JP2022070810A - Electrode structure and light detection element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電極構造及び該電極構造を備える光検知素子に関する。 The present invention relates to an electrode structure and a photodetector having the electrode structure.
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。
For example,
情報通信技術の発展に伴い、通信速度の更なる高速化が求められている。高速通信としては、例えば長距離網で用いられる遠赤外光での光通信や、端末間で用いられる可視光での光通信などがある。しかし、可視光を高速光通信として用いる場合、周波数が数十GHz以上になるとSi半導体のフォトダイオードでは受信感度が著しく低下するという問題がある。一方、2つの強磁性層の間にスペーサ層を備える磁性素子を用いると、高周波光信号に応答することができ、高周波光信号の受信素子として利用できることを発明者は見出した。このような磁性素子を光信号の受信素子として利用するには、素子に光信号を効率良く伝えつつ該素子からの電気信号を効率良く取り出すことが可能な新たな構造が必要となる。 With the development of information and communication technology, further speeding up of communication speed is required. Examples of high-speed communication include optical communication using far-infrared light used in a long-distance network and optical communication using visible light used between terminals. However, when visible light is used for high-speed optical communication, there is a problem that the reception sensitivity of a Si semiconductor photodiode significantly decreases when the frequency becomes several tens of GHz or more. On the other hand, the inventor has found that if a magnetic element having a spacer layer between two ferromagnetic layers is used, it can respond to a high-frequency optical signal and can be used as a receiving element for a high-frequency optical signal. In order to utilize such a magnetic element as an optical signal receiving element, a new structure capable of efficiently transmitting an optical signal to the element and efficiently extracting an electric signal from the element is required.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、素子に光信号を効率良く伝えつつ該素子からの電気信号を効率良く取り出すことを可能とする電極構造及び該電極構造を備える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 electrode structure capable of efficiently transmitting an optical signal to an element and efficiently extracting an electric signal from the element and a photodetector element having the electrode structure are provided. The purpose is to provide.
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の態様にかかる電極構造は、金属膜と、前記金属膜の一部に設けられた開口部と、前記開口部に配置された透明導電性膜と、を有し、前記透明導電性膜は、素子と電気的に接続され、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において前記素子と重なる。 (1) The electrode structure according to the first aspect has a metal film, an opening provided in a part of the metal film, and a transparent conductive film arranged in the opening, and is transparent. The conductive film is electrically connected to the element and overlaps with the element in a plan view from the thickness direction of the transparent conductive film.
(2)上記態様において、前記厚さ方向からの平面視において、前記素子を包含するように設けられていてもよい。 (2) In the above aspect, the element may be provided so as to include the element in a plan view from the thickness direction.
(3)上記態様において、前記開口部の長さは、前記透明導電性膜に照射される光の波長よりも小さくてもよい。 (3) In the above aspect, the length of the opening may be smaller than the wavelength of the light applied to the transparent conductive film.
(4)第2の態様にかかる光検知素子は、第1電極及び第2電極と、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電極と前記第2電極との間に配置された磁性素子と、を有し、前記第1電極は、金属膜と、前記金属膜の一部に設けられた開口部と、前記開口部に配置された透明導電性膜と、を有し、前記透明導電性膜は、前記磁性素子と電気的に接続され、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において前記磁性素子と重なり、前記透明導電性膜に光が照射される。 (4) The light detection element according to the second aspect is the first electrode, the second electrode, the first ferromagnetic layer, the second ferromagnetic layer, the first ferromagnetic layer, and the second ferromagnetic layer. It comprises a spacer layer sandwiched between the first electrode and a magnetic element arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the first electrode is a metal film and a metal film. It has an opening provided in a part thereof and a transparent conductive film arranged in the opening, and the transparent conductive film is electrically connected to the magnetic element to form a transparent conductive film. It overlaps with the magnetic element in a plan view from the thickness direction, and the transparent conductive film is irradiated with light.
(5)上記態様において、前記開口部が、前記厚さ方向からの平面視において、前記磁性素子を包含するように設けられていてもよい。 (5) In the above aspect, the opening may be provided so as to include the magnetic element in a plan view from the thickness direction.
(6)上記態様において、前記開口部の長さは、前記透明導電性膜に照射される光の波長よりも小さくてもよい。 (6) In the above aspect, the length of the opening may be smaller than the wavelength of the light applied to the transparent conductive film.
