JP2022070205A - Light detection element and receiving device - Google Patents

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Tomohito Mizuno
英明 福澤
Hideaki Fukuzawa
哲也 柴田
Tetsuya Shibata
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Abstract

To provide a light detection element with high light detection capacity.SOLUTION: A light detection element includes: a first ferromagnetic layer to which light is applied; a second ferromagnetic layer; and a spacer layer between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, the first ferromagnetic layer having a first region in contact with the spacer layer and a second region more distant from the spacer layer than the first region is, the first region being made of a CoFeB alloy and the second region being made of a magnetic body mainly containing Fe and Gd as component elements.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光検知素子及び受信装置に関する。 The present invention relates to a photodetector and a receiver.

インターネットの普及に伴い通信量は飛躍的に増大しており、光通信の重要性が非常に高まっている。光通信は、電気信号を光信号に変換し、光信号を用いて送受信を行う通信手段である。 With the spread of the Internet, the amount of communication has increased dramatically, and the importance of optical communication has become extremely high. Optical communication is a communication means that converts an electric signal into an optical signal and transmits / receives using the optical signal.

例えば、特許文献1には、フォトダイオードを用いて、光信号を受信する受信装置が記載されている。フォトダイオードは、例えば、半導体のpn接合を用いたpn接合ダイオード等である。また例えば、特許文献2には、半導体のpn接合を用いた光センサー及びこの光センサーを用いたイメージセンサーが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a receiving device that receives an optical signal using a photodiode. The photodiode is, for example, a pn junction diode using a pn junction of a semiconductor. Further, for example, Patent Document 2 describes an optical sensor using a pn junction of a semiconductor and an image sensor using this optical sensor.

特開2001-292107号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-292107 米国特許第9842874号明細書US Pat. No. 9,842,874

半導体のpn接合を用いた光検知素子は広く利用されているが、更なる発展のために新たな光検知素子が求められている。また光検知素子は、光を電気信号に変換するものであり、光を電気信号に変換する効率の高い光検知能力の高いものが求められている。 A photodetector using a pn junction of a semiconductor is widely used, but a new photodetector is required for further development. Further, the photodetector element converts light into an electric signal, and is required to have a high efficiency of converting light into an electric signal and a high photodetection ability.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、光検知能力の高い光検知素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a photodetector element having a high photodetection ability.

上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。 The following means are provided to solve the above problems.

(1)第1の態様にかかる光検知素子は、光が照射される第1強磁性層と、第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を備え、前記第1強磁性層は、前記スペーサ層に接する第1領域と、前記第1領域より前記スペーサ層から離れた位置にある第2領域とを有し、前記第1領域はCoFeB合金であり、前記第2領域は構成元素としてFeとGdとを主に含む磁性体である。 (1) The light detection element according to the first aspect is sandwiched between a first ferromagnetic layer to which light is irradiated, a second ferromagnetic layer, and the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer. The first ferromagnetic layer has a first region in contact with the spacer layer and a second region located away from the spacer layer from the first region. One region is a CoFeB alloy, and the second region is a magnetic material mainly containing Fe and Gd as constituent elements.

(2)上記態様にかかる光検知素子は、前記第1領域と前記第2領域との間に中間層をさらに有し、前記中間層は、Mo、Ru、Ta、W、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上の元素を含んでもよい。 (2) The photodetector according to the above aspect further has an intermediate layer between the first region and the second region, and the intermediate layer is composed of a group consisting of Mo, Ru, Ta, W, and Pt. It may contain any one or more selected elements.

(3)上記態様にかかる光検知素子は、前記第2強磁性層は、前記スペーサ層に接する第3領域と、前記第3領域より前記スペーサ層から離れた位置にありボロンを含む第4領域とを有し、前記第3領域は、前記第4領域よりボロンの濃度が低い、又は、ボロンを含まなくてもよい。 (3) In the photodetecting element according to the above aspect, the second ferromagnetic layer has a third region in contact with the spacer layer and a fourth region containing boron at a position distant from the spacer layer from the third region. The third region may have a lower concentration of boron than the fourth region, or may not contain boron.

(4)上記態様にかかる光検知素子において、前記第1領域は、前記第2領域よりボロンの濃度が高くてもよい。 (4) In the photodetector according to the above aspect, the concentration of boron in the first region may be higher than that in the second region.

(5)上記態様にかかる光検知素子において、前記第3領域は、Fe又はCoFe合金を含み、結晶構造がbcc構造であってもよい。 (5) In the photodetector according to the above aspect, the third region may contain Fe or CoFe alloy and the crystal structure may be a bcc structure.

(6)第2の態様にかかる受信装置は、上記態様にかかる光検知素子を有する。 (6) The receiving device according to the second aspect has the photodetector element according to the above aspect.

上記態様にかかる光検知素子は、光検知能力が高い。 The photodetector element according to the above aspect has a high photodetection ability.

第1実施形態に係る通信システムの概念図である。It is a conceptual diagram of the communication system which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る送受信装置のブロック図である。It is a block diagram of the transmission / reception device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る送受信装置の回路図である。It is a circuit diagram of the transmission / reception device which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る受信装置の断面図である。It is sectional drawing of the receiving apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光検知素子の断面図である。It is sectional drawing of the light detection element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光検知素子の動作の第1メカニズムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the 1st mechanism of operation of the photodetector element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光検知素子の動作の第2メカニズムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the 2nd mechanism of operation of the photodetector element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光検知素子を用いて多値を出力する場合の光検知素子の動作の第1メカニズムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the 1st mechanism of the operation of the photodetector element at the time of outputting a multi-value by using the photodetector element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る光検知素子を用いて多値を出力する場合の光検知素子の動作の第2メカニズムを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the 2nd mechanism of operation of the photodetector element at the time of outputting a multi-value by using the photodetector element which concerns on 1st Embodiment. 通信システムの別の例の概念図である。It is a conceptual diagram of another example of a communication system. 通信システムの別の例の概念図である。It is a conceptual diagram of another example of a communication system.

以下、実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, the featured portion may be enlarged for convenience in order to make the feature easy to understand, and the dimensional ratio of each component may be different from the actual one. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited thereto, and can be appropriately modified and carried out within the range in which the effects of the present invention are exhibited.

方向について定義する。光検知素子10の積層方向をz方向とし、z方向と直交する面内の一方向をx方向、x方向及びz方向と直交する方向をy方向とする。z方向は、積層方向の一例である。以下、+z方向を「上」、-z方向を「下」と表現する場合がある。+z方向は、基板Sbから光検知素子10へ向かう方向である。上下は、必ずしも重力が加わる方向とは一致しない。 Define the direction. The stacking direction of the light detection elements 10 is the z direction, one direction in the plane orthogonal to the z direction is the x direction, and the x direction and the direction orthogonal to the z direction are the y direction. The z direction is an example of the stacking direction. Hereinafter, the + z direction may be expressed as “up” and the −z direction may be expressed as “down”. The + z direction is the direction from the substrate Sb toward the photodetector element 10. The top and bottom do not always match the direction in which gravity is applied.

「第1実施形態」
図1は、第1実施形態に係る通信システム1000の概念図である。図1に示す通信システム1000は、複数の送受信装置300と、送受信装置300間を繋ぐファイバーFBと、を備える。通信システム1000は、例えば、データセンター内及びデータセンター間のような短、中距離の通信、都市間のような長距離の通信に用いることができる。送受信装置300は、例えば、データセンター内に設置される。ファイバーFBは、例えば、データセンター間を繋ぐ。通信システム1000は、例えば、ファイバーFBを介して送受信装置300の間の通信を行う。通信システム1000は、ファイバーFBを介さずに、送受信装置300の間の通信を無線で行ってもよい。
"First embodiment"
FIG. 1 is a conceptual diagram of the communication system 1000 according to the first embodiment. The communication system 1000 shown in FIG. 1 includes a plurality of transmission / reception devices 300 and a fiber FB connecting the transmission / reception devices 300. The communication system 1000 can be used, for example, for short- and medium-distance communication such as within and between data centers, and long-distance communication such as between cities. The transmission / reception device 300 is installed in, for example, a data center. The fiber FB connects, for example, between data centers. The communication system 1000 communicates between the transmission / reception device 300 via, for example, the fiber FB. The communication system 1000 may wirelessly communicate between the transmission / reception devices 300 without going through the fiber FB.

図2は、第1実施形態に係る送受信装置300のブロック図である。送受信装置300は、受信装置100と送信装置200とを備える。受信装置100は光信号L1を受信し、送信装置200は光信号L2を送信する。本明細書における光とは、可視光線に限らず、可視光線よりも波長の長い赤外線や、可視光線よりも波長の短い紫外線も含む。 FIG. 2 is a block diagram of the transmission / reception device 300 according to the first embodiment. The transmission / reception device 300 includes a reception device 100 and a transmission device 200. The receiving device 100 receives the optical signal L1, and the transmitting device 200 transmits the optical signal L2. The light in the present specification is not limited to visible light, but also includes infrared rays having a wavelength longer than that of visible light and ultraviolet rays having a wavelength shorter than that of visible light.

受信装置100は、例えば、光検知素子10と信号処理部11とを備える。光検知素子10は、光信号L1を電気信号に変換する。光検知素子10の詳細は後述する。信号処理部11は、光検知素子10で変換した電気信号を処理する。信号処理部11は、光検知素子10から生じる電気信号を処理することにより、光信号L1に含まれる信号を受信する。 The receiving device 100 includes, for example, an optical detection element 10 and a signal processing unit 11. The photodetector element 10 converts the optical signal L1 into an electric signal. Details of the photodetector 10 will be described later. The signal processing unit 11 processes the electric signal converted by the photodetector element 10. The signal processing unit 11 receives the signal included in the optical signal L1 by processing the electric signal generated from the optical detection element 10.

送信装置200は、例えば、光源201と電気信号生成素子202と光変調素子203とを備える。光源201は、例えば、レーザー素子である。光源201は、送信装置200の外部にあってもよい。電気信号生成素子202は、送信情報に基づき電気信号を生成する。電気信号生成素子202は、信号処理部11の信号変換素子と一体となっていてもよい。光変調素子203は、電気信号生成素子202で生成された電気信号に基づき、光源201から出力された光を変調し、光信号L2を出力する。 The transmission device 200 includes, for example, a light source 201, an electric signal generation element 202, and a light modulation element 203. The light source 201 is, for example, a laser element. The light source 201 may be outside the transmitter 200. The electric signal generation element 202 generates an electric signal based on the transmission information. The electric signal generation element 202 may be integrated with the signal conversion element of the signal processing unit 11. The light modulation element 203 modulates the light output from the light source 201 based on the electric signal generated by the electric signal generation element 202, and outputs the optical signal L2.

