JP5567969B2 - 光変調素子およびこれを用いた空間光変調器 - Google Patents
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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光変調素子およびこれ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２次元アレイ状に配列して光の位相や振幅等を空間的に変調するものであって、ホログラフィ装置等の露光装置、ディスプレイ技術、記録技術等の分野で広く利用されている。また、２次元で並列に光情報を処理することができることから光情報処理技術への応用も研究されている。空間光変調器として、従来より液晶が用いられ、表示装置として広く利用されているが、ホログラフィや光情報処理用としては、応答速度や画素の高精細性が不十分であるため、近年では、高速処理かつ画素の微細化の可能性が期待される磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器の開発が進められている。
磁気光学式空間光変調器（以下、空間光変調器）においては、磁気光学材料すなわち磁性体に入射した光が透過または回折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（回折の場合はカー効果）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。
図９に示すように、スピン注入方式を用いたスピン注入型の空間光変調器１００は、基板１０７上に設けられた光変調素子１０１の上下に一対の電極（上部電極１０２および下部電極１０３）を接続して膜面に垂直に電流を供給することにより、スピンが注入されて積層された磁性膜の一部の層（磁化自由層）の磁化方向が変化（反転）する。そして磁気カー効果により磁化自由層の磁化の向きに応じて出射光（出射偏光）の偏光状態を、θｋと、−θｋの２値に変調することができる。このような空間光変調器１００においては、入射偏光側と出射偏光側にそれぞれ偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏを設け、これら偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏの偏光面を互いに所定角度に設定したクロスニコル配置とする。そして、光変調素子１０１によって偏光面が角度−θｋ回転すると、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過できず暗状態となり、角度θｋだけ回転すると、その分、出射偏光は偏光子ＰＦｏを透過し、明状態となる。
しかしながら、従来の技術においては、以下のような問題がある。
スピン注入磁化反転素子には上下に電流を供給するための電極材料を設けるため、スピン注入磁化反転素子に光を入射するためには、回折型の空間光変調器の光変調素子であれば上または下の一方に、あるいは透過型の空間光変調器の光変調素子であれば上下共に、光を透過する透明電極材料を適用しなくてはならない。透明電極材料は、金属電極材料と比べて導電性が大きく劣るため、複数の画素に均一な電流を供給することが困難であるという問題がある。特により多数の光変調素子を２次元アレイ状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。これを防止するためには、電極（配線）を厚膜化したり、大電流を供給して空間光変調器を動作させたりする必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。
スピン注入磁化反転素子には上下に電流を供給するための電極材料を設けるため、スピン注入磁化反転素子に光を入射するためには、回折型の空間光変調器の光変調素子であれば上または下の一方に、あるいは透過型の空間光変調器の光変調素子であれば上下共に、光を透過する透明電極材料を適用しなくてはならない。透明電極材料は、金属電極材料と比べて導電性が大きく劣るため、複数の画素に均一な電流を供給することが困難であるという問題がある。特により多数の光変調素子を２次元アレイ状に配列した高精細の空間光変調器になるほど中央部で動作が遅れる虞がある。これを防止するためには、電極（配線）を厚膜化したり、大電流を供給して空間光変調器を動作させたりする必要があり、省電力化の点で改良の余地がある。
また、光変調される有効領域の面積率（開口率）を大きくするためには、素子サイズ（面積）を大きくする必要があるが、一方でスピン注入磁化反転素子は、好適に磁化反転させるために一辺が３００ｎｍ以下程度の微小な素子サイズとする必要がある。そのため、素子サイズを大きくして開口率の増大を図ると共に、効率的な磁化反転を行なうことができる空間光変調器の開発が望まれている。
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、配線に透明電極材料を適用する必要がなく、また、開口率を増大させることができると共に、効率的な偏光変調を行なうことができる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を提供することを課題とする。
前記課題を解決するため、本発明者らは、既に発明したデュアルピン構造のスピン注入磁化反転素子を適用した光変調素子（特開２０１０−６０７４８号公報参照）について、その積層の配置を変え、磁化自由層の上下に配置していた磁化固定層を、両方共、磁化自由層の上に積層することで、磁化自由層を底部としたＵ字型に電流経路を形成し、磁化自由層の下に電極を要しない構成とすることに至った。また、この構成により、開口率を大きくすると共に、効率的な磁化反転を行なうことを可能とした。
すなわち、本発明に係る光変調素子は、光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、中間層と、磁化固定層と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記磁化固定層上に接続した一対の電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、前記磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの磁化固定層からなり、前記２つの磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であることを特徴とする。
かかる構成によれば、同一平面上に分離した２つの磁化固定層を備えることで一対の電極の両方を光変調素子の上側に設けることができるため、基板側から光変調素子に入射した光は、電極を介さずに磁化自由層へ到達して回折する。したがって、画素を構成する電極は光を透過させる必要がなく、導電性に優れた金属電極材料を電極に適用できる。また、２つの磁化固定層を備え、これらが互いに反平行な磁化に固定されていることで一種の二重スピン注入方式となり、スピントルクが２倍となる。そのため、スピン注入の効率が向上する。また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層の磁化反転が効率よく起きるため、画素の開口率を増大させることができる。
さらに、本発明に係る光変調素子は、前記２つの磁化固定層のうちの一方が、磁気交換結合膜を備えた多層構造であることが好ましい。
かかる構成によれば、容易に２つの磁化固定層を互いに反平行な磁化に固定することができる。
かかる構成によれば、容易に２つの磁化固定層を互いに反平行な磁化に固定することができる。
本発明に係る空間光変調器は、前記の光変調素子を用いた空間光変調器であって、光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１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、前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記電極と、を有することを特徴とする。
かかる構成によれば、基板側から入射する光を回折する回折型空間光変調器として一対の電極に透明電極材料を適用する必要がなくなる。また、前記の光変調素子を用いることで、効率的なスピン注入磁化反転により偏光変調の効率が向上し、画素の開口率が増大する。
