JP5836858B2 - 光変調素子および空間光変調器 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を磁気光学効果により光の位相や振幅等を空間的に変調して出射する空間光変調器の光変調素子、およびこの光変調素子を用いた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、これをマトリクス状に２次元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、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、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ことから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。

磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または反射する際にその偏光の向きを変化（旋光）させて出射する、ファラデー効果（反射の場合はカー効果）を利用している。すなわち、空間光変調器は、選択された画素（選択画素）における光変調素子の磁化方向とそれ以外の画素（非選択画素）における光変調素子の磁化方向を異なるものとして、選択画素から出射した光と非選択画素から出射した光で、その偏光の回転角（旋光角）に差を生じさせる。このような光変調素子の磁化方向を変化させる方法として、光変調素子に磁界を印加する磁界印加方式の他に、近年では光変調素子に電流を供給することでスピンを注入するスピン注入方式（例えば、特許文献１）がある。

スピン注入方式の光変調素子は、具体的には、ＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子やＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子等の、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）にも適用されるスピン注入磁化反転素子を適用することができる。一例として、このような従来の光変調素子の断面図を図１４に示す。図１４に示すように、光変調素子１０１は、上下に一対の電極１５１，１５２を接続して膜面に垂直に電流を供給される。この電流により、光変調素子１０１はスピンを注入されて、ＭＲＡＭの書込み（ｗｒｉｔｅ）と同様に磁化自由層１０３の磁化方向を反転させることができる。そして、光変調素子１０１は、少なくとも一方の電極（図１４では上部電極１５２）を透明電極材料で形成することで、入射した光を変調して出射する画素として機能する。このようなスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子は、磁界を発生させるために各光変調素子の外周に沿って電極（配線）を備える磁界印加方式よりもいっそうの微細化を可能とする。

また、光変調素子の別の態様として、特許文献２に、細線加工された磁性体（磁性細線）を光変調素子とする空間光変調器が開示されている。これは、磁性細線においては、２以上の磁区が細線方向に区切られて形成され易く、これらの磁区を区切る磁壁が当該磁性細線に電流を細線方向に供給することにより移動するという磁壁移動を利用している。この空間光変調器は、詳しくは、画素毎に１本の磁性細線を面方向（画素の２次元配列面）に沿って設けて、その両端に接続した一対の電極にて細線方向に電流を供給すると、電流の向きとは反対方向へ磁壁が移動して、磁壁の移動前後の位置に挟まれた領域における磁化方向が反転するので、この領域を光の入射領域（有効領域）として反射光を取り出すことができる。

特許第４８２９８５０号公報 特開２０１０−２０１１４号公報

特許文献１，２に記載された光変調素子には、それぞれ以下の点で改良の余地がある。特許文献１の光変調素子に適用されたスピン注入磁化反転素子は、電流を供給するための電極が上下に接続されるので、光変調素子として光を入出射するためには、光の入出射側に、光を透過する透明電極材料を適用しなくてはならない。透明電極材料は、金属電極材料と比べて導電性に大きく劣るため、特により多数の光変調素子をマトリクス状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。このような空間光変調器を動作させるために大電流を供給する必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。さらにスピン注入磁化反転素子は一辺３００ｎｍ程度以下としないと好適に動作（スピン注入磁化反転）し難いため、配線ピッチに対する光変調素子のサイズが小さくなり、その結果、画素において光変調される有効領域の割合（画素の開口率）が低くなる。

一方、特許文献２の光変調素子に適用された磁性細線は、接続する一対の電極の両方を金属電極材料で形成することができるが、磁壁を挟んで開口領域における磁化方向と異なる磁化方向の磁区が形成されている。したがって、磁性細線において画素情報として取り出せる光は、中央部の磁壁の移動前後の位置に挟まれた領域からの反射光に限定され、画素の開口率には限界がある。

さらに、空間光変調器は、画素のそれぞれの光変調素子が設定にしたがった光変調をするか、すなわち書込み通りの磁化方向を示しているかを電気的に検知するエラー検出が可能であることが望ましい。例えば、図１４に示すスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子１０１は、磁化固定層１１１と磁化自由層１０３との磁化方向が同じ（平行：Ｐ、図１４（ａ）参照）であるときの抵抗Ｒ１０１_Pよりも、反対（反平行：ＡＰ、図１４（ｂ）参照）であるときの抵抗Ｒ１０１_APの方が大きい。そこで、特許文献１に記載された空間光変調器は、ＭＲＡＭにおける読出し（ｒｅａｄ）と同様に、光変調素子１０１にスピン注入磁化反転しない程度の電流を供給して、電極１５１，１５２間の電圧を測定することで磁化自由層１０３の磁化方向を検知することができる。これに対して、磁性細線は磁壁が移動しても抵抗がほとんど変化しないため、特許文献２に記載された空間光変調器では書込みエラー検出が困難である。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、空間光変調器の画素としたときに、配線に透明電極材料を用いず、また画素の開口率を十分に保持しつつ微細化し、さらに書込みエラー検出が容易となる光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器を提供することが課題である。

本願発明者らは、図１５に断面図で示すデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子１０１Ａ（例えば特開２０１０−６０７４８号公報参照）について、１つの磁化自由層１０３の上下に配置していた磁化固定層１１１，１１２を２つ共、磁化自由層１０３の同じ側の面に、面方向に離間して積層することにより、磁化自由層を底部として断面視Ｕ字型の電流経路を形成する並設デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子からなる光変調素子を開発した。デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層を共有するように２つのスピン注入磁化反転素子を接続した構造であり、一対の電極を前記Ｕ字の両端の２つの磁化固定層に接続すればスピン注入磁化反転動作をさせることができる。そのため、並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子は、電極を透過させずに前記Ｕ字の底部の磁化自由層に光を入射することができ、一対の電極の両方を金属電極材料で形成することができる。また、光変調素子の面積を従来のスピン注入磁化反転素子の２倍に拡張することができ、画素の有効領域を広くすることができる。

一方で、デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子は、磁化自由層の磁化方向が常に２つの磁化固定層の一方に平行で他方に反平行であるため、含まれる２つのスピン注入磁化反転素子の構造が同一であれば全体の抵抗が一定となり、書込みエラー検出が困難となる。そこで、本願発明者らは、前記２つのスピン注入磁化反転素子を互いに異なる構造とすることで抵抗が変化するようにして、書込みエラー検出を可能とすることに想到した。

すなわち、本発明に係る光変調素子は、基板上に、磁化固定層、中間層、および磁化自由層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造を備え、前記磁化自由層が積層された側から入射した光をその偏光の向きを変化させて反射して出射するものである。そして、前記磁化固定層は、面方向に離間して互いに反平行な方向の磁化に固定された第１磁化固定層と第２磁化固定層を前記磁化自由層の下に有し、前記中間層は、前記第１磁化固定層に積層した中間層と前記第２磁化固定層に積層した中間層とを分離して有して互いに抵抗が異なり、光変調素子は、前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層とに一対の電極を接続して電流を供給されることにより、前記磁化自由層の磁化方向が変化する構成とした。

かかる構成により、光変調素子は２つ分のスピン注入磁化反転素子の面積として大きくすることができ、さらに電極を接続する２つの磁化固定層がいずれも光の入射側に配置されないため、磁化反転動作させるための電流を供給する電極に透明電極材料を適用しなくてよい。また、光変調素子は、含まれる２つのスピン注入磁化反転素子構造が、その中間層の抵抗が異なることで抵抗変化率が互いに異なるため、磁化自由層の磁化反転により当該光変調素子の全体の抵抗値が変化する。したがって、光変調素子は、磁化反転動作のために接続された一対の電極間での抵抗を測定することにより、磁化自由層の磁化方向を検出することができる。

さらに、光変調素子は、２つの中間層の少なくとも一方がトンネル障壁層であることが好ましい。
かかる構成により、光変調素子は、２つのスピン注入磁化反転素子構造の少なくとも一方が、抵抗変化率が比較的大きく、かつ抵抗変化率が中間層の抵抗に依存するＴＭＲ素子となるため、磁化自由層の磁化反転による抵抗値の変化が顕著になり、書込みエラー検出がいっそう容易となる。

さらに、光変調素子は、第１磁化固定層と第２磁化固定層が互いに保磁力が異なることが好ましい。あるいは、光変調素子は、第１磁化固定層と第２磁化固定層の少なくとも一方が、交換結合した磁性膜を備えた多層構造であることが好ましい。
かかる構成により、光変調素子における２つの磁化固定層を互いに反平行な磁化方向に固定することが容易となる。

前記の光変調素子は、一対の電極を接続して、空間光変調器の画素とすることができる。すなわち、本発明に係る空間光変調器は、基板とこの基板上に２次元配列された複数の画素とを備えて、上方から前記複数の画素に入射した光を反射させて出射し、前記画素が、前記の光変調素子およびこの光変調素子の第１磁化固定層と前記第２磁化固定層とに接続された一対の電極を備える。そして、空間光変調器は、前記複数の画素から１つ以上の画素を選択し、この選択した画素について、光変調素子の磁化自由層の磁化方向を異なる２方向のいずれにするかをさらに選択する画素選択手段と、この画素選択手段が選択した画素の光変調素子に電流を供給して、前記光変調素子の磁化自由層の磁化方向を前記画素選択手段が選択した方向にする電流供給手段と、この電流供給手段が電流を供給した前記光変調素子の磁化自由層の磁化方向が、前記画素選択手段により選択された方向であることを判定する画素判定を、前記光変調素子の抵抗の変化を検知することにより行う画素判定手段と、を備える構成とした。また、空間光変調器は、前記画素が光変調素子の２以上を一対の電極に並列に接続して備えてもよい。

さらに、空間光変調器は、前記画素選択手段が選択した画素の前記光変調素子に所定の大きさの電流を供給する副電流供給手段を備える構成としてもよい。この空間光変調器においては、前記画素判定手段が、前記副電流供給手段に電流を供給されている前記光変調素子に接続された前記一対の電極間の電圧の値を、前記磁化自由層の磁化方向が前記画素選択手段により選択された方向であるときの前記光変調素子の抵抗に基づいて予め設定された閾値と比較することにより、前記画素判定を行う。

かかる構成により、空間光変調器は、２つのスピン注入磁化反転素子構造で構成され、光の入射側に電極を接続しない光変調素子を画素に備えるため、開口率が高い画素に、光を電極で遮られることなく入射することができる。そして、空間光変調器は、画素選択手段が画素を選択して、電流供給手段から光変調素子に電流を供給させると、前記２つのスピン注入磁化反転素子構造のそれぞれの磁化固定層に接続された電極を介してスピン注入されるために、共有された磁化自由層をスピン注入磁化反転させて、画素毎に電流の向きに応じた所望の磁化方向にすることができる。さらに、空間光変調器は、画素判定手段が、光変調素子の磁化自由層が電流供給手段により所望の磁化方向に正常に磁化反転していたかを診断することができる。具体的には、空間光変調器は、画素選択手段が画素を選択して、前記電極を介して副電流供給手段から光変調素子にスピン注入磁化反転動作をしない所定の大きさの電流を供給させると、光変調素子の抵抗によって電圧が特定の範囲で変化するので、画素判定手段がこの電圧の値を予め設定した閾値と比較することにより、磁化自由層がいずれの磁化方向であるかを判定することができる。

さらに、空間光変調器は、前記画素が、前記第１磁化固定層または前記第２磁化固定層に、前記電極との電気的接続を接続解除自在とする選択素子を備える構成としてもよい。かかる構成により、空間光変調器は、非選択の画素の光変調素子への電流の漏れが抑えられるので、画素判定手段による診断が容易になる。

