JP4791945B2 - 磁気光学式空間光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、空間光変調素子に関し、特に、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子で構成する磁気光学素子を用いた磁気光学式空間光変調器に関する。

空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）は、２次元のアレイ状に配列された光学素子を用いて光の位相や振幅を空間的に変調するものであって、ホログラフィ等の画像露光装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。また、ＳＬＭを利用すれば、各光学素子の作用を反映する２次元の光情報を並列に処理することができるので、ＳＬＭを光情報処理技術等へ応用するための研究もなされている。

従来、代表的なＳＬＭとして、液晶パネルを用いた空間光変調器が知られている。液晶パネルは、２枚の透明な基板の間に油状で透明な液晶材料を備えている。透明な基板としては主にガラスが用いられることが多いが、プラスチックが用いられることもある。この透明な基板の内面には、液晶に電圧を印加する電極として透明電極が設けられている。透明電極として好ましい材料は、抵抗値が低く、かつ、所望の形状に加工することが容易な材料である。そのため、透明電極の材料としては、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が広く用いられている。

また、大量の情報を高速で処理できる磁気光学式空間光変調器（ＭＯＳＬＭ：Magneto-optic SLM)が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、磁性ガーネット膜を２次元アレイ状に局所熱処理した領域に形成された画素（ピクセル）を備えている。各画素は、磁気光学効果（ファラデー効果）によって入射光に対して磁化の方向に応じた偏光方向の回転を与える。また、このＭＯＳＬＭは、反射型であり、各画素の上には個別にＡｌ等の光反射膜が形成されている。この光反射膜は応力印加膜を兼ねており、光反射膜が付着していない部分（画素間）に応力を作用させる。また、光反射膜の上には、下から順にＸ駆動ライン、絶縁膜およびＹ駆動ラインが積層されている。Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインにパルス電流を印加することによって、各画素の磁化を反転させることができる。また、Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインは、平面視で各画素をそれぞれ３／４周するように、画素の内側に収まり且つ画素の外形に一致するように形成され、つづら折り状に隣り合う画素を繋ぐように設けられている。このように構成されたＸ駆動ラインおよびＹ駆動ラインも、応力印加膜としての機能を兼ねている。光反射膜の応力とＸ駆動ラインおよびＹ駆動ラインの応力とによって各画素間が磁気的に分離されて、画素単位の孤立したシングルドメイン構造（単磁区構造）が形成される。これにより、画素間距離を画素サイズ以下に狭めることが可能となっている。

また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、透過型であって、Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインの形状が、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭのものとは異なる空間光変調器である。各画素は、面に垂直方向に磁化するものであり、各画素間には、磁化方向が画素とは異なる向きに磁化しているパーマロイ等の磁性薄膜が形成されている。Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインの組は、各画素の４辺の周囲を取り囲んでおり、所定の組を選択して通電することで、選択された組に囲まれた画素において磁界を発生する。画素の４辺の周囲からの磁界の方向が揃った場合に、その合成磁界によって画素を磁気飽和させることができる。つまり、Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインの組を適宜選択することで所望の画素の磁化方向を制御することが可能となっている。このとき、磁性薄膜直下の磁性ガーネット膜部分の磁化方向が、磁性薄膜の磁化方向（画素とは異なる方向）に揃うので画素同士が磁気的に分離され、それによって画素単位のシングルドメイン構造が形成される。
特開２００５−７０１０１号公報（段落００１６〜００２５、図１、図５） 特開２００５−２２１８４１号公報（段落００１３〜００２５、図１、図６）

ＳＬＭにおいては、画素サイズ（画素ピッチ）を微細化すると共に、応答を高速化することが要望されている。しかしながら、液晶パネルを用いたＳＬＭでは、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難であると共に、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。