また、本発明に係る空間光変調器は、前記配列された、前記２つの磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの画素において、前記光変調素子の２つを、１つの同じ電極に接続される前記２つの光変調素子の磁化固定層を一体として１つの一体型素子としたことを特徴とする。
かかる構成によれば、光変調素子における２つの磁化固定層の大きさを異なるものとすることができ、それぞれ異なる保磁力とすることができる。そのため、容易に２つの磁化固定層の磁化を互いに反平行の状態に固定した一体型素子とすることができる。
さらに、本発明に係る空間光変調器は、前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有する構成としてもよい。
かかる構成によれば、１つの画素の複数の光変調素子において、磁化自由層の磁化方向を、それぞれ異なる方向とすることができる。これにより、画素の多段階表示が可能となる。
かかる構成によれば、１つの画素の複数の光変調素子において、磁化自由層の磁化方向を、それぞれ異なる方向とすることができる。これにより、画素の多段階表示が可能となる。
本発明に係る光変調素子によれば、空間光変調器に用いる場合に、一対の電極に透明電極材料を適用する必要がないため、空間光変調器の省電力化を図ることができる。さらに、２つの磁化固定層を備えることでスピン注入の効率が向上し、効率的なスピン注入磁化反転を行なうことができるため、効率的な偏光変調を可能とする。また、光の入射面（出射面）の面積を通常のスピン注入磁化反転素子の２倍以上とすることができるため、開口率を増大させた画素とすることができる。
本発明に係る空間光変調器によれば、金属電極材料で一対の電極を形成することで省電力化を図ることができる。さらに、効率的なスピン注入磁化反転による偏光変調が可能となり、画素の開口率が増大したものとなる。
本発明に係る空間光変調器によれば、金属電極材料で一対の電極を形成することで省電力化を図ることができる。さらに、効率的なスピン注入磁化反転による偏光変調が可能となり、画素の開口率が増大したものとなる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
≪光変調素子≫
［第１実施形態］
図１（ａ）に示すように、本発明の光変調素子１は、光を透過させる基板７上に形成され、磁化自由層３と、第１中間層２１および第２中間層２２（以下、適宜、中間層２１，２２という）と、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２（以下、適宜、磁化固定層１１，１２という）と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有する。また、第１磁化固定層１１の上面にはＸ電極５１が、第２磁化固定層１２の上面にはＹ電極５２が、それぞれ電極層として接続されている。そして光変調素子１は、磁化固定層１１，１２上に接続した一対の電極であるＸ電極５１とＹ電極５２（以下、適宜、電極５１，５２という）との間に電流が供給され、磁化自由層３の磁化方向を変化させることによって、下方から基板７を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折し、異なる２値の光（偏光成分）に変調して下方へ出射するものである。なお、反射光は０次回折光と表現できるので、回折には反射も含むものである。
≪光変調素子≫
［第１実施形態］
図１（ａ）に示すように、本発明の光変調素子１は、光を透過させる基板７上に形成され、磁化自由層３と、第１中間層２１および第２中間層２２（以下、適宜、中間層２１，２２という）と、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２（以下、適宜、磁化固定層１１，１２という）と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有する。また、第１磁化固定層１１の上面にはＸ電極５１が、第２磁化固定層１２の上面にはＹ電極５２が、それぞれ電極層として接続されている。そして光変調素子１は、磁化固定層１１，１２上に接続した一対の電極であるＸ電極５１とＹ電極５２（以下、適宜、電極５１，５２という）との間に電流が供給され、磁化自由層３の磁化方向を変化させることによって、下方から基板７を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折し、異なる２値の光（偏光成分）に変調して下方へ出射するものである。なお、反射光は０次回折光と表現できるので、回折には反射も含むものである。
光変調素子１としては、所謂、ＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance：垂直通電型巨大磁気抵抗効果）型またはＴＭＲ（Tunneling MagnetoResistance：トンネル磁気抵抗効果）型の構造を有するものが用いられる。
なお、本実施形態では、光変調素子１として、磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）の場合について説明する。
以下、光変調素子１の構成について説明する。
なお、本実施形態では、光変調素子１として、磁化方向が垂直方向（層表面と直交する方向）の場合について説明する。
以下、光変調素子１の構成について説明する。
（磁化自由層）
磁化自由層３は、２つの磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続した電極層を一対の電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）間に電流が供給されることにより、磁化方向が変化するものである。すなわち、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層３内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層３内の磁化の向きが反転する。
磁化自由層３は、２つの磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続した電極層を一対の電極（Ｘ電極５１およびＹ電極５２）間に電流が供給されることにより、磁化方向が変化するものである。すなわち、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に供給される電流の向きに応じて、注入される電子のスピンと磁化自由層３内の電子スピンとの相互作用により磁化自由層３内の磁化の向きが反転する。
磁化自由層３は、磁化固定層１１，１２と共に、垂直磁気異方性を有する材料を使用する。具体的には、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＧｅ等の遷移金属系材料を主に用いることができる。また、遷移金属からなる薄膜層と貴金属からなる薄膜層とが交互に積層した多層膜や、遷移金属と貴金属との合金や、希土類金属と遷移金属との合金等、磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
前記多層膜としては、Ｃｏ／Ｐｔ（左側から記載の材料から順に積層）多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＦｅ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜等が挙げられる。遷移金属と貴金属との合金としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｄ合金、ＦｅＰｄ合金、ＦｅＰｔ合金等が挙げられる。希土類金属と遷移金属との合金としては、ＧｄＦｅ合金、ＧｄＣｏＦｅ合金、ＧｄＣｏ合金、ＴｂＦｅＣｏ合金等が挙げられる。その他、ＭｎＢｉ合金、Ｍｎ／Ｂｉ多層膜、ＰｔＭｎＳｂ合金、Ｐｔ／ＭｎＳｂ多層膜等の磁気光学効果の大きな材料を用いることができる。
また、磁化自由層３は、入射した光の波長における磁気光学効果が２つの磁化固定層１１，１２よりも大きい磁性体であることが好ましい。かかる構成により、光変調素子１は、入射した光が磁化自由層３を透過して２つの磁化固定層１１，１２に到達した場合に、互いに反平行な磁化による旋光角のばらつきを抑制することができる。
磁化自由層３の厚さは特に限定されるものではないが、磁化自由層３が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、磁化自由層３の厚さは、１．５〜１５ｎｍが好ましい。
