JP5001807B2 - 空間光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、各種表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置等に用いる空間光変調器に関する。

従来、各種表示装置、ホログラフィー装置、ホログラム記録装置等に用いられる画像表示部では、空間光変調器（Spatial Light Modulator;ＳＬＭ）を用いて画素を構成するものがある。そして、この空間光変調器として、液晶やＤＭＤ（Digital Micro-mirror device）を用いたものが知られている。液晶を用いたＳＬＭは、液晶分子の配向を電圧の印加によって反転（回転）させて、透過する光をコントロールするものである（非特許文献１）。また、ＤＭＤを用いたＳＬＭは、画素に対応した多数の微少鏡面を配列したミラーアレイを機械的に動かすことによって、光を変調するものである（非特許文献２）。

さらに、最近、スピン分極された電子を注入して磁気光学可変層の磁化を反転させ、その磁気光学可変層における磁気光学効果を利用して入射光の偏光面を変えることで、光を変調する光変調器が提案された。このスピン注入磁化反転（非特許文献３参照）を利用する光変調器を用いる表示装置では、画素サイズの微細化と応答時間の短縮が可能であるため、高速・高精細な表示が可能となる。

このスピン注入磁化反転を利用する光変調器は、図７に示すとおり、基板３１の上に構成された光変調素子３２と、光変調素子３２の上方に配置された偏光フィルター３３ａ，３３ｂとを備えるものである。そして、光変調素子３２は、下部電極３４と上部透明電極３９の間に、光変調部３５を挟設した構成を有するものであり、光変調部３５は、下部電極３４から上に、図８に示すように、固定層３６、中間層３７およびフリー層（自由層）３８の順に積層された多層構造に構成される。この光変調器においては、図４（Ａ）に示すように、光変調器の上方から入射する光は、様々な偏光面角度を有する偏光成分を含む光Ｌ３１ａ，Ｌ３１ｂ（偏光面回転角度ＰＬ０）として偏光フィルター３３ａに入射する。偏光フィルター３３ａに入射した光Ｌ３１ａ，Ｌ３１ｂ（偏光面回転角度ＰＬ０）は、一定の偏光面角度（例えば、図７（Ａ）に示す偏光面回転角度ＰＬ１）を有する偏光Ｌ３２ａ，Ｌ３２ｂ(偏光面回転角度ＰＬ１)のみが偏光フィルター３３ａを透過して、光変調素子３２に入射する。光変調素子３２に入射した偏光Ｌ３２ａ，Ｌ３２ｂは、上部透明電極３９を透過してフリー層３８で反射され、反射光Ｌ３３ａ，Ｌ３３ｂとなる。

このとき、光変調素子３２においては、一定の面内磁化方向、例えば、図８に示す矢印Ｄの方向に磁化されている固定層３６に対して、下部電極３４と上部透明電極３９との間を流れる電流の流れる方向に応じて、フリー層３８の面内磁化方向が矢印Ｆの方向（矢印Ｄの方向と同じ向き）か、あるいは矢印Ｆの方向と反対の面内磁化方向になる。すなわち、下部電極３４と上部透明電極３９との間に電流が流されていない、あるいは、下部電極３４から上部透明電極３９の向き（矢印Ｅ１の方向）に電流が流されている光変調部、すなわち、光変調部３５ａでは、図８（Ａ）に示すように、固定層３６とフリー層３８の磁化方向は同一の方向（図８（Ａ）では、右向き矢印→の方向）となる。そして、フリー層３８で反射された反射光Ｌ３３ａは、図７（Ａ）に示すように、入射光Ｌ３２ａに対して偏光面が＋θ度回転した偏光面回転角度（ＰＬ３）を有する偏光となって、偏光フィルター３３ｂを透過し、透過光Ｌ３４ａとなる。この透過光Ｌ３４ａは、明るい光となる。このとき、フリー層３８の磁化方向は、スピン注入磁化反転を利用して制御できる。このフリー層３８の磁化方向は、外部から磁界を印加しない限り右向き、左向きのどちらも安定状態で、スピン注入磁化反転によって磁化方向を逆にするまでそのままの向きを維持する。したがって、パルス電流を流してスピン注入磁化反転によって、一旦、フリー層３８の磁化方向を反転した後は、次に、パルス電流を流してスピン注入磁化反転によってフリー層３８の磁化方向が変わるまで、磁化方向が保持される。

