JP6546745B2 - 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、ディスプレイ技術や記録技術等の分野で広く利用されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、近年では画素（ピッチ）が数μｍ程度まで微細化されているが、さらに１μｍ以下の微細化かつ高速処理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においては、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。すなわち磁気光学式空間光変調器（以下、適宜、空間光変調器）は、画素毎にそれぞれの光変調素子の磁化方向を異なる２方向に駆動して、それぞれの磁化方向の光変調素子によって、偏光の向きの異なる２値の光に変調される。特に、入射面に垂直または垂直に近い角度で入射させた光を高い光変調度で変調することができることから、垂直磁気異方性材料が光変調素子に適用されている。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（例えば、特許文献１）や、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２〜４）がある。

特許文献１に記載された磁界印加方式の空間光変調器は、光変調素子が磁性ガーネット膜のような磁性膜で形成され、２次元配列した光変調素子に磁界を画素毎に印加するために、各光変調素子の周縁に沿って一周する向きに電流が流れる配線を設けている。この空間光変調器は、印加磁界により隣の画素の光変調素子が追随して磁化反転しないように、磁性膜（光変調素子）が画素毎に間隔を空けて分離されているために、１μｍ以下のピッチの微細な画素を形成することは困難である。また、この空間光変調器は、光変調素子の周縁に設けられた配線に供給された電流による合成磁界を利用するために、さらなる画素の微細化を行うと隣の画素へのクロストークが大きくなるという問題がある。

これに対して、スピン注入方式の空間光変調器は、光変調素子として、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：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）素子のような、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセルの磁気抵抗効果素子として適用されるスピン注入磁化反転素子が搭載される。これらのスピン注入磁化反転素子は、非磁性膜（中間層）または絶縁膜（障壁層）を挟んだ２つの磁性膜からなる少なくとも３層の積層構造を有し、所定の電流密度（反転電流密度）以上の電流を膜面に垂直に供給することにより、磁性膜の一方が磁化自由層としてその磁化方向が１８０°変化（磁化反転）する。このように電流を供給されるために、スピン注入磁化反転素子は上下面に一対の電極が接続され、したがって、磁界印加方式の光変調素子のように電極を画素サイズに対して極度に細い配線として形成しなくてよく、配線幅による素子サイズの制約が少ない。

ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子としては、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも磁気抵抗比（ＭＲ比）の高いＴＭＲ素子について特に研究されている。ＴＭＲ素子は、障壁層の材料として、磁化反転に要する電流をいっそう低減できる酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適とされ、特に、２枚の磁性膜の少なくとも一方の障壁層との界面にＣｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂ等の磁性金属の薄膜を設けることで、スピン注入効率が向上し、反転電流密度が１０⁶Ａ／ｃｍ²程度まで低減することが知られている。さらに、本発明者らは、前記磁性金属の薄膜に、磁気光学効果の高い垂直磁気異方性材料として知られているＧｄ−Ｆｅ系合金を組み合わせて、光変調素子に好適なＴＭＲ素子を発明している（特許文献５参照）。また、Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂの磁性金属の薄膜を、ＭｇＯ膜やＨｆＯ₂等の絶縁膜と積層した磁気トンネル接合（ＭＴＪ）において、膜面垂直方向に電圧を印加することにより、磁性膜の面内磁気異方性が弱くなって、ＴＭＲ素子がより低い電流密度で磁化反転し得ることが知られている（非特許文献１〜４参照）。また、絶縁膜上に形成したＣｏ／Ｐｔ２層膜からなる垂直磁気異方性の磁性細線において、電圧印加によって磁壁移動速度が変化することが知られている（非特許文献５参照）。

特許第４５９６４６８号公報 特許第５００１８０７号公報 特許第４９３９１４９号公報 特許第４９３９４７７号公報 特開２０１４−１９７６７１号公報

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スピン注入磁化反転素子は、その平面視サイズが小さいほど、磁化反転電流を低減することができ、また、平面視サイズが一辺３００ｎｍ程度以下でないと好適に動作（スピン注入磁化反転）し難い。しかし、光変調素子は、入射光の波長にもよるが、回折限界のために各辺が３００ｎｍ以上であることが好ましく、開口率を高くするために画素に対して小さ過ぎないことが好ましい。そのため、スピン注入方式の空間光変調器は、入射光の波長や画素サイズによっては、１画素あたり２個以上のスピン注入磁化反転素子を一対の電極に並列に接続して搭載することになり、製造時に、画素サイズに対して高い加工精度を要し、生産性に劣る。

また、磁気光学式空間光変調器の光変調素子は、その磁化方向が磁化容易軸に沿った２方向、すなわち垂直磁気異方性であれば上向きおよび下向きに限定されるため、液晶と異なり、２値の光にしか変調することができない。したがって、磁気光学式空間光変調器において階調表示をするためには、複数の光変調素子を１画素に備えて個別に駆動する必要があり（特許文献２，３参照）、多階調化すると、１画素あたりの光変調素子の個数が多くなるので、画素の微細化が困難である。

また、空間光変調器、特に動画を表示するものは、大容量のデータで構成される１つの画像を高速で表示することが要求され、さらに近年は、例えばスーパーハイビジョン（超高精細度テレビジョン、Ultra High Definition Television）のような大容量のデータを数十〜数百Ｇｂｐｓの超高速で処理することが要求されている。そのため、多数の光変調素子のそれぞれに、さらに好ましくは複数個同時に電流を供給する必要があり、スピン注入方式の空間光変調器においては、スピン注入磁化反転素子（光変調素子）の１個の反転電流が低減されても、消費電流の低減が不十分である。さらに、光変調素子に適用するスピン注入磁化反転素子においては、保磁力の確保だけでなく光変調度を大きくするために、磁化自由層をある程度厚く設けることが好ましく、その結果、ＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子用よりも反転電流密度が高くなり、反転電流の低減に限界がある。

本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、画素に好適な大きさで電気的に駆動することができ、１個で階調表示が可能な光変調素子、およびこのような光変調素子を備えていても消費電流の増大が抑制された磁気光学式空間光変調器を提供することを課題とする。

非特許文献１〜５に記載されているように、電圧印加による磁気異方性（磁化容易軸）の変化は印加を停止すると元に戻る。そのため、この現象をＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子に利用する場合は、従来と同様に電流供給によって磁化反転させる必要があり、電圧印加は反転電流低減のために補助的に行われることになる。これに対して、空間光変調器においては、その画素（光変調素子）が表示中に所望の磁化方向であればよいので、電圧印加のみで駆動することができる。そして、スピン注入磁化反転が、電流密度が閾値（反転電流密度）に到達したほぼ瞬間に急激に起こるのに対し、電圧印加による磁気異方性の変化は、印加する電圧が大きくなるにしたがい、膜面方向（面内方向）から垂直方向へと徐々に変化する。したがって、液晶と同様に、印加電圧の制御により、１個の光変調素子で階調表示が可能といえる。

