JP5054640B2 - Light modulation element, light modulator, display device, holography device, and hologram recording device - Google Patents
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Description
本発明は、磁化方向の変化を利用した光変調素子、この光変調素子を用いた光変調器、この光変調器を用いた表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置に関する。 The present invention relates to a light modulation element using a change in magnetization direction, a light modulator using the light modulation element, a display device using the light modulator, a holography device, and a hologram recording device.
光の位相や振幅を空間的に変調する光学素子は、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、2次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術等への応用も研究されている。 Optical elements that spatially modulate the phase and amplitude of light are applied to image exposure apparatuses such as holography, and are widely used in fields such as display technology and recording technology. In addition, since optical information can be processed in two dimensions in parallel, application to optical information processing technology and the like has been studied.
代表的な空間光変調器(SLM)として、液晶パネルを用いたものが挙げられる。この液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が2枚の透明な基板で挾まれた構造をしており、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、プラスチックを用いることもある。透明基板の内面には、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おり、透明電極の材料には、抵抗値が低く形状を作製するのが容易なインジウムスズ酸化物(ITO)が広く用いられている。しかしながら、液晶パネルにおけるSLMは、ピクセルサイズが数μm以下の微細化は困難であり、応答時間も数十μs程度と非常に遅い。 A typical spatial light modulator (SLM) includes a liquid crystal panel. This liquid crystal panel has a structure in which an oily and transparent liquid crystal material is sandwiched between two transparent substrates, and glass is often used as the transparent substrate, but plastic can also be used. is there. A transparent electrode is provided on the inner surface of the transparent substrate as an electrode for applying a voltage to the liquid crystal, and the material of the transparent electrode is indium tin oxide (ITO) having a low resistance value and easy to form. Widely used. However, an SLM in a liquid crystal panel is difficult to be miniaturized with a pixel size of several μm or less, and the response time is very slow, about several tens of μs.
そこで、微細化の問題と応答速度の問題を解決するために、特許文献1あるいは特許文献2に示すような、磁性ガーネットのファラデー効果を利用した高速応答の磁気光学式空間光変調器(MOSLM)の例が開示されている。
Accordingly, in order to solve the problem of miniaturization and the response speed, a high-speed magneto-optical spatial light modulator (MOSLM) using the Faraday effect of magnetic garnet as shown in
特許文献1に記載された磁気光学式空間光変調器は、各ピクセルに対応した領域毎に個別に光反射膜を形成し、局所熱処理と光反射膜により印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離したMOSLM、あるいは各ピクセルの外形に一致するようにXY駆動ラインを形成し、局所熱処理とXY駆動ラインにより印加される応力とで各ピクセル間が磁気的に分離されているMOSLMであり、ピクセル間の距離をピクセルサイズ以下に狭めることが可能となる。そして、磁性ガーネットがシングルドメイン構造を形成されていれば、XY駆動ラインにパルス電流を印加することによって、磁性ガーネットの磁化を反転させることができる。
In the magneto-optic spatial light modulator described in
また、特許文献2に記載された磁気光学式空間光変調器は、磁性ガーネット膜中に、それぞれ独立に磁化方向を設定できファラデー効果により入射光に対して磁化方向に応じた偏光方向の回転を与える多数のピクセルが2次元的に間隙をあけて配列されており、各ピクセルの磁化方向を個別に制御するための磁界を発生するXY駆動ラインを備えている。そして、XY駆動ラインヘの通電が合致したピクセルに対して合成磁界を印加し、選択的に磁化反転をする構造となっている。
In addition, the magneto-optical spatial light modulator described in
なお、非特許文献1においては、本発明と同様にスピン注入磁化反転素子を複数個並べて画素を形成し、縦カー効果を測定することによって電流パルスによる光変調動作を検証する実験が報告されている。
しかしながら、特許文献1に示すMOSLMにおいては、XY駆動ラインをピクセルの外周に沿って配する構造となっているために、ピクセルにおける数μm以下の微細化を図るには、十分ではないという問題がある。特許文献2に示すMOSLMでは、電流による合成磁界を利用するために、ピクセルの微細化をすると、隣接ピクセルヘのクロストークが大きくなるという問題がある。非特許文献1に示す素子においては、磁性膜に面内磁気異方性の材料を用いているために、光変調素子で反射した偏光のカー回転角が小さいという問題がある。そのため、これらの技術においては、高精細な光変調を高速に行うには不十分という問題がある。
However, since the MOSLM shown in
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、応答速度が速く、画素の微小化による精細な光変調を可能とする光変調素子、この光変調素子を用いて構成される光変調器、この光変調器を用いて構成される表示装置、ホログラフィ装置及びホログラム記録装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, a light modulation element that has a high response speed and enables fine light modulation by miniaturization of pixels, a light modulator configured using the light modulation element, It is an object of the present invention to provide a display device, a holography device, and a hologram recording device that are configured using this optical modulator.
本発明に係る光変調素子は、固定磁化膜層と、非磁性中間膜層と、自由磁化膜層とがこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記固定磁化膜層と前記自由磁化膜層における磁気の方向が膜面に垂直な方向であり、前記自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光または透過光の偏光方向を変化させる光変調素子であって、前記固定磁化膜層は、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有し、前記自由磁化膜層が、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有し、前記自由磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さが、前記固定磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さよりも薄く、前記固定磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さが0.8〜1.5nmであることを特徴とする。 The light modulation element according to the present invention has a spin-injection magnetization reversal element structure in which a fixed magnetization film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetization film layer are stacked in this order. The direction of magnetism in the free magnetic film layer is a direction perpendicular to the film surface, and the reflected light with respect to the polarization direction of light incident on the free magnetic film layer by changing the magnetization state in the free magnetic film layer or an optical modulation element for changing the polarization direction of the transmitted light, the fixed magnetic layer may have a cobalt layer and the platinum layer are alternately laminated, wherein the free magnetic layer is comprised of cobalt The platinum film layer has a structure in which the film layers and the platinum film layers are alternately stacked, and the thickness of one of the platinum film layers constituting the free magnetization film layer is one of the platinum film layers constituting the fixed magnetization film layer. The platinum film layer constituting the fixed magnetization film layer is thinner than the layer thickness. The thickness of the layer is characterized in that it is a 0.8~1.5Nm.
このような構成によれば、本発明に係る光変調素子では、自由磁化膜層の磁化方向を膜面に対して垂直にしているために、入射角を小さくして光の入射方向と磁気の方向とを平行に近づけることが容易となるため、大きな光磁気効果を得ることができる。さらに、固定磁化膜層がコバルト膜層と白金膜層を交互に積層した多層構造で形成されることで、固定磁化膜層の保磁力を自由磁化膜層よりも大きくすることができる。そのため、自由磁化膜層におけるスピン注入磁化反転動作(自由磁化膜層における磁化の向きの反転と維持)が安定する。
また、白金膜層の厚さが薄い方が、保持力は小さく、白金膜層の厚さを厚くすると、保持力が大きくなるため、自由磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さを、前記固定磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さよりも薄くすることで、固定磁化膜層の保磁力を自由磁化膜層よりも、さらに大きくすることができる。
According to such a configuration, in the light modulation element according to the present invention, since the magnetization direction of the free magnetic film layer is perpendicular to the film surface, the incident angle is reduced to reduce the incident direction of the light and the magnetic field. Since it becomes easy to make the direction close to parallel, a large magneto-optical effect can be obtained. Furthermore, since the fixed magnetization film layer is formed in a multilayer structure in which cobalt film layers and platinum film layers are alternately stacked, the coercive force of the fixed magnetization film layer can be made larger than that of the free magnetization film layer. Therefore, the spin injection magnetization reversal operation (reversal and maintenance of the magnetization direction in the free magnetic film layer) in the free magnetic film layer is stabilized.
In addition, the thinner the platinum film layer, the smaller the coercive force, and the thicker the platinum film layer, the greater the coercive force. Therefore, the thickness of one of the platinum film layers constituting the free magnetic film layer By making the thickness smaller than the thickness of one of the platinum film layers constituting the fixed magnetization film layer, the coercive force of the fixed magnetization film layer can be made larger than that of the free magnetization film layer.
本発明に係る光変調素子は、前記自由磁化膜層は、希土類元素と遷移元素との金属間化合物であることが好ましい。 Light modulation element according to the present invention, the prior SL free magnetic layer is preferably an intermetallic compound of a transition element and rare earth elements.