また、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、Ｘ駆動ラインおよびＹ駆動ラインを、画素の内側に収まり且つ画素の外形に一致するように形成した構造となっているので、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難である。
また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、平面視で画素の４辺の周囲を取り囲むＸ駆動ラインおよびＹ駆動ラインの組への通電による合成磁界を利用するために、画素を微細化すると隣接した画素へのクロストークが大きくなってしまうという問題がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、画素サイズを微細化すると共に、高速応答で光を変調できる磁気光学式空間光変調器を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の磁気光学式空間光変調器は、１画素に対して１以上設けられる磁気光学素子と、前記磁気光学素子を介して上下にそれぞれに配置されて、前記磁気光学素子にスピン注入する上部電極および下部電極と、を備え、上部側から前記画素に入射する光を変調する磁気光学式空間光変調器であって、前記磁気光学素子が、スピン注入されることにより磁化を反転させるＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成され、前記上部電極が、前記磁気光学素子に対向する領域に、当該磁気光学素子に前記光が入射するための光路となる穴を有する金属電極と、この金属電極に形成された穴を充填する透明電極とを備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器では、磁気光学素子への光路として上部電極に形成された穴に透明電極が配置されるので、この穴に金属電極が配置された場合と比較して、磁気光学素子において磁気光学的カー効果（magneto-optic Kerr effect）による磁化方向の回転が起こり易くなる。つまり、高速応答が可能となる。また、金属電極は、透明電極と比較して比抵抗が非常に小さいので、上部電極と下部電極とが対向する領域に配置された画素に電流が行き渡り易くなる。このような構成によれば、仮に、上部電極の全体が透明電極で形成された場合と比較すると、例えば、９桁ほど大きな電流密度の電流を流すことができるので、磁気光学素子に対してスピン注入することが可能となる。その結果、磁気光学式空間光変調器は、スピン注入によって磁気光学素子を磁化反転させる構造とすることによって、画素サイズが微細化されると共に、高速応答で光を変調することが可能となる。
また、かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器において、磁気光学素子としてＣＰＰ（Current Perpendicular to the Plane）−ＧＭＲ（Giant Magneto-Resistance）素子を用いた場合には、膜面に垂直に電流を流すことができるので、膜面内に電流を流すＣＩＰ（Current In Plane）−ＧＭＲ素子と比べて構造上、磁気光学式空間光変調器の微細化に適している。また、磁気光学素子としてＴＭＲ（Tunneling Magnetoresistive）素子を用いた場合には、ＣＩＰ−ＧＭＲ素子と比べて、磁気抵抗変化が数倍大きくなるので信頼性を高めることができる。

また、請求項２に記載の磁気光学式空間光変調器は、請求項１に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記透明電極が、前記穴の周縁上で、前記金属電極の上に積層されたオーバーラップ部を有することを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器では、オーバーラップ部が存在しない場合と比較して、透明電極と金属電極との接触面積が増加する。そのため、透明電極と金属電極との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、各行各列に、例えば、数百〜数千もの画素を並設する場合に、上部電極に設けられる各画素を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができる。

また、請求項３に記載の磁気光学式空間光変調器は、請求項１または請求項２に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記金属電極に形成された穴が、下底部が上底部よりも小さくなるような所定の傾きを側面に有していることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器では、金属電極に形成された穴の側面に傾きが無い場合と比較して、透明電極と金属電極との接触面積が増加する。そのため、透明電極と金属電極との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、各行各列に、例えば、数百〜数千もの画素を並設する場合に、上部電極に設けられる各画素を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができる。

また、請求項４に記載の磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記透明電極の下地に金属膜を備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器は、透明電極の下地に備えられた金属膜によって、透明電極と磁気光学素子との間の接触抵抗を低下させることができる。また、オーバーラップ部が存在する場合や、金属電極に形成された穴が、下底部が上底部よりも小さくなるような所定の傾きを側面に有している場合に、金属膜を下地として透明電極を配した場合には、透明電極と金属電極との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、各行各列に、例えば、数百〜数千もの画素を並設する場合に、上部電極に設けられる各画素を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができる。

また、請求項５に記載の磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記透明電極が、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）から構成されることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器では、透明電極がインジウム亜鉛酸化物から構成されるので、透明電極を、比抵抗４００μΩｃｍ程度の低抵抗のものとすることができる。また、インジウム亜鉛酸化物は、ＲＦスパッタ法等によって、低温で製膜することができるため、成膜プロセス中において磁気光学素子へのダメージを大幅に軽減できる。

また、請求項６に記載の磁気光学式空間光変調器は、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器において、前記上部電極を介して前記磁気光学素子に流れるパルス電流または直流電流の方向および大きさを制御して、前記磁気光学素子にスピン注入することによって、前記磁気光学素子の磁化を反転させる電流制御手段をさらに備えることを特徴とする。

かかる構成によれば、磁気光学式空間光変調器は、磁気光学素子へのスピン注入磁化反転を用いることで、磁気光学素子の状態変化に要する時間を短縮することができる。特に、磁気光学素子が、強磁性層／中間層（非磁性金属層）／強磁性層からなるＧＭＲ素子や、強磁性層／中間層（絶縁体層）／強磁性層からなるＴＭＲ素子の場合には、中間層の厚さがせいぜい６ｎｍ以下なので、スピン注入磁化反転に要する応答時間を数十ｎｓ〜数ｐｓ程度にまで短縮することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、磁気光学素子の上に透明電極を配し、その他の部分に、透明電極よりも比抵抗の小さい金属電極を配することによって、磁気光学素子にスピン注入できる。その結果、画素サイズを微細化すると共に、高速応答で光を変調できる。

請求項２または請求項３に記載の発明によれば、上部電極において透明電極と金属電極との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、上部電極に設けられる各画素を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができるので、信頼性が向上する。

請求項４に記載の発明によれば、透明電極と磁気光学素子との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、上部電極に設けられる各画素を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができるので、信頼性が向上する。

請求項５に記載の発明によれば、微細化や高速化の程度を高めると共に信頼性を高めることができる。
請求項６に記載の発明によれば、微細化の程度や信頼性を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の磁気光学式空間光変調器を実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）について詳細に説明する。