本発明に係る光変調素子によれば、面積が拡張しても好適に磁化反転動作をし、また空間光変調器の画素に用いる際に、接続する電極に透明電極材料を使用しなくてよいので、空間光変調器の画素の開口率を高くしつつ、微細化することが容易となる。また、本発明に係る光変調素子によれば、磁化反転動作により抵抗が変化するので、空間光変調器の画素に用いて、磁化反転動作のための電極を利用しての画素判定（書込みエラー検出）が可能となる。

本発明に係る空間光変調器によれば、前記の光変調素子を画素に用いて、金属電極材料のみですべての配線を形成することができるので、高精細かつ省電力とすることができ、さらに画素の開口率を高くして、高コントラストとすることができる。さらに、本発明に係る空間光変調器によれば、駆動用の配線を利用して、ＭＲＡＭと同様の読出し動作を行うことができ、すべての画素のそれぞれについて書込みエラー検出が可能となる。

本発明に係る光変調素子を用いた空間光変調器の平面図であり、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の構成を説明する模式図である。 本発明に係る光変調素子の断面構造を説明する模式図であり、図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明に係る光変調素子の平面視における形状および電極との接続を説明する模式図であり、図１の拡大図に相当する。 本発明に係る光変調素子の断面図で、磁化反転動作を説明する模式図である。 本発明に係る光変調素子の断面図で、光変調の動作および抵抗の変化を説明する模式図である。 本発明に係る空間光変調器を用いた表示装置の模式図であり、図１のＡ−Ａ断面図に相当する。 本発明の第１実施形態に係る空間光変調器の等価回路図である。 本発明に係る空間光変調器の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明に係る空間光変調器の製造方法を説明する模式図であり、（ａ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当する。 本発明に係る空間光変調器の製造方法を説明する模式図であり、（ｂ）〜（ｅ）は図１のＡ−Ａ部分断面図に相当し、（ａ）は（ｂ）における平面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る空間光変調器の等価回路図である。 本発明の第２実施形態に係る空間光変調器の画素の構成を説明する平面図である。 本発明の第３実施形態およびその変形例に係る空間光変調器の画素アレイの模式図であり、（ａ）は第３実施形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は第３実施形態の変形例で（ａ）のＢ−Ｂ断面図に相当する。 スピン注入磁化反転素子を用いた従来の光変調素子の断面図で、磁化反転および光変調の動作を説明する模式図である。 デュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を用いた従来の光変調素子の断面図で、磁化反転動作を説明する模式図である。

以下、本発明に係る光変調素子および空間光変調器を実現するための形態について図面を参照して説明する。

［光変調素子］
本発明に係る光変調素子は、図１に示す空間光変調器１０の画素８（空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。）として用いられて、上方から入射した光を反射して異なる２値の光（偏光成分）に変調して上方へ出射する。

図２に示すように、光変調素子１は、磁化固定層１１，１２（第１磁化固定層、第２磁化固定層）と、２つの中間層２１，２２（第１中間層、第２中間層）と、１つの磁化自由層３と、を積層して備える。この光変調素子１は、２つの磁化固定層１１，１２を互いに離間して面方向に並べて最下層に形成し、第１磁化固定層１１上に第１中間層２１を、第２磁化固定層１２上に第２中間層２２を、それぞれ積層し、２つの中間層２１，２２およびその隙間も含めた全体に１つの磁化自由層３を積層して備える。光変調素子１は、さらに、磁化自由層３の上に保護膜３ａを積層して備える。この光変調素子１は、ここでは断面視が上下反転した凹字型である。図２に示す光変調素子１は、一対の電極として設けられた第１電極（電極）５１、第２電極（電極）５２上に積層するように、２つの磁化固定層１１，１２を接続して形成される。また、詳しくは後記するように、表層にＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）が形成された基板７上に、電極５１，５２および光変調素子１が形成されている。なお、磁化固定層１１，１２、中間層２１，２２は、図２やその他図面の断面図においてはそれぞれ同じ厚さかつ同じ高さ位置で示しているが、厚さおよび高さ位置を同じとすることを規定するものではなく、互いに異なる厚さで、また異なる高さ位置に形成されてよい。

平面視においては、図１および図３に示すように、光変調素子１は正方形（矩形）である。したがって、磁化自由層３は光変調素子１と同じ正方形である。一方、磁化固定層１１，１２および中間層２１，２２は、長辺が光変調素子１（磁化自由層３）と同じ長さの長方形（図１および図３において網掛けを付した領域）であり、それぞれ短辺方向（図１、図２、図３における横方向）に２つを離間して並べられている。平面視における大きさについては、光変調素子１が後記する磁化反転動作を好適に行うために、磁化固定層１１，１２およびその上に積層された中間層２１，２２のそれぞれが、３００ｎｍ×４００ｎｍ相当の面積以下であることが好ましく、一般的なスピン注入磁化反転素子の一個の大きさである３００ｎｍ×１００ｎｍ程度相当の面積であることがさらに好ましい。一方、光変調素子１の全体の、すなわち磁化自由層３の面積は特に規定されず、磁化固定層１１，１２の各面積の合計よりも膜面方向に拡張されても、後記するように磁化反転させることができる。具体的には、光変調素子１は、空間光変調器の画素アレイ（図１参照）として２次元配列されたときに、隣り合う光変調素子１，１同士が間隔を設けて絶縁されていればよい。

光変調素子１は、２つのスピン注入磁化反転素子を、磁化自由層を共有して接続した構造である。すなわち、光変調素子１は、第１磁化固定層１１、第１中間層２１、磁化自由層３からなるスピン注入磁化反転素子構造（以下、適宜、第１素子構造ＭＲ１と称する）と、第２磁化固定層１２、第２中間層２２、磁化自由層３からなるスピン注入磁化反転素子構造（以下、適宜、第２素子構造ＭＲ２と称する）を備えるといえる（図４（ａ）参照）。

素子構造ＭＲ１，ＭＲ２は、磁化が一方向に固定された磁化固定層１１，１２および磁化の方向が回転可能な磁化自由層３を、非磁性または絶縁体である中間層２１，２２を挟んで備えたＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant Magneto-Resistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）素子等のスピン注入磁化反転素子構造である。特に、光変調素子１における２つのスピン注入磁化反転素子構造は、一方がＴＭＲ素子で他方がＣＰＰ−ＧＭＲ素子であるか、両方がＴＭＲ素子であることが好ましく、本実施形態では、第１素子構造ＭＲ１がＴＭＲ素子、第２素子構造ＭＲ２がＣＰＰ−ＧＭＲ素子である。さらに、光変調素子１は、光変調素子１の製造時におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護膜３ａが設けられている。以下、光変調素子を構成する各要素について、詳細に説明する。

（磁化固定層）
磁化固定層１１，１２は磁性体であり、磁化を互いに反対方向に固定されている。このような磁化固定層１１，１２は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子に用いられる公知の磁性材料にて構成することができ、特に、磁化自由層３の極カー効果で旋光角θkが大きくなる垂直磁気異方性材料を適用することが好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｄ，Ｐｔのような貴金属とを繰り返し積層したＣｏ／Ｐｄ多層膜のような多層膜、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ，Ｇｄ−Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）、Ｌ１₀系の規則合金としたＦｅＰｔ, ＦｅＰｄ等が挙げられる。

また、磁化自由層３の磁化方向が回転しても磁化固定層１１，１２の磁化が固定されているように、磁化固定層１１，１２は、その保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂が磁化自由層３の保磁力Ｈcfよりも十分に大きくなるように、それぞれの材料を選択したり、磁化自由層３よりも厚く形成される。具体的には、磁化固定層１１，１２の厚さは３〜５０ｎｍの範囲において設計されることが好ましい。

磁化固定層１１，１２は、互いに反対方向の磁化に固定されるので、このような磁化方向とする初期設定を容易にするために、保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂が磁化自由層３の保磁力Ｈcfよりも大きいことに加えて、互いに異なる大きさになるように設計されることが好ましい。ここでは、第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂がより大きい、すなわちＨcf＜＜Ｈcp₁＜Ｈcp₂とする。したがって、磁化固定層１１，１２は、互いに異なる材料や厚さとしてもよい。あるいは、後記の空間光変調器の第３実施形態の変形例（図１２（ｃ）参照）に示すように、異なる面積（平面視形状）としてもよい。

（磁化自由層）
磁化自由層３は磁性体であり、磁化固定層１１，１２が磁化方向を固定されているのに対し、磁化自由層３はスピン注入によって磁化を容易に反転（１８０°回転）させることができ、磁化固定層１１，１２のいずれか一方と同じ磁化方向を示す。磁化自由層３は前記の公知の磁性材料にて構成することができ、磁化固定層１１，１２と同様に、垂直磁気異方性材料を適用することが好ましい。特に、磁化自由層３は、光変調素子１（空間光変調器の画素）への入射光の波長において磁気光学効果の大きい材料を選択することがより好ましい。例えば、短波長域（４００ｎｍ近傍）はＣｏ／Ｐｔ多層膜、長波長域（７００ｎｍ近傍）はＧｄ−Ｆｅ合金が好適である。

また、前記した通り、磁化自由層３は、保磁力Ｈcfが磁化固定層１１，１２の保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂よりも小さくなるように、材料を選択したり、磁化固定層１１，１２よりも薄く形成される。具体的には、磁化自由層３の厚さは１〜２０ｎｍの範囲において設計されることが好ましい。

（中間層）
第１中間層２１は、第１磁化固定層１１と磁化自由層３との間に設けられ、第２中間層２２は、第２磁化固定層１２と磁化自由層３との間に設けられる。本発明に係る光変調素子１においては、第１中間層２１と第２中間層２２とが、抵抗が互いに異なるように、材料や厚さを異なるものとして形成される。具体的には、中間層２１，２２は抵抗が２倍以上異なることが好ましいため、非磁性金属、絶縁体、半導体から互いに異なる１種ずつを選択する。

さらに、前記した通り、スピン注入磁化反転素子構造の少なくとも一方がＴＭＲ素子であることが好ましいため、中間層２１，２２の少なくとも一方、ここでは第１中間層２１がＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂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る。第１中間層２１は、このような絶縁体を備えることでトンネル障壁層となり、第１磁化固定層１１、第１中間層２１、および磁化自由層３からなる第１素子構造ＭＲ１はＴＭＲ素子となる。このとき、第１中間層２１の厚さは０．６〜２ｎｍ程度とすることが好ましく、１ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。一方、第２中間層２２はＣｕ，Ａｇ，Ａｌ，Ａｕのような非磁性金属やＺｎＯ等の半導体からなる。したがって、第２磁化固定層１２、第２中間層２２、および磁化自由層３からなる第２素子構造ＭＲ２はＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造となる。このとき、第２中間層２２の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（保護膜）
保護膜３ａは、光変調素子１の製造時におけるダメージから磁化自由層３等の各層を保護するために、最上層に設けられている。保護膜３ａは、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層構造とする場合は、いずれもＣｕを内側（下層）とする。保護膜３ａの厚さは、１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、製造工程において磁化自由層３等を保護する効果がそれ以上には向上しない上、光の透過が妨げられるので好ましくない。したがって、保護膜３ａの厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（光変調素子の磁化反転動作）
次に、本実施形態における光変調素子の磁化反転の動作を、図４を参照して説明する。なお、図４において保護膜３ａは図示を省略する。光変調素子１において、第１磁化固定層１１は上向きに、第２磁化固定層１２は下向きに、それぞれ磁化が固定されている。