このような構成によれば、希土類元素と遷移元素との金属間化合物は、薄い膜厚でも大きな光磁気効果(カー効果)を示すため、自由磁化膜層を、このような金属間化合物とすることで、光磁気効果(磁気カー効果)を大きくすることができ、さらに、自由磁化膜層が低飽和磁化(MS)となり、MSの大きさに比例する磁化反転電流密度JCを低減することができる。 According to this structure, an intermetallic compound of a transition element and a rare earth element is a thin film which can exhibit a large magnetic optical effect (Kerr effect) in thickness, the free magnetic layer, such intermetallic compound Thus, the magneto-optical effect (magnetic Kerr effect) can be increased, and the free magnetization film layer has low saturation magnetization (M S ), and the magnetization reversal current density J C is proportional to the magnitude of M S. Can be reduced.
本発明に係る光変調素子は、前記固定磁化膜層の下側に、5nm以上の厚さの白金膜層からなる下地層を設けることが好ましい。
このような構成によれば、5nm以上の厚さの白金膜層からなる下地層を設けることで、固定磁化膜層の保磁力がさらに大きくなり、固定磁化膜層の保磁力を自由磁化膜層よりも、さらに大きくすることができる。
In the light modulation element according to the present invention, it is preferable to provide a base layer made of a platinum film layer having a thickness of 5 nm or more below the fixed magnetization film layer.
According to such a configuration, by providing an underlayer made of a platinum film layer having a thickness of 5 nm or more, the coercive force of the fixed magnetization film layer is further increased, and the coercivity of the fixed magnetization film layer is reduced to the free magnetization film layer. Can be made even larger.
本発明に係る光変調器は、このような光変調素子が二次元アレイ状に配置されてなることを特徴とする。
本発明に係る光変調素子は、ピクセルの微細化が可能で高速応答性を有するため、このような構成によれば、高精細な光変調を高速に行うことができる。
The light modulator according to the present invention is characterized in that such light modulation elements are arranged in a two-dimensional array.
Since the light modulation element according to the present invention enables miniaturization of pixels and high-speed response, according to such a configuration, high-definition light modulation can be performed at high speed.
本発明に係る表示装置は、前記した光変調器と、この光変調器から出射した光を投影するスクリーンとを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。
A display device according to the present invention includes the above-described optical modulator and a screen that projects light emitted from the optical modulator.
According to such a configuration, a high-definition image / video expression can be achieved at a high display speed.
本発明に係るホログラフィ装置は、物体光と参照光とによって形成された干渉縞を撮影する撮像手段と、前記撮像手段に記録された画像信号を前記した光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とする。
このような構成によれば、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。
The holography device according to the present invention includes an imaging unit that captures interference fringes formed by object light and reference light, and an image reproducing unit that reproduces an image signal recorded in the imaging unit using the optical modulator described above. It is characterized by comprising.
According to such a configuration, a high-definition stereoscopic image can be reproduced at a high display speed.
本発明に係るホログラム記録装置は、所定の情報を2系統の光を用いて記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、前記した光変調器と、前記2系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記2系統の光のうちの少なくとも1系統の光変調を、前記光変調器を用いて行うことを特徴とする。
このような構成によれば、記録の多重度を格段に向上させることができ、また、前記2系統の光の光変調を、それぞれ前記光変調器を用いて行うことにより、記録の多重度をさらに向上させることができる。
The hologram recording apparatus according to the present invention is a hologram recording apparatus that records predetermined information on a recording medium using two systems of light, and the optical modulator described above and the two systems of light are incident on the recording medium. Imaging means for detecting a change in the state of the recording medium as phase information at the time, and based on the phase information detected by the imaging means, at least one light modulation of the two light systems is performed. , Using the optical modulator.
According to such a configuration, the multiplicity of recording can be remarkably improved, and the multiplicity of recording can be increased by performing optical modulation of the two systems of light using the optical modulator, respectively. Further improvement can be achieved.
本発明に係る光変調素子では、固定磁化膜層の保磁力を自由磁化膜層よりも大きくすることができるため、自由磁化膜層において、安定したスピン注入磁化反転動作を行うことができる。そのため、高精細な光変調を高速に行うことができる。また、本発明によれば、このような光変調素子の特性に起因するピクセルサイズ2μm以下で応答速度が数十ns〜数ps程度の高精細な光変調特性と高速応答性とを備えた光変調器や表示装置、ホログラフィ装置、ホログラム記録装置を実現することができる。 In the light modulation element according to the present invention, since the coercive force of the fixed magnetization film layer can be made larger than that of the free magnetization film layer, a stable spin injection magnetization reversal operation can be performed in the free magnetization film layer. Therefore, high-definition light modulation can be performed at high speed. In addition, according to the present invention, light having a high-definition light modulation characteristic and a high-speed response with a pixel size of 2 μm or less and a response speed of about several tens of ns to several ps due to such characteristics of the light modulation element. A modulator, a display device, a holography device, and a hologram recording device can be realized.
本発明に係る光変調器では、高精細な光変調を高速に行うことができる光変調素子を用いるため、ピクセルサイズ2μm以下で応答速度が数十ns〜数ps程度の高精細・高速応答を実現することができる。 Since the optical modulator according to the present invention uses an optical modulation element capable of performing high-definition optical modulation at high speed, a high-definition and high-speed response with a pixel size of 2 μm or less and a response speed of several tens to several ps is achieved. Can be realized.
本発明に係る表示装置では、画像・映像表現において、高精細とすることができ、また、表示速度を速くすることができる。本発明に係るホログラフィ装置では、立体画像の再現において、高精細とすることができ、また、表示速度を速くすることができる。本発明に係るホログラム記録装置では、記録の多重度を格段に向上させることができる。 In the display device according to the present invention, high-definition can be achieved in image / video expression, and the display speed can be increased. In the holography device according to the present invention, high-definition can be achieved in the reproduction of a stereoscopic image, and the display speed can be increased. In the hologram recording apparatus according to the present invention, the multiplicity of recording can be remarkably improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
《光変調器》
<全体構造>
図1(a)に本発明の一実施形態に係る光変調器の概略構成を模式的に表した平面図を示し、図1(b)に図1(a)に示す矢視A−A断面図を示し、図1(c)に光変調器に用いられている光変調素子の構造を模式的に表した図を示し、図2に光変調素子の具体的な構造を模式的に表した図を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<Optical modulator>
<Overall structure>
FIG. 1A is a plan view schematically showing a schematic configuration of an optical modulator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. FIG. 1 (c) schematically shows the structure of the light modulation element used in the light modulator, and FIG. 2 schematically shows the specific structure of the light modulation element. The figure is shown.
[第1実施形態]
第1実施形態に係る光変調素子は、自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって、前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその反射光の偏光方向を変化させるものである。
[First Embodiment]
The light modulation element according to the first embodiment changes the polarization direction of reflected light with respect to the polarization direction of light incident on the free magnetic film layer by changing the magnetization state in the free magnetic film layer. is there.
