JP4939477B2 - 多素子空間光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を透過あるいは反射させた際に、磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調する多素子空間光変調器に関する。

空間光変調器は、画素として光学素子（光変調素子）を用い、これを２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、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。空間光変調器として、従来より液晶が用いられているが、近年では、高速処理および画素の微細化の可能な磁気光学材料が用いられ、その磁気光学効果により変調する磁気光学式の空間光変調器が開発されている。特にスピン注入磁化反転素子を適用された画素によれば、数μｍ以下からさらに可視光波長サイズ（青色：４００ｎｍ）の高精細と、論理的に数ｐｓ程度となる高速応答とを同時に可能とする空間光変調器となる（特許文献１）。

磁気光学式の空間光変調器においては、選択された画素（光変調素子）の磁化方向とそれ以外の画素の磁化方向の違いにより、選択された画素を透過（または反射）した光とそれ以外の画素を透過（または反射）した光で、その光の回転角（旋光角）に差が生じるファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。このような旋光角の差をディスプレイ技術等に利用するためには、例えば、入射された偏光に対して選択されていない画素における旋光角だけ旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタを、２次元アレイ状に配列された画素の出射側に配する。偏光フィルタにより、選択された画素からの出射偏光は遮られて黒く、それ以外の画素からの出射偏光は透過して白く表示されて、白／黒（明／暗）を画素毎に切り分けることができる（後記図３参照）。

空間光変調器には、このような白／黒の２階調に限られず両者の中間も表示する階調表示の機能も求められている。しかしながら、前記の磁気光学式の空間光変調器における光変調素子は、明／暗の２パターンの切り換えのみを行うものである。したがって、このような光変調素子を用いる場合は、複数の光変調素子を一画素として構成してそれぞれの光変調素子の明／暗を個別に切り換えることで、一画素における階調表示が可能となる。しかし、このような構成においては、光変調素子毎に別々に電流を供給する電極（配線）が必要となるため、階調を増やすほど配線の数が多く必要となり微細化には適さない。

そこで、本発明者らによって、一対の電極を接続した画素に、平面視形状の面積が等しく縦横比が異なるスピン注入磁化反転素子を複数備える空間光変調器が開示されている（特許文献１）。これは、スピン注入磁化反転素子の平面視形状の縦横比によって磁化反転に必要な電流の大きさが異なることを利用したもので、画素に供給する電流の大きさによって、画素内の磁化反転するスピン注入磁化反転素子の個数が異なるため、階調表示が可能となる。
特開２００８−６４８２５号公報（段落００４７〜００４９、図７）

しかしながら、特許文献１に開示された空間光変調器の画素の構成には、さらに改良する余地がある。すなわち、画素面積を有効に利用するために、開口率が高くなるようなスピン注入磁化反転素子の平面視形状および配置を容易に設計できる構成が望まれている。また、画素内の素子同士の間隔が短いと、それぞれの素子の磁気が互いに影響し合って一部の素子のみの磁化反転が起こり難くなる。そのため、間隔を十分に空ける必要があり、やはり開口率が低くなるのでさらなる改良が望まれている。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、高精細および高速応答の可能なスピン注入磁化反転素子を画素に適用すると共に、画素の開口率を向上させ、階調表示の可能な磁気光学式の空間光変調器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明者らは鋭意研究した結果、間隔を短く空けて配置されたスピン注入磁化反転素子同士で磁気が互いに影響し合う現象を利用することで、さらなる改良を行うことを見出した。すなわち、請求項１に係る多素子空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段と、を備える多素子空間光変調器であって、前記画素は、互いに隣り合う間隔が１μｍ未満となるように配置された複数の同一形状のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を並列に接続して共通の電流を供給する一対の電極と、を備えるものである。そして、前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると磁化反転層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を変化させて出射するものであり、前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化反転層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態と、を示すことを特徴とする。

かかる構成により、多素子空間光変調器は、画素が複数の同一形状の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）を１μｍ未満の狭い間隔で配置されて備えることで、隣り合う光変調素子同士で磁気的な影響を与え合うため、ある大きさの電流を供給されると、それぞれの磁化反転層の磁化が異なる方向を安定して示すようになる。したがって、電流の大きさを変化させて供給することで、画素内のすべての光変調素子を磁化反転させたり、一部の光変調素子のみ磁化反転させることができる。画素に入射した偏光は、このような複数の光変調素子でその偏光の向きを変化させて出射するので、磁化反転した光変調素子の数により特定の偏光方向の出射偏光の光量が変化する。さらに、それぞれの光変調素子の形状は同じであるので平面視面積も等しく、一画素での出射偏光に明／暗とその間にある１つ以上の段階を等間隔で階調表示させることができる。

