光変調素子および空間光変調器
【課題】スピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子の光変調度を向上することを目的とする。
【解決手段】磁化固定層１１と、非磁性中間層１２と、磁化自由層１３とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、このスピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極２，３とを備え、当該一対の電極２，３を介して電流を供給されることにより磁化自由層１３の磁化方向を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する光変調素子１０において、一対の電極２，３のうち、磁化固定層１１側に設けられた電極である下部電極３は、少なくとも上層部がＡｇからなるように構成した。
【解決手段】磁化固定層１１と、非磁性中間層１２と、磁化自由層１３とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、このスピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極２，３とを備え、当該一対の電極２，３を介して電流を供給されることにより磁化自由層１３の磁化方向を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する光変調素子１０において、一対の電極２，３のうち、磁化固定層１１側に設けられた電極である下部電極３は、少なくとも上層部がＡｇからなるように構成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に用いる光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の位相や振幅等を空間的に変調する光学素子は、ホログラフィーなどの画像表示装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術などの分野で広く利用されている。また、このような光学素子は、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術などへの応用も研究されている。
【０００３】
代表的な空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）に液晶パネルを用いた空間光変調器がある。液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が２枚の透明な基板で挟まれた構造をしている。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。この透明な基板の内面には、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いる。透明電極の材料には、抵抗値が低く、電極の形状を作製するのが容易なインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が広く用いられている。これらを用いてホログラフィーを再現しようと試みられているが、応答速度の遅さや画素の高精細性が不足しているために、画像再生への利用は限定的なものであった（非特許文献１参照）。
【０００４】
前記した画素（ピクセル）の高精細化および応答速度の高速化の問題を解決するために、特許文献１または特許文献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て、高速な応答性を実現した磁気光学式空間光変調器（以降、ＭＯＳＬＭ：Magneto-Optic SLM）の例が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、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鏡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が記載されている。また、特許文献１には、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が記載されている。これらにより、特許文献１に記載のＭＯＳＬＭでは、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。また、各ピクセルの磁性ガーネットがシングルドメイン構造（単磁区構造）に形成されていれば、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方向を反転させることができる。
【０００６】
特許文献２には、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のＭＯＳＬＭが記載されている。
ところで、スピン注入型磁化反転技術（ＳＴＳ：Spin Transfer Switching）は、サブμｍ（サブミクロン）以下の小さな磁性体の磁化方向を反転させる技術として注目されている（非特許文献２参照）。ＳＴＳを用いることで、ギガビット（Ｇbit）級の超高密度な磁気ランダムメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）への応用が期待されている。また、近年、メモリヘの応用だけでなく、磁気光学効果とＳＴＳとを組み合わせることで光を変調する光変調素子が提案されている。
【０００７】
本願発明者らは、これまでに、スピン注入により磁化反転されるスピン注入型磁化反転素子と偏光手段とを用い、磁化方向の変化を利用して画素選択を行う撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３に記載された、スピン注入により磁化反転を行う光変調素子は、入射光の偏光面を変えることで光を変調させる方式であるために、高速応答および高精細化が可能である。
【０００８】
また、本願発明者らは、膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されている磁性膜を用い、磁気光学効果を利用した空間光変調器を提案している（特許文献４参照）。特許文献４に記載された空間光変調器は、磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されているため、膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料と比較して磁気光学効果を大きくすることができる。そのため、入射光の光変調度（偏光度）を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−７０１０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１８４１号公報
【特許文献３】特開２００８−６０９０６号公報
【特許文献４】特開２００９−１３９６０７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T.Sonehara, H.Miura and J.Amako, “Moving 3D-CGH Reconstruction Using a Liquid Crystal Spatial Wavefront Modulator”, the 12th International Display Research Conference, 1992, pp.315-318
【非特許文献２】E.B.Mayer, D.C.Ralph, J.A.Katine, R.N.Louie and R.A.Buhrman, “Current-induced switching of domains in magnetic multilayer devices”, Science, 1999, Vol.285, pp.867-870
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＬＭにおいては、高精細化のために画素サイズ（画素ピッチ）を微細化することと、応答を高速化することとが要望されている。しかしながら、液晶パネルを用いたＳＬＭでは、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難であるとともに、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。
【００１２】
また、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインが、画素の内側に収まりかつ画素の外形に一致するように形成した構造となっているので、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難である。また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインへの通電による合成磁界を利用するために、画素を微細化すると隣接した画素へのクロストークが大きくなってしまうという問題がある。
【００１３】
これに対して、特許文献３、４に記載されたスピン注入型の光変調素子は、印加電圧に対する応答時間が数ｎｓ程度と高速であり、画素サイズもサブμｍの微細化が可能である。しかしながら、ホログラフィー表示装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合には、光変調度が充分に大きいとは言えず、そのため、コントラストが弱くなってしまう。つまり、特許文献３、４に記載された技術に対して、光変調度をさらに大きくするという改善が望まれていた。
【００１４】
ここで、光変調度は磁気光学効果と密接に関係しており、カー効果やファラデー効果による旋光の角度であるカー（Kerr）回転角やファラデー回転角が大きくなれば、光変調度も大きくなる。そのため、従来の磁気光学効果を用いた光変調素子の研究分野では、例えばＧＭＲ（Giant Magneto Resistance：巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance：トンネル磁気抵抗効果）素子のようなスピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子を構成する磁性膜部分において材料等の条件を工夫することで磁気光学効果の改善が図られてきた。つまり、光変調素子を構成する磁性膜部分として、例えばピンド層（磁化固定層）およびフリー層（磁化自由層）の材料等の条件が着目されてきた。
【００１５】
一方、下部電極の材料については低抵抗の材料が望ましく、半導体素子や磁気固体メモリー（ＭＲＡＭ）で一般的に用いられているＣｕが用いられている。しかしながら、光変調度を大きくするという観点からは、下部電極における最適な材料等の条件がこれまで知られていないという問題があった。
【００１６】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子において、光変調度を向上し、また、その光変調度を向上した光変調素子を用いた空間光変調器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記した課題を解決するために、本発明にかかる光変調素子は、磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、このスピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極とを備え、当該一対の電極のうち、磁化固定層側に設けられた電極である下部電極は、少なくとも上層部がＡｇからなるように構成した。
【００１８】
かかる構成によれば、光変調素子は、一対の電極を介して電流を供給されることにより磁化自由層の磁化方向を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する。ここで、スピン注入型磁化反転素子構造を透過して光変調を受けた入射光は、Ａｇからなる下部電極の上層部で効率的に反射され、再びスピン注入型磁化反転素子構造を透過することにより、さらに光変調を受け出射する。これによって、光変調素子は、出射光総体における磁気光学効果であるカー回転角を増大させる。
【００１９】