図1(a),(b)に示すように、光変調器(空間光変調器)10は、基板14と、基板14上に一定間隔で平行に設けられた帯状の下部電極13と、下部電極13上に一定間隔で設けられた光変調素子11と、下部電極13とで光変調素子11を挟むように一定間隔で平行に設けられた帯状の上部透明電極12と、を備えている。また、後記するように、上部透明電極12の上方には、ハーフミラー16、偏光フィルタ17、18が配置されており、光変調素子11からの反射光をハーフミラー16で反射させ、反射光の偏光面の角度に応じて、偏光フィルタ18が、その反射光を透過し或いは遮光する(図3参照)。
As shown in FIGS. 1A and 1B, an optical modulator (spatial light modulator) 10 includes a
図1(a)に示すように、この光変調器10の駆動(動作)は制御装置80によって制御され、制御装置80は、複数の下部電極13の中から電圧を印加する電極を選択する下部電極選択部82と、複数の上部透明電極12の中から電圧を印加する電極を選択する上部電極選択部83と、下部電極選択部82と上部電極選択部83とに電力を供給する電源81と、下部電極選択部82と上部電極選択部83及び電源81の動作制御を司る制御部84とを備えている。以下、各構成要素について説明する。
As shown in FIG. 1A, the drive (operation) of the
<基板>
基板14は、下部電極13、光変調素子11及び上部透明電極12を形成するための土台となるものである。光変調器10では、後記するように、光変調素子11に入射した後に反射される光を利用するため、第1実施形態においては、基板14に透光性は要求されず、下部電極13、光変調素子11及び上部透明電極12を形成(成膜)する際の成膜環境に耐えられるものであればよい。したがって、基板14としては、シリコン基板、プラスチック基板、Siウエハ、ガラス基板、セラミックス基板等を用いることができる。
<Board>
The
<下部電極>
下部電極13は、光変調素子11に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器10では、ここでは、光変調素子11を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、下部電極13は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で基板14上に設けられている。下部電極13を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅(Cu)が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金(Au)や白金(Pt)等の貴金属を用いてもよい。なお、第1実施形態においては、基板14に透光性は要求されないが、IZO、ITO等の透明電極材料を用いてもよい。下部電極13の幅は、下部電極13上に形成する光変調素子11の形状に合わせて、適宜、定められる。
<Lower electrode>
The
<上部透明電極>
上部透明電極12は、光変調素子11に電圧を印加するための一対の電極の片方の電極である。光変調器10では、縦横に一定間隔で二次元配置された光変調素子11の中から選ばれる任意の素子に電圧を印加することができるように、上部透明電極12は、一定幅の帯状形状を有し、その長手方向が下部電極13の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されている。上部透明電極12としては、IZO、ITO等の透明電極材料が好適に用いられる。
<Upper transparent electrode>
The upper
<光変調素子>
光変調素子11は、下部電極13と上部透明電極12との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子11に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて反射する役割を担う。光変調素子11の平面視(図1(a))での大きさは、例えば、100nm×300nmの大きさからなり、光変調器10では、光変調素子11は、二次元マトリックス状(縦横に一定間隔で二次元配置された状態)に配置されており、1個の光変調素子11が1画素となっているが、光変調素子11は2個以上から構成されていてもよい。光変調素子11の形状は長方形(矩形)に限定されるものではない。光変調素子11同士の間隔は、上部透明電極12、下部電極13及び光変調素子11の成膜技術(後述するように、半導体製造プロセスが好適に用いられる)の精度に依存し、適宜、定められる。
<Light modulation element>
When a certain voltage is applied between the
光変調素子11としては、所謂、CPP−GMR(Current Perpendicular to Plane − Giant MagnetoResistance)型またはトンネル電流型の磁気抵抗素子(MR素子)構造を有するものが用いられ、図1(c)に示すように、下部電極13側から、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25が逐次積層された構造を有しており、保護膜層25上に上部透明電極12が設けられる。光変調器10は、このような光変調素子11を二次元マトリックス状に配置することにより、メサ構造を有する。なお、ここでは、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25からなる光変調素子11を図示しているが、下地層21、保護膜層25は、必要に応じて設ければよい。なお、図1(c)では、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護層25の順に積層した場合を図示したが、下地層21、自由磁化膜層24、非磁性中間膜層23、固定磁化膜層22、保護層25の順に積層して、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24を入れ替えた膜構成としてもよい。
As the
[下地層]
下地層21は、必要に応じて、固定磁化膜層22の下側、すなわち、固定磁化膜層22と下部電極13の間に設けられる層であり、5nm以上の厚さの白金膜層からなるものである。固定磁化膜層22の下地として下地層を挿入することで、固定磁化膜層22の保磁力を増大することができ、より安定したスピン注入磁化反転動作をさせることができる。なお、下地層21の厚さは、図12に示すように、厚くし過ぎても保磁力が飽和する傾向があるため、10nm以下が好ましい。
[Underlayer]
The
[固定磁化膜層]
固定磁化膜層22は、自由磁化膜層24と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用し、画素を構成する光変調素子11に対して垂直な方向に光を入射及び反射させる極カー効果を用いる。磁気カー効果を最大限に得ることができる入射光の方向は、磁化の方向と平行な方向であるため、垂直磁気異方性を持つことで、自由磁化膜層24の膜面に垂直な方向から光変調素子11に光を入射及び反射させることができ、極カー効果を大きくすることができる。
[Fixed magnetic film layer]
The fixed
つまり、磁気カー効果の大きさは入射する光の波数ベクトルと磁性体の磁化ベクトルとのスカラー積に比例するため、一般に極カー効果は、スピン注入光変調素子の膜面に対して斜め方向から入射させる縦カー効果や横カー効果に比べて大きなカー回転角(θK)を得ることができる。したがって、面内磁化に比べて、θKを増大することができるため、光変調器10としての性能を向上させることができる。
In other words, since the magnitude of the magnetic Kerr effect is proportional to the scalar product of the wave vector of incident light and the magnetization vector of the magnetic material, the polar Kerr effect is generally observed from an oblique direction with respect to the film surface of the spin injection light modulation element. A large Kerr rotation angle (θ K ) can be obtained as compared with the incident vertical Kerr effect and horizontal Kerr effect. Therefore, as compared with the in-plane magnetization, it is possible to increase the theta K, it is possible to improve the performance of the
図2に示すように、固定磁化膜層22は、コバルト膜層と白金膜層を交互に積層した多層構造(以下、「Co/Pt多層膜」という)とする。Co/Pt多層膜は、所謂、人工格子膜の1つであり、コバルト膜層単層では磁化は面内に向くのに対し、Co/Pt多層膜では、コバルト膜層の磁化が膜面と垂直な方向に向く。また、白金膜層の厚さが薄い方が、保持力は小さく、白金膜層の厚さを厚くすると、保持力が大きくなる。そして、固定磁化膜層22をこのような構造とすることで、固定磁化膜層22の保磁力を増大させることができ、固定磁化膜層22の保磁力を、自由磁化膜層24よりも大きくすることができる。なお、自由磁化膜層24におけるスピン注入磁化反動作を確実にするためには、固定磁化膜層22の保磁力は500[Oe]以上が好ましい。
As shown in FIG. 2, the fixed
ここで、コバルト膜層及び白金膜層の厚さや、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、特に限定されるものではないが、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、コバルト膜層の厚さは、0.4〜1.5nmが好ましく、白金膜層の厚さは、0.8〜1.5nmが好ましく、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、コバルト膜層と白金膜層を一組として、3〜20が好ましい。なお、コバルト膜層と白金膜層の積層順序は特に規定されるものではなく、図2に示すように、コバルト膜層を固定磁化膜層22の最下部に配置してもよく、白金膜層を最下部に配置してもよい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、固定磁化膜層22の厚さは、10〜30nmが好ましい。
Here, the thickness of the cobalt film layer and the platinum film layer and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer are not particularly limited, but if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thin, Further, if the number of stacked layers is too small, the coercive force is lowered. On the other hand, if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thick, and if the number of stacked layers is too large, the perpendicular magnetic anisotropy is deteriorated. Therefore, the thickness of the cobalt film layer is preferably 0.4 to 1.5 nm, the thickness of the platinum film layer is preferably 0.8 to 1.5 nm, and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer is 3-20 are preferable for a cobalt film layer and a platinum film layer as a set. Note that the order of stacking the cobalt film layer and the platinum film layer is not particularly defined, and as shown in FIG. 2, the cobalt film layer may be disposed at the lowermost portion of the fixed