さらに、請求項２に係る多素子空間光変調器は、請求項１に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過させる材料で形成され、前記下部電極は、その下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過させる材料で形成されることを特徴とする。

このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上下の電極が光を透過することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された透過型の空間光変調器となる。

また、請求項３に係る多素子空間光変調器は、請求項１に記載の多素子空間光変調器において、前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極とからなり、前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過させ、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過させる材料で形成され、前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする。

このような一対の電極で複数のスピン注入磁化反転素子を上下から挟む構成により、画素のピッチを狭くでき、さらに上の電極が光を透過して下の電極が光を反射することにより、入射光および出射光の光量の減衰が抑制された反射型の空間光変調器となる。

本発明に係る多素子空間光変調器によれば、スピン注入磁化反転素子を適用することで、画素の高精細化かつ高速応答が可能となり、一対の配線で画素の階調表示を制御できるので、画素のいっそうの微細化が可能となり、同一形状のスピン注入磁化反転素子を配置するので、画素面積を有効に利用できて開口率が向上する。

以下、本発明に係る多素子空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）の最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である。なお、本明細書における平面（上面）は、空間光変調器の光の入射面である。また、平面視での縦横は、図１における方向を示す。図２は、本発明の一実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＡ−Ａ部分断面図である。図３は、空間光変調器の構成および光変調素子における磁化方向と透過光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。なお、図３は、わかり易くするため、画素内の光変調素子を１個として示す。以下に、本発明に係る空間光変調器を構成する各要素について説明する。

空間光変調器１は、図１に示すように、基板７（図２参照）上に２次元アレイ状に配列された複数の画素４からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する駆動制御部１０と、を備える。さらに、空間光変調器１は、図３に示すように、画素アレイ４０（画素４）の上方には、画素アレイ４０に向けて光を照射する光源９３と、光源９３から照射された光を画素アレイ４０に入射する前に偏光とする入射偏光フィルタ９１とを備え、下方には、画素アレイ４０から出射した光から特定の偏光のみを透過する出射偏光フィルタ９２と、出射偏光フィルタ９２を透過した光を検出する検出器９４とを備える。なお、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗およびその中間）を表示する手段を指す。

図１に示すように、画素アレイ４０は、平面視で行（横）方向に延設された複数のストライプ状の上部電極２と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交するように列（縦）方向に延設された複数の下部電極３と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を構成する。したがって、画素アレイ４０において、行方向に配列された画素４，４，…が１つの上部電極２を共有し、列方向に配列された画素４，４，…が１つの下部電極３を共有する構造となっている。本実施形態では、画素アレイ４０は、５行×５列の２５個の画素４からなる構成で例示される。また、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。

図２に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２と下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた２個の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）５，５を備える。なお、本実施形態では、画素４は２個の光変調素子５，５を備える構成で例示されるが、本発明に係る画素が備える光変調素子の数は２個以上であれば特に限定されない。そして、本明細書における光変調素子５，５とは、同じ画素４に備えられたすべての光変調素子５を指す。また、画素アレイ４０における隙間（図２の空白部分）は絶縁部材６で埋められている。

図１に示すように、駆動制御部１０は、上部電極２を選択する上部電極選択部１２と、下部電極３を選択する下部電極選択部１３と、これらの電極選択部１２，１３を制御する画素選択部（画素選択手段）１４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）１１と、を備える。これらはそれぞれ公知のものでよく、光変調素子５を動作させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。

上部電極選択部１２は、上部電極２の特定の１つ以上を選択し、電源１１から所定の電流を供給させる。下部電極選択部１３は、下部電極３の特定の１つ以上を選択し、電源１１から所定の電流を供給させる。画素選択部１４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、その選択に基づいて両電極選択部１２，１３を制御する。すなわち、選択した画素４に接続する上部電極２および下部電極３を両電極選択部１２，１３に選択させる。電源１１は、選択した画素４に備えられる光変調素子５，５を動作させるために適正な電圧・電流を供給する。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子５，５に所定の電流が供給されて後記の動作を行う。

次に、本発明の一実施形態に係る空間光変調器の画素の構成の詳細を、図１、図２、および図３を参照して説明する。

図１および図２に示すように、上部電極２，２，…は、光変調素子５，５の上方に配され、横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５，５に電流を供給する。一方、下部電極３，３，…は、光変調素子５の下方に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子５，５に電流を供給する。これらの電極２，３は、それぞれ光変調素子５，５の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で構成されることが好ましい。

透明電極材料としては、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ；ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ_２）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）等の公知の材料が挙げられる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。