まず、磁化自由層３を図４（ａ）に示す下向きの磁化から、図４（ｃ）に示す上向きの磁化に反転させる光変調素子１の動作を説明する。図４（ｂ）に示すように、電源９５から電流−Ｉ_Wを供給して、第１磁化固定層１１に接続した第１電極５１を「−」に、第２磁化固定層１２に接続した第２電極５２を「＋」にして、第１磁化固定層１１側から電子を注入する。すると、第１磁化固定層１１により当該第１磁化固定層１１の磁化と逆方向の下向きのスピンを持つ電子ｄ₂が弁別されて、第１電極５１からは上向きのスピンを持つ電子ｄ₁のみが第１磁化固定層１１に注入され、さらに第１中間層２１を介して磁化自由層３に注入される。磁化自由層３においては、電子ｄ₁の上向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層３の内部電子のスピンが反転し、第１磁化固定層１１の直上の領域から磁化が上向きへ反転する。さらに、磁化自由層３に注入された電子ｄ₁は、磁化が逆方向の第２磁化固定層１２により弁別されるために磁化自由層３に留まり、その結果、図４（ｃ）に示すように、磁化自由層３は、磁化固定層１１，１２に積層した領域だけでなく、これら２つの領域に挟まれた領域も含めて、すなわち全体が、第１磁化固定層１１の磁化方向と同じ上向きの磁化を示す状態に変化（磁化反転）する。

次に、磁化自由層３を図４（ｃ）に示す上向きの磁化から、図４（ａ）に示す下向きの磁化に反転させる光変調素子１の動作を説明する。前記の図４（ｂ）に示す動作とは反対に、図４（ｄ）に示すように、電源９５から電流＋Ｉ_Wを供給して、第１電極５１を「＋」に、第２電極５２を「−」にして、第２磁化固定層１２側から電子を注入する。すると、磁化自由層３には下向きのスピンを持つ電子ｄ₂のみが第２中間層２２を介して注入され、電子ｄ₂の下向きスピンによるスピントルクが作用することによって当該磁化自由層３の内部電子のスピンが反転し、第２磁化固定層１２の直上の領域から磁化が下向きへと反転する。さらに、磁化自由層３に注入された電子ｄ₂は、磁化が逆方向の第１磁化固定層１１により弁別されるために磁化自由層３に留まり、その結果、磁化自由層３は、図４（ａ）に示すように、全体が第２磁化固定層１２の磁化方向と同じ下向きの磁化を示す状態に変化（磁化反転）する。

このように、本実施形態における光変調素子１は、同じ側（上側）の面に中間層２１，２２を挟んで磁化自由層３を積層した２つの磁化固定層１１，１２のそれぞれに一対の電極５１，５２を接続して電流−Ｉ_W（または＋Ｉ_W）を供給することで、磁化自由層３の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができる。したがって、本実施形態における光変調素子１は、２つのスピン注入磁化反転素子構造のそれぞれすなわち磁化固定層１１，１２および中間層２１，２２を、スピン注入磁化反転に好適な小さな面積として、共有される磁化自由層３において電流が流れる膜面方向に磁壁が移動して磁化反転するので、この磁化自由層３を大きな面積に形成することができる。また、光変調素子１は、２つの磁化固定層１１，１２によるスピン注入駆動のため、磁化反転動作が安定したものとなる。なお、電流−Ｉ_W，＋Ｉ_Wの大きさ|Ｉ_W|は、光変調素子１の磁化自由層３を磁化反転させる電流（磁化反転電流）Ｉ_STS以上であればよい。この磁化反転電流Ｉ_STSは、光変調素子１の２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の磁化反転電流Ｉ１_STS，Ｉ２_STSのより大きい方であればよく、あるいは、−Ｉ_W≦−Ｉ１_STS、＋Ｉ_W≧＋Ｉ２_STSと異なる大きさとしてもよく、素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の面積、各層の材料や厚さ等によって決定される。

ここで、２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２のそれぞれの磁化反転電流Ｉ１_STS，Ｉ２_STSの差が大き過ぎると、例えばＩ１_STS＜＜Ｉ２_STSの場合、Ｉ２_STS以上の大きさの電流が少なくとも＋Ｉ_Wとして光変調素子１に供給されたときに、高抵抗のＴＭＲ素子である第１素子構造ＭＲ１に過剰な電流が流れることになり、第１中間層２１が破壊される虞がある。したがって、光変調素子１は、素子構造ＭＲ１，ＭＲ２のそれぞれの磁化反転電流Ｉ１_STS，Ｉ２_STSの差が１００倍以内になるように、設計されることが好ましい。

なお、図４（ａ）、（ｃ）にそれぞれ示すように、光変調素子１は、磁化自由層３が下向きの磁化を示すときに電流＋Ｉ_Wを供給されたり、反対に磁化自由層３が上向きの磁化を示すときに電流−Ｉ_Wを供給されても、磁化自由層３の磁化方向は変化しない。また、光変調素子１は、磁化自由層３の磁化方向が上または下に一様であるときに電流供給を停止されても、磁化自由層３自体の保磁力Ｈcfにより磁化方向が変化することはない。したがって、光変調素子１の駆動電流として、パルス電流のように磁化方向を反転させる電流値（≧Ｉ_STS）に一時的に到達する電流を用いることができる。

（光変調素子の光変調動作）
次に、光変調素子１の光変調の動作を、図５を参照して説明する。光変調素子１に入射した光が磁性体である磁化自由層３で反射すると、磁気光学効果により、光はその偏光の向きが変化（旋光）して出射する。さらに、磁性体の磁化方向が１８０°異なると、当該磁性体の磁気光学効果による旋光の向きは反転する。したがって、図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す、磁化自由層３の磁化方向が互いに１８０°異なる光変調素子１における旋光角は−θk，＋θkで、互いに逆方向に偏光面が回転する。このように、光変調素子１は、その出射光の偏光の向きを、供給される電流Ｉ_Wの向き（正負）に応じて変化させることで後記の空間光変調器等の画素として機能する。なお、旋光角−θk，＋θkは、光変調素子１での１回の反射による旋光（カー回転）に限られず、例えば多重反射により累積された角度も含める。

本発明に係る光変調素子は、前記した通り、空間光変調器の画素として２次元配列されて設けられる。ここで、多数の画素が２次元状に規則的に配列された構造を有する空間光変調器は、平行な波面を有して直進する光が各画素に入射すると、当該画素の端部でその光の進む方向が曲げられ（回折現象）、出射した光による干渉効果（波の強め合いと弱め合い）によって、光の強め合う方向が複数本に分離する。この回折現象により、入射光の直進方向に対して回折角φ_nの角度に曲げられた±１次、±２次、・・・、±ｎ次の回折光が生じる（ｎは、０または自然数）。回折角φ_nは、入射光の波長λおよび画素ピッチｐに依存する。空間光変調器をホログラフィ装置に応用する際には、一般的には１次回折光が用いられる。ｎ＝０における０次回折光は、反射型の空間光変調器においては、入射角と同一角度で反射する反射光と等価である（透過型の空間光変調器の場合は、入射光の直進方向と同一方向の透過光と等価である）。したがって、本明細書において、光変調素子（空間光変調器の画素）から出射した反射光（出射光）とは、前記のｎ次回折光も含まれるものとして説明する。この回折光においても、磁性体（磁化自由層）の磁化方向に応じて、ファラデー効果またはカー効果による偏光の向きの変化（旋光）が生じる。

本発明に係る光変調素子１は、磁化自由層３の側すなわち上方から光を入射され、反射させて上方へ出射する。したがって、磁化固定層１１，１２の下に設けられる電極５１，５２は、光を透過させる必要がないため、低抵抗の金属材料を適用することができる（後記の空間光変調器の実施形態において説明する）。さらに、光変調素子１は、当該光変調素子１を形成する前に、基板７に高温プロセスで形成されるＭＯＳＦＥＴ等からなる選択素子を接続して画素８とすることができる。

（光変調素子の抵抗変化）
次に、本実施形態における光変調素子の磁化反転による抵抗の変化を、図５を参照して説明する。図５（ａ）、（ｂ）のそれぞれに示す光変調素子１は、図４（ａ）、（ｂ）に示す光変調素子１と同じ磁化状態である。なお、詳しくは後記するが、図５において、光変調素子１に副電源９６から供給されている電流Ｉ_TSTは、磁化反転電流Ｉ_STSよりも小さく、光変調素子１の磁化状態を変化させるものではない。光変調素子１は、前記した通り２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２を備えている（図４（ａ）参照）。

図５（ａ）に示す光変調素子１は、磁化自由層３の磁化方向が下向きで第１磁化固定層１１と磁化方向が反平行、すなわち第１素子構造ＭＲ１の磁化が反平行（ＡＰ）（図１４（ｂ）参照）である。このときの第１素子構造ＭＲ１の抵抗をＲ１_APと表す。同時に、図５（ａ）に示す光変調素子１は、磁化自由層３が第２磁化固定層１２と磁化方向が平行、すなわち第２素子構造ＭＲ２の磁化が平行（Ｐ）（図１４（ａ）参照）である。このときの第２素子構造ＭＲ２の抵抗をＲ２_Pと表す。そして、この光変調素子１の全体の抵抗Ｒ_Dは、スピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の各抵抗の和であるので、下式（１）で表される。
Ｒ_D＝Ｒ１_AP＋Ｒ２_P ・・・（１）

一方、図５（ｂ）に示す光変調素子１は、磁化自由層３の磁化方向が上向きで第１磁化固定層１１と磁化方向が平行であり、この磁化が平行（Ｐ）である第１素子構造ＭＲ１の抵抗をＲ１_Pと表す。同時に、図５（ｂ）に示す光変調素子１は、磁化自由層３が第２磁化固定層１２と磁化方向が反平行であり、この磁化が反平行（ＡＰ）である第２素子構造ＭＲ２の抵抗をＲ２_APと表す。そして、この光変調素子１の全体の抵抗Ｒ_Uは、下式（２）で表される。
Ｒ_U＝Ｒ１_P＋Ｒ２_AP ・・・（２）

スピン注入磁化反転素子は、磁化が反平行の方が平行よりも抵抗が大きい。スピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２のそれぞれの磁化反転による抵抗の変化量を、ΔＲ１，ΔＲ２（＞０）と表す。すると、下式（３）、（４）より、光変調素子１の抵抗Ｒ_D，Ｒ_Uは、下式（５）、（６）に変換される。これにより、光変調素子１の磁化反転による抵抗の変化量ΔＲは、下式（７）で表されることになる。
ΔＲ１＝Ｒ１_AP−Ｒ１_P ・・・（３）
ΔＲ２＝Ｒ２_AP−Ｒ２_P ・・・（４）
Ｒ_D＝Ｒ１_P＋ΔＲ１＋Ｒ２_P ・・・（５）
Ｒ_U＝Ｒ１_P＋Ｒ２_P＋ΔＲ２ ・・・（６）
ΔＲ＝|ΔＲ１−ΔＲ２| ・・・（７）

ここで、一般的に、スピン注入磁化反転素子（光変調素子）１０１（図１４参照）は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりもＴＭＲ素子である方が、抵抗変化率（(Ｒ１０１_AP−Ｒ１０１_P)／Ｒ１０１_P）が大きい。すなわち本実施形態に係る光変調素子１は、ＴＭＲ素子である第１素子構造ＭＲ１の抵抗の変化量ΔＲ１の方が、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子である第２素子構造ＭＲ２の抵抗の変化量ΔＲ２よりも大きい。したがって、光変調素子１は、スピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の素子抵抗Ｒ１_P，Ｒ２_Pの差の多少にかかわらず、ΔＲ１，ΔＲ２の差が十分に大きい（ΔＲ１＞＞ΔＲ２）ので、Ｒ_D＞＞Ｒ_Uとなり、抵抗の変化量ΔＲ（＝ΔＲ１−ΔＲ２）＞＞０となる。

