JP2017156555A - 多段光変調素子および空間光変調器 - Google Patents

Abstract

【課題】画素サイズにかかわらず、駆動電流を抑えて、開口率を高めることが可能な多段光変調素子を提供する。
【解決手段】多段光変調素子Ｍは、磁化固定層２１、中間層２２および光変調層２３が積層された複数の光変調素子２Ａ，２Ｂを備え、複数の光変調素子２Ａ，２Ｂは、それぞれ磁化固定層２１側に接続された下部電極３と、光変調層２３側に接続された透明電極４とを備えて光の入射面が同一平面上になるように配置され、光変調素子２Ａの透明電極４Ａと光変調素子２Ｂの下部電極３Ｂとを接続する素子間電極５を備えて、複数の光変調素子２Ａ，２Ｂが直列接続されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、スピン注入磁化反転素子を用いた多段光変調素子および空間光変調器に関する。

従来、光学素子（光変調素子）を２次元状に配列して、光源からの光の位相、振幅等を空間的に変調する空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いた表示装置が知られている。また、近年では、空間光変調器を用いて立体ホログラフィを表示する表示装置の開発が進められている（特許文献１〜４等参照）。
立体ホログラフィを表示する場合、実用に足る３０度以上の視域を確保するためには、空間光変調器の画素ピッチを１μｍ以下にする必要がある。しかし、光学素子として、液晶、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital MicromirrorDevice）等を用いた空間光変調器は、画素ピッチが５μｍ程度であり、これ以上の微細化は物理的に困難である。

これに対し、画素の書き換えにスピン注入磁化反転素子を用いた空間光変調器（以下、スピンＳＬＭ）は、１μｍ程度の画素ピッチを実現することが容易である。そのため、スピンＳＬＭは、立体ホログラフィを表示するデバイスとして好適である。
このスピンＳＬＭは、画素ごとに磁化固定層、中間層（絶縁層）、光変調層を有するスピン注入磁化反転素子を備える。そして、スピンＳＬＭは、選択された画素の電流を流す方向によって、光変調層の磁化方向を制御して、磁気光学効果によって異なる方向に変化する偏向角の光をフィルタリングすることで、画素ごとに光の明暗を実現している。

従来のスピンＳＬＭである空間光変調器１００（図１２参照）は、画素Ｐを２次元状に配列している。そして、空間光変調器１００は、図１３に示すように、画素Ｐごとに、トランジスタ部Ｔとして形成された電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）上に、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunnel Magneto Resistance Effect）を利用した光変調素子２（光変調部ＭＢ）と、上部透明電極１０とを積層して構成している。

すなわち、空間光変調器１００は、スイッチング動作によって画素Ｐを選択し、トランジスタ部ＴのゲートＴｇに電圧を印加することで、ソースＴｓとドレインＴｄとの間での電流の流れを可能にする。そして、空間光変調器１００は、選択された画素Ｐに対して、上部透明電極１０と電極（下部電極）８と間に挟まれた光変調素子２に電圧をかけることで、中間層２２に電流が流れ、その電流の向きに応じて光変調層２３の磁化反転を発生させる。
この空間光変調器１００の駆動方式は、アクティブマトリクス駆動方式と呼ばれる。
なお、スピンＳＬＭは、パッシブ駆動方式（単純マトリクス駆動方式）で駆動することもできる。

パッシブ駆動方式のスピンＳＬＭである空間光変調器１００Ｂ（図１４参照）は、画素Ｐを２次元状に配列し、上部透明電極１０Ｂと下部電極８０とを、それぞれ、画素Ｐの列ごと、および、行ごとに配置している。そして、空間光変調器１００Ｂは、図１５に示すように、画素Ｐごとに、基板９上に、下部電極８０と、光変調素子２（光変調部ＭＢ）と、上部透明電極１０Ｂとを積層して構成している。

すなわち、空間光変調器１００Ｂは、スイッチング動作によって画素Ｐが選択され、上部透明電極１０Ｂと電極（下部電極８０）と間に挟まれた光変調素子２に電圧をかけることで、中間層３２に電流が流れ、その電流の向きに応じて光変調層３３の磁化反転を発生させる。

