光変調素子
【課題】スピン注入磁化反転素子による、光変調度を向上させた光変調素子を提供する。
【解決手段】光変調素子５は、基板７上に、磁化自由層１３、中間層１２、および磁化固定層１１の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造１を備え、磁化自由層１３を下部電極３とし、磁化固定層１１の上に積層された透明電極層を上部電極４とする。光変調素子５は、誘電体層２をさらに備えて、この上に前記磁化自由層１３が積層される。光変調素子５に入射した光は、スピン注入磁化反転素子構造１および誘電体層２を透過して基板７で反射し、さらに誘電体層２と磁化自由層１３との界面で反射して、誘電体層２で多重反射することにより、磁化自由層１３のカー回転角での旋光を累積させて出射する。
【解決手段】光変調素子５は、基板７上に、磁化自由層１３、中間層１２、および磁化固定層１１の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造１を備え、磁化自由層１３を下部電極３とし、磁化固定層１１の上に積層された透明電極層を上部電極４とする。光変調素子５は、誘電体層２をさらに備えて、この上に前記磁化自由層１３が積層される。光変調素子５に入射した光は、スピン注入磁化反転素子構造１および誘電体層２を透過して基板７で反射し、さらに誘電体層２と磁化自由層１３との界面で反射して、誘電体層２で多重反射することにより、磁化自由層１３のカー回転角での旋光を累積させて出射する。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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（非特許文献１）を適用することができる。例えばスピン注入磁化反転素子１０１は、図９に断面図で示すように上下に一対の電極１０４，１０３を接続して膜面に垂直に電流を供給することによりスピンを注入され、少なくとも一方の電極（図９では上部電極１０４）を透明電極材料で形成することで、スピン注入磁化反転素子１０１に入射した光を変調して出射する光変調素子１０５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。
【０００５】
さらに、スピン注入方式の光変調素子について、光変調度を高くするために、近年、ＭＲＡＭにおいてさらなる微細化および省電力化のために適用される、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料を適用することが好ましい。垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子は、画素の微細化、高速応答、および省電力化を可能とし、さらに膜面に略垂直に光を入射することにより、極カー効果で旋光角が大きくなり、光変調度を高くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K.Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters 91, 052507 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、極カー効果を利用しても、磁性体表面での１回の反射による旋光角（カー回転角）は極めて小さい。また、透過する膜厚に旋光角（ファラデー回転角）が比例するファラデー効果については、一般的にスピン注入磁化反転素子における磁化方向の変化する層（磁化自由層）が十数ｎｍ以下に制限されているため、旋光角は極めて小さい（非特許文献１）。そのため、スピン注入磁化反転素子は、光変調素子としては光変調度が不十分で、選択画素からの出射光の取り出し効率が低く、画素の選択性の点で改良の余地がある。
【０００９】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入磁化反転素子による光変調度を向上させた光変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明者らは、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層の下に誘電体層を設けることで、磁化自由層との界面にて光を多重反射させて旋光角を大きくできることに知見し、そのために磁化自由層の側に電極材料を設けず、磁化自由層を電極の１つとすることに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る光変調素子は、基板上に形成され、磁化自由層、中間層、および磁化固定層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造、ならびに前記磁化固定層上に透明電極層を備え、前記磁化自由層と前記透明電極層とを一対の電極として電流を供給することにより、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の向きを変化させて反射して出射する。そして、前記光変調素子は、前記磁化自由層が積層される１層以上の誘電体材料からなる誘電体層をさらに備え、前記入射した光を前記誘電体層と前記基板との界面を反射面として反射することを特徴とする。
【００１２】
かかる構成により、光変調素子に光が入射すると、透明電極層およびスピン注入磁化反転素子構造を透過し、さらに誘電体層を透過して基板との界面で反射して誘電体層を逆行して透過し、スピン注入磁化反転素子構造との界面すなわち磁化自由層を反射面として反射して再び誘電体層を透過する。したがって、光は、基板、磁化自由層それぞれとの界面で反射を繰り返して誘電体層内を往復するため、磁化自由層での反射の際のカー回転が累積されて旋光角が大きくなって出射する。
【００１３】
さらに、前記誘電体層は、屈折率をｎ、厚さをｄで表し、前記入射した光の波長がλ、当該誘電体層を透過する光の進行方向の膜面垂直方向に対する角度がαであるとき、ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝０．５Ｎ・λ（Ｎ＝１，２，３，…）が成立することが好ましい。
【００１４】
かかる構成により、光変調素子は、当該光変調素子における反射回数の異なる出射光同士が干渉により強め合うことになって光量が増大した出射光が取り出される。
【００１５】
さらに、本発明に係る光変調素子は、磁化自由層の側面に接続する金属電極層をさらに備えることが好ましく、この金属電極層は誘電体層の側面にも接続することがより好ましい。
【００１６】
かかる構成により、光変調素子は、下部電極に電極材料として好適な金属電極層をさらに備えるため、下部電極の導電性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る光変調素子によれば、公知のスピン注入磁化反転素子構造を適用して、光変調度を向上させた、選択性に優れた空間光変調器の画素とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構成を説明する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】本発明に係る光変調素子に入射した光の経路を説明する模式図であり、（ａ）は第１実施形態の断面図、（ｂ）は第１実施形態の変形例の断面図である。
【図３】本発明に係る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。
【図４】本発明に係る光変調素子の誘電体層による光の干渉を説明するためのモデルの断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光変調素子の構成を説明する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は部分断面斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の変形例に係る光変調素子の断面図である。
【図７】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説明する平面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子の断面図である。
【図９】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。
【図１０】実施例の光変調素子による旋光角と誘電体層の膜厚との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る光変調素子は、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し、例えば空間光変調器の画素（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。）として用いられる。以下、本発明に係る光変調素子を実現するための形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る光変調素子５は、図１（ａ）に示すように、基板７上に、誘電体層２、磁化自由層１３、中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４、上部電極４（下地金属層４２、透明電極層４１）の順に積層された構成である。光変調素子５は、磁化が一方向に固定された磁化固定層１１および磁化の方向が回転可能な磁化自由層１３を、非磁性または絶縁体である中間層１２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１を備える。そして、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１に、磁化自由層１３と上部電極４とを一対の電極として、膜面に垂直に可逆的に電流を供給される。スピン注入磁化反転素子構造１はさらに、光変調素子５の製造工程におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層１４が設けられている。なお、図１（ａ）は光変調素子５の積層構造を説明する断面図であり、平面視における形状を限定するものではない（図１（ｂ）および図７参照）。
【００２１】
（スピン注入磁化反転素子構造）
ここで、スピン注入磁化反転素子の磁化反転の動作を、図９を参照して説明する。なお、図９において保護層は図示を省略する。一般的なスピン注入磁化反転素子１０１は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、磁化自由層１３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）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。そのために電子の注入方向と反対向きに電流を供給すればよく、具体的には、図９（ａ）に示すように、上部電極１０４を「＋」、下部電極１０３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は磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向の磁化を示す。以下、この状態をスピン注入磁化反転素子の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図９（ｂ）に示すように、上部電極１０４を「−」、下部電極１０３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は磁化固定層１１の磁化方向と逆方向の磁化を示す。以下、この状態をスピン注入磁化反転素子の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。
【００２２】
このように、スピン注入磁化反転素子は、膜面垂直方向に電流を供給されることで磁化自由層１３の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができるので、一般的に上下に電極材料を積層することで一対の電極１０４，１０３を接続する。また、スピン注入磁化反転素子１０１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層１３の保磁力により磁化が保持される。そのため、スピン注入磁化反転素子に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を用いることができる。
【００２３】
このようなスピン注入磁化反転素子１０１を光変調素子に適用する場合、１つの偏光成分（偏光の向き）の光（以下、このような光を適宜、偏光という）を入射する。入射偏光が、磁性体である磁化自由層１３で反射して出射すると、カー効果（磁気カー効果）により、入射光はその偏光の向きが回転する（旋光する）。さらに、図９（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、磁化が平行、反平行なスピン注入磁化反転素子１０１にそれぞれ入射した光は、磁化自由層１３の磁化方向が１８０°異なるため、同じ大きさの旋光角すなわち磁化自由層１３のカー回転角θkで互いに逆方向に回転した２値（＋θk，−θk）の偏光となって出射する。そして、スピン注入磁化反転素子１０１からの出射光は、供給される電流の向きに応じて２値の偏光のいずれかになることで空間光変調器の画素（光変調素子１０５）として機能する。これら２値の偏光の向きの差、すなわち入射偏光に対する旋光角の差が大きいほど、光変調度が高い。磁化自由層１３で１回反射して出射した場合は、旋光角の差は２θkとなる。また、入射偏光が磁化自由層１３を透過して下部電極１０３で反射し、再び磁化自由層１３を透過して出射した場合は、磁化自由層１３を１回透過した際にファラデー回転角＋θf，−θfで旋光するため、旋光角の差は４θfとなる。
【００２４】
光変調素子１０５においては、入射偏光をスピン注入磁化反転素子１０１（磁化自由層１３）に照射するために、透明電極材料からなる上部電極１０４がスピン注入磁化反転素子１０１の上面に接続され、入射偏光を反射させるために、金属電極材料からなる下部電極１０３がスピン注入磁化反転素子１０１の下面に接続される。また、磁化自由層１３と磁化固定層１１とは、その積層順序を入れ替えても磁化反転動作には影響しないが、光変調素子としては、図９に示すように、光の入出射側（図９では上側）に磁化自由層１３を積層することが一般的である。
【００２５】
本発明に係る光変調素子５は、上方から上部電極４を透過してスピン注入磁化反転素子構造１に到達した光がその表面（上面）および底面（下面）で多くが反射せず、スピン注入磁化反転素子構造１を透過してその下に設けた誘電体層２もさらに透過して基板７との界面で反射するように構成される。そして反射した光は、上方へ向けて誘電体層２を透過して、誘電体層２とスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達すると、この界面で反射して再び下方へ向けて誘電体層２を透過し、基板７との界面で反射して上方へ進行する、という挙動を繰り返し（多重反射）、最終的には誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面を通過して出射する（図２（ａ）参照）。
【００２６】
光変調素子５からの出射光は、誘電体層２の上下の界面で１回〜多数回反射した光である。そして、誘電体層２の側からスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射する度に、光はカー回転を繰り返して旋光角が累積される。スピン注入磁化反転素子構造１において、磁化反転によりカー回転の向きを変えることができるのは磁化自由層１３である。したがって、光変調素子５において、スピン注入磁化反転素子構造１は、磁化自由層１３を誘電体層２の側すなわち下側に設け、中間層１２、磁化固定層１１の順に積層する。