図3は、第1実施形態に係る送受信装置300の回路図である。図3では、信号処理部11を省略している。 FIG. 3 is a circuit diagram of the transmission / reception device 300 according to the first embodiment. In FIG. 3, the signal processing unit 11 is omitted.

受信装置100は、例えば、光検知素子10と第1電極15と第2電極16と入力端子Pinと出力端子Poutと基準電位端子Pとを備える。第1電極15と第2電極16とは、光検知素子10を積層方向に挟む。第1電極15は、例えば、光信号L1を含む光が照射される側の電極である。光信号L1に用いる光の波長は例えば、300nm以上2μm以下であり、光信号L1に用いる光は、可視光でも、近赤外光でもよい。 The receiving device 100 includes, for example, a photodetector 10, a first electrode 15, a second electrode 16, an input terminal P in , an output terminal P out , and a reference potential terminal P G. The first electrode 15 and the second electrode 16 sandwich the photodetector element 10 in the stacking direction. The first electrode 15 is, for example, an electrode on the side to be irradiated with light including an optical signal L1. The wavelength of the light used for the optical signal L1 is, for example, 300 nm or more and 2 μm or less, and the light used for the optical signal L1 may be visible light or near-infrared light.

第1電極15は、例えば、入力端子Pin及び出力端子Poutに接続されている。第2電極16は、例えば、基準電位端子Pに接続されている。入力端子Pinは、電源PSに接続されている。電源PSは、受信装置100の外部にあってもよい。電源PSは、光検知素子10にセンス電流等を印加する。光検知素子に10に外部から電流を流す必要が無い場合は、入力端子Pinおよび電源PSは無くてもよい。出力端子Poutは、光検知素子10を積層方向に挟む第1電極15と第2電極16との間の電圧を出力する。光検知素子10の積層方向の抵抗値は、光検知素子10の積層方向にセンス電流を流すことでオームの法則から求められる。出力端子Poutは、信号処理部11に接続されている。基準電位端子Pは基準電位に接続され、受信装置100の基準電位を決める。図3における基準電位は、グラウンドGである。グラウンドGは受信装置100の外部に設けられてもよい。基準電位は、グラウンドG以外でもよい。 The first electrode 15 is connected to, for example, an input terminal P in and an output terminal P out . The second electrode 16 is connected to, for example, the reference potential terminal PG . The input terminal Pin is connected to the power supply PS. The power supply PS may be outside the receiving device 100. The power supply PS applies a sense current or the like to the photodetector element 10. When it is not necessary to pass an external current through the photodetector 10, the input terminal Pin and the power supply PS may be omitted. The output terminal P out outputs a voltage between the first electrode 15 and the second electrode 16 that sandwich the photodetector element 10 in the stacking direction. The resistance value in the stacking direction of the photodetector 10 is obtained from Ohm's law by passing a sense current in the stacking direction of the photodetector 10. The output terminal P out is connected to the signal processing unit 11. The reference potential terminal PG is connected to the reference potential and determines the reference potential of the receiving device 100. The reference potential in FIG. 3 is ground G. The ground G may be provided outside the receiving device 100. The reference potential may be other than ground G.

受信装置100と送信装置200とは、例えば、共通の基準電位(グラウンドG)に接続されている。受信装置100と送信装置200とは、基準電位が異なってもよい。受信装置100と送信装置200との基準電位が同じであると、ノイズの発生を低減できる。 The receiving device 100 and the transmitting device 200 are connected to, for example, a common reference potential (ground G). The reference potential may be different between the receiving device 100 and the transmitting device 200. When the reference potentials of the receiving device 100 and the transmitting device 200 are the same, the generation of noise can be reduced.

図4は、第1実施形態に係る受信装置100の断面図である。受信装置100は、例えば、光検知素子10と集積回路20と層間絶縁膜30と備える。光検知素子10と集積回路20と層間絶縁膜30とは、例えば、同一の基板Sb上に形成されている。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the receiving device 100 according to the first embodiment. The receiving device 100 includes, for example, a photodetector 10, an integrated circuit 20, and an interlayer insulating film 30. The photodetector 10, the integrated circuit 20, and the interlayer insulating film 30 are formed on, for example, the same substrate Sb.

集積回路20は、光検知素子10から出力された信号を処理する信号処理部11を含む。集積回路20は、例えば、光検知素子10からの出力電圧(光検知素子10のz方向の抵抗値)が閾値以上の場合を第1信号(例えば、“1”)とし、閾値未満の場合を第2信号(例えば、“0”)として処理する。送信装置200が同一の基板Sb上に形成される場合、集積回路20は、光源201、電気信号生成素子202、光変調素子203を含んでもよい。集積回路20と光検知素子10とは、例えば、層間絶縁膜30を貫通する貫通配線wを介して接続されている。貫通配線wに変えてワイヤボンディングで、これらの間を接続してもよい。 The integrated circuit 20 includes a signal processing unit 11 that processes a signal output from the photodetector element 10. In the integrated circuit 20, for example, the case where the output voltage from the light detection element 10 (the resistance value in the z direction of the light detection element 10) is equal to or more than the threshold value is regarded as the first signal (for example, “1”), and the case where the output voltage is less than the threshold value is defined as the first signal. It is processed as a second signal (for example, “0”). When the transmission device 200 is formed on the same substrate Sb, the integrated circuit 20 may include a light source 201, an electric signal generation element 202, and a light modulation element 203. The integrated circuit 20 and the photodetector 10 are connected, for example, via a through wiring w penetrating the interlayer insulating film 30. These may be connected by wire bonding instead of the through wiring w.

層間絶縁膜30は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁体である。層間絶縁膜30は、例えば、Si、Al、Mgの酸化物、窒化物、酸窒化物である。層間絶縁膜30は、例えば、酸化シリコン(SiO)、窒化シリコン(SiN)、炭化シリコン(SiC)、窒化クロム、炭窒化シリコン(SiCN)、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸化ジルコニウム(ZrO)等である。 The interlayer insulating film 30 is an insulator that insulates between wirings of multilayer wiring and between elements. The interlayer insulating film 30 is, for example, an oxide of Si, Al, or Mg, a nitride, or an oxynitride. The interlayer insulating film 30 is, for example, silicon oxide (SiO x ), silicon nitride (SiN x ), silicon carbide (SiC), chromium nitride, silicon carbide (SiCN), silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 ). O 3 ), zirconium oxide (ZrO x ) and the like.

図5は、第1実施形態に係る光検知素子10の断面図である。図5では、第1電極15及び第2電極16を同時に図示し、強磁性体の初期状態における磁化の向きを矢印で表している。本明細書において、強磁性は、フェリ磁性を含む。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the photodetector element 10 according to the first embodiment. In FIG. 5, the first electrode 15 and the second electrode 16 are shown at the same time, and the direction of magnetization in the initial state of the ferromagnet is indicated by an arrow. As used herein, ferromagnetism includes ferrimagnetism.

光検知素子10は、少なくとも第1強磁性層1と第2強磁性層2とスペーサ層3とを有する。スペーサ層3は、第1強磁性層1と第2強磁性層2との間に位置する。光検知素子10は、これらの他に、第3強磁性層4、磁気結合層5、下地層6、垂直磁化誘起層7、キャップ層8、側壁絶縁層9を有してもよい。 The photodetection element 10 has at least a first ferromagnetic layer 1, a second ferromagnetic layer 2, and a spacer layer 3. The spacer layer 3 is located between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. In addition to these, the photodetection element 10 may include a third ferromagnetic layer 4, a magnetic coupling layer 5, a base layer 6, a perpendicular magnetization-inducing layer 7, a cap layer 8, and a side wall insulating layer 9.

光検知素子10は、例えば、スペーサ層3が絶縁材料で構成されたMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子である。である。この場合、光検知素子10は、第1強磁性層1の磁化の向きと第2強磁性層2の磁化の向きとの相対角の変化に応じて、z方向の抵抗値(z方向に電流を流した場合の抵抗値)が変化する素子である。このような素子は磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。 The photodetector element 10 is, for example, an MTJ (Magnetic Tunnel Junction) element in which the spacer layer 3 is made of an insulating material. Is. In this case, the light detection element 10 has a resistance value in the z direction (current in the z direction) according to a change in the relative angle between the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 2. It is an element whose resistance value) changes. Such an element is also called a magnetoresistive effect element.

第1強磁性層1は、外部から光が照射されると磁化方向が変化する光検知層である。第1強磁性層1は、磁化自由層とも呼ばれる。磁化自由層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが変化する磁性体を含む層である。所定の外力は、例えば、外部から照射される光、光検知素子10のz方向に流れる電流、外部磁場である。強磁性体の磁化は、強磁性体に照射される光の強度の高速な変化(高周波の光信号)に追随して方向を変えることができるため、第1強磁性層1を光検知層として利用することで、受信装置100は高周波の光信号を受信することができ、高速の光通信が可能となる。 The first ferromagnetic layer 1 is a photodetection layer whose magnetization direction changes when light is irradiated from the outside. The first ferromagnetic layer 1 is also called a magnetization free layer. The magnetization free layer is a layer containing a magnetic material whose magnetization direction changes when a predetermined external force is applied. The predetermined external force is, for example, light emitted from the outside, a current flowing in the z direction of the photodetector element 10, and an external magnetic field. Since the magnetization of the ferromagnetic material can change its direction following a high-speed change in the intensity of light (high-frequency optical signal) applied to the ferromagnetic material, the first ferromagnetic layer 1 is used as the light detection layer. By using this, the receiving device 100 can receive a high-frequency optical signal, and high-speed optical communication becomes possible.

第1強磁性層1は、例えば、第1領域1A、第2領域1B、中間層1Cを含む。第1領域1Aは、スペーサ層3に接する。第2領域1Bは、第1領域1Aよりスペーサ層3から離れた位置にある。中間層1Cは、第1領域1Aと第2領域1Bとの間にある。第1領域1A及び第2領域1Bのそれぞれは、例えば、x方向及びy方向に層状に広がる。 The first ferromagnetic layer 1 includes, for example, a first region 1A, a second region 1B, and an intermediate layer 1C. The first region 1A is in contact with the spacer layer 3. The second region 1B is located away from the spacer layer 3 from the first region 1A. The intermediate layer 1C is between the first region 1A and the second region 1B. Each of the first region 1A and the second region 1B spreads in layers in, for example, the x direction and the y direction.