一方、上部透明電極３９から下部電極３４の向き（矢印Ｅ２の方向）に電流が流されている光変調部、すなわち、光変調部３５ｂでは、固定層３６から中間層３７を介してスピン分極された電子がフリー層３８に注入され、図８（Ｂ）に示すように、フリー層３８の面内磁化方向が反転し、固定層３６の磁化方向（矢印Ｄの方向）と反対の磁化方向（矢印Ｇの方向）となる。このように、フリー層３８における面内磁化方向と、固定層３６における面内磁化方向とが相互に逆の方向となった状態（スピン注入磁化反転状態）では、磁気光学カー効果によって、フリー層３８による反射光Ｌ３３ｂは、図７（Ｂ）に示すように、入射光Ｌ３２ｂに対して偏光面が−θ度回転した偏光面回転角度（ＰＬ２）を有する偏光として、偏光フィルター３３を透過し、透過光Ｌ３４ｂとなる。この透過光Ｌ３４ｂは、暗い光となる。

このように、従来提案されているスピン注入磁化反転を利用する光変調器は、光変調素子３２の固定層３６の面内磁化方向に対する、フリー層３８の面内磁化方向の反転によって入射光の偏光面を変えて変調を行うものである。
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しかし、液晶を用いたＳＬＭでは、画素の精細さおよび動作の高速性に劣り、ＤＭＤを用いたＳＬＭでは、動作は数μｓと速いものの画素が１０μｍ程度と大きいことが問題であった。また、従来提案されているスピン注入磁化反転を利用する光変調器は、動作は数ｎｓ、画素もサブミクロンが可能と高性能であるが、光変調度が小さいといった問題点があった。光変調度を上げるために、膜厚を大きくして磁気光学効果を高める方法が考えられるが、磁化反転に要する反転電流が大きくなってしまい、消費電力が増加する、という問題がある。

そこで、本発明の課題は、表示装置に用いて画素の精細さおよび動作の高速性に優れるとともに、光変調度が大きく、消費電力が低い空間光変調器を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、基板と、２層以上の磁性膜と１層以上の非磁性膜を積層してなる多層構造の光変調部と、前記光変調部に電流を流すための電極と、前記光変調部からの反射光の偏光を検出する偏光フィルターとを具備する空間光変調器であって、前記磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることを特徴とする。

この空間光変調器では、多層構造の光変調部を構成する２層以上の磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることによって、スピン分極された電子の注入によって反転される磁性膜の磁化方向が、磁性膜に垂直な方向となるため、光変調部における磁気光学効果を大きくすることができる。そのため、入射した光の光変調度（偏光度）を大きくすることが可能となるとともに、飽和磁化の低減によって磁化反転電流を低減することができるため消費電力を低減できる。

請求項２に係る発明は、前記磁性膜の少なくとも１つが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種で形成されていることを特徴とする。

この空間光変調器では、前記磁性膜の少なくとも１つが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種で形成されていることによって、スピン分極された電子の注入によって反転される磁性膜の磁化方向が、磁性膜に垂直な方向となるため、光変調部における磁気光学効果を大きくすることができる。

請求項３に係る発明は、前記光変調部が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる磁性膜と、ＣｏＦｅからなる磁性膜とを含む多層構造を有することを特徴とする。

この空間光変調器では、前記光変調部が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる磁性膜と、ＣｏＦｅからなる磁性膜とを含む多層構造を有することによって、スピン分極された電子の注入によって反転される磁性膜の磁化方向が、磁性膜に垂直な方向となるため、光変調部における磁気光学効果を大きくすることができる。

請求項４に係る発明は、前記２層以上の磁性膜の全てが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることを特徴とする。

この空間光変調器では、前記２層以上の磁性膜の全てが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることによって、スピン分極された電子の注入によって反転される磁性膜の磁化方向が、磁性膜に垂直な方向となるため、光変調部における磁気光学効果を大きくすることができる。

請求項５に係る発明は、前記２層以上の磁性膜において、非磁性膜を挟む片側の磁性膜がＴｂを含み、もう一方の側の磁性膜がＧｄを含むことを特徴とする。

この空間光変調器では、前記２層以上の磁性膜において、非磁性膜を挟む片側の磁性膜がＴｂを含み、もう一方の側の磁性膜がＧｄを含むことによって、スピン分極された電子の注入によって磁性膜の磁化方向を磁性膜に垂直な方向に良好に反転させることができるため、光変調部における磁気光学効果を大きくすることができる。

