JP2017156555A - 多段光変調素子および空間光変調器 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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swx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swy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。
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swx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swy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swx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swy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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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〔SiO2〕、酸化アルミニウム〔Al2O3〕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。
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、Jcは反転電流密度(Jc=Ic/A、Ic:反転電流、A:面積)、Jc0は臨界反転電流密度、kBはボルツマン定数、Tは絶対温度、Kuは一軸磁気異方性定数、Vは体積(V=A×d、A:面積、d:膜厚)、tpはパルス幅、t0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、Ku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。
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、Ku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。
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swx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swy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。
また、空間光変調器1は、画素選択部30Yのスイッチswy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。
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。
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(SiO2)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。
まず、図4(a)に示すように、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO2)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。
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。
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。
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)。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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)
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1μm2とし、0.25μm2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。
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(0.25μm2に対して0.125μm2)、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。
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(0.25μm2に対して0.125μm2)、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
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)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113391471A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 空间光调制器及其制备方法 |
-
2016
- 2016-03-02 JP JP2016039811A patent/JP2017156555A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113391471A (zh) * | 2021-06-11 | 2021-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 空间光调制器及其制备方法 |
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