(7)上記態様において、前記光検知素子は、前記透明導電性膜に光を照射する光伝達部を更に備え、前記光伝達部は、前記光伝達部の一端に設けられ、外部からの光が照射される第1回折格子部と、前記光伝達部の他端に設けられ、前記第1回折格子部から伝達された光が出射される第2回折格子部と、前記第1回折格子部と前記第2回折格子部との間に設けられた導波路と、を有し、前記光伝達部の平面視において、前記第1回折格子部の面積が前記第2回折格子部の面積よりも広くてもよい。 (7) In the above embodiment, the light detection element further includes a light transmission unit that irradiates the transparent conductive film with light, and the light transmission unit is provided at one end of the light transmission unit and is provided with light from the outside. A first diffraction grating portion to be irradiated with light, a second diffraction grating portion provided at the other end of the light transmission portion and emitting light transmitted from the first diffraction grating portion, and the first diffraction grating portion. It has a waveguide provided between the second diffraction grating portion and the second diffraction grating portion, and the area of the first diffraction grating portion is larger than the area of the second diffraction grating portion in the plan view of the light transmission portion. It may be wide.
(8)上記態様において、複数の前記トンネル磁性素子が、配列して設けられ、前記開口部が、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において、前記複数の磁性素子を包含するように設けられてもよい。 (8) In the above embodiment, the plurality of tunnel magnetic elements are provided in an array, and the opening thereof includes the plurality of magnetic elements in a plan view from the thickness direction of the transparent conductive film. It may be provided in.
本発明によれば、素子に光信号を効率良く伝えつつ該素子からの電気信号を効率良く取り出すことを可能とする電極構造及び光検知素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an electrode structure and an optical detection element capable of efficiently transmitting an optical signal to an element and efficiently extracting an electric signal from the element.
以下、本発明の実施形態について、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 of the present invention 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1の積層方向(磁性素子30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、後述する第1電極から第2電極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 element 1 (stacking direction of the magnetic elements 30) is defined as the z direction, one direction in the plane orthogonal to the z direction is defined as the x direction, and the x direction and the direction orthogonal to the z direction are defined as 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 a direction from the first electrode to the second electrode, which will be described later. The top and bottom do not always match the direction in which gravity is applied.
図1は、本発明の実施形態に係る光検知素子の構成を概略的に示す斜視図である。
図1に示すように、光検知素子1は、第1電極10A及び第2電極20と、第1電極と前記第2電極との間に配置された磁性素子30とを備える。磁性素子30については、後述する。また、光検知素子1は、第1電極10Aに設けられる後述する透明導電性膜に光を照射する光伝達部40を更に備えている。第1電極10A及び第2電極20は、それぞれ定電流駆動回路51及び信号処理回路52に電気的に接続されている。
尚、本発明における光とは、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意味で用いる。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration of a photodetector element according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