（磁化固定層）
磁化固定層１１，１２は、同一平面上に分離した２つの磁化固定層、すなわち、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２からなり、この２つの磁化固定層１１，１２のそれぞれが、１つの磁化自由層３上に、中間層２１，２２を挟んで積層されている。磁化固定層１１，１２は、磁化方向が所定方向、すなわち、高さ方向と平行な方向（垂直な方向）の一方の向きに固定されており、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２は、互いに反平行な磁化に固定されている。また、磁化固定層１１，１２は強磁性材料からなり、磁化自由層３よりも保磁力の大きい磁性体である。
磁化固定層１１，１２は、同一平面上に分離した２つの磁化固定層、すなわち、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２からなり、この２つの磁化固定層１１，１２のそれぞれが、１つの磁化自由層３上に、中間層２１，２２を挟んで積層されている。磁化固定層１１，１２は、磁化方向が所定方向、すなわち、高さ方向と平行な方向（垂直な方向）の一方の向きに固定されており、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２は、互いに反平行な磁化に固定されている。また、磁化固定層１１，１２は強磁性材料からなり、磁化自由層３よりも保磁力の大きい磁性体である。
第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２の磁化を、互いに反平行な状態とするためには、磁化固定層１１，１２にＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等の積層膜を用い、一方の膜厚を厚くしたり、一方の磁化固定層１１（１２）の形状を変えたりすることで、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２がそれぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。あるいは、それぞれ異なる材料を用いることで、それぞれ異なる保磁力ＨＣ１，ＨＣ２を有するようにすればよい。ただし、磁化自由層３の保磁力をＨＣｆとすると、ＨＣｆ＜ＨＣ１＜ＨＣ２とする必要がある。そして、ＨＣ２より大きな磁界Ｈｍａｘを印加した後、ＨＣ１とＨＣ２の中間の大きさとなる負の磁界−Ｈｍｉｄ（ＨＣ１＜Ｈｍｉｄ＜ＨＣ２）を印加することによって、２つの磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。なお、この磁界の印加は、電極５１，５２を形成する前でもよく、形成した後でもよい。
磁化固定層１１，１２に用いる材料としては、希土類金属と遷移金属との合金（例えば、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＤｙＣｏ、ＤｙＣｏＦｅ、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等）の上に遷移金属薄膜を積層したものや、遷移金属／貴金属系多層膜（例えば、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜等）や、遷移金属と貴金属との合金（例えば、ＣｏＰｔ合金、ＦｅＰｔ合金等）等が挙げられる。その他，Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ合金／Ｐｔ多層膜等がある。なお、前記遷移金属としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等、前記貴金属としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ等が挙げられる。
また、磁化固定層１１，１２のうちの一方を、Ｒｕ等の磁気交換結合膜を備えた多層構造、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＴｂＦｅＣｏ等とすることが好ましい。このような構成により、前記のＨｍａｘやＨｍｉｄ等の磁界を印加することなく、２つの磁化固定層１１，１２の磁化を反平行な状態に初期設定することができる。
磁化固定層１１，１２の厚さは特に限定されるものではないが、磁化固定層１１，１２が薄すぎると保磁力が低下し、一方、厚すぎると垂直磁気異方性が劣化する。したがって、磁化固定層１１，１２の厚さは、３〜５０ｎｍが好ましい。また、第１磁化固定層１１と第２磁化固定層１２との間隔は、開口率の増大および加工性等の観点から、１０〜３００ｎｍが好ましい。なお、磁化自由層３の膜厚が通常素子（すなわち、従来の光変調素子）と同じである場合を想定すると、スピン注入磁化反転のスピントルクを与える磁化固定層が、磁化自由層３に対して２枚あると考えられるので、光変調素子１のサイズは、通常素子（例えば、３００ｎｍ×１００ｎｍ×２素子）の２倍程度（例えば、３００ｎｍ×４００ｎｍ×１素子）まで大きくすることができる。
（中間層）
第１中間層２１および第２中間層２２は、それぞれ、磁化自由層３と第１磁化固定層１１との間、および、磁化自由層３と第２磁化固定層１２との間に配置される層である。中間層２１，２２は、磁化自由層３の磁化状態と磁化固定層１１，１２の磁化状態とを分離するために必要であり、後記する「光変調素子の磁区状態の変移」で説明するとおり、磁化自由層３と磁化固定層１１，１２との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。このように、中間層２１、２２はスピンの通路として機能するため、中間層２１、２２には、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いることが好ましい。
第１中間層２１および第２中間層２２は、それぞれ、磁化自由層３と第１磁化固定層１１との間、および、磁化自由層３と第２磁化固定層１２との間に配置される層である。中間層２１，２２は、磁化自由層３の磁化状態と磁化固定層１１，１２の磁化状態とを分離するために必要であり、後記する「光変調素子の磁区状態の変移」で説明するとおり、磁化自由層３と磁化固定層１１，１２との間でスピン偏極した電子をやり取りする際の通路として機能する。このように、中間層２１、２２はスピンの通路として機能するため、中間層２１、２２には、スピン軌道相互作用が小さく、スピン拡散長（スピンを保持する距離）の長い材料を用いることが好ましい。
光変調素子１がＣＰＰ−ＧＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、中間層２１、２２として、非磁性金属が用いられる。この場合、非磁性金属材料としてはＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましく、ＺｎＯ等の半導体材料を用いてもよい。また、その厚さは、スピン偏極した電子がスピン状態を十分に保ったまま流れるように、２〜６ｎｍが好ましい。
また、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、中間層２１、２２として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。中間層２１、２２を絶縁体層とすることにより、光変調素子１の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を改善することができ、ＭＲ比に反比例する磁化反転電流を低減することができる。また、ＴＭＲ型の場合には、中間層２１、２２の厚さは、０．６〜２ｎｍ程度が好ましい。
また、ＴＭＲ型の磁気抵抗効果素子の場合には、中間層２１、２２として、マグネシア（ＭｇＯ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ＭｇＦ２等の絶縁材料が用いられる。中間層２１、２２を絶縁体層とすることにより、光変調素子１の磁気抵抗効果比（ＭＲ比）を改善することができ、ＭＲ比に反比例する磁化反転電流を低減することができる。また、ＴＭＲ型の場合には、中間層２１、２２の厚さは、０．６〜２ｎｍ程度が好ましい。
以上、本発明に係る光変調素子１の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、以下の構成としてもよい。