第1領域1Aは、強磁性体を含む。第1領域1Aは、例えば、第2領域1Bよりボロンの濃度が高くてもよい。第1領域1Aは、CoFeB合金である。スペーサ層3に接する第1領域1AがCoFeB合金であると、光検知素子10の磁気抵抗変化率(MR変化率)が大きくなる。そのため、スペーサ層3に接する第1領域1AがCoFeB合金であると、第1領域1Aの磁化の状態の変化に対する光検知素子10の出力変化が大きくなる。CoFeB合金の組成比は適宜変更可能である。CoFeB合金の元素比は、例えば、CoとFeとBの総和が100となる条件の下で、Co:Fe:B=15~55:25~65:15~25である。 The first region 1A contains a ferromagnet. The first region 1A may have a higher concentration of boron than the second region 1B, for example. The first region 1A is a CoFeB alloy. When the first region 1A in contact with the spacer layer 3 is a CoFeB alloy, the rate of change in magnetic resistance (rate of change in MR) of the photodetector element 10 becomes large. Therefore, when the first region 1A in contact with the spacer layer 3 is a CoFeB alloy, the output change of the photodetector element 10 becomes large with respect to the change in the magnetization state of the first region 1A. The composition ratio of the CoFeB alloy can be changed as appropriate. The elemental ratio of the CoFeB alloy is, for example, Co: Fe: B = 15 to 55:25 to 65: 15 to 25 under the condition that the sum of Co, Fe, and B is 100.

第1領域1Aの膜厚は、例えば、5Å以上20Å以下であり、好ましくは8Å以上15Å以下であり、より好ましくは10Åである。以下、各層の膜厚及び各領域の膜厚は、xy面内の異なる10点におけるz方向の厚みの平均値とする。 The film thickness of the first region 1A is, for example, 5 Å or more and 20 Å or less, preferably 8 Å or more and 15 Å or less, and more preferably 10 Å or less. Hereinafter, the film thickness of each layer and the film thickness of each region are taken as the average value of the thicknesses in the z direction at 10 different points in the xy plane.

第1領域1Aを構成するCoFeB合金の結晶構造は、例えば、bcc構造である。 The crystal structure of the CoFeB alloy constituting the first region 1A is, for example, a bcc structure.

第2領域1Bは、構成元素としてFeとGdとを主に含む磁性体である。第2領域1Bは、例えば、GdFe合金、GdFeCo合金、FeとGdとが積層された積層膜、 又は、FeCo合金とGdとが積層された積層膜である。例えば、GdFe合金又はGdFeCo合金の一例として、Gd(Fe1-yCo1-xがある。ここでxは、例えば0.2以上0.3以下であり、yは、例えば0以上0.2以下である。また例えば、積層膜の一例として、[Fe1-yCo/Gd]がある。ここでyは、例えば0以上0.2以下で、zは積層数であり、例えば4以上10以下である。それぞれのFe1-yCo層の厚さは、例えば3.0Å以上8.0Å以下である。それぞれのGd層の厚さは、例えば、0.5Å以上3.0Å以下である。第2領域1Bは、単一の合金でもよく、単一の元素からなる層が複数積層されたものでもよい。第2領域1Bは、その構成元素のうちFeとGdとの合計のモル分率が例えば70%以上である。 The second region 1B is a magnetic material mainly containing Fe and Gd as constituent elements. The second region 1B is, for example, a GdFe alloy, a GdFeCo alloy, a laminated film in which Fe and Gd are laminated, or a laminated film in which a FeCo alloy and Gd are laminated. For example, as an example of a GdFe alloy or a GdFeCo alloy, there is Gd x (Fe 1-y Coy ) 1-x . Here, x is, for example, 0.2 or more and 0.3 or less, and y is, for example, 0 or more and 0.2 or less. Further, for example, as an example of the laminated film, there is [Fe 1-y Coy / Gd] z . Here, y is, for example, 0 or more and 0.2 or less, and z is the number of layers, for example, 4 or more and 10 or less. The thickness of each Fe 1-y Coy layer is, for example, 3.0 Å or more and 8.0 Å or less. The thickness of each Gd layer is, for example, 0.5 Å or more and 3.0 Å or less. The second region 1B may be a single alloy or may be a stack of a plurality of layers made of a single element. In the second region 1B, the total molar fraction of Fe and Gd among the constituent elements is, for example, 70% or more.

第2領域1Bは、例えば、膜面直方向(z方向)に磁化容易軸を有する垂直磁化膜である。第2領域1Bの膜厚は、例えば、10Å以上200Å以下である。第2領域1Bの厚さは、第1領域1Aより厚くてもよい。 The second region 1B is, for example, a perpendicular magnetization film having an easy magnetization axis in the direct direction (z direction) of the film surface. The film thickness of the second region 1B is, for example, 10 Å or more and 200 Å or less. The thickness of the second region 1B may be thicker than that of the first region 1A.

第2領域1Bを構成するFeとGdとを含む磁性体の結晶構造は、例えば、bcc構造である。 The crystal structure of the magnetic material containing Fe and Gd constituting the second region 1B is, for example, a bcc structure.

中間層1Cは、Mo、Ru、Ta、W、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上の元素を含む。中間層1Cは、非磁性層である。中間層1Cは、例えば、Mo、Ru、Ta、W、Ptのいずれかからなる。第1領域1Aと第2領域1Bとは、中間層1Cを挟んで、磁気結合している。中間層1Cの膜厚は、例えば、10Å以下である。中間層1Cの膜厚は、例えば、1Å以上10Å以下である。 The intermediate layer 1C contains any one or more elements selected from the group consisting of Mo, Ru, Ta, W, and Pt. The intermediate layer 1C is a non-magnetic layer. The intermediate layer 1C is composed of, for example, Mo, Ru, Ta, W, or Pt. The first region 1A and the second region 1B are magnetically coupled with the intermediate layer 1C interposed therebetween. The film thickness of the intermediate layer 1C is, for example, 10 Å or less. The film thickness of the intermediate layer 1C is, for example, 1 Å or more and 10 Å or less.

第1強磁性層1の全体の膜厚は、例えば、1nm以上10nm以下である。第1強磁性層1の膜厚は、例えば、1nm以上5nm以下であることが好ましい。第1強磁性層1の膜厚が薄いと、第1強磁性層1の垂直磁気異方性が高まる。第1強磁性層1に第1領域1Aを設けることで、第1強磁性層1が薄い場合でも、光検知素子10のMR比が向上し、第1強磁性層1の磁化の状態の変化に対する光検知素子10の出力変化の割合が向上する。 The total film thickness of the first ferromagnetic layer 1 is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less. The film thickness of the first ferromagnetic layer 1 is preferably 1 nm or more and 5 nm or less, for example. When the film thickness of the first ferromagnetic layer 1 is thin, the vertical magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 1 increases. By providing the first region 1A in the first ferromagnetic layer 1, the MR ratio of the light detection element 10 is improved even when the first ferromagnetic layer 1 is thin, and the change in the magnetization state of the first ferromagnetic layer 1 The ratio of the output change of the light detection element 10 to the light detection element 10 is improved.

第1強磁性層1が中間層1Cを有すると、第1領域1Aと第2領域1Bの結晶構造の違いによる影響を緩和できる。中間層1Cが第1領域1Aと第2領域1Bの結晶構造の違いを緩和することで、中間層1C上に成膜される第2領域1Bの結晶性が向上する。 When the first ferromagnetic layer 1 has the intermediate layer 1C, the influence of the difference in the crystal structure between the first region 1A and the second region 1B can be mitigated. By reducing the difference in crystal structure between the first region 1A and the second region 1B by the intermediate layer 1C, the crystallinity of the second region 1B formed on the intermediate layer 1C is improved.

第2領域1Bは、Fe原子の磁気モーメントとGd原子の磁気モーメントとがフェリ磁性的に結合していると考えられる。Gd原子の磁気モーメントは、光の照射に対して状態が変化しやすい。したがって、第2領域1Bの磁化は、第1強磁性層1において第2領域1Bが存在しない単独の場合の第1領域1Aの磁化と比較して、光の照射に対して状態が変化しやすい。第2領域1Bの磁化の状態が変化すると、中間層1Cを挟んで第2領域1Bと磁気結合する第1領域1Aの磁化の状態も変化する。 In the second region 1B, it is considered that the magnetic moment of the Fe atom and the magnetic moment of the Gd atom are ferrimagnetically bonded. The magnetic moment of the Gd atom tends to change its state with respect to the irradiation of light. Therefore, the magnetization of the second region 1B is more likely to change with light irradiation as compared with the magnetization of the first region 1A in the case where the second region 1B does not exist in the first ferromagnetic layer 1. .. When the magnetization state of the second region 1B changes, the magnetization state of the first region 1A that magnetically couples with the second region 1B across the intermediate layer 1C also changes.

第2強磁性層2は、磁化固定層である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁化自由層よりも変化しにくい磁性体からなる層である。第2強磁性層2の保磁力は、例えば、第1強磁性層1の保磁力よりも大きい。第2強磁性層2は、第1強磁性層1と同じ方向に磁化容易軸を有する。第2強磁性層2は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。 The second ferromagnetic layer 2 is a magnetization fixed layer. The magnetization fixed layer is a layer made of a magnetic material whose magnetization direction is less likely to change than the magnetization free layer when a predetermined external force is applied. The coercive force of the second ferromagnetic layer 2 is, for example, larger than the coercive force of the first ferromagnetic layer 1. The second ferromagnetic layer 2 has an easy magnetization axis in the same direction as the first ferromagnetic layer 1. The second ferromagnetic layer 2 may be an in-plane magnetizing film or a perpendicular magnetization film.

第2強磁性層2は、第3領域2Aと第4領域2Bとを有する。第3領域2Aは、スペーサ層3に接する。第4領域2Bは、第3領域2Aよりスペーサ層3から離れた位置にある。第3領域2A及び第4領域2Bのそれぞれは、例えば、x方向及びy方向に層状に広がる。 The second ferromagnetic layer 2 has a third region 2A and a fourth region 2B. The third region 2A is in contact with the spacer layer 3. The fourth region 2B is located away from the spacer layer 3 from the third region 2A. Each of the third region 2A and the fourth region 2B spreads in layers in, for example, the x direction and the y direction.

第3領域2Aは、強磁性体を含む。第3領域2Aは、例えば、ボロンを含まない又は第4領域2Bよりボロン濃度が低くてもよい。第3領域2Aは、例えば、Fe又はCoFe合金を含む。第3領域2Aは、Fe又はCoFe合金からなってもよい。第3領域2Aの結晶構造は、例えば、bcc構造でもよい。第3領域2Aの膜厚は、例えば、5Å以上10Å以下である。第2強磁性層2が第3領域2Aを有すると、光検知素子10のMR比が向上する。 The third region 2A contains a ferromagnet. The third region 2A may contain no boron or may have a lower boron concentration than the fourth region 2B, for example. The third region 2A contains, for example, an Fe or CoFe alloy. The third region 2A may be made of Fe or CoFe alloy. The crystal structure of the third region 2A may be, for example, a bcc structure. The film thickness of the third region 2A is, for example, 5 Å or more and 10 Å or less. When the second ferromagnetic layer 2 has the third region 2A, the MR ratio of the photodetector 10 is improved.