The light in the present invention is used to include not only visible light but also infrared rays having a wavelength longer than that of visible light and ultraviolet rays having a wavelength shorter than that of visible light.
図2は、図1における光伝達部40の構成を示す平面図である。図2に示すように、光伝達部40は、光伝達部40の一端40aに設けられ、外部からの光が照射される第1回折格子部41と、光伝達部の他端40bに設けられ、第1回折格子部41から伝達された光が出射する第2回折格子部42と、第1回折格子部41と第2回折格子部42との間に設けられた導波路43とを有する。光伝達部40の形状は、特に制限されないが、例えば長尺状の板状体で構成されている。光伝達部40は、光が伝搬するコアと、コアを覆うように外側に配置されたクラッドとを有している。コアは、例えば酸化タンタル(Ta2O5)で構成されている。クラッドは、例えば酸化シリコン(SiOx、x=1~2)又は酸化アルミニウム(Ai2O3)で構成されている。
FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the
第1回折格子部41は、光伝達部40の一方の主面41aに設けられ、光伝達部40のy方向に延在する複数の溝41Bを有している。本実施形態では、x方向が光伝達部40の長手方向、y方向が光伝達部40の幅方向(横方向)であり、複数の溝41Bが光伝達部40の幅方向に沿って延在している。
The first
第2回折格子部42は、光伝達部40の他方の主面41bに設けられ、光伝達部40のy方向に延在する複数の溝42Bを有している。本実施形態では、複数の溝42Bが光伝達部40の幅方向に沿って延在している。
The second
光伝達部40の平面視において、第1回折格子部41の面積は第2回折格子部42の面積よりも広いのが好ましい。第1回折格子部41及び第2回折格子部42の平面視形状は、特に制限されないが、例えば略矩形形状である。第1回折格子部41を構成する溝41Bの寸法及び断面形状は、第2回折格子部42を構成する溝42Bの寸法及び断面形状と同じであるのが好ましいが、異なっていてもよい。
In the plan view of the
導波路43は、第1回折格子部41に入射した光を第2回折格子部42に伝達する。本実施形態では、導波路43はテーパー形状を有しており、導波路43のy方向寸法(幅方向寸法)は、第1回折格子部41から第2回折格子部42に向かって漸減している。導波路43のy方向に沿う断面積が第1回折格子部41から第2回折格子部42に向かって小さくなる構成とすることで、第2回折格子部42から出射される光線S2のスポット径が、第1回折格子部41に入射した光線S1のスポット径よりも小さくなる。光線S1のスポット径は、例えば1μm以上2μm以下である。光信号S2のスポット径は、光信号の波長程度である。例えば、波長500nmの光(光線)を1μm以上2μm以下のスポット径で第1回折格子部41に照射した場合、導波路43により、例えば500nmのスポット径の光(光線)が第2回折格子部から出射する。このように数ミクロンオーダーの比較的大きなスポット径の光線S1を第1回折格子部41で受け取り、導波路43を伝達させることで、光の波長程度の小さなスポット径の光線S2を第2回折格子部42から出射させることができる。
The
本実施形態では、平面視において導波路43の幅方向端面43Aが直線形状を有しているが、これに限らず、第2回折格子部42側の端部43bの幅方向寸法が、導波路43の第1回折格子部41側の端部43aの幅方向寸法よりも小さい形状を有していればよい。例えば、平面視において導波路43の幅方向端面43Aが、曲線形状や段付き形状を有してもよい。
また、導波路43は、y方向に沿う断面積が第1回折格子部41から第2回折格子部42に向かって小さくなる第1部位と、y方向に沿う断面積が略同一である第2部位とを有していてもよい。
In the present embodiment, the
Further, in the
図3Aは、図1の光検知素子1の拡大斜視図であり、図3Bは、図3Aの線I-Iに沿う断面図である。
図3A及び図3Bに示すように、第1電極10Aは、金属膜11Aと、金属膜11Aの一部に設けられた開口部12Aと、開口部12Aに配置された透明導電性膜13Aとを有する。透明導電性膜13Aは、磁性素子30(素子)と電気的に接続され、透明導電性膜13Aの厚さ方向(z方向)からの平面視において磁性素子30と重なるように配置されている。透明導電性膜13Aは、厚さ方向に互いに対向する主面13a,13bを有している。図3A及び図3Bに示す例では、透明導電性膜13Aの一方の主面13aの一部は、磁性素子30のz方向(積層方向)端面30aの少なくとも一部と当接している。透明導電性膜13Aの他方の主面13bに光が照射されたとき、透明導電性膜13Aを透過した光が、磁性素子30に照射される。第1電極10Aは、透明導電性膜13Aと磁性素子30との間に、通電性を有し、光を透過させる程度の薄い膜を有していてもよい。
3A is an enlarged perspective view of the
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
第1電極10Aの形状は、特に制限されないが、例えばx方向に延出する長尺状の板状体で構成されている。金属膜11Aの厚さ(z方向寸法)は、例えば50nm以上100nm以下である。金属膜11Aは、例えば、銅、銀、又は金などの金属で構成されている。
The shape of the
開口部12Aは、第1電極10Aの長手方向端部10aに設けられており、例えばz方向からの平面視で略矩形形状を有する。開口部12Aは、z方向に沿って金属膜を貫通して形成されている。
The
透明導電性膜13Aは、開口部12Aの全体を塞ぐように、金属膜11Aと略平行に設けられている。本実施形態では、透明導電性膜13Aは、開口部12Aと同様、平面視で略矩形形状を有する。透明導電性膜13Aの厚さは、金属膜の厚さと同じか或いは小さくてもよく、例えば25nm~100nmである。透明導電性膜13Aは、光線S1の使用波長域の光に対して透過性を有する。光線S1に使用される光の使用波長域は、例えば、300nm以上2000nm以下であり、可視光域を含む。透明導電性膜13Aは、非金属の物質で構成されており、例えば酸化物で構成されている。透明導電性膜13A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)から選択される1又は複数で構成されている。透明導電性膜13Aの電気抵抗率は金属膜の電気抵抗率よりも大きいが、金属膜の一部に設けられた開口部12Aに透明導電性膜13Aが配置されているので、全体が透明導電膜で構成される場合に比べて、第1電極10Aを低抵抗化することができる。したがって、第1電極10Aの電極構造によれば、磁性素子30に光線S1を効率良く伝えつつ磁性素子30からの電気信号を効率良く取り出すことができる。
The transparent