また、本発明にかかる光変調素子は、磁化固定層および磁化自由層は、それぞれ垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むように構成した。
【００２０】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化方向が膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むので、磁化方向が膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、大きな磁気光学効果を得る。
【００２１】
また、本発明にかかる光変調素子は、磁化自由層に含まれる磁性膜がＧｄ−Ｆｅ合金からなり、磁化固定層に含まれる磁性膜の一部がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなるように構成した。
【００２２】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化自由層に含まれるＧｄ−Ｆｅ合金からなる磁性膜に含まれるＧｄによってその磁気異方性を小さくし、また磁化自由層の保磁力を小さくする。このため、磁化自由層は、スピン分極された電子の注入によって磁化方向を容易に反転される。また、光変調素子は、磁化固定層の一部にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性膜を含むため、この磁性膜に含まれるＴｂによって磁化固定層の保磁力を大きくすることができる。このため、磁化固定層は、磁化方向が外部磁界によって容易に変わることがない。
【００２３】
本発明にかかる空間光変調器は、基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、画素選択手段と、電流供給手段とを備える空間変調器であって、画素として、本発明にかかる光変調素子を備えるように構成した。
【００２４】
かかる構成によれば、空間光変調器は、画素として、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を備える。この空間光変調器は、画素選択手段によって、複数の画素から１つ以上の画素を選択する。そして、空間変調器は、電流供給手段によって、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する。これによって、空間光変調器は、画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁気光学効果であるカー回転角を増大させるため、光変調度が向上した光変調素子とすることができる。
本発明によれば、磁化方向が膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、光変調度の高い光変調素子とすることができる。
本発明によれば、前記した効果に加えて、高速な応答と安定した動作をする光変調素子とすることができる。
本発明によれば、本発明にかかる光変調素子を画素として備えるため、光変調度の高い空間光変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光変調素子の動作を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る光変調素子を用いた空間光変調器の構成を示す平面模式図である。
【図４】図３に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図で、図３のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【図５】図１（ｂ）に示す光変調素子においてＡｇ層の膜厚を変えたときの磁気カー回転角の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る光変調素子および空間光変調器を実施するための形態について適宜図面を参照して説明する。
【００２８】
［光変調素子］
本発明の一実施形態に係る光変調素子１０は、図１（ａ）に示すように、上部電極２および下部電極３と、これらに挟まれた光変調部１とから構成される。また、光変調部１は、磁化固定層１１、非磁性中間層１２、磁化自由層１３および保護層１４を積層してなり、磁化固定層１１、非磁性中間層１２および磁化自由層１３からなる積層構造はスピン注入型磁化反転素子構造を構成する。光変調素子１０は、光変調部１の上下に接続された上部電極２および下部電極３を介して素子に流す電流の向きにより磁化自由層１３の磁化の向きを制御することができる、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ素子等のスピン注入型磁化反転素子である。
【００２９】
磁化固定層１１は磁化方向が一方向に固定された膜であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能をもつ。磁化固定層１１は磁化自由層１３と同方向の磁気異方性を持つことが望ましく、磁化自由層１３に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合は、磁化固定層１１も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。
【００３０】
磁化固定層１１は、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化固定層として公知の磁性材料にて構成することができ、その厚さは８〜３０ｎｍとすることが好ましい。具体的にはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような遷移金属およびそれらを含む合金、例えばＴｂＦｅ系、ＴｂＦｅＣｏ系、ＣｏＣｒ系、ＣｏＰｔ系、ＣｏＰｄ系、ＦｅＰｔ系の合金が挙げられる。膜厚が１０〜３０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が、より好ましい。この合金膜に含まれるＴｂによって磁化固定層１１の保持力を大きくすることができるため、磁化固定層１１は、その磁化方向が外部磁場によって容易に変わらないようにすることができる。
【００３１】
また、磁化固定層１１は、これらの遷移金属の膜と非磁性金属の膜とを交互に積層した多層膜で構成してもよく、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｆｅ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜が挙げられる。これらの材料で構成することで、強い垂直磁気異方性を有し、また大きな保磁力を有する磁化固定層１１とすることができる。
【００３２】
磁化固定層１１は、図１（ａ）に示した実施形態のように、前記した材料の単層または多層膜である主層１１ｂを設け、さらに、非磁性中間層１２との界面側に、ＣｏＦｅ合金等の遷移金属または遷移金属を含む合金からなる膜厚が２ｎｍ以下、より好ましくは０．１〜１ｎｍの層である上層１１ｃを積層してもよい。あるいは、主層１１ｂが多層膜の場合には、Ｆｅ，Ｃｏの膜を上層１１ｃとして非磁性中間層１２との界面側に積層するようにしてもよい。磁化固定層１１の主層１１ｂと非磁性中間層１２との界面に遷移金属の膜である上層１１ｃを配置することで、垂直方向のスピン分極を保ったまま、スピン注入効率を高めることができる。そのため、磁化反転電流を低減することができる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、磁化固定層１１は、下部電極３と接合する最下層に、金属膜からなる下地層１１ａを設けている。これによって、磁化固定層１１は、下部電極３との密着性や薄膜の結晶配向性等を向上させることができる。下地層１１ａとしては、例えば、膜厚が１〜１０ｎｍのＲｕを用いることができる。
【００３４】
非磁性中間層１２は、磁化固定層１１と磁化自由層１３との間に設けられ、磁化自由層１３と磁化固定層１１とを磁気的に分離するとともに、スピン偏極した電流を流すものである。光変調部１がＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成する場合は、非磁性中間層１２は、Ｃｕ，Ａｕのような非磁性金属を用いることができ、その膜厚は３〜２０ｎｍ程度であり、より好ましくは６〜２０ｎｍとすることができる。また、光変調部１がＴＭＲ素子を構成する場合は、非磁性中間層１２は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２，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り、その膜厚は０．５〜３ｎｍ程度とすることができる。
【００３５】
磁化自由層１３は、スピン注入によって磁化方向が反転される層である。磁化自由層１３はスピン注入によって容易に磁化方向が反転されるとともに、磁気光学効果の大きいことが望ましい。磁気光学効果を大きくするためには垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いることが望ましく、好ましくは、Ｇｄ−Ｆｅ合金膜を用いることができる。また、ＧｄＦｅ合金の他にも、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜、Ｃｏ−Ｐｔ合金膜、ＣｏとＰｔとの多層膜、Ｃｏ−Ｐｄ合金膜、ＣｏとＰｄとの多層膜、Ｍｎ−Ｂｉ合金膜、Ｍｎ−Ｓｂ合金膜、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｓｂ合金膜等を用いることができる。
【００３６】
ここで、磁化自由層１３を、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Ｇｄ−Ｆｅ合金（以下、ＧｄＦｅ合金）で形成する場合について詳細に説明する。ＧｄＦｅ合金の組成は、Ｇｄ：１９〜２７ａｔ％、Ｆｅ：７３〜８１ａｔ％とするのが好ましい（Ｇｄ，Ｆｅの含有率の合計は１００ａｔ％）。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、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、スピン注入型磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、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。しかしながら、ＧｄＦｅ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にもかかわらず、磁化自由層に適用した場合の反転電流は小さくはなく、他のＲＥ−ＴＭ合金と同様に厚膜化は困難である。本発明に係る光変調素子１０の磁化自由層１３に適用されるＧｄＦｅ合金においては、Ｆｅの含有率を７３ａｔ％以上として、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにするのが好ましい。より好ましくは７８ａｔ％以上である。また、ＧｄＦｅ合金は、波長７８０ｎｍ近傍の光に対する磁気光学効果が大きく、Ｆｅの含有率が多くなると、依存性は小さいが、磁気光学効果がさらに向上する。一方、ＧｄＦｅ合金は、Ｆｅの含有率が８１ａｔ％を超えると、Ｆｅの＋ｚ方向の磁気モーメントが支配的になって飽和磁化が過大となり、垂直磁気異方性を示さなくなる。このような組成を限定したＧｄＦｅ合金は、例えばスパッタリング法にて成膜する場合は、磁化自由層１３の所望の組成に対応した組成のＧｄＦｅ合金からなるターゲットを用いればよい。なお、ターゲットの組成と形成される膜の組成とは必ずしも一致しないので、予め調査した上でターゲットの組成を決定する。
【００３７】