このパッシブ駆動方式は、構造がシンプルでＳＬＭの製造コストを抑えることができるが、レスポンス時間が長く、電極同士の干渉（クロストーク）から画素同士の距離をある程度離す必要があるため、動画像表示や高解像度化には向かない。
一方、アクティブマトリクス駆動方式は、ＳＬＭの背面にトランジスタ等の周辺回路を備える必要があるが、パッシブ駆動方式に比べて、レスポンス時間が短く、また、クロストークを抑えることが可能で解像度を高めることができる。

これらの方式は、図１６（ａ）に示すように、１つの画素Ｐに１つの光変調素子２を配置する構成が一般的である。これに対し、階調表示を目的として、図１６（ｂ）に示すように、１つの画素に複数の光変調素子２を配置する構成が開示されている（特許文献２，３参照）。
この場合、図１７に示すように、複数の光変調素子２（２Ａ，２Ｂ）を、一対の上部透明電極１０（または１０Ｂ）と電極８（または下部電極８０）との間に並列に配置することで実現している。このような構成で、階調表示を実現することはできるが、配置した素子の数だけ電流は増えることになり、開口率に応じて駆動電流は大きくなる。

特許第４８２９８５０号公報 特許第４９３９１４９号公報 特許第４９３９４７７号公報 特許第５８３６８５８号公報

スピン注入磁化反転素子において磁化反転を発生させる駆動電流は、電流密度と素子サイズとによって決まる。そのため、スピン注入磁化反転素子は、素子サイズを小さくすることで低電流駆動が可能となる。
また、スピンＳＬＭで光を効率よく変調するには、画素サイズに対する素子サイズの大きさである開口率が高い方が好ましい。

しかし、従来のスピンＳＬＭは、アクティブマトリクス駆動方式を採用した場合、背面に配置するトランジスタ等の周辺回路の微細化の制限によって、画素サイズが制限されてしまう。また、従来のスピンＳＬＭは、画素数等の設計事項によって画素サイズが決定されることが多い。

そのため、従来のスピンＳＬＭは、制限された画素サイズの範囲内で、素子サイズを小さくした場合、開口率が低くなり、光を効率よく変調することができないという問題がある。また、従来のスピンＳＬＭは、制限された画素サイズの範囲内で、素子サイズを大きくして開口率を高くすれば、駆動電流が大きくなってしまうという問題がある。
また、開口率を高めるため、電極に対して光変調素子を並列に配置すると、駆動電流が大きくなってしまうという問題がある。
このように、従来のスピンＳＬＭは、開口率および駆動電流をともに最適化することは困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、画素サイズにかかわらず、駆動電流を抑えて、開口率を高めることが可能な多段光変調素子および空間光変調器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る多段光変調素子は、入射する光の偏光面を回転させて反射する空間光変調器の画素として複数の光変調素子を備えた多段光変調素子であって、磁化固定層、中間層および光変調層が積層された前記複数の光変調素子を備え、前記複数の光変調素子は、それぞれ前記磁化固定層側に接続された下部電極と、前記光変調層側に接続された透明電極とを備えて光の入射面が同一平面上になるように配置され、前記光変調素子の前記透明電極と他の光変調素子の前記下部電極とを接続する素子間電極を備えて、前記複数の光変調素子が直列接続されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、多段光変調素子は、画素として、複数の光変調素子を光の入射面が同一平面上になるように配置し、複数の光変調素子を下部電極と透明電極とを介して直列接続することで、平面視したときの画素サイズに対する光変調素子のサイズの割合が増加し、さらに、同じ素子サイズの１つの光変調素子と同じ駆動電流で駆動することが可能になる。

また、前記課題を解決するため、本発明に係る空間光変調器は、基板上に２次元配列された画素ごとに、磁化固定層、中間層および光変調層が積層された複数の光変調素子を備え、入射する光の偏光面を回転させて反射する空間光変調器であって、前記複数の光変調素子は、それぞれ前記磁化固定層側に接続された下部電極と、前記光変調層側に接続された透明電極とを備えて光の入射面が同一平面上になるように配置され、前記光変調素子の前記透明電極と他の光変調素子の前記下部電極とを接続する素子間電極を備えて、前記複数の光変調素子が直列接続され、前記直列接続された両端の電極である透明電極および下部電極が、当該画素を選択する一対の電極にそれぞれ接続されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、空間光変調器は、画素ごとに、複数の光変調素子を光の入射面が同一平面上になるように配置し、複数の光変調素子を下部電極と透明電極とを介して直列接続することで、平面視したときの画素サイズに対する光変調素子のサイズの割合が増加し、さらに、同じ素子サイズの１つの光変調素子と同じ駆動電流で駆動することが可能になる。

