JP2021110787A - Domain wall displacement type spatial light modulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、視域の広い立体ホログラフィ用空間光変調器として有望な、磁壁移動により光変調領域の磁区構造を制御することで、光の明暗を表示する磁気光学式空間光変調器(以下、「磁壁移動型空間光変調器」と言う。)に関する。 The present invention is a promising spatial light modulator for three-dimensional holography with a wide field of view, which is a magnetic-optical spatial light modulator that displays the brightness and darkness of light by controlling the magnetic zone structure of the optical modulation region by moving the magnetic wall (hereinafter, It is called "magnetic wall moving type spatial light modulator").
従来、立体ホログラフィにおいて実用に足る30度以上の視域を確保するためには、表示装置である空間光変調器(SLM)の画素ピッチを1マイクロメートル以下にする必要がある。液晶やデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)等の既存のSLMは、画素ピッチが5マイクロメートル程度であり、これ以上の微細化は困難な状況にある。 Conventionally, in order to secure a viewing range of 30 degrees or more, which is practical in stereoscopic holography, it is necessary to set the pixel pitch of the spatial light modulator (SLM), which is a display device, to 1 micrometer or less. Existing SLMs such as liquid crystals and digital micromirror devices (DMDs) have a pixel pitch of about 5 micrometers, and further miniaturization is difficult.
一方で、画素の書き換えにスピン注入磁化反転や磁壁移動を用いた磁気光学式空間光変調器(MOSLM)は、光利用効率や動作電流等の観点で性能改善の必要はあるものの、1マイクロメートル程度の画素ピッチを実現することができる(特許文献1参照)。このMOSLMは、磁化の向きに応じた光の偏光面の回転を明暗に割り当てることにより、光の変調を実現するデバイスである。 On the other hand, the magneto-optical spatial light modulator (MOSLM), which uses spin injection magnetization reversal and domain wall movement to rewrite pixels, needs to be improved in terms of light utilization efficiency and operating current, but is 1 micrometer. A degree of pixel pitch can be realized (see Patent Document 1). This MOSLM is a device that realizes light modulation by assigning light and dark rotation of a plane of polarization of light according to the direction of magnetization.
ここで、出願人が提案済みである磁壁移動型SLMは、光変調層の両端に磁化固定層を配した構造により、光変調層に流す電流の向きによって磁区の拡大・縮小を制御することができる(特許文献2参照)。この磁壁移動型SLMによれば、スピン注入磁化反転を用いたMOSLMに比べて、低消費電力が期待できる。 Here, the domain wall moving type SLM proposed by the applicant has a structure in which magnetization fixing layers are arranged at both ends of the optical modulation layer, so that the expansion / contraction of the magnetic domain can be controlled by the direction of the current flowing through the optical modulation layer. Yes (see Patent Document 2). According to this domain wall moving type SLM, lower power consumption can be expected as compared with MOSLM using spin injection magnetization reversal.
ところで、磁壁移動型SLMは、開口率を向上させることで有効な光変調領域が増加するため、より明るい立体像を再生することが可能となる。ここで、磁壁移動型SLMの1画素を構成する磁壁移動型光変調素子は、磁化固定層と光変調層を備えるが、開口率を向上させるために光変調層の幅を広げると、駆動電流が増加する。これに対して、光変調層を画素内で細長く配置することで、駆動電流の増加を抑制しつつ、開口率を向上させる方法が提案されている(特許文献3参照)。 By the way, in the domain wall moving type SLM, an effective optical modulation region is increased by improving the aperture ratio, so that a brighter stereoscopic image can be reproduced. Here, the domain wall moving light modulation element constituting one pixel of the domain wall moving SLM includes a magnetization fixing layer and a light modulation layer, but when the width of the light modulation layer is widened in order to improve the aperture ratio, the drive current Will increase. On the other hand, a method has been proposed in which the aperture ratio is improved while suppressing the increase in the driving current by arranging the optical modulation layer elongated in the pixel (see Patent Document 3).
しかしながら、くびれ部や屈曲部を有する光変調層では、該くびれ部や屈曲部において磁壁が引っ掛かってトラップされることが知られている(特許文献4参照)。また、磁壁の移動距離と駆動電流密度とは比例する(非特許文献1,2参照)ため、光変調層を細長く配置したことによる低電流化の効果は限定的である。
However, in an optical modulation layer having a constricted portion or a bent portion, it is known that a domain wall is caught and trapped in the constricted portion or the bent portion (see Patent Document 4). Further, since the moving distance of the domain wall is proportional to the driving current density (see Non-Patent
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、低電流駆動が可能であるとともに開口率の向上が可能な磁壁移動型空間光変調器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a domain wall moving type spatial light modulator capable of driving at a low current and improving an aperture ratio.