［第２実施形態］
図１（ｂ）に示すように、本発明に係る光変調素子１Ａは、光を透過させる基板７上に形成され、磁化自由層３と、中間層２Ａと、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２と、保護層４１，４２と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有する。中間層２Ａの形態および保護層４１，４２以外については、前記第１実施形態に係る光変調素子１と同様であるため、ここでは、中間層２Ａの形態および保護層４１，４２について説明する。
図１（ｂ）に示すように、本発明に係る光変調素子１Ａは、光を透過させる基板７上に形成され、磁化自由層３と、中間層２Ａと、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２と、保護層４１，４２と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有する。中間層２Ａの形態および保護層４１，４２以外については、前記第１実施形態に係る光変調素子１と同様であるため、ここでは、中間層２Ａの形態および保護層４１，４２について説明する。
（中間層の形態）
図１（ｂ）に示すように、中間層２Ａについては、ＴＭＲ型の素子とする場合には、中間層２Ａに絶縁材料を用いるため、同一平面上に分離したものとせず、磁化自由層３と同様に１つの中間層２Ａとして形成してもよい。このような構成とすることで、後記する光変調器の製造方法において、素子膜をエッチングやミリング加工等により掘り下げる際に、素子膜の中央を中間層２Ａの上面または途中まで除去すればよいため、過度なエッチング等が行なわれた場合であっても、磁化自由層３が損傷することを防止できる。
図１（ｂ）に示すように、中間層２Ａについては、ＴＭＲ型の素子とする場合には、中間層２Ａに絶縁材料を用いるため、同一平面上に分離したものとせず、磁化自由層３と同様に１つの中間層２Ａとして形成してもよい。このような構成とすることで、後記する光変調器の製造方法において、素子膜をエッチングやミリング加工等により掘り下げる際に、素子膜の中央を中間層２Ａの上面または途中まで除去すればよいため、過度なエッチング等が行なわれた場合であっても、磁化自由層３が損傷することを防止できる。
（保護層）
保護層４１，４２は、必要に応じて、それぞれ第１磁化固定層１１とＸ電極５１との間、および、第２磁化固定層１２とＹ電極５２との間に設けられる層である。保護層４１，４２は、磁化固定層１１，１２の酸化や現像処理時のアルカリ性薬品等によるダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１Ａを形成する際の熱処理における磁化固定層１１，１２の酸化を防止する。また、保護層４１，４２を構成する材料には、熱処理の際に磁化固定層１１，１２を構成する材料と反応しない性質が求められる。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ等を用いることができる。特にＲｕは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明の光変調素子１Ａに用いることが好ましい。なお、ここでは、１つの中間層２Ａとした光変調素子１Ａについて例示しているが、第１実施形態の光変調素子１においても、保護層４１，４２を備える構成としてもよい。
保護層４１，４２は、必要に応じて、それぞれ第１磁化固定層１１とＸ電極５１との間、および、第２磁化固定層１２とＹ電極５２との間に設けられる層である。保護層４１，４２は、磁化固定層１１，１２の酸化や現像処理時のアルカリ性薬品等によるダメージを防止する役割を担う層であり、特に、光変調素子１Ａを形成する際の熱処理における磁化固定層１１，１２の酸化を防止する。また、保護層４１，４２を構成する材料には、熱処理の際に磁化固定層１１，１２を構成する材料と反応しない性質が求められる。このような要求を満たす材料として、Ｔａ、Ｒｕ等を用いることができる。特にＲｕは、それ自体が酸化されても抵抗率が増大しないため本発明の光変調素子１Ａに用いることが好ましい。なお、ここでは、１つの中間層２Ａとした光変調素子１Ａについて例示しているが、第１実施形態の光変調素子１においても、保護層４１，４２を備える構成としてもよい。
［その他］
その他、前記各実施形態では、垂直磁化の場合について説明したが、磁化方向が層表面と平行な方向である面内磁化であってもよい。面内磁化の場合には、磁化自由層３および磁化固定層１１，１２には、面内磁気異方性を有する材料を使用する。なお、磁化固定層１１，１２のうちの一方を磁気交換結合膜を備えた多層構造とする場合、面内磁化であれば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（ＩｒＭｎの代わりに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を用いることも可能）等とすることが好ましい。
その他、前記各実施形態では、垂直磁化の場合について説明したが、磁化方向が層表面と平行な方向である面内磁化であってもよい。面内磁化の場合には、磁化自由層３および磁化固定層１１，１２には、面内磁気異方性を有する材料を使用する。なお、磁化固定層１１，１２のうちの一方を磁気交換結合膜を備えた多層構造とする場合、面内磁化であれば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ（ＩｒＭｎの代わりに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ等の反強磁性材料を用いることも可能）等とすることが好ましい。
≪空間光変調器≫
次に、本発明の空間光変調器について、ここでは、図１（ａ）の光変調素子１を用いた場合を例にして説明する。
［第１実施形態］
図２に、空間光変調器１０の構成を底面から見た模式図を示す。
図２に示すように、空間光変調器１０は、前記記載の光変調素子１を用いたものであり、光を透過させる基板７（図１参照）と、この基板７上に２次元配列された複数の画素４と、複数の画素４から１以上の画素４を選択する画素選択手段（画素選択部９４）と、この画素選択手段が選択した画素４に所定の電流を供給する電流供給手段（電源９３）と、を備える。画素選択手段および電流供給手段の駆動（動作）は、電流制御手段である電流制御部９０により制御されている。そして、空間光変調器１０は、基板７を透過して画素選択手段が選択した画素４に入射した光の偏光の向きを特定の方向に変化させて回折して出射する。
以下、各構成について説明する。
次に、本発明の空間光変調器について、ここでは、図１（ａ）の光変調素子１を用いた場合を例にして説明する。
［第１実施形態］
図２に、空間光変調器１０の構成を底面から見た模式図を示す。
図２に示すように、空間光変調器１０は、前記記載の光変調素子１を用いたものであり、光を透過させる基板７（図１参照）と、この基板７上に２次元配列された複数の画素４と、複数の画素４から１以上の画素４を選択する画素選択手段（画素選択部９４）と、この画素選択手段が選択した画素４に所定の電流を供給する電流供給手段（電源９３）と、を備える。画素選択手段および電流供給手段の駆動（動作）は、電流制御手段である電流制御部９０により制御されている。そして、空間光変調器１０は、基板７を透過して画素選択手段が選択した画素４に入射した光の偏光の向きを特定の方向に変化させて回折して出射する。
以下、各構成について説明する。
（基板）
基板７は、光変調素子１、電極５１，５２を形成するための土台となるものである。空間光変調器１０では、後記するように、基板７を透過して光変調素子１に入射した後に回折される光を利用するため、基板７としては、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、サファイア、石英ガラス等の透過性に優れた透明基板を用いる。
基板７は、光変調素子１、電極５１，５２を形成するための土台となるものである。空間光変調器１０では、後記するように、基板７を透過して光変調素子１に入射した後に回折される光を利用するため、基板７としては、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、サファイア、石英ガラス等の透過性に優れた透明基板を用いる。
（画素）