本発明に係る光変調素子は、垂直磁気異方性を有する磁性層、絶縁膜、および前記磁性層と前記絶縁膜との界面に垂直に電圧を印加する一対の電極を備え、前記磁性層が、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備えるものである。この光変調素子は、前記一対の電極から電圧が印加されているときに、前記磁性層の磁化方向が非垂直方向に変化し、入射した光の偏光方向を、前記電圧が所定の大きさで印加されているときに変化させずに出射し、電圧が印加されていないときに所定の角度で変化させて出射することを特徴とする。さらに、本発明に係る光変調素子は、入射した光の偏光方向を、電圧が印加されていないときに最大の角度で変化させて出射し、印加されている電圧が大きいほど小さな角度で変化させて出射することができる。

また、本発明に係る光変調素子は、磁性層が面内磁気異方性を有するものであってもよく、前記一対の電極から電圧が印加されているときに、前記磁性層の磁化方向が非面内方向に変化し、入射した光の偏光方向を、前記電圧が印加されているときに変化させて出射し、電圧が印加されていないときに変化させずに出射することを特徴とする。さらに、本発明に係る光変調素子は、印加されている電圧が大きいほど、入射した光の偏光方向を大きな角度で変化させて出射することができる。

かかる構成により、光変調素子は平面視サイズが大きくても電気的手段で駆動し、また、２値の光だけでなく、その中間の１以上の光に変調することができる。

本発明に係る空間光変調器は、前記光変調素子を２次元配列して備え、前記光変調素子に電圧を印加する一対の電極をさらに備える。

かかる構成により、空間光変調器は、光変調素子の平面視サイズを大きくしても、好適に動作し、また、消費電流の増大が抑制される。また、１画素に１個の光変調素子を備えて、階調表示が可能である。

本発明に係る光変調素子によれば、平面視サイズを大きくして開口率の高い画素を形成することができる。本発明に係る空間光変調器によれば、開口率の高い画素を多数備えても、高速で低消費電流の空間光変調器が得られ、また、画素を大型化することなく階調表示が可能になる。

光変調素子の構成を説明する模式図であり、（ａ）は本発明の一実施形態に係る光変調素子の断面図、（ｂ）はその変形例である。 本発明の第１実施形態に係る光変調素子の模式図で、磁化方向の変化および光変調動作を説明する図である。 本発明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構造を説明する模式図である。 本発明の第２実施形態に係る光変調素子の模式図で、磁化方向の変化および光変調動作を説明する図である。 本発明に係る光変調素子を模擬した実施例のサンプルの垂直磁気異方性の保磁力の印加電圧依存性のグラフである。 本発明に係る光変調素子を模擬した実施例のサンプルの抵抗を外部磁界依存性で表した磁化曲線であり、（ａ）は＋１００ｍＶ、（ｂ）は＋２００ｍＶ、（ｃ）は−５０ｍＶ、をそれぞれ外部から印加したときの抵抗である。

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を参照して説明する。
本発明に係る光変調素子は、空間光変調器の画素として用いられて、入射した光を反射して異なる偏光成分に変調して、または変調せずに出射する。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明（highlight）／暗（shadow））を表示する手段を指し、さらに、明と暗の間の１以上の中間調（mid-tone）を含んでもよい。

〔第１実施形態：光変調素子〕
本発明の第１実施形態に係る光変調素子１は、図１（ａ）に示すように、ＭｇＯ膜２１からなる絶縁層２と垂直磁気異方性の磁性層３を積層し、その上下に、一対の電極である上部電極６と下部電極５（以下、適宜、電極５，６）を接続して備える。光変調素子１はさらに必要に応じて、当該光変調素子１の製造工程におけるダメージから磁性層３を保護するために、磁性層３の上に保護膜４２を、下部電極６への密着性を得るために、絶縁層２の下に下地膜４１を、それぞれ備える。すなわち光変調素子１は、ＴＭＲ素子から磁化固定層を除いた積層構造を有するといえ、磁性層３は磁化自由層に相当する。光変調素子１は、磁性層３を含む保護膜４２〜下地膜４１の積層構造部分が同じ平面視形状で形成され、その一辺の長さを光変調のために少なくとも入射光の回折限界（波長の１／２程度）以上とし、画素サイズ（ピッチ）に応じた大きさの所望の形状に設計することができる。

（磁性層）
本実施形態に係る光変調素子１において、磁性層３は、絶縁層２上に設けられ、垂直磁気異方性を示す。磁性層３は、絶縁層２との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜３１を備え、特にＣｏまたはＣｏを含有するＣｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することが好ましい。これらの磁性金属膜３１は単独で面内磁気異方性を示すため、磁性層３は、全体で垂直磁気異方性を示すように、磁性金属膜に垂直磁気異方性材料からなる層を積層して備える。このような材料として、垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子（ＴＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）に適用される公知の磁性材料を適用することができ、特に、磁気光学効果の高いＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）３３を適用することが好ましい。具体的には、磁性層３は、下（絶縁層２側）から、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３１、Ｇｄ膜３２、ＧｄＦｅ層３３の３層構造を有することが特に好ましい。

ＦｅやＣｏは、電圧を印加されると絶縁層２との界面で電荷が蓄積されて、３ｄ軌道の電子占有状態が変化することにより、磁化容易軸が膜面方向よりも垂直方向で安定するようになるとされる（非特許文献１，２）。本実施形態においては、磁性層３が、このような磁性金属膜３１に垂直磁気異方性のＧｄＦｅ層３３がＧｄ膜３２を挟んで積層されて形成されているため、磁気的に結合して全体で垂直磁気異方性を示すが、電圧が印加されると、磁性金属膜３１の磁気異方性の強さが変化することにより、磁性層３全体が面内磁気異方性を示すようになると推測される。

磁性金属膜３１において電圧印加により電子占有状態が変化するのは、絶縁層２との界面の１原子分の領域と考えられることから、１原子分を大きく超える厚さの膜になると、元の磁気異方性が優勢となって、変化が表れ難い。さらに、Ｃｏ−ＦｅまたはＣｏ−Ｆｅ−Ｂからなる磁性金属膜３１は、厚さが０．３ｎｍを超えると、ＧｄＦｅ層３３を含めた磁性層３全体が垂直磁気異方性を示さない。一方、磁化方向を有効に示すために、磁性金属膜３１は厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましい。したがって、磁性金属膜３１は、厚さを０．１〜０．３ｎｍの範囲とすることが好ましい。