また、上部電極２および下部電極３において、それぞれ透明電極材料と光変調素子５との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち、図２に示すように、上部電極２および下部電極３は、透明電極材料からなる帯状の透明電極２ａ，３ａと金属膜からなる下地層２ｂ，３ｂとで構成されていることが好ましい。このように、透明電極２ａ，３ａと光変調素子５との間にそれぞれ金属膜を介在することで、金属電極材料より抵抗が大きい透明電極材料においても、上部電極２−光変調素子５間および下部電極３−光変調素子５間の抵抗を低減させて応答速度を上げることができる。

下地層２ｂ，３ｂを構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等公知の方法により成膜される。そして、下地層２ｂ，３ｂとなる金属膜は、それぞれその上の層となる膜と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。これは、下地層２ｂ，３ｂとそれぞれの上の層との密着性をよくして抵抗を一層低減するためである。したがって、下部電極３においては、下地層３ｂと光変調素子５（磁化固定層５１〜保護層５４）、上部電極２においては、下地層２ｂと透明電極２ａ、それぞれを構成する膜を連続して成膜、積層することが好ましい。詳細は、画素４の製造方法において説明する。連続して成膜された膜は一緒に加工されるため、図２に示すように、上部電極２において下地層２ｂは透明電極２ａと同じ平面視形状となり、下部電極３において下地層３ｂは光変調素子５と同じ平面視形状となる。下地層２ｂ，３ｂのそれぞれの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成できず、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させる。したがって、下地層２ｂ，３ｂのそれぞれの好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。

下部電極３は、金属電極としてもよい（以下、下部電極３Ａ（図示せず）と称する）。この場合、光変調素子５を透過した光が下部電極３Ａの上面で反射して再び上部電極２から出射する、反射型の空間光変調器とすることができる。下部電極３Ａは、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やその合金のような一般的な電極用金属材料からなり、その形状は、透明電極からなる下部電極３と同様に帯状である。そして、スパッタリング法等により成膜、フォトリソグラフィ等により前記形状に形成される。なお、このような下部電極３Ａにおいては、下地層３ｂは不要である。

基板７は、画素４（上部電極２、光変調素子５，５、下部電極３）を透過した光をその下方の検出器９４に入射させるため、透明な材料からなり、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ等からなる。なお、反射型の空間光変調器とする場合は、透明である必要はないので、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等も適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２，２間、光変調素子５，５間（隣り合う画素４間におけるものを含む）、および下部電極３，３間（図２不図示）に配され、例えば、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３等からなる。

光変調素子５は、図１および図２に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の直交する各部分すなわち画素４毎に、所定の個数（本実施例では２個）ずつが前記電極２，３に上下から挟まれて配置される。したがって、光変調素子５は、同じ画素４に備えられた複数個が、その上下の電極２，３を共通する一対の電極として並列に接続されている。光変調素子５の平面視形状は、本実施形態においては横方向に長い長方形であるが、これに限定されるものではなく、例えば正方形でもよい。また、１個の画素４につき２個の光変調素子５，５が前記長方形の短辺方向すなわち縦方向に並べて配されているが、これに限定されるものではない。例えば、１つの画素４に３個あるいは４個、さらに５個以上の光変調素子５を備えてもよく、一画素に備える光変調素子の数が多いほど、後記するように表示できる階調数も多くなる。また、光変調素子５を、前記長方形の長辺方向に並べてもよいし、（２×２）個等のマトリクス状に配置してもよい。ただし、後記の理由により、１つの画素４内では隣り合う光変調素子５，５同士の間隔ｄを１μｍ未満とする。

光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子であり、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等の公知の素子からなる。光変調素子５の構成は、図２に示すように、下部電極３の上に、磁化固定層５１、中間層５２、磁化反転層５３、保護層５４の順に積層されてなる。なお、透過型の空間光変調器とする場合は、磁化固定層５１と磁化反転層５３の位置を入れ替えてもよい。これら各層は、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法によりそれぞれ成膜されて、積層され、電子線リソグラフィ等により前記形状に加工される。

磁化固定層５１および磁化反転層５３は強磁性体であり、共に面内磁気異方性を有するか、または共に垂直磁気異方性を有する。そして、磁化固定層５１の磁化方向は固定されているのに対し、磁化反転層５３の磁化方向は固定されておらず、スピン注入によって容易に回転（反転）させることができる。これら２層の間に設けられる中間層５２は、光変調素子５がＴＭＲ素子であれば絶縁体、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば非磁性の導体で形成される。これら３層でスピン注入磁化反転素子として動作するが、その微細加工におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層５４が設けられる。