【００２７】
また、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１の下に光を透過させる誘電体層２を設けるため、スピン注入磁化反転素子構造１の下側には図９の下部電極１０３のような金属電極材料からなる層を接続できない。そこで、磁性体である磁化自由層１３は導電体でもあるので、本実施形態に係る光変調素子５は、磁化自由層１３を一対の電極の一方としても作用させる。そのために、図１（ｂ）に示すように、スピン注入磁化反転素子構造１（保護層１４は図示省略）において、磁化自由層１３は、磁化固定層１１等の他の層のように当該スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に加工されず、膜面における所定の方向に延設するように形成されて外部から電流を供給できるように構成される。したがって、本実施形態に係る光変調素子５においては、電流の供給経路すなわち配線としての磁化自由層１３を適宜、下部電極３と表す。なお、磁化自由層１３がこのように膜面方向に拡張した形状であっても、磁化反転する領域は、磁化固定層１１および中間層１２が積層された領域、すなわちスピン注入磁化反転素子構造１の領域に略一致して限定される。このような光変調素子５の製造方法については後記する。以下、光変調素子５を構成する要素について詳しく説明する。
【００２８】
（スピン注入磁化反転素子構造）
スピン注入磁化反転素子構造１は、前記したように、公知のスピン注入磁化反転素子において垂直磁気異方性を有するものが適用できる。ただし、本実施形態においては、電極の一方（下部電極３）が一般的な電極（配線）よりも薄い磁化自由層１３で兼用されるため、金属電極材料からなる通常の配線よりも抵抗が大きい。したがって、スピン注入磁化反転素子構造１は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも、抵抗変化率の大きいＴＭＲ素子構造を適用することが好ましい。スピン注入磁化反転素子構造１の各層１１〜１４は、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。スピン注入磁化反転素子構造１（磁化固定層１１、中間層１２）の平面視形状は、本実施形態においては図１（ｂ）および図７に示すように矩形（正方形）であるが、これに限定されるものではない。
【００２９】
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、その厚さを１〜５０ｎｍとすることが好ましいが、透光性の高い材料を適用するか、厚さを２０ｎｍ以下として光を透過し易くすることがより好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等を含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられる。
【００３０】
中間層１２は、磁化固定層１１と磁化自由層１３との間に設けられる。スピン注入磁化反転素子構造１をＴＭＲ素子構造とする場合、中間層１２は、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り、その厚さは０．１〜２ｎｍとすることが好ましい。また、スピン注入磁化反転素子構造１をＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造とする場合、中間層１２は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌのような非磁性金属からなり、その厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３１】
磁化自由層１３は、磁化固定層１１と同様に垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化自由層として公知の磁性材料、特に磁気光学材料にて構成することができ、その厚さを１〜２０ｎｍとすることが好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等を含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいはＲＥ−ＴＭ合金、磁気光学効果（旋光角）の大きいＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏ合金、そしてＭｎＢｉ，ＰｔＭｎＳｂ合金のようなＭｎ含有磁性合金が挙げられる。
【００３２】
保護層１４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を超えて厚くしても、製造工程において磁化固定層１１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、保護層１４の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３３】
（誘電体層）
誘電体層２は、図２（ａ）に示すように、磁化自由層１３との界面で光を繰り返し反射させることで磁化自由層１３の磁気光学カー効果による旋光角（カー回転角）を累積させて増幅させる層である。誘電体層２は、一般的な光学材料として用いられる公知の誘電体材料を適用でき、進入した光を基板７との界面および磁化自由層１３との界面、すなわち当該誘電体層２の上下面で多重反射させるために、透光性（光透過率）が高い材料が好ましい。また、誘電体層２は、光変調素子５の動作（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転）のための直流パルス電流の供給において、絶縁体として作用する材料が好ましいが、これに限らない。また、後記するように本実施形態に係る光変調素子５においては、誘電体層２は、スピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）よりも屈折率が低く、材料として、具体的には、ＭｇＦ2，ＳｉＯ2，ＣａＦ2，ＢａＦ2，ＬｉＦ，ＮａＣｌ，ＫＢｒ，ＫＣｌが挙げられ、これらの材料は屈折率１．３８〜１．５２の範囲で比較的低い。一方、誘電体層２は、スピン注入磁化反転素子構造１よりも屈折率が高くてもよく、例えば屈折率２．２０のＳｉ3Ｎ4も適用することができる。
【００３４】
また、誘電体層２は、２種以上の材料を積層して構成されてもよい。図２（ｂ）に示す第１実施形態の変形例に係る光変調素子５Ａは、第２誘電体層２２と第１誘電体層２１とを積層した誘電体層２Ａを備える構成である。これらの誘電体層２１，２２は、互いの屈折率の差が大きいと、誘電体層２１，２２間の界面で反射する光が多くなる。したがって、２種以上の材料を積層してなる誘電体層２Ａにおいては、光の屈折率が互いに近似する材料を選択することが好ましく、このような構成とすることで、誘電体層２Ａを一体の媒質として光がほぼ直進して透過する。
【００３５】
誘電体層２，２Ａの厚さ（誘電体層２Ａにおいては合計の厚さ）は、旋光角の増幅効果を得るため、百数十ｎｍから５００ｎｍ程度までの範囲における所定の厚さ（詳しくは後記する）とすることが好ましい。誘電体層２，２Ａ（２１，２２）は、公知の方法で成膜でき、例えばスパッタリングのようなＰＶＤ法やＣＶＤ法等の膜厚の制御が容易な方法が好ましく、連続してスピン注入磁化反転素子構造１の各層１３，１２，１１，１４を成膜、積層してもよい。また、ＳｉＯ2のような酸化膜であれば、後記するように基板７にＳｉ基板を適用して、これを熱酸化することで形成することができる。誘電体層２，２Ａは、少なくともスピン注入磁化反転素子構造１と同じ平面視形状に設けられ（図１（ａ）参照）、例えば図１（ｂ）に示すように磁化自由層１３と同じ平面視形状に加工されてもよく、図２（ａ）に示すように、基板７全面に積層されてもよい。あるいは誘電体層２Ａにおいては、下層の第２誘電体層２２は基板７全面に形成し、上層の第１誘電体層２１はスピン注入磁化反転素子構造１と同じ平面視形状に加工されてもよい（図２（ｂ）参照）。いずれの場合も、後記するように、空間光変調器の画素アレイ５０（図７参照）として１つの基板７上に設けられた複数の光変調素子５，５間で、直流パルス電流にて短絡することがなければよい。
【００３６】
（基板）
本実施形態において、基板７は、光変調素子５を製造するための土台となる広義の基板であるだけでなく、上面すなわち誘電体層２との界面が、光変調素子５に入射して透過した光を反射させる反射面となる。したがって、基板７を適宜、反射層Ｓと称する。このような基板７は表面の光反射率の高いことが好ましく、基板材料として公知のＳｉ基板が好適で、鏡面研磨を施したものが好ましい。あるいは、透明な基板材料として公知の、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）基板、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）基板、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等の絶縁性の基板７１に、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の反射率の高い金属で薄膜を成膜して反射層Ｓを備えた基板７（図８（ａ）に示す基板７Ｄ参照）としてもよい。また、一般的な基板材料として、表面を熱酸化して３００ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ2膜を形成されたＳｉ基板を用いて、このＳｉＯ2膜を誘電体層２として、あるいは誘電体層２Ａの一部（第２誘電体層２２）とすることができる。
【００３７】
（上部電極）
透明電極層４１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。
【００３８】
上部電極４のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、当該電極とこの電極に接続するスピン注入磁化反転素子構造１との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち上部電極４においては、図１に示すように、下地として下地金属層４２を設けてその上に透明電極層４１を積層することが好ましい。スピン注入磁化反転素子構造１との間に下地金属層４２を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料を主体に構成した上部電極４においても、上部電極４−スピン注入磁化反転素子構造１間の接触抵抗を低減させて光変調素子５の応答速度を上げることができる。
【００３９】
下地金属層４２を構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはこれらの金属の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、下地金属層４２とその上の透明電極層４１との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地金属層４２となる金属膜は、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。下地金属層４２の厚さは、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。したがって、下地金属層４２の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００４０】
（絶縁層）
絶縁層６は、図１（ａ）および図７に示すように、上下電極４，３（１３）間、および複数個を配列されたときに光変調素子５，５間の隙間を充填するように設けられる。具体的には、隣り合う上部電極４，４間、スピン注入磁化反転素子構造１，１間、および誘電体層２，２間に配され、例えば、Ａｌ2Ｏ3やＳｉ3Ｎ4等の絶縁材料、あるいはＳｉＯ2やＭｇＦ2等の誘電体層２と同じ誘電体材料を適用できる。
【００４１】
本実施形態に係る光変調素子５を空間光変調器の画素に備える場合、マトリクス状に配列されて電流を供給される。詳しくは、図７に示すように、光変調素子５は複数個（図中では４×４＝１６個）を基板７上に２次元配列されて画素アレイ５０となる（誘電体層２は図示省略）。画素アレイ５０において、上部電極４は、列（横）方向に延設されたストライプ状に形成されて４個の光変調素子５で共有され、４本の配線が設けられる。一方、行（縦）方向の配線とするために、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化自由層１３は、行方向に延設されたストライプ状に形成されて４個の光変調素子５で共有されて下部電極３として機能し、これら４個の光変調素子５においては、保護層１４から磁化固定層１１、中間層１２までが光変調素子５毎に分割される。画素アレイ５０の下部電極３（磁化自由層１３）および上部電極４は、電源８１、駆動する画素（光変調素子）を選択する画素選択部８２、および選択された画素に正負の所定の方向に切り換えて直流パルス電流を電源８１から供給する電極選択部８３，８４を備えた電流制御部８０に接続される。
【００４２】
（光変調素子の製造方法）
本発明に係る光変調素子の製造方法として、第１実施形態の変形例に係る光変調素子５Ａ（図２（ｂ）参照）をマトリクス状に配列した画素アレイ５０（図７参照）について、製造方法の一例を説明する。画素アレイ５０は、例えば、基板７上に、誘電体層２（２Ａ）を形成する工程Ｓ２０（Ｓ２０Ａ）、スピン注入磁化反転素子構造１を形成する工程Ｓ３０、上部電極４を形成する工程Ｓ４０、をこの順に行い、さらにスピン注入磁化反転素子構造１，１間等の隙間に絶縁層６を形成する工程Ｓ５１，Ｓ５２を適宜行うことによって製造できる。なお、各工程には説明のために符号を付す。
【００４３】
まず、基板７としてＳｉ基板の表面を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ2）を形成し、第２誘電体層２２とする（工程Ｓ２１）。次に、第１誘電体層２１としてＭｇＦ2をスパッタリング法で成膜して（工程Ｓ２２）誘電体層２Ａを形成し、引き続いて、磁化自由層１３、中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４をそれぞれ形成する材料を連続して成膜する（工程Ｓ３１）。
【００４４】
電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法により、成膜した保護層１４から中間層１２までの層を光変調素子５毎に分割された正方形（図１（ｂ）、図７参照）等の所望の平面視形状（スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状）に加工し（工程Ｓ３２２）、次に磁化自由層１３をストライプ状に加工する（工程Ｓ３２１）。磁化自由層１３の加工と共に、第１誘電体層２１、さらに第２誘電体層２２の表面からの一部または全部を加工してもよい。または、先に保護層１４から磁化自由層１３までの層をストライプ状に加工してから（工程Ｓ３２１Ａ）、保護層１４から中間層１２までの層を光変調素子５毎に分割された正方形に加工してもよい（工程Ｓ３２２Ａ）。あるいは、スピン注入磁化反転素子構造１の各層の連続成膜（工程Ｓ３１）を行わず、リフトオフ法等により、誘電体層２Ａ上にストライプ状の磁化自由層１３を形成してから（工程Ｓ３１１Ａ）、光変調素子５毎に分割された形状の中間層１２および磁化固定層１１を形成する（工程Ｓ３１２Ａ）こともできる。
【００４５】
磁化自由層１３，１３間（下部電極３，３間）およびスピン注入磁化反転素子構造１，１間にＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層６となる）を堆積させる（工程Ｓ５１）。次に、スピン注入磁化反転素子構造１（保護層１４）および絶縁層６の上面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、磁化自由層１３と直交するストライプ状に加工して上部電極４（下地金属層４２、透明電極層４１）を形成する（工程Ｓ４０）。最後に、上部電極４，４間に絶縁膜（絶縁層６）を堆積して（工程Ｓ５２）、光変調素子５が配列された画素アレイ５０とする。