ＧｄＦｅ層３３は、磁性層３の主たる要素であり、垂直磁気異方性を有する磁性材料である遷移金属（ＴＭ）と希土類金属（ＲＥ）との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）の一種であるが、垂直磁気異方性が比較的弱いＧｄ−Ｆｅ合金で形成される。Ｇｄ−Ｆｅ合金は、磁気光学効果が特に高く、光変調素子において磁化方向を変化させる層として好適である。ＧｄＦｅ層３３は、厚いほど磁気光学効果が高くなるが、一方で過剰に厚膜化されると垂直磁気異方性を示し難くなるため、一般的なＴＭＲ素子の磁化自由層と同様に、厚さを１〜２０ｎｍの範囲とすることが好ましく、１０ｎｍ以下がより好ましい。

Ｇｄ−Ｆｅ合金においては、遷移金属であるＦｅが一方向（＋ｚ方向とする）の磁気モーメントを示すのに対し、希土類金属であるＧｄは、この一方向の逆方向（−ｚ方向）の磁気モーメントを示す。ＲＥ−ＴＭ合金はフェリ磁性体の一種であり、例えばスピン注入磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、例えばＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金については、ＴＭ，ＲＥのそれぞれの磁気モーメントが相殺される組成（補償組成）に対して僅かにＲＥが多い組成として、当該ＲＥ−ＴＭ合金全体として飽和磁化の小さい−ｚ方向の磁気モーメントとして、容易に垂直磁気異方性を示すようにし、かつ必要な保磁力を確保している。一方、Ｇｄ−Ｆｅ合金については、このような補償組成付近では、他のＲＥ−ＴＭ合金と比較して保磁力が小さいことから、Ｆｅの含有率を高くして、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにする。

ここで、Ｇｄ−Ｆｅ合金は、Ｃｏ−ＦｅやＣｏ−Ｆｅ−Ｂと組み合わされると、垂直磁気異方性を示さず、Ｃｏ−Ｆｅ等と同じ面内磁気異方性を示すようになる。これは、Ｃｏ−Ｆｅ等のＦｅによって、Ｇｄ−Ｆｅ合金におけるＦｅの反磁界成分の影響が強くなることによると考えられる。そこで、磁性層３は、磁性金属膜３１とＧｄＦｅ層３３の間に、Ｇｄ膜３２をさらに備えることで、磁性金属膜３１によるＦｅの影響を相殺し、ＧｄＦｅ層３３（磁性層３）が垂直磁気異方性を示すようにする。

Ｇｄ膜３２は、磁性金属膜３１とＧｄＦｅ層３３の間に設けられ、磁性金属膜３１中のＦｅのＧｄＦｅ層３３への影響を相殺して、ＧｄＦｅ層３３が本来の垂直磁気異方性を示すようにする。Ｇｄ膜３２は、ＧｄＦｅ層３３や磁性金属膜３１の厚さに応じて、ＧｄＦｅ層３３が垂直磁気異方性を示すように、厚さを設定される。具体的には、Ｇｄ膜３２は、厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、Ｇｄ原子１個分（０．１８ｎｍ）相当の０．２ｎｍ以上とすることがより好ましく、また、２ｎｍ以下とすることが好ましい。言い換えると、磁性層３は、磁性金属膜３１との界面でＧｄ−ｒｉｃｈとなるＧｄ−Ｆｅ合金の層を備える。

（絶縁層）
絶縁層２は、磁性層３（磁性金属膜３１）において当該絶縁層２との界面に電荷を蓄積させるために設けられる。絶縁層２は、ＴＭＲ素子の障壁層に適用されるＭｇＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＨｆＯ₂を適用することができ、本実施形態に係る光変調素子１においては、ＭｇＯ膜２１で形成される。特に、絶縁層２（ＭｇＯ膜２１）は、（００１）面配向のＭｇＯとすることが好ましい。絶縁層２は、ＴＭＲ素子の障壁層と同様に厚さを０．１ｎｍ以上とすることが好ましく、１ｎｍ以上とすることがより好ましい。一方、絶縁層２は、光変調素子１に必要な電圧が印加される範囲で厚く形成されてもよい。ただし、後記するように、光変調素子１を搭載した空間光変調器の構成によっては、電圧印加時に電流が流れるため、この場合には、絶縁層２は、薄く形成して抵抗を抑えることが好ましく、厚さを３ｎｍ未満とし、ＴＭＲ素子の障壁層と同様に厚さを２ｎｍ以下とすることが好ましい。あるいは、省電力化のために光変調素子１が電流を流さないように構成されてもよく、この場合は、絶縁層２は、厚さを３ｎｍ以上とする。

（下地膜）
下地膜４１は、絶縁層２の下に設けて下部電極６への密着性を付与するために設けられ、非磁性金属材料の中で、Ｒｕ，Ｔａを適用することが好ましい。下地膜４１は、厚さが１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、密着性がそれ以上には向上しないので、厚さ１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（保護膜）
保護膜４２は、光変調素子１の製造工程において、レジスト形成時の現像液の含浸や磁性層３のＧｄＦｅ層の酸化等のダメージから磁性層３を保護するために、磁性層３の上に設けられる。保護膜４２は、Ｒｕ，Ｔａ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ａｕ等の非磁性金属材料からなる単層膜、またはＣｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕ等の異なる金属材料からなる金属膜を２層以上積層した積層膜から構成される。保護膜４２は、下地膜４１と同様に、厚さが１ｎｍ未満であると連続した膜を形成し難いため、保護膜として十分な効果が得られず、一方、１０ｎｍを超えて厚くしても、ＧｄＦｅ層を保護する効果がそれ以上には向上せず、また、光変調素子１の上方からの入射光の透過光量を減衰させる。したがって、保護膜４２は、厚さを１〜１０ｎｍとすることが好ましい。

（電極）
上部電極６および下部電極５は、絶縁層２と磁性層３の界面に垂直に電圧を印加するために設けられる。本実施形態においては、電極５，６は、絶縁層２および磁性層３を含む保護膜４２〜下地膜４１の積層構造部分を、上下から挟むように設けられ、この積層構造部分の平面視形状と同じまたはそれよりも大きく形成される。さらに、電極５，６は、光変調素子１を２次元配列した空間光変調器においては、当該空間光変調器における配線として、配列の一方向に延設されたストライプ状に形成されてもよい（図示省略）。

下部電極５は、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、また、前記金属や合金の２種類以上を積層してもよい。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光変調素子１に対応した形状に加工される。

上部電極６は、光が透過するように透明電極材料で構成される。透明電極材料は、例えば、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、インジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化アンチモン−酸化スズ系（ＡＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の公知の透明電極材料からなる。特に、比抵抗と成膜の容易さとの点からＩＺＯが最も好ましい。これらの透明電極材料は、スパッタリング法、真空蒸着法、塗布法等の公知の方法により成膜される。

上部電極６は、光変調素子１との間に下地として金属膜を設けてもよく、特に、抵抗を低減するために好ましい（図示省略）。透明電極の下地を構成する金属膜としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはそれらの金属の２種以上からなる合金等を用いることができ、これらの金属はスパッタリング法等の公知の方法により成膜される。そして、金属膜とその上の層すなわち透明電極との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、金属膜は、透明電極材料と連続的に真空処理室にて成膜されることが好ましい。金属膜の厚さは、保護膜４２と同様に、１ｎｍ未満であると連続した（ピンホールのない）膜を形成し難く、一方、１０ｎｍを超えると光の透過量を低下させるので、１〜１０ｎｍが好ましい。