第2電極20の形状は、特に制限されないが、例えばy方向に延出する長尺状の板状体で構成されている。第2電極20の厚さ(z方向寸法)は、例えば20nm~80nmである。第2電極20は、例えばTaとCuとTaの積層膜、TaとCuとTiの積層膜、TaとCuとTaNの積層膜で構成されている。
The shape of the
図4は、図1の光検知素子1に設けられる磁性素子30の構成を示す断面図である。
図4に示すように、磁性素子30は、少なくとも第1強磁性層31と第2強磁性層32とスペーサ層33とを有する。スペーサ層33は、第1強磁性層31と第2強磁性層32との間に位置し、第1強磁性層31と第2強磁性層32とに挟まれている。また、磁性素子30は、第2強磁性層32と第2電極20との間に位置する下地層34を有する。本明細書において、強磁性は、フェリ磁性を含む。
磁性素子30は、上述の層の他に、他の強磁性層、磁気結合層、垂直磁化誘起層、キャップ層、側壁絶縁層等を有してもよい。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the
As shown in FIG. 4, the
In addition to the above-mentioned layer, the
磁性素子30は、例えば、スペーサ層33が絶縁材料で構成されたMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子である。この場合、磁性素子30は、第1強磁性層31の磁化の状態と第2強磁性層32の磁化の状態との相対的な変化に応じて、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。例えば、磁性素子30は、第1強磁性層31の磁化の向きと第2強磁性層32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。また、例えば、磁性素子30は、第1強磁性層31の磁化の大きさの変化に応じて、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。磁性素子30の全体の厚さは、例えば15nm~40nmである。
The
第1強磁性層31は、外部から光が照射されると磁化の状態(例えば、磁化方向または磁化の大きさ)が変化する光検知層である。第1強磁性層31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状態(例えば、磁化の向きまたは磁化の大きさ)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、磁性素子30のz方向に流れる電流、或いは外部磁場である。
The first ferromagnetic layer 31 is a photodetection layer in which the state of magnetization (for example, the direction of magnetization or the magnitude of magnetization) changes when light is irradiated from the outside. The first ferromagnetic layer 31 is also called a magnetization free layer. The magnetization free layer is a layer containing a magnetic material whose magnetization state (for example, the direction of magnetization or the magnitude of magnetization) 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
第1強磁性層31は、強磁性体を含む。第1強磁性層31は、例えば、Co、Fe、Ni等の磁性元素を含む。第1強磁性層31は、磁性元素と共に、B、Mg、Hf、Gd等の非磁性元素を含んでもよい。また、第1強磁性層31は、例えば、磁性元素と非磁性元素とを含む合金でもよい。第1強磁性層31は、複数の層から構成されていてもよい。その場合、第1強磁性層31は、例えば、CoFeB合金、CoFeB合金層をFe層で挟んだ積層体、CoFeB合金層をCoFe層で挟んだ積層体である。 The first ferromagnetic layer 31 contains a ferromagnet. The first ferromagnetic layer 31 contains, for example, a magnetic element such as Co, Fe, and Ni. The first ferromagnetic layer 31 may contain non-magnetic elements such as B, Mg, Hf, and Gd together with the magnetic elements. Further, the first ferromagnetic layer 31 may be, for example, an alloy containing a magnetic element and a non-magnetic element. The first ferromagnetic layer 31 may be composed of a plurality of layers. In that case, the first ferromagnetic layer 31 is, for example, a CoFeB alloy, a laminate in which a CoFeB alloy layer is sandwiched between Fe layers, and a laminate in which a CoFeB alloy layer is sandwiched between CoFe layers.
第1強磁性層31は、膜面内方向(xy面内のいずれかの方向)に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、膜面直方向(z方向)に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。 The first ferromagnetic layer 31 is a perpendicular magnetization having an easy magnetization axis in the direct direction (z direction) of the film surface even if the in-plane magnetized film has an easy magnetization axis in the in-plane direction (any direction in the xy plane). It may be a membrane.