第4領域2Bは、強磁性体を含む。第4領域2Bは、単一の合金でもよく、単一の元素からなる層が複数積層されたものでもよい。第4領域2Bは、例えば、第3領域2Aよりボロン濃度が高くてもよい。第4領域2Bは、例えば、CoFeB合金を含む。第4領域2Bは、内部に、例えばW,Taからなる非磁性の挿入層を有してもよい。第4領域2Bは、例えば、スペーサ層3から遠い側から順に、Co又はCoFe合金、CoとPtとの積層膜、Mo,Taからなる挿入層、CoFeB合金を有してもよい。第4領域2Bの膜厚は、例えば、30Å以上100Å以下であり、好ましくは50Å以上70Å以下である。 The fourth region 2B contains a ferromagnet. The fourth region 2B may be a single alloy or may be a stack of a plurality of layers made of a single element. The fourth region 2B may have a higher boron concentration than the third region 2A, for example. The fourth region 2B contains, for example, a CoFeB alloy. The fourth region 2B may have a non-magnetic insertion layer made of, for example, W and Ta inside. The fourth region 2B may have, for example, a Co or CoFe alloy, a laminated film of Co and Pt, an insertion layer composed of Mo and Ta, and a CoFeB alloy in order from the side far from the spacer layer 3. The film thickness of the fourth region 2B is, for example, 30 Å or more and 100 Å or less, preferably 50 Å or more and 70 Å or less.

第2強磁性層2の磁化は、例えば、磁気結合層5を介した第3強磁性層4との磁気結合によって固定してもよい。この場合、第2強磁性層2、磁気結合層5及び第3強磁性層4を合わせたものを磁化固定層と称する場合もある。 The magnetization of the second ferromagnetic layer 2 may be fixed, for example, by magnetic coupling with the third ferromagnetic layer 4 via the magnetic coupling layer 5. In this case, the combination of the second ferromagnetic layer 2, the magnetic coupling layer 5, and the third ferromagnetic layer 4 may be referred to as a magnetization fixed layer.

第3強磁性層4は、例えば、第2強磁性層2と磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性的な結合であり、RKKY相互作用により生じる。第3強磁性層4を構成する材料は、例えば、第1強磁性層1と同様である。第3強磁性層4は、例えば、CoとPtとが交互に積層された積層膜、CoとNiとが交互に積層された積層膜である。磁気結合層5は、例えば、Ru、Ir等である。磁気結合層5の膜厚は、例えば、RKKY相互作用によって第2強磁性層2と第3強磁性層4とが反強磁性的に結合する膜厚である。 The third ferromagnetic layer 4 is magnetically coupled to, for example, the second ferromagnetic layer 2. The magnetic coupling is, for example, an antiferromagnetic coupling and is caused by the RKKY interaction. The material constituting the third ferromagnetic layer 4 is, for example, the same as that of the first ferromagnetic layer 1. The third ferromagnetic layer 4 is, for example, a laminated film in which Co and Pt are alternately laminated, and a laminated film in which Co and Ni are alternately laminated. The magnetic coupling layer 5 is, for example, Ru, Ir, or the like. The film thickness of the magnetic coupling layer 5 is, for example, a film thickness at which the second ferromagnetic layer 2 and the third ferromagnetic layer 4 are antiferromagnetically coupled by the RKKY interaction.

スペーサ層3は、第1強磁性層1と第2強磁性層2との間に配置される非磁性層である。スペーサ層3は、導電体、絶縁体もしくは半導体によって構成される層、又は、絶縁体中に導体によって構成される通電点を含む層で構成される。スペーサ層3の膜厚は、後述する初期状態における第1強磁性層1の磁化M1と第2強磁性層2の磁化M2の配向方向に応じて調整できる。 The spacer layer 3 is a non-magnetic layer arranged between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. The spacer layer 3 is composed of a layer made of a conductor, an insulator or a semiconductor, or a layer containing an energizing point made of a conductor in the insulator. The film thickness of the spacer layer 3 can be adjusted according to the orientation direction of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization M2 of the second ferromagnetic layer 2 in the initial state described later.

例えば、スペーサ層3が絶縁体からなる場合は、光検知素子10は、第1強磁性層1とスペーサ層3と第2強磁性層とからなる磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を有する。このような素子はMTJ素子と呼ばれる。この場合、光検知素子10はトンネル磁気抵抗(TMR:Tunnel Magnetoresistance)効果を発現することができる。例えば、スペーサ層3が金属からなる場合は、光検知素子10は、巨大磁気抵抗(GMR:Giant Magnetoresistance)効果を発現することができる。このような素子はGMR素子と呼ばれる。光検知素子10は、スペーサ層3の構成材料によって、MTJ素子、GMR素子などと呼び名が異なることがあるが、総称して磁気抵抗効果素子とも呼ばれる。 For example, when the spacer layer 3 is made of an insulator, the light detection element 10 has a magnetic tunnel junction (MTJ: Magnetic Tunnel Junction) including a first ferromagnetic layer 1, a spacer layer 3, and a second ferromagnetic layer. .. Such an element is called an MTJ element. In this case, the photodetector element 10 can exhibit a tunnel magnetoresistive (TMR) effect. For example, when the spacer layer 3 is made of metal, the photodetector element 10 can exhibit a giant magnetoresistive (GMR) effect. Such an element is called a GMR element. The photodetection element 10 may be referred to as an MTJ element, a GMR element, or the like depending on the constituent material of the spacer layer 3, but is also collectively referred to as a magnetoresistive effect element.

スペーサ層3が絶縁材料で構成される場合、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン又は酸化シリコン等の材料を用いることができる。第1強磁性層1と第2強磁性層2との間に高いTMR効果が発現するようにスペーサ層3の膜厚を調整することで、高い磁気抵抗変化率が得られる。TMR効果を効率よく利用するためには、スペーサ層3の膜厚は、0.5~10.0nm程度としてもよい。 When the spacer layer 3 is made of an insulating material, a material such as aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide or silicon oxide can be used. A high rate of change in magnetic resistance can be obtained by adjusting the film thickness of the spacer layer 3 so that a high TMR effect is exhibited between the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. In order to efficiently utilize the TMR effect, the film thickness of the spacer layer 3 may be about 0.5 to 10.0 nm.

スペーサ層3を非磁性導電材料で構成する場合、Cu、Ag、Au又はRu等の導電材料を用いることができる。GMR効果を効率よく利用するためには、スペーサ層3の膜厚は、0.5~3.0nm程度としてもよい。 When the spacer layer 3 is made of a non-magnetic conductive material, a conductive material such as Cu, Ag, Au or Ru can be used. In order to efficiently utilize the GMR effect, the film thickness of the spacer layer 3 may be about 0.5 to 3.0 nm.

スペーサ層3を非磁性半導体材料で構成する場合、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム又はITO等の材料を用いることができる。この場合、スペーサ層3の膜厚は1.0~4.0nm程度としてもよい。 When the spacer layer 3 is made of a non-magnetic semiconductor material, a material such as zinc oxide, indium oxide, tin oxide, germanium oxide, gallium oxide or ITO can be used. In this case, the film thickness of the spacer layer 3 may be about 1.0 to 4.0 nm.

スペーサ層3として非磁性絶縁体中の導体によって構成される通電点を含む層を適用する場合、酸化アルミニウムまたは酸化マグネシウムによって構成される非磁性絶縁体中に、CoFe、CoFeB、CoFeSi、CoMnGe、CoMnSi、CoMnAl、Fe、Co、Au、Cu、AlまたはMgなどの導体によって構成される通電点を含む構造とすることが好ましい。この場合、スペーサ層3の膜厚は、0.5~2.0nm程度としてもよい。通電点は、例えば、直径が1nm以上5nm以下の柱状体である。 When a layer including a current-carrying point composed of a conductor in a non-magnetic insulator is applied as the spacer layer 3, CoFe, CoFeB, CoFeSi, CoMnGe, and CoMnSi are contained in the non-magnetic insulator composed of aluminum oxide or magnesium oxide. , ComnAl, Fe, Co, Au, Cu, Al or Mg, it is preferable to have a structure including a current-carrying point composed of a conductor. In this case, the film thickness of the spacer layer 3 may be about 0.5 to 2.0 nm. The energizing point is, for example, a columnar body having a diameter of 1 nm or more and 5 nm or less.

図5に示す下地層6は、例えば、第2電極16上にある。下地層6は、シード層又はバッファ層である。シード層は、シード層上に積層される層の結晶性を高める。シード層は、例えば、Pt、Ru、Hf、Zr、NiFeCrである。シード層の膜厚は、例えば1nm以上5nm以下である。バッファ層は、異なる結晶間の格子不整合を緩和する層である。バッファ層は、例えば、Ta、Ti、W、Zr、Hf又はこれらの元素の窒化物である。バッファ層の膜厚は、例えば、1nm以上5nm以下である。 The base layer 6 shown in FIG. 5 is, for example, on the second electrode 16. The base layer 6 is a seed layer or a buffer layer. The seed layer enhances the crystallinity of the layer laminated on the seed layer. The seed layer is, for example, Pt, Ru, Hf, Zr, NiFeCr. The film thickness of the seed layer is, for example, 1 nm or more and 5 nm or less. The buffer layer is a layer that alleviates lattice mismatch between different crystals. The buffer layer is, for example, Ta, Ti, W, Zr, Hf or a nitride of these elements. The film thickness of the buffer layer is, for example, 1 nm or more and 5 nm or less.

キャップ層8は、第1強磁性層1と第1電極15との間(第2領域1Bと第1電極15との間)にある。キャップ層8は、第1強磁性層1上に積層されて第1強磁性層1と接する垂直磁化誘起層7を含んでいてもよい。垂直磁化誘起層7は、第1強磁性層1の垂直磁気異方性を誘起する。垂直磁化誘起層7は、例えば酸化マグネシウム、W、Ta、Mo等である。垂直磁化誘起層7が酸化マグネシウムの場合は、導電性を高めるために、酸化マグネシウムが酸素欠損していることが好ましい。垂直磁化誘起層7の膜厚は、例えば、0.5nm以上5.0nm以下である。一例として、第1強磁性層1の第2領域1Bは、Mo層と中間層1Cとの間にある。Mo層は、キャップ層8の一部であり第2領域1Bに接する。この場合、中間層1Cの厚みは、キャップ層8の一部であり第2領域1Bに接するMo層の厚みよりも薄いことが好ましい。 The cap layer 8 is located between the first ferromagnetic layer 1 and the first electrode 15 (between the second region 1B and the first electrode 15). The cap layer 8 may include a perpendicular magnetization induced layer 7 laminated on the first ferromagnetic layer 1 and in contact with the first ferromagnetic layer 1. The perpendicular magnetization-inducing layer 7 induces the perpendicular magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 1. The perpendicular magnetization induced layer 7 is, for example, magnesium oxide, W, Ta, Mo or the like. When the perpendicular magnetization induced layer 7 is magnesium oxide, it is preferable that magnesium oxide is oxygen-deficient in order to enhance conductivity. The film thickness of the perpendicular magnetization induced layer 7 is, for example, 0.5 nm or more and 5.0 nm or less. As an example, the second region 1B of the first ferromagnetic layer 1 is between the Mo layer and the intermediate layer 1C. The Mo layer is a part of the cap layer 8 and is in contact with the second region 1B. In this case, the thickness of the intermediate layer 1C is preferably thinner than the thickness of the Mo layer which is a part of the cap layer 8 and is in contact with the second region 1B.