磁化固定層５１は、強磁性金属（ＦＭ）や磁性半導体からなり、その厚さは数〜数１０ｎｍである。光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、ＦＭ／ＰｔＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＰｔＭｎ（シンセティックピン層、積層フェリ構造）のような多層膜、さらにＩｒＭｎ等の磁化固着層を下層に設けたＦＭ／ＩｒＭｎ、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ／ＩｒＭｎが挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ_１−ｘＦｅ_ｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、ＴｉＯを母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。また、強磁性金属として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、［Ｆｅ／Ｐｔ］×ｎ、［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金も挙げられるが、これらの材料を適用する場合は、その保磁力に対して、磁化反転層５３の材料の保磁力が小さくなるようにする。なお、透過型の空間光変調器においては、磁化固定層５１は、特に厚さが１０ｎｍを超える場合は透過率の高い材料で形成し、ＺｎＯ，ＴｉＯを母体とする磁性半導体が好ましい。

中間層５２は、磁化固定層５１と磁化反転層５３との間に設けられる。光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、中間層５２は、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２のような絶縁体や、Ｍｇ／ＭｇＯ／Ｍｇのような絶縁体を含む積層膜からなり、その厚さは０．５〜１．５ｎｍである。また、光変調素子５がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であれば、中間層５２は、Ｃｕ，Ａｕ，Ｐｔのような非磁性金属からなり、その厚さは６ｎｍ以下である。

磁化反転層５３は、強磁性金属や磁性半導体からなり、その厚さは数ｎｍ以下である。光変調素子５がＴＭＲ素子であれば、強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含むＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅ等の合金、これらの材料の２種以上からなる積層膜、ＦＭ／Ｒｕ／ＦＭ（シンセティックフリー層、積層フェリ構造）が挙げられる。また、磁性半導体としては、ＺｎＯ：Ｍｎ、ＺｎＯ：Ｍｎ_１−ｘＦｅ_ｘ、ＺｎＯ：Ｃｒ_１−ｘＭｎ_ｘ等のＺｎＯを母体とするもの、III-Ｖ族化合物半導体を母体とするもの、II−VI族化合物半導体を母体とするものが挙げられる。また、強磁性金属として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属およびそれらを含む合金、［Ｆｅ／Ｐｔ］×ｎ、［Ｃｏ／Ｐｔ］×ｎの多層膜、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ等の希土類を含む合金、ＭｎＢｉも挙げられるが、これらの材料を適用する場合は、その保磁力に対して、磁化固定層５１の材料の保磁力が大きくなるようにする。

保護層５４は、光変調素子５の微細加工におけるダメージから磁化固定層５１または磁化反転層５３を保護するために設けられ、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕの単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等から構成される。なお、前記の２層とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護層５４の厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成できず、一方、１０ｎｍを超えると入射偏光の光量を減衰させる。したがって、保護層５４の好ましい厚さは１〜１０ｎｍである。

次に、本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素（画素アレイ）の製造方法について、その一例を説明する。
まず、下部電極３を形成する。基板７の表面に、透明電極材料をスパッタリング法等により成膜し、フォトリソグラフィやリフトオフ等によりストライプ状に形成して透明電極３ａとする。透明電極３ａ上には下地層３ｂを形成するが、前記したように、その上の層である光変調素子５を連続して成膜することが好ましい。そこで、先に、透明電極３ａ，３ａ間に絶縁部材６としてＳｉＯ_２等の絶縁膜を堆積させる。

次に、透明電極３ａ（および絶縁部材６）の上面に、金属膜、磁化固定層５１、中間層５２、磁化反転層５３、保護層５４を、連続して成膜、積層する。これらの層を電子線リソグラフィ等により所望の形状に成形加工して、下地層３ｂおよび光変調素子５とする。光変調素子５の成形にマスクとして使用したレジストを残した状態で、絶縁膜を成膜して、光変調素子５，５間（隣り合う画素４間を含む）に堆積させ、レジストをその上の絶縁膜ごと除去して（リフトオフ）絶縁部材６とする。または、マスクのない状態で絶縁膜を成膜して、エッチングやＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）等により光変調素子５の上の絶縁膜を除去してもよい。

次に、上部電極２を形成する。光変調素子５および絶縁部材６の上面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、下部電極３と直交するストライプ状に形成して上部電極２とする。最後に、上部電極２，２間に絶縁部材６を堆積して、画素４（画素アレイ４０）とする。

次に、本発明の実施形態に係る空間光変調器の画素の動作を、図３、図４、および図５を参照して説明する。図４は光変調素子の磁化の回転を説明するための斜視図、図５は本発明の一実施形態に係る画素における光変調素子の磁化の回転を説明するための斜視図である。