磁化自由層１３は、飽和磁化が５０〜２５０ｅｍｕ／ｃｃとなるように、ＧｄＦｅ合金の組成を前記範囲で制御し、また膜厚を制御するのが好ましい。飽和磁化は体積あたりのパラメータであるので原則として膜厚に依存しないが、磁化自由層１３のように数十ｎｍ以下の薄膜では、非磁性中間層１２との界面のミキシングや表面（界面）粗さに影響され易くなると考えられ、薄くなるほど膜厚に強く依存して飽和磁化が変化するようになる。磁化自由層１３の飽和磁化は、Ｆｅの含有率が補償組成を超える７３ａｔ％以上において、Ｆｅの含有率に比例する。飽和磁化が５０ｅｍｕ／ｃｃ未満では、Ｆｅの＋ｚ方向の磁気モーメントが不十分である。また、保磁力は飽和磁化に反比例するため、磁化自由層１３の飽和磁化が小さいと保磁力が大きくなって、磁化反転し難くなる。したがって、磁化自由層１３を形成するＧｄＦｅ合金は、Ｆｅの含有率を多くして、飽和磁化を５０ｅｍｕ／ｃｃ以上とすることが好ましく、より好ましくは１００ｅｍｕ／ｃｃ以上である。一方、磁化自由層１３は、飽和磁化が２５０ｅｍｕ／ｃｃを超えると過大であり、前記した通り、垂直磁気異方性を示さなくなる。
【００３８】
磁化自由層１３は、膜厚が厚くなるとファラデー回転角が比例して大きくなり、光変調度が高くなるため、膜厚５ｎｍ以上が好ましく、膜厚８ｎｍ以上がさらに好ましい。一方、ＧｄＦｅ合金は、膜厚３０ｎｍ程度以上になると、光が透過せずに表面で反射するようになるため、旋光角が膜厚に依存しないカー回転角になり、５０ｎｍを超えて厚くしても、光変調度のさらなる向上の効果は得られない。したがって、磁化自由層１３は、膜厚５０ｎｍ以下が好ましく、膜厚２０ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００３９】
保護層１４は、微細加工プロセス中に磁化自由層１３が受けるダメージを防ぐために設けられる層である。保護層１４としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ等の単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等（Ｃｕが内側（磁化自由層１３側））から構成され、特にＲｕが好ましい。保護層１４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を超えて厚くすると、光変調部１の上方からの入射光の透過光量を減衰させるため、１〜１０ｎｍとすることが好ましく、３〜５ｎｍとすることがさらに好ましい。
【００４０】
上部電極２は、下部電極３と対になって光変調部１の垂直方向に電流を流す役割を担う。上部電極２は、素子に電流を流すとともに、磁化自由層１３より下部の層に光を透過させるためにＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム−亜鉛酸化物）、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）等の透明電極材料で構成される。
【００４１】
下部電極３は、上部電極２と対になって光変調部１の垂直方向に電流を流す役割を担う。本発明では、下部電極３は、少なくとも下部電極３の上層部、すなわち光変調部１側の部分をＡｇを用いて形成する。これに対応して、本実施形態では、下部電極３の全部をＡｇで構成するものである。下部電極３としてＡｇを用いることによって、下部電極として従来から用いられたＣｕと比較して、光変調部１において大きな磁気光学効果を得ることができる。
【００４２】
すなわち、下部電極３を光の反射率の高いＡｇとすることにより、光変調部１を透過してくる入射光を効率的に反射し、再度光変調部１で光変調を受けさせて出射光に加えることができるため、結果的に反射光の総体における光変調度を向上することができる。
【００４３】
光変調部１を構成する各層は、下部電極３が形成された上に、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。光変調部１の平面視形状は限定されないが、一辺が１００〜５００ｎｍ程度の矩形またはこれに相当する大きさの形状であれば、磁化固定層１１および磁化自由層１３がそれぞれ単磁区を形成し易く好ましい。
【００４４】
次に、光変調素子１０の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において保護層１４は図示を省略する。スピン注入型磁化反転素子である光変調素子１０は、光変調部１に、磁化自由層１３の電子と逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化自由層１３の磁化方向を反転させて、磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化自由層１３側から磁化固定層１１へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調部１の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層１１側から磁化自由層１３へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調部１の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。なお、光変調部１に供給する電流の大きさは反転電流以上とする必要があるが、より小さいことが好ましく、電流密度で１×１０5〜２×１０7Ａ／ｃｍ2であることが好ましい。
【００４５】
光変調部１に入射した光が磁性体である磁化自由層１３を透過（または表面で反射）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２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す、磁化が平行、反平行である、すなわち磁化自由層１３の磁化方向が互いに１８０°異なる光変調部１における旋光角は、互いに異なる角度（向きも含める）となる。本実施形態では、光変調部１に入射した光は、磁化自由層１３を透過し、非磁性中間層１２の表面（磁化自由層１３と非磁性中間層１２との界面）やさらに下層の非磁性中間層１２と磁化固定層１１との界面、磁化固定層１１と下部電極３との界面などで反射して、再び磁化自由層１３を透過して光変調部１から出射する。したがって、光はファラデー回転にて旋光するが、本明細書では、このような場合は光が光変調素子１０に反射したとして、旋光角をカー回転角と表し、その角度の大きさをθkとする。すなわち図２（ａ）、（ｂ）に示す光変調素子１０に反射した光は、それぞれ＋θk，−θkの角度で旋光する。このように、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、供給される電流の向きに応じて変化させることで後記する空間光変調器等の画素として機能する。
【００４６】
磁気光学効果の大きさは、入射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。すなわち磁化自由層１３のカー回転角θk（またはファラデー回転角）は、光の入射角が磁化自由層１３の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。磁化自由層１３は垂直磁気異方性、すなわち膜面に垂直な方向の磁化を有する場合は、垂直に（入射角０°で）光を入射することが最も好ましく、極カー効果により、大きなカー回転角θkが得られる。
【００４７】
［空間光変調器］
次に、前記の本発明に係る光変調素子１０を画素として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。ここで、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。なお、図１（ａ）に示した光変調素子１０に代えて、図１（ｂ）に示した光変調素子１０Ａを画素として用いても同様に空間光変調器を構成できるため、光変調素子１０を用いた場合を基本として説明する。
【００４８】
本発明の一実施形態に係る空間光変調器１００は、図３に示すように、基板７と、基板７上に２次元アレイ状に配列された画素４（光変調素子１０）からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部８０を備える。なお、本明細書における平面（上面）は空間光変調器１００の光の入射面であり、空間光変調器１００は画素４（画素アレイ４０）に上方から入射した光を反射してその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。
【００４９】
図３に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２，２，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３，３，…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。すなわち、図３において横方向に配列する画素４の上部電極２，２，…は、４つずつが一体的に形成され、平面視で横長のストライプ状の一つの電極を構成する。また、図３において縦方向に配列する画素４の下部電極３，３，…は、４つずつが一体的に形成され、平面視で縦長のストライプ状の一つの電極を構成する。そして、画素４は、空間光変調器１００の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、４行×４列の１６個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図３および図４に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた光変調部１によって構成される光変調素子１０を備える。また、図４において、光変調素子１０の保護層１４（図１参照）は図示を省略する。また、隣り合う上部電極２，２間、光変調部１，１間、および下部電極３，３間には、絶縁部材６が形成されている。
【００５０】
図３に示すように、電流制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２，８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。電流制御部８０を構成する各部はそれぞれ公知のものでよく、光変調素子１０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００５１】
上部電極選択部８２は上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は下部電極３の１つ以上を選択するために、それぞれ複数のスイッチング素子から構成され、選択した電極２，３に電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２，３を電極選択部８２，８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる光変調素子１０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するもので、電圧を正負反転可能なパルス電流を供給することができる。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子１０に、所定の向きのパルス電流が供給されて磁化反転させる。
【００５２】
空間光変調器１００の画素４の構成の詳細を図３および図４を参照して説明する。上部電極２は、図４に示すように光変調部１の上に配され、図３に示すように横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子１０の光変調部１に接続して電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調部１の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子１０の光変調部１に接続して電流を供給する。上部電極２は、光変調部１の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で形成される。一方、下部電極３は、光変調部１において大きな磁気光学効果を得るために、少なくとも光変調部１側である上層部はＡｇを用いて形成される。本実施形態では、下部電極３の全部がＡｇを用いて形成される。
【００５３】
光変調部１は、図３に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２，３に上下から挟まれて接続されている。光変調部１の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４に１個の光変調部１を備えるが、例えば１つの画素４に面方向で（１×３）個、（２×２）個等の複数の光変調部１を備えてもよい。