第1強磁性層31の膜厚は、例えば1nm以上5nm以下であり、好ましくは1nm以上2nm以下である。第1強磁性層31が垂直磁化膜の場合、第1強磁性層31の膜厚が薄いと、第1強磁性層31の垂直磁気異方性が高まる。第1強磁性層31の膜厚が2nmより厚い場合は、例えばMo,Wからなる挿入層を第1強磁性層31内に設けてもよい。すなわち、z方向に強磁性層、挿入層、強磁性層が順に積層された積層体を第1強磁性層31としてもよい。挿入層と強磁性層との界面における界面磁気異方性により第1強磁性層31全体の垂直磁気異方性が高まる。 The film thickness of the first ferromagnetic layer 31 is, for example, 1 nm or more and 5 nm or less, preferably 1 nm or more and 2 nm or less. When the first ferromagnetic layer 31 is a vertical magnetization film, if the thickness of the first ferromagnetic layer 31 is thin, the vertical magnetic anisotropy of the first ferromagnetic layer 31 increases. When the film thickness of the first ferromagnetic layer 31 is thicker than 2 nm, an insertion layer made of, for example, Mo and W may be provided in the first ferromagnetic layer 31. That is, the first ferromagnetic layer 31 may be a laminate in which the ferromagnetic layer, the insertion layer, and the ferromagnetic layer are laminated in order in the z direction. The interfacial magnetic anisotropy at the interface between the insertion layer and the ferromagnetic layer enhances the vertical magnetic anisotropy of the entire first ferromagnetic layer 31.
第2強磁性層32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状態(例えば、磁化の向きまたは磁化の大きさ)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32の保磁力は、例えば、第1強磁性層31の保磁力よりも大きい。第2強磁性層32は、第1強磁性層31と同じ方向に磁化容易軸を有する。第2強磁性層32は、面内磁化膜でも、垂直磁化膜でもよい。
The second
本実施形態では、第2強磁性層32は、内側強磁性層32A、非磁性層32B及び外側強磁性層32Cで構成されている。この場合、内側強磁性層32Aの磁化は、非磁性層32Bを介した外側強磁性層32Cとの磁気結合によって固定される。
In the present embodiment, the second
内側強磁性層32Aを構成する材料は、例えば、第1強磁性層31と同様である。内側強磁性層32Aは、例えば、0.4nm以上1.0nm以下の厚みのCo、0.1nm以上0.5nm以下の厚みのMo、0.3nm以下1.0nm以下の厚みのCoFeB合金、0.3nm以上1.0nm以下の厚みのFeが順に積層された積層体でもよい。
The material constituting the inner
外側強磁性層32Cは、例えば、内側強磁性層32Aと磁気結合する。磁気結合は、例えば、反強磁性結合であり、RKKY相互作用により生じる。外側強磁性層32Cを構成する材料は、例えば、第1強磁性層31と同様である。外側強磁性層32C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。
The outer
非磁性層32Bは、例えば、Ru、Ir等である。非磁性層32Bの膜厚は、例えば、RKKY相互作用によって内側強磁性層32Aと外側強磁性層32Cとが反強磁性結合する膜厚である。
The
スペーサ層33は、第1強磁性層31と第2強磁性層32との間に配置される非磁性層である。スペーサ層33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33の膜厚は、初期状態における第1強磁性層31の磁化と第2強磁性層32の磁化の配向方向に応じて調整できる。
The spacer layer 33 is a non-magnetic layer arranged between the first ferromagnetic layer 31 and the second
本実施形態では、スペーサ層33は絶縁体からなる。この場合、磁性素子30は、第1強磁性層31とスペーサ層33と第2強磁性層32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。但し、スペーサ層33が金属からなるものであってもよい。その場合、磁性素子30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。
In this embodiment, the spacer layer 33 is made of an insulator. In this case, the
スペーサ層33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31と第2強磁性層32との間に高いTMR(Tunnel Magnetoresistance)効果が発現するようにスペーサ層33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33の膜厚は、0.5nm以上10.0nm以下程度としてもよい。
When the spacer layer 33 is made of an insulating material, a material such as aluminum oxide, magnesium oxide, titanium oxide or silicon oxide can be used. A high magnetoresistive change rate can be obtained by adjusting the film thickness of the spacer layer 33 so that a high TMR (Tunnel Magnetoresisnce) effect is exhibited between the first ferromagnetic layer 31 and the second
スペーサ層33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33の膜厚は、0.5nm以上3.0nm以下程度としてもよい。 When the spacer layer 33 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 33 may be about 0.5 nm or more and 3.0 nm or less.