まず、磁気光学式の空間光変調器の動作を説明する。図３に示すように、光源９３から照射された光（レーザー光等）は様々な偏光成分を含んでいるので、これを入射偏光フィルタ９１に透過させて、１つの偏光成分の入射偏光とする。この入射偏光は所定の入射角で画素アレイ４０（画素４）に入射する。入射偏光は、上部電極２を透過して光変調素子５に到達する。そして、光変調素子５を透過した偏光（出射偏光）は、さらに下部電極３および基板７を透過して出射偏光フィルタ９２に到達する。出射偏光フィルタ９２は、特定の偏光、ここでは図３（ｂ）に示すように、入射偏光に対して角度θ_ＡＰ旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光は検出部９４に入射される。検出部９４は、スクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。

ここで、本発明の実施形態に係る空間光変調器の光変調素子における磁化方向と透過光の旋光について、図３および図４を参照して説明する。なお、図３〜５では保護層５４は省略する。本実施形態の光変調素子５は、面内磁気異方性すなわち膜面方向の磁化を有するスピン注入磁化反転素子である。磁化固定層５１は、すべての画素４（画素アレイ４０）において磁化方向が同一に固定され、図３〜５では、磁化固定層５１の磁化を右方向で示す。一方、磁化反転層５３の磁化方向は膜面方向において回転可能である。

スピン注入磁化反転素子である光変調素子５は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化反転層５３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転）させて、磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向（平行：Ｐａｒａｌｌｅｌ）または１８０°異なる方向（反平行：Ａｎｔｉ−Ｐａｒａｌｌｅｌ）にする。図４（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化反転層５３側から磁化固定層５１へ電流を供給すると、磁化反転層５３の磁化は磁化固定層５１の磁化方向と同じ方向に、すなわち光変調素子５の磁化は平行となる。この磁化が平行な光変調素子５に、図４（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層５１側から磁化反転層５３へ電流を供給すると、磁化反転層５３の磁化が１８０°回転（反転）して磁化固定層５１の磁化方向と逆方向に、すなわち光変調素子５の磁化は反平行となる。さらに、この磁化が反平行な光変調素子５に、再び磁化反転層５３側から電流を供給すれば、図４（ａ）の磁化が平行な状態に戻る。このように、電流の供給する向きを切り換えることで、磁化反転層５３の磁化方向を反転させることができる。また、光変調素子５の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは磁化が保持される。このように、スピン注入磁化反転素子において磁化は保持されるため、供給する電流は、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を適用できる。

図３、図４で右方向の磁化を有する層を透過した偏光が正方向に回転（旋光）すると定義し、磁化固定層５１のファラデー効果による旋光角（ファラデー旋光角）をθ_Ｆｐｉｎ、同じく磁化反転層５３のファラデー旋光角をθ_{Ｆｆｒｅｅ}とする。前記の、磁化が平行、反平行の光変調素子５をそれぞれ透過した偏光の旋光角θ_Ｐ，θ_ＡＰは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、θ_Ｐ＝θ_{Ｆｆｒｅｅ}＋θ_Ｆｐｉｎ、θ_ＡＰ＝−θ_{Ｆｆｒｅｅ}＋θ_Ｆｐｉｎとなる。このように、磁化反転層５３の磁化方向が反転するとその旋光角も逆向きになるので、磁化反転層５３の旋光角θ_{Ｆｆｒｅｅ}の分だけ出射偏光に差が生じる。

この出射偏光の差を（検出部９４への）表示に利用するためには、例えば入射偏光に対して（−θ_{Ｆｆｒｅｅ}＋θ_Ｆｐｉｎ）旋光した偏光のみ透過する偏光フィルタ（出射偏光フィルタ９２）を光変調素子５の出射側に配すればよい。光変調素子５の磁化が平行であるときは、出射偏光が出射偏光フィルタ９２で遮られるので、この光変調素子５は検出部９４に暗く表示される。反対に、光変調素子５の磁化が反平行であるときは、出射偏光が出射偏光フィルタ９２を透過するので、この光変調素子５は検出部９４に明るく表示される。なお、光変調素子５が垂直磁気異方性を有する磁化固定層５１および磁化反転層５３を備える場合、磁化は垂直方向であり、磁化反転層５３の磁化は上向き／下向きで反転するが、この場合も同様にファラデー効果を生じる。

ここで、１個の光変調素子５を磁化反転させる電流の大きさを「|Ｉ_STS|」と定義する。すなわち、光変調素子５の磁化を平行から反平行へ移行させるときは、＋Ｉ_STS、反対に、反平行から平行へ移行させるときは、−Ｉ_STSの電流を供給する。