なお、後記するように、自由磁化膜層24もコバルト膜層と白金膜層を交互に積層した多層構造とする場合には、自由磁化膜層24を構成する白金膜層の1層の厚さを、固定磁化膜層22を構成する白金膜層の1層の厚さよりも薄くする。このような構造とすることで、固定磁化膜層22の保磁力がさらに増大し、固定磁化膜層22の保磁力を、自由磁化膜層24よりも、さらに大きくすることができる。
As will be described later, when the free
また、固定磁化膜層22と非磁性中間膜層23の界面に配置される層である界面層(第1界面層)S1は、コバルト膜層で形成するのが好ましい。また、CoFeB合金を用いてもよい。CoFeB合金を用いることで、後記する非磁性中間膜層23にアルミナ(Al2O3)等のアモルファス絶縁体を用いてトンネル電流を流すことやマグネシア(MgO)の(100)結晶と組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことにより、駆動電流を低減することができる。これは、非磁性中間膜層23に極薄絶縁層(膜厚0.5〜1.5nm)を用いたTMR構造の場合、固定磁化膜層22と非磁性中間膜層23の間、および自由磁化膜層24と非磁性中間膜層23の間のスピン偏極率がそれぞれ駆動電流低減に大きく寄与するためである。例えば、界面層にコバルト膜層(Co)、非磁性中間膜層23にMgOを用いたCo/MgO/Co接合では、CoとMgO間でのスピン偏極が非常に大きくなり、理論的には大幅な電流低減を図ることが可能となる。なお、第1界面層S1の厚さは、固定磁化膜層22を構成するコバルト膜層の1層の厚さに等しくする必要はなく、0.1〜1nmの範囲であれば、固定磁化膜層22の垂直磁気異方性は劣化しない。
Further, the interface layer (first interface layer) S 1 that is a layer disposed at the interface between the fixed
[非磁性中間膜層]
非磁性中間膜層23は、固定磁化膜層22と自由磁化膜層24の間に配置されるものである。光変調素子11がCPP−GMR型の磁気抵抗素子の場合には、非磁性中間膜層23として、非磁性金属が用いられる。非磁性中間膜層23は、自由磁化膜層24と固定磁化膜層22の磁化状態を分離するために必要であり、自由磁化膜層24と固定磁化膜層22との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。
たとえば、下部電極13、固定磁化膜層22、非磁性中間層22、自由磁化膜層22、上部透明電極12の順に積層された素子において、上部透明電極12が正の電圧となるように下部電極13と上部透明電極12間に電圧を印加すると、下部電極13から注入された電子は固定磁化膜層22の内部で固定磁化膜層22の磁化方向にスピンを揃え(スピン偏極)、そのスピン偏極した電子が非磁性中間層23内をスピンを保持したまま通過し、自由磁化膜層24に注入される。自由磁化膜層24の内部では、自由縞膜層24の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて自由磁化膜層24内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させるために、結果として自由磁化膜層24の磁化方向が反転する。このように、非磁性中間層23はスピンの通路として機能するため、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長(スピンを保持する距離)の長い材料を用いるのが望ましい。非磁性金属材料の場合にはCuやAlなどが望ましく、ZnOなどの半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、1〜10nmが好ましい。
[Non-magnetic interlayer]
The nonmagnetic
For example, in an element in which the
また、非磁性中間膜層23としては、マグネシア(MgO)やアルミナ(Al2O3)等の絶縁体を用いることができる。その場合、光変調素子11の構造は、トンネル電流型の磁気抵抗素子(TMR素子)となる。
Further, as the nonmagnetic
[自由磁化膜層]
自由磁化膜層24は、上部透明電極12と下部電極13との間に印加される電圧の向きに応じて(つまり、光変調素子11を流れる電流の向きに応じて)、注入される電子のスピンと自由磁化膜層24内の電子スピンとの相互作用により自由磁化膜層24内の磁化の向きが反転するものである。自由磁化膜層24は、固定磁化膜層22と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。
[Free magnetic film layer]
The free
図2に示すように、自由磁化膜層24は、Co/Pt多層膜とするのが好ましい。また、この場合、前記したように、白金膜層の厚さが薄い方が、保磁力は小さく、白金膜層の厚さを厚くすると、保磁力が大きくなるため、自由磁化膜層24を構成する白金膜層の1層の厚さが、固定磁化膜層22を構成する白金膜層の1層の厚さよりも薄くする。なお、保磁力は、印加する電流の向きを変えたときの磁化の向きの反転が容易に起こるように、固定磁化膜層22の保磁力よりも小さくする必要がある。ただし、あまり小さくすると外部磁界や温度の影響で反転してしまう可能性もあるため、保磁力の大きさは200[Oe]以上が好ましい。
As shown in FIG. 2, the free
コバルト膜層及び白金膜層の厚さや、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、特に限定されるものではないが、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが薄すぎると、また、積層数が少なすぎると、保磁力が低下し、一方、コバルト膜層あるいは白金膜層の厚さが厚すぎると、また、積層数が多すぎると、垂直磁気異方性が劣化する。したがって、コバルト膜層の厚さは、0.2〜0.5nmが好ましく、白金膜層の厚さは、0.8〜1.0nmが好ましく、コバルト膜層と白金膜層の積層数は、コバルト膜層と白金膜層を一組として、1〜8が好ましい。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、自由磁化膜層24の厚さは、20nm以下とするのが好ましい。
The thickness of the cobalt film layer and the platinum film layer and the number of laminations of the cobalt film layer and the platinum film layer are not particularly limited, but if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thin, If the number is too small, the coercive force is lowered, while if the thickness of the cobalt film layer or the platinum film layer is too thick, or if the number of stacked layers is too large, the perpendicular magnetic anisotropy is deteriorated. Therefore, the thickness of the cobalt film layer is preferably 0.2 to 0.5 nm, the thickness of the platinum film layer is preferably 0.8 to 1.0 nm, and the number of layers of the cobalt film layer and the platinum film layer is 1-8 are preferable for a cobalt film layer and a platinum film layer as a set. From the viewpoint of coercive force and perpendicular magnetic anisotropy, the thickness of the free
あるいは、自由磁化膜層24は、希土類元素と遷移元素との金属間化合物で構成してもよい。このような金属間化合物は、薄い膜厚でも電圧が印加された際に大きな磁気カー効果を示し、大きなカー回転角(θK)を得ることができる。より具体的には、GdFe(例えば、Gd30Fe70)やTeFeCo(例えば、Te32.1Fe58.1Co9.8)等(数値は元素比〔at%〕)を示す)が好適に用いられる。これらの金属間化合物は、成膜が容易な点での利点をも有している。これらの合金を用いることで、低飽和磁化(MS)の自由磁化膜層24を形成することができる。したがって、MSの大きさに比例する磁化反転電流密度JCを低減することができる。
Alternatively, the free
なお、GdFeでは、GdとFeの磁気モーメントが互いに反対に向き合い、その組成によって、全磁気モーメントがGdの磁気モーメントの向きになるか、Feの磁気モーメントの向きになるのかが決まる。例えば、Gd30Fe70の場合には、全磁気モーメントはGdの磁気モーメントの方向に向く。 In GdFe, the magnetic moments of Gd and Fe are opposite to each other, and the composition determines whether the total magnetic moment is the direction of the magnetic moment of Gd or the direction of the magnetic moment of Fe. For example, in the case of Gd 30 Fe 70 , the total magnetic moment is in the direction of the magnetic moment of Gd.
また、希土類元素の化学的・物理的性質の類似を利用すれば、遷移金属との組み合わせによる材料変更は比較的容易であるが、希土類元素としては、得られる磁気的性質が同等である場合には、原料コストや成膜性に優れた材料を用いることが好ましい。 In addition, if the chemical and physical properties of rare earth elements are used, it is relatively easy to change the material in combination with transition metals, but rare earth elements can be obtained when the obtained magnetic properties are equivalent. It is preferable to use a material excellent in raw material cost and film formability.