このように、光変調素子１は、図１４に示すような一般的なスピン注入磁化反転素子と同様に、磁化反転動作により、異なる抵抗Ｒ_D，Ｒ_Uに変化する。そして、この抵抗の値は、光変調素子１の駆動（磁化反転動作）用に接続された電極５１，５２から測定することができるので、光変調素子１は、抵抗値の測定用に別途電極を接続する必要はない。光変調素子１の抵抗値の測定方法の詳細は、空間光変調器の書込みエラー検出（画素判定）方法の説明にて後記する。

光変調素子１の別の実施形態として、２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の両方がＴＭＲ素子であってもよい。一般的に、スピン注入磁化反転素子（光変調素子）１０１（図１４参照）は、ＴＭＲ素子である場合、抵抗の変化量（Ｒ１０１_AP−Ｒ１０１_P）が、中間層１０２の抵抗が高いほど大きくなる傾向がある。したがって、中間層２１，２２を、絶縁体や絶縁体を含む積層膜であって、互いに抵抗の異なるように絶縁体の種類や厚さを異なる構造とすることにより、素子構造ＭＲ１，ＭＲ２のそれぞれの抵抗の変化量ΔＲ１，ΔＲ２の差を十分に大きくすることができる。

さらに、光変調素子１の別の実施形態として、磁化固定層１１，１２は、保磁力Ｈcp₁，Ｈcp₂に差を設けることに代えて、少なくとも一方を、交換結合した磁性膜を備えた多層構造としてもよい。具体的には、磁化固定層１１，１２は、Ｒｕ等の磁気交換結合膜を挟んで、Ｃｏ−Ｆｅ膜、またはＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ／Ｃｏ−Ｆｅ等の積層膜にさらに積層された３、４層程度の多層構造としてもよい。例えば、下（電極５１，５２）の側から、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ等の保磁力の大きな垂直磁化膜に、Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅの３層構造を積層したＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ／Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅの４層構造とすることができる。このような多層構造において、磁気交換結合膜を挟んだ磁性膜同士は、磁気交換結合膜の厚さによって、互いに反平行な、または平行な磁化方向を示す。

例えば、第１磁化固定層１１はＣｏ−Ｆｅ（５ｎｍ）の単層とし、第２磁化固定層１２は下（第２電極５２の側）から、Ｃｏ−Ｆｅ（５ｎｍ）／Ｒｕ（０．７ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（２ｎｍ）の３層構造とする。なお、（ ）内は厚さを示す。このような光変調素子１に磁界を印加すると、磁化固定層１１，１２のそれぞれにおける５ｎｍ厚さのＣｏ−Ｆｅ膜の磁化方向が印加磁界の向きに揃い、磁化固定層１２の中間層２２側の２ｎｍ厚さのＣｏ−Ｆｅ膜の磁化方向が反平行な磁化方向となる。あるいは磁化固定層１１，１２の両方に磁気交換結合膜を設けた場合、第２磁化固定層１２は前記と同じ３層構造とし、第１磁化固定層１１は下（第１電極５１の側）から、Ｃｏ−Ｆｅ（２ｎｍ）／Ｒｕ（０．７ｎｍ）／Ｃｏ−Ｆｅ（５ｎｍ）の各層の厚さを変えた３層構造とする。このような光変調素子１に磁界を印加した場合も、磁界の向きに５ｎｍ厚さのＣｏ−Ｆｅ膜の磁化方向が揃い、Ｒｕ膜を隔てた２ｎｍ厚さのＣｏ−Ｆｅ膜の磁化方向が反平行な磁化方向となるため、磁化固定層１１，１２のそれぞれの中間層２１，２２の側のＣｏ−Ｆｅ膜の磁化方向が互いに反平行となる。磁化固定層１１，１２の少なくとも一方がこのような多層構造であることにより、磁化固定層１１，１２（多層構造における中間層２１，２２の側の磁性膜）を互いに反対方向の磁化に容易に初期設定することができる。このような光変調素子１についても、前記に説明したように磁化自由層３が磁化反転して、光変調動作をし、また抵抗が変化するので、空間光変調器１０の画素８に設けることができる。

さらに光変調素子１の別の実施形態として、磁化固定層１１，１２、および磁化自由層３は、面内磁気異方性材料で形成されてもよい。具体的には、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏのような遷移金属や、Ｎｉ−Ｆｅ，Ｎｉ−Ｆｅ−Ｍｏ，Ｃｏ−Ｃｒ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｓｉ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｇｅ等の遷移金属合金、あるいはＣｏ−Ｐｔ等の遷移金属と貴金属との合金が挙げられる。あるいはＭｎ−Ｂｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｓｂ合金、Ｐｔ／Ｍｎ−Ｓｂ多層膜等の磁気光学効果の大きなＭｎ含有磁性合金を用いることができる。さらに磁化固定層１１，１２について、少なくとも一方を交換結合した磁性膜を備えた多層構造とする場合は、例えば、下（電極５１，５２の側）からＩｒ−Ｍｎ／Ｃｏ−Ｆｅ／Ｒｕ／Ｃｏ−Ｆｅの４層構造とすることができる。最下層のＩｒ−Ｍｎに代えて、Ｆｅ−Ｍｎ，Ｐｔ−Ｍｎ等の反強磁性材料を適用することもできる。

このような面内磁気異方性とした磁化固定層１１，１２は、面内方向における一方向とその反対方向に磁化を固定され、例えば図１に示す平面視形状の光変調素子１においては、長方形の当該磁化固定層１１，１２の長辺方向（図１における縦方向）に固定されることが好ましい。このような光変調素子１は、垂直磁気異方性の場合と同様に、磁化反転により、磁化自由層３が磁化固定層１１，１２のいずれか一方と平行で他方と反平行の磁化方向を示し、また、中間層２１，２２の抵抗が互いに異なることで、磁化反転動作に伴い抵抗が変化する（図示省略）。

図４を参照して説明した通り、光変調素子１の素子構造ＭＲ１，ＭＲ２はバイポーラ（双極性）駆動によりスピン注入磁化反転するが、ユニポーラ（単極性）駆動式のスピン注入磁化反転素子構造を適用してもよい。一例として、大塚雄太他、「ユニポーラ電流によるスピン注入磁化反転」、２０１２年春季第５９回応用物理学関係連合講演会予稿集、１７ｐ−Ｂ４−８、２０１２年２月、に記載された、磁化自由層に特定のフェリ磁性体材料を適用したスピン注入磁化反転素子が挙げられる。かかるスピン注入磁化反転素子を素子構造ＭＲ１，ＭＲ２に適用することにより、光変調素子１（１Ａ）は、２値の大きさの電流を一方向に供給することで、磁化自由層の磁化方向を下向きから上向き、上向きから下向きの両方向の磁化反転動作が可能である（図示省略）。

以上のように、本発明に係る光変調素子は、２つの磁化固定層により磁化反転動作が安定し、かつ全体の面積を大きくすることができるので、空間光変調器の画素に備えてその開口率を高くすることができる。さらに、本発明に係る光変調素子は、磁化反転により抵抗が変化する磁気抵抗効果素子であるので、磁化自由層の磁化方向を検知することが容易で、空間光変調器等の画素としてのみならず、従来のスピン注入磁化反転素子と同様に、ＭＲＡＭ用のメモリ素子に適用することができる。

［空間光変調器］
（第１実施形態）
次に、前記の本発明に係る光変調素子を画素に備える空間光変調器について、図面を参照してその実施形態を説明する。
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る空間光変調器１０は、基板７と、基板７上に２次元アレイ状に配列された画素８からなる画素アレイ８０と、画素アレイ８０から１つ以上の画素８を選択して駆動する電流制御部９０を備える。図１、図２および図６に示すように、画素８においては、基板７上に電極５１，５２，５３，５４が配され、さらにその上に光変調素子１が配される（図２、図６参照）。空間光変調器１０の光の入射面は上面（平面）であり、空間光変調器１０は、画素８（画素アレイ８０）に上方から入射した光を変調して上方へ出射する反射型の空間光変調器である（図６参照）。

本実施形態では、画素アレイ８０は、説明を簡潔にするために、４行×４列の１６個の画素８からなる構成で例示される。画素アレイ８０は、平面視でＹ方向（図１における縦方向）に延設された４本ずつの第１電極５１および素子選択電極５３と、平面視で電極５１，５３と直交するＸ方向（図１における横方向）に延設された４本のＹ電極５４と、を備える。以下、適宜、第１電極５１をＸ電極５１と称する。さらに、本実施形態に係る空間光変調器１０の画素８は、基板７の表層に形成されたトランジスタ４（図３参照）を備える。詳しくは後記するように、画素アレイ８０は、選択トランジスタ型のＭＲＡＭに類似した構造を有する。

ここで、トランジスタ４は、図３に示すように、平面視において上下左右対称に形成されたＭＯＳＦＥＴからなる。このような構成とすることで、左右方向（Ｘ方向）においてはソース４ｓが、上下方向（Ｙ方向）においてはゲート４ｇが、それぞれ対向する２つのトランジスタ４，４において共有され、画素８が微細化される。このようなトランジスタ４の配列に合わせて、画素アレイ８０は、Ｘ，Ｙ方向において、画素８を１つおきに左右上下反転させて配列する。したがって、画素アレイ８０において、光変調素子１は、トランジスタ４と接続されるために、磁化固定層１１，１２の並び方向をＸ方向にして配置され、かつ、１つおきに左右反転させて配列されている。そして、左右に隣り合う光変調素子１，１において、第１磁化固定層１１，１１同士、第２磁化固定層１２，１２同士が対向する構成となる。なお、図３は、２行×２列の４個の画素８におけるトランジスタ４、および１個の光変調素子１のみを示し、また、電極５１，５２，５３，５４は、トランジスタ４に直接に接続される部分以外は二点鎖線で示す。

前記した通り、空間光変調器１０の画素８に設けられた光変調素子１は、同一面に離間して形成された磁化固定層１１，１２のそれぞれに電極５１，５２を一対の電極として接続される。また、画素アレイ８０において、光変調素子１は、磁化固定層１１，１２の並び方向をＸ方向にして配置されている。そのため、この並び方向に直交したＹ方向に延設されて、第１磁化固定層１１に接続する第１電極５１は、隣り合う第２磁化固定層１２に接触しない程度の幅の帯状の配線に形成され、図２および図６に示すように、光変調素子１上に直接に接続する高さ位置に設けられる。一方、第２磁化固定層１２に接続する第２電極５２は、トランジスタ４のドレイン４ｄに接続するために、第１磁化固定層１１と第１電極５１との接続を妨げないように、かつ第１電極５１と短絡しないように、素子接続部５２ｃ２が、第２磁化固定層１２と同じまたはそれよりも少し大きい平面視形状に形成されて、Ｘ電極５１と同じ高さ位置に設けられる。第２電極５２は、素子接続部５２ｃ２から基板７へ向けて、層間接続部５２ｂおよび中継接続部５２ｄを経由して、接続部５２ｃ１でドレイン４ｄに接続する。なお、図６において、Ｙ電極５４の接続部５４ｃは、後記する素子選択電極５３の接続部５３ｃの奥に隠れる位置である。また、図６において、トランジスタ４は図示を省略する。