（変形例）
本発明に係る光変調素子は、絶縁層が異なる絶縁材料で２層以上に形成されてもよい。例えば、図１（ｂ）に示すように、光変調素子１は、磁性層３との界面側（上）のＭｇＯ膜２１と絶縁膜２２とを積層した絶縁層２Ａを備える。特に、光変調素子１が電流を流さない構成である場合に、高屈折率材料からなる絶縁膜２２を十分な厚さで備えて、磁性層３の下面と下部電極５の上面との間で光を多重反射させ、磁性層３によるカー回転角を累積させて光変調度を大きくすることができる。さらに、光変調素子１は、電流を流さない構成である場合に、磁性層３の両面に絶縁層を備えてもよい（図示せず）。また、光変調素子１は、磁性層３と絶縁層２，２Ａとの積層順を入れ替えて、磁性層３が下地膜４１を介して下部電極５に接続されてもよい（図示せず）。この場合、絶縁層２Ａの絶縁膜２２は、上部電極６の透明電極材料よりも屈折率の高い材料を適用して、絶縁膜２２内で光を多重反射させることが好ましい。また、下部電極５にも上部電極６と同様に透明電極材料を適用して、光を多重反射させることができ、例えば、反射膜として金属電極材料の層を下側に設けた２層構造とする（図示せず）。また、図１においては、光変調素子１は上下に電極６，５を備えているが、磁性層３と絶縁層２，２Ａとの界面に垂直に電圧を印加することができればこれに限られない。したがって、例えば、磁性層３に接続する電極（図１においては上部電極６）は、磁性層３の側面に接続してもよい（図示せず）。

また、磁性層３として、Ｃｏ膜にＰｔ膜またはＰｄ膜を積層した２層膜を適用することもできる。垂直磁気異方性材料として、Ｃｏ膜とＰｔ膜等とを交互に繰り返し積層した多層膜が知られているが、本実施形態においては、２層膜とすることで、電圧印加により磁化方向を変化させる。この場合、絶縁層２，２Ａ（ＭｇＯ膜２１）側にＣｏ膜を設ける。Ｃｏ膜は前記した通り、厚膜化すると電圧印加の効果が低下するため、１原子から２、３原子相当の厚さである０．１〜０．５ｎｍが好ましい。Ｐｔ膜、Ｐｄ膜も厚膜化すると、Ｃｏ膜の磁気異方性の影響が低下するため、０．１〜１．０ｎｍが好ましい。

〔光変調素子の動作〕
第１実施形態に係る光変調素子１の磁性層３の磁化方向の変化を、図２を参照して説明する。図２においては、３個の光変調素子１，１，１を横一列に並べて示し、また、下地膜４１および保護膜４２は図示を省略する。磁性層３は垂直磁気異方性であるので、予め外部磁界を印加して、磁化方向を所定の向き（ここでは上向き）に設定する。

図２の左端の光変調素子１は、電源に接続されておらず、また磁界を印加されていない状態であり、したがって、磁性層３はその保磁力により上向きの磁化方向を示す。このような光変調素子１に、同図の中央の光変調素子１のように、下部電極５を電源の「＋」に、磁性層３に接続する上部電極６を「−」にして、電圧Ｖ_Lを印加する。すると、磁性層３（磁性金属膜３１）において、絶縁層２との界面近傍に負（−）の電荷が蓄積され、電圧が大きくなるにしたがい磁性層３の磁化方向が膜面方向へ徐々に傾き、さらに同図の右端の光変調素子１のように、印加電圧が所定値以上の電圧Ｖ_Hになると、磁性層３の磁化方向が膜面方向（図中、左向きで表す）になる。

光変調素子１は、電圧Ｖ_L，Ｖ_Hの印加を停止すると、図２の左端の光変調素子１のように、磁性層３の磁化方向が元の上向きに戻る。このように、光変調素子１は、電圧を一方向に印加した状態と停止した状態とで、磁性層３の磁化方向が膜面方向と垂直方向とに変化し、さらに、磁化方向が膜面方向に到達するまでは、電圧が大きくなるにしたがい磁化方向の変化（回転角）が大きくなる。すなわち本発明に係る光変調素子１は、スピン注入磁化反転素子と同様に電気的に磁化方向を変化させることができ、さらにその変化量を制御することができ、また、極性を入れ替える必要がない。なお、印加電圧の極性は、磁性層３の材料等、光変調素子１の構成によって決定されると考えられる。また、光変調素子１（磁性層３）のこのような磁化方向（磁気異方性）の変化は平面視形状（面積）に依存しないため、所望のサイズに形成された光変調素子１で駆動させることができる。また、光変調素子１は、電圧が印加されていれば、電流が流れていなくても磁性層３の磁化方向が変化するため、絶縁層２を厚膜化して電流（トンネル電流）が流れない構成にすることで、省電力化することができる。

なお、光変調素子１の駆動に要する印加電圧は、光変調素子１の抵抗、すなわち主に絶縁層２の厚さによって設定される。磁性層３の上下面間の電位差が１００ｍＶ未満で磁化方向を変化させることができるとされるため（非特許文献１）、電極５，６から印加する電圧は、主に絶縁層２（２Ａ）の抵抗に比例し、厚さや材料によって０．１Ｖ程度から２００Ｖもの値に設定される。光変調素子１が電流の流れる態様、すなわち絶縁層２が薄い場合は、絶縁層２が絶縁破壊されないように、絶縁層２の厚さに応じて電圧の大きさを設定する。一方、絶縁層２が厚い場合は、印加電圧が極めて大きくても、厚い絶縁層２により光変調素子１に電流が流れないので、特に省電力化の効果が高い。

次に、第１実施形態に係る光変調素子の光変調動作を、図２を参照して説明する。図２においては、３個並べた光変調素子１，１，１の上方の出射光の経路上に、出射側偏光子ＰＦｏが配置される。さらに、光変調素子１，１，１の上方に、入射光Ｌ₀を生成するための、光源、ビーム拡大器、レンズ、および入射側偏光子が配置される（図示省略）。入射側偏光子および出射側偏光子ＰＦｏは、それぞれ偏光板等であり、特定の偏光成分の光を遮光する。

光源から照射されたレーザー光は、ビーム拡大器およびレンズを経由して平行光となり、さらに入射側偏光子を透過して１つの偏光成分の光からなる入射光Ｌ₀になって、上方から略垂直（入射角≒０°）に光変調素子１，１，１に入射する。それぞれの光変調素子１に入射した入射光Ｌ₀は、上部電極６を透過して磁性層３で反射して出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃となり、再び上部電極６を透過して出射側偏光子ＰＦｏに到達する。なお、図２においては、入射光と出射光の経路を識別し易くするため、入射光の入射角を傾斜させて示す。