キャップ層8は、プロセス過程で下層へのダメージを防ぐと共に、アニール時に下層の結晶性を高める。キャップ層8の膜厚は、第1強磁性層1に十分な光が照射されるように、例えば10nm以下である。 The cap layer 8 prevents damage to the lower layer during the process and enhances the crystallinity of the lower layer at the time of annealing. The film thickness of the cap layer 8 is, for example, 10 nm or less so that the first ferromagnetic layer 1 is irradiated with sufficient light.

側壁絶縁層9は、第1強磁性層1及び第2強磁性層2を含む積層体の周囲を覆う。側壁絶縁層9は、例えば、層間絶縁膜30と同様の材料からなる。 The side wall insulating layer 9 covers the periphery of the laminate including the first ferromagnetic layer 1 and the second ferromagnetic layer 2. The side wall insulating layer 9 is made of, for example, the same material as the interlayer insulating film 30.

第1電極15は、例えば、光信号L1の使用波長域の光に対して透過性を有する。光信号L1に使用される光の使用波長域は、例えば、300nm以上2μm以下であり、可視光域、近赤外光域を含む。第1電極15は、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウムガリウム亜鉛(IGZO)等の透明電極である。第1電極15は、透明電極材料の中に複数の柱状金属を有する構成としてもよい。また第1電極15は、光が照射される照射面に反射防止膜を有してもよい。 The first electrode 15 has, for example, transparency with respect to light in the wavelength range used for the optical signal L1. The wavelength range of the light used for the optical signal L1 is, for example, 300 nm or more and 2 μm or less, and includes a visible light range and a near infrared light range. The first electrode 15 is a transparent electrode such as indium tin oxide (ITO), zinc oxide (IZO), zinc oxide (ZnO), and indium gallium oxide zinc (IGZO). The first electrode 15 may be configured to have a plurality of columnar metals in the transparent electrode material. Further, the first electrode 15 may have an antireflection film on the irradiation surface irradiated with light.

第2電極16は、導電性を有する材料からなる。第2電極16は、例えば、TaとRuとTaの積層膜、TaとCuとTaの積層膜、TaとCuとTiの積層膜、TaとCuとTaNの積層膜である。 The second electrode 16 is made of a conductive material. The second electrode 16 is, for example, a laminated film of Ta, Ru and Ta, a laminated film of Ta, Cu and Ta, a laminated film of Ta, Cu and Ti, and a laminated film of Ta, Cu and TaN.

光検知素子10は、各層の積層工程、アニール工程、加工工程によって作製される。まず、第2電極16上に、下地層6、第3強磁性層4、磁気結合層5、第2強磁性層2、スペーサ層3、第1強磁性層1、垂直磁化誘起層7、キャップ層8の順に積層する。各層は、例えば、スパッタリングにより成膜される。 The photodetector element 10 is manufactured by a laminating step, an annealing step, and a processing step of each layer. First, on the second electrode 16, the base layer 6, the third ferromagnetic layer 4, the magnetic coupling layer 5, the second ferromagnetic layer 2, the spacer layer 3, the first ferromagnetic layer 1, the vertical magnetization induced layer 7, and the cap. Layers 8 are laminated in this order. Each layer is formed by, for example, sputtering.

次いで、積層膜をアニールする。アニール温度は、例えば、250℃以上400℃以下である。その後、積層膜をフォトリソグラフィ及びエッチングにより所定の柱状体に加工する。柱状体は、円柱でも角柱でもよい。例えば、柱状体をz方向から見た際の最短幅は、10nm以上1000nm以下である。 Then, the laminated film is annealed. The annealing temperature is, for example, 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. After that, the laminated film is processed into a predetermined columnar body by photolithography and etching. The columnar body may be a cylinder or a prism. For example, the shortest width when the columnar body is viewed from the z direction is 10 nm or more and 1000 nm or less.

次いで、柱状体の側面を被覆するように、絶縁層を形成する。絶縁層は、側壁絶縁層9となる。側壁絶縁層9は、複数回に亘って積層してもよい。次いで、化学機械研磨により側壁絶縁層9からキャップ層8の上面を露出し、キャップ層8上に、第1電極15を作製する。上記工程により、光検知素子10が得られる。 Next, an insulating layer is formed so as to cover the side surface of the columnar body. The insulating layer is the side wall insulating layer 9. The side wall insulating layer 9 may be laminated a plurality of times. Next, the upper surface of the cap layer 8 is exposed from the side wall insulating layer 9 by chemical mechanical polishing, and the first electrode 15 is manufactured on the cap layer 8. By the above steps, the photodetector element 10 is obtained.

次いで、第1実施形態に係る光検知素子10の動作の一例について説明する。第1強磁性層1には、光強度変化を有する光信号L1を含む光が照射される。光検知素子10のz方向からの出力電圧は、光信号L1を含む光の第1強磁性層1への照射により変化する。第1強磁性層1に照射される光の強度が、第1強度と第2強度の2段階である場合を例に説明する。第2強度の光の強度は、第1強度の光の強度より大きいものとする。第1強度は、第1強磁性層1に照射される光の強度がゼロの場合でもよい。 Next, an example of the operation of the photodetector element 10 according to the first embodiment will be described. The first ferromagnetic layer 1 is irradiated with light including an optical signal L1 having a change in light intensity. The output voltage of the photodetector 10 from the z direction changes due to irradiation of the first ferromagnetic layer 1 with light including the optical signal L1. A case where the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 has two stages of the first intensity and the second intensity will be described as an example. The intensity of the light of the second intensity shall be larger than the intensity of the light of the first intensity. The first intensity may be a case where the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 is zero.

図6及び図7は、第1実施形態に係る光検知素子10の動作の一例を説明するための図である。光検知素子10の動作のメカニズムとして2つのメカニズムが考えられ、図6は、第1メカニズムを説明するための図であり、図7は、第2メカニズムを説明するための図である。図6及び図7の上のグラフは、縦軸が第1強磁性層1に照射される光の強度であり、横軸が時間である。図6及び図7の下のグラフは、縦軸が光検知素子10のz方向の抵抗値であり、横軸が時間である。 6 and 7 are diagrams for explaining an example of the operation of the photodetector element 10 according to the first embodiment. Two mechanisms are considered as the mechanism of operation of the photodetector 10, FIG. 6 is a diagram for explaining the first mechanism, and FIG. 7 is a diagram for explaining the second mechanism. In the upper graphs of FIGS. 6 and 7, the vertical axis is the intensity of light irradiating the first ferromagnetic layer 1, and the horizontal axis is time. In the graphs in the lower part of FIGS. 6 and 7, the vertical axis is the resistance value of the photodetector 10 in the z direction, and the horizontal axis is time.

まず第1強磁性層1に第1強度の光が照射された状態(以下、初期状態と称する)において、第1強磁性層1の磁化M1と第2強磁性層2の磁化M2とは平行の関係にあり、光検知素子10のz方向の抵抗値は第1抵抗値Rを示し、光検知素子10からの出力電圧の大きさは第1の値を示す。光検知素子10のz方向の抵抗値は、光検知素子10のz方向にセンス電流Isを流すことで、光検知素子10のz方向の両端に電圧が発生し、その電圧値からオームの法則を用いて求められる。光検知素子10からの出力電圧は、第1電極15と第2電極16との間に発生する。図6に示す例の場合、センス電流Isを第1強磁性層1から第2強磁性層2に向かって流す。この方向にセンス電流Isを流すことで、第1強磁性層1の磁化M1に対して、第2強磁性層2の磁化M2と同じ方向のスピントランスファートルクが作用し、初期状態において磁化M1と磁化M2とが平行になる。また、この方向にセンス電流Isを流すことで、第1強磁性層1の磁化M1が動作時に反転することを防止することができる。 First, in a state where the first ferromagnetic layer 1 is irradiated with light of the first intensity (hereinafter referred to as an initial state), the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 and the magnetization M2 of the second ferromagnetic layer 2 are parallel to each other. The resistance value of the light detection element 10 in the z direction indicates the first resistance value R 1 , and the magnitude of the output voltage from the light detection element 10 indicates the first value. The resistance value of the photodetector 10 in the z direction is such that a voltage is generated at both ends of the photodetector 10 in the z direction by passing a sense current Is in the z direction of the photodetector 10, and Ohm's law is derived from the voltage value. Is obtained using. The output voltage from the photodetector 10 is generated between the first electrode 15 and the second electrode 16. In the case of the example shown in FIG. 6, the sense current Is is passed from the first ferromagnetic layer 1 to the second ferromagnetic layer 2. By passing the sense current Is in this direction, the spin transfer torque in the same direction as the magnetization M2 of the second ferromagnetic layer 2 acts on the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1, and in the initial state, the magnetization M1 and It becomes parallel to the magnetization M2. Further, by passing the sense current Is in this direction, it is possible to prevent the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 from being inverted during operation.

次いで、第1強磁性層1に照射される光の強度が第1強度から第2強度に変化する。第2強度は、第1強度より大きく、第1強磁性層1の磁化M1は初期状態から変化する。磁化M1の状態とは、例えば、z方向に対する傾き角、大きさ等である。例えば、図6に示すように、第1強磁性層1に照射される光の強度が第1強度から第2強度に変化すると、磁化M1はz方向に対して傾く。第1強磁性層1に光信号L1を含む光が照射されていない状態における第1強磁性層1の磁化M1の方向と、第2強度における第1強磁性層1の磁化方向と、の角度は、0°より大きく90°より小さい。また例えば、図7に示すように、第1強磁性層1に照射される光の強度が第1強度から第2強度に変化すると、磁化M1の大きさが小さくなる。第1強磁性層1の磁化M1が初期状態から変化すると、光検知素子10のz方向の抵抗値は第2抵抗値Rを示し、光検知素子10からの出力電圧の大きさは第2の値を示す。第2抵抗値Rは、第1抵抗値Rより大きい。第2抵抗値Rは、磁化M1と磁化M2とが平行である場合の抵抗値(第1抵抗値R)と、磁化M1と磁化M2とが反平行である場合の抵抗値との間である。 Next, the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 changes from the first intensity to the second intensity. The second intensity is larger than the first intensity, and the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 changes from the initial state. The state of the magnetization M1 is, for example, a tilt angle, a magnitude, or the like with respect to the z direction. For example, as shown in FIG. 6, when the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 changes from the first intensity to the second intensity, the magnetization M1 is tilted in the z direction. The angle between the direction of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 in the state where the first ferromagnetic layer 1 is not irradiated with the light including the optical signal L1 and the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 1 at the second intensity. Is greater than 0 ° and less than 90 °. Further, for example, as shown in FIG. 7, when the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 changes from the first intensity to the second intensity, the magnitude of the magnetization M1 becomes smaller. When the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 changes from the initial state, the resistance value in the z direction of the photodetector 10 shows the second resistance value R2, and the magnitude of the output voltage from the photodetector 10 is the second. Indicates the value of. The second resistance value R 2 is larger than the first resistance value R 1 . The second resistance value R 2 is between the resistance value when the magnetization M1 and the magnetization M2 are parallel (the first resistance value R 1 ) and the resistance value when the magnetization M1 and the magnetization M2 are antiparallel. Is.