(1) 本発明は、所定方向に延び、入射した光の偏光の向きを変化させて出射する光変調部と、前記光変調部の両端に配置され、互いに異なる保磁力を有する第1強磁性交換結合部及び第2強磁性交換結合部と、複数の磁壁移動型光変調素子と、を備える磁壁移動型空間光変調器であって、前記第1強磁性交換結合部及び前記第2強磁性交換結合部はいずれも、強磁性材料からなる第1強磁性層と、前記第1強磁性層上に形成され、強磁性材料からなることで前記第1強磁性層と強磁性交換結合する第2強磁性層と、を有し、前記複数の磁壁移動型光変調素子は、前記所定方向に直交する方向に前記第1強磁性交換結合部と前記第2強磁性交換結合部とが交互に位置するように並んで配置され、前記磁壁移動型空間光変調器は、隣接する前記磁壁移動型光変調素子同士の一端側において、隣接する前記第1強磁性交換結合部の第1強磁性層と前記第2強磁性交換結合部の第1強磁性層とを電気的に接続する接続部をさらに備える、磁壁移動型空間光変調器を提供する。 (1) In the present invention, a first ferromagnet that extends in a predetermined direction and emits by changing the direction of polarization of incident light and a first ferromagnet that is arranged at both ends of the light modulation section and has different coercive forces. A magnetic wall moving space optical modulator comprising an exchange coupling portion, a second ferromagnet exchange coupling portion, and a plurality of magnetic wall moving photomodulators, wherein the first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetism Each of the exchange coupling portions is formed on a first ferromagnetic layer made of a ferromagnetic material and the first ferromagnetic layer, and is made of a ferromagnetic material to form a ferromagnetic exchange coupling with the first ferromagnetic layer. In the plurality of magnetic wall moving type optical modulation elements having two ferromagnetic layers, the first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetic exchange coupling portion alternate in a direction orthogonal to the predetermined direction. The magnetic wall moving type space optical modulators are arranged side by side so as to be located, and the magnetic wall moving type spatial optical modulators are arranged on one end side of the adjacent magnetic wall moving type optical modulators, and the first ferromagnetic layer of the adjacent first ferromagnetic exchange coupling portion is provided. Provided is a magnetic wall mobile space optical modulator further comprising a connecting portion for electrically connecting the second ferromagnetic exchange coupling portion and the first ferromagnetic layer of the second ferromagnetic exchange coupling portion.
(2) 前記接続部は、隣接する前記第1強磁性層の前記第2強磁性層とは反対側の面同士を電気的に接続する接続用配線であってよい。 (2) The connecting portion may be a connection wiring for electrically connecting the surfaces of the adjacent first ferromagnetic layer on the opposite side of the second ferromagnetic layer.
本発明によれば、低電流駆動が可能であるとともに開口率の向上が可能な磁壁移動型空間光変調器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a domain wall moving type spatial light modulator capable of driving at a low current and improving an aperture ratio.
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。なお、第2実施形態の説明において第1実施形態と共通する構成については同一符号を付し、その説明を省略する。また、説明の便宜上、図中の上下左右を、磁壁移動型光変調素子の上下左右として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the second embodiment, the same reference numerals are given to the configurations common to those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted. Further, for convenience of explanation, the top, bottom, left, and right in the drawing will be described as the top, bottom, left, and right of the domain wall movable light modulation element.
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5は、磁壁移動を利用した複数の磁壁移動型光変調素子100を備える。本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5は、これら複数の磁壁移動型光変調素子100が直列に電気的に接続されることを特徴とする。
<First Embodiment>
The domain wall moving
先ず、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5を構成する磁壁移動型光変調素子100の基本構成について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る磁壁移動型光変調素子100の斜視図である。図2は、本発明の第1実施形態に係る磁壁移動型光変調素子100の動作を示す側面図である。なお、図1及び図2中の矢印は、磁化方向の向きを示している。
First, the basic configuration of the domain wall moving
図1に示されるように、磁壁移動型光変調素子100は、基本構成として、第1強磁性交換結合部1と、第2強磁性交換結合部2と、光変調部3と、を有しており、これらが図示しないSi等の基板上に形成される。
As shown in FIG. 1, the magnetic domain wall moving type