【００４６】
このような製造方法によれば、スピン注入磁化反転素子構造１において、磁化自由層１３のみを行方向に延設されたストライプ状に形成して、下部電極３とすることができる。また、Ｓｉ基板の熱酸化により、第２誘電体層２２を十分な膜厚に生産性よく形成し、第１誘電体層２１をスパッタリング法により膜厚の精度よく形成して、誘電体層２Ａとして好適な厚さとすることができる。なお、ＳｉＣ基板のような透明基板（基板７１）に光変調素子５を形成する場合は、前記基板７１上に金属膜を成膜して反射層Ｓを形成する工程Ｓ１３を行ってから、前記工程Ｓ２０等を行えばよい。
【００４７】
（光変調素子の動作）
本発明に係る光変調素子の動作を、図３を参照して説明する。なお、図３において保護層１４は図示を省略する。まず、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作について説明する。第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子５，５Ａのスピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作は、従来の光変調素子１０５のスピン注入磁化反転素子１０１（図９参照）と同様である。ただし、本発明に係る光変調素子５（５Ａ）においては磁化固定層１１と磁化自由層１３の積層順が逆であるので、図３（ａ）に示すように、上部電極４を「−」、下部電極３（磁化自由層１３）を「＋」にして、上向きに電流を供給すると、磁化が平行となる。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極４を「＋」、下部電極３を「−」にして、下向きに電流を供給すると、磁化が反平行となる。また、前記した通り、磁化自由層１３は下部電極３として、隣り合う光変調素子５，５間で連続して形成されているが、膜面垂直方向に電流が供給された領域に限定されて磁化反転するため、光変調素子５毎に磁化方向を切り替えることができる。
【００４８】
そして、光変調素子１０５（図９参照）と同様に、光は、図３（ａ）に示す磁化方向が上向き（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が平行）の磁化自由層１３の上面または下面で１回反射したときにカー回転角＋θkで旋光し、１回透過したときにファラデー回転角＋θfで旋光する。反対に、図３（ｂ）に示す磁化方向が下向き（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が反平行）の磁化自由層１３で１回反射したときにカー回転角−θkで旋光し、１回透過したときにファラデー回転角−θfで旋光する。なお、磁化固定層１１を透過したときにも旋光する場合があるが、旋光角が向きを含めて一定であるので、旋光しないものとする。したがって、従来の光変調素子１０５と同様に、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作により、入射光に対して偏光の向きを異なる旋光角（θp，θapと表す）で旋光させた出射光が得られる。以下、本発明に係る光変調素子に入射した光の経路による旋光角の増幅を説明する。
【００４９】
光変調素子に入射した光の経路について、図２（ａ）を参照して説明する。光変調素子５に所定の入射角で入射した光は、次のように多重反射して出射する。図２（ａ）に示す断面図においては、上部電極４（透明電極層４１）は、外部（大気）と屈折率の差がないものとし、またスピン注入磁化反転素子構造１の各層間の界面での屈折および反射はないものとして説明する。
【００５０】
入射光は上部電極４を透過して直進し、スピン注入磁化反転素子構造１に進入し、当該スピン注入磁化反転素子構造１、さらに誘電体層２を透過して、基板７との界面（基板７上面）に到達する。このとき光は、スピン注入磁化反転素子構造１の上面（上部電極４とスピン注入磁化反転素子構造１との界面）、およびスピン注入磁化反転素子構造１と誘電体層２との界面をそれぞれ通過する際に、屈折率の変化により屈折して進入する。スピン注入磁化反転素子構造１は外部（上部電極４）よりも屈折率が高いので、進入する光は入射角よりも垂直に近い角度へ屈折する。ここで、スピン注入磁化反転素子構造１等の媒質に進入する角度（膜面垂直方向に対する角度）を進入角という。一方、誘電体層２はスピン注入磁化反転素子構造１よりも屈折率が低いので、進入する光は水平に近い角度へ屈折する。そして、誘電体層２における進入角で基板７との界面（基板７上面）に到達した光は反射（正反射）して、誘電体層２を上方へ透過してスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達する。
【００５１】
スピン注入磁化反転素子構造１は、誘電体層２と比較して、屈折率が高く光透過率が低いため、誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達した光は、一部は屈折してスピン注入磁化反転素子構造１に進入し、そのままスピン注入磁化反転素子構造１、さらに上部電極４を透過して光変調素子５から出射する。前記光の別の一部は界面で反射して再び誘電体層２を下方へ進行して基板７との界面で反射し、そしてスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達して屈折する光と反射する光とに再び分岐する。
【００５２】
したがって、光変調素子５から出射した光（出射光）は、誘電体層２において基板７およびスピン注入磁化反転素子構造１のそれぞれとの界面で反射を１回または２回以上繰り返した光が混在する。図２（ａ）では、基板７（反射層Ｓ）で３回反射した光を出射光として示す。スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が平行であるとき（図３（ａ）参照）、入射光は、前記した通り、上方からスピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）を透過したときにファラデー回転角＋θfで旋光し、基板７で反射した光が誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射したときにカー回転角＋θkで旋光し、誘電体層２側（下方）からスピン注入磁化反転素子構造１を透過したときにさらにファラデー回転角＋θfで旋光する。そのため、出射光は、誘電体層２とスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射した回数によって、カー回転角＋θkが累積されるので入射光に対して異なる角度で旋光した光となる。詳しくは、基板７でｉ回（ｉ≧１）反射して出射した光は、入射光に対して角度＋(２θf＋(ｉ−１)θk)で旋光した光となるため、光変調素子５からは、偏光の向きの異なる光が混在して出射することになる。同様に、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が反平行であるとき（図３（ｂ）参照）、光変調素子５から出射した光は、角度−(２θf＋(ｉ−１)θk)で旋光した光となる。
【００５３】
光変調度を向上させるためには、出射光の旋光角が大きいことが好ましく、したがって、誘電体層２における反射回数が多い出射光を多く取り出すことが好ましい。しかし、各々の出射光は界面に到達する度に反射と透過とで分岐した光であるので光量が小さく、特に反射回数が多くなるほど、分岐が繰り返され、さらに誘電体層２等の透過や界面での反射の度に光の一部が吸収されるために、光量は段階的に減衰して小さくなる。そのため、本発明に係る光変調素子５は、誘電体層２を以下のように構成することが好ましい。
【００５４】
図４を参照して、誘電体層２での１次反射による光の挙動をモデル化して説明する。図４では、誘電体層２を模擬した透光性の媒質層Ｍ（屈折率ｎ＞１）が基板７を模擬した反射層Ｓに積層されている。波長λの光を媒質層Ｍへ、上方の大気（屈折率ｎ0＝１とする）中の点Ａ，Ｆからそれぞれ入射角α0で入射して、媒質層Ｍを透過して反射層Ｓとの界面で反射した光（経路ＡＢＣＤＥ）と、媒質層Ｍの表面で反射した光（経路ＦＤＥ）とが、出射光ＤＥにおいて干渉するものとする。なお、ここでは、光の旋光および媒質層Ｍ等への吸収による減衰はないものとする。
【００５５】
２つの入射光ＡＢ，ＦＤは、点Ｂ，Ｉにそれぞれ到達したとき、大気中の波面ＢＩにおいて同位相である。そして、入射光ＡＢが媒質層Ｍに進入して点Ｈに到達したとき、ならびに入射光ＦＤが媒質層Ｍの表面の点Ｄに到達したとき、媒質層Ｍ中の波面ＨＤにおいて同位相となる。この入射光と媒質層Ｍにおける屈折光との位相差をもたらす道のり（経路長）の差をφとすると、φ＝|ＨＣ|＋|ＣＤ|である。点Ｄから下へ延長した垂線と屈折光ＢＣの延長線との交点をＧと表すと、|ＣＤ|＝|ＣＧ|より、φ＝|ＨＧ|＝|ＤＧ|・ｃｏｓαで表せ、媒質層Ｍの厚さをｄとすると、φ＝２ｄ・ｃｏｓαで表せる。また、低屈折率媒質からの光の高屈折率媒質との界面での反射は固定端反射となるので、大気から媒質層Ｍの表面で反射した光ＤＥ、そして媒質層Ｍから反射層Ｓとの界面で反射した光ＣＤは、それぞれ位相がπ（半波長分）だけずれる。したがって、経路ＡＢＣＤＥの光と、経路ＦＤＥの光とでは、反射による位相の変化が同じである。これらのことから、経路長の差φが媒質層Ｍでの波長λn（＝λ／ｎ）の整数倍（Ｎ倍）の場合、すなわちφ＝Ｎ・λnの場合に、経路ＡＢＣＤＥと経路ＦＤＥの光のそれぞれの出射光ＤＥは同位相となる。同位相の２つの出射光ＤＥ，ＤＥは互いに干渉により強め合うことになって、光量が相加的に増大する。このとき、φ＝２ｄ・ｃｏｓα＝Ｎ・λn＝Ｎ・λ／ｎより、下記の条件式（１）が成立する。
ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝Ｎ／２・λ（＝０．５Ｎ・λ） ・・・式（１）
【００５６】
このような干渉は、前記条件式（１）が成立する厚さｄ（＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)）の媒質層Ｍにおいて生じる。なお、経路長の差φが半波長ずれる（φ＝(Ｎ＋１／２)・λn）と、２つの出射光ＤＥ，ＤＥが相殺するため、光量が０となる。
【００５７】
この現象を図２（ａ）に示す光変調素子５に当てはめると、基板７で反射して誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１に進入し、当該スピン注入磁化反転素子構造１を上方へ透過する光について、経路の異なる、すなわち誘電体層２における反射回数の異なる光同士が同位相となればよい。誘電体層２から基板７との界面での反射、ならびに誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面での反射は、共に固定端反射であり、誘電体層２における反射回数に関係なく合計で奇数回反射するので、反射による位相の変化は常に半波長である。したがって、誘電体層２の厚さについて、前記条件式（１）が成立する図４の媒質層Ｍの厚さｄ（＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)）をそのまま適用できる（ｎ：誘電体層２の屈折率）。Ｎの値については、１以上の整数であればよく、上限は規定されないが、大きくなると誘電体層２が厚膜化して透過する光が減衰するため、誘電体層２の厚さｄが５００ｎｍ程度以下となるように設定することが好ましい。なお、誘電体層２（媒質層Ｍ）における進入角αについては、光変調素子５への入射角をα0で表したとき、ｎ・ｓｉｎα＝ｓｉｎα0の関係より算出できる。したがって、誘電体層２の厚さｄは、入射光（光源）の波長λと入射角α0、および誘電体層２の屈折率ｎに基づいて設計できる。
【００５８】
また、図２（ｂ）に示す光変調素子５Ａのように、２層の誘電体層２１，２２を積層した誘電体層２Ａの場合は、誘電体層２１，２２のそれぞれの屈折率をｎ1，ｎ2、厚さをｄ1，ｄ2とし、光の進入角をα1，α2（ｎ1・ｓｉｎα1＝ｎ2・ｓｉｎα2＝ｓｉｎα0）で表した場合、前記条件式（１）を近似して、下記の条件式（２）が成立する厚さｄ1，ｄ2とすればよい。
ｎ1ｄ1・ｃｏｓα1＋ｎ2ｄ2・ｃｏｓα2＝Ｎ／２・λ ・・・式（２）
【００５９】
さらに誘電体層２１，２２の屈折率が互いに近似する場合は（ｎ1≒ｎ2）、進入角も近似する（α1≒α2）。そこで、誘電体層２１，２２の屈折率ｎ1，ｎ2の平均値（(ｎ1＋ｎ2)／２）を共通の屈折率ｎとして、さらに一体の誘電体層２と同様に入射角α0より算出した進入角αを適用し、ｄ1＋ｄ2＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)となるようにそれぞれの厚さｄ1，ｄ2を設計できる。
【００６０】
誘電体層２（２Ａ）をこのように構成することで、光変調素子５（５Ａ）は、基板７表面（反射層Ｓ）での反射回数の異なる出射光同士が互いに干渉により強め合って光量が相加的に増大し、全体として入射光に対して減衰の抑えられた光量の出射光（適宜、総出射光と称する）が得られる。ここで、前記した通り、基板７での反射回数の異なる出射光は互いに偏光の向きが異なるが、これらの出射光が干渉して得られる総出射光は、各出射光の偏光の向きおよび光量をそれぞれベクトルの向きおよび大きさとしたときのベクトルの和（合成）で換算された偏光の向きおよび光量となる。すなわち総出射光は、入射光に対して旋光角θp，θapでそれぞれ旋光した１つの偏光の向きの光となる。したがって、総出射光の旋光角θp，θapは、反射を最大回数繰り返した出射光ほど大きくならないが、基板７で１，２回反射した出射光（±２θf，±(２θf＋θk)）よりは十分に大きくなり得て、その差|θp−θap|も大きくなり、スピン注入磁化反転素子構造１の各層の材料等の構造を従来と同じとしても、光変調度を高くすることができる。なお、経路長の差φが半波長ずれて出射光同士が相殺される場合は、偏光の向きが異なるので光量が０にはならないが各々の出射光よりもさらに減少することになる。また、本実施形態に係る光変調素子５では、固定端反射による多重反射としたが、これに限られず、誘電体層２の材料（屈折率）等の選択により自由端反射となる構成としてもよい。
【００６１】
また、本実施形態に係る光変調素子５のスピン注入磁化反転素子構造１は垂直磁化膜で構成されるので、膜面に垂直（α0＝０°）により近付けて光を入射することが、極カー効果で反射１回あたりのカー回転角θkを大きくするために望ましく、具体的にはα0≦３０°とすることが好ましい。入射角α0が小さくなると、誘電体層２における進入角αはさらに小さくなって０°に近付き（α≒０°）、ｃｏｓα≒１となる。したがって、入射角が垂直に近い場合には、条件式（１）が成立する誘電体層２の厚さｄは、ｄ≒Ｎ／２・λ／ｎで近似できる。光変調素子５Ａの誘電体層２Ａの場合は、条件式（２）について、ｃｏｓα1≒ｃｏｓα2≒１となるので、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝Ｎ／２・λが成立すればよい。
【００６２】
以上のように、第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、厚さを制御した誘電体層に公知のスピン注入磁化反転素子構造を直接に積層することで、容易に光変調度を向上させた光変調素子とすることができる。
【００６３】
［第２実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態およびその変形例に係る光変調素子について説明する。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、図２参照）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。図５（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る光変調素子５Ｂは、第１実施形態と同様に、基板７上に誘電体層２、スピン注入磁化反転素子構造１（層１３，１２，１１，１４）、上部電極４の順に積層されている。なお、図５（ｂ）において、保護層１４は図示を省略する。