請求項６に係る発明は、前記磁性材料の磁化補償温度が、空間光変調器の動作温度以下であることを特徴とする。

この空間光変調器では、前記磁性材料の磁化補償温度が、空間光変調器の動作温度以下であることによって、磁化補償温度の前後で変化する磁化のスイッチング特性の逆転を防ぐことができる。

請求項７に係る発明は、前記磁性膜が、ＭｎおよびＢｉを含むことを特徴とする。

この空間光変調器では、前記磁性膜が、ＭｎおよびＢｉを含むことによって、磁気光学効果が大きくなるため、大きな光変調度を得ることができる。

請求項８に係る発明の空間光変調器は、前記光変調部に入射光を垂直に入射させるとともに、前記光変調部からの反射光を反射して偏光フィルターに入射させるハーフミラーを有することを特徴とする。

この空間光変調器では、ハーフミラーを通って光変調部に入射する光を、光変調部において変調して偏光された反射光としてハーフミラーを介して偏光フィルターに入射させ、偏光フィルターによって所定の偏光成分のみを透過させることによって光変調を行うことができる。

本発明の空間光変調器は、表示装置に用いて高精細な画素を高速で表示することを可能とするとともに、光変調度が大きく、消費電力が低いものである。

以下、本発明の空間光変調器（以下、「本発明の素子」という）について詳細に説明する。
図１（Ａ）は、本発明に係る空間光変調器１の構造を示す断面模式図、図１（Ｂ）は、空間光変調器１の平面図を示す。図２は、空間光変調器１の光変調素子６の構成を示す断面模式図である。
空間光変調器１は、図１（Ｂ）に示すように、平面視で互いに直交して、光変調素子６を挟んで上下に配設された構成を有し、光変調素子６は、単独でまたは複数が、１つの画素を構成することができる。

空間光変調器１は、基板２と、基板２上に形成された下部電極３と、下部電極３の上に形成された多層構造の光変調部４と、光変調部４の上に形成された上部電極５とからなる光変調素子６を備え、さらに、光変調素子６の上に配設されたハーフミラー１２と、偏光フィルター１３ａ，１３ｂとを備える。

基板２としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ガラス等が用いられる。

下部電極３と上部電極５とは、光変調素子６を駆動する電流を流すための電極であり、その電流を制御する電流制御手段（図示せず）に接続されている。この上部電極５と下部電極３は、図１（Ｂ）に示すように、平面視で互いに直交して上下にそれぞれ配設されている。

上部電極５は、入射光が光変調部４に効率よく到達できるように、ＩＴＯ等の一般的な透明電極材料を用いて構成されている。また、下部電極３は、例えば、ＡｌやＣｒなどの一般的な電極用金属材料で形成される。

光変調部４は、図２に示すように、基板２の側（紙面下側）から、下地層７、ピンド層（磁性膜）８、非磁性中間層９、フリー層（磁性膜）１０、および保護層１１の順に積層された多層構造を有する。

ピンド層（磁性膜）８は、磁化方向が所定の方向に固定された層である。例えば、ピンド層８においては、図２に示すように、矢印Ａの方向に磁化方向が固定されている。

非磁性中間層（非磁性膜）９は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇO等の非磁性絶縁材料、またはＣｕ、Ａｕ、Ａｇ等の金属材料で構成され、この非磁性中間層９の膜厚は、スピン偏極電子がトンネルできる程度の厚さ（数ｎｍ以下）を有する。

フリー層（磁性膜）１０は、磁化方向が予めピンド層８の磁化方向と同一または反対方向に磁化された層である。このフリー層１０の磁化方向は、スピン分極された電子が注入されることによって磁化方向が反転する層である。このフリー層１０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とが好ましい。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。

下地層７および保護層１１は、必要に応じて設けられ、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ等で形成することができ、また、その膜厚は、通常、下地層７が１〜１０ｎｍ程度、保護層１１が１〜５ｎｍ程度である。

この光変調部４を構成する多層構造において、ピンド層８およびフリー層１０を構成する磁性膜は、垂直磁気異方性を有する磁性材料で形成されている。ピンド層８およびフリー層１０を構成する磁性膜が、垂直磁気異方性を有する材料で構成されていることによって、スピン注入磁化反転によって磁性膜に垂直な方向に磁化方向が反転して、光変調部における大きな磁気光学効果によって、大きな光変調度で出射光を変調して制御することが可能となるとともに、飽和磁化の低減によって磁性膜における磁化反転に要する電流を低減して消費電力を低減できる。