また、自由磁化膜層24と非磁性中間膜層23の界面に配置される界面層(第2界面層)S2は、コバルト膜層で形成するのが好ましい。また、前記した非磁性中間膜層23にアルミナ(Al2O3)等のアモルファス絶縁体を用いてトンネル電流を流すことやマグネシア(MgO)の(100)結晶と組み合わせてコヒーレントなトンネル電流を流すことによって、駆動電流を低減できるCoFeB合金を用いてもよい。なお、第2界面層S2の厚さは、自由磁化膜層24を構成するコバルト膜層の1層の厚さに等しくする必要はなく、0.1〜1nmの範囲であれば、自由磁化膜層24の垂直磁気異方性は劣化しない。
Further, the free
[保護膜層]
保護膜層25は、必要に応じて、自由磁化膜層24の上側、すなわち、自由磁化膜層24と上部透明電極12の間に設けられる層である。保護膜層25は、自由磁化膜層24の酸化等のダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子11を形成する際の熱処理(後記する)における自由磁化膜層24の酸化を防止する。また、保護膜層25を構成する材料には、熱処理の際に自由磁化膜層24を構成する材料と反応しない性質が求められる。さらに、保護膜層25には、透光性に優れ、自由磁化膜層24の磁気カー効果を低下させない特性(換言すれば、入射光と反射光の偏光面を散乱させない特性)を有していることが要求される。このような要求を満たす材料として、Ta、Ru等を用いることができる。特にRuは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明の光変調素子11に用いることが好ましい。また、同様な理由からMRAM(Magnetic Random Access Memory)等における磁気抵抗素子の保護層に用いることもできる。
[Protective film layer]
The
<制御装置>
下部電極選択部82は、複数の下部電極13にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。上部電極選択部83もこれと同様に、複数の上部透明電極12にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源81から一定電圧が供給されており、駆動対象となる光変調素子11に下部電極13を介して接続されているスイッチング素子及び上部透明電極12を介して接続されているスイッチング素子が、制御部84からの指令(動作信号)を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子11に電圧が印加される。駆動対象となっている光変調素子11の選択と、この光変調素子11を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、制御部84によって行われる。
<Control device>
The lower electrode selection unit 82 includes a plurality of switching elements provided corresponding to the plurality of
電源81は電圧反転機能を備えている。つまり、下部電極13に正電圧を印加すると共に、上部透明電極12に負電圧を印加することができ、逆に、下部電極13に負電圧を印加すると共に、上部透明電極12に正電圧を印加することもできるようになっている。この電源81の電圧反転機能の制御もまた制御部84により行われる。制御部84は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がROMに格納されたプログラムを実行することにより、電源81、下部電極選択部82及び上部電極選択部83の動作制御が行われる。
The
<偏光フィルタ>
図3(a),(b)において、偏向軸70で示される光では、偏向軸は、ランダムな方向に向いている。偏光フィルタ17は、光変調素子11へ入射する光が偏光軸71で示される所定方向となるように、偏向軸を揃える役割を果たす。偏光フィルタ18は、ハーフミラー16で反射させた光変調素子11からの反射光を、その偏光軸の角度によって、透過させたり遮光したりする役割を果たす。この図3(a),(b)に示されている状態について、図3を参照して以下に説明する。
<Polarizing filter>
3A and 3B, in the light indicated by the
<光変調素子の駆動>
図3に第1実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層の磁気カー効果との関係を模式的に表した図を示す。図3(a),(b)には、それぞれ、下部電極13と上部透明電極12とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。図3(a),(b)に示す下地層21、固定磁化膜層22及び自由磁化膜層24の各層内に示される矢印は磁化の向き(スピンの向き)を表している。
<Driving of light modulation element>
FIG. 3 schematically shows the relationship between the voltage application mode to the light modulation element and the magnetic Kerr effect of the free magnetic film layer in the first embodiment. FIGS. 3A and 3B show forms in which the positive and negative voltages applied to the
図3(a)に示すように、上部透明電極12と下部電極13との間で電流が上部透明電極12側から下部電極13側へと膜層面に垂直に流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化(スピン)の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きと同じになる。一方、図3(b)に示すように、下部電極13側から上部透明電極12側へと膜層面に垂直に電流が流れるようにした場合には、自由磁化膜層24における磁化の向きは、固定磁化膜層22における磁化の向きとは逆になる。このように、上部透明電極12と下部電極13との間で流す電流の向きによって、自由磁化膜層24における磁化の状態が変化する。この磁化の状態変化は、数ns〜数十ns(ns:ナノ秒)と極めて高速である。なお、流す電流の大きさは、光変調素子11の面積によって変わってくるが、非磁性中間膜層23にCu等の金属薄膜を使用したCPP−GMR構造である場合、磁化反転に必要な電流密度は、約107〜108A/cm2台となる。また、非磁性中間膜層23にMgO等の極薄絶縁層を用いたTMR構造である場合、上記値より一桁程度低い値になる。
As shown in FIG. 3A, when the current flows between the upper
偏光フィルタ17を通過することにより偏光軸71で示される所定の偏光軸を有する入射光が、図3(a),(b)に示す各光変調素子11へ入射すると、自由磁化膜層24によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した反射光となって、各光変調素子11から射出される。ここでは、カー回転角について、図3(a)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される右回転が生じる方向を「正方向(+方向、+θ)」とし、図3(b)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される左回転が生じる方向を「負方向(−方向、−θ)」とする。
When incident light having a predetermined polarization axis indicated by the
そこで、反射光の進行方向に、ハーフミラー16を配置すると、反射光は、ハーフミラー16で反射する。そして、ハーフミラー16での反射光の進行方向に、偏光フィルタ18として偏光軸72と平行な偏光軸を有するものを配置すると、図3(a)の場合の反射光は偏光フィルタ18を通過することができるが、図3(b)の場合の反射光は偏光フィルタ18を通過することができない状態を作り出すことができる。光変調器10は、前記の通りに上部透明電極12と下部電極13とを選択的に駆動(電圧印加)して所望の光変調素子11に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子11毎に(画素毎に)自由磁化膜層24の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ18を通過可能な反射光とするか通過不能な反射光とするかによって、反射光の強弱(コントラスト)を制御することができる。
Therefore, when the
また、自由磁化膜層24による磁気カー効果の大きさ(カー回転角の大きさ)によって反射光のコントラストの強弱比が決まる。図3(a),(b)に示すように、反射光を透過するかまたは遮光するかの状態の場合(つまり、カー回転角が一定角度以上ある場合)には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図3(a)のように自由磁化膜層24の磁化の向きが上向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に図3(b)のように自由磁化膜層の磁化の向きが下向きである場合には「暗状態」となる。
The contrast ratio of the reflected light is determined by the magnitude of the magnetic Kerr effect (the magnitude of the Kerr rotation angle) by the free
このように、自由磁化膜層24の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって反射する光の偏光面を制御する光変調素子11として動作させることができる。なお、パルス印加後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流したり、電圧を印加したりする必要はない。すなわち、本発明の光変調素子11は自らメモリ機能を有する。
Thus, since the magnetization direction of the free
[第2実施形態]
第2実施形態に係る光変調素子は、自由磁化膜層における磁化状態を変化させることによって前記自由磁化膜層へ入射する光の偏光方向に対してその透過光の偏光方向を変化させるものである。すなわち、入射光を、入射光が入射する側とは反対側に透過させ、透過光の偏光を検出するファラデー効果を利用するものである。
[Second Embodiment]
The light modulation element according to the second embodiment changes the polarization direction of transmitted light with respect to the polarization direction of light incident on the free magnetization film layer by changing the magnetization state in the free magnetization film layer. . That is, the Faraday effect is used in which incident light is transmitted to the side opposite to the side on which incident light is incident and the polarization of the transmitted light is detected.
第2実施形態では、偏光フィルタ18を入射光が入射する側とは、反対側に配置する(図4(a),(b)参照)。
光変調素子11は、下部電極13と上部透明電極12との間に一定の電圧を印加したときに、光変調素子11に入射した入射光の偏光面をファラデー効果により一定角度回転させて透過する役割を担う。
In the second embodiment, the
When a constant voltage is applied between the
そして、入射光を透過させるため、基板14や、下部電極13も、透過性を有する必要がある。そのため、基板14としては、石英ガラス等の透過性に優れた基板を用いる。下部電極13としては、IZO、ITO等の透明電極材料を用いてもよいし、Cu等の金属膜も、薄膜であれば、一定の透過性が得られるので、用いることが可能である。
その他の構成については、第1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
And in order to permeate | transmit incident light, the board |
Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted here.
<光変調素子の駆動>
図4に第2実施形態における光変調素子への電圧印加形態と自由磁化膜層のファラデー効果との関係を模式的に表した図を示す。図4(a),(b)には、それぞれ、下部電極13と上部透明電極12とに印加する電圧の正負が逆にされた形態が示されている。
なお、自由磁化膜層24における磁化の向きについての説明は、第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
<Driving of light modulation element>
FIG. 4 schematically shows the relationship between the voltage application mode to the light modulation element and the Faraday effect of the free magnetic film layer in the second embodiment. FIGS. 4A and 4B show forms in which the positive and negative voltages applied to the
In addition, since the description about the direction of magnetization in the free
偏光フィルタ17を通過することにより偏光軸71で示される所定の偏光方向を有する入射光が、図4(a),(b)に示す各光変調素子11へ入射すると、自由磁化膜層24によるファラデー効果により、偏光方向が所定角度回転した透過光となって、各光変調素子11から射出される。ここでは、図4(a)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される右回転が生じる方向を「正方向(+方向、+θ)」とし、図4(b)の光変調素子11の場合のように、偏光軸72で示される左回転が生じる方向を「負方向(−方向、−θ)」とする。
When incident light having a predetermined polarization direction indicated by the
そこで、透過光の進行方向に、偏光軸72と平行な偏光軸を有する偏光フィルタ18を配置すると、図4(a)の場合の透過光は偏光フィルタ18を通過することができるが、図4(b)の場合の透過光は偏光フィルタ18を通過することができない状態を作り出すことができる。こうして、偏光フィルタ18を通過する透過光を、光変調素子11ごとに(画素毎に)自由磁化膜層24の磁化の向きを電流の向きによって制御し、偏光フィルタ18を通過可能な透過光とするか通過不能な透過光とするかによって、反射光の強弱(コントラスト)を制御することができる。
その他の説明については、第1実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。
Therefore, when the
Since other explanations are the same as those in the first embodiment, explanations are omitted here.
[その他の実施形態]
図5にその他の実施形態における光変調器に用いられている光変調素子の構造を模式的に表した図を示す。
図5に示すように、光変調素子11と下部電極13の間に、防護層60を設けることが好ましい。
光変調素子11の製膜後、素子化プロセス時に、大気中での加熱処理(200℃程度)を施すと、下部電極13を構成する材料としてCuを用いた場合、Cuが固定磁化膜層22内に拡散し、垂直磁気異方性が劣化し、素子動作のばらつきが発生しやすくなる。
[Other Embodiments]
FIG. 5 schematically shows the structure of the light modulation element used in the light modulator according to another embodiment.