図２の左端の光変調素子１は、磁性層３の磁化方向が上向きすなわち垂直方向であるため、この光変調素子１からの出射光Ｌ₁は、極カー効果により、入射光Ｌ₀に対して偏光面の回転角（旋光角）が最大のθ_kMAX（≦９０°）になる。これに対して、同図の右端の電圧Ｖ_Hが印加されている光変調素子１は、磁性層３の磁化方向が膜面方向で、入射光に対して略垂直であるため、この光変調素子１からの出射光Ｌ₃は、磁気光学効果がほとんど得られず、入射光Ｌ₀と同一の偏光成分の光である。また、同図の中央の電圧Ｖ_L（＜Ｖ_H）が印加されている光変調素子１は、磁性層３の磁化方向が垂直方向と膜面方向の中間の傾斜した向きを示している。そのため、この光変調素子１からの出射光Ｌ₂は、入射光Ｌ₀に対して旋光するものの、旋光角θ_kが左側に示す光変調素子１からの出射光Ｌ₁における最大角θ_kMAXよりも小さい（０°＜θ_k＜θ_kMAX）。

出射側偏光子ＰＦｏは、入射光Ｌ₀に対して偏光の向きがθ_kMAX回転した光を遮光するように配置されている。そのため、図２の左端の、電圧が印加されていない光変調素子１からの出射光Ｌ₁は出射側偏光子ＰＦｏで完全に遮光され、この光変調素子１からなる画素は暗く（黒く）表示される。これに対して、同図の中央および右端の、電圧が印加されている光変調素子１，１からの出射光Ｌ₂，Ｌ₃は、出射側偏光子ＰＦｏを透過する。特に、右端の光変調素子１からの出射光Ｌ₃は、出射側偏光子ＰＦｏが遮光する光（＝出射光Ｌ₁）に対して偏光面の角度の差が最大であるため、出射側偏光子ＰＦｏを透過する光量が最大となり、この光変調素子１からなる画素が最も明るく（白く）表示される。一方、中央の光変調素子１からの出射光Ｌ₂は、偏光面の角度の差が出射光Ｌ₃よりも小さいため、出射光Ｌ₃よりも多くの光が出射側偏光子ＰＦｏに遮光され、この光変調素子１からなる画素は、やや明るく（中間調に）表示される。

このように、光変調素子１毎に電圧を印加するかしないかにより、画素毎に明／暗（白／黒）の表示を切り分けることができ、さらにその電圧の大きさを異なるものとすることにより、中間調を表示することができ、そして、電圧を印加、停止し、大きさを変えることで、表示を切り換えることができる。中間調については、磁性層３の磁化方向の傾きの程度（角度）によって明るさ（光量）が異なるので、印加電圧の大きさを制御することにより、所望の明るさに表示することができる。

なお、図２においては、光変調素子１，１，１への入射光Ｌ₀の経路を避けて、出射側偏光子ＰＦｏが配置され、出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の経路を避けて、図示しない光源や入射側偏光子等が配置される。ただし、本実施形態においては、出射側偏光子ＰＦｏを最も多く透過させる出射光Ｌ₃は、入射側偏光子を透過した入射光Ｌ₀と同一偏光成分の光であるので、入射側偏光子については、出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃の経路上にも配置されてよい。また、出射側偏光子ＰＦｏの配置（向き）を変えて、電圧が印加されていない光変調素子１の方を最も明るく（白く）表示させることもできる。

前記したように、図２においては、入射光Ｌ₀と出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃との経路が異なるように入射光Ｌ₀の入射角を傾斜させているが、入射角が大きいほど極カー効果が低下してコントラストが低下するため、３０°以内とすることが好ましく、膜面に垂直に入射、すなわち入射角を０°にすることが最も好ましい。入射角を０°にする場合は、入射光と出射光の経路が一致するため、例えば入射側偏光子と光変調素子１との間にハーフミラーを配置して、出射光のみを側方へ反射させてもよく、反射させた先に出射側偏光子ＰＦｏを配置する（図示せず）。

〔空間光変調器〕
本発明に係る光変調素子は、膜面方向に２次元配列して反射型の空間光変調器を構成する。本発明に係る光変調素子１は、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層と異なり、磁性層３の磁化方向を非垂直（膜面方向）に保持することができない。そこで、本発明に係る光変調素子１を備える空間光変調器は、例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やＤＲＡＭのように、画素（光変調素子１）毎にコンデンサ（キャパシタ）を備えて、１フレーム分の時間（１／６０秒間）、継続して光変調素子１に所定の電圧が印加されるように構成する。具体的には、本発明に係る空間光変調器１０は、図３に示すように、光変調素子１（図中、抵抗器で表す）のそれぞれにコンデンサ７２が並列に接続され、光変調素子１およびコンデンサ７２にさらにトランジスタ７１のドレインが接続され、このトランジスタ７１のソースおよびゲートに、互いに直交するデータ線ＤＬおよびゲート線ＧＬ（ワード線）が接続される。光変調素子１の上部電極６とデータ線ＤＬとから所定の大きさの電圧を、ゲート線ＧＬにより選択的に光変調素子１とコンデンサ７２とに印加することができる。すなわち、空間光変調器１０は、ＴＦＴ−ＬＣＤ等と同様に、アクティブマトリックス方式である。なお、図３においては、簡潔に、２列×２行の４画素分を示す。

このような構成の空間光変調器１０においては、トランジスタ７１をＯＮからＯＦＦに切り替えた時から、コンデンサ７２から放電されて光変調素子１に印加される電圧が時間の経過に伴い減衰するので、１フレーム分の時間が経過した時に印加される電圧が所定値以上であるように、電源の出力電圧を設定する。また、コンデンサ７２は抵抗値が光変調素子１よりも低く設計されることが好ましく、充電時（トランジスタ７１：ＯＮ）にコンデンサ７２へ大電流を供給されて短時間で充電し、放電時（トランジスタ７１：ＯＦＦ）には、コンデンサ７２に直列に接続された高抵抗の光変調素子１により、小さな電流で長時間放電される。また、データ線ＤＬ毎に電圧の大きさを変えて印加する、あるいは電圧の異なる複数のデータ線ＤＬとそれぞれに切り替えて光変調素子１を接続させるトランジスタ７１を設けることにより、画素毎に階調表示することができる。