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
本発明によれば、空間光変調器の画素に、複数の光変調素子を同一平面上に配置することで、開口率を高めることができる。また、本発明は、異なる光変調素子間の透明電極と下部電極とを素子間電極で接続し複数の光変調素子の配線を直列に接続することで、駆動電流を抑えることができる。
このように、本発明は、画素サイズにかかわらず、駆動電流を抑え、開口率を高めることができる。

本発明の実施形態に係る多段光変調素子を備えた空間光変調器（アクティブマトリクス駆動方式）の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素の断面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の製造方法（その１）を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の製造方法（その２）を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素の他の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の他の画素の構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の他の画素の断面図である。 本発明の他の実施形態に係る空間光変調器（パッシブ駆動方式）の構成を示す平面図である。 図９の空間光変調器の画素の断面図である。 本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素を構成する光変調素子の個数に対する駆動電流と開口率との関係を示すグラフ図である。 従来の空間光変調器（アクティブマトリクス駆動方式）の構成を示す平面図である。 図１２の空間光変調器の画素の断面図である。 従来の空間光変調器（パッシブ駆動方式）の構成を示す平面図である。 図１４の空間光変調器の画素の断面図である。 従来の空間光変調器の画素の構成を示す平面図であって、（ａ）は１つの画素に１つの光変調素子を配置した図、（ｂ）は１つの画素に２つの光変調素子を配置した図である。 従来の空間光変調器の画素で、複数の光変調素子を配置した画素の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［空間光変調器の構成］
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る空間光変調器１の構成について説明する。

空間光変調器１は、光源から入射される光の位相、振幅等を空間的に変調して出射するものである。ここでは、空間光変調器１を、アクティブマトリクス駆動方式で駆動する構成例で説明する。図１に示すように、空間光変調器１は、上部透明電極１０と、画素アレイ２０と、画素選択部３０Ｘ，３０Ｙとを備える。また、空間光変調器１は、外部に電圧源４０と、電流源５０とが接続される。

上部透明電極１０は、画素アレイ２０の上面（光の入出射面）にそれぞれの画素Ｐに接続された電極である。この上部透明電極１０は、画素アレイ２０における光の入出射を可能にするため透明な電極とする。例えば、上部透明電極１０として、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の一般的な透明電極材料を用いることができる。

画素アレイ２０は、多段光変調部Ｍおよびトランジスタ部Ｔで構成された画素Ｐを２次元アレイ状に配置し、入射された光の位相、振幅等を空間的に変調するものである。

多段光変調部（多段光変調素子）Ｍは、光変調素子２（図３参照）を直列に多段接続し、上部透明電極１０とトランジスタ部Ｔの電極（ドレインＴｄ）との間に供給される電流の大きさと向きとにより磁化方向を反転させ、画素Ｐに入射する光を変調して出力するものである。

トランジスタ部Ｔは、ゲートＴｇの電極に電圧をかけ、ソースＴｓ−ドレインＴｄ間の電流を制御する電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）である。
ここでは、トランジスタ部Ｔは、画素選択部３０Ｘの１つのスイッチｓｗ_ｘが選択（ＯＮ）されて電圧が印加され、画素選択部３０Ｙの１つのスイッチｓｗ_ｙが選択（ＯＮ）されて電流が流れることで駆動する。
なお、画素アレイ２０の個々の画素の構造については、図２，図３を参照して、あとで詳細に説明する。

画素選択部３０Ｘは、画素アレイ２０の列を選択するものである。ここでは、画素選択部３０Ｘは、複数のスイッチｓｗ_ｘを備え、図示を省略した制御手段によって選択された１つの列に、外部の電圧源４０から供給される電圧を印加する。

画素選択部３０Ｙは、画素アレイ２０の行を選択するものである。ここでは、画素選択部３０Ｙは、複数のスイッチｓｗ_ｙを備え、図示を省略した制御手段によって選択された１つの行に、外部の電流源５０の電流を流す。