トランジスタ４のゲート４ｇに接続される素子選択電極５３は、Ｘ電極５１と平行にＹ方向に延設されるため、配線部５３ａがＸ電極５１と同じ高さ位置に設けられ、配線部５３ａから基板７へ向けて、層間接続部５３ｂおよび中継接続部５３ｄを経由して、接続部５３ｃでゲート４ｇに接続する。また、トランジスタ４のソース４ｓに接続されるＹ電極５４は、Ｘ方向に延設されるため、Ｘ電極５１や素子選択電極５３と短絡しないように、配線部５４ａがＸ電極５１および素子選択電極５３（配線部５３ａ）の下に層間絶縁層（絶縁部材６）を挟んで設けられ、トランジスタ４のソース４ｓの直上の領域に設けられた接続部５４ｃでソース４ｓに接続する。

このように、画素アレイ８０において、第１電極（Ｘ電極）５１は列単位で画素８（光変調素子１）に共有されて設けられる。一方、第２電極５２は光変調素子１毎に設けられ、トランジスタ４を経由して、行単位で画素８（トランジスタ４）に共有されるＹ電極５４に接続する。また、素子選択電極５３は、列単位で画素８（トランジスタ４）に共有されて設けられる。さらに、画素アレイ８０は、基板７上において、隣り合う光変調素子１，１間、電極５１，５２，５３間、Ｙ電極５４，５４間、および電極５１，５２，５３とＹ電極５４との層間に、すなわち図２において空白で表された領域に、絶縁部材６が形成されている。

（光変調素子）
光変調素子１は、既に説明した構成であり、説明を省略する。なお、画素アレイ８０に設けられたすべての光変調素子１は、ここでは、第１磁化固定層１１を上向きに、第２磁化固定層１２を下向きに固定されている（図６参照）。また、磁化自由層３は、磁化方向が上向きのときには＋θk、磁化方向が下向きのときには−θkの角度で、入射した光の偏光の向きを回転させる（図５参照）。なお、光変調素子１は、電極５１，５２への密着性を得るために、また、中間層２１，２２および磁化固定層１１，１２の厚さが同じでない場合にその上に形成される磁化自由層３の段差を解消するために、電極５１，５２との間（磁化固定層１１，１２の下）に金属薄膜からなる下地膜を備えてもよい（図示省略）。このような下地膜は、Ｔａ，Ｒｕ，Ｃｕ等の非磁性金属材料で、厚さ１〜１０ｎｍとすることが好ましい。下地膜は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えても効果がそれ以上には向上しない。

（トランジスタ）
トランジスタ４は、画素アレイ８０においてＸ方向に延設すなわち行単位で画素８に共有されるＹ電極５４と、光変調素子１の第２磁化固定層１２（第２電極５２）とを個別に接続可能とするための選択素子（スイッチ素子）である。画素８にトランジスタ４を備えることで、空間光変調器１０は、後記する書込みエラー検出において、Ｙ電極５４から非選択の画素８の光変調素子１に漏れ電流が流れないので、選択した画素８に限定して光変調素子１の抵抗の変化量を検出することができる。

（電極）
第１電極（Ｘ電極）５１、第２電極５２、素子選択電極５３、およびＹ電極５４は、共に光変調素子１（磁化自由層３）に対して光の入出射側の反対側に配置されるので、光を遮ることがなく、低抵抗の金属材料で形成することができる。したがって、電極５１，５２，５３，５４は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ等の金属やその合金のような一般的な金属電極材料で形成される。そして、スパッタリング法等の公知の方法により成膜、フォトリソグラフィ、およびエッチングまたはリフトオフ法等によりストライプ状等の所望の形状に加工される。

（基板）
基板７は、画素８を２次元配列するための土台であり、光変調素子１を製造するための広義の基板である。さらに、本実施形態に係る空間光変調器１０は画素８にトランジスタ４を備えるために、基板７はＭＯＳＦＥＴの材料に用いられるＳｉ（シリコン）基板が好適である。あるいは、ガラス等のその他の公知の基板を用い、結晶Ｓｉ膜を成膜して、ＭＯＳＦＥＴを形成してもよい。

（絶縁部材）
絶縁部材６は、光変調素子１における磁化固定層１１，１２間および中間層２１，２２間（素子構造ＭＲ１，ＭＲ２間）、ならびに隣り合う光変調素子１，１間、電極５１，５２，５３間、Ｙ電極５４，５４間、さらにＸ電極５１等とＹ電極５４との層間を、それぞれ絶縁するために設けられる。絶縁部材６は、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜やＳｉ₃Ｎ₄等の公知の絶縁材料を適用することができる。

画素アレイ８０は、光変調素子１上に、Ｓｉ−Ｎ（シリコン窒化物）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ₂（酸化ハフニウム）、ＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）等の高屈折率の誘電体（絶縁体）層を設けて、さらにその上にＳｉＯ₂等の低屈折率の誘電体層を積層してもよい。あるいは、光変調素子１上にＳｉＯ₂，Ｓｉ−Ｎ等の誘電体（絶縁体）層を成膜し、その上にＩＴＯ（酸化インジウムスズ）、ＩＺＯ（インジウム酸化亜鉛）等の高屈折率の透明酸化物半導体（透明導電体）層を形成してもよい。あるいは、前記透明酸化物半導体（導電体）層と前記誘電体（絶縁体）層とを、交互に積層した多層膜等を形成してもよい（図示省略）。光変調素子１（磁化自由層３）で反射した光が高屈折率の誘電体層（または透明導電体）と低屈折率の誘電体層との界面で反射して、再び光変調素子１に入射するという動作を繰り返すため、光が画素アレイ８０から出射するまでに、光変調素子１で何回も旋光を繰り返して旋光角が累積されて大きくなり、明暗のコントラストが向上する。

（電流制御部）
図１に示すように、電流制御部９０は、Ｘ電極５１を選択するＸ電極選択部９１と、Ｙ電極５４を選択するＹ電極選択部９２と、素子選択電極５３を選択する素子選択部９３と、電極５１，５４に電流を供給する電源（電流供給手段）９５と、この電源９５、前記の電極選択部９１，９２および素子選択部９３を制御する画素選択部（画素選択手段）９４と、を備える。これらはそれぞれ以下に説明する動作が可能な公知の装置を適用することができる。さらに、電流制御部９０は、電極５１，５４に電流を供給する副電源（副電流供給手段）９６と、画素の書込みエラー検出を行う判定部（画素判定手段）９７と、を備える。副電源９６は、後記するように、供給する電流の大きさが異なる以外は電源９５と同様の装置を適用することができる。判定部９７は、電圧比較器９７ａおよび検査部９７ｂで構成され、後記するように、電圧比較器９７ａはＭＲＡＭにおける公知の読出し回路を、検査部９７ｂは演算処理を行ういわゆるＣＰＵを、それぞれ適用することができる。

画素選択部９４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８０の特定の１つ以上の画素８を選択し、選択した画素８の画素アレイ８０におけるＸ，Ｙ座標に基づいて電極選択部９１，９２に電極５１，５４を選択させ、さらに電源９５が供給する電流の向きを選択する。そして図６に示すように、画素選択部９４からの命令（図中、９４の丸数字で表す）により、Ｘ電極選択部９１はＸ電極５１の１つ以上を選択し、Ｙ電極選択部９２はＹ電極５４の１つ以上を選択し、選択した電極５１，５４に電源９５を接続する。また、このとき、素子選択部９３は、Ｘ電極選択部９１が選択したＸ電極５１と同じ列の素子選択電極５３を選択し、内蔵するトランジスタ４の駆動用電源（図７参照）から電流を供給して、第２電極５２をＹ電極５４に接続する。電源９５は、選択した画素８に備えられる光変調素子１を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給する公知の電源で、直流パルス電流を正負反転可能に供給することができる。そして、電源９５は、画素選択部９４が選択した正または負の電流（＋Ｉ_W／−Ｉ_W）を、接続された電極５１および電極５４，５２を介して光変調素子１に供給する。空間光変調器１０は、このような構成により、画素アレイ８０から所望の画素８が選択され、この画素８の光変調素子１に、所定の大きさのパルス電流が選択された向きに供給されて、磁化自由層３を所望の磁化方向にする。光変調素子１の磁化反転動作は、図４を参照して説明した通りである。選択された画素８の光変調素子１の磁化反転動作により当該光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が変化することで、この選択された画素８に入射した光を選択的に所望の偏光の向きに変調して出射することができる（後記の空間光変調器の光変調動作（図６参照）にて、詳細に説明する）。

さらに画素選択部９４は、電源９５に代えて副電源９６を、選択した電極５１，５４に接続させて、光変調素子１の磁化反転電流Ｉ_STSよりも小さい所定の電流Ｉ_TSTを供給させることができる。このとき、前記と同様に、素子選択部９３は、Ｘ電極選択部９１が選択したＸ電極５１と同じ列の素子選択電極５３を選択する。判定部９７において、電圧比較器９７ａは、副電源９６と並列に接続され、光変調素子１に電流Ｉ_TSTが供給されているときの電極５１，５４間の電圧を参照電位（閾値）Ｖrefと比較して、結果を検査部９７ｂ（図６では図示省略）に出力する。この比較結果は、光変調素子１の磁化自由層３の現実の磁化方向を示すものであり、検査部９７ｂは、比較結果が示す磁化方向が画素選択部９４が選択した磁化方向であるかを照合する書込みエラー検出を行う。電圧比較器９７ａは、電極５１，５４間の電圧を入力されて、参照電位Ｖrefと比較して高いか低いかを１か０で出力する差動センスアンプＳＡ（図６参照）や、参照電位Ｖrefの出力回路（図示省略）を備え、ＭＲＡＭにおける公知の読出し回路を適用することができる。また、電圧比較器９７ａは、精度を向上させるために、電極５１，５４からの電圧を増幅する増幅器を経由して接続されたり、差動センスアンプＳＡに閾値Ｖrefとの差分を増幅させる回路を備えたりしてもよい（図示省略）。空間光変調器１０の書込みエラー検出方法は、後記にて詳細に説明する。

［空間光変調器の製造方法］
本発明に係る空間光変調器の画素アレイの製造方法の一例を、図８〜１０を参照して説明する。画素アレイ８０は、選択トランジスタ型のＭＲＡＭに類似した構造を有することから、かかるＭＲＡＭと同様に公知の方法で製造することができる。すなわち、はじめに基板７にＭＯＳＦＥＴでトランジスタ４を形成し、トランジスタ４および光変調素子１と接続する電極を形成し、電極５１，５２に接続するように光変調素子１を形成して製造される。

（トランジスタの形成）
ＭＯＳＦＥＴの形成は、基板７としてｐ型シリコン（Ｓｉ）基板を適用し、公知の方法で行うことができる。基板７（Ｓｉ）に、隣り合うソース４ｓ，４ｓ間、ドレイン４ｄ，４ｄ間を絶縁するＳｉＯ₂の埋込みを行い、表面に薄い酸化膜（ＳｉＯ₂膜）を形成し、その上にｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を成膜してゲート４ｇを形成する。ｎ型不純物イオンを注入して、ソース４ｓおよびドレイン４ｄとする（図２、図３参照）。

（電極の形成）
フォトリソグラフィやエッチング、リフトオフ法等を用いて、トランジスタ４を形成した基板７上に、トランジスタ４のソース４ｓ、ドレイン４ｄ、ゲート４ｇにそれぞれ接続する電極５４，５２，５３、およびＸ電極５１を形成し、これらの電極同士の間を絶縁部材６で埋め、さらにその表面と電極５１，５２の表面すなわち光変調素子１との接続面を面一にする（図８（ａ）参照）。