スペーサ層33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33の膜厚は1.0nm以上4.0nm以下程度としてもよい。 When the spacer layer 33 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 33 may be about 1.0 nm or more and 4.0 nm or less.
スペーサ層33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33の膜厚は、0.5nm以上2.0nm以上程度としてもよい。通電点は、例えば、直径が1nm以上5nm以下の柱状体である。
上述のように、磁性素子30は、スペーサ層33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。
When a layer including a current-carrying point composed of a conductor in a non-magnetic insulator is applied as the spacer layer 33, 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 33 may be about 0.5 nm or more and 2.0 nm or more. The energizing point is, for example, a columnar body having a diameter of 1 nm or more and 5 nm or less.
As described above, the
上記のように構成される光検知素子1は、各層の積層工程、熱処理工程、加工工程によって作製される。まず、第2電極20上に、下地層34、外側強磁性層32C、非磁性層32B、内側強磁性層32A、スペーサ層33、第1強磁性層31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。また、第1強磁性層31上にキャップ層を形成するなど、必要に応じて他の層を積層してもよい。
The
次いで、上記で得られた積層膜にアニールなどの熱処理を施す。アニール処理を施す場合、加熱温度は、例えば400℃以上である。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。 Next, the laminated film obtained above is subjected to a heat treatment such as annealing. When the annealing treatment is performed, the heating temperature is, for example, 400 ° C. or higher. 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.
次に、第1強磁性層31上或いは不図示のキャップ層上に、第1電極10Aを作製する。その後、レジスト及びエッチング等の公知の方法により、第1電極10Aの一部に開口部12Aを形成し、更に、スパッタリング等の公知の方法により、開口部12Aに透明導電性膜13Aを形成する。上記工程により、光検知素子1が得られる。
Next, the
透明導電性膜13Aに光が照射され、磁性素子30の第1強磁性層31に光が照射されると、第1強磁性層31の磁化の状態(例えば、磁化の向きまたは磁化の大きさ)が変化し、磁性素子30の抵抗値が変化する。光検知素子1は、透明導電性膜13Aを介して磁性素子30に照射される光線S1を、第1電極10Aと第2電極20との間の電圧の変化として出力する。
When the transparent
図5Aは、図1における第1電極10Aの構成を示す平面図であり、図5Bは、図5Aの第1電極10Aの変形例を示す平面図である。
5A is a plan view showing the configuration of the
図5Aに示すように、開口部12Aは、z方向からの平面視において、磁性素子30を包含するように設けられているのが好ましい。本実施形態では、z方向からの平面視において、開口部12Aは、y方向寸法がL1である円形形状を有しており、透明導電性膜13Aも同様に、y方向寸法がL1である円形形状を有している。また、磁性素子30は、開口部12Aのy方向寸法L1よりも小さいy方向寸法d1である円形形状を有するのが好ましい。磁性素子30は、開口部12Aのy方向寸法L1よりも小さいy方向寸法d1である正方形状を有していてもよい。これにより、磁性素子30全体に光線S1を伝達することができ、磁性素子30に光信号をより効率良く伝えることができる。
As shown in FIG. 5A, the
また、図5Bに示すように、開口部12Bは、z方向からの平面視において、磁性素子30を包含するように金属膜11Bに設けられているのが好ましい。そして、z方向からの平面視において、開口部12Bは、y方向長さがL2である正方形状を有していてもよく、透明導電性膜13Bも同様に、y方向長さがL2である正方形状を有していてもよい。この場合、磁性素子30は、開口部12Bのy方向寸法L2よりも小さいy方向寸法d2である円形形状を有する。磁性素子30は、開口部12Bのy方向寸法L2よりも小さいy方向寸法d2である正方形状を有していてもよい。
Further, as shown in FIG. 5B, it is preferable that the
ここで、本発明における開口部は、歪んだ円形であったり、長方形状や多角形状などの種々の形状を取り得る。本発明における「開口部の長さ」とは、平面視において、開口部の重心を通り、該開口部と重なる線分のうち、最も短い線分の長さを指す。
例えば、図6Aに示すように、開口部12Cは歪んだ略円形形状である。この場合、開口部12Cの長さL3は、平面視において、開口部12Cの重心P1を通り、開口部12Cと重なる線分のうち最も短い線分の長さとする。磁性素子30は、開口部12Cの長さL3よりも小さいy方向寸法d1である円形形状或いは正方形状を有することが好ましい。
Here, the opening in the present invention may have various shapes such as a distorted circular shape, a rectangular shape, and a polygonal shape. The "length of the opening" in the present invention refers to the length of the shortest line segment among the line segments that pass through the center of gravity of the opening and overlap the opening in a plan view.