電圧源４０は、電圧を印加する電源であって、画素選択部３０Ｘに電圧を供給するものである。
電流源５０は、画素アレイ２０に電流（パルス電流）を供給するものである。この電流源５０は、一端が上部透明電極１０に接続され、他端が画素選択部３０Ｙに接続される。
このように、空間光変調器１を構成することで、空間光変調器１は、トランジスタ部Ｔのスイッチング動作によって、個別に多段光変調部Ｍを制御することができ、クロストークを抑えた正確な駆動を実現することができる。

〔画素構造〕
次に、図２および図３を参照（適宜図１参照）して、空間光変調器１を構成する画素アレイ２０の個々の画素Ｐの構造について説明する。ここでは、２つの光変調素子２を直列接続した構造例で説明する。なお、図３は、図２に示した画素Ｐの平面図のＡ−Ａ断面図である。
図３に示すように、画素Ｐは、トランジスタ部Ｔの上部に多段光変調部Ｍと上部透明電極１０とを積層して構成される。なお、トランジスタ部Ｔは、従来と同様（図１３参照）のものであるため、多段光変調部Ｍに直接接するドレインＴｄに接続される電極８および絶縁層７のみを図示している。

多段光変調部（多段光変調素子）Ｍは、光変調素子２（２Ａ，２Ｂ）と、下部電極３（３Ａ，３Ｂ）と、透明電極４（４Ａ，４Ｂ）とをそれぞれ２つ備え、さらに、光変調素子２Ａ，２Ｂを接続する素子間電極５と、透明電極４Ｂと上部透明電極１０とを接続する電極６とを備える。ここでは、多段光変調部Ｍは、複数の光変調素子２を光の入射面が同一平面上になるように配置して直列接続して構成する。

光変調素子２は、空間光変調器１の画素Ｐとして、入射した光を反射して異なる２値の光（偏光成分）に変調して出射するスピン注入磁化反転素子である。この光変調素子２には、一般的な、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto-Resistance）型の素子（ＧＭＲ素子）やトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magneto-Resistance）型の素子（ＴＭＲ素子）を用いることができる。なお、多段光変調部Ｍに含まれる複数の光変調素子２は、素子サイズがすべて同じとする。これによって、個々の光変調素子２は、すべて同じ条件（駆動電流等）で、同じ磁化反転動作を行うことができる。
この光変調素子２は、下部電極３から順に、磁化固定層２１と、中間層２２と、光変調層２３とを積層して構成される。

磁化固定層２１は、磁化方向が予め固定された磁性層である。この磁化固定層２１は、例えば、ホイスラー合金や、テルビウム・鉄・コバルト（Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ）合金とコバルト・鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）合金の積層膜等で構成される。

中間層２２は、磁化固定層２１と光変調層２３とを分離する層である。この中間層２２は、光変調素子２をＧＭＲ素子とする場合、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、Ｃｕ合金等の導電性を有した金属または合金を用いることができる。
また、中間層２２は、光変調素子２をＴＭＲ素子とする場合、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の絶縁層とする。

光変調層２３は、注入された電子スピンの向きと同じ方向に磁化するとともに、磁化の向きによって入射光の偏光面を磁気光学カー効果により回転するものである。この光変調層２３には、例えば、コバルト／白金（Ｃｏ／Ｐｔ）多層膜、ガドリニウム・鉄（Ｇｄ−Ｆｅ）合金等を用いることができる。
これによって、光変調素子２は、磁化固定層２１から下向きの電子スピンが注入された場合、光変調層２３の磁化を下向きに反転させる。また、光変調素子２は、光変調層２３から上向きの電子スピンが注入された場合、光変調層２３の磁化を上向きに反転させる。
このように、光変調素子２は、流す電流の向きによって、磁化を制御することができる。

下部電極３および透明電極４は、１つの光変調素子２を挟んで対をなし、光変調素子２を駆動する電極である。
下部電極３には、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）等の一般的な電極用材料を用いることができる。
透明電極４には、入射光が効率よく光変調素子２に到達できるように、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の一般的な透明電極材料を用いることができる。