第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2は、それぞれ図示しないCu、Al、Au、Ag、Ru、Ta、Cr等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される下部電極を最下層に有する。第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2は、この下部電極にパルス電流源9が接続されることで、パルス電流(駆動電流)を印加可能となっている。
The first ferromagnetic
図1に示されるように、磁壁移動型光変調素子100は、例えば光変調部3が所定方向(図1の左右方向)に延びる平板状(平面視で略長方形)に形成され、その両端に第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2が配置される。光変調部3と第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2の上面は、連続して面一とされる。
As shown in FIG. 1, in the magnetic wall moving type
図2に示されるように、第1強磁性交換結合部1は、第1磁化固定層11と光変調層30とが積層されて構成される。この第1強磁性交換結合部1においては、必要に応じて、第1磁化固定層11と光変調層30との間に非磁性金属層12及びバッファ層13が配置される。
As shown in FIG. 2, the first ferromagnetic
第1磁化固定層11は、強磁性材料からなり、本発明の第1強磁性層に相当する。第1磁化固定層11は、磁化方向が一方向に固定された層であり、大きな保磁力を有する。第1磁化固定層11は、第1強磁性交換結合部1における光変調層30と同一方向の磁気異方性を有し、光変調層30に垂直磁気異方性を有する強磁性材料を用いた場合には、第1磁化固定層11も垂直磁気異方性を有する強磁性材料が用いられる。好ましくは、第1磁化固定層11及び光変調層30ともに、垂直磁気異方性を有する強磁性材料で構成される。
The first magnetization fixed
第1磁化固定層11は、磁化が垂直方向に固定された磁化固定層と磁化の方向が反転可能な磁化自由層で非磁性層を挟持する構造の垂直磁気異方性を有するCPP−GMR(Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance:垂直通電型巨大磁気抵抗効果)素子やTMR素子等の磁化固定層として公知の強磁性材料で構成可能である。具体的には、Fe、Co、Niのような遷移金属及びそれらを含む合金、例えばTbFe系、TbFeCo系、CoCr系、CoPt系、CoPd系、FePt系の合金を用いることができる。これにより、第1磁化固定層11の保磁力を大きくすることができ、第1磁化固定層11の磁化方向が外部磁場によって容易に変化しないように固定することが可能となる。
The first magnetization-fixed
また、第1磁化固定層11は、これらの遷移金属の層と非磁性金属の層とを交互に積層した多層の積層体で構成してもよく、Co/Pt、Fe/Pt、Co/Pd等の多層膜を用いることができる。これらの強磁性材料を用いることにより、強い垂直磁気異方性を有するとともに、大きな保磁力を有する第1磁化固定層11が得られる。
Further, the first
上記多層膜は、熱処理することにより保磁力が増大する特性を有する。そのため、上記多層膜からなる第1磁化固定層11を熱処理してその保磁力を増大させると、光変調層30と結合した後の第1強磁性交換結合部1の保磁力もより大きくなり、光変調部3との保磁力差をより大きくすることができる。
The multilayer film has a property that the coercive force is increased by heat treatment. Therefore, when the first magnetization fixed
ここで、後述する磁壁33を有する光変調部3を形成するためには、第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2の保磁力が異なるように設計する必要があり、そのためには、第1磁化固定層11の保磁力と後述する第2磁化固定層21の保磁力との間に差を設ける必要がある。その具体的手段としては、第1磁化固定層11と第2磁化固定層21とで、上述のように一方のみ熱処理する(あるいは両者の熱処理の度合に差を設ける)か、互いに形状を異なるもの(例えば、第1磁化固定層11の幅を広くすると保磁力は小さくなる)とするか、あるいは互いの層構成を異なるものとするか、のいずれかが選択される。
Here, in order to form the
非磁性金属層12及びバッファ層13は、第1磁化固定層11と光変調層30との間に配置され、これらの層が介在することにより、第1磁化固定層11と光変調層30の間の磁気的結合が保たれる。
The non-magnetic metal layer 12 and the buffer layer 13 are arranged between the first
非磁性金属層12は、上述の第1磁化固定層11上に積層されて形成される。この非磁性金属層12は、製造工程において、第1磁化固定層11にエッチングのダメージが及ばないようにするために設けられる。非磁性金属層12は、非磁性の各種金属の薄膜層を用いることができる。例えば、非磁性金属層12として、Ta、Mo、Ruを用いることができ、中でも、Taからなるものが好ましく用いられる。
The non-magnetic metal layer 12 is formed by being laminated on the first
バッファ層13は、上述の非磁性金属層12上に積層されて形成される。バッファ層13は、磁壁移動を利用した光変調素子でもTMR素子でも電流を流せることが必要であるため、薄膜化したときに抵抗が大き過ぎず、高い導電性を有するものである。また、バッファ層13は、製造工程におけるエッチングのレートが遅く、且つSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)の検出感度が高い元素を含み、SIMS式エンドポイントモニターで見える材料であることが必要である。これにより、エッチングをバッファ層13で確実に止めることが可能となり、第1磁化固定層11にダメージが及ぶのを回避できる。
The buffer layer 13 is formed by being laminated on the above-mentioned non-magnetic metal layer 12. Since the buffer layer 13 needs to be able to pass a current in both the light modulation element and the TMR element using the domain wall movement, the resistance is not too large when the thin film is formed, and the buffer layer 13 has high conductivity. Further, the buffer layer 13 needs to be a material that contains an element having a slow etching rate in the manufacturing process and a high detection sensitivity of SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) and can be seen by a SIMS type endpoint monitor. As a result, the etching can be reliably stopped by the buffer layer 13, and damage to the first