For example, as shown in FIG. 6A, the
また、図6Bに示すように、開口部12Dは八角形状である。この場合、開口部12Dの長さL4は、開口部12Dの重心P2を通り、開口部12Dと重なる線分のうち最も短い線分の長さとする。磁性素子30は、開口部12Dの長さL4よりも小さいy方向寸法d2である円形形状或いは正方形状を有することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 6B, the
更に、本発明における上記開口部の長さは、上記透明導電性膜に照射される光の波長よりも小さいことが好ましい。
例えば、開口部12Cの長さL3は、光の波長λよりも小さいことが好ましい(d1<L3<λ)。同様に、開口部12Dの長さL4は、光の波長λよりも小さいことが好ましい(d2<L4<λ)。開口部の長さが光の波長λよりも小さいと、光が開口部に入射したときに開口部の金属膜表面から放射状の近接場光が発生し、この近接場光が開口部近傍の比較的狭い範囲に伝達される。よって、開口部12Cの長さL3或いは開口部12Dの長さL4を光の波長λよりも小さくすることにより、開口部12C或いは開口部12Dに設けられた透明導電性膜13Aに照射された光により近接場光が発生し、この近接場光が磁性素子30に照射される。このように近接場光を用いることで光強度を増大させることができ、磁性素子30に光信号をより効率良く伝えることができる。
Further, the length of the opening in the present invention is preferably smaller than the wavelength of the light applied to the transparent conductive film.
For example, the length L3 of the
図7は、図5Bの第1電極10Bの変形例を示す平面図である。
図7に示すように、第1電極10Eは、金属膜11Eと、金属膜11Eの一部に設けられた開口部12Eと、開口部12Eに配置された透明導電性膜13Eとを備えている。開口部12Eは、y方向(第1電極10Eの幅方向)に延在しており、z方向からの平面視で略長方形状を有している。開口部12Eは、y方向に延在する楕円形状、長丸形状等の他の形状を有していてもよい。
FIG. 7 is a plan view showing a modified example of the
As shown in FIG. 7, the
本変形例では、複数の磁性素子30-1,30-2,30-3がy方向に配列して設けられている。そして、開口部12Eが、z方向からの平面視において、複数の磁性素子30-1,30-2,30-3を包含するように設けられている。また、磁性素子30-1,30-2,30-3の各々が、開口部12Eのx方向寸法L5よりも小さいy方向寸法d5である円形形状或いは正方形状を有するのが好ましい。これにより、磁性素子30全体に光線S1を伝達することができ、磁性素子30に光信号をより効率良く伝えることができる。
In this modification, a plurality of magnetic elements 30-1, 30-2, and 30-3 are arranged in the y direction. The
また、開口部12Eの長さL5は、透明導電性膜13Eに照射される光の波長λよりも小さいことが好ましい(d5<L5<λ)。これにより、近接場光によって光強度を増大させることができ、磁性素子30に光信号をより効率良く伝えることができる。
Further, the length L5 of the
図8は、図1の光検知素子1を用いた通信システムの一例を示す図である。
図8に示すように、通信システム60は、第1端末装置61と第2端末装置62とを含む。第1端末装置61及び第2端末装置62は、特に制限されないが、例えばモバイル型端末装置である。モバイル型端末装置としては、スマートフォン、タブレット等を挙げることができる。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a communication system using the
As shown in FIG. 8, the
第1端末装置61及び第2端末装置62のそれぞれは、不図示の受信装置及び送信装置を有する。第1端末装置61の送信装置から送信された光信号を、第2端末装置62の受信部装置で受信する。第1端末装置61、第2端末装置62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には光検知素子が設けられており、この光検知素子として、上記光検知素子1を適用することができる。
Each of the first
図8の通信システムでは、第1端末装置61及び第2端末装置62がモバイル型端末装置であるが、これに限られず、2つの端末装置の一方又は双方が設置型端末装置であってもよい。また、2つの端末装置の一方又は双方がIoT通信等のノードとして機能してもよい。また、図8の通信システムではワイヤレスの一対一通信であるが、これに限られず、ワイヤレスの一対多通信であってもよい。
In the communication system of FIG. 8, the first
上述したように、本実施形態によれば、透明導電性膜13A(13B,13E)が、磁性素子30と電気的に接続され、z方向からの平面視において磁性素子30と重なるように、開口部12A(12B,12E)に透明導電性膜13A(13B,13E)を配置することにより、磁性素子30に光信号を効率的に伝えて電気信号を取り出すことができ、且つ第1電極10A(10B,10E)の低抵抗化を実現することができるため、磁性素子30からの電気信号を効率良く取り出すことができる。
As described above, according to the present embodiment, the transparent
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.