素子間電極５は、隣り合う光変調素子２Ａ，２Ｂを接続する電極である。
電極６は、複数の光変調素子２の中の１つ（ここでは、光変調素子２Ｂ）の透明電極４（４Ｂ）を、上部透明電極１０に接続する電極である。
この素子間電極５および電極６は、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）等の一般的な電極用材料を用いることができる。
ここで、光変調素子２Ａに接続された下部電極３Ａは、トランジスタ部Ｔの電極８に接続され、光変調素子２Ｂに接続された下部電極３Ｂは、トランジスタ部Ｔの絶縁層７上に配置される。
また、光変調素子２Ａに接続された透明電極４Ａは、光変調素子２Ｂに接続された下部電極３Ｂと素子間電極５を介して接続され、光変調素子２Ｂに接続された透明電極４Ｂは、電極６を介して上部透明電極１０に接続される。

これによって、光変調素子２Ａ，２Ｂは、トランジスタ部Ｔの電極８と、上部透明電極１０との間で、直列に接続されることになる。また、光変調素子２Ａの透明電極４Ａと光変調素子２Ｂの下部電極３Ｂとを素子間電極５で接続することで、すべての光変調素子２の光変調層２３に対して光が入射されることになる。

絶縁層７は、多段光変調部Ｍの各層において、隣り合う光変調素子２（２Ａ，２Ｂ）間および光変調素子２と素子間電極５との間、隣り合う下部電極３（３Ａ，３Ｂ）間、隣り合う透明電極４（４Ａ，４Ｂ）間、ならびに、電極６以外の透明電極４と上部透明電極１０との層間を絶縁するものである。なお、多段光変調部Ｍの絶縁層７は、入射光が効率よく光変調素子２に到達できるように、透明絶縁材料（例えば、二酸化ケイ素〔ＳｉＯ_２〕、酸化アルミニウム〔Ａｌ_２Ｏ_３〕等）を用いる。

以上説明したように、空間光変調器１の画素Ｐを構成することで、空間光変調器１は、多段光変調部Ｍにおいて、光変調素子２を直列に多段接続するため、トランジスタ部Ｔのトランジスタ構造を増設することなく、光変調素子２を増やすことができる。
なお、光変調素子２におけるスピン注入磁化反転を行うための駆動電流は、素子サイズ（図２の平面図における光変調素子２の面積）で決定されることが知られている（例えば、参考文献：R.H.Koch et al.,“Time-Resolved Reversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet”, Phys. Rev. Lett., vol. 92, 088302 (2004)）。
参考文献に記載されているように、スピン注入磁化反転を行うための駆動電流の反転電流密度とパルス幅との間には、以下の式（１）の関係が成り立つ。

ここで、Ｊ_ｃは反転電流密度（Ｊ_ｃ＝Ｉ_ｃ／Ａ、Ｉ_ｃ：反転電流、Ａ：面積）、Ｊ_ｃ０は臨界反転電流密度、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｋ_ｕは一軸磁気異方性定数、Ｖは体積（Ｖ＝Ａ×ｄ、Ａ：面積、ｄ：膜厚）、ｔ_ｐはパルス幅、ｔ_０は臨界反転時のパルス幅である。
すなわち、駆動電流の電流値とパルス幅を一定とした場合を考えると、Ｋ_ｕは材料で決まる定数であり、膜厚を画素Ｐ内で均一とした場合、駆動電流は素子の面積で決定されることが分かる。
そのため、空間光変調器１は、画素Ｐにおいて、光変調素子２を直列に接続することで、電流の流れる光変調素子２の面積を増やすことなく、すなわち、駆動電流を増加させずに、開口率を高めることができる。

［空間光変調器の動作］
次に、図１および図３を参照して、本発明の実施形態に係る空間光変調器１の動作について説明する。

空間光変調器１は、画素選択部３０Ｘのスイッチｓｗ_ｘが選択（ＯＮ）されることで、画素アレイ２０の列を選択し、トランジスタ部ＴのゲートＴｇに、電圧源４０から供給される電圧を印加する。
また、空間光変調器１は、画素選択部３０Ｙのスイッチｓｗ_ｙが選択（ＯＮ）されることで、画素アレイ２０の行を選択し、ソースＴｓとドレインＴｄとの間での電流源５０から供給される電流の流れを可能にする。

このとき、画素Ｐは、上部透明電極１０と電極８（ドレインＴｄ）との間に直列接続された光変調素子２Ａ，２Ｂにおいて、中間層２２に電流が流れ、その電流の向きに応じて光変調層２３の磁化反転が発生する。
具体的には、画素Ｐは、垂直な方向にパルス電圧を印加されると、磁化固定層２１と、光変調層２３との間の中間層２２に上向きまたは下向きの電子スピンがトンネル電流で流れて光変調層２３に注入される。