【００５４】
上部電極２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−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、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。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、成形加工される。
【００５５】
下部電極３は、少なくとも光変調部１側である上層部をＡｇとする。本実施形態における下部電極３は、図１（ａ）に示したように、全部をＡｇで構成する。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に加工される。
【００５６】
基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２，２間（図４不図示）、光変調部１，１間、および下部電極３，３間に配され、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００５７】
（空間光変調器の画素選択の動作）
次に、空間光変調器１００の画素選択の動作を、この空間光変調器１００を用いた表示装置として、図４を参照して説明する。電極２，３は、前記の通り、電流制御部８０に接続される。また、図４に示すように、本実施形態に係る空間光変調器１００の画素アレイ４０の直上には、画素アレイ４０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４０に入射する前に１つの偏光成分の光（１つの向きの偏光、以下、適宜偏光という）にする偏光フィルタＰＦｉと、この上方から画素アレイ４０に入射する偏光（入射偏光）を透過させ、かつ画素アレイ４０で反射して出射した光を側方へ反射するハーフミラーＨＭと、が配置される。そして、画素アレイ４０の上方の前記ハーフミラーＨＭの側方には、ハーフミラーＨＭで反射して到達した光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光フィルタＰＦｏと、偏光フィルタＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤとが配置される。
【００５８】
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４０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４０の手前の偏光フィルタＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光（偏光）にする。偏光フィルタＰＦｉおよび偏光フィルタ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。
【００５９】
光学系ＯＰＳは、平行光としたレーザー光を、画素アレイ４０へ膜面に垂直に（入射角０°で）入射するように照射する。レーザー光は偏光フィルタＰＦｉを透過して偏光（入射偏光）となり、ハーフミラーＨＭを透過して画素アレイ４０の上方からすべての画素４に向けて入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調部１で反射して、再び上部電極２を透過して当該画素４から出射偏光として出射する。入射角０°であることから、出射偏光は入射偏光と同一の光路となる。そこで、偏光フィルタＰＦｉと画素アレイ４０との間に画素アレイ４０に対して４５°傾斜させたハーフミラーＨＭを配置して、出射偏光を側方へ反射させることで、出射偏光だけを偏光フィルタＰＦｏに到達させる。偏光フィルタＰＦｏはすべての出射偏光のうちの特定の偏光を遮光し、偏光フィルタＰＦｏを透過した光が検出器ＰＤに入射する。
【００６０】
図２を参照して説明した通り、光変調部１に入射した光は、当該光変調部１の磁化が平行か反平行かで、異なる角度＋θk，−θkに旋光して出射する。光変調部１の磁化が平行（Ｐ）である画素４からの出射偏光は、入射偏光に対して角度＋θk旋光しており、偏光フィルタＰＦｏで遮光されるため、この画素４は暗く（黒く）、検出器ＰＤに表示される。一方、光変調部１の磁化が反平行（ＡＰ）である画素４からの出射偏光は、入射偏光に対して角度−θk旋光しているので、偏光フィルタＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達するため、この画素４は明るく（白く）検出器ＰＤに表示される。そして、光変調部１は、旋光角の大きさθkが大きいため、偏光フィルタＰＦｏで遮光される＋θk旋光した出射偏光に対して、−θk旋光した出射偏光は偏光の向きの差が大きく、その多くが偏光フィルタＰＦｏを透過していっそう明るく検出器ＰＤに表示される。すなわち空間光変調器１００は、コントラストに優れた表示を可能とする。
【００６１】
このように、本発明に係る空間光変調器１００は、画素４毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、各画素４に供給する電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１００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４の光変調部１の磁化を反平行にするべく、上部電極２のすべてを「−」、下部電極３のすべてを「＋」にして、上向きの電流を供給すればよい。
【００６２】
図４に示す表示装置では、画素アレイ４０に垂直に光を入射する構成としたが、入射偏光を傾斜させて画素アレイ４０に入射し（入射角＞０°）、出射偏光と光路が重複しないようにして、ハーフミラーＨＭを配置しない構成としてもよい（図示せず）。ただし、前記した通り、入射方向が磁化方向に平行に近いほど磁気光学効果が高いので、入射角は３０°程度以内とすることが好ましい。
【００６３】
以上のように、本発明に係る空間光変調器によれば、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を光変調素子として用いるため、コントラストに優れた空間光変調器となる。
【００６４】
（変形例）
次に、図１（ｂ）を参照して、本発明の実施形態の変形例について説明する。
図１（ｂ）に示した変形例における光変調素子１０Ａは、図１（ａ）に示した実施形態における光変調素子１０において、下部電極３に代えて下部電極３Ａを備えて構成したものである。他の構成要素については、図１（ａ）に示した実施形態と同様なので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
本発明における光変調素子は、少なくとも下部電極の上層部をＡｇで構成するものである。これに対応して、図１（ａ）に示した実施形態では、下部電極３の全部をＡｇで構成したものである。一方、図１（ｂ）に示した変形例では、下部電極３Ａの光変調部１側、すなわち下部電極３Ａの上層の部分である上層部３ＡｂはＡｇを用いて構成し、下層部３Ａａは電極材料として一般的に用いられるＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やその合金を用いるようにしたものである。なお、下層部３Ａａの材料としては、低抵抗で安価なＣｕが好ましい。
【００６６】
本変形例における下部電極３Ａのように、少なくとも光変調部１側である上層の部分をＡｇで構成することによって、光変調部１において大きな磁気光学効果を得ることができる。すなわち、少なくとも下部電極３Ａの上層部３Ａｂを光の反射率の高いＡｇとすることにより、光変調部１を透過してくる入射光を上層部３Ａｂで効率的に反射し、再度光変調部１で光変調を受けさせて出射光に加えることができるため、結果的に反射光の総体における光変調度を向上することができる。
【００６７】
本変形例における光変調素子１０Ａの磁化反転の動作は、図１（ａ）に示した実施形態における光変調素子１０の磁化反転の動作と同様であるので、説明は省略する。
【００６８】
また、図３および図４に示した本発明に係る空間光変調器１００は、光変調素子１０に代えて、本変形例の光変調素子１０Ａを用いて構成することもできる。すなわち、図３および図４に示した空間光変調器１００の下部電極３に代えて、図１（ｂ）に示した下部電極３Ａを用いて構成することができる。下部電極３Ａは、図１（ｂ）に示したように、光変調部１側である上層部３ＡｂをＡｇとし、下層部３Ａａに電極材料として一般的に用いられるＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やその合金を用いることができる。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に加工して形成される。
【００６９】
変形例における光変調素子１０Ａを用いて構成した空間光変調器の動作は、前記した実施形態における空間光変調器１００と同様であるので、説明は省略する。
【００７０】
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形態について説明してきたが、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。
【実施例】
【００７１】
図1（ｂ）に示した構造の光変調素子において、下部電極３ＡのＡｇからなる上層部３Ａｂの膜厚ＴＡｇを種々に変えた光変調素子を作製し、波長７８０ｎｍの光に対する磁気カー回転角θkを測定した。
【００７２】
このとき、下部電極３Ａ以外の各層については、次のとおりである。磁化固定層１１の下地層１１ａとして膜厚が１〜１０ｎｍのＲｕ層を、主層１１ｂとして膜厚が２０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金層を、上層１１ｃとして膜厚が１ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金層を、それぞれ形成した。また、非磁性中間層１２として膜厚が６ｎｍのＡｇ層を、磁化自由層１３として膜厚が９ｎｍのＧｄＦｅ層を、保護層１４として膜厚が３ｎｍのＲｕ層を、それぞれ形成した。また、下部電極３Ａの総膜厚は４５０ｎｍであり、下層部３ＡａはＣｕを用いて形成した。また、上部電極２として膜厚が２００ｎｍのＩＺＯ層を形成した。
【００７３】
表１および図５に、前記した条件で作製した光変調素子について測定した磁気カー回転角θkの測定結果を示す。ここで、ＴＡｇ＝０は、下部電極をＣｕのみで形成した従来の光変調素子に相当する。また、ＴＡｇ＝∞は、下部電極をＡｇのみで形成した図１（ａ）に示した光変調素子に相当する。
【００７４】
【表１】
【００７５】
図５に示したように、Ａｇ層である下部電極の上層部の膜厚TＡｇを厚くするにつれて、磁気カー回転角θkが増大する。従って、下部電極の光変調部側である上層部をＡｇとすると、スピン注入型光変調素子の磁気光学効果である磁気カー回転角θkの増大に効果があることがわかる。これによって、光変調素子の光変調度を向上させることができる。また、Ａｇ層の膜厚ＴＡｇを３０ｎｍ以上とすることで、磁気カー回転角θkが飽和していることがわかる。このため、下部電極の上層部の膜厚ＴＡｇは、３０ｎｍ以上とすることが特に好ましい。
【符号の説明】
【００７６】
１ 光変調部
２ 上部電極
３、３Ａ 下部電極
３Ａａ 下層部
３Ａｂ 上層部
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０、１０Ａ 光変調素子
１１ 磁化固定層
１１ａ 下地層
１１ｂ 主層
１１ｃ 上層
１２ 非磁性中間層
１３ 磁化自由層
１４ 保護層
４０ 画素アレイ
８１ 電源（電流供給手段）
８４ 画素選択部（画素選択手段）
１００ 空間光変調器
【技術分野】
【０００１】
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に用いる光変調素子、およびこれを用いた空間光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の位相や振幅等を空間的に変調する光学素子は、ホログラフィーなどの画像表示装置に応用され、ディスプレイ技術や記録技術などの分野で広く利用されている。また、このような光学素子は、２次元で並列に光情報を処理することができるため、光情報処理技術などへの応用も研究されている。