【００６４】
本実施形態に係る光変調素子５Ｂは、スピン注入磁化反転素子構造１において磁化自由層１３も磁化固定層１１等の他の層と同じ光変調素子５Ｂ毎に分割された平面視正方形に成形加工され、この磁化自由層１３の４側面に金属電極層３１を接続してさらに備える。詳しくは図５（ｂ）に示すように、金属電極層３１は、スピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）の平面視形状と同じ形状の孔が形成され、この孔に磁化自由層１３が埋め込まれた状態で側面に接続される。さらに金属電極層３１は、磁化自由層１３に対して膜面における所定の方向に延設するように形成されて、外部から電流を供給できるように構成される。すなわち、金属電極層３１は、図１（ｂ）に示す光変調素子５における磁化自由層１３のスピン注入磁化反転素子構造１の領域外の部分が置き換えられたものであり、したがって、金属電極層３１を適宜、下部電極３Ｂと表す。このように、下部電極３Ｂは、光変調素子５における磁化自由層１３（下部電極３）から電極材料として好適な金属を選択することができる金属電極層３１に置き換えられたので、配線抵抗を低減することができる。また、光変調素子５Ｂにおいて、誘電体層２は、基板７の全面に成膜されているが、これに限らず、例えば下部電極３Ｂ（金属電極層３１）の配線幅に合わせて成形加工されてもよい（図示せず）。
【００６５】
金属電極層３１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電極用金属材料からなる。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、スピン注入磁化反転素子構造１の位置および平面視形状に合わせて孔が形成されたストライプ状に加工される。
【００６６】
第２実施形態に係る光変調素子５Ｂの金属電極層３１は、誘電体層２上に、磁化自由層１３と略面一に形成され、スピン注入磁化反転素子構造１の中間層１２等に接触しないように、その厚さが磁化自由層１３の厚さ以下に制限される。そのため、下部電極３Ｂは、第１実施形態に係る光変調素子５の磁化自由層１３のみで形成された下部電極３と同程度の厚さであり、材料の選択による以外では配線抵抗が低減されない。そこで、金属電極層３１を下方（深さ方向）に拡張して厚膜化することにより配線抵抗をさらに低減することもできる。図６に示すように、第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃは、さらに誘電体層２Ａの一部（第１誘電体層２１）もスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に合わせて成形加工され、この平面視形状と同じ形状の孔を形成された金属電極層３１が、磁化自由層１３および第１誘電体層２１の４側面に接続される。誘電体層２Ａにおける金属電極層３１の孔に埋め込まれる深さ領域（第１誘電体層２１の厚さ）は特に規定されず、所望の厚さの金属電極層３１を形成できればよい。また、第１誘電体層２１または第２誘電体層２２のいずれかにおける厚さ方向の一部、あるいは一体の誘電体層２における厚さ方向の一部までがスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に加工されて、金属電極層３１の孔に磁化自由層１３と共に埋め込まれてもよい（図示せず）。
【００６７】
光変調素子５Ｂ，５Ｃは、前記第１実施形態に係る光変調素子５を配列した画素アレイ５０の製造方法に、金属電極層３１を形成する工程Ｓ１０をさらに行う方法によって製造することができる。光変調素子５Ｂ（５Ｃ）をマトリクス状に配列した画素アレイ５０Ｂ（図７参照）について、製造方法の一例を説明する。後記第３実施形態も含め、同一の工程については同じ符号を付し、説明を簡略化する。
【００６８】
まず、基板７上に誘電体層２およびスピン注入磁化反転素子構造１の各層１３，１２，１１，１４の材料を成膜する（工程Ｓ２０，Ｓ３１）。そして、成膜した層（保護層１４）の上の、スピン注入磁化反転素子構造１を設ける領域にレジストマスクを形成し、保護層１４から磁化自由層１３までを、あるいはさらに誘電体層２の所望の深さまでを成形加工して（工程Ｓ３２）スピン注入磁化反転素子構造１を形成する。次に金属電極層３１を形成する金属電極材料を磁化自由層１３の高さまで成膜し（工程Ｓ１１）、スピン注入磁化反転素子構造１上のレジストマスクを除去する（リフトオフ）。金属電極材料の配線間（下部電極３Ｂ，３Ｂ間）となる領域を除去して（工程Ｓ１２）、金属電極層３１を形成する。そして、金属電極層３１，３１間およびスピン注入磁化反転素子構造１，１間に絶縁層６を堆積させる（工程Ｓ５１）。最後に、第１実施形態と同様に、上部電極４および上部電極４，４間の絶縁層６を形成して（工程Ｓ４０，Ｓ５２）、画素アレイ５０Ｂとする。
【００６９】
あるいは、基板７上に誘電体層２を形成（工程Ｓ２０）、または第２誘電体層２２を形成した（工程Ｓ２１）後、この誘電体層２（２２）上に、スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状の孔を空けたストライプ状の金属電極層３１をリフトオフ法等により形成してもよい（工程Ｓ１１Ａ）。そして、磁化自由層１３を、または第１誘電体層２１および磁化自由層１３を金属電極層３１の孔に埋め込むように成膜し、さらに中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４を形成して（工程Ｓ２２Ａ，Ｓ３１Ａ）、スピン注入磁化反転素子構造１を形成することもできる。
【００７０】
第２実施形態に係る光変調素子５Ｂは、下部電極３の一部を金属電極層３１に換え、磁化自由層１３の平面視形状を縮小してスピン注入磁化反転素子構造１に合わせたこと以外は、第１実施形態に係る光変調素子５と同じ構成である。さらに第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃは、光変調素子５Ｂに対して金属電極層３１を厚く形成し、誘電体層２，２Ａの形状を変えただけである。特に、スピン注入磁化反転素子構造１およびその上下の積層構造については光変調素子５と同じであるので、光変調素子５Ｂ，５Ｃにおける磁化反転動作、ならびに光の旋光および多重反射も第１実施形態またはその変形例と同様であり、説明を省略する（図２，３参照）。
【００７１】
以上のように、第２実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、第１実施形態と同様に光変調度を向上させた光変調素子とすることができ、さらに抵抗を抑えた光変調素子とすることができる。
【００７２】
［第３実施形態］
図８（ａ）に示す第３実施形態に係る光変調素子５Ｄは、第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃ（図６参照）と比較して、誘電体層２（２Ａ）の厚さ方向の全部がスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に成形加工されて、金属電極層３１を誘電体層２と磁化自由層１３との合計の厚さに形成したものである。ただし、この場合は、複数の光変調素子５Ｄが配列されたときに、下部電極３Ｂ，３Ｂ（金属電極層３１，３１）同士が短絡しないように、透明基板のような絶縁性の基板７１を適用し、この基板７１表面に金属膜で反射層Ｓが形成された基板７Ｄとする。基板７Ｄにおいて、反射層Ｓは、基板７１上に形成された金属電極層３１の孔内に設けられる。あるいは、反射層Ｓは配線（下部電極３Ｂ）領域に設けられて、反射層Ｓ上に金属電極層３１が設けられてもよい。反射層Ｓをこれらのように形成すれば、下部電極３Ｂの一部とすることができ、さらに反射層Ｓを厚膜化すれば下部電極３Ｂの配線抵抗を低減することができる。
【００７３】
さらに第３実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｅは、図８（ｂ）に示すように、基板７Ｅの表面から一部の深さ領域までが、スピン注入磁化反転素子構造１、誘電体層２の平面視形状に合わせて加工されている。正しくは、基板７Ｅはスピン注入磁化反転素子構造１の領域外が深くなるように加工され、金属電極層３１が基板７Ｅの加工された深さまで形成される。この場合も、基板７Ｅは、絶縁性の基板７１の金属電極層３１の孔内における表面（基板７Ｅの頂面）に反射層Ｓが設けられる。また、図８（ｂ）に示す光変調素子５Ｅにおいては、金属電極層３１を上面が誘電体層２と面一になる厚さに形成して、金属電極層３１および誘電体層２の上に磁化自由層１３が形成されている。すなわち、光変調素子５Ｅは、図１（ｂ）に示す第１実施形態に係る光変調素子５のように、磁化自由層１３をスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状よりも広く、下部電極３（３Ｂ）の平面視形状に形成して、スピン注入磁化反転素子構造１の領域の外側で下面にて金属電極層３１に接続する構造である。このような構造とすることで、磁化自由層１３が薄くて側面（端面）の面積が小さい場合でも、比較的広い面積で金属電極層３１に接続される。このような形状の磁化自由層１３および金属電極層３１は、前記第３実施形態に係る光変調素子５Ｄおよび第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃについても適用できる。
【００７４】
光変調素子５Ｄは、光変調素子５Ｃの製造方法と同様に製造することができ、絶縁性の基板７１上に反射層Ｓを形成する工程Ｓ１３を、誘電体層２の形成（工程Ｓ２０）前に行えばよい。さらに、前記工程Ｓ３２のスピン注入磁化反転素子構造１および誘電体層２を加工する際には、反射層Ｓまで加工する。このときに、光変調素子５Ｅを製造する場合は、さらに基板の一部まで加工して基板７Ｅを形成する。また、図８（ｂ）に示す光変調素子５Ｅの製造方法は、絶縁性の基板７１上に反射層Ｓおよび誘電体層２の各材料のみを成膜して（工程Ｓ１３，Ｓ２０）、誘電体層２および基板７Ｅを加工、形成する。そして、金属電極層３１を形成してから（工程Ｓ１１，Ｓ１２）、第１実施形態に係る光変調素子５の製造方法と同様に、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化自由層１３とそれ以外の層１２，１１，１４とを分けて形成すればよい。
【００７５】
第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子５Ｄ，５Ｅは、金属電極層３１の厚さ、誘電体層２，２Ａの形状、あるいはさらに基板７Ｄ，７Ｅ以外は、第２実施形態に係る光変調素子５Ｂと同じ構成であり、さらにスピン注入磁化反転素子構造１およびその上下の積層構造については第１実施形態に係る光変調素子５と同じであるので、光変調素子５Ｄ，５Ｅにおける磁化反転動作、ならびに光の旋光および多重反射も第１実施形態またはその変形例と同様であり、説明を省略する（図２，３参照）。
【００７６】
以上のように、第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、第２実施形態と同様に光変調度を向上させた光変調素子とすることができ、いっそう抵抗を抑えた光変調素子とすることができる。
【００７７】
以上、本発明の光変調素子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。
【実施例】
【００７８】
本発明の効果を確認するために、本発明の第１実施形態の変形例に係る光変調素子（図２（ｂ）参照）を模擬したサンプルを作製し、その反射光の旋光角を評価した。磁化自由層を磁化反転させる必要はないので、サンプルは、中間層、磁化固定層、および電極を設けず、またフォトリソグラフィ等による加工は施さないものとした。詳しくは、表面を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ2、屈折率ｎ2＝１．４６）を形成したＳｉ基板に、第１誘電体層としてＭｇＦ2（屈折率ｎ1＝１．３８）、磁化自由層として[Ｐｔ／Ｃｏ]×５の多層膜、さらに保護層としてＲｕをＤＣマグネトロンスパッタリング法で連続して成膜した。磁化自由層のＰｔ膜は各１．３ｎｍ、Ｃｏ膜は各０．２６ｎｍの厚さ、保護層（Ｒｕ）は２．７ｎｍの厚さとした。Ｓｉ基板表面のＳｉＯ2膜の厚さｄ2は３３０ｎｍ（±１０％）であり、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1を０（成膜せず）から１００ｎｍまで変化させたサンプルを作製した。
【００７９】
作製したサンプルに、外部から一様な磁界を印加することによって、磁化自由層の磁化方向が一方向となるようにした。そして、垂直磁界マイクロＫｅｒｒ効果測定装置（ネオアーク株式会社製）を用いて、サンプルに波長（λ）４０５ｎｍの青色レーザー光を略垂直に入射して、反射光の旋光角を測定した。略垂直とは、入射するレーザー光が、垂直（入射角０°）に対して、測定装置の対物レンズ上でサンプルからの反射光と重複しない程度に傾斜した状態（入射角５°以内）を指す。旋光角のＭｇＦ2膜厚依存性のグラフを図１０に示す。
【００８０】
サンプルの磁化自由層とした[Ｐｔ／Ｃｏ]×５の多層膜は、多重反射しないように金属膜上に形成された場合の反射光の旋光角（カー回転角）が約０．２°である。一方、図１０に示すように、ＳｉＯ2／ＭｇＦ2上に形成されたサンプルは、ＭｇＦ2膜の厚さに依存して旋光角が大きく変化し、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1が６７ｎｍのサンプルが突出して磁化自由層の旋光角が大きく、０．９°を超えた。これは、入射角α0が５°以下であることからｃｏｓα1≒ｃｏｓα2≒１と近似して、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝１．３８×６７＋１．４６×３３０＝５７４となり、（ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2）が、前記条件式（２）が成立する入射光の波長λの３／２倍（４０５×１．５＝６０８）に近付いたことによると考えられる。したがって、このサンプルに使用されたＳｉ基板の表面のＳｉＯ2膜の実際の厚さｄ2は３５３ｎｍ近傍と推測される（１．３８×６７＋１．４６×３５３＝６０８）。反対に、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1が２０ｎｍのサンプルからの反射光はほとんど旋光しなかった。これは、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝１．３８×２０＋１．４６×３３０＝５０９より、入射光の波長λの(１＋１／４)倍（４０５×１．２５＝５０６）に近付いて、反射光がほとんど相殺されたことによると考えられる。これらの結果から、ＭｇＦ2膜とＳｉＯ2膜とからなる誘電体層を設けて、反射回数の異なる出射光を干渉により強め合うように各膜厚を制御することによって、多重反射した出射光を含んで旋光角の大きな光を十分な光量で取り出せることが確認できた。
【符号の説明】
【００８１】
１ スピン注入磁化反転素子構造
１１ 磁化固定層
１２ 中間層
１３ 磁化自由層
２，２Ａ 誘電体層
３，３Ｂ 下部電極
３１ 金属電極層
４ 上部電極
４１ 透明電極層
５０，５０Ｂ 画素アレイ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ 光変調素子
７，７Ｄ，７Ｅ 基板
Ｓ 反射層
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、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。