バッファ層13は、酸化物又は窒化物からなるもので構成される。より具体的には、バッファ層13は、MgO、Al2O3、MgAl2O4、TiO2、ZnO又はRuO2から構成されることが好ましい。中でも、バッファ層13としては、MgOからなるものが好ましく用いられる。このMgOからなるMgO層によれば、適度な導電性を有し、エッチングのレートが遅いうえSIMS感度が高いバッファ層13を形成できる。 The buffer layer 13 is made of an oxide or a nitride. More specifically, the buffer layer 13 is preferably composed of MgO, Al 2 O 3 , Mg Al 2 O 4 , TiO 2 , ZnO or RuO 2 . Among them, as the buffer layer 13, one made of MgO is preferably used. According to the MgO layer made of MgO, it is possible to form the buffer layer 13 which has appropriate conductivity, has a slow etching rate, and has high SIMS sensitivity.
光変調層30は、上述のバッファ層13上に積層されて形成される。この光変調層30は、強磁性材料からなり、本発明の第2強磁性層に相当する。光変調層30は、公知の強磁性材料を適用でき、好ましくは磁気光学効果(カー効果)の大きな材料を適用する。磁気光学効果を大きくするためには、垂直磁気異方性を有する磁性層を用いることが好ましく、具体的には、Co/Pd多層膜のような遷移金属とPd、Pt、Cuとを繰り返し積層した多層膜、又はTbFeCo、GdFe等の希土類金属と遷移金属との合金(RE−TM合金)が挙げられる。中でも、光変調層30としては、GdFe合金からなるGdFe層が好ましく用いられる。
The
なお、光変調層30は、後述する第2強磁性交換結合部2における第2強磁性層を構成するとともに、光変調部3を構成する。即ち、第1強磁性交換結合部1における第2強磁性層、第2強磁性交換結合部2における第2強磁性層及び光変調部3は、いずれも光変調層30から構成され、外部からの磁界により磁化の方向が異なったものである。
The
上述の構成からなる第1強磁性交換結合部1では、第1磁化固定層11と光変調層30は、非磁性金属層12及びバッファ層13を介して強磁性交換結合されている。この強磁性交換結合により、第1磁化固定層11の磁化方向と第1強磁性交換結合部1における光変調層30の磁化方向は、第1磁化固定層11の磁化方向に固定される。
In the first ferromagnetic
また、図2に示されるように、第2強磁性交換結合部2は、第2磁化固定層21と光変調層30とが積層されて構成される。この第2強磁性交換結合部2においては、必要に応じて、第2磁化固定層21と光変調層30との間に非磁性金属層22及びバッファ層23が配置される。
Further, as shown in FIG. 2, the second ferromagnetic
第2磁化固定層21は、上記第1磁化固定層11で使用可能な材料の中から選択され、同様に、非磁性金属層22及びバッファ層23も、それぞれ非磁性金属層12及びバッファ層13で使用可能な材料の中から選択される。
The second
第2強磁性交換結合部2では、上記第1強磁性交換結合部1と同様に、第2磁化固定層21と光変調層30は、非磁性金属層22及びバッファ層23を介して強磁性交換結合されている。この強磁性交換結合により、第2磁化固定層21の磁化方向と第2強磁性交換結合部2における光変調層30の磁化方向は、第2磁化固定層21の磁化方向に固定される。
In the second ferromagnetic
上述したように、第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2は、光変調部3の光変調制御に必須となる光変調層30両端(上記所定方向の両端であり、図1及び図2では左右方向の両端)の磁化方向を反平行に初期化するため、互いの保磁力が異なるように設計される。この第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2の保磁力差を利用し、適切な外部磁界(後段で詳述)を印加することにより、第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2の磁化方向を、互いに反平行に初期化することができる。
As described above, the first ferromagnetic
また、上述したように、光変調層30は、光変調部3を構成する。図1に示されるように、この光変調層30からなる光変調部3には、磁壁33と、磁区31,32が形成される。
Further, as described above, the
なお、各磁化固定層(以下、第1磁化固定層11及び第2磁化固定層21を単に磁化固定層とも言う。)、各非磁性金属層、各バッファ層、及び光変調層30の各層間、又は下部電極との界面に、機能層を適宜設けてもよい。例えば、微細加工プロセス中に光変調層30が受けるダメージを防ぐために、光変調層30上に、Ta、Ru又はSiNを含む、あるいはTa、Ru又はSiNからなるキャップ層を設けてもよい。このキャップ層は、光変調層30の形成に用いられて酸化し易いGdFeやTbFeCoが、素子完成後に大気中で酸化するのを防止する機能を有する。
Each of the magnetization fixing layers (hereinafter, the first
次に、本実施形態に係る磁壁移動型光変調素子100の磁気特性について説明する。
上述したように、第1強磁性交換結合部1は、光変調層30と強磁性交換結合する第1磁化固定層11を有し、第2強磁性交換結合部2は、同じく光変調層30と強磁性交換結合する第2磁化固定層21を有する。即ち、これら第1強磁性交換結合部1及び第2強磁性交換結合部2は、それぞれ内部に強磁性交換結合を有するために、それぞれの磁化方向は同時に反転する。そして、図1及び図2に示されるように、例えば第1強磁性交換結合部1の磁化方向は上向きに設計されている一方で、第2強磁性交換結合部2の磁化方向は下向きに設計される。
Next, the magnetic characteristics of the domain wall movable
As described above, the first ferromagnetic
光変調部3には、所定方向(図1及び図2の左右方向)に直交する方向に面状に延びる磁壁33が形成されている。即ち、磁壁33は、両強磁性交換結合部の磁化方向に対して平行に配置されている。また、磁壁33の両側に形成される磁区31,32の磁化方向は、互いに逆方向となっている。例えば図1及び図2に示されるように、磁壁33よりも第1強磁性交換結合部1側に配置される磁区31の磁化方向は下向きであり、磁壁33よりも第2強磁性交換結合部2側に配置される磁区32の磁化方向は上向きとなっている。
The
このように、磁壁33を介して磁化方向の向きが異なる磁区31,32を光変調部3に形成することにより、磁壁移動型光変調素子100を光変調素子として機能させることができる。より詳しくは、例えば磁壁移動型光変調素子100を反射型の光変調素子として構成した場合には、磁壁移動型光変調素子100の上方から光変調部3の上面に対して偏光の揃った光を入射すると、磁化の向きに応じて反射光の偏光面は互いに異なる方向に回転する。そのため、これら偏光面の回転方向が異なる反射光を、偏光フィルタを介してそれぞれ光の明暗に割り当てることにより、光の変調が可能となる。また、基板をガラスやサファイア等の透光性の材料で構成することにより、磁壁移動型光変調素子100を透過型の光変調素子として機能させることも可能である。
In this way, by forming the
ここで、第1磁化固定層11の保磁力を、第2磁化固定層21の保磁力よりも小さく設計した場合には、第1強磁性交換結合部1の保磁力をHc1とし、第2強磁性交換結合部2の保磁力をHc2とし、光変調層の保磁力をHc_mとすると、Hc2>Hc1>Hc_mの関係が成立する。
Here, when the coercive force of the first magnetization fixed
そして、上述の保磁力の関係が成立する構造の素子に対して、強さHが、H>Hc2である磁場を、素子に対して下向きに印加すると、第1強磁性交換結合部1、第2強磁性交換結合部2、及び光変調部3のいずれにおいても、磁化方向の向きは下向きとなる。
Then, when a magnetic field having a strength H of H> Hc2 is applied downward to the element having a structure in which the above-mentioned coercive force relationship is established, the first ferromagnetic