【０００３】
代表的な空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）に液晶パネルを用いた空間光変調器がある。液晶パネルは、油状で透明な液晶材料が２枚の透明な基板で挟まれた構造をしている。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。この透明な基板の内面には、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いる。透明電極の材料には、抵抗値が低く、電極の形状を作製するのが容易なインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が広く用いられている。これらを用いてホログラフィーを再現しようと試みられているが、応答速度の遅さや画素の高精細性が不足しているために、画像再生への利用は限定的なものであった（非特許文献１参照）。
【０００４】
前記した画素（ピクセル）の高精細化および応答速度の高速化の問題を解決するために、特許文献１または特許文献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て、高速な応答性を実現した磁気光学式空間光変調器（以降、ＭＯＳＬＭ：Magneto-Optic SLM）の例が開示されている。
【０００５】
特許文献１には、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鏡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が記載されている。また、特許文献１には、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が記載されている。これらにより、特許文献１に記載のＭＯＳＬＭでは、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。また、各ピクセルの磁性ガーネットがシングルドメイン構造（単磁区構造）に形成されていれば、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方向を反転させることができる。
【０００６】
特許文献２には、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のＭＯＳＬＭが記載されている。
ところで、スピン注入型磁化反転技術（ＳＴＳ：Spin Transfer Switching）は、サブμｍ（サブミクロン）以下の小さな磁性体の磁化方向を反転させる技術として注目されている（非特許文献２参照）。ＳＴＳを用いることで、ギガビット（Ｇbit）級の超高密度な磁気ランダムメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）への応用が期待されている。また、近年、メモリヘの応用だけでなく、磁気光学効果とＳＴＳとを組み合わせることで光を変調する光変調素子が提案されている。
【０００７】
本願発明者らは、これまでに、スピン注入により磁化反転されるスピン注入型磁化反転素子と偏光手段とを用い、磁化方向の変化を利用して画素選択を行う撮像装置を提案している（特許文献３参照）。この特許文献３に記載された、スピン注入により磁化反転を行う光変調素子は、入射光の偏光面を変えることで光を変調させる方式であるために、高速応答および高精細化が可能である。
【０００８】
また、本願発明者らは、膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されている磁性膜を用い、磁気光学効果を利用した空間光変調器を提案している（特許文献４参照）。特許文献４に記載された空間光変調器は、磁性膜の少なくとも１つが垂直磁気異方性を有する磁性材料から構成されているため、膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料と比較して磁気光学効果を大きくすることができる。そのため、入射光の光変調度（偏光度）を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−７０１０１号公報
【特許文献２】特開２００５−２２１８４１号公報
【特許文献３】特開２００８−６０９０６号公報
【特許文献４】特開２００９−１３９６０７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T.Sonehara, H.Miura and J.Amako, “Moving 3D-CGH Reconstruction Using a Liquid Crystal Spatial Wavefront Modulator”, the 12th International Display Research Conference, 1992, pp.315-318
【非特許文献２】E.B.Mayer, D.C.Ralph, J.A.Katine, R.N.Louie and R.A.Buhrman, “Current-induced switching of domains in magnetic multilayer devices”, Science, 1999, Vol.285, pp.867-870
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＬＭにおいては、高精細化のために画素サイズ（画素ピッチ）を微細化することと、応答を高速化することとが要望されている。しかしながら、液晶パネルを用いたＳＬＭでは、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難であるとともに、印加電圧に対する応答時間が数十μｓ程度と比較的遅いという問題がある。
【００１２】
また、特許文献１に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインが、画素の内側に収まりかつ画素の外形に一致するように形成した構造となっているので、画素サイズを数μｍ以下とするような微細化が困難である。また、特許文献２に記載されたＭＯＳＬＭは、ＸＹ駆動ラインへの通電による合成磁界を利用するために、画素を微細化すると隣接した画素へのクロストークが大きくなってしまうという問題がある。
【００１３】
これに対して、特許文献３、４に記載されたスピン注入型の光変調素子は、印加電圧に対する応答時間が数ｎｓ程度と高速であり、画素サイズもサブμｍの微細化が可能である。しかしながら、ホログラフィー表示装置やホログラム記録装置への応用を考えた場合には、光変調度が充分に大きいとは言えず、そのため、コントラストが弱くなってしまう。つまり、特許文献３、４に記載された技術に対して、光変調度をさらに大きくするという改善が望まれていた。
【００１４】
ここで、光変調度は磁気光学効果と密接に関係しており、カー効果やファラデー効果による旋光の角度であるカー（Kerr）回転角やファラデー回転角が大きくなれば、光変調度も大きくなる。そのため、従来の磁気光学効果を用いた光変調素子の研究分野では、例えばＧＭＲ（Giant Magneto Resistance：巨大磁気抵抗効果）素子やＴＭＲ（Tunneling Magneto Resistance：トンネル磁気抵抗効果）素子のようなスピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子を構成する磁性膜部分において材料等の条件を工夫することで磁気光学効果の改善が図られてきた。つまり、光変調素子を構成する磁性膜部分として、例えばピンド層（磁化固定層）およびフリー層（磁化自由層）の材料等の条件が着目されてきた。
【００１５】
一方、下部電極の材料については低抵抗の材料が望ましく、半導体素子や磁気固体メモリー（ＭＲＡＭ）で一般的に用いられているＣｕが用いられている。しかしながら、光変調度を大きくするという観点からは、下部電極における最適な材料等の条件がこれまで知られていないという問題があった。
【００１６】
本発明は、前記した問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入型磁化反転素子を用いた光変調素子において、光変調度を向上し、また、その光変調度を向上した光変調素子を用いた空間光変調器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記した課題を解決するために、本発明にかかる光変調素子は、磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、このスピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極とを備え、当該一対の電極のうち、磁化固定層側に設けられた電極である下部電極は、少なくとも上層部がＡｇからなるように構成した。
【００１８】
かかる構成によれば、光変調素子は、一対の電極を介して電流を供給されることにより磁化自由層の磁化方向を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する。ここで、スピン注入型磁化反転素子構造を透過して光変調を受けた入射光は、Ａｇからなる下部電極の上層部で効率的に反射され、再びスピン注入型磁化反転素子構造を透過することにより、さらに光変調を受け出射する。これによって、光変調素子は、出射光総体における磁気光学効果であるカー回転角を増大させる。
【００１９】
また、本発明にかかる光変調素子は、磁化固定層および磁化自由層は、それぞれ垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むように構成した。
【００２０】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化方向が膜面に垂直な垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むので、磁化方向が膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、大きな磁気光学効果を得る。
【００２１】
また、本発明にかかる光変調素子は、磁化自由層に含まれる磁性膜がＧｄ−Ｆｅ合金からなり、磁化固定層に含まれる磁性膜の一部がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなるように構成した。
【００２２】
かかる構成によれば、光変調素子は、磁化自由層に含まれるＧｄ−Ｆｅ合金からなる磁性膜に含まれるＧｄによってその磁気異方性を小さくし、また磁化自由層の保磁力を小さくする。このため、磁化自由層は、スピン分極された電子の注入によって磁化方向を容易に反転される。また、光変調素子は、磁化固定層の一部にＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金からなる磁性膜を含むため、この磁性膜に含まれるＴｂによって磁化固定層の保磁力を大きくすることができる。このため、磁化固定層は、磁化方向が外部磁界によって容易に変わることがない。
【００２３】
本発明にかかる空間光変調器は、基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、画素選択手段と、電流供給手段とを備える空間変調器であって、画素として、本発明にかかる光変調素子を備えるように構成した。
【００２４】
かかる構成によれば、空間光変調器は、画素として、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を備える。この空間光変調器は、画素選択手段によって、複数の画素から１つ以上の画素を選択する。そして、空間変調器は、電流供給手段によって、この画素選択手段が選択した画素に所定の電流を供給する。これによって、空間光変調器は、画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、磁気光学効果であるカー回転角を増大させるため、光変調度が向上した光変調素子とすることができる。
本発明によれば、磁化方向が膜面に平行な面内磁気異方性を有する磁性材料から形成されている場合に比べて、光変調度の高い光変調素子とすることができる。