本発明に係る空間光変調器１０は、一例として、図４に示すように、ＤＲＡＭのメモリセルのように、表層にトランジスタ７１およびコンデンサ７２を形成された基板７０上に、光変調素子１を形成してなる。トランジスタ７１はＭＯＳＦＥＴであり、ソース７ｓがＸ方向に延設されて電源の正極（図示省略）に接続するデータ線ＤＬ（正極配線）に接続され、ゲート７ｇがＹ方向に延設されたゲート線ＧＬ（図示省略）に接続されている。コンデンサ７２は、トランジスタ７１のドレイン７ｄの一部（蓄積電極）に、誘電体層（図示省略）を挟んでＰｏｌｙ−Ｓｉ膜（プレート電極７ｐ）を積層してなる。光変調素子１は、光変調素子１毎に形成された下部電極５でトランジスタ７１のドレイン７ｄに接続され、トランジスタ７１を経由して電源の正極に接続する。一方、上部電極６は、空間光変調器１０において一体の全面電極（負極配線）としてすべての光変調素子１で共有され、コンデンサ７２のプレート電極７ｐと共に電源の負極（図示省略）に接続される。なお、図４において、Ｘ方向に並んだ２個の光変調素子１，１のそれぞれと接続するトランジスタ７１，７１は、１つのソース７ｓを共有する。また、図４は、空間光変調器１０の２列×２行の４画素分の簡略化した外観図であり、図４の空白部分には絶縁層が設けられている。コンデンサ７２は、図４においてはプレーナ（平面）型を適用されているが、ＤＲＡＭと同様に、スタック型やトレンチ型を適用して、画素サイズに対して容量を大きくすることができる。

あるいは、本発明に係る空間光変調器は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイのように、インパルス型の表示方式としてもよい。インパルス型の表示方式の空間光変調器は、２次元配列された画素から１列ずつ明滅させて表示する。そのため、空間光変調器において、上部電極６と下部電極５が、平面視で互いに直交するストライプ状に延設される（図示省略）。例えば、上部電極６の１本に接続する１列のみから任意の光変調素子１を、それぞれに接続（対向）する下部電極５と前記１本の上部電極６とから電圧を印加することにより、印加している間だけ明るく表示させる。そして、他の列に切り替えて同様に表示する。このような空間光変調器においては、一対の上部電極６と下部電極５から直接に、間に設けられた光変調素子１に電圧を印加することができるので、光変調素子１が電流を流さなくてもよく、絶縁層２（２Ａ）を厚く形成して、省電力化することができる。また、下部電極５を、上部電極６と同様に透明電極材料で形成して、透過型の空間光変調器を構成することもできる。

（空間光変調器の消費電力）
本発明に係る空間光変調器において、光変調素子を駆動したときの消費電力と光変調素子の面積との相関を、スピン注入方式の空間光変調器と比較する。

光変調素子１は、その抵抗値をＲで表すと、外部から電圧Ｖを印加して光変調素子１を駆動したときの消費電力Ｐは、光変調素子１に流れる電流Ｉ（＝Ｖ／Ｒ）と電圧Ｖとの積（Ｖ×Ｉ）である。なお、ここでは、光変調素子１は、電流が流れるように厚さ３ｎｍ未満の絶縁層２を備えるものとする。光変調素子１について、厚さ等の層構造を変えずに、面積（磁性層３の面積）Ｓを大きくしたとき、光変調素子１の駆動（磁性層３の磁化方向の垂直方向から膜面方向への変化）に要する電圧Ｖは変化せず、抵抗値Ｒが面積Ｓに反比例して低下することにより、電流Ｉのみが光変調素子１の面積Ｓに比例して大きくなる。すなわち、消費電力Ｐは光変調素子１の面積Ｓに比例する。

スピン注入方式の空間光変調器の光変調素子（スピン注入磁化反転素子）は、反転電流Ｉ_c以上の電流を外部から供給されることによって磁化反転する。反転電流Ｉ_cの電流密度（反転電流密度Ｊ_c）がスピン注入磁化反転素子の層構造（材料、膜厚等）によって決定され、面積Ｓにかからわず一定であれば、反転電流Ｉ_cは、Ｉ_c＝Ｓ×Ｊ_cより、面積Ｓに比例して大きくなる。

ところが、スピン注入磁化反転素子の反転電流密度Ｊ_cは、下式（１）で表すように、磁化自由層の体積ｖおよび反転電流Ｉ_cのパルス幅（電流供給時間）ｔ_pに依存する（R. H. Koch, J. A. Katine, J. Z. Sun, “Time-Resolved Reversal of Spin-Transfer Switching in a Nanomagnet”, Physical Review Letters, Vol.92, 088302, February 2004）。なお、式中の臨界反転電流密度Ｊ_c0および磁気異方性定数Ｋ_uは、スピン注入磁化反転素子の材料等で決定され、Ｋ_uｖ＝Ｅ（Ｅ：磁気異方性エネルギー）である。また、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度、ｔ₀：臨界反転におけるパルス幅（通常、１〜１０ｎｓ）である。
Ｊ_c＝Ｊ_c0×[１−(ｋ_BＴ／Ｋ_uｖ)×ｌｎ(ｔ_p／ｔ₀)] ・・・（１）

磁化自由層について、体積ｖは、厚さが一定のとき面積Ｓに比例する。したがって、式（１）より、反転電流密度Ｊ_cは、面積Ｓの逆数１／Ｓに比例して低減し、すなわち、面積Ｓが大きくなるにしたがい大きくなる。なお、式（１）より、反転電流Ｉ_cのパルス幅ｔ_pが長いほど反転電流密度Ｊ_cが低減されるが、ｌｎ(ｔ_p／ｔ₀)はｅ（≒２．７１８）に収束するので、その効果は限定的である。そして、スピン注入磁化反転素子の反転電流Ｉ_cは、さらに面積Ｓと反転電流密度Ｊ_cとの積であるので、面積Ｓに対して単に比例するよりも大きく依存し、したがって、消費電力Ｐ_cも同様に、面積Ｓに対して大きく依存する。

このように、本発明に係る空間光変調器は、光変調素子１の１個あたりの消費電力が面積（磁性層３の面積）Ｓに単に比例するのみで、全体では面積Ｓと画素数との積に比例し、スピン注入方式の空間光変調器のように、光変調素子の１個の面積が大きいと消費電力がより大きくなるということがない。したがって、本発明に係る空間光変調器は、光変調素子の大型化が容易で、画素の開口率を高くすることができる。

以上のように、第１実施形態に係る光変調素子によれば、平面視形状にかかわらず電気的に磁化方向を変化させることができ、さらに２値の光だけでなく中間の１以上の光に変調することができるので、１個で階調表示することができる。したがって、このような光変調素子を配列することにより、画素サイズが適度に微細化され、さらに１画素に１個の光変調素子を備えて階調表示することができる空間光変調器が得られる。