（第１実施形態）
［磁気光学式空間光変調器の構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を模式的に示す平面図であり、図２は、図１に示した画素の構成の一例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図をそれぞれ示している。磁気光学式空間光変調器１は、反射型であって、図１に示すように、下部電極２と上部電極３との交差した領域に形成される画素（ピクセル）４をマトリクス状に２次元配列したものである。ここでは、一例として５×５のマトリクス状に２次元配列した。

磁気光学式空間光変調器１は、磁気光学素子１０（図２参照）を介して上下にそれぞれ上部電極３および下部電極２を備えている。
複数（図１では５本）の下部電極２は帯状の金属電極であって、それぞれ平行に設けられている。下部電極２は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｃｒ等の金属や合金等からなる一般的な電極用金属材料から構成される。

複数（図１では５本）の帯状の上部電極３は、それぞれ平行に設けられており、下部電極２の上方に下部電極２と直交して配置されている。上部電極３は、磁気光学素子１０（図２参照）に対向する領域に、当該磁気光学素子１０への光路である穴３ｂ（図２参照）を有する金属電極３ａと、この金属電極３ａに形成された穴３ｂを充填する透明電極５とを備えている。以下では、穴３ｂに充填された透明電極を窓５と呼ぶ場合もある。

窓５は、下部電極２の上に配された磁気光学素子１０（図２参照）を覆うように配設されており、窓５を介して入射した光は磁気光学素子１０に効率よく到達できる。つまり、画素４は、下部電極２と上部電極３とが対向して交差する領域にある磁気光学素子１０と、その直上の窓５とから構成されている。窓５を構成する透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide；ＩＺＯ）、酸化インジウム錫（Indium Ti Oxide；ＩＴＯ）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン−酸化錫系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）およびＩｎ₂Ｏ₃等が挙げられる。特に、比抵抗と成膜の容易さの観点からインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）が最も好ましい。
また、互いに隣り合った上部電極３と上部電極３との隙間には、例えば、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等から成る絶縁部材６が配設されている。また、下部電極２と上部電極３との隙間や、互いに隣り合った下部電極２と下部電極２との隙間にも絶縁部材６が堆積されている。

本実施形態では、磁気光学式空間光変調器１は、図１に示すように、さらに、下部電極選択部１０１と、上部電極選択部１０２と、電流源１０３と、電流制御手段１０４とを備える構成としたが、これらの構成は、磁気光学式空間光変調器１と別の構成としてもよい。

下部電極選択部１０１は、マトリクス状に配置された複数（図では２５個）の画素４の中から図１において縦方向に配置した画素４を選択し、上部電極選択部１０２は、横方向に配置した画素４を選択する。これら下部電極選択部１０１および上部電極選択部１０２の組合せによって、１個の画素４が特定されることとなる。
電流源１０３は、画素４にパルス電流を供給するものである。なお、直流電流を供給するように構成してもよい。
電流制御手段１０４は、下部電極選択部１０１、上部電極選択部１０２および電流源１０３を制御するものである。この電流制御手段１０４は、各画素４に流れる電流の方向および大きさを制御して、各画素４にスピン注入することによって、窓５の下に配設された磁気光学素子１０（図２参照）の磁化を反転させる。

［磁気光学素子の構成］
次に、図２を参照して、図１に示した画素４を構成する磁気光学素子１０について説明する。なお、図２では、１画素の領域を示しているが磁気光学式空間光変調器１は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有している。磁気光学素子１０は、例えば、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成され、図２（ａ）に示すように、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形に構成されている。磁気光学素子１０は、窓５の下方内側に設けられており、磁気光学素子１０の形状および面積は、窓５の形状および面積と同一であって図上で重なっている。ただし、必ずしもこのように形成する必要は無く、窓５の広さは適宜設計変更できる。例えば、窓５を磁気光学素子１０よりも狭く形成してもよいし、２つ以上の画素に対応する複数の磁気光学素子１０を含むように広く形成してもよい。なお、窓５の広さは１画素に対応する１以上の磁気光学素子１０を含む広さ以上で形成されることが好ましい。

また、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、下部電極２の上には、磁気光学素子１０として、磁化固定層１１、非磁性中間層１２、磁化反転層１３および保護層１４が積層されている。この下部電極２の上へ各層を積層する方法は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法やスパッタリング法を用いることができる。なお、下部電極２は、基板７上に金属材料を蒸着法、スパッタリング法等により積層した後、フォトリソグラフィ法等によって、金属層を所望の形状にパターニングすることで作製される。基板７は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等から成る。

磁化固定層１１は、磁化方向が固定された層であり、例えば、ホイスラー合金等の導電性のある強磁性体から構成される。この磁化固定層１１は、ＩｒＭｎ等のスピン固着層と組み合わせた２〜３層構造の構成としてもよい。