次に、同じ構造および形状の複数のスピン注入磁化反転素子に、同時に電流が供給されたときの磁化の挙動を説明する。図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、一対の電極２，３に２個の光変調素子５，５を並列に接続する。光変調素子５，５のそれぞれの磁化固定層５１，５１の磁化は同じ方向に固定され、図４（ａ）、（ｂ）と同じ右方向で示される。また、光変調素子５，５の一方の磁気が他方の光変調素子５に影響を及ぼすことがないと仮定する。図４（ｃ）に示すような２個共に磁化が平行な状態の光変調素子５，５に、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして電流を次第に大きくしながら供給すると、電流の大きさが＋２Ｉ_STSになった時点で、それぞれの磁化反転層５３，５３の磁化方向が同時に１８０°回転して、図４（ｄ）に示すように光変調素子５，５の磁化は共に反平行になる。反対に、図４（ｄ）の状態の光変調素子５，５に上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして電流を次第に大きくしながら供給して電流が−２Ｉ_STSになると、図４（ｃ）に示すように、光変調素子５，５は再び同時に磁化反転して磁化が平行になる。このように、互いに磁気的に影響しない複数の光変調素子５は、同じ条件で磁化反転するため、共通の電流を供給されると同時に磁化反転する。また、並列に接続されているため、光変調素子５の個数倍の電流を要する。すなわち、光変調素子５の面積（１個の面積×個数）当たりに換算した反転電流密度Ｊcは、並列に接続された光変調素子５の個数にかかわらず不変である。

次に、同じ構造および形状の複数のスピン注入磁化反転素子を互いの間隔を近付けて配置し、同時に電流が供給されたときの磁化の挙動を説明する。図５に示すように、一対の電極２，３に２個の光変調素子５，５を並列に接続する。光変調素子５，５の間隔ｄが狭いこと以外は、前記の図４（ｃ）、（ｄ）と同様の配置で、それぞれの磁化固定層５１，５１の磁化方向も同じ右方向で固定される。図５（ａ）に示すような２個共に磁化が平行な状態の光変調素子５，５に、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして電流を次第に大きくしながら供給すると、電流の大きさが＋Ｉ_１になった時点で、光変調素子５，５の一方の（図の手前側の）磁化反転層５３のみ磁化方向が１８０°回転して、図５（ｃ）に示すように、この１個の光変調素子５は反平行に磁化反転する。このとき、もう１個の光変調素子５は磁化が平行のままである。そして、さらに電流を大きくして＋Ｉ_２（|Ｉ_２|＞|Ｉ_１|）になると、残りの１個の（図の奥側の）光変調素子５も反平行に磁化反転して、図５（ｂ）に示すように光変調素子５，５の磁化は共に反平行になる。反対に、図５（ｂ）の状態の光変調素子５，５に−Ｉ_１の電流を供給すると、図５（ｃ）に示すように１個の光変調素子５が平行に磁化反転し、さらに電流が−Ｉ_２になると、残りの１個の光変調素子５も平行に磁化反転して、図５（ａ）に示すように光変調素子５，５の磁化は共に平行になる。

このような、間隔を短く空けて配置された複数の光変調素子５，５において、それぞれの磁化反転層５３，５３は、磁化の回転可能な磁性体である。このように、近接する複数の磁性体は、外部磁界のない状態では、擬似的に一体の磁性体として磁気的に安定するために互いに異なる磁化方向を示して磁気エネルギーを小さくする。したがって、２個の光変調素子５，５の場合、図５（ｃ）に示すように、１個の光変調素子５を磁化反転させる|Ｉ_STS|近傍の|Ｉ_１|の大きさの電流を供給されたとき、どちらか１個の光変調素子５の磁化反転層５３が磁化反転して、もう１個の光変調素子５の磁化反転層５３に対して反平行の磁化となって、磁化反転層５３，５３同士で磁気的に安定しようとする。ここで、|Ｉ_１|は、|Ｉ_STS|近傍であって２|Ｉ_STS|より小さく、光変調素子５の磁気異方性等により可変な値である。なお、光変調素子５はいずれも同じ条件で磁化反転するため、どの光変調素子５が優先的に磁化反転するかは不定であるが、配置等によって、磁気的に最も安定する状態となる。また、|Ｉ_２|の大きさの電流を直接供給すれば、図５（ａ）→図５（ｂ）、または図５（ｂ）→図５（ａ）のように、光変調素子５，５は同時に磁化反転する。また、光変調素子５，５は、この磁化方向に垂直な方向に並設されているが、この並び方向は特に限定しない。さらに、光変調素子５，５は垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子であってもよく、この場合、磁化は上下方向となる。