第1強磁性層1の磁化M1は、第2強磁性層2の磁化M2と同じ方向のスピントランスファートルクが作用している。したがって、図6に示す場合、初期状態から傾いた磁化M1は磁化M2と平行状態に戻ろうとし、第1強磁性層1に照射される光の強度が第2強度から第1強度に変化すると、光検知素子10は初期状態に戻る。図7に示す場合は、第1強磁性層1に照射される光の強度が第1強度に戻ると、第1強磁性層1の磁化M1の大きさは元に戻り、光検知素子10は初期状態に戻る。いずれの場合も磁化M1が初期状態に戻ると、光検知素子10のz方向の抵抗値は、第1抵抗値Rに戻る。つまり、第1強磁性層1に照射される光の強度が第2強度から第1強度に変化した際に、光検知素子10のz方向の抵抗値は、第2抵抗値Rから第1抵抗値Rへ変化する。 A spin transfer torque in the same direction as the magnetization M2 of the second ferromagnetic layer 2 acts on the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1. Therefore, in the case shown in FIG. 6, the magnetization M1 tilted from the initial state tries to return to the state parallel to the magnetization M2, and the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 changes from the second intensity to the first intensity. , The light detection element 10 returns to the initial state. In the case shown in FIG. 7, when the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 returns to the first intensity, the magnitude of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 returns to the original size, and the light detection element 10 is used. Return to the initial state. In either case, when the magnetization M1 returns to the initial state, the resistance value of the photodetector 10 in the z direction returns to the first resistance value R1. That is, when the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 changes from the second intensity to the first intensity, the resistance value of the light detection element 10 in the z direction changes from the second resistance value R2 to the first. The resistance value changes to R1 .

いずれのメカニズムにおいても、光検知素子10の積層方向の抵抗値は、第1強磁性層1に照射される光の強度の変化に対応して変化し、光信号L1の強度の変化を光検知素子10のz方向の抵抗値の変化に変換することができる。また第1強磁性層1に照射される光の強度の変化に対応して、光検知素子10からの出力電圧は変化し、光信号L1の強度の変化を光検知素子10からの出力電圧の変化に変換することができる。光検知素子10からの出力は、信号処理部11へ送られ、出力が閾値以上の場合は第1信号(例えば、“1”)、閾値未満の場合は第2信号(例えば、“0”)として処理される。 In either mechanism, the resistance value in the stacking direction of the photodetector 10 changes in response to the change in the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1, and the change in the intensity of the optical signal L1 is detected. It can be converted into a change in the resistance value of the element 10 in the z direction. Further, the output voltage from the photodetector 10 changes in response to the change in the intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1, and the change in the intensity of the optical signal L1 is the output voltage from the photodetector 10. Can be transformed into change. The output from the photodetector 10 is sent to the signal processing unit 11, and if the output is equal to or greater than the threshold value, the first signal (for example, “1”) is sent, and if the output is less than the threshold value, the second signal (for example, “0”). Is processed as.

ここまで、第1強磁性層1に照射される光が、第1強度と第2強度の2段階である場合を例に説明したが、第1実施形態に係る光検知素子10は、第1強磁性層1に照射される光の強度を2段階より多くすることで、光信号L1から多値の情報を読み出すこともできる。 Up to this point, the case where the light irradiated to the first ferromagnetic layer 1 has two stages of the first intensity and the second intensity has been described as an example, but the light detection element 10 according to the first embodiment is the first. By increasing the intensity of the light applied to the ferromagnetic layer 1 to more than two steps, it is possible to read out multi-valued information from the optical signal L1.

図8及び図9は、第1実施形態に係る光検知素子10を用いて多値を出力する場合の光検知素子10の挙動を示す。図8は、第1メカニズムを説明するための図であり、図9は、第2メカニズムを説明するための図である。図8及び図9は、左から順に第1強度、第2強度、第3強度、第4強度のそれぞれにおける光検知素子10の磁化状態及びz方向の抵抗値を表す。第1強磁性層1に照射される光の強度は、第4強度、第3強度、第2強度、第1強度の順に強い。 8 and 9 show the behavior of the photodetector 10 when the photodetector 10 according to the first embodiment is used to output multiple values. FIG. 8 is a diagram for explaining the first mechanism, and FIG. 9 is a diagram for explaining the second mechanism. 8 and 9 show the magnetization state of the photodetector 10 and the resistance value in the z direction at each of the first intensity, the second intensity, the third intensity, and the fourth intensity in order from the left. The intensity of the light applied to the first ferromagnetic layer 1 is stronger in the order of the fourth intensity, the third intensity, the second intensity, and the first intensity.

図8に示すように、照射される光の強度に応じて磁化M1が傾く場合、磁化M1の初期状態からの角度変化は、第1強磁性層1に照射される光の強度が大きいほど大きくなる。第1強磁性層1に光信号L1を含む光が照射されていない状態における第1強磁性層1の磁化M1の方向に対する、第2強度、第3強度、第4強度のそれぞれの角度変化は、いずれも0°より大きく90°より小さい。初期状態に対する光検知素子10のz方向の抵抗値の変化は、磁化M1の初期状態からの角度変化が大きくなるほど大きくなる。したがって、光検知素子10のz方向の抵抗値は、第1強度、第2強度、第3強度、第4強度のそれぞれで異なる。第1実施形態に係る光検知素子10は、出力電圧の閾値(抵抗値の閾値)を複数段階に分けて規定しておくことで、例えば“0”、“1”、“2”、“3”の4値の情報を読み出すことができる。ここでは一例として4値を読み出す場合を示したが、出力電圧の閾値(抵抗値の閾値)の設定により読み出す値の数は自由に設計できる。 As shown in FIG. 8, when the magnetization M1 is tilted according to the intensity of the irradiated light, the angle change from the initial state of the magnetization M1 increases as the intensity of the light irradiated to the first ferromagnetic layer 1 increases. Become. The angular changes of the second intensity, the third intensity, and the fourth intensity with respect to the direction of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 in the state where the first ferromagnetic layer 1 is not irradiated with the light including the optical signal L1 are , Both are greater than 0 ° and less than 90 °. The change in the resistance value of the photodetector 10 in the z direction with respect to the initial state becomes larger as the angle change from the initial state of the magnetization M1 becomes larger. Therefore, the resistance value of the photodetector 10 in the z direction differs depending on each of the first intensity, the second intensity, the third intensity, and the fourth intensity. The photodetector 10 according to the first embodiment defines, for example, "0", "1", "2", "3" by defining the threshold value of the output voltage (threshold value of the resistance value) in a plurality of stages. The four-valued information of "" can be read out. Here, the case of reading out four values is shown as an example, but the number of values to be read out can be freely designed by setting the threshold value of the output voltage (threshold value of the resistance value).

また図9の場合も同様に、第1強磁性層1に照射される光の強度が大きくなると、光の照射による外部からのエネルギーによって第1強磁性層1の磁化M1の大きさは初期状態から小さくなる。第1強磁性層1の磁化M1が初期状態から小さくなると、光検知素子10のz方向の抵抗値は変化する。例えば、第1強磁性層1の磁化M1の大きさに応じて、光検知素子10のz方向の抵抗値は、第2抵抗値R、第3抵抗値R、第4抵抗値Rと変化する。したがって、図8の場合と同様に、光検知素子10からの出力電圧の違いを、多値又はアナログデータとして出力できる。 Similarly, in the case of FIG. 9, when the intensity of the light irradiated to the first ferromagnetic layer 1 increases, the magnitude of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 becomes the initial state due to the external energy generated by the irradiation of the light. Becomes smaller from. When the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1 becomes smaller than the initial state, the resistance value of the photodetector 10 in the z direction changes. For example, depending on the magnitude of the magnetization M1 of the first ferromagnetic layer 1, the resistance values of the light detection element 10 in the z direction are the second resistance value R 2 , the third resistance value R 3 , and the fourth resistance value R 4 . It changes with. Therefore, as in the case of FIG. 8, the difference in the output voltage from the photodetector element 10 can be output as multi-valued or analog data.

上述のように、第1実施形態に係る光検知素子10は、光信号を電気信号に変換する。 As described above, the photodetector element 10 according to the first embodiment converts an optical signal into an electric signal.

光検知素子10は、スペーサ層3に接する第1領域1AがCoFeB合金であるため、磁気抵抗変化率(MR変化率)が大きい。そのため、光検知素子10は、第1領域1Aの磁化の状態の変化に対する光検知素子10の出力変化が大きい。 In the photodetector element 10, since the first region 1A in contact with the spacer layer 3 is a CoFeB alloy, the rate of change in magnetic resistance (rate of change in MR) is large. Therefore, in the photodetector element 10, the output change of the photodetector element 10 is large with respect to the change in the magnetization state of the first region 1A.

また光検知素子10は、FeとGdとを含む磁性体である第2領域1Bを有するため、小さい光量の照射でも第2領域1Bの磁化の状態が変化し、第2領域1Bと磁気結合する第1領域1Aの磁化の状態も変化する。 Further, since the photodetector 10 has a second region 1B which is a magnetic material containing Fe and Gd, the state of magnetization of the second region 1B changes even when irradiated with a small amount of light, and magnetically couples with the second region 1B. The state of magnetization of the first region 1A also changes.

したがって、光検知素子10は、照射される光の光量の変化に対してその出力変化が大きいものになる。このように、第1実施形態に係る光検知素子10は、光信号の電気信号への変換効率が大きく、光検知能力が高い。 Therefore, the output of the photodetector element 10 changes greatly with respect to the change in the amount of emitted light. As described above, the photodetector element 10 according to the first embodiment has a high conversion efficiency of an optical signal into an electric signal and a high photodetection ability.