非磁性中間層１２は、磁化固定層１１と磁化反転層１３とに挟まれた中間に位置する非磁性層である。磁気光学素子１０がＣＰＰ−ＧＭＲ素子から構成される場合には、非磁性中間層１２は、非磁性金属から構成される。非磁性金属としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、またはそれらの合金が好ましい。このうちＣｕは、電気抵抗が小さくスピン拡散長（スピンの偏極状態を保持して輸送できる距離）も長いので特に好ましい。この非磁性中間層１２の厚さは、スピンの偏極状態を保持できる程度の厚さ（６ｎｍ以下）である。
また、磁気光学素子１０がＴＭＲ素子から構成される場合には、非磁性中間層１２は、例えば、酸化物Ａｌ₂Ｏ₃薄膜やＭｇＯ薄膜等の絶縁体から構成される。この非磁性中間層１２の厚さは、スピン偏極電子がトンネルリング（tunneling）できる程度の厚さ（数ｎｍ以下）である。

磁化反転層１３は、磁化方向が予め磁化固定層１１の磁化方向と平行な方向に揃えられた層である。この磁化反転層１３の磁化方向は、固定されておらず、スピン注入により容易に回転（反転）することができる。この磁化反転層１３は、磁気光学的カー効果が生じ、偏極率が比較的高い強磁性体から構成される。ここで、偏極率が低いほど磁化反転に必要な電流の値が大きくなるので偏極率は５０％以上であることが好ましい。なお、本実施形態は、反射型なので、磁化反転層１３は、光に対する透明性が高い材料で構成されることが好ましく、前記した磁化固定層１１および非磁性中間層１２は、入射光に対する反射率の大きい材料で構成されることが好ましい。
保護層１４は、微細加工プロセス中に磁化反転層１３が受けるダメージを保護する層であり、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層から構成される。なお、Ｃｕ／Ｔａの２層またはＣｕ／Ｒｕの２層から構成される場合には、ＴａまたはＲｕを外側（上面）とする。

磁気光学素子１０を製造する方法は、以下の通りである。すなわち、下部電極２の上に、前記した磁化固定層１１、非磁性中間層１２、磁化反転層１３および保護層１４の４層構造を積層した後に、フォトリソグラフィ法等によって、４層を所望の形状にパターニングして、磁気光学素子１０を形成する。また、各画素４を製造する方法は、以下の通りである。なお、磁気光学式空間光変調器１では、各画素４の領域が一度に製造される。
まず、磁気光学素子１０と隣接する磁気光学素子１０との間の空間を、例えば、ＳｉＯ₂等の絶縁部材６で封止して、ＤＣスパッタ法により上部電極３の金属電極３ａを積層した後に、フォトリソグラフィ法等によって、積層した金属電極３ａを所望の形状にパターニングして、金属電極３ａに所定数（図１では５個）の穴３ｂを形成する。そして、ＲＦスパッタ法により各穴３ｂに透明電極材料を積層して窓５とすることで各画素４を形成する。なお、磁気光学素子１０と上下の電極とを含めてＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を構成するようにしてもよい。すなわち、下部電極２と、磁化固定層１１と、非磁性中間層１２と、磁化反転層１３と、保護層１４と、上部電極３とから、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子を構成するようにしてもよい。

一例として、窓５を構成する透明電極材料にＩＺＯを用いて、ＲＦスパッタ法により形成した場合には、窓５（ＩＺＯ電極）の比抵抗は４００μΩｃｍ程度となる。
また、下部電極２および金属電極３ａの電極材料としてＣｕを用いて、ＤＣスパッタ法により形成した場合には、下部電極２および金属電極３ａ（Ｃｕ電極）の比抵抗は２μΩｃｍ程度となる。つまり、窓５の比抵抗は、金属電極３ａの比抵抗の約２００倍となる。

本実施形態の磁気光学式空間光変調器１において、１つの画素４は、１つの磁気光学素子１０を備えるものに限定されるものではなく、図３に示すように、複数の磁気光学素子を備えるようにしてもよい。図３は、図１に示した画素の構成の他の例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。図３（ａ）に示すように、画素４Ａは、窓５の下方内側に、一例として、４個の磁気光学素子１０Ａを所定の間隔を空けて２×２のマトリクス状に２次元配列したものである。これらの磁気光学素子１０Ａは、サイズが小さいことを除いて、図２に示した磁気光学素子１０と同様に構成されているので、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、図３（ｂ）に示すように、互いに隣り合う磁気光学素子１０Ａと磁気光学素子１０Ａとの間は、絶縁部材６によって封止されている。なお、磁気光学素子１０Ａの個数は、縦横の個数が等しければその個数は任意である。

［磁気光学式空間光変調器の動作］
次に、本実施形態の磁気光学式空間光変調器１の動作について、図４を参照して説明する。ここでは、説明を簡単にするために、磁気光学式空間光変調器１は、１つの画素４に１つの磁気光学素子１０を有し、また、１つの画素４のみを備えているものとして説明する。図４は、図２に示した画素の動作を模式的に示す説明図であって、（ａ）は初期状態、（ｂ）は反転状態をそれぞれ示している。ただし、図４では、磁気光学式光変調器１の動作の概念を分かり易く示すことを主眼としているため、磁気光学素子１０の保護層を図示していない。