一方で、強さH’が、Hc2>H’>Hc1である磁場を、素子に対して上向きに印加すると、第2強磁性交換結合部2の磁化方向の向きは下向きのままであるのに対して、第1強磁性交換結合部1及び光変調部3の磁化方向の向きは、いずれも上向きに変化する。
On the other hand, when a magnetic field having a strength H'of Hc2> H'> Hc1 is applied upward to the element, the direction of the magnetization direction of the second ferromagnetic
このとき、光変調部3の両端には、図2に示されるように、初期磁区310,320が生成する。より詳しくは、光変調部3の第1強磁性交換結合部1側の端部には、第1強磁性交換結合部1からの漏れ磁界(図2中の破線矢印)により、第1強磁性交換結合部1の上向きの磁化とは反平行な、下向きの磁化方向の初期磁区310が生成する。また、光変調部3の第2強磁性交換結合部2側の端部には、第2強磁性交換結合部2からの漏れ磁界(図2中の破線矢印)により、第2強磁性交換結合部2の下向きの磁化とは反平行な、上向きの磁化方向の初期磁区320が生成する。
At this time, initial
次いでこの状態で、パルス電流源9からパルス電流(駆動電流)を印加し、第1強磁性交換結合部1から第2強磁性交換結合部2、又は第2強磁性交換結合部2から第1強磁性交換結合部1に向けてパルス電流(駆動電流)を流す。すると、初期磁区310,320の生成により形成される磁壁33を、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)に、移動させることができる。これにより、図2に示されるように、光変調部3の両端を除く光変調領域300の磁化の向きを反転(図2の例では、光変調領域300の磁化の向きを上向きに反転)させることが可能となる。
Next, in this state, a pulse current (driving current) is applied from the pulse
以上説明した基本構成及び磁気特性を有する磁壁移動型光変調素子100を複数個直列に電気的に接続し、連結式磁壁移動型光変調素子10(以降、連結磁壁素子10)を形成し、この連結磁壁素子10を格子状に整列配置することで、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5が構成される。図3は、従来の磁壁移動型空間光変調器90の平面図である。図3に示すように、従来の磁壁移動型空間光変調器90は、第1磁化固定層910、第2磁化固定層920及び光変調部930を有する複数の磁壁移動型光変調素子91が、図示しない基板上にそれぞれ独立して作製され、例えば格子状に整列配置されることで構成される。これに対して、図4は、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5の平面図である。図4に示すように、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5は、連結磁壁素子10が格子状に整列配置される点においては従来と同様であるが、後述の図7に示すように複数の磁壁移動型光変調素子100が直列に電気的に接続される点において、従来とは大きく相違している。
A plurality of domain wall moving
ここで、図5及び図6は、いずれも従来の磁壁移動型光変調素子の平面図である。より詳しくは、図5は、細長く直線状に延び且つ2回折り返されることで形成された2つの屈曲部(折り返し部)を有する磁壁移動型光変調素子50の平面図である。図6は、細長く直線状に延び且つ1回折り返されることで形成された1つの屈曲部(折り返し部)を有する磁壁移動型光変調素子60の平面図である。
Here, FIGS. 5 and 6 are both plan views of the conventional domain wall moving light modulation element. More specifically, FIG. 5 is a plan view of the magnetic wall moving type
図5に示されるように、磁壁移動型光変調素子50は、第1磁化固定層511と、第2磁化固定層521と、光変調層530と、を備える。第1磁化固定層511及び光変調層530により第1強磁性交換結合部51が構成され、第2磁化固定層521及び光変調層530により第2強磁性交換結合部52が構成され、光変調層530により光変調部53が構成される。光変調層530は、細長く延び且つ屈曲部(折り返し部)55a,55bを有し、光変調部53には磁壁533が形成されている。磁壁533の第1磁化固定層511側に配置される磁区510の磁化方向は下向きの磁化方向D1であり、磁壁533の第2磁化固定層521側に配置される磁区520の磁化方向は上向きの磁化方向D2である。第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2にパルス電流源59が接続されることで、図5中の破線矢印の方向にパルス電流(駆動電流)が流れ、磁壁533が光変調層530に沿って、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)に移動する。
As shown in FIG. 5, the domain wall moving type
同様に、図6に示されるように、磁壁移動型光変調素子60は、第1磁化固定層611と、第2磁化固定層621と、光変調層630と、を備える。第1磁化固定層611及び光変調層630により第1強磁性交換結合部61が構成され、第2磁化固定層621及び光変調層630により第2強磁性交換結合部62が構成され、光変調層630により光変調部63が構成される。光変調層630は、細長く延び且つ屈曲部(折り返し部)65を有し、光変調部63には磁壁633が形成されている。磁壁633の第1磁化固定層611側に配置される磁区610の磁化方向は下向きの磁化方向D1であり、磁壁633の第2磁化固定層621側に配置される磁区620の磁化方向は上向きの磁化方向D2である。第1強磁性交換結合部1と第2強磁性交換結合部2にパルス電流源69が接続されることで、図6中の破線矢印の方向にパルス電流(駆動電流)が流れ、磁壁633が光変調層630に沿って、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)に移動する。
Similarly, as shown in FIG. 6, the domain wall moving type
これら磁壁移動型光変調素子50,60は、例えば上述の引用文献3に開示されるものである。これら磁壁移動型光変調素子50,60は、開口率を向上させるために光変調層の幅を広げると駆動電流が増加するという知見に基づいて、駆動電流の増加を抑えつつ開口率を向上させることを目的として、光変調層530,630を細長く形成したものである。
These domain wall moving
図5及び図6に示されるように、磁壁移動型光変調素子50,60における光変調層530,630は、屈曲部(折り返し部)55a,55b,65を有するため、磁壁533,633は、光変調層530,630に沿って、屈曲部(折り返し部)55a,55b,65を通過して移動することとなる。また、光変調層530,630の長さが長くなるため、磁壁533,633の移動距離も長くなる。
As shown in FIGS. 5 and 6, since the light modulation layers 530 and 630 in the magnetic wall moving type
しかしながら、上述した通り、くびれ部や屈曲部を有する形状の光変調層では、該くびれ部や屈曲部において磁壁が引っ掛かってトラップされることが知られている(上述の特許文献4参照)。また、磁壁の移動距離と駆動電流密度とは比例することが知られている(上述の非特許文献1,2参照)。そのため、光変調層を細長く配置したことによる低電流化の効果は限定的である。
However, as described above, it is known that in an optical modulation layer having a constricted portion or a bent portion, a domain wall is caught and trapped in the constricted portion or the bent portion (see Patent Document 4 described above). Further, it is known that the moving distance of the domain wall is proportional to the driving current density (see