ここで、光変調素子２に光変調層２３側から電流を流した場合、電子は磁化固定層２１から光変調層２３の方向に流れる。このとき、下向きに磁化が固定されている磁化固定層２１では上向きスピンの電子を反射し、下向きスピンの電子だけが磁化固定層２１に入り、中間層２２を通過して、光変調層２３に注入される。これによって、光変調層２３の磁化は、下向きに反転（スピン注入磁化反転）する。

一方、光変調素子２に磁化固定層２１側から電流を流した場合、電子は光変調層２３から磁化固定層２１の方向に流れる。このとき、光変調層２３および中間層２２を通過した電子のうち、上向きスピンを持つ電子は磁化固定層２１で反射し、光変調層２３には上向きスピンを持つ電子が多く存在することになり、光変調層２３の磁化が上向きに反転する。

ここで、画素Ｐには、複数の光変調素子２が存在するが、それらは直列に接続されているため、個々の光変調素子２における電流の流れる向きは同一となる。よって、画素Ｐ内の複数の光変調素子２は、すべて同じ偏光状態となる。

以上の動作によって、空間光変調器１は、選択された画素Ｐに対して流す電流の方向を制御することで、光変調層２３の磁化の向きを制御し、直線偏向した光を照射されることで、その反射光の偏光面が光変調層２３の磁化の向きに対応して回転するため、２値の偏光状態を得ることができる。

［空間光変調器の製造方法］
次に、図４および図５を参照（適宜図３参照）して、空間光変調器１の製造方法の一例について説明する。

（バックプレーンの形成）
まず、図４（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等の基板９に、トランジスタ部Ｔを形成し、バックプレーン（回路基板）を製造する。なお、トランジスタ部Ｔの形成は、従来の公知の手法（特許文献４等）を用いることができるため、ここでは説明を省略する。

（画素用磁性薄膜の堆積）
次に、図４（ｂ）に示すように、バックプレーン（トランジスタ部Ｔ）上に、蒸着法、スパッタリング法等によって、下部電極３、磁化固定層２１、中間層２２、光変調層２３を順次成膜する。

（下部電極形成用レジストパターンの形成）
次に、図４（ｃ）に示すように、（ｂ）で成膜した層の上にフォトリソグラフィ等によって、レジストＲ１をパターン形成する。ここで、レジストＲ１は、個々の光変調素子２の下部電極３を成形するための領域に形成される。

（下部電極３の形成）
そして、図４（ｄ）に示すように、レジストパターンが形成された上部から、イオンミリング法によって、アルゴンイオン（Ａｒ^＋）ビームを用いてエッチングを行い、レジストＲ１以外の領域において、光変調層２３、中間層２２、磁化固定層２１、下部電極３を除去してトランジスタ部Ｔのドレインに接続する電極を露出させる。

（絶縁層の埋め戻し）
そして、図４（ｅ）に示すように、素子分離の後、エッチングされた領域に絶縁層７を埋め戻し、レジストＲを絶縁層７とともに除去する（リフトオフ）。

（光変調素子形成用レジストパターンの形成）
次に、図４（ｆ）に示すように、（ｅ）で生成された層の上に、レジストＲ２をパターン形成する。ここで、レジストＲ２は、図２に示したように、平面視で下部電極３上に、素子間電極５および電極６の領域を確保するため、図２に示した光変調素子２の平面視形状に相当する領域に形成される。

（光変調素子２の形成および絶縁層の埋め戻し）
そして、図５（ｇ）に示すように、レジストパターンが形成された上部から、イオンミリング法によって、アルゴンイオン（Ａｒ^＋）ビームを用いてエッチングを行い、レジストＲ２以外の領域において、光変調層２３、中間層２２、磁化固定層２１を除去して下部電極３を露出させる。
さらに、エッチングされた領域に絶縁層７を埋め戻し、レジストＲを絶縁層７とともに除去する（リフトオフ）。