以下、図８（ａ）に示す基板７上に設けられた電極および絶縁部材６上に、光変調素子１を形成して画素アレイ８０を製造する方法の一例を、図８〜１０を参照して説明する。なお、図８（ｂ）〜（ｅ）、図９および図１０の各断面図においては、第２電極５２における素子接続部５２ｃ２以外、素子選択電極５３における配線部５３ａ以外、Ｙ電極５４、および基板７（トランジスタ４）は図示を省略する。

（光変調素子の形成）
電極５１，５２，５３および絶縁部材６上に、第１磁化固定層１１および第１中間層２１をそれぞれ形成する材料（図中、各層と同じ符号で示す。以下同。）、ならびに仮保護膜Ｃ１を連続して成膜する。ここで、仮保護膜とは、保護膜３ａと同様に、製造時におけるダメージから第１中間層２１等の層を保護するために、一時的に設けられる膜であり、Ｒｕ等の前記保護膜３ａの材料として挙げたものが適用できる。仮保護膜Ｃ１は、厚さは特に規定されず、例えばレジスト形成時の現像液の第１中間層２１への含浸等によるダメージを防止できればよく、Ｒｕを適用する場合は厚さを３ｎｍ程度とすることが好ましい。また、仮保護膜Ｃ１の材料として第１中間層２１または第２中間層２２を形成する材料を適用することができ、すなわち仮保護膜Ｃ１に代えて第１中間層２１を形成する材料を、光変調素子１完成時よりも厚く成膜すればよく、具体的には１０ｎｍ程度厚く成膜することが好ましい。

仮保護膜Ｃ１の上に、図８（ｂ）に示すように、光変調素子１のそれぞれの第２磁化固定層１２および第２中間層２２が設けられる領域を空けた（第１磁化固定層１１および第１中間層２１が設けられる領域をマスクする）レジストパターンを電子線リソグラフィにより形成する。そして、イオンビームミリング法によるエッチングで、図８（ｃ）に示すように、仮保護膜Ｃ１から第１中間層２１、第１磁化固定層１１までを除去して、絶縁部材６および少なくとも第２電極５２を露出させる。

次に、図８（ｄ）に示すように、第２磁化固定層１２および第２中間層２２をそれぞれ形成する材料ならびに仮保護膜Ｃ２を連続して成膜する。そして、レジストをその上に成膜した第２磁化固定層１２等ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図８（ｅ）に示すように、第１電極５１上の第１磁化固定層１１／第１中間層２１／仮保護膜Ｃ１の積層膜と第２電極５２上の第２磁化固定層１２／第２中間層２２／仮保護膜Ｃ２の積層膜とがＹ方向（図１における縦方向）に沿ったストライプ状に交互に形成された状態となる。なお、仮保護膜Ｃ２は、仮保護膜Ｃ１と同じ材料を適用し、当該仮保護膜Ｃ２の成膜時における仮保護膜Ｃ１の残厚に合わせた厚さとすることが好ましく、第２中間層２２を形成する材料を適用する場合は、この材料を光変調素子１完成時よりも厚く成膜すればよい。

次に、光変調素子１における２つのスピン注入磁化反転素子構造同士の間を分離する。図９（ａ）に示すように、仮保護膜Ｃ１，Ｃ２上に、光変調素子１のそれぞれの素子構造ＭＲ１，ＭＲ２が形成される領域の間の領域を空けたレジストパターンを形成する。エッチングで、図９（ｂ）に示すように、仮保護膜Ｃ１，Ｃ２から中間層２１，２２、磁化固定層１１，１２までを除去して絶縁部材６を露出させる。次に、図９（ｃ）に示すように絶縁膜（絶縁部材６）および仮保護膜Ｃ３を成膜して、図９（ｄ）に示すようにレジストを絶縁膜等ごと除去する（リフトオフ）。そして、仮保護膜Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３をエッチングにて除去して、中間層２１，２２および絶縁部材６を露出させる。仮保護膜Ｃ３は、仮保護膜Ｃ２と同様に、仮保護膜Ｃ１と同じ材料を適用し、また、当該仮保護膜Ｃ３の成膜時における仮保護膜Ｃ１，Ｃ２の残厚に合わせた厚さとすることが好ましい。このような仮保護膜Ｃ３を設けたことにより、仮保護膜Ｃ１，Ｃ２とエッチングレートが均等になり、その結果、図９（ｅ）に示すように、光変調素子１における２つのスピン注入磁化反転素子構造同士の間が分離し、絶縁部材６で面一に埋められる。

次に、磁化自由層３、保護膜３ａをそれぞれ形成する材料を連続して成膜する。その上に、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、光変調素子１の平面視形状のレジストパターンを形成する。エッチングで、図１０（ｃ）に示すように、保護膜３ａから磁化自由層３、中間層２１，２２、磁化固定層１１，１２までを除去してその下の絶縁部材６を露出させる。次に、図１０（ｄ）に示すように絶縁膜（絶縁部材６）を成膜して、レジストを絶縁膜ごと除去する（リフトオフ）。これにより、図１０（ｅ）に示すように、電極５１，５２上に接続された２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２を備えた光変調素子１が形成され、上面（保護膜３ａ表面）までが面一に絶縁部材６で埋められる。さらにその上に絶縁膜を形成してもよい（図示省略）。

このような製造方法によれば、トランジスタ４、並設デュアルピン構造としたスピン注入磁化反転素子である光変調素子１、光変調素子１に接続する電極５１，５２、およびトランジスタ４に接続する電極５３，５４を備えた画素８が２次元配列された画素アレイ８０を、基板７上に形成することができる。なお、光変調素子１の形成において、第１磁化固定層１１および第１中間層２１を先に成膜したが、第２磁化固定層１２および第２中間層２２を先に成膜してもよい。

（光変調素子の初期設定）
前記した通り、画素アレイ８０のすべての画素８の光変調素子１は、第１磁化固定層１１が上向きに、第２磁化固定層１２が下向きに、それぞれ磁化が固定されている必要がある。磁化固定層１１，１２は電源９５からの電流供給では磁化反転しないため、次の方法で光変調素子１の初期設定を行う。

本実施形態に係る光変調素子１は、第１磁化固定層１１の保磁力Ｈcp₁よりも第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂が大きい（Ｈcp₁＜Ｈcp₂）。そのため、まず、画素アレイ８０に、Ｈcp₂よりも大きい外部磁界を印加して、すべての磁化固定層１１，１２の磁化を下向きにする。次に、Ｈcp₂よりも小さくかつＨcp₁よりも大きい外部磁界を印加して、第１磁化固定層１１の磁化を上向きにする。なお、この２段階の磁界印加は、完成した（製造後の）画素アレイ８０に限られず、画素アレイ８０の製造工程途中において磁化固定層１１，１２用の磁性膜材料を成膜した後以降であれば、どの段階であっても実施することができる。

また、磁化固定層１１，１２の少なくとも一方が、交換結合した磁性膜を備えた多層構造である光変調素子１の場合は、磁化固定層１１，１２のすべての保磁力（Ｈcp₁，Ｈcp₂）を超える外部磁界を印加しながら、真空中で２００℃程度の熱処理をすることにより、前記磁界印加の１回（１段階）で光変調素子１の初期設定を行うことができる。

［空間光変調器の光変調動作］
本発明に係る空間光変調器の光変調動作を、図６を参照して、この空間光変調器を用いた表示装置にて説明する。表示装置は、前記した従来のスピン注入磁化反転素子を光変調素子としたもの（特許文献１参照）と同様の構成とすればよい。本実施形態に係る空間光変調器１０は反射型であり、また、光変調素子１は金属電極であるＸ電極５１やＹ電極５４等の上に設けられ、その光変調部となる磁化自由層３は垂直磁気異方性材料からなり磁化方向が上向きまたは下向きを示すため、表示装置は以下の構成とすることが好ましい。空間光変調器１０の画素アレイ８０の上方には、画素アレイ８０に向けて光（レーザー光）を照射する光源等を備える光学系ＯＰＳと、光学系ＯＰＳから照射された光を画素アレイ８０に入射する前に１つの偏光成分の光（以下、入射光）にする偏光子（偏光フィルタ）ＰＦｉと、この上方から画素アレイ８０に入射した入射光が画素アレイ８０で反射して出射した出射光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光子（偏光フィルタ）ＰＦｏと、偏光子ＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤとが配置される。なお、図６において、空間光変調器１０は、電流制御部９０を省略して、画素アレイ８０のみを示す。

光学系ＯＰＳは、例えばレーザー光源、およびこれに光学的に接続されてレーザー光を画素アレイ８０の全面に照射する大きさに拡大するビーム拡大器、さらに拡大されたレーザー光を平行光にするレンズで構成される（図示省略）。光学系ＯＰＳから照射された光（レーザー光）は様々な偏光成分を含んでいるため、この光を画素アレイ８０の手前の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光にする。偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段である。

光学系ＯＰＳは、平行光としたレーザー光を、画素アレイ８０へ照射する。ここで、光変調素子１の磁化自由層３の磁気光学効果は、光の入射角が磁化自由層３の磁化方向に平行に近いほど大きい。したがって、入射角は膜面に垂直すなわち０°とすることが光変調度を最大とする上で望ましいが、このようにすると、出射光の光路が入射光の光路と一致する。そこで、入射角を少し傾斜させて、偏光子ＰＦｏおよび検出器ＰＤ、光学系ＯＰＳおよび偏光子ＰＦｉが、それぞれ入射光および出射光の光路を遮らない配置となるようにする。具体的には、入射光の入射角は３０°以下とすることが好ましい。レーザー光は偏光子ＰＦｉを透過して１つの偏光成分の入射光となり、画素アレイ８０の上方からすべての画素８に向けて入射する。入射光は、それぞれの画素８の光変調素子１で反射して、当該画素８から出射光として出射する。

出射光は偏光子ＰＦｏによって特定の１つの偏光成分の光、ここでは入射光に対して＋θk旋光した光が遮光され、偏光子ＰＦｏを透過した光が検出器ＰＤに入射する。したがって、光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が上向きである画素８からの出射光は偏光子ＰＦｏで遮光されるため、この画素８は暗く（黒く）、検出器ＰＤに表示される。一方、入射光に対して−θk旋光した光すなわち光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が下向きである画素８からの出射光は、偏光子ＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達するため、この画素８は明るく（白く）検出器ＰＤに表示される。

このように、本発明に係る空間光変調器１０は、画素８毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、各画素８に供給する電流の向き（＋Ｉ_W／−Ｉ_W）を切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１０の初期状態としては、例えば全体が白く表示されるように、すべての画素８の光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向が下向きにするべく、電源９５からすべての画素８に電流＋Ｉ_Wを供給すればよい（図４（ｄ）、（ａ）参照）。

［空間光変調器の画素の書込みエラー検出方法］
本発明に係る空間光変調器を等価回路図で表す（画素アレイは２行×２列の画素のみを示す）と、図７に示すように光変調素子１が１つの磁気抵抗効果素子として表され、Ｘ電極（第１電極）５１がビット線、素子選択電極５３がワード線となり、画素アレイ８０は選択トランジスタ型のＭＲＡＭに類似した回路構造であるといえる。したがって、本発明に係る空間光変調器は、ＭＲＡＭと同様の読出し動作を行って、選択した画素について光変調素子の磁化反転動作（書込み）が正常になされたかを検査することができる。空間光変調器の画素の書込みエラー検出方法を、図１、図５、および適宜図４を参照して説明する。
まず、光変調素子１に接続した電極５１，５２間の電圧と磁化自由層３の磁化方向との関係について説明する。