As shown in FIG. 5, it is preferable to provide a protective layer 60 between the
After film formation of the
光変調素子11と下部電極13の間に防護層60を設けることで、製膜後の素子化プロセス時に必要な加熱処理を施しても、固定磁化膜層22における垂直磁気異方性の劣化を確実に防止することができる。そのため、素子動作のばらつきを抑えることができる。防護層60を構成する材料としては、例えば、Ta、W、Ru、Au等が挙げられる。また、保磁力および垂直磁気異方性の観点から、防護層60の厚さは、1〜3nmが好ましい。
By providing the protective layer 60 between the
また、図5に示すように、自由磁化膜層24を構成するコバルト膜層の1層の厚さが、固定磁化膜層22を構成するコバルト膜層の1層の厚さよりも薄くするのが好ましい。コバルト膜層の厚さが薄い方が、保磁力は小さく、コバルト膜層の厚さを厚くすると、保磁力が大きくなる。そのため、このような構造とすることで、固定磁化膜層22の保磁力がさらに増大し、固定磁化膜層22の保磁力を、自由磁化膜層24よりも、さらに大きくすることができる。
Further, as shown in FIG. 5, the thickness of one cobalt film layer constituting the free
<光変調器の製造方法>
図6に光変調器の製造方法を模式的に示す。なお、ここでは、下地層21、保護膜層25を設ける場合の一例について説明する。
最初に、基板14の表面にCu等からなる下部電極13を形成する〔図6(a)〕。この下部電極13の形成は、例えば、基板14の表面に一様にスパッタリング法等によりCu膜を形成し、Cu膜上に下部電極13と同じ線幅のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをエッチングマスクとして基板表面が露出するまでCu膜をドライエッチング等した後、レジストパターンを剥離することにより、行うことができる。また、下部電極13を形成する領域を溝としたレジストパターンを先に形成し、スパッタ法によりCu膜を形成した後、レジスト膜を剥離するリフトオフ法によって下部電極13を形成してもよい。ここでは、下部電極としてCuを用いる場合を説明したが、基板との密着性を向上させるために、Cuの下地にTa、Ru等を形成してもよい。さらに、プロセスのために大気にさらされてCuが酸化し、下部電極の抵抗率が増大することを防ぐために、Cu表面にRu等の保護層を形成してもよい。
<Method for manufacturing optical modulator>
FIG. 6 schematically shows a method for manufacturing the optical modulator. Here, an example in which the
First, the
続いて、下部電極13間の溝をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料(絶縁体15)で埋める〔図6(b)〕。アルミナ膜の形成は、反応性スパッタ法やCVD法、ゾル−ゲル法等により行うことができ、必要に応じて、CMP処理等により下部電極13を含む表面を平滑にする。こうして形成された表面に、光変調素子11を構成する下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25(図3では各層ごとの表示を省略する)を、この順番で各層ごとに所定の膜厚でスパッタリング法(例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング)等により逐次成膜し、光変調素子11の層を形成する〔図6(c)〕。固定磁化膜層22と自由磁化膜層24の成膜では、例えば、CoスパッタリングターゲットとPtスパッタリングターゲットとが装着可能で、これらのターゲットに選択的にスパッタリング電圧を印加することができる構造のスパッタ装置を用いることで、Co/Pt多層膜を容易に形成することができる。また、マグネトロンスパッタリングやイオンビームスパッタリングの他、1原子層をコントロール可能なMBE法等も使用できる。
なお、基板14上に下部電極13、下地層21、固定磁化膜層22、非磁性中間膜層23、自由磁化膜層24、保護膜層25の順に、スパッタリング法等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜してもよい。
Subsequently, the groove between the
It should be noted that the
次に、基板14上に形成された光変調素子11に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子11の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子11の特性変化を抑制するために行われる。この熱処理における光変調素子11の特性低下を抑制する観点から、自由磁化膜層24の表面に、耐酸化性に優れるRu膜等を保護膜層25として設けておくことも好ましい。
Next, heat treatment is performed on the
続いて、熱処理された光変調素子11の層上に、例えば、100nm×300nmのレジストパターン91をメサパターンとなるように、EB露光法等により形成する〔図6(d)〕。このレジストパターン91をエッチングマスクとして用いて、光変調素子11の層をエッチングし、その後、レジストパターン91を除去する〔図6(e)〕。これにより光変調素子11が形成される。次いで、CVD法等により、光変調素子11間をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料(絶縁体15)で埋め、必要に応じてCMP処理等により光変調素子11を含む表面を平滑にする〔図6(f)〕。または、光変調素子11の層をエッチングあるいはArイオン等によるイオンビームミリング法によって、下部電極13の手前までミリング加工した後に、このエッチングにより形成された溝をアルミナや酸化珪素等の絶縁材料(絶縁体15)で埋め、その後にリフトオフ(レジストパターン91の剥離)するか、またはCMPを行う方法を用いてもよい。CMP処理等を行う場合には、光変調素子11の最上部に形成されている保護膜層25(あるいは固定磁化膜層22の最上層)の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
Subsequently, a resist
上部透明電極12を、光変調素子11が覆われるように、かつ、下部電極13のラインパターンと直交するように、所定間隔で形成する〔図6(g)〕。この上部透明電極12の形成は、下部電極13の形成方法と同様にして行うことができる。このような製造方法を用いれば、微細な光変調素子11を高密度に配置した光変調器10を製造することができ、表示速度が速く、高精細な画像及び映像表現が可能となる。
The upper
《表示装置》
図7に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた表示装置の概略構成図を示す。なお、図7(a)は、第1実施形態における光変調器を用いた表示装置の概略構成図、(b)は、第2実施形態における光変調器を用いた表示装置の概略構成図である。図7(a),(b)に示すように、この表示装置30は、光変調器10を用いたカラー対応の表示装置30であり、光変調器10と、RGB時分割照明器19と、偏光フィルタ17,18と、スクリーン29を備えている。なお、図7(a)の形態では、ハーフミラー16を備えている。
<Display device>
FIG. 7 shows a schematic configuration diagram of a display device using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. 7A is a schematic configuration diagram of a display device using the optical modulator according to the first embodiment, and FIG. 7B is a schematic configuration diagram of a display device using the optical modulator according to the second embodiment. is there. As shown in FIGS. 7A and 7B, the
RGB時分割照明器19は、光の三原色であるR,G,B光をそれぞれ放射する発光ダイオードや半導体レーザ等の光源を備えており、R,G,Bにそれぞれ対応する各光源が1フィールド期間内で順次点灯する構造になっている。例えば、図示しない映像信号送信装置からの信号を受けてRGB時分割照明器19を駆動させる。RGB時分割照明器19から射出された光は、偏光軸を揃えるための偏光フィルタ17を通して光変調器10に入射し、その際に入射光に対応する光変調素子11を駆動(電流印加)して磁気カー効果またはファラデー効果による反射光または透過光の偏光方向制御を行う。そして、偏光フィルタ18は所定の偏光方向の反射光または透過光を強く透過し、この偏光方向と角度が偏光方向を有する光の透過を、その角度に応じて制限する。こうして、所定のコントラストを有する映像がスクリーン29に投影される。
The RGB time-
前記した通り、光変調器10は、高速応答性を有し、微細な光変調素子11を高密度に配置した構造を有しているため、表示装置30では、速い表示速度で高精細な画像・映像表現が可能となる。
As described above, since the
《ホログラフィ装置》
図8に本発明の実施形態に係る光変調器を用いた立体動画対応のホログラフィ装置の概略構造を示す。なお、図8では光変調器10の詳細な構造は省略しており、また、制御装置80の図示を省略している。
《Holography device》
FIG. 8 shows a schematic structure of a holography device compatible with a stereoscopic moving image using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 8, the detailed structure of the
ホログラフィ装置40は、大別して、画像入力系と画像再生系とに分けられる。画像入力系は、レーザ光源31と、ビーム拡大器32と、レンズ33,36と、ハーフミラー34,37と、ミラー35と、撮像手段たるCCDカメラ38とを備えている。一方、画像再生系は、レーザ光源41と、ビーム拡大器42と、レンズ45と、偏光板43,44と、光変調器10とを備えている。レーザ光源31とレーザ光源41とは同等のものであり、例えば、前記した表示装置30に用いられているRGB時分割照明器19であって、半導体レーザ光源を備えたものが用いられる。
The holography device 40 is roughly divided into an image input system and an image reproduction system. The image input system includes a
ホログラフィ装置40では、まず、画像入力にあたって、レーザ光源31から発するレーザ光をビーム拡大器32で拡大した後、レンズ33により平行光とする。このレーザ光(平行光)をハーフミラー34により、被写体に照明して物体光とするための光と、参照光とに分ける。被写体からの反射光たる物体光は、レンズ36とハーフミラー37を介して、CCDカメラ38側へ出射する。一方、参照光は、ミラー35とハーフミラー37によって反射される。こうして、ハーフミラー37から出射する物体光と参照光とが合成されて干渉縞が形成される。この干渉縞のパターンをCCDカメラ38により撮像する。なお、図8では、レンズ33から射出された光の光路を1本線で簡単に示している。
In the holography device 40, first, when inputting an image, the laser light emitted from the