また第1実施形態において、第1強磁性層1が第1領域1Aを有することで、光検知素子10のMR比は向上する。さらに、第2強磁性層2が第3領域2Aを有すると、光検知素子10のMR比が向上する。光検知素子10の光に対する応答特性を高めるために、第1強磁性層1の膜厚を薄くしたい等の要望があるが、光検知素子10が第1領域1Aや第3領域2Aを有するとこれらの制約の中でも光検知素子10のMR比を高めることができる。その結果、光信号L1の光の強度の変化に対する光検知素子10の抵抗値の変化量(光検知素子10から出力される電圧の変化量)を大きくすることができる。これにより、光検知素子10の感度を大きくすることができ、光検知素子10は高速通信を可能とする受信装置100に用いることができる。 Further, in the first embodiment, the MR ratio of the photodetector element 10 is improved by having the first ferromagnetic layer 1 having the first region 1A. Further, when the second ferromagnetic layer 2 has the third region 2A, the MR ratio of the photodetector 10 is improved. There is a desire to reduce the thickness of the first ferromagnetic layer 1 in order to enhance the response characteristics of the photodetector element 10 to light, but the photodetector element 10 has a first region 1A and a third region 2A. Even within these restrictions, the MR ratio of the photodetector 10 can be increased. As a result, the amount of change in the resistance value of the photodetector element 10 (the amount of change in the voltage output from the photodetector element 10) with respect to the change in the light intensity of the optical signal L1 can be increased. As a result, the sensitivity of the photodetector element 10 can be increased, and the photodetector element 10 can be used for the receiving device 100 that enables high-speed communication.

またここまで、送受信装置を図1に示す通信システム1000に適用する例を示したが、通信システムはこの場合に限られない。 Further, although an example of applying the transmission / reception device to the communication system 1000 shown in FIG. 1 has been shown so far, the communication system is not limited to this case.

例えば、図10は、通信システムの別の例の概念図である。図10に示す通信システム1001は、2つの携帯端末装置500間の通信である。携帯端末装置500は、例えば、スマートフォン、タブレット等である。 For example, FIG. 10 is a conceptual diagram of another example of a communication system. The communication system 1001 shown in FIG. 10 is a communication between two mobile terminal devices 500. The mobile terminal device 500 is, for example, a smartphone, a tablet, or the like.

携帯端末装置500のそれぞれは、受信装置100と送信装置200とを備える。一方の携帯端末装置500の送信装置200から送信された光信号を、他方の携帯端末装置500の受信装置100で受信する。携帯端末装置500間の送受信に使用される光は、例えば可視光である。それぞれの受信装置100の光検知素子10として、上述の光検知素子が適用される。 Each of the mobile terminal devices 500 includes a receiving device 100 and a transmitting device 200. The optical signal transmitted from the transmitting device 200 of one mobile terminal device 500 is received by the receiving device 100 of the other mobile terminal device 500. The light used for transmission / reception between the mobile terminal devices 500 is, for example, visible light. The above-mentioned photodetector is applied as the photodetector 10 of each receiver 100.

また例えば、図11は、通信システムの別の例の概念図である。図11に示す通信システム1002は、携帯端末装置500と情報処理装置600との間の通信である。情報処理装置600は、例えば、パーソナルコンピュータである。 Also, for example, FIG. 11 is a conceptual diagram of another example of a communication system. The communication system 1002 shown in FIG. 11 is communication between the mobile terminal device 500 and the information processing device 600. The information processing device 600 is, for example, a personal computer.

携帯端末装置500は送信装置200を備え、情報処理装置600は受信装置100を備える。携帯端末装置500の送信装置200から送信された光信号は、情報処理装置600の受信装置100で受信される。携帯端末装置500と情報処理装置600と間の送受信に使用される光は、例えば可視光である。それぞれの受信装置100の光検知素子10として、上述の光検知素子が適用される。 The mobile terminal device 500 includes a transmitting device 200, and the information processing device 600 includes a receiving device 100. The optical signal transmitted from the transmitting device 200 of the mobile terminal device 500 is received by the receiving device 100 of the information processing device 600. The light used for transmission / reception between the mobile terminal device 500 and the information processing device 600 is, for example, visible light. The above-mentioned photodetector is applied as the photodetector 10 of each receiver 100.

以上、本発明は上記の実施形態及び変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described within the scope of claims.

ここでは光検知素子を受信装置に用いる場合を例示したが、この場合に限られない。例えば、本発明に係る光検知素子は、イメージセンサー等の様々な半導体光検知素子に対して置き換えをすることができる。 Here, the case where the photodetector is used for the receiving device is illustrated, but the case is not limited to this case. For example, the photodetector according to the present invention can be replaced with various semiconductor photodetectors such as image sensors.

(実施例1)
基板上に第2電極、下地層、第2強磁性層を、この順に各材料のターゲットを用いて成膜した。第2電極は、基板側から順に、厚さ50ÅのTa、厚さ600ÅのRu、厚さ100ÅのTaとした。下地層は、基板側から順に、厚さ20ÅのTa、厚さ20ÅのPtとした。第2強磁性層は、基板側から順に、厚さ5ÅのCoと厚さ4ÅのPtとを交互に4回積層した積層膜、厚さ6ÅのCo、厚さ8ÅのRu、厚さ6ÅのCo、厚さ4ÅのPtと厚さ5ÅのCoとを交互に3回積層した積層膜、厚さ4ÅのMo、厚さ6ÅのCoFeB、5ÅのFeとした。
(Example 1)
A second electrode, a base layer, and a second ferromagnetic layer were formed on the substrate in this order using targets of each material. The second electrode was Ta with a thickness of 50 Å, Ru with a thickness of 600 Å, and Ta with a thickness of 100 Å in order from the substrate side. The base layer was Ta with a thickness of 20 Å and Pt with a thickness of 20 Å in order from the substrate side. The second ferromagnetic layer is a laminated film in which Co with a thickness of 5 Å and Pt with a thickness of 4 Å are alternately laminated four times in order from the substrate side, Co with a thickness of 6 Å, Ru with a thickness of 8 Å, and 6 Å with a thickness. Co, Pt having a thickness of 4 Å and Co having a thickness of 5 Å were alternately laminated three times to form a laminated film, Mo having a thickness of 4 Å, CoFeB having a thickness of 6 Å, and Fe having a thickness of 5 Å.

次いで、Mgを成膜した後に、酸化チャンバーにて酸化処理を行って、厚さ12ÅのMgOのスペーサ層を作製した。次いで、スペーサ層上に、Co0.650.35のターゲットとFe0.650.35のターゲットとを用いたコスパッタリング(2元同時スパッタリング)を行い、第1強磁性層の第1領域を10Åの厚みで成膜した。次いで、中間層として厚さ5ÅのMoを成膜した。ついで、中間層上に、GdのターゲットとFeのターゲットとを用いたコスパッタリング(2元同時スパッタリング)を行い、第1強磁性層の第2領域を25Åの厚みで成膜した。 Next, after forming Mg into a film, an oxidation treatment was performed in an oxidation chamber to prepare a spacer layer of MgO having a thickness of 12 Å. Next, co-sputtering (binary simultaneous sputtering) using a target of Co 0.65 B 0.35 and a target of Fe 0.65 B 0.35 was performed on the spacer layer, and the first ferromagnetic layer was first. One region was formed with a thickness of 10 Å. Next, Mo having a thickness of 5 Å was formed as an intermediate layer. Then, co-sputtering (binary simultaneous sputtering) using a Gd target and a Fe target was performed on the intermediate layer to form a second region of the first ferromagnetic layer with a thickness of 25 Å.

そして、第1強磁性層上に、キャップ層を成膜した。キャップ層は、基板側から順に、厚さ20ÅのMo、厚さ20ÅのTa、厚さ20ÅのRuとした。その後、真空中で、30分間、400℃でアニール処理を行った。そしてアニール処理後の積層体に、第1電極を成膜し、直径300nmの円柱状に加工して光検知素子を作製した。第1電極は、厚さ500Åの酸化インジウムスズ(ITO)とした。各層の成膜は、DCマグネトロンスパッタ装置で行った。 Then, a cap layer was formed on the first ferromagnetic layer. The cap layer was Mo having a thickness of 20 Å, Ta having a thickness of 20 Å, and Ru having a thickness of 20 Å in order from the substrate side. Then, it was annealed at 400 ° C. for 30 minutes in vacuum. Then, a first electrode was formed on the laminated body after the annealing treatment, and processed into a columnar shape having a diameter of 300 nm to produce a photodetector. The first electrode was indium tin oxide (ITO) having a thickness of 500 Å. The film formation of each layer was performed by a DC magnetron sputtering apparatus.

実施例1で作製した光検知素子の素子構成を以下にまとめる。
第2電極:Ta(50Å)/Ru(600Å)/Ta(100Å)
下地層:Ta(20Å)/Pt(20Å)
第2強磁性層:[Co(5Å)/Pt(4Å)]/Co(6Å)/Ru(8Å)/Co(6Å)/[Pt(4Å)/Co(5Å)]/Mo(4Å)/CoFeB(6Å)/Fe(5Å)
スペーサ層:MgO(12Å)
第1強磁性層:Co0.24Fe0.560.20(10Å)/Mo(5Å)/Gd0.26Fe0.74(25Å)
キャップ層:Mo(20Å)/Ta(20Å)/Ru(20Å)
第1電極:ITO(500Å)
The element configuration of the photodetector element produced in Example 1 is summarized below.
Second electrode: Ta (50 Å) / Ru (600 Å) / Ta (100 Å)
Underlayer: Ta (20 Å) / Pt (20 Å)
Second ferromagnetic layer: [Co (5 Å) / Pt (4 Å)] 4 / Co (6 Å) / Ru (8 Å) / Co (6 Å) / [Pt (4 Å) / Co (5 Å)] 3 / Mo (4 Å) ) / CoFeB (6 Å) / Fe (5 Å)
Spacer layer: MgO (12Å)
First ferromagnetic layer: Co 0.24 Fe 0.56 B 0.20 (10 Å) / Mo (5 Å) / Gd 0.26 Fe 0.74 (25 Å)
Cap layer: Mo (20 Å) / Ta (20 Å) / Ru (20 Å)
First electrode: ITO (500 Å)

作製した光検知素子に第1電極側からパルス光を照射した。光源は、50mWの短パルスレーザー(波長800nm)を用いた。光パルス幅は50fsec、光スポット径は2mmとし、50mWのパルス光の強度を1/1000に減光した後、光検知素子に照射した。光検知素子には0.25mAの直流電流を印加した。そして、パルス光を光検知素子に照射することで生じる光検知素子からの出力電圧の変化を高速オシロスコープで測定した。実施例1に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、5.0mVであった。 The manufactured photodetector was irradiated with pulsed light from the first electrode side. As a light source, a 50 mW short pulse laser (wavelength 800 nm) was used. The light pulse width was 50 fsec, the light spot diameter was 2 mm, the intensity of the pulse light of 50 mW was dimmed to 1/1000, and then the light detection element was irradiated. A direct current of 0.25 mA was applied to the photodetector. Then, the change in the output voltage from the photodetector caused by irradiating the photodetector with the pulsed light was measured with a high-speed oscilloscope. In the photodetector element according to the first embodiment, the change in the output voltage before and after the pulsed light irradiation was 5.0 mV.