画素４は、空間光変調器１０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。すなわち、画素アレイ４０は、平面視で複数のＸ電極５１と、平面視でＸ電極５１と直交する複数のＹ電極５２と、を備え、Ｘ電極５１とＹ電極５２との交点毎に１つの画素４を設ける。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。
画素４は、空間光変調器１０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。すなわち、画素アレイ４０は、平面視で複数のＸ電極５１と、平面視でＸ電極５１と直交する複数のＹ電極５２と、を備え、Ｘ電極５１とＹ電極５２との交点毎に１つの画素４を設ける。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。
画素４は、光変調素子１と、２つの磁化固定層１１，１２上にそれぞれ接続され、光変調素子１に電流を供給する一対の電極５１，５２と、を有している。また、光変調素子１の溝部（磁化固定層１１，１２間、中間層２１，２２間）や、隣り合うＸ電極５１，５１間、光変調素子１，１間、およびＹ電極５２，５２間等、すなわち、図２の空白部分は、絶縁部材６で埋められている。
〈光変調素子〉
光変調素子１は、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に一定の電流を供給したときに、光変調素子１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて回折する役割を担う。光変調素子１の平面視での大きさは、一例として、磁化自由層３の幅（横方向の長さ）（ここでの幅とは、２つの磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向、以下同じ）が４００ｎｍ、長さ（縦方向の長さ）が３００ｎｍ、あるいは、幅が３００ｎｍ、長さが４００ｎｍ等である。また、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２の幅がそれぞれ１５０ｎｍ、第１磁化固定層１１と第２磁化固定層１２との間隔が１００ｎｍ等である。ただし、光変調素子１等の大きさは、これに限定されるものではない。
光変調素子１は、Ｘ電極５１とＹ電極５２との間に一定の電流を供給したときに、光変調素子１に入射した入射光の偏光面をカー効果により一定角度回転させて回折する役割を担う。光変調素子１の平面視での大きさは、一例として、磁化自由層３の幅（横方向の長さ）（ここでの幅とは、２つの磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向、以下同じ）が４００ｎｍ、長さ（縦方向の長さ）が３００ｎｍ、あるいは、幅が３００ｎｍ、長さが４００ｎｍ等である。また、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２の幅がそれぞれ１５０ｎｍ、第１磁化固定層１１と第２磁化固定層１２との間隔が１００ｎｍ等である。ただし、光変調素子１等の大きさは、これに限定されるものではない。
また、空間光変調器１０では、光変調素子１は、二次元マトリックス状（縦横に一定間隔で二次元配置された状態）に配置されており、ここでは、１個の光変調素子１が１画素となっている。また、光変調素子１の形状は、例えば正方形や長方形（矩形）が挙げられるが、その他の形状であってもよい。光変調素子１同士のピッチは、電極５１，５２および光変調素子１の成膜技術（半導体製造プロセスが好適に用いられる）の精度に依存し、適宜、定められ、例えば１μｍ以下である。この光変調素子１は、第１磁化固定層１１と第２磁化固定層１２が、それぞれ一対の電極であるＸ電極５１とＹ電極５２に接続されて、層面に垂直に電流が供給される（図１参照）。
〈Ｘ電極およびＹ電極〉
Ｘ電極５１は、光変調素子１に電流を供給するための一対の電極のうち、片方の電極であり、Ｙ電極５２は、もう一方の電極である。Ｘ電極５１およびＹ電極５２を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。そして後記するように、入射偏光は基板７側から光変調素子１に入射し、磁化自由層３で回折されるため、電極５１，５２は光を透過させる必要がない。そのため、電極５１，５２を、透明材料で構成する必要はない。電極５１，５２の幅は、基板７上に形成する光変調素子１の形状に合わせて、適宜、定められる。空間光変調器１０では、光変調素子１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、Ｘ電極５１は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で第１磁化固定層１１上に設けられている。また、Ｙ電極５２も、その長手方向がＸ電極５１の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されて、第２磁化固定層１２上に設けられている。
Ｘ電極５１は、光変調素子１に電流を供給するための一対の電極のうち、片方の電極であり、Ｙ電極５２は、もう一方の電極である。Ｘ電極５１およびＹ電極５２を構成する材料としては、安価で導電性に優れた銅（Ｃｕ）が好適に用いられるが、これに限定されるものではなく、金（Ａｕ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を用いてもよい。そして後記するように、入射偏光は基板７側から光変調素子１に入射し、磁化自由層３で回折されるため、電極５１，５２は光を透過させる必要がない。そのため、電極５１，５２を、透明材料で構成する必要はない。電極５１，５２の幅は、基板７上に形成する光変調素子１の形状に合わせて、適宜、定められる。空間光変調器１０では、光変調素子１を縦横に一定間隔で二次元配置する構成としているため、Ｘ電極５１は、帯状の形状を有し、一定幅かつ一定間隔で第１磁化固定層１１上に設けられている。また、Ｙ電極５２も、その長手方向がＸ電極５１の長手方向と直交するように、一定間隔で平行に配置されて、第２磁化固定層１２上に設けられている。
〈絶縁部材〉
絶縁部材６は、Ｘ電極５１およびＹ電極５２の電極や、光変調素子１，１間を絶縁するための部材である。絶縁部材６としては、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
絶縁部材６は、Ｘ電極５１およびＹ電極５２の電極や、光変調素子１，１間を絶縁するための部材である。絶縁部材６としては、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3等の従来公知の絶縁材料を用いればよい。
（電源および画素選択部）
電源９３および画素選択部９４の駆動動作は、電流制御部９０により制御される。
〈電流制御部〉
図２に示すように、電流制御部９０は、空間光変調器１０の駆動動作を制御する。そして、電流制御部９０は、画素選択部９４（画素選択手段）と、画素選択部９４によって制御される電源９３（電流供給手段）とを備える。
電源９３および画素選択部９４の駆動動作は、電流制御部９０により制御される。
〈電流制御部〉
図２に示すように、電流制御部９０は、空間光変調器１０の駆動動作を制御する。そして、電流制御部９０は、画素選択部９４（画素選択手段）と、画素選択部９４によって制御される電源９３（電流供給手段）とを備える。
Ｘ電極選択部９１は、複数のＸ電極５１にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。Ｙ電極選択部９２もこれと同様に、複数のＹ電極５２にそれぞれ対応して設けられた複数のスイッチング素子から構成される。各スイッチング素子へは電源９３から一定電流が供給されており、駆動対象となる光変調素子１にＸ電極５１を介して接続されているスイッチング素子、および、Ｙ電極５２を介して接続されているスイッチング素子が、画素選択部９４からの指令（動作信号）を受けて導通動作を行うことにより、その光変調素子１に電流が供給される。駆動対象となっている光変調素子１の選択と、この光変調素子１を駆動するためにスイッチング素子の動作制御は、画素選択部９４によって行われる。
電源９３は電流反転機能を備えている。つまり、Ｘ電極５１に正電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に負電流を供給することができ、逆に、Ｘ電極５１に負電流を供給すると共に、Ｙ電極５２に正電流を供給することもできるようになっている。この電源９３の電流反転機能の制御もまた画素選択部９４により行われる。