ホログラフィ装置40での画像の再生にあたっては、まず、レーザ光源41から出射したレーザ光をビーム拡大器42で拡大し、その光をレンズ45により平行にして、この平行光を光変調器10に入射させる。他方、CCDカメラ38から干渉縞パターンを記録した画像信号が光変調器10の制御装置80(図8に図示せず)に入力される。制御装置80が入力信号に従って光変調素子11を駆動することによって、干渉縞パターンの画像信号に対応した光変調が行われ、立体画像を再生することができる。ホログラフィ装置40では、光変調器10が用いられていることによって、速い表示速度で高精細な立体画像を再現することができる。
In reproducing an image by the holography device 40, first, the laser light emitted from the
《ホログラム記録装置》
図9に本発明の実施形態に係る光変調器を用いたホログラム記録装置の概略構造を示す。なお、図9では光変調器10の詳細な構造は省略している。また、図9では、光の進行方向のみを示すものとし、レンズ等による光の空間的な幅の変更等の図示を省略する。
<Hologram recording device>
FIG. 9 shows a schematic structure of a hologram recording apparatus using the optical modulator according to the embodiment of the present invention. In FIG. 9, the detailed structure of the
ホログラム記録装置50では、レーザ光源51(前記したレーザ光源31,41等と同等)から発するレーザ光を、ビーム拡大器52で拡大した後、レンズ53により平行光とする。この平行光(レーザ光)は、ハーフミラー54によって、信号光と参照光とに分けられる。信号光は、光変調器10により2次元ページデータに対応した光変調がなされて、記録媒体55に到達する。一方、参照光は、ミラー57を介して別の光変調器10に入射され、そこで光変調された後、ミラー58を介して記録媒体55に到達する。記録媒体55での状態変化たる波面の乱れは、位相情報として撮像手段たるCMOSカメラ56によってリアルタイムに検出される。こうしてCMOSカメラ56によって検出された位相情報に基づいて、別の光変調器10が参照光の光変調を行うことによって、記録媒体55での波面の乱れの影響をキャンセルすることができ、これにより、多重記録の精度を向上させることができる。
In the hologram recording apparatus 50, laser light emitted from a laser light source 51 (equivalent to the above-described laser
例えば、従来のフォトポリマー記録媒体を用いた体積ホログラム記録の場合、空気の流れ等によるシステムの温度変動や書き込み時の光重合によるフォトポリマーの収縮、収差等の光学系の不完全性等に起因して、記録媒体の波面が乱れることが、記録の多重化を妨げる要因となる場合がある。 For example, in the case of volume hologram recording using a conventional photopolymer recording medium, it is caused by temperature fluctuations in the system due to air flow, photopolymer shrinkage due to photopolymerization during writing, and imperfections in the optical system such as aberrations. Thus, disturbance of the wave front of the recording medium may be a factor that hinders recording multiplexing.
そこで、ホログラム記録装置50では、この波面の乱れをCMOSカメラ56等の撮像手段でリアルタイムに検出し、その乱れをキャンセルするように参照光を空間的に変調する。この場合、参照光の変調は高速で行われることが好ましく、光変調器10はその用途に適する。また、ページデータの書き込みにも光変調器10を用いることができる。こうして、ホログラム記録装置50では、光の波長程度の分解能で記録媒体55での波面の乱れを制御できるため、記録の多重度を格段に向上させることができる。なお、これらの光変調においては、前記2系統の光変調を行ってもよく、どちらか1系統の光変調を行ってもよい。
Therefore, in the hologram recording device 50, this wavefront disturbance is detected in real time by an imaging means such as a CMOS camera 56, and the reference light is spatially modulated so as to cancel the disturbance. In this case, the reference light is preferably modulated at high speed, and the
次に本発明に係る光変調器を構成する光変調素子の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。ここでは、本発明に属さない構成についても適宜取り上げて、対比説明することとする。 Next, examples of the light modulation element constituting the light modulator according to the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following examples. Here, a configuration that does not belong to the present invention will be taken up and explained as appropriate.
<第1実施例>
第1実施例では、自由磁化膜層のカー回転角(θK)を調べた。
光変調素子の製造においては、まず、酸化膜付シリコン基板上に、下部電極、固定磁化膜層、非磁性中間膜層、自由磁化膜層、保護膜層の順に、スパッタリング法を用いて、真空中で一貫して製膜した。次に、保護層上に画素サイズのレジストを形成した後、Arイオンによるイオンビームミリング法によって、下部電極の手前までミリング加工した。その後、レジストを剥離せずにそのままSiO2を全面に堆積し、レジストをリフトオフした。その後、上部にIZOからなる透明電極を形成した。
<First embodiment>
In the first example, the Kerr rotation angle (θ K ) of the free magnetic film layer was examined.
In the manufacture of a light modulation element, first, a lower electrode, a fixed magnetic film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, a free magnetic film layer, and a protective film layer are formed on a silicon substrate with an oxide film in this order by using a sputtering method. The film was formed consistently. Next, after forming a pixel-sized resist on the protective layer, milling was performed to the front of the lower electrode by an ion beam milling method using Ar ions. Thereafter, SiO 2 was deposited on the entire surface without peeling off the resist, and the resist was lifted off. Thereafter, a transparent electrode made of IZO was formed on the top.
固定磁化膜層の構成は、白金膜層及びコバルト膜層の多層構造(Co/Pt多層膜)とした場合は、白金膜層の膜厚を1.5nm、コバルト膜層の膜厚を0.4nmとし、白金膜層及びコバルト膜層をそれぞれ4層含む多層構造とした。また、TbFeCoとした場合は、その膜厚を20nmとした。非磁性中間膜層の構成は、CPP−GMR型の場合はCu(6nm)とし、トンネル型の場合はMgO(1nm)とした。自由磁化膜層の構成は、Co/Pt多層膜とした場合は、白金膜層の膜厚を0.8nm、コバルト膜層の膜厚を0.3nmとし、白金膜層およびコバルト膜層をそれぞれ5層含む多層構造とした。また、GdFeおよびCo2FeSiとした場合は、膜厚をそれぞれ10nmおよび6nmとした。保護膜層の構成は、Ru(3nm)とした。 When the fixed magnetization film layer has a multilayer structure of a platinum film layer and a cobalt film layer (Co / Pt multilayer film), the film thickness of the platinum film layer is 1.5 nm, and the film thickness of the cobalt film layer is 0.00. The thickness was 4 nm, and a multilayer structure including four platinum film layers and four cobalt film layers was used. When TbFeCo was used, the film thickness was 20 nm. The configuration of the nonmagnetic interlayer film was Cu (6 nm) for the CPP-GMR type, and MgO (1 nm) for the tunnel type. When the free magnetic film layer is a Co / Pt multilayer film, the platinum film layer has a thickness of 0.8 nm and the cobalt film layer has a thickness of 0.3 nm. A multilayer structure including five layers was formed. When GdFe and Co 2 FeSi were used, the film thicknesses were 10 nm and 6 nm, respectively. The configuration of the protective film layer was Ru (3 nm).
そして、自由磁化膜層の磁気の向きを変化させた2パターンについて、波長400nmのレーザ光を照射した場合の反射光のカー回転角(θK)を調べた(図3参照)。
結果を表1に示す。なお、表1中、2θKは、θ1+θ2である。また、GdFeは、垂直磁気異方性をもち、Co2FeSiは、面内磁気異方性をもつものである。
Then, the Kerr rotation angle (θ K ) of the reflected light when the laser beam with a wavelength of 400 nm was irradiated was examined for the two patterns in which the magnetic direction of the free magnetic film layer was changed (see FIG. 3).
The results are shown in Table 1. In Table 1, 2θ K is θ 1 + θ 2 . GdFe has perpendicular magnetic anisotropy, and Co 2 FeSi has in-plane magnetic anisotropy.