垂直磁気異方性を有する磁性材料としては、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびにＳｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ等の希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種が用いられる。また、磁性膜を構成する磁性材料の磁化補償温度の前後では、磁化のスイッチング特性が逆転することから、そのスイッチング特性の逆転を防止するため、空間光変調器の動作温度以下であることが好ましい。

また、非磁性中間層（非磁性膜）９を挟むピンド層（磁性膜）８およびフリー層（磁性膜）１０において、ピンド層８は、外部磁界によって磁化方向が変わらないように保磁力を大きくする観点から、Ｔｂを含むことが好ましく、例えば、Ｔｂと、Ｆｅ、Ｃｏ等の遷移金属とを含む合金で形成されていることが好ましい。特に、ピンド層８として、ＴｂＦｅＣｏ膜とＣｏＦｅ膜とからなる２層構造を有するピンド層は、ＣｏＦｅ膜を含むことによって、垂直磁気異方性を保ったまま、スピン注入効率を高めることができることから、好ましい。この場合、ＴｂＦｅＣｏ膜とＣｏＦｅ膜とは、通常、膜厚比がＴｂＦｅＣｏ膜／ＣｏＦｅ膜が２０／１で形成される。一方、フリー層１０は、スピン分極された電子の注入によって磁化が容易に反転し易い観点から、保磁力を小さくするために、Ｇｄを含むことが好ましく、例えば、Ｇｄと、Ｆｅおよび／またはＣｏとを含む合金で形成されていることが好ましい。また、磁性膜を構成する磁化補償温度を、空間光変調器の動作温度以下にするために、ＧｄとＦｅの含有割合は、Ｇｄが２５％以下であることが好ましい。

フリー層（磁性膜）１０は、大きい磁気光学効果が得られることから、ＭｎおよびＢｉを含むことが好ましい。

本発明の空間光変調器１における多層構造の光変調素子６は、多層構造を形成する各層を、例えば、スパッタリング法や蒸着法などで成膜することによって形成することができる。例えば、基板２上に、スパッタリング法や蒸着法によって、下部電極３を構成する金属膜を成膜した後、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて下部電極３を形成する。次に、下地層７、ピンド層８、非磁性中間層９、フリー層１０および保護層１１となる材料を、この順で積層した後、その上に、電子ビームやフォトリソグラフィを用いて井桁状にレジストからなるパターンを形成し、イオンミリングやドライエッチングを用いてピンド層８がなくなるまでエッチングを行う。その後、上部電極（透明電極）５を形成することによって、光変調素子を形成することができる。

この空間光変調器１において、上部電極５と下部電極３の間に流れる電流の向きによって、フリー層１０の磁化状態を制御することができる。このフリー層１０の磁化状態に応じて、光変調素子６によって反射される光は偏光面が回転する（磁気光学効果）。したがって、この空間光変調器１において、上方から入射する光は、様々な偏光面角度を有するＬ１ａ，Ｌ１ｂ（偏光面角度Ｐ０）として偏光フィルター１３ａに入射する。偏光フィルター１３ａ入射した光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂは、一定の偏光面角度（例えば、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示す偏光面角度Ｐ１）を有する偏光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂのみが偏光フィルター１３ａを透過し、さらに、ハーフミラー１２を透過して入射光Ｌ３ａ，Ｌ３ｂとして光変調素子６に垂直に入射する。光変調素子６に入射した入射光Ｌ３ａ，Ｌ３ｂは、上部電極５を透過して光変調部４のフリー層１０で反射され、反射光Ｌ４ａ，Ｌ４ｂとなる。この反射光Ｌ４ａ，Ｌ４ｂは、その偏光面が光変調素子６のフリー層１０の磁化状態に応じて回転する（磁気光学効果）。そして、光変調素子６からの反射光Ｌ４ａ，Ｌ４ｂのみがハーフミラー１２の右側で反射される。このハーフミラー１２による反射光Ｌ５ａ，Ｌ５ｂは、偏光フィルター１３ｂによって、所定の偏光面角度の光のみが選択されて、偏光フィルター１３ｂを透過する。したがって、光変調素子６における光変調度、すなわち、反射光Ｌ４ａ，Ｌ４ｂの偏光面角度を、フリー層１０の磁化状態に応じて変えることによって、光の強弱を作り出すことができる。これによって、光を空間的にコントロールすることができる。このとき、磁気光学効果による光の偏光面回転角度の大きさによって、光のコントラストの強弱比が決まるため、偏光面回転角度を大きくできればそれだけ光の強弱比を大きくすることが可能となり、性能向上が図れる。