画素選択部９４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２および電源９３の動作制御が行われる。なお、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２による各選択は、画素選択部９４に、人為的に予め所望のプログラムを設定し、このプログラムを実行することで行なわれる。
画素選択部９４は、所謂、コンピュータであり、図示しない中央演算装置がＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２および電源９３の動作制御が行われる。なお、Ｘ電極選択部９１、Ｙ電極選択部９２による各選択は、画素選択部９４に、人為的に予め所望のプログラムを設定し、このプログラムを実行することで行なわれる。
＜空間光変調器の動作＞
次に、空間光変調器１０の動作について、図３を参照して説明する。
まず、光源である光学系ＯＰＳから、レーザー光が照射される。この光学系ＯＰＳから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを基板７の下方の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０（図２参照）のすべての画素４に所定の入射角で入射する。入射偏光は、それぞれの画素４において、基板７を透過して光変調素子１に入射し、当該光変調素子１の磁化自由層３によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した出射偏光として光変調素子１から出射し、再び基板７を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、偏光子ＰＦｏに到達する。偏光子ＰＦｏは、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θｋ旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器ＰＤに入射する。一方、角度−θｋ旋光した偏光は、偏光子ＰＦｏを透過できない。なお、偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
次に、空間光変調器１０の動作について、図３を参照して説明する。
まず、光源である光学系ＯＰＳから、レーザー光が照射される。この光学系ＯＰＳから照射されたレーザー光は様々な偏光成分を含んでいるので、これを基板７の下方の偏光子ＰＦｉを透過させて、１つの偏光成分の光とする。以下、１つの偏光成分の光を偏光と称する。この偏光（入射偏光）は、画素アレイ４０（図２参照）のすべての画素４に所定の入射角で入射する。入射偏光は、それぞれの画素４において、基板７を透過して光変調素子１に入射し、当該光変調素子１の磁化自由層３によるカー効果により、偏光方向が所定角度回転した出射偏光として光変調素子１から出射し、再び基板７を透過して画素４から出射する。それぞれの画素４から出射したすべての出射偏光は、偏光子ＰＦｏに到達する。偏光子ＰＦｏは、特定の偏光、ここでは入射偏光に対して角度θｋ旋光した偏光のみを透過させ、この透過した出射偏光が検出器ＰＤに入射する。一方、角度−θｋ旋光した偏光は、偏光子ＰＦｏを透過できない。なお、偏光子ＰＦｉ，ＰＦｏはそれぞれ偏光板等であり、検出器ＰＤはスクリーン等の画像表示手段やカメラ等である。
このように、角度θｋ旋光した場合の回折光（出射偏光）は偏光子ＰＦｏを通過することができるが、角度−θｋ旋光した場合の回折光は偏光子ＰＦｏを通過することができない状態を作り出すことができる。空間光変調器１０は、前記の通りＸ電極５１とＹ電極５２とを選択的に駆動（電流供給）して所望の光変調素子１に電流を流すことができるようになっているため、光変調素子１毎に（画素４毎に）磁化自由層３の磁化の向きを電流の向きや大きさによって制御し、偏光子ＰＦｏを通過可能な回折光とするか通過不能な回折光とするかによって、回折光の強弱（コントラスト）を制御することができる。
また、磁化自由層３によるカー効果の大きさ（カー回転角の大きさ）によって回折光のコントラストの強弱比が決まる。図３に示すように、角度θｋ旋光して回折光を透過するか、または、角度−θｋ旋光して遮光するかの状態の場合、カー回転角（−θｋ，θｋ）が一定角度以上ある場合には、高いコントラストを得ることができるが、カー回転角が小さい場合には、低コントラストとなる。なお、図３のように磁化自由層３の磁化の向きが下向きである場合に光検出器の出力が「明状態」となり、逆に磁化自由層３の磁化の向きが上向きである場合には「暗状態」となる。
＜光変調素子の磁区状態の変移＞
次に、光変調素子１の磁区状態の変移について、図４を参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、初期状態として、磁化の方向は、磁化自由層３では下向き、第１磁化固定層１１では上向き、第２磁化固定層１２では下向きであるとする。
次に、光変調素子１の磁区状態の変移について、図４を参照して説明する。
図４（ａ）に示すように、初期状態として、磁化の方向は、磁化自由層３では下向き、第１磁化固定層１１では上向き、第２磁化固定層１２では下向きであるとする。
この状態から、図４（ｂ）に示すように、Ｘ電極５１を負、Ｙ電極５２を正としてパルス電流を供給すると、Ｘ電極５１から注入された電子において、上向きスピンの電子ｄ１は第１磁化固定層１１を通過するが、下向きスピンの電子ｄ２は第１磁化固定層１１を通過することができない。すなわち、Ｘ電極５１から注入された電子は第１磁化固定層１１によって弁別され、第１磁化固定層１１の内部で第１磁化固定層１１の磁化方向にスピンを揃え（スピン偏極）、そのスピン偏極した電子（上向きスピンの電子ｄ１）が第１中間層２１内をスピンを保持したまま通過し、磁化自由層３に注入される。そして、磁化自由層３の内部では、磁化自由層３の磁化方向を決定づける内部電子と注入されたスピン偏極電子との相互作用により、局所的なスピントルクという力が生じて磁化自由層３内の磁化方向を決定づける内部電子のスピンを反転させる。そのために、結果として第１磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生ずる。
同時に、第２磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３内の電子において、下向きスピンの電子ｄ２は第２磁化固定層１２を通過するが、上向きスピンの電子ｄ１は第２磁化固定層１２を通過することができない。すなわち、磁化自由層３内の電子は、下向きスピンの電子ｄ２のみが第２磁化固定層１２内をスピンを保持したまま通過することで第２磁化固定層１２によって弁別される。これにより、第２磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３には上向きスピンの電子ｄ１が留まり、この上向きスピンによるトルクのため、第２磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化が反転し、結果的に図４（ｂ）から図４（ｃ）の状態に移行する。
そして、図４（ｃ）に示すように、この状態では、磁化自由層３の磁化の方向は、上向きとなる。この状態から、図４（ｄ）に示すように、Ｘ電極５１を正、Ｙ電極５２を負としてパルス電流を供給すると、第２磁化固定層１２によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２が磁化自由層３に注入され、下向きスピンによるトルクのため、第２磁化固定層１２の直下付近の磁化自由層３から磁化反転が生じる。同時に、第１磁化固定層１１によって弁別された下向きスピンの電子ｄ２の下向きスピンによるトルクのため、第１磁化固定層１１の直下付近の磁化自由層３からも磁化反転が生じる。このように、適当な幅のパルス電流を供給することにより、磁化自由層３の磁化方向が反転し、結果的に図４（ｄ）から図４（ａ）の状態に移行する。
このように、磁化自由層３の磁化の向きは、パルス電流を流す向きによって制御することができるため、パルス電流によって回折する光の偏光面を制御する光変調素子１として動作させることができる。なお、パルス電流ではなく、直流電流であってもよい。また、ここでは電流を供給するものとして説明したが、電圧を印加するものであってもよい。なお、パルス供給後の磁化の向きはそのまま保持され、別途電流を流す必要はない。すなわち、本発明の光変調素子１は自らメモリ機能を有する。