（素子間電極５の形成）
そして、図５（ｈ）に示すように、反応性イオンエッチング等により、他の光変調素子２と接続する下部電極３（ここでは、下部電極３Ｂ）に素子間電極５を形成する。
例えば、素子間電極５用のレジストパターンを形成し、反応性イオンエッチングで下部電極３Ｂの表面までの穴をあけたのちに、蒸着、スパッタ等により電極材料で埋め戻してから、レジストを除去する（リフトオフ法）。
あるいは、素子間電極５用のレジストパターンを形成し、反応性イオンエッチングで下部電極３Ｂの表面までの穴をあけたのちに、レジストを除去してから、蒸着、スパッタ、メッキ等により電極材料を全面に製膜して穴を埋めたうえで、ＣＭＰ（化学機械研磨：Chemical Mechanical Polishing）によって不要な電極膜を除去する（ダマシン法）こととしてもよい。

（透明電極用薄膜の堆積）
その後、図５（ｉ）に示すように、蒸着法、スパッタリング法等によって、透明電極４を成膜する。

（透明電極４の分離）
そして、個々の光変調素子２の個別の透明電極４の領域をレジストパターンで形成し（不図示）、図５（ｊ）に示すように、スパッタリングにより個々の透明電極４Ａ，４Ｂに分離した後、絶縁層７を埋め戻す。

（電極６の形成）
そして、図５（ｋ）に示すように、さらに絶縁層７を堆積させ、反応性イオンエッチング等により、上部透明電極１０と接続する透明電極４（ここでは、透明電極４Ｂ）に電極６を形成する。
（上部透明電極１０の堆積）
最後に、図５（ｌ）に示すように、蒸着法、スパッタリング法等によって、上部透明電極１０を成膜する。
以上の手順によって、画素Ｐごとに、光変調素子２を直列に配線した空間光変調器１を製造することができる。
以上、本発明の実施形態にかかる空間光変調器１について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

［空間光変調器の変形例］
例えば、図３で説明した画素構成では、空間光変調器１は、上部透明電極１０を備え、画素Ｐの直列接続された一端の光変調素子２（２Ｂ）の透明電極４（４Ｂ）を、電極６を介して上部透明電極１０と接続する構成とした。
しかし、図６に示すように、上部透明電極１０を設けずに、画素Ｐの直列接続された一端の光変調素子２（２Ｂ）の透明電極４（４Ｂ）を、電極６Ｂを介して背面の電極（不図示）に接続する構成としてもよい。

また、ここでは、空間光変調器１は、画素Ｐに２個の光変調素子２を備える構成とした。
しかし、画素Ｐに備える光変調素子２は、２個に限定されず、３個以上であっても構わない。
例えば、図７および図８に示すように、画素Ｐに４個の光変調素子２を直列接続する構成としてもよい。また、複数の光変調素子２は必ずしも平面視で直線状に配置する必要はなく、図７に示すように、コの字等の２次元状に配置してもよい。
なお、図８は、直列接続の状態を視覚的に分かりやすくするため、図７の画素ＰのＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面を、模式的に１つの図面で表している。

図８の例では、４個の光変調素子２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの隣り合う光変調素子の透明電極４と下部電極３とを素子間電極５で直列接続している。そして、直列接続した一端の光変調素子２（２Ａ）の下部電極３（３Ａ）を、トランジスタ部Ｔのドレインにつながる電極８に接続し、他端の光変調素子２（２Ｄ）の透明電極４（４Ｄ）を、電極８を介して上部透明電極１０に接続して構成している。

また、ここでは、空間光変調器１を、アクティブマトリクス駆動方式で駆動する構成例で説明したが、もちろん、パッシブ駆動方式で駆動するように構成しても構わない。
図９に、パッシブ駆動方式で駆動する本発明の他の実施形態に係る空間光変調器１Ｂの構成を示す。

図９に示すように、パッシブ駆動方式で駆動する空間光変調器１Ｂは、上部透明電極１０Ｂと、画素アレイ２０Ｂと、画素選択部３０ＸＢ，３０ＹＢと、下部電極８０とを備える。また、空間光変調器１Ｂは、電流源５０が接続される。
すなわち、空間光変調器１Ｂは、従来のパッシブ駆動方式で駆動する空間光変調器（図１４）の画素Ｐの光変調部ＭＢを、多段光変調部Ｍに替えて構成すればよい。
そして、空間光変調器１Ｂの多段光変調部Ｍは、図１０に示すように、下部電極８０の上に絶縁層７を設けて配置し、直列接続された一端の下部電極３Ａのみを下部電極８０に接続すればよい。