【０００４】
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（非特許文献１）を適用することができる。例えばスピン注入磁化反転素子１０１は、図９に断面図で示すように上下に一対の電極１０４，１０３を接続して膜面に垂直に電流を供給することによりスピンを注入され、少なくとも一方の電極（図９では上部電極１０４）を透明電極材料で形成することで、スピン注入磁化反転素子１０１に入射した光を変調して出射する光変調素子１０５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。
【０００５】
さらに、スピン注入方式の光変調素子について、光変調度を高くするために、近年、ＭＲＡＭにおいてさらなる微細化および省電力化のために適用される、膜面に垂直方向の磁化を示す（垂直磁気異方性を有する）磁性材料を適用することが好ましい。垂直磁気異方性を有するスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子は、画素の微細化、高速応答、および省電力化を可能とし、さらに膜面に略垂直に光を入射することにより、極カー効果で旋光角が大きくなり、光変調度を高くすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−８３６８６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K.Aoshima et. al, “Spin transfer switching in current-perpendicular-to-plane spin valve observed by magneto-optical Kerr effect using visible light”, Applied Physics Letters 91, 052507 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、極カー効果を利用しても、磁性体表面での１回の反射による旋光角（カー回転角）は極めて小さい。また、透過する膜厚に旋光角（ファラデー回転角）が比例するファラデー効果については、一般的にスピン注入磁化反転素子における磁化方向の変化する層（磁化自由層）が十数ｎｍ以下に制限されているため、旋光角は極めて小さい（非特許文献１）。そのため、スピン注入磁化反転素子は、光変調素子としては光変調度が不十分で、選択画素からの出射光の取り出し効率が低く、画素の選択性の点で改良の余地がある。
【０００９】
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、スピン注入磁化反転素子による光変調度を向上させた光変調素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明者らは、スピン注入磁化反転素子の磁化自由層の下に誘電体層を設けることで、磁化自由層との界面にて光を多重反射させて旋光角を大きくできることに知見し、そのために磁化自由層の側に電極材料を設けず、磁化自由層を電極の１つとすることに至った。
【００１１】
すなわち、本発明に係る光変調素子は、基板上に形成され、磁化自由層、中間層、および磁化固定層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造、ならびに前記磁化固定層上に透明電極層を備え、前記磁化自由層と前記透明電極層とを一対の電極として電流を供給することにより、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の向きを変化させて反射して出射する。そして、前記光変調素子は、前記磁化自由層が積層される１層以上の誘電体材料からなる誘電体層をさらに備え、前記入射した光を前記誘電体層と前記基板との界面を反射面として反射することを特徴とする。
【００１２】
かかる構成により、光変調素子に光が入射すると、透明電極層およびスピン注入磁化反転素子構造を透過し、さらに誘電体層を透過して基板との界面で反射して誘電体層を逆行して透過し、スピン注入磁化反転素子構造との界面すなわち磁化自由層を反射面として反射して再び誘電体層を透過する。したがって、光は、基板、磁化自由層それぞれとの界面で反射を繰り返して誘電体層内を往復するため、磁化自由層での反射の際のカー回転が累積されて旋光角が大きくなって出射する。
【００１３】
さらに、前記誘電体層は、屈折率をｎ、厚さをｄで表し、前記入射した光の波長がλ、当該誘電体層を透過する光の進行方向の膜面垂直方向に対する角度がαであるとき、ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝０．５Ｎ・λ（Ｎ＝１，２，３，…）が成立することが好ましい。
【００１４】
かかる構成により、光変調素子は、当該光変調素子における反射回数の異なる出射光同士が干渉により強め合うことになって光量が増大した出射光が取り出される。
【００１５】
さらに、本発明に係る光変調素子は、磁化自由層の側面に接続する金属電極層をさらに備えることが好ましく、この金属電極層は誘電体層の側面にも接続することがより好ましい。
【００１６】
かかる構成により、光変調素子は、下部電極に電極材料として好適な金属電極層をさらに備えるため、下部電極の導電性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る光変調素子によれば、公知のスピン注入磁化反転素子構造を適用して、光変調度を向上させた、選択性に優れた空間光変調器の画素とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光変調素子の構成を説明する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図２】本発明に係る光変調素子に入射した光の経路を説明する模式図であり、（ａ）は第１実施形態の断面図、（ｂ）は第１実施形態の変形例の断面図である。
【図３】本発明に係る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。
【図４】本発明に係る光変調素子の誘電体層による光の干渉を説明するためのモデルの断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光変調素子の構成を説明する模式図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は部分断面斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の変形例に係る光変調素子の断面図である。
【図７】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説明する平面図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子の断面図である。
【図９】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。
【図１０】実施例の光変調素子による旋光角と誘電体層の膜厚との相関を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る光変調素子は、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し、例えば空間光変調器の画素（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。）として用いられる。以下、本発明に係る光変調素子を実現するための形態について図を参照して説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る光変調素子５は、図１（ａ）に示すように、基板７上に、誘電体層２、磁化自由層１３、中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４、上部電極４（下地金属層４２、透明電極層４１）の順に積層された構成である。光変調素子５は、磁化が一方向に固定された磁化固定層１１および磁化の方向が回転可能な磁化自由層１３を、非磁性または絶縁体である中間層１２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１を備える。そして、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１に、磁化自由層１３と上部電極４とを一対の電極として、膜面に垂直に可逆的に電流を供給される。スピン注入磁化反転素子構造１はさらに、光変調素子５の製造工程におけるダメージからこれらの層を保護するために、最上層に保護層１４が設けられている。なお、図１（ａ）は光変調素子５の積層構造を説明する断面図であり、平面視における形状を限定するものではない（図１（ｂ）および図７参照）。
【００２１】
（スピン注入磁化反転素子構造）
ここで、スピン注入磁化反転素子の磁化反転の動作を、図９を参照して説明する。なお、図９において保護層は図示を省略する。一般的なスピン注入磁化反転素子１０１は、逆方向のスピンを持つ電子を注入することにより、磁化自由層１３の磁化方向を反転（スピン注入磁化反転、以下、適宜磁化反転という）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。そのために電子の注入方向と反対向きに電流を供給すればよく、具体的には、図９（ａ）に示すように、上部電極１０４を「＋」、下部電極１０３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は磁化固定層１１の磁化方向と同じ方向の磁化を示す。以下、この状態をスピン注入磁化反転素子の磁化が平行である（Ｐ：Parallel）という。反対に、図９（ｂ）に示すように、上部電極１０４を「−」、下部電極１０３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は磁化固定層１１の磁化方向と逆方向の磁化を示す。以下、この状態をスピン注入磁化反転素子の磁化が反平行である（ＡＰ：Anti-Parallel）という。
【００２２】
このように、スピン注入磁化反転素子は、膜面垂直方向に電流を供給されることで磁化自由層１３の磁化方向を変化させる（磁化反転させる）ことができるので、一般的に上下に電極材料を積層することで一対の電極１０４，１０３を接続する。また、スピン注入磁化反転素子１０１の磁化が平行、反平行いずれかの磁化を示していれば、その磁化を反転させる電流が供給されるまでは、磁化自由層１３の保磁力により磁化が保持される。そのため、スピン注入磁化反転素子に供給する電流としては、パルス電流のように、磁化方向を反転させる電流値に一時的に到達する電流を用いることができる。
【００２３】
このようなスピン注入磁化反転素子１０１を光変調素子に適用する場合、１つの偏光成分（偏光の向き）の光（以下、このような光を適宜、偏光という）を入射する。入射偏光が、磁性体である磁化自由層１３で反射して出射すると、カー効果（磁気カー効果）により、入射光はその偏光の向きが回転する（旋光する）。さらに、図９（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、磁化が平行、反平行なスピン注入磁化反転素子１０１にそれぞれ入射した光は、磁化自由層１３の磁化方向が１８０°異なるため、同じ大きさの旋光角すなわち磁化自由層１３のカー回転角θkで互いに逆方向に回転した２値（＋θk，−θk）の偏光となって出射する。そして、スピン注入磁化反転素子１０１からの出射光は、供給される電流の向きに応じて２値の偏光のいずれかになることで空間光変調器の画素（光変調素子１０５）として機能する。これら２値の偏光の向きの差、すなわち入射偏光に対する旋光角の差が大きいほど、光変調度が高い。磁化自由層１３で１回反射して出射した場合は、旋光角の差は２θkとなる。また、入射偏光が磁化自由層１３を透過して下部電極１０３で反射し、再び磁化自由層１３を透過して出射した場合は、磁化自由層１３を１回透過した際にファラデー回転角＋θf，−θfで旋光するため、旋光角の差は４θfとなる。
【００２４】
光変調素子１０５においては、入射偏光をスピン注入磁化反転素子１０１（磁化自由層１３）に照射するために、透明電極材料からなる上部電極１０４がスピン注入磁化反転素子１０１の上面に接続され、入射偏光を反射させるために、金属電極材料からなる下部電極１０３がスピン注入磁化反転素子１０１の下面に接続される。また、磁化自由層１３と磁化固定層１１とは、その積層順序を入れ替えても磁化反転動作には影響しないが、光変調素子としては、図９に示すように、光の入出射側（図９では上側）に磁化自由層１３を積層することが一般的である。
【００２５】
本発明に係る光変調素子５は、上方から上部電極４を透過してスピン注入磁化反転素子構造１に到達した光がその表面（上面）および底面（下面）で多くが反射せず、スピン注入磁化反転素子構造１を透過してその下に設けた誘電体層２もさらに透過して基板７との界面で反射するように構成される。そして反射した光は、上方へ向けて誘電体層２を透過して、誘電体層２とスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達すると、この界面で反射して再び下方へ向けて誘電体層２を透過し、基板７との界面で反射して上方へ進行する、という挙動を繰り返し（多重反射）、最終的には誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面を通過して出射する（図２（ａ）参照）。
【００２６】
光変調素子５からの出射光は、誘電体層２の上下の界面で１回〜多数回反射した光である。そして、誘電体層２の側からスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射する度に、光はカー回転を繰り返して旋光角が累積される。スピン注入磁化反転素子構造１において、磁化反転によりカー回転の向きを変えることができるのは磁化自由層１３である。したがって、光変調素子５において、スピン注入磁化反転素子構造１は、磁化自由層１３を誘電体層２の側すなわち下側に設け、中間層１２、磁化固定層１１の順に積層する。
【００２７】
また、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１の下に光を透過させる誘電体層２を設けるため、スピン注入磁化反転素子構造１の下側には図９の下部電極１０３のような金属電極材料からなる層を接続できない。そこで、磁性体である磁化自由層１３は導電体でもあるので、本実施形態に係る光変調素子５は、磁化自由層１３を一対の電極の一方としても作用させる。そのために、図１（ｂ）に示すように、スピン注入磁化反転素子構造１（保護層１４は図示省略）において、磁化自由層１３は、磁化固定層１１等の他の層のように当該スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に加工されず、膜面における所定の方向に延設するように形成されて外部から電流を供給できるように構成される。したがって、本実施形態に係る光変調素子５においては、電流の供給経路すなわち配線としての磁化自由層１３を適宜、下部電極３と表す。なお、磁化自由層１３がこのように膜面方向に拡張した形状であっても、磁化反転する領域は、磁化固定層１１および中間層１２が積層された領域、すなわちスピン注入磁化反転素子構造１の領域に略一致して限定される。このような光変調素子５の製造方法については後記する。以下、光変調素子５を構成する要素について詳しく説明する。
【００２８】
（スピン注入磁化反転素子構造）