本実施形態の画素４は、図５に示すように２個の光変調素子５，５を間隔を短く空けて配置したものである。すなわち、一対の電極２，３で向きおよび大きさを制御した共通の電流を光変調素子５，５に供給することで、それぞれの光変調素子５の磁化反転層５３の磁化方向を制御することができる。光変調素子５，５は、互いの間隔ｄが１μｍ以上になると互いの磁気の影響が小さくなって、図４（ｃ）、（ｄ）のように同時にのみ磁化反転するようになるため、光変調素子５，５の間隔ｄは１μｍ未満とする。

図３を参照して説明したように、スピン注入磁化反転素子からなる光変調素子５は、１個で明／暗の２階調を表示できる。本実施形態では、光変調素子５の磁化が平行（Ｐ）で「暗」を、反平行（ＡＰ）で「明」をそれぞれ表示する。したがって、２個の光変調素子５，５を備える画素４は、図５（ａ）に示す「Ｐ，Ｐ」のとき「暗」、図５（ｂ）に示す「ＡＰ，ＡＰ」のとき「明」、そして、図５（ｃ）に示す「Ｐ，ＡＰ」のときは明／暗の中間である「５０％明」を表示する。なお、２個の光変調素子５，５は形状が同じであるので、出射偏光の光量も等しく、図５（ｃ）における手前側と奥側のどちらの光変調素子５の磁化が平行、反平行であっても、同等に表示される。したがって、最大で「一画素に備える光変調素子の個数＋１」階調を表示できる。また、本発明における駆動制御部１０（画素選択手段、電流供給手段）は、電流の供給／供給停止、電流の向きに加えて、電流の大きさを段階的に制御する。

別の実施形態として、金属電極からなる下部電極３Ａを備えた反射型の空間光変調器としてもよい（図示せず）。このとき、上方から入射した偏光は、光変調素子５を透過して下部電極３Ａの表面で反射し、再び光変調素子５を透過して上方へ出射する。したがって、出射偏光フィルタ９２および検出部９４は画素アレイ４０の上方に、入射偏光の光路を遮らない位置に配する。同様に、光源９３および入射偏光フィルタ９１も、出射偏光の光路を遮らない位置に配する。また、基板７は、出射偏光の光路ではないので透明な材料でなくてよい。この実施形態における旋光角は、偏光が光変調素子５内を往復するので、透過型の空間光変調器における旋光角の２倍となる。また、入射偏光を中間層５２あるいは磁化固定層５１の上面（界面）で反射させるように、これらの層を反射率の高い材料で形成してもよい。このような構成とする場合は、必ず磁化反転層５３を上層側に配置する。

本発明の効果を確認するために、本発明の実施形態に係る画素を作製して個々の光変調素子の磁化反転を、抵抗を測定することにより観察した。さらに、光変調素子の間隔を変化させて、その影響を観察した。

２個の光変調素子を備える画素（図５参照）として、表１に示す構成の画素のサンプルを作製した。光変調素子は、その平面視形状が３００ｎｍ×１００ｎｍの長方形で、短辺方向に間隔ｄを空けて並設した。光変調素子同士の間隔ｄは、実施例として３００ｎｍ、比較例として１μｍの２通りを作製した。さらに、従来例として同じ光変調素子を１個備える画素（図４（ａ）、（ｂ）参照）を作成した。なお、抵抗の測定により評価するため、電極は上下共Ｃｕで形成した。これらの従来例、実施例、比較例のサンプルを作製して、以下の評価を行った。

作製した従来例、実施例、比較例のそれぞれの画素を、電極からパルス幅５００μｓのパルス電流を供給して、すべての光変調素子の磁化が反平行となる（初期状態）ようにした（図４（ｂ）、図５（ｂ）参照）。そして、磁化反転層側から下向きに、パルス電流を電流値|Ｉ|を次第に大きくしながら供給した。このとき両電極間に抵抗計を接続して抵抗の推移を観察し、光変調素子が磁化反転するときの電流値を測定し、光変調素子面積当たりの電流密度に換算した。スピン注入磁化反転の電流密度（反転電流密度）は、一定の分布幅を有することが知られているため、電流密度は各サンプルの１２０回の測定における平均値とし、抵抗との相関（Ｉ−Ｒ特性）のグラフを図６の上段に示す。また、図６の下段に反転電流密度の測定の分布を示す。

スピン注入磁化反転素子は、磁化が平行なとき抵抗が小さく、反平行なとき抵抗が大きい。したがって、図６（ａ）に示すように１個の光変調素子のＩ−Ｒ特性は、磁化が反平行から平行に磁化反転したことで、１ステップで抵抗が小さく変化した。この、抵抗変化（磁化反転）したときの電流密度Ｊcは平均で−３．９×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。