〔第２実施形態〕
本発明に係る光変調素子は、面内磁気異方性の磁性層を適用することもできる。すなわち、本発明の第２実施形態に係る光変調素子１Ａ（図５参照）は、図１（ａ）に示す第１実施形態に係る光変調素子１の磁性層３に代えて、面内磁気異方性の磁性層３Ａを備える。磁性層３Ａは、磁性層３の磁性金属膜３１と同じＣｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂを適用することができ、厚さは１原子〜２、３原子相当の０．３〜０．５ｎｍが好ましい。絶縁層２等のその他の構成は、光変調素子１と同様であり、２層構造の絶縁層２Ａ（図１（ｂ）参照）を備えてもよい。なお、図５においては、図２と同様に、下地膜４１および保護膜４２を省略する。

〔光変調素子の動作〕
第２実施形態に係る光変調素子１Ａの磁性層３Ａの磁化方向の変化を、図５を参照して説明する。図５においては、第１実施形態（図２参照）と同様、３個の光変調素子１Ａ，１Ａ，１Ａを横一列に並べて示す。磁性層３Ａは面内磁気異方性であるので、予め外部磁界を印加して、磁化方向を所定の向き（ここでは右向き）に設定する。

図５の左端の光変調素子１Ａは、電源に接続されておらず、また磁界を印加されていない状態であり、したがって、磁性層３Ａはその保磁力により右向きの磁化方向を示す。このような光変調素子１Ａに、同図の中央の光変調素子１Ａのように、下部電極５を「＋」に、磁性層３Ａに接続する上部電極６を「−」にして、電圧Ｖ_Lを印加する。すると、磁性層３Ａ（磁性金属膜３１）において、絶縁層２との界面近傍に負（−）の電荷が蓄積され、電圧が大きくなるにしたがい磁性層３Ａの磁化方向が垂直方向（下向き）へ徐々に傾き、さらに同図の右端の光変調素子１Ａのように、印加電圧が所定値以上の電圧Ｖ_Hになると、磁性層３Ａの磁化方向が垂直方向（下向き）になる。

光変調素子１Ａは、電圧Ｖ_L，Ｖ_Hの印加を停止すると、図５の左端の光変調素子１Ａのように、磁性層３Ａの磁化方向が元の右向きに戻る。このように、光変調素子１Ａは、電圧を一方向に印加した状態と停止した状態とで、磁性層３Ａの磁化方向が垂直方向と膜面方向とに変化し、さらに、磁化方向が垂直方向に到達するまでは、電圧が大きくなるにしたがい磁化方向の変化（回転角）が大きくなる。したがって、本実施形態に係る光変調素子１Ａは、面内磁気異方性の磁性層３Ａを備えても、第１実施形態と同様に、電気的に磁化方向を変化させることができ、さらにその変化量を制御することができ、また、極性を入れ替える必要がない。電極５，６から光変調素子１Ａに印加する電圧は、第１実施形態と同様に、主に絶縁層２の厚さによって設定される。

次に、第２実施形態に係る光変調素子の光変調動作を、図５を参照して説明する。図５においては、３個並べた光変調素子１Ａ，１Ａ，１Ａの上方の出射光の経路上に、出射側偏光子ＰＦｏＡが配置される。さらに、光変調素子１Ａ，１Ａ，１Ａの上方に、入射光Ｌ₀を生成するための、光源、ビーム拡大器、レンズ、および入射側偏光子が配置される（図示省略）。入射側偏光子および出射側偏光子ＰＦｏＡは、第１実施形態（図２参照）と同様に、それぞれ特定の偏光成分の光を遮光する偏光板である。

図５においては、第１実施形態と同様に、１つの偏光成分の光からなる入射光Ｌ₀が、上方から略垂直（入射角≒０°）に光変調素子１Ａ，１Ａ，１Ａに入射する。それぞれの光変調素子１Ａに入射した光は、上部電極６を透過して磁性層３Ａで反射して出射光Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃となり、再び上部電極６を透過して出射側偏光子ＰＦｏＡに到達する。

図５の左端の光変調素子１Ａは、磁性層３Ａの磁化方向が右向きすなわち膜面方向で、入射光に対して略垂直であるため、この光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₁は、磁気光学効果がほとんど得られず、入射光Ｌ₀と同一の偏光成分の光である。これに対して、同図の右端の電圧Ｖ_Hが印加されている光変調素子１Ａは、磁性層３Ａの磁化方向が下向きすなわち垂直方向であるため、この光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₃は、極カー効果により、入射光Ｌ₀に対して偏光面の回転角（旋光角）が最大のθ_kMAX（≦９０°）になる。また、同図の中央の電圧Ｖ_L（＜Ｖ_H）が印加されている光変調素子１Ａは、磁性層３Ａの磁化方向が垂直方向と膜面方向の中間の傾斜した向きを示している。そのため、この光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₂は、入射光Ｌ₀に対して旋光するものの、旋光角θ_kが右端の光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₃における最大角θ_kMAXよりも小さい（０°＜θ_k＜θ_kMAX）。

出射側偏光子ＰＦｏＡは、入射光Ｌ₀と同一の偏光成分の光を遮光するように、入射側偏光子に対してクロスニコル配置されている。そのため、図５の左端の光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₁は偏光子ＰＦｏＡで完全に遮光され、この光変調素子１Ａからなる画素は暗く（黒く）表示される。これに対して、同図の中央および右端の、電圧が印加されている光変調素子１Ａ，１Ａからの出射光Ｌ₂，Ｌ₃は、出射側偏光子ＰＦｏＡを透過する。特に、右端の光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₃は、出射側偏光子ＰＦｏＡが遮光する光（＝入射光Ｌ₀、出射光Ｌ₁）に対して偏光面の角度の差が最大であるため、出射側偏光子ＰＦｏＡを透過する光量が最大となり、この光変調素子１Ａからなる画素が最も明るく（白く）表示される。一方、中央の光変調素子１Ａからの出射光Ｌ₂は、偏光面の角度の差が出射光Ｌ₃よりも小さいため、出射光Ｌ₃よりも多くの光が出射側偏光子ＰＦｏＡに遮光され、この光変調素子１Ａからなる画素は、やや明るく（中間調に）表示される。

このように、面内磁気異方性の磁性層３Ａを備える光変調素子１Ａについても、第１実施形態に係る光変調素子１と同様に、垂直または略垂直に光を入射して光変調させることができ、また、中間調を表示することができる。

〔空間光変調器〕
第２実施形態に係る光変調素子１Ａは、第１実施形態に係る光変調素子１と同様に、２次元配列して空間光変調器を構成する（図３、図４参照）。配線（電極）の形状やコンデンサ等の接続の仕様、および駆動方法は第１実施形態にて説明した通りである。

以上のように、第２実施形態に係る光変調素子によれば、第１実施形態に係る光変調素子と同様に、所望の平面視サイズに形成することができ、また、１個で階調表示することができる。したがって、このような光変調素子を配列することにより、画素サイズが適度に微細化され、さらに１画素に１個の光変調素子を備えて階調表示することができる空間光変調器が得られる。