表1に示すように、自由磁化膜層をCo/Pt多層膜とした場合は、自由磁化膜層が、GdFeのものに比べて、θKを増大することができることがわかる。また、面内磁気異方性をもつCo2FeSiよりも、θKを大幅に増大することができることがわかる。 As shown in Table 1, when the free magnetization layer was Co / Pt multilayered film, the free magnetization layer is, as compared with that of GdFe, it is found that can increase the theta K. It can also be seen that θ K can be significantly increased as compared with Co 2 FeSi having in-plane magnetic anisotropy.
<第2実施例>
第2実施例では、固定磁化膜層をCo/Pt多層膜とした場合の白金膜層の1層の膜厚と、Co/Pt多層膜の保磁力との関係を調べた。
<Second embodiment>
In the second example, the relationship between the film thickness of one platinum film layer and the coercivity of the Co / Pt multilayer film when the fixed magnetization film layer is a Co / Pt multilayer film was examined.
第2実施例で使用したCo/Pt多層膜の概略構成を図10(a)に示す。図10(a)に示すように、Co/Pt多層膜を構成するコバルト膜層(図中、Coと示す)の1層当たりの膜厚(tCo)は、すべて0.4nmとし、白金膜層及びコバルト膜層をそれぞれ4層含む多層構造とした。また、最上部には、厚さ3nmのRuからなる保護膜層(図中、Ruと示す)を設けた。なお、基板は、表面熱酸化処理を施したシリコン基板である。 FIG. 10A shows a schematic configuration of the Co / Pt multilayer film used in the second embodiment. As shown in FIG. 10A, the film thickness (t Co ) per layer of the cobalt film layer (indicated as Co in the figure) constituting the Co / Pt multilayer film is all 0.4 nm, and the platinum film A multilayer structure including four layers and four cobalt film layers was used. In addition, a protective film layer (shown as Ru in the figure) made of Ru having a thickness of 3 nm was provided on the top. The substrate is a silicon substrate subjected to surface thermal oxidation treatment.
そして、白金膜層(図中、Ptと示す)の1層当たりの膜厚(tPt)を変化させ、Co/Pt多層膜の保磁力(Oe)を測定した。保磁力は、サンプルに偏光した光を照射し、外部から印加する磁界を変化させたときの反射光のカー回転角(θk)を測定する磁気カー効果測定によって評価した。外部から印加する磁界(H)を横軸とし、+H→−H→+Hと変化させ、θkを縦軸とするヒステリシスループをグラフにプロットし、横軸との交点から保磁力の大きさを見積もった。
結果を図11に示す。
Then, the film thickness (t Pt ) per layer of the platinum film layer (shown as Pt in the figure) was changed, and the coercive force (Oe) of the Co / Pt multilayer film was measured. The coercive force was evaluated by measuring the magnetic Kerr effect by measuring the Kerr rotation angle (θ k ) of reflected light when the sample was irradiated with polarized light and the magnetic field applied from the outside was changed. A hysteresis loop with the magnetic field (H) applied from the outside as the horizontal axis, + H → −H → + H, and θ k as the vertical axis is plotted on the graph, and the magnitude of the coercive force is calculated from the intersection with the horizontal axis. Estimated.
The results are shown in FIG.
図11に示すように、白金膜層の1層あたりの膜厚が厚くなるほど、保磁力は大きくなった。 As shown in FIG. 11, the coercive force increased as the film thickness per layer of the platinum film layer increased.
<第3実施例>
第3実施例では、下地層を設けた場合の下地層の膜厚と、Co/Pt多層膜の保磁力との関係を調べた。
<Third embodiment>
In the third example, the relationship between the thickness of the underlayer when the underlayer was provided and the coercivity of the Co / Pt multilayer film was examined.
第3実施例で使用したCo/Pt多層膜の概略構成を図10(b)に示す。図10(b)に示すように、Co/Pt多層膜を構成するコバルト膜層(Co)の1層当たりの膜厚(tCo)は、すべて0.4nmとし、白金膜層(Pt)の1層当たりの膜厚(tPt)は、すべて1nmとし、白金膜層及びコバルト膜層をそれぞれ4層含む多層構造とした。なお、この4層の最下部の白金膜層を下地層とした。また、最上部には、厚さ3nmのRuからなる保護膜層(Ru)を設けた。なお、基板は、表面熱酸化処理を施したシリコン基板である。
そして、下地層の白金膜層の膜厚を1〜30nmとした場合について、第2実施例と同様の方法で、Co/Pt多層膜の保磁力(Oe)を測定した。
結果を図12に示す。
FIG. 10B shows a schematic configuration of the Co / Pt multilayer film used in the third embodiment. As shown in FIG. 10B, the film thickness (t Co ) per layer of the cobalt film layer (Co) constituting the Co / Pt multilayer film is all 0.4 nm, and the platinum film layer (Pt) The film thickness per layer (t Pt ) was 1 nm, and a multilayer structure including four platinum film layers and four cobalt film layers was used. The lowermost platinum film layer of these four layers was used as an underlayer. In addition, a protective film layer (Ru) made of Ru having a thickness of 3 nm was provided on the top. The substrate is a silicon substrate subjected to surface thermal oxidation treatment.
Then, the coercive force (Oe) of the Co / Pt multilayer film was measured in the same manner as in the second example when the film thickness of the platinum film layer as the underlayer was 1 to 30 nm.
The results are shown in FIG.
図12に示すように、下地層の膜厚を厚くすると保磁力が大きくなり、膜厚が10nm以上で保磁力は飽和することがわかった。 As shown in FIG. 12, it was found that when the film thickness of the underlayer was increased, the coercive force was increased, and the coercive force was saturated when the film thickness was 10 nm or more.
10 光変調器
11 光変調素子
12 上部透明電極
13 下部電極
14 基板
16 ハーフミラー
17、18 偏光フィルタ
19 RGB時分割照明器
21 下地層
22 固定磁化膜層
23 非磁性中間膜層
24 自由磁化膜層
25 保護膜層
30 表示装置
40 ホログラフィ装置
50 ホログラム記録装置
60 防護層
70 偏光軸
71 (正方向)回転した偏光軸
72 (負方向)回転した偏光軸
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記固定磁化膜層は、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有し、前記自由磁化膜層が、コバルト膜層と白金膜層とが交互に積層された構造を有し、前記自由磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さが、前記固定磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さよりも薄く、前記固定磁化膜層を構成する白金膜層の1層の厚さが0.8〜1.5nmであることを特徴とする光変調素子。 A fixed magnetization film layer, a nonmagnetic intermediate film layer, and a free magnetization film layer have a spin-injection magnetization reversal element structure laminated in this order, and magnetic directions in the fixed magnetization film layer and the free magnetization film layer Is a direction perpendicular to the film surface, and the polarization direction of the reflected or transmitted light is changed with respect to the polarization direction of the light incident on the free magnetization film layer by changing the magnetization state in the free magnetization film layer. A light modulation element,
The pinned magnetization layer may have a cobalt layer and the platinum layer are alternately laminated, wherein the free magnetic layer is, have a cobalt layer and the platinum layer are alternately laminated And the platinum constituting the fixed magnetization film layer is formed such that a thickness of one of the platinum film layers constituting the free magnetization film layer is smaller than a thickness of one of the platinum film layers constituting the fixed magnetization film layer. A light modulation element , wherein the thickness of one of the film layers is 0.8 to 1.5 nm .
前記光変調器から出射した光を投影するスクリーンと、を備えたことを特徴とする表示装置。 An optical modulator according to claim 4 ;
And a screen for projecting light emitted from the light modulator.
前記撮像手段に記録された画像信号を前記請求項4に記載の光変調器を用いて再生する画像再生手段と、を具備することを特徴とするホログラフィ装置。 Imaging means for photographing interference fringes formed by the object light and the reference light;
A holography apparatus comprising: an image reproducing unit that reproduces an image signal recorded in the imaging unit using the optical modulator according to claim 4 .
前記請求項4に記載の光変調器と、
前記2系統の光が前記記録媒体に入射する際の当該記録媒体での状態変化を位相情報として検出する撮像手段と、を備え、
前記撮像手段が検出した前記位相情報に基づき、前記2系統の光のうちの少なくとも1系統の光変調を前記光変調器を用いて行うことを特徴とするホログラム記録装置。 A hologram recording apparatus for recording predetermined information on a recording medium using two systems of light,
An optical modulator according to claim 4 ;
Imaging means for detecting, as phase information, a state change in the recording medium when the two systems of light are incident on the recording medium;
A hologram recording apparatus characterized in that, based on the phase information detected by the imaging means, at least one of the two systems of light is modulated using the light modulator.
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