本発明によれば、前記した効果に加えて、高速な応答と安定した動作をする光変調素子とすることができる。
本発明によれば、本発明にかかる光変調素子を画素として備えるため、光変調度の高い空間光変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態に係る光変調素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光変調素子の動作を説明する模式図である。
【図３】本発明に係る光変調素子を用いた空間光変調器の構成を示す平面模式図である。
【図４】図３に示す空間光変調器を用いた表示装置の模式図で、図３のＡ−Ａ断面図に対応する図である。
【図５】図１（ｂ）に示す光変調素子においてＡｇ層の膜厚を変えたときの磁気カー回転角の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る光変調素子および空間光変調器を実施するための形態について適宜図面を参照して説明する。
【００２８】
［光変調素子］
本発明の一実施形態に係る光変調素子１０は、図１（ａ）に示すように、上部電極２および下部電極３と、これらに挟まれた光変調部１とから構成される。また、光変調部１は、磁化固定層１１、非磁性中間層１２、磁化自由層１３および保護層１４を積層してなり、磁化固定層１１、非磁性中間層１２および磁化自由層１３からなる積層構造はスピン注入型磁化反転素子構造を構成する。光変調素子１０は、光変調部１の上下に接続された上部電極２および下部電極３を介して素子に流す電流の向きにより磁化自由層１３の磁化の向きを制御することができる、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ素子等のスピン注入型磁化反転素子である。
【００２９】
磁化固定層１１は磁化方向が一方向に固定された膜であって、電流中の電子のスピンを弁別する機能をもつ。磁化固定層１１は磁化自由層１３と同方向の磁気異方性を持つことが望ましく、磁化自由層１３に垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いた場合は、磁化固定層１１も垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いる。
【００３０】
磁化固定層１１は、垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化固定層として公知の磁性材料にて構成することができ、その厚さは８〜３０ｎｍとすることが好ましい。具体的にはＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉのような遷移金属およびそれらを含む合金、例えばＴｂＦｅ系、ＴｂＦｅＣｏ系、ＣｏＣｒ系、ＣｏＰｔ系、ＣｏＰｄ系、ＦｅＰｔ系の合金が挙げられる。膜厚が１０〜３０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜が、より好ましい。この合金膜に含まれるＴｂによって磁化固定層１１の保持力を大きくすることができるため、磁化固定層１１は、その磁化方向が外部磁場によって容易に変わらないようにすることができる。
【００３１】
また、磁化固定層１１は、これらの遷移金属の膜と非磁性金属の膜とを交互に積層した多層膜で構成してもよく、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｆｅ／Ｐｔ，Ｃｏ／Ｐｄ等の多層膜が挙げられる。これらの材料で構成することで、強い垂直磁気異方性を有し、また大きな保磁力を有する磁化固定層１１とすることができる。
【００３２】
磁化固定層１１は、図１（ａ）に示した実施形態のように、前記した材料の単層または多層膜である主層１１ｂを設け、さらに、非磁性中間層１２との界面側に、ＣｏＦｅ合金等の遷移金属または遷移金属を含む合金からなる膜厚が２ｎｍ以下、より好ましくは０．１〜１ｎｍの層である上層１１ｃを積層してもよい。あるいは、主層１１ｂが多層膜の場合には、Ｆｅ，Ｃｏの膜を上層１１ｃとして非磁性中間層１２との界面側に積層するようにしてもよい。磁化固定層１１の主層１１ｂと非磁性中間層１２との界面に遷移金属の膜である上層１１ｃを配置することで、垂直方向のスピン分極を保ったまま、スピン注入効率を高めることができる。そのため、磁化反転電流を低減することができる。
【００３３】
さらに、本実施形態では、磁化固定層１１は、下部電極３と接合する最下層に、金属膜からなる下地層１１ａを設けている。これによって、磁化固定層１１は、下部電極３との密着性や薄膜の結晶配向性等を向上させることができる。下地層１１ａとしては、例えば、膜厚が１〜１０ｎｍのＲｕを用いることができる。
【００３４】
非磁性中間層１２は、磁化固定層１１と磁化自由層１３との間に設けられ、磁化自由層１３と磁化固定層１１とを磁気的に分離するとともに、スピン偏極した電流を流すものである。光変調部１がＣＰＰ−ＧＭＲ素子を構成する場合は、非磁性中間層１２は、Ｃｕ，Ａｕのような非磁性金属を用いることができ、その膜厚は３〜２０ｎｍ程度であり、より好ましくは６〜２０ｎｍとすることができる。また、光変調部１がＴＭＲ素子を構成する場合は、非磁性中間層１２は、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＳｉＯ２，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り、その膜厚は０．５〜３ｎｍ程度とすることができる。
【００３５】
磁化自由層１３は、スピン注入によって磁化方向が反転される層である。磁化自由層１３はスピン注入によって容易に磁化方向が反転されるとともに、磁気光学効果の大きいことが望ましい。磁気光学効果を大きくするためには垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いることが望ましく、好ましくは、Ｇｄ−Ｆｅ合金膜を用いることができる。また、ＧｄＦｅ合金の他にも、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ合金膜、Ｃｏ−Ｐｔ合金膜、ＣｏとＰｔとの多層膜、Ｃｏ−Ｐｄ合金膜、ＣｏとＰｄとの多層膜、Ｍｎ−Ｂｉ合金膜、Ｍｎ−Ｓｂ合金膜、Ｐｔ−Ｍｎ−Ｓｂ合金膜等を用いることができる。
【００３６】
ここで、磁化自由層１３を、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Ｇｄ−Ｆｅ合金（以下、ＧｄＦｅ合金）で形成する場合について詳細に説明する。ＧｄＦｅ合金の組成は、Ｇｄ：１９〜２７ａｔ％、Ｆｅ：７３〜８１ａｔ％とするのが好ましい（Ｇｄ，Ｆｅの含有率の合計は１００ａｔ％）。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、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、スピン注入型磁化反転素子の磁性層として適用する場合には、通常、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。しかしながら、ＧｄＦｅ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にもかかわらず、磁化自由層に適用した場合の反転電流は小さくはなく、他のＲＥ−ＴＭ合金と同様に厚膜化は困難である。本発明に係る光変調素子１０の磁化自由層１３に適用されるＧｄＦｅ合金においては、Ｆｅの含有率を７３ａｔ％以上として、全体として＋ｚ方向の磁気モーメントを示すようにするのが好ましい。より好ましくは７８ａｔ％以上である。また、ＧｄＦｅ合金は、波長７８０ｎｍ近傍の光に対する磁気光学効果が大きく、Ｆｅの含有率が多くなると、依存性は小さいが、磁気光学効果がさらに向上する。一方、ＧｄＦｅ合金は、Ｆｅの含有率が８１ａｔ％を超えると、Ｆｅの＋ｚ方向の磁気モーメントが支配的になって飽和磁化が過大となり、垂直磁気異方性を示さなくなる。このような組成を限定したＧｄＦｅ合金は、例えばスパッタリング法にて成膜する場合は、磁化自由層１３の所望の組成に対応した組成のＧｄＦｅ合金からなるターゲットを用いればよい。なお、ターゲットの組成と形成される膜の組成とは必ずしも一致しないので、予め調査した上でターゲットの組成を決定する。
【００３７】
磁化自由層１３は、飽和磁化が５０〜２５０ｅｍｕ／ｃｃとなるように、ＧｄＦｅ合金の組成を前記範囲で制御し、また膜厚を制御するのが好ましい。飽和磁化は体積あたりのパラメータであるので原則として膜厚に依存しないが、磁化自由層１３のように数十ｎｍ以下の薄膜では、非磁性中間層１２との界面のミキシングや表面（界面）粗さに影響され易くなると考えられ、薄くなるほど膜厚に強く依存して飽和磁化が変化するようになる。磁化自由層１３の飽和磁化は、Ｆｅの含有率が補償組成を超える７３ａｔ％以上において、Ｆｅの含有率に比例する。飽和磁化が５０ｅｍｕ／ｃｃ未満では、Ｆｅの＋ｚ方向の磁気モーメントが不十分である。また、保磁力は飽和磁化に反比例するため、磁化自由層１３の飽和磁化が小さいと保磁力が大きくなって、磁化反転し難くなる。したがって、磁化自由層１３を形成するＧｄＦｅ合金は、Ｆｅの含有率を多くして、飽和磁化を５０ｅｍｕ／ｃｃ以上とすることが好ましく、より好ましくは１００ｅｍｕ／ｃｃ以上である。一方、磁化自由層１３は、飽和磁化が２５０ｅｍｕ／ｃｃを超えると過大であり、前記した通り、垂直磁気異方性を示さなくなる。
【００３８】
磁化自由層１３は、膜厚が厚くなるとファラデー回転角が比例して大きくなり、光変調度が高くなるため、膜厚５ｎｍ以上が好ましく、膜厚８ｎｍ以上がさらに好ましい。一方、ＧｄＦｅ合金は、膜厚３０ｎｍ程度以上になると、光が透過せずに表面で反射するようになるため、旋光角が膜厚に依存しないカー回転角になり、５０ｎｍを超えて厚くしても、光変調度のさらなる向上の効果は得られない。したがって、磁化自由層１３は、膜厚５０ｎｍ以下が好ましく、膜厚２０ｎｍ以下がさらに好ましい。
【００３９】
保護層１４は、微細加工プロセス中に磁化自由層１３が受けるダメージを防ぐために設けられる層である。保護層１４としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｔａ等の単層、または、Ｃｕ／Ｔａ，Ｃｕ／Ｒｕの２層等（Ｃｕが内側（磁化自由層１３側））から構成され、特にＲｕが好ましい。保護層１４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を超えて厚くすると、光変調部１の上方からの入射光の透過光量を減衰させるため、１〜１０ｎｍとすることが好ましく、３〜５ｎｍとすることがさらに好ましい。
【００４０】
上部電極２は、下部電極３と対になって光変調部１の垂直方向に電流を流す役割を担う。上部電極２は、素子に電流を流すとともに、磁化自由層１３より下部の層に光を透過させるためにＩＴＯ（Indium Tin Oxide：インジウム−スズ酸化物）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide：インジウム−亜鉛酸化物）、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）等の透明電極材料で構成される。
【００４１】
下部電極３は、上部電極２と対になって光変調部１の垂直方向に電流を流す役割を担う。本発明では、下部電極３は、少なくとも下部電極３の上層部、すなわち光変調部１側の部分をＡｇを用いて形成する。これに対応して、本実施形態では、下部電極３の全部をＡｇで構成するものである。下部電極３としてＡｇを用いることによって、下部電極として従来から用いられたＣｕと比較して、光変調部１において大きな磁気光学効果を得ることができる。
【００４２】
すなわち、下部電極３を光の反射率の高いＡｇとすることにより、光変調部１を透過してくる入射光を効率的に反射し、再度光変調部１で光変調を受けさせて出射光に加えることができるため、結果的に反射光の総体における光変調度を向上することができる。
【００４３】