スピン注入磁化反転素子構造１は、前記したように、公知のスピン注入磁化反転素子において垂直磁気異方性を有するものが適用できる。ただし、本実施形態においては、電極の一方（下部電極３）が一般的な電極（配線）よりも薄い磁化自由層１３で兼用されるため、金属電極材料からなる通常の配線よりも抵抗が大きい。したがって、スピン注入磁化反転素子構造１は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子よりも、抵抗変化率の大きいＴＭＲ素子構造を適用することが好ましい。スピン注入磁化反転素子構造１の各層１１〜１４は、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。スピン注入磁化反転素子構造１（磁化固定層１１、中間層１２）の平面視形状は、本実施形態においては図１（ｂ）および図７に示すように矩形（正方形）であるが、これに限定されるものではない。
【００２９】
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、その厚さを１〜５０ｎｍとすることが好ましいが、透光性の高い材料を適用するか、厚さを２０ｎｍ以下として光を透過し易くすることがより好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等を含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいは希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ−ＴＭ合金）が挙げられる。
【００３０】
中間層１２は、磁化固定層１１と磁化自由層１３との間に設けられる。スピン注入磁化反転素子構造１をＴＭＲ素子構造とする場合、中間層１２は、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り、その厚さは０．１〜２ｎｍとすることが好ましい。また、スピン注入磁化反転素子構造１をＣＰＰ−ＧＭＲ素子構造とする場合、中間層１２は、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｌのような非磁性金属からなり、その厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３１】
磁化自由層１３は、磁化固定層１１と同様に垂直磁気異方性を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子等の磁化自由層として公知の磁性材料、特に磁気光学材料にて構成することができ、その厚さを１〜２０ｎｍとすることが好ましい。具体的には、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ等の遷移金属とＰｔ，Ｐｄ等を含む、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｄ合金、または[Ｃｏ／Ｐｔ]×ｎ、[Ｃｏ／Ｐｄ]×ｎの多層膜、あるいはＲＥ−ＴＭ合金、磁気光学効果（旋光角）の大きいＧｄＦｅ，ＧｄＦｅＣｏ合金、そしてＭｎＢｉ，ＰｔＭｎＳｂ合金のようなＭｎ含有磁性合金が挙げられる。
【００３２】
保護層１４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を超えて厚くしても、製造工程において磁化固定層１１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、保護層１４の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００３３】
（誘電体層）
誘電体層２は、図２（ａ）に示すように、磁化自由層１３との界面で光を繰り返し反射させることで磁化自由層１３の磁気光学カー効果による旋光角（カー回転角）を累積させて増幅させる層である。誘電体層２は、一般的な光学材料として用いられる公知の誘電体材料を適用でき、進入した光を基板７との界面および磁化自由層１３との界面、すなわち当該誘電体層２の上下面で多重反射させるために、透光性（光透過率）が高い材料が好ましい。また、誘電体層２は、光変調素子５の動作（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転）のための直流パルス電流の供給において、絶縁体として作用する材料が好ましいが、これに限らない。また、後記するように本実施形態に係る光変調素子５においては、誘電体層２は、スピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）よりも屈折率が低く、材料として、具体的には、ＭｇＦ2，ＳｉＯ2，ＣａＦ2，ＢａＦ2，ＬｉＦ，ＮａＣｌ，ＫＢｒ，ＫＣｌが挙げられ、これらの材料は屈折率１．３８〜１．５２の範囲で比較的低い。一方、誘電体層２は、スピン注入磁化反転素子構造１よりも屈折率が高くてもよく、例えば屈折率２．２０のＳｉ3Ｎ4も適用することができる。
【００３４】
また、誘電体層２は、２種以上の材料を積層して構成されてもよい。図２（ｂ）に示す第１実施形態の変形例に係る光変調素子５Ａは、第２誘電体層２２と第１誘電体層２１とを積層した誘電体層２Ａを備える構成である。これらの誘電体層２１，２２は、互いの屈折率の差が大きいと、誘電体層２１，２２間の界面で反射する光が多くなる。したがって、２種以上の材料を積層してなる誘電体層２Ａにおいては、光の屈折率が互いに近似する材料を選択することが好ましく、このような構成とすることで、誘電体層２Ａを一体の媒質として光がほぼ直進して透過する。
【００３５】
誘電体層２，２Ａの厚さ（誘電体層２Ａにおいては合計の厚さ）は、旋光角の増幅効果を得るため、百数十ｎｍから５００ｎｍ程度までの範囲における所定の厚さ（詳しくは後記する）とすることが好ましい。誘電体層２，２Ａ（２１，２２）は、公知の方法で成膜でき、例えばスパッタリングのようなＰＶＤ法やＣＶＤ法等の膜厚の制御が容易な方法が好ましく、連続してスピン注入磁化反転素子構造１の各層１３，１２，１１，１４を成膜、積層してもよい。また、ＳｉＯ2のような酸化膜であれば、後記するように基板７にＳｉ基板を適用して、これを熱酸化することで形成することができる。誘電体層２，２Ａは、少なくともスピン注入磁化反転素子構造１と同じ平面視形状に設けられ（図１（ａ）参照）、例えば図１（ｂ）に示すように磁化自由層１３と同じ平面視形状に加工されてもよく、図２（ａ）に示すように、基板７全面に積層されてもよい。あるいは誘電体層２Ａにおいては、下層の第２誘電体層２２は基板７全面に形成し、上層の第１誘電体層２１はスピン注入磁化反転素子構造１と同じ平面視形状に加工されてもよい（図２（ｂ）参照）。いずれの場合も、後記するように、空間光変調器の画素アレイ５０（図７参照）として１つの基板７上に設けられた複数の光変調素子５，５間で、直流パルス電流にて短絡することがなければよい。
【００３６】
（基板）
本実施形態において、基板７は、光変調素子５を製造するための土台となる広義の基板であるだけでなく、上面すなわち誘電体層２との界面が、光変調素子５に入射して透過した光を反射させる反射面となる。したがって、基板７を適宜、反射層Ｓと称する。このような基板７は表面の光反射率の高いことが好ましく、基板材料として公知のＳｉ基板が好適で、鏡面研磨を施したものが好ましい。あるいは、透明な基板材料として公知の、ＧＧＧ（ガドリニウムガリウムガーネット）基板、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）基板、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）基板、Ｇｅ（ゲルマニウム）単結晶基板等の絶縁性の基板７１に、Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ等の反射率の高い金属で薄膜を成膜して反射層Ｓを備えた基板７（図８（ａ）に示す基板７Ｄ参照）としてもよい。また、一般的な基板材料として、表面を熱酸化して３００ｎｍ程度の厚さのＳｉＯ2膜を形成されたＳｉ基板を用いて、このＳｉＯ2膜を誘電体層２として、あるいは誘電体層２Ａの一部（第２誘電体層２２）とすることができる。
【００３７】
（上部電極）
透明電極層４１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。
【００３８】
上部電極４のように、電極（配線）を透明電極材料で構成する場合、当該電極とこの電極に接続するスピン注入磁化反転素子構造１との間に金属膜を設けることが好ましい。すなわち上部電極４においては、図１に示すように、下地として下地金属層４２を設けてその上に透明電極層４１を積層することが好ましい。スピン注入磁化反転素子構造１との間に下地金属層４２を介在させることで、電極用金属材料より抵抗が大きい透明電極材料を主体に構成した上部電極４においても、上部電極４−スピン注入磁化反転素子構造１間の接触抵抗を低減させて光変調素子５の応答速度を上げることができる。
【００３９】
下地金属層４２を構成する金属としては、例えば、Ａｕ，Ｒｕ，Ｔａ、またはこれらの金属の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、下地金属層４２とその上の透明電極層４１との密着性をよくして接触抵抗をさらに低減するため、下地金属層４２となる金属膜は、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。下地金属層４２の厚さは、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。したがって、下地金属層４２の厚さは１〜１０ｎｍとすることが好ましい。
【００４０】
（絶縁層）
絶縁層６は、図１（ａ）および図７に示すように、上下電極４，３（１３）間、および複数個を配列されたときに光変調素子５，５間の隙間を充填するように設けられる。具体的には、隣り合う上部電極４，４間、スピン注入磁化反転素子構造１，１間、および誘電体層２，２間に配され、例えば、Ａｌ2Ｏ3やＳｉ3Ｎ4等の絶縁材料、あるいはＳｉＯ2やＭｇＦ2等の誘電体層２と同じ誘電体材料を適用できる。
【００４１】
本実施形態に係る光変調素子５を空間光変調器の画素に備える場合、マトリクス状に配列されて電流を供給される。詳しくは、図７に示すように、光変調素子５は複数個（図中では４×４＝１６個）を基板７上に２次元配列されて画素アレイ５０となる（誘電体層２は図示省略）。画素アレイ５０において、上部電極４は、列（横）方向に延設されたストライプ状に形成されて４個の光変調素子５で共有され、４本の配線が設けられる。一方、行（縦）方向の配線とするために、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化自由層１３は、行方向に延設されたストライプ状に形成されて４個の光変調素子５で共有されて下部電極３として機能し、これら４個の光変調素子５においては、保護層１４から磁化固定層１１、中間層１２までが光変調素子５毎に分割される。画素アレイ５０の下部電極３（磁化自由層１３）および上部電極４は、電源８１、駆動する画素（光変調素子）を選択する画素選択部８２、および選択された画素に正負の所定の方向に切り換えて直流パルス電流を電源８１から供給する電極選択部８３，８４を備えた電流制御部８０に接続される。
【００４２】
（光変調素子の製造方法）
本発明に係る光変調素子の製造方法として、第１実施形態の変形例に係る光変調素子５Ａ（図２（ｂ）参照）をマトリクス状に配列した画素アレイ５０（図７参照）について、製造方法の一例を説明する。画素アレイ５０は、例えば、基板７上に、誘電体層２（２Ａ）を形成する工程Ｓ２０（Ｓ２０Ａ）、スピン注入磁化反転素子構造１を形成する工程Ｓ３０、上部電極４を形成する工程Ｓ４０、をこの順に行い、さらにスピン注入磁化反転素子構造１，１間等の隙間に絶縁層６を形成する工程Ｓ５１，Ｓ５２を適宜行うことによって製造できる。なお、各工程には説明のために符号を付す。
【００４３】
まず、基板７としてＳｉ基板の表面を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ2）を形成し、第２誘電体層２２とする（工程Ｓ２１）。次に、第１誘電体層２１としてＭｇＦ2をスパッタリング法で成膜して（工程Ｓ２２）誘電体層２Ａを形成し、引き続いて、磁化自由層１３、中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４をそれぞれ形成する材料を連続して成膜する（工程Ｓ３１）。
【００４４】
電子線リソグラフィおよびイオンビームミリング法により、成膜した保護層１４から中間層１２までの層を光変調素子５毎に分割された正方形（図１（ｂ）、図７参照）等の所望の平面視形状（スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状）に加工し（工程Ｓ３２２）、次に磁化自由層１３をストライプ状に加工する（工程Ｓ３２１）。磁化自由層１３の加工と共に、第１誘電体層２１、さらに第２誘電体層２２の表面からの一部または全部を加工してもよい。または、先に保護層１４から磁化自由層１３までの層をストライプ状に加工してから（工程Ｓ３２１Ａ）、保護層１４から中間層１２までの層を光変調素子５毎に分割された正方形に加工してもよい（工程Ｓ３２２Ａ）。あるいは、スピン注入磁化反転素子構造１の各層の連続成膜（工程Ｓ３１）を行わず、リフトオフ法等により、誘電体層２Ａ上にストライプ状の磁化自由層１３を形成してから（工程Ｓ３１１Ａ）、光変調素子５毎に分割された形状の中間層１２および磁化固定層１１を形成する（工程Ｓ３１２Ａ）こともできる。
【００４５】
磁化自由層１３，１３間（下部電極３，３間）およびスピン注入磁化反転素子構造１，１間にＳｉＯ2等の絶縁膜（絶縁層６となる）を堆積させる（工程Ｓ５１）。次に、スピン注入磁化反転素子構造１（保護層１４）および絶縁層６の上面に、金属膜、透明電極材料を連続して成膜し、磁化自由層１３と直交するストライプ状に加工して上部電極４（下地金属層４２、透明電極層４１）を形成する（工程Ｓ４０）。最後に、上部電極４，４間に絶縁膜（絶縁層６）を堆積して（工程Ｓ５２）、光変調素子５が配列された画素アレイ５０とする。
【００４６】
このような製造方法によれば、スピン注入磁化反転素子構造１において、磁化自由層１３のみを行方向に延設されたストライプ状に形成して、下部電極３とすることができる。また、Ｓｉ基板の熱酸化により、第２誘電体層２２を十分な膜厚に生産性よく形成し、第１誘電体層２１をスパッタリング法により膜厚の精度よく形成して、誘電体層２Ａとして好適な厚さとすることができる。なお、ＳｉＣ基板のような透明基板（基板７１）に光変調素子５を形成する場合は、前記基板７１上に金属膜を成膜して反射層Ｓを形成する工程Ｓ１３を行ってから、前記工程Ｓ２０等を行えばよい。
【００４７】
（光変調素子の動作）
本発明に係る光変調素子の動作を、図３を参照して説明する。なお、図３において保護層１４は図示を省略する。まず、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作について説明する。第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子５，５Ａのスピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作は、従来の光変調素子１０５のスピン注入磁化反転素子１０１（図９参照）と同様である。ただし、本発明に係る光変調素子５（５Ａ）においては磁化固定層１１と磁化自由層１３の積層順が逆であるので、図３（ａ）に示すように、上部電極４を「−」、下部電極３（磁化自由層１３）を「＋」にして、上向きに電流を供給すると、磁化が平行となる。反対に、図３（ｂ）に示すように、上部電極４を「＋」、下部電極３を「−」にして、下向きに電流を供給すると、磁化が反平行となる。また、前記した通り、磁化自由層１３は下部電極３として、隣り合う光変調素子５，５間で連続して形成されているが、膜面垂直方向に電流が供給された領域に限定されて磁化反転するため、光変調素子５毎に磁化方向を切り替えることができる。
【００４８】