前提として、磁気光学素子１０の磁化固定層１１は、磁化方向が所定方向（図では模式的に左方向の矢印で示す）に固定されている。また、磁化反転層１３は、初期状態では、図４（ａ）に示すように、磁化方向が磁化固定層１１における向きと反対方向（図では模式的に右方向の矢印で示す）に予め揃えられている。

レーザ光源１０５から照射された光は、様々な偏光成分を含んでいるが、偏光フィルタ１０６ａによって、ある方向の偏光成分だけを含むようにフィルタリングされる。このフィルタリングされた光は、上部電極３の開口部に設けられた窓５を介して磁気光学素子１０に入射し、この磁気光学素子１０によって所定方向に反射される。なお、この所定方向には、スクリーン１０７が配置される。

図４（ａ）に示す初期状態では、例えば、電流源１０３は電流を流していない。あるいは、電流源１０３は、電流を下部電極２から上部電極３（金属電極３ａおよび透明電極５）に向かう方向に流している。この初期状態では、反射光は、磁化反転層１３の磁化方向（図では模式的に右方向の矢印で示す）に従って偏光面を変えることがない。つまり、反射光は入射光と同じ偏光成分を有しており、偏光フィルタ１０６ｂ（偏光フィルタ１０６ａと同特性）を透過して、スクリーン１０７に到達して表示される。その結果、スクリーン１０７には、明るい映像が表示されることとなる。

一方、図４（ｂ）に示す反転状態では、例えば、電流源１０３は電流を流している。あるいは、電流源１０３は、電流を上部電極３（金属電極３ａおよび透明電極５）から下部電極２に向かう方向に流している。この電流によって、磁化固定層１１から非磁性中間層１２を介して磁化反転層１３へ電子がスピンを保ったまま注入されるため、磁化反転層１３の磁化方向は、磁化固定層１１と同じ向き（図では模式的に左方向の矢印で示す）となるように回転（反転）する。この反転状態では、反射光は、磁化反転層１３の磁化方向（図では模式的に左方向の矢印で示す）に従って磁気光学的カー効果により偏光面が回転する。つまり、反射光は入射光とは異なる偏光成分を有し、偏光フィルタ１０６ｂを透過しないので、スクリーン１０７に到達できない。その結果、スクリーン１０７は暗くなることとなる。

電流制御手段１０４は、このように磁気光学素子１０に流す電流の大きさや向きを変化させることで、スピン注入を行い、磁化反転層１３の磁化方向の向きや大きさを制御することができる。そして、磁気光学素子１０の光磁気カー効果によって、初期状態と反転状態（スピン注入磁化反転状態）とにそれぞれ、光の明暗の２状態を割り当てることが可能である。なお、初期状態を暗状態に割り当てると共に、反転状態に明状態を割り当てるようにしてもよい。

本実施形態によれば、磁気光学式空間光変調器１において、穴３ｂを有する金属電極３ａが、窓（透明電極）５と比較して比抵抗が非常に小さいので、上部電極３と下部電極２とが対向して交差する領域にある画素４に電流が行き渡り易くなる。したがって、磁気光学素子１０に対してスピン注入することが可能となる電流密度を有した電流を上部電極３に流すことができる。そのため、磁気光学式空間光変調器１を、スピン注入によって磁気光学素子１０を磁化反転させる構造としたので、公知の微細加工技術によって、サブミクロンの画素サイズを実現することが可能であると共に、高速応答で光を変調することができる。しかも、上部電極３の穴３ｂに配設された窓５が磁気光学素子１０への光路となっているので、磁気光学素子１０に対する透明性が確保されて磁気光学的カー効果による磁化方向の回転が起こり易くなる。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第１実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素４と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。なお、第２実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素２４は、１つの画素に１つの磁気光学素子１０を有するものである。

図５に示すように、画素２４は、上部電極３の穴３ｂに、窓（透明電極）２５が設けられている。この透明電極５は、穴３ｂの周縁上で、金属電極３ａの上に積層されたオーバーラップ部２５ａを有している。このような構造にすることにより、オーバーラップ部２５ａが存在しない場合と比較して、透明電極５と金属電極３ａとの接触面積が増加する。そのため、透明電極５と金属電極３ａとの間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、上部電極３に対してより大きな電流密度の電流を流すことができるので、磁気光学素子１０にスピン注入し易くなる。ここで、平面視でオーバーラップ部２５ａの面積が大きいほど、接触抵抗を低下させる効果が高いので、上部電極３において、画素２４のオーバーラップ部２５ａは、当該画素２４の両隣に配置される画素の上のオーバーラップ部と接続されることが好ましい。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第１実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素４と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。なお、第３実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素３４は、１つの画素に１つの磁気光学素子１０を有するものである。