［駆動電流と開口率との関係］
最後に、図１１を参照して、本発明の実施形態に係る空間光変調器１における駆動電流と開口率との関係を、画素Ｐ内の光変調素子２の個数による違いで説明する。
駆動電流［ｍＡ］および開口率［％］は、それぞれ、以下の式（２）および式（３）で求めることができる。

駆動電流＝素子サイズ×反転電流密度 …式（２）
開口率 ＝素子サイズ×素子数／画素サイズ …式（３）

ここで、画素Ｐの大きさ（画素サイズ）を１μｍ^２とし、０．２５μｍ^２の光変調素子１個（単素子）の大きさ（素子サイズ）を磁化反転するための電流（反転電流）を１．５ｍＡとする。なお、式（２）の反転電流密度は、この値を用いて、前記式（１）で規定する。
前記式（２）および式（３）において、反転電流密度および画素サイズを一定とし、素子サイズと素子数とを変数として計算した駆動電流と開口率との関係を示したグラフを図１１に示す。ここでは、光変調素子２の個数が１個（単素子）の場合と、光変調素子２の個数として２個，４個，６個をそれぞれ直列に接続した場合とを示す。なお、光変調素子２の個数が１個の場合は、従来の空間光変調器に相当する。

図１１に示すように、同じ駆動電流で比較した場合、光変調素子２の直列の個数分だけ、開口率を大きくすることができる。
一方、同じ開口率で比較した場合、光変調素子２の個数を増やすほど、駆動電流を抑えることができる。例えば、光変調素子２を２個直列接続した場合、光変調素子２が１個（単素子）の場合に比べて、素子サイズが小さくなるため（０．２５μｍ^２に対して０．１２５μｍ^２）、駆動電流を半分に抑えることができる。
このように、同じ画素サイズの場合、光変調素子２の個数を増やすほど、駆動電流を抑え、開口率を高めることができる。例えば、光変調素子２を２個直列接続した場合、光変調素子２が１個（単素子）の場合に比べて、駆動電流を半分に抑えて、同等の開口率を実現することができ、同じ駆動電流で駆動させる場合であれば、開口率を倍にすることができる。

１ 空間光変調器
２ 光変調素子
２１ 磁化固定層
２２ 中間層
２３ 光変調層
３ 下部電極
４ 透明電極
５ 素子間電極
６ 電極
７ 絶縁層
８ 電極
１０ 上部透明電極
２０ 画素アレイ
３０Ｘ 画素選択部
３０Ｙ 画素選択部
４０ 電圧源
５０ 電流源
Ｐ 画素
Ｍ 多段光変調部（多段光変調素子）
Ｔ トランジスタ部

Claims (4)

1. 入射する光の偏光面を回転させて反射する空間光変調器の画素として複数の光変調素子を備えた多段光変調素子であって、
   磁化固定層、中間層および光変調層が積層された前記複数の光変調素子を備え、
   前記複数の光変調素子は、それぞれ前記磁化固定層側に接続された下部電極と、前記光変調層側に接続された透明電極とを備えて光の入射面が同一平面上になるように配置され、
   前記光変調素子の前記透明電極と他の光変調素子の前記下部電極とを接続する素子間電極を備えて、前記複数の光変調素子が直列接続されていることを特徴とする多段光変調素子。
2. 前記複数の光変調素子は、同じ素子サイズであることを特徴とする請求項１に記載の多段光変調素子。
3. 基板上に２次元配列された画素ごとに、磁化固定層、中間層および光変調層が積層された複数の光変調素子を備え、入射する光の偏光面を回転させて反射する空間光変調器であって、
   前記複数の光変調素子は、それぞれ前記磁化固定層側に接続された下部電極と、前記光変調層側に接続された透明電極とを備えて光の入射面が同一平面上になるように配置され、
   前記光変調素子の前記透明電極と他の光変調素子の前記下部電極とを接続する素子間電極を備えて、前記複数の光変調素子が直列接続され、
   前記直列接続された両端の電極である透明電極および下部電極が、当該画素を選択する一対の電極にそれぞれ接続されていることを特徴とする空間光変調器。
4. 前記複数の光変調素子は、同じ素子サイズであることを特徴とする請求項３に記載の空間光変調器。

Images