（光変調素子における磁化自由層の磁化方向と電圧との関係）
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、光変調素子１に副電源９６から所定の大きさの電流Ｉ_TSTを供給しているとき、副電源９６と並列に接続された電圧計で計測される電圧は、光変調素子１の抵抗に比例する。このとき光変調素子１に供給する電流（抵抗測定用電流）Ｉ_TSTは、磁化自由層３の磁化方向を変化させない、すなわち光変調素子１の磁化反転電流Ｉ_STSよりも小さく、詳しくは、光変調素子１の２つのスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ１，ＭＲ２の磁化反転電流Ｉ１_STS，Ｉ２_STSの小さい方よりもさらに小さい。また、図５においては、抵抗測定用電流Ｉ_TSTを、第２電極５２を「＋」にして供給しているが、電流の向きは問わず、また、光変調素子１の磁化反転動作のための電流−Ｉ_W，＋Ｉ_Wと異なり電流の向きは一方向でよい。このように、光変調素子１は、磁化反転電流Ｉ_STSよりも小さい電流を供給されても、磁化自由層３の磁化方向は変化しない。そして、このような一定の電流Ｉ_TSTを光変調素子１に供給して計測される電圧は、光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向により変化する。

図５（ａ）に示すように、磁化自由層３が下向きの磁化を示している光変調素子１は、抵抗の値が前記式（１）に示すＲ_Dであるので、電圧の値Ｖ_DがＩ_TST・Ｒ_Dとなる。反対に、図５（ｂ）に示すように、磁化自由層３が上向きの磁化を示している光変調素子１は、抵抗の値が前記式（２）に示すＲ_Uであるので、電圧の値Ｖ_UがＩ_TST・Ｒ_Uとなる。前記した通り、光変調素子１は、磁化自由層３が下向きの磁化を示しているときの方が抵抗が高く、Ｒ_D＞Ｒ_Uであり、したがってＶ_D＞Ｖ_Uとなる。すなわち、副電源９６と並列に接続された、言い換えると電極５１，５２に接続された電圧計で計測した電圧の値から、光変調素子１の磁化自由層３の磁化が上向きか下向きかを検知することができる。例えば、電圧Ｖ_D，Ｖ_Uのそれぞれの許容範囲における限界値として、閾値Ｖref_L，Ｖref_H（Ｖ_U＜Ｖref_L＜Ｖref_H＜Ｖ_D）を設定する。計測した電圧の値がＶref_H以上であれば磁化自由層３の磁化は下向きであり、Ｖref_L以下であれば磁化自由層３の磁化は上向きであると検知することができる。特に、光変調素子１は、前記した通り、第１中間層２１が絶縁体からなるため、磁化反転による抵抗の変化量ΔＲが大きい（Ｒ_D＞＞Ｒ_U）。したがって、光変調素子１は、磁化反転により変化する電圧Ｖ_D，Ｖ_Uの差が大きく、閾値Ｖref_L，Ｖref_Hによる磁化自由層３の磁化方向の検知が容易かつ正確となる。

（画素の書込みエラーの検出方法）
また、光変調素子１の第２電極５２は、選択した画素８においてＹ電極５４に接続される。これらのことから、空間光変調器１０は、選択した画素８について、電極５１，５４間の電圧を閾値Ｖref_L，Ｖref_Hと比較して、当該画素８における光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向を検知し、光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向を上向き、下向きのいずれにするかという画素選択部９４による磁化反転動作の選択方向と照合することにより、磁化反転動作（書込み）が正常に行われたかを検査することができる。ここでは、書込みエラーの検出は、選択された画素８の光変調素子１に対して磁化反転動作を行った直後に、当該画素８に対して行うものとして説明する。

光変調素子１は、電源９５が画素選択部９４からの命令により電流＋Ｉ_Wを供給することで、図４（ａ）に示すように磁化自由層３が下向きの磁化を示している。ここで、画素選択部９４は、光変調素子１の磁化反転動作のための電源９５への電流供給指示の際に、磁化自由層３の磁化を下向きにすることを判定部９７に通知している（図１参照）。そして、電源９５からの電流＋Ｉ_Wの供給後（供給停止後）に、画素選択部９４からの命令により、この画素８の電極５１，５４（図４および図５においては電極５１，５２）を電源９５から副電源９６に切り替えて接続し、図５（ａ）に示すように、副電源９６から抵抗測定用電流Ｉ_TSTを供給する。

判定部９７は、画素選択部９４から入力された磁化反転動作の選択方向：下向きに基づき、予め、電圧比較器９７ａが比較の基準とする参照電位（閾値）をＶref_Hに設定し、さらに、検査部９７ｂがこの閾値Ｖref_H以上であれば合格（ＰＡＳＳ）であると判定するように設定する。そして、副電源９６による抵抗測定用電流Ｉ_TSTの供給開始に合わせて、判定部９７において、電圧比較器９７ａが電極５１，５２間の電圧を閾値Ｖref_Hと比較して、Ｖref_H以上であるか否かの結果を検査部９７ｂへ出力する。電極５１，５２間の電圧の値がＶref_H以上であれば、図５（ａ）に示す通り、磁化自由層３の磁化は下向きであり、光変調素子１の磁化反転動作が正常に行われたことがわかる。一方、電圧の値がＶref_H未満である場合、光変調素子１の磁化反転動作が適切になされていない（ＦＡＩＬ）、すなわち書込みエラーであることがわかる。

反対に、図４（ｃ）に示すように電源９５から電流−Ｉ_Wを供給されて磁化自由層３の磁化を上向きにした場合も、同様に接続を切り替えて、図５（ｂ）に示すように副電源９６から抵抗測定用電流Ｉ_TSTを供給する。このとき、判定部９７は、画素選択部９４から入力された磁化反転動作の選択方向：上向きに基づき、予め、参照電位（閾値）をＶref_Lに設定し、検査部９７ｂがこの閾値Ｖref_L以下であれば合格（ＰＡＳＳ）であると判定するように設定する。電圧比較器９７ａが電極５１，５２間の電圧の値を閾値Ｖref_Lと比較した結果、電圧の値がＶref_L以下であれば、図５（ｂ）に示す通り、磁化自由層３の磁化は上向きであり、光変調素子１の磁化反転動作が正常に行われたことがわかる。一方、電圧の値がＶref_L超である場合、光変調素子１の磁化反転動作が適切になされていない（ＦＡＩＬ）、すなわち書込みエラーであることがわかる。

そして、判定部９７の検査部９７ｂは、光変調素子１の磁化反転動作が正常に行われたと判定した場合は、画素選択部９４に次の動作、すなわち別の画素８の選択および書込み、または同じ画素８への次の書込みに移行するように命令する。反対に、検査部９７ｂは、書込みエラーを検出した場合は、画素選択部９４に同じ画素８に対する先の磁化反転動作を再び実行するように命令する（図１参照）。このように、判定部９７による判定を行いながら、画素選択部９４による磁化反転動作（書込み）を行うことで、空間光変調器１０は、画素アレイ８０のすべての画素８で正確に表示することができる。なお、閾値Ｖref_L，Ｖref_Hの設定、および判定部９７の検査部９７ｂによる判定方法や画素選択部９４への命令等を行うためのプログラムは、例えば電流制御部９０に内蔵された記憶装置（図示省略）に予め記憶すればよい。

本実施形態に係る空間光変調器１０は、書込みエラー検出において、選択された画素８の光変調素子１のみがＹ電極５４を介して副電源９６や判定部９７の電圧比較器９７ａに接続され、同じ行のすなわちＹ電極５４を共有する非選択の画素８の光変調素子１が接続されないので、これらの光変調素子１に漏れ電流が流れない。これにより、選択された画素８の光変調素子１の抵抗は、非選択状態にある他の画素８の光変調素子１による抵抗成分の影響を受けず、磁化反転による抵抗の変化量が大きくなくても高低の判別が可能となる。なお、空間光変調器１０は、磁化反転動作においても、選択された画素８の光変調素子１のみがＹ電極５４を介して電源９５に接続されるので、漏れ電流による損失が抑えられる。

（書込みエラー検出方法の別の実施形態）
光変調素子１の磁化自由層３の磁化方向を検知するための電圧の閾値は、Ｖref_L＝Ｖref_Hとして１値（Ｖref）のみを設定してもよい（Ｖ_U＜Ｖref＜Ｖ_D）。すなわち、判定部９７は、電極５１，５４間の電圧の値が閾値Ｖrefよりも大きいか小さいかにより、磁化自由層３の磁化が下向きか上向きかを検知する。詳しくは、電圧比較器９７ａが比較の基準とする参照電位（閾値）はＶrefに固定され、判定部９７は、画素選択部９４から入力された磁化反転動作の選択方向に基づき、検査部９７ｂがこの閾値Ｖrefよりも大きい場合と小さい場合とのいずれを合格（ＰＡＳＳ）とするかを設定すればよい。また、電圧の閾値として、電圧Ｖ_D，Ｖ_Uのそれぞれの限界値の一方のみ、すなわち電圧Ｖ_Dの下限値Ｖref_Hと電圧Ｖ_Uの上限値Ｖref_Lではなく、電圧Ｖ_D，Ｖ_Uのそれぞれの許容範囲の下限値および上限値の計４値を設定して、より厳密に判定を行ってもよい。

また、前記した方法では、画素選択部９４が画素８を選択して書込み（光変調素子１の磁化反転動作）を行う度に、判定部９７が当該画素８に対して書込みエラー検出を行うという動作を繰り返すが、これに限られない。例えば、画素アレイ８０のすべての画素８への書込みを完了したら、これらすべての画素８に対して順番に書込みエラー検出をすることもできる。

また、空間光変調器１０は、２以上の画素８を同時に選択して、それぞれの光変調素子１に対して同一の磁化反転動作を行った場合に、これらの画素８について一括して書込みエラー検出を行ってもよい。同時に選択された２以上の画素８の光変調素子１は副電源９６に並列に接続されているので、合成抵抗に基づいた電圧の閾値を予め設定または判定部９７が算出することができ、１個の光変調素子１の場合と同様の方法で書込みエラー検出を行うことができる。この場合、判定部９７は、選択された画素８のすべての光変調素子１について磁化反転動作が正常に行われたか、１以上のいずれかの光変調素子１について書込みエラーであるか、のどちらかであることを判定することができる。

空間光変調器１０は、トランジスタ４を光変調素子１の第２磁化固定層１２（第２電極５２）に接続しているが、第１磁化固定層１１の方に接続しても同様の効果が得られる。また、空間光変調器１０は、図７においては、画素選択部９４により同じ列の画素８のＸ電極５１と素子選択電極５３が同時に選択されるように構成されるが、独立して選択される構成としてもよい。また、空間光変調器１０の画素アレイ８０は、トランジスタ４のゲート４ｇとソース４ｓにそれぞれ接続する電極５３，５４を、ＸＹを入れ替えて延設することもできる（図示省略）。すなわち、第１電極５１とＹ電極５４が平行に延設され、同じ列の画素８で同時に選択されるように構成される。