そこで、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5では、上述した基本構成及び磁気特性を有する複数の磁壁移動型光変調素子100を、長手方向が平行となるように整列配置させるとともに、直列に電気的に接続させることで連結磁壁素子10を形成し、上記のような屈曲部の存在による磁壁のトラップを回避したものである。ここで、図7は、本発明の第1実施形態に係る連結磁壁素子10の平面図である。図8は、図7に示される連結磁壁素子10のX−X線断面図であり、図9は、図7に示される連結磁壁素子10のY−Y線断面図である。
Therefore, in the domain wall moving type spatial
本実施形態に係る連結磁壁素子10は、図7に示されるように、2つの磁壁移動型光変調素子100a,100bを備える。これら磁壁移動型光変調素子100a,100bの基本構成は上述した通りであり、対応する各構成の符号には、磁壁移動型光変調素子100aではaを付し、磁壁移動型光変調素子100bではbを付している。
As shown in FIG. 7, the connecting
2つの磁壁移動型光変調素子100a,100bは、長手方向が平行となるように整列配置される。より詳しくは、磁壁移動型光変調素子100a,100bは、所定方向(図7中の左右方向)に直交する方向(図7中の上下方向)に、第1強磁性交換結合部1aと第2強磁性交換結合部2b、第1強磁性交換結合部1bと第2強磁性交換結合部2aが、交互に位置するように並んで配置される。即ち、磁壁移動型光変調素子100a,100bは、互いに逆向きとなるように配置される。
The two domain wall-moving
また、本実施形態に係る連結磁壁素子10は、図7〜図9に示されるように、隣接する磁壁移動型光変調素子100a,100b同士の一端側(図7中の右方向端部)において、隣接する第1強磁性交換結合部1bの第1磁化固定層11bと第2強磁性交換結合部2aの第2磁化固定層21aと、を電気的に接続する接続部としての接続用配線111をさらに備える。この接続用配線111により、2つの磁壁移動型光変調素子100a,100bは直列に電気的に接続される。
Further, as shown in FIGS. 7 to 9, the connecting
接続用配線111は、例えば図7及び図9に示されるように、第1強磁性交換結合部1bの第1磁化固定層11bの光変調層30bとは反対側の面(図9の下面)と、第2強磁性交換結合部2aの第2磁化固定層21aの光変調層30aとは反対側の面(図9の下面)と、を電気的に接続するように構成される。接続用配線111は、磁壁移動型光変調素子100a,100bの延びる方向(長手方向)である所定方向(図7中の左右方向)に直交する方向(図7中の上下方向)に延びて形成される。接続用配線111を構成する材料としては、導電性を有する金属材料が用いられる。例えば、ルテニウム、タンタル、タングステン、金、銀、銅、アルミニウム等の材料により、接続用配線111が構成される。
As shown in FIGS. 7 and 9, for example, the
また、磁壁移動型光変調素子100a,100bは、図8及び図9に示されるように、その周囲が絶縁部材206で覆われている。この絶縁部材206は、例えばSiバックプレーン等の上に形成された絶縁部材層に対して、従来公知のリソグラフィ等を用いて磁壁移動型光変調素子100a,100bを形成する場合には、絶縁部材層の残部で構成される。絶縁部材206の材料としては、絶縁性のある材料であればよく、例えば、SiO2、SiN、MgO等が用いられる。
Further, as shown in FIGS. 8 and 9, the magnetic wall moving type
なお、磁壁移動型光変調素子100a,100bでは、図8及び図9に示されるように、光変調層30a,30b上に、上述のキャップ層207a、207bが形成されている。また、第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21bには、パルス電流源19が接続されている。より具体的には、パルス電流源19は、図8に示されるように第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21bのそれぞれの下面側に設けられた電極112を介して、第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21bに接続されている。これにより、磁壁移動型光変調素子100a,100bに対してパルス電流(駆動電流)が印加可能となっている。
In the magnetic wall moving type
上記構成を備える磁壁移動型光変調素子100aでは、図7及び図8に示されるように第1強磁性交換結合部1aの磁化方向は上向きであり、第2強磁性交換結合部2aの磁化方向は下向きである。磁壁33aの第1強磁性交換結合部1a側に配置される磁区31aの磁化方向は下向きの磁化方向D1であり、磁壁33aの第2強磁性交換結合部2a側に配置される磁区32aの磁化方向は上向きの磁化方向D2である。
In the magnetic domain wall moving
また、上記構成を備える磁壁移動型光変調素子100bでは、図7及び図8に示されるように第1強磁性交換結合部1bの磁化方向は上向きであり、第2強磁性交換結合部2bの磁化方向は下向きである。磁壁33bの第1強磁性交換結合部1b側に配置される磁区31bの磁化方向は下向きの磁化方向D1であり、磁壁33bの第2強磁性交換結合部2b側に配置される磁区32bの磁化方向は上向きの磁化方向D2である。
Further, in the magnetic domain wall moving type
本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5の製造方法について説明する。
先ず、Siバックプレーン等の上に形成されたSiO2等の絶縁部材層に対して、従来公知のリソグラフィを用いて接続用配線111を形成する。このとき、パルス電流源19に接続される電極112も併せて形成する。
A method of manufacturing the domain wall movable spatial
First, the
次いで、磁壁移動型光変調素子100a,100bを形成する。これら磁壁移動型光変調素子100a,100bの形成方法については、例えば、Siバックプレーン等の上に形成された絶縁部材層に対して、従来公知のリソグラフィ等を用いて第1磁化固定層及び第2磁化固定層等を形成し、必要に応じて熱処理等を施した後、従来公知のイオンビームスパッタ等により光変調層等を形成することにより製造可能である。より詳しくは、例えば、本出願人が提案している特願2017−191723号に記載の製造方法により製造可能である。
Next, the magnetic domain wall moving type
本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5の動作及び効果について説明する。
パルス電流源19によりパルス電流(駆動電流)を磁壁移動型空間光変調器5を構成する連結磁壁素子10に印加すると、図7中の破線矢印で示されるように、パルス電流(駆動電流)は、磁壁移動型光変調素子100aの第1強磁性交換結合部1aから光変調部3aを通って第2強磁性交換結合部2aへと流れる。次いで、パルス電流(駆動電流)は、接続用配線111を介して磁壁移動型光変調素子100bの第1強磁性交換結合部1bから光変調部3bを通って第2強磁性交換結合部2bへと流れる。
The operation and effect of the domain wall movable spatial
When a pulse current (driving current) is applied to the connecting
上記のようにパルス電流(駆動電流)が流れると、磁壁移動型光変調素子100aの磁壁33aは、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)、具体的には、第2強磁性交換結合部2a側から第1強磁性交換結合部1a側に向かって移動する。また、磁壁移動型光変調素子100bの磁壁33bは、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)、具体的には、第1強磁性交換結合部1b側から第2強磁性交換結合部2b側に向かって移動する。