これに対して、並列に接続された２個の光変調素子のＩ−Ｒ特性は、図６（ｂ）に示すように本発明の画素の構成を備える実施例では、抵抗が最大のとき（初期状態）から、抵抗が最小になるまでに、２ステップで抵抗が変化した。すなわち、１ステップ目で抵抗が前記の最大値−最小値のほぼ中間値に変化し、２ステップ目で最小値に変化した。これは、１ステップ目で１個の光変調素子のみが磁化反転して平行になり、２ステップ目でもう１個の光変調素子も磁化反転して２個共に磁化が平行になったことを示す。また、磁化反転したときの電流密度は、１個目（１ステップ目）の電流密度Ｊc_１が平均で−３．６×１０^７Ａ／ｃｍ^２、２個目（２ステップ目）の電流密度Ｊc_２が平均で−４．５×１０^７Ａ／ｃｍ^２であった。このように、１個目と２個目の光変調素子の磁化反転における電流値が異なることが明らかで、空間光変調器の画素として安定した中間階調を表示できるといえる。一方、図６（ｃ）に示すように、光変調素子同士の間隔ｄが１μｍの比較例については、１ステップで抵抗が最大値から最小値に変化した場合があり、また実施例と同様に２ステップで抵抗が変化した場合は、２回の抵抗変化それぞれにおける電流密度Ｊc_１，Ｊc_２が−３．７×１０^７〜−３．９×１０^７Ａ／ｃｍ^２と狭い範囲に集中していた。これは、光変調素子同士の間隔が広いことで互いの磁気の影響が小さいことを示している。

以上、本発明を実施するための最良の形態および実施例について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成を示す平面模式図である 本発明の一実施形態に係る画素の拡大断面図で、図１のＡ−Ａ部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る空間光変調器の構成および光変調素子における磁化方向と透過光の旋光を説明するための画素の断面模式図である。 光変調素子の磁化の回転を説明するための斜視図であって、（ａ）、（ｂ）は１個の光変調素子、（ｃ）、（ｄ）は並列に接続された２個の光変調素子である。 本発明の一実施形態に係る画素における光変調素子の磁化の回転を説明するための斜視図である。 実施例の画素を駆動したときの、パルス電流の電流密度に対する画素の抵抗変化および反転電流密度の測定ばらつきの分布を示すグラフであって、（ａ）は１個の光変調素子を備える画素、（ｂ）および（ｃ）は２個の光変調素子を備える画素におけるグラフである。

符号の説明

１ 空間光変調器（多素子空間光変調器）
１０ 駆動制御部
１１ 電源（電流供給手段）
１４ 画素選択部（画素選択手段）
４０ 画素アレイ
４ 画素
２ 上部電極（電極）
３ 下部電極（電極）
５ 光変調素子（スピン注入磁化反転素子）
５１ 磁化固定層
５２ 中間層
５３ 磁化反転層
６ 絶縁部材
７ 基板

Claims (3)

1. ２次元配列された複数の画素を有する画素アレイと、この画素アレイから１つ以上の画素を選択して当該画素の階調を指定する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素に当該画素選択手段が指定した階調に応じた大きさの電流を供給する電流供給手段と、を備える多素子空間光変調器であって、
   前記画素は、互いに隣り合う間隔が１μｍ未満となるように配置された複数の同一形状のスピン注入磁化反転素子と、これらのスピン注入磁化反転素子を並列に接続して共通の電流を供給する一対の電極と、を備え、
   前記スピン注入磁化反転素子は、所定の電流が供給されると磁化反転層の磁化が一方向またはその逆方向を示すものであると共に、入射した光の偏光方向を変化させて出射するものであり、
   前記画素内における前記複数のスピン注入磁化反転素子は、前記電流供給手段から供給された電流の大きさに応じて、それぞれの磁化反転層の磁化が、そのすべてが前記一方向となる状態と、そのすべてが前記逆方向となる状態と、そのすべての一部が前記一方向となりそれ以外が前記逆方向となる状態と、を示すことを特徴とする多素子空間光変調器。
2. 前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
   前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過させる材料で形成され、
   前記下部電極は、その下方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過させる材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の多素子空間光変調器。
3. 前記一対の電極は、前記複数のスピン注入磁化反転素子の上部に接続される上部電極と、当該複数のスピン注入磁化反転素子の下部に接続される下部電極と、からなり、
   前記上部電極は、その上方から照射された光が前記複数のスピン注入磁化反転素子に入射するように前記光を透過させ、かつ、その上方へ前記複数のスピン注入磁化反転素子から出射された光が照射されるように前記光を透過させる材料で形成され、
   前記上方から照射された光を前記下部電極または前記スピン注入磁化反転素子で反射させて前記上方へ出射することを特徴とする請求項１に記載の多素子空間光変調器。

Images