そして、２つの磁化固定層１１，１２を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層３の磁化反転が効率よく起きるため、画素４の開口率を増大させることができる。
そして、２つの磁化固定層１１，１２を備えることで、スピン注入の効率を向上させることができ、また、光の入射面（出射面）の面積を広くしても磁化自由層３の磁化反転が効率よく起きるため、画素４の開口率を増大させることができる。
＜光変調器の製造方法＞
次に、空間光変調器１０の製造方法の一例について、図１、２を適宜参照して説明する。なお、ここでは、保護層４１，４２を設けない場合について説明する。
次に、空間光変調器１０の製造方法の一例について、図１、２を適宜参照して説明する。なお、ここでは、保護層４１，４２を設けない場合について説明する。
まず、基板７上に磁化自由層３、中間層２１，２２、磁化固定層１１，１２を構成するための各層膜をこの順に、スパッタリング法（例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング）等、公知の技術を用いて、真空中で一貫して製膜し、素子膜を形成する。また、基板７上に形成された素子膜に対して、必要に応じて、熱処理を施す。この熱処理は、光変調素子１の特性を向上させ、また、後に行われるフォトリソグラフィプロセス中における光変調素子１の特性変化を抑制するために行われる。熱処理条件としては、例えば１９０〜５００℃で１時間の真空熱処理を行う。
次に、素子膜の層上に、画素サイズのレジストを形成し、レジストパターンを形成する。レジストの形成は、光変調素子１のサイズに応じて所定サイズのレジストパターンをメサパターンとなるように、ＥＢ（電子ビーム）露光法等により形成する。そして、レジストパターンのレジストが形成されていない部位について、素子膜の膜厚方向に、基板７の上面まで（表面が露出するまで）除去する。除去については、エッチング、あるいはＡｒイオン等を用いたイオンビームミリング法によるミリング加工等により行なうことができる。
その後、レジストを剥離せずに、アルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁部材６）を全面に堆積し、ミリング加工等により形成された溝を絶縁部材６で埋める。絶縁部材６の形成は、反応性スパッタリング法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法等により行うことができる。溝に堆積する絶縁部材６の厚さは、溝深さと同程度か、それ以上厚くする。また、レジストを除去する前に堆積するため、レジスト上にも絶縁部材６が堆積する。
絶縁部材６を堆積した後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフ（レジストの剥離）する。あるいは、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）法により、レジストを除去してもよい。なお、ＣＭＰ処理等を行う場合には、最上部に形成されている磁化固定層１１，１２の厚さが所定値となるように、成膜時に研磨厚さ分だけ厚く形成しておいてもよい。
次に、素子膜の中央部を分断するような孔の空いたレジストパターンを形成し、ミリング加工等により素子膜の中央を磁化自由層３の上面まで除去するか（図１（ａ）参照）、あるいは、中間層２Ａの上面または途中まで除去する（図１（ｂ）参照）。その後、レジストを剥離せずに、アルミナや酸化珪素等の絶縁材料（絶縁部材６）を再び全面に堆積し、前記と同様の方法でミリング加工等により形成された溝を絶縁部材６で埋める。溝に堆積する絶縁部材６の厚さは、溝深さと同程度か、それ以上厚くする。また、レジストを除去する前に堆積するため、レジスト上にも絶縁部材６が堆積する。絶縁部材６を堆積した後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフする。あるいは、ＣＭＰ法により、レジストを除去してもよい。
レジストを除去した後、第１磁化固定層１１上にＸ電極５１、第２磁化固定層１２上にＹ電極５２を、これらが直交するように所定間隔で形成する。この電極の形成は、素子膜の形成方法と同様にして行うことができる。そして、Ｘ電極５１間、Ｙ電極５２間には、絶縁部材６が充填される。
以上、本発明に係る空間光変調器１０の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、以下の構成としてもよい。
［第２実施形態］
図５、６に示すように、空間光変調器１０Ａは、配列された、２つの磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの画素４において、光変調素子１の２つを、１つの同じＹ電極５２に接続される２つの光変調素子１の第２磁化固定層１２を一体として１つの一体型素子１５としたものである。具体的には、図６に示すように、１つの光変調素子１の第２磁化固定層１２と、この光変調素子１に隣り合う光変調素子１の第２磁化固定層１２とが１つの磁化固定層Ｆとして構成されている。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
図５、６に示すように、空間光変調器１０Ａは、配列された、２つの磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの画素４において、光変調素子１の２つを、１つの同じＹ電極５２に接続される２つの光変調素子１の第２磁化固定層１２を一体として１つの一体型素子１５としたものである。具体的には、図６に示すように、１つの光変調素子１の第２磁化固定層１２と、この光変調素子１に隣り合う光変調素子１の第２磁化固定層１２とが１つの磁化固定層Ｆとして構成されている。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
すなわち、一体型素子１５は、磁化固定層が、同一平面上に分離した３つの磁化固定層１１，Ｆ，１１からなり、この３つの磁化固定層１１，Ｆ，１１のそれぞれが、同一平面上に分離した２つの磁化自由層３，３上に、中間層２２，２２を挟んで積層されたものである。そして、３つの磁化固定層１１，Ｆ，１１のうち中央に位置する磁化固定層Ｆが２つの磁化自由層３，３を跨いで積層され、他の２つの磁化固定層がそれぞれ２つの磁化自由層３，３のうちのいずれか一方に積層されている。そして、３つの磁化固定層１１，Ｆ，１１は、中央に位置する１つの磁化固定層Ｆが他の２つの磁化固定層１１，１１とは反平行な磁化に固定され、かつ２つの磁化自由層３，３よりも保磁力の大きい磁性体である。
このような構成とすることで、光変調素子１における第１磁化固定層１１と第２磁化固定層１２の大きさを異なるものとすることができ、それぞれ異なる保磁力とすることができる。そのため、第１磁化固定層１１および第２磁化固定層１２の磁化を、容易に反平行の状態に固定することができる。
次に、空間光変調器１０Ａの製造方法について、図７を参照して説明する。なお、前記した空間光変調器１０の製造方法と同様の事項については、適宜説明を省略する。
まず、基板７上に磁化自由層用膜３０１、中間層用膜３０２、磁化固定層用膜３０３、第１電極層用膜３０４を積層した素子膜Ａを形成する（図７（ａ））。次に、レジストＢにより素子膜Ａの中央部を分断するような孔の空いたレジストパターンを形成する（図７（ｂ））。その後、素子膜Ａの中央を基板７の上面まで除去し、溝を挟んで、２つの素子膜Ａａ，Ａｂとする（図７（ｃ））。その後、レジストＢを剥離せずに、絶縁部材６を全面に堆積し、形成された溝を中間層用膜３０２の上面の高さまで絶縁部材６で埋め、さらに、磁化固定層用膜３０３を全面に積層し、形成された溝を、中間層用膜３０２上の磁化固定層用膜３０３の上面の高さまで磁化固定層用膜３０３で埋める（図７（ｄ））。これにより、磁化固定層用膜３０３を溝の部分でつなげて一体膜３０３ａとする。なお、これらの際、レジストＢ上にも絶縁部材６が堆積し、さらに、この絶縁部材６上にも磁化固定層用膜３０３が堆積する（図７（ｄ））。
まず、基板７上に磁化自由層用膜３０１、中間層用膜３０２、磁化固定層用膜３０３、第１電極層用膜３０４を積層した素子膜Ａを形成する（図７（ａ））。次に、レジストＢにより素子膜Ａの中央部を分断するような孔の空いたレジストパターンを形成する（図７（ｂ））。その後、素子膜Ａの中央を基板７の上面まで除去し、溝を挟んで、２つの素子膜Ａａ，Ａｂとする（図７（ｃ））。その後、レジストＢを剥離せずに、絶縁部材６を全面に堆積し、形成された溝を中間層用膜３０２の上面の高さまで絶縁部材６で埋め、さらに、磁化固定層用膜３０３を全面に積層し、形成された溝を、中間層用膜３０２上の磁化固定層用膜３０３の上面の高さまで磁化固定層用膜３０３で埋める（図７（ｄ））。これにより、磁化固定層用膜３０３を溝の部分でつなげて一体膜３０３ａとする。なお、これらの際、レジストＢ上にも絶縁部材６が堆積し、さらに、この絶縁部材６上にも磁化固定層用膜３０３が堆積する（図７（ｄ））。