ここで、本発明の空間光変調器１においては、図２（Ａ）に示すように、垂直磁気異方性材料で形成されているピンド層（磁性膜）８は、矢印Ａで示すように、ピンド層８に対して垂直の磁化方向に磁化される。一方、上部電極５と下部電極３との間を流れる電流の向きに応じて、垂直磁気異方性材料で形成されているフリー層１０の磁化方向は、矢印Ｂの方向（矢印Ａの方向と同じ向き：図２（Ａ））か、あるいは矢印Ｂの方向と反対の磁化方向（矢印Ｃの方向：図２（Ｂ））となる。そして、下部電極３から上部電極５の向き（図１（Ａ）に示す矢印Ｅ１の方向）に電流が流されている光変調部、すなわち、光変調部４ａでは、図２（Ａ）に示すように、ピンド層８とフリー層１０の磁化方向は同一の方向（矢印Ａ、Ｂの方向）となる。このとき、フリー層１０で反射された反射光Ｌ４ａは、図３（Ａ）に示すように、入射光Ｌ３ａに対して偏光面が＋θｋ度回転した偏光面回転角度（Ｐ２）を有する偏光となって、ハーフミラー１２で反射され、反射光Ｌ５ａとして偏光フィルター１３ｂに入射する。そして、偏光フィルター１３ｂによって、所定の偏光面回転角度の光のみが選択されて、偏光フィルター１３ｂを透過する。このとき、フリー層１０の磁化方向は、スピン注入磁化反転を利用して制御できる。このフリー層１０の磁化方向は、外部から磁界を印加しない限り右向き、左向きのどちらも安定状態で、スピン注入磁化反転によって磁化方向を逆にするまでそのままの向きを維持する。したがって、パルス電流を流してスピン注入磁化反転によって、一旦、フリー層１０の磁化方向を反転した後は、次に、パルス電流を流してスピン注入磁化反転によってフリー層１０の磁化方向が変わるまで、磁化方向が保持される。

また、上部電極５から下部電極３の向き(図１（Ａ）に示す矢印Ｅ２の方向)に電流が流されている光変調部、すなわち、光変調部４ｂでは、ピンド層８から非磁性中間層（非磁性膜）９を介してスピン分極された電子がフリー層１０に注入され、これによって、フリー層１０の磁化方向が反転し、矢印Ｂの方向と反対の方向（図２（Ｂ）の矢印Ｃの方向）となる。このように、フリー層１０における垂直磁化方向と、ピンド層８における垂直磁化方向とが相互に逆の方向となった状態（スピン注入磁化反転状態）では、フリー層１０で反射された反射光Ｌ４ｂは、図３（Ｂ）に示すように、入射光Ｌ３ｂに対して偏光面が−θｋ度回転した偏光面角度（Ｐ２）を有する偏光となって、ハーフミラー１２で反射され、反射光Ｌ５ｂとして偏光フィルター１３ｂに入射する。そして、偏光フィルター１３ｂによって、所定の偏光面角度の光のみが選択されて、偏光フィルター１３ｂを透過する。したがって、光変調素子６における光変調度、すなわち、反射光Ｌ２の偏光面角度を、フリー層１０の磁化状態に応じて変えることによって、光の強弱を作り出すことができる。これによって、光を空間的にコントロールすることができる。このとき、磁気光学効果による光の偏光面回転角度の大きさによって、光のコントラストの強弱比が決まるため、偏光回転角を大きくできればそれだけ光の強弱比を大きくすることが可能となり、性能向上が図れる。