光変調部１を構成する各層は、下部電極３が形成された上に、例えばスパッタリング法や分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の公知の方法で連続的に成膜されて積層され、電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法等で所望の平面視形状に加工される。光変調部１の平面視形状は限定されないが、一辺が１００〜５００ｎｍ程度の矩形またはこれに相当する大きさの形状であれば、磁化固定層１１および磁化自由層１３がそれぞれ単磁区を形成し易く好ましい。
【００４４】
次に、光変調素子１０の磁化反転の動作を、図２を参照して説明する。なお、図２において保護層１４は図示を省略する。スピン注入型磁化反転素子である光変調素子１０は、光変調部１に、磁化自由層１３の電子と逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、すなわち電流を反対向きに供給することにより、磁化自由層１３の磁化方向を反転させて、磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向または１８０°異なる方向にする。具体的には、図２（ａ）に示すように、上部電極２を「＋」、下部電極３を「−」にして、磁化自由層１３側から磁化固定層１１へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向になる。以下、この状態を光変調部１の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図２（ｂ）に示すように、上部電極２を「−」、下部電極３を「＋」にして、磁化固定層１１側から磁化自由層１３へ電流を供給すると、磁化自由層１３の磁化は磁化固定層１１の磁化方向と逆方向になる。以下、この状態を光変調部１の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。なお、光変調部１に供給する電流の大きさは反転電流以上とする必要があるが、より小さいことが好ましく、電流密度で１×１０5〜２×１０7Ａ／ｃｍ2であることが好ましい。
【００４５】
光変調部１に入射した光が磁性体である磁化自由層１３を透過（または表面で反射）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２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す、磁化が平行、反平行である、すなわち磁化自由層１３の磁化方向が互いに１８０°異なる光変調部１における旋光角は、互いに異なる角度（向きも含める）となる。本実施形態では、光変調部１に入射した光は、磁化自由層１３を透過し、非磁性中間層１２の表面（磁化自由層１３と非磁性中間層１２との界面）やさらに下層の非磁性中間層１２と磁化固定層１１との界面、磁化固定層１１と下部電極３との界面などで反射して、再び磁化自由層１３を透過して光変調部１から出射する。したがって、光はファラデー回転にて旋光するが、本明細書では、このような場合は光が光変調素子１０に反射したとして、旋光角をカー回転角と表し、その角度の大きさをθkとする。すなわち図２（ａ）、（ｂ）に示す光変調素子１０に反射した光は、それぞれ＋θk，−θkの角度で旋光する。このように、光変調素子１０は、その出射光の偏光の向きを、供給される電流の向きに応じて変化させることで後記する空間光変調器等の画素として機能する。
【００４６】
磁気光学効果の大きさは、入射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。すなわち磁化自由層１３のカー回転角θk（またはファラデー回転角）は、光の入射角が磁化自由層１３の磁化方向に平行に近いほど大きくなる。磁化自由層１３は垂直磁気異方性、すなわち膜面に垂直な方向の磁化を有する場合は、垂直に（入射角０°で）光を入射することが最も好ましく、極カー効果により、大きなカー回転角θkが得られる。
【００４７】
［空間光変調器］
次に、前記の本発明に係る光変調素子１０を画素として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。ここで、本明細書における画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報（明／暗）を表示する手段を指す。なお、図１（ａ）に示した光変調素子１０に代えて、図１（ｂ）に示した光変調素子１０Ａを画素として用いても同様に空間光変調器を構成できるため、光変調素子１０を用いた場合を基本として説明する。
【００４８】
本発明の一実施形態に係る空間光変調器１００は、図３に示すように、基板７と、基板７上に２次元アレイ状に配列された画素４（光変調素子１０）からなる画素アレイ４０と、画素アレイ４０から１つ以上の画素４を選択して駆動する電流制御部８０を備える。なお、本明細書における平面（上面）は空間光変調器１００の光の入射面であり、空間光変調器１００は画素４（画素アレイ４０）に上方から入射した光を反射してその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。
【００４９】
図３に示すように、画素アレイ４０は、平面視でストライプ状の複数の上部電極２，２，…と、同じくストライプ状で、平面視で上部電極２と直交する複数の下部電極３，３，…と、を備え、上部電極２と下部電極３との交点毎に１つの画素４を設ける。すなわち、図３において横方向に配列する画素４の上部電極２，２，…は、４つずつが一体的に形成され、平面視で横長のストライプ状の一つの電極を構成する。また、図３において縦方向に配列する画素４の下部電極３，３，…は、４つずつが一体的に形成され、平面視で縦長のストライプ状の一つの電極を構成する。そして、画素４は、空間光変調器１００の光の入射面に、２次元アレイ状に配列されて画素アレイ４０を構成する。本実施形態では、画素アレイ４０は、４行×４列の１６個の画素４からなる構成で例示される。なお、上部電極２と下部電極３は、適宜、両者をまとめて電極２，３と称する。そして、図３および図４に示すように、画素４は、当該画素４における一対の電極としての上部電極２および下部電極３と、これらの電極２，３に上下から挟まれた光変調部１によって構成される光変調素子１０を備える。また、図４において、光変調素子１０の保護層１４（図１参照）は図示を省略する。また、隣り合う上部電極２，２間、光変調部１，１間、および下部電極３，３間には、絶縁部材６が形成されている。
【００５０】
図３に示すように、電流制御部８０は、上部電極２を選択する上部電極選択部８２と、下部電極３を選択する下部電極選択部８３と、これらの電極選択部８２，８３を制御する画素選択部（画素選択手段）８４と、電極２，３に電流を供給する電源（電流供給手段）８１と、を備える。電流制御部８０を構成する各部はそれぞれ公知のものでよく、光変調素子１０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するものとする。
【００５１】
上部電極選択部８２は上部電極２の１つ以上を選択し、下部電極選択部８３は下部電極３の１つ以上を選択するために、それぞれ複数のスイッチング素子から構成され、選択した電極２，３に電源８１から所定の電流を供給させる。画素選択部８４は、例えば図示しない外部からの信号に基づいて画素アレイ４０の特定の１つ以上の画素４を選択し、選択した画素４に接続する電極２，３を電極選択部８２，８３に選択させる。電源８１は、選択した画素４に備えられる光変調素子１０を磁化反転させるために適正な電圧・電流を供給するもので、電圧を正負反転可能なパルス電流を供給することができる。このような構成により、特定の画素４が選択され、この画素４の光変調素子１０に、所定の向きのパルス電流が供給されて磁化反転させる。
【００５２】
空間光変調器１００の画素４の構成の詳細を図３および図４を参照して説明する。上部電極２は、図４に示すように光変調部１の上に配され、図３に示すように横方向に帯状に延設される。１つの上部電極２は、横１行に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子１０の光変調部１に接続して電流を供給する。一方、下部電極３は、光変調部１の下に配され、縦方向に帯状に延設される。１つの下部電極３は、縦１列に配置された複数の画素４，４，…のそれぞれの光変調素子１０の光変調部１に接続して電流を供給する。上部電極２は、光変調部１の入射光および出射光を遮らないように透明電極材料で形成される。一方、下部電極３は、光変調部１において大きな磁気光学効果を得るために、少なくとも光変調部１側である上層部はＡｇを用いて形成される。本実施形態では、下部電極３の全部がＡｇを用いて形成される。
【００５３】
光変調部１は、図３に示すように、平面視で上部電極２と下部電極３の重なる部分に配され、この電極２，３に上下から挟まれて接続されている。光変調部１の平面視形状は、本実施形態においては正方形であるが、これに限定されるものではない。また、１個の画素４に１個の光変調部１を備えるが、例えば１つの画素４に面方向で（１×３）個、（２×２）個等の複数の光変調部１を備えてもよい。
【００５４】
上部電極２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−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）、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。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、成形加工される。
【００５５】
下部電極３は、少なくとも光変調部１側である上層部をＡｇとする。本実施形態における下部電極３は、図１（ａ）に示したように、全部をＡｇで構成する。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に加工される。
【００５６】
基板７は、例えば表面を熱酸化したＳｉ基板等の公知の基板が適用できる。絶縁部材６は、隣り合う上部電極２，２間（図４不図示）、光変調部１，１間、および下部電極３，３間に配され、例えば、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等からなる。
【００５７】
（空間光変調器の画素選択の動作）
次に、空間光変調器１００の画素選択の動作を、この空間光変調器１００を用いた表示装置として、図４を参照して説明する。電極２，３は、前記の通り、電流制御部８０に接続される。また、図４に示すように、本実施形態に係る空間光変調器１００の画素アレイ４０の直上には、画素アレイ４０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４０に入射する前に１つの偏光成分の光（１つの向きの偏光、以下、適宜偏光という）にする偏光フィルタＰＦｉと、この上方から画素アレイ４０に入射する偏光（入射偏光）を透過させ、かつ画素アレイ４０で反射して出射した光を側方へ反射するハーフミラーＨＭと、が配置される。そして、画素アレイ４０の上方の前記ハーフミラーＨＭの側方には、ハーフミラーＨＭで反射して到達した光から特定の偏光成分の光を遮光する偏光フィルタＰＦｏと、偏光フィルタＰＦｏを透過した光を検出する検出器ＰＤとが配置される。
【００５８】
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４０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４０の手前の偏光フィルタＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光（偏光）にする。偏光フィルタＰＦｉおよび偏光フィルタ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。
【００５９】
光学系ＯＰＳは、平行光としたレーザー光を、画素アレイ４０へ膜面に垂直に（入射角０°で）入射するように照射する。レーザー光は偏光フィルタＰＦｉを透過して偏光（入射偏光）となり、ハーフミラーＨＭを透過して画素アレイ４０の上方からすべての画素４に向けて入射する。それぞれの画素４において、入射偏光は、上部電極２を透過して光変調部１で反射して、再び上部電極２を透過して当該画素４から出射偏光として出射する。入射角０°であることから、出射偏光は入射偏光と同一の光路となる。そこで、偏光フィルタＰＦｉと画素アレイ４０との間に画素アレイ４０に対して４５°傾斜させたハーフミラーＨＭを配置して、出射偏光を側方へ反射させることで、出射偏光だけを偏光フィルタＰＦｏに到達させる。偏光フィルタＰＦｏはすべての出射偏光のうちの特定の偏光を遮光し、偏光フィルタＰＦｏを透過した光が検出器ＰＤに入射する。