図６に示すように、画素３４は、上部電極３の穴に、窓（透明電極）３５が設けられている。上部電極３の穴は、下底部が上底部よりも小さくなるような所定の傾きを側面に有している。このため、透明電極３５は、穴のスロープ３ｃ上で金属電極３ａにオーバーラップする。このような構造にすることにより、金属電極３ａの穴の側面に傾きが無い場合と比較して、透明電極３５と金属電極３ａとの接触面積が増加する。そのため、透明電極３５と金属電極３ａとの間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、上部電極３に対してより大きな電流密度の電流を流すことができるので、磁気光学素子１０にスピン注入し易くなる。ここで、金属電極３ａの穴は、側面に所定の傾きを有したすり鉢状に形成されるが、このすり鉢の底面の形状は、任意であり、正方形でも円形でもよい。すり鉢の底面が正方形の場合には、すり鉢の斜面は正四角錐の斜面と同様のものとなり、すり鉢の底面が円形の場合には、すり鉢の斜面は円錐の斜面と同様のもとなる。なお、窓３５の面積や窓の幅と言う場合には、磁気光学素子１０側の下底部（底面）の面積や幅を指すものとする。

（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第２実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素２４と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。なお、第４実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素４４は、１つの画素に１つの磁気光学素子１０を有するものである。

図７に示すように、画素４４は、上部電極３の穴に、窓（透明電極）４５が設けられており、この透明電極４５の下地として、金属膜から成る下地層４６が積層されている。このような構造にすることにより、下地層４６によって、透明電極４５と磁気光学素子１０との間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素４４に均一な電流または電圧を提供することができる。その結果、各画素４４における抵抗を、画素間のばらつきが少ないものとすることができる。なお、図２に示した画素４において、窓（透明電極）５の下地として、金属膜から成る下地層４６を積層するようにしてもよい。

また、図７に示した画素４４は、穴の周縁上で、金属電極３ａの上に下地層４６を介して積層されたオーバーラップ部４５ａを有している。このような構造にすることにより、透明電極４５と金属電極３ａとの間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素４４に均一な電流または電圧を提供し易くなる。その結果、上部電極３に設けられる各画素４４（図７では１個だけを示す）を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができる。

ここで、下地層４６を形成する金属元素は、例えば、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ、または、それらのうち２種以上を含む合金等を用いることができる。また、下地層４６の厚さを１ｎｍ未満とした場合には、連続した金属膜にならず、下地層４６の厚さを１０ｎｍより大きくした場合には、窓４５を透過する光の透過率が悪くなり、磁気光学的カー効果も減少し、空間光変調器としてのＳＮ比が劣化することとなる。そのため、下地層４６の厚さは、１〜１０ｎｍであることが好ましい。

（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第３実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素３４と同一の構成には同一の番号を付して説明を省略する。なお、第５実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素５４は、１つの画素に１つの磁気光学素子１０を有するものである。

図８に示すように、画素５４は、上部電極３の穴に、窓（透明電極）５５が設けられており、この透明電極５５の下地として、金属膜から成る下地層５６が積層されている。下地層５６は、磁気光学素子１０の上に積層されており、図７に示した下地層４６と同様な材料および厚みを有している。このような構造にすることにより、透明電極５５と磁気光学素子１０との間の接触抵抗を低下させることができる。
また、画素５４は、穴の側面のスロープ３ｃの上に下地層５６が積層されている。このような構造にすることにより、透明電極５５と金属電極３ａとの間の接触抵抗を低下させることができる。したがって、マトリクス状に２次元配列される各画素５４に均一な電流または電圧を提供し易くなる。その結果、上部電極３に設けられる各画素５４（図８では１個だけを示す）を駆動するときの電極抵抗のそれぞれの抵抗値のばらつきを少なくすることができる。

（第６実施形態）
図９は、本発明の第６実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第６実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素２４Ａは、１つの画素に４個（断面図では、４個のうちの２個を表示している）の磁気光学素子１０Ａを有する以外は、第２実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素２４と同一なので、説明を省略する。なお、図９に示した構成に対して、第４実施形態で説明した下地層４６（図７参照）をさらに追加するようにしてもよい。この場合には、製造の手間を省力化するために、下地層４６を、磁気光学素子１０Ａの直上のみではなく、窓２５の下底部（底面）全体に積層することが好ましい。

（第７実施形態）
図１０は、本発明の第７実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。第７実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素３４Ａは、１つの画素に４個（断面図では、４個のうちの２個を表示している）の磁気光学素子１０Ａを有する以外は、第３実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素３４と同一なので、説明を省略する。なお、図１０に示した構成に対して、第５実施形態で説明した下地層５６（図８参照）をさらに追加するようにしてもよい。この場合には、製造の手間を省力化するために、下地層５６を、磁気光学素子１０Ａの直上のみではなく、窓３５の下底部（底面）全体に積層することが好ましい。

以上、各実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、磁気光学式空間光変調器は、画素中の磁気光学素子１０（１０Ａ）は、電流の流れる方向に垂直な面の形状が方形であるものとしたが、これに限定されるものではない。例えば、平面形状が多角形、円、楕円である磁気光学素子を備えるようにしてもよい。