本発明の空間光変調器１では、光変調部４を構成する磁性膜が垂直磁気異方性材料で形成されていることによって、大きな磁気光学効果を得ることができるとともに、飽和磁化（Ｍｓ）を小さくすることができる。そして、Ｍｓ低減によって下記の式（１）および（２）に示されるように、磁化反転電流Ｊｃを低減することができ、消費電流の小さな光変調器を実現することができる。ＪｃはＭｓの２乗に比例するためにその低減効果が非常に大きい。また、ピンド層８およびフリー層１０を構成する磁性膜の組成を選択することによって、飽和磁化（Ｍｓ）を従来材料であるＣｏやＣｏＦｅ等に比べて１／１０以上小さくすることができる。そのため、反転電流は理論上１／１００以上小さくすることができる。また、膜厚を厚くして磁気光学効果を高めても、もともとのＭｓが小さいために反転電流増加は従来材料に比べて小さくすみ、磁気光学効果を大幅に高められることがわかる。
式：スピン注入磁化反転の電流密度

式（１）および（２）において、ｔ：膜厚、Ｍｓ：飽和磁化、α：ダンピング定数、γ：磁気ジャイロ定数、Ｈａｎｉ：磁気異方性磁界、Ｈｅｆｆ：有効磁場、ｇ（θ）：スピン偏極率の関数である。

以上の実施形態においては、２つの磁性膜の間に非磁性膜が挟設された構成の光変調部を備える空間光変調器について説明したが、本発明の空間光変調器の光変調部は、この実施形態に示す構成に限定されない。例えば、磁性膜および非磁性膜は、それぞれ多層構造を有するものでもよい。例えば、Ｃｏからなる層と、Ｐｔからなる層とを交互に５層ずつ積層した構成の多層構造、または、Ｃｏからなる層と、Ｐｄからなる層とを交互に５層ずつ積層した構成の多層構造などでもよい。また、２つの磁性膜の間に非磁性膜が挟設された構成を複数組、組み合わせた構成を有するものでもよい。

以下、本発明の実施例によって、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

実施例１
Ｓｉ基板上に、下部電極として、Ｃｕ（膜厚：１００ｎｍ）／Ｔａ（膜厚：３ｎｍ）／Ｃｕ（膜厚：２０ｎｍ）の構造を有する下部電極を形成した後、スパッタリング法を用いてＴｂＦｅＣｏからなるピンド層（膜厚：２０ｎｍ）、Ｃｕからなる非磁性中間層（膜厚：６ｎｍ）、ＧｄとＦｅを含むフリー層（膜厚：１０ｎｍ、Ｇｄ／Ｆｅの含有割合：Ｇｄ２２％、Ｆｅ７８％（原子比））、Ｃｕ保護層（膜厚：３ｎｍ）、Ｒｕ保護層（３ｎｍ）の順で成膜して構成される多層構造の薄膜を形成した。さらに、その薄膜の上にＩＴＯからなる透明電極を形成して光変調素子を作製した。
ここで、この薄膜におけるフリー層およびピンド層の材料に関する磁気光学特性および磁気特性（偏光面回転角度θｋ、飽和磁束密度Ｂｓ、保磁力Ｈｃ）を、従来の磁性膜材料であるＣｏＦｅについての磁気光学特性および磁気特性と対比して、下記の表１に示す。

表１に示すとおり、従来材料のＣｏＦｅに比べて磁気光学効果は１０倍以上大きくすることが可能となる。またＨｃは２０Ｏｅ程度と小さくスピン注入によって磁化反転が容易に起こることが分かる。ＴｂＦｅＣｏの保磁力Ｈｃは４〜６ｋＯｅと格段に大きいために磁化反転しにくく、ピンド層としての性能が高いことが分かる。

次に、前記に得られた薄膜を、１９０℃で１時間熱処理した後の磁気光学特性（ＧｄＦｅからなるフリー層の磁化反転）を、図４（Ａ）に示す。また、図４（Ｂ）は、±２０ｋＯｅを印加した磁気光学特性（フリー層ＧｄＦｅ・ピンド層ＴｂＦｅＣｏの磁化反転）を示す。
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、フリー層によるカー回転角はθｋ＝０．１２度と従来のＣｏＦｅ（θｋ＝０．００４）と比較して数十倍になっていることがわかる。