そして、光変調素子１０５（図９参照）と同様に、光は、図３（ａ）に示す磁化方向が上向き（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が平行）の磁化自由層１３の上面または下面で１回反射したときにカー回転角＋θkで旋光し、１回透過したときにファラデー回転角＋θfで旋光する。反対に、図３（ｂ）に示す磁化方向が下向き（スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が反平行）の磁化自由層１３で１回反射したときにカー回転角−θkで旋光し、１回透過したときにファラデー回転角−θfで旋光する。なお、磁化固定層１１を透過したときにも旋光する場合があるが、旋光角が向きを含めて一定であるので、旋光しないものとする。したがって、従来の光変調素子１０５と同様に、光変調素子５は、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化反転動作により、入射光に対して偏光の向きを異なる旋光角（θp，θapと表す）で旋光させた出射光が得られる。以下、本発明に係る光変調素子に入射した光の経路による旋光角の増幅を説明する。
【００４９】
光変調素子に入射した光の経路について、図２（ａ）を参照して説明する。光変調素子５に所定の入射角で入射した光は、次のように多重反射して出射する。図２（ａ）に示す断面図においては、上部電極４（透明電極層４１）は、外部（大気）と屈折率の差がないものとし、またスピン注入磁化反転素子構造１の各層間の界面での屈折および反射はないものとして説明する。
【００５０】
入射光は上部電極４を透過して直進し、スピン注入磁化反転素子構造１に進入し、当該スピン注入磁化反転素子構造１、さらに誘電体層２を透過して、基板７との界面（基板７上面）に到達する。このとき光は、スピン注入磁化反転素子構造１の上面（上部電極４とスピン注入磁化反転素子構造１との界面）、およびスピン注入磁化反転素子構造１と誘電体層２との界面をそれぞれ通過する際に、屈折率の変化により屈折して進入する。スピン注入磁化反転素子構造１は外部（上部電極４）よりも屈折率が高いので、進入する光は入射角よりも垂直に近い角度へ屈折する。ここで、スピン注入磁化反転素子構造１等の媒質に進入する角度（膜面垂直方向に対する角度）を進入角という。一方、誘電体層２はスピン注入磁化反転素子構造１よりも屈折率が低いので、進入する光は水平に近い角度へ屈折する。そして、誘電体層２における進入角で基板７との界面（基板７上面）に到達した光は反射（正反射）して、誘電体層２を上方へ透過してスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達する。
【００５１】
スピン注入磁化反転素子構造１は、誘電体層２と比較して、屈折率が高く光透過率が低いため、誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達した光は、一部は屈折してスピン注入磁化反転素子構造１に進入し、そのままスピン注入磁化反転素子構造１、さらに上部電極４を透過して光変調素子５から出射する。前記光の別の一部は界面で反射して再び誘電体層２を下方へ進行して基板７との界面で反射し、そしてスピン注入磁化反転素子構造１との界面に到達して屈折する光と反射する光とに再び分岐する。
【００５２】
したがって、光変調素子５から出射した光（出射光）は、誘電体層２において基板７およびスピン注入磁化反転素子構造１のそれぞれとの界面で反射を１回または２回以上繰り返した光が混在する。図２（ａ）では、基板７（反射層Ｓ）で３回反射した光を出射光として示す。スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が平行であるとき（図３（ａ）参照）、入射光は、前記した通り、上方からスピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）を透過したときにファラデー回転角＋θfで旋光し、基板７で反射した光が誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射したときにカー回転角＋θkで旋光し、誘電体層２側（下方）からスピン注入磁化反転素子構造１を透過したときにさらにファラデー回転角＋θfで旋光する。そのため、出射光は、誘電体層２とスピン注入磁化反転素子構造１との界面で反射した回数によって、カー回転角＋θkが累積されるので入射光に対して異なる角度で旋光した光となる。詳しくは、基板７でｉ回（ｉ≧１）反射して出射した光は、入射光に対して角度＋(２θf＋(ｉ−１)θk)で旋光した光となるため、光変調素子５からは、偏光の向きの異なる光が混在して出射することになる。同様に、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化が反平行であるとき（図３（ｂ）参照）、光変調素子５から出射した光は、角度−(２θf＋(ｉ−１)θk)で旋光した光となる。
【００５３】
光変調度を向上させるためには、出射光の旋光角が大きいことが好ましく、したがって、誘電体層２における反射回数が多い出射光を多く取り出すことが好ましい。しかし、各々の出射光は界面に到達する度に反射と透過とで分岐した光であるので光量が小さく、特に反射回数が多くなるほど、分岐が繰り返され、さらに誘電体層２等の透過や界面での反射の度に光の一部が吸収されるために、光量は段階的に減衰して小さくなる。そのため、本発明に係る光変調素子５は、誘電体層２を以下のように構成することが好ましい。
【００５４】
図４を参照して、誘電体層２での１次反射による光の挙動をモデル化して説明する。図４では、誘電体層２を模擬した透光性の媒質層Ｍ（屈折率ｎ＞１）が基板７を模擬した反射層Ｓに積層されている。波長λの光を媒質層Ｍへ、上方の大気（屈折率ｎ0＝１とする）中の点Ａ，Ｆからそれぞれ入射角α0で入射して、媒質層Ｍを透過して反射層Ｓとの界面で反射した光（経路ＡＢＣＤＥ）と、媒質層Ｍの表面で反射した光（経路ＦＤＥ）とが、出射光ＤＥにおいて干渉するものとする。なお、ここでは、光の旋光および媒質層Ｍ等への吸収による減衰はないものとする。
【００５５】
２つの入射光ＡＢ，ＦＤは、点Ｂ，Ｉにそれぞれ到達したとき、大気中の波面ＢＩにおいて同位相である。そして、入射光ＡＢが媒質層Ｍに進入して点Ｈに到達したとき、ならびに入射光ＦＤが媒質層Ｍの表面の点Ｄに到達したとき、媒質層Ｍ中の波面ＨＤにおいて同位相となる。この入射光と媒質層Ｍにおける屈折光との位相差をもたらす道のり（経路長）の差をφとすると、φ＝|ＨＣ|＋|ＣＤ|である。点Ｄから下へ延長した垂線と屈折光ＢＣの延長線との交点をＧと表すと、|ＣＤ|＝|ＣＧ|より、φ＝|ＨＧ|＝|ＤＧ|・ｃｏｓαで表せ、媒質層Ｍの厚さをｄとすると、φ＝２ｄ・ｃｏｓαで表せる。また、低屈折率媒質からの光の高屈折率媒質との界面での反射は固定端反射となるので、大気から媒質層Ｍの表面で反射した光ＤＥ、そして媒質層Ｍから反射層Ｓとの界面で反射した光ＣＤは、それぞれ位相がπ（半波長分）だけずれる。したがって、経路ＡＢＣＤＥの光と、経路ＦＤＥの光とでは、反射による位相の変化が同じである。これらのことから、経路長の差φが媒質層Ｍでの波長λn（＝λ／ｎ）の整数倍（Ｎ倍）の場合、すなわちφ＝Ｎ・λnの場合に、経路ＡＢＣＤＥと経路ＦＤＥの光のそれぞれの出射光ＤＥは同位相となる。同位相の２つの出射光ＤＥ，ＤＥは互いに干渉により強め合うことになって、光量が相加的に増大する。このとき、φ＝２ｄ・ｃｏｓα＝Ｎ・λn＝Ｎ・λ／ｎより、下記の条件式（１）が成立する。
ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝Ｎ／２・λ（＝０．５Ｎ・λ） ・・・式（１）
【００５６】
このような干渉は、前記条件式（１）が成立する厚さｄ（＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)）の媒質層Ｍにおいて生じる。なお、経路長の差φが半波長ずれる（φ＝(Ｎ＋１／２)・λn）と、２つの出射光ＤＥ，ＤＥが相殺するため、光量が０となる。
【００５７】
この現象を図２（ａ）に示す光変調素子５に当てはめると、基板７で反射して誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１に進入し、当該スピン注入磁化反転素子構造１を上方へ透過する光について、経路の異なる、すなわち誘電体層２における反射回数の異なる光同士が同位相となればよい。誘電体層２から基板７との界面での反射、ならびに誘電体層２からスピン注入磁化反転素子構造１との界面での反射は、共に固定端反射であり、誘電体層２における反射回数に関係なく合計で奇数回反射するので、反射による位相の変化は常に半波長である。したがって、誘電体層２の厚さについて、前記条件式（１）が成立する図４の媒質層Ｍの厚さｄ（＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)）をそのまま適用できる（ｎ：誘電体層２の屈折率）。Ｎの値については、１以上の整数であればよく、上限は規定されないが、大きくなると誘電体層２が厚膜化して透過する光が減衰するため、誘電体層２の厚さｄが５００ｎｍ程度以下となるように設定することが好ましい。なお、誘電体層２（媒質層Ｍ）における進入角αについては、光変調素子５への入射角をα0で表したとき、ｎ・ｓｉｎα＝ｓｉｎα0の関係より算出できる。したがって、誘電体層２の厚さｄは、入射光（光源）の波長λと入射角α0、および誘電体層２の屈折率ｎに基づいて設計できる。
【００５８】
また、図２（ｂ）に示す光変調素子５Ａのように、２層の誘電体層２１，２２を積層した誘電体層２Ａの場合は、誘電体層２１，２２のそれぞれの屈折率をｎ1，ｎ2、厚さをｄ1，ｄ2とし、光の進入角をα1，α2（ｎ1・ｓｉｎα1＝ｎ2・ｓｉｎα2＝ｓｉｎα0）で表した場合、前記条件式（１）を近似して、下記の条件式（２）が成立する厚さｄ1，ｄ2とすればよい。
ｎ1ｄ1・ｃｏｓα1＋ｎ2ｄ2・ｃｏｓα2＝Ｎ／２・λ ・・・式（２）
【００５９】
さらに誘電体層２１，２２の屈折率が互いに近似する場合は（ｎ1≒ｎ2）、進入角も近似する（α1≒α2）。そこで、誘電体層２１，２２の屈折率ｎ1，ｎ2の平均値（(ｎ1＋ｎ2)／２）を共通の屈折率ｎとして、さらに一体の誘電体層２と同様に入射角α0より算出した進入角αを適用し、ｄ1＋ｄ2＝Ｎ・λ／(２ｎ・ｃｏｓα)となるようにそれぞれの厚さｄ1，ｄ2を設計できる。
【００６０】
誘電体層２（２Ａ）をこのように構成することで、光変調素子５（５Ａ）は、基板７表面（反射層Ｓ）での反射回数の異なる出射光同士が互いに干渉により強め合って光量が相加的に増大し、全体として入射光に対して減衰の抑えられた光量の出射光（適宜、総出射光と称する）が得られる。ここで、前記した通り、基板７での反射回数の異なる出射光は互いに偏光の向きが異なるが、これらの出射光が干渉して得られる総出射光は、各出射光の偏光の向きおよび光量をそれぞれベクトルの向きおよび大きさとしたときのベクトルの和（合成）で換算された偏光の向きおよび光量となる。すなわち総出射光は、入射光に対して旋光角θp，θapでそれぞれ旋光した１つの偏光の向きの光となる。したがって、総出射光の旋光角θp，θapは、反射を最大回数繰り返した出射光ほど大きくならないが、基板７で１，２回反射した出射光（±２θf，±(２θf＋θk)）よりは十分に大きくなり得て、その差|θp−θap|も大きくなり、スピン注入磁化反転素子構造１の各層の材料等の構造を従来と同じとしても、光変調度を高くすることができる。なお、経路長の差φが半波長ずれて出射光同士が相殺される場合は、偏光の向きが異なるので光量が０にはならないが各々の出射光よりもさらに減少することになる。また、本実施形態に係る光変調素子５では、固定端反射による多重反射としたが、これに限られず、誘電体層２の材料（屈折率）等の選択により自由端反射となる構成としてもよい。
【００６１】
また、本実施形態に係る光変調素子５のスピン注入磁化反転素子構造１は垂直磁化膜で構成されるので、膜面に垂直（α0＝０°）により近付けて光を入射することが、極カー効果で反射１回あたりのカー回転角θkを大きくするために望ましく、具体的にはα0≦３０°とすることが好ましい。入射角α0が小さくなると、誘電体層２における進入角αはさらに小さくなって０°に近付き（α≒０°）、ｃｏｓα≒１となる。したがって、入射角が垂直に近い場合には、条件式（１）が成立する誘電体層２の厚さｄは、ｄ≒Ｎ／２・λ／ｎで近似できる。光変調素子５Ａの誘電体層２Ａの場合は、条件式（２）について、ｃｏｓα1≒ｃｏｓα2≒１となるので、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝Ｎ／２・λが成立すればよい。
【００６２】
以上のように、第１実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、厚さを制御した誘電体層に公知のスピン注入磁化反転素子構造を直接に積層することで、容易に光変調度を向上させた光変調素子とすることができる。
【００６３】
［第２実施形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２実施形態およびその変形例に係る光変調素子について説明する。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、図２参照）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。図５（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る光変調素子５Ｂは、第１実施形態と同様に、基板７上に誘電体層２、スピン注入磁化反転素子構造１（層１３，１２，１１，１４）、上部電極４の順に積層されている。なお、図５（ｂ）において、保護層１４は図示を省略する。
【００６４】
本実施形態に係る光変調素子５Ｂは、スピン注入磁化反転素子構造１において磁化自由層１３も磁化固定層１１等の他の層と同じ光変調素子５Ｂ毎に分割された平面視正方形に成形加工され、この磁化自由層１３の４側面に金属電極層３１を接続してさらに備える。詳しくは図５（ｂ）に示すように、金属電極層３１は、スピン注入磁化反転素子構造１（磁化自由層１３）の平面視形状と同じ形状の孔が形成され、この孔に磁化自由層１３が埋め込まれた状態で側面に接続される。さらに金属電極層３１は、磁化自由層１３に対して膜面における所定の方向に延設するように形成されて、外部から電流を供給できるように構成される。すなわち、金属電極層３１は、図１（ｂ）に示す光変調素子５における磁化自由層１３のスピン注入磁化反転素子構造１の領域外の部分が置き換えられたものであり、したがって、金属電極層３１を適宜、下部電極３Ｂと表す。このように、下部電極３Ｂは、光変調素子５における磁化自由層１３（下部電極３）から電極材料として好適な金属を選択することができる金属電極層３１に置き換えられたので、配線抵抗を低減することができる。また、光変調素子５Ｂにおいて、誘電体層２は、基板７の全面に成膜されているが、これに限らず、例えば下部電極３Ｂ（金属電極層３１）の配線幅に合わせて成形加工されてもよい（図示せず）。
【００６５】
金属電極層３１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電極用金属材料からなる。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、スピン注入磁化反転素子構造１の位置および平面視形状に合わせて孔が形成されたストライプ状に加工される。
【００６６】