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。

本発明の効果を確認するために、本発明に係る光変調素子のサンプルを作製した。サンプルは、Ｃｏ−Ｆｅからなる膜（磁性金属膜）およびＧｄ−Ｆｅからなる層を備えた垂直磁気異方性の磁性層（図１（ａ）参照）における磁化方向の変化を、抵抗の測定によって確認するために、前記磁性層を磁化自由層、絶縁層を障壁層とするＴＭＲ素子を模擬した。詳しくは、熱酸化Ｓｉ基板に、表１に示すように、Ｃｕ膜で下部電極を形成した上に、下地膜から保護膜までの材料を下から順にイオンビームスパッタリング法にて連続して成膜して積層し、さらにその上にＣｕ膜で上部電極を形成し、フォトリソグラフィで０．５μｍ×０．５μｍの矩形に加工してサンプルとした。なお、ＧｄＦｅ層（Ｇｄ−Ｆｅからなる層）の組成は、Ｇｄ：２０ａｔ％、Ｆｅ：８０ａｔ％とした。

作製したサンプルに、初期化磁界＋５ｋＯｅを印加して、磁化固定層および磁性層（磁化自由層）の磁化方向を上向きに揃えた。そして、上下電極から定電圧を印加し、初期化磁界と反対方向の磁界Ｈ（＜０）をその大きさ（絶対値）を漸増させながら印加して、電流値の変化を観察することにより、磁性層の磁化方向が下向きに反転して上下電極間の抵抗が変化（上昇）する磁界Ｈを測定し、保磁力Ｈcとした。同様の測定を、印加する定電圧の大きさ（絶対値）および向き（＋，−）を変化させて行った。なお、定電圧の大きさ（絶対値）は、絶縁層（ＭｇＯ膜）が絶縁破壊しない３６０ｍＶまでとした。保磁力Ｈcの印加電圧依存性のグラフを図６に示す。なお、本実施例において、印加電圧は、下部電極が「＋」、上部電極が「−」において、正の値で表す。

また、磁気異方性の変化を磁化曲線で観察した。前記のサンプルと同じ表１に示す構造で、観察し易くするために、保磁力が面積に依存して小さくなるように、５μｍ×５μｍの大型の矩形に加工してサンプルを作製した。このサンプルに、前記と同様に初期化して、磁化固定層および磁性層（磁化自由層）の磁化方向を上向きに揃えた。そして、定電圧を印加しながら、前記と同様に磁界Ｈ（＜０）をその絶対値を漸増させながら印加した後、さらに反対方向の磁界Ｈ（＞０）を印加し、抵抗値を測定した。抵抗値の変化を磁化曲線として、図７（ａ）に定電圧＋１００ｍＶ（下部電極が「＋」）、図７（ｂ）に定電圧＋２００ｍＶ（下部電極が「＋」）、図７（ｃ）に定電圧−５０ｍＶ（上部電極が「＋」）のときの磁化曲線を示す。

下部電極を「＋」として、すなわち磁性層の側を「−」にして電圧を印加すると、図６に示すように、印加電圧を大きくするほど、保磁力Ｈcが減少した。ここで、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、印加電圧が大きいほど、磁界の漸増に伴い、抵抗値の変化が緩やかになり、かつ変化量が小さくなった。これは、磁性層の保磁力Ｈcが低下したというよりも、磁性層の垂直磁気異方性が弱くなって面内磁気異方性の傾向を示していることを表す。すなわち、図６および図７（ａ）、（ｂ）より、印加電圧を大きくするにしたがい、磁性層が垂直磁気異方性から面内磁気異方性に徐々に変化することが確認された。

一方、上部電極を「＋」として、すなわち磁性層の側を「＋」にして電圧を印加すると、図６に示すように、−２００ｍＶまでは保磁力Ｈcが増大し、さらに印加電圧（絶対値）を大きくすると減少に転じた。また、図７（ｃ）に示すように、−５０ｍＶの電圧を印加しながら磁界を印加したときは、抵抗値が急峻に変化し、垂直磁気異方性の磁性層がその保磁力に応じて磁化反転したことを示す。このように磁性層の側を「＋」にして電圧を印加したとき、保磁力Ｈcが増大するのは、磁性層（磁性金属膜）の垂直磁気異方性が増強されるためと推測される。また、図６に示すように、印加電圧が−２００ｍＶを超える（絶対値で２００ｍＶ超）と保磁力Ｈcが減少に転じたのは、大きな電圧が印加されてジュール熱が発生し、熱による影響を受け易いＧｄＦｅ層の保磁力が低下したことによると推測される。磁性層の側を「−」にした場合に、＋２００ｍＶを超えると保磁力Ｈcの減少が急峻になるのも同様である。

以上のことから、本発明に係る光変調素子は、極性を固定して電圧を印加することにより、磁性層の磁化方向を垂直方向から膜面方向に変化させることができることが確認された。さらに、０．５μｍ×０．５μｍという、スピン注入方式では磁化反転し難い大きなサンプルに対して、電圧の印加が有効であることが確認された。したがって、本発明に係る光変調素子は、大型化、すなわち画素の開口率の向上が容易である。

１０ 空間光変調器
１，１Ａ 光変調素子
２，２Ａ 絶縁層（絶縁膜）
２１ ＭｇＯ膜
３，３Ａ 磁性層
３１ 磁性金属膜
５ 下部電極（電極）
６ 上部電極（電極）

Claims (7)

1. 垂直磁気異方性を有する磁性層、絶縁膜、および前記磁性層と前記絶縁膜との界面に垂直に電圧を印加する一対の電極を備え、
   前記磁性層は、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記一対の電極から電圧が印加されているときに、磁化方向が非垂直方向に変化し、
   入射した光の偏光方向を、前記電圧が所定の大きさで印加されているときに変化させずに出射し、電圧が印加されていないときに所定の角度で変化させて出射することを特徴とする光変調素子。
2. 入射した光の偏光方向を、電圧が印加されていないときに最大の角度で変化させて出射し、印加されている電圧が大きいほど小さな角度で変化させて出射することを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
3. 面内磁気異方性を有する磁性層、絶縁膜、および前記磁性層と前記絶縁膜との界面に垂直に電圧を印加する一対の電極を備え、
   前記磁性層は、少なくとも前記絶縁膜との界面に、Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ，Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂから選択される磁性金属膜を備え、前記一対の電極から電圧が印加されているときに、磁化方向が非面内方向に変化し、
   入射した光の偏光方向を、前記電圧が印加されているときに変化させて出射し、電圧が印加されていないときに変化させずに出射することを特徴とする光変調素子。
4. 印加されている電圧が大きいほど、入射した光の偏光方向を大きな角度で変化させて出射することを特徴とする請求項３に記載の光変調素子。
5. 前記磁性層が、Ｇｄ−Ｆｅからなる層を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光変調素子。
6. 前記絶縁膜が、少なくとも前記磁性層との界面に、ＭｇＯ膜を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の光変調素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の光変調素子を２次元配列して備える空間光変調器。

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