1 光検知素子
10a 長手方向端部
10A 第1電極
10B 第1電極
10E 第1電極
11A 金属膜
11B 金属膜
11E 金属膜
12A 開口部
12B 開口部
12C 開口部
12D 開口部
12E 開口部
13A 透明導電性膜
13B 透明導電性膜
13a 主面
13b 主面
13E 透明導電性膜
20 第2電極
20a 主面
30 磁性素子
30-1 磁性素子
30-2 磁性素子
30-3 磁性素子
30a z方向端面
30b z方向端面
31 第1強磁性層
32 第2強磁性層
32A 内側強磁性層
32B 非磁性層
32C 外側強磁性層
33 スペーサ層
34 下地層
40 光伝達部
40a 一端
40b 他端
41 第1回折格子部
41a 主面
41b 主面
41B 溝
42 第2回折格子部
42B 溝
43 導波路
43a 端部
43A 幅方向端面
43b 端部
51 定電流駆動回路
52 信号処理回路
60 通信システム
61 第1端末装置
62 第2端末装置
1
Claims (8)
前記金属膜の一部に設けられた開口部と、
前記開口部に配置された透明導電性膜と、
を有し、
前記透明導電性膜は、素子と電気的に接続され、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において前記素子と重なる、電極構造。 With a metal film
An opening provided in a part of the metal film and
The transparent conductive film arranged in the opening and
Have,
The transparent conductive film has an electrode structure that is electrically connected to the element and overlaps with the element in a plan view from the thickness direction of the transparent conductive film.
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、を有し、前記第1電極と前記第2電極との間に配置された磁性素子と、
を備え、
前記第1電極は、
金属膜と、
前記金属膜の一部に設けられた開口部と、
前記開口部に配置された透明導電性膜と、
を有し、
前記透明導電性膜は、前記磁性素子と電気的に接続され、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において前記磁性素子と重なり、
前記透明導電性膜に光が照射される、光検知素子。 The first and second electrodes and
It has a first ferromagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and a spacer layer sandwiched between the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, and has the first electrode and the second electrode. With the magnetic element placed between
Equipped with
The first electrode is
With a metal film
An opening provided in a part of the metal film and
The transparent conductive film arranged in the opening and
Have,
The transparent conductive film is electrically connected to the magnetic element and overlaps with the magnetic element in a plan view from the thickness direction of the transparent conductive film.
A photodetector that irradiates the transparent conductive film with light.
前記光伝達部は、
前記光伝達部の一端に設けられ、外部からの光が照射される第1回折格子部と、
前記光伝達部の他端に設けられ、前記第1回折格子部から伝達された光が出射される第2回折格子部と、
前記第1回折格子部と前記第2回折格子部との間に設けられた導波路と、
を有し、
前記光伝達部の平面視において、前記第1回折格子部の面積が前記第2回折格子部の面積よりも広い、請求項4~6のいずれか1項に記載の光検知素子。 Further, a light transmitting unit for irradiating the transparent conductive film with light is provided.
The light transmission unit is
A first diffraction grating portion provided at one end of the light transmission portion and irradiated with light from the outside, and a first diffraction grating portion.
A second diffraction grating section provided at the other end of the light transmission section and emitting light transmitted from the first diffraction grating section, and a second diffraction grating section.
A waveguide provided between the first diffraction grating portion and the second diffraction grating portion,
Have,
The light detection element according to any one of claims 4 to 6, wherein the area of the first diffraction grating portion is wider than the area of the second diffraction grating portion in the plan view of the light transmission unit.
前記開口部が、前記透明導電性膜の厚さ方向からの平面視において、前記複数の磁性素子を包含するように設けられている、請求項4~7のいずれか1項に記載の光検知素子。 A plurality of the magnetic elements are provided in an array.
The photodetection according to any one of claims 4 to 7, wherein the opening is provided so as to include the plurality of magnetic elements in a plan view from the thickness direction of the transparent conductive film. element.
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