When the pulse current (driving current) flows as described above, the
即ち、磁壁移動型光変調素子100a,100bいずれにおいても、光変調層30a,30bは屈曲部を有さない直線形状であるため、磁壁33a,33bを直線的にのみ移動させることができるため、磁壁33a,33bが屈曲部で引っ掛かってトラップされるのを回避できる。
That is, in any of the magnetic wall moving type
加えて、磁壁移動型光変調素子100a,100bいずれにおいても、図5及び図6に示されるような屈曲部を有する従来のものと比べて、磁壁33a,33bの移動距離を短くすることができるため、低電流駆動が可能である。
In addition, in any of the magnetic wall moving type
従って、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5によれば、複数の磁壁移動型光変調素子100a,100bを接続用配線111によって直列に電気的に接続した連結磁壁素子10を1画素とする構成であるため、低電流駆動が可能であるとともに開口率の向上が可能である。なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
Therefore, according to the domain wall moving spatial
<第2実施形態>
図10は、本発明の第2実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5Aの平面図である。本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5Aは、上述の第1実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5と比べて、磁壁移動型光変調素子100cをさらに備える点と、磁壁移動型光変調素子100bと磁壁移動型光変調素子100cとを直列に電気的に接続する接続部としての接続用配線113をさらに備える点と、が相違する以外は、第1実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5と同様の構成である。即ち、本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5Aは、3つの磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cが直列に電気的に接続した連結磁壁素子10Aを備える。なお、以下の本実施形態の説明において、第1実施形態と共通する構成については、その説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 10 is a plan view of the domain wall moving type
図11は、本発明の第2実施形態に係る連結磁壁素子10Aの平面図である。磁壁移動型光変調素子100cの基本構成は、磁壁移動型光変調素子100a,100bと同一であり、対応する各構成の符号にはcを付している。
FIG. 11 is a plan view of the connecting
図11に示されるように、磁壁移動型光変調素子100cは、磁壁移動型光変調素子100a,100bと長手方向が平行となるように整列配置される。より詳しくは、磁壁移動型光変調素子100cは、磁壁移動型光変調素子100bに対して逆向きとなるように配置され、磁壁移動型光変調素子100aに対しては同じ向きに配置される。即ち、所定方向(図11中の左右方向)に直交する方向(図11中の上下方向)に、第1強磁性交換結合部1aと第2強磁性交換結合部2bと第1強磁性交換結合部1cがこの順に並んで配置され、第2強磁性交換結合部2aと第1強磁性交換結合部1bと第2強磁性交換結合部2cがこの順に並んで配置される。
As shown in FIG. 11, the domain wall moving
また、磁壁移動型空間光変調器5Aは、隣接する磁壁移動型光変調素子100b,100c同士の一端側(図11中の左方向端部)において、隣接する第1強磁性交換結合部1cの第1磁化固定層11cと第2強磁性交換結合部2bの第2磁化固定層21bと、を電気的に接続する接続部としての接続用配線113をさらに備える。この接続用配線113により、磁壁移動型光変調素子100b,100cは直列に電気的に接続される。
Further, in the domain wall moving type
接続用配線113は、上述の接続用配線111と同様に、第1強磁性交換結合部1cの第1磁化固定層11cの光変調層30cとは反対側の面と、第2強磁性交換結合部2bの第2磁化固定層21bの光変調層30bとは反対側の面と、を電気的に接続するように構成される。接続用配線113は、磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cの延びる方向(長手方向)である所定方向(図11中の左右方向)に直交する方向(図11中の上下方向)に延びて形成される。接続用配線113を構成する材料としては、上述した接続用配線111と同様の材料が用いられる。
Similar to the
また、第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21cには、パルス電流源19Aが接続されている。より具体的には、パルス電流源19Aは、第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21cのそれぞれの下面側に設けられた不図示の電極を介して、第1磁化固定層11aと第2磁化固定層21cに接続されている。これにより、磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cに対してパルス電流(駆動電流)が印加可能となっている。
Further, a pulse
磁壁移動型光変調素子100a及び磁壁移動型光変調素子100bにおける磁化方向は、第1実施形態で説明した通りである。また、磁壁移動型光変調素子100cでは、第1強磁性交換結合部1cの磁化方向は上向きであり、第2強磁性交換結合部2cの磁化方向は下向きである。磁壁33cの第1強磁性交換結合部1c側に配置される磁区31cの磁化方向は下向きの磁化方向D1であり、磁壁33cの第2強磁性交換結合部2c側に配置される磁区32cの磁化方向は上向きの磁化方向D2である。
The magnetization directions in the domain wall moving
本実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5Aの製造方法については、上述の第1実施形態に係る磁壁移動型空間光変調器5と基本的には同様である。即ち、磁壁移動型光変調素子100cを磁壁移動型光変調素子100a,100bと同様の製造方法により製造可能であり、接続用配線113を接続用配線111と同様の製造方法により製造可能である。
The method of manufacturing the domain wall moving spatial
本実施形態に係る連結磁壁素子10Aの動作及び効果について説明する。
パルス電流源19Aによりパルス電流(駆動電流)を連結磁壁素子10Aに印加すると、図11中の破線矢印で示されるように、パルス電流(駆動電流)は、磁壁移動型光変調素子100aの第1強磁性交換結合部1aから光変調部3aを通って第2強磁性交換結合部2aへと流れる。次いで、パルス電流(駆動電流)は、接続用配線111を介して磁壁移動型光変調素子100bの第1強磁性交換結合部1bから光変調部3bを通って第2強磁性交換結合部2bへと流れる。次いで、パルス電流(駆動電流)は、接続用配線113を介して磁壁移動型光変調素子100cの第1強磁性交換結合部1cから光変調部3cを通って第2強磁性交換結合部2cへと流れる。
The operation and effect of the connecting
When a pulse current (drive current) is applied to the connecting