【００６０】
図２を参照して説明した通り、光変調部１に入射した光は、当該光変調部１の磁化が平行か反平行かで、異なる角度＋θk，−θkに旋光して出射する。光変調部１の磁化が平行（Ｐ）である画素４からの出射偏光は、入射偏光に対して角度＋θk旋光しており、偏光フィルタＰＦｏで遮光されるため、この画素４は暗く（黒く）、検出器ＰＤに表示される。一方、光変調部１の磁化が反平行（ＡＰ）である画素４からの出射偏光は、入射偏光に対して角度−θk旋光しているので、偏光フィルタＰＦｏを透過して検出器ＰＤに到達するため、この画素４は明るく（白く）検出器ＰＤに表示される。そして、光変調部１は、旋光角の大きさθkが大きいため、偏光フィルタＰＦｏで遮光される＋θk旋光した出射偏光に対して、−θk旋光した出射偏光は偏光の向きの差が大きく、その多くが偏光フィルタＰＦｏを透過していっそう明るく検出器ＰＤに表示される。すなわち空間光変調器１００は、コントラストに優れた表示を可能とする。
【００６１】
このように、本発明に係る空間光変調器１００は、画素４毎に明／暗（白／黒）を切り分けられ、各画素４に供給する電流の向きを切り換えれば明／暗が切り換わる。なお、空間光変調器１００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４の光変調部１の磁化を反平行にするべく、上部電極２のすべてを「−」、下部電極３のすべてを「＋」にして、上向きの電流を供給すればよい。
【００６２】
図４に示す表示装置では、画素アレイ４０に垂直に光を入射する構成としたが、入射偏光を傾斜させて画素アレイ４０に入射し（入射角＞０°）、出射偏光と光路が重複しないようにして、ハーフミラーＨＭを配置しない構成としてもよい（図示せず）。ただし、前記した通り、入射方向が磁化方向に平行に近いほど磁気光学効果が高いので、入射角は３０°程度以内とすることが好ましい。
【００６３】
以上のように、本発明に係る空間光変調器によれば、光変調度の高いスピン注入型磁化反転素子を光変調素子として用いるため、コントラストに優れた空間光変調器となる。
【００６４】
（変形例）
次に、図１（ｂ）を参照して、本発明の実施形態の変形例について説明する。
図１（ｂ）に示した変形例における光変調素子１０Ａは、図１（ａ）に示した実施形態における光変調素子１０において、下部電極３に代えて下部電極３Ａを備えて構成したものである。他の構成要素については、図１（ａ）に示した実施形態と同様なので、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
本発明における光変調素子は、少なくとも下部電極の上層部をＡｇで構成するものである。これに対応して、図１（ａ）に示した実施形態では、下部電極３の全部をＡｇで構成したものである。一方、図１（ｂ）に示した変形例では、下部電極３Ａの光変調部１側、すなわち下部電極３Ａの上層の部分である上層部３ＡｂはＡｇを用いて構成し、下層部３Ａａは電極材料として一般的に用いられるＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やその合金を用いるようにしたものである。なお、下層部３Ａａの材料としては、低抵抗で安価なＣｕが好ましい。
【００６６】
本変形例における下部電極３Ａのように、少なくとも光変調部１側である上層の部分をＡｇで構成することによって、光変調部１において大きな磁気光学効果を得ることができる。すなわち、少なくとも下部電極３Ａの上層部３Ａｂを光の反射率の高いＡｇとすることにより、光変調部１を透過してくる入射光を上層部３Ａｂで効率的に反射し、再度光変調部１で光変調を受けさせて出射光に加えることができるため、結果的に反射光の総体における光変調度を向上することができる。
【００６７】
本変形例における光変調素子１０Ａの磁化反転の動作は、図１（ａ）に示した実施形態における光変調素子１０の磁化反転の動作と同様であるので、説明は省略する。
【００６８】
また、図３および図４に示した本発明に係る空間光変調器１００は、光変調素子１０に代えて、本変形例の光変調素子１０Ａを用いて構成することもできる。すなわち、図３および図４に示した空間光変調器１００の下部電極３に代えて、図１（ｂ）に示した下部電極３Ａを用いて構成することができる。下部電極３Ａは、図１（ｂ）に示したように、光変調部１側である上層部３ＡｂをＡｇとし、下層部３Ａａに電極材料として一般的に用いられるＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ｐｔ等の金属やその合金を用いることができる。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に加工して形成される。
【００６９】
変形例における光変調素子１０Ａを用いて構成した空間光変調器の動作は、前記した実施形態における空間光変調器１００と同様であるので、説明は省略する。
【００７０】
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形態について説明してきたが、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。
【実施例】
【００７１】
図1（ｂ）に示した構造の光変調素子において、下部電極３ＡのＡｇからなる上層部３Ａｂの膜厚ＴＡｇを種々に変えた光変調素子を作製し、波長７８０ｎｍの光に対する磁気カー回転角θkを測定した。
【００７２】
このとき、下部電極３Ａ以外の各層については、次のとおりである。磁化固定層１１の下地層１１ａとして膜厚が１〜１０ｎｍのＲｕ層を、主層１１ｂとして膜厚が２０ｎｍのＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金層を、上層１１ｃとして膜厚が１ｎｍのＣｏ−Ｆｅ合金層を、それぞれ形成した。また、非磁性中間層１２として膜厚が６ｎｍのＡｇ層を、磁化自由層１３として膜厚が９ｎｍのＧｄＦｅ層を、保護層１４として膜厚が３ｎｍのＲｕ層を、それぞれ形成した。また、下部電極３Ａの総膜厚は４５０ｎｍであり、下層部３ＡａはＣｕを用いて形成した。また、上部電極２として膜厚が２００ｎｍのＩＺＯ層を形成した。
【００７３】
表１および図５に、前記した条件で作製した光変調素子について測定した磁気カー回転角θkの測定結果を示す。ここで、ＴＡｇ＝０は、下部電極をＣｕのみで形成した従来の光変調素子に相当する。また、ＴＡｇ＝∞は、下部電極をＡｇのみで形成した図１（ａ）に示した光変調素子に相当する。
【００７４】
【表１】
【００７５】
図５に示したように、Ａｇ層である下部電極の上層部の膜厚TＡｇを厚くするにつれて、磁気カー回転角θkが増大する。従って、下部電極の光変調部側である上層部をＡｇとすると、スピン注入型光変調素子の磁気光学効果である磁気カー回転角θkの増大に効果があることがわかる。これによって、光変調素子の光変調度を向上させることができる。また、Ａｇ層の膜厚ＴＡｇを３０ｎｍ以上とすることで、磁気カー回転角θkが飽和していることがわかる。このため、下部電極の上層部の膜厚ＴＡｇは、３０ｎｍ以上とすることが特に好ましい。
【符号の説明】
【００７６】
１ 光変調部
２ 上部電極
３、３Ａ 下部電極
３Ａａ 下層部
３Ａｂ 上層部
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０、１０Ａ 光変調素子
１１ 磁化固定層
１１ａ 下地層
１１ｂ 主層
１１ｃ 上層
１２ 非磁性中間層
１３ 磁化自由層
１４ 保護層
４０ 画素アレイ
８１ 電源（電流供給手段）
８４ 画素選択部（画素選択手段）
１００ 空間光変調器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、前記スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極とを備え、前記一対の電極を介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を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する光変調素子であって、
前記一対の電極のうち、前記磁化固定層側に設けられた電極である下部電極は、少なくとも上層部がＡｇからなることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記磁化固定層および前記磁化自由層は、それぞれ垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むことを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁化自由層に含まれる前記磁性膜がＧｄ−Ｆｅ合金を含む磁性材料からなり、前記磁化固定層に含まれる前記磁性膜の一部がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を含む磁性材料から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。
【請求項４】
基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を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に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、
前記画素として、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の光変調素子を備える空間光変調器。
【請求項１】
磁化固定層と、非磁性中間層と、磁化自由層とをこの順で積層したスピン注入型磁化反転素子構造と、前記スピン注入型磁化反転素子構造の上下に設けられた一対の電極とを備え、前記一対の電極を介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を変化させて、入射した光をその偏光方向を変化させて出射する光変調素子であって、
前記一対の電極のうち、前記磁化固定層側に設けられた電極である下部電極は、少なくとも上層部がＡｇからなることを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記磁化固定層および前記磁化自由層は、それぞれ垂直磁気異方性を有する磁性材料からなる磁性膜を含むことを特徴とする請求項１記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁化自由層に含まれる前記磁性膜がＧｄ−Ｆｅ合金を含む磁性材料からなり、前記磁化固定層に含まれる前記磁性膜の一部がＴｂ−Ｆｅ−Ｃｏ合金を含む磁性材料から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。
【請求項４】
基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、前記複数の画素から１つ以上の画素を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に所定の電流を供給する電流供給手段と、を備えて、前記画素選択手段が選択した画素に入射した光の偏光方向を特定の方向に変化させて出射する空間光変調器であって、
前記画素として、請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の光変調素子を備える空間光変調器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２５２２０４（Ｐ２０１２−２５２２０４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２５３３３（Ｐ２０１１−１２５３３３）
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３日（２０１１．６．３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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