本発明の効果を確認するために第１実施形態に係る磁気光学式空間光変調器において、計算機を用いたシミュレーションによって、上部電極３の穴３ｂに設けられた窓５の幅と電極抵抗との関係を求めた（実施例１）。図１１は、図２に示した磁気光学式空間光変調器の一例であって、（ａ）は画素中の窓幅の割合を示す説明図、（ｂ）は画素数を５００×５００とした場合の平面図をそれぞれ示している。

実施例１の磁気光学式空間光変調器は、図１１（ａ）に示すように、平面視で正方形の画素４と窓（透明電極）５とを備え、これら画素４と窓５とは、それぞれの中心が一致している。また、画素４の１辺を１μｍ、窓５の１辺をｗμｍ（ｗ＜１）とした。また、実施例１の磁気光学式空間光変調器は、図１１（ｂ）に示すように、下部電極２および上部電極３をそれぞれ５００本、すなわち、縦横５００×５００の画素４を備えることとした。そして、１つの上部電極３において、金属電極３ａの穴３ｂに設けられた５００個の窓５には、それぞれ図１１（ｂ）中で左から識別番号ｋ（ｋ＝１〜５００）を付与した。上部電極３に電流を流す（左右方向に電流を流す）場合、この５００個の画素４のうち、両端の画素４からの距離が最長となる位置は、ｋ＝２５０の位置（またはｋ＝２５１の位置）であり、この位置において、駆動電圧が最も高くなることになる。そこで、実施例１では、ｋ＝２５０の位置での駆動電圧を想定する。

図１２は、図１１（ｂ）に示した磁気光学式空間光変調器を構成するｋ＝２５０に位置する画素を駆動するときの電気特性を示すグラフであって、（ａ）は窓幅と電極抵抗との関係、（ｂ）は窓幅と駆動電圧との関係をそれぞれ示している。
実施例１では、下部電極２および金属電極３ａを厚さ７００μｍのＣｕ層（比抵抗＝２μΩｃｍ）で形成し、窓５を厚さ７００μｍのＩＺＯ層（比抵抗＝４００μΩｃｍ）で形成した（図中、黒丸；Ｃｕ−ＩＺＯ複合窓電極）。
また、比較例１として、穴が存在しない（窓が存在しない）上部電極を厚さ７００μｍのＣｕ層で形成した（図中、幅広の破線；Ｃｕ単一電極）。
また、比較例２として、穴が存在しない（窓が存在しない）上部電極を厚さ７００μｍのＩＺＯ層で形成した（図中、一点鎖線；ＩＺＯ単一電極）。

図１２（ａ）に示すグラフと、図１２（ｂ）に示すグラフとは同形状である。その理由は、図１２（ａ）に示す電極抵抗は、図１２（ｂ）に示す駆動電圧と、電流密度の所定値（１×１０⁷Ａ／ｃｍ²）とから求められる関係だからである。
図１２（ｂ）に示すように、比較例１（図中、幅広の破線；Ｃｕ単一電極）では、駆動電圧は１Ｖ未満となって充分に小さい。また、比較例２（図中、一点鎖線；ＩＺＯ単一電極）では、駆動電圧は１６８Ｖとなって、駆動不可能となってしまう。
一方、実施例１（図中、黒丸印；Ｃｕ−ＩＺＯ複合窓電極）では、窓幅ｗを増加させるにつれて、駆動電圧が指数関数的に増加する。具体的には、上部電極３の電極幅の９０％以下の幅を有した窓５を形成した場合には（窓幅ｗ＝０．９μｍ）、駆動電圧は４．６Ｖ以下となって、高速駆動が可能となる。

また、本発明の効果を確認するために第４実施形態に係る磁気光学式空間光変調器において、透明電極の下地に金属膜の下地層を形成した場合の電極抵抗を測定した（実施例２、実施例３）。図１３は、透明電極の下地に金属膜を備えるときの画素位置の違いによる電極抵抗のばらつきの程度を示すグラフである。

本実施例（実施例２、実施例３）では、下地金属膜の効果を調査する実験であるため、作製しやすい素子サイズ（平面視２０×２０μｍ²）とし、窓５の大きさも素子サイズと同様とした。この素子において、窓５を形成した上部電極３の金属電極３ａと下部電極２との間に電流を流し、上部電極３と下部電極２との間の抵抗を４探針測定法により検出した。実施例２および実施例３の磁気光学式空間光変調器は、図１１を参照して説明した実施例１と同様な想定をしている。ただし、実施例２では、窓（透明電極）５を形成する前に、下地層４６（図７参照）として、展性・延性に優れたＡｕ（金）を厚さ３ｎｍの層で堆積した（図中、Ａｕ／ＩＺＯ）。また、実施例３では、窓（透明電極）５を形成する前に、下地層４６（図７参照）として、Ｒｕ（ルテニウム）を厚さ３ｎｍの層を堆積した（図中、Ｒｕ／ＩＺＯ）。また、下地層４６（図７参照）を設けることなく窓（透明電極）５を形成したものを比較例として図示した（図中、ＩＺＯ）。なお、窓幅はそれぞれ０．７μｍとした。

