1同士で一体として形成したが、光変調素子1毎に分断して構成したものであってもよい(図示せず)。
その他、前記各実施形態においては、1つの画素4が、1つまたは3つの光変調素子1を備える場合について説明したが、1つの画素4が備える光変調素子1は、2つでも、4つ以上であってもよい。なお、2つの場合は、前記した中間状態は1つとなる。すなわち、複数の画素4のそれぞれが複数の光変調素子1を有するものとしてもよい。また、光変調素子1を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)に用いてもよい。
1A 上部素子
1B 下部素子
3 磁化自由層
4 画素
6 絶縁部材
7 基板
10、10A、10B、10C 空間光変調器
11 第1上部磁化固定層
12 第2上部磁化固定層
13 下部磁化固定層
21 第1上部中間層
22 第2上部中間層
23 下部中間層
40 画素アレイ
51 X電極(駆動電極)
52 Y電極(駆動電極)
53 補助電極
54 窓部
55 透明電極
90 電流制御部(電流制御手段)
91 X電極選択部
92 Y電極選択部
93 電源(電流供給手段)
94 画素選択部(画素選択手段)
95 補助電極選択部
Claims (6)
- 光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、上部中間層と、上部磁化固定層とがこの順序で積層された上部素子と、前記基板と前記磁化自由層との間に形成される下部素子とを備えるスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記上部素子の上部磁化固定層上に接続した一対の駆動電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、
前記上部素子の上部磁化固定層は、同一平面上に分離した2つの上部磁化固定層からなり、前記2つの上部磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であり、
前記下部素子は、補助電極と、下部磁化固定層と、下部中間層とがこの順序で前記基板側から積層されたものであり、前記基板側に当該基板を透過した光を前記磁化自由層に入射させるための窓部が形成され、
前記駆動電極の一方と前記補助電極との間の電気抵抗は、前記駆動電極間の電気抵抗に比べて大きいことを特徴とする光変調素子。 - 前記2つの上部磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることを特徴とする請求項1に記載の光変調素子。
- 請求項1または請求項2に記載の光変調素子を用いた空間光変調器であって、
光を透過させる基板と、この基板上に2次元配列された複数の画素と、この複数の画素から1以上の画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備え、
前記画素は、前記光変調素子と、前記2つの上部磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記駆動電極と、を有し、
さらに、前記選択された画素における前記一対のうちの一方の駆動電極と、前記光変調素子の補助電極との間の電圧値を測定する測定部を備え、
前記画素選択手段は、前記測定部で測定された電圧値から電気抵抗値を算出する算出部と、前記選択された画素において予め設定された磁化方向に応じて定められた標準電気抵抗値の設定範囲を記憶する記憶部と、前記算出された電気抵抗値が前記標準電気抵抗値の設定範囲内の値である場合に磁化反転が良好と判断し、前記設定範囲外の値である場合に磁化反転が不良と判断する判断部と、前記磁化反転が不良と判断された場合に前記駆動電極への電流の再供給を指令する指令部と、を有することを特徴とする空間光変調器。 - 前記配列された複数の画素において、前記2つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う2つの前記光変調素子の下部素子が一体化されていることを特徴とする請求項3に記載の空間光変調器。
- 前記配列された複数の画素において、前記2つの上部磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う2つの前記光変調素子の補助電極の間、および、それぞれの補助電極に形成された窓部を塞ぐように形成された透明電極を有することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の空間光変調器。
- 前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか一項に記載の空間光変調器。
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