上記のようにパルス電流(駆動電流)が流れると、磁壁移動型光変調素子100aの磁壁33aは、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)、具体的には、第2強磁性交換結合部2a側から第1強磁性交換結合部1a側に向かって移動する。また、磁壁移動型光変調素子100bの磁壁33bは、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)、具体的には、第1強磁性交換結合部1b側から第2強磁性交換結合部2b側に向かって移動する。また、磁壁移動型光変調素子100cの磁壁33cは、パルス電流(駆動電流)の向きと逆向き(電子の流れと同じ向き)、具体的には、第2強磁性交換結合部2c側から第1強磁性交換結合部1c側に向かって移動する。
When the pulse current (driving current) flows as described above, the
即ち、磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cいずれにおいても、光変調層30a,30b,30cは屈曲部を有さない直線形状であるため、磁壁33a,33b,33cを直線的にのみ移動させることができるため、磁壁33a,33b,33cが屈曲部で引っ掛かってトラップされるのを回避できる。
That is, in any of the magnetic wall moving type
加えて、磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cいずれにおいても、図5及び図6に示されるような屈曲部を有する従来のものと比べて、磁壁33a,33b,33cの移動距離を短くすることができるため、低電流駆動が可能である。
In addition, in any of the magnetic wall moving type
従って、本実施形態に係る連結磁壁素子10Aによれば、複数の磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cを接続用配線111,113によって直列に電気的に接続することにより、さらなる低電流駆動が可能であるとともに開口率の向上が可能である。なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
Therefore, according to the connecting
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、第1実施形態では2つの磁壁移動型光変調素子100a,100bを直列に電気的に接続し、第2実施形態では3つの磁壁移動型光変調素子100a,100b,100cを直列に電気的に接続したが、これに限定されず、4つ以上の磁壁移動型光変調素子を直列に電気的に接続してもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment, and modifications and improvements within the range in which the object of the present invention can be achieved are included in the present invention.
For example, in the first embodiment, two domain wall moving
1,1a,1b,1c 第1強磁性交換結合部
2,2a,2b,2c 第2強磁性交換結合部
3,3a,3b,3c 光変調部
5,5A, 磁壁移動型空間光変調器
10,10A 連結式磁壁移動型光変調素子
11,11a,11b,11c 第1磁化固定層(第1強磁性層)
21,21a,21b,21c 第2磁化固定層(第1強磁性層)
30,30a,30b,30c 光変調層(第2強磁性層)
33,33a,33b,33c 磁壁
100,100a,100b,100c 磁壁移動型光変調素子
111,113 接続用配線(接続部)
1,1a, 1b, 1c 1st ferromagnetic
21,21a, 21b, 21c Second magnetization fixed layer (first ferromagnetic layer)
30, 30a, 30b, 30c optical modulation layer (second ferromagnetic layer)
33, 33a, 33b,
Claims (2)
前記光変調部の両端に配置され、互いに異なる保磁力を有する第1強磁性交換結合部及び第2強磁性交換結合部と、
複数の磁壁移動型光変調素子と、を備える磁壁移動型空間光変調器であって、
前記第1強磁性交換結合部及び前記第2強磁性交換結合部はいずれも、
強磁性材料からなる第1強磁性層と、
前記第1強磁性層上に形成され、強磁性材料からなることで前記第1強磁性層と強磁性交換結合する第2強磁性層と、を有し、
前記複数の磁壁移動型光変調素子は、前記所定方向に直交する方向に前記第1強磁性交換結合部と前記第2強磁性交換結合部とが交互に位置するように並んで配置され、
前記磁壁移動型空間光変調器は、隣接する前記磁壁移動型光変調素子同士の一端側において、隣接する前記第1強磁性交換結合部の第1強磁性層と前記第2強磁性交換結合部の第1強磁性層とを電気的に接続する接続部をさらに備える、磁壁移動型空間光変調器。 An optical modulator that extends in a predetermined direction and emits light by changing the direction of polarized light.
The first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetic exchange coupling portion, which are arranged at both ends of the optical modulation section and have different coercive forces,
A domain wall moving spatial light modulator comprising a plurality of domain wall moving light modulators.
Both the first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetic exchange coupling portion
The first ferromagnetic layer made of ferromagnetic material and
It has a second ferromagnetic layer that is formed on the first ferromagnetic layer and is made of a ferromagnetic material so that it has a ferromagnetic exchange coupling with the first ferromagnetic layer.
The plurality of magnetic domain wall moving light modulation elements are arranged side by side so that the first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetic exchange coupling portion are alternately positioned in a direction orthogonal to the predetermined direction.
In the domain wall moving space optical modulator, the first ferromagnetic layer of the adjacent first ferromagnetic exchange coupling portion and the second ferromagnetic exchange coupling portion are located on one end side of the adjacent magnetic wall moving optical modulation elements. A domain wall mobile space optical modulator further comprising a connection portion for electrically connecting to the first ferromagnetic layer of the above.
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