図１３に示すように、下地層４６（図７参照）を設けることなく窓（透明電極）５を形成したもの（図中、ＩＺＯ）では、電極抵抗は、画素位置によって、約２〜２０Ωのバラツキがあり、その平均値は約１０Ωであった。これは、ＩＺＯを磁気光学素子１０の上に直接堆積すると、ＩＺＯと磁気光学素子１０との間の界面において不均一な接続となるためであると考えられる。

一方、図１３に示すように、実施例２（図中、Ａｕ／ＩＺＯ）では、電極抵抗は、画素位置によって、約１．４〜１．８Ωのバラツキがあり、その平均値は約１．６Ωであった。つまり、下地層４６（図７参照）を設けない場合と比較して、電極抵抗が全体的に低下し、かつ、電極抵抗の値のバラツキが大きく低減された。

さらに、実施例３（図中、Ｒｕ／ＩＺＯ）では、図１３に示すように、電極抵抗の画素位置によるバラツキは０．１Ωよりも小さくなっている。なお、その平均値は約２．２Ωであった。つまり、下地層４６を設けない場合と比較して、電極抵抗が全体的に低下したが、その下げ幅が実施例２（図中、Ａｕ／ＩＺＯ）よりも僅かに小さかった。また、電極抵抗の値のバラツキは、実施例２（図中、Ａｕ／ＩＺＯ）よりもさらに低減される結果となった。

なお、実施例２で用いたＡｕの代わりに、展性・延性に優れ、かつ、安定度が高いＴａ（タンタル）を用いた場合や、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａのうちの２種以上を含む合金でも実施例２や実施例３と同様な結果が得られると考えられる。

本発明は、ホログラフィ等の画像露光装置、ディスプレイ技術や記録技術、光コンピューティングに関連した技術分野に好適に適用されうる。

本発明の第１実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を模式的に示す平面図である。 図１に示した画素の構成の一例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図をそれぞれ示している。 図１に示した画素の構成の他の例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図をそれぞれ示している。 図２に示した画素の動作を模式的に示す説明図であって、（ａ）は初期状態、（ｂ）は反転状態をそれぞれ示している。 本発明の第２実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 本発明の第６実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 本発明の第７実施形態に係る磁気光学式空間光変調器を構成する画素の一例を示す断面図である。 図２に示した磁気光学式空間光変調器の一例であって、（ａ）は画素中の窓幅の割合を示す説明図、（ｂ）は画素数を５００×５００とした場合の平面図をそれぞれ示している。 図１１（ｂ）に示した磁気光学式空間光変調器を構成するｋ＝２５０に位置する画素を駆動するときの電気特性を示すグラフであって、（ａ）は窓幅と電極抵抗との関係、（ｂ）は窓幅と駆動電圧との関係をそれぞれ示している。 透明電極の下地に金属膜を備えるときの画素位置の違いによる電極抵抗のばらつきの程度を示すグラフである。

符号の説明

１ 磁気光学式空間光変調器
２ 下部電極
３ 上部電極
３ａ 金属電極
３ｂ 穴
３ｃ スロープ
４（４Ａ），２４（２４Ａ），３４（３４Ａ），４４，５４ 画素
５，２５，３５，４５，５５ 窓（透明電極）
６ 絶縁部材
１０（１０Ａ） 磁気光学素子
１１ 磁化固定層
１２ 非磁性中間層
１３ 磁化反転層
１４ 保護層
２５ａ（４５ａ） オーバーラップ部
４６，５６ 下地層
１０１ 下部電極選択部
１０２ 上部電極選択部
１０３ 電流源
１０４ 電流制御手段
１０５ レーザ光源
１０６ａ，１０６ｂ 偏光フィルタ
１０７ スクリーン

Claims (6)

1. １画素に対して１以上設けられる磁気光学素子と、
   前記磁気光学素子を介して上下にそれぞれに配置されて、前記磁気光学素子にスピン注入する上部電極および下部電極と、
   を備え、上部側から前記画素に入射する光を変調する磁気光学式空間光変調器であって、
   前記磁気光学素子は、スピン注入されることにより磁化を反転させるＣＰＰ−ＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子から構成され、
   前記上部電極は、
   前記磁気光学素子に対向する領域に、当該磁気光学素子に前記光が入射するための光路となる穴を有する金属電極と、
   この金属電極に形成された穴を充填する透明電極とを備えることを特徴とする磁気光学式空間光変調器。
2. 前記透明電極は、前記穴の周縁上で、前記金属電極の上に積層されたオーバーラップ部を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気光学式空間光変調器。
3. 前記金属電極に形成された穴は、下底部が上底部よりも小さくなるような所定の傾きを側面に有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気光学式空間光変調器。
4. 前記透明電極の下地に金属膜を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
5. 前記透明電極は、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）から構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。
6. 前記上部電極を介して前記磁気光学素子に流れるパルス電流または直流電流の方向および大きさを制御して、前記磁気光学素子にスピン注入することによって、前記磁気光学素子の磁化を反転させる電流制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の磁気光学式空間光変調器。

Images