その後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフする（図７（ｅ））。次に、素子膜Ａａ，Ａｂのそれぞれの中央部を分断するような孔の空いたレジストパターンを形成し（図７（ｆ））、それぞれの素子膜Ａａ，Ａｂのそれぞれの中央を磁化自由層用膜３０１の上面まで除去する（図７（ｇ））。次に、レジストＢを剥離せずに、絶縁部材６を再び全面に堆積し、形成された溝を絶縁部材６で埋め、その後、レジスト剥離液に浸して、リフトオフする（図７（ｈ））。次に、一体膜３０３ａ上の第１電極層用膜３０４上、および、一体膜３０３ａ上の溝の部分に第２電極層用膜３０５を積層する（図７（ｉ））。そしてこの第２電極層用膜３０５とこれに接する第１電極層用膜３０４（一体膜３０３ａ上の第１電極層用膜３０４）が一体となってＹ電極５２を形成する。また、紙面上、左右両端の第１電極層用膜３０４，３０４がＸ電極５１となる。
［第３実施形態］
図８に示すように、空間光変調器１０Ｂは、１つの画素４が３つの光変調素子１から構成されており、これらの光変調素子１は、共通の電極５１，５２を備えている。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
図８に示すように、空間光変調器１０Ｂは、１つの画素４が３つの光変調素子１から構成されており、これらの光変調素子１は、共通の電極５１，５２を備えている。その他の構成については、前記第１実施形態の空間光変調器１０と同様である。
このような構成とすることで、複数の光変調素子１を１つの画素４とするため、画素４の多段階表示を可能とすることができる。すなわち、１つの光変調素子１で１画素を構成する場合、１画素は磁化方向の向きに対応した２状態しか取ることができず、１画素の光の階調が例えば「１」で示す明状態と「０」で示す暗状態との２階調となる。しかし、３つの光変調素子１で１画素を構成する場合には、明状態と暗状態との間にある状態、すなわち、明状態よりも暗く、暗状態よりも明るい状態である中間状態を作り出すことができる。具体的には、３つの光変調素子１の磁化の向きが、それぞれ、（１）「上，上，上」、（２）「上，上，下」、「上，下，上」、または、「下，上，上」、（３）「上，下，下」、「下，上，下」、または、「下，下，上」、（４）「下，下，下」である４状態を形成することができる。この４状態に応じて、明暗状態も４段階に変化させることができる。このように、１画素が３つの光変調素子１を備えると、各画素４を、光変調素子１に流す電流の向きや大きさにしたがって、明状態から暗状態（又は暗状態から明状態）へと段階的に変化させることで、複数の異なる中間状態を作り出すことが可能となる。そのため、例えば、この空間光変調器１０Ｂを用いて映像や画像を表示する場合に、精密な階調表現が可能になる。
［その他］
その他、前記各実施形態においては、１つの画素４が、１つまたは３つの光変調素子１を備える場合について説明したが、１つの画素４が備える光変調素子１は、２つでも、４つ以上であってもよい。なお、２つの場合は、前記した中間状態は１つとなる。すなわち、複数の画素４のそれぞれが複数の光変調素子１を有するものとしてもよい。
その他、前記各実施形態においては、１つの画素４が、１つまたは３つの光変調素子１を備える場合について説明したが、１つの画素４が備える光変調素子１は、２つでも、４つ以上であってもよい。なお、２つの場合は、前記した中間状態は１つとなる。すなわち、複数の画素４のそれぞれが複数の光変調素子１を有するものとしてもよい。
また、第２実施形態では、１つの同じＹ電極５２に接続される２つの光変調素子１の第２磁化固定層１２を一体として１つの一体型素子１５としたが、１つの同じＸ電極５１に接続される各光変調素子１の第１磁化固定層１１を一体として１つの一体型素子とし、Ｙ電極５２に接続される光変調素子１の第２磁化固定層１２を分離する構造であってもよい。なお、第１磁化固定層１１同士と第２磁化固定層１２同士をともに一体とすると、マトリックス状に配置された電極５１，５２で任意の１画素を選択できなくなるため、このような構成とはしない。すなわち、配列された、２つの磁化固定層１１，１２が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの画素４において、光変調素子１の２つを、２つの電極５１，５２のうちのいずれか１つの同じ電極（Ｘ電極５１またはＹ電極５２）に接続される２つの光変調素子１の磁化固定層（第１磁化固定層１１または第２磁化固定層１２）を一体として１つの一体型素子とする。また、光変調素子の一部のみを一体型素子としてもよい。
さらには、光変調素子１を磁気抵抗効果素子として、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に用いてもよい。なお、前記各実施形態では、図１（ａ）に示す光変調素子１を例にして説明したが、図１（ｂ）に示す光変調素子１Ａを用いたもので空間光変調器を構成してもよく、その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更した光変調素子を用いたものであってもよい。
１，１Ａ 光変調素子
２Ａ 中間層
３ 磁化自由層
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０，１０Ａ，１０Ｂ 空間光変調器
１１ 第１磁化固定層
１２ 第２磁化固定層
１５ 一体型素子
２１ 第１中間層
２２ 第２中間層
４０ 画素アレイ
４１，４２ 保護層
５１ Ｘ電極（電極）
５２ Ｙ電極（電極）
９０ 電流制御部（電流制御手段）
９１ Ｘ電極選択部
９２ Ｙ電極選択部
９３ 電源（電流供給手段）
９４ 画素選択部（画素選択手段）
２Ａ 中間層
３ 磁化自由層
４ 画素
６ 絶縁部材
７ 基板
１０，１０Ａ，１０Ｂ 空間光変調器
１１ 第１磁化固定層
１２ 第２磁化固定層
１５ 一体型素子
２１ 第１中間層
２２ 第２中間層
４０ 画素アレイ
４１，４２ 保護層
５１ Ｘ電極（電極）
５２ Ｙ電極（電極）
９０ 電流制御部（電流制御手段）
９１ Ｘ電極選択部
９２ Ｙ電極選択部
９３ 電源（電流供給手段）
９４ 画素選択部（画素選択手段）
Claims (5)
- 光を透過させる基板上に形成され、磁化自由層と、中間層と、磁化固定層と、がこの順序で積層されたスピン注入磁化反転素子構造を有し、前記磁化固定層上に接続した一対の電極間に電流が供給され、前記磁化自由層の磁化方向を変化させることによって前記基板を透過して入射した光をその偏光方向を変化させて回折して出射する光変調素子であって、
前記磁化固定層は、同一平面上に分離した２つの磁化固定層からなり、
前記２つの磁化固定層は、互いに反平行な磁化に固定され、かつ前記磁化自由層よりも保磁力の大きい磁性体であることを特徴とする光変調素子。 - 前記２つの磁化固定層のうちの一方は、磁気交換結合膜を備えた多層構造であ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１または請求項２に記載の光変調素子を用いた空間光変調器であって、
光を透過させる基板と、この基板上に２次元配列された複数の画素と、この複数の画素から１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、
前記画素は、前記光変調素子と、前記２つの磁化固定層上にそれぞれ接続され、前記光変調素子に電流を供給する一対の前記電極と、を有することを特徴とする空間光変調器。 - 前記配列された、前記２つの磁化固定層が同一平面上に並んだ方向に隣り合う２つの画素において、前記光変調素子の２つを、１つの同じ電極に接続される前記２つの光変調素子の磁化固定層を一体として１つの一体型素子としたことを特徴とする請求項３に記載の空間光変調器。
- 前記複数の画素のそれぞれが複数の光変調素子を有することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の空間光変調器。
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