また、この薄膜の表面に、図１（Ｂ）に示す構造の下部電極を形成するため、パターニングした。まず、薄膜の表面に、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）によって、光変調素子構造および下部電極をエッチングによって形成し、さらにエッチングした部分にＳｉＯ_２を成膜してエッチングした部分を埋め込んだ。その後、リフトオフによって、余分なＳｉＯ_２を除去した。次に、電子線（ＥＢ）描画によって１１０×１９０ｎｍ^２の素子パターンをレジストによって形成した。次いで、フリー層およびＣｕからなる非磁性中間層までイオンビームエッチングによってエッチングし、さらに、ＳｉＯ_２をエッチングした分だけ成膜した。そして、リフトオフを行うことで光変調部をメサ状に形成した。インジウム酸化スズからなる上部透明電極を成膜して、図１（ｂ）に示す構造の光変調素子を作製した。

図５は、光変調素子における偏光面回転角度とフリー層の膜厚の関係（膜厚依存性）を示すグラフである。
図５に示すとおり、ＧｄＦｅからなるフリー層の膜厚を厚くすると、それにほぼ比例して偏光面回転角度が大きくなり、光変調度を大きく改善できることが分かる。しかし、従来、一般に、厚いフリー層をスピン注入磁化反転させることは簡単ではなく、厚さが１０ｎｍ以上のフリー層のスピン注入磁化反転は実現されていなかった。

しかしながら、本実施例における光変調素子では、磁気特性やスピンバルブ構造を最適化することによって、図６に示すように、スピン注入磁化反転に成功した。図６は、本実施例で作製した光変調素子（ＧｄＦｅ厚１０ｎｍ）に、パルス幅５０μｓのパルス電流を印加したときの、電流の大きさと、その時の素子の抵抗値の関係を表したグラフである。この図６から、パルス電流を加えることで抵抗値が変化してスピン注入磁化反転が起きていることがわかる。したがって、従来材料に比較して、３０倍程度の偏光面回転角度を得ることができ、光変調度が大きく改善できることが分かった。

（Ａ）は、本発明の実施形態に係る空間光変調器の構造を示す概念図、（Ｂ）は、その上面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、本発明の実施形態に係る空間光変調器の光変調部の構成および各層の磁化方向を示す模式断面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ異なる磁化状態の光変調部による反射光の偏光面角度を示す概念図である。 （Ａ）は、実施例１で作製した多層構造の薄膜におけるＧｄＦｅからなるフリー層の磁気光学特性を示すグラフ、（Ｂ）は、実施例１で作製した多層構造の薄膜におけるＧｄＦｅからなるフリー層と、ＴｂＦｅＣｏからなるピンド層の磁気光学特性を示すグラフである。 空間光変調素子における偏光角とフリー層の膜厚との関係を示すグラフである。 実施例１で作製した空間光変調素子におけるスピン注入磁化反転を示すグラフである。 （Ａ）は、従来の光変調器の構成を示す概念図、（Ｂ）および（Ｃ）は異なる磁化状態の光変調部による反射光の偏光面角度を示す概念図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、従来の空間光変調器の光変調部の構成および各層の磁化方向を示す模式断面図である。

符号の説明

１ 空間光変調器
２ 基板
３ 下部電極
４ 光変調部
５ 上部電極
６ 光変調素子
７ 下地層
８ ピンド層（磁性膜）
９ 非磁性中間層（非磁性膜）
１０ フリー層（磁性膜）
１１ 保護層
１２ ハーフミラー
１３ 偏光フィルター

Claims (8)

1. 基板と、２層以上の磁性膜と１層以上の非磁性膜を積層してなる多層構造の光変調部と、前記光変調部に電流を流すための電極と、前記光変調部からの反射光の偏光を検出する偏光フィルターとを具備する空間光変調器であって、
   前記磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることを特徴とする空間光変調器。
2. 前記磁性膜の少なくとも１つが、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
3. 前記光変調部が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびその合金、ならびに希土類金属を含む合金からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる磁性膜と、ＣｏＦｅからなる磁性膜とを含む多層構造を有することを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
4. 前記２層以上の磁性膜の全てが垂直磁気異方性を有する磁性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
5. 前記２層以上の磁性膜において、非磁性膜を挟む片側の磁性膜がＴｂを含み、もう一方の側の磁性膜がＧｄを含むことを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
6. 前記磁性材料の磁化補償温度が、空間光変調器の動作温度以下であることを特徴とする請求項１に記載の空間光変調器。
7. 前記磁性膜が、ＭｎおよびＢｉを含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の空間光変調器。
8. 前記光変調部に入射光を垂直に入射させるとともに、前記光変調部からの反射光を反射して偏光フィルターに入射させるハーフミラーを有することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の空間光変調器。

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