本発明に係る空間光変調器の画素について、選択素子はトランジスタに限られず、ダイオードを備えてもよい。すなわち第１実施形態の変形例に係る空間光変調器１０Ａは、トランジスタ４（図７参照）に代えて、図１１に示すように、ダイオード４Ａを光変調素子１Ａの第２磁化固定層１２（第２電極５２）に接続して備える。本変形例に係る空間光変調器１０Ａは、画素８Ａにユニポーラ駆動式の光変調素子１Ａ（素子構造ＭＲ１，ＭＲ２）を備え、電源９５Ａにより第２電極５２から第１電極５１への一方向にのみ電流を供給して、磁化反転させる（図示省略）。あるいは、空間光変調器１０Ａは、電源９５Ａからの電流供給による磁化反転動作では、光変調素子１に、第２電極５２から第１電極５１への一方向にのみ電流を供給して、磁化自由層３の磁化方向を上向きにする（図４（ｂ）、（ｃ）参照）。磁化自由層３の磁化方向を下向きにする場合は、例えば画素８（画素アレイ８０）への磁界印加により反転させることができる。したがって、Ｙ電極５４をダイオードのアノードに接続し、カソードに第２電極５２を接続する。

ダイオードは、磁化反転動作のための電流に対応した構成であればよく、例えばシリコン（Ｓｉ）ダイオード等の一般的なものを適用することができる。Ｙ電極５４を形成した上に、ｐ層、ｎ層の順に積層し、その上に第２電極５２を接続することで、電流がＹ電極５４から第２電極５２からへの一方向にのみ流れる。副電源９６からの電流Ｉ_TSTも第２電極５２の側からの供給であるので（図７参照）、磁化反転動作、書込みエラー検出のそれぞれにおいて、Ｘ電極５１およびＹ電極５４の両方が選択されて、電源９５または副電源９６に接続されて電流が供給されているときのみに、ダイオードに電流が流れ、一方、非選択の画素８においては、ダイオードに電流が流れず、第１実施形態と同様に、第２電極５２がｏｐｅｎ状態であるので、光変調素子１に漏れ電流が流れない。さらに、本変形例に係る空間光変調器は、非選択の画素８について、Ｙ電極５４を、Ｘ電極５１から供給される電流に対して電位を低くして（「−」側にして）、ダイオードに電流が流れようにしてもよい。このように、ダイオードは、特定の向きに電流を供給されたときのみに電流を流すので、トランジスタ４と同様に選択素子とすることができる。

本変形例に係る空間光変調器１０Ａは、素子選択電極５３および素子選択部９３が不要であり、さらに、一般にダイオードはトランジスタよりも構造が簡易かつ平面視サイズが小さいので、画素をいっそう微細化することができる。なお、第１実施形態（図７参照）におけるトランジスタ４と同様に、ダイオードを第１磁化固定層１１の方に接続しても同様の効果が得られる。この場合は、第１磁化固定層１１をダイオードのアノードに接続し、カソードにＸ電極５１を接続する。

以上のように、第１実施形態に係る空間光変調器によれば、面積の大きな光変調素子により画素の有効領域を広くして開口率を高くしつつ、従来のスピン注入磁化反転素子を光変調素子とした空間光変調器と同様に、駆動用配線を用いて書込みエラー検出が可能であり、さらに画素に選択素子を備えたことにより、非選択画素の光変調素子に電流が漏れないので、書込みエラー検出においては、抵抗変化量の小さい光変調素子を適用して応答速度を高速化することができ、磁化反転動作においては、漏れ電流による損失が抑えられるので省電力化することができる。

（第２実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明の第２実施形態に係る空間光変調器について説明する。なお、本実施形態および後記第３実施形態においては、第１実施形態（図１〜６参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。

第１実施形態に係る空間光変調器１０は、１つの画素８に１個の光変調素子１を備える構成であったが、これに限られず、１画素に２個以上の光変調素子を備えてもよい。すなわち、図１２に示すように、第２実施形態に係る空間光変調器の画素８Ｂは、３個の光変調素子１Ｂを備える。光変調素子１Ｂは、Ｘ方向（図１２における横方向）に拡張した平面視横長の長方形であること以外は、第１実施形態に係る空間光変調器１０の光変調素子１と同一の構造である。そして、画素８Ｂにおいて、３個の光変調素子１Ｂは、当該光変調素子１Ｂの短辺方向（Ｙ方向）に並べられて、同一の組の電極５１，５２（５２ｃ２、図３参照）に並列に接続される。なお、図１２においては、素子選択電極５３およびＹ電極５４は図示を省略するが、第１実施形態（図１、図３参照）と同様に、トランジスタ４に接続するように設ければよい。このような画素８Ｂは、第１実施形態と同様に基板７上に２次元配列されて画素アレイとなり、電流制御部９０で動作させることができる。画素アレイおよび電流制御部９０は、第１実施形態と同様の構成であるので、図示および説明を省略する。

以上のように、第２実施形態に係る空間光変調器によれば、画素サイズを大きくしても、光変調素子の１個のサイズが十分に小さいので好適に磁化反転し、開口率の高い画素とすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る空間光変調器は、図１１に示す第１実施形態の変形例の画素８Ａからダイオード４Ａを除いて、第２電極５２を直接にＹ電極５４に接続して、Ｘ電極５１と共に電源９５や副電源９６に接続する。すなわち、本実施形態に係る空間光変調器は、ＭＲＡＭの一形態であるクロスポイント型のＭＲＡＭと同じ回路構造である。以下、図１３を参照して、本発明の第３実施形態に係る空間光変調器について説明する。本実施形態においては、第１実施形態およびその変形例（図１〜７，１１参照）と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。また、図１３（ｂ）、（ｃ）において、保護膜３ａは図示を省略する。

このような空間光変調器においては、画素アレイ８０Ｃは、画素８Ｃに面積を要するトランジスタを設ける必要がないので、画素のいっそうの微細化が可能であり、図１３に示すように、基板７Ａと電極５１，５２Ａの２種類（一対）の配線と、光変調素子１と、絶縁部材６のみからなる簡易な構造となる。本実施形態に係る空間光変調器は、画素アレイ８０Ｃのすべての画素８Ｃにおいて光変調素子１がＹ電極５２Ａに接続しているため、素子選択部９３（図１および図７参照）を用いないこと以外は、第１実施形態と同様に、磁化反転動作および書込みエラー検出においてＸ電極５１およびＹ電極５２Ａにて電源９５や副電源９６から電流を光変調素子１に供給する（図４および図５参照）。なお、空間光変調器は、このような構成とすることで、書込みエラー検出において、非選択の画素８Ｃの光変調素子１に漏れ電流が流れ、画素アレイ８０Ｃにおける光変調素子１の搭載個数（画素数）が多いほど検出される１個の光変調素子１の抵抗変化量が実際の値よりも小さくなることから、抵抗変化量が大きくなるように光変調素子１が設計されていることが好ましい。

本実施形態に係る空間光変調器の画素アレイ８０Ｃは、画素８Ｃにトランジスタを備えないため、平面視において上下左右対称な構造としなくてよい。したがって、図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、画素アレイ８０Ｃに設けられたすべての光変調素子１は、平面視における向きを揃え、図１３において左側に第１磁化固定層１１が、右側に第２磁化固定層１２がそれぞれ配置されている。なお、このように画素にトランジスタを備えない構成であっても、第１実施形態と同様に左右対称な構造としてもよい（図示省略）。さらに図１３（ｃ）に示す第３実施形態の変形例に係る空間光変調器の画素アレイ８０Ｄのように、隣り合う第２磁化固定層１２，１２、および第２中間層２２，２２を、それぞれ一体に結合してもよい。Ｘ方向において隣り合う第２磁化固定層１２，１２は同じＹ電極５２Ａに接続され、また磁化自由層３に積層されたスピン注入磁化反転素子構造ＭＲ２の面積は第１実施形態の光変調素子１と同一であるため、このように変形した光変調素子１Ｃであっても、第１実施形態と同様に磁化反転動作させることができる。さらに、第２磁化固定層１２の面積が第１磁化固定層１１よりも２倍を超えて大きくなるため、材料や厚さの違いに拠らず、第２磁化固定層１２の保磁力Ｈcp₂を第１磁化固定層１１の保磁力Ｈcp₁よりも大きく設計することができる。

以上のように、第３実施形態およびその変形例に係る空間光変調器によれば、トランジスタのような面積の大きい選択素子を備えることなく書込みエラー検出が可能であるので、画素を、有効領域を広くしつつ、いっそう微細化することができる。

以上、本発明の光変調素子および空間光変調器を実施するための各実施形態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。

１０，１０Ａ 空間光変調器
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 光変調素子
１１ 第１磁化固定層
１２ 第２磁化固定層
２１ 第１中間層（中間層）
２２ 第２中間層（中間層）
３ 磁化自由層
４ トランジスタ（選択素子）
５１ 第１電極、Ｘ電極（電極）
５２，５２Ａ 第２電極（電極）
５３ 素子選択電極
５４ Ｙ電極
７，７Ａ 基板
８０，８０Ａ，８０Ｃ 画素アレイ
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ 画素
９０ 電流制御部
９４ 画素選択部（画素選択手段）
９５，９５Ａ 電源（電流供給手段）
９６ 副電源（副電流供給手段）
９７ 判定部（画素判定手段）

Claims (8)

1. 基板上に、磁化固定層、中間層、および磁化自由層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造を備え、前記磁化自由層が積層された側から入射した光をその偏光の向きを変化させて反射して出射する光変調素子であって、
   前記磁化固定層は、面方向に離間して、互いに反平行な方向の磁化に固定された第１磁化固定層と第２磁化固定層を、前記磁化自由層の下に有し、
   前記中間層は、前記第１磁化固定層に積層した中間層と前記第２磁化固定層に積層した中間層とを分離して有して互いに抵抗が異なり、
   前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層とに一対の電極を接続して電流を供給されることにより、前記磁化自由層の磁化方向が変化することを特徴とする光変調素子。
2. 前記２つの中間層は、少なくとも一方が、トンネル障壁層であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層は、互いに保磁力が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
4. 前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層は、少なくとも一方が、交換結合した磁性膜を備えた多層構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
5. 基板と前記基板上に２次元配列された複数の画素とを備えて、上方から前記複数の画素に入射した光を反射させて出射する空間光変調器において、前記画素が、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光変調素子と、前記光変調素子の前記第１磁化固定層と前記第２磁化固定層とに接続された一対の電極とを備え、
   前記複数の画素から１つ以上の画素を選択し、前記選択した画素について、前記光変調素子の磁化自由層の磁化方向を異なる２方向のいずれにするかをさらに選択する画素選択手段と、
   前記画素選択手段が選択した画素の前記光変調素子に電流を供給して、前記光変調素子の磁化自由層の磁化方向を前記画素選択手段が選択した方向にする電流供給手段と、
   前記電流供給手段が電流を供給した前記光変調素子の磁化自由層の磁化方向が、前記画素選択手段により選択された方向であることを判定する画素判定を、前記光変調素子の抵抗の変化を検知することにより行う画素判定手段と、を備えることを特徴とする空間光変調器。
6. 前記画素選択手段が選択した画素の前記光変調素子に所定の大きさの電流を供給する副電流供給手段をさらに備え、
   前記画素判定手段は、前記副電流供給手段に電流を供給されている前記光変調素子に接続された前記一対の電極間の電圧の値を、前記磁化自由層の磁化方向が前記画素選択手段により選択された方向であるときの前記光変調素子の抵抗に基づいて予め設定された閾値と比較することにより、前記画素判定を行うことを特徴とする請求項５に記載の空間光変調器。
7. 前記画素は、前記第１磁化固定層または前記第２磁化固定層に、前記電極との電気的接続を接続解除自在とする選択素子を備えることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の空間光変調器。
8. 前記画素は、前記光変調素子の２以上を、前記一対の電極に並列に接続して備えることを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか一項に記載の空間光変調器。

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