(実施例2)
実施例2は、第1強磁性層の第2領域の構成を変えた点が実施例1と異なる。実施例2では、中間層上に、GdのターゲットとFeのターゲットとCoターゲットとを用いたコスパッタリング(3元同時スパッタリング)を行い、第1強磁性層の第2領域を25Åの厚みで成膜した。
(Example 2)
Example 2 is different from Example 1 in that the configuration of the second region of the first ferromagnetic layer is changed. In Example 2, co-sputtering (ternary simultaneous sputtering) using a Gd target, an Fe target, and a Co target is performed on the intermediate layer, and the second region of the first ferromagnetic layer is formed with a thickness of 25 Å. Membrane.

実施例2における第1強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例1と同じとした。
第1強磁性層:Co0.24Fe0.560.20(10Å)/Mo(5Å)/Gd0.26(Fe0.90Co0.100.74(25Å)
The layer structure of the first ferromagnetic layer in Example 2 is as follows, and the structure of the other layers is the same as that in Example 1.
First ferromagnetic layer: Co 0.24 Fe 0.56 B 0.20 (10 Å) / Mo (5 Å) / Gd 0.26 (Fe 0.90 Co 0.10 ) 0.74 (25 Å)

実施例2においても、実施例1と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例2に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、4.8mVであった。 In Example 2, the pulsed light was irradiated in the same manner as in Example 1, and the change in the output voltage before and after the irradiation was measured. In the photodetector element according to the second embodiment, the change in the output voltage before and after the pulsed light irradiation was 4.8 mV.

(実施例3)
実施例3は、第1強磁性層の第2領域の構成を変えた点が実施例1と異なる。実施例3では、中間層上に、厚さ3.7ÅのFeと厚さ1.3ÅのGdとを交互に5回ずつ積層し、第1強磁性層の第2領域を成膜した。
(Example 3)
Example 3 is different from Example 1 in that the configuration of the second region of the first ferromagnetic layer is changed. In Example 3, Fe having a thickness of 3.7 Å and Gd having a thickness of 1.3 Å were alternately laminated five times on the intermediate layer to form a second region of the first ferromagnetic layer.

実施例3における第1強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例1と同じとした。
第1強磁性層:Co0.24Fe0.560.20(10Å)/Mo(5Å)/[Fe(3.7Å)/Gd(1.3Å)]
The layer structure of the first ferromagnetic layer in Example 3 is as follows, and the structure of the other layers is the same as that of Example 1.
First ferromagnetic layer: Co 0.24 Fe 0.56 B 0.20 (10 Å) / Mo (5 Å) / [Fe (3.7 Å) / Gd (1.3 Å)] 5

実施例3においても、実施例1と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例3に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、9.8mVであった。 In Example 3, the pulsed light was irradiated in the same manner as in Example 1, and the change in the output voltage before and after the irradiation was measured. In the photodetector element according to the third embodiment, the change in the output voltage before and after the pulsed light irradiation was 9.8 mV.

(実施例4)
実施例4は、第1強磁性層の第2領域の構成を変えた点が実施例1と異なる。実施例4では、中間層上に、厚さ3.7ÅのFeCoの合金膜と厚さ1.3ÅのGdとを交互に5回ずつ積層し、第1強磁性層の第2領域を成膜した。FeCo合金膜は、FeのターゲットとCoのターゲットとを用いたコスパッタリング(2元同時スパッタリング)で成膜した。
(Example 4)
Example 4 is different from Example 1 in that the configuration of the second region of the first ferromagnetic layer is changed. In Example 4, a FeCo alloy film having a thickness of 3.7 Å and Gd having a thickness of 1.3 Å are alternately laminated five times on the intermediate layer to form a second region of the first ferromagnetic layer. bottom. The FeCo alloy film was formed by co-sputtering (binary simultaneous sputtering) using a Fe target and a Co target.

実施例4における第1強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例1と同じとした。
第1強磁性層:Co0.24Fe0.560.20(10Å)/Mo(5Å)/[Fe0.90Co0.10(3.7Å)/Gd(1.3Å)]
The layer structure of the first ferromagnetic layer in Example 4 is as follows, and the structure of the other layers is the same as that of Example 1.
First ferromagnetic layer: Co 0.24 Fe 0.56 B 0.20 (10 Å) / Mo (5 Å) / [Fe 0.90 Co 0.10 (3.7 Å) / Gd (1.3 Å)] 5

実施例4においても、実施例1と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。実施例4に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、10.0mVであった。 In Example 4, the pulsed light was irradiated in the same manner as in Example 1, and the change in the output voltage before and after the irradiation was measured. In the photodetector element according to the fourth embodiment, the change in the output voltage before and after the pulsed light irradiation was 10.0 mV.

(比較例1)
比較例1は、第1強磁性層の構成を変えた点が実施例1と異なる。比較例1では、実施例1に対し、第1強磁性層1の中間層及び第2領域を形成しなかった。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is different from Example 1 in that the configuration of the first ferromagnetic layer is changed. In Comparative Example 1, the intermediate layer and the second region of the first ferromagnetic layer 1 were not formed with respect to Example 1.

比較例1における第1強磁性層の層構成は下記であり、その他の層の構成は実施例1と同じとした。
第1強磁性層:Co0.24Fe0.560.20(10Å)
The layer structure of the first ferromagnetic layer in Comparative Example 1 is as follows, and the structure of the other layers is the same as that of Example 1.
First ferromagnetic layer: Co 0.24 Fe 0.56 B 0.20 (10 Å)

比較例1においても、実施例1と同様にパルス光を照射し、照射前後における出力電圧の変化を測定した。比較例1に係る光検知素子は、パルス光照射前後における出力電圧の変化は、2.5mVであった。 In Comparative Example 1, the pulsed light was irradiated in the same manner as in Example 1, and the change in the output voltage before and after the irradiation was measured. In the photodetector element according to Comparative Example 1, the change in output voltage before and after irradiation with pulsed light was 2.5 mV.

実施例1~4及び比較例1の結果を、以下の表にまとめた。表1に示されるように、実施例1~4の光検知素子は、比較例1の光検知素子と比較して、光信号の電気信号への変換効率が高かった。 The results of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 are summarized in the table below. As shown in Table 1, the photodetector elements of Examples 1 to 4 had higher efficiency of converting an optical signal into an electric signal than the photodetector element of Comparative Example 1.

Figure 2022070205000002
Figure 2022070205000002

1…第1強磁性層、1A…第1領域、1B…第2領域、1C…中間層、2…第2強磁性層、2A…第3領域、2B…第4領域、3…スペーサ層、4…第3強磁性層、5…磁気結合層、6…下地層、7…垂直磁化誘起層、8…キャップ層、9…側壁絶縁層、10…光検知素子、11…信号処理部、15…第1電極、16…第2電極、20…集積回路、30…層間絶縁膜、100…受信装置、200…送信装置、201…光源、202…電気信号生成素子、203…光変調素子、300…送受信装置、500…携帯端末装置、600…情報処理装置、1000,1001,1002…通信システム、FB…ファイバー、G…グラウンド、Is…センス電流、M1,M2…磁化、P…基準電位端子、Pin…入力端子、Pout…出力端子、PS…電源、w…貫通配線 1 ... 1st ferromagnetic layer, 1A ... 1st region, 1B ... 2nd region, 1C ... intermediate layer, 2 ... 2nd ferromagnetic layer, 2A ... 3rd region, 2B ... 4th region, 3 ... spacer layer, 4 ... Third ferromagnetic layer, 5 ... Magnetic coupling layer, 6 ... Underlayer layer, 7 ... Vertical magnetization induced layer, 8 ... Cap layer, 9 ... Side wall insulating layer, 10 ... Optical detection element, 11 ... Signal processing unit, 15 ... 1st electrode, 16 ... 2nd electrode, 20 ... integrated circuit, 30 ... interlayer insulating film, 100 ... receiver, 200 ... transmitter, 201 ... light source, 202 ... electrical signal generation element, 203 ... optical modulation element, 300 ... Transmission / reception device, 500 ... Portable terminal device, 600 ... Information processing device, 1000, 1001, 1002 ... Communication system, FB ... Fiber, G ... Ground, Is ... Sense current, M1, M2 ... Magnetization, PG ... Reference potential terminal , Pin ... input terminal, P out ... output terminal, PS ... power supply, w ... through wiring

Claims (6)

光が照射される第1強磁性層と、第2強磁性層と、前記第1強磁性層と前記第2強磁性層とに挟まれたスペーサ層と、を備え、
前記第1強磁性層は、前記スペーサ層に接する第1領域と、前記第1領域より前記スペーサ層から離れた位置にある第2領域とを有し、
前記第1領域はCoFeB合金であり、前記第2領域は構成元素としてFeとGdとを主に含む磁性体である、光検知素子。
A first ferromagnetic layer to be irradiated with light, a second ferromagnetic layer, and a spacer layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer are provided.
The first ferromagnetic layer has a first region in contact with the spacer layer and a second region located away from the spacer layer from the first region.
The first region is a CoFeB alloy, and the second region is a photodetector which is a magnetic material mainly containing Fe and Gd as constituent elements.
前記第1領域と前記第2領域との間に中間層をさらに有し、
前記中間層は、Mo、Ru、Ta、W、Ptからなる群から選択されるいずれか1種以上の元素を含む、請求項1に記載の光検知素子。
Further having an intermediate layer between the first region and the second region
The photodetector according to claim 1, wherein the intermediate layer contains any one or more elements selected from the group consisting of Mo, Ru, Ta, W, and Pt.
前記第2強磁性層は、前記スペーサ層に接する第3領域と、前記第3領域より前記スペーサ層から離れた位置にありボロンを含む第4領域とを有し、
前記第3領域は、前記第4領域よりボロンの濃度が低い、又は、ボロンを含まない、請求項1又は2に記載の光検知素子。
The second ferromagnetic layer has a third region in contact with the spacer layer and a fourth region located away from the spacer layer from the third region and containing boron.
The photodetector according to claim 1 or 2, wherein the third region has a lower concentration of boron than the fourth region or does not contain boron.
前記第1領域は、前記第2領域よりボロンの濃度が高い、請求項1~3のいずれか一項に記載の光検知素子。 The photodetector according to any one of claims 1 to 3, wherein the first region has a higher concentration of boron than the second region. 前記第3領域は、Fe又はCoFe合金を含み、結晶構造がbcc構造である、請求項3に記載の光検知素子。 The photodetector according to claim 3, wherein the third region contains an Fe or CoFe alloy and the crystal structure is a bcc structure. 請求項1~5のいずれか一項に記載の光検知素子を有する受信装置。 A receiving device having the photodetector according to any one of claims 1 to 5.
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