第２実施形態に係る光変調素子５Ｂの金属電極層３１は、誘電体層２上に、磁化自由層１３と略面一に形成され、スピン注入磁化反転素子構造１の中間層１２等に接触しないように、その厚さが磁化自由層１３の厚さ以下に制限される。そのため、下部電極３Ｂは、第１実施形態に係る光変調素子５の磁化自由層１３のみで形成された下部電極３と同程度の厚さであり、材料の選択による以外では配線抵抗が低減されない。そこで、金属電極層３１を下方（深さ方向）に拡張して厚膜化することにより配線抵抗をさらに低減することもできる。図６に示すように、第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃは、さらに誘電体層２Ａの一部（第１誘電体層２１）もスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に合わせて成形加工され、この平面視形状と同じ形状の孔を形成された金属電極層３１が、磁化自由層１３および第１誘電体層２１の４側面に接続される。誘電体層２Ａにおける金属電極層３１の孔に埋め込まれる深さ領域（第１誘電体層２１の厚さ）は特に規定されず、所望の厚さの金属電極層３１を形成できればよい。また、第１誘電体層２１または第２誘電体層２２のいずれかにおける厚さ方向の一部、あるいは一体の誘電体層２における厚さ方向の一部までがスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に加工されて、金属電極層３１の孔に磁化自由層１３と共に埋め込まれてもよい（図示せず）。
【００６７】
光変調素子５Ｂ，５Ｃは、前記第１実施形態に係る光変調素子５を配列した画素アレイ５０の製造方法に、金属電極層３１を形成する工程Ｓ１０をさらに行う方法によって製造することができる。光変調素子５Ｂ（５Ｃ）をマトリクス状に配列した画素アレイ５０Ｂ（図７参照）について、製造方法の一例を説明する。後記第３実施形態も含め、同一の工程については同じ符号を付し、説明を簡略化する。
【００６８】
まず、基板７上に誘電体層２およびスピン注入磁化反転素子構造１の各層１３，１２，１１，１４の材料を成膜する（工程Ｓ２０，Ｓ３１）。そして、成膜した層（保護層１４）の上の、スピン注入磁化反転素子構造１を設ける領域にレジストマスクを形成し、保護層１４から磁化自由層１３までを、あるいはさらに誘電体層２の所望の深さまでを成形加工して（工程Ｓ３２）スピン注入磁化反転素子構造１を形成する。次に金属電極層３１を形成する金属電極材料を磁化自由層１３の高さまで成膜し（工程Ｓ１１）、スピン注入磁化反転素子構造１上のレジストマスクを除去する（リフトオフ）。金属電極材料の配線間（下部電極３Ｂ，３Ｂ間）となる領域を除去して（工程Ｓ１２）、金属電極層３１を形成する。そして、金属電極層３１，３１間およびスピン注入磁化反転素子構造１，１間に絶縁層６を堆積させる（工程Ｓ５１）。最後に、第１実施形態と同様に、上部電極４および上部電極４，４間の絶縁層６を形成して（工程Ｓ４０，Ｓ５２）、画素アレイ５０Ｂとする。
【００６９】
あるいは、基板７上に誘電体層２を形成（工程Ｓ２０）、または第２誘電体層２２を形成した（工程Ｓ２１）後、この誘電体層２（２２）上に、スピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状の孔を空けたストライプ状の金属電極層３１をリフトオフ法等により形成してもよい（工程Ｓ１１Ａ）。そして、磁化自由層１３を、または第１誘電体層２１および磁化自由層１３を金属電極層３１の孔に埋め込むように成膜し、さらに中間層１２、磁化固定層１１、保護層１４を形成して（工程Ｓ２２Ａ，Ｓ３１Ａ）、スピン注入磁化反転素子構造１を形成することもできる。
【００７０】
第２実施形態に係る光変調素子５Ｂは、下部電極３の一部を金属電極層３１に換え、磁化自由層１３の平面視形状を縮小してスピン注入磁化反転素子構造１に合わせたこと以外は、第１実施形態に係る光変調素子５と同じ構成である。さらに第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃは、光変調素子５Ｂに対して金属電極層３１を厚く形成し、誘電体層２，２Ａの形状を変えただけである。特に、スピン注入磁化反転素子構造１およびその上下の積層構造については光変調素子５と同じであるので、光変調素子５Ｂ，５Ｃにおける磁化反転動作、ならびに光の旋光および多重反射も第１実施形態またはその変形例と同様であり、説明を省略する（図２，３参照）。
【００７１】
以上のように、第２実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、第１実施形態と同様に光変調度を向上させた光変調素子とすることができ、さらに抵抗を抑えた光変調素子とすることができる。
【００７２】
［第３実施形態］
図８（ａ）に示す第３実施形態に係る光変調素子５Ｄは、第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃ（図６参照）と比較して、誘電体層２（２Ａ）の厚さ方向の全部がスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状に成形加工されて、金属電極層３１を誘電体層２と磁化自由層１３との合計の厚さに形成したものである。ただし、この場合は、複数の光変調素子５Ｄが配列されたときに、下部電極３Ｂ，３Ｂ（金属電極層３１，３１）同士が短絡しないように、透明基板のような絶縁性の基板７１を適用し、この基板７１表面に金属膜で反射層Ｓが形成された基板７Ｄとする。基板７Ｄにおいて、反射層Ｓは、基板７１上に形成された金属電極層３１の孔内に設けられる。あるいは、反射層Ｓは配線（下部電極３Ｂ）領域に設けられて、反射層Ｓ上に金属電極層３１が設けられてもよい。反射層Ｓをこれらのように形成すれば、下部電極３Ｂの一部とすることができ、さらに反射層Ｓを厚膜化すれば下部電極３Ｂの配線抵抗を低減することができる。
【００７３】
さらに第３実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｅは、図８（ｂ）に示すように、基板７Ｅの表面から一部の深さ領域までが、スピン注入磁化反転素子構造１、誘電体層２の平面視形状に合わせて加工されている。正しくは、基板７Ｅはスピン注入磁化反転素子構造１の領域外が深くなるように加工され、金属電極層３１が基板７Ｅの加工された深さまで形成される。この場合も、基板７Ｅは、絶縁性の基板７１の金属電極層３１の孔内における表面（基板７Ｅの頂面）に反射層Ｓが設けられる。また、図８（ｂ）に示す光変調素子５Ｅにおいては、金属電極層３１を上面が誘電体層２と面一になる厚さに形成して、金属電極層３１および誘電体層２の上に磁化自由層１３が形成されている。すなわち、光変調素子５Ｅは、図１（ｂ）に示す第１実施形態に係る光変調素子５のように、磁化自由層１３をスピン注入磁化反転素子構造１の平面視形状よりも広く、下部電極３（３Ｂ）の平面視形状に形成して、スピン注入磁化反転素子構造１の領域の外側で下面にて金属電極層３１に接続する構造である。このような構造とすることで、磁化自由層１３が薄くて側面（端面）の面積が小さい場合でも、比較的広い面積で金属電極層３１に接続される。このような形状の磁化自由層１３および金属電極層３１は、前記第３実施形態に係る光変調素子５Ｄおよび第２実施形態の変形例に係る光変調素子５Ｃについても適用できる。
【００７４】
光変調素子５Ｄは、光変調素子５Ｃの製造方法と同様に製造することができ、絶縁性の基板７１上に反射層Ｓを形成する工程Ｓ１３を、誘電体層２の形成（工程Ｓ２０）前に行えばよい。さらに、前記工程Ｓ３２のスピン注入磁化反転素子構造１および誘電体層２を加工する際には、反射層Ｓまで加工する。このときに、光変調素子５Ｅを製造する場合は、さらに基板の一部まで加工して基板７Ｅを形成する。また、図８（ｂ）に示す光変調素子５Ｅの製造方法は、絶縁性の基板７１上に反射層Ｓおよび誘電体層２の各材料のみを成膜して（工程Ｓ１３，Ｓ２０）、誘電体層２および基板７Ｅを加工、形成する。そして、金属電極層３１を形成してから（工程Ｓ１１，Ｓ１２）、第１実施形態に係る光変調素子５の製造方法と同様に、スピン注入磁化反転素子構造１の磁化自由層１３とそれ以外の層１２，１１，１４とを分けて形成すればよい。
【００７５】
第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子５Ｄ，５Ｅは、金属電極層３１の厚さ、誘電体層２，２Ａの形状、あるいはさらに基板７Ｄ，７Ｅ以外は、第２実施形態に係る光変調素子５Ｂと同じ構成であり、さらにスピン注入磁化反転素子構造１およびその上下の積層構造については第１実施形態に係る光変調素子５と同じであるので、光変調素子５Ｄ，５Ｅにおける磁化反転動作、ならびに光の旋光および多重反射も第１実施形態またはその変形例と同様であり、説明を省略する（図２，３参照）。
【００７６】
以上のように、第３実施形態およびその変形例に係る光変調素子によれば、第２実施形態と同様に光変調度を向上させた光変調素子とすることができ、いっそう抵抗を抑えた光変調素子とすることができる。
【００７７】
以上、本発明の光変調素子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。
【実施例】
【００７８】
本発明の効果を確認するために、本発明の第１実施形態の変形例に係る光変調素子（図２（ｂ）参照）を模擬したサンプルを作製し、その反射光の旋光角を評価した。磁化自由層を磁化反転させる必要はないので、サンプルは、中間層、磁化固定層、および電極を設けず、またフォトリソグラフィ等による加工は施さないものとした。詳しくは、表面を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ2、屈折率ｎ2＝１．４６）を形成したＳｉ基板に、第１誘電体層としてＭｇＦ2（屈折率ｎ1＝１．３８）、磁化自由層として[Ｐｔ／Ｃｏ]×５の多層膜、さらに保護層としてＲｕをＤＣマグネトロンスパッタリング法で連続して成膜した。磁化自由層のＰｔ膜は各１．３ｎｍ、Ｃｏ膜は各０．２６ｎｍの厚さ、保護層（Ｒｕ）は２．７ｎｍの厚さとした。Ｓｉ基板表面のＳｉＯ2膜の厚さｄ2は３３０ｎｍ（±１０％）であり、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1を０（成膜せず）から１００ｎｍまで変化させたサンプルを作製した。
【００７９】
作製したサンプルに、外部から一様な磁界を印加することによって、磁化自由層の磁化方向が一方向となるようにした。そして、垂直磁界マイクロＫｅｒｒ効果測定装置（ネオアーク株式会社製）を用いて、サンプルに波長（λ）４０５ｎｍの青色レーザー光を略垂直に入射して、反射光の旋光角を測定した。略垂直とは、入射するレーザー光が、垂直（入射角０°）に対して、測定装置の対物レンズ上でサンプルからの反射光と重複しない程度に傾斜した状態（入射角５°以内）を指す。旋光角のＭｇＦ2膜厚依存性のグラフを図１０に示す。
【００８０】
サンプルの磁化自由層とした[Ｐｔ／Ｃｏ]×５の多層膜は、多重反射しないように金属膜上に形成された場合の反射光の旋光角（カー回転角）が約０．２°である。一方、図１０に示すように、ＳｉＯ2／ＭｇＦ2上に形成されたサンプルは、ＭｇＦ2膜の厚さに依存して旋光角が大きく変化し、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1が６７ｎｍのサンプルが突出して磁化自由層の旋光角が大きく、０．９°を超えた。これは、入射角α0が５°以下であることからｃｏｓα1≒ｃｏｓα2≒１と近似して、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝１．３８×６７＋１．４６×３３０＝５７４となり、（ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2）が、前記条件式（２）が成立する入射光の波長λの３／２倍（４０５×１．５＝６０８）に近付いたことによると考えられる。したがって、このサンプルに使用されたＳｉ基板の表面のＳｉＯ2膜の実際の厚さｄ2は３５３ｎｍ近傍と推測される（１．３８×６７＋１．４６×３５３＝６０８）。反対に、ＭｇＦ2膜の厚さｄ1が２０ｎｍのサンプルからの反射光はほとんど旋光しなかった。これは、ｎ1ｄ1＋ｎ2ｄ2＝１．３８×２０＋１．４６×３３０＝５０９より、入射光の波長λの(１＋１／４)倍（４０５×１．２５＝５０６）に近付いて、反射光がほとんど相殺されたことによると考えられる。これらの結果から、ＭｇＦ2膜とＳｉＯ2膜とからなる誘電体層を設けて、反射回数の異なる出射光を干渉により強め合うように各膜厚を制御することによって、多重反射した出射光を含んで旋光角の大きな光を十分な光量で取り出せることが確認できた。
【符号の説明】
【００８１】
１ スピン注入磁化反転素子構造
１１ 磁化固定層
１２ 中間層
１３ 磁化自由層
２，２Ａ 誘電体層
３，３Ｂ 下部電極
３１ 金属電極層
４ 上部電極
４１ 透明電極層
５０，５０Ｂ 画素アレイ
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ 光変調素子
７，７Ｄ，７Ｅ 基板
Ｓ 反射層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、磁化自由層、中間層、および磁化固定層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造、ならびに前記磁化固定層上に透明電極層を備え、前記磁化自由層と前記透明電極層とを一対の電極として電流を供給することにより、前記磁化自由層の磁化方向を変化させて、前記透明電極層の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、
前記磁化自由層が積層される１層以上の誘電体材料からなる誘電体層をさらに備え、前記入射した光を前記誘電体層と前記基板との界面を反射面として反射することを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記誘電体層は、屈折率をｎ、厚さをｄで表し、前記入射した光の波長がλ、当該誘電体層を透過する光の進行方向の膜面垂直方向に対する角度がαであるとき、ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝０．５Ｎ・λ（Ｎ＝１，２，３，…）が成立することを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の側面に接続する金属電極層をさらに備える請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記金属電極層が、前記誘電体層の側面に接続する請求項３に記載の光変調素子。
【請求項１】
基板上に形成され、磁化自由層、中間層、および磁化固定層の順に積層したスピン注入磁化反転素子構造、ならびに前記磁化固定層上に透明電極層を備え、前記磁化自由層と前記透明電極層とを一対の電極として電流を供給することにより、前記磁化自由層の磁化方向を変化させて、前記透明電極層の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、
前記磁化自由層が積層される１層以上の誘電体材料からなる誘電体層をさらに備え、前記入射した光を前記誘電体層と前記基板との界面を反射面として反射することを特徴とする光変調素子。
【請求項２】
前記誘電体層は、屈折率をｎ、厚さをｄで表し、前記入射した光の波長がλ、当該誘電体層を透過する光の進行方向の膜面垂直方向に対する角度がαであるとき、ｎ・ｄ・ｃｏｓα＝０．５Ｎ・λ（Ｎ＝１，２，３，…）が成立することを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の側面に接続する金属電極層をさらに備える請求項１または請求項２に記載の光変調素子。
【請求項４】
前記金属電極層が、前記誘電体層の側面に接続する請求項３に記載の光変調素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１８１４３４（Ｐ２０１２−１８１４３４Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５２８８（Ｐ２０１